控釋肥在寧夏灌淤土中的氮素釋放特征研究

洪 瑜，趙 營(yíng)，王 芳，劉汝亮，李友宏，趙天成，陳 晨

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002)

寧夏灌淤土是在人為引用含泥沙的水灌溉落淤與耕種施肥交替作用下形成的一種特殊的土壤類(lèi)型[1]，主要分布在引黃灌區(qū)，該區(qū)素有“塞上江南”之美譽(yù)，是全國(guó)優(yōu)質(zhì)大米的主產(chǎn)區(qū)。當(dāng)?shù)厮締渭镜适┯昧扛哌_(dá)300 kg/hm2[2]甚至更高，從而帶來(lái)了肥料利用率低，養(yǎng)分流失嚴(yán)重以及水土環(huán)境污染等問(wèn)題。因此在保證水稻產(chǎn)量前提下，如何提高氮素利用率，減少農(nóng)業(yè)污染源頭排放具有重要意義。

緩/控釋肥料是以各種調(diào)控機(jī)制使其養(yǎng)分最初釋放延緩，延長(zhǎng)植物對(duì)其有效養(yǎng)分吸收利用的有效期，使其養(yǎng)分按照設(shè)定的釋放率和釋放期緩慢或控制釋放的肥料。主要通過(guò)包膜、包裹、添加抑制劑等方式，使肥料的分解、釋放時(shí)間延長(zhǎng)，從而達(dá)到延長(zhǎng)肥料有效期、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的目的[3]，是農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)推廣肥料之一，已經(jīng)成為新型肥料的研究熱點(diǎn)。有研究表明，包膜控釋肥可以有效控制養(yǎng)分釋放，促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)與氮素吸收，提高肥料利用率，減少氮素?fù)p失[4-8]，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)與農(nóng)田污染物減排。但是控釋肥在不同介質(zhì)中的氮素釋放特性具有很大差異[9]，尤其在不同類(lèi)型的土壤中其氮素釋放特征差異很大[10]。

但是，控釋肥在灌淤土這種特殊土壤中的氮素釋放特性，對(duì)水稻產(chǎn)量與氮素利用的影響尚不清楚。本研究針對(duì)灌淤土水稻生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在過(guò)量施肥、肥料利用率低以及農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題，以自研聚氨酯包膜控釋肥為研究對(duì)象，通過(guò)靜水浸泡與盆栽試驗(yàn)，探討了幾種控釋肥的氮素釋放特征，評(píng)價(jià)了其對(duì)水稻產(chǎn)量與氮素吸收利用的影響，旨在為研發(fā)低成本、高效環(huán)保的新型控釋肥料并在寧夏灌淤土水稻生產(chǎn)中應(yīng)用提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)青銅峽市陳袁灘鎮(zhèn)沙壩灣村，東經(jīng)106°16′17″，北緯38°04′61″，該區(qū)屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量174 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，平均溫度8.5 ℃，全年無(wú)霜期165 d，年平均≥10℃積溫3 900℃。主要種植方式是水旱輪作，水稻收獲后種植作物為春玉米，作物一年一熟。水稻一般每年5月中旬移栽，9月底收獲，生育期150 d左右。

1.2 供試材料

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 靜水浸泡試驗(yàn)

本試驗(yàn)于2016年6～9月在寧夏回族自治區(qū)土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，準(zhǔn)確稱(chēng)取商品控釋肥(MRF)、自研控釋肥1(CRF1)、自研控釋肥2(CRF2)肥料樣品30 g(精確到 0.01 g)，置于250 mL小燒杯中，精確加入200 mL蒸餾水，將漂浮水面試料全部浸入水中，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中，分別取樣測(cè)定 1、3、5、7、10、14、28、42、56、70、84、112 d的氮素累積釋放比例與氮素釋放速率。

1.3.2 水稻盆栽試驗(yàn)

本試驗(yàn)于2016年6～10月在青銅峽市陳袁灘鎮(zhèn)沙壩灣村水稻種植基地網(wǎng)室中進(jìn)行，設(shè)5個(gè)處理：不施肥(CK)、平衡施肥(NPK)、商品控釋肥(MRF)、自研控釋肥1(CRF1)、自研控釋肥2(CRF2)。每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)各處理N用量均為260 kg/hm2，P2O5和K2O用量均為100 kg/hm2，采用過(guò)磷酸鈣和氯化鉀平衡各處理之間的磷、鉀含量差異。NPK處理60%的氮肥和全部磷、鉀肥料作基肥施入，剩余40%氮肥平均分2次在水稻分蘗期和孕穗期作追肥施入。其他處理的控釋肥和全部氮、磷、鉀肥料均作基肥與土混勻后裝盆。

每個(gè)塑料盆(盆口直徑35 cm，高30 cm)裝入過(guò)0.35 mm篩的風(fēng)干土28 kg，將稱(chēng)好的土與基肥混勻，先裝入盆中10 cm搗實(shí)以防止?jié)B水過(guò)快，再裝入10 cm土層稍加搗實(shí)，為防止瓷瓦盆底透氣孔漏水，在磁瓦盆下外套一較大的塑料盆，可將滲水循環(huán)使用。澆水后3 d土壤坐實(shí)后插秧。每盆插5穴，呈梅花狀，每穴3株。6月13日插秧，插秧后每天觀察水位保證在盆內(nèi)土面以上5 cm深，到9月17日停水前將水灌滿(mǎn)后自然落干，10月7日收獲。

1.4 樣品采集與測(cè)定

1.4.1 靜水浸泡水樣采集與測(cè)定

定期取出全部浸提溶液，定容到250 mL，采用對(duì)二甲氨基苯甲醛顯色分光光度法測(cè)定水樣中尿素含量，然后折算氮素量；試驗(yàn)用商品純凈水作為蒸餾水。

1.4.2 土壤樣品采集與測(cè)定

裝盆前采集土壤樣品，測(cè)定容重，分析土壤基本理化性質(zhì)。水稻生長(zhǎng)期間，每隔15 d用小型土鉆垂直均勻采集新鮮土樣,立即帶回實(shí)驗(yàn)室，1 mol/L KCl 溶液振蕩浸提30 min，采用全自動(dòng)間斷分析儀Cleverchem 200 測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.4.3 植株樣品采集與測(cè)定

盆栽水稻生育期117 d 后全部收獲考種，采集植株樣品，稻谷和秸稈樣品烘干粉碎后，采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

氮素累積釋放比例(%)=(1 d+2 d+3 d+……+112 d氮素釋放量)×100 /肥料中總氮素量

氮肥利用率(%)=(施肥處理吸氮量-不施氮處理吸氮量)× 100 /施氮量

采用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 自研控釋肥在靜水中的氮素釋放特征

不同控釋肥在靜水中的氮素累積釋放比例曲線見(jiàn)圖1，可以看出，自研制控釋肥和商品控釋肥中氮素累積釋放比例動(dòng)態(tài)差異較大。CRF1、CRF2處理的初期釋放率(24 h)分別為2.28%、3.54%(≤15%)，第28 d 的氮素累積釋放比例分別為30.58% 、33.17%(≤80%)，由此可見(jiàn)，自研控釋肥的氮素初期釋放率和28 d累積釋放率都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 23348—2009的要求，能夠達(dá)到緩釋效果。MRF處理的初期釋放率(24 h)僅為0.88%,28 d 累積釋放比例只有25.58%，42 d 才釋放34.64% 的氮素，之后快速增加。圖2結(jié)果表明,CRF1、CRF2處理在靜水中的氮素釋放速率峰值都在1 d之內(nèi)，分別達(dá)0.18和0.28 g/d，在前28 d內(nèi)較快，之后緩慢降低。MRF處理在靜水中的氮素釋放速率變化不大，峰值在3～14 d，達(dá)0.07 g/d，之后釋放速率依然較平穩(wěn)，至112 d達(dá)到0.05 g/d?？傮w來(lái)說(shuō)，自研控釋肥在112 d 內(nèi)氮素累積釋放比例為54.19%～55.79%，而商品控釋肥達(dá)到82.64%。與商品控釋肥相比，自研控釋肥的氮素釋放速率在前28 d內(nèi)依然較快，氮素累積釋放比例在112 d內(nèi)較低，其包膜材料與組合工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1 控釋肥在靜水中氮素累積釋放比例動(dòng)態(tài)

圖2 控釋肥在靜水中氮素釋放速率動(dòng)態(tài)

2.2 自研控釋肥對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響

由表1可見(jiàn)，各施肥處理與CK處理的水稻產(chǎn)量之間存在顯著性差異(P<0.05)，施肥是水稻獲得高產(chǎn)的保障。各施肥處理的水稻產(chǎn)量之間差異不顯著，其中CRF2處理的秸稈產(chǎn)量和子粒產(chǎn)量最高，比NPK處理分別增產(chǎn)了6.33%、10.44%，比MRF處理分別增產(chǎn)了1.31%、4.31%；其次是CRF1處理的秸稈產(chǎn)量和子粒產(chǎn)量較高。谷草比值大，表示植株光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化效率高，不同施肥處理下谷草比表現(xiàn)為：CRF2>CRF1>MRF>NPK?？蒯尫士梢栽谒旧P(guān)鍵期緩慢釋放養(yǎng)分供給水稻的需求，為水稻產(chǎn)量形成奠定基礎(chǔ)。

表1 不同控釋肥對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。

NPK處理中氮肥的60%作基肥，分蘗期追施20%，由于在水稻分蘗前施入大量氮肥，能夠促進(jìn)水稻分蘗，形成較高的有效穗數(shù)，達(dá)到37.60穗/盆?？蒯尫矢魈幚碛捎谇捌诜纸馑俾事?，氮素供應(yīng)較少，因此影響到水稻分蘗，比NPK處理減少了4.79%～8.51%；但是由于在水稻生育后期控釋肥可以持續(xù)提供養(yǎng)分，提高了水稻的穗粒數(shù)，比NPK處理增加了11.60%～15.19%；同時(shí)，控釋肥各處理還降低了水稻子粒的空秕率，提高千粒重，比NPK處理增加了1.24%～2.20%；其中，CRF2處理穗粒數(shù)最高，達(dá)到41.70粒/穗，因此其水稻產(chǎn)量最高。研究結(jié)果表明，自研控釋肥更適合寧夏引黃灌區(qū)水稻生長(zhǎng)需求，保證稻谷產(chǎn)量。

由表2可見(jiàn)，各施肥處理與CK處理的水稻秸稈吸氮量、子粒吸氮量和地上部總吸氮量之間存在顯著性差異(P<0.05)，子粒吸氮量占總吸氮量的60%左右?？蒯尫矢魈幚砜梢猿掷m(xù)供應(yīng)氮素，滿(mǎn)足水稻生育期對(duì)養(yǎng)分的需求，提高水稻地上部總吸氮量，比NPK處理增加了3.82%～10.46%，CRF2處理總吸氮量最高，達(dá)到150.89 kg/hm2。控釋肥各處理的氮肥利用率比NPK處理增加了2.00～5.49個(gè)百分點(diǎn)，CRF2處理的氮肥利用率最高，達(dá)到36.64%，說(shuō)明自研控釋肥能夠保證水稻對(duì)氮素的吸收利用，從而提高氮肥利用率，更適宜寧夏引黃灌區(qū)水稻生長(zhǎng)需求。

表2 不同控釋肥對(duì)水稻氮素利用的影響

2.3 自研控釋肥在土壤中的氮素釋放特征

由圖3、4、5可見(jiàn)，除CK處理外，不同施肥處理下土壤各種形態(tài)氮含量都有不同程度的提高，峰值均出現(xiàn)在水稻插秧后的15 d，土壤硝態(tài)氮與無(wú)機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，其中NPK處理的土壤硝態(tài)氮與無(wú)機(jī)氮含量最高，分別為120.53、126.34 mg/kg，隨后迅速下降，在75 d時(shí)分別下降到31.77、34.00 mg/kg，之后緩慢下降。不同控釋肥處理下土壤硝態(tài)氮與無(wú)機(jī)氮含量在75 d前的動(dòng)態(tài)變化均表現(xiàn)為“拋物線”，在75 d之后緩慢下降。第45 d，土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為：CRF2(99.41 mg/kg)>CRF1(95.63 mg/kg)>MRF(92.98 mg/kg)；土壤無(wú)機(jī)氮含量：CRF2(104.46 mg/kg)>CRF1(100.59 mg/kg)>MRF(97.75 mg/kg)；在45 d之后，MRF處理的土壤硝態(tài)氮與無(wú)機(jī)氮含量均高于CRF1、CRF2處理。水稻孕穗期前，土壤無(wú)機(jī)氮含量保持較高水平有利于提高產(chǎn)量。相對(duì)于CK處理，控釋肥在土壤中的氮素持續(xù)釋放時(shí)間達(dá)75 d以上，之后各施肥處理間差異不大。

圖3 土壤硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

圖4 土壤銨態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

圖5 土壤無(wú)機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

不同施肥處理下土壤銨態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)的15 d，CRF2處理最高，達(dá)到7.01 mg/kg。第60 d，水稻土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為：CRF2(4.03 mg/kg)>CRF1(3.73 mg/kg)>MRF(3.51 mg/kg)；在60 d之后，MRF處理的土壤銨態(tài)氮含量略高于CRF1、CRF2處理。說(shuō)明CRF2能夠有效地保持土壤中的銨態(tài)氮含量，滿(mǎn)足水稻生育關(guān)鍵期對(duì)氮素的需求，從而保證產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

3.1 自研控釋肥在靜水中的氮素釋放特征

靜水浸提是評(píng)價(jià)緩/控釋肥最常用、最快速的方法[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，控釋肥的氮素累積釋放曲線表現(xiàn)為“拋物線”狀或“S”形[12]，影響控釋肥氮素釋放的主要因素包括溫度[9]、包膜厚度[13]、抑制劑[14]等，靜水浸泡溫度升高其氮素釋放速率顯著增加，包膜厚度增加其釋放速率顯著減少[15]。本研究中，自研控釋肥CRF1、CRF2在靜水(25℃)中的氮素累積釋放率的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，都呈“拋物線”形狀。自研控釋肥在24 h內(nèi)的氮素累積釋放比例分別為2.28%、3.54%，商品控釋肥只有0.88%；自研控釋肥在28 d內(nèi)的氮素累積釋放比例分別為30.58%、33.17%，商品控釋肥只有25.58%；自研控釋肥在112 d內(nèi)氮素累積釋放比例為54.19%～55.79%，而商品控釋肥達(dá)到82.64%。因此，自研控釋肥的氮素初期釋放率和28 d累積釋放率都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23348-2009的要求，能夠達(dá)到緩釋效果，但是與商品控釋肥相比，自研控釋肥的氮素釋放速率在前28 d內(nèi)依然較快，氮素累積釋放比例在112 d內(nèi)較低，其包膜材料與組合工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 自研控釋肥對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響

有研究表明,施用緩/控釋肥料能促進(jìn)水稻增產(chǎn)、增加氮素利用效率、維持或提高土壤氮素肥力[16-17]。湖南紅壤水稻土試驗(yàn)研究表明，各緩/控釋肥處理增加了水稻有效穗個(gè)數(shù)和穗粒數(shù)，比等量NPK處理增產(chǎn)15.18%～27.68%，氮肥利用率提高16.74～38.9個(gè)百分點(diǎn)[18]。浙江中咸砂土試驗(yàn)研究表明，控釋肥較普通尿素水稻有效穗數(shù)高，實(shí)粒數(shù)多，地上部總氮量顯著增加，顯著增產(chǎn)2.9%～16.0%，氮肥利用率提高10.0～16.2個(gè)百分點(diǎn)[19]。遼寧草甸土試驗(yàn)研究表明，添加硝化抑制劑的緩釋尿素主要通過(guò)增加水稻千粒重獲得增產(chǎn)，產(chǎn)量增加12.55%，氮肥利用率提高4.79%[20]。與本研究結(jié)果保持一致，CRF2處理主要通過(guò)提高水稻穗粒數(shù)與千粒重獲得增產(chǎn)，其秸稈產(chǎn)量、子粒產(chǎn)量最高，分別達(dá)到33.28、31.21 g/盆，比NPK處理分別增加了6.33%、10.44%；地上部總吸氮量達(dá)到150.89 kg/hm2，比NPK處理提高了10.46%；氮肥利用率最高，達(dá)到36.64%，比NPK處理提高了5.49個(gè)百分點(diǎn)。

水稻氮素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、分配及氮效率與產(chǎn)量和干物質(zhì)量密切相關(guān)，主要是通過(guò)影響有效穗、穗粒數(shù)、千粒重從而影響水稻產(chǎn)量[21]。本研究結(jié)果表明，與MRF處理相比，CRF1、CRF2處理谷草比、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)較高，產(chǎn)量增加3.18%～4.31%，而MRF處理的千粒重較高，從控釋肥在靜水與土壤中氮素釋放來(lái)看，MRF前期氮素釋放較少，而后期氮素釋放較充足。水稻緩/控釋氮肥在苗期的氮素釋放速率不能過(guò)低，否則會(huì)引起苗期氮素供應(yīng)不足，限制水稻苗期早發(fā)或分蘗，最終有可能導(dǎo)致減產(chǎn)[22]。說(shuō)明與商品控釋肥相比，自研控釋肥能在水稻生育前期提供適量的氮素，促進(jìn)有效分蘗，增加株高，而在水稻生育中后期，保證持續(xù)的氮素供應(yīng)，可能促進(jìn)光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，改善產(chǎn)量構(gòu)成[23]，更適宜寧夏引黃灌區(qū)水稻關(guān)鍵生育期的氮素需求，能夠保證稻谷產(chǎn)量。

3.3 自研控釋肥在土壤中的氮素釋放特征

濟(jì)南粘壤水稻土田間試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻生長(zhǎng)前半期(60 d)普通尿素處理土壤硝態(tài)氮含量高于控釋尿素處理，后半期控釋尿素處理高于普通尿素處理[24]。有研究表明，控釋肥處理的土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅烤哂谀蛩靥幚砗虲K對(duì)照[20]。添加控釋氮肥處理在稻麥季作物生育中后期土壤無(wú)機(jī)氮含量均處于較高水平，保證了在作物關(guān)鍵時(shí)期的氮素供應(yīng)[23]。均與本研究結(jié)果基本保持一致。

本研究結(jié)果表明，不同施肥處理下土壤各種形態(tài)氮含量峰值均出現(xiàn)在水稻插秧后的15 d，隨后不同程度的下降，NPK處理下降較快，控釋肥處理下降較慢。其中第45 d，水稻土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為：CRF2(99.41 mg/kg)>CRF1(95.63 mg/kg)>MRF(92.98 mg/kg)；第45 d，水稻土壤無(wú)機(jī)氮含量表現(xiàn)為：CRF2(104.46 mg/kg)>CRF1(100.59 mg/kg)>MRF(97.75 mg/kg)；第60 d，水稻土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為：CRF2(4.03 mg/kg)>CRF1(3.73 mg/kg)>MRF(3.51 mg/kg)。CRF2處理由于添加了硝化抑制劑雙氰胺，能夠在水稻移栽45 d前保持最高的硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮含量，在60 d前保持最高的銨態(tài)氮含量，滿(mǎn)足水稻生育關(guān)鍵期對(duì)氮素的需求[25]，從而保證產(chǎn)量[26]。無(wú)論是普通尿素還是控釋肥，在水田土壤上釋放轉(zhuǎn)化的氮素以硝態(tài)氮形態(tài)為主。相同施氮量條件下，不同施肥處理土壤銨態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化相似，但是控釋肥處理的銨態(tài)氮含量均大于NPK處理，說(shuō)明控釋肥可以長(zhǎng)期保證土壤中較高含量的銨態(tài)氮，提高有效氮比例。抽穗期是水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行的關(guān)鍵時(shí)期，又是影響穗粒數(shù)的重要時(shí)期，控釋肥處理土壤中銨態(tài)氮含量的提高，能夠保證幼穗增大與稻稈茁壯，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育。

在大田環(huán)境中土壤氮素動(dòng)態(tài)變化受到作物生長(zhǎng)特性、土壤質(zhì)地、農(nóng)藝措施和氣象條件等多種因素的影響[27]，控釋肥在大田土壤中的氮素釋放影響過(guò)程比較復(fù)雜，因此，本研究結(jié)果僅反映了盆栽條件下控釋肥在土壤中的氮素釋放特征。在今后的研究中，應(yīng)綜合考慮在大田環(huán)境中，控釋肥施用量與施用方法、作物中氮素利用轉(zhuǎn)化、土壤中氮素轉(zhuǎn)化損失等因素，進(jìn)一步探明控釋肥在稻田灌淤土中的氮素釋放特征，探討控釋肥施用方法對(duì)稻田氮素淋失的影響，為控釋肥合理施用提供科學(xué)依據(jù)。