控释尿素与普通尿素配施对春玉米产量、氮肥利用及经济效益的影响

解文艳，周怀平，杨振兴，刘志平，杜艳玲，郭 晋，吕倩倩

(1.山西农业大学资源环境学院，山西 太原 030031；2.山西大学生物工程学院，山西 太原 030006)

氮素是影响玉米生长发育的最重要因素之一，合理施用氮肥是提高玉米产量的重要技术措施[1-2]。研究表明，中国氮肥利用率为30%～35%，低于发达国家水平10%～15%，每年有约1 500万t氮素(约占氮肥用量的60%)损失进入大气和水体[3]。近年来北方地区为追求玉米高产而过量施肥的现象愈加严重，受春季农村劳动力外出务工、人力缺乏等条件限制，许多地区农户施肥方式从基肥+追肥模式转变为底肥一次性施用。单次过量施用氮肥不仅会对玉米的产量和品质产生不良影响，还会严重影响生态环境，引发土壤酸化、地下水污染及大气活性氮排放增加等环境问题[4-6]。

控释氮肥具有延缓养分释放速率，与作物养分吸收基本同步，有效减少氮肥损失、减轻环境污染、提高肥料利用率等优点[7-11]。但全量施用控释肥料成本太高[2]，且会造成作物前期供氮不足[12]，可能无法达到既增产又增收的效果[13],故出现了较多有关控释氮肥与其他肥料混合施用的研究[2,14-15]。李伟等[16]研究表明，将控释氮肥减量或将控释与普通氮肥掺混配施有助于解决目前氮肥过量施用引发的问题，控释氮肥与普通尿素掺混施用不仅能提高经济效益，肥效还更优于控释氮肥[17]。区域气候环境、土壤特性、控释肥料种类、农业措施等因素均是导致最佳掺混配施比例不同的原因。因此，黄土高原东部春玉米生产不能简单借鉴其他地区的控释氮肥施肥指导。本研究通过3 a的田间定位试验，探讨控释尿素与普通尿素不同配施比例对黄土高原东部地区春玉米产量、氮素利用和经济效益的影响，并建立控释尿素配施比例与产量、氮肥表观利用率和施肥收益之间的关系以确定最佳配施比例，为筛选适于在黄土高原东部推广应用控释掺混配方肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验于2016—2018年在国家农业环境寿阳观测实验站(113°06′E，37°58′N)进行。该实验站海拔1 130 m，年均气温7.4℃，≥10℃积温3 400℃，无霜期约130 d，年蒸发量1 600～1 800 mm，年日照时数2 858.3 h，年均降水量501.1 mm，70%左右的降水集中在6—9月，干燥度为1.3，属暖温带半湿润偏旱区。试验地块基本平坦，土层深厚，地下水埋深在10 m以下。土壤为褐土性土，成土母质为马兰黄土，属黄土旱塬地。种植制度为一年一作。试验初始时0～20 cm土层土壤基本性质为：有机质25.63 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1，全钾20.18 g·kg-1，碱解氮81.58 mg·kg-1，有效磷64.85 mg·kg-1，有效钾172.27 mg·kg-1，缓效钾371.08 mg·kg-1，pH为7.9。2016、2017和2018年试验区年降水量分别为473.7、555.9 mm和502.1 mm。

1.2 试验材料

供试肥料：氮肥采用普通尿素(含氮量46.0%，中国石油天然气股份有限公司生产)和硫包衣尿素(含氮量37.0%，汉枫缓释肥料有限公司生产)，磷肥采用过磷酸钙(含P2O5量16%，云南祥丰化肥股份有限公司生产)，钾肥采用氯化钾(含K2O量60%，浙江浙农爱普贸易有限公司生产)。

供试玉米品种为‘晋单81’，种植密度6.6万株·hm-2。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验设置6个处理：不施氮肥(CK),普通尿素100%(CRU0%),控释尿素25%和普通尿素75%配施(CRU25%),控释尿素50%和普通尿素50%配施(CRU50%),控释尿素75%和普通尿素25%配施(CRU75%),控释尿素100%(CRU100%)。每个处理3次重复，小区面积55 m2(5 m×11 m)，随机区组排列。除不施氮处理外，各处理氮(N)、磷(P2O5)和钾(K2O)肥用量分别为240、90 kg·hm-2和90 kg·hm-2，均在整地后播种前一次性底施，玉米生长期间不施肥，无灌溉。玉米播种日期为每年4月下旬，收获时间为每年10月上旬。各小区栽培管理措施一致，田间管理措施主要是除草和防治病虫害。

施肥收益分析中， 2016—2018年玉米价格分别为1.4、1.6元·kg-1和1.4元·kg-1，普通尿素分别为1.35、1.55元·kg-1和1.95元·kg-1，控释氮肥分别为2.4、2.5元·kg-1和2.6元·kg-1，过磷酸钙分别为1.2、1.2元·kg-1和1.4元·kg-1，氯化钾分别为3.0、3.1元·kg-1和3.2元·kg-1。本研究各处理投入包括耕作投入(播种、翻地、收获等)、材料投入(农药、种子等)和肥料投入，各处理种植、管理等措施一致，所以除肥料投入不同外，其他投入一致。相比不施氮肥处理，各施氮处理的收益由增加的产值减去增加的肥料投入计算得出。

1.4 数据统计与分析方法

试验数据用Excel 2007和SPSS 11.5统计软件进行统计分析。

参考巨晓棠[18-19]、王寅[20]等的方法计算以下参数：

氮肥农学效率

NAUE(kg·kg-1)=(Y-YCK)/FN

氮肥偏生产力NPFP(kg·kg-1)=Y/FN

土壤氮素依存率NCRS(%)=YCK/Y

氮肥表观利用率

NAUR(%)=(UN-UCK)/FN×100%

氮肥表观残留率

NARR(%)=(IN-INCK)/FN×100%

氮肥表观损失率

NALR(%)=100%-NAUR-NARR

施肥收益

NFB(元·hm-2)=(Y-YCK)×PM-FN×PN

式中，Y表示施氮区产量(kg·hm-2)，YCK表示不施氮区产量(kg·hm-2)，FN表示施氮量(kg·hm-2)，UN表示施氮区作物吸氮量(kg·hm-2)，UCK表示不施氮区作物吸氮量(kg·hm-2)，IN表示施氮区土壤无机氮残留量(kg·hm-2)，INCK表示不施氮区土壤无机氮残留量(kg·hm-2)，PM表示玉米价格(元·kg-1)，PN表示氮肥价格(元·kg-1)。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对春玉米产量的影响

由表1可知，控释尿素与普通尿素配施处理较单施普通尿素处理增产效果显著，而不同配施比例之间无明显差异。与CRU0%处理相比，CRU75%的增产幅度最大，3 a平均增产达11.89%(1.27 t·hm-2)，CRU25%、CRU50%和CRU100%分别平均增产7.65%、9.31%和7.41%。可见，与单施普通尿素相比，控释尿素与普通尿素的配合施用有助于春玉米获得高产。施氮处理与不施氮对照相比，CRU75%、CRU50% 、CRU25%、CRU100%和CRU0%平均增产率分别为39.02%、35.81%、33.75%、33.45%和24.21%。

2.2 不同施氮处理对春玉米收获期地上部干物质量和氮素吸收量的影响

如表1所示，春玉米收获期地上部干物质量和氮素吸收量在不同处理间存在显著差异。3 a平均数据显示，CRU75%处理的干物质量最高，达23.58 t·hm-2，较不施氮肥(CK)处理提高31.53%(5.66 t·hm-2)，较CRU0%处理提高10.88%(2.31 t·hm-2)。各处理3 a平均地上部干物质量大小顺序为CRU75%>CRU50% >CRU100%>CRU25%>CRU0%>CK。春玉米3 a连作中，收获期氮素吸收量均以CK处理最低，施氮后氮素吸收量显著提高，且随控释尿素配施比例的提高呈先升高后降低的趋势。CRU75%处理的地上部吸氮量3 a平均为最高，高达267.07 kg·hm-2。3 a平均结果显示，与CRU0%处理相比，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%地上部吸氮量平均提高了15.47%、11.66%、10.06%和5.85%。

2.3 不同施氮处理对氮素利用的影响

2.3.1 对氮肥利用的影响 由表2可知，3 a不同控释尿素与普通尿素配施处理之间的氮素利用效率有明显的差异。CRU75%的氮肥农学利用效率最高，与CRU0%处理相比，3 a平均提高了5.32 kg·kg-1，CRU25%、CRU50%和CRU100%的氮肥农学利用效率3 a平均提高了3.43、4.17 kg·kg-1和3.32 kg·kg-1。CRU0%处理3 a春玉米的氮肥偏生产力平均为44.61 kg·kg-1。控释尿素与普通尿素配施各处理氮肥偏生产力均有所提高，且整体上随配施比例的增加呈先升高后降低的趋势。氮肥偏生产力在控释尿素配施比例为75%时最高，平均为49.93 kg·kg-1。土壤氮素依存率与氮肥农学效率和氮肥偏生产力变化规律相反，整体上随控释尿素配施比例的增加呈先下降后升高的趋势，平均土壤氮素依存率从CRU0%处理的80.74%显著降至CRU75%处理的71.97%，后升至CRU100%处理的75.06%。2018年各处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力均最高，土壤氮素依存率最低。

2.3.2 对春玉米连作周期内土壤-作物系统氮素平衡的影响 由三季春玉米连作的土壤-作物系统氮素平衡状况可以看出(表3)：(1)氮素输入项中，施用氮肥带入氮素为主要方式，占施氮处理氮素总输入量的61.6%，氮素矿化量和播前土壤无机氮量分别占氮素总输入量的24.6%和13.8%；(2)氮素输出方式以作物吸收带走氮素为主，平均占氮素总输出量的64.5%(59.4%～68.6%)；(3)氮素盈余项中，各处理土壤无机氮残留量和表观损失在3 a里均存在差异，其中，CRU75%处理由于大部分氮素被作物吸收利用，其无机氮残留量和氮素表观损失最低，最终氮素表观盈余最少。三季春玉米连作后，各处理的土壤无机氮残留量大小顺序依次为CRU0%> CRU100%> CRU25%> CRU50%> CRU75%，氮素表观损失量大小顺序依次为CRU0%> CRU25%> CRU100%> CRU50%> CRU75%。3 a平均来看，与CRU0%处理相比，CRU25%、CRU100%、CRU50%和CRU75%处理的氮素表观盈余分别下降40.6 kg·hm-2(8.6%)、69.8 kg·hm-2(14.7%)、80.8 kg·hm-2(17.0%)和107.3 kg·hm-2(22.6%)。

表1 不同处理春玉米产量、地上部干物质量和氮素吸收量

表2 不同处理的氮肥利用指标

表3 不同处理对春玉米连作周期内土壤-作物系统氮素平衡的影响/(kg·hm-2)

2.3.3 对春玉米连作周期内氮肥表观利用、残留和损失的影响 2016—2018年春玉米连作体系中氮肥的表观利用率、残留率及损失率(表4)显示，控释尿素与普通尿素配施显著提高了春玉米的氮肥表观利用率，降低氮肥表观残留率和氮肥表观损失率。3 a连作体系中，CRU75%处理的平均氮肥表观利用率高达37.6%，CRU50%、CRU100%、CRU25%和CRU0%处理的平均氮肥表观利用率分别为33.9%、32.4%、28.3%和22.7%。与CRU0%处理相比，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%处理平均氮肥表观利用率分别提高了65.64%、49.34%、42.73%和24.67%。3 a平均来看，与CRU0%处理相比，CRU75%、CRU100%、CRU50%和CRU25%处理的氮肥表观残留率分别降低了20.58%、14.35%、13.37%和9.32%，CRU75%、CRU50%、CRU100%和CRU25%处理的氮肥表观损失率分别降低了18.18%、15.74%、10.98%和5.54% 。

2.4 不同施氮处理对春玉米经济效益的影响

图1表明，3 a试验CK处理春玉米产值平均为12 650元·hm-2；施氮后显著提高，从CRU0%处理的15 681元·hm-2增加至CRU75%处理的17 575元·hm-2，而后有所降低。控释尿素与普通尿素配施处理的氮肥施肥收益明显高于普通尿素处理，3 a平均提高了957～1 735元·hm-2，3 a平均增收率为36.2%～65.6%。CRU75%处理的施氮肥收益显著高于其他处理。

2.5 春玉米控释尿素的适宜配施比例

对不同年份的控释尿素配施比例与春玉米产量、氮肥表观利用率和施肥收益之间的关系进行拟合表明(表5)，每年3项指标与控释尿素配施比例均呈显著的一元二次关系。根据一元二次模型方程，以产量为指标时各试验春玉米的控释尿素最佳配施比例分布在63.4%～65.3%之间，以氮肥表观利用率为指标时分布在64.3%～78.0%之间，以施肥收益为指标时分布在60.6%～63.1%之间。

以x为控释尿素配比比例，与玉米产量的方程模型为y=-2863x2+3682x+10719(R2=0.958)，与氮肥表观利用率的方程模型为y=-26.99x2+38.46x+21.85(R2=0.937)，与施肥收益的方程模型为y=-4225x2+5225x+2655(R2=0.948)。由上述方程模型推算得出，控释尿素配施比例为64.3%、71.2%、61.8%时玉米产量最高、氮肥利用率最佳、施肥收益最好。综合各因素确定黄土高原东部春玉米生产的控释尿素适宜配比为60%～75%。

3 讨 论

控释氮肥与普通尿素的配合施用效果受作物的养分需求特性、气候状况、土壤条件及种植模式等多方面因素影响[12]。众多影响因素中以气候因素的影响最为强烈，主要原因是温度和水分显著影响控释氮肥的养分释放特征及其在土壤中的转化运移过程，适宜掺混比例可以调控养分供应，从而实现与作物吸收在时间和空间上的同步[12,21]。本研究区域2016、2017年和2018年春玉米生育期内降水量分别为327.39、367.68 mm和446.97 mm，分别为偏旱年、平水年和丰水年。3 a田间试验发现，硫包衣尿素与普通尿素配施各处理与普通尿素处理相比增产效果显著，2016、2017年和2018年增产幅度分别为9.04%～13.19%、7.34%～15.59%和5.79%～7.79%。本研究的前期结果表明，在黄土高原东部春玉米主产区，不同控释氮肥处理能够明显提高春玉米产量，其中硫包衣尿素效果最好[22]。本研究试验田块土壤养分状况、种植和管理措施一致，因此，硫包衣尿素的肥效受本区域气候条件的变化影响较小，适宜在本区域推广应用。

表4 不同处理对春玉米连作周期内氮肥表观利用、残留和损失的影响/%

图1 不同处理对春玉米产值和施肥收益的影响Fig.1 Effect of different treatments on output and fertilization profit of spring maize

表5 控释尿素最佳配施比例与玉米产量、氮肥表观利用率偏生产力和施肥利润的关系

氮肥合理运筹的最终目的是减少施肥量、降低劳动力投入、保证作物高产、减轻氮素残留，达到经济效益和环境效益的统一[21]。本研究中，全部施用普通尿素，一方面易造成玉米生长的前期可供应氮量高于玉米实际需求量，导致肥料氮素的浪费和增加环境污染风险(表3和表4)，另一方面会使玉米生长后期氮素养分供应不足，造成植株脱肥，影响产量的提高。全部施用控释氮肥，一方面会导致成本增加而经济收益降低，大多数农户难以接受；另一方面玉米生育前期养分释放缓慢，在氮素需求量大的时期，不能满足植株养分需求，即使后期氮肥供应充足，仍会影响产量(表1)；另外控释氮肥的养分释放受气候因素特别是水分和温度的影响较大，田间生产中气候具有不确定性，100%施用控释氮肥可能会对玉米产量或环境造成不利影响。因此，采用控释尿素与普通尿素合理配合施用是经济可行的一次性施肥技术。

王寅等[12]研究结果表明，东北地区春玉米施N量为185 kg·hm-2时，控释氮肥与尿素掺混施用相比普通尿素一次性全施可增加植株氮素吸收，显著提高春玉米产量；且控释氮肥掺混比例在30%时产量最高，较普通尿素一次性基施增产9.0%。李伟等[16-17]研究表明，在等氮(N180 kg·hm-2)条件下，控释掺混处理夏玉米产量以控氮比50%处理最高，比常规施肥处理增产9.43%。本研究结果表明，黄土高原东部春玉米施N量为240 kg·hm-2条件下，随着控释尿素比例的增加，春玉米产量呈现先升高后降低的趋势，其中，控释尿素配施比例在75%时产量最高，较普通尿素一次性基施增产11.89%。本研究结果与冯小杰等[23]在辽中南地区的研究结果一致(施氮量为240 kg·hm-2和220 kg·hm-2)。

氮肥利用率、农学效率和偏生产力是表征氮肥利用效率的重要指标[24]。王寅等[12]研究表明，控释氮肥与尿素掺混施用有利于维持较高的土壤氮素水平，减少氮素损失，从而提高氮肥利用率。施用控释尿素显著提高水稻、玉米、小麦等作物的氮肥利用率和氮肥农学效率[16,25-26]。本研究结果表明，控释尿素与普通尿素配施处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均显著高于普通尿素处理，且随配施比例的增加，三者均呈先升高后降低趋势。当控释尿素与普通尿素配施比例为75∶25施用时，氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率最高，分别为14.01 kg·kg-1、49.93 kg·kg-1和37.57%。于飞等[24]研究表明，当前我国玉米氮肥用量180～240 kg·hm-2时，氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥表观利用率分别为10.3 kg·kg-1、45.5 kg·kg-1和31.0%。本研究结果表明氮肥利用率的3项指标均高于目前中国氮肥利用率的平均水平。

合理施氮除了要考虑产量和经济效益等指标外，同时还应将施肥后植物—土壤系统的氮素平衡状况和氮素去向考虑在内[12]。戴明宏等[27]对春玉米的研究表明，习惯施肥处理(普通尿素240 kg·hm-2分次施用)的氮肥表观损失率为 42.6%。王寅等[12]研究表明，两季连作春玉米表观残留率在控释氮肥掺混施用后均显著提高，而表观损失率从普通尿素一次性全施处理的37.3%显著下降至掺混比例为45%时的6%。本研究结果表明，三季连作春玉米在普通尿素一次性全施处理的氮肥表观损失率和残留率分别为40.0%和37.4%，控释尿素与普通尿素混施显著降低了氮肥表观损失率和表观残留率。其中，掺混比例为75%的处理降低效果更明显，较普通尿素处理分别下降18.18%和20.58%。

土壤无机氮残留量过高是导致氮素损失的重要原因，因此其被要求控制在一定范围内以兼顾作物吸收与环境友好。钟茜等[28]研究表明，中国华北冬小麦-夏玉米轮作区土壤无机氮的残留量不宜超过150 kg·hm-2，而欧盟国家一般要求0～90 cm土层硝态氮残留应低于90 kg·hm-2。本研究中，相比普通尿素一次性全施处理，控释尿素与普通尿素混施处理可以降低土壤中的无机氮残留量。控释尿素与普通尿素混施处理3个生长季的土壤无机氮残留量分布在119.8～130.8 kg·hm-2之间，总体上处于较适宜水平。掺混比例为75%时的土壤无机氮残留量最低，三季连作春玉米后为119.8 kg·hm-2。因此，从土壤-植物系统氮素平衡的观点看，控释尿素与普通尿素掺混施用技术通过减少氮素表观损失，降低土壤氮素盈余，从而增加植株氮素吸收，提高了氮肥利用率。

本研究3 a田间定点试验研究显示，黄土高原东部春玉米施N量为240 kg·hm-2时，随着控释尿素比例的增加，春玉米产量、氮素表观利用率和施肥收益均呈现先升高后降低的趋势，春玉米产量、氮素利用率和施肥收益最佳的配施比例分别为64.3%、71.2%和61.8%。因此，从产量、氮素效率和施肥收益等方面综合考虑，黄土高原东部春玉米主产区控释尿素的最佳配施比例为60.0%～75.0%。各个学者关于控释尿素与普通尿素掺混施用研究结果差异较大，根本原因是地域差异，因为不同的区域环境气候、土壤类型及养分含量不同，同时还受控释氮肥种类等的影响。因而开展地域性研究，筛选出适宜本区域的最佳控释尿素及其配施比例对农业生产具有重要的现实意义。

4 结 论

科学的控释尿素与普通尿素配合施用能够提高春玉米产量，促进植株氮素吸收，提高肥料利用效率，同时减少氮素表观损失，降低土壤氮素盈余，增加经济效益，因而可作为推荐的一次性施肥技术。从玉米产量、氮素利用和施肥收益等方面综合考虑，当前生产条件下，黄土高原东部春玉米主产区控释尿素的最佳配施比例为60.0%～75.0%。