控释掺混肥对双季玉米氨挥发和肥料养分回收率的影响

徐祥玉，周剑雄，喻大昭，向礼波，袁家富，郑 磊，张 强

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064；2.金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沂 276700）

目前中国是世界上最大的化肥生产国和氮肥消费国，氮肥年消费量平均约占世界的30%［1］，但中国三大粮食作物的氮肥当季利用率分别比国际平均水平低15%～50%［2］，意味着中国农田存在更多的氮肥损失，其中氨挥发是农田氮肥损失的主要途径之一，也是大气中氨浓度不断增加的重要来源［3］。据估计，全球平均有18%的氮肥因氨挥发而损失［4］。2014年中国氨挥发达4.20 Tg（N）∕年，占全球的34.09%，远高于其他国家［5］。氨挥发不仅造成氮素损失，也是大气中最重要的反应性污染物，对生态系统、气候和人类健康均会产生不利影响［6］。在对流层中，氨和硫酸、硝酸形成二次无机气溶胶的主要成分硫酸铵和硝酸铵是造成雾霾的元凶［7］。可见降低农田氨挥发对提高氮素利用效率和降低环境风险具有重要意义。

农田管理措施可明显减缓氨挥发，如用硫酸铵、磷酸二铵等氮源替代尿素可降低22%～55%的氨挥发［8］；尿素在土壤亚表层条带化或深层施用可明显减少氨挥发［9，10］；调整灌溉量可减少47%～90%的氨挥发［11，12］。除了管理措施外，增效肥料减缓氨挥发的研究也较多，如尿素酶抑制剂N-（N-丁基）硫代磷酸三酰胺等被广泛使用［13，14］；控释肥料可以提高氮的利用效率、子粒产量和牧草品质［15］，但却提高了氨挥发［16］；也有研究表明，控释肥可显著降低鲜食玉米［17］和红壤稻田［18，19］氨挥发。可见，农田氨挥发是综合因素作用的结果，与施肥、气候、土壤以及作物生长期等因素均有关［20，21］。

长江中游地区光、温、水资源丰富，是典型的多熟制生态区和中国重要的粮食生产基地。研究表明，长江中游双季玉米使光能生产效率、积温生产效率以及经济效益比双季水稻分别提高了8.1%、11.4%和37.8%［22］。基于保障国家粮食和饲料安全的需求，长江中下游地区稻田种植玉米或发展双季玉米的面积逐步增加［23］。在这种模式下，常规施肥的氨挥发以及控释肥施用对氨挥发的影响并不清楚，因此，摸清长江中游地区春季子粒玉米+秋季青贮玉米双季模式下氨挥发特征，为合理评价氮利用效率和氮损失、制定高效施肥措施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖北省潜江市周矶镇农业技术推广服务中心，地处江汉平原腹地，气候属北亚热带季风性湿润气候。四季分明，夏热冬寒，热量、雨量比较充足，年平均气温16.1℃，无霜期约250 d。试验田土壤耕层含有机质19.08 g∕kg、碱解氮56.29 mg∕kg、速效磷18.40 mg∕kg、速效钾174.60 mg∕kg，pH 7.10。

1.2 试验设计

试验设6个处理：处理1，不施肥（CK）；处理2，常规施肥1（CG1），N、P2O5、K2O施用量分别为210、105、150 kg∕hm2，肥源分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾；处理3，常规施肥2（CG2），N、P2O5、K2O施用量分别为210、105、150 kg∕hm2，肥源为高浓度复合肥（N、P2O5、K2O含量均为15%），其中不足的氮肥和钾肥以尿素和氯化钾补齐；处理4：控释掺混肥1（CF1），N、P2O5、K2O施用量分别为168、105、150 kg∕hm2，肥源分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾，其中50%为氮肥控释，释放期为60 d；处理5：控释掺混肥2（CF2），N、P2O5、K2O施用量分别为168、105、150 kg∕hm2，肥源分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾，其中70%的氮肥控释，释放期为60 d；处理6，控释掺混肥3（CF3），N、P2O5、K2O施用量分别为168、105、150 kg∕hm2，肥源分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾，其中100%的氮肥控释，释放期为60 d。

其中，CG1、CG2处理氮肥分两次施用（春季子粒玉米3月17日施基肥、4月5日施追肥；秋青贮玉米7月20日施基肥8月6日施追肥；基肥∶追肥=7∶3），磷、钾肥一次性基施，其他处理肥料均以基肥一次性施用，施肥深度8～10 cm。采用宽窄行栽培，开厢带厢沟200 cm，其中沟宽40 cm、沟深25～30 cm，厢面宽160 cm。厢上施肥两行，肥料间距宽80 cm，肥料带距厢边40 cm，肥料带两边种植玉米各一行，玉米播种距肥料带5～8 cm。

春季子粒玉米品种为郑单958，种植密度为6.0万株∕hm2，2018年3月17日播种，7月18日收获；秋季青贮玉米品种为澳玉5102，种植密度为5.7万株∕hm2，2018年7月20日播种，11月10日收获。

1.3 测定指标与方法

氨挥发采用通气法测定［24］；硝态氮和铵态氮采用1 mol∕L的KCl浸提，流动分析仪测定；植株全氮含量采用浓硫酸-双氧水消煮，半微量凯氏定氮法测定。

1.4 数据分析

1）作物地上部养分携出量按照式（1）计算。

式中，Nop为作物养分携出量，单位为kg∕hm2；Sy为作物秸秆产量，单位为kg∕hm2；Sc为作物秸秆养分浓度，单位为g∕kg；Gy为作物子粒产量，单位为kg∕hm2；Gc为作物子粒养分浓度，单位为g∕kg；1 000为换算系数。

2）地上部养分回收率按照式（2）计算。

式中，Nr为养分回收率，单位为%；Nt为施肥处理作物地上部累积养分携出量，单位为kg∕hm2；Nc为对照处理作物地上部累积养分携出量，单位为kg∕hm2；Ni为养分投入量，单位为kg∕hm2。

3）所有数据用Excel软件整理，通过R语言分析，数据分析中涉及到tidyverse、ggpubr、gglmannotate、ggplot2等包。

2 结果与分析

2.1 控释掺混肥对玉米产量的影响

从图1可以看出，春季子粒玉米和秋季青贮玉米产量表现基本一致，即不施肥处理（CK）产量显著低于施肥处理。在施肥处理中，春季子粒玉米和秋季青贮玉米产量在处理间无显著差异，由此可见在使用控释掺混肥情况下至少可以将氮素用量降低20%而不减产。从3个掺混肥处理结果可以看出，在施肥量相同情况下，控释氮素占总氮素投入比达到50%即可满足需求。

图1 控释掺混肥对双季玉米产量的影响

2.2 控释掺混肥对氨挥发的影响

从图2可以看出，江汉平原春季子粒玉米-秋季青贮玉米模式下，春季氨挥发主要发生在施肥后30 d内，30 d后挥发量很低；秋季青贮玉米主要发生在施肥后15 d内，其中秋季青贮玉米季氨挥发量明显高于春子粒玉米季。从氨挥发累积量（表1）看，在氮、磷、钾均为单质肥情况下（CG1），周年氨挥发损失氮量可达施氮量的9.34%，当氮、磷、钾主要以复合肥提供时（CG2），氨挥发损失氮比例降低至6.51%，当50%以上的氮肥为控释肥时（CF1、CF2、CF3），氨挥发损失氮比例降低至2.03%～3.56%。由此可见，单质肥料氨挥发损失最严重，复合肥次之，控释掺混肥最低。

图2 控释掺混肥对双季玉米周年氨挥发的影响

表1 控释掺混肥对氨挥发总量的影响

2.3 控释掺混肥对硝态氮和铵态氮的影响

对江汉平原春季子粒玉米-秋季青贮玉米大田硝态氮、铵态氮分析结果表明，二者0～10 cm土层含量高于10～20 cm土层，且硝态氮含量高于铵态氮含量；处理间二者含量无显著差异（图3）。

图3 控释掺混肥对周年无机氮变化的影响

2.4 控释掺混肥对养分利用效率的影响

从表2可以看出，如果秸秆不还田，则不施肥处理（CK）地上生物量携带大量养分离开农田，其中K2O携出量为138.36 kg∕hm2。在施肥处理中地上生物量携带氮素量均超过100 kg∕hm2，从大到小依次为CF1、CF3、CF2、CG2、CG1；携带P2O5量从大到小依次为CF1、CF2、CF3、CG2、CG1；携带K2O量从大到小依次为CF2、CF1、CF3、CG2、CG1。结合施肥量可见，在单质肥施用情况下（CG1），地上部生物量对氮、磷、钾肥料养分回收效率分别为31.50%、27.71%和49.82%，当肥料为复合肥时养分回收率大幅度提高，当50%以上的氮以控释肥代替时，氮肥地上部养分回收率可达50%以上，磷肥地上部养分回收率达45%以上，而钾肥地上部养分回收率甚至能达到70%以上。由此可见，肥料造粒、控释掺混肥等措施可以提高肥料利用效率，控释氮肥掺混比例达到50%即可满足要求。

表2 控释掺混肥对春子粒玉米肥料利用效率的影响

3 小结与讨论

本研究表明掺混控释尿素可在保持产量稳定的同时降低20%的氮素投入。这与已有报道基本相当，如在不减产的情况下，可减少东北春玉米20%的氮素投入［25］、减少小麦-玉米轮作体系中小麦季15%的氮素投入［26］、减少冬麦区14.3%的氮肥用量［27］、减少鲜食玉米25%的氮素投入［17］。这些研究均证实了控释肥可以在保证不减产的情况下有效地减少氮素投入。这主要是由于缓控释肥具有养分释放缓慢、肥效时间长的特点，可以满足作物生长的需求，有效降低施肥次数、节省肥料。本研究中控释肥不同用量之间玉米产量差异不显著，控释氮素用量达总用量的50%即可满足减肥需要。这与已有研究基本类似，如李伟［28］研究表明总氮中控释氮占30%、50%和100%对小麦产量无显著差异。

控释肥可以极大提高养分利用效率，这在各类作物上均有报道，如：控释肥使水稻氮素利用效率达60%～70%［29］；优化控释使小麦-玉米体系中养分表观利用效率从常规施肥的42.4%提高到57.9%［30］；控释肥使东北春玉米氮素利用效率提高27.1%［31］。以上说明控释肥可以大幅度提高养分利用效率。本研究中掺混控释肥可以大幅度提高肥料中氮、磷和钾素的回收率，说明肥料带入的养分被作物吸收利用程度较高，即养分利用效率较高。

氨挥发是氮素损失的主要途径之一，降低氨挥发可以提高养分在土壤中的保留时间和养分利用效率，减缓环境压力。控释肥可以降低施肥带来的氨挥发，从而降低氮损失。本研究中施用控释肥可以使双季玉米田氨挥发占施肥总量的比例控制在2.03%～3.56%，而常规施肥为9.34%，说明控释肥能明显降低氨挥发，与已有报道相似，如控释肥可使夏玉米田间氨挥发降低51.34%～91.34%［32］、鲜食甜玉米田氨挥发降低78%～81%［17］、冬麦田氨挥发从13.53%降低到8.46%［27］、稻田氨挥发降低20.2%［33］～40.9%［34］。可见，控释肥是降低氨挥发的有效途径。

由此可知，在江汉平原春季子粒+秋季青贮双季玉米模式下，N、P2O5、K2O施用量分别控制在168、105、150 kg∕hm2时，其中50%的氮肥控释即可实现产量维持和养分利用效率提高的双重目的。由于氨挥发受到土壤水分的明显影响［35］，因此在不同的降雨或水分管理条件下是否存在更合理的施肥量和掺混比例则有待于进一步研究。