新型緩釋尿素肥效與功能材料添加量的關系*

吳振宇, 楊 陽, 周子軍, 倪曉宇, 余立祥, 陸荷微, 劉斌美, 吳躍進, 王 鈺**

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新型緩釋尿素肥效與功能材料添加量的關系*

吳振宇1, 楊 陽2, 周子軍2, 倪曉宇2, 余立祥2, 陸荷微1, 劉斌美2, 吳躍進2, 王 鈺1**

(1. 安徽大學資源與環(huán)境工程學院 合肥 230601; 2. 中國科學院合肥物質科學研究院技術生物與農業(yè)工程研究所 合肥 230031)

本研究利用煤汽化尿素生產工藝制備6種改性緩釋尿素(功能性吸附材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%), 通過砂柱淋溶、氨揮發(fā)氣室試驗和田間玉米試驗, 以普通尿素為對照, 分析功能性吸附材料添加量與尿素緩釋特征和田間肥效的關系, 探討適于玉米生產的改性緩釋尿素功能性吸附材料最優(yōu)添加量, 為基質緩釋肥的研發(fā)與農業(yè)應用提供借鑒。結果表明: 緩釋尿素中氮素釋放特征可用一級動力學方程N=0(1-e-bx)擬合, 其氮素釋放速率常數(b)比普通尿素下降67.4%~82.6%, 累積氨揮發(fā)損失比普通尿素下降15.8%~39.3%。玉米栽培試驗中, 耕層土壤速效氮含量隨功能性吸附材料添加量的提高呈增加趨勢, 同時玉米葉片中葉綠素含量和硝酸還原酶活性呈增加趨勢。借助一元三次模型擬合玉米產量性狀與功能性吸附材料添加量的關系發(fā)現, 功能性吸附材料添加量為5.28%、4.80%、5.24%和4.76%的緩釋尿素可分別獲得理論最高玉米生物學產量(15 829 kg·hm-2)、地上部生物量(164.0 g·plant-1)、根系生物量(26.9 g·plant–1)和籽粒產量(6 769 kg·hm–2)。綜上, 基質型緩釋尿素的功能性吸附材料具有較好的減少氮素淋溶和氨揮發(fā)、改善玉米氮素營養(yǎng)、提高玉米產量的作用, 5%的添加量更有利于玉米生物量和產量提高。

緩釋尿素; 功能性吸附材料; 最佳添加量; 氮素釋放速率; 累積氨揮發(fā); 籽粒產量; 玉米

農業(yè)生產中氮肥過量施用及養(yǎng)分流失問題嚴重, 造成肥料資源浪費和生態(tài)環(huán)境危害[1]。研發(fā)應用新型緩控釋肥是提高作物肥料利用率、減少養(yǎng)分損失的重要途徑[2]。我國約60%以上的氮肥由尿素提供, 不同類型緩控釋尿素的研發(fā)一直是關注熱點。包膜和穩(wěn)定性尿素借助物理包膜和生物抑制原理, 對控制養(yǎng)分釋放和形態(tài)轉化具有良好效果, 但前者工藝復雜、成本較高, 后者在多水土壤中穩(wěn)定性較差, 限制了其農業(yè)應用[3]。基質緩釋肥通過添加具有較強離子交換性能的功能性吸附材料(簡稱“功能材料”, 下同), 控制養(yǎng)分的運移和損失[4]。雖然基質緩釋肥養(yǎng)分釋放期比包膜緩控釋肥短, 但其成本較低, 農業(yè)應用前景廣闊[1,5]。

基質緩釋肥中添加的功能材料通常由具有片層狀結構和網鏈狀吸附位點的天然礦物與有機高分子聚合物復配改性制成[2,5]。例如, 利用層狀硅酸鹽礦物中硅氧四面體和鋁氧八面體晶片結合形成復三角網孔狀結構, 通過八面體中陽離子的同晶置換產生吸附電荷, 結合其較大的比表面(600~800 m2·kg-1), 從而產生物理、化學和離子交換3種類型的吸附, 可以在控制肥料養(yǎng)分釋放方面發(fā)揮作用[2-3]?；|緩釋肥控制養(yǎng)分流失的能力與功能材料性質緊密相關。前人通過一級動力學模型比較了不同功能材料對肥料氮素養(yǎng)分釋放特征的影響, 表明氮素最大累積釋放率以添加蛭石(83.1%)和膨潤土(87.2%)的基質緩釋肥較低[2]?；|緩釋肥控制養(yǎng)分流失的能力還與功能材料添加量緊密相關。前人將功能材料添加量設置為59.0%, 發(fā)現蛭石、膨潤土、沸石等材料具有明顯控制肥料氮素養(yǎng)分釋放的作用[2]。但是, 功能材料添加量過多會降低有效養(yǎng)分含量、增加生產和運輸成本, 在工業(yè)生產和農業(yè)應用中存在很大局限。前人嘗試將功能材料添加量降低為5%, 發(fā)現制備的基質肥料在控制氮素養(yǎng)分釋放方面仍有較明顯的作用[5]。不過, 進一步減少功能材料添加量對基質肥料緩釋效果和肥效表現有何影響, 目前尚鮮見報道。確定適宜的功能材料和最優(yōu)添加量是研發(fā)推廣基質緩釋肥的關鍵前提[2,6-7]。

本研究利用煤汽化尿素生產工藝制備具有不同功能材料添加量的緩釋尿素, 通過室內模擬試驗評價其氮素養(yǎng)分淋溶和氨揮發(fā)損失特征, 借助田間試驗分析其對土壤速效氮、玉米氮素營養(yǎng)和產量的影響, 基于函數擬合與極值運算探討適于玉米生產的功能材料最優(yōu)添加量。本研究結果有望為基質緩釋肥的研發(fā)與農業(yè)應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試肥料

室內和田間試驗供試氮肥為普通尿素(對照)、改性功能材料及改性功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(河南心連心協助生產)。功能材料以具有層鏈狀結構和網狀吸附位點的沸石、膨潤土等礦物為基質材料, 經高分子聚合物復配改性提升功能材料離子交換性能和緩釋效果, 然后通過噴霧方式在造粒過程中混合添加到尿素顆粒中。田間試驗所用磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%, 山東魯科化工生產), 鉀肥為硫酸鉀(含K2O 51%, 中鹽安徽紅四方生產)。

1.1.2 田間基本條件及供試作物

試驗區(qū)年均降水量950 mm。供試土壤類型為黃棕壤土, 其基本化學性質: 全氮0.96 g·kg-1, 全磷1.31 g·kg-1, 全鉀16.1 g·kg-1, 有機質20.5 g·kg-1, pH 6.83。供試玉米(L.)品種為‘鳳糯476’。

1.2 試驗設計

1.2.1 砂柱淋溶試驗

設7個處理: 普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。以石英砂為淋溶介質, 石英砂過0.25~0.42 mm篩, 洗凈, 100 ℃烘干備用。淋溶方法: 在玻璃淋洗管(直徑3.2 cm, 高14.5 cm)中裝入石英砂和尿素, 淋洗管內分3層, 上下兩層各為60 g石英砂, 中間為含0.93 g N的供試尿素。淋洗管底部接入蠕動泵, 轉速90 r·min-1, 對砂柱進行反向淋溶, 淋溶液每25 mL采集1次, 共采集12次。每處理3次重復。

1.2.2 氨揮發(fā)試驗

設8個處理: 無尿素對照(CK)、普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。供試土壤經自然風干, 過2 mm篩備用。氨揮發(fā)采用密閉間歇式通氣法測定: 稱風干土800 g放入密閉氣室(高22 cm, 直徑15 cm, 容積4 L)中, 加入240 mL蒸餾水放置24 h, 之后將含0.93 g N的供試尿素均勻撒在土壤表層并用200 g土覆蓋, 再加入60 mL蒸餾水, 于(23±2) ℃培養(yǎng)。借助氣泵、定時裝置和氨捕獲瓶(高10 cm, 直徑7 cm, 容積400 mL, 內置100 mL 20 g·L-1硼酸作為氨吸收液)通氣吸收揮發(fā)態(tài)氨, 每天分別于2:00、8:00、14:00和20:00通氣, 每次持續(xù)通氣20 min。共采集14 d, 每2 d樣品合并測定氨吸收量, 每處理3次重復。

1.2.3 田間試驗

于2016年6月23日—9月23日在中國科學院合肥物質科學研究院試驗基地開展田間玉米試驗。設8個處理: 無尿素對照(CK)、普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。施氮肥處理的氮肥用量均為195 kg(N)·hm-2。所有處理均施用45 kg(P2O5)·hm-2過磷酸鈣和45 kg(K2O)·hm-2硫酸鉀。所有肥料做基肥于播種前翻壓混合到0~20 cm耕層土壤。試驗采用隨機區(qū)組設計, 小區(qū)面積16 m2(4 m×4 m), 每處理3次重復。玉米行距40 cm, 株距30 cm, 采用常規(guī)田間管理措施進行病、蟲、草防治。

于吐絲期采集穗位葉片, 每個小區(qū)采集5個葉片, 蒸餾水洗凈, 吸水紙吸干, 剪碎混勻, 用于測定葉綠素含量和硝酸還原酶活性, 每個處理重復3次; 同時, 采用土鉆(直徑5.5 cm)于每個小區(qū)按W形取樣方式采集5個點的耕層(0~20 cm)土壤樣品, 每個小區(qū)內的土壤樣品混勻(約5 kg), 采用四分法取回約1 kg用于室內測定速效氮含量, 每個處理重復3次。于成熟期收獲計產, 每小區(qū)20株, 測定穗粒數、千粒重、籽粒產量和生物學產量等。

1.3 測定分析方法

淋溶樣品尿素含量(折合純N)采用對二甲氨基苯甲醛顯色法測定[8]。氨吸收液樣品氨含量以0.005 mol·L-1稀硫酸標準溶液滴定測定[9]。土壤速效氮(NO3--N+ NH4+-N)以紫外吸收法和靛酚藍比色法測定[10]。玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性以分光光度法測定[11]。按常規(guī)方法測定穗粒數、千粒重、籽粒產量和生物學產量[12]。

1.4 數據分析方法

采用SAS 9.1軟件進行數據處理與統(tǒng)計分析, 以LSD法進行多重比較(=0.05)?；谏爸苋茉囼灁祿? 借助Origin 2015軟件構建一級動力學模型N=0(1-e-bx), 分析緩釋尿素氮素釋放的動力學特征。式中:N為尿素氮素累積釋放率;0為尿素氮素最大累積釋放率; b為氮素釋放速率常數;為淋溶次數[2]。

2 結果與分析

2.1 緩釋尿素砂柱氮素淋失特征

通過砂柱淋溶評價功能材料對氮素淋溶損失的影響(圖1)。各處理氮素淋溶損失率峰值均出現在第1次淋溶, 普通尿素第1次淋溶的氮素淋溶損失率達81.6%, 而功能材料添加量1%~6%的緩釋尿素數值為27.7%~42.8%, 比普通尿素降低47.6%~66.0%; 普通尿素氮素迅速淋溶損失, 在第2次淋溶時累積氮素損失率達98.8%, 緩釋尿素氮素淋溶損失相對緩慢, 在第2次淋溶時累積氮素損失率為46.6%~66.4%; 在第6次淋洗時, 功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素的累積氮素淋溶損失率已近100%, 而功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素處理約為70%, 在第12次淋溶時約為90%, 功能材料添加量6%的緩釋尿素氮素淋溶損失最慢。

單次淋溶釋放率=單次淋溶損失氮量/尿素氮加入量×100%, 其中尿素氮加入量為930 mg N; CU為普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU分別為功能性吸附材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。N leaching ratio = N in leaching sample / urea N dose′100%, where, urea N dose is 930 mg N; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU are slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional absorption materials, respectively.

2.2 緩釋尿素氮素釋放動力學特征

借助一級動力學方程N=0(1-e-bx)分析緩釋尿素氮素釋放的動力學特征, 擬合效果較優(yōu)(=0.983~0.999,<0.05)。由一級動力學方程得出的尿素氮素最大累積釋放率(0)和氮素釋放速率常數(b)可知(表1): 普通尿素和功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素的氮素最大累積釋放率約為100%, 而功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素數值約為90%; 普通尿素的氮素釋放速率常數為1.72, 與之相比, 功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素數值(0.54~0.56)降低67.4%~68.6%, 功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素數值(0.30~0.33)降低80.8%~82.6%。

表1 不同功能性吸附材料添加比例的緩釋尿素的氮素累積釋放曲線的擬合

CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU為功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。CU represents common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU represent slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively.

2.3 緩釋尿素氨揮發(fā)損失特征

基于間歇通氣培養(yǎng)法比較不同尿素處理的土壤氨揮發(fā)損失動態(tài)特征(表2): 多數尿素處理的氨揮發(fā)峰值出現在第1~2 d, 但功能材料添加量6%的緩釋尿素氨揮發(fā)峰值出現在第3~4 d, 之后氨揮發(fā)呈逐漸降低趨勢, 在第13~14 d各處理氨揮發(fā)損失降為0.2 mg N以下; 各尿素處理的氨揮發(fā)損失始終顯著高于無尿素對照(<0.05); 緩釋尿素在第1~2 d和5~6 d的氨揮發(fā)損失均顯著低于普通尿素處理(<0.05); 緩釋尿素的氨揮發(fā)峰值為14.09~21.26 mg N, 比普通尿素處理(26.59 mg N)降低20.0%~47.0%, 其中, 功能材料添加量6%的緩釋尿素的氨揮發(fā)峰值最低(14.09 mg N)。

通過累加各時間段的氨揮發(fā)損失比較不同尿素處理的氨揮發(fā)損失總量(表2): 各尿素處理的累積氨揮發(fā)損失為34.3~56.5 mg N, 占氮素施入總量(930 mg)的3.69%~6.08%, 均顯著高于無尿素對照(<0.05); 緩釋尿素的累積氨揮發(fā)損失比普通尿素處理顯著降低15.8%~39.3%(<0.05); 功能材料添加量6%的緩釋尿素的累積氨揮發(fā)損失最低(34.3 mg N), 顯著低于功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素(<0.05)。

表2 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素的土壤氨揮發(fā)損失動態(tài)

尿素氮加入量均為930 mg N。CK: 無尿素對照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數據后不同字母表示差異顯著(<0.05)。Urea N dose is 930 mg N. CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added respectively with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials. Means in the same column with different lowercase letters are significantly different (< 0.05).

2.4 玉米吐絲期耕層土壤速效氮對緩釋尿素的響應

基于玉米吐絲期耕層土壤速效氮比較不同尿素處理在田間條件下的氮素抗淋溶能力(圖2): 各尿素處理的耕層土壤速效氮含量為15.0~17.9 mg(N)·kg-1, 比無尿素對照顯著提高15.4%~37.7%(<0.05); 隨功能材料添加量的增加, 緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量呈逐漸增加趨勢, 其中, 功能材料添加量3%~6%的緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量比普通尿素處理顯著提高8.7%~19.3%(<0.05), 且以功能材料添加量6%的緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量最高。

CK: 無尿素對照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。不同小寫字母的均值之間差異顯著 (<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

2.5 玉米吐絲期葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性對緩釋尿素的響應

借助玉米吐絲期葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性比較不同尿素處理的玉米氮素營養(yǎng)狀況(表3): 各尿素處理的葉片葉綠素含量為1.92~2.54 mg·g-1(FW), 比無尿素對照顯著提高100.0%~164.6%(<0.05); 緩釋尿素處理的葉片葉綠素含量為1.99~2.54 mg·g-1(FW), 比普通尿素處理顯著提高3.65%~ 32.29%(<0.05)。各尿素處理的葉片硝酸還原酶活性為20.66~29.60 μg(NO2-)·g-1·h-1, 比無尿素對照顯著提高43.4%~105.4%(<0.05); 緩釋尿素處理的葉片硝酸還原酶活性均高于普通尿素處理, 其中, 功能材料添加量2%~6%的緩釋尿素處理葉片硝酸還原酶活性為22.51~29.60 μg(NO2-)·g-1·h-1, 比普通尿素處理顯著提高9.0%~43.3%(<0.05)。

表3 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素對吐絲期玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性的影響

CK: 無尿素對照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數據后不同字母表示差異顯著(<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means in the same column with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

2.6 緩釋尿素對玉米產量及產量構成因子的影響

通過生物學產量、籽粒產量和產量構成因子比較不同尿素處理對玉米生長的影響(表4): 各尿素處理的生物學產量、籽粒產量、穗粒數和千粒重均顯著高于無尿素對照(<0.05); 功能材料添加量2%~6%的緩釋尿素處理生物學產量比普通尿素處理顯著提高5.6%~16.4%(<0.05); 功能材料添加量4%~5%的緩釋尿素處理籽粒產量比普通尿素處理顯著提高12.3%~13.5%(<0.05); 與普通尿素相比, 緩釋尿素未顯著影響玉米穗粒數(>0.05); 功能材料添加量3%~5%的緩釋尿素處理千粒重比普通尿素處理顯著提高5.5%~11.8%(<0.05)。

2.7 基于玉米生物量及產量的緩釋尿素功能材料添加量模型尋優(yōu)

借助一元三次模型擬合玉米產量參數與緩釋尿素功能材料添加量之間的關系(圖3): 玉米產量參數與緩釋尿素功能材料添加量之間的函數關系模型達顯著水平(<0.01或<0.05), 緩釋尿素功能材料添加量可以解釋93.7%~99.5%的玉米產量參數變異。通過對擬合函數曲線進行極值運算得出: 玉米生物學產量、地上部生物量、根系生物量和籽粒產量的理論最大值分別為15 829 kg·hm-2、164.0 g·plant-1、26.9 g·plant-1和6 769 kg·hm-2, 對應的理論最優(yōu)緩釋尿素功能材料添加量分別為5.28%、4.80%、5.24%和4.76%。

3 討論

3.1 功能性吸附材料對氮素釋放的影響

淋溶是氮肥的重要損失途徑。功能性吸附材料基于大量蒙脫石晶胞構成的層狀結構, 可進行物理、化學和離子交換3種類型的吸附, 表現出良好的離子交換性能, 對控制肥料養(yǎng)分釋放具有明顯作用[13]。然而, 未經改性處理的功能性吸附材料受層間陽離子種類和環(huán)境溶液介質影響, 其層狀結構分散狀況和離子交換性能受到限制[5,14]。本研究中采用的改性功能性吸附材料提高了其本身環(huán)境適應性和離子交換性能。砂柱淋溶試驗表明, 添加功能材料的緩釋尿素氮素淋溶損失相對緩慢, 功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素氮素最大累積釋放率約為90%, 低于普通尿素(100%), 而其氮素釋放速率常數比普通尿素處理降低80%以上。張曉冬等[2]通過砂柱淋溶試驗也發(fā)現, 基于功能材料的緩釋肥的氮素最大累積釋放率為87%, 低于普通化肥(100%), 而其氮素釋放速率常數比普通尿素降低64%以上。孫克君等[15]通過土柱淋溶試驗也表明, 以功能材料包膜制備的緩釋尿素的氮素累積溶出率遠低于普通尿素。由此可見, 添加功能性吸附材料的緩釋尿素具有控制氮素養(yǎng)分淋溶損失的作用。

表4 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素對玉米產量及產量構成因子的影響

CK: 無尿素對照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數據后不同字母表示差異顯著(<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means in the same column with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

淋溶損失外, 氨揮發(fā)氣態(tài)損失也是氮肥的重要損失途徑, 且與土壤銨含量呈正相關[16-17]。本研究通過向尿素中添加功能性吸附材料, 對尿素氨揮發(fā)損失動態(tài)特征產生較為明顯的調控作用, 緩釋尿素累積氨揮發(fā)損失顯著低于普通尿素(<0.05)。緩釋尿素減少氨揮發(fā)損失的原因可能是: 功能材料的片層網狀結構可有效吸附尿素水解產生的銨, 減少銨在土壤溶液中的濃度; 改性功能材料還具有良好的吸脹性和絮凝性, 可改變土壤孔隙狀況, 減少土壤與大氣之間的氣體交換通道, 從而減少氨揮發(fā)[5,13]。

3.2 尿素中添加功能性吸附材料對玉米氮素營養(yǎng)的影響

通過施氮肥等方式提高土壤速效氮含量是改善玉米氮素營養(yǎng)狀況的重要途徑。本研究發(fā)現, 與普通尿素相比, 添加功能材料的緩釋尿素可提高耕層土壤速效氮含量, 其中, 功能材料添加量3%~6%的緩釋尿素處理與普通尿素處理達顯著差異(<0.05), 這與室內模擬評價試驗中緩釋尿素可減輕氮素淋溶和氨揮發(fā)損失的結果一致, 同時證明與包膜型緩控釋肥類似[18], 基于功能性吸附材料的基質型緩釋肥也具有提高玉米耕層土壤速效氮含量的作用。綜上可知, 基于功能性吸附材料的緩釋尿素在田間復雜條件下仍可表現出控制養(yǎng)分損失的特性, 具有農業(yè)應用價值。

葉片綠度和硝酸還原酶活性是表征植株氮素營養(yǎng)狀況的良好指標[19]。在缺氮條件下, 玉米葉片葉綠素含量和基于硝酸鹽誘導的硝酸還原酶活性通常會下降。本研究發(fā)現, 施用添加功能材料的緩釋尿素, 可提高玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性, 該結果進一步證明向尿素添加功能材料具有改善玉米氮素營養(yǎng)的作用。王署娟等[20]研究也發(fā)現, 功能材料包膜尿素可提高小白菜葉片葉綠素含量, 反映了該緩釋尿素對植株氮素營養(yǎng)的改善作用。

3.3 緩釋尿素中功能性吸附材料添加量與玉米產量的關系

前述試驗結果表明, 緩釋尿素中添加的功能材料可減少尿素的氮素損失、改善玉米氮素營養(yǎng)狀況。進一步的產量結果表明, 緩釋尿素具有提高玉米生物學產量和籽粒產量的作用, 其中生物學產量提高0.2%~16.4%, 籽粒產量提高0.2%~13.5%。孫克君等[15]研究也發(fā)現功能材料包膜控釋肥可提高玉米生物學產量8%以上。功能性吸附材料具有極強的離子交換能力, 能明顯影響肥料養(yǎng)分釋放, 只有選擇適宜的添加量才能在控制養(yǎng)分損失的同時避免影響肥料養(yǎng)分有效性和作物吸收[4]。本研究發(fā)現玉米產量對緩釋尿素功能材料添加量表現出差異響應。王署娟等[20]研究也表明通過調節(jié)包膜尿素的功能材料添加量可以調控作物產量。為了探究適于玉米生產的最優(yōu)緩釋尿素功能材料添加量, 借助一元三次模型對玉米產量與緩釋尿素功能材料添加量的關系進行擬合, 通過極值運算得出緩釋尿素功能材料添加量為4.76%~5.28%可獲得較高玉米生物學和籽粒產量。

4 結論

添加改性功能性吸附材料的緩釋尿素可減少尿素氮素淋溶和氨揮發(fā)損失。緩釋尿素氮素釋放動力學特征可用一級動力學方程N=0(1-e-bx)擬合, 緩釋尿素的氮素釋放速率常數(b)比普通尿素降低67.4%~82.6%, 其累積氨揮發(fā)損失比普通尿素降低15.8%~39.3%。隨緩釋尿素功能材料含量的提高, 耕層土壤速效氮含量呈增加趨勢, 進而改善玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性。在緩釋尿素功能材料含量為5%左右時, 可獲得較高的玉米生物學和籽粒產量。

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Effects of adding proportions of functional absorption materials on performance of new slow-release urea*

WU Zhenyu1, YANG Yang2, ZHOU Zijun2, NI Xiaoyu2, YU Lixiang2, LU Hewei1, LIU Binmei2, WU Yuejin2, WANG Yu1**

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2. Institute of Technical Biology & Agriculture Engineering, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Nitrogen fertilization enhances crop productivity. However, common nitrogen fertilizers have some drawbacks (e.g., high risk of nitrogen leaching and ammonia volatilization) which lead to environmental and economic problems. The development and application of new types of high-efficiency fertilizers such as matrix-based slow-release fertilizer is a possible solution to these drawbacks. Matrix-based slow-release fertilizer has the advantages of simple production process, low cost and stable performance. The added proportion of modified functional absorption materials affects the performance, effective component content and production cost of slow-release fertilizers. However, little is known about the relationship between the added proportion of functional absorption materials and performance of slow-release urea. The objective of this study was to assess the effects of added proportion of functional absorption materials on the performance of a new materials-based slow-release urea. The tested functional absorption materials were modified zeolite and bentonite by using organic polymer. The nitrogen loss characteristics and field crop performance of the functional absorption materials-based slow-release urea (SRU) were analyzed using sand leaching, ammonia emission chamber and field maize experiment methods. Experimental treatments mainly consisted of common urea (CU, as control), and six SRUs added 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional absorption materials, respectively. Then nitrogen release characteristics of urea were described using the first-order kinetic model. In field conditions, soil in the plough layer (0-20 cm) and ear leaves of maize were sampled at silking stage for measurement of soil available nitrogen concentration, leaf chlorophyll content and nitrate reductase activity. The optimal added proportion of functional absorption materials in slow-release urea was calculated using a polynomial model. Results showed that the highest nitrogen leaching ratio occurred at the first leaching — i.e., 81.6% in common urea treatment and 27.7%-42.8% in SRU treatments. The cumulative nitrogen leaching ratio in common urea treatment reached 100% at the sixth leaching, while that in SRU treatments reached 90% only at the twelfth leaching. Slow-release urea with 6% functional absorption materials had the best performance of reducing nitrogen leaching. The nitrogen release characteristics was fitted by the first-order kinetic equation —N=0(1-e-bx), whereNis cumulative nitrogen release ratio,0is the maximum cumulative nitrogen release ratio, b is nitrogen release ratio constant, andis the number of leaching. Nitrogen release ratio constant (b) of SRU treatments was 67.4%-82.6% lower than that of CU treatment, while cumulative ammonia emission of SRU treatments was 15.8%-39.3% lower than that of CU. Available nitrogen content in the plough layer of maize field increased with increasing proportion of functional absorption materials, which also increased leaf chlorophyll content and nitrate reductase activity in maize. SRU increased maize biomass and grain yield. Calculation based on a polynomial model showed that the highest plant biomass (15 829 kg·hm-2), shoot biomass (164.0 g·plant-1), root biomass (26.9 g·plant-1) and grain yield (6 769 kg·hm-2) were obtained in SRU treatments with 5.28%, 4.80%, 5.24% and 4.76% functional absorption materials, respectively. Overall, slow-release urea with 5% functional absorption materials had better performance in terms of nitrogen loss reduction via leaching and ammonia emission reduction, maize nitrogen nutrient improvement, and then maize biomass and grain yield increase.

Slow-release urea; Functional absorption materials; Optimum adding proportion; Nitrogen release rate; Cumulative ammonia emission; Grain yield; Maize

S143.1+5

A

1671-3990(2017)05-0740-09

10.13930/j.cnki.cjea.161006

* 國家自然科學基金項目(31601828)、中國科學院院企合作重大項目(Y19HX14702)、安徽省重大科技攻關項目(15czz03129)和中國科學 院科技服務網絡計劃(STS)項目(KFJ-EW-STS-083)資助

**通訊作者:王鈺, 主要從事植物生態(tài)研究。E-mail: yuwang800@hotmail.com

吳振宇, 研究方向為生態(tài)工程與環(huán)境修復技術。E-mail: wuzhenyu19910107@163.com

2016-11-11

2017-01-05

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31601828), the Major Program of Cooperative Enterprise and Chinese Academy of Sciences (Y19HX14702), the Major Scientific and Technological Program of Anhui (15czz03129) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-EW-STS-083).

** Corresponding author, E-mail: yuwang800@hotmail.com

Nov. 11, 2016; accepted Jan. 5, 2017

吳振宇, 楊陽, 周子軍, 倪曉宇, 余立祥, 陸荷微, 劉斌美, 吳躍進, 王鈺. 新型緩釋尿素肥效與功能材料添加量的關系[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2017, 25(5): 740-748

Wu Z Y, Yang Y, Zhou Z J, Ni X Y, Yu L X, Lu H W, Liu B M, Wu Y J, Wang Y. Effects of adding proportions of functional absorption materials on performance of new slow-release urea[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 740-748