控释肥在宁夏灌淤土中的氮素释放特征研究

洪 瑜，赵 营，王 芳，刘汝亮，李友宏，赵天成，陈 晨

(宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002)

宁夏灌淤土是在人为引用含泥沙的水灌溉落淤与耕种施肥交替作用下形成的一种特殊的土壤类型[1]，主要分布在引黄灌区，该区素有“塞上江南”之美誉，是全国优质大米的主产区。当地水稻单季氮肥施用量高达300 kg/hm2[2]甚至更高，从而带来了肥料利用率低，养分流失严重以及水土环境污染等问题。因此在保证水稻产量前提下，如何提高氮素利用率，减少农业污染源头排放具有重要意义。

缓/控释肥料是以各种调控机制使其养分最初释放延缓，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。主要通过包膜、包裹、添加抑制剂等方式，使肥料的分解、释放时间延长，从而达到延长肥料有效期、促进农业增产的目的[3]，是农业部重点推广肥料之一，已经成为新型肥料的研究热点。有研究表明，包膜控释肥可以有效控制养分释放，促进水稻根系生长与氮素吸收，提高肥料利用率，减少氮素损失[4-8]，实现作物增产与农田污染物减排。但是控释肥在不同介质中的氮素释放特性具有很大差异[9]，尤其在不同类型的土壤中其氮素释放特征差异很大[10]。

但是，控释肥在灌淤土这种特殊土壤中的氮素释放特性，对水稻产量与氮素利用的影响尚不清楚。本研究针对灌淤土水稻生产中长期存在过量施肥、肥料利用率低以及农业环境污染问题，以自研聚氨酯包膜控释肥为研究对象，通过静水浸泡与盆栽试验，探讨了几种控释肥的氮素释放特征，评价了其对水稻产量与氮素吸收利用的影响，旨在为研发低成本、高效环保的新型控释肥料并在宁夏灌淤土水稻生产中应用提供理论依据与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于宁夏回族自治区青铜峡市陈袁滩镇沙坝湾村，东经106°16′17″，北纬38°04′61″，该区属典型的中温带大陆性干旱气候，年均降水量174 mm，年蒸发量1 800 mm，平均温度8.5 ℃，全年无霜期165 d，年平均≥10℃积温3 900℃。主要种植方式是水旱轮作，水稻收获后种植作物为春玉米，作物一年一熟。水稻一般每年5月中旬移栽，9月底收获，生育期150 d左右。

1.2 供试材料

1.3 试验设计

1.3.1 静水浸泡试验

本试验于2016年6～9月在宁夏回族自治区土壤与植物营养重点实验室进行，准确称取商品控释肥(MRF)、自研控释肥1(CRF1)、自研控释肥2(CRF2)肥料样品30 g(精确到 0.01 g)，置于250 mL小烧杯中，精确加入200 mL蒸馏水，将漂浮水面试料全部浸入水中，置于25℃恒温培养箱中，分别取样测定 1、3、5、7、10、14、28、42、56、70、84、112 d的氮素累积释放比例与氮素释放速率。

1.3.2 水稻盆栽试验

本试验于2016年6～10月在青铜峡市陈袁滩镇沙坝湾村水稻种植基地网室中进行，设5个处理：不施肥(CK)、平衡施肥(NPK)、商品控释肥(MRF)、自研控释肥1(CRF1)、自研控释肥2(CRF2)。每个处理重复3次。试验各处理N用量均为260 kg/hm2，P2O5和K2O用量均为100 kg/hm2，采用过磷酸钙和氯化钾平衡各处理之间的磷、钾含量差异。NPK处理60%的氮肥和全部磷、钾肥料作基肥施入，剩余40%氮肥平均分2次在水稻分蘖期和孕穗期作追肥施入。其他处理的控释肥和全部氮、磷、钾肥料均作基肥与土混匀后装盆。

每个塑料盆(盆口直径35 cm，高30 cm)装入过0.35 mm筛的风干土28 kg，将称好的土与基肥混匀，先装入盆中10 cm捣实以防止渗水过快，再装入10 cm土层稍加捣实，为防止瓷瓦盆底透气孔漏水，在磁瓦盆下外套一较大的塑料盆，可将渗水循环使用。浇水后3 d土壤坐实后插秧。每盆插5穴，呈梅花状，每穴3株。6月13日插秧，插秧后每天观察水位保证在盆内土面以上5 cm深，到9月17日停水前将水灌满后自然落干，10月7日收获。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 静水浸泡水样采集与测定

定期取出全部浸提溶液，定容到250 mL，采用对二甲氨基苯甲醛显色分光光度法测定水样中尿素含量，然后折算氮素量；试验用商品纯净水作为蒸馏水。

1.4.2 土壤样品采集与测定

装盆前采集土壤样品，测定容重，分析土壤基本理化性质。水稻生长期间，每隔15 d用小型土钻垂直均匀采集新鲜土样,立即带回实验室，1 mol/L KCl 溶液振荡浸提30 min，采用全自动间断分析仪Cleverchem 200 测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

1.4.3 植株样品采集与测定

盆栽水稻生育期117 d 后全部收获考种，采集植株样品，稻谷和秸秆样品烘干粉碎后，采用凯氏定氮法测定全氮含量。

1.5 数据统计分析

氮素累积释放比例(%)=(1 d+2 d+3 d+……+112 d氮素释放量)×100 /肥料中总氮素量

氮肥利用率(%)=(施肥处理吸氮量-不施氮处理吸氮量)× 100 /施氮量

采用SPSS 11.5统计软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 自研控释肥在静水中的氮素释放特征

不同控释肥在静水中的氮素累积释放比例曲线见图1，可以看出，自研制控释肥和商品控释肥中氮素累积释放比例动态差异较大。CRF1、CRF2处理的初期释放率(24 h)分别为2.28%、3.54%(≤15%)，第28 d 的氮素累积释放比例分别为30.58% 、33.17%(≤80%)，由此可见，自研控释肥的氮素初期释放率和28 d累积释放率都符合国家标准GB /T 23348—2009的要求，能够达到缓释效果。MRF处理的初期释放率(24 h)仅为0.88%,28 d 累积释放比例只有25.58%，42 d 才释放34.64% 的氮素，之后快速增加。图2结果表明,CRF1、CRF2处理在静水中的氮素释放速率峰值都在1 d之内，分别达0.18和0.28 g/d，在前28 d内较快，之后缓慢降低。MRF处理在静水中的氮素释放速率变化不大，峰值在3～14 d，达0.07 g/d，之后释放速率依然较平稳，至112 d达到0.05 g/d。总体来说，自研控释肥在112 d 内氮素累积释放比例为54.19%～55.79%，而商品控释肥达到82.64%。与商品控释肥相比，自研控释肥的氮素释放速率在前28 d内依然较快，氮素累积释放比例在112 d内较低，其包膜材料与组合工艺需要进一步优化。

图1 控释肥在静水中氮素累积释放比例动态

图2 控释肥在静水中氮素释放速率动态

2.2 自研控释肥对水稻产量和氮素吸收利用的影响

由表1可见，各施肥处理与CK处理的水稻产量之间存在显著性差异(P<0.05)，施肥是水稻获得高产的保障。各施肥处理的水稻产量之间差异不显著，其中CRF2处理的秸秆产量和子粒产量最高，比NPK处理分别增产了6.33%、10.44%，比MRF处理分别增产了1.31%、4.31%；其次是CRF1处理的秸秆产量和子粒产量较高。谷草比值大，表示植株光合产物转化效率高，不同施肥处理下谷草比表现为：CRF2>CRF1>MRF>NPK。控释肥可以在水稻生育关键期缓慢释放养分供给水稻的需求，为水稻产量形成奠定基础。

表1 不同控释肥对水稻产量及构成因素的影响

注：同列数据后字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。

NPK处理中氮肥的60%作基肥，分蘖期追施20%，由于在水稻分蘖前施入大量氮肥，能够促进水稻分蘖，形成较高的有效穗数，达到37.60穗/盆。控释肥各处理由于前期分解速率慢，氮素供应较少，因此影响到水稻分蘖，比NPK处理减少了4.79%～8.51%；但是由于在水稻生育后期控释肥可以持续提供养分，提高了水稻的穗粒数，比NPK处理增加了11.60%～15.19%；同时，控释肥各处理还降低了水稻子粒的空秕率，提高千粒重，比NPK处理增加了1.24%～2.20%；其中，CRF2处理穗粒数最高，达到41.70粒/穗，因此其水稻产量最高。研究结果表明，自研控释肥更适合宁夏引黄灌区水稻生长需求，保证稻谷产量。

由表2可见，各施肥处理与CK处理的水稻秸秆吸氮量、子粒吸氮量和地上部总吸氮量之间存在显著性差异(P<0.05)，子粒吸氮量占总吸氮量的60%左右。控释肥各处理可以持续供应氮素，满足水稻生育期对养分的需求，提高水稻地上部总吸氮量，比NPK处理增加了3.82%～10.46%，CRF2处理总吸氮量最高，达到150.89 kg/hm2。控释肥各处理的氮肥利用率比NPK处理增加了2.00～5.49个百分点，CRF2处理的氮肥利用率最高，达到36.64%，说明自研控释肥能够保证水稻对氮素的吸收利用，从而提高氮肥利用率，更适宜宁夏引黄灌区水稻生长需求。

表2 不同控释肥对水稻氮素利用的影响

2.3 自研控释肥在土壤中的氮素释放特征

由图3、4、5可见，除CK处理外，不同施肥处理下土壤各种形态氮含量都有不同程度的提高，峰值均出现在水稻插秧后的15 d，土壤硝态氮与无机氮含量的动态变化趋势一致，其中NPK处理的土壤硝态氮与无机氮含量最高，分别为120.53、126.34 mg/kg，随后迅速下降，在75 d时分别下降到31.77、34.00 mg/kg，之后缓慢下降。不同控释肥处理下土壤硝态氮与无机氮含量在75 d前的动态变化均表现为“抛物线”，在75 d之后缓慢下降。第45 d，土壤硝态氮含量表现为：CRF2(99.41 mg/kg)>CRF1(95.63 mg/kg)>MRF(92.98 mg/kg)；土壤无机氮含量：CRF2(104.46 mg/kg)>CRF1(100.59 mg/kg)>MRF(97.75 mg/kg)；在45 d之后，MRF处理的土壤硝态氮与无机氮含量均高于CRF1、CRF2处理。水稻孕穗期前，土壤无机氮含量保持较高水平有利于提高产量。相对于CK处理，控释肥在土壤中的氮素持续释放时间达75 d以上，之后各施肥处理间差异不大。

图3 土壤硝态氮含量的动态变化

图4 土壤铵态氮含量的动态变化

图5 土壤无机氮含量的动态变化

不同施肥处理下土壤铵态氮含量峰值出现在水稻生长的15 d，CRF2处理最高，达到7.01 mg/kg。第60 d，水稻土壤铵态氮含量表现为：CRF2(4.03 mg/kg)>CRF1(3.73 mg/kg)>MRF(3.51 mg/kg)；在60 d之后，MRF处理的土壤铵态氮含量略高于CRF1、CRF2处理。说明CRF2能够有效地保持土壤中的铵态氮含量，满足水稻生育关键期对氮素的需求，从而保证产量。

3 讨论与结论

3.1 自研控释肥在静水中的氮素释放特征

静水浸提是评价缓/控释肥最常用、最快速的方法[10-11]。研究发现，控释肥的氮素累积释放曲线表现为“抛物线”状或“S”形[12]，影响控释肥氮素释放的主要因素包括温度[9]、包膜厚度[13]、抑制剂[14]等，静水浸泡温度升高其氮素释放速率显著增加，包膜厚度增加其释放速率显著减少[15]。本研究中，自研控释肥CRF1、CRF2在静水(25℃)中的氮素累积释放率的动态变化趋势基本一致，都呈“抛物线”形状。自研控释肥在24 h内的氮素累积释放比例分别为2.28%、3.54%，商品控释肥只有0.88%；自研控释肥在28 d内的氮素累积释放比例分别为30.58%、33.17%，商品控释肥只有25.58%；自研控释肥在112 d内氮素累积释放比例为54.19%～55.79%，而商品控释肥达到82.64%。因此，自研控释肥的氮素初期释放率和28 d累积释放率都符合国家标准GB/T 23348-2009的要求，能够达到缓释效果，但是与商品控释肥相比，自研控释肥的氮素释放速率在前28 d内依然较快，氮素累积释放比例在112 d内较低，其包膜材料与组合工艺需要进一步优化。

3.2 自研控释肥对水稻产量和氮素吸收利用的影响

有研究表明,施用缓/控释肥料能促进水稻增产、增加氮素利用效率、维持或提高土壤氮素肥力[16-17]。湖南红壤水稻土试验研究表明，各缓/控释肥处理增加了水稻有效穗个数和穗粒数，比等量NPK处理增产15.18%～27.68%，氮肥利用率提高16.74～38.9个百分点[18]。浙江中咸砂土试验研究表明，控释肥较普通尿素水稻有效穗数高，实粒数多，地上部总氮量显著增加，显著增产2.9%～16.0%，氮肥利用率提高10.0～16.2个百分点[19]。辽宁草甸土试验研究表明，添加硝化抑制剂的缓释尿素主要通过增加水稻千粒重获得增产，产量增加12.55%，氮肥利用率提高4.79%[20]。与本研究结果保持一致，CRF2处理主要通过提高水稻穗粒数与千粒重获得增产，其秸秆产量、子粒产量最高，分别达到33.28、31.21 g/盆，比NPK处理分别增加了6.33%、10.44%；地上部总吸氮量达到150.89 kg/hm2，比NPK处理提高了10.46%；氮肥利用率最高，达到36.64%，比NPK处理提高了5.49个百分点。

水稻氮素吸收、运转、分配及氮效率与产量和干物质量密切相关，主要是通过影响有效穗、穗粒数、千粒重从而影响水稻产量[21]。本研究结果表明，与MRF处理相比，CRF1、CRF2处理谷草比、有效穗数、穗粒数较高，产量增加3.18%～4.31%，而MRF处理的千粒重较高，从控释肥在静水与土壤中氮素释放来看，MRF前期氮素释放较少，而后期氮素释放较充足。水稻缓/控释氮肥在苗期的氮素释放速率不能过低，否则会引起苗期氮素供应不足，限制水稻苗期早发或分蘖，最终有可能导致减产[22]。说明与商品控释肥相比，自研控释肥能在水稻生育前期提供适量的氮素，促进有效分蘖，增加株高，而在水稻生育中后期，保证持续的氮素供应，可能促进光合产物转化，改善产量构成[23]，更适宜宁夏引黄灌区水稻关键生育期的氮素需求，能够保证稻谷产量。

3.3 自研控释肥在土壤中的氮素释放特征

济南粘壤水稻土田间试验结果发现，水稻生长前半期(60 d)普通尿素处理土壤硝态氮含量高于控释尿素处理，后半期控释尿素处理高于普通尿素处理[24]。有研究表明，控释肥处理的土壤无机氮残留量均高于尿素处理和CK对照[20]。添加控释氮肥处理在稻麦季作物生育中后期土壤无机氮含量均处于较高水平，保证了在作物关键时期的氮素供应[23]。均与本研究结果基本保持一致。

本研究结果表明，不同施肥处理下土壤各种形态氮含量峰值均出现在水稻插秧后的15 d，随后不同程度的下降，NPK处理下降较快，控释肥处理下降较慢。其中第45 d，水稻土壤硝态氮含量表现为：CRF2(99.41 mg/kg)>CRF1(95.63 mg/kg)>MRF(92.98 mg/kg)；第45 d，水稻土壤无机氮含量表现为：CRF2(104.46 mg/kg)>CRF1(100.59 mg/kg)>MRF(97.75 mg/kg)；第60 d，水稻土壤铵态氮含量表现为：CRF2(4.03 mg/kg)>CRF1(3.73 mg/kg)>MRF(3.51 mg/kg)。CRF2处理由于添加了硝化抑制剂双氰胺，能够在水稻移栽45 d前保持最高的硝态氮和无机氮含量，在60 d前保持最高的铵态氮含量，满足水稻生育关键期对氮素的需求[25]，从而保证产量[26]。无论是普通尿素还是控释肥，在水田土壤上释放转化的氮素以硝态氮形态为主。相同施氮量条件下，不同施肥处理土壤铵态氮含量的动态变化相似，但是控释肥处理的铵态氮含量均大于NPK处理，说明控释肥可以长期保证土壤中较高含量的铵态氮，提高有效氮比例。抽穗期是水稻营养生长与生殖生长同时进行的关键时期，又是影响穗粒数的重要时期，控释肥处理土壤中铵态氮含量的提高，能够保证幼穗增大与稻秆茁壮，促进水稻生长发育。

在大田环境中土壤氮素动态变化受到作物生长特性、土壤质地、农艺措施和气象条件等多种因素的影响[27]，控释肥在大田土壤中的氮素释放影响过程比较复杂，因此，本研究结果仅反映了盆栽条件下控释肥在土壤中的氮素释放特征。在今后的研究中，应综合考虑在大田环境中，控释肥施用量与施用方法、作物中氮素利用转化、土壤中氮素转化损失等因素，进一步探明控释肥在稻田灌淤土中的氮素释放特征，探讨控释肥施用方法对稻田氮素淋失的影响，为控释肥合理施用提供科学依据。