缓释尿素对土壤和玉米植株氮素及干物质和产量的影响

武 鹏，杨克军，王玉凤，张翼飞，张文超，吴 琼，陈天宇，张鹏飞，庞 晨，王怀鹏，尹雪巍，杨 丽

(黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319)

玉米是我国重要粮食产物，其产量高低影响国家粮食安全和玉米产业的发展[1]，土壤中无机态的氮是作物可以直接吸收利用的矿质态氮，主要以硝态氮和铵态氮为主，其含量多少反映土壤短期内的供氮能力[2]。玉米生长对氮素需求量较大[3]，大多数农田中，土壤自身氮素储量不能有效满足玉米高产优质的需求，生产中需要施入氮肥满足这种需求[4-5]，普通氮肥主要为速溶性肥料，施入土壤后可在短期内溶解，但在短期内不能全部被植物吸收利用[6]，导致氮肥利用率较低[7]。缓释肥料是采用各种机制延缓或控制养分的释放，使肥料养分释放时间和强度与作物养分吸收规律相吻合，协调植物养分需求、保障养分供给和提高作物产量的新型肥料[8]，被认为是促进作物生长，降低氮素损失，提高氮肥利用率和作物产量的有效途径[9-11]。有研究者提出将缓释尿素作追肥在玉米生长时期施入土壤[12]，目的在于调节作物速效和缓效氮素供应，同时减少追肥次数，降低经济成本，提高经济效益。因此缓释肥料作追肥技术的研究与应用对于21世纪中国推动资源节约型和环境友好型绿色农业的发展具有重要意义。前人研究发现不同缓释包膜尿素在不同生态条件下释放速率不同[13]，对于作物影响也不同。刘敏[14]和李伟[15]研究认为缓释尿素能够降低苗期和提高灌浆期和成熟期的土壤硝态氮含量，与普通尿素处理相比提高玉米各生育期的土壤铵态氮含量，肖强[16]认为施用缓释肥能够提高春玉米植株和籽粒的全氮含量，陈艳萍[17]研究认为施用缓释肥提高植株和籽粒氮素积累量是提高玉米产量的关键。前人研究主要集中于一种缓释尿素与普通尿素以不同比例混施或单独作基肥一次性施用于土壤对作物生长期土壤氮素含量和作物产量的影响效果，但是缓释尿素一次基施容易导致作物生育前期植株生长缓慢、干物质积累较低、价格成本过高等系列问题[18]，同时一次性施肥也易导致供肥时间难达玉米生长所需时长，造成后期脱肥[19]。试验数据表明后期追肥能够促进玉米生长发育，提高玉米产量[20-23]。但是对于比较不同缓释尿素对玉米影响的文献较少，普通尿素作基肥，不同缓释尿素作追肥应用于东北盐化草甸土地区玉米的研究更是鲜有报道。本试验通过研究普通尿素作基肥不同缓释尿素作追肥探索适合东北盐化草甸土地区的缓释肥料类型和施肥方式，以期为本地区制定高产高效的配方施肥及新型配方肥的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2016年5月20日至10月18日在黑龙江八一农垦大学农学院试验基地(大庆，46°62′N 125°19′E)进行。供试土壤为盐化草甸土，0～20 cm土层土壤基础肥力见表1。供试玉米品种为庆单3号，供试肥料为树脂包膜尿素(A，含氮量≥45%，山东茂施生态肥料有限公司生产)；硫包膜尿素(B，含氮量≥37%，山东明泉缓释肥料有限公司生产)；植物油包膜尿素(C，含氮量≥55%，中化化肥有限公司生产)；普通尿素(CK，含氮量≥46%，中国石油天然气股份有限公司——昆仑尿素)；硫酸钾(K2O≥50%，国投新疆罗布泊钾盐有限公司——罗布泊农业用硫酸钾)；磷酸二铵(N≥18%，P2O5≥46%，中化化肥有限公司)。

表1 土壤基础地力

1.2 试验设计

供试玉米品种为由大庆市庆发种业有限责任公司选育的庆单3号，根据当地需肥规律，试验在等量普通尿素、磷、钾肥(纯N 60、P2O5120、K2O 90 kg·hm-2)作种肥一次性施入种下8cm基础上，在拔节期前侧施入垄沟不同类型缓释尿素(纯N记160 kg·hm-2)，采用随机区组设4个施氮处理：树脂包膜尿素(A)；硫包膜尿素(B)；植物油包膜尿素(C)；普通尿素(CK)。每个处理3次重复，共12个小区，每小区6行，行长10 m，行距0.65 m，面积39 m2，种植密度60 000株·hm-2，区组两边各设4行保护行。 2016年5月30日播种，10月18日收获，按照常规大田试验进行田间管理。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤指标测定 2016年试验田施基肥前取0～20 cm 耕层土壤，按常规法测定土壤基本理化性质[24-25]。在玉米拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期分4次在每个小区玉米株间距植株10 cm处取0～20 cm土层新鲜土样，每小区3个样点的土壤混合均匀后放入冰盒迅速带回实验室，新鲜土样过5目筛后，采用紫外分光光度法测定土壤硝态氮[24]，采用KCl浸提—靛酚蓝比色法测定铵态氮[24]。各时期新鲜土样自然风干后过0.25 mm孔径筛，采用半微量开氏法测定土壤全氮含量[25]。

1.3.2 植株指标测定 在玉米拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期分4次在每个小区采集有代表性的植株样品3株，带回实验室擦洗干净按叶、茎、鞘、籽粒等器官分解植株，于105℃下杀青30 min，80℃下烘干至恒重，将称重后的样品磨碎后充分混合，采用H2SO4-H2O2湿灰化法消煮处理样品，用凯氏定氮仪(KjelFlex K-360，BÜCHI)测定全氮含量，计算植株吸氮量[26]。

1.4 数据处理与分析

参照Moll等[27]的方法，氮积累总量(g·plant-1)=植株含氮量(%)×生物量。

采用软件Exce2003对数据进行处理，DPS7.05统计软件进行方差分析和LSD法多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同尿素处理对土壤氮素的影响

2.1.1 不同尿素处理对土壤硝态氮含量的影响 旱田土壤中氮素主要以硝态氮为主，硝态氮含量的高低直接反映土壤中氮素的丰缺[3]。不同包膜尿素对春玉米不同生育时期0～20 cm耕层土壤硝态氮含量的影响不同。随着生育时期的推进，所有试验处理中的硝态氮含量均呈现先升高后降低的趋势。拔节期和吐丝期处理CK极显著高于其它处理1.77～3.79 mg·kg-1和5.76～10.37 mg·kg-1，两个时期树脂包膜尿素处理的含量均为处理中最低分别为2.97、13.12 mg·kg-1。吐丝期至灌浆期是玉米生长需肥关键时期，树脂包膜尿素和硫包膜尿素处理的硝态氮含量继续增长，植物油包膜尿素与CK的硝态氮含量开始下降且CK下降最快，灌浆期各处理之间差异极显著。灌浆期之后各处理硝态氮含量开始下降，成熟期处理A与B硝态氮含量显著高于对照CK 5.50、5.93 mg·kg-1，树脂包膜尿素和硫包膜尿素处理差异不显著。

2.1.2 不同尿素处理对土壤铵态氮含量的影响 不同包膜尿素对春玉米不同生育时期0～20 cm耕层土壤铵态氮含量的影响不同，均随着生育期的进行表现为先升高后降低。拔节期各处理铵态氮含量无明显差异，吐丝期处理CK与树脂包膜尿素处理和硫包膜处理差异极显著，CK比缓释尿素处理高3.41～13.91 mg·kg-1。吐丝期至灌浆期玉米需氮量较高，是玉米产量形成的关键时期，此时树脂包膜尿素与硫包膜尿素处理的土壤铵态氮含量均维持在较高的水平，植物油包膜尿素与普通尿素处理铵态氮含量开始下降，灌浆期树脂包膜尿素处理铵态氮含量极显著高于其它处理。灌浆期至成熟期各处理铵态氮含量均下降，成熟期树脂包膜尿素处理含量最高为8.25 mg·kg-1，与其它处理差异极显著。

图1 不同处理土壤硝态氮含量Fig.1 Soil nitrate nitrogen acculumation in different treatment

图2 不同处理土壤铵态氮含量Fig.2 Soil ammonium nitrogen acculumation in different treatment

2.1.3 不同尿素处理对土壤全氮含量的影响 四种不同的尿素对玉米不同生育期0～20 cm耕层土壤的全氮含量影响不同，同时不同生育时期不同包膜尿素处理耕层土壤全氮含量总体变化趋势差异不大。缓释尿素呈先升高后降低的趋势，普通尿素呈下降趋势。普通尿素处理土壤全氮含量在拔节期最高，显著高于其它处理(硫包膜尿素处理除外)。植物油包膜尿素处理全氮含量在吐丝期达到最大值。树脂包膜尿素和硫包膜尿素处理在灌浆期达到最大值，且显著高于其它处理。灌浆期缓释尿素处理高于普通尿素处理0.19～0.24 g·kg-1，树脂包膜尿素处理含量最高为1.72 g·kg-1。成熟期缓释尿素处理显著高于普通尿素(C除外)以树脂包膜尿素处理最高。表明缓释尿素能在玉米生长前期有效控制肥料氮素的释放并保证能够满足玉米生长后期氮素需求高峰期时充足的氮素供应，满足玉米整个生育期的生长需求。

注：同列数据后不同小、大写字母表示在P<0.05和P<0.01水平下的显著性，下同。Note：Different small and big letters in the same column indicate significant difference at 0.05 and 0.01 probability level. The same as below.图3 不同处理土壤全氮含量Fig.3 Soil total nitrogen acculumation in different treatment

2.2 不同尿素处理对植株的影响

2.2.1 缓释尿素对春玉米干物质积累和分配的影响 图4表明，随着玉米生育期的推进，玉米各器官的干物质量逐渐增加，但营养器官所占比例在逐渐降低，生殖器官所占比例逐渐增大。拔节期各处理茎、叶、鞘分别占干物质积累量的9.34%～16.41%、72.96%～75.85%和10.44%～17.39%；吐丝期玉米进入营养生长与生殖生长并进阶段，茎和鞘占地上部干物质积累量比例继续增大，叶片所占比例有所降低，分别为44.24%～45.29%、19.77%～24.5%和30.65%～36.30%；灌浆期随着玉米籽粒的形成生殖器官所占干物质比例迅速增加，其中树脂包膜、硫包膜、植物油包膜和普通尿素处理籽粒所占比例分别为32.52%、33.53%、31.54%和27.21%；成熟期玉米籽粒所占比重达到47.60%～54.84%，树脂包膜尿素处理籽粒干重分别比硫包膜、植物油包膜和普通尿素处理高9.67、13.62和59.72 g·株-1。拔节期各处理之间干物质积累量差异不显著，吐丝期树脂包膜尿素处理显著低于其它处理，普通尿素处理最大分别为39.14 g·株-1和186.39 g·株-1；灌浆期和成熟期缓释尿素处理植株干物质量均显著高于普通尿素处理，树脂包膜尿素处理分别比普通尿素处理高57.01 g·株-1和89.41 g·株-1。

2.2.2 不同尿素处理对玉米氮素积累和分配的影响 养分的吸收、同化和转运影响作物的生长和发育，进而影响作物产量[28]，图5可以看出，随着玉米生育期的推进，营养器官的氮素积累量呈先升高后降低趋势，生殖器官呈增长趋势。拔节期各处理氮素主要分配在叶中，占总吸氮量的81.81%～88.34%；吐丝期玉米进入营养生长与生殖生长并进阶段，茎和鞘的氮素含量占氮素总积累量的比重升高，分别为15.37%～34.05%和6.05%～14.23%，叶所占比重有所下降为51.72%～71.37%；灌浆期是玉米生殖生长的旺盛时期，营养器官叶吸氮量所占比重大幅下降为36.11%～42.89%，生殖器官吸氮量大幅上升[29]，籽粒所占比重为27.22%～41.13%；成熟期籽粒氮素积累量占总积累量的比重达到67.71%～76.43%，远高于其它器官。从氮素积累量来看拔节期普通尿素处理吸氮量最高为59.65 kg·hm-2，显著高于树脂包膜尿素处理；吐丝期各处理之间氮素吸收量差异不明显。灌浆期和成熟期树脂包膜尿素(A)处理氮素吸收量最大，与其它处理差异达到显著水平。

2.3 不同尿素处理对春玉米产量及其构成要素的影响

不同处理产量及其构成要素如表2所示，单从产量水平上来看，缓释尿素处理产量显著高于普通尿素处理，增产幅度为2.22%～18.82%，三种缓释尿素处理间差异显著，树脂包膜尿素产量最高。从产量构成要素来看，四个处理的穗长与行粒数差异未达显著水平。除硫包膜尿素处理外，其它缓释尿素处理秃尖长都小于普通尿素处理。处理A的穗行数显著高于处理C与CK 0.8和1.0行。但缓释尿素处理的百粒重均高于普通尿素，比普通尿素增加1.37～1.72 g，树脂包膜尿素硫包膜尿素百粒重无显著差异。总体来看，增产的主要原因是缓释尿素的施用有效提高了穗行数和百粒重，同时一定程度上减小了秃尖长度。

图4 不同处理玉米干物质积累与分配Fig.4 Accumulation and distribution of maize dry matter under different treatments

图5 不同处理玉米氮素积累和分配Fig.5 Accumulation and distribution of maize N under different treatments

处理穗长/cm秃尖/cm穗行数/行行粒数/粒百粒重/g产量/(kg·hm-2)增产率/%TreatmentLength of panicleBare tip lengthEar rowsLine grain number100-kernel weightYieldYieldincrease rateA19.16aA1.66aA16.4aA37.9aA25.53aA11252.58aA18.82B19.60aA1.99aA15.7abA36.6aA25.25abA10116.91bB6.83C19.74aA1.54aA15.6bA35.8aA24.90bA9680.20cC2.22CK19.67aA1.72aA15.4bA37.0aA23.53cB9470.41dD

3 讨 论

玉米在苗期至拔节期吸氮量占全生育期的6%～7%，拔节期至小喇叭口期为22.7%～26.3%，大喇叭口期到散粉期占22%～31.2%，散粉期之后占35.5%～49.3%。普通尿素主要为速溶性肥料，玉米生育前期大量释放，但短期内不能全部被作物吸收利用，易造成后期脱肥现象。硝态氮和铵态氮是植株可以利用的氮素形态，因此在氮素肥料的研究中，通常把施用肥料后土壤中硝态氮和铵态氮含量作为养分转化特点的指标加以评价[30]。本试验结果表明，由于缓释尿素的释放特性[31]，不同缓释尿素的施用不但满足了玉米整个生育时期对氮素的需求，而且生育后期土壤中的硝态氮和铵态氮含量要高于普通尿素处理，满足了作物的需求。同时土壤中的全氮含量也表现为拔节期缓释尿素低于普通尿素，而在后期缓释尿素的氮素得到充足释放，使土壤全氮保持在较高水平，这与卫丽[32]的研究一致。这是由于普通尿素施入土壤后迅速水解而导致前期普通尿素处理氮素含量高于缓释尿素[33]，而包膜尿素是通过膜上的微孔和裂隙实现对养分的调控，随着生育期的推进，包膜尿素后期继续释放使土壤中氮素含量提高[34]。同时缓释尿素延缓了铵态氮向硝态氮的转化[35]，减弱由于硝态氮的淋洗对环境产生的污染效应，进而将有效氮较长时间的保持在土壤耕层中供植物吸收利用。本试验中三种缓释尿素相比，硫膜和植物油膜易溶解和破碎[33]，所以生育前期硫包膜尿素处理硝态氮含量高于树脂包膜处理，树脂包膜尿素氮素养分释放规律同玉米养分吸收规律更加吻合，本研究中聚氨酯树脂包膜尿素的持续释放时间达70天以上[36]，所以后期树脂包膜尿素处理土壤氮素含量高于硫包膜和植物油包膜处理。

干物质是产量形成的物质基础，在一定范围内，干物质积累量越高意味籽粒产量越高[37]。本试验中，前期各处理生物产量没有显著差异，表明基施较低量的普通尿素就能满足作物前期对氮素的需求，促进干物质积累。成熟期缓释尿素处理的玉米地上部干物质积累显著高于普通尿素处理，成熟期树脂包膜尿素处理干物质积累量分别比硫包膜、植物油包膜尿素和普通尿素处理高89.41、60.92和48.97 g·株-1，这是由于拔节期追施缓释尿素肥效持续时间长能够保证在生育后期为作物源源不断提供充足的氮素养分，这说明缓释尿素处理能够增加玉米干物质积累量，这与前人关于不同包膜缓释尿素的研究结果类似[38]，同时说明树脂包膜尿素与硫包膜和植物油包膜尿素相比更有利于玉米干物质积累[39]。自拔节期到吐丝期，玉米叶干物质量占植株干物质积累量的比例逐渐降低，茎和鞘的分配比例逐渐升高。吐丝期至成熟期，茎、叶和鞘的分配比例随生育期的推进逐渐降低，生长中心向穗部转移，籽粒分配比例逐渐增大[38]。与普通尿素处理相比，吐丝期缓释尿素处理叶、茎和鞘的分配比例较小；成熟期缓释尿素的籽粒分配高达52.43%～54.83%，显著高于普通尿素处理，说明缓释尿素能够提高籽粒的分配比例，有利于吐丝后茎、叶和鞘的干物质向籽粒转移，促进玉米增产。三种缓释尿素相比，吐丝期和灌浆期树脂包膜尿素处理叶的分配比例较小；灌浆期树脂包膜尿素处理茎的比例较高；成熟期树脂包膜尿素籽粒干物质量最大但是分配比例与其它处理无明显差异，说明树脂包膜尿素处理有利于后期茎和叶干物质向籽粒转移，提高产量。

不同氮肥种类显著影响作物对氮素的吸收[40]，氮素的积累量反映了玉米整个生育时期对氮素营养的吸收情况[35]。本试验结果表明，同等施氮量下，缓释尿素处理的玉米吸氮量均显著高于普通尿素处理，这与Shoji[41]和易镇邪[42]等人的研究结果一致。玉米籽粒中的氮一方面来源于抽雄前叶片、茎秆中积累氮素的再转移[43]，另一方面来源于根系的氮素吸收[44-45]。开花至成熟期是玉米氮素吸收运转分配的重要时期[46]。本试验在同等施氮量下，与普通尿素处理相比，吐丝期缓释尿素处理叶片的氮素分配比例较大，茎和鞘的分配比例较小；灌浆期缓释尿素处理茎的氮素分配比例较大，这有利于灌浆期和成熟期氮素向籽粒的转移。缓释尿素处理籽粒氮素吸收量全部高于普通尿素处理，其中树脂包膜尿素处理籽粒氮素吸收量最高，说明籽粒从缓释尿素中吸收的氮素显著高于普通尿素处理[39]，其中树脂包膜尿素对籽粒氮素吸收影响最大。成熟期缓释尿素处理的籽粒吸氮量占总吸氮量的比例达70.15%～71.13%，高于普通尿素处理的67.71%，说明缓释尿素能够提高籽粒的氮素积累与分配比例。

玉米产量受到气象因子、耕作方式、玉米生物性状、养分含量以及籽粒构成因子等多种因素的影响[47-50]，缓释尿素能够协调玉米产量构成因素的关系[51]。本试验中缓释尿素处理的玉米产量极显著高于普通尿素处理，其中树脂包膜尿素处理增产率达到18.82%，说明缓释尿素能够增加玉米穗行数和百粒重[52]，提高玉米产量。

4 结 论

缓释尿素作追肥拔节期前施入，与普通尿素处理相比能够满足春玉米整个生育时期对土壤氮素的需求，同时能够提高春玉米生育后期土壤硝态氮、铵态氮和全氮含量，促进春玉米干物质积累和氮素吸收，提高籽粒干物质和氮素吸收比例，增加春玉米穗行数和百粒重，促进玉米增产2.22%～18.82%。不同缓释尿素由于包膜材料不同所以释放特性不同，要发挥其最好的效益需要确定合适的量和施用方式，本试验条件下表明在东北地区普通尿素作基肥，树脂包膜尿素作追肥施用效果最佳。