控释肥对小麦/玉米农田土壤硝态氮累积和迁移的影响

石宁，李彦，张英鹏，罗加法，仲子文，孙明，刘兆辉，井永苹，薄录吉



控释肥对小麦/玉米农田土壤硝态氮累积和迁移的影响

石宁1，李彦1，张英鹏1，罗加法2，仲子文1，孙明1，刘兆辉3，井永苹1，薄录吉1

（1山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部黄淮海平原农业环境重点实验室/山东省农业面源污染防控重点实验室，中国济南 250100；2新西兰农业科学院鲁亚库拉研究中心，新西兰哈密尔顿 3240；3山东省农业科学院，中国济南 250100）

【目的】利用田间试验研究树脂包膜控释尿素对冬小麦夏玉米产量、肥料表观利用率、氮肥表观损失量、土壤硝态氮的累积和迁移规律的影响，为一次性施肥技术的发展提供重要的理论指导。【方法】对冬小麦-夏玉米轮作的大田试验设置3个处理：（1）不施氮（CK）；（2）普通尿素优化施肥处理（OPT，基施50%，小麦返青、玉米拔节50%）；（3）树脂包膜尿素一次性施肥处理（CRF，80% OPT施氮量）。小麦OPT和CRF处理氮用量分别为180和144 kg·hm-2，玉米OPT和CRF处理氮分别为210和168 kg·hm-2，小麦磷钾的施用量分别为P2O590 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2，玉米磷钾的施用量分别为P2O560 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2，肥源分别为过磷酸钙和氯化钾。在小麦返青期、拔节期、孕穗期和收获期以及玉米苗期、拔节期、灌浆期和成熟期按照20 cm土层采集0—100 cm土壤剖面土样进行分析，在收获时收集植株叶片及籽粒样品进行养分分析并测定其产量。【结果】与优化施肥相比，控释肥在减少20%施氮量的情况下，小麦产量达到7.87 t·hm-2，地上部总氮吸收量为209 kg·hm-2，玉米产量和吸氮量分别为7.57 t·hm-2和142 kg·hm-2，不仅保证了小麦、玉米的产量和地上部总氮吸收量，小麦玉米持续施用控释肥还减少了土壤中氮的表观损失量。土层中硝态氮素累积主要发生在40—60 cm土层，控释肥能够有效减少硝态氮在0—100 cm土层中的累积量，同时减缓硝态氮向深层土壤迁移的速率。【结论】在冬小麦-夏玉米体系中，控释肥能够实现减量施氮不减产，同时减少氮肥损失，降低土壤中硝态氮的累积和迁移，降低环境风险。

控释肥；硝态氮；累积；迁移；小麦；玉米

0 引言

【研究意义】氮肥在农田生态系统中的投入和支出平衡对农业可持续发展至关重要，而农民为了获得更高的作物产量，盲目的过量施用氮肥导致氮肥利用率低，同时造成了严重的环境污染，例如地表富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮含量超标、温室气体排放量增加等问题[1]。在华北平原地区，冬小麦-夏玉米轮作是主要的轮作模式，冬小麦季氮的平均施用量已经达到369 kg·hm-2[2]，远超过作物对氮的需求量。另外，作物前期生长对养分需求较小，在传统的施肥过程中，有一半的氮肥会作为基肥在作物前期施入土壤，造成浪费[3]。我国目前当季氮肥利用率低，仅为35%[4]，平均每年大约有180 kg·hm-2的氮通过氨挥发、硝化与反硝化等途径损失在环境中[5]，而累积在土壤中的氮主要以硝态氮的形式存在[6-8]，非常容易因为降雨或者大量灌溉向深层土壤迁移，造成深层土壤硝态氮累积增加[2,9-10]，进而造成氮淋溶威胁地下水安全[11]。氮素施用主要以尿素为主，尿素施入土壤后在脲酶的作用下会迅速水解并发生大量氮损失[12]，在小麦-玉米轮作体系中，土壤中硝态氮在60—200 cm土层中已经出现明显的累积和迁移[13-14]。所以氮肥品种，施用数量以及施用时间是保证作物产量和提高氮肥利用效率的关键[4]，其中，缓/控释肥用于大田主要粮食作物已经成为当前减量施氮，提高氮肥利用率并维持土壤氮素平衡的重要途径，也是未来农业可持续发展的重要途径。【前人研究进展】研究者主要从肥料品种本身上寻找解决问题的方法，根据包膜材料控制养分的释放速率和释放时间，将其分为缓释肥和控释肥[1,15]。其中，控释肥因为其释放养分的时间和速率满足了作物在整个生育期对养分的需求[16-18]，还因为其一次性施肥的特点降低了传统基追分施增加的劳动成本，成为降低氮肥使用量而提高其利用率的主要途径之一。提高作物产量和氮肥利用率是选用控释肥的基本目标，最主要的目标是要降低氮在土壤中的残留和向深层土壤的迁移，减少氮肥对环境产生的风险。已经有研究表明，施用树脂包膜的尿素能够显著增加玉米、水稻等作物的产量，提高氮肥利用效率[6,19]，而冬小麦这样长生育期的作物对控释肥养分的释放速率以及氮肥利用效率的要求也会更高[19-21]。【本研究切入点】之前的研究大多集中在控释肥对作物产量、品质的影响以及氮肥的回收利用率等方面，忽略了施用控释肥后土壤氮的累积和其迁移的情况。【拟解决的关键问题】本试验是在保证小麦、玉米稳产或者少量增产的前提下，在小麦-玉米轮作体系中施用减量氮肥的控释尿素，能减少氮肥损失，并降低土壤中硝态氮的累积和其向深层土壤的迁移，降低其对环境的污染风险，为绿色农业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 基本概况

试验地位于山东省微山岛乡上庄村，经纬度为：34°39'34" N，117°14'46" E。该地区常年平均降水为697 mm。试验作物为冬小麦济麦22号，2014年10月6日播种，2015年6月20日收获，夏玉米为郑单958，2015年6月28日播种，10月4日收获。供试土壤为潮土，黏壤土。表层0—20 cm土层的基础理化性状：pH 7.3，有机质含量为20.75 g·kg-1，Olsen-P含量为6.86 mg·kg-1，有效钾含量为89.69 mg·kg-1，硝态氮含量为9.64 mg·kg-1，0—100 cm土层中硝态氮累积量为50 kg·hm-2。

1.2 试验设计与田间管理

小麦施肥处理：CK（不施用氮肥的空白处理，0-90-60，每公顷N、P2O5、K2O纯养分含量）；CRF（144-90-60，控释肥处理，氮投入量为优化施肥处理的80%）；OPT（180-90-60，优化施肥处理）。玉米施肥处理：CK（0-60-60）；CRF（168-60-60）；OPT（210-60-60）。

田间操作根据当地习惯，肥料包括普通尿素（N 46%）和树脂包膜尿素（N 42%，金正大）、重钙（P2O544%）、氯化钾（K2O 60%）。其中，普通尿素分基施和追施两次，施用量基，追肥各半，追施分别在小麦返青期和玉米拔节期进行开沟施用。磷钾肥和包膜控释肥一次性基施。每个处理设置3次重复，小区面积36 m2，各小区随机区组排列。小麦生育期内不进行人工灌溉，各处理其他管理措施均等同于大田生产。

1.3 田间收获与指标测定

于作物成熟期收获整株作物，按器官分开，105℃杀青30 min，60℃烘至恒重，称取干重。通过凯氏定氮法测定植株样品全氮。于小麦的返青期、拔节期、孕穗期和收获期以及玉米的苗期、拔节期、灌浆期和成熟期按照20 cm土层采集0—100 cm土壤剖面土，用环刀法测定不同土层土壤容重，鲜土用2 mol·L-1KCl溶液（土水比1﹕5）浸提，并通过氮素连续流动分析仪（TRAACS 2000, Bran and Luebbe, Norderstedt, Germany）测定硝态氮和铵态氮。

1.4 统计及分析方法

采用Excel、SigmaPlot进行数据处理和绘图，采用SPSS16.0（Duncan<0.05）（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行显著方差分析。

氮肥表观利用率（REN）=(U-U0)/F×100%

式中，U为施肥后作物收获时地上部的氮肥吸收量，U0为未施肥时作物收获时地上部的氮肥吸收量，F为氮肥的投入量。

氮肥表观损失（Nloss）=Nmin，initial+ Norganic+ Nfer- Nmin, harvest- Nuptake

式中，Nmin, initial和 Nmin, harvest分别表示种植前和收获后0—100 cm土层无机氮含量；Norganic表示假定不施氮肥处理的氮素损失为零，并根据氮素平衡计算土壤氮的矿化量；Nfer表示氮肥的投入量；Nuptake表示地上部氮的吸收量[22]。

相对氮累积速率（RNAR）=(N2-N1)/[(T2-T1)N1]式中，N1和 N2分别表示在第一（T1）、第二次（T2）收获时土壤中的氮含量。

2 结果

2.1 不同施肥措施对氮肥吸收利用的影响

从表1可见，小麦季和玉米季的OPT和CRF处理的产量均显著高于对照处理，地上部总吸氮量也均显著高于对照处理，但是OPT和CRF之间没有显著差异（表1）。

在小麦季，CRF和OPT处理的氮肥表观利用率没有显著差异，分别为45%和53%。而CRF处理0—100 cm土层的氮肥表观损失量较低，为46.94 kg·hm-2，显著低于OPT处理（表2）。在玉米季，CRF的氮肥表观利用率略高于OPT，但处理之间没有显著差异。CRF处理0—100 cm土壤硝态氮出现盈余，为19.35 kg·hm-2，而此时OPT处理氮肥表观损失量为53.78 kg·hm-2，显著高于CRF（表2）。

2.2 不同生育时期土壤硝态氮累积变化

随着小麦生长，CRF处理的0—100 cm土层中硝态氮的含量一直和对照处理CK保持一致，在拔节期出现最低累积量14 kg·hm-2，而后随着小麦生长累积量逐渐升高，在收获期达到80 kg·hm-2；相反，OPT处理的0—100 cm土层中，硝态氮含量在小麦的孕穗期明显高于其他处理，达到峰值214 kg·hm-2，在收获时硝态氮含量下降为105 kg·hm-2（图1）。在玉米季，不同处理间0—100 cm土层中的CRF和CK硝态氮含量变化趋势一致，在整个生育期CRF处理的硝态氮含量平均高出CK 110 kg·hm-2，OPT处理在灌浆期达到峰值312 kg·hm-2；在玉米成熟收获时，CRF和OPT土壤硝态氮含量相同，均达到165 kg·hm-2（图2）。

表1 小麦/玉米产量和总吸氮量

每列数据后小写字母表示不同处理间差异显著（＜0.05）。下同

The lowercase letters in the column indicate significant differences among the treatments (＜0.05). The same as below

表2 小麦/玉米不同处理的氮肥表观利用率和0—100 cm土层氮肥表观损失量

同列数据后小写字母表示小麦不同处理间差异显著，大写字母表示玉米不同处理间差异显著（＜0.05）

The lowercase letters in the column indicate significant differences between the treatments for wheat, the uppercase letters indicate differences between the treatments for maize (＜0.05)

RS：青期；JS：拔节期；BS：孕穗期；HS：收获期。下同

2.3 硝态氮在土壤中的迁移速率

小麦季土壤中硝态氮的相对累积速率在不同土层中存在显著差异。施氮处理OPT和CRF的相对累积速率随着土层加深呈现出先升高后降低的规律，并在40—60 cm土层达到峰值，显著高于其他土层中硝态氮的相对累积速率。OPT在40—60 cm土层中每季达到93 kg·hm-2，是CRF处理的2倍多（图3）。小麦收获之后播种玉米，玉米季土壤中硝态氮累积速率的变化和小麦季完全不同。在0—20 cm表层土壤中，硝态氮的相对累积速率虽然显著高于其他土层，但是CRF的相对累积速率也仅为每季2 kg·hm-2，OPT和CK为1 kg·hm-2，在20—40 cm以及40—60 cm，除了OPT土层中出现较小的累积，其他处理在20—100 cm土层中均出现了小幅度的负增长现象（图4）。

图2 玉米季不同生育时期硝态氮在0—100 cm土层中的累积量

不同大写字母表示不同土层间平均值差异显著（P＜0.05）。下同

图4 玉米季不同处理硝态氮在不同土层中的相对累积速率

3 讨论

虽然CRF的施氮量仅为OPT的80%，但是并没有降低小麦、玉米的产量和地上部总氮吸收量（表1），说明在优化施肥量的基础上减施20%的氮肥能够保证作物不减产，符合目前华北平原小麦、玉米适宜的理论施氮量[23-24]。氮肥利用率随施氮量增加而降低，损失率相应增加[22,25]，本试验条件下，OPT的施氮量虽然是优化施氮量，但是因为施用的是尿素，在土壤中极易造成损失进而污染环境。小麦季中OPT处理氮肥的表观利用率虽然较高，但是氮肥的损失量也高（表2），相反，包膜控释肥料由于释放养分缓慢，在整个生育期土壤中的硝态氮变化相对比较平缓，在整个生育期根层土壤硝态氮量较稳定[19,26]。王文岩[27]、栗丽等[28]研究也证实控释肥能够在减施25%氮肥的条件下保证产量并提高氮肥利用率，同时也能维持土壤氮素平衡。从化肥氮投入量和作物地上部氮输出量发现，在本试验中小麦/玉米一年两熟的轮作体系中，CRF的氮总输入量为312 kg·hm-2，地上部总吸氮量为326 kg·hm-2，而OPT的总输入为390 kg·hm-2，输出为351 kg·hm-2，根据CHEN等[29-30]建立的高产条件下土壤-作物系统综合管理技术，本试验中OPT处理的施氮量虽然在理论推荐施氮量的范围内，但仍然存在较高的氮累积或者损失的风险，CRF的施氮量相对更为合理。另外，由于OPT追施尿素，小麦和玉米生长后期0—100 cm土层中有明显的硝态氮累积，在作物收获后，硝态氮却又明显回落，从CRF和OPT处理的表观损失量（表2）可以看出，CRF减少的20%的氮实际也是减少了氮的损失量。

硝态氮在土壤剖面中的累积量和淋容量会随着施氮量的增加而增加[31-33]，淋溶量不仅受水分的影响，也和作物根系生长的时空性相关。在本试验中，OPT处理0—100 cm的土层中，硝态氮的含量在小麦季拔节期和玉米灌浆期追施氮肥后都有明显累积，小麦季整个生育期中硝态氮的相对累计速率在40—60 cm土层表现最强烈，高达93 kg·hm-2，说明硝态氮向深层土壤迁移在小麦季主要集中在40—60 cm土层，于淑芳等[20]研究也表明，在首季小麦季时，施用速效性氮肥后硝态氮向下迁移主要集中在60 cm土层，即使在高氮投入的设施菜田中，施用控释肥后，硝态氮残留主要集中在表层根系分布的区域，减少了其向下层土壤的淋洗[34]。因此，40—60 cm土层可能是0—100 cm土层中氮素迁移的敏感层，硝态氮在土壤中累积和迁移发生初期主要集中在40—60 cm土层。在之后玉米季连续施用氮肥后，所有施肥处理其硝态氮含量均呈现不断增加的趋势（图2），而此时土层中硝态氮只有在0—20 cm表层发生较小幅度的累积，而在20—100 cm土层中出现了小幅度的负增长（图4），在玉米收获时，所有施氮处理0—100 cm的硝态氮含量已经维持在了较高水平，说明此时20—100 cm土层中的硝态氮仍然在向更深层的土壤迁移，发生了淋溶[32-33]。CRF处理0—100 cm土层中硝态氮累积量在小麦季和CK保持一致，由于连续的施加氮肥，在玉米季其含量也开始升高，并从表层土壤向下迁移，但是迁移速率远不及OPT处理（图3、4）。上述结试验结果说明，在小麦-玉米轮作中，控释肥在土壤中残留硝态氮减少，在保证耕层养分供应满足作物需求的情况下减少了硝态氮向深层土壤的迁移。在西欧等发达国家规定的氮肥优化管理体系中，作物收获后0—100 cm土层中氮素残留应不超过50 kg·hm-2[20]，在中国针对华北平原小麦/玉米轮作体系中优化管理的氮素盈余量参考值为100 kg·hm-2[35]。本试验在试验前0—100 cm土层中的硝态氮含量为50 kg·hm-2，在小麦/玉米轮作收获后CRF和OPT处理的硝态氮含量均为165kg·hm-2，盈余量为115 kg·hm-2，结果非常接近，这也就充分说明本试验中减施20% 氮的控释肥能更好地降低对土壤以及地下水环境污染的风险。

4 结论

和优化施肥相比较，包膜控释肥不仅可以实现和作物种子一次性施入土壤，减少劳动力达到省工的目的；另外，在保证作物产量和地上部吸氮量的同时，减施20%氮量的控释肥还减少了硝态氮在土壤中的残留量，降低了硝态氮向深层土壤迁移的速率，也进一步降低了对环境污染的风险。

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（责任编辑 李云霞，赵伶俐）

Effects of the Controlled Release Fertilizer on Nitrate Accumulation and Migration in the Soil of Wheat-Maize Rotation System

SHI Ning1, LI Yan1, ZHANG YingPeng1, LUO JiaFa2, ZHONG ZiWen1, SUN Ming1, LIU ZhaoHui3, JING YongPing1, BO LuJi1

(1Agricultural Institute of Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment of Huang-Huai-Hai Plain, Ministry of Agriculture/Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Control and Prevention, Jinan 250100, China;2AgResearch, Ruakura Research Centre, Hamilton 3240, New Zealand;3Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China)

【Objective】 This study explored the effects of urea coated by resin on the crop yield, nitrogen (N) recovery efficiency, N apparent loss, nitrate accumulation and migration of winter wheat and summer maize, which could provide theoretical support for further development of one-off fertilization technique. 【Method】 Field experiments in winter wheat-summer maize were set up with four different treatments, described as below : (1) No N fertilizer (CK), (2) Optimal fertilization by split application of urea (OPT, 50% of base fertilizer, 50% of turning green fertilizer of wheat and jointing fertilizer of maize, (3) single basal application of resin coated urea (CRF, 80% N rate of OPT). The OPT and CRF in wheat were fertilized with N 180 kg·hm-2and 144 kg·hm-2, respectively, which in maize were 210 kg·hm-2and 168 kg·hm-2, respectively. All the experimental fields were fertilized with P2O590 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2in wheat, and P2O560 kg·hm-2, K2O 60 kg·hm-2in maize, which were supplied by calcium superphosphate and potassium chloride. The 0-100 cm soil samples were collected at 20 cm increments during the period of returning green stage, jointing stage, booting stage and after harvest for the winter wheat; and seeding stage, jointing stage, filling stage and harvest stage for the summer maize. Shoot and grain samples of crops were collected at harvest stage to analyze nutrients. 【Result】 Compared with OPT, the yield of CRF reached 7.87 t·hm-2, the total N absorption of aboveground was 209 kg·hm-2, and the maize yield and N uptake were 7.57 t·hm-2and 142 kg·hm-2, respectively. It not only ensured the yield and total N uptake in wheat and maize, but also decreased the apparent N loss in soil in the wheat and maize rotation system. The 40-60 cm soil layer was the main location that nitrate accumulation. The application of CRF could effectively reduce the accumulation of nitrate in 0-100 cm soil layer, and slowing down the rate of nitrate migrate to the deep soil. 【Conclusion】 In the winter wheat-summer maize system, CRF with less N input could reduce the nitrate accumulation and migration in the soil without reducing yield and N uptake. Application of CRF could reduce the environmental risk from the apparent N loss in the soil.

controlled release fertilizer; nitrate-N; accumulation; migration

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.010

2018-01-19；

2018-06-21

国家公益性行业（农业）科研专项（201303103）、“海外泰山学者”建设工程专项、农业部“引进国际先进农业科学技术”项目（2014—S21）、山东省农业科学院农业科技创新工程（CXGC2016B09）、山东省农业科学院青年科研基金（2014QNM49，2016YQN40）、山东省自然科学基金（ZR2016DB28）、山东省重点研发计划（2016CYJS05A01）

石宁，E-mail：shining412616@163.com。通信作者李彦，Tel：0531-83179141；E-mail：nkyliyan@126.com