含2.5%基质材料尿素的氮缓释特性及其与作物生长吻合性

岳艳军，吴跃进，杨 阳*，刘斌美，倪晓宇，陶亮之，余立祥，杨 叶，冯梦喜，钟雯瑾

（1 河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453731；2 中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所，安徽合肥 230031；3 安徽省环境友好高效化肥农药工程实验室，安徽合肥 230031）

粮食生产需要大量的氮肥投入，在获得高产的同时，也导致氮肥利用率较低，环境风险增加。我国玉米的氮肥利用率通常不足施氮量的50%[1]，水稻氮肥利用率平均在40%以下[2]。氮肥损失引发诸多生态环境问题，如空气污染 (氨挥发)、水体富营养化、生物多样性降低等[3-5]。施用缓释肥料[6]、氮肥深施[7]、分次 (多次) 施肥[8]可有效提高氮肥的利用率，降低氮肥的损失，但后两种途径需要较多的农业机械和劳动力投入，较难推广[9]。缓释肥料被证明是减少氮肥损失的一条有效途径，其施用无需额外农业机械和劳动力投入，但多数缓释肥料价格较高，在农业生产中并未得到大面积推广[10]。因此，亟需研发应用低成本缓释肥料。

降低缓释肥料生产成本的途径主要有:选择低成本的缓释材料、降低缓释材料在肥料中的添加量、优化缓释肥料生产工艺等[6,10-12]。与包膜材料相比，添加到肥料颗粒中的基质材料价格较低，因此更有希望用于生产低成本缓释肥料[11]。前期研究表明，在基质材料添加量为5%～10%的条件下，基质肥料表现出良好的养分缓释效果[11,13]。但是，较高的基质材料添加量导致基质型缓释肥料成本偏高而有效养分 (如氮素) 含量偏低。根据我国最新国家标准(GB/T 2440-2017)，尿素产品的总氮含量需 ≥ 45%，该标准意味着尿素产品中的附加材料需 ≤ 2.5%。如此低的添加量能否产生明显缓释效果，直接关系到基质型缓释肥料的未来发展。当前，在基质材料添加量仅为2.5%的条件下，基质型缓释肥料的养分缓释性能及其对作物生产的影响尚不明确。

基于当前研究现状，本研究通过田间小区试验，结合室内模拟评价方法，分析2.5%基质改性缓释尿素对水稻和玉米的影响，并从土壤氮素损失和植物形态生理特征方面初步揭示其影响机制，旨在为基质肥料的研发应用提供科学借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

2016 年和2017 年在中国科学院合肥物质科学研究院肥效试验基地 (31°54′N、117°09′E，海拔27 m)的旱作区和水田区，连续进行了2 季水稻和2 季玉米田间试验。在2016 和2017 年水稻季，总降水量分别为480.2 和352.3 mm；平均气温分别为26.4 和26.0℃。在2016 和2017 年玉米季，总降水量分别为368.3 和288.7 mm；平均气温分别为27.3 和26.8℃。在水稻和玉米季之外的时期，田间小区进行休闲处理。供试水稻品种为当粳8 号 (Oryza sativa L.‘Dangjing 8’)，供试玉米品种为凤糯476 (Zea mays L. ‘Fengnuo 476’)。0—20 cm 土壤基本性质见表1。

供试氮肥为尿素 (含N 46.4%) 和基质型缓释尿素 (含N 45.2%、基质材料2.5%)；供试磷肥为过磷酸钙 (P2O516%)；水稻供试钾肥为氯化钾 (K2O 60%)，玉米为硫酸钾 (K2O 50%)。缓释尿素中添加的基质材料由改性蒙脱石、有机聚合粘结剂等组成[11]。缓释尿素采用高塔造粒法生产[10]，其主要生产工艺:尿素熔融，基质材料粉体传输混合到熔融尿素料浆中，混合料浆高塔喷洒冷却造粒，颗粒表面疏水防结块改性修饰，颗粒过筛与粒径分级。所用肥料均由河南心连心化肥有限公司提供。

1.2 试验设计

1.2.1 田间试验 设3 个处理:无氮对照 (CK)、常规尿素 (CU) 、缓释尿素 (SRU)。试验小区按照随机区组设计分布，每个处理重复3 次。小区面积为50 m2(10 m × 5 m)，小区之间设置1 m 宽走道。稻田在走道两侧埋设40 cm 深的塑料薄膜用于阻隔小区间的水分和养分流动。水稻施氮处理的施氮量均为N 150 kg/hm2，玉米施氮处理的施氮量均为N 195 kg/hm2。水稻各处理均施磷肥P2O560 kg/hm2，施钾肥K2O 60 kg/hm2；玉米各处理均施磷肥P2O545 kg/hm2，施钾肥K2O 45 kg/hm2。在稻田，所有磷肥和钾肥做基肥一次施用 (撒施，翻耕混入0—20 cm 耕层)，氮肥有70%做基肥、30%做分蘖肥；在玉米田，所有肥料均作基肥一次施用 (撒施，翻耕混入0—20 cm 耕层)。水稻采用人工插秧移栽，株行距均为20 cm；玉米采用人工播种，株距30 cm，行距40 cm。水稻和玉米田间管理参照常规方法，各小区保持一致。

1.2.2 淋溶试验 设3 个处理:无氮对照、常规尿素、缓释尿素。其中，无氮对照用于消除土壤背景氮素影响。每个处理重复5 次。试验设置方法[6]:1)对于稻田土壤，将8.5 kg 过筛 (2 mm) 风干土和0.471 g 氮肥 (折合纯氮，常规尿素或缓释尿素) 混合；2) 对玉米田土壤，将8.5 kg 过筛 (2 mm) 风干土和0.612 g 氮肥 (折合纯氮，常规尿素或缓释尿素) 混合。然后将其分别填充至亚克力透明淋溶管中 (高40 cm、直径20 cm)，管内土柱高度约20 cm。在土柱上方覆盖0.8 kg 烘干河沙 (厚度约1 cm)。加入蒸馏水并在土柱上方维持2 cm 水层，连续收集淋溶液。按淋溶液体积，每淋出940 mL 为1 个样品 (约需13～16 min)，连续收集30 个样品。

1.2.3 氨挥发试验 包含3 个处理:无氮对照、常规尿素、缓释尿素。其中，无氮对照用于消除土壤背景氮素影响。每个处理重复5 次。试验设置方法[6]:称量8.5 kg 过筛 (2 mm) 风干土和0.471 或0.612 g 氮肥 (折合纯氮，称样量同上述淋溶试验) 混合。然后将其分别填充至亚克力透明氨挥发气室中 (高40 cm，直径20 cm)，气室内土柱高度约为20 cm。对于玉米田土壤，将土壤含水量维持在70%田间持水量；对于稻田土壤，使土柱上方保持2 cm 水层。土柱在25℃培养，期间采用间歇通气酸吸收法[6]收集挥发出的氨，以3 d 累积收集的氨作为1 个样品，连续采集30 d，总计获得不同时间段的10 个样品。

1.3 样品采集与测定分析

1.3.1 植株形态与生理特征 在水稻抽穗期和玉米吐丝期，测定植株形态 (株高、叶面积和根系表面积) 和生理特征 (叶绿素、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶)。每个小区采集10 株，根系按照直径30 cm、高30 cm 的规格采集土柱，用自来水浸泡冲洗去除土壤。株高采用卷尺测量。叶面积借助WinFOLIA叶面积分析系统 (加拿大Regent) 测量。水稻叶面积指数表示为单位种植面积上的水稻总叶面积[6]。根系表面积借助WinRHIZO 根系分析系统 (加拿大Regent) 测量。在每个小区的植株样品中随机抽取10 个水稻剑叶或5 个玉米穗位叶，剪碎混匀、液氮保存作为该小区的叶片样品，然后参照常规植物生理实验方法测定叶片叶绿素含量[14]、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性[15]。

表 1 水稻和玉米田耕层土壤基本性质Table 1 Properties of paddy and maize fields in the 0-20 cm soil depth

1.3.2 生物产量与籽粒产量 于成熟期测定生物学产量和籽粒产量。对整个试验小区进行收获 (不含边行)，对收获的样品烘干测定含水量[6]。水稻有效穗数以1 m2(1 m × 1 m) 样方数据计算，每个小区随机设置1 个样方。在水稻和玉米的每个小区随机采集20 穗，测定穗粒数。千粒重借助自动数粒机计数测定，重复3 次。

1.3.3 土壤矿质氮 在水稻抽穗期和玉米吐丝期，采集0—20 cm 耕层土壤样品。每个小区按照W 形路线采集5 个点土壤样品混匀作为该小区土壤样品。土壤矿质氮 (包括硝态氮和铵态氮) 采用1 mol/L 氯化钾溶液浸提，借助AA3 连续流动分析仪(德国Bran + Luebbe) 测定[6]。

1.3.4 淋溶与挥发样品氮素含量 淋溶样品中的氮素含量采用对二甲氨基苯甲醛比色法测定[11]。挥发样品中氨用0.005 mol/L 硫酸滴定法测定[10]。

1.4 计算与统计分析

利用通径分析比较不同产量构成要素对籽粒产量的贡献[16]。肥料氮素淋溶率表示为肥料氮素淋出量与肥料氮素总施用量的比值；肥料氮素氨挥发率表示为肥料氮素氨挥发量与肥料氮素总施用量的比值[6]。肥料氮素累积淋溶率和肥料氮素累积氨挥发损失率采用逻辑斯谛方程拟合[17-18]；利用OriginPro 2015 拟合逻辑斯谛方程。借助SAS 9.1 进行均值差异显著性检验 (基于最小显著差异LSD 法) 和通径分析。

2 结果与分析

2.1 植株形态与生理特征

2.1.1 株高 表2 显示，缓释尿素处理的抽穗期水稻株高两年平均值比常规尿素处理高4.5% ，但差异不明显；吐丝期玉米株高两年平均值比常规尿素处理高12.4% (P ＜ 0.05)。这可能与缓释尿素处理土壤矿质氮素含量较高，有利于改善植株氮素营养状况有关。

表 2 抽穗期水稻和吐丝期玉米的株高、叶面积、根系表面积与叶片叶绿素含量Table 2 Shoot height, leaf area, root area and leaf chlorophyll at rice heading stage and maize silking stage

2.1.2 叶面积 表2 显示，缓释尿素处理的抽穗期水稻叶面积指数两年平均值比常规尿素处理高9.8%(P ＜ 0.05)；吐丝期玉米叶面积两年平均值比常规尿素处理高11.5% (P ＜ 0.05)。

2.1.3 根系表面积 表2 显示，缓释尿素处理的抽穗期水稻根系表面积两年平均值比常规尿素处理高9.5% (P ＜ 0.05)；吐丝期玉米根系表面积两年平均值比常规尿素处理高5.0%但差异不明显。

2.1.4 叶片叶绿素含量 表2 显示，缓释尿素处理的抽穗期水稻叶片叶绿素含量两年平均值比常规尿素处理高18.5% (P ＜ 0.05)；吐丝期玉米叶片叶绿素含量两年平均值比常规尿素处理高7.8% (P ＜ 0.05)。

2.1.5 叶片氮同化酶 表3 显示，缓释尿素处理的抽穗期水稻叶片硝酸还原酶活性两年平均值比常规尿素处理高19.6% (P ＜ 0.05)，叶片谷氨酰胺合成酶活性两年平均值比常规尿素处理高17.7% (P ＜ 0.05)；缓释尿素处理的吐丝期玉米叶片硝酸还原酶活性两年平均值比常规尿素处理高20.3% (P ＜ 0.05)，叶片谷氨酰胺合成酶活性两年平均值比常规尿素处理高11.5% (P ＜ 0.05)。这可能与缓释尿素处理较高的土壤矿质氮含量有关。

2.2 生物学产量、籽粒产量与产量构成要素

2.2.1 生物学产量与籽粒产量 表4 显示，缓释尿素处理的水稻和玉米生物学产量均显著高于常规尿素处理 (P ＜ 0.05)。与常规尿素处理相比，缓释尿素处理水稻籽粒产量两年平均值提高17.2% (P ＜ 0.05)，玉米籽粒产量两年平均值提高6.6% (P ＞ 0.05)。这可能与缓释尿素处理提高土壤矿质氮含量、改善作物生长和生理特征有关。

2.2.2 产量构成要素 表4 显示，缓释尿素处理的水稻单位面积有效穗数均显著高于常规尿素处理 (P ＜0.05)；缓释尿素处理的水稻穗粒数在3 个处理中最低；缓释尿素处理的水稻千粒重略高于常规尿素处理 (P ＞ 0.05)。相比常规尿素处理，缓释尿素处理玉米穗粒数两年平均值提高5.4% (P ＞ 0.05)；缓释尿素处理的玉米千粒重均略高于常规尿素处理 (P ＞ 0.05)。该结果说明缓释尿素处理对水稻和玉米籽粒产量具有不同的影响机制。

表 3 水稻抽穗期和玉米吐丝期叶片硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性Table 3 Leaf nitrate reductase and glutamine synthetase at rice heading stage and maize silking stage

表 4 水稻和玉米生物量、籽粒产量及产量构成要素Table 4 Biomass, grain yield and yield components of rice and maize

2.2.3 通径分析 图1 显示，水稻有效穗数对籽粒产量的总体贡献分别为0.9562 (2016 年) 和1.0863(2017 年)，高于穗粒数和千粒重的总体贡献。玉米穗粒数对籽粒产量的总体贡献分别为0.9589 (2016年) 和0.9711 (2017 年)，高于千粒重的总体贡献。综上，本研究中影响水稻籽粒产量的主要产量构成因素为有效穗数，影响玉米籽粒产量的主要产量构成因素为穗粒数。

2.3 氮素淋溶与氨挥发损失风险

2.3.1 氮素淋溶损失 图2 显示，肥料氮素累积淋溶率随时间 (淋溶样品序号) 的变化特征可以用逻辑斯谛方程拟合 (P ＜ 0.01)。在稻田土壤和玉米田土壤模拟条件下，常规尿素的氮素淋溶损失均高于缓释尿素处理。例如，在稻田土壤条件下，常规尿素的氮素累积淋溶率峰值 (a = 62.40%) 高于缓释尿素处理(a = 49.06%)；常规尿素氮素累积淋溶率达到峰值的时间 (k = 1.18) 早于缓释尿素处理 (k = 0.70)；常规尿素的最大瞬时淋溶速率 (a·k/4 = 18.41%/次) 高于缓释尿素处理 (a·k/4 = 8.59%/次)；常规尿素的最大瞬时淋溶速率出现的时间[ln(b/k) = 2.99 次]早于缓释尿素处理[ln(b/k) = 3.32 次]。综上，缓释尿素具有较低的氮素淋溶损失风险。

2.3.2 氨挥发损失 图2 显示，肥料氮素累积氨挥发损失率随时间 (施肥后天数) 的变化特征可以用逻辑斯谛方程拟合 (P ＜ 0.01)。在稻田土壤和玉米田土壤模拟条件下，常规尿素的累积氨挥发损失率始终高于缓释尿素处理。例如，在稻田土壤条件下，常规尿素的累积氨挥发损失率峰值 (a = 17.05%) 高于缓释尿素处理 (a = 10.23%)；常规尿素和缓释尿素处理的累积氨挥发损失率达到峰值的时间较接近 (k 值)；常规尿素的最大瞬时氨挥发损失速率 (a·k/4 = 0.95%/d)高于缓释尿素处理 (a·k/4 = 0.58%/d)；常规尿素和缓释尿素处理的最大瞬时氨挥发损失速率出现的时间较接近[ln(b/k) 数值]。综上，缓释尿素具有较低的氮素氨挥发损失风险。

图 1 产量构成要素对籽粒产量贡献的通径分析Fig. 1 Path analysis of the contributions of yield components to grain yield

2.4 土壤矿质氮含量

表5 显示，水稻抽穗期缓释尿素处理的稻田土壤矿质氮含量两年平均值比常规尿素处理高9.2% (＜0.05)；玉米吐丝期缓释尿素处理的玉米田土壤矿质氮含量两年平均值比常规尿素处理高18.1% (P ＜0.05)。这可能与缓释尿素处理较低的氮素淋溶和氨挥发损失风险有关。

3 讨论

3.1 基质材料添加量减少至2.5%对缓释尿素肥效的影响

缓释尿素中添加的基质材料由改性蒙脱石和有机聚合粘结剂等组成，具有较强的絮凝团聚效应[10]，可在施肥位置与土壤颗粒形成透性较低的微团聚体，从而减少肥料养分向土壤溶液的释放[18]。基质材料在土壤中可形成复杂微纳米级网状结构，该结构上具有丰富的吸附位点，对土壤养分产生较强吸附作用，从而减缓养分释放[11,13]。通常基质材料添加量越大，絮凝团聚效应越强，养分缓释效果越明显[11]。本研究通过两年大田试验，在等量氮投入下，2.5%基质改性缓释尿素与常规尿素相比，水稻显著增产17.2%，玉米增产6.6% (P ＞ 0.05)。证明按照最新国家标准，将基质添加量降低到2.5%后，制备的改性缓释尿素依然具有增产作用，符合农业生产对新型肥料的基本要求。

图 2 肥料氮素累积淋溶率和累积氨挥发损失率变化特征 ( n = 5)Fig. 2 Characteristics of cumulative N leaching rate and cumulative NH3 emission rate

3.2 缓释尿素处理下玉米和水稻籽粒产量的差异分析

作物籽粒产量差异来源于产量构成要素的变化[19-20]。通径分析结果表明，在本研究条件下，水稻籽粒产量主要取决于有效穗数；玉米籽粒产量主要取决于穗粒数。产量构成要素数据 (表4) 表明，相比常规尿素，缓释尿素显著提高水稻亩穗数，提高玉米穗粒数 (尤其2017 年)。水稻生育前期氮素供应良好有利于提高水稻分蘖成穗数，中、后期氮素供应则影响籽粒灌浆能力[16]。在本研究中，缓释尿素提高水稻亩穗数 (表4)，说明缓释尿素处理的水稻早期氮素营养有利于促进分蘖成穗；但是缓释尿素处理在水稻生殖生长后期出现脱肥问题，穗粒数下降(表4)，表明该缓释肥的氮素释放与水稻全生育期的氮素需求的吻合度还需进一步提高。与水稻不同，缓释尿素可提高玉米穗粒数和千粒重 (表4)，说明该缓释尿素的氮素释放更加吻合玉米整个生育期的氮素需求。

3.3 缓释尿素处理改善玉米和水稻植株生长的原因分析

本研究通过室内模拟评价发现，相比常规尿素，2.5%基质改性缓释尿素具有较低的氮素淋溶和氨挥发损失风险。淋溶试验表明，经过6 次淋溶，普通尿素中的氮素基本溶出，曲线达到峰值并稳定(图2)；而缓释尿素的前6 次淋溶出的氮素虽然也增加迅速，但淋出量小于尿素，且在6 次后直到第30 次淋洗，仍有一定的氮素释放，显示出一定的养分缓慢溶出、持续供应的特性。从土壤养分测定结果 (表5) 也证实，缓释尿素在施入土壤后，在水稻抽穗期和玉米吐丝期土壤矿质氮含量高于常规尿素处理。此时较高的土壤有效氮含量，改善了叶片的氮素营养，因而，叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性显著高于普通尿素处理，反应在生长上，则显著提高了株高、叶面积、叶绿素含量和根系表面积。这些作物形态生理特征的改善又反过来增强了作物对土壤氮素的吸收利用，提升了作物生产力[21-24]。

表 5 水稻抽穗期和玉米吐丝期土壤矿质氮含量 (N mg/kg)Table 5 Soil inorganic nitrogen concentration at rice heading stage and maize silking stage

4 结论

在基质材料添加量仅为2.5%的条件下，基质改性缓释尿素可降低氮素的淋出速率，提高水稻抽穗期和玉米吐丝期氮素的供应，进而促进叶片氮素合成酶活性，提高营养生长，最终增加产量。同时，基质材料还具有减少氮素淋溶和氨挥发损失的趋势，降低环境风险。依据产量性状判断，该缓释肥料的氮素释放与玉米生长较为契合，而水稻后期略显脱肥，因此，更合理的比例还需进一步研究。