控釋氮肥減量配施對土壤氮素調控及夏玉米產量的影響

劉楚桐，陳松嶺，金鑫鑫，徐志強，葉旭紅，鄒洪濤*，張玉龍

（1.沈陽農業大學土地與環境學院/農業農村部東北耕地保育重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室，遼寧 沈陽 110161；2.遼寧省農業發展服務中心，遼寧 沈陽 110034）

氮素是玉米生長必需的元素，與玉米產量息息相關。Worku等［1］認為，玉米耐肥性強，較其他農作物相比對氮肥更加敏感，同時施氮增產效果顯著。近些年，我國由于過度的追求玉米產量，氮肥的施用量也逐漸增多。施入土壤中的氮素除了被作物吸收利用外，一部分以無機氮或有機結合態形式存在于土壤中，供后季植物吸收利用［2-4］。而另一部分以硝化、反硝化及淋溶等途徑進入到環境中，造成了嚴重的資源浪費［5］，同時還引發了一系列如土壤酸化板結、水體富營養化等環境問題［6-10］。因此采用合理的氮肥施用方式在提高作物產量，提升氮肥利用率，保護和改善環境及實現農業可持續發展等方面具有重要的意義。

大量研究表明控釋尿素具有優異的緩釋性能，已經成為我國肥料的發展方向［11］。其不僅能夠減緩養分的釋放速度，使其養分釋放盡可能地符合作物對養分的需求規律，是提升氮素利用率的有效途徑之一［12-14］。任利沙等［15］認為，施用控釋尿素能夠顯著提高玉米的穗粒數、百粒重及產量。劉敏等［16］研究表明，控釋尿素可有效降低夏玉米生育期氮素損失，提高氮肥利用率，維持氮素平衡。隋常玲等［17］為研究夏玉米氮肥的去向和利用率，選用15N同位素標記的控釋氮肥與普通氮肥進行試驗，研究結果表明，控釋氮肥處理比普通氮肥處理氮肥利用率提高7.7%，同時氮肥損失率下降了26.0%。但是控釋尿素也存在一定的缺陷，例如李偉等［18］研究指出控釋尿素價格高昂，較普通尿素高出1.5～1.6倍，并且控釋尿素前期養分釋放緩慢，易使作物出現前期缺氮后期貪青的問題。因此，控釋與普通氮肥配施有助于彌補上述缺陷，既能滿足作物前期對養分的需求，又能降低經濟成本［19］。

近年來，國內外科研工作者對控釋氮肥的研究注入了較多的精力，并取得了顯著成效，但是在小麥玉米輪作體系中探究控釋摻混肥減量配施等對土壤氮肥調控及作物產量的影響研究還不多見。通過探究不同施肥處理對夏玉米生長不同時期土壤銨態氮和硝態氮含量、硝酸還原酶和脲酶活性、微生物量氮含量、成熟期土壤全氮含量、植株和籽粒中全氮含量及玉米產量和產量構成因素的影響，為降低農田氮肥用量，提高氮肥利用率，增加玉米產量，實現農業可持續發展及輕簡化施肥模式提供理論依據及數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點為河南省南陽市方城縣，年均氣溫14.4℃，年均日照2092 h，年均降水量為803.9 mm，無霜期220 d，土壤類型為黃褐土。

試驗始于2018年5月，試驗共計6個處理，每個小區重復3次，小區面積3 m2。具體試驗設計如表1。供試玉米品種為大豐30，于5月30日播種，9月20日收獲，種植密度為60000株/hm2。田間管理與當地常規管理相同。所用尿素為普通大顆粒尿素（N 46.4%），所用控釋尿素為自制（N 43.6%，控釋期為42 d，包膜厚度為7%，所用包膜材料為聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、納米二氧化硅及1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷）。其中，100%普通尿素處理施氮總量為N 270 kg/hm2，分別于夏玉米五葉期和拔節期施用，其他施氮處理氮肥均于夏玉米五葉期施用，各處理具體施氮時期及比例如表1所示。各處理磷、鉀肥以P2O5、K2O計，施用量為120 kg/hm2，均做基肥施用，其中磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。

表1 試驗設計及施肥時期

1.2 樣品采集

1.2.1 土壤樣品

分別于試驗前采集土壤樣品，測定其基礎理化性質，于玉米拔節期、大喇叭口期、成熟期采集土壤樣品（0～20 cm），土壤樣品采集采用五點取樣法，取回置于實驗室。用于土壤銨態氮、硝態氮、微生物量氮、硝酸還原酶及脲酶測定的樣品保存于4℃冰箱中，用于全氮測定的土壤樣品風干后過篩，密封保存。

1.2.2 植物樣品

在玉米成熟期破壞性取樣，隨機選取3株小區內植株，整株取回。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤樣品測定

將新鮮土壤樣品過0.25 mm篩后用0.01 mol/L CaCl2振蕩浸提，用AA3自動分析儀（Bran-Luebbe；Germany）測定土壤銨態氮、硝態氮含量。

采用氯仿熏蒸提取法測定土壤中微生物量氮含量［20-21］。

采用凱式定氮法測定土壤全氮含量。

采用常規方法測定土壤硝酸還原酶活性以及脲酶活性。

1.3.2 產量及產量構成因素測定

玉米成熟后，每個小區收獲計產，調查穗粒數和百粒重及產量等。

1.3.3 植物樣品的測定

分為秸稈和籽粒，殺青（105℃，30 min）烘干至恒重后全部粉碎，采用凱氏定氮法測定植物全氮。

1.4 數據處理與統計分析

試驗數據用SPSS 19.0和Excel 2013進行統計分析，采用Origin 9.0進行做圖分析。

2 結果與分析

2.1 控釋氮肥后移對不同時期土壤銨態氮含量的影響

由圖1可知，在拔節期、大喇叭口期和成熟期3個不同生長時期下控釋氮肥對土壤銨態氮含量的影響各不相同。在玉米的不同生長時期下，不施氮肥處理的土壤銨態氮含量顯著低于各施氮處理。在拔節期，處理U的土壤銨態氮含量最高，與CRU、100%SCR處理間無顯著差異，其含量范圍為6.746～7.684 mg/kg，但顯著高于其余處理；在大喇叭口期，100%SCR處理的土壤銨態氮含量最高，與U及CRU處理間無顯著差異，但與CK處理相比，高出了93.9%；而在玉米成熟期，CRU處理的土壤銨態氮含量最高，與80%CRU處理間無明顯差異，但顯著高于其他處理，與CK相比銨態氮含量增加了158%，與U處理相比，增加了39.7%。

圖1 不同生長時期下銨態氮含量變化

2.2 控釋氮肥后移對不同時期土壤硝態氮含量的影響

圖2 不同生長時期下硝態氮含量變化

如圖2所示，不同施肥處理間土壤硝態氮含量變化十分顯著。在拔節期，處理100%SCR硝態氮含量最高，為20.34 mg/kg，顯著高于其他處理，與處理CK相比高出79.0%，與處理U相比高5.17%；在大喇叭口期，處理U的土壤硝態氮含量最高，為17.94 mg/kg，與CRU處理間差異不顯著，但顯著高于其他處理，與CK相比，高86.69%；在成熟期，CRU處理硝態氮含量最高，為15.84 mg/kg，與100%SCR處理間無顯著差異，但顯著高于其他各施氮處理，較處理CK高出了68.6%，較處理U高了26.94%。

2.3 控釋氮肥后移對不同時期土壤硝酸還原酶活性的影響

從圖3可知，玉米不同生長時期土壤中的硝酸還原酶活性呈現出了相同的規律。在全部的生長時期中，100%SCR處理的硝酸還原酶活性均最高，分別達到210、390、270μg/g，相較U處理分別高出42.86%、53.85%、55.56%。另外，3個時期中80%CRU和80%SCR處理硝酸還原酶活性均較低，但是依舊顯著高于CK處理。由此可見，施用氮肥對于提高土壤中硝酸還原酶的活性有顯著的效果，其中100%SCR的效果最好，養分釋放周期最長。

圖3 玉米不同生長時期下硝酸還原酶含量變化

2.4 控釋氮肥后移對不同時期土壤脲酶活性的影響

玉米不同生長時期土壤中脲酶活性如圖4所示，所有施氮處理的脲酶活性均顯著高于CK處理。在拔節期，100%SCR處理的脲酶活性達到了拔節期的最高活性，與U處理相比高出20.83%。而在大喇叭口期，100%SCR處理土壤中脲酶活性達到了整個生長時期的最高峰，為96.20 μg/g，高出U處理48.02%，但是80%CRU和80%SCR的脲酶活性卻相對較弱，分別低于U處理18.76%和11.86%。成熟期80%CRU和80%SCR處理的脲酶活性比大喇叭口期有所增強，但是仍然與100%SCR處理具有顯著的差異。

圖4 玉米不同生長時期下脲酶活性含量變化

2.5 控釋氮肥后移對玉米成熟期土壤微生物量氮含量的影響

由圖5可知，不同施氮處理對于玉米成熟期土壤中微生物量氮含量影響差異較大。CRU處理的微生物量氮含量最高，顯著高于其他處理，與U處理相比，高出31.52%。這說明控釋尿素養分釋放緩慢，能滿足作物生長后期對于養分的需求。100%SCR處理雖然僅含有60%控釋尿素，但是在成熟期，其微生物量氮含量與CRU處理差異并不顯著，這能夠說明控釋氮肥減量配施不影響作物生長后期肥料養分的釋放，反而能夠獲得相應的經濟效益。

圖5 玉米成熟期土壤微生物量氮含量變化

2.6 控釋氮肥后移對成熟期土壤全氮含量的影響

由圖6可知，在玉米收獲期，處理CRU的土壤全氮含量最高，為1.570 g/kg，不施氮肥處理仍為最低，為1.080 g/kg，相差0.498 g/kg。全 氮含量范圍為1.080～1.570 g/kg，其中CRU處理的土壤全氮含量較處理CK高出了46.23%，處理100%SCR較CK高出33.61%。這表明在玉米成熟期，施用含有控釋氮肥的處理土壤中養分含量較高且釋放緩慢，可有效為下季作物小麥的生長提供養分，極大提高氮素利用效率。

圖6 玉米成熟期土壤全氮含量變化

2.7 控釋氮肥后移對玉米成熟期秸稈及籽粒中全氮的影響

由圖7可知在玉米成熟期秸稈和籽粒中氮含量的分配。就秸稈而言，處理80%CRU的含氮量最高，達到了80.84 kg/hm2，但是與處理80%SCR沒有顯著差異，較其他處理有顯著增高。處理CK的含氮量最少，較80%CRU處理降低了25.99%。就籽粒而言，同樣是處理80%CRU含氮量最高，達到151.23 kg/hm2；處理CK的含氮量最低，為116.18 kg/hm2。

圖7 玉米成熟期植株及籽粒中氮含量分配

2.8 控釋氮肥對玉米產量及產量構成因素的影響

如表2所示，各施氮肥處理的玉米穗粒數、籽粒重量及百粒重均顯著高于不施氮肥的處理。各處理產量順序為：100%SCR>CRU>U>80%SCR>80%CRU>CK，施用氮肥的各處理產量顯著高于不施氮肥的處理，增幅為7.6%～13.04%，其中100%SCR處理產量顯著高于其他處理，達到10483.5 kg/hm2，與常規施肥相比增產了4.04%。CRU增產了1.37%，而U與80%SCR無明顯差異。說明控釋氮肥減量配施不影響作物產量，反而能夠起到增產的作用。

表2 不同肥料對玉米產量及產量構成因素的影響

2.9 成熟期土壤中各形態氮素及酶活性之間的相互關系

如表3所示，可以看出玉米成熟期土壤中全氮與銨態氮、硝態氮、微生物量氮及脲酶活性、硝酸還原酶活性均呈正相關，微生物量氮與銨態氮、硝態氮呈負相關，與脲酶活性呈顯著正相關。硝態氮與脲酶活性及硝酸還原酶活性均呈負相關。脲酶活性與硝酸還原酶活性呈極顯著正相關。

表3 成熟期土壤中各形態氮素及酶活性的相關關系

3 討論

氮素是植物干物質累積及進行光合作用的基礎。植物在生長過程中對養分需求逐漸增加，但由于常規氮肥施用后養分釋放較快，能夠滿足作物生長前期對養分的需求，但不能滿足作物后期生長對養分的需求，因此需要多次施用，費時費力；而控釋肥料養分釋放較慢，可基本滿足植物一生的需求，在生長后期也能提供足夠的養分供給作物［22］，但是可能會出現前期養分供給不足的問題，因此本試驗采用控釋與普通氮肥配施，旨在結合控釋氮肥與普通氮肥的優點，滿足整個玉米生育期內養分的需求量，同時留存在土壤中的養分能夠為下一季小麥的生長前期提供養分，提高氮肥的利用率。

本試驗研究結果表明，與空白對照相比，施氮能夠顯著增加土壤中銨態氮和硝態氮的含量。在作物生長前期，100%配方控釋肥的銨態氮和硝態氮含量較高，與常規施肥處理差異并不顯著，而80%配方控釋肥和80%控釋尿素處理的銨態氮、硝態氮含量卻略低，這表明施氮量不足會影響土壤中氮素的累積，另外，100%配方控釋肥中的普通尿素養分釋放較快，不會存在100%控釋尿素可能會引起的前期供氮不足的問題，這與盧艷麗等［23］研究一致；在作物生長中后期，100%控釋尿素處理的銨態氮和硝態氮含量要顯著高于常規氮肥處理，而100%配方控釋肥的銨態氮和硝態氮含量卻依舊保持較高水平，這說明控釋尿素在作物生長的中后期能夠釋放充足的養分來保證作物的正常生長。因此，可以看出控釋氮肥減量并與普通尿素配施能夠實現玉米生育期內養分不間斷釋放，保證作物生長前期的正常生長。

土壤酶活性也是反映土壤肥力的一個重要的指標，對土壤受到的干擾比較敏感［24］，同時，梁國鵬等［25］認為不同氮量控釋肥的添加顯著影響了土壤酶活性。土壤中的硝酸還原酶和脲酶的活性均能體現氮素在土壤中的轉化。在本研究中，100%配方控釋肥處理的硝酸還原酶和脲酶活性在玉米各個生育期均顯著高于其他處理，大致呈現“低-高-低”的趨勢，與馮愛青等［26］研究一致。這說明100%配方控釋肥在玉米整個生育期內均釋放了氮素于土壤中，并且促進作物根系生長改善了土壤微生物的環境，從而提高了硝酸還原酶和脲酶活性。在玉米收獲期，土壤中硝酸還原酶和脲酶活性呈極顯著的相關性，說明土壤酶對土壤的作用具有共同性，并且能夠在一定程度上反映土壤的肥力水平［27］。

土壤微生物量氮是土壤的活性因子，是作物生長所需營養物質的庫，同時還是反映土壤肥力及養分利用率的一個重要的指標［28］。在玉米收獲期，100%控釋尿素處理的微生物量氮含量顯著高于常規施肥處理，但是與100%配方控釋肥處理差異并不顯著，這說明控釋尿素通過促進氮素的高效利用，促進了作物根系對于養分的吸收，增加了作物根系生物量及分泌物，從而提高了土壤中微生物量氮的含量和酶活性，同時其能釋放大量的營養物質，為下一季作物前期的生長提供了充足的養分，而80%配方控釋肥和80%控釋尿素處理微生物量氮含量低于100%全量施用的處理，這依舊說明施用氮素不足會影響土壤中微生物活性，降低土壤肥力。不僅如此，由于微生物量氮與銨態氮及硝態氮均呈負相關，可以說明微生物量氮與銨態氮及硝態氮此消彼長的情況，這表明當土壤中銨態氮及硝態氮含量較高時，一部分氮素可轉化為土壤微生物量氮形態，進而保存養分，提升土壤肥力；而當土壤中銨態氮及硝態氮含量較低時，土壤中微生物量氮又可轉化為銨態氮及硝態氮供給作物吸收利用，提高肥料利用效率。

土壤中全氮含量以及植株籽粒中全氮含量的分配，可以看出100%配方控釋肥、100%控釋尿素、80%控釋尿素和80%配方控釋肥均無顯著差異，這說明在玉米收獲期，控釋尿素能夠釋放出養分供作物吸收，同時也能留存在土壤中提高土壤的養分含量。

從產量來看，80%施用量無論是配方控釋肥還是控釋尿素均減產，而100%配方控釋肥與100%控釋尿素卻起到了增加產量的效果。但是100%控釋尿素價格高昂，增加了農業成本，全部使用經濟效益不佳；另外田間生產具有一定的不確定性，全量施用控釋尿素還會受到水分和溫度的影響，不能達到理想效果。

4 結論

控釋摻混肥的施用能夠有效提高玉米各生長期內土壤養分含量及脲酶、硝酸還原酶的活性。在當前施肥模式下，成熟期100%配方控釋肥較常規施肥相比土壤全氮增加了24.60%，微生物量氮增加了73.57%。硝酸還原酶活性在作物的拔節期、大喇叭口期及成熟期分別增加了75%、116.67%和125.00%。同時，施用100%配方控釋肥處理玉米產量為10483.5 kg/hm2，較常規施肥相比增產了4.04%，相對于100%控釋尿素增產了2.63%；在施肥量減少20%情況下，產量降低不顯著。

綜上，控釋摻混肥的施用能夠減少施肥次數，降低農業成本，同時還能夠增加產量，提高土壤肥力水平，為下一季小麥的生長提供了養分，在小麥-玉米輪作體系中起到了重要的作用，為現代農業綠色可持續發展提供了試驗基礎。