范 震 田曉飛 翟 勝 陳錦秀 丁新惠 張明慧 鄧勝男

(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059)

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物之一，施用氮肥是其重要的增產(chǎn)措施[1]，但長(zhǎng)期大量施用氮肥也帶來(lái)了氨揮發(fā)、氧化亞氮排放造成全球氣候變暖，氮的流失和淋失造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列問(wèn)題[2，3].冬小麥生育期較長(zhǎng)，以追肥的方式實(shí)現(xiàn)“氮肥后移”能提高小麥產(chǎn)量和氮素利用率[4]，但在小麥價(jià)格較低和農(nóng)村勞動(dòng)力大量向城市轉(zhuǎn)移的背景下，后期追肥人力成本較高，而全生育期速效氮肥一次性施用難以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的目標(biāo).

簡(jiǎn)化施肥技術(shù)、提高肥料養(yǎng)分利用率、降低施肥成本能促進(jìn)農(nóng)民增加收入[5].包膜尿素是通過(guò)聚合物包膜等形式實(shí)現(xiàn)氮素按設(shè)定的釋放率和釋放時(shí)間釋放，使其與作物吸收養(yǎng)分規(guī)律相一致的新型肥料[6].大量研究表明包膜尿素能夠減少土壤中氮素?fù)p失，以更少的氮肥用量實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[7-9].Zheng等[7]研究表明包膜尿素氮素釋放與冬小麥各生育期氮素需求具有較好的同步性，一次基施就能夠保證小麥中后期土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度.Tian等[8]通過(guò)4年7季的田間試驗(yàn)探明了施用包膜尿素能夠顯著降低土壤硝態(tài)氮向深層次土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)，減少氮素?fù)p失.紀(jì)洋等[9]則證明施用包膜尿素可以有效抑制小麥生長(zhǎng)季單位產(chǎn)量N2O排放，且其對(duì)單位產(chǎn)量N2O的減排量隨著施氮量的增加而增加.然而，包膜尿素成本高于普通尿素，且前期氮素釋放較慢，單施包膜尿素易造成作物前期氮素供應(yīng)不足，將包膜尿素與普通尿素?fù)交旌笏傩У糠直ＷC前期氮的供應(yīng)，而控釋氮部分保證中后期供應(yīng)，從而降低肥料用量和施肥成本[10].包膜尿素養(yǎng)分釋放緩慢且可控[11]，釋放周期長(zhǎng)，通過(guò)與普通尿素?fù)交旌笠淮涡允┯茫傩У糠直ＷC前期氮的供應(yīng)，而包膜控釋氮部分保證中后期供應(yīng)，在保證小麥產(chǎn)量的同時(shí)顯著降低肥料和施肥成本[12，13]，具有較好的應(yīng)用潛力.

本研究以環(huán)氧樹(shù)脂包膜尿素為原料，綜合分析包膜尿素養(yǎng)分釋放特征、各生育期土壤氮素供應(yīng)動(dòng)態(tài)變化以及冬小麥產(chǎn)量和氮素吸收利用，研究普通尿素與包膜尿素?fù)交旌笠淮位?duì)冬小麥產(chǎn)量及氮素利用的影響，為冬小麥簡(jiǎn)化高效施肥提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018-2019年在山東省聊城市高囤村(36°18′46″N，116°09′60″E)進(jìn)行，供試土壤為潮土，試驗(yàn)開(kāi)始前0-20 cm土壤pH為7.92，有機(jī)質(zhì)含量為12.48 g/kg，全氮0.71 g/kg，硝態(tài)氮24.54 mg/kg，銨態(tài)氮6.47 mg/kg，有效磷17.18 mg/kg，速效鉀143.52 mg/kg.

供試小麥品種為濟(jì)麥22.供試包膜尿素為山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的樹(shù)脂包膜尿素(N 43.3%)，其在25℃靜水中釋放曲線呈“直線型”(圖1)，在90 d時(shí)氮素累計(jì)釋放85.42%，說(shuō)明所用包膜尿素釋放期約為3個(gè)月.其余肥料包括大顆粒尿素(N 46.4%)、重過(guò)磷酸鈣(P2O546.2%)和氯化鉀(K2O 60.1%).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為不施氮肥 (CK)、尿素一次基施(U1)；尿素分次追施 (U2)、減量30%尿素一次基施(70%U1)、70%包膜尿素與30%普通尿素?fù)交旌笠淮位?CRU)和70%包膜尿素與30%普通尿素?fù)交旌鬁p氮30%一次基施(70%CRU)，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列.所有處理均基施P2O5150 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2.全量氮肥處理施氮量為 180 kg/hm2，減30%氮肥用量處理為126 kg/hm2.CRU和70%CRU處理中控釋氮占總氮量的70%，所有肥料均作為基肥一次性施入；U2處理氮肥基施70%，拔節(jié)期(2019年4月15日，播種后187 d)追施30%.

小區(qū)面積為21.0 m2(長(zhǎng)5.0 m，寬4.2 m).各小區(qū)播種前人工開(kāi)溝條施肥料，肥料埋深10-15 cm.2018年10 月10日播種小麥，播種量為120 kg/hm2，2019年6月3日收獲.各處理生育期管理措施完全一致，且與農(nóng)民常規(guī)管理措施相同.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別在小麥苗期(2018年11月15日，施肥播種后36 d)、返青期(2019年3月15日，施肥播種后155 d)、灌漿期(2019年5月10日，施肥播種后212 d)和收獲后(2019年6月3日，施肥播種后236 d)采集土壤樣品.由于肥料為條施，土壤采樣時(shí)在小麥行和肥料行各選取3點(diǎn)0-20 cm土壤樣品，混勻后用四分法取部分土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，立即用0.01 mol/L CaCl2浸提(土水比1:10)，紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量[14]，同時(shí)采用烘干法測(cè)定土壤水分含量.收獲時(shí)，取各小區(qū)的中間5行(長(zhǎng)1 m)小麥統(tǒng)計(jì)有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，并實(shí)收測(cè)地上部生物量和產(chǎn)量.選取部分秸稈及籽粒樣品于105 ℃殺青30 min，然后75℃烘干至恒重，粉碎過(guò)0.25 mm篩后，采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，凱氏定氮法測(cè)定植株全氮含量[12].

1.4 數(shù)據(jù)分析

有關(guān)氮肥利用效率指標(biāo)的計(jì)算方法為[15,16]：氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量)/施氮量；偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；氮肥利用率=(施氮處理氮積累量-不施氮處理氮積累量)/施氮量×100%.數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010，平均值的差異顯著性檢驗(yàn)使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0，按照Duncan多重比較法檢測(cè).

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

施氮顯著提高了冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成，但各施氮處理株高無(wú)顯著差異(表1).U2和CRU 處理較U1處理小麥產(chǎn)量分別顯著增加5.56%和9.94%，70%CRU較70%U1處理顯著增產(chǎn)5.87%，但U2與CRU處理產(chǎn)量無(wú)顯著差異.另外，與等氮量的尿素一次基施處理(U1和70%U1)相比，包膜尿素(CRU和70%CRU)處理顯著增加了千粒重和穗粒數(shù)，但對(duì)有效穗數(shù)沒(méi)有顯著性影響.70%CRU處理的有效穗數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量與U1處理差異不顯著，但較70%U1處理增產(chǎn)5.88%，表明施用包膜尿素能增加冬小麥的籽粒產(chǎn)量、千粒重和穗粒數(shù)，普通尿素與包膜尿素?fù)交旌笠淮位┚湍軌蜻_(dá)到普通尿素分次追施的效果.

注：表中同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有相同小寫字母表示不同處理間差異不顯著(P>0.05)，下同.

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

氮肥種類和用量對(duì)小麥經(jīng)濟(jì)效益影響顯著 (表2).與U1處理相比，CRU和U2處理凈收益分別增加15.44%和6.71%，但CRU與U2處理凈收益無(wú)顯著差異.此外，70%CRU比70%U1處理凈收益顯著增加9.21%，說(shuō)明盡管包膜尿素處理的肥料投入高于普通尿素處理，但凈收益高于等氮量的普通尿素一次基施處理，收入得到顯著提高.

注：小麥價(jià)格按照2018年最低收購(gòu)價(jià) 2240 元/t，肥料價(jià)格為2018年9月冬小麥播種前市場(chǎng)價(jià)格，其中尿素 1724 元/t，包膜尿素 2470元/t，重過(guò)磷酸鈣 1550 元/t，氯化鉀 2837元/t計(jì)算，人工追肥按照 350 元/hm2計(jì)算，其他費(fèi)用4978.5 元/hm2，包括灌溉、農(nóng)藥、種子及機(jī)械施肥、播種、收割等.

2.3 干物質(zhì)積累與氮素利用

由表3可知，包膜尿素處理 (CRU、70%CRU)的地上部干物質(zhì)量和氮素積累量顯著高于等氮量的U1和70%U1處理，且70%CRU處理與U1處理差異不顯著.CRU相對(duì)于U1處理地上部干物質(zhì)量和氮素積累量分別增加12.98%和10.76%，但氮素積累量與U2處理差異不顯著.CRU、70%CRU較等氮量的U1和70%U1處理冬小麥氮肥利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力分別增加17.43%-26.32%、30.51%-37.03%和5.88%-9.93%.

表3 不同處理的小麥氮肥利用率

2.4 冬小麥各生育期土壤無(wú)機(jī)氮含量動(dòng)態(tài)變化

在小麥整個(gè)生育期，各施氮處理土壤硝態(tài)氮如圖2(a)含量均顯著高于CK.CRU、70%CRU和U2處理小麥苗期至灌漿期土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，而U1和70%U1處理則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).在灌漿期(施肥后212 d)，等氮條件下包膜尿素 (CRU、70%CRU) 處理的硝態(tài)氮含量比尿素處理 (U1、70%U1)顯著增加22.11%-40.12%；70%CRU處理與U1處理硝態(tài)氮含量差異不顯著.由于U2處理拔節(jié)期時(shí)追肥，施用普通尿素處理灌漿期土壤硝態(tài)氮含量明顯增加，但與CRU處理差異不顯著，這可能與小麥拔節(jié)期前澆水提高了土壤水分含量，加速了包膜尿素養(yǎng)分釋放速率有關(guān)[17].

在小麥苗期、返青期和灌漿期，各施氮處理土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于CK處理，但收獲期各處理銨態(tài)氮含量差異不顯著，如圖2(b).苗期時(shí)銨態(tài)氮含量以U1處理最高，且CRU處理顯著高于70%CRU處理，但70%U1處理與70%CRU處理無(wú)顯著差異.因此，包膜尿素與普通尿素?fù)交旌笠淮位┛杀苊庠蕉巴寥罒o(wú)機(jī)氮含量過(guò)高導(dǎo)致冬小麥旺長(zhǎng)，同時(shí)減少經(jīng)氨揮發(fā)、地表徑流等途徑導(dǎo)致的氮素?fù)p失.

3 討論

包膜尿素在田間條件下的氮素緩慢釋放能夠增加冬小麥中后期土壤無(wú)機(jī)氮含量，一次基施就能夠起到高產(chǎn)麥田“氮肥后移”的作用[18]，但是包膜尿素對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響報(bào)道不盡一致.滿建國(guó)等[19]研究表明，包膜尿素顯著增加了冬小麥的千粒重和穗粒數(shù)，但是對(duì)小麥的畝穗數(shù)沒(méi)有顯著性影響.李澤麗等[20]則認(rèn)為有效穗數(shù)的增加是包膜尿素促進(jìn)冬小麥增產(chǎn)的主要原因.本研究表明，施用包膜尿素主要是通過(guò)增加千粒重和穗粒數(shù)實(shí)現(xiàn)了小麥增產(chǎn)(表1)，這與包膜尿素提高了小麥旺盛生長(zhǎng)階段土壤氮素供應(yīng)能力有關(guān).冬小麥生育后期合理的氮素供應(yīng)有利于提高淀粉積累速率，提高千粒重[21].同時(shí)，等氮量的包膜尿素處理較普通尿素處理小麥穗數(shù)無(wú)顯著差異(表1)，表明包膜尿素處理能夠滿足小麥分蘗期氮素需求，但其機(jī)制尚待進(jìn)一步探討.此外，小麥籽粒產(chǎn)量和收獲期土壤硝態(tài)氮含量、地上部干物質(zhì)總量和氮素積累量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4)，表明包膜尿素處理小麥產(chǎn)量的提高是有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量構(gòu)成要素和干物質(zhì)量、氮素積累量等性能指標(biāo)相互協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果.

表4 冬小麥產(chǎn)量與其他指標(biāo)的相關(guān)性

注:*表示達(dá)到P<0.05顯著水平，**表示達(dá)到P<0.01顯著水平.

冬小麥生育期長(zhǎng)，從出苗至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期吸氮量分別占植株總氮量的20%、60%和20%[22].本研究結(jié)果表明，氮素分期施用可增加小麥生育中后期的氮素供應(yīng)水平(圖2)，提高植株對(duì)氮素的吸收量，提高氮肥利用率(表3).同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)前期結(jié)果證明樹(shù)脂包膜尿素在土壤中養(yǎng)分釋放主要受溫度和水分的影響[23]，在溫度較低和水分供應(yīng)不充足時(shí)氮素釋放緩慢，在溫度升高時(shí)養(yǎng)分釋放增快.對(duì)于冬小麥而言，越冬期前植株矮小，對(duì)氮的需求量相對(duì)較少；越冬期土壤溫度下降，冬小麥地上部生長(zhǎng)處于停滯期；返青期后，小麥植株干物質(zhì)積累和氮素積累量均快速增加[24,25].包膜尿素具有前期釋放少，后期持續(xù)釋放的特點(diǎn)[26]，一次施用能夠滿足冬小麥各生育期尤其是氮素需求旺盛階段對(duì)氮素的需求，既簡(jiǎn)化了施肥又為小麥增產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ).

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，包膜尿素在土壤中的釋放增加了冬小麥中后期土壤中硝態(tài)氮含量，滿足了冬小麥生育后期對(duì)氮素的需求.包膜尿素與普通尿素?fù)交旌笠淮位┡c普通尿素分次追施小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但比普通尿素一次基施顯著增產(chǎn)9.94%，氮素利用率顯著增加17.43%，經(jīng)濟(jì)效益顯著增加16.8%.包膜尿素與普通尿素?fù)交旌笤跍p量30%的條件下，與常量普通尿素相比，作物產(chǎn)量無(wú)顯著差異.因此，包膜尿素一次基施能夠滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求，提高作物產(chǎn)量，同時(shí)減少了氮肥用量，提高氮肥利用率.