锌与尿素物理混合和熔融混合对玉米产量及肥料氮、锌利用的影响

2021-12-05赵丽芳张水勤赵秉强林治安李燕婷

植物营养与肥料学报 2021年10期

赵丽芳，袁亮，张水勤，赵秉强，林治安，李燕婷

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室, 北京 100081）

锌是作物生长发育必需的微量元素之一，在作物的生长发育过程中起着重要的生理生化作用[1]。同时，锌也是维持人体生长发育必不可少的生命元素[2]。然而，全世界几乎一半人口受到缺锌的困扰[3]。在许多以谷物为主的发展中国家，居民缺锌现象尤其严重，这主要是因为谷物籽粒中的锌含量偏低，不能满足人体的需要。因此，提高谷物籽粒中锌的含量关系到人类健康与社会发展[4]。土壤是植物吸收锌元素最主要的来源，在农作物生产，由于连年高产及大量元素肥料的施用导致农田生产系统中微量元素，尤其是锌的缺乏[5]，我国缺少微量元素锌的耕地面积占总耕地面积的51.5%[6]。土壤缺锌已是引起世界范围内农业生产力下降的一个众所周知的问题[3]。

玉米作为世界三大粮食作物之一，具有较高的生物量和产量，对锌敏感[7]。锌可以通过影响玉米的内源激素合成和氧自由基代谢过程促进授粉，提高玉米产量和玉米籽粒中的锌含量，从而增加人体对锌的摄入[8-11]。研究表明，氮素极有可能是影响植物生物富集锌的重要营养成分[12]，施氮能促进作物根系对锌的吸收和转运，进而提高作物籽粒中锌的含量[13-16]，达到籽粒锌生物强化的目的[17-18]。施锌也能够通过促进氮的代谢过程，提高作物对氮素的吸收利用[19-20]，氮锌配施可以促进作物生长，提高作物产量，改善作物品质，增加作物对氮、锌的吸收[21-24]。生产实践中，通常以锌与大量元素肥料配合施用，如，将锌与氮、磷、钾肥分别配制成氮-锌复合肥、磷–锌复合肥、钾–锌复合肥，均有提高锌肥有效性的作用效果[25]。然而，目前的研究多集中于锌与大量元素化肥配施的效果，且以氮锌肥配施为主，而将锌与尿素熔融造粒制成一种新型肥料，研究不同添加量的锌与尿素结合对作物生长发育和氮、锌吸收利用及分配的影响鲜见报道。本文运用15N示踪技术，利用不同添加量的锌与尿素通过熔融混合和物理混合两种方式结合制备含锌尿素，开展土柱栽培试验，研究含锌尿素施用对玉米产量及肥料氮、锌去向的影响，探究氮锌交互作用效果，以期为含锌尿素新产品的研制提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试作物为夏玉米‘郑单958’。

供试土壤取自中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地，连续3年未施用任何肥料的匀地地块。土壤类型为石灰性潮土，质地为轻壤。分别采集 0—20 cm 耕层土壤和 20—90 cm 的底层土壤，风干、过 1 cm 筛、混匀，备用，其基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供试肥料及其制备方法：1)含15N尿素，将15N尿素(丰度10.10%，上海化工研究院)在130℃熔融、冷却、粉碎研磨过筛(20目)；2)锌与尿素物理混合产品：室温下，将硫酸锌(ZnSO4·7H2O，国药集团化学试剂有限公司)分别按0.5%和5%的比例(ZnSO4·7H2O/尿素，质量比)与15N尿素充分混合均匀、粉碎、研磨、过筛(0.85 mm)，制得15N标记的含锌尿素物理混合试验产品U+Zn0.5和U+Zn5；3)锌与尿素熔融混合产品：将硫酸锌(ZnSO4·7H2O)分别按0.5%和5%的比例 (质量比)与15N尿素在130℃下熔融，充分搅拌混匀1 min，冷却后粉碎、过筛(0.85 mm)，制得含15N标记的锌尿素熔融混合试验产品UZn0.5和UZn5。

尿素中锌添加量设置5%和0.5%两个用量水平，是因为在农业生产中，尿素平均用量约300～375 kg/hm2，锌肥平均用量 (以 ZnSO4·7H2O 计)为 15 kg/hm2左右，即ZnSO4·7H2O用量约占尿素用量的5%左右，所以，本研究所设置5%锌用量即为生产中锌肥和尿素用量的常规比例；而设置0.5%添加量为锌低水平用量，目的是与常规用量(5%)进行比较，以研究锌与尿素通过物理混合和熔融混合配伍后是否能提高锌的有效性和利用率。各供试肥料性质见表2。

表2 供试肥料的ZnSO4·7H2O添加比例及养分含量Table 2 ZnSO4·7H2O addition rate and nutrient contents of the fertilizers prepared

1.2 试验设计

试验于2020年5—11月在中国农业科学院德州实验站禹城试验基地进行。试验采用土柱栽培方式，将高100 cm、内径30 cm的PVC管埋入土中，管口上部高出地面3 cm，以防止降雨后产生的地表径流流入，下不封口，与自然土壤直接接触。每个土柱装75 kg过1 cm筛的干土，土层深90 cm，其中土层下部30—90 cm装取自田间20—90 cm的底层土壤，分两次装入，每次装入后灌水沉实；0—30 cm装取自田间0—20耕层土壤，与肥料混匀后装入，灌水。

试验共设 8 个处理：1) 不施氮肥 (CK)；2) 单施尿素 (U)；3) 单施锌 0.39 mg/kg 干土 (Zn0.5)；4) 单施锌 3.93 mg/kg 干土 (Zn5)；5) U+Zn0.5；6)U+Zn5；7) UZn0.5；8) UZn5。所有处理的肥料施用量均按0—30 cm土层的干土重计算，在播种前一次性基施，均匀混入0—30 cm土层。其中，所有施氮处理按照等氮量施肥，施氮量为0.15 g/kg干土，3)、5)和7)锌用量相同，施锌量(Zn)为0.39 mg/kg干土，4)、6)和8)锌用量相同，施锌量(Zn2+)为3.93 mg/kg干土。所有处理磷、钾肥施用量按照充足供应原则，分别施用 P2O50.2 g/kg 干土和 K2O 0.2 g/kg干土，即每个土柱磷(P2O5)和钾(K2O)施用量均为 5.0 g，以 KH2PO4和 KCl (国药集团化学试剂有限公司)的形式施用。每个处理重复6次，采用随机区组排列。每个土柱播种3 粒玉米，三叶期间苗，保留1 株/柱。玉米生长期间的管理同当地生产常规管理。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集玉米收获后，置于通风处自然风干，并进行考种，测定穗行数、行粒数；然后，将玉米叶片、茎秆、苞叶、穗轴、籽粒分开，于 65℃烘干并称重，测定百粒重和玉米各部分的干物质量，并分别粉碎，过0.149 mm筛，保存，备用；同时，采集 0—30、30—60、60—90 cm 土层的土壤样品，风干后，充分混匀，磨细，过0.149 mm筛，保存，备用。

1.3.2 样品分析采集所得植物和土壤样品，采用同位素质谱仪Elementar [艾力蒙塔贸易(上海)有限公司]测定其含氮量和15N 丰度。植株样品采用浓硝酸–高氯酸消煮，原子吸收分光光度计法测定植株锌含量[26]；土壤样品采用EDTA浸提，原子吸收分光光度计法测定土壤有效锌含量[27]；X射线光电子能谱(XPS)采用ESCALab250型X射线光电子能谱仪(美国 Thermo Scientific 公司)测定。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 锌与尿素物理混合和熔融混合对玉米生长和产量的影响

表3表明，4个含锌尿素处理的玉米籽粒和茎秆干物质量均高于普通尿素(U)处理，熔融含锌尿素处理(UZn0.5、UZn5)的玉米穗粒数也均高于普通尿素和物理混合含锌尿素处理，UZn 0.5和UZn5处理之间各指标无显著差异。可见，与单施尿素相比，尿素中加锌(物理混合和熔融混合)促进了玉米生长、提高了玉米产量，其中熔融混合优于物理混合。

表3 不同处理玉米产量构成因素及各部位生物量Table 3 Yield component and biomass of different parts of maize under different treatments

2.2 锌与尿素物理混合和熔融混合对肥料氮去向的影响

2.2.1 玉米对氮的吸收利用与对照(CK、Zn0.5、Zn5)相比，各施氮处理均显著提高了玉米植株地上部和不同器官的氮素吸收量(表4)。含锌尿素处理的玉米籽粒、茎秆中的总氮吸收量多高于普通尿素处理(U)，其中，熔融含锌尿素(UZn0.5、UZn5)处理的地上部和籽粒总氮吸收量显著高于U处理，籽粒吸氮量较U处理分别显著增加6.12%和5.92%。UZn0.5和UZn5处理所有部位氮素吸收量之间无显著差异。

表4 不同处理玉米地上部总氮吸收量(g/pot)Table 4 Total N uptake by maize under different treatments

表5表明，与普通尿素处理(U)相比，熔融含锌尿素处理(UZn0.5、UZn5)显著提高了玉米地上部的总肥料氮吸收量，主要增加了籽粒的肥料氮吸收量，降低了穗轴的肥料氮吸收量，UZn0.5和UZn5之间没有显著差异。物理混合含锌尿素对玉米各部位肥料氮的吸收多没有显著影响。总之，与普通尿素相比，锌与尿素熔融混合可以提高玉米地上部对氮素的吸收，提高玉米籽粒的氮吸收量。

表5 不同处理玉米地上部肥料氮吸收量(g/pot)Table 5 Total fertilizer N uptake by maize under different treatments

2.2.2 肥料氮在土层中的分布与残留从表6中可以看出，肥料氮主要残留在0—30 cm土层，U、U+Zn0.5、U+Zn5、UZn0.5和UZn5处理在0—30 cm土层的肥料氮残留量分别占0—90 cm土层总残留量的68.18%、69.12%、69.57%、71.43%和69.86%。在0—30和30—60 cm土层，UZn0.5和UZn5处理的肥料氮残留量均显著高于U，而U+Zn0.5和U+Zn5处理与U没有显著差异。在0—30和30—60 cm土层，UZn0.5处理的肥料氮残留量也显著高于U+Zn0.5和U+Zn5，而UZn5的氮素残留量只在0—30 cm土层显著高于U+Zn0.5。在60—90 cm土层，所有处理的肥料氮残留量无显著差异。可见，锌与尿素熔融混合增加了0—60 cm土层的肥料氮残留量，且以0.5%的锌添加量有益于尿素在土壤中的固持。

表6 不同处理各土层肥料氮的残留量(g/pot)Table 6 Residual quantity of fertilizer N in different soil layers under different treatments

2.2.3 肥料氮的利用、残留及损失与普通尿素相比，熔融混合含锌尿素显著提高了玉米对肥料氮的吸收量和肥料氮素利用率，提高了肥料氮在土壤中的残留率，UZn0.5和UZn5处理间没有显著差异(表7）。尿素与锌混合均降低了肥料氮的损失量和损失率，UZn0.5和UZn5处理的损失量显著低于U、U+Zn0.5处理，U+Zn5处理的肥料氮素损失量也显著低于U处理，但与U+Zn0.5处理没有显著差异。因此，在尿素中以熔融法混合锌显著提高了肥料氮的利用率和土壤残留率，降低了肥料氮的损失率。

表7 不同处理肥料氮的利用率及去向Table 7 Nitrogen use efficiency and fate of fertilizer nitrogen under different treatments

2.3 锌与尿素物理混合和熔融混合对锌有效性的影响

2.3.1 玉米对锌的吸收利用表8显示，与CK相比，单施锌多不能显著提高玉米各部位锌的积累量，而施用氮肥可以显著提高玉米地上部锌的积累量。与普通尿素处理(U)相比，UZn0.5处理提高玉米籽粒锌积累量的效果最佳，显著高于其他处理，其中UZn0.5处理较U处理玉米籽粒锌累积量显著提高62.08%；其次是UZn5和U+Zn5处理，其籽粒的锌积累量也高于U处理，而U+Zn0.5与U处理相比没有提高籽粒锌积累量的效果。UZn0.5处理的锌肥利用率为8.94%，是U+Zn0.5处理的2.4倍，而两个添加5%锌的尿素的锌肥利用率均小于1%在熔融混合方式下，UZn0.5处理籽粒锌累积量较UZn5显著提高46.82%，锌肥利用率提高8.43个百分点。综上所述，与锌肥单施相比，锌与尿素结合提高了玉米地上部对锌的吸收利用，熔融效果优于物理混合，且以0.5%的锌添加量效果最为理想。

表8 不同处理玉米地上部锌累积量及锌肥利用率Table 8 The accumulation and utilization of zinc in the maize shoots of different treatments

2.3.2 土壤有效锌含量在玉米收获后，各处理不同土层土壤有效锌含量不同(表9)。在0—90 cm土层中，各含锌尿素处理土壤有效锌含量均高于普通尿素处理(U)，高出25.27%～60.90%。锌用量相同时，在0—30 cm土层，UZn0.5处理比Zn0.5、U+Zn0.5处理土壤有效锌含量分别显著高出47.03%和34.17%，UZn5处理比Zn5、U+Zn5处理土壤有效锌含量分别高出25.44%和14.15%。可见，锌与尿素熔融混合较锌肥单施、锌与尿素物理混合能够提高施肥层土壤的有效锌含量。

表9 不同处理各土层土壤有效锌含量(mg/kg)Table 9 Available zinc content in different soil layers under different treatments

3 讨论

3.1 锌与尿素结合对玉米产量的影响

据研究，锌作为多种酶的组分，参与了生长素、叶绿素的合成以及碳水化合物的转化，氮锌配施能够促进植物的光合作用，提高光合效率，并最终影响作物的生长及产量的提高[31]。本研究结果显示，锌与尿素结合较普通尿素可提高玉米籽粒产量和地上部总干物质量，其中，锌与尿素熔融混合制成含锌尿素的提高作用优于二者物理混合(表3)，这与康利允等[32]、刘红恩等[33]、杨爽等[34]的研究结果相一致。Liu等[21]研究发现玉米产量会随着施Zn量的增加先上升，后趋于平稳。是因为在施Zn超过一定量之后，Zn不再是玉米生长的限制因子，继续增加施 Zn 量对于玉米没有显著的增产作用[35]。本研究中，相同结合方式下，不同添加量(0.5%、5%)的锌与尿素结合玉米产量之间无显著差异，可能是因为5%锌用量超过了玉米的生长需要。穗粒数和百粒重是玉米籽粒产量构成的决定因素[36]，在本研究条件下，施用氮肥均显著增加了玉米的穗粒数和百粒重，且在各施氮处理间，玉米的百粒重差异不显著，但锌与尿素结合施用较单施尿素显著提高了玉米产量，且在锌用量相同时，锌与尿素熔融混合较物理混合显著增加了玉米穗粒数(表3)。

本研究发现，锌与尿素熔融结合后，其物质结构发生了变化，如图1所示。从图中可以看到，UZn的化学谱峰结合能分别为1045.53和1022.30 eV，而U+Zn的化学谱峰分别为1045.91和1022.68 eV，UZn较U+Zn的化学位移发生了较小的偏移，初步猜测是UZn肥料里的Zn化学环境发生了变化。对N表面原子成键进行了分析(图2)，XPS N 1s的分峰拟合结果发现，在U+Zn混合物中只检测到了结合能分别为399.8 eV的氮，其为酰胺态氮；而UZn熔融混合物中除了检测到结合能为399.7 eV的酰胺态氮之外，还检测到了结合能为399.18 eV的另一种形态氮，这两种形态的氮分别占总氮的64.19%%和35.81% (由峰面积计算所得)。可见，位于 UZn N 1s谱图399.18 eV 处的峰则可能是 Zn2+与尿素反应结合形成新的氮形态(—NX)。结合图1中锌的化学位移峰发生偏移，则可进一步推断，Zn2+与尿素中的N发生了配位作用而形成新的化合物。这是因为，Zn2+与尿素中的N原子发生了配位作用，进而对尿素氮的释放起到一定的缓释效果[37]，从而保证了玉米生长过程中氮素的持续供应，优化了玉米生长环境，促进了玉米的生长和穗粒数的增加，提高了玉米籽粒产量。因此，熔融法主要影响了尿素中氮的形态，而对锌的形态影响较小，锌与不同形态氮素的结合对尿素氮和锌的释放可能都起到了一定的缓冲效果，因而提高了玉米对氮、锌的吸收。添加0.5%的硫酸锌更有利于玉米的锌吸收和生长，而添加5%的硫酸锌可能超过了玉米的需求，因而没体现出锌吸收量的增加和对玉米生长及产量的有益效果。

图1 XPS Zn 2p分峰拟合图Fig. 1 XPS Zn 2p peak fitting spectra of samples

图2 XPS N 1s分峰拟合图Fig. 2 XPS N 1s peak fitting spectra of samples

3.2 锌与尿素结合对氮素去向的影响

作物吸收、土壤中残留和损失是氮肥进入土壤-作物系统后的3个基本去向[36]。15N示踪研究结果表明，普通尿素氮的利用率、残留率和损失率分别为34.51%、17.55%和47.94%；而锌与尿素结合氮对应的利用率和残留率高于普通尿素，且损失率低于普通尿素(表7)。且锌与尿素两种结合方式中，熔融混合较物理混合提高了氮肥利用率和氮肥在土壤中的残留量，降低了氮肥损失率。可见，锌与尿素熔融混合制备成含锌尿素施用能够促进玉米对肥料氮的吸收，增加氮素在土壤中的残留，降低肥料氮的损失。

研究结果表明，施用锌肥促进了玉米次生根的发生和根系的良好发育，根系数量大，有利于提高根系对营养元素的吸收能力，进而提高氮素的吸收效率，从而增加了玉米地上部的肥料氮吸收量，并促进氮从其它器官向果穗中运输，增加籽粒中的氮累积量[38]，本研究中，锌与尿素结合地上部总氮吸收量和肥料氮吸收量均高于普通尿素处理，其中，锌与尿素熔融混合的提高作用优于二者物理混合(表4、表5)，而且含锌尿素在提高玉米肥料氮总吸收量的同时，苞叶中的肥料氮吸收量有所降低，籽粒中的肥料氮吸收量增加，说明含锌尿素促进了苞叶的氮向籽粒中的转移，提高了玉米的氮肥利用率。这与赵鹏等[39]的研究结果相一致。

氮素在土壤中残留是不可避免的[40]。本试验中，15N标记的肥料氮的残留主要集中在0—30 cm土层，下层残留量逐渐减少，但在30—90 cm土层中仍有肥料氮的残留(表6)。由此推断，在90 cm以下土层中可能还会有肥料氮的残留，所以其肥料氮的总残留量可能会略高于测定值。对比各施氮处理肥料氮残留量发现，锌与尿素熔融混合在0—60 cm土层的肥料氮残留量显著高于U处理。不同结合方式下，施锌量为0.5%时，锌与尿素熔融混合在0—60 cm土层的肥料氮残留量显著高于物理混合，且0.5%添加量的锌与尿素熔融在0—30 cm土层的残留量高于5%添加量的锌与尿素熔融处理，说明含锌尿素施用降低了土壤氮素的淋溶，且以低添加量的锌与尿素熔融混合效果最好，这对于满足植物根系对养分的需求以及促进作物生长有一定的积极作用。同时大量研究表明，残留在土壤中的氮有助于后茬作物的生长以及对养分的吸收利用[41-42]。

3.3 锌与尿素结合对锌肥利用的影响

有研究表明，施用氮肥能促进小麦根系对Zn的吸收、Zn从根系往地上部的转运以及植物体内 Zn的再转运，进而提高小麦籽粒中Zn的含量，从而达到籽粒锌生物强化的目的[4]；施锌肥能够促进各器官中锌素向籽粒的转移，提高籽粒中锌的分配比例，而这一现象在氮锌配施时表现更加明显[18]，氮锌配施能够刺激作物根系发育，促进作物对锌的吸收和锌向籽粒的转移[43-44]，提高了籽粒锌含量[45-46]。本试验中与普通尿素相比，锌与尿素熔融混合增加了玉米地上部对锌的吸收和累积(表8)；锌与尿素熔融混合较普通尿素提高了锌在地上部，尤其是籽粒中的累积量，与前人[47-48]研究结果一致。

本研究中，施锌量为0.5%时，锌与尿素熔融混合较物理混合显著提高了玉米地上部尤其是籽粒锌累积量，锌肥利用率大幅提高(表8)。Shivay等[49]将含ZnSO4·7H2O的包膜尿素施到土壤中，在低施用量(0.5% ZnSO4·7H2O)情况下，可以显著提高Zn肥的表观利用率，而在高施用量(2% ZnSO4·7H2O)下，Zn的表观利用率则下降。锌的累积量和利用率并没有随着锌肥施用量的增加而增加，可能是由于较高添加量的锌已超过了玉米正常生长的需要，影响了玉米对锌的进一步吸收；也可能是因为未利用的锌肥会受土壤条件的影响被土壤固定的程度增加，降低锌肥有效性[50]，从而影响了Zn的利用率。

研究表明，施入土壤中锌元素利用率很低，只有少部分被作物吸收利用，而大部分在土壤中残留[50]。本试验中施用锌肥显著增加了0—90 cm土层土壤有效锌含量，且与锌肥单施相比，锌与尿素熔融结合增加了土壤有效锌含量(表9)。土壤锌含量和有效性受土壤母质、pH、有机质含量及其他共存金属元素等诸多因素影响[51]；刘合满等[52]运用通径分析研究各因子对有效锌的影响程度发现，土壤氮对锌有效性影响较大，可以促进锌的有效化。同时有研究发现，氮锌配施能促进土壤中的锌从松结有机态和碳酸盐结合态向交换态转化，提高土壤锌的有效性[53]，进而提高土壤有效锌含量。本研究还发现，相同施锌量下，锌与尿素熔融混合较物理混合显著提高了0—30 cm土层的土壤有效锌含量，可能是因为锌与尿素熔融后，Zn2+与尿素中的N发生了配位结合而减少了Zn2+在土壤中的固定，提高了土壤锌的有效性，这对于后茬作物的生长和品质提升具有重要的促进作用[35]。相同结合方式但不同锌用量下，高添加量(5%)的锌与尿素结合土壤有效锌含量高于低添加量(0.5%)的锌与尿素结合(表9)。可能是由于本试验土壤不属于严重缺锌但属于潜在性缺锌土壤，相对增加适量的锌肥即可提高土壤有效锌含量，促进作物的吸收利用，而作物达到一定的吸收量后，未被作物吸收利用的锌肥则残留在土壤中。这也是本研究中低添加量的锌与尿素结合锌利用率显著高于高添加量的锌与尿素结合的原因之一。同时也进一步说明，在施氮的同时，适当补施锌肥对于提高作物产量，增加作物氮、锌累积量具有重要作用。下一步的研究应针对含锌尿素设置不同的锌肥用量梯度，找到含锌尿素最佳的氮锌配比，为生产中合理施肥、增加籽粒氮锌含量、提高氮锌肥利用率、开发含锌尿素新产品提供理论支持。