緩釋尿素對土壤和玉米植株氮素及干物質(zhì)和產(chǎn)量的影響

武 鵬，楊克軍，王玉鳳，張翼飛，張文超，吳 瓊，陳天宇，張鵬飛，龐 晨，王懷鵬，尹雪巍，楊 麗

(黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術與作物種質(zhì)改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319)

玉米是我國重要糧食產(chǎn)物，其產(chǎn)量高低影響國家糧食安全和玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]，土壤中無機態(tài)的氮是作物可以直接吸收利用的礦質(zhì)態(tài)氮，主要以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主，其含量多少反映土壤短期內(nèi)的供氮能力[2]。玉米生長對氮素需求量較大[3]，大多數(shù)農(nóng)田中，土壤自身氮素儲量不能有效滿足玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的需求，生產(chǎn)中需要施入氮肥滿足這種需求[4-5]，普通氮肥主要為速溶性肥料，施入土壤后可在短期內(nèi)溶解，但在短期內(nèi)不能全部被植物吸收利用[6]，導致氮肥利用率較低[7]。緩釋肥料是采用各種機制延緩或控制養(yǎng)分的釋放，使肥料養(yǎng)分釋放時間和強度與作物養(yǎng)分吸收規(guī)律相吻合，協(xié)調(diào)植物養(yǎng)分需求、保障養(yǎng)分供給和提高作物產(chǎn)量的新型肥料[8]，被認為是促進作物生長，降低氮素損失，提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量的有效途徑[9-11]。有研究者提出將緩釋尿素作追肥在玉米生長時期施入土壤[12]，目的在于調(diào)節(jié)作物速效和緩效氮素供應，同時減少追肥次數(shù)，降低經(jīng)濟成本，提高經(jīng)濟效益。因此緩釋肥料作追肥技術的研究與應用對于21世紀中國推動資源節(jié)約型和環(huán)境友好型綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。前人研究發(fā)現(xiàn)不同緩釋包膜尿素在不同生態(tài)條件下釋放速率不同[13]，對于作物影響也不同。劉敏[14]和李偉[15]研究認為緩釋尿素能夠降低苗期和提高灌漿期和成熟期的土壤硝態(tài)氮含量，與普通尿素處理相比提高玉米各生育期的土壤銨態(tài)氮含量，肖強[16]認為施用緩釋肥能夠提高春玉米植株和籽粒的全氮含量，陳艷萍[17]研究認為施用緩釋肥提高植株和籽粒氮素積累量是提高玉米產(chǎn)量的關鍵。前人研究主要集中于一種緩釋尿素與普通尿素以不同比例混施或單獨作基肥一次性施用于土壤對作物生長期土壤氮素含量和作物產(chǎn)量的影響效果，但是緩釋尿素一次基施容易導致作物生育前期植株生長緩慢、干物質(zhì)積累較低、價格成本過高等系列問題[18]，同時一次性施肥也易導致供肥時間難達玉米生長所需時長，造成后期脫肥[19]。試驗數(shù)據(jù)表明后期追肥能夠促進玉米生長發(fā)育，提高玉米產(chǎn)量[20-23]。但是對于比較不同緩釋尿素對玉米影響的文獻較少，普通尿素作基肥，不同緩釋尿素作追肥應用于東北鹽化草甸土地區(qū)玉米的研究更是鮮有報道。本試驗通過研究普通尿素作基肥不同緩釋尿素作追肥探索適合東北鹽化草甸土地區(qū)的緩釋肥料類型和施肥方式，以期為本地區(qū)制定高產(chǎn)高效的配方施肥及新型配方肥的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2016年5月20日至10月18日在黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院試驗基地(大慶，46°62′N 125°19′E)進行。供試土壤為鹽化草甸土，0～20 cm土層土壤基礎肥力見表1。供試玉米品種為慶單3號，供試肥料為樹脂包膜尿素(A，含氮量≥45%，山東茂施生態(tài)肥料有限公司生產(chǎn))；硫包膜尿素(B，含氮量≥37%，山東明泉緩釋肥料有限公司生產(chǎn))；植物油包膜尿素(C，含氮量≥55%，中化化肥有限公司生產(chǎn))；普通尿素(CK，含氮量≥46%，中國石油天然氣股份有限公司——昆侖尿素)；硫酸鉀(K2O≥50%，國投新疆羅布泊鉀鹽有限公司——羅布泊農(nóng)業(yè)用硫酸鉀)；磷酸二銨(N≥18%，P2O5≥46%，中化化肥有限公司)。

表1 土壤基礎地力

1.2 試驗設計

供試玉米品種為由大慶市慶發(fā)種業(yè)有限責任公司選育的慶單3號，根據(jù)當?shù)匦璺室?guī)律，試驗在等量普通尿素、磷、鉀肥(純N 60、P2O5120、K2O 90 kg·hm-2)作種肥一次性施入種下8cm基礎上，在拔節(jié)期前側(cè)施入壟溝不同類型緩釋尿素(純N記160 kg·hm-2)，采用隨機區(qū)組設4個施氮處理：樹脂包膜尿素(A)；硫包膜尿素(B)；植物油包膜尿素(C)；普通尿素(CK)。每個處理3次重復，共12個小區(qū)，每小區(qū)6行，行長10 m，行距0.65 m，面積39 m2，種植密度60 000株·hm-2，區(qū)組兩邊各設4行保護行。 2016年5月30日播種，10月18日收獲，按照常規(guī)大田試驗進行田間管理。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤指標測定 2016年試驗田施基肥前取0～20 cm 耕層土壤，按常規(guī)法測定土壤基本理化性質(zhì)[24-25]。在玉米拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期分4次在每個小區(qū)玉米株間距植株10 cm處取0～20 cm土層新鮮土樣，每小區(qū)3個樣點的土壤混合均勻后放入冰盒迅速帶回實驗室，新鮮土樣過5目篩后，采用紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮[24]，采用KCl浸提—靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮[24]。各時期新鮮土樣自然風干后過0.25 mm孔徑篩，采用半微量開氏法測定土壤全氮含量[25]。

1.3.2 植株指標測定 在玉米拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期分4次在每個小區(qū)采集有代表性的植株樣品3株，帶回實驗室擦洗干凈按葉、莖、鞘、籽粒等器官分解植株，于105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重，將稱重后的樣品磨碎后充分混合，采用H2SO4-H2O2濕灰化法消煮處理樣品，用凱氏定氮儀(KjelFlex K-360，BüCHI)測定全氮含量，計算植株吸氮量[26]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

參照Moll等[27]的方法，氮積累總量(g·plant-1)=植株含氮量(%)×生物量。

采用軟件Exce2003對數(shù)據(jù)進行處理，DPS7.05統(tǒng)計軟件進行方差分析和LSD法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同尿素處理對土壤氮素的影響

2.1.1 不同尿素處理對土壤硝態(tài)氮含量的影響 旱田土壤中氮素主要以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮含量的高低直接反映土壤中氮素的豐缺[3]。不同包膜尿素對春玉米不同生育時期0～20 cm耕層土壤硝態(tài)氮含量的影響不同。隨著生育時期的推進，所有試驗處理中的硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。拔節(jié)期和吐絲期處理CK極顯著高于其它處理1.77～3.79 mg·kg-1和5.76～10.37 mg·kg-1，兩個時期樹脂包膜尿素處理的含量均為處理中最低分別為2.97、13.12 mg·kg-1。吐絲期至灌漿期是玉米生長需肥關鍵時期，樹脂包膜尿素和硫包膜尿素處理的硝態(tài)氮含量繼續(xù)增長，植物油包膜尿素與CK的硝態(tài)氮含量開始下降且CK下降最快，灌漿期各處理之間差異極顯著。灌漿期之后各處理硝態(tài)氮含量開始下降，成熟期處理A與B硝態(tài)氮含量顯著高于對照CK 5.50、5.93 mg·kg-1，樹脂包膜尿素和硫包膜尿素處理差異不顯著。

2.1.2 不同尿素處理對土壤銨態(tài)氮含量的影響 不同包膜尿素對春玉米不同生育時期0～20 cm耕層土壤銨態(tài)氮含量的影響不同，均隨著生育期的進行表現(xiàn)為先升高后降低。拔節(jié)期各處理銨態(tài)氮含量無明顯差異，吐絲期處理CK與樹脂包膜尿素處理和硫包膜處理差異極顯著，CK比緩釋尿素處理高3.41～13.91 mg·kg-1。吐絲期至灌漿期玉米需氮量較高，是玉米產(chǎn)量形成的關鍵時期，此時樹脂包膜尿素與硫包膜尿素處理的土壤銨態(tài)氮含量均維持在較高的水平，植物油包膜尿素與普通尿素處理銨態(tài)氮含量開始下降，灌漿期樹脂包膜尿素處理銨態(tài)氮含量極顯著高于其它處理。灌漿期至成熟期各處理銨態(tài)氮含量均下降，成熟期樹脂包膜尿素處理含量最高為8.25 mg·kg-1，與其它處理差異極顯著。

圖1 不同處理土壤硝態(tài)氮含量Fig.1 Soil nitrate nitrogen acculumation in different treatment

圖2 不同處理土壤銨態(tài)氮含量Fig.2 Soil ammonium nitrogen acculumation in different treatment

2.1.3 不同尿素處理對土壤全氮含量的影響 四種不同的尿素對玉米不同生育期0～20 cm耕層土壤的全氮含量影響不同，同時不同生育時期不同包膜尿素處理耕層土壤全氮含量總體變化趨勢差異不大。緩釋尿素呈先升高后降低的趨勢，普通尿素呈下降趨勢。普通尿素處理土壤全氮含量在拔節(jié)期最高，顯著高于其它處理(硫包膜尿素處理除外)。植物油包膜尿素處理全氮含量在吐絲期達到最大值。樹脂包膜尿素和硫包膜尿素處理在灌漿期達到最大值，且顯著高于其它處理。灌漿期緩釋尿素處理高于普通尿素處理0.19～0.24 g·kg-1，樹脂包膜尿素處理含量最高為1.72 g·kg-1。成熟期緩釋尿素處理顯著高于普通尿素(C除外)以樹脂包膜尿素處理最高。表明緩釋尿素能在玉米生長前期有效控制肥料氮素的釋放并保證能夠滿足玉米生長后期氮素需求高峰期時充足的氮素供應，滿足玉米整個生育期的生長需求。

注：同列數(shù)據(jù)后不同小、大寫字母表示在P<0.05和P<0.01水平下的顯著性，下同。Note：Different small and big letters in the same column indicate significant difference at 0.05 and 0.01 probability level. The same as below.圖3 不同處理土壤全氮含量Fig.3 Soil total nitrogen acculumation in different treatment

2.2 不同尿素處理對植株的影響

2.2.1 緩釋尿素對春玉米干物質(zhì)積累和分配的影響 圖4表明，隨著玉米生育期的推進，玉米各器官的干物質(zhì)量逐漸增加，但營養(yǎng)器官所占比例在逐漸降低，生殖器官所占比例逐漸增大。拔節(jié)期各處理莖、葉、鞘分別占干物質(zhì)積累量的9.34%～16.41%、72.96%～75.85%和10.44%～17.39%；吐絲期玉米進入營養(yǎng)生長與生殖生長并進階段，莖和鞘占地上部干物質(zhì)積累量比例繼續(xù)增大，葉片所占比例有所降低，分別為44.24%～45.29%、19.77%～24.5%和30.65%～36.30%；灌漿期隨著玉米籽粒的形成生殖器官所占干物質(zhì)比例迅速增加，其中樹脂包膜、硫包膜、植物油包膜和普通尿素處理籽粒所占比例分別為32.52%、33.53%、31.54%和27.21%；成熟期玉米籽粒所占比重達到47.60%～54.84%，樹脂包膜尿素處理籽粒干重分別比硫包膜、植物油包膜和普通尿素處理高9.67、13.62和59.72 g·株-1。拔節(jié)期各處理之間干物質(zhì)積累量差異不顯著，吐絲期樹脂包膜尿素處理顯著低于其它處理，普通尿素處理最大分別為39.14 g·株-1和186.39 g·株-1；灌漿期和成熟期緩釋尿素處理植株干物質(zhì)量均顯著高于普通尿素處理，樹脂包膜尿素處理分別比普通尿素處理高57.01 g·株-1和89.41 g·株-1。

2.2.2 不同尿素處理對玉米氮素積累和分配的影響 養(yǎng)分的吸收、同化和轉(zhuǎn)運影響作物的生長和發(fā)育，進而影響作物產(chǎn)量[28]，圖5可以看出，隨著玉米生育期的推進，營養(yǎng)器官的氮素積累量呈先升高后降低趨勢，生殖器官呈增長趨勢。拔節(jié)期各處理氮素主要分配在葉中，占總吸氮量的81.81%～88.34%；吐絲期玉米進入營養(yǎng)生長與生殖生長并進階段，莖和鞘的氮素含量占氮素總積累量的比重升高，分別為15.37%～34.05%和6.05%～14.23%，葉所占比重有所下降為51.72%～71.37%；灌漿期是玉米生殖生長的旺盛時期，營養(yǎng)器官葉吸氮量所占比重大幅下降為36.11%～42.89%，生殖器官吸氮量大幅上升[29]，籽粒所占比重為27.22%～41.13%；成熟期籽粒氮素積累量占總積累量的比重達到67.71%～76.43%，遠高于其它器官。從氮素積累量來看拔節(jié)期普通尿素處理吸氮量最高為59.65 kg·hm-2，顯著高于樹脂包膜尿素處理；吐絲期各處理之間氮素吸收量差異不明顯。灌漿期和成熟期樹脂包膜尿素(A)處理氮素吸收量最大，與其它處理差異達到顯著水平。

2.3 不同尿素處理對春玉米產(chǎn)量及其構成要素的影響

不同處理產(chǎn)量及其構成要素如表2所示，單從產(chǎn)量水平上來看，緩釋尿素處理產(chǎn)量顯著高于普通尿素處理，增產(chǎn)幅度為2.22%～18.82%，三種緩釋尿素處理間差異顯著，樹脂包膜尿素產(chǎn)量最高。從產(chǎn)量構成要素來看，四個處理的穗長與行粒數(shù)差異未達顯著水平。除硫包膜尿素處理外，其它緩釋尿素處理禿尖長都小于普通尿素處理。處理A的穗行數(shù)顯著高于處理C與CK 0.8和1.0行。但緩釋尿素處理的百粒重均高于普通尿素，比普通尿素增加1.37～1.72 g，樹脂包膜尿素硫包膜尿素百粒重無顯著差異?？傮w來看，增產(chǎn)的主要原因是緩釋尿素的施用有效提高了穗行數(shù)和百粒重，同時一定程度上減小了禿尖長度。

圖4 不同處理玉米干物質(zhì)積累與分配Fig.4 Accumulation and distribution of maize dry matter under different treatments

圖5 不同處理玉米氮素積累和分配Fig.5 Accumulation and distribution of maize N under different treatments

處理穗長/cm禿尖/cm穗行數(shù)/行行粒數(shù)/粒百粒重/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)增產(chǎn)率/%TreatmentLength of panicleBare tip lengthEar rowsLine grain number100-kernel weightYieldYieldincrease rateA19.16aA1.66aA16.4aA37.9aA25.53aA11252.58aA18.82B19.60aA1.99aA15.7abA36.6aA25.25abA10116.91bB6.83C19.74aA1.54aA15.6bA35.8aA24.90bA9680.20cC2.22CK19.67aA1.72aA15.4bA37.0aA23.53cB9470.41dD

3 討 論

玉米在苗期至拔節(jié)期吸氮量占全生育期的6%～7%，拔節(jié)期至小喇叭口期為22.7%～26.3%，大喇叭口期到散粉期占22%～31.2%，散粉期之后占35.5%～49.3%。普通尿素主要為速溶性肥料，玉米生育前期大量釋放，但短期內(nèi)不能全部被作物吸收利用，易造成后期脫肥現(xiàn)象。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植株可以利用的氮素形態(tài)，因此在氮素肥料的研究中，通常把施用肥料后土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量作為養(yǎng)分轉(zhuǎn)化特點的指標加以評價[30]。本試驗結(jié)果表明，由于緩釋尿素的釋放特性[31]，不同緩釋尿素的施用不但滿足了玉米整個生育時期對氮素的需求，而且生育后期土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量要高于普通尿素處理，滿足了作物的需求。同時土壤中的全氮含量也表現(xiàn)為拔節(jié)期緩釋尿素低于普通尿素，而在后期緩釋尿素的氮素得到充足釋放，使土壤全氮保持在較高水平，這與衛(wèi)麗[32]的研究一致。這是由于普通尿素施入土壤后迅速水解而導致前期普通尿素處理氮素含量高于緩釋尿素[33]，而包膜尿素是通過膜上的微孔和裂隙實現(xiàn)對養(yǎng)分的調(diào)控，隨著生育期的推進，包膜尿素后期繼續(xù)釋放使土壤中氮素含量提高[34]。同時緩釋尿素延緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[35]，減弱由于硝態(tài)氮的淋洗對環(huán)境產(chǎn)生的污染效應，進而將有效氮較長時間的保持在土壤耕層中供植物吸收利用。本試驗中三種緩釋尿素相比，硫膜和植物油膜易溶解和破碎[33]，所以生育前期硫包膜尿素處理硝態(tài)氮含量高于樹脂包膜處理，樹脂包膜尿素氮素養(yǎng)分釋放規(guī)律同玉米養(yǎng)分吸收規(guī)律更加吻合，本研究中聚氨酯樹脂包膜尿素的持續(xù)釋放時間達70天以上[36]，所以后期樹脂包膜尿素處理土壤氮素含量高于硫包膜和植物油包膜處理。

干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎，在一定范圍內(nèi)，干物質(zhì)積累量越高意味籽粒產(chǎn)量越高[37]。本試驗中，前期各處理生物產(chǎn)量沒有顯著差異，表明基施較低量的普通尿素就能滿足作物前期對氮素的需求，促進干物質(zhì)積累。成熟期緩釋尿素處理的玉米地上部干物質(zhì)積累顯著高于普通尿素處理，成熟期樹脂包膜尿素處理干物質(zhì)積累量分別比硫包膜、植物油包膜尿素和普通尿素處理高89.41、60.92和48.97 g·株-1，這是由于拔節(jié)期追施緩釋尿素肥效持續(xù)時間長能夠保證在生育后期為作物源源不斷提供充足的氮素養(yǎng)分，這說明緩釋尿素處理能夠增加玉米干物質(zhì)積累量，這與前人關于不同包膜緩釋尿素的研究結(jié)果類似[38]，同時說明樹脂包膜尿素與硫包膜和植物油包膜尿素相比更有利于玉米干物質(zhì)積累[39]。自拔節(jié)期到吐絲期，玉米葉干物質(zhì)量占植株干物質(zhì)積累量的比例逐漸降低，莖和鞘的分配比例逐漸升高。吐絲期至成熟期，莖、葉和鞘的分配比例隨生育期的推進逐漸降低，生長中心向穗部轉(zhuǎn)移，籽粒分配比例逐漸增大[38]。與普通尿素處理相比，吐絲期緩釋尿素處理葉、莖和鞘的分配比例較??；成熟期緩釋尿素的籽粒分配高達52.43%～54.83%，顯著高于普通尿素處理，說明緩釋尿素能夠提高籽粒的分配比例，有利于吐絲后莖、葉和鞘的干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，促進玉米增產(chǎn)。三種緩釋尿素相比，吐絲期和灌漿期樹脂包膜尿素處理葉的分配比例較小；灌漿期樹脂包膜尿素處理莖的比例較高；成熟期樹脂包膜尿素籽粒干物質(zhì)量最大但是分配比例與其它處理無明顯差異，說明樹脂包膜尿素處理有利于后期莖和葉干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，提高產(chǎn)量。

不同氮肥種類顯著影響作物對氮素的吸收[40]，氮素的積累量反映了玉米整個生育時期對氮素營養(yǎng)的吸收情況[35]。本試驗結(jié)果表明，同等施氮量下，緩釋尿素處理的玉米吸氮量均顯著高于普通尿素處理，這與Shoji[41]和易鎮(zhèn)邪[42]等人的研究結(jié)果一致。玉米籽粒中的氮一方面來源于抽雄前葉片、莖稈中積累氮素的再轉(zhuǎn)移[43]，另一方面來源于根系的氮素吸收[44-45]。開花至成熟期是玉米氮素吸收運轉(zhuǎn)分配的重要時期[46]。本試驗在同等施氮量下，與普通尿素處理相比，吐絲期緩釋尿素處理葉片的氮素分配比例較大，莖和鞘的分配比例較??；灌漿期緩釋尿素處理莖的氮素分配比例較大，這有利于灌漿期和成熟期氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移。緩釋尿素處理籽粒氮素吸收量全部高于普通尿素處理，其中樹脂包膜尿素處理籽粒氮素吸收量最高，說明籽粒從緩釋尿素中吸收的氮素顯著高于普通尿素處理[39]，其中樹脂包膜尿素對籽粒氮素吸收影響最大。成熟期緩釋尿素處理的籽粒吸氮量占總吸氮量的比例達70.15%～71.13%，高于普通尿素處理的67.71%，說明緩釋尿素能夠提高籽粒的氮素積累與分配比例。

玉米產(chǎn)量受到氣象因子、耕作方式、玉米生物性狀、養(yǎng)分含量以及籽粒構成因子等多種因素的影響[47-50]，緩釋尿素能夠協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量構成因素的關系[51]。本試驗中緩釋尿素處理的玉米產(chǎn)量極顯著高于普通尿素處理，其中樹脂包膜尿素處理增產(chǎn)率達到18.82%，說明緩釋尿素能夠增加玉米穗行數(shù)和百粒重[52]，提高玉米產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

緩釋尿素作追肥拔節(jié)期前施入，與普通尿素處理相比能夠滿足春玉米整個生育時期對土壤氮素的需求，同時能夠提高春玉米生育后期土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和全氮含量，促進春玉米干物質(zhì)積累和氮素吸收，提高籽粒干物質(zhì)和氮素吸收比例，增加春玉米穗行數(shù)和百粒重，促進玉米增產(chǎn)2.22%～18.82%。不同緩釋尿素由于包膜材料不同所以釋放特性不同，要發(fā)揮其最好的效益需要確定合適的量和施用方式，本試驗條件下表明在東北地區(qū)普通尿素作基肥，樹脂包膜尿素作追肥施用效果最佳。