包膜控释氮肥配施尿素对冬小麦产量与氮素积累及利用的影响

何 杰，张敬昇，王昌全，附文军，李新悦，古 珺，梁靖越，李 冰，尹 斌( 四川农业大学 资源学院，四川 成都630; 中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京0008)

冬小麦是我国主要的粮食作物之一，施氮是提高小麦产量和改善小麦品质的有效措施[1]。目前，农民常采用多次追施尿素或过量施氮来实现小麦增产的目的[2-4]，这不仅会增大劳动投入，还会造成大量氮素流失，引起环境恶化[5-6]。控释氮肥具有延长氮素释放周期，匹配作物需氮规律的特点，能有效提高作物产量[7-8]，但控释肥料价格较高，不利于其推广[9]。同时有研究表明，单施控释氮肥可能会引起作物前期供氮不足，后期贪青晚熟，抑制作物高产[10-11]。故将控释氮肥掺混尿素进行一次性基施，尿素有利于前期供氮，促进作物的生长，控释氮肥有利于后期氮素补充，保证小麦的攻穗结实，从而实现提高氮肥利用率和经济效益的目的。目前有关控释氮肥增产和提高氮素利用率的研究较多[4,12-13]，且针对恰当配施比例的研究逐渐成为热点。因此，本试验以单施尿素为对照，采用尿素配施不同比例控释氮肥，在成都平原进行2个年度冬小麦大田试验，探讨不同配比施肥对冬小麦氮素积累、分配、利用率和产量、经济效益的影响并分析其原因，以期为成都平原冬小麦生产寻找适宜的控释氮肥配施比例。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验分别于2014年11月至2015年5月和2015年11月至2016年5月在四川农业大学崇州市桤泉镇试验基地进行。该区域年均气温15.9 ℃，年均日照时数1 161.5 h，年均降雨量1 012.4 mm，年均无霜期285 d。供试土壤类型为水稻土，土壤含有机质29.57 g/kg、全氮1.44 g/kg、碱解氮60.76 mg/kg、速效磷13.82 mg/kg、速效钾110.60 mg/kg，pH值6.43。

1.2 供试材料

聚合物包膜控释氮肥(N 41.4%)，氮素释放周期为90 d，中国科学院南京土壤研究所研制；尿素(N 46.4%)，四川美丰化工有限公司生产；过磷酸钙(P2O512%)，湖北祥云化工股份有限公司生产；氯化钾(K2O 60%)，湖北宜昌涌金工贸有限公司生产。供试小麦品种为内麦836，由四川省内江市农业科学院选育。

1.3 试验设计

试验共设7个处理:CK(不施氮肥)；T1(100%普通尿素)；T2(控释氮肥10%+普通尿素90%)；T3(控释氮肥20%+普通尿素80%)；T4(控释氮肥40%+普通尿素60%)；T5(控释氮肥80%+普通尿素20%)；T6(控释氮肥100%)。除CK不施氮处理外，各处理氮、磷、钾用量一致，施氮量150 kg/hm2，施磷量90 kg/hm2，施钾量90 kg/hm2；氮、磷、钾肥均作为基肥一次性基施。2个年度试验均在同一地块进行，后茬作物为水稻(F优498)。试验小区面积30 m2(5 m×6 m)。每个处理设3次重复，随机排列。小区田埂设农膜，四周设保护行，避免水肥相互渗透，田间管理以当地习惯方式进行。

1.4 样品采集及测定

施肥前采集试验地0～20 cm土层土样，分析其理化性质[14]。分别于冬小麦分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期，在每个小区用多点混合采样法采集0～20 cm土层土样，同时各取代表性植株样品30株，其中抽穗期用直尺量取旗叶及倒二叶长和宽，计算叶面积。地上部由分蘖期至抽穗期均为秸秆，成熟期分为秸秆与籽粒两部分。各植株采集后先在105 ℃杀青30 min，然后在70 ℃烘干至恒质量。产量按小区单打单收，统计各产量构成因子。土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮、全氮分别采用靛酚蓝比色法、紫外双波段法、扩散法、凯氏定氮法测定[14]，微生物量氮含量采用熏蒸法测定[15]。植株全氮含量采用浓H2SO4-H2O2-凯氏定氮法测定。

1.5 计算方法

纯收益=产值-投入；纯收益新增率=(处理区纯收益-对照区纯收益)/对照区纯收益×100%[16];边际成本效率=(处理区产值-对照区产值)/(处理区成本-对照区成本)[16];旗叶面积=旗叶长×旗叶宽×0.83[17-18];倒二叶面积=倒二叶长×倒二叶宽×0.83[17-18];顶二叶面积=旗叶面积+倒二叶面积;氮积累量(kg/hm2)=干物质量×氮含量/100；氮肥偏生产力 (NPP,kg/kg)=施氮区产量/施氮量;氮肥农学利用率(NAE,kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)=植株地上部氮素累积量/施氮量;氮肥表观利用率(NAUE,%)=(施氮区植株吸氮量-不施氮区植株吸氮量)/施氮量×100%;氮收获指数(NHI,%)=籽粒中氮含量/植株氮素累积量×100%;土壤氮依存率(CRSN,%)=不施氮区植株吸氮量/施氮区植株吸氮量×100%。

1.6 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对试验数据进行处理分析，并进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥对冬小麦产量与经济效益的影响

2.1.1 产量构成 由表1可以看出，施氮可显著提高小麦穗长和穗粒数。穗长以T4处理最大，与T1处理差异显著，2014和2015年分别较T1处理增加1.28和1.33 cm。穗粒数和千粒质量在各施氮处理间无显著差异。

小麦旗叶面积以T4处理最大，与T1处理差异显著；除T2处理外，倒二叶面积随控释氮肥施用比例的增大呈先增大后减小的趋势，在T4处理达到峰值；添加20%及以上控释氮肥的处理小麦顶二叶面积较T1处理显著提高，两年分别提高1.38～2.19 cm2(2014年)和4～9.24 cm2(2015年)，且均以T4处理最大。

表1 包膜控释氮肥配施尿素对冬小麦产量构成及叶面积的影响Table 1 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on wheat yield components and leaf area

2.1.2 产量与经济效益 由表2可以看出，施氮处理均可显著提高小麦产量。除T2处理外，随控释氮肥施用比例的提高，小麦产量先增高后降低，且两年产量均以T4处理最大，较单施尿素的T1处理增产697.06 kg/hm2(2014年)和521.02 kg/hm2(2015年)，较单施控释氮肥的T6处理增产383.86 kg/hm2(2014年)和400.43 kg/hm2(2015年)。经济效益方面，投入随控释氮肥施用比例的升高而增大。小麦两年的纯收益新增率均以T4处理最大，T3处理次之，较其余处理均具有明显经济效益优势。两年的边际成本效率显示，T3、T4处理经济效益显著，分级结果高于其余处理。由纯收益水平结合纯收益新增率与边际成本效率可知，T3与T4处理的纯收益水平优势明显，较单施尿素的T1处理提高了16.73%～23.24%(2014年)和4.05%～14.31%(2015年)。

注:效益分析时，肥料及小麦价格为尿素2.25元/kg，控释氮肥3.5元/kg，磷肥1.0元/kg，钾肥3.5元/kg，小麦1.9元/kg。净利润分级采用纯收益新增率和边际成本效率来表征，分级方法参考袁从等[16]的方法，纯收益新增率1～5级分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，边际成本效率1～5级分别记为①、②、③、④、⑤。同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Efficiency analysis,the price of fertilizer and wheat are Urea 2.25 Yuan/kg,controlled nitrogen fertilizer 3.5 Yuan/kg,phosphate fertilizer 1.0 Yuan/kg,potassium fertilizer 3.75 Yuan/kg,and Wheat 1.9 Yuan/kg.The net income could be showed quantitatively by the newly-increased net income rate and rate of remuneration of marginal cost.The classification is based on Yuan et al.[16].The newly-increased net income rate has five degrees,marked as Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,and Ⅴ;and the rate of remuneration of marginal cost has five degrees,marked as ①,②,③,④,and ⑤.Values followed by different letters are significantly different among treatments at 5% level.

2.2 控释氮肥对冬小麦氮素积累与利用率的影响

2.2.1 地上部氮素的累积与分配 由图1可以看出，小麦地上部氮素累积量在抽穗期前缓慢上升，抽穗期到成熟期积累迅速。除2015年小麦分蘖期的T6处理外，施氮处理均可显著增加小麦各生育期地上部氮素累积量。分蘖期，单施尿素的T1处理对小麦氮素积累效果影响最优，与其余施氮处理差异显著。随生育期的推移，配施控释氮肥处理的小麦地上部氮素累积量随控释肥施用比例的升高呈现先升高后降低的趋势，且均以T4处理最优。成熟期，T4处理小麦地上部氮素累积量较单施尿素的T1处理显著增加16.79%(2014年)和24.44%(2015年)，较单施控释氮肥的T6处理显著增加5.14%(2014年)和15.56%(2015年)。

小麦成熟期籽粒氮素累积量明显高于秸秆，籽粒占60%～70%，且各施氮处理均可明显提高籽粒氮素累积量与分配比例，其中T4处理的籽粒氮素累积量最多，比其余施氮处理增加了4.09%～21.78%(2014年)和5.97%～25.56%(2015年)。

2.2.2 氮素的利用率 从表3可以看出，配施控释氮肥的处理均能有效提高小麦氮素利用率；除T2处理外，随着控释氮肥施用比例的上升，小麦氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、氮素吸收效率、氮肥表观利用率均先升高后降低，在T4处理出现峰值；相较单施尿素的T1处理，配施控释氮肥的处理以上指标在2014年增长了-4.65%～14.21%，-8.91%～27.26%，-5.00%～17.50%和-6.88%～29.89%，在2015年增长了-4.76%～9.97%，-8.91%～20.08%，0～23.26%和0.09%～48.77%。两年试验数据表明，小麦氮收获指数差异较小，2014年以T1处理较高，2015年则是T4处理最大。施用控释氮肥处理间，土壤氮依存率随控释氮肥施用比例的上升呈现先降低后升高的规律，在T4处理出现最小值，较其余施氮处理降低4.72%～17.69%(2014年)和4.68%～19.64%(2015年)。

图柱上标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different small letters above column indicate significant difference among treatments (P<0.05)图1 包膜控释氮肥配施尿素对冬小麦氮素累积量的影响Fig.1 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on nitrogen accumulation in wheat

表3 包膜控释氮肥配施尿素对冬小麦氮素利用率的影响Table 3 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined withurea on nitrogen use efficiency of wheat

2.3 控释氮肥对土壤氮素养分变化的影响

由表4可知，施氮能有效提高小麦收获后土壤氮素养分。配施20%及以上控释氮肥的处理土壤铵态氮含量较CK处理显著增加，以单施控释氮肥的T6处理较优，但其与T3、T4、T5处理间无显著差异。土壤硝态氮含量随控释氮肥施用比例的升高而增大，单施控释氮肥的T6处理较T1处理提高33.33 mg/kg(2014年)和22.47 mg/kg(2015年)。小麦收获后土壤微生物量氮、碱解氮和全氮随控释氮肥施用比例的增加而总体升高，且以施用40%及以上控释氮肥的处理影响效果较优，与单施尿素的T1处理差异显著，其中微生物量氮两年分别提高50.65%～62.85%(2014年)和54.23%～61.58%(2015年)，碱解氮提高16.84%～23.01%(2014年)和18.28%～22.55%(2015年)、全氮提高5.10%～5.73%(2014年)和3.85%～4.49%(2015年)。

表4 包膜控释氮肥配施尿素对冬小麦土壤氮素养分变化的影响Table 4 Effects of coated controlled-release nitrogen fertilizer combined with urea on content of soil nitrogen after wheat harvest

3 讨 论

控释氮肥与尿素的合理配施能促进作物增产，提高经济效益[19]。大量研究表明，施用控释氮肥或采用控释氮肥配施尿素能有效提高作物产量及其构成因子[20-21]，这与本研究结果类似。采用40%控释氮肥与60%尿素配施可有效提高小麦产量，较单施尿素的T1和单施控释氮肥的T6处理两年平均增产609.04 和392.15 kg/hm2，且施氮处理不同程度改善了作物产量构成因子，以T4处理综合效果较佳，其原因可能是恰当的配比施肥优化了小麦生育期内土壤氮素供应特征[22]，匹配小麦需氮规律，进而保证了小麦的良好生长发育，促进小麦增产。研究表明，增大旗叶面积能有效提高小麦产量[23]，倒二叶与顶二叶叶面积与小麦籽粒产量呈显著正相关[24]。本试验中，T4处理小麦旗叶、倒二叶及顶二叶面积均最大，表明该处理的小麦生长较优，具有较强的能量转运潜力。控释氮肥成本较高[25]，降低了净利润，限制了配施80%～100%控释氮肥处理的推广应用。新增纯收益率和边际成本效益作为经济上有力的定量指标能有效指示作物经济效益[16]。本研究中，这两项指标均在配施20%～40%控释氮肥处理上表现出优势，净利润较单施尿素的T1处理提高797.77～1 108.12元/hm2(2014年)和218.88～773.64元/hm2(2015年)。

小麦对氮素的吸收、累积、分配与小麦产量和氮素利用率有密切关系[26]。氮素累积是作物生长的前提保证[27]，冬小麦前期生长缓慢，地上部氮素累积量较少，且受低温的影响，控释氮肥氮素释放缓慢[28]。本研究中，分蘖期小麦地上部氮素累积量随控释氮肥施用比例的升高而逐渐下降；拔节期后小麦生长迅速，氮素累积量增大，T4处理小麦地上部氮素累积量优于其余处理；成熟期T4处理氮素累积较T1处理和T6处理显著提高。其可能原因是T4处理通过前期的尿素供氮保证了小麦的健康生长，中后期控释氮肥持续供氮，使小麦整个生育期氮素供应充足且持续[29]，从而保证小麦生长状况良好，促进了中后期植株氮素累积。小麦成熟期氮素累积量表现为籽粒明显高于秸秆，且施氮可有效提高小麦氮素利用率，这与前人的研究结果一致[30]。本试验中，T4处理籽粒氮素累积量最多，较其余施氮处理增加4.09%～25.56%，有利于小麦的攻穗结实，促进小麦增产。多项研究表明，施加控释氮肥对氮素利用率有积极影响[2,12,31]，将尿素与控释氮肥合理配施，能有效调节作物生育期内的供氮状况，匹配作物的需氮规律，进一步提高氮素利用率[23,32]。本试验中，施加20%及以上控释氮肥的处理较单施尿素的T1处理能有效提高氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、氮素吸收效率、氮肥表观利用率，降低土壤氮依存率，其中以T4处理影响最优，T3处理次之。这可能是由于配施控释氮肥比例低于20%的处理中，尿素所占比例较高，前期大量的氮素供应不仅可能造成小麦无效分蘖增多，还可能导致后期供氮不足，作物生长不良；而配施控释氮肥比例高于40%处理中，控释氮肥施用量过高，前期供氮量低，后期可能出现贪青晚熟现象[11]，导致作物产量降低。同时，也有少量学者针对小麦控释氮肥与尿素配施的最佳比例进行了研究，李伟等[32]提出配施50%控释氮肥为小麦最佳配比，王弘菲等[22]研究认为控释氮肥与尿素按质量比2∶1配施效果较佳。各研究结果的差异可能与控释氮肥类别、施氮量、土壤状况、水热条件等因素有关，故实际生产中应紧密结合当地具体情况进行合理配施。

前人对多种作物的相关研究表明，施加控释氮肥较常规处理能有效提高作物生育中后期土壤的氮素含量，且随着控释氮肥配施比例的增加作用效果更明显[33-35]，这与本研究结果基本一致。本试验中，配施20%以上控释氮肥的处理较单施尿素处理能有效增加小麦收获后的氮素养分，其中硝态氮、微生物量氮、碱解氮和全氮含量在两季小麦收获后均增长显著，平均提高12.10～27.90 mg/kg、11.09～12.86 mg/kg、18.86～24.45 mg/kg和0.07～0.08 g/kg，可为下季作物提供潜在氮素补充。然而配施80%及以上控释氮肥处理的小麦产量及氮素利用率明显低于T4处理，这表明控释氮肥配施比例为80%～100%的处理氮素供应特征与小麦全生育期需氮规律不匹配，致使氮素向小麦穗部的积累转运量较少，氮素利用率相对较低，且收获期残留氮素相对较高，氮肥的整体利用率低下，可能增加养分淋失风险。

4 结 论

2014和2015年的田间试验结果表明，控释氮肥与尿素合理配施能有效提高小麦产量、经济效益和氮素利用率。本试验条件下，尿素配施20%～40%控释氮肥处理能通过合理调节氮素释放速率，促进小麦关键生育时期旗叶发育与氮素积累，提高氮素向籽粒部分的转运分配，小麦产量和氮素利用率综合效果较佳，同时能有效提高经济效益，故在成都平原冬小麦生产上推荐控释氮肥配施比例为20%～40%。

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