控釋復合肥對坡耕地花生產(chǎn)量及氮素流失的影響

楊修一，張清行，盧曉峰，葛祥菡，吳凱笛，劉前進，耿計彪*

（1 山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室 / 臨沂大學資源環(huán)境學院，山東臨沂 276000；2 臨沂大學農林科學學院，山東臨沂 276000；3 金沂蒙集團有限公司，山東臨沂 276700）

花生是重要的油料作物和經(jīng)濟作物，保障花生優(yōu)質高產(chǎn)對于我國油糧安全具有不可或缺的作用[1-2]。山東省是全國最大的花生生產(chǎn)和出口基地，種植區(qū)主要分布在膠東半島、南部和中西部等區(qū)域，其中魯西南地區(qū)丘陵山坡分布著大量的瘠薄坡耕地[3]。砂質坡耕地抗侵蝕性能弱，保水保肥能力差，極易導致水土流失。一方面直接導致土壤質量退化和肥力下降[4]，另一方面隨徑流流失的養(yǎng)分加劇區(qū)域水體的富營養(yǎng)化，造成面源污染，所以從源頭進行養(yǎng)分流失控制有益于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。此外，坡耕地養(yǎng)分流失嚴重，使花生可利用的養(yǎng)分不足，造成籽仁產(chǎn)量和品質下降，制約當?shù)鼗ㄉN植業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟收入。

氮素是花生必需的大量營養(yǎng)元素[8]，施肥是解決土壤氮素供應不足的常規(guī)手段[9-10]。普通化肥養(yǎng)分有效期短，易導致花生前期氮肥過量而后期氮肥供應不足[11]，無法保障整個生育期的氮素需求，而花生本身“上花下果”的生長特點導致追肥不便?？蒯尫矢鶕?jù)作物需求調節(jié)其養(yǎng)分釋放速率，顯著提高作物產(chǎn)量及養(yǎng)分利用率[12-14]。近年來，控釋肥在作物上的良好效果引發(fā)較多關注，但控釋肥在砂質坡耕地中的養(yǎng)分釋放特性及其對花生產(chǎn)量的影響鮮有報道。因此，本研究以砂質坡耕地為研究對象，闡明控釋復合肥對不同生育期花生地氮素淋溶及隨地表徑流的損失特征，揭示控釋復合肥在土壤中的氮素釋放特征與花生氮素吸收規(guī)律的適配性，以期為坡耕地花生高效種植與面源污染防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2021 年在山東省臨沂市雙河峪試驗基地 (35°42′5″N，117°57′51″E) 開展，該地屬于暖溫帶季風氣候，降水集中在6—9 月，平均降水量為950 mm，平均溫度14.3℃，本年度花生生長季內(4—8 月) 降水及溫度變化如圖1 所示，4、5 月降水量小，集中在6—8 月，溫度自5 月下旬開始保持在22℃以上。試驗土壤為棕壤，質地屬砂質壤土，其中砂粒含量為70.8%，黏粒含量為3%，粉粒含量為26.2%，pH 為6.8。全氮和有機質含量分別為0.7 和8.2 g/kg，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀的含量分別為12.9、19.4、14.0 和55.7 mg/kg。

圖1 花生生長季旬平均降水及溫度Fig.1 Average rainfall and temperature per 10 days during growth stage of peanut

供試肥料包括控釋復合肥和普通復合肥，控釋復合肥以聚氨酯為包膜材料，含N-P2O5-K2O 量為15-15-15，25℃靜水中初期溶出率為0.86%，釋放周期為3 個月；普通復合肥含N-P2O5-K2O 量為15-15-15，由山東金沂蒙生態(tài)肥業(yè)有限公司提供。

1.2 試驗設計

于2021 年4 月26 日播種花生，8 月27 日進行收獲，整個生育期無人工灌溉措施。控釋復合肥(CRF)和普通復合肥(CF)均設置一次基施800 和560 kg/hm2兩個處理，相當于N、P2O5、K2O 施用量分別為120、120、120 kg/hm2(100% CRF、100% CF)和84、84、84 kg/hm2(70% CRF、70% CF)，以不施肥為對照，即CK。采用隨機區(qū)組設計，每個處理重復3 次。供試控釋肥和普通復合肥N-P2O5-K2O 比例均為15-15-15。

試驗小區(qū)寬為1.6 m、長10 m、坡度12°，種植密度為10 萬穴/hm2。每個小區(qū)種植兩壟，壟高為10 cm，壟寬為40 cm，起壟時肥料施入壟溝，深度約為8—10 cm?；ㄉシN在肥料一側5 cm 處，然后覆膜至成熟期。試驗地四周由硬塑料板砌成，塑料板埋入土壤15 cm，地面高度為10 cm，以防止養(yǎng)分流入其他區(qū)域；在小區(qū)與徑流池相連端，沿小區(qū)寬度方向挖一個集流槽，集流槽下方放置120 L 的塑料桶，用于收集自然降雨下坡面徑流水樣品，整個生育期能夠收集到的坡面徑流樣品為10 次。每小區(qū)種植兩壟花生，一壟用于采集植株和土壤樣品，一壟用于測產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植株干物質積累量和氮素吸收量 在5 月23 日(苗期，播種后27 天)，6 月26 日(開花下針期，播種后60 天)，7 月24 日(結莢期，播種后88 天)和8 月28 日(成熟期，播種后123 天)，采集長勢均勻的代表性植株4 株，分為地上(葉、花和莖)和地下(根、莢果)部分，帶回實驗室后105℃殺青0.5 h，然后65℃烘干至恒重稱量，地下和地上干物質量之和即為花生干物質累積量。成熟期，每個小區(qū)收獲一壟花生莢果，晾曬、自然風干后稱重，然后計算出仁率、百仁重和產(chǎn)量?；ㄉ仓耆坑脻饬蛩帷p氧水消煮，凱氏定氮儀測定。

1.3.2 徑流液中無機氮含量 每次降雨產(chǎn)生徑流后，用250 mL 塑料瓶收集上清液，每瓶添加1～2 滴濃硫酸減少氨揮發(fā)損失風險，帶回實驗室4℃冷藏，1 周內測定，整個生育期共采集10 次徑流水樣。徑流水中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，采用連續(xù)流動注射分析儀測定[15]，同時根據(jù)徑流水中的濃度和徑流體積計算每次硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失量之和，各次硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失量之和為總流失量。

1.3.3 控釋肥養(yǎng)分釋放特征 制作12 cm×10 cm 的尼龍網(wǎng)袋，裝10 g 控釋肥顆粒(肥料顆粒在105℃烘干3 h)。播種前，在播種行一側10 cm 處挖1 條深10—15 cm、寬14 cm 的土溝，在溝底鋪設20 個肥料袋，并將網(wǎng)袋中的肥料顆粒均勻地分布在溝內的土壤上，覆土[16]。為減少肥料網(wǎng)袋對結果的影響，植株和土壤的采集均避開埋袋處。在播種后的第1 天、第10 天及花生各生育期，每次連續(xù)取3 個肥料網(wǎng)袋，帶回實驗室沖洗干凈，于105℃烘干至恒重，失去的重量即視為控釋復合肥在土壤中的釋放量?？蒯尫世鄯e氮素釋放率和階段氮素釋放率具體計算公式如下：

累積氮素釋放率(%)=(10-第D 天肥料網(wǎng)袋取樣時肥料顆粒干重) /10 ×100

階段氮素釋放率(%)=[(10-第N 天肥料網(wǎng)袋取樣時肥料顆粒干重) /10-(10-第D 天肥料網(wǎng)袋取樣時肥料顆粒干重) /10]×100

式中，D 依次取值為0、1、10、27、60 和88 天；N 依次取值為1、10、27、60、88 和123 天。肥料顆粒干重單位為g。

以不施肥處理植株的氮素吸收量作為土壤氮素供應量[17]。普通復合肥施入土壤后迅速溶解于土壤內，難以區(qū)分肥料釋放量和土壤的供應量，因此將施肥后的土壤氮素供應曲線視為兩者的供應總量?？蒯尫试谕寥乐械牡蒯尫帕烤唧w計算公式如下：

控釋肥氮素釋放量(kg/hm2)=(10-第M 天肥料網(wǎng)袋取樣時肥料顆粒干重) /10×控釋肥施氮量。

式中，M 取值為0、27、60、88 和123 天。肥料顆粒干重單位為g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

相關數(shù)據(jù)的處理與統(tǒng)計分析通過Excel 2016 和SAS 8.0 完成，包括ANOVA 方差分析及Duncan 差異顯著性檢驗，分析差異顯著性(P＜0.05 差異顯著)及方差。文中所有數(shù)據(jù)均為3 次重復的平均值，處理后的數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 12.5 作圖。

肥料對產(chǎn)量的貢獻率=(施肥區(qū)花生產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量)/施肥區(qū)花生產(chǎn)量[18]。

2 結果與分析

2.1 控釋復合肥對坡耕地花生產(chǎn)量及氮素利用率的影響

不同肥料類型和施用量對花生產(chǎn)量及其構成要素產(chǎn)生顯著影響(表1)，100% CRF 處理花生百仁重顯著高于70% CF 處理，其余處理間差異不顯著。100% CRF 單株結莢數(shù)最高，達到48.0 個，70% CRF為41.8 個，均顯著高于普通復合肥和對照處理。各處理出仁率保持在71.2%～74.9%，70% CF 與100% CF 處理差異不顯著，但70% CF 處理顯著低于其他3 個處理。施肥顯著提高了花生莢果產(chǎn)量，100% CRF 處理顯著高于普通復合肥處理，但是70% CRF 處理與普通復合肥處理差異不顯著。籽仁產(chǎn)量最高的是100% CRF 處理，達到3610.7 kg/hm2，較100% CF 處理顯著增產(chǎn)13.8%；70% CRF 與100% CF 處理差異不顯著，較70% CF 處理顯著增加12.4%；普通復合肥籽仁產(chǎn)量與CK 處理三者間差異不顯著。

表1 不同施肥處理下坡耕地花生產(chǎn)量及其構成要素Table 1 Yield and yield components of the peanut as affected by fertilization treatment

不同處理肥料對產(chǎn)量的貢獻率表現(xiàn)出顯著差異(圖2)，100% CRF 處理肥料對產(chǎn)量的貢獻率最大，為19.45%，顯著高于100% CF 處理102.6%；70% CRF 處理肥料貢獻率為14.65%，高于70% CF 處理74.4%。

圖2 肥料對花生產(chǎn)量的貢獻率Fig.2 Fertilizer contribution to peanut yield

2.2 控釋復合肥對坡耕地花生干物質累積量的影響

花生干物質累積量隨生育期進程而增加，CK 處理各生育期干物質積累量均處于最低水平(圖3)。100% CF 處理苗期干物質累積量最高，達到3816.7 kg/hm2，顯著高于70% CRF 處理，但與100% CRF和70% CF 處理差異不顯著。花針期100% CRF 和100% CF 處理干物質累積量分別為5151.7 和5215.0 kg/hm2，分別較70% CF 處理顯著增加了12.2%和13.6%，與70% CRF 處理差異不顯著。結莢期100% CRF 處理的干物質量最高，達到11500.5 kg/hm2，顯著高于其他處理；70% CRF 與100% CF 處理差異不顯著，但顯著高于70% CF。成熟期100% CRF 與70% CRF 處理之間無顯著差異，但分別高于100% CF與70% CF 處理7.1%～8.3%。

圖3 不同施肥處理花生各生育期干物質累積量Fig.3 Peanut dry biomass at different growth stages as affected by fertilization treatments

2.3 控釋復合肥在田間土壤中的氮素釋放特征

控釋復合肥在花生田間土壤中，初期溶出率為0.39%，前10 天釋放13.09%，至苗期時(施肥后27 天)釋放30.89%，此階段養(yǎng)分釋放較快，平均每天溶出率為1.44%；苗期至花針期(施肥后27～60 天)、花針期至結莢期(施肥后60～88 天)、結莢期至成熟期(施肥后88～123 天)的階段釋放率分別為21.8%、18.7%和 18.2%，收獲成熟時的累積釋放率達到89.6% (圖4)。

圖4 控釋復合肥氮素在土壤中的釋放特征Fig.4 Nitrogen release characteristics of controlled-release compound fertilizer (CRF) in soil

2.4 控釋復合肥氮素釋放、土壤氮素供應與花生氮素吸收特征

花生植株氮素吸收量隨生育期推進而呈上升趨勢(圖5)，花針期至結莢期(施肥后60～88 天)氮素吸收增加最為迅速。苗期(施肥后27 天)氮素吸收最高量出現(xiàn)在100% CF 處理，達到93.9 kg/hm2，顯著高于70% CRF 和70% CF 處理，但與100% CRF處理差異不顯著?；ㄡ樒?施肥后60 天)100% CF、100% CRF 和70% CRF 處理氮素吸收量顯著高于70% CF 處理。結莢期(施肥后88 天)各處理氮素吸收量表現(xiàn)為100% CRF＞70% CRF, 100% CF＞70% CF＞CK。成熟期(施肥后123 天)控釋復合肥處理較普通復合肥處理氮素吸收量提高，70% CRF 與100% CF處理差異不顯著，分別比100% CF、70% CF 處理高5.9%～6.0%。

圖5 肥料的氮素釋放、土壤氮素供應和花生氮素吸收施肥后天數(shù)的變化Fig.5 Dynamics of fertilizer N release , soil N supply and peanut N uptake with days after fertilization

控釋復合肥在田間的氮釋放量隨花生生長時間延長而呈現(xiàn)增加趨勢，土壤供氮量和控釋復合肥氮釋放量之和高于植株氮素吸收量。普通復合肥處理，苗期(施肥后27 天)前肥料供氮量高于植株氮素吸收量，但是花針期至成熟期(施肥后60～123天)，土壤和普通復合肥氮素供應總量低于植株氮素吸收量(植株可通過根瘤固氮作用、吸收大氣沉降氮等形式吸收額外氮素)。

2.5 控釋復合肥對坡耕地硝態(tài)氮和銨態(tài)氮徑流損失的影響

各處理徑流水中硝態(tài)氮濃度呈“先下降再上升而后下降”的趨勢(圖6)，CK 處理均處于最低水平。在首次徑流水中，100% CF 處理硝態(tài)氮濃度最高，達到2.8 mg/L，顯著高于100% CRF (2.0 mg/L) 和70% CF (1.8 mg/L)。施肥后49 和51 天的徑流水中，100% CF 處理硝態(tài)氮濃度最高。施肥后63 和66 天徑流水中硝態(tài)氮濃度出現(xiàn)一個峰值，同等施肥量下，普通復合肥處理硝態(tài)氮濃度高于控釋復合肥處理，其后各處理硝態(tài)氮濃度呈動態(tài)下降趨勢，但各處理間差異不顯著。各次徑流水中的銨態(tài)氮濃度表現(xiàn)出與硝態(tài)氮相似的變化趨勢，不施肥處理處于最低水平(圖6)，首次徑流水中，100% CF 處理銨態(tài)氮濃度最高(2.7 mg/L)，其余處理保持在1.3～1.7 mg/L；施肥后49 和51 天的徑流水中，控釋復合肥處理低于普通復合肥，其余時間各處理差異不顯著。

圖6 不同施肥處理下土壤徑流水中硝態(tài)氮(a)和銨態(tài)氮(b)濃度Fig.6 NO3--N and NH4+-N contents in runoff water under different fertilization treatments

從不同施肥處理的地表徑流水中無機氮流失量(表2)可以看出，不施肥處理各時期流失量均處于最低值。整個生育期來看，施肥后41 至63 天，徑流水中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失量逐漸下降；施肥后66 和95 天呈現(xiàn)上升趨勢，而后下降。第一次(施肥后41 天)徑流水中，100% CF 處理流失量最高，達到139.92 mg，顯著高于其他處理，100% CRF、70% CRF 和70% CF 處理差異不顯著，流失量在95.06～106.79 mg；施肥后51 和63 天，100% CF 處理顯著高于CK 處理，其他時期各處理差異不顯著。整個生育期，CK 處理流失總量為362.4 mg，顯著低于施肥處理；施肥處理間差異不顯著，各處理總流失量為428.77～488.28 mg。

表2 不同施肥處理下各小區(qū)土壤徑流水中無機氮流失量 (mg)Table 2 Inorganic N loss in runoff water of different fertilization treatment plots

3 討 論

3.1 控釋復合肥氮素釋放與花生氮素吸收的相關性

控釋肥料是利用包膜工藝使肥料養(yǎng)分在作物生長季節(jié)按照一定模式釋放的一類肥料[19]，其釋放速率主要受土壤溫度和含水量的影響。本研究中，控釋復合肥前30 天釋放了30.89%的氮素(圖4)，保證了苗期植株對氮素的需求。花生在苗期需肥總量少，更多的吸收利用土壤中的養(yǎng)分，少量的氮素供應可避免奢侈吸收和旺長；結莢期是生殖和營養(yǎng)生長最旺盛的時期，對養(yǎng)分的需求量最大[3]，而自開花下針期至結莢期正處于控釋復合肥的釋放高峰期；在收獲期氮素釋放率達到90%，保證了莢果發(fā)育，加之土壤氮素供應，可滿足花生整個生育期的氮素需求。同等施肥量下，普通復合肥處理苗期的植株氮素吸收量高于控釋復合肥，而結莢期和成熟期表現(xiàn)出相反趨勢，這與王艷華等[20]的研究結果一致。普通復合肥施入土壤后快速水解釋放氮素，但花生植株地上部氮素吸收主要集中在中后期[9]，致使生長前期氮素過量、后期氮素供應不足[21]，導致氮肥利用率低，同時伴隨水體污染風險。

3.2 控釋復合肥對坡耕地花生產(chǎn)量的影響

作物高產(chǎn)是以較高生物量為前提的，干物質積累越多，花生產(chǎn)量越高[22-23]?？蒯審秃戏试诨ㄡ樒诘氐目焖籴尫牛黾恿擞行Ч様?shù)量，提高了單株莢果數(shù)，這與成艷紅等[24]的研究結果一致?？蒯審秃戏瘦^普通復合肥顯著提高了花針期后的總生物量干重，100% CRF 處理莢果和籽仁產(chǎn)量顯著高于普通復合肥處理，且70% CRF 處理較100% CF 處理差異不顯著。由于試驗土壤粉粒和粘粒含量低，土壤顆粒之間的膠結性弱，水溶性養(yǎng)分極易流失[25]，而控釋復合肥較好地協(xié)調了花生生長前期與后期對氮素的需求，為保證花生高產(chǎn)創(chuàng)造了良好的氮素營養(yǎng)條件。

花生具有根瘤固氮作用，土壤氮素缺乏時植株固氮效率較高，最高固氮量可達其最適需氮量的60%～65%[26]。地力肥沃條件下，少量施氮有利于根瘤生長和發(fā)育，施氮過多則抑制根瘤菌的侵染和根瘤的形成，不利于根瘤固氮[27]。本試驗中，肥料氮素對產(chǎn)量的貢獻率很低，尤其是100% CF 和70% CF 處理僅分別為9.6%和8.4%。同類型肥料不同用量處理間的氮素貢獻率差異不顯著，但是等施肥量下控釋復合肥顯著高于普通復合肥處理，表明本試驗條件下氮肥類型對產(chǎn)量的貢獻大于用量。

3.3 控釋復合肥對坡耕地土壤氮素徑流損失的影響

坡耕地是典型的農業(yè)發(fā)展水平不高的陡坡地區(qū)，而不適當?shù)氖┓始觿×似赂乇硗琉B(yǎng)分流失[28]，造成嚴重的土壤資源退化和污染，使作物產(chǎn)量和品質下降[29-31]。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮能被植物直接吸收利用，是土壤的養(yǎng)分指標，也是重要的環(huán)境評價指標。對比空白處理，施肥可以提高花生每個生育期土壤中硝態(tài)氮的含量，并且在苗期和結莢期出現(xiàn)兩個硝態(tài)氮含量高峰值[32]。苗期硝態(tài)氮含量高是由于肥料施用后的水解作用；結莢期土壤硝態(tài)氮含量較高，是由于該時期高溫多雨，促進了有機氮的礦化[32]，并且植株處于旺盛生長階段，自身的固氮效率較高[33]，顯著增加了硝態(tài)氮含量。與控釋復合肥相比，苗期普通復合肥處理土壤硝態(tài)氮含量較高，而此階段花生需肥量少，易造成氮素盈余，盈余的氮素會通過淋洗或反硝化作物-土壤體系，污染環(huán)境[34]。

可溶態(tài)氮是土壤氮素流失的主要形態(tài)，而硝態(tài)氮由于帶負電荷，不易被土壤膠體吸附，在可溶態(tài)氮的流失中占重要比例[35]。本試驗中，徑流水中的硝態(tài)氮濃度高于銨態(tài)氮，在苗期和開花下針期徑流中，同等施肥量下，普通復合肥處理硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失總量高于控釋復合肥處理，表明控釋復合肥能有效減少花生前期氮素地表徑流損失。由于普通肥料施入土壤后迅速水解，超出了花生氮素需求量，盈余氮素極易隨徑流損失，這與范振義[36]研究結果一致。整個生育期間，各施肥處理的氮素流失總量未表現(xiàn)出顯著差異。因為影響坡耕地養(yǎng)分流失的主要因素有降雨特征、坡度、植被覆蓋、耕作措施等[37]，本試驗中肥料在播種前條施且覆于薄膜內，部分隔絕了氮素與地表徑流的接觸；另一方面隨著植株生長影響地表覆蓋度，對雨水具有截留作用，且雨水打擊和花生生長的作用導致地表緊實度增加，水分入滲量下降，故花生中后期表層土壤釋放到徑流中的氮素減少，使播種后51 天的地表徑流水的氮素濃度降低且保持穩(wěn)定。

4 結論

控釋復合肥在土壤中的氮素釋放規(guī)律與花生植株氮素吸收較為吻合，相比于普通復合肥，一次性基施控釋復合肥顯著提高花生籽仁產(chǎn)量12.4%～13.8%，而且有效減少了播種后硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的徑流損失，提高氮素吸收量5.9%～6.0%。常規(guī)施氮量下，控釋復合肥增加花生產(chǎn)量和氮素吸收量的效應顯著高于普通復合肥；減氮素30%的控釋復合肥投入量下的產(chǎn)量和氮素吸收量與全量復合肥效果無顯著差異。因此，控釋復合肥可以顯著提高花生產(chǎn)量，有效解決坡耕地氮素流失的問題。