卞文新，馬曉曉，孫東旭，徐湘茗，于宏宇，胡汐瑩，楊越超，申天琳

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 / 土肥高效利用國(guó)家工程研究中心, 山東泰安 271018）

肥料作為作物的“糧食”，在提高作物單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量中起著不可替代的支撐作用[1]。因作物不同生育期內(nèi)的養(yǎng)分需求差異較大，作物生產(chǎn)中往往需要多次施用傳統(tǒng)速效肥料。隨著社會(huì)的變革和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員出現(xiàn)短缺，多次施肥技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中面臨較多困難。農(nóng)民追求省時(shí)省力和更高的經(jīng)濟(jì)效益，而將大量普通肥料作為底肥一次性施入農(nóng)田。過(guò)量的肥料投入不僅阻礙糧食增產(chǎn)增收，還導(dǎo)致了肥料養(yǎng)分利用率下降和農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題[2]。因此，探索科學(xué)的一次性施肥技術(shù)和減量施肥措施，是保障糧食安全和建立農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的養(yǎng)分管理體系的重要途徑。

控釋肥料一般為采用聚合物包覆尿素或復(fù)合肥的一類(lèi)新型肥料，可以控制肥料養(yǎng)分的釋放速率，使養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求相吻合[3]，其養(yǎng)分有效期長(zhǎng)、利用率高[4]，節(jié)肥省工，適于大田規(guī)?；瘧?yīng)用推廣[5]。姜海斌等[6]研究表明，在減少20%施氮量條件下，云南大理地區(qū)一次性施用緩控釋肥與常規(guī)施肥處理相比，水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量分別增加15.7%和21.0%；曹兵等[7]在河北趙縣對(duì)夏玉米的研究表明，控釋氮肥在田間的釋放主要集中在夏玉米生長(zhǎng)前中期，與常規(guī)施肥相比，一次性施用控釋氮肥不僅能夠提高肥料利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，而且能夠在減氮10%條件下提高產(chǎn)量4.41%；安文博等[8]在北京房山進(jìn)行的玉米試驗(yàn)表明，與常規(guī)施肥處理相比，減氮25%的3個(gè)緩控釋肥處理氨揮發(fā)減少78%～81%，并且產(chǎn)量沒(méi)有降低。

山東省是我國(guó)重要的小麥生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年山東省小麥播種面積 (393.44×104hm2) 和總產(chǎn)量 (2568.9×104t)分別占全國(guó)小麥播種面積和總產(chǎn)量的16.83%和19.14%[9]。與水稻和玉米相比，冬小麥整個(gè)生育期跨越多個(gè)季節(jié)，水熱條件在時(shí)間分布上差異大，控釋肥料養(yǎng)分釋放滿足冬小麥不同生育期的需求更具挑戰(zhàn)性。在眾多種類(lèi)的控釋肥料中，有機(jī)溶劑型樹(shù)脂包膜肥料成本較低，制作工藝難度小，是我國(guó)具有代表性和工業(yè)化較早的控釋肥料[3]。但是，此類(lèi)樹(shù)脂包膜肥料在加工過(guò)程中會(huì)揮發(fā)有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境有一定的危害[10]。水基聚合物包膜肥料在合成和包衣過(guò)程中不需要有機(jī)溶劑，在水分散介質(zhì)中即可形成包膜乳液，可以節(jié)省有機(jī)溶劑回收產(chǎn)生的成本，并且避免有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境的污染。因此，水基聚合物包膜肥料被視為環(huán)境友好型包膜氮肥，是人工合成有機(jī)聚合物包膜肥料研制的重要發(fā)展方向之一[3]。而前人關(guān)于樹(shù)脂包膜氮肥和水基聚合物包膜氮肥一次性減量施肥在山東省冬小麥上的研究報(bào)道較少。本研究通過(guò)25℃靜水和田間土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，探討了兩種包膜氮肥的控釋性能，并在山東桓臺(tái)進(jìn)行了連續(xù)3年的田間試驗(yàn)，設(shè)置農(nóng)民習(xí)慣施氮量和減量30%兩個(gè)氮肥水平，評(píng)估和比較一次性施用樹(shù)脂包膜氮肥和水基聚合物包膜氮肥對(duì)小麥-玉米輪作體系下冬小麥產(chǎn)量、凈利潤(rùn)、氮素利用率、土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量的影響，以期為山東省新型肥料應(yīng)用以及一次性施肥技術(shù)和減量施肥措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)示范區(qū)設(shè)置在山東省糧食主產(chǎn)區(qū)，位于淄博市桓臺(tái)縣的生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)站 (36°57′75″N, 117°59′21″ E)?；概_(tái)縣地處華北平原，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，降雨集中，雨熱同季。試驗(yàn)地作物一年兩熟，為冬小麥 (10月中旬至次年6月上旬) 和夏玉米 (6月中旬至10月上旬) 輪作，根據(jù)土壤干濕及當(dāng)季降水情況進(jìn)行灌溉。每年小麥?zhǔn)斋@后，秸稈粉碎還田。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為潮土，土壤質(zhì)地為粉壤土，初始耕層土壤理化性質(zhì)：pH 7.83、有機(jī)質(zhì)12.4 g/kg、全氮1.21 g/kg、硝態(tài)氮23.7 mg/kg、銨態(tài)氮11.6 mg/kg、有效磷23.1 mg/kg、速效鉀208 mg/kg。本試驗(yàn)3季冬小麥分別種植于2018年10月至2019年6月、2019年10月至2020年6月、2020年10月至2021年6月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試氮肥包括普通尿素、樹(shù)脂包膜氮肥、水基聚合物包膜氮肥和摻混包膜氮肥，含氮量分別為46%、42%、41.4%和41.7%。摻混包膜氮肥為樹(shù)脂包膜氮肥和水基聚合物包膜氮肥以1∶1 (以氮計(jì))摻混而成。其他肥料包括磷酸二銨 (N 18%，P2O546%)、硫酸鉀 (K2O 50%) 和磷酸二氫鉀 (P2O550%，K2O 34%)。

試驗(yàn)地共設(shè)置9個(gè)處理：1) CK，不施氮肥處理；2) BBF1，普通尿素常規(guī)施氮量處理；3) BBF2，普通尿素氮素減施30%處理；4) PF1，樹(shù)脂包膜氮肥常規(guī)施氮量處理；5) PF2，樹(shù)脂包膜氮肥氮素減施30%處理；6) WF1，水基聚合物包膜氮肥常規(guī)施氮量處理；7) WF2，水基聚合物包膜氮肥氮素減施30%處理；8) MF1，摻混包膜氮肥常規(guī)施氮量處理；9) MF2，摻混包膜氮肥氮素減施30%處理。氮素減施30%后，BBF1處理的肥料成本與PF2、WF2和MF2處理相當(dāng)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共27個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)隨機(jī)排列。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為32 m2(4 m×8 m)，種植小麥6畦，每畦種植小麥3行。供試小麥品種為“魯原502”，整個(gè)生育期約為235天。

施肥量及施肥方式：常規(guī)施氮量處理N-P2O5-K2O用量為225-150-75 kg/hm2，氮素減施處理NP2O5-K2O用量為157.5-150-75 kg/hm2；除CK外，其余處理均以磷酸二銨替代59 kg/hm2(以N計(jì)) 用量的尿素，并維持P2O5用量為150 kg/hm2；普通尿素處理的氮肥60%作為基肥，其余40%在拔節(jié)期追肥施入；PF、WF和MF處理的氮肥作為基肥在播種前一次施入；所有處理磷鉀肥作為基肥一次施入。

1.3 包膜氮肥性能測(cè)定

采用25℃下靜水溶出法測(cè)定包膜氮肥的養(yǎng)分釋放率，在 1、3、5、7、14、21、28、35、42、49、56、63天取樣，此后每14天取樣一次，直至累積養(yǎng)分溶出率達(dá)到80%[11]。在試驗(yàn)小區(qū)保護(hù)行內(nèi)填埋裝有10 g PF和WF的細(xì)密網(wǎng)袋，在小麥出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期等5個(gè)時(shí)期分別取5個(gè)網(wǎng)袋，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其田間養(yǎng)分釋放率[12]。

1.4 樣品采集及測(cè)定方法

在小麥出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期等5個(gè)時(shí)期，采用五點(diǎn)取樣法分別取0—20和20—40 cm土層的土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。在小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)選取中間兩畦小麥，收獲后脫粒計(jì)產(chǎn)。小麥秸稈置于烘箱中在105℃下殺青1 h，75℃下烘干。籽粒經(jīng)過(guò)烘箱105℃烘干后，依據(jù)水分系數(shù)12.5%調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)谷物產(chǎn)量。

取部分新鮮土壤用1 mol/L KCl溶液浸提，使用流動(dòng)分析儀測(cè)定和[12]。剩余土樣自然風(fēng)干，過(guò)0.15 mm篩，加濃硫酸和催化劑，消煮，采用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮[13]。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[12]。將烘干的秸稈和籽粒粉碎后過(guò)0.28 mm篩，消煮，采用凱氏定氮法測(cè)定小麥秸稈和籽粒的全氮含量[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

氮素表觀利用率 (nitrogen use efficiency, NUE, %) =(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100；

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (nitrogen agronomic efficiency, NAE,kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力 (nitrogen partial factor productivity,NPFP, kg/kg) = 籽粒產(chǎn)量/施氮量。

采用Excel 2019和Origin 2019b軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行鄧肯檢驗(yàn) (Duncan multiple range tests)、單因素方差分析 (One-way ANOVA)、單因素變量一般線性模型分析 (univariate general linear model analysis) 和二階多項(xiàng)式回歸分析 (second-order polynomial regression analysis)。

2 結(jié)果與分析

2.1 包膜氮肥的養(yǎng)分釋放特征

養(yǎng)分釋放特征是包膜氮肥的基礎(chǔ)特征之一，能夠直觀地評(píng)價(jià)其控釋性能。水基聚合物包膜氮肥在前期釋放較快，第1～14天累積釋放84.7%；第14～119天，養(yǎng)分釋放減緩，最終累積釋放90.36%(圖1)。樹(shù)脂包膜氮肥表現(xiàn)出緩慢釋放的特征，第1～63天氮素累積釋放56.92%，第63～119天內(nèi)養(yǎng)分累積釋放28.21%，最終累積釋放85.13%。在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，摻混包膜氮肥養(yǎng)分釋放率達(dá)到84.57%：第1～14天內(nèi)氮素快速釋放，累積釋放49.87%；第14～63天內(nèi)氮素勻速釋放，累積釋放22.32%；第63～119天內(nèi)氮素緩慢釋放，累積釋放12.38%。這表明，在純水環(huán)境中樹(shù)脂包膜氮肥的控釋期可以達(dá)到119天，具有良好的控釋性能，水基聚合物包膜氮肥內(nèi)部養(yǎng)分釋放較快。

圖1 包膜氮肥在25℃水中氮素釋放率Fig.1 Nitrogen release rate of controlled-release nitrogen fertilizers in water (25℃)

小麥生長(zhǎng)季節(jié)的平均環(huán)境溫度為9.9℃ (圖2)，遠(yuǎn)低于25℃靜水環(huán)境，因此，土壤中水基聚合物包膜氮肥釋放模式有所不同：第30～150天，養(yǎng)分釋放緩慢，總計(jì)釋放45%；第150～210天，養(yǎng)分釋放較快，期間累積釋放32.8%；隨后釋放減緩，直至收獲期 (第240天) 累積釋放91.3%，釋放期達(dá)180天。樹(shù)脂包膜氮肥養(yǎng)分釋放率先慢后快再慢，與水基聚合物包膜氮肥釋放模式類(lèi)似，但在小麥全生育期累積釋放率均低于水基聚合物包膜氮肥，釋放期達(dá)210天。在田間培養(yǎng)中水基聚合物包膜氮肥養(yǎng)分控釋時(shí)間大幅延長(zhǎng)，養(yǎng)分釋放曲線與樹(shù)脂包膜氮肥一樣為“S”型，可以有效阻止尿素溶出。

圖2 包膜氮肥在土壤中的氮素釋放率和培養(yǎng)期間環(huán)境溫度的變化Fig.2 Nitrogen release rate of controlled-release urea in field and variation of environment temperature during incubation

2.2 包膜氮肥對(duì)冬小麥氮素養(yǎng)分利用的影響

單因素變量一般線性模型分析結(jié)果表明，年份能夠顯著影響氮素農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，氮肥處理以及氮肥處理與年份的互作效應(yīng)能顯著影響氮素利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力(表1)。在常規(guī)施氮量下，PF1、WF1和MF1處理的兩年平均氮素利用率與BBF1處理相比分別增加了23.5%、23.9%和17.5%；在減氮30%下，與BBF2處理相比，PF2和MF2處理的兩年平均氮素利用率分別增加了19%和23.7%，而WF2處理的兩年平均氮素利用率僅增加了2.7%。這說(shuō)明在常規(guī)施氮量下包膜氮肥可以有效提高冬小麥氮素利用率，在減少30%施氮量下，樹(shù)脂包膜氮肥和摻混包膜氮肥能夠顯著提高冬小麥氮肥利用率，而水基聚合物包膜氮肥肥料利用率與普通尿素沒(méi)有顯著差異。

表1 2019—2021年不同施氮處理冬小麥氮肥利用率Table 1 Nitrogen use efficiency of winter wheat under different treatments during 2019-2021

除2019—2020季小麥的PF2和WF2處理氮素利用率和氮素農(nóng)學(xué)利用效率與WF1處理無(wú)顯著差異外，氮肥減量30%處理的氮素利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于常規(guī)施氮量處理，分別增加了35.20%、34.08%和38.05%，說(shuō)明減氮30%可以顯著提高氮素利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力。

2.3 包膜氮肥對(duì)土壤含量的影響

圖3 冬小麥各生育期0—20和20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量Fig.3 Soil and contents at different growth stages of winter wheat in 0-20 cm and 20-40 cm soil depths

在苗期0—20 cm土壤中，施氮量相同處理的小麥苗期土壤含量并無(wú)差異，這是因?yàn)榕涫┝姿岫@能夠在包膜氮肥養(yǎng)分釋放較少的前期為小麥提供氮素，維持出苗期土壤的含量。與BBF1處理相比，PF1、WF1和MF1處理土壤含量分別顯著降低了39.6%、28.4%和32.2%；與BBF2處理相比，PF2、WF2和MF2處理土壤含量分別顯著降低了42.3%、31.2%和39.3%，說(shuō)明包膜氮肥能夠有效降低小麥苗期土壤含量，減少的轉(zhuǎn)化。在苗期20—40 cm土壤中，BBF1處理的向含量最高，其他施氮處理的含量較BBF1處理分別降低了17.8%～50.4%和25.9%～45.6%，說(shuō)明施用包膜氮肥和減量施用氮肥均能夠降低苗期土壤向深層土壤的轉(zhuǎn)移。在拔節(jié)期0—20 cm土壤中，PF1和PF2處理的含量顯著高于其他處理；PF1的含量最高，其次為PF2和MF1處理。在拔節(jié)期20—40 cm土壤中，BBF1處理的含量最高。在抽穗期0—20 cm土壤中，PF1和PF2處理的含量顯著高于其他處理；與BBF1處理相比，PF1、WF1和MF1處理的含量分別增加了104.8%、30.8%和14.4%；與BBF2處理相比，PF2和MF2處理的含量分別顯著增加了78.4%和32.3%；與BBF1相比，PF1和MF1處理的含量分別提高了16.7%和5.7%。在抽穗期20—40 cm土壤中，除WF2處理外各施肥處理的含量并無(wú)顯著差異；相同施氮量下，包膜氮肥處理的含量顯著高于普通尿素處理。在灌漿期0—20 cm土壤中，PF1處理的含量最高，其余施氮處理含量與BBF1相比均無(wú)顯著差異；與BBF1相比，PF1、WF1和MF1處理的含量分別降低13%、13%和14.3%。在灌漿期20—40 cm土壤中，BBF1處理的含量均最高。在成熟期0—20 cm土壤中，PF1處理的含量均為最高。20—40 cm土層中，WF1和WF2處理成熟期土壤含量顯著低于其他施氮處理。綜合各個(gè)時(shí)期包膜氮肥處理土壤和含量，可以說(shuō)明包膜氮肥施用能夠維持0—20 cm土壤中含量，并減少向深層土壤的轉(zhuǎn)移。

2.4 包膜氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

在2018—2021年3季小麥中，2018—2019年小麥生長(zhǎng)季節(jié)產(chǎn)量最高，樹(shù)脂包膜氮肥在提高冬小麥產(chǎn)量方面表現(xiàn)最好 (表2)。施用同種氮肥處理的年平均小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，其中水基聚合物包膜氮肥和樹(shù)脂包膜氮肥增產(chǎn)效果最好，在施氮量由157.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量分別增加了7.6%和6.1%。在相同的施氮量下，PF1和WF1處理年平均小麥產(chǎn)量顯著高于BBF1，分別增加了8.03%和6.73%，PF2、WF2和MF2處理與BBF2相比產(chǎn)量分別增加了7.25%、4.44%和6.16%。當(dāng)施氮量降低30%時(shí)，PF2、WF2和MF2處理的年平均產(chǎn)量仍然與BBF1相當(dāng)，產(chǎn)量變化幅度為-0.83%～1.83%。這說(shuō)明，包膜氮肥一次性施用能夠顯著提高冬小麥產(chǎn)量，即使在減氮30%的條件下，依然能夠保證冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定。

表2 2018—2021年不同氮肥處理的冬小麥產(chǎn)量(kg/hm2)Table 2 Winter wheat yield under different nitrogen fertilization treatments during 2018-2021

2.5 包膜氮肥對(duì)冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

在常規(guī)施氮量下，PF1、WF1和MF1處理的凈利潤(rùn)比BBF1處理分別增加了18.55%、15.92%和7.06%；在減量施氮30%的條件下，PF2、WF2和MF2處理的凈利潤(rùn)比BBF1處理分別增加了9.06%、3.31%和6.86% (表3)。包膜氮肥的成本比普通尿素高，但是在小麥的整個(gè)生育期中，普通尿素需要追肥，而包膜氮肥只需施用一次基肥，降低了施肥所需的人工成本，因此提高了小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)二階多項(xiàng)式擬合曲線，獲得了產(chǎn)量與施氮量的二階多項(xiàng)式關(guān)系：YBBF=-0.1064x2+47.45x+3764,R2= 0.7324,P＜0.01；YPF=-0.1170x2+53.08x+3764,R2=0.7557,P＜0.01；YWF=-0.1021x2+49.20x+3764,R2=0.7234,P＜0.01；YMF=-0.1395x2+56.03x+3764,R2=0.7280,P＜0.01。結(jié)合小麥種植成本 (表3)，PF、WF和MF處理分別在215.81、228.62和191.70 kg/hm2施氮量下獲得了最高利潤(rùn)11683、11353和10853元/hm2，與BBF處理相比分別提高了19.10%、15.74%和 10.64% (表4)。

表3 不同氮肥處理小麥生產(chǎn)效益Table 3 Cost-benefit analysis of wheat production under different fertilizer treatments

表4 不同肥料獲得冬小麥最高理論產(chǎn)量和收益的施用量及相對(duì)于普通尿素的增加量Table 4 N application rate for theoretical maximum yields and profits of winter wheat under different fertilizer treatments

3 討論

3.1 包膜氮肥的養(yǎng)分釋放特征

影響包膜氮肥養(yǎng)分釋放的因素有很多，其中最直接的因素是包膜氮肥包膜材料的性質(zhì)，包括包膜材料的聚合物種類(lèi)、包膜厚度和溶脹度等因素。包膜材料影響包膜肥料養(yǎng)分釋放主要通過(guò)兩種機(jī)制，分別是針對(duì)無(wú)機(jī)包膜材料的“破裂機(jī)制”[15]和針對(duì)有機(jī)聚合物包膜材料的“溶脹擴(kuò)散”[10]。聚合物膜殼的溶脹會(huì)改變膜殼微孔尺寸，進(jìn)而引起包膜肥料養(yǎng)分釋放速率的改變[16]。因此，溶脹度可以用于評(píng)價(jià)聚合物包膜材料的疏水性以及判斷聚合物是否適宜用作包膜[17]。水基聚合物膜殼溶脹度高，耐水性較差[17]，因此在純水環(huán)境下水基聚合物包膜氮肥快速吸水膨脹，內(nèi)部養(yǎng)分釋放快，導(dǎo)致其包膜性能弱于樹(shù)脂包膜氮肥。但是，包膜氮肥的養(yǎng)分釋放速率也受到溫度的影響。因此，在山東省秋冬季節(jié)土壤水分含量較低的條件下，水基聚合物包膜氮肥在土壤中養(yǎng)分釋放前期 (第0～30天) 釋放13.5%，展現(xiàn)了良好的養(yǎng)分控釋性能。隨后試驗(yàn)地溫度降低，包膜氮肥養(yǎng)分釋放減緩，但在小麥種植第130天后，農(nóng)田進(jìn)行灌溉補(bǔ)充土壤水分，使水基聚合物包膜氮肥內(nèi)的尿素迅速溶出，因此第150天其養(yǎng)分釋放率達(dá)到58.5%。第150～210天，試驗(yàn)地溫度升高，降水或者灌溉保持土壤水分，水基聚合物包膜氮肥和樹(shù)脂包膜氮肥都進(jìn)入了快速釋放時(shí)期，用于供給小麥氮素需求。因此，雖然水基聚合物包膜氮肥在實(shí)驗(yàn)室純水環(huán)境下控釋性能弱于樹(shù)脂包膜氮肥，但是在試驗(yàn)土壤中，展現(xiàn)了良好的控釋性能，與樹(shù)脂包膜氮肥一樣呈現(xiàn)出“S”型釋放曲線，能夠保證小麥生育期的氮素需求。

3.2 包膜氮肥對(duì)土壤氮素和小麥氮養(yǎng)分利用的影響

小麥生育前期對(duì)氮素的需求量較低，拔節(jié)期至抽穗期需氮量較高，抽穗期至成熟期需氮量較低，整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的需氮曲線為S型。旱地作物吸收的氮素大部分為形態(tài)，但也能吸收[18]。土壤中的無(wú)機(jī)氮量一般只占全氮的1%～2%，因此，肥料的投入對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)非常重要，其與作物需氮是否同步也將影響作物產(chǎn)量以及氮素利用率。趙建紅[19]的研究結(jié)果表明，普通尿素在施入土壤后快速水解，能在生育前期為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供必需的氮素供應(yīng)，而適宜的“前氮后移”能夠?yàn)樽魑锾峁┍容^平衡的氮素供應(yīng)，滿足了作物在關(guān)鍵生育期的養(yǎng)分需求。本研究中，普通尿素與包膜氮肥配施磷酸二銨均能在苗期保持土壤含量，為小麥早期氮素需求提供足夠的養(yǎng)分。與常量尿素處理相比，施用常量樹(shù)脂包膜氮肥顯著增加了耕層(0—20 cm)土壤拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的含量，以及拔節(jié)期、抽穗期和成熟期的含量，說(shuō)明施用常量樹(shù)脂包膜氮肥能夠提高小麥生育后期土壤含量，保障小麥作物關(guān)鍵生育期的氮素供應(yīng)。在減氮30%條件下，與常量尿素處理相比，PF2處理在拔節(jié)期和抽穗期0—20 cm土壤含量顯著提高，MF2處理在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的含量無(wú)顯著差異。這是由于包膜氮肥能夠調(diào)控膜殼內(nèi)部尿素緩慢溶出，減少了的轉(zhuǎn)化，增加了小麥中后期土壤含量。與常量尿素處理相比，WF2處理的0—20 cm土壤含量均降低，這是由于膜殼材料、膜殼重量和厚度的不同，導(dǎo)致不同包膜氮肥之間的養(yǎng)分釋放具有差異性，這也說(shuō)明水基聚合物包膜氮肥仍需要改進(jìn)。張敬昇等[20]研究表明，施用包膜氮肥可以顯著減少小麥季20—40 cm土壤殘留量，減少氮素?fù)p失。本研究中，施用的3種包膜氮肥均能降低苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期20—40 cm土層土壤含量，這是因?yàn)榘さ恃娱L(zhǎng)了尿素的水解周期，減少了的轉(zhuǎn)化，減緩了向深層土壤的轉(zhuǎn)移。

本研究中，采用包膜氮肥配施磷酸二銨一次基施，能夠在田間條件下與小麥生長(zhǎng)期間的氮素需求密切匹配，獲得更高的氮素利用率，因此，總體來(lái)說(shuō)PF1和WF1處理的氮素利用率顯著高于BBF1處理。在田間氮肥施用試驗(yàn)中，植物-土壤系統(tǒng)的氮素來(lái)源主要為氮肥施入，隨著施氮量的提高，氮素表觀損失明顯提高，導(dǎo)致氮肥利用率降低[12]。Hartmann等[21]的研究也表明，氮素利用率受施氮量的影響，兩者之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，氮素利用率隨著施氮量的降低而增加，減量30%施氮處理的氮素利用率均高于常量施氮處理，與前人的研究結(jié)果[12,21]一致。

3.3 包膜氮肥對(duì)小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

2019—2021年3季小麥相同處理間產(chǎn)量差異較大：山東省2018—2019季冬小麥未經(jīng)歷氣象災(zāi)害，氣候適宜，冬小麥均獲得高產(chǎn)；2019—2020季冬小麥在四月份遭遇倒春寒造成穗粒數(shù)減少，并在即將進(jìn)入收獲季節(jié)時(shí)遭遇臺(tái)風(fēng)，造成小麥倒伏導(dǎo)致減產(chǎn)；2020—2021季冬小麥在一月份遭遇極端低溫現(xiàn)象，導(dǎo)致分蘗減少，造成減產(chǎn)。

大量文獻(xiàn)[22-26]對(duì)比研究了黃淮海地區(qū)小麥?zhǔn)┯冒さ室约皽p量施用尿素的肥效 (表5)。譚德水等[23]通過(guò)黃淮海東部3年31個(gè)點(diǎn)位的試驗(yàn)表明，與農(nóng)民習(xí)慣施氮量下尿素處理相比，水基聚合物包膜氮肥在減氮20%條件下仍能獲得相近的產(chǎn)量，并且氮素利用率提高了45.5%。自2011年至2021年，黃淮海地區(qū)不同地點(diǎn)不同小麥品種的樹(shù)脂包膜氮肥肥效試驗(yàn)[22-26]中，與相同施氮量尿素處理相比，樹(shù)脂包膜氮肥顯著提高了小麥產(chǎn)量(3.2%～12.1%)；在減氮30%條件下，與農(nóng)民習(xí)慣施氮量下尿素處理相比，樹(shù)脂包膜氮肥處理的小麥產(chǎn)量的變化為-1.4%～1.7%；與農(nóng)民習(xí)慣施氮量下尿素處理相比，施用包膜氮肥和減量施肥均提高了氮素利用率。

表5 不同施氮量下黃淮海地區(qū)小麥產(chǎn)量與氮素利用率Table 5 Yield and nitrogen use efficiency of wheat in Huang-Huai-Hai region under different nitrogen supply

包膜氮肥完全替代普通尿素能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[25]。但是，包膜氮肥單價(jià)較高，難以受到農(nóng)民的青睞，商業(yè)化種植推廣工作也難以展開(kāi)。因此，前人對(duì)包膜氮肥配施普通尿素增產(chǎn)增收效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明包膜氮肥配施30%尿素能夠補(bǔ)充作物在包膜肥料養(yǎng)分釋放停滯期所需的氮素，達(dá)到降低肥料成本、增加產(chǎn)量的效果[12]。本研究采用磷酸二銨作為磷肥并替代部分氮肥，同樣降低了肥料成本。與尿素配施磷酸二銨 (59 kg/hm2，以氮計(jì)) 相比，包膜氮肥配施等量磷酸二銨，顯著提高了試驗(yàn)地3季冬小麥平均產(chǎn)量。同時(shí)，一次性施用包膜氮肥降低了人工成本，因此包膜氮肥處理均提高了冬小麥的經(jīng)濟(jì)效益。

冬小麥產(chǎn)量與施氮量顯著相關(guān)，減氮30%在降低了肥料成本的同時(shí)，也減少了冬小麥產(chǎn)量，因此減氮30%處理收益均低于常規(guī)施氮量包膜氮肥處理。與常規(guī)施氮量尿素處理相比，減氮30%包膜氮肥處理的收入變化為-180～398元/hm2，但包膜氮肥處理的施肥費(fèi)用減少，因此其凈利潤(rùn)增加了3.31%～9.06%。根據(jù)多項(xiàng)式擬合結(jié)果，本試驗(yàn)中施用約215 kg/hm2樹(shù)脂包膜氮肥可以獲得理論最高利潤(rùn)，其次為施用約228 kg/hm2水基聚合物包膜氮肥獲得的理論利潤(rùn)，此時(shí)，樹(shù)脂包膜氮肥和水基聚合物包膜氮肥施用量均接近當(dāng)?shù)?25 kg/hm2的農(nóng)民常規(guī)施氮量(表5)。因此，一次性施用農(nóng)民習(xí)慣施氮量樹(shù)脂包膜氮肥增產(chǎn)增收效果最好，其次為水基聚合物包膜氮肥。

4 結(jié)論

一次性基施樹(shù)脂包膜氮肥、水基聚合物包膜氮肥和二者摻混包膜氮肥，在減少常規(guī)氮投入量30%的條件下，均能在小麥整個(gè)生育期維持較高的土壤無(wú)機(jī)氮濃度，進(jìn)而獲得與施尿素相當(dāng)?shù)男←湲a(chǎn)量。氮肥投入量的減少配合包膜肥料的施用提高了氮素利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力。一次性基施減少了施肥勞力投入，提高了小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。