控释尿素施用比例对旱地春玉米产量及土壤硝态氮残留量的影响

刘 晶，郑利芳，王 颖,，党廷辉,

(1西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100；2中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100)

氮肥对促进粮食作物增产和农业持续发展具有重要意义,尿素是农用氮肥的主要来源，为了追求产量效益，尿素的施用量逐年增加[1-2]。在中国北方石灰性土壤中，施入土壤中的尿素会被脲酶迅速水解为铵离子，其中部分铵离子以气态形式损失[3]，另一部分铵离子易被氧化成硝酸根离子而被淋失或发生反硝化作用损失，使作物可利用的氮素降低，造成尿素无效输入、损失严重及环境污染等问题[4-5]。因此，如何有效减少氮素损失、优化氮肥投入，对改善土壤肥力、保护环境及促进农业健康发展均具有重要意义。

控释氮肥采用聚合物包膜，能定量调节氮素的释放量和释放周期，使养分供应与作物各生育期营养需求相吻合[6]，众多研究表明，施用控释氮肥可以优化氮肥投入，防控土壤氮素流失，达到减肥增效的作用[7-10]。但控释氮肥也存在一定的缺陷，例如控释氮肥价格较高，若完全施用控释氮肥，将不利于降低生产成本[11]；此外，控释氮肥前期释放养分缓慢，易使作物前期缺氮后期贪青，进而影响作物产量[12]。

黄土高原旱作农业区属于雨养农业区域，当地农田长期过量或不平衡施用氮肥，造成土壤硝态氮大量累积[13]。减少氮肥投入并掺混施用控释尿素为阻控硝态氮淋溶提供了重要思路，针对黄土高原旱作农业区合理施肥的大量研究表明，在当地传统施氮量(250 kg/hm2)下减氮20%不会对玉米产量产生消极影响[14-16]。因此，本研究在长武地区布设了3年的田间试验，在当地传统施氮量的基础上将氮肥用量减少20%(氮肥总用量为200 kg/hm2)，将普通尿素与控释尿素按不同比例配施，研究该地区玉米连作系统中控释尿素施用比例对玉米产量和土壤硝态氮的调控效果，并探讨控释尿素添加比例对旱地土壤硝化潜势和微生物量碳氮的影响，以确定适宜控释尿素施用比例，为黄土高原南部旱地玉米种植区推广应用控释尿素肥料以及农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4月-2019年9月在陕西长武试验站(35°12′N,107°40′E)进行。试验区海拔1 200 m，属半干旱湿润性季风气候，年均温9.2 ℃，年日照时长2 230 h，年平均降雨量560 mm。供试土壤为黏壤质黑垆土，试验初始耕层土壤基本理化性质为：有机碳含量6.5 g/kg，全氮含量0.8 g/kg，速效磷含量5.0 mg/kg，速效钾含量129.3 mg/kg，土壤体积质量1.35 g/cm3，pH 8.4。

1.2 材 料

供试春玉米品种为先玉335，每年一熟，连作种植。供试肥料为普通尿素(N 46.4%)和树脂包膜控释尿素(N 45%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 51%)。

1.3 试验设计

在2017-2019年的原位试验中，氮肥总用量为200 kg/hm2，按照氮肥中控释尿素的施用比例设置5个处理，分别为：① CK：不施氮对照(CK)；② NC0：控释尿素0%+100%普通尿素(200 kg/hm2)；③ NC35：控释尿素35%(70 kg/hm2)+普通尿素65%(130 kg/hm2)；④ NC50：控释尿素50%(100 kg/hm2)+普通尿素50%(100 kg/hm2)；⑤ NC65：控释尿素65%(130 kg/hm2)+普通尿素35%(70 kg/hm2)。各处理3次重复，采用随机区组设计，小区面积为46.75 m2( 8.5 m×5.5 m )。每个处理均施用等量的磷、钾肥(P2O5120 kg/hm2和K2O 38 kg/hm2)。田间操作依据当地施肥方式进行，施肥前将普通尿素和控释尿素掺混均匀，氮磷钾肥作为基肥于播前采用撒施方式一次性施入，不追肥。玉米于每年的4月下旬播种，9月下旬收获。采用半地膜种植模式，膜宽80 cm，行距60 cm，株距30 cm。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 春玉米产量 于2017-2019年春玉米收获期，在每个小区随机选择16 m2的样方收获取样，称量全部玉米穗鲜质量后，从中选取具有代表性的20穗玉米，脱粒后风干，称取其籽粒质量并折算最终产量。本研究的玉米产量取2017-2019年3年的平均值进行分析。

1.4.2 土壤微生物量碳(SMBC)、氮(SMBN)含量和土壤硝化潜势 于2019年春玉米吐丝期(6月25日)，在各小区内采用5 点取样法，用土钻分别取0～20和20～40 cm土层土样，将同层土样混合后放入塑封袋，用冰盒运输到实验室。去除新鲜土样中的杂质后过孔径2 mm筛，用于测定SMBC、SMBN含量和土壤硝化潜势。SMBC、SMBN含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(水土体积质量比为4∶1)测定[17]，土壤硝化潜势采用氯酸盐抑制法(水土体积质量比为4∶1)测定[18]。

1.4.3 土壤硝态氮残留量 于2019年春玉米收获后(9月28日)，在各小区内采用5 点取样法，用土钻钻取0～300 cm土层土壤(0～100 cm和100～300 cm土层分别按间隔10 和20 cm 等层多点混合取样)。将同层土样混合后放入塑封袋，用冰盒运输到实验室。去除鲜土样中可见杂质后过2 mm筛，称取5.0 g土样，用1 mol/L KCl浸提，振荡过滤后采用流动分析仪测定硝态氮含量，然后计算土壤硝态氮残留量：土壤硝态氮残留量=土层厚度×土壤体积质量×土壤硝态氮含量/10[19]。

1.4.4 植物地上部干物质质量和全氮含量 于2017-2019年春玉米收获期，每小区选取代表性植株 3 株，称取地上部(包括茎、叶、苞叶、穗轴、籽粒)鲜质量后装入档案袋，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘至恒质量，称干物质量后用凯氏定氮法[20]测定全氮含量。

1.5 数据计算方法

吸氮量(kg/hm2)=地上部干物质质量×全氮含量/1 000；

氮肥偏生产力(PEP,kg/kg)=施氮处理产量/施氮量；

氮肥农学效率(ANUE，kg/kg)=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量；

氮肥吸收效率(NUPE，%)=(施氮处理吸氮量-不施氮处理吸氮量)/施氮量×100%。

1.6 数据处理与统计分析

采用Excel 2019、SPSS 26.0进行统计与分析，数据用“平均值±标准差”表示。用 LSD法进行多重比较，Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 控释尿素施用比例对春玉米产量及氮肥效率的影响

从表1可以看出，与CK 相比，施用氮肥可以显著增加春玉米产量，各处理玉米产量表现为NC50>NC0>NC65>NC35>CK，其中，NC0、NC50处理籽粒产量显著高于NC35、NC65(P<0.05)，而NC0与NC50处理之间玉米产量无显著差异(P>0.05)，NC65和NC35处理春玉米产量较NC0处理显著降低了5.76%和14.39%(P<0.05)。3种控释尿素处理中，随控释尿素施用比例的提高，春玉米吸氮量、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、氮肥吸收效率总体上均呈先增后减趋势，当控释尿素施用比例为50%时(NC50)，以上指标均达到峰值，但与全施用普通尿素处理(NC0)相比，3种控释尿素处理并未显著提高氮肥利用率。以上结果表明，控释尿素添加比例会影响春玉米产量，其中控释尿素添加比例为35%和65%时会导致春玉米减产，而控释尿素添加比例为50%时可以保证春玉米的产量。

表1 控释尿素施用比例对春玉米产量及氮肥效率的影响Table 1 Effect of controlled-release urea application ratio on spring maize yield and nitrogen efficiency

2.2 控释尿素施用比例对春玉米吐丝期土壤微生物量碳、氮含量的影响

从图1可以看出，与CK 相比，施用氮肥可以显著增加SMBC、SMBN含量(P<0.05)。在0～20，20～40 cm土层SMBC和SMBN含量的变化趋势均为NC50>NC35>NC65>NC0>CK。在0～20 cm土层，与NC0处理相比，施用控释尿素显著提高了SMNC含量(P<0.05)，NC65、NC35和NC50处理的SMBC含量分别增加了9.8%，13.5%和14.7%；在20～40 cm土层，与NC0相比，施用控释尿素使SMBC含量显著提高了8.7%～11.9%。在0～20 cm土层，与NC0处理相比，施用控释尿素均可以增加土壤的SMBN含量，增幅大小依次为NC50>NC35>NC65，其中NC50和NC35处理的SMBN含量显著增加了23.5%和15.2%(P<0.05)，NC65处理的SMBN含量增加不显著。在20～40 cm土层，NC35和NC50处理的SMBN含量较NC0处理分别显著增加了24.8%和41.6%(P<0.05)，NC65处理的SMBN含量无显著变化。以上结果表明，控释尿素与普通尿素配合施用可以增加土壤的SMBC、SMBN含量，其中当控释尿素的施用比例为50%时，SMBC和SMBN含量的提升效果较为显著。

2.3 控释尿素施用比例对春玉米吐丝期土壤硝化潜势的影响

从2019年的测定结果(图2)可以看出，与CK 相比，施用氮肥可显著增加土壤的硝化潜势(P<0.05)，但与NC0处理相比，施用控释尿素会降低土壤硝化潜势。从图2还可看出，各处理0～20 cm土层土壤硝化潜势均高于20～40 cm土层。施用控释尿素处理0～20和20～40 cm土层的土壤硝化潜势分别保持在0.27～0.32和0.12～0.17 mg/(kg·h)，与NC0处理相比，施用控释尿素处理0～20和20～40 cm土层的土壤硝化潜势分别下降了6.8%～22.3%和17.5%～41.3%。其中，2个土层中均以NC50处理土壤硝化潜势降低幅度最大，且与其他处理之间的差异均达到了显著水平。以上结果表明，施用不同比例控释尿素会降低土壤硝化潜势，其中当控释尿素施用比例为50%时土壤硝化潜势的降低幅度最大。

2.4 控释尿素施用比例对土壤硝态氮残留量的影响

从2019年测定结果(图3)可以看出，0～300 cm 土层中，施用氮肥显著增加了土壤硝态氮残留量(P<0.05)，其中NC0处理的硝态氮残留量最高，为85.9 kg/hm2；与CK处理相比，NC35、NC50、NC65和NC0处理的硝态氮残留量分别显著增加了31.66%，47.45%，66.22%和102.44%；与NC0处理相比， NC65、NC50和NC35处理的硝态氮残留量分别显著降低了17.89%，27.16%和34.96%(P<0.05)，可知施用不同比例的控释尿素均能显著降低土壤的硝态氮残留量。在0～100 cm土层中，与NC0处理相比，NC35、NC50和NC65处理的硝态氮残留量均有所降低，其中只有NC35与NC0处理的差异达显著水平，其他2个处理与NC0处理之间差异均不显著。在100～300 cm土层中，NC0处理的硝态氮残留量明显高于其他处理，NC65、NC50和NC35处理的硝态氮残留量较NC0处理分别降低了23.17%，34.26%和38.85%(P<0.05)。由此可知，施用不同比例控释尿素能够削弱土壤硝态氮在土壤中的累积，且阻控土壤硝态氮向深层土壤淋溶。

3 讨 论

本研究表明，控释尿素的施用比例会对玉米产量产生不同影响。姬景红等[21]和解文艳等[22]的研究均表明，控释尿素施用比例过高或过低都会影响作物产量。本研究表明，控释尿素施用比例为50%(NC50)时，可以保证春玉米的产量，当控释尿素施用比例为35%(NC35)和65%(NC65)时，会造成春玉米减产。与NC0处理相比，NC35和NC65处理春玉米产量显著降低了14.3%和5.5%，这可能是由于施用35%的控释尿素时，普通尿素施用比例过多，玉米生育前期土壤中释放的氮素过多，玉米所吸氮量高于实际需氮量，叶片生长旺盛，使得株间通风透光能力下降，光能利用率降低，导致玉米呼吸作用旺盛，提高了其对光合产物的消耗，最终消耗大于合成而使其减产；另外控释尿素后期供氮不足，也可能导致玉米减产。当施用65%的控释尿素时，控释尿素施用比例过高，导致“氮肥后移”，玉米生育前期供氮不足，影响了玉米生长，即使后期氮素供应充足，仍对玉米产量造成了不利影响。同时，也有少量学者针对玉米控释尿素的施用比例进行了研究，董亮等[23]提出，褐土区控释氮肥施用比例为70%～100%较为适宜；冯朋博等[24]研究认为，普通尿素与控释尿素按1∶2质量比配施最佳。以上研究结果的差异，可能与不同地区土壤类型、水肥条件、试验所用控释尿素种类、肥料的施用时期等有关。

土壤微生物量碳、氮是衡量微生物可固定活性碳氮的数量指标，具有较高的生物活性，可以有效反映土壤肥力变化和各种施肥措施的差异性[25]。施用肥料会对土壤微生物的数量、活性产生显著的影响。有研究表明，施用普通氮肥后，氮素在前期释放较多、较快，会产生“激发效应”，影响微生物对氮素的固定[26]，与施用普通氮肥相比，施用控释氮肥可以显著增加土壤微生物生物量[27]。本研究发现，施用不同比例控释尿素增加了SMBC、SMBN含量，这是因为施用控释尿素一方面可以减缓氮素释放，有效控制尿素的释放速率，使土壤中可利用的氮素长期保持在一定的范围和比例内[28]，促进土壤微生物活动，进而维持较高的土壤微生物量；另一方面，微生物可以通过同化作用固定部分活性氮素，减缓土壤硝化作用，进而调控土壤硝态氮水平，避免过多的硝态氮淋溶累积至土壤深层，故SMBC、SMBN含量明显增加。

硝化作用是微生物将土壤中的铵态氮转化为硝态氮的过程，这一反应过程联系着矿化-生物固持作用及氮素损失[29]，且与微生物作用密切相关，更是土壤氮素转化的重要环节。氮素在土壤中被转化为硝态氮的快慢，影响着施入土壤中氮肥的存在形态，这一进程常用硝化潜势来表达。研究表明，施氮会显著增加土壤硝化潜势[30-31]，导致铵态氮易被硝化成为硝态氮，增加淋失或反硝化作用损失风险。有研究证实，施用控释肥能有效减少氮损失，降低环境污染，是适宜推广的农田减肥增效技术[23]。本研究结果表明，施氮可以显著增加土壤硝化潜势，而施用不同比例控释尿素则会显著降低土壤硝化潜势，其中当控释尿素施用比例为50%时土壤硝化潜势的降低幅度最大，说明施用控释尿素可以减缓土壤硝化潜势，降低硝态氮的淋溶风险。

研究表明，合理施用控释氮肥对调控土壤硝态氮淋溶具有重要作用。赵营等[32]研究表明，施用控释肥对阻控土壤硝态氮淋溶运移具有显著作用。本研究3年的试验结果也表明，与全施用普通尿素相比，施用控释尿素可以降低0～300 cm土层中的硝态氮残留量，且阻控硝态氮向下淋溶累积。氮肥施入土壤后，主要有3个去向，即被作物吸收利用、在土壤中残留或氨挥发损失[33]。本研究中，由春玉米的氮肥利用率可知，施用控释尿素并未提高氮肥利用率，说明施用控释尿素减少的未淋溶而累积在深层土壤剖面中的硝态氮并未被春玉米吸收，这些未被吸收的氮素可能通过氨挥发途径损失[34]，也有可能随水流渗透到还原层，通过反硝化作用被还原为N2或N2O而释放到大气中。但由于本试验未进行施用控释尿素对土壤-作物-大气之间综合调控影响的相关研究，今后将利用氮同位素示踪等技术探究氮的迁移转化过程，以期更好地阐明氮素的去向。

4 结 论

在黄土高原南部旱作春玉米连作区，施用不同比例控释尿素可对春玉米产量及氮素农学效率产生不同影响，当控释尿素施用比例为35%和65%时会显著降低春玉米产量，当施用比例为50%时可以保证春玉米产量。与NC0处理相比，施入不同比例控释尿素会增加SMBC、SMBN含量，降低 0～20和20～40 cm土层的土壤硝化潜势以及0～300 cm土层中的硝态氮残留量。因此，当控释尿素施用比例为50%时，其对春玉米产量及土壤环境无明显影响，具有较好的减肥增效效果。