4种缓控释氮肥的养分释放特征及肥效

林清火 刘海林 黄艳艳 罗微 蒋先军

摘 要 水田氮肥利用率通常不到旱地的一半，施用缓控释氮肥是提高水田氮肥利用率的有效措施。以常规施肥为对照，通过动力学模拟，研究水稻田4种缓控释氮肥[植物油包膜尿素（PCU）、树脂包膜尿素（JZd）、脲甲醛（UF）、硫包衣尿素（SCU）]的养分释放特征，分析不同缓控释氮肥下水稻的氮素累积吸收量和氮肥利用率。结果表明：（1）4种缓控释氮素肥料28 d的养分累积释放率：JZd（94.5%）>PCU（63.5%）>SCU（52.6%）>UF（22.0%），在0～56 d，4种缓控释氮肥的养分累积释放率均迅速增加；在70 d后养分累积释放率趋于稳定；（2）4种不同缓控释氮肥氮素释放符合Elvoich方程，氮素的释放速率为：JZd>PCU>SCU>UF；（3）PCU的氮肥利用率最高，达到56.8%，比常规施肥处理高15.2%；其次是JZd，氮肥利用率最低的是UF，仅为33.7%；（4）PCU的产量最高，较常规施肥显著提高了17.4%。PCU的氮肥利用率及产量最高，对水田来说是一种较为合适的施肥方式。

关键词 缓控释氮肥；水稻土；养分释放；氮素利用效率；动力学特性

中图分类号 S143.1+5 文献标识码 A

Abstract The coated controlled-release urea for rice nitrogen fertilizer is an effective measure to improve the nitrogen use efficiency. Field experiments were carried out to investigate the effects of plant oil coated urea （PCU）， resin coat urea （JZd）， urea-formaldehyde （UF）， sulfur coated urea （SCU） on rice grain yield and nitrogen use efficiency. The results showed that： （1） the nutrient release rate of the four types of fertilizers at 28d was in the order： JZd（94.5%）> PCU（63.5%）>SCU（52.6%）>UF（22.0%）， between 0–56 d， the four types of fertilizers nitrogen accumulation of nutrient release rate increased rapidly， and tended to be stable after 70 d； （2） the four different slow controlled release nitrogen fertilizers conformed to the Elvoich equation， and b value size of the E1ovich equation was in the order： JZd>PCU>SCU>UF， those were consistent with the nutrient release rate of coated controlled-release urea； （3） the nitrogen absorption of the four types of fertilizers significantly increased at heading stage in rice， and all was higher than conventional fertilization； nitrogen utilization efficiency of PCU （56.8%） was the highest， and followed by JZd application； SCU and conventional fertilization had no significant differences for nitrogen utilization rates； nitrogen fertilizer utilization rate of UF was the lowest as about 33.7%. （4） rice grain yield for PCU application significantly increased by 17.4% compared with conventional fertilization. PCU is more reasonable under current situation because it can maintain high yield of cropping rice while has the highest utilization rate of nitrogen fertilizer.

Keywords slow/controlled release nitrogen fertilizer； paddy soil； nutrient release characteristic； nitrogen use efficiency； characteristics of kinetic

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.09.006

氮肥作為植物生长最重要的肥料之一，直接影响着农作物的产量，而我国的氮肥当季利用率只有30%～35%。减少氮肥损失并提高氮肥利用率是农田氮素管理的关键问题。缓控释肥料是以各种调控机制使养分最初释放延缓，延长植物对其有效养分吸收利用的有效期，使其养分按照设定的释放率和释放期缓慢或控制释放的肥料[1]。20世纪80年代以来，许多欧美发达国家的科学家将研究重点由科学施肥技术转向新型缓控释肥料的研制，从改变化肥自身的特性来大幅度提高肥料的利用率[2]。我国也在1974年由李庆逵等[3]成功研制了长效碳铵，并获得了良好效果，增产显著。缓控释肥料因其肥料利用率高、环境污染小，已经成为国内外新型肥料领域研究的热点[4]。

如何在提高氮肥增产的同时，降低施肥对环境的负面影响是农业可持续发展的必然要求。白灯莎等[5]认为普通氮肥施入土壤后，在氮素循环过程中，经反硝化脱氮、淋失与土壤侵蚀，以及氮挥发等途径，损失十分严重，致使氮肥利用率不高。肥料中氮素养分供应与作物吸收的同步性将促进作物高产和氮素养分高效利用、减少氮素损失和提高氮肥利用效率[6]。已有报道表明，缓控施肥能够改善作物生长发育，提高水稻、小麦、玉米等作物产量[7-9]。对于稻田多种不同缓控释氮肥氮素养分释放等还需要进一步的研究。鉴于此，本研究选择了4种不同缓控释氮肥（PCU、JZd、UF和SCU）以及常规施肥处理，运用差减法和动力学模拟等方法，研究缓控释肥料在稻田土壤中养分累积释放速率、水稻氮素累积吸收量和氮

肥利用率等的影响，旨在为该地区适宜水稻生长的缓控释肥料的选择和开发研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本试验地点为中国热带农业科学院儋州院区试验场五队，地理位置为19°32′N、109?28′E，属于典型的热带海洋性季风气候区，平均温度为21.5～ 28.5 ℃，年日照约2 100 h，年均降雨量为1 607 mm，年平均湿度为83%，海拔高度为144 m，地形较为平坦，土壤类型为砖红壤，土层厚度约100 cm，主要为砂壤土。供试土壤基本性质为：全氮含量2.61 g/kg，有机质含量56.13 g/kg，速效磷含量9.07 mg/kg，速效鉀含量58.79 mg/kg，pH 4.83。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 本实验选用4种不同缓控释氮肥处理来研究水稻土的氮素释放特征，并以常规施肥（CG）处理作为对照试验。其中4种不同缓控释尿素依次为植物油包膜尿素（PCU）、树脂包膜尿素（JZd）、脲甲醛（UF）、硫包衣尿素（SCU），试验中水稻缓控释配方肥处理以缓控释氮肥为控释氮源，通过与磷酸二铵、尿素、氯化钾掺混（具体用量见表1），制备水稻专用肥开展试验。其中缓控释配方肥处理中供试肥料种类及比例如下：（1）氮肥：普通氮肥（占总施氮量40%），缓控释氮肥（占总施氮量60%）；（2）钾肥：氯化钾；（3）磷肥：磷酸二铵。每个处理设3个小区，每个小区面积30 m2，随机区组设计。水稻栽培品种选用II优128，每穴水稻株数为2株。

1.2.2 样品采集与处理 采用埋袋法测定包膜尿素的养分释放率。在水稻插秧时，用0.2 mm的尼龙网袋（12 cm×3 cm）称取控释氮肥10.00 g/袋，每个尼龙袋中各放置3个重复，在水稻插秧后埋入稻田耕层5 cm处。在施肥后（2015年3月23日）的1、7、14、21、28、42、56、70、84、98 d进行采样，每个处理每次取3个重复，将每个处理放入的3个网袋全部取出，把肥料颗粒表面的土壤用蒸馏水冲洗干净、在60 ℃下烘干至恒重并称量，计算出养分释放率。分别在水稻施肥后每间隔14 d（施肥后14、28、56、70、84、98 d）采收植物样品，每小区随机选取长势均匀，取样5穴带回实验室分析测定生物量与养分含量，计算氮素累积吸收量和氮肥当季利用率。

土壤样品采集方法采用S形取样，选取6个点。取0～15 cm土壤样品，将每个小区的土壤样品混合均匀后铺成规则的四边形，然后采用四分法分取样品，将分取的样品放入封口袋中，写好标签后带回实验室风干过筛，用于土壤基本性质的测定。

1.2.3 测定与分析 将土样混合均匀后用四分法取部分土样过1 mm筛，用于速效磷、速效钾的测定；再取部分土样研磨后过0.25 mm筛，用于全氮、有机质和pH的测定。其中全氮采用半微量凯氏定氮法测定；有机质采用重铬酸钾滴定法；pH采用pH计测定（1：2.5的土水比）；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。以上测定均做3个重复。

1.3 数据分析

利用Excel和SPSS 18.0等软件对数据进行方差分析和回归分析，并采用Origin 8.1和Sigma Plot 12.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同缓控释氮肥的养分释放特征

缓控释肥料通过表层覆盖有机或无机聚合物，改变化肥养分的溶出性，从而延长或控制肥料养分在土壤中的释放速率，达到土壤养分供应与作物需肥规律相协调的目的。从图1中可以看出，4种缓控释氮肥28 d 的累积释放率：树脂包膜尿素（94.53%）>植物油包膜尿素（63.54%）>硫包衣尿素（52.63%）>脲甲醛（22.00%），仅树脂包膜尿素没有达到欧洲或国家标准[10]。在整个取样期，4种不同缓控释氮肥的养分累积释放率均为树脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包

衣尿素>脲甲醛；树脂包膜尿素处理在42 d时，其养分释放率已达到100%，完全释放，导致水稻成熟期缺少养分；而脲甲醛处理在98 d之后的养分释放率仅仅达到30%，在水稻收获后都没有完全释放，造成了肥料及养分的浪费。在0～14 d期间，4种不同缓控释氮肥的累积释放率增加较大，之后逐渐趋于平缓。在70 d后，4种不同缓控释氮肥的累积释放率逐渐趋于稳定，没有出现较大的变化。

2.2 缓控释氮素养分释放动力学特性

在土壤培养期间，不同缓控释氮肥氮素的释放和土壤中有机物的矿化条件相似，因此，可以利用一级动力学方程和Elvoich方程对氮素释放过程进行拟合（表2）。由表2可以看出，从相关性和变幅分析，4种不同缓控释氮肥氮素释放用Elvoich方程拟合比较适宜，r值处于0.942～0.968（p<0.05）。但树脂包膜尿素处理的氮素累积释放曲线用一级动力学方程（r=0.991，p<0.05）比Elvoich方程（r=0.957，p<0.05）能更好地拟合。E1ovich方程的参数b值可以用来表征氮素的释放速率。比较4种缓控释氮肥的拟合方程中的b值可发现，树脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛，这与4种缓控释氮肥在土壤中养分释放的实际情况相一致，也证明了Elvoich方程可用来拟合4种缓控释氮肥在水稻土中的氮素释放过程。

2.3 氮素累积吸收量和氮素利用率特征

从图2可以看出，4种缓控释氮肥处理的氮素累积吸收量显著高于常规施肥处理。与常规施肥相比，4种缓控释氮肥处理的氮素累积吸收量在齐穗期提高最为明显，水稻氮素累积吸收量依次：植物油包膜尿素（199.17 kg/hm2）>树脂包膜尿素（170.67 kg/hm2）>脲甲醛（148.04 kg/hm2）>硫包衣尿素（141.49 kg/hm2）>常规施肥（140.01 kg/hm2）。表明缓控释氮肥的氮素在土壤中释放能被作物较好地吸收，有利于减少肥料氮素损失，从而提高肥料利用率。

从图3可以看出，植物油包膜尿素的氮肥利用率最高，达到56.78%，其次是树脂包膜尿素（氮肥利用率为46.95%），这2种缓控释氮肥的氮肥利用率高于常规施肥处理，硫包衣尿素和常规施

肥处理的氮肥利用率无显著差异，氮肥利用率最低的是脲甲醛处理，仅仅达到33.68%。植物油包膜尿素和脲甲醛处理的氮肥利用率差异显著。因此，从氮肥当季利用率来看，植物油包膜尿素是对水稻最适宜的缓控释氮肥。

由图4可知，植物油包膜处理稻谷的氮素累积量最高，达到了125.85 kg/hm2，然后依次为常规施肥处理（118.75 kg/hm2）、树脂包膜处理（115.65 kg/hm2）和硫包衣处理（108.35 kg/hm2），而稻谷氮素累积量最低的为脲甲醛处理，仅为101.03 kg/hm2，与其他缓控释氮肥处理均差异显著。植物油包膜处理氮素累积量最高，硫包衣处理氮素累积量最低，这与水稻氮肥当季利用率以及水稻产量规律相一致。

2.4 不同施肥处理对水稻产量的影响

从图5可以看出，植物油包膜尿素处理的产量是最高的，达到了8 583.58 kg/hm2，其次为树脂包膜尿素处理，产量达到了7 671.18 kg/hm2，但两者没有差异。常规施肥处理产量（7 311.12 kg/hm2）高于硫包衣处理产量（7 271.19 kg/hm2），高于脲甲醛处理产量（7 087.91 kg/hm2），同时这3种产量显著低于植物包膜尿素处理。因此，从产量来看，植物油包膜尿素是最适宜于水稻的缓控释氮肥。

3 讨论

根据我国缓控释肥料行业标准（HG/T 3931- 2007）及缓释肥料国家标准（GB/T 23348-2009）中的规定，通常用缓控释肥料的总氮释放率来表征其养分释放率。戴建军等[10]认为缓控释肥的养分释放期是反映缓控释肥质量的重要评价指标。本研究基于4种不同缓控释氮肥在水稻土中的养分释放特征来评价4种缓控释氮肥的优劣。养分累积释放率可表征养分释放的快慢程度，在整个取样期，4种不同缓控释氮肥的养分累积释放率为树脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛。李敏等[11]的研究也得到类似结果，说明树脂膜控释尿素和植物油包膜尿素能有效控制氮肥释放，使氮肥释放后移，氮素积累高于硫膜控释尿素，为水稻高产提供重要保障。在0～14 d，4种不同缓控释氮肥的累积释放率增加最大；之后逐渐趋于平缓，氮肥在这段时间内的分解转化作用，使土壤中NH4+-N含量大大增加，缓控释氮肥能显著提髙土壤中的氮素含量，土壤铵态氮含量呈先升高后下降的趋势[12]。

Diez等[13]和Jimenez等[14]建立了养分释放速率模型来研究缓控释肥料的养分释放速率和机理模型的系统。试验测定的控释肥料在水中的养分释放速率与一级动力学方程吻合性很好，相关系数达极显著水平[15]，而喻建刚等[16]以Richrads方程的特征参数更能精确地描述包膜缓控释肥料氮素释放特征，能反映出氮素养分最大释放速率出现的时间、累积释放曲线的形状。程冬冬等[17]认为用一级动力学方程拟合高分子缓控释肥氮效果最好，在土壤培养期间缓控释肥料不同形态氮素养分的累积释放量用一级动力学描述是适宜的[18]。本研究利用一级动力学方程和Elvoich方程来对4种不同缓控释氮肥的氮素的释放过程进行拟合，发现用Elvoich方程来对氮素的释放拟合比较适宜。而且E1ovich方程的参数b值的大小为树脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛，这与4种缓控释氮肥在土壤中养分释放速率的实际情况相一致的。

缓控释肥料供给养分的释放速度基本与作物生长发育的需求同步，从而提高作物的肥料利用率[19]。速效肥料的养分释放速率快，且与作物的生长吸收规律不一致，这是造成化肥利用率低的一个主要原因。Wang等[20]研究表明，一次性施用缓控释肥能满足作物从移栽到齐穗的氮素需要，极大地增加了氮素的回收率，减少氮素损失和挥发。本研究中4种缓控释氮肥处理的氮素累积吸收量显著高于常规施肥处理；氮素累积吸收量在齐穗期最为明显提高。水稻氮素累积吸收量大小为植物油包膜尿素>树脂包膜尿素>脲甲醛>硫包衣尿素>常规施肥。控释肥料氮素的释放速率因水稻生育期的不同而不同[21]，植物油包膜尿素的氮肥利用率最高，达到56.78%，其次是树脂包膜尿素，这两种缓控释氮肥的氮肥利用率高于常规施肥处理，硫包衣尿素和常规施肥处理的氮肥利用率没有显著差异，氮肥利用率最低的是脲甲醛处理，仅仅达到33.68%。稻谷的氮素累积符合氮肥当季利用率规律，植物油包膜尿素氮素累积量最大且显著高于脲甲醛氮素累积量。

就产量而言，植物油包膜尿素处理的水稻产量显著大于其他4种施肥模式，与常规施肥相比产量显著提高了17.4%。研究表明，等量条件下施用树脂包膜尿素比普通尿素产量增加了6.4%～ 22%[21-22]，脲甲醛处理前期水稻分蘖较快，说明前期肥料养分溶解释放快，到后期没有提供足够的养分，使得产量最低，浪费了肥料的投入。在植物油包膜尿素处理中，植物生长对养分的吸收利用和氮肥养分释放同步。从5种不同施肥处理可以看出水稻的产量越高，稻谷氮素累积量越多，从肥料中吸收的氮素量越多，氮肥的利用率越高。

综上所述，植物油包膜尿素是对水稻季最好的缓控释氮肥。缓控释肥料能显著地提高作物养分利用率，從而能较大幅度地降低肥料的施用量，还有效地减少了养分的淋溶和流失，对生态环境保护和促进农业可持续发展都具有重要的现实意义。缓控施肥能显著提高双季稻地上部生物量和吸氮量，提高土壤氮素残留，减少氮素损失，提高氮素的利用率[23]。

4 结论

通过对4种缓控释氮肥的养分累积释放率、动力学方程拟合、氮素吸收速率和氮肥利用率以及水稻产量的研究，得到以下结论：缓控释肥中树脂膜控释尿素和植物油包膜尿素能有效控制氮肥释放，使氮肥释放后移；缓控施肥中植物油包膜尿素、树脂包膜尿素均显著提高氮素当季利用率，在保持土壤供氮的同时减少氮素的损失；且植物油包膜尿素显著提高了水稻的产量，在4种不同的缓控释肥处理中，植物油包膜尿素提高了氮肥利用率，增加了产量，是一种较为合适的施肥方法。

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