林清火 劉海林 黃艷艷 羅微 蔣先軍

摘 要 水田氮肥利用率通常不到旱地的一半，施用緩控釋氮肥是提高水田氮肥利用率的有效措施。以常規(guī)施肥為對(duì)照，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬，研究水稻田4種緩控釋氮肥[植物油包膜尿素（PCU）、樹(shù)脂包膜尿素（JZd）、脲甲醛（UF）、硫包衣尿素（SCU）]的養(yǎng)分釋放特征，分析不同緩控釋氮肥下水稻的氮素累積吸收量和氮肥利用率。結(jié)果表明：（1）4種緩控釋氮素肥料28 d的養(yǎng)分累積釋放率：JZd（94.5%）>PCU（63.5%）>SCU（52.6%）>UF（22.0%），在0～56 d，4種緩控釋氮肥的養(yǎng)分累積釋放率均迅速增加；在70 d后養(yǎng)分累積釋放率趨于穩(wěn)定；（2）4種不同緩控釋氮肥氮素釋放符合Elvoich方程，氮素的釋放速率為：JZd>PCU>SCU>UF；（3）PCU的氮肥利用率最高，達(dá)到56.8%，比常規(guī)施肥處理高15.2%；其次是JZd，氮肥利用率最低的是UF，僅為33.7%；（4）PCU的產(chǎn)量最高，較常規(guī)施肥顯著提高了17.4%。PCU的氮肥利用率及產(chǎn)量最高，對(duì)水田來(lái)說(shuō)是一種較為合適的施肥方式。

關(guān)鍵詞 緩控釋氮肥；水稻土；養(yǎng)分釋放；氮素利用效率；動(dòng)力學(xué)特性

中圖分類號(hào) S143.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract The coated controlled-release urea for rice nitrogen fertilizer is an effective measure to improve the nitrogen use efficiency. Field experiments were carried out to investigate the effects of plant oil coated urea （PCU）， resin coat urea （JZd）， urea-formaldehyde （UF）， sulfur coated urea （SCU） on rice grain yield and nitrogen use efficiency. The results showed that： （1） the nutrient release rate of the four types of fertilizers at 28d was in the order： JZd（94.5%）> PCU（63.5%）>SCU（52.6%）>UF（22.0%）， between 0–56 d， the four types of fertilizers nitrogen accumulation of nutrient release rate increased rapidly， and tended to be stable after 70 d； （2） the four different slow controlled release nitrogen fertilizers conformed to the Elvoich equation， and b value size of the E1ovich equation was in the order： JZd>PCU>SCU>UF， those were consistent with the nutrient release rate of coated controlled-release urea； （3） the nitrogen absorption of the four types of fertilizers significantly increased at heading stage in rice， and all was higher than conventional fertilization； nitrogen utilization efficiency of PCU （56.8%） was the highest， and followed by JZd application； SCU and conventional fertilization had no significant differences for nitrogen utilization rates； nitrogen fertilizer utilization rate of UF was the lowest as about 33.7%. （4） rice grain yield for PCU application significantly increased by 17.4% compared with conventional fertilization. PCU is more reasonable under current situation because it can maintain high yield of cropping rice while has the highest utilization rate of nitrogen fertilizer.

Keywords slow/controlled release nitrogen fertilizer； paddy soil； nutrient release characteristic； nitrogen use efficiency； characteristics of kinetic

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.09.006

氮肥作為植物生長(zhǎng)最重要的肥料之一，直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量，而我國(guó)的氮肥當(dāng)季利用率只有30%～35%。減少氮肥損失并提高氮肥利用率是農(nóng)田氮素管理的關(guān)鍵問(wèn)題。緩控釋肥料是以各種調(diào)控機(jī)制使養(yǎng)分最初釋放延緩，延長(zhǎng)植物對(duì)其有效養(yǎng)分吸收利用的有效期，使其養(yǎng)分按照設(shè)定的釋放率和釋放期緩慢或控制釋放的肥料[1]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)家將研究重點(diǎn)由科學(xué)施肥技術(shù)轉(zhuǎn)向新型緩控釋肥料的研制，從改變化肥自身的特性來(lái)大幅度提高肥料的利用率[2]。我國(guó)也在1974年由李慶逵等[3]成功研制了長(zhǎng)效碳銨，并獲得了良好效果，增產(chǎn)顯著。緩控釋肥料因其肥料利用率高、環(huán)境污染小，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外新型肥料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[4]。

如何在提高氮肥增產(chǎn)的同時(shí)，降低施肥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。白燈莎等[5]認(rèn)為普通氮肥施入土壤后，在氮素循環(huán)過(guò)程中，經(jīng)反硝化脫氮、淋失與土壤侵蝕，以及氮揮發(fā)等途徑，損失十分嚴(yán)重，致使氮肥利用率不高。肥料中氮素養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收的同步性將促進(jìn)作物高產(chǎn)和氮素養(yǎng)分高效利用、減少氮素?fù)p失和提高氮肥利用效率[6]。已有報(bào)道表明，緩控施肥能夠改善作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高水稻、小麥、玉米等作物產(chǎn)量[7-9]。對(duì)于稻田多種不同緩控釋氮肥氮素養(yǎng)分釋放等還需要進(jìn)一步的研究。鑒于此，本研究選擇了4種不同緩控釋氮肥（PCU、JZd、UF和SCU）以及常規(guī)施肥處理，運(yùn)用差減法和動(dòng)力學(xué)模擬等方法，研究緩控釋肥料在稻田土壤中養(yǎng)分累積釋放速率、水稻氮素累積吸收量和氮

肥利用率等的影響，旨在為該地區(qū)適宜水稻生長(zhǎng)的緩控釋肥料的選擇和開(kāi)發(fā)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院儋州院區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)五隊(duì)，地理位置為19°32′N、109?28′E，屬于典型的熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，平均溫度為21.5～ 28.5 ℃，年日照約2 100 h，年均降雨量為1 607 mm，年平均濕度為83%，海拔高度為144 m，地形較為平坦，土壤類型為磚紅壤，土層厚度約100 cm，主要為砂壤土。供試土壤基本性質(zhì)為：全氮含量2.61 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量56.13 g/kg，速效磷含量9.07 mg/kg，速效鉀含量58.79 mg/kg，pH 4.83。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)選用4種不同緩控釋氮肥處理來(lái)研究水稻土的氮素釋放特征，并以常規(guī)施肥（CG）處理作為對(duì)照試驗(yàn)。其中4種不同緩控釋尿素依次為植物油包膜尿素（PCU）、樹(shù)脂包膜尿素（JZd）、脲甲醛（UF）、硫包衣尿素（SCU），試驗(yàn)中水稻緩控釋配方肥處理以緩控釋氮肥為控釋氮源，通過(guò)與磷酸二銨、尿素、氯化鉀摻混（具體用量見(jiàn)表1），制備水稻專用肥開(kāi)展試驗(yàn)。其中緩控釋配方肥處理中供試肥料種類及比例如下：（1）氮肥：普通氮肥（占總施氮量40%），緩控釋氮肥（占總施氮量60%）；（2）鉀肥：氯化鉀；（3）磷肥：磷酸二銨。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積30 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。水稻栽培品種選用II優(yōu)128，每穴水稻株數(shù)為2株。

1.2.2 樣品采集與處理 采用埋袋法測(cè)定包膜尿素的養(yǎng)分釋放率。在水稻插秧時(shí)，用0.2 mm的尼龍網(wǎng)袋（12 cm×3 cm）稱取控釋氮肥10.00 g/袋，每個(gè)尼龍袋中各放置3個(gè)重復(fù)，在水稻插秧后埋入稻田耕層5 cm處。在施肥后（2015年3月23日）的1、7、14、21、28、42、56、70、84、98 d進(jìn)行采樣，每個(gè)處理每次取3個(gè)重復(fù)，將每個(gè)處理放入的3個(gè)網(wǎng)袋全部取出，把肥料顆粒表面的土壤用蒸餾水沖洗干凈、在60 ℃下烘干至恒重并稱量，計(jì)算出養(yǎng)分釋放率。分別在水稻施肥后每間隔14 d（施肥后14、28、56、70、84、98 d）采收植物樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻，取樣5穴帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定生物量與養(yǎng)分含量，計(jì)算氮素累積吸收量和氮肥當(dāng)季利用率。

土壤樣品采集方法采用S形取樣，選取6個(gè)點(diǎn)。取0～15 cm土壤樣品，將每個(gè)小區(qū)的土壤樣品混合均勻后鋪成規(guī)則的四邊形，然后采用四分法分取樣品，將分取的樣品放入封口袋中，寫(xiě)好標(biāo)簽后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過(guò)篩，用于土壤基本性質(zhì)的測(cè)定。

1.2.3 測(cè)定與分析 將土樣混合均勻后用四分法取部分土樣過(guò)1 mm篩，用于速效磷、速效鉀的測(cè)定；再取部分土樣研磨后過(guò)0.25 mm篩，用于全氮、有機(jī)質(zhì)和pH的測(cè)定。其中全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法；pH采用pH計(jì)測(cè)定（1：2.5的土水比）；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。以上測(cè)定均做3個(gè)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS 18.0等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸分析，并采用Origin 8.1和Sigma Plot 12.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同緩控釋氮肥的養(yǎng)分釋放特征

緩控釋肥料通過(guò)表層覆蓋有機(jī)或無(wú)機(jī)聚合物，改變化肥養(yǎng)分的溶出性，從而延長(zhǎng)或控制肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放速率，達(dá)到土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物需肥規(guī)律相協(xié)調(diào)的目的。從圖1中可以看出，4種緩控釋氮肥28 d 的累積釋放率：樹(shù)脂包膜尿素（94.53%）>植物油包膜尿素（63.54%）>硫包衣尿素（52.63%）>脲甲醛（22.00%），僅樹(shù)脂包膜尿素沒(méi)有達(dá)到歐洲或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]。在整個(gè)取樣期，4種不同緩控釋氮肥的養(yǎng)分累積釋放率均為樹(shù)脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包

衣尿素>脲甲醛；樹(shù)脂包膜尿素處理在42 d時(shí)，其養(yǎng)分釋放率已達(dá)到100%，完全釋放，導(dǎo)致水稻成熟期缺少養(yǎng)分；而脲甲醛處理在98 d之后的養(yǎng)分釋放率僅僅達(dá)到30%，在水稻收獲后都沒(méi)有完全釋放，造成了肥料及養(yǎng)分的浪費(fèi)。在0～14 d期間，4種不同緩控釋氮肥的累積釋放率增加較大，之后逐漸趨于平緩。在70 d后，4種不同緩控釋氮肥的累積釋放率逐漸趨于穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大的變化。

2.2 緩控釋氮素養(yǎng)分釋放動(dòng)力學(xué)特性

在土壤培養(yǎng)期間，不同緩控釋氮肥氮素的釋放和土壤中有機(jī)物的礦化條件相似，因此，可以利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Elvoich方程對(duì)氮素釋放過(guò)程進(jìn)行擬合（表2）。由表2可以看出，從相關(guān)性和變幅分析，4種不同緩控釋氮肥氮素釋放用Elvoich方程擬合比較適宜，r值處于0.942～0.968（p<0.05）。但樹(shù)脂包膜尿素處理的氮素累積釋放曲線用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（r=0.991，p<0.05）比Elvoich方程（r=0.957，p<0.05）能更好地?cái)M合。E1ovich方程的參數(shù)b值可以用來(lái)表征氮素的釋放速率。比較4種緩控釋氮肥的擬合方程中的b值可發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛，這與4種緩控釋氮肥在土壤中養(yǎng)分釋放的實(shí)際情況相一致，也證明了Elvoich方程可用來(lái)擬合4種緩控釋氮肥在水稻土中的氮素釋放過(guò)程。

2.3 氮素累積吸收量和氮素利用率特征

從圖2可以看出，4種緩控釋氮肥處理的氮素累積吸收量顯著高于常規(guī)施肥處理。與常規(guī)施肥相比，4種緩控釋氮肥處理的氮素累積吸收量在齊穗期提高最為明顯，水稻氮素累積吸收量依次：植物油包膜尿素（199.17 kg/hm2）>樹(shù)脂包膜尿素（170.67 kg/hm2）>脲甲醛（148.04 kg/hm2）>硫包衣尿素（141.49 kg/hm2）>常規(guī)施肥（140.01 kg/hm2）。表明緩控釋氮肥的氮素在土壤中釋放能被作物較好地吸收，有利于減少肥料氮素?fù)p失，從而提高肥料利用率。

從圖3可以看出，植物油包膜尿素的氮肥利用率最高，達(dá)到56.78%，其次是樹(shù)脂包膜尿素（氮肥利用率為46.95%），這2種緩控釋氮肥的氮肥利用率高于常規(guī)施肥處理，硫包衣尿素和常規(guī)施

肥處理的氮肥利用率無(wú)顯著差異，氮肥利用率最低的是脲甲醛處理，僅僅達(dá)到33.68%。植物油包膜尿素和脲甲醛處理的氮肥利用率差異顯著。因此，從氮肥當(dāng)季利用率來(lái)看，植物油包膜尿素是對(duì)水稻最適宜的緩控釋氮肥。

由圖4可知，植物油包膜處理稻谷的氮素累積量最高，達(dá)到了125.85 kg/hm2，然后依次為常規(guī)施肥處理（118.75 kg/hm2）、樹(shù)脂包膜處理（115.65 kg/hm2）和硫包衣處理（108.35 kg/hm2），而稻谷氮素累積量最低的為脲甲醛處理，僅為101.03 kg/hm2，與其他緩控釋氮肥處理均差異顯著。植物油包膜處理氮素累積量最高，硫包衣處理氮素累積量最低，這與水稻氮肥當(dāng)季利用率以及水稻產(chǎn)量規(guī)律相一致。

2.4 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從圖5可以看出，植物油包膜尿素處理的產(chǎn)量是最高的，達(dá)到了8 583.58 kg/hm2，其次為樹(shù)脂包膜尿素處理，產(chǎn)量達(dá)到了7 671.18 kg/hm2，但兩者沒(méi)有差異。常規(guī)施肥處理產(chǎn)量（7 311.12 kg/hm2）高于硫包衣處理產(chǎn)量（7 271.19 kg/hm2），高于脲甲醛處理產(chǎn)量（7 087.91 kg/hm2），同時(shí)這3種產(chǎn)量顯著低于植物包膜尿素處理。因此，從產(chǎn)量來(lái)看，植物油包膜尿素是最適宜于水稻的緩控釋氮肥。

3 討論

根據(jù)我國(guó)緩控釋肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HG/T 3931- 2007）及緩釋肥料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 23348-2009）中的規(guī)定，通常用緩控釋肥料的總氮釋放率來(lái)表征其養(yǎng)分釋放率。戴建軍等[10]認(rèn)為緩控釋肥的養(yǎng)分釋放期是反映緩控釋肥質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究基于4種不同緩控釋氮肥在水稻土中的養(yǎng)分釋放特征來(lái)評(píng)價(jià)4種緩控釋氮肥的優(yōu)劣。養(yǎng)分累積釋放率可表征養(yǎng)分釋放的快慢程度，在整個(gè)取樣期，4種不同緩控釋氮肥的養(yǎng)分累積釋放率為樹(shù)脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛。李敏等[11]的研究也得到類似結(jié)果，說(shuō)明樹(shù)脂膜控釋尿素和植物油包膜尿素能有效控制氮肥釋放，使氮肥釋放后移，氮素積累高于硫膜控釋尿素，為水稻高產(chǎn)提供重要保障。在0～14 d，4種不同緩控釋氮肥的累積釋放率增加最大；之后逐漸趨于平緩，氮肥在這段時(shí)間內(nèi)的分解轉(zhuǎn)化作用，使土壤中NH4+-N含量大大增加，緩控釋氮肥能顯著提髙土壤中的氮素含量，土壤銨態(tài)氮含量呈先升高后下降的趨勢(shì)[12]。

Diez等[13]和Jimenez等[14]建立了養(yǎng)分釋放速率模型來(lái)研究緩控釋肥料的養(yǎng)分釋放速率和機(jī)理模型的系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)定的控釋肥料在水中的養(yǎng)分釋放速率與一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程吻合性很好，相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平[15]，而喻建剛等[16]以Richrads方程的特征參數(shù)更能精確地描述包膜緩控釋肥料氮素釋放特征，能反映出氮素養(yǎng)分最大釋放速率出現(xiàn)的時(shí)間、累積釋放曲線的形狀。程冬冬等[17]認(rèn)為用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合高分子緩控釋肥氮效果最好，在土壤培養(yǎng)期間緩控釋肥料不同形態(tài)氮素養(yǎng)分的累積釋放量用一級(jí)動(dòng)力學(xué)描述是適宜的[18]。本研究利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Elvoich方程來(lái)對(duì)4種不同緩控釋氮肥的氮素的釋放過(guò)程進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)用Elvoich方程來(lái)對(duì)氮素的釋放擬合比較適宜。而且E1ovich方程的參數(shù)b值的大小為樹(shù)脂包膜尿素>植物油包膜尿素>硫包衣尿素>脲甲醛，這與4種緩控釋氮肥在土壤中養(yǎng)分釋放速率的實(shí)際情況相一致的。

緩控釋肥料供給養(yǎng)分的釋放速度基本與作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求同步，從而提高作物的肥料利用率[19]。速效肥料的養(yǎng)分釋放速率快，且與作物的生長(zhǎng)吸收規(guī)律不一致，這是造成化肥利用率低的一個(gè)主要原因。Wang等[20]研究表明，一次性施用緩控釋肥能滿足作物從移栽到齊穗的氮素需要，極大地增加了氮素的回收率，減少氮素?fù)p失和揮發(fā)。本研究中4種緩控釋氮肥處理的氮素累積吸收量顯著高于常規(guī)施肥處理；氮素累積吸收量在齊穗期最為明顯提高。水稻氮素累積吸收量大小為植物油包膜尿素>樹(shù)脂包膜尿素>脲甲醛>硫包衣尿素>常規(guī)施肥。控釋肥料氮素的釋放速率因水稻生育期的不同而不同[21]，植物油包膜尿素的氮肥利用率最高，達(dá)到56.78%，其次是樹(shù)脂包膜尿素，這兩種緩控釋氮肥的氮肥利用率高于常規(guī)施肥處理，硫包衣尿素和常規(guī)施肥處理的氮肥利用率沒(méi)有顯著差異，氮肥利用率最低的是脲甲醛處理，僅僅達(dá)到33.68%。稻谷的氮素累積符合氮肥當(dāng)季利用率規(guī)律，植物油包膜尿素氮素累積量最大且顯著高于脲甲醛氮素累積量。

就產(chǎn)量而言，植物油包膜尿素處理的水稻產(chǎn)量顯著大于其他4種施肥模式，與常規(guī)施肥相比產(chǎn)量顯著提高了17.4%。研究表明，等量條件下施用樹(shù)脂包膜尿素比普通尿素產(chǎn)量增加了6.4%～ 22%[21-22]，脲甲醛處理前期水稻分蘗較快，說(shuō)明前期肥料養(yǎng)分溶解釋放快，到后期沒(méi)有提供足夠的養(yǎng)分，使得產(chǎn)量最低，浪費(fèi)了肥料的投入。在植物油包膜尿素處理中，植物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的吸收利用和氮肥養(yǎng)分釋放同步。從5種不同施肥處理可以看出水稻的產(chǎn)量越高，稻谷氮素累積量越多，從肥料中吸收的氮素量越多，氮肥的利用率越高。

綜上所述，植物油包膜尿素是對(duì)水稻季最好的緩控釋氮肥。緩控釋肥料能顯著地提高作物養(yǎng)分利用率，從而能較大幅度地降低肥料的施用量，還有效地減少了養(yǎng)分的淋溶和流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。緩控施肥能顯著提高雙季稻地上部生物量和吸氮量，提高土壤氮素殘留，減少氮素?fù)p失，提高氮素的利用率[23]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)4種緩控釋氮肥的養(yǎng)分累積釋放率、動(dòng)力學(xué)方程擬合、氮素吸收速率和氮肥利用率以及水稻產(chǎn)量的研究，得到以下結(jié)論：緩控釋肥中樹(shù)脂膜控釋尿素和植物油包膜尿素能有效控制氮肥釋放，使氮肥釋放后移；緩控施肥中植物油包膜尿素、樹(shù)脂包膜尿素均顯著提高氮素當(dāng)季利用率，在保持土壤供氮的同時(shí)減少氮素的損失；且植物油包膜尿素顯著提高了水稻的產(chǎn)量，在4種不同的緩控釋肥處理中，植物油包膜尿素提高了氮肥利用率，增加了產(chǎn)量，是一種較為合適的施肥方法。

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