控釋與穩(wěn)定尿素配施對土壤氮素遷移及冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的影響*

肖 強(qiáng), 李鴻雁, 衣文平, 鄒國元, 魏 丹, 孫世友, 李麗霞**

控釋與穩(wěn)定尿素配施對土壤氮素遷移及冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的影響*

肖 強(qiáng)1, 李鴻雁1, 衣文平1, 鄒國元1, 魏 丹1, 孫世友2**, 李麗霞1**

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所/北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心 北京 100097; 2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所 石家莊 050051)

控釋與穩(wěn)定尿素配施, 可通過雙重調(diào)控作用增強(qiáng)對氮素的高效管理。本文以聚氨酯包膜控釋尿素和新型復(fù)合型抑制劑涂覆尿素為試材, 研究了二者配施條件下, 調(diào)控冬小麥-夏玉米季施肥后氮素的動態(tài)遷移轉(zhuǎn)化的效果, 為開發(fā)高效專用肥和農(nóng)業(yè)面源污染治理提供新的思路和技術(shù)手段。試驗(yàn)設(shè)置不施氮肥(CK)、農(nóng)民習(xí)慣施用尿素[CV, 冬小麥和夏玉米習(xí)慣施氮量分別為285 kg(N)×hm-2和225 kg(N)×hm-2]、優(yōu)化施用尿素(OPT, 冬小麥和夏玉米優(yōu)化施氮量分別為199.50 kg(N)×hm-2和157.50 kg(N)×hm-2)、優(yōu)化施氮量下控釋尿素+普通尿素(CRF1, 冬小麥和夏玉米控釋氮分別占40%和30%)和2個(gè)優(yōu)化施氮量下控釋尿素+抑制劑涂覆尿素(CRF2, 冬小麥季和夏玉米季控釋氮分別占30%和20%; CRF3, 冬小麥季和夏玉米季控釋氮分別占50%和30%)。試驗(yàn)測定了氨揮發(fā)和土壤硝態(tài)氮及作物產(chǎn)量。結(jié)果表明: 在同等施氮量條件下, 與OPT相比, CRF1、CRF2和CRF3在夏玉米、冬小麥季分別顯著降低累積氨揮發(fā)量24.90%~57.00%和10.20%~27.80%, CRF2、CRF3比CRF1分別顯著降低33.30%~42.80%和12.20%~19.60%。施肥后土壤表層硝態(tài)氮含量升高和降低速率由快至慢依次為CV、OPT、CRF1、CRF2和CRF3。夏玉米收獲期土壤剖面殘留硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)由大到小依次是CV、OPT、CRF1、CRF2和CRF3, 而冬小麥則為CV、OPT、CRF2、CRF1和CRF3。與CV和OPT處理相比, 一次性優(yōu)化施氮CRF1、CRF2和CRF3處理冬小麥、夏玉米產(chǎn)量沒有顯著差異。CRF2和CRF3凈收入與其他施氮處理相比略有增加, 與CRF1相比在夏玉米季增加639元·hm-2和859元·hm-2, 在冬小麥季降低1 196元·hm-2和增加61元·hm-2。控釋氮和穩(wěn)定氮為5︰5(冬小麥)和3︰7(夏玉米)表現(xiàn)效果最佳。

復(fù)合抑制劑; 涂覆工藝; 控釋尿素; 氨揮發(fā); 淋溶; 冬小麥-夏玉米; 產(chǎn)量

控釋肥料在我國發(fā)展和應(yīng)用已有數(shù)年, 產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊, 但能夠在市場上認(rèn)可的主要為聚烯烴包膜和聚氨酯包膜控釋肥料[1]。聚烯烴包膜肥料為首代產(chǎn)品, 工藝比較成熟, 應(yīng)用程度相對較高, 但是相對于聚氨酯包膜肥料來說成本相對高、產(chǎn)能略低、膜材降解性略低; 而聚氨酯包膜肥料作為第2代產(chǎn)品, 雖然有其自身優(yōu)點(diǎn), 但在應(yīng)用技術(shù)成熟度方面不如聚烯烴包膜肥料[2-3]。近幾年來, 聚氨酯包膜肥料在某些區(qū)域夏玉米()上應(yīng)用得到了一定的驗(yàn)證, 但效果還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和穩(wěn)定, 尤其在冬小麥()、水稻()等作物上, 需要提高其對氮素的調(diào)控性能[4-7]。而含有抑制劑類的穩(wěn)定性肥料, 國內(nèi)外研究的也較早, 雖然已有一百余種產(chǎn)品, 但只有N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、氫醌(HQ)兩種脲酶抑制劑和雙氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)兩種硝化抑制劑已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用并作為商品在市場流通, 如果考慮到毒性等因素, 脲酶抑制劑NBPT和硝化抑制劑DMPP是最有應(yīng)用前景的兩種抑制劑, 但仍然存在易分解、淋失、效果不穩(wěn)定的問題, 受到多種因素的影響[8]。溫度是影響硝化抑制劑效果及有效性的重要因素, 較高溫度下抑制劑降解速率明顯加快, 半衰期縮短, 揮發(fā)損失增多[9-10]。降雨過多導(dǎo)致施肥后NBPT效果降低[11], 低土壤含水量條件下, DMPP更易被土壤吸附, 使得存留量增加[12-13]。因此, 目前穩(wěn)定性尿素在玉米上應(yīng)用雖然有一定穩(wěn)定氮素, 減少其損失的效果, 但還有較大的提升空間, 而在冬小麥、水稻等作物上難以一次性施用, 還需要多次追肥。

控釋肥料和穩(wěn)定性肥料各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？蒯尫柿系膬?yōu)點(diǎn)是氮素釋放主要受溫度影響, 隨溫度變化釋放期可調(diào)節(jié), 但只有1個(gè)釋放高峰, 如果季節(jié)跨度大, 效果會減弱, 一般在冬小麥上的應(yīng)用效果不佳; 穩(wěn)定性肥料有效作用期短, 低溫效果好于高溫效果。因此, 如果能夠優(yōu)化組合兩種肥料, 同時(shí)發(fā)揮兩種肥料的優(yōu)勢[14-15], 揚(yáng)長避短, 讓穩(wěn)定性肥料調(diào)控前期氮素釋放、控釋肥料調(diào)控中后期氮素釋放, 可能會進(jìn)一步提高兩種肥料在夏玉米上的應(yīng)用效果,同時(shí)在小麥上應(yīng)用會取得一定的技術(shù)突破。目前國內(nèi)外在此方面的研究鮮見報(bào)道。本文通過合理組配控釋氮素和穩(wěn)定尿素, 采用這種雙控技術(shù)研究對氮素的調(diào)控特征和效果, 以期更大程度地減少氮素?fù)p失, 降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn), 增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

聚氨酯包膜控釋尿素, 釋放期為60 d, 含純氮43.50%(四川好時(shí)吉化工有限公司生產(chǎn)); 抑制劑涂覆尿素(普通尿素+NBPT+DMPP), 抑制劑用量為0.43%, 含純氮45.10%; 抑制劑為北京百靈威科技有限公司生產(chǎn), 抑制劑涂覆尿素為河北冀衡賽瑞化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在河北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大河實(shí)驗(yàn)站, 位于石家莊市鹿泉市大河鎮(zhèn)大河村, 屬于黃淮海半濕潤平原區(qū)氣候, 四季分明。供試土壤為壤質(zhì)潮土, 土壤肥力水平中等, 0~20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量16.29 g?kg–1、全氮0.70 g?kg–1、全磷0.06 g?kg–1、全鉀18.17 g?kg–1、有效磷5.40 mg?kg–1、速效鉀62.00 mg?kg–1, pH 8.34。

供試夏玉米品種為‘鄭丹958’, 冬小麥品種為‘輪選987’。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理, 3次重復(fù)。處理1: CK, 不施氮肥; 處理2: CV, 習(xí)慣施氮, 氮肥為普通尿素, 基追比為1∶1, 冬小麥和夏玉米施氮量分別為285 kg(N)?hm–2和225kg(N)?hm–2; 處理3: OPT, 在處理2基礎(chǔ)上優(yōu)化施氮量, 根據(jù)長期定位試驗(yàn)和測土配方施肥結(jié)果, 冬小麥和夏玉米施氮量分別為199.5 kg(N)?hm–2和157.5 kg(N)?hm–2, 基追比為1∶1; 處理4: CRF1, 為控釋尿素和普通尿素配施, 控釋氮∶速效氮為4∶6(冬小麥)和3∶7(夏玉米); 處理5: CRF2, 為控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定氮為3∶7(冬小麥)和2∶8(夏玉米); 處理6: CRF3, 為控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定氮為5∶5(冬小麥)和3∶7(夏玉米); 處理4、5和6均采用一次性基施方式, 施氮量與處理3相同。處理4、5和6配比的設(shè)計(jì)依據(jù): 根據(jù)前期研究基礎(chǔ)及對國內(nèi)該領(lǐng)域的認(rèn)知, 以控釋肥為核心的冬小麥和夏玉米專用肥, 控釋氮含量一般分別在40%~50%、30%~40%較合理, 其余為速效氮含量。根據(jù)這個(gè)基礎(chǔ), 結(jié)合冬小麥、夏玉米需氮規(guī)律, 以及控釋和抑制對氮素的作用期, 設(shè)計(jì)出這3個(gè)處理的配比。

試驗(yàn)田分為微區(qū)和小區(qū), 各18個(gè)。每個(gè)微區(qū)面積為2 m2, 長2 m, 寬1 m, 四周用PVC板隔開, PVC板埋深0.60 m; 每個(gè)小區(qū)面積為12 m2, 長4 m, 寬3 m, 四周起壟, 小區(qū)間隔0.50 m。微區(qū)內(nèi)部各處理、小區(qū)內(nèi)部各處理隨機(jī)排列。處理間每個(gè)微區(qū)種植的夏玉米、冬小麥棵數(shù)相同, 夏玉米株行距分別為25 cm和50 cm, 冬小麥行距為13 cm, 苗期進(jìn)行疏苗和定植, 保持棵數(shù)一致。夏玉米于2018年6月26日播種, 追肥于小喇叭口期進(jìn)行; 冬小麥于2018年10月15日播種, 追肥于拔節(jié)期進(jìn)行。夏玉米、冬小麥磷鉀肥習(xí)慣用量分別為75 kg(P2O5)·hm-2、90 kg(K2O)·hm-2和90 kg(P2O5)·hm-2、60 kg(K2O)·hm-2, 所有處理施磷鉀量相同, 均為一次性底施。澆水、除草措施等田間管理按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行, 微區(qū)、小區(qū)各自內(nèi)部所有處理澆水量一致, 采用微噴灌方式。

1.3 取樣及數(shù)據(jù)處理

在微區(qū)內(nèi), 施肥后約15 d內(nèi)測定氨揮發(fā), 直到氨揮發(fā)速率痕量為止, 同時(shí)每天取0~20 cm土層土樣測定硝態(tài)氮含量, 10 d后定期取樣測定。

收獲后用土鉆取0~200 cm土層土樣, 20 cm為一層, 采用連續(xù)流動分析儀(TRAACS 2000, Bran and Luebbe)法測定硝態(tài)氮含量, 采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量[16]。

土壤氨揮發(fā)的捕獲方法采用通氣法[17-18]。在施肥當(dāng)天開始進(jìn)行土壤氨揮發(fā)氣體的收集, 施肥后每天8:00—10:00取樣, 每天取樣1次, 直至監(jiān)測不到氨揮發(fā)時(shí)為止。

田間土壤氨揮發(fā)通量的計(jì)算公式為:

土壤氨揮發(fā)通量(kg·hm-2·d-1)=單個(gè)裝置每次所測氨量/(捕獲裝置橫截面積×每次連續(xù)捕獲時(shí)間) (1)

小區(qū)播種采用機(jī)播, 只在收獲期進(jìn)行測產(chǎn)。收獲測產(chǎn)時(shí)每個(gè)小區(qū)取整3行玉米植株, 取2 m2小麥, 待自然風(fēng)干后測產(chǎn)。

圖表制作、數(shù)據(jù)計(jì)算與處理及相關(guān)分析等采用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行; 方差分析和多重比較采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋與穩(wěn)定尿素配施后土壤氨揮發(fā)特征

CV、OPT處理分別在播種以及之后第33 d(夏玉米)、124 d(冬小麥)時(shí)進(jìn)行了肥料基施和追施, CRF1、CRF2和CRF3處理在播種時(shí)進(jìn)行肥料一次性底施。從玉米、小麥季施基、追肥后氨揮發(fā)特征可看出(圖1), 氨揮發(fā)速率整體上呈現(xiàn)出在第2~3 d左右達(dá)到峰值, 之后呈現(xiàn)放緩趨勢。與小麥季相比, 玉米季氨揮發(fā)整體速率大, 揮發(fā)周期短, 其氨揮發(fā)劇烈程度顯著強(qiáng)于小麥。在玉米季, CV處理累積氨揮發(fā)量顯著高于其他處理, 基施和追施肥料后分別達(dá)12.67 kg(N)×hm-2和34.14 kg(N)×hm-2。其次是OPT處理, 基施后累積氨揮發(fā)量低于CRF1處理, 是因?yàn)榛┓柿现兴傩У实牧啃∮诤笳? 但追肥后CRF1、CRF2和CRF3分別比OPT累積氨揮發(fā)量顯著降低24.90%~57.00%, 說明OPT即使是分次施肥, 如果不對氮素進(jìn)行調(diào)控, 氨揮發(fā)損失量依然很高。CRF1、CRF2和CRF3之間相比, 后兩者由于對尿素實(shí)現(xiàn)了雙重調(diào)控, 因此, 施肥后累積氨揮發(fā)量分別比CRF1顯著降低33.30%和42.80%。此外, 雖然CRF1、CRF2和CRF3處理的肥料為一次性底施, 但在追肥期后亦有氨揮發(fā)產(chǎn)生, 說明在夏玉米拔節(jié)—喇叭口階段這3個(gè)處理能夠釋放出一定量的氮素供夏玉米吸收, 均表現(xiàn)出了一定的緩釋或者抑制作用。三者相比, 總體降低夏玉米氨揮發(fā)損失的效果CRF3最好。

圖1 不同施肥處理夏玉米和冬小麥的累積氨揮發(fā)動態(tài)

CK: 不施氮肥; CV: 習(xí)慣施氮; OPT: 優(yōu)化施氮量; CRF1: 控釋尿素和普通尿素配施, 控釋氮∶速效氮為4∶6(冬小麥)和3∶7(夏玉米); CRF2: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為3∶7(冬小麥)和2∶8(夏玉米); CRF3: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為5∶5(冬小麥)和3∶7(夏玉米)。CK: no nitrogen application; CV: conventional urea application; OPT: optimized urea application; CRF1: controlled-release urea + common urea, controlled released nitrogen accounting for 40% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF2: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled released nitrogen accounting for 30% and 20%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF3: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled-release nitrogen accounting for 50% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize.

小麥季累積氨揮發(fā)量最高的是CV處理, 基施和追施肥料后氨揮發(fā)累積量分別達(dá)4.31 kg(N)×hm-2和9.23 kg(N)×hm-2, 顯著高于其他處理。OPT處理施基肥后的累積氨揮發(fā)量顯著高于CRF2和CRF3處理, 但顯著低于CRF1處理, 施追肥后顯著高于CRF1、CRF2和CRF3處理。CRF1累積氨揮發(fā)量顯著高于CRF2和CRF3處理, 后兩者差異不顯著。CRF1、CRF2和CRF3處理比OPT處理顯著降低了累積氨揮發(fā)量10.20%~27.80%, CRF2、CRF3分別比CRF1顯著降低12.20%和19.60%, CRF3表現(xiàn)最好。從累積氨揮發(fā)曲線斜率可分析出, 基施后CV、CRF1和CRF3處理斜率最大處分別在施肥后第4 d、6 d和7 d, 可能是氨揮發(fā)最強(qiáng)烈的時(shí)間。上述分析說明CRF2和CRF3處理控釋和抑制作用雙重調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化降低氨揮發(fā)量的效果優(yōu)于CRF1單一調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化效果, 同時(shí)從曲線的變化趨勢也可看出, 一次性底施3個(gè)處理在追肥期后能夠釋放出一定量的氮素供作物需要。

2.2 控釋與穩(wěn)定尿素配施后表層土壤硝態(tài)氮動態(tài)變化

從圖2可看出, 肥料基施后21 d內(nèi)(除第8 d外), 夏玉米CV、OPT和CRF1處理土壤硝態(tài)氮含量的變化均呈現(xiàn)出逐漸升高再降低的趨勢。CV處理硝態(tài)氮含量上升速率最快, 于第3 d達(dá)到峰值58.10 mg×kg-1, 之后下降的速率也最快, 第6 d時(shí)降低為26.40 mg×kg-1, 第8 d時(shí)再次達(dá)到峰值, 為65.10 mg×kg-1, 之后迅速下降, 至追肥前為15.40 mg×kg-1。OPT處理由于施速效氮量少, 上升和下降的速率均慢于CV處理并于第4 d達(dá)到峰值49.40 mg×kg-1。一次性底施3個(gè)處理, 硝態(tài)氮含量高峰期都延后, 分別出現(xiàn)在第21 d、37 d和31 d, CRF3峰值最高。從整體趨勢上看, CRF1硝態(tài)氮含量上升速率大于CRF2和CRF3, 說明抑制劑涂覆尿素部分起到了延緩氮素轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的作用。追施肥料后, CV、OPT處理硝態(tài)氮含量再次迅速升高, 第2~4 d出現(xiàn)峰值, 約第8 d后逐漸降低。CRF1、CRF2和CRF3處理在第33 d后土壤表層依然保持相對較高的硝態(tài)氮含量, 整體趨勢表現(xiàn)為CRF3>CRF2>CRF1。在40 d后至夏玉米收獲前, 一次性底施3個(gè)處理表層土壤硝態(tài)氮含量高于OPT處理的趨勢逐漸明顯, 在58 d時(shí)CRF3與OPT達(dá)顯著差異, 但整體上與CV處理差異不顯著, 這是因?yàn)镃V處理施氮量高, 同時(shí)進(jìn)行了追肥; CRF2和CRF3處理硝態(tài)氮含量高于CRF1的趨勢也越來越明顯, 43~58 d前后CRF3顯著高于CRF1處理。

圖2 不同施肥處理夏玉米和冬小麥0~20 cm土壤的硝態(tài)氮含量

CK: 不施氮肥; CV: 習(xí)慣施氮; OPT: 優(yōu)化施氮量; CRF1: 控釋尿素和普通尿素配施, 控釋氮∶速效氮為4∶6(冬小麥)和3∶7(夏玉米); CRF2: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為3∶7(冬小麥)和2∶8(夏玉米); CRF3: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為5∶5(冬小麥)和3∶7(夏玉米)。不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。CK: no nitrogen application; CV: conventional urea application; OPT: optimized urea application; CRF1: controlled-release urea + common urea, controlled released nitrogen accounting for 40% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF2: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled released nitrogen accounting for 30% and 20%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF3: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled-release nitrogen accounting for 50% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

冬小麥季基施、追施肥料后施氮處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于夏玉米(圖2), 說明其淋溶強(qiáng)度弱。基施后追施前期間, 所有施氮處理表層土壤硝態(tài)氮含量都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢, 不過速率不同。CV處理上升和下降速率最大, 在基施后第5 d達(dá)到峰值, 為110.51 mg×kg-1, 顯著高于同期其他處理; OPT處理峰值出現(xiàn)在基施后第6 d, 為72.41 mg×kg-1。追肥前CRF1、CRF2和CRF3處理表層土壤硝態(tài)氮含量緩慢增加, 分別在施氮后第6 d、9 d和9 d達(dá)到峰值(89.42 mg×kg-1、81.22 mg×kg-1和89.23 mg×kg-1), 比CV處理的峰值分別降低19.11%、26.50%和19.21%, 但均比OPT處理高; 到追肥之前(31 d), CRF3已經(jīng)顯著高于CV和OPT處理。CRF1、CRF2和CRF3處理間比較, 后兩者延緩氮素轉(zhuǎn)化的能力更強(qiáng), 到基施后期追肥之前硝態(tài)氮含量已經(jīng)顯著高于CRF1。從追施后(基施124 d后)可看出, CV和OPT處理土壤硝態(tài)氮含量迅速上升, 并于129 d達(dá)到峰值, 為264.02 mg×kg-1和220.41 mg×kg-1, 顯著高于其他處理, 之后迅速下降, 至151 d時(shí)OPT處理已經(jīng)顯著低于CRF3處理。CRF1、CRF2和CRF3處理雖然沒有進(jìn)行追肥, 但在追肥期也釋放出了一定量的硝態(tài)氮, 在第129 d時(shí)土壤硝態(tài)氮含量再次達(dá)到高峰, 之后呈下降趨勢, 但CRF1下降速率較快, CRF3下降最慢, 至151 d時(shí)CRF1和CRF3土壤硝態(tài)氮達(dá)顯著差異。

2.3 控釋與穩(wěn)定尿素配施后收獲期土壤剖面硝態(tài)氮變化

從夏玉米收獲期2 m土層內(nèi)硝態(tài)氮含量分布(圖3)可看出, 表層0~20 cm內(nèi)CRF3最高, 依次是CRF2、CRF1、CV、OPT, 且CRF3顯著高于后四者; 0~100 cm土層內(nèi)CRF3和CRF2呈現(xiàn)較高含量, 而100 cm以下CV處理硝態(tài)氮含量高于其他處理, 180~200 cm土層內(nèi)CRF2和CRF3處理硝態(tài)氮含量顯著低于CV和OPT處理。夏玉米季多雨, CV處理施氮量高且都為速效氮, 硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)大, CRF2和CRF3為控釋尿素配施抑制劑涂覆尿素, 雙重延緩氮素的釋放和轉(zhuǎn)化, 其作用比單一的控釋尿素配施普通尿素在減少硝態(tài)氮淋失方面作用明顯。

圖3 不同施肥處理夏玉米和冬小麥?zhǔn)斋@期土壤剖面硝態(tài)氮含量

CK: 不施氮肥; CV: 習(xí)慣施氮; OPT: 優(yōu)化施氮量; CRF1: 控釋尿素和普通尿素配施, 控釋氮∶速效氮為4∶6(冬小麥)和3∶7(夏玉米); CRF2: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為3∶7(冬小麥)和2∶8(夏玉米); CRF3: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為5∶5(冬小麥)和3∶7(夏玉米)。不同小寫字母表示處理間在0.05 水平差異顯著。CK: no nitrogen application; CV: conventional urea application; OPT: optimized urea application; CRF1: controlled-release urea + common urea, controlled released nitrogen accounting for 40% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF2: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled released nitrogen accounting for 30% and 20%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF3: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled-release nitrogen accounting for 50% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

從冬小麥?zhǔn)斋@后土壤硝態(tài)氮含量分布可看出, CV處理土壤硝態(tài)氮含量分布較均勻, 0~200 cm土層硝態(tài)氮濃度變化幅度小, 說明整體淋溶較強(qiáng)。OPT處理雖然施氮量少且分次施肥, 但硝態(tài)氮?dú)埩袅勘纫淮涡缘资?個(gè)處理小, 而且在180~200 cm土層內(nèi)高于此3個(gè)處理, 說明向下淋溶強(qiáng)度大。CRF1、CRF2和CRF3處理土壤硝態(tài)氮含量主要集中在0~60 cm土層內(nèi), 60 cm以下土層硝態(tài)氮含量急劇下降。0~20 cm土層內(nèi)CRF3最高, CRF2顯著低于CRF3, 180~200 cm土層內(nèi) CRF2顯著高于CRF3, 這與夏玉米收獲后土壤硝態(tài)氮含量的分布情況不同。冬小麥生長期過長, 抑制劑穩(wěn)定作用時(shí)間相對較短, 而控釋作用的周期較長, CRF1比CRF2控釋成分比例高, CRF2調(diào)控能力相對較弱, CRF3控釋成分高于CRF2、抑制成分高于CRF1, 所以淋失風(fēng)險(xiǎn)最低。

2.4 控釋與穩(wěn)定尿素配施后對夏玉米和冬小麥產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

與CV處理相比, 一次性優(yōu)化施肥CRF1、CRF2和CRF3處理夏玉米產(chǎn)量沒有顯著降低; CRF1與OPT、CRF2和CRF3相比, 夏玉米產(chǎn)量略有下降但差異不顯著。CRF2和CRF3夏玉米凈收入與其他施氮處理相比略有增加, 比CRF1處理分別增加639元×hm-2和859元×hm-2(表1)。

表1 不同施肥處理夏玉米和冬小麥的氮素利用率及經(jīng)濟(jì)效益

CK: 不施氮肥; CV: 習(xí)慣施氮; OPT: 優(yōu)化施氮量; CRF1: 控釋尿素和普通尿素配施, 控釋氮∶速效氮為4∶6(冬小麥)和3∶7(夏玉米); CRF2: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為3∶7(冬小麥)和2∶8(夏玉米); CRF3: 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施, 控釋氮∶穩(wěn)定抑制氮為5∶5(冬小麥)和3∶7(夏玉米)。表內(nèi)數(shù)據(jù)以2018年的市場價(jià)計(jì): 普通尿素2 200元·t-1, 控釋尿素3 100元·t-1, 新型復(fù)合抑制劑涂覆尿素2 361元·t-1, 玉米1 500元·t-1, 玉米追肥勞動力投入300元·hm-2, 冬小麥2 200元·t-1, 小麥追肥勞動力投入300元·hm-2。不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。CK: no nitrogen application; CV: conventional urea application; OPT: optimized urea application; CRF1: controlled-release urea + common urea, controlled released nitrogen accounting for 40% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF2: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled released nitrogen accounting for 30% and 20%, respectively for winter wheat and summer maize; CRF3: controlled-release urea + inhibitor coated urea, controlled-release nitrogen accounting for 50% and 30%, respectively for winter wheat and summer maize. Data in the table were calculated based on average market price in 2018. With conventional urea 2 200 ￥·t-1, controlled release urea and urea coated with a new compound inhibitor were 3 100 ￥·t-1and 2 361 ￥·t-1, respectively. The prices of maize and wheat were 1 500 ￥·t-1and 2 200 ￥·t-1. Labor input for topdressing of wheat and maize was 300 ￥·hm-2, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

一次性優(yōu)化施肥CRF1、CRF2和CRF3處理冬小麥產(chǎn)量高于CV和OPT處理, CRF1、CRF2和CRF3之間差異不顯著, CRF1和CRF3顯著高于OPT處理; 總體上看, CRF3表現(xiàn)最佳, CRF2在冬小麥上的調(diào)控效果差于夏玉米。CRF2和CRF3冬小麥凈收入與CV和OPT處理相比略有增加, 分別比CRF1降低1 196元×hm-2和增加61元×hm-2(表1)。CRF1、CRF2和CRF3處理有效減少了氮素?fù)]發(fā)和淋溶, 從綜合效益來看, CRF3效果最好(表1)。

3 討論與結(jié)論

本研究表明, 控釋尿素和抑制劑涂覆尿素配施的兩個(gè)處理(CRF2和CRF3)不僅比常規(guī)施肥(CV)和優(yōu)化施肥(OPT)穩(wěn)定氮素的作用更強(qiáng), 而且比控釋尿素和普通尿素配施(CRF1)減少了氮素?fù)]發(fā)量和淋失風(fēng)險(xiǎn), 這主要是因?yàn)榭蒯尯鸵种齐p重調(diào)控的效果。以往的研究都是控釋尿素和普通尿素相比, 研究氨揮發(fā)損失量, 并最終得出控釋是減少氨揮發(fā)的較好技術(shù)[19]。而本文的結(jié)論是控釋和抑制雙重調(diào)控的作用優(yōu)于單一的控釋作用。如盧艷艷等[19]研究得出, 冬小麥?zhǔn)┗屎? 普通尿素、硫包膜和樹脂包膜控釋尿素土壤氨揮發(fā)通量峰值分別出現(xiàn)在施肥后第3 d、6 d和7 d, 而本文普通尿素、控釋尿素配施普通尿素、控釋尿素配施抑制劑涂覆尿素土壤氨揮發(fā)通量峰值分別出現(xiàn)在基施后第4 d、6 d和7 d, 控釋和抑制的配合作用凸顯。

夏玉米產(chǎn)量表現(xiàn)較好的是CRF2和CRF3處理, 而冬小麥產(chǎn)量表現(xiàn)較好的則是CRF1和CRF3?？赡艿脑蚴? 夏玉米生長期短, 溫差變化幅度小, 因此控釋和抑制的雙重調(diào)控作用發(fā)揮的更好; 而冬小麥生長期長, 需經(jīng)歷凍融和初夏高溫, 冬前抑制作用凸顯, 但到返青拔節(jié)期后, 抑制的作用弱化, 而控釋期較長, 在返青拔節(jié)期能繼續(xù)發(fā)揮作用。由于CRF3控釋部分所占比例比CRF1高、抑制部分所占比例比CRF2高, 因此, 三者中CRF3表現(xiàn)出最佳效果, 而CRF1在冬小麥上相對于CRF2表現(xiàn)較好, CRF2在夏玉米上相對于CRF1表現(xiàn)較好。冬小麥控釋專用尿素中, 一般控釋氮和普通氮的最佳比例為4∶6[20], 控釋氮的比例過高或過低都會影響氮素吸收和小麥產(chǎn)量。而本文的研究結(jié)果也間接驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

施基肥后CRF2處理冬小麥季表層土壤硝態(tài)氮含量在后期呈現(xiàn)最高態(tài)勢, 說明在追肥前對氮素的調(diào)控效果優(yōu)于CRF3和CRF1, 追肥后CRF2則差于CRF3, 說明施基肥后一段時(shí)間內(nèi)抑制作用體現(xiàn)的更強(qiáng), 而基施到追施由于時(shí)間跨度大, 施追肥后控釋作用發(fā)揮的更強(qiáng)。同時(shí)進(jìn)一步說明, 抑制和控釋作用各在某一方面或一階段表現(xiàn)的效果更佳[21], 因此, 將二者組合應(yīng)用前景和意義深遠(yuǎn), 二者組合是解決抑制劑效果不穩(wěn)定的有效途徑, 是肥料應(yīng)用領(lǐng)域未來的發(fā)展方向之一[22]。迄今為止只有日本研發(fā)出Dd-Meister緩控釋肥, 采用的是控釋和抑制雙重包膜技術(shù), 目前被廣泛用于日本的茶葉生產(chǎn)中, 該緩控釋肥既可以減少氮肥施用量, 還可以提高茶葉的品質(zhì), 減少對環(huán)境的負(fù)面影響[23]。此外, Frame等[24]也用硫酸鈣、硫酸鉀與抑制劑結(jié)合對尿素包膜, 顯著減少了氨揮發(fā), 并為作物提供了少量硫[25]。其他采用控釋和抑制雙重調(diào)控的研究鮮見報(bào)道。

相同施氮量下, 控釋尿素與普通尿素、控釋尿素與穩(wěn)定尿素配施均比普通尿素減少氨揮發(fā)量、硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn), 增加經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)控釋氮比例相同時(shí), 在夏玉米季, 控釋尿素與穩(wěn)定尿素配施比控釋尿素與普通尿素配施減少氨揮發(fā)量、降低硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)、增加經(jīng)濟(jì)效益。在冬小麥季, 控釋尿素與穩(wěn)定尿素配施(控釋氮∶穩(wěn)定氮為5∶5)比控釋尿素和普通尿素配施(控釋氮∶速效氮為4∶6)減少氨揮發(fā)量、硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn), 增加經(jīng)濟(jì)效益, 但控釋尿素與穩(wěn)定尿素配施(控釋氮∶穩(wěn)定氮為3∶7)則不如控釋尿素和普通尿素配施(控釋氮∶速效氮為4∶6)的調(diào)控效果好。

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Effects of controlled-release and stable urea application on soil nitrogen transport and yields of winter wheat and summer maize*

XIAO Qiang1, LI Hongyan1, YI Wenping1, ZOU Guoyuan1, WEI Dan1, SUN Shiyou2**, LI Lixia1**

(1. Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences / Beijing Engineering Technology Research Center for Slow / Controlled-release Fertilizer, Beijing 100097, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China)

The combined application of controlled-release and stable urea can enhance the efficiency of nitrogen management. In the present study, a combination of polyurethane-coated controlled-release urea and inhibitor-coated urea were used to study the effect of nitrogen transformation in winter wheat and summer maize. The results will provide new ideas and technical means for the development of high-efficiency fertilizer and limited non-point source pollution. The study included six treatments: no nitrogen application (control), traditional nitrogen application [CV, 285 and 225 kg(N)×hm-2in wheat and maize, respectively], optimized nitrogen application [OPT, 199.50 and 157.50 kg(N)×hm-2in wheat and maize, respectively], controlled-release urea + traditional urea application (CRF1, 40% and 30% controlled released nitrogen for wheat and maize, respectively), controlled-release urea + inhibitor-coated urea (CRF2, 30% and 20% controlled released nitrogen for wheat and maize, respectively), and controlled-release urea + inhibitor-coated urea (CRF3, 50% and 30% controlled released nitrogen for wheat and maize, respectively). CRF1, CRF2 and CRF3 were all the optimized nitrogen application, which significantly reduced cumulative ammonia volatilization during the summer maize and winter wheat seasons by 24.90%-57.00% and 10.20%-27.80%, respectively, compared with OPT treatment. At the same nitrogen application rate, the cumulative ammonia volatilization of CRF2 and CRF3 treatments were significantly lower than that of CRF1 treatment by 33.30%-42.80% and 12.20%-19.60% during the summer maize and winter wheat seasons, respectively. After fertilization, the rate of soil nitrate increase or decrease was greatest in CV treatment, followed by OPT, CRF1, CRF2, and CRF3 treatments. During the summer maize harvest period, the risk of residual nitrate leaching was highest in CV treatment, followed by OPT, CRF1, CRF2, and CRF3 treatments; whereas during the winter wheat season, leaching rate decreased as follows: CV, OPT, CRF2, CRF1, and CRF3. The yields of both winter wheat and summer maize under CRF1, CRF2, or CRF3 treatments were not significantly different from those of CV or OPT treatments. However, the net incomes of CRF2 and CRF3 treatments were 639 ￥×hm-2and 859 ￥×hm-2greater than that of CRF1 treatment during the summer maize season, whereas they were 1 196 ￥×hm-2less and 61 ￥×hm-2greater than that of CRF1 treatment during the winter wheat season. The favorable ratios of controlled-release nitrogen to stable nitrogen were 5︰5 and 3︰7 for winter wheat and summer maize, respectively, in the study area.

Composite inhibitor; Coating process; Controlled release urea; Ammonia volatilization; Leaching; Winter wheat-summer maize; Yield

S145.6

10.13930/j.cnki.cjea.200117

肖強(qiáng), 李鴻雁, 衣文平, 鄒國元, 魏丹, 孫世友, 李麗霞. 控釋與穩(wěn)定尿素配施對土壤氮素遷移及冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(10): 1591-1599

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* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFD0800604, 2018YFD0200608)、北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20200418)、河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20323601D)、河北省農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2019-1-03)和國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系任務(wù)委托協(xié)議(CARS-02-88)資助

孫世友, 主要從事施肥與環(huán)境研究, E-mail: sunshiyou@126.com; 李麗霞, 主要從事施肥與環(huán)境研究, E-mail: ashleyllx@ 163.com

肖強(qiáng), 主要從事新型肥料研究。E-mail: xqiang1978@163.com

2020-02-21

2020-05-06

* The study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0800604, 2018YFD0200608), the Science and Technology Innovation Capacity Building Project of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences (KJCX20200418), the Key Research and Development Project of Hebei Province (20323601D), the Innovation Project of Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences (2019-1-03), and the Task Entrustment Agreement of National Corn Industry Technology System (CARS-02-88).

SUN Shiyou, E-mail: sunshiyou@126.com; LI Lixia, E-mail: ashleyllx@163.com

Feb. 21, 2020;

May 6, 2020