一次性施用控释氮肥对夏玉米产量、品质及氮素利用率的影响

2024-02-14高璐阳沈彦辉陈宏坤肖晨星武良

江苏农业科学 2024年24期

摘要：为研究一次性施用控释氮肥在鲁西南地区夏玉米上的应用效果，通过2年试验，设置CK（不施氮肥）、PU（普通尿素）、PCU（聚氨酯包膜尿素）、SPCU（硫磺树脂包膜尿素）、SCU（硫磺包膜尿素）5个处理，在等养分投入下，研究一次性施用控释氮肥对玉米产量、品质、氮素利用率的影响。结果表明：氮肥的施用能够显著提高玉米产量，同CK相比，施氮肥增产率达79.52%～108.43%。不同控释氮肥对玉米产量、氮肥利用率、经济效益的提升效果整体表现为PCUgt;SPCUgt;PUgt;SCU；PCU处理效果最佳，与PU处理相比，玉米产量增加9.49%，氮肥利用率提高7.97百分点，经济效益提升14.06%。不同控释氮肥均能提高玉米籽粒中可溶性糖、还原性糖、淀粉、蛋白质、脂肪含量，改善玉米品质。综合考虑不同控释氮肥对玉米产量、品质、氮素利用率和经济效益的影响，一次性施用聚氨酯包膜尿素有利于鲁西南地区夏玉米高产提质，并可提高氮肥利用效率和经济效益。

关键词：控释氮肥；夏玉米；产量；品质；氮肥利用率

中图分类号：S513.06" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）24-0060-06

收稿日期：2023-11-29

基金项目：国家重点研发计划（编号：2022YFD1700603）；湖北省重点研发计划（编号：2023BBB147）。

作者简介：高璐阳（1987—），男，山东菏泽人，硕士，高级农艺师，主要从事新型肥料研发及养分资源高效利用研究。E-mail：gaoluyang81@126.com。

通信作者：陈宏坤，博士，研究员，主要从事新型肥料研发及应用研究。E-mail：chenhk99@163.com。

玉米是我国主要的粮食作物，也是良好的畜牧和工业原料，具有生长周期短、营养丰富、附加值高等特点，在保障国家粮食安全方面占有重要地位^［1^］。2022年，全国玉米种植面积达0.43亿km2，经济产量达2.77亿t^［2^］，已成为面积最大、总产最高的第一大粮食作物。黄淮海平原是我国最大的夏玉米主产区，玉米种植面积占全国玉米种植面积的43.4%；但由于长期不合理施肥，造成养分利用效率降低，不仅浪费资源，还带来农业面源污染^［3^］。当前，科学施肥是保障粮食高产安全有效供给、实现资源节约高效利用的关键举措。一次性施肥技术是指结合作物养分需求规律和区域土壤肥力状况而确定的最优施肥量，通过专用机械，将作物缓控释氮肥结合磷、钾肥作为基肥，在整地时一次性施入，整个生育期不再追肥，具有轻简、高效、绿色、环保的优点^［4-6^］，逐渐成为玉米生产中的主要施肥方式^［^7-10^］。夏玉米是氮素敏感型作物，合理施用氮肥不仅能够提高夏玉米的产量和氮肥利用率，同时还能缓解施肥给环境带来的压力^［¹¹^］。常规氮肥作为基肥一次性施入后，氮素供应与玉米需肥规律不匹配，前期易造成挥发和淋洗，后期易脱氮，严重影响夏玉米的产量和肥料利用率^［¹¹^］。当前我国玉米经济产量的提高主要是建立在农业资源高投入、高消耗的基础上^［12^］。如何减少因施肥不当造成的资源浪费和环境污染，已成为当前亟需解决的问题。

杨岩等的研究表明，不同缓控释肥结合一次性施肥技术应用于黄淮海地区夏玉米生产，提高了夏玉米的产量和氮肥利用率；但不同缓控释肥间的应用效应存在差异^［3^，5^］。高永祥等通过长期定位试验，发现缓控释掺混肥与尿素分次施用相比，夏玉米地上部生物量积累显著提高，年均产量均有一定程度的增加^［¹³^］。郑文魁在泰安夏玉米上的研究结果表明，与尿素分施处理相比，缓控释肥一次性基施的夏玉米氮肥利用率显著提高^［14^］。安文博等的研究表明，施用不同缓控释肥增加了鲜食玉米籽粒的维生素C、可溶性糖、蛋白质含量^［15^］。Liu等的研究表明，长期一次性基施控释肥氮肥，不仅可提高土壤中NO-3-N、NH+4-N的含量，减少氮素的淋溶损失，同时对土壤全氮、有机质含量也具有提升作用，能有效减少氮肥投入造成的环境污染^［16-18^］。

目前，关于控释氮肥种类、配施方式及掺混比例一次性基施对玉米氮素吸收、肥料氮素释放、氨挥发及氮素淋溶等方面已有一定的研究^［19-22^］。但研究的种植面积有限、区域代表性小，且不同肥料养分释放速率受温度、土壤、水分等田间环境的影响较大，导致同一种控释氮肥在不同地区的应用效果存在不同程度的差异。本研究通过田间试验，探究一次性施用控释氮肥对夏玉米产量、品质、氮素利用率及经济效益的影响，筛选适合鲁西南地区夏玉米一次性施用的控释氮肥品类，以期为该地区夏玉米一次性施肥技术的推广提供适宜的产品及配方。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5月至2022年9月在山东省菏泽市经济开发区（35°23′N，115°49′E）进行。该地区属于暖温带大陆性季风气候，寒暑交替，光热充足，年平均气温为12.9～14.9 ℃，平均降水量为 649.9 mm，降水主要集中在6—8月，雨热同季，适合多种作物生长发育。试验田土壤类型为发育在第4纪黄土状母质上的简育湿润淋溶土（棕壤），质地黏重，地势平坦。前茬种植作物为大蒜。播种前土壤基本理化性质如表1所示。

1.2 试验材料

供试玉米品种为夏玉米郑单958。供试控释肥料产品为聚氨酯包膜尿素PCU（N含量为44%）、硫磺树脂包膜尿素SPCU（N含量为36%）、硫磺包膜尿素SCU（N含量为37%）。常规肥料产品为普通尿素PU（N含量为46%）、过磷酸钙（P2O5含量为12%）、氯化钾（K2O含量为60%）。

1.3 试验设计

采用连续2年的田间小区定位试验，设5个处理，每个处理重复3次，小区面积为30 m2，采用完全随机区组设计。各试验处理及肥料总养分投入量如表2所示，其中PCU、SPCU、SCU处理肥料均作为基肥一次性施用；PU处理肥料采用基肥+追肥方式施用，70%氮肥做基肥施用，30%氮肥在玉米大喇叭口期采用沟施的方式追肥；各处理磷肥和钾肥均作为基肥一次性施用。在前茬大蒜收获后，将肥料均匀撒施到对应试验小区，旋耕3遍。玉米种植采用种肥同播技术，定植行间距为43 cm×30 cm，种植密度为 77 100株/hm2，分别于2021年5月25日播种，9月25日收获；2022年6月1日播种，9月30日收获。其他田间栽培管理按玉米高产要求进行。

1.4 样本采集与测定

于2021、2022年玉米收获期，将小区玉米全部收获，脱粒风干后，测定玉米经济产量；并于2022年玉米收获期采集植物样本，进一步测定肥料利用率、籽粒品质、产量构成等指标。依据均匀性和代表性原则，每个小区采集2株玉米，去除根部后按茎叶、籽粒等器官分类，装入档案袋后立即在105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，烘干样品粉碎混匀后备用待测。植物全氮含量采用浓H2SO4-H2O2消煮法、凯氏定氮法测定^［23^］，玉米籽粒中可溶性糖、脂肪、淀粉、蛋白质含量分别采用硫酸蒽酮比色法、索氏抽提法、酸水解法、考马斯亮蓝G-250比色法测定^［23^］。

1.5 数据分析及相关参数计算

氮肥利用率=（施肥区地上部氮素吸收量-不施肥区地上部氮素吸收量）/施氮量×100%；

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施肥区经济产量-不施肥区经济产量）/施氮量；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施肥区经济产量/施氮量；

采用SPSS 25.0软件进行数据统计分析、最小显著极差法（LSD法）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同控释氮肥对玉米经济产量的影响

施用氮肥能够显著提高玉米的经济产量。由表3可知，CK的玉米经济产量为4 613.42 kg/hm2；同CK相比，施氮肥处理的玉米增产率达79.52%～108.43%。PU处理的玉米经济产量为 8 782.17 kg/hm2；同PU处理相比，PCU、SPCU处理的玉米产量分别提高9.49%、0.51%；SCU处理的玉米略有减产，但同PU相比差异不显著。新型肥料PCU对玉米经济产量的提升效果最好，玉米产量显著高于其他（SPCU处理除外）施肥处理（Plt;0.05）。SPCU处理的玉米经济产量与PU处理相比相差不大，SCU处理的玉米经济产量同PU处理相比降低；原因可能在于SPCU、SCU处理中，肥料包膜层中存在硫磺且包膜层较厚，影响试验区玉米对于氮素养分的吸收。

2.2 不同控释氮肥对玉米产量构成要素的影响

从产量构成要素（表4）看，同CK处理相比，不同氮肥处理均能够增加玉米的穗长、穗行数、穗粒数、百粒重，减少玉米的秃尖长，进一步说明施用氮肥是提升玉米经济产量的主要因素。除CK外，其余各施肥处理间的玉米穗长为20.0～20.8 cm，无明显差异。PCU处理的玉米穗行数、穗粒数显著高于PU、SPCU、SCU处理（Plt;0.05），PU、SPCU、SCU处理的玉米穗行数、穗粒数之间无显著性差异。各施氮肥处理下，玉米百粒重达31.3～33.4 g；PCU处理的玉米百粒重最大，为33.4 g，说明聚氨酯包膜尿素（PCU）对于玉米经济产量的提高及其对产量构成要素的影响效果最佳。由表5可知，穗行数、穗粒数、百粒重与产量之间存在极显著正相关关系，且以穗粒数与玉米产量间的相关性最强，达0.995。

2.3 不同控释氮肥对玉米氮素吸收量及利用率的影响

由表6可知，PU处理的氮肥利用率为34.87%，同PU处理相比，PCU、SPCU、SCU处理的氮肥利用率分别提高7.97、2.26、0.68百分点，说明施用3种新型包膜氮肥均能提高玉米的氮肥利用率，且以施用聚氨酯包膜尿素（PCU）提高最多，显著高于其他施肥处理。PU处理的氮肥农学效率为17.37 kg/kg，同PU处理相比，PCU、SPCU、SCU处理的氮肥农学效率分别提高19.98%、1.09%、-11.97%，PCU处理对于氮肥农学效率的提升效果最好。PU处理氮肥偏生产力为36.59 kg/kg；同PU处理相比，PCU处理对于氮肥偏生产力的提升达9.51%。在施氮肥量相同的条件下氮肥农学效率、氮肥偏生产力与作物经济产量呈正相关，因此各施肥处理间的氮肥农学效率、偏生产力同玉米产量呈现相同的变化趋势，聚氨酯包膜尿素（PCU处理）对于氮肥利用率、农学效率、偏生产力的提升效果最佳。

2.4 不同控释氮肥对玉米籽粒品质的影响

不同控释氮肥对玉米籽粒品质的影响见表7。与CK处理相比，氮肥处理均能提高玉米籽粒中可溶性糖、还原性糖、淀粉、蛋白质、脂肪、水分含量，说明施用氮肥不仅能够提高玉米产量，还能改善玉米品质。与PU处理相比，SPCU处理显著提高玉米籽粒中的可溶性糖、还原性糖、淀粉、脂肪、水分含量（Plt;0.05）；PCU处理显著提高了玉米籽粒中的可溶性糖、还原性糖、淀粉含量（Plt;0.05）；SCU处理提高了玉米籽粒中的可溶性糖、还原性糖、淀粉、脂肪、蛋白质、水分含量，但差异不显著。3种包膜尿素处理对玉米籽粒品质的综合影响存在差异，表现为SPCUgt;PCUgt;SCU。

2.5 不同控释氮肥对玉米经济效益的影响

由表8可知，玉米纯经济收益表现为PCUgt;SPCUgt;PUgt;SCUgt;CK。CK的玉米纯经济收益为 8 251.72元/hm2；与CK相比，氮肥处理的玉米纯经济收益增加81.58%～117.49%；与PU处理相比，PCU、SPCU、SCU处理的经济收益分别增长14.06%、2.12%、-4.78%。PCU处理对玉米经济效益的提升效果最佳，其次为SPCU处理；SCU处理的玉米经济效益下降，主要原因在于硫包膜尿素处理导致玉米减产，同时硫包膜氮肥价格高于普通尿素。

3 讨论

3.1 控释氮肥一次性施用对夏玉米产量及产量构成的影响

前人关于控释氮肥一次性施用对玉米的增产效应做了大量研究。江丽华等在河北、河南、山东等地、周丽平等在河北夏玉米上的研究表明，施用不同缓控释肥均能提高玉米产量；同施用普通尿素相比，施用控释氮肥能够显著增加玉米产量，增产幅度为6.3%～18.8%^［5^，24^］。侯云鹏等在吉林春玉米上的研究表明，施用不同缓/控释氮肥均能够增加玉米产量，其中以树脂包膜尿素增产效果最佳^［25^］。本研究中，施氮处理对玉米的增产效应与前人研究结果一致，但不同控释氮肥一次性施用与普通尿素分施对玉米的增产效应与前人研究结果存在差异；表现为SCU一次性施用处理的玉米产量低于尿素分施处理。这一方面可能是由于玉米品种不同、试验区域气候条件、土壤基础肥力状况等综合因素的影响造成的；另一方面可能是由于尿素分施处理在玉米生长大量需氮的大喇叭口期追施了氮素，一定程度上保证了氮素供应，硫磺的施用有效提升了土壤的酶活性^［26^］，进而影响了土壤微生物活性，进一步导致SCU降解速率加快，控释期变短，后期氮素供应不足，影响了玉米的产量。

产量构成要素之间的协调发展是实现作物高产的基础。本研究中，与CK相比，各施氮处理均能增加玉米的穗长、穗行数、穗粒数、百粒重，减少玉米的秃尖长，进而显著提高玉米产量，进一步说明氮肥的施用是提升玉米经济产量的主要因素。本研究通过对玉米产量构成要素与产量的相关性分析，验证了前人关于缓/控释氮肥可显著提高玉米穗粒数和百粒重^［11^］的结论。本研究中，与尿素分施处理相比，不同缓控释肥一次性施用对玉米穗粒数和百粒重的影响不同，穗粒数表现为PCUgt;SPCUgt;SCU，这主要是由于不同包膜控释肥的养分释放速率不同导致的。PCU处理的养分释放速度慢，养分能够持续供应玉米养分吸收，延缓植株衰老，促进籽粒灌浆，增加玉米穗粒数和百粒重。SPCU、SCU处理的养分释放速度快，一定程度上影响了玉米生长后期的养分供应。

3.2 控释氮肥一次性施用对夏玉米氮素吸收利用的影响

肥料利用率主要取决于作物的养分吸收能力和土壤、肥料提供养分的能力^［27^］。本研究中，同PU处理相比，PCU、SPCU、SCU处理的氮肥利用率分别提高7.97、2.26、0.68百分点，且以PCU处理提高最多，氮肥利用率达42.84%，显著高于我国玉米氮肥30%～35%的利用率水平^［28^］，这与其控释机制有关。聚氨酯包膜尿素是用有机高分子作为包膜材料，减少养分与土壤的相互接触，降低周围土壤的生物、化学、物理作用对养分的固定作用，通过有效控制养分的释放，进而提高养分的利用效率。在施氮量相同的条件下，氮肥农学效率、氮肥偏生产力与作物经济产量呈正相关。卢艳艳等研究表明，施用包膜控释氮肥均能够降低农田土壤氨挥发，增加作物经济产量，提高氮肥的农学利用率和肥料偏生产力^［29-30^］。本研究中，PCU、SPCU处理均能够提高氮肥农学效率和偏生产力，与前人研究结果基本一致。

3.3 控释氮肥一次性施用对夏玉米品质的影响

氮是植物体内氨基酸、蛋白质等含氮化合物的重要构成元素，也是植物体内多种酶的组成部分，可以促进作物秸秆中干物质转运至籽粒，增加作物产量，改善作物品质^［31^］。徐峰等的研究结果表明，与常规施肥处理相比，不同种类的缓/控释肥料能够增加玉米籽粒中维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白质的含量^［32^］。安文博等研究表明，施用树脂包膜肥料，能够增加玉米籽粒中的可溶性糖、可溶性蛋白含量，改善玉米籽粒品质^［¹⁵^］。本研究中，同PU处理相比，SPCU、PCU处理能够显著增加玉米籽粒中可溶性糖、还原性糖、淀粉含量，与前人的研究结果基本一致。本研究施用的3种不同缓控释肥对玉米籽粒品质的改善效应存在差异，表现为SPCUgt;PCUgt;SCU，主要原因可能在于不同种类包膜肥料通过不同方式实现控释，产生不同的氮素形态及其比例，进而影响玉米籽粒中可溶性糖、还原性糖、淀粉含量，但具体作用机制仍需进一步研究。

4 结论

氮肥的施用能够显著提高玉米经济产量，增产率达79.52%～108.43%。在同等养分投入条件下，不同控释氮肥对玉米的增产效果、氮肥利用率和经济效益整体表现为PCUgt;SPCUgt;PUgt;SCU，其中PCU处理的玉米增产效果和经济效益最佳。不同包膜控释氮肥均能够增加玉米籽粒中的可溶性糖、还原性糖、淀粉、蛋白质、脂肪含量，改善玉米品质。综合考虑不同包膜控释氮肥对玉米产量、品质、经济效益及氮素利用率的影响，一次性施用聚氨酯包膜尿素表现出较好的应用效果，有利于鲁西南地区棕壤夏玉米的高产和提质增效。

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