不同缓控释氮肥对冬小麦产量及氮素利用率的影响

刘学彤，贾良良，杨云马，杨军芳*，杨振立

（1.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000；2.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄050051；3 河北省农林科学院，河北 石家庄 050051）

目前我国是世界上化肥使用量最大的国家，农田养分投入过量已经导致严重的资源效率下降[1]和生态环境问题[2]，如土壤酸化板结，地表富营养化，地下水和蔬菜中硝态氮含量超标，氧化亚氮排放量增加等问题日渐突出[3～5]。2015 年农业部提出了《到2020年化肥使用零增长行动方案》，明确提出减施化肥，力争到2020 年将化肥、农药利用率提高到40%以上，实现粮食和农业生产的化肥使用量零增长。当前农业绿色发展已经成为国家和社会的迫切需求，在减施化肥背景下，河北省平原区作物产量水平的稳定与提高不可能通过増施化肥来实现。缓控释肥具有养分释放缓慢、肥效期长的特点，可以根据作物不同时期的养分需求提供营养，改变普通速溶肥料养分供应集中的弊端，提高肥料利用率[6，7]，为化肥施用革新提出了新的思路和途径。研究表明，花生、水稻、玉米、小麦和棉花等作物应用缓控释肥后均有一定的增产增效作用[8～13]。

近年来，缓控释肥在大田作物上得到了大面积推广应用，许多学者对缓控释肥料的养分释放机理及包衣技术进行了研究并取得了显著成效[14，15]。研究表明，可以通过改变膜材料的厚度和性能来控制缓控释肥的养分释放速度，做到与作物生长需要同步。目前对缓控释肥的应用效果研究主要集中在肥料对玉米、花生、棉花等生育期较短作物的增产效应上，而在冬小麦上对不同释放天数的缓控释肥应用研究甚少。为此，选用几种不同养分释放时间的缓控释氮肥，分析其释放时期对冬小麦产量及氮素利用率的影响，明确适宜河北省低平原区冬小麦高产的缓控释肥类型，以期为河北省低平原冬小麦产区减施氮肥以及一次性施用缓控释肥提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018 年10 月至2019 年6 月在衡水市冀州区沃源农场进行。试验区地处河北省平原区（北纬 37.57°，东经 115.57°），海拔高度 21.5～26.5 m，属大陆性暖温带半干旱季风气候，年平均气温12.7～13.3 ℃，年平均降水量500～600 mm，降水季节性分布不均。种植制度为小麦/玉米一年两熟制。试验地土壤属中壤质潮土，试验前0～20 cm 土层基础养分含量为有机质15.3 g/kg、全氮1.05 g/kg、有效磷12.54 mg/kg、速效钾117.5 mg/kg，土壤 pH 值 8.37。

1.2 试验材料

试验冬小麦品种为石农086。

试验肥料有尿素（N 含量46%，河北金万泰化肥有限责任公司生产）、重过磷酸钙（P2O5含量43%，昆明东昇冶化有限责任公司生产）和氯化钾（K2O 含量60%，美盛钾肥埃斯特哈奇有限合伙企业生产），以及氮素控释期分别为40、60、90 和120 d 的4 种缓控释氮肥。其中，控释期40 d 的缓控释氮肥N 含量为43%，由山东省农业科学院提供；控释期60 d 的缓控释氮肥N 含量为44%，由领先生物科技有限公司生产；控释期90 d 的缓控释氮肥N 含量为44%，由金正大生物科技有限公司生产；控释期120 d 的缓控释氮肥N 含量为37%，由山东五洲丰公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验在等量磷（P2O5用量120 kg/hm2）、钾（K2O 用量75 kg/hm2）的基础上，选取4 种不同控释期的缓控释氮肥以及普通尿素作为氮源，共设7 个处理，各处理的施N 量不完全相同（表1）。其中，处理Ⅰ为对照（CK），不施氮肥；处理Ⅱ（农民习惯施肥）和Ⅲ（尿素优化施肥）用普通尿素作为氮源，N 施用量分别为300 和240 kg/hm2；处理Ⅳ～Ⅶ分别是施用控释期40、60、90 和120 d 的缓控释氮肥处理，施N 量均为216 kg/hm2（处理Ⅲ施N 量的90%）。小区面积48 m2（8 m×6 m），每处理均3 次重复。磷肥和钾肥全部做基肥，在播种前随整地施入。氮肥施用方法因处理不同而异，其中，处理Ⅱ和处理Ⅲ的尿素施用方法是基肥和追肥各占50%，基肥随整地施入，追肥在拔节期施用；缓控释氮肥全部做基肥，在播种前随整地施入。小麦其他管理措施同大田常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 土壤无机氮含量。分别在小麦返青期、拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期，每小区均采用“S”型取样法，用土钻采集3 个点的0～20 cm 耕层土样，充分混合后带回实验室。采用1 mol/L 的KCl 溶液浸提，利用AA3 流动分析仪测定土壤无机氮含量[16]。

表1 各处理的氮肥（N）施用量Table 1 The quantity of nitrogen fertilizer in each treatment （kg/hm2）

1.3.2.2 小麦产量性状及全氮含量。小麦成熟期，每小区均随机选取1 m 双行，调查单位面积穗数和穗粒数。收获时，每小区均随机收获1 m2的样点2个，脱粒烘干后测定子粒产量，同时取部分子粒测定千粒重。另外，每小区均随机选取1 个1 m 双行的植株样品带回实验室，将秸秆和子粒分别烘干，称重后计算地上部生物量，粉碎后采用凯氏法测定全氮含量[17]。

1.3.3 数据处理与分析 利用Excel 2007 软件，计算作物吸氮量、氮肥利用率、氮肥农学效率以及氮肥偏生产力等：

作物吸氮量（kg/hm2） =植株含氮量×地上部生物量

氮肥利用率（%）=（施氮区小麦地上部吸氮量-对照区小麦地上部吸氮量）/施氮量×100

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区小麦产量-对照区小麦产量）/施氮量

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理产量（kg/hm2）/施氮量 （kg/hm2）

利用SPSS 17.0 软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同缓控释氮肥处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

施氮处理的小麦产量均显著＞CK，增产率为16.6%～29.7%（表2），表明施用氮肥能够明显提高小麦产量。处理Ⅲ的小麦产量略＞处理Ⅱ，差异不显著，表明尿素优化施肥处理达到了农民习惯施肥的产量水平。不同缓控释氮肥处理的小麦产量差异显著，其中，处理Ⅴ产量最高，达到了6 159.2 kg/hm2，略＞处理Ⅱ和Ⅲ，但显著＞其他缓控释氮肥处理；处理Ⅳ产量（5 800.1 kg/hm2）次之，较处理Ⅱ和Ⅲ略低，但差异均未达到显著水平；其他2 个缓控释氮肥处理的小麦产量均显著＜处理Ⅱ和Ⅲ。表明施用控释期60 d 的缓控释氮肥对提高小麦产量效果最好，控释期90 和120 d 的缓控释氮肥不适于冬小麦一次性施肥生产。

进一步对施氮处理的小麦产量构成因素进行分析发现，施氮处理的小麦单位面积穗数和穗粒数均显著＞CK，增幅分别在9.2%～16.9%和7.5%～15.7%；千粒重除处理Ⅳ显著降低外，其他处理与CK 差异均不显著。表明施氮处理冬小麦产量增加主要是通过单位面积穗数和穗粒数增加实现的。不同施肥处理的小麦产量构成因素差异较大。从单位面积穗数看，处理Ⅱ最多，与处理Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ差异均不显著，但显著＞处理Ⅵ和Ⅶ。从穗粒数看，处理Ⅴ最多，显著＞CK 和处理Ⅶ，略＞其他施肥处理。从千粒重看，CK 最大，除处理Ⅳ显著＜CK 外，其他处理与CK 差异均不显著。

2.2 不同缓控释氮肥处理对冬小麦生育期耕层土壤硝态氮含量的影响

所有处理的土壤硝态氮含量均随小麦生育期进程呈逐渐下降趋势，且各施氮肥处理的指标值均＞CK（图1）。返青期，处理Ⅳ的土壤硝态氮含量最高，其次为处理Ⅴ，二者均＞处理Ⅱ和Ⅲ；扬花期及其之后，土壤硝态氮含量始终以处理Ⅴ最高，尤其是小麦生长后期指标值远高于其他施氮处理，这不仅有利于前期小麦群体结构的构建，也保证了后期小麦灌浆和千粒重的增加。处理Ⅵ虽然在小麦生长后期土壤硝态氮含量水平较高，但由于前期氮素释放速率慢，土壤硝态氮含量水平较低，影响了其群体结构的构建，不利于小麦高产；处理Ⅶ在小麦各生育期土壤硝态氮含量均处于较低水平，导致了其小麦群体和穗粒数均较少。

表2 不同施肥处理对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 2 The effects of different fertilizer treatments on its and yield components of winter wheat

图1 不同施肥处理对冬小麦生育期0～20 cm 耕层土壤硝态氮含量的影响Fig.1 The effects of different fertilizer treatments on soil nitrate nitrogen content in 0-20 cm soil depth at different growth stages of winter wheat

2.3 不同缓控释氮肥处理对冬小麦氮肥利用率的影响

施氮处理的小麦地上部吸氮量均显著＞CK（表3），增幅为35.8%～60.5%，表明施用氮肥能够明显提高小麦地上部的吸氮量。处理Ⅲ的小麦地上部吸氮量略＞处理Ⅱ，差异不显著，表明尿素优化施肥处理促进小麦地上部吸氮量增加的效果达到了农民习惯施肥水平。不同缓控释氮肥处理的小麦地上部吸氮量差异显著，其中，处理Ⅴ的地上部吸氮量（204.2 kg/hm2）最高，略＞处理Ⅱ和Ⅲ，但显著＞其他缓控释氮肥处理；而其他缓控释氮肥处理的地上部吸氮量，除处理Ⅳ略＜处理Ⅱ和Ⅲ外，其他2 个处理均显著＜处理Ⅱ和Ⅲ。表明施用控释期60 d 的缓控释氮肥对促进冬小麦地上部氮素吸收效果最好，控释期90 和120 d 的缓控释氮肥不适于冬小麦一次性施肥生产。

表3 不同施肥处理对冬小麦氮肥利用率的影响Table 3 The effects of different fertilizer treatments on nitrogen use efficiency of winter wheat

施氮肥处理的小麦氮肥农学效率为3.6～6.5 kg/kg，其中处理Ⅴ最高，其次是处理Ⅲ，二者差异不显著，但均显著＞其他处理；氮肥偏生产力为19.9～28.5 kg/kg，氮肥利用率为21.1%～35.6%，指标值均以处理Ⅴ最高，且显著＞其他处理。表明施用控释期60 d 的缓控释氮肥时该地区冬小麦氮肥利用率最高。

3 结论与讨论

氮素通常被认为是影响作物产量的重要因子[18]，研究表明，与等氮量的尿素相比，施用合适的控释氮肥可以显著提高作物产量[19，20]。本研究中，控释期60 d的缓控释氮肥处理和尿素优化施肥处理的冬小麦产量均高于农民习惯施肥，原因可能是农民习惯的施氮量过高，前期小麦生长旺盛，群体过大，造成后期脱肥，表明该地区可以适当减施氮肥。在控释肥处理中，控释期90 d 和120 d 的处理由于氮素释放缓慢，造成前期氮素供应不足，小麦分蘖较少，影响了小麦产量的提高；而控释期40 d 的肥料处理虽然小麦生育前期氮肥供应充足，但后期易脱肥，也不利于小麦高产。综合比较，控释期60 d 的缓控释氮肥在冬小麦整个生育期均保持了一定的氮素水平，可满足作物不同生育期的养分需求，其通过增加单位面积穗数和穗粒数来提高小麦产量，且增加冬小麦氮素吸收量，提高氮素农学效率和农学偏生产力，使氮肥利用率达到35.6%，适宜该地区冬小麦一次性施肥生产。

生育期土壤硝态氮含量水平可以体现出不同控释氮肥的养分释放特性，而不同缓控释肥料的养分释放性能也与其包膜材料有关[20]。本研究中，控释期40 d氮肥处理的土壤硝态氮含量在小麦生育前期较高，而到了生育期后期较低，正是由其养分释放特性决定的。控释期60 d 氮肥处理的土壤硝态氮含量在小麦整个生育期均保持了较高水平，尤其是小麦生长后期土壤硝态氮含量远高于其他施氮处理，可以为子粒灌浆提供充足的养分；且在小麦收获后，耕层土壤硝态氮含量仍明显高于农民习惯施肥和尿素优化施肥处理，这可能是由于控释期60 d 的氮肥减少了氨挥发损失，使更多的氮保留于土壤中，既提高了当季肥料利用率，又为下季作物提供了更多的土壤养分。孙克君等[21]研究了几种控释氮肥减少氨挥发的效果，发现与普通尿素相比，施用控释氮肥均可不同程度地减少氨挥发损失，提高氮肥利用率。

缓控释肥一次性基施与普通尿素分次施用相比，不仅可节省劳动力，降低成本，还可减少氨挥发，提高氮肥利用效率。控释氮肥一次性施用技术已经在水稻上有了较好应用，徐明岗等[22]在早稻上成功应用了施用控释氮肥、播种、抛秧的一次性配套技术，既减轻了劳动强度，又提高了水稻产量。控释氮肥由于价格较高，在小麦和玉米生产上难以被大多数农户接受，推广应用比较困难。目前，有学者提出将控释氮肥与普通尿素按适宜比例掺混后一次性施用[23，24]，调节速效氮与缓效氮的供应，满足作物不同时期的氮素需求，可以降低成本，增加收益，减少环境污染风险。因此，河北省低平原区冬小麦不同缓控释氮肥的氮素释放期以及与普通尿素掺混施用的比例将是下一步研究的重点。