控释氮肥在小麦玉米轮作体系中的养分高效利用研究

叶青��+曹国军��+耿玉辉��

摘要：通过对连续7年小麦玉米轮作体系中施用控释肥田间定位试验玉米收获后土壤样品的测定和分析，研究了在不同施氮条件对玉米产量、肥料利用率、硝铵态氮累积和分布、土壤全氮和有机质含量等的影响。结果表明，施用氮肥对夏玉米与冬小麦有显著的增产作用，但过量施用氮肥会造成籽粒减产，小麦和玉米产量的最高增产幅度分别为6.0%～287%、5.5%～71.9%。等氮条件下，施用控释氮肥可以增加土壤中全氮和有机质的含量，减少肥料养分的淋溶与挥发损失，从而显著提高肥料利用率。控释氮肥在小麦玉米轮作上一次性基施取得高产的小麦最佳施氮量范围为120～240 kg/hm2，玉米最佳施氮量范围为150～300 kg/hm2。

关键词：玉米；控释氮肥；养分累积；肥料利用率；轮作体系

中图分类号： S512.106；S513.06文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0124-06

小麦、玉米是我国重要的粮食作物，其作用不言而喻，因此提高肥料利用率，降低环境污染的风险，是当前农业粮食生产安全的重要任务[1]。土壤是农业生产的基础，长久维持和提高土壤生产力、保持以及提高土壤肥力是农业持续发展的基础[2]。但是化肥对于玉米增产的贡献是显著的，资料显示，1985—1994年，我国化肥在玉米增产总额中发挥了 51.5% 的作用，施用化肥逐渐成为最主要的粮食增产措施[3]。然而目前我国肥料的当季利用率偏低[4]，这不仅会引起经济损失，还会导致土壤生产力下降、生态环境破坏、农产品质量安全等严重问题[5]。

控释肥的出现为如何提高肥料利用率以及避免因施肥引起的环境问题提供了新的思路[6]。早在20世纪60年代，美国、日本等发达国家已开始研制并推出控释缓控释肥料产品，大大提高了肥料利用率[7]。研究表明控释肥可较速效氮肥提高13.6%～164.1%的氮肥利用率[8]。我国自20世纪70年代开始缓/控释肥的研究，起步较晚，但经过我国部分高校及科研单位的努力已取得较大成果，研制出的控释肥产品在土壤中的控释时间和释放模式已达到了可释放的要求和标准[9]。我国学者对控释肥的肥效研究表明控释肥可提高土壤供肥能力、增加土壤微生物量、提高酶活性[10]；稻田中施用控释肥可显著提高氮肥利用率及水稻产量[11]，控释肥减氮30%时，仍可较速效氮肥增产15.1%[12]；旱田中施用控释肥可显著提高肥料偏生产力[13]。控释肥可以提高肥料的利用率，减轻环境污染，改善作物的生长发育状况，提高作物的产量和品质，这将会成为解决化肥问题的最理想的选择[14]。

缓控释肥缓慢释放的特性能够提高小麦、玉米籽粒产量及生物量[15]。其中小麦、玉米都以中氮量50%控氮比的释掺混肥处理产量最高，分别较常规施肥处理增产1 217.7、754.0 kg/hm2[16]。氮肥用量相同，控释尿素和普通尿素2种氮肥合理掺混（控释尿素70%+普通尿素30%）时，玉米和小麦产量都高于2种氮肥单施时的产量[17]。高产冬小麦—夏玉米轮作体系一基一追施肥模式下采用100%缓释尿素或80%-20%缓释-普通尿素组合2种处理，较好地满足了冬小麦和夏玉米中后期的氮素需求，促进了植株对氮素的吸收和积累，因而2个轮作周期氮肥利用率和产量均高于一基三追施肥模式下100%普通尿素处理，且产量均超过 22 500 kg/hm2[18]。

虽然该应用已有相关方面研究，但是大多数研究都不系统，现在机械化程度逐渐提高，研究控释掺混肥在小麦玉米轮作体系中对小麦、玉米产量及对土壤养分吸收、迁移的影响，还有其后效等方面的内容具有十分重要的意义。本试验于2008年6月玉米季开始，至2015年6月小麦季结束，数据为7年统计结果。本研究主要解决的问题是：研究控释氮肥在冬小麦和夏玉米上一次性基施取得高产的关键技术，主要技术难题是控释肥一次施用能否满足小麦、玉米各生育期的需求，尤其是小麦、玉米最大需肥期的要求。

1材料与方法

[BT2+*5]1.1试验材料与试验设计

1.1.1玉米试验方案本试验于2008年6月1日实施，试验区设在山东省淄博市桓台县中国农大生态与可持续发展实验站，试验作物玉米品种为“登海661”，第1年6月中旬播种，10月份左右收获，生育期为120～130 d。玉米种百粒质量为34.37 g，种植密度8.25万株/hm2，行距65 cm，株距 19 cm。种植方式为夏玉米直播。

试验区控释肥按氮1个因素、4个水平、7个处理。4个水平的含义是：0水平为不施肥，2水平为当地最佳施肥量的近似值，1水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5（该水平为过量施肥水平）（表1），重复3次。所施肥料种类为山东金正大集团生产的玉米专用控释尿素掺混肥（控释氮占70%，普通尿素氮占30%），磷肥用过磷酸钙（P2O5=16%）、钾肥用氯化钾（K2O=60%）。核心试验区每小区面积为26 m2（长10 m ，宽2.6 m）=0.039亩，48个小区为1 248 m2，50个小区为1 300 m2。

1.2冬小麦试验方案试验区设在淄博市桓台县中国农大桓台生态与可持续发展实验站，试验作物冬小麦品种为“鲁原502”，生育期230～240 d，于上一季玉米收获的10月份播种，至第2年6月份收获。千粒质量43.6 g，播种量 168.75 kg/hm2，行距21.7 cm，小区面积26 m2。

核心试验区控释肥按氮 1因素、4个水平、7个处理。4个水平的含义是：0水平为不施肥，2水平为当地最佳施肥量的近似值，1水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5（该水平为过量施肥水平）（表2），重复3次。保护行不施肥。所施肥料种类为山东金正大集团生产的小麦专用控释尿素掺混肥（控释氮占70%，普通尿素氮占30%），[HJ1.4mm]磷肥用富过磷酸钙（P2O5=30%）、硫酸钾（K2O=50%），硫酸锌（ZnSO4）30 kg/hm2（78 g/26 m2）。尿素：70%包膜尿素[70%硫包[JP3]（34%）+30%樹脂包（42%）]+30%尿素（46%）=39.3%（N）。

1.2.1植株试验开始后，小麦于返青期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期取样，玉米于苗期、拔节、大喇叭口、抽雄、灌浆和成熟期取样，小麦玉米植株地上部干物质质量：植株分为籽粒和茎秆，分别于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量。小麦玉米植株全氮、全磷、全钾含量的测定：将上述已烘干至恒质量的叶片、籽粒和茎秆磨碎过筛，植株样品采用浓 H2SO4-H2O2 法消煮提取，凯氏定氮法测全氮含量，钒钼黄比色法测全磷含量，火焰光度计法测全钾含量。

1.2.2土样试验开始后分别于小麦玉米成熟期取样，每小区用土钻取 3个点，混匀后风干，研磨过2 mm筛。 采用 1 ∶[KG-*3]2.5 土水比，PHSJ-3F型pH计测定土壤pH值；采用 1 ∶[KG-*3]5 土水比，DDS II A型电导仪测定土壤EC值；用 0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，水土比10 ∶[KG-*3]1，AA3-A001-02E型流动注射分析仪测定土壤NO3--N和NH4+-N含量。采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量；钼锑抗法测定土壤速效磷含量；火焰光度计法测定土壤速效钾含量；重铬酸钾容量法（外加热法）测定土壤有机质含量。

1.2.3氮肥利用效率计算

[JZ（]氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮区产量/施氮量；[JZ）]

氮肥农学效率（AEN，kg/kg）=（施氮区产量-对照区产量）/施氮量；

氮肥利用效率（NUE，%）=（施氮区地上部吸氮量-对照区地上部吸氮量）/施氮量×100%。

1.3数据处理与统计分析

本研究所有试验测定数据采用美国SAS程序软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1不同氮肥处理对氮肥利用率的影响

由表3可知，不同氮肥处理间冬小麦籽粒产量差异显著，均较N0处理有显著的增产效果，N2处理时小麦产量达到最高，当控释氮肥在240 kg/hm2的施氮水平下（N2）产量最高。等氮条件下，N2、N3两处理的籽粒产量、氮肥农学利用效率、氮肥利用效率和氮肥偏生产力均高于SN2、SN3。由此表明控释氮肥养分的控制释放可以有效提高小麦的产量，并且一次基肥施用不用追肥，利用效率又高，在保证产量的前提下，可以节省施肥的费用。

2.2不同氮肥处理对土壤中氮素状况的影响

氮素是作物所需大量元素之一，我国农田普遍缺氮，施氮肥是提高土壤供氮能力的重要措施[7]。

2.2.1不同氮肥处理对土壤无机氮的影响氮肥施入土壤中后因氨化、硝化过程对土壤铵态氮、硝态氮含量影响较大[19-21]。从图1-a可以看出，在小麦成熟期土壤0～20 cm土层中，普通氮肥SN3处理销态氮含量最高，而控释肥N1处理N2和N3处理之间差异不显著，而与空白处理差异显著。从图1-b可以看出，从0～20 cm土层到20～40 cm土层土壤NO3--N急剧减少，然后从20～40 cm土层到180～200 cm 土层，土壤NO3--N又逐渐增多，同时等氮条件下，控释肥处理比普通肥料处理土壤销态氮含量低。说明在等氮条件下施用控释肥有利于减少硝态氮的淋溶，提高肥料利用率。

从图2-a看出，在小麦成熟期土壤中0～20 cm土层的N0处理土壤中铵态氮含量最高，SN3处理土壤中铵态氮含量最低，其他处理的铵态氮含量无显著差异。从图2-b看出，在玉米季土壤中，从0～20 cm到20～40 cm土层，土壤铵态氮急剧减少，从20～40 cm到180～200 cm土层，土壤铵态氮含量保持相对稳定，土壤铵态氮含量在等氮处理条件下，控释肥处理比普通肥料处理土壤NH4+-N含量少。说明在等氮条件下施用控释肥有利于减少铵态氮损失，提高肥料利用率。

2.2.2不同氮肥處理对土壤全氮和有机质的影响施用化肥可在短时间内迅速提高土壤速效氮含量[7]。从图3看出，小麦成熟期全氮在一定范围内随着施氮量的增加而增加，超过范围之后，随着土壤施氮量的增加而减少。等量施肥条件下，全氮含量控释肥处理比普通肥料处理要高，所以合理施控释肥更加有利于氮素的积累。

从图3-a可以看出，种植玉米过后的玉米成熟期土壤与玉米播种时即上季小麦成熟期的土壤，在0～20 cm土层中各处理间的差异的趋势基本相同，在一季小麦玉米轮作之后，土壤中的氮素得到积累。土壤全氮的含量随着土层的加深逐渐减[CM（25]少，并且各处理间的差异逐渐减少，到40～60[KG*3]cm土层时，[CM）]

各处理间几乎没有差异。

土壤有机质与土壤物理性质的改善、养分供给及防止土壤侵蚀有重要关系[22]。从图4-a可以看出，小麦成熟期耕层土壤在相同的磷钾施用水平下，不同处理中土壤有机质含量均较无氮处理有显著增高。相同施肥量的控释氮肥N2处理比普通氮肥SN2处理含有机质量高，达到显著水平。同时控释氮肥N2处理区土壤有机质含量最高与其他处理差异显著，说明适宜的氮肥施用，有利于土壤有机质的积累，过多或过少施用氮肥都对土壤有机质的积累不利。

从图4-b可以看出，玉米成熟期土壤与玉米播种时即上季小麦成熟期的土壤，在0～20 cm土层中各处理间的差异基本相同，在一季小麦玉米轮作之后，土壤中的有机质得到积累。土壤有机质的含量随着土层的加深，逐渐减少，并且各处理间的差异逐渐减少，到40～60 cm土层时，各处理间几乎没有差异。

2.3不同氮肥处理对土壤有效磷的影响

小麦成熟期土壤在磷钾施肥水平相同条件下，施氮量对土壤有效磷含量有显著影响（图5-a），N0处理时土壤有效磷含量达到最大水平，除土壤空白外，普通氮肥SN3 处理区的土壤有效磷含量最低，3组控释肥N1处理、N2处理和N3处理之间差异不显著，但与普通氮肥SN3处理差异显著，控释氮肥N3处理与普通氮肥SN3处理差异不显著，部分说明控释氮肥N3处理与普通氮肥SN3处理区的植株生长得比较好，从土壤有效磷侧面反映植株生长状况这个角度看，普通氮肥SN3处理可能是最适合的土壤施肥量。

玉米成熟期土壤与玉米播种时即上季小麦成熟期的土壤有效磷的情况基本一致（图5-b），土壤有效磷的含量随着土层的加深逐渐减少，并且各处理间的差异逐渐减少。除土壤空白外，其他各处理施磷量是一样的，假设损耗是一样的，土壤中剩余的多，说明植株吸收的少，单从这一角度看，土壤中有效磷剩余的少的施氮处理对植株和籽粒产量有利，也体现了氮磷肥的配施有正交互作用[22-23]。

2.4不同氮肥处理对土壤速效钾的影响

土壤交换性钾的水平高低决定钾肥的施用[24]。小麦成熟[CM（25]期土壤在在相同的磷钾施用水平下，施用氮肥可以显著影[CM）]

响土壤速效钾含量（图6-a），N0处理土壤速效钾含量最低，与其他处理差异显著。N0处理时土壤速效钾含量达到最大水平，而土壤空白CK的速效钾含量最低，与其他处理差异显著。速效钾含量氮含量不相同的条件下，氮钾元素相互作用，随施氮量的增加土壤速效钾含量减少。这可能与植物的长势

相对应，在施用磷钾相同的条件下，适宜的氮使植株能够生长旺盛，从而吸收消耗的土壤养分多，相对应的土壤中剩余的养分就少。通过土壤速效钾的含量侧面反映植株的生长状况，反应氮的作用，从中看出施用控释氮肥的2组N2和N3处理和普通肥料SN3P2K2处理之间差异不显著，与氮空白N0处理相比差异最显著，说明这3组的施氮量对植株生长最合适，而从节省环保的角度看，控释肥处理N2最合适。

玉米成熟期土壤与玉米播种时即上季小麦成熟期的0～20 cm土层各处理间的差异基本一致（图6-b），除土壤空白N0和普通肥料N2土壤有效鉀含量减少之外其他处理经过小麦玉米一茬轮作之后，土壤速效钾含量增加，说明种植作物时需要施用钾肥来弥补被作物吸收利用的钾，也要适量，不能施用过多造成浪费。同时随着土层的加深，土壤速效钾含量逐渐降低。

2.5不同氮肥处理对土壤电导率的影响

小麦成熟期的耕层土壤除空白N0处理电导率最低、控释肥N3处理电导率最高外，其他各处理间差异不显著（图7-a）。控释肥N3处理与控释肥N2处理和普通氮肥处理SN3之间差异显著，说明在磷钾水平相同条件下一定范围内土壤电导率随施氮量的增加而增加，而在同等施氮量条件下，施用控释氮肥比施用普通氮肥土壤电导率高。从图7-b看出，玉米成熟期土壤在0～20 cm土层到20～40 cm土层深度电导率下降，而40 cm以下土壤电导率总体表现不变，同时在0～200 cm土层中，在等氮处理的条件下，使用控释肥的N3处理和N2处理与普通氮肥SN3处理和SN2处理相比一直保持电导率高的趋势。土壤电导率包含了土壤养分与理化特性的丰富信息[25]，综上可知控释肥对提高肥料的利用率、减轻施肥对环境的污染有重要意义。

3讨论与结论

经过7年小麦玉米轮作，施用氮肥比不施氮肥籽粒产量大幅度提高，小麦产量最高处理（N2）较其他处理增产幅度为6.0%～287%，玉米产量最高处理（N2）较其他处理增幅度为5.5%～71.9%。但是过量施用氮肥会造成籽粒减产，小麦籽粒减产幅度为6.2%～7.7%，玉米籽粒减产幅度为 5.3%～6.7%。在等氮条件下，施用控释氮肥的小麦籽粒产量比施用普通氮肥的处理增产3.7%～6.0%，施用控释氮肥的处理玉米籽粒产量比施用普通氮肥的处理增产3.9%～5.5%。

施用控释氮肥能提高氮肥利用效率，表现为在等氮条件下小麦玉米的施用控释氮肥N2、N3两处理的氮肥农学利用效率、氮肥利用效率和氮肥偏生产力均高于速效氮 SN2、SN3。

施用氮肥能够增加土壤中养分含量，各施氮处理均较空白N0差异显著，土壤中全氮和有机质随着施氮量的增加而增加，到N2处理时含量最高，随后随施氮量增加土壤全氮和有机质含量差异不显著或是减少。玉米成熟期土壤整个剖面来看施用氮肥比空白N0电导率高，在0～40 cm到土层深度，土壤电导率下降，而40 cm以下土壤电导率总体表现不变，同时在0～200 cm土层中，在等氮处理的条件下，使用控释肥的N3处理和N2处理与普通氮肥SN3处理和SN2处理相比一直保持电导率高的趋势。

控释氮肥的释放与作物利用同步，有益于减少肥料的浪费，提高利用率[26-27]。从0～20 cm土层到20～40 cm土层土壤NO3--N含量急剧减少，然后从20～40 cm土层到180～200 cm 土层，土壤NO3--N含量又逐渐增多，同时等氮条件下，控释肥处理比普通肥料处理土壤销态氮含量低。说明在等NO3--N条件下施用控释肥有利于减少硝态氮的淋溶，提高肥料利用率。在玉米成熟期土壤中，从0～20 cm土层到20～40 cm土层，土壤铵态氮含量急剧减少，从20～40 cm 土层到180～200 cm土层，土壤铵态氮含量保持相对稳定，在等氮处理条件下，控释肥处理比普通肥料处理土壤NH4+-N含量少。说明在等氮条件下施用控释肥有利于减少铵态氮损失，提高肥料利用率。

施用控释氮肥能够促进作物对磷钾的吸收，表现为土壤中的速效钾、有效磷随施氮量的增加而减少。

综合以上条件，控释氮肥在小麦玉米轮作上一次性基施取得高产的小麦最佳施氮量范围为120～240 kg/hm2，玉米最佳施氮量范围为150～300 kg/hm2。

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