包膜尿素与普通尿素配施对冬小麦产量及土壤氮素的影响

范 震 田晓飞 翟 胜 陈锦秀 丁新惠 张明慧 邓胜男

(聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059)

0 引言

小麦是我国重要的粮食作物之一，施用氮肥是其重要的增产措施[1]，但长期大量施用氮肥也带来了氨挥发、氧化亚氮排放造成全球气候变暖，氮的流失和淋失造成水体富营养化等一系列问题[2，3].冬小麦生育期较长，以追肥的方式实现“氮肥后移”能提高小麦产量和氮素利用率[4]，但在小麦价格较低和农村劳动力大量向城市转移的背景下，后期追肥人力成本较高，而全生育期速效氮肥一次性施用难以达到稳产、增产的目标.

简化施肥技术、提高肥料养分利用率、降低施肥成本能促进农民增加收入[5].包膜尿素是通过聚合物包膜等形式实现氮素按设定的释放率和释放时间释放，使其与作物吸收养分规律相一致的新型肥料[6].大量研究表明包膜尿素能够减少土壤中氮素损失，以更少的氮肥用量实现小麦高产稳产[7-9].Zheng等[7]研究表明包膜尿素氮素释放与冬小麦各生育期氮素需求具有较好的同步性，一次基施就能够保证小麦中后期土壤氮素供应强度.Tian等[8]通过4年7季的田间试验探明了施用包膜尿素能够显著降低土壤硝态氮向深层次土壤淋溶的风险，减少氮素损失.纪洋等[9]则证明施用包膜尿素可以有效抑制小麦生长季单位产量N2O排放，且其对单位产量N2O的减排量随着施氮量的增加而增加.然而，包膜尿素成本高于普通尿素，且前期氮素释放较慢，单施包膜尿素易造成作物前期氮素供应不足，将包膜尿素与普通尿素掺混后速效氮部分保证前期氮的供应，而控释氮部分保证中后期供应，从而降低肥料用量和施肥成本[10].包膜尿素养分释放缓慢且可控[11]，释放周期长，通过与普通尿素掺混后一次性施用，速效氮部分保证前期氮的供应，而包膜控释氮部分保证中后期供应，在保证小麦产量的同时显著降低肥料和施肥成本[12，13]，具有较好的应用潜力.

本研究以环氧树脂包膜尿素为原料，综合分析包膜尿素养分释放特征、各生育期土壤氮素供应动态变化以及冬小麦产量和氮素吸收利用，研究普通尿素与包膜尿素掺混后一次基施对冬小麦产量及氮素利用的影响，为冬小麦简化高效施肥提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018-2019年在山东省聊城市高囤村(36°18′46″N，116°09′60″E)进行，供试土壤为潮土，试验开始前0-20 cm土壤pH为7.92，有机质含量为12.48 g/kg，全氮0.71 g/kg，硝态氮24.54 mg/kg，铵态氮6.47 mg/kg，有效磷17.18 mg/kg，速效钾143.52 mg/kg.

供试小麦品种为济麦22.供试包膜尿素为山东农大肥业科技有限公司生产的树脂包膜尿素(N 43.3%)，其在25℃静水中释放曲线呈“直线型”(图1)，在90 d时氮素累计释放85.42%，说明所用包膜尿素释放期约为3个月.其余肥料包括大颗粒尿素(N 46.4%)、重过磷酸钙(P2O546.2%)和氯化钾(K2O 60.1%).

1.2 试验设计

试验共设6个处理，分别为不施氮肥 (CK)、尿素一次基施(U1)；尿素分次追施 (U2)、减量30%尿素一次基施(70%U1)、70%包膜尿素与30%普通尿素掺混后一次基施(CRU)和70%包膜尿素与30%普通尿素掺混后减氮30%一次基施(70%CRU)，每个处理重复3次，随机区组排列.所有处理均基施P2O5150 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2.全量氮肥处理施氮量为 180 kg/hm2，减30%氮肥用量处理为126 kg/hm2.CRU和70%CRU处理中控释氮占总氮量的70%，所有肥料均作为基肥一次性施入；U2处理氮肥基施70%，拔节期(2019年4月15日，播种后187 d)追施30%.

小区面积为21.0 m2(长5.0 m，宽4.2 m).各小区播种前人工开沟条施肥料，肥料埋深10-15 cm.2018年10 月10日播种小麦，播种量为120 kg/hm2，2019年6月3日收获.各处理生育期管理措施完全一致，且与农民常规管理措施相同.

1.3 测定项目与方法

分别在小麦苗期(2018年11月15日，施肥播种后36 d)、返青期(2019年3月15日，施肥播种后155 d)、灌浆期(2019年5月10日，施肥播种后212 d)和收获后(2019年6月3日，施肥播种后236 d)采集土壤样品.由于肥料为条施，土壤采样时在小麦行和肥料行各选取3点0-20 cm土壤样品，混匀后用四分法取部分土样带回实验室，立即用0.01 mol/L CaCl2浸提(土水比1:10)，紫外分光光度法测定硝态氮和铵态氮含量[14]，同时采用烘干法测定土壤水分含量.收获时，取各小区的中间5行(长1 m)小麦统计有效穗数和穗粒数，并实收测地上部生物量和产量.选取部分秸秆及籽粒样品于105 ℃杀青30 min，然后75℃烘干至恒重，粉碎过0.25 mm筛后，采用H2SO4-H2O2联合消煮，凯氏定氮法测定植株全氮含量[12].

1.4 数据分析

有关氮肥利用效率指标的计算方法为[15,16]：氮肥农学利用率=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量；偏生产力=施氮区产量/施氮量；氮肥利用率=(施氮处理氮积累量-不施氮处理氮积累量)/施氮量×100%.数据处理采用Excel 2010，平均值的差异显著性检验使用统计软件SPSS 17.0，按照Duncan多重比较法检测.

2 结果与分析

2.1 冬小麦产量及产量构成因素

施氮显著提高了冬小麦产量和产量构成，但各施氮处理株高无显著差异(表1).U2和CRU 处理较U1处理小麦产量分别显著增加5.56%和9.94%，70%CRU较70%U1处理显著增产5.87%，但U2与CRU处理产量无显著差异.另外，与等氮量的尿素一次基施处理(U1和70%U1)相比，包膜尿素(CRU和70%CRU)处理显著增加了千粒重和穗粒数，但对有效穗数没有显著性影响.70%CRU处理的有效穗数、千粒重和籽粒产量与U1处理差异不显著，但较70%U1处理增产5.88%，表明施用包膜尿素能增加冬小麦的籽粒产量、千粒重和穗粒数，普通尿素与包膜尿素掺混后一次基施就能够达到普通尿素分次追施的效果.

注：表中同列数据后标有相同小写字母表示不同处理间差异不显著(P>0.05)，下同.

2.2 经济效益

氮肥种类和用量对小麦经济效益影响显著 (表2).与U1处理相比，CRU和U2处理净收益分别增加15.44%和6.71%，但CRU与U2处理净收益无显著差异.此外，70%CRU比70%U1处理净收益显著增加9.21%，说明尽管包膜尿素处理的肥料投入高于普通尿素处理，但净收益高于等氮量的普通尿素一次基施处理，收入得到显著提高.

注：小麦价格按照2018年最低收购价 2240 元/t，肥料价格为2018年9月冬小麦播种前市场价格，其中尿素 1724 元/t，包膜尿素 2470元/t，重过磷酸钙 1550 元/t，氯化钾 2837元/t计算，人工追肥按照 350 元/hm2计算，其他费用4978.5 元/hm2，包括灌溉、农药、种子及机械施肥、播种、收割等.

2.3 干物质积累与氮素利用

由表3可知，包膜尿素处理 (CRU、70%CRU)的地上部干物质量和氮素积累量显著高于等氮量的U1和70%U1处理，且70%CRU处理与U1处理差异不显著.CRU相对于U1处理地上部干物质量和氮素积累量分别增加12.98%和10.76%，但氮素积累量与U2处理差异不显著.CRU、70%CRU较等氮量的U1和70%U1处理冬小麦氮肥利用率、农学利用率和偏生产力分别增加17.43%-26.32%、30.51%-37.03%和5.88%-9.93%.

表3 不同处理的小麦氮肥利用率

2.4 冬小麦各生育期土壤无机氮含量动态变化

在小麦整个生育期，各施氮处理土壤硝态氮如图2(a)含量均显著高于CK.CRU、70%CRU和U2处理小麦苗期至灌浆期土壤硝态氮含量呈现先降低后升高的趋势，而U1和70%U1处理则呈现逐渐降低的趋势.在灌浆期(施肥后212 d)，等氮条件下包膜尿素 (CRU、70%CRU) 处理的硝态氮含量比尿素处理 (U1、70%U1)显著增加22.11%-40.12%；70%CRU处理与U1处理硝态氮含量差异不显著.由于U2处理拔节期时追肥，施用普通尿素处理灌浆期土壤硝态氮含量明显增加，但与CRU处理差异不显著，这可能与小麦拔节期前浇水提高了土壤水分含量，加速了包膜尿素养分释放速率有关[17].

在小麦苗期、返青期和灌浆期，各施氮处理土壤铵态氮含量均显著高于CK处理，但收获期各处理铵态氮含量差异不显著，如图2(b).苗期时铵态氮含量以U1处理最高，且CRU处理显著高于70%CRU处理，但70%U1处理与70%CRU处理无显著差异.因此，包膜尿素与普通尿素掺混后一次基施可避免越冬前土壤无机氮含量过高导致冬小麦旺长，同时减少经氨挥发、地表径流等途径导致的氮素损失.

3 讨论

包膜尿素在田间条件下的氮素缓慢释放能够增加冬小麦中后期土壤无机氮含量，一次基施就能够起到高产麦田“氮肥后移”的作用[18]，但是包膜尿素对产量构成要素的影响报道不尽一致.满建国等[19]研究表明，包膜尿素显著增加了冬小麦的千粒重和穗粒数，但是对小麦的亩穗数没有显著性影响.李泽丽等[20]则认为有效穗数的增加是包膜尿素促进冬小麦增产的主要原因.本研究表明，施用包膜尿素主要是通过增加千粒重和穗粒数实现了小麦增产(表1)，这与包膜尿素提高了小麦旺盛生长阶段土壤氮素供应能力有关.冬小麦生育后期合理的氮素供应有利于提高淀粉积累速率，提高千粒重[21].同时，等氮量的包膜尿素处理较普通尿素处理小麦穗数无显著差异(表1)，表明包膜尿素处理能够满足小麦分蘖期氮素需求，但其机制尚待进一步探讨.此外，小麦籽粒产量和收获期土壤硝态氮含量、地上部干物质总量和氮素积累量呈显著的正相关关系(表4)，表明包膜尿素处理小麦产量的提高是有效穗数、穗粒数、粒重等产量构成要素和干物质量、氮素积累量等性能指标相互协调发展的结果.

表4 冬小麦产量与其他指标的相关性

注:*表示达到P<0.05显著水平，**表示达到P<0.01显著水平.

冬小麦生育期长，从出苗至拔节期、拔节至抽穗期、抽穗至成熟期吸氮量分别占植株总氮量的20%、60%和20%[22].本研究结果表明，氮素分期施用可增加小麦生育中后期的氮素供应水平(图2)，提高植株对氮素的吸收量，提高氮肥利用率(表3).同时，研究团队前期结果证明树脂包膜尿素在土壤中养分释放主要受温度和水分的影响[23]，在温度较低和水分供应不充足时氮素释放缓慢，在温度升高时养分释放增快.对于冬小麦而言，越冬期前植株矮小，对氮的需求量相对较少；越冬期土壤温度下降，冬小麦地上部生长处于停滞期；返青期后，小麦植株干物质积累和氮素积累量均快速增加[24,25].包膜尿素具有前期释放少，后期持续释放的特点[26]，一次施用能够满足冬小麦各生育期尤其是氮素需求旺盛阶段对氮素的需求，既简化了施肥又为小麦增产打下良好的基础.

4 结论

本试验条件下，包膜尿素在土壤中的释放增加了冬小麦中后期土壤中硝态氮含量，满足了冬小麦生育后期对氮素的需求.包膜尿素与普通尿素掺混后一次基施与普通尿素分次追施小麦产量无显著差异，但比普通尿素一次基施显著增产9.94%，氮素利用率显著增加17.43%，经济效益显著增加16.8%.包膜尿素与普通尿素掺混后在减量30%的条件下，与常量普通尿素相比，作物产量无显著差异.因此，包膜尿素一次基施能够满足作物对养分的需求，提高作物产量，同时减少了氮肥用量，提高氮肥利用率.