秸秆还田及不同比例控失尿素对华北平原小麦产量及潮土性质影响

2024-02-15张水清涂昊泽岳克黄绍敏宋晓郭斗斗张珂珂岳艳军

农业资源与环境学报 2024年1期

张水清，涂昊泽，岳克，黄绍敏，张博，宋晓，郭斗斗，张珂珂，岳艳军

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；3.河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453700）

化肥是重要的农业生产资料，特别是化学速效氮肥的生产与施用推动着我国作物产量逐年攀升。随着速效氮肥施用量的增加，氮肥施用所产生的问题也日益突出。由于过量和不合理地施用，氮素利用率和对产量提升的贡献率降低[1]，土壤酸化、温室气体大量排放、农业面源污染等环境问题不断涌现[2-5]。农业农村部分别于2015、2022年发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》及《到2025 年化肥减量化行动方案》，旨在提高氮肥利用效率。鉴于此，研发高肥效、环保型氮肥是肥料行业响应国家政策的责任与担当，也是未来绿色农业发展的方向。而缓释氮肥能根据不同作物不同生育阶段对不同养分的需求来调节其释放速率和释放时间，从而做到促控协调，满足作物生育期内对养分的需求，同时还能降低氮素淋失，减少对环境的污染，是理想的新型氮肥[6]。

控失尿素是一种添加改性材料以固定氮素的新型缓释氮肥，可以固定氮肥、减少肥力流失、提高氮肥利用率[7]。大量研究表明，控失尿素施用可提高作物产量、肥料利用率和经济效益[8-11]。周丽平等[10]的研究表明，在种植夏玉米时施用控失尿素相较传统尿素减少氨挥发近20%，平均产量提升13.5%。华北平原是我国重要的粮食生产地，该地区以夏玉米-冬小麦的生产方式为主，秸秆还田措施在此地区已大面积推广，控失尿素替代普通尿素并未大面积推广。岳克等[9]在河南新乡进行的研究表明，与普通尿素相比，在种植冬小麦时施用控失尿素可增产8.1%，提高小麦氮肥利用率9.6%。在种植玉米时，控失尿素较普通尿素增产33.5%[11]。目前，关于控失尿素施用技术的研究多数聚焦于单一施用量方面，或是对比不同种类缓控释肥优劣，而关于控失尿素与普通尿素的配合施用结合秸秆还田的研究报道较少；对于秸秆还田与单一氮肥用量交互作用的研究较多，秸秆还田与控失尿素和普通尿素配合施用的研究较少。因此，本研究开展秸秆还田条件下不同控失尿素比例对华北平原潮土性质、小麦产量及氮肥利用率的影响，旨在为华北潮土区氮肥高效施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年10月在河南省新乡市平原示范区师寨镇小赵庄村（113°46′27″ E，35°05′53″ N）进行，该区地处暖温带，年均气温14.4 ℃，年降雨量645 mm，无霜期225 d，年日照时数2 400 h。供试小麦品种为郑麦7698。供试土壤类型为石灰性潮土，砂粒、粉粒和黏粒分别占14.0%、54.3%和31.7%，按照国际制分类标准[12]为粉砂质黏土。试验前采集0～20 cm耕层土壤样品进行基础养分测定，其有机质含量为22.64 g·kg-1，全氮1.53 g·kg-1，有效磷和速效钾分别为33.46 mg·kg-1和235.38 mg·kg-1，硝态氮含量为45.16 mg·kg-1，铵态氮含量为2.03 mg·kg-1，pH值为8.05。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以秸秆还田为主区，控失尿素比例为副区。设置秸秆全量还田（S1）、秸秆不还田（S0）2 种秸秆还田模式，秸秆还田处理是将上一季的玉米秸秆机械粉碎后全量还田，在小麦播种前深翻（30 cm）入土，再用播种机播种；秸秆不还田处理是将玉米秸秆移出田块，其他耕作措施同秸秆还田处理；控失尿素比例设CK（不施肥）、LCU0（不施控失尿素，普通尿素为100%）、LCU40（控失尿素占40%，普通尿素占60%，比例为氮素比例）、LCU70（控失尿素占70%，普通尿素占30%，比例为氮素比例）、LCU100（控失尿素为100%，不施普通尿素）5 个处理。LCU0、LCU40、LCU70和LCU1004 个处理小麦季施氮量相同，均为210 kg·hm-2，其中基肥和拔节期追肥分别占60%和40%；磷、钾肥用量分别为磷肥（P2O5）120 kg·hm-2和钾肥（K2O）60 kg·hm-2，全部作基肥一次施入。每个处理3次重复，小区面积30 m2（长6 m，宽5 m），小区间隔1 m。供试普通尿素（N，46%）、控失尿素（总氮≥43.2%，为内质包裹型新型缓释尿素，专利号ZL201210392722.7；Loss control urea，简称LCU）均为河南心连心化肥有限公司生产，磷、钾肥分别为过磷酸钙（P2O5，12%）和氯化钾（K2O，60%）。小麦在2017年10月13日播种，次年6月2日收获。田间管理与当地高产田一致。

1.3 样品采集与测定

小麦收获后，于小区中采集0～20 cm耕层土壤样品，按四分法取两份：一份风干研磨，分别过0.85 mm和0.15 mm筛测定土壤养分含量；另一份鲜土放入4 ℃冰箱保存，测定土壤铵态氮和硝态氮含量。在小麦成熟期，每个小区单独收割6 m2分别测定小麦籽粒产量。选择代表性的小麦植株，分籽粒与茎叶两部分将其烘干并测定质量，粉碎后测定氮的质量分数。

植株全氮采用浓H2SO4-H2O2消解-蒸馏定氮法测定。

土壤的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定[13]。土壤有机质（SOM）采用K2Cr2O7氧化-外加热法测定，土壤总氮（TN）采用凯氏蒸馏法测定，有效磷（AP）采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾（AK）采用乙酸铵提取-火焰光度计法测定，土壤铵态氮（NH+4-N）和硝态氮（NO-3-N）采用0.1 mol·L-1CaCl2溶液浸提-SEALAA3 流动注射分析仪测定。

1.4 数据处理与分析

试验数据中土壤性质及作物产量采用SPSS 22.0软件进行裂区试验方差分析，以秸秆还田为主区，不同控失尿素比例为裂区。多重比较采用Duncan 最小极差法，使用Origin 2021进行回归分析及图像处理。

1.5 指标计算和统计方法

氮素收获指数（N Harvest Index，NHI，kg·kg-1）=籽粒吸氮量/植株总吸氮量

氮肥表观利用率（Apparent N Recovery Efficiency，ANRE，%）=（施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量）/施氮量×100

氮肥偏生产力（Partial Factor Productivity from applied N，PFPN，kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量

氮肥农艺利用率（Agronomic N Use Efficiency，ANUE，kg·kg-1）=（施氮区产量-空白区产量）/施氮量

土壤氮素依存率（Soil N Dependent Rate，SNDR，%）=空白区植株总吸氮量/施氮区植株总吸氮量×100

2 结果与分析

2.1 不同比例控失尿素及秸秆还田对土壤养分的影响

如表1 所示，秸秆还田处理对土壤有机质（SOM）含量及速效钾（AK）具有极显著影响（P＜0.01）。秸秆还田处理（S1）相较秸秆不还田处理（S0），土壤中有机质含量与速效钾含量显著提高，其他土壤养分含量无显著变化。不同控失尿素比例对硝态氮（NO-3-N）及土壤pH 值具有极显著影响（P＜0.01）。在秸秆还田处理下，S1-LCU100处理土壤中硝态氮含量最高，S1-LCU100与S1-LCU40、S1-LCU70处理无显著差异，与S1-LCU0和S1-CK差异显著（P＜0.05）。在秸秆不还田处理下，S0-LCU40、S0-LCU70和S0-LCU100处理土壤性质无显著差异，三者硝态氮含量高于S0-LCU0但差异不显著，显著高于S0-CK。秸秆还田处理下，施肥条件不同未对土壤pH 产生显著影响。在秸秆不还田处理下，施肥组与对照组（S0-CK）的pH 值无显著差异（P＞0.05）。秸秆还田与控失尿素比例的交互作用对硝态氮含量具有显著影响（P＜0.05），两者的交互作用提高了土壤中硝态氮的含量（P＜0.05）。

表1 不同处理对潮土性质的影响Table 1 Effects of different treatments on the properties of Fluvo-aquic soil

不论是否进行秸秆还田，有机质含量在耕作后均有提升，秸秆还田与不还田处理有机质含量无显著差异。秸秆还田处理相较秸秆不还田处理土壤全氮含量平均增加4.3%，但差异不显著。有效磷含量在秸秆还田处理下较试验前提高12.2%，平均增加4.1 mg·kg-1，差异达显著水平（P＜0.05），秸秆不还田处理较试验前降低10.0%，平均降低3.3 mg·kg-1，但无显著差异。速效钾含量在秸秆还田处理下较试验前提高4.9%，平均增加11.6 mg·kg-1，秸秆不还田处理较试验前降低7.3%，平均降低17.2 mg·kg-1，差异不显著。秸秆还田条件下，土壤硝态氮含量较试验前提升149.0%；秸秆不还田条件下，土壤硝态氮含量较试验前提升65.0%，差异均达到显著水平（P＜0.05），而铵态氮含量在试验前后差异不显著。在相同秸秆还田处理下，随控失尿素比例增加，总氮、有效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮含量均增加。

2.2 不同比例控失尿素及秸秆还田对作物产量的影响

由图1 可见，相较于CK，施用控失尿素显著增加了小麦籽粒产量。在秸秆还田条件下，S1-LCU40小麦籽粒产量最高，为7 009.26 kg·hm-2，比S1-LCU0、S1-LCU70、S1-LCU100产量分别增加3.8%、4.0%、6.4%，但差异不显著。在秸秆不还田条件下，控失尿素比例为70%时籽粒产量最高，相较于S0-LCU0、S0-LCU40、S0-LCU100产量分别增加7.7%、1.2%、2.8%，但差异不显著。在秸秆还田或不还田条件下，籽粒产量都随控失尿素比例的增加呈现出先增加后降低的趋势。100%控失尿素比例产量较40%、70%控失尿素比例产量低，说明进一步增加控失尿素比例存在减产风险。在秸秆还田条件下，S1-LCU40小麦秸秆产量最高，达11 361.38 kg·hm-2，秸秆产量随控失尿素比例增加呈现出先增加后降低的趋势。在秸秆不还田时，S0-LCU70小麦秸秆产量最高，过高或过低控失尿素比例下秸秆产量均降低。无论秸秆还田与否，籽粒全氮含量与茎叶全氮含量均呈现出随控失尿素比例增加先上升后降低的趋势，40%控失尿素比例和70%控失尿素比例下籽粒和茎叶全氮含量提升最大。由表2可知，不同控失尿素比例对小麦产量及小麦吸氮量具有极显著影响（P＜0.01），而秸秆还田对小麦产量无显著影响。秸秆还田和不同控失尿素比例的交互效应对小麦产量无显著影响。以上结果表明，不同比例控失尿素会影响华北潮土区冬小麦产量，其中控失尿素比例为40%时小麦产量提升最大。

图1 不同比例控失尿素及秸秆还田对作物产量的影响Figure 1 Effects of different proportion of urea and straw returning on crop yield

表2 不同处理下小麦产量及吸氮量方差分析Table 2 Analysis of variance of wheat yield and its biological indexes under different treatments

2.3 不同比例控失尿素及秸秆还田对小麦氮素吸收与利用指标的影响

如表3 所示，不同控失尿素比例对氮素收获指数具有显著影响（P＜0.05），对氮肥表观利用率、土壤氮素依存率具有极显著影响（P＜0.01）。秸秆还田对土壤氮素依存率有显著影响（P＜0.05），对小麦氮素吸收与利用其他指标无显著影响。秸秆还田与控失尿素比例的交互作用对小麦氮素吸收与利用指标无显著影响。

表3 不同处理下小麦氮素吸收与利用指标Table 3 Effects of different treatments on nitrogen uptake and utilization index of wheat

氮素收获指数随控失尿素比例增加呈现出先降低后升高的趋势。不论秸秆还田与否，控失尿素比例为100%时氮素收获指数均较其他添加控失尿素处理高。氮肥表观利用率随控失尿素比例增加呈现先增加后降低的趋势，在秸秆还田条件下S1-LCU40氮肥表观利用率最高，与S1-LCU0差异显著，与S1-LCU70、S1-LCU100差异不显著。这说明在秸秆还田条件下S1-LCU40为较优处理。在秸秆不还田条件下S0-LCU70氮肥表观利用率最高，S0-LCU70、S0-LCU100相较于S0-LCU0显著提高了氮肥表观利用率，S0-LCU40与S0-LCU0差异不显著。这说明在秸秆不还田条件下，S0-LCU70、S0-LCU100为更优处理。不论秸秆还田与否，相较于100%普通尿素，添加不同比例控失尿素均有利于提高氮肥表观利用率。氮肥偏生产力和氮肥农艺利用率在秸秆还田条件下随控失尿素比例增加表现出先升高后降低的趋势。在秸秆还田条件下S1-LCU40氮肥偏生产力、氮肥农艺利用率最高，但与S1-LCU0差异不显著。秸秆还田能够提高土壤氮素依存率，使氮肥贡献率降低，说明秸秆还田有助于土壤地力提升。

3 讨论

本研究通过对华北潮土区不同比例控失尿素的施用及秸秆还田与否进行对照试验，研究不同比例控失尿素与秸秆还田对土壤性质、小麦产量、氮素利用指标的影响。结果表明，秸秆还田与控失尿素配施可以改良土壤，增加小麦产量、小麦吸氮量，提高氮肥偏生产力、氮肥表观利用率、氮肥农艺利用率等氮素利用指标。

3.1 不同比例控失尿素及秸秆还田对土壤性质的影响

本研究表明，秸秆还田对土壤性质提升效果明显，各项土壤性质指标均高于秸秆不还田处理，但只对有机质含量和速效钾含量影响达极显著水平（P＜0.01），这与姚远等[14]的研究结果一致。相较于普通尿素，不同比例控失尿素对硝态氮含量与土壤pH 值具有极显著影响，其他土壤性质较不施肥处理均有提高，但影响并不显著。硝态氮含量在收获期结束后仍能维持较高水平，说明不同比例控失尿素能够提高土壤中硝态氮含量，这与卢艳丽等[15]的研究结果一致。控失尿素还能通过提高土壤碳氮代谢酶活性及磷酸酶活性来促进秸秆分解，进而提供长效养分[16]。不论秸秆还田与否，控失尿素比例为70%时，对土壤养分含量总体提升效果优于40%和100%控失尿素比例。在配施控失尿素时，秸秆不还田处理土壤pH、速效钾、有机质含量均较秸秆还田处理低，说明秸秆还田通过提高土壤有机质含量提升地力与土壤缓冲性，并减缓因尿素添加而引起的土壤pH 降低。

3.2 不同比例控失尿素及秸秆还田对小麦产量及吸氮量的影响

本研究表明，秸秆还田与施用不同比例控失尿素显著增加小麦产量与土壤硝态氮含量。秸秆还田相较秸秆不还田提高籽粒产量6.6%、秸秆产量16.0%。这是因为秸秆还田后可显著增加土壤速效钾、有效磷、硝态氮和有机质含量，满足小麦籽粒发育所需养分的供应量，进而促进小麦增产[17]。通常而言，在一定范围内作物产量随氮肥施用量不断提高，但超过某一范围后增施氮肥也无法提高作物产量[18]。在秸秆还田与不同比例控失尿素共同施用下，小麦产量及吸氮量指标相较于秸秆不还田有所提高。在秸秆还田条件下，控失尿素比例为40%时，小麦产量及吸氮量指标均为最高，说明在秸秆还田条件下控失尿素比例为40%时对小麦生产增势最好。这表明通过提高生物量及个体库容可以达到提升群体库容的效果，从而提高小麦增产潜力，这与张敬昇等[19]的研究结果一致。控失尿素占比在超过40%时，小麦产量及吸氮量指标有所下降，同时产量降低，这可能是因为在供肥充足时控失尿素氮素释放未能与小麦氮素吸收规律相匹配[20]。在秸秆不还田条件下，控失尿素占比提升有助于小麦产量及吸氮量提升。控失尿素比例为70%时各项指标较高，说明在秸秆不还田条件下相对较高的控失尿素占比有利于小麦产量提升。这可能是因为在连续耕作下，土壤肥力因为无秸秆还田等措施而略有降低，所以更高比例的控失尿素有利于氮素长效供给，使得作物产量增加[21]。邹奇芳等[22]研究发现相较于其他缓释氮肥配比，75%缓释氮肥和25%普通尿素配比为陕西关中地区提高冬小麦产量的最佳配比。丁诚等[23]研究报道70%缓释尿素比例对江苏高邮地区小麦产量提升效果最佳。李伟等[24]研究发现控失尿素占比50%对小麦产量提升最大。与以上研究不同的是，研究发现在华北潮土区秸秆还田条件下施用40%比例控失尿素小麦产量最高。

3.3 不同比例控失尿素及秸秆还田对小麦氮素吸收与利用指标的影响

对比各氮素吸收与利用指标，秸秆还田对氮素收获指数、氮肥表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农艺利用率无显著影响，但显著提高了土壤氮素依存率。不同比例控失尿素对氮素收获指数、氮肥表现利用率、土壤氮素依存率具有显著影响。氮肥表观利用率在施用控失尿素后显著提高。杨雯玉等[25]的研究表明，与单施普通尿素相比，无论是相同施氮量还是减少30%的施氮量，控失尿素与普通尿素配施都可增加氮肥利用率。氮肥偏生产力在秸秆还田条件下控失尿素占比40%时最高。于淑芳等[26]的研究表明，相较于普通尿素，控失尿素能够显著增加氮肥偏生产力与农学效率，这与本研究结果基本一致。秸秆还田和不同比例控失尿素对土壤氮素依存率具有极显著影响。同比例控失尿素条件下，秸秆还田处理较秸秆不还田处理土壤氮素依存率高，土壤氮素依存率越低，说明小麦所吸收氮素越多地来自肥料而非土壤。秸秆还田能够替代部分尿素提供的肥力，提升土壤基础肥力。