劉仲陽，吳小賓，鄭福麗，張靈菲，崔秀敏，譚德水

我國主要糧食作物一次性施肥的長期效應研究進展①

劉仲陽1,2，吳小賓2*，鄭福麗2，張靈菲1,2，崔秀敏1，譚德水2

(1 山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東泰安 271018；2 山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，濟南 250100)

一次性施肥是農(nóng)業(yè)輕簡化生產(chǎn)的迫切需求，一次性施肥在我國主要糧食作物上的短期應用研究較多，但缺乏長期效應分析，探明一次性施肥長期施用對三大糧食作物產(chǎn)量、土壤肥力、氮肥利用率及環(huán)境效應的影響，可為我國農(nóng)業(yè)輕簡化綠色可持續(xù)生產(chǎn)提供支撐。本研究利用“中國知網(wǎng)”數(shù)據(jù)庫對三大糧食作物上進行一次性施肥的所有文獻(截至2021年12月20日)進行檢索，分析一次性施肥連續(xù)施用5 a及5 a以上對三大糧食作物產(chǎn)量、土壤肥力和氮肥利用率的影響，以及一次性施肥連續(xù)施用3 a及3 a以上對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響。與普通尿素分次施肥相比，一次性施肥連續(xù)施用5 a及以上使小麥、玉米和水稻的產(chǎn)量分別提高 4.9% ～ 19.6%、0 ～ 14.4%、0 ～ 17.6%，氮肥利用率分別提高 24.2% ～ 52.0%、14.3% ～ 80.3%、4.4% ～ 80.7%，土壤全氮、有機質(zhì)、無機氮(NO3–-N、NH4+-N)含量分別提高 0 ～ 8.7%、0 ～ 6.7%、0 ～ 23.8%，3.8% ～ 11.8%、0 ～ 6.4%、0 ～ 16.6% 和 0 ～ 77.2%、0 ～ 66.3%、0 ～ 42.4%；一次性施肥連續(xù)施用3 a及以上的小麥、玉米和水稻農(nóng)田N2O排放、NH3揮發(fā)分別降低 16.9% ～ 43.3%、5.1% ～ 56.0%、5.6% ～ 43.2% 和 18.6% ～ 37.6%、6.1% ～ 52.4%、37.2% ～ 66.0%。一次性施肥在三大糧食作物連續(xù)應用可長期維持土壤肥力和作物產(chǎn)量，同時提高氮肥利用率和降低氮素損失。

一次性施肥；產(chǎn)量；土壤肥力；氮肥利用率；環(huán)境效應

面對當前農(nóng)村勞動力短缺對傳統(tǒng)高產(chǎn)高效施肥技術所造成的沖擊，三大糧食作物施肥簡化和機械作業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的迫切需求。一次性施肥技術是以作物專用緩控釋氮肥為載體，根據(jù)作物養(yǎng)分需求特征和土壤肥力情況確定最佳施肥量，在播種或整地時將作物專用緩控釋氮肥配合磷、鉀肥一次性基施，整個作物生育期內(nèi)不再進行追肥的方法[1]。前人對一次性施肥在主要糧食作物上的應用效果研究較多。與尿素分次施肥相比，一次性施肥(控釋氮肥一次性基施)條件下水稻當季產(chǎn)量和氮肥利用率分別提高11.4% 和44.0%[2]；一次性施肥連續(xù)施用兩季，春玉米產(chǎn)量和氮肥利用率分別平均提高2.8%和21.9%[3]；一次性施肥連續(xù)施用3 a的研究結(jié)果表明，小麥冬前分蘗、最大分蘗、有效分蘗和產(chǎn)量分別提高5.7% ～ 14.7%、10.9% ～ 22.2%、4.5% ～ 6.0% 和2.6% ～ 4.6%[4]。一次性施肥在提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率的同時亦可減少農(nóng)田溫室氣體排放，一次性施肥較尿素分次施肥相比，夏玉米田當季N2O累積排放量顯著減少18.2%[5]。侯朋福等[6]研究表明，控釋氮肥一次性基施減少了追肥所產(chǎn)生的NH3揮發(fā)，作物整個生長季內(nèi)NH3揮發(fā)總量較尿素分次施肥相比顯著減少13.8% ～ 86.4%。紀洋等[7]研究發(fā)現(xiàn)控釋氮肥一次性基施與尿素分次施肥相比可有效減少N2O和CH4排放總量，分別減少49.6% 和15.1%，綜合溫室效應降低19.8%。劉楚桐等[8]研究指出，控釋氮肥一次性基施可以提升土壤肥力，較尿素分次施肥處理相比，控釋氮肥一次性基施使冬小麥/夏玉米輪作體系土壤全氮、NH4+-N和NO3–-N含量分別提高36.4%、39.7% 和27.0%。前人關于一次性施肥對作物產(chǎn)量、氮肥利用率、土壤肥力及環(huán)境效應等方面的研究較多，但大部分研究是針對一次性施肥在我國主要糧食作物上短期效應的研究。本研究利用“中國知網(wǎng)”數(shù)據(jù)庫進行文獻搜集，以“控釋氮肥”、“小麥”、“玉米”和“水稻”為關鍵詞檢索2021年12月20日之前發(fā)表的試驗文獻，基于本研究目的按以下條件對文獻進行篩選：①研究中需提供明確的試驗時間，試驗方式為大田試驗；②試驗處理的重復數(shù)≥3；③試驗必須同時包括控釋氮肥一次性基施處理和普通尿素分次施肥處理?；谝陨蠘藴剩埠Y選出有關小麥、玉米和水稻控釋氮肥一次性基施(一次性施肥)的大田試驗研究論文773篇，按不同年限(1 ～ 2、3 ～ 4、≥5 a)和指標(產(chǎn)量、肥力、氮肥利用率和環(huán)境)分類，統(tǒng)計各指標下不同年限論文分別占該指標全部論文的比值。其中1 ～ 2 a的短期研究占89.9%，3 ～ 4 a的短期研究占6.2%，而關于控釋氮肥一次性基施長期效應(≥5 a)的研究報告較少(表1)。長期定位試驗

表1 三大糧食作物一次性施肥不同試驗年限論文分布情況

注：肥力指標統(tǒng)計土壤無機氮、全氮、有機質(zhì)、有效磷和速效鉀等；NUE：氮肥利用率，統(tǒng)計氮素表觀利用率、氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力；環(huán)境指標統(tǒng)計農(nóng)田NH3揮發(fā)，N2O、CH4、CO2排放以及氮素淋溶、徑流損失；括號內(nèi)數(shù)據(jù)為占比。

可以對控釋氮肥長期應用的可行性進行系統(tǒng)分析，巨曉棠和張翀[9]對合理施氮的原則和指標進行研究時，將≥5 a的田間試驗定義為長期定位試驗。因此，本研究選取5 a及5 a以上的田間定位試驗對一次性施肥(控釋氮肥一次性基施)的產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤肥力等指標進行綜述。由于多年連續(xù)一次性施肥的農(nóng)田環(huán)境效應定點監(jiān)測研究較少，本研究統(tǒng)計一次性施肥連續(xù)3 a及3 a以上的定位試驗作為一次性施肥對環(huán)境影響的長期效應進行評價。明確一次性施肥對我國主要糧食作物產(chǎn)量、土壤肥力、氮肥利用率和農(nóng)田環(huán)境影響的長期效應，可為我國輕簡化綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論指導和技術支撐。

1 一次性施肥對小麥的影響

1.1 對小麥產(chǎn)量的影響

與普通尿素分次施肥相比，一次性施肥(控釋氮肥一次性基施)長期施用可以顯著提高小麥產(chǎn)量。不同于普通尿素養(yǎng)分快速釋放造成的前期養(yǎng)分過剩、后期養(yǎng)分供應不足，控釋氮肥的養(yǎng)分釋放可根據(jù)作物不同的生育期進行調(diào)節(jié)，保障小麥全生育期的養(yǎng)分供應，有利于獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。黃淮海連續(xù)5 a大田定位試驗研究表明，在溝施覆土條件下，控釋摻混肥一次性基施較尿素分次施肥可顯著提高產(chǎn)量 9.6% ～ 11.8%，獲得增產(chǎn)的主要原因是小麥穗數(shù)的提高[10]。鄭文魁[11]在進行控釋氮肥增產(chǎn)機理與長期效應研究時，選取樹脂包膜、硫包膜和硫加樹脂包膜控釋氮肥進行田間定位試驗，不同控釋氮肥的養(yǎng)分釋放期均為 3 個月，結(jié)果表明，在 210 kg/hm2施氮量下，不同包膜控釋氮肥處理7 a平均地上部生物量和產(chǎn)量較尿素分施處理分別增加 8.4% ～ 11.2% 和 4.9% ～ 11.5%。葉青等[12]7 a定位試驗研究結(jié)果表明，習慣施肥量下，70% 控釋氮肥摻混 30% 尿素連續(xù)施用第7年小麥產(chǎn)量較普通尿素分次施肥處理增加 6.0%。黃淮海潮土區(qū)8 a長期定位研究表明，控釋摻混尿素處理8 a間產(chǎn)量僅第二年與尿素分次施肥處理之間差異不顯著，其余年間均顯著增產(chǎn)，8 a平均產(chǎn)量提高 14.6%，控釋氮肥的增產(chǎn)作用表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性[10]。Zheng等[13]研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)施氮量下，70% 控釋氮肥與 30% 尿素配施處理冬小麥8 a平均產(chǎn)量比尿素分次施肥處理提高 11.9%。Li等[14]長期定位試驗(2013—2020 年)研究結(jié)果表明，控釋氮肥的施用影響了小麥的地上部與根系生長，控釋氮肥處理的根長、根表面積、根數(shù)、株高、葉面積指數(shù)和葉綠素含量均高于普通尿素處理，為作物吸收充足的養(yǎng)分提供了基礎；秸稈還田條件下，控釋氮肥處理平均產(chǎn)量(2018—2020年)較尿素分次施肥處理提高 19.6%，減量 1/3 條件下仍不減產(chǎn)。一次性基施控釋氮肥的長期應用不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的簡化，同時保障了小麥穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)。

1.2 對麥田土壤肥力的影響

氮肥投入對土壤肥力具有維持與提高作用，長期一次性基施控釋氮肥對土壤的培肥作用明顯優(yōu)于普通尿素?？蒯尩士捎行p緩尿素水解速率，減少NO3–-N的形成與損失[15]。周洪印[10]在對長期定位試驗的土壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)進行研究時發(fā)現(xiàn)，與尿素分施處理相比，控釋氮肥和尿素 7:3 摻混連續(xù)5 a施用對土壤容重、比重以及孔隙度無明顯影響；土壤pH、全氮、全磷以及全鉀含量無顯著差異，土壤無機氮、有機碳含量分別提高8.4% 和5.3%；控釋氮肥會促進有效磷、鉀的吸收，表現(xiàn)為土壤有效磷、速效鉀含量降低。5 a定位試驗研究表明，210 kg/hm2施氮量下，不同控釋氮肥處理小麥收獲期土壤全氮和有機質(zhì)含量較尿素分次施肥處理分別提高5.8% ～ 8.7% 和3.8% ～ 5.8%，表層(0～ 20 cm)土壤中NH4+-N含量差異不顯著，NO3–-N含量增加31.4% ～ 34.3%，控釋氮肥養(yǎng)分的緩慢釋放減緩了土壤pH的下降幅度，減少了20 ～ 60 cm土層的NH4+-N含量，降低了氮素的淋溶損失[11]。鄭文魁等[16]在進行不同包膜控釋肥長期施用對土壤生化性質(zhì)的影響研究時發(fā)現(xiàn)，在弱堿性土壤中連續(xù)溝施6 a控釋氮肥后土壤無機氮含量較尿素分次施肥處理提高31.1% ～ 35.0%。在魯中地區(qū)7 a定位研究結(jié)果顯示，秸稈還田條件下，控釋氮肥連續(xù)施用7 a后小麥收獲期表層(0～ 20 cm)土壤中NO3–-N含量比尿素分施處理高15.8%，NH4+-N含量無顯著差別，全氮、有機質(zhì)含量分別顯著增加7.5% 和11.8%[14]。葉青等[12]于2008—2015年在山東省開展了7 a的長期定位試驗，研究表明，240 kg/hm2施氮量下，控釋摻混尿素連續(xù)施用7 a后土壤NO3–-N、NH4+-N、全氮和有機質(zhì)含量與普通尿素分次施肥相比提高77.2%、15.6%、3.0% 和6.0%。Zheng等[13]發(fā)現(xiàn)，在中等肥力產(chǎn)田上連續(xù)應用7 a控釋摻混肥后，小麥收獲季表層(0 ～ 20 cm)土壤有機質(zhì)、全氮含量較尿素分施處理分別增加9.0% 和4.9%，pH提高0.17個單位。土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，控釋氮肥的長期一次性基施可維持或提高土壤肥力，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1.3 對小麥氮肥利用率的影響

氮肥利用率反映了氮肥施入后作物氮素養(yǎng)分的提高程度[17]，可用來衡量氮肥施用的合理性[18]。研究表明，控釋氮肥的養(yǎng)分釋放與作物養(yǎng)分需求實現(xiàn)了時間上和空間上的同步，減少了氮素損失，氮肥利用率較尿素分次施肥處理可提高36.3% ～ 52.0%[10]。長期定位試驗結(jié)果表明，與尿素分次施肥相比，不同包膜尿素處理(樹脂包膜、硫包膜和硫加樹脂包膜尿素)7 a平均氮肥利用率可顯著提高28.7% ～ 34.4%[11]。葉青等[12]在山東省淄博市的長期定位試驗結(jié)果表明，與普通尿素分次施肥相比，控釋氮肥與尿素7:3摻混連續(xù)施用第7年可提高氮肥利用率24.7%。農(nóng)民習慣施氮量下，控釋摻混尿素處理7 a間冬小麥氮肥利用率均高于普通尿素處理，年均氮肥利用率提高35.7%[13]。周洪印[10]認為，控釋摻混尿素可保障冬小麥全生育期的氮素供應，第8年定位試驗數(shù)據(jù)顯示，控釋摻混尿素處理的氮素吸收量和氮肥利用率較尿素分次施肥處理分別顯著提高19.0% 和24.2%。上述研究表明，控釋氮肥的養(yǎng)分釋放與小麥不同生育期的養(yǎng)分需求具有很好的同步性，長期施用實現(xiàn)了資源的持續(xù)高效利用。

1.4 對麥田環(huán)境效應的影響

氨揮發(fā)、硝化–反硝化作用和淋溶是土壤中氮素損失的主要途徑[19]，氮素的大量損失已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境問題[20-21]。孫婷等[22]研究發(fā)現(xiàn)，控釋氮肥一次性撒施后翻耕較尿素分次施用明顯推遲并降低了N2O和NH3的排放峰值，3 a累積排放量較尿素3次施肥處理可分別降低37.6% ～ 43.3% 和18.6% ～ 37.6%。Shakoor等[23]連續(xù)4 a對華東地區(qū)小麥生育期的溫室氣體進行監(jiān)測，結(jié)果表明，225 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥處理年均N2O和CO2排放量較尿素分次施肥處理分別顯著減少16.9% 和19.4%，溫室氣體排放強度降低26.1% 且增產(chǎn)10.8%。控釋氮肥具有顯著的固氮減排作用，減量1/3樹脂包膜控釋氮肥處理比尿素分次施肥處理提高作物產(chǎn)量的同時顯著降低了4 a平均N2O累積排放量25.0%，平均凈溫室效應、溫室氣體排放強度分別降低20.0% 和22.0%[24]。以上研究表明，長期進行控釋氮肥一次性基施顯著減少了小麥生育期的NH3揮發(fā)、N2O以及溫室氣體排放，有利于構(gòu)建綠色安全的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。

2 一次性施肥對玉米的影響

2.1 對玉米產(chǎn)量的影響

氮肥投入是作物產(chǎn)量提升的關鍵，與普通尿素相比，全量及減量控釋氮肥連續(xù)一次性基施5 ～ 11 a仍可提高或維持玉米產(chǎn)量。控釋氮肥對作物產(chǎn)量提高作用明顯優(yōu)于普通尿素。在溝施覆土條件下，一次性施用控釋摻混尿素較尿素分次施用顯著提高了夏玉米地上部生物量積累，有利于養(yǎng)分后期向籽粒轉(zhuǎn)移，5 a年均產(chǎn)量增加10.4%～ 14.4%[25]。甘肅省張掖市春玉米產(chǎn)田5 a長期定位研究結(jié)果表明，控釋氮肥一次性施用在減少勞動力的同時維持了作物穩(wěn)產(chǎn)，5 a年均產(chǎn)量與尿素分次施肥相比無顯著差別[26]。周洪印[10]研究表明，與尿素分施相比，控釋摻混尿素第5年施用夏玉米產(chǎn)量顯著提高6.9% ～ 11.0%。晉中地區(qū)長期定位研究表明，一次性溝施控釋氮肥可以顯著提高作物產(chǎn)量，5 a年均產(chǎn)量較尿素分施處理提高13.6%[27]。西北旱作區(qū)長期定位試驗研究結(jié)果表明，在撒施翻耕條件下，控釋氮肥連續(xù)施用第5、6年春玉米產(chǎn)量與普通尿素分次施肥處理之間無顯著差異，減少了勞動力成本投入[28]。鄭文魁[11]7 a定位研究結(jié)果表明，樹脂包膜、硫包膜和硫加樹脂包膜尿素處理7 a平均產(chǎn)量與尿素分施處理相比增加7.3% ～ 13.0%。300 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥摻混尿素處理與普通尿素分次施肥處理相比第7年小麥增產(chǎn)5.5%[12]。相同施氮量下，70% 控釋氮肥與30% 尿素配施處理8 a平均產(chǎn)量比尿素分施處理提高6.8% ～ 9.8%[13]?？蒯尩示哂蟹€(wěn)定的增產(chǎn)作用，長期定位試驗研究結(jié)果顯示，控釋摻混尿素處理8 a間產(chǎn)量均顯著高于尿素分次施肥處理，8 a平均產(chǎn)量提高10.9%[10]。Gao等[29]11 a(2008—2019年)定位研究表明，控釋氮肥可有效提高玉米地上部生物量的累積，相同施氮量下，控釋氮肥摻混尿素(摻混比7:3)處理3 a(2017—2019年)平均生物量較普通尿素分次施肥處理提高8.6% ～ 20.2%，產(chǎn)量提高9.4% ～ 14.0%。

控釋氮肥在減量條件下對作物產(chǎn)量仍有維持或小幅度提高作用。相同施氮量以及減氮25%條件下，一次性溝施樹脂包膜尿素可實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)，5 a年均產(chǎn)量與尿素分次施肥處理之間均無顯著差異[30]。焉莉[31]在東北典型黑土上進行了6 a定位試驗，在減少37.6% 施氮量的條件下，產(chǎn)量與普通尿素分次施用之間無顯著差異。鄭文魁[11]研究表明，減量30% 的樹脂包膜和硫加樹脂包膜尿素處理夏玉米7 a平均產(chǎn)量與全量尿素處理之間差異不顯著，硫加樹脂包膜處理增產(chǎn)6.3%。研究表明，控釋摻混尿素處理減量50% 的情況下8 a年均產(chǎn)量與全量尿素處理之間仍無差異，凈收益增加14.8%[32]?？蒯尩蕼p量施用的產(chǎn)量效應可為探索合理的施氮量提供數(shù)據(jù)支撐，但由于各地土壤肥力、氣候、控釋氮肥類型與施肥習慣等差異較大，長期進行控釋氮肥減量施用的研究結(jié)果變異較大。

2.2 對農(nóng)田土壤肥力的影響

控釋氮肥的養(yǎng)分緩慢釋放實現(xiàn)了土壤養(yǎng)分供應與作物養(yǎng)分需求的多維度同步，減少了氮素損失，長期施用有利于土壤中養(yǎng)分的持續(xù)累積，實現(xiàn)土壤培肥。研究表明，控釋氮肥和尿素7:3摻混有利于提高土壤氮素的供應強度，秸稈還田條件下，控釋摻混尿素連續(xù)施用5 a土壤中NO3–-N、NH4+-N、有效磷和速效鉀含量相比常規(guī)施肥(尿素分次施肥)處理分別顯著提高52.0% ～ 66.3%、18.6% ～ 25.2%、19.5% ～ 30.8%和15.1% ～ 48.4%，土壤有機質(zhì)、全氮含量分別提高6.1% ～ 6.7%和2.9% ～ 6.7%[25]。鄭文魁[11]在山東省的5 a定位研究表明，控釋氮肥處理可增加夏玉米關鍵生育期的土壤NO3–和NH4+-N含量，實現(xiàn)養(yǎng)分高效供給，玉米收獲期表層土壤中NO3–-N和NH4+-N含量較尿素分次施肥處理分別增加37.9% ～ 62.5% 和37.5% ～ 52.1%。宋梓璇等[30]在東北地區(qū)春玉米產(chǎn)田長期定位研究發(fā)現(xiàn)，在180 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥長期一次性基施與尿素分次施肥相比提高了土壤有機質(zhì)含量6.4%，對土壤全氮的影響不顯著。Zheng等[13]發(fā)現(xiàn)，在375 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥配施尿素連續(xù)應用6 a后，玉米收獲季表層(0 ～ 20 cm)土壤NO3–-N和NH4+-N含量較尿素分施處理分別增加19.2% 和60.5%。研究表明，農(nóng)民習慣施氮量下，控釋摻混尿素連續(xù)施用7 a玉米收獲期土壤全氮含量與普通尿素分次施肥相比提高4.6%，土壤有機質(zhì)含量無顯著差別；同時，連續(xù)多年施用尿素的表層土壤中NO3–-N、NH4+-N含量與控釋氮肥處理相比高13.3% 和43.4%，NO3–-N和NH4+-N在20 ～ 200 cm土層中大量累積，加劇了土體中氮素的向下淋洗損失[12]。以上研究表明，長期一次性基施控釋氮肥可提高土壤中NO3–-N和NH4+-N含量，減少氮素的淋溶損失，同時對土壤全氮和有機質(zhì)也具有提升作用。

2.3 對玉米氮肥利用率的影響

提高氮肥利用率需要實現(xiàn)根層養(yǎng)分供應與高產(chǎn)作物需求在數(shù)量上匹配、時間上同步、空間上一致[33]。長期定位試驗第5年結(jié)果顯示，控釋摻混尿素處理的氮肥利用率較尿素分施處理可提高42.6% ～ 49.6%[10]。研究表明，與尿素分次施肥相比，控釋氮肥摻混尿素連續(xù)施用第5年氮素利用率和氮肥農(nóng)學利用率分別提高57.5% ～ 61.3% 和24.7% ～ 27.4%[25]。春玉米產(chǎn)田長期定位研究表明，在撒施旋耕條件下，控釋氮肥處理在維持作物穩(wěn)產(chǎn)的同時提高了氮肥利用效率，5 a年均氮肥利用率提高65.9%[26]。焉莉[31]在東北春玉米6 a定位試驗研究表明，高等肥力產(chǎn)田上一次性基施控釋氮肥可提高氮肥利用率55.1%。Zheng等[13]7 a長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民習慣施氮量下，控釋摻混尿素處理7 a年均氮肥利用率較尿素分次施肥處理提高14.3%。山東省淄博市的長期定位試驗結(jié)果表明，與普通尿素分次施肥相比，控釋摻混尿素連續(xù)施用第7年可提高玉米季氮肥利用率20.5%[12]。鄭文魁[11]在泰安的研究結(jié)果表明，與尿素分施處理相比，樹脂包膜、硫包膜和硫加樹脂包膜尿素一次性基施可有效提高夏玉米氮肥利用率，7 a年均氮肥利用率分別提高65.9%、75.7% 和80.3%。周洪印[10]在優(yōu)化并制定合理的氮、磷和鉀的施肥水平研究中指出，控釋摻混尿素可以在維持夏玉米產(chǎn)量的同時提高氮肥利用率，第8年數(shù)據(jù)顯示，控釋摻混尿素處理的氮肥利用率較尿素分次施肥處理提高18.3%。Gao等[29]11 a(2008—2019年)長期定位研究表明，相同施氮量下，一次性溝施控釋摻混肥3 a(2017— 2019年)氮素利用率、氮素農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力較尿素分次施肥處理分別提高22.2% ～ 53.0%、47.3% ～ 73.1% 和9.5% ～ 10.8%。綜上，控釋氮肥長期一次性基施實現(xiàn)了肥料資源的高效利用，與普通尿素相比，氮肥利用率可提高14.3% ～ 80.3%，氮肥農(nóng)學利用效率可提高24.7% ～ 73.1%。

2.4 對農(nóng)田環(huán)境效應的影響

控釋氮肥是當前可提高作物產(chǎn)量的同時減少農(nóng)田溫室氣體排放的有效措施[34-35]，長期一次性基施可顯著減少農(nóng)田NH3揮發(fā)、N2O以及其他溫室氣體排放。210 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥處理與尿素3次施用相比在提高玉米產(chǎn)量的同時顯著減少了N2O排放，顯著降低3 a平均N2O排放總量9.1%[36]。與農(nóng)民習慣施肥(尿素分次施用)相比，樹脂包膜控釋氮肥明顯降低了玉米季施肥所產(chǎn)生的NH3揮發(fā)損失，NH3揮發(fā)總量減少48.0% ～ 52.4%[37]。朱永昶等[38]連續(xù)4 a對春玉米生長季內(nèi)的N2O排放進行監(jiān)測研究表明，硫包膜控釋氮肥處理較常規(guī)施肥(尿素分施)處理降低了N2O排放峰平均峰值32.9%，排放高峰期間N2O排放量降低50.8%，年均N2O排放減少37.8% 且增產(chǎn)16.0%，控釋氮肥與尿素基肥均采用溝施覆土的方式。東北春玉米農(nóng)田長期定位研究表明，180 kg/hm2施氮量下，控釋氮肥處理比農(nóng)民習慣施肥(尿素分次施肥)減少N2O排放總量19.2%，NH3揮發(fā)總量減少6.1%[30]。呂曉東[26]在甘肅省張掖市春玉米產(chǎn)田上進行了為期5 a(2011—2015年)的溫室氣體檢測，研究結(jié)果表明，減量1/3的控釋氮肥處理較常規(guī)施肥處理(尿素分次施用)5 a平均N2O累積排放量顯著減少56.0%，N2O直接排放系數(shù)顯著降低43.2%，平均氮肥利用率增加65.9%，5 a土壤CH4累積吸收量和CO2累積排放通量較常規(guī)施肥處理分別顯著減少21.7% 和26.2%，控釋氮肥與尿素基肥均采用撒施后旋耕的方式。西北旱作區(qū)長期定位試驗第4 ～ 5年溫室氣體連續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，相較于普通尿素3次施用所產(chǎn)生的N2O排放峰，控釋氮肥的應用可降低玉米生長后期的N2O排放，N2O排放總量降低5.1% ～ 9.5%[28]。段智源[27]利用靜態(tài)箱溫室氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)，在2009—2013年期間對春玉米生長季內(nèi)的N2O排放通量進行連續(xù)測定，研究表明，硫包衣控釋尿素可同步實現(xiàn)N2O減排和作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，5 a平均N2O排放累積量較尿素分次施肥處理減少36.8%，平均單位面積產(chǎn)量增加15.6%?？蒯尩实木徛尫庞行Ы档土宿r(nóng)田NH3揮發(fā)和N2O排放，長期施用有效減少了氮肥投入造成的環(huán)境污染，有利于構(gòu)建綠色生態(tài)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。

林茵等[39]在包膜材料使用安全風險評價綜述研究中指出，包膜殘留累積會影響土壤生態(tài)環(huán)境、增加土壤微塑料污染風險，但受降解作用影響，土壤中包膜殘留呈拋物線型積累即累積量不會無限制增長[40]。通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，將10 ～ 40 a的樹脂殘膜累積量一次性施入土壤中并未對土壤生態(tài)環(huán)境造成危害[41-42]。連續(xù)施用10 a硫包膜和聚合物包膜控釋氮肥后，雖會增加土壤中微塑料含量，但未對土壤造成污染，且有益于土壤特殊菌群的發(fā)生，是環(huán)境友好型的施肥方式[43]。

3 一次性施肥對水稻的影響

3.1 對水稻產(chǎn)量的影響

控釋氮肥特有的養(yǎng)分釋放特性可使土壤中的氮素供應與水稻不同生育期養(yǎng)分需求達到一致，有益于作物長期穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，控釋氮肥可通過提高水稻穗長、總粒數(shù)、實粒數(shù)和千粒重實現(xiàn)增產(chǎn)，在270 kg/hm2施氮量下，控釋摻混尿素處理較尿素分次施肥處理第5年產(chǎn)量提高11.0% ～ 12.6%[44]。Sun等[45]研究表明，聚合物包膜控釋氮肥的增產(chǎn)效應具有很好的穩(wěn)定性，5 a間控釋氮肥處理的水稻產(chǎn)量均高于尿素分次施肥處理且年均產(chǎn)量可增加12.1%。中低產(chǎn)田長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，控釋氮肥連續(xù)5 a施用較尿素分施處理可提高晚稻年均產(chǎn)量5.0%，對早稻產(chǎn)量無顯著影響[46]。在統(tǒng)一配施紫云英作為40% 氮源條件下，樹脂包膜控釋氮肥一次性基施處理較普通尿素分次施肥處理6 a平均早、晚稻總產(chǎn)量提高 4.2%[47]。劉益曦等[48]選取硫黃加樹脂雙層包膜尿素和樹脂包膜尿素進行長期田間定位試驗(2008—2013年)，在210 kg/hm2施氮量下，控釋尿素顯著增加了水稻有效穗數(shù)和每穗實粒數(shù)，全氮條件下較尿素分次施肥處理增產(chǎn)7.6% ～17.6%。Mi等[49]研究表明，雙季稻上連續(xù)施用7 a控釋摻混尿素(70%+30%)較尿素分次施肥處理可增產(chǎn)5.3%。

控釋氮肥在減量條件下長期施用對作物產(chǎn)量仍具有維持或小幅提高作用，與尿素分次施用相比，控釋氮肥減量30%一次性基施處理6 a平均產(chǎn)量提高4.5% ～ 6.7%，與全量控釋氮肥的增產(chǎn)程度(4.7% ～ 8.2%)基本持平[50]。上述研究中，控釋氮肥在等量或減量條件下均實現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，但李文兵[51]的長期定位研究中，減量1/3的控釋氮肥處理產(chǎn)量在前3 a與當?shù)爻Ｒ?guī)施肥持平，后3 a土壤中氮素供應明顯不足，導致產(chǎn)量下降，減量施肥時應對作物生長情況以及土壤地力變化進行密切觀察，氮素供應不足時應及時補充。

3.2 對稻田土壤肥力的影響

長期一次性基施控釋氮肥可以改善稻田土壤環(huán)境。水田中NH4+-N是無機氮的主要存在形式[52]，控釋氮肥的養(yǎng)分緩慢釋放減少了氮素的淋溶損失，有利于土壤表層中的養(yǎng)分積累。研究表明，在高等肥力產(chǎn)田上，60% 的控釋氮肥配施40% 紫云英連續(xù)施用6 a后，土壤全氮、堿解氮、全鉀和速效鉀含量與60% 普通尿素配施40% 紫云英處理之間并無顯著差異[47]。劉益曦等[48]長期田間定位試驗(2008—2013年)結(jié)果表明，硫黃加樹脂雙層包膜尿素和樹脂包膜尿素連續(xù)施用6 a后土壤有機質(zhì)和全氮含量較尿素分次施肥分別增加3.5% ～ 16.6% 和13.1% ～ 15.6%。楊鋅[50]6 a定位試驗研究表明，農(nóng)民習慣施肥量下(180 kg/hm2)，不同控釋氮肥處理0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm土層中的NH4+-N含量較尿素分次施肥處理分別增加13.6% ～ 37.3%、26.0% ～ 28.6%，土壤表層pH、NO3–-N、堿解氮、有機質(zhì)、全氮含量無顯著差別。Mi等[49]研究表明，雙季稻連續(xù)7 a施用硫加樹脂包膜尿素后，0 ～ 60 cm土層的NH4+-N和NO3–-N含量顯著高于尿素分次施肥處理，分別提高20.3% 和42.4%，但是包膜中含有的硫單質(zhì)被氧化為SO42–和H+，導致土壤pH降低。

中等肥力產(chǎn)田上，樹脂包膜尿素摻混尿素處理(70%+30%，50%+50%)連續(xù)施用5 a后土壤全磷與pH與普通尿素分次處理之間無顯著差異，土壤全氮、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別顯著提高3.2% ～ 5.2%、1.3% ～ 4.9%、12.0% ～ 19.6%、2.7% ～ 6.0% 和8.1% ～ 18.4%[39]。Geng等[53]在湖北省的定位研究結(jié)果表明，在180 kg/hm2施氮量下，硫包膜控釋氮肥連續(xù)施用7 a后，0 ～ 60 cm土層內(nèi)的土壤有機質(zhì)、NH4+-N含量較尿素處理分別提高8.9%、15.5% 和13.3%，表層土壤全氮含量提高9.9%。Gao等[29]11 a (2008—2019年)長期定位試驗研究表明，同等施氮量下，控釋摻混尿素處理較尿素處理顯著提高了土壤NH4+-N和NO3–-N含量總和23.3% ～ 24.5%，有效減少了氮淋溶損失，控釋摻混尿素處理還顯著改善了土壤團聚體特性，增加了土壤中腐殖酸和黃腐酸含量。研究表明，水稻生產(chǎn)上減量1/3控釋氮肥連續(xù)應用6 a后，土壤有機質(zhì)以及全氮含量較農(nóng)民習慣施肥處理提高9.9%和23.8%[51]?？蒯尩书L期施用可以提升土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)，但受不同土壤類型、包膜類型以及土壤基礎地力等的影響，控釋氮肥在不同試驗中對土壤的培肥效應表現(xiàn)并不一致。

3.3 對水稻氮肥利用率的影響

氮肥利用率低是限制我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)資源高效利用的重要因素，控釋氮肥的養(yǎng)分釋放與水稻整個生育期的氮素吸收的關系表現(xiàn)為顯著相關，長期施用控釋氮肥在實現(xiàn)資源高效利用、提高氮肥利用率上發(fā)揮了重要作用。控釋氮肥可協(xié)同實現(xiàn)增產(chǎn)增效，樹脂包膜尿素摻混尿素處理(70%+30%，50%+50%)連續(xù)施用第5年氮肥利用率較普通尿素分次施肥處理提高36.2% ～ 51.4%[39]。宓文海[46]研究發(fā)現(xiàn)，控釋氮肥一次性基施和控釋摻混處理連續(xù)5 a施用較尿素分施處理5 a平均早、晚稻氮肥利用率分別提高4.4% ～ 15.7% 和37.8% ～ 44.2%。魯艷紅等[47]研究表明，在統(tǒng)一配施40% 綠肥條件下，樹脂包膜控釋氮肥處理雙季稻氮肥回收利用率提高11.9%，氮肥農(nóng)學效率提高10.9%，氮肥偏生產(chǎn)力差異不明顯。研究表明，與尿素分次施肥相比，直播水稻生產(chǎn)上連續(xù)施用控釋氮肥第6年可提高氮肥利用率5.5%[51]。

控釋氮肥減量條件下，氮肥利用率的提高更加顯著。劉益曦等[48]研究表明，減量30% 控釋氮肥處理氮肥利用率較普通尿素處理提高6.1%～ 7.2%，全量處理提高10.9% ～ 13.3%。與尿素分次施肥相比，減量30% 硫加樹脂包膜尿素、樹脂包膜尿素處理6 a平均氮肥吸收利用率提高8.6% ～ 13.5%，全量處理提高9.2% ～ 10.3%[50]。長期進行控釋氮肥一次性基施可顯著提高水稻氮肥利用率，實現(xiàn)資源高效的同時對產(chǎn)量效應、地力提升以及環(huán)境效應也具有促進作用。

3.4 對稻田環(huán)境效應的影響

化肥投入是農(nóng)田N2O排放和NH3揮發(fā)的主要來源，肥料類型是影響N2O排放和NH3揮發(fā)的重要因素[54-55]。稻田N2O排放高峰主要出現(xiàn)在施肥后、烤田以及干濕交替階段[56]。在240 kg/hm2施氮量下，與尿素分次施肥相比，聚氨酯包膜尿素一次性基施較尿素分次施肥可有效推遲NH3揮發(fā)峰值的出現(xiàn)以及排放峰值的大小，對N2O的排放峰值也具有降低作用，減少NH3揮發(fā)37.2%[57]。華中地區(qū)典型稻田溫室氣體連續(xù)3 a監(jiān)測結(jié)果表明，硫包膜控釋氮肥一次性基施與尿素分次施用相比減少了晚稻N2O排放量43.2%[58]。Guo等[59]3 a定位研究表明，在195 kg/hm2施氮量下，聚合物包膜控釋氮肥一次性基施避免了追肥造成的NH3損失，與農(nóng)民習慣施肥(尿素3次施用)相比，NH3排放量減少64.2% ～ 66.0%，CH4和N2O累積排放量分別減少16.5% ～ 24.2% 和32.8% ～ 38.0%。Ji等[60]4 a觀測結(jié)果表明，與習慣施肥(尿素分次施用)相比，相同施氮量下(240 kg/hm2)，一次性施用樹脂包膜控釋氮肥可使稻田N2O排放量減少13.0%。Shakoor等[23]連續(xù)4 a在華東地區(qū)水稻進行溫室氣體監(jiān)測，結(jié)果表明，控釋氮肥處理水稻季年均N2O排放量較尿素分次處理顯著減少5.6%，CO2排放量減少11.9%，溫室氣體排放強度降低14.5% 且增產(chǎn)3.1%。Ji等[61]4 a研究發(fā)現(xiàn)，與尿素3次施用處理相比，樹脂包膜控釋氮肥降低了稻田CH4排放量3.9% ～ 15.2%?？蒯尩实拈L期施用為解決當前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素的大量損失提供了解決方案，同時保障了糧食穩(wěn)定生產(chǎn)，這與Yang等[62]的綜述結(jié)果一致。

4 結(jié)論

一次性施肥連續(xù)施用5 a及5 a 以上能夠持續(xù)維持我國糧食作物農(nóng)田土壤肥力，顯著提高小麥、玉米和水稻氮肥利用率，同時保證小麥、玉米、水稻穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)。一次性施肥連續(xù)施用3 a及3 a以上可顯著減少三大作物農(nóng)田的氮素損失，N2O排放和NH3揮發(fā)均顯著降低，包膜材料未對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面影響。一次性施肥可同時實現(xiàn)糧食作物長期穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、土壤培肥、養(yǎng)分高效和環(huán)境友好，在我國未來農(nóng)業(yè)輕簡化綠色可持續(xù)發(fā)展中具有良好的應用前景。

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Progress of Long-term Effects of One-off Fertilization on Major Food Crops in China

LIU Zhongyang1,2, WU Xiaobin2*, ZHENG Fuli2, ZHANG Lingfei1,2, CUI Xiumin1, TAN Deshui2

(1 College of Recourses and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Agro-Environment of Huang-Huai-Hai Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Jinan 250100, China)

One-off fertilization is an urgent need for light and simplified agricultural production in China. The long-term effects of controlled-release fertilizers are less reported in comparation with those of short-term effects, thus, this study aims to explore the effects of long-term application of one-off controlled-release urea on the yields, soil fertilities, nitrogen use efficiencies and environmental effects of the major food crops to provide the supports for the light and green sustainable production of agriculture in China. We collected the related papers (as of December 20, 2021) from the China National Knowledge Infrastructure database (http://www.cnki.net/) and analyzed the effects of controlled-release urea (CRU) continuous application for five years or more on the yields, soil fertilities, and nitrogen use efficiencies of three major food crops (wheat, maize and rice) as well as the effects of CRU continuous application for three years or more on the ecological environment of farmlands. Compared with the normal urea split application, CRU continuous application for 5 years or more can increase the yields of wheat, maize and rice by 4.9%–19.6%, 0–14.4% and 0–17.6%, nitrogen use efficiencies by 24.2%–52.0%, 14.3%–80.3%, 4.4%–80.7%, soil total nitrogen by 0–8.7%, 0–6.7% and 0–23.8%, organic matter by 3.8%–11.8%, 0–6.4% and 0–16.6%, and inorganic nitrogen (NO3–-N, NH4+-N) by 0–77.2%, 0–66.3% and 0–42.4%, respectively. While CRU continuous application for three years or more can reduce N2O emission by 16.9%–43.3%, 5.1%–56.0%, 5.6%–43.2% and NH3volatilization by 18.6%–37.6%, 6.1%–52.4%, 37.2%–66.0%, respectively in wheat, maize and rice fields. In conclusion, one-off CRU application continuously can not only maintain soil fertility and crop yield in the long term, but also improve nitrogen use efficiency and reduce N losses for the three major food crops.

One-off application of controlled-release urea; Yield; Soil fertility; Nitrogen use efficiency; Environmental effect

S143.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.002

劉仲陽, 吳小賓, 鄭福麗, 等. 我國主要糧食作物一次性施肥的長期效應研究進展. 土壤, 2022, 54(4): 667–675.

國家重點研發(fā)計劃項目(2021YFD1901003)、山東省大科學計劃項目(優(yōu)勢特色主導產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項)(2018-001)和山東省農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目 (CXGC2021A01，CXGC2022A09) 資助。

(xbwuferguson@163.com)

劉仲陽(1998—)，女，山西朔州人，碩士研究生，主要從事作物施肥技術研究。E-mail: liuzhongyang1215@163.com