控释尿素配施黄腐酸对小麦产量及土壤养分供应的影响

李泽丽，刘之广*，张 民*，陈 琪，邹 朋，杨茂峰

（1 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018；2 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室/金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭 276700；3 山东泉林嘉有肥料有限责任公司，山东聊城 252800）

小麦 (Triticum aestivum L.) 是我国北方最重要的粮食作物之一，氮肥是影响小麦生长发育最活跃的栽培因子，其肥料品种和施用量都对小麦籽粒产量及品质形成具有重要影响[1]。当前人们通过大量施肥来获得高产，然而过量施用氮肥不仅浪费资源、降低肥料利用率[2]，还产生了其他不利影响，如植物病害、土壤酸化、农业面源污染和温室气体排放量增加等[3]。

控释尿素是通过聚合物包膜等形式实现养分按设定的模式 (释放率和释放时间) 释放，使其与作物吸收养分规律相一致的一类新型肥料[4]。控释尿素在玉米、小麦和水稻等粮食作物上进行了较多应用试验，证明其具备节肥、省工等优点[5]，可有效提高作物产量和氮肥利用率、减少环境污染[6–7]。黄腐酸广泛存在于土壤与水中，主要是芳香族羟基羧酸类物质[8]。黄腐酸含有许多活性基团，可以通过阳离子交换、螯合、络合和吸附等方式固定土壤中的多种元素[9]，有利于提高肥料利用率，同时有助于土壤团聚体形成，改善土壤结构[10]，而且可以增强光合作用，促进植物生长，尤其是可适当控制作物叶面气孔的开放度，减少蒸腾，提高作物抗旱能力[11]。控释尿素和黄腐酸因可提高肥料利用率、培肥地力和促进作物增产等特性而备受关注，是当前研究的热点之一[12]。

然而控释尿素与黄腐酸配施对小麦生长的协同增效作用鲜有报道。本研究通过小麦盆栽试验，探讨控释尿素配伍黄腐酸一次性基施对小麦产量及土壤养分供应的影响，为小麦科学施用控释尿素和黄腐酸提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在山东省泰安市山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室缓控释肥中试基地(36°9′40″N、117°9′48″E) 进行，属暖温带大陆性季风型气候，年平均气温13℃。供试土壤取自山东农业大学南校区科技园试验基地0—20 cm 耕层土壤，土壤类型为棕壤，在中国土壤系统分类中为普通简育湿润淋溶土 (Typic Hapli-Udic Argosols)[5]。土壤的基本理化性质为：pH值7.85、有机质12.01 g/kg、全氮 0.65 g/kg、硝态氮72.35 mg/kg、铵态氮 9.44 mg/kg、有效磷 13.22 mg/kg、速效钾 92.22 mg/kg。供试小麦品种为‘济麦 22’，生育期 239 d，千粒重 40 g。

供试控释尿素为金正大生态工程集团股份有限公司生产的树脂包膜控释尿素 (N 43%，释放期3个月)，供试黄腐酸颗粒 (pH 5.40，N 2%，K2O 3%) 由山东泉林嘉有肥料有限责任公司提供，供试传统肥料为尿素 (N 46%)，磷酸二铵 (N 18%、P2O546%)，重过磷酸钙 (P2O546%)，氯化钾 (K2O 60%)。

供试容器为陶土盆，上直径30 cm，高36 cm，盆底铺沙1 kg，每盆装土20 kg。2016年10月19日播种，2017年6月4日收获。小麦季每盆播种小麦45 粒 (发芽率 98%，按 150 kg/hm2播种)，后期间苗为每盆36株小麦。盆栽试验土壤含水率通过自动灌溉装置[13]控制维持在田间持水量 (水分质量分数为25%) 的70% ± 5%，除草、除虫按照常规高产栽培模式进行[14]，整个生育期内各处理管理措施相同。

1.2 试验设计

试验共设9个处理，分别为：1) 无氮 (CK)；2)尿素全量 (U)；3) 减 1/3 尿素处理 (U2/3)；4) 控释尿素全量 (CRU)；5) 减 1/3 控释尿素处理 (CRU2/3)；6)尿素全量配施黄腐酸处理 (U + FA)；7) 减 1/3 尿素配施黄腐酸处理 (U2/3 + FA )；8) 控释尿素全量配施黄腐酸处理 (CRU + FA)；9) 减 1/3 控释尿素配施黄腐酸处理 (CRU2/3 + FA)。每个处理4次重复。所有处理均基施 P2O5150 kg/hm2和 K2O 75 kg/hm2，全量N 处理为 225 kg/hm2，减 1/3 处理为 150 kg/hm2，添加黄腐酸的处理黄腐酸用量为45 kg/hm2，盆栽试验施肥量加倍即全量处理按照每千克土壤施入 N 0.20 g、P2O50.13 g 和 K2O 0.07 g，减氮 1/3 处理按照每千克土壤施入 N 0.13 g、P2O50.13 g 和 K2O 0.07 g。控释肥处理中控释氮占总氮量的70%，所有肥料均作为基肥一次性施入；其他处理的氮肥50%随其他肥料基施，50%于拔节期以追肥施入。

1.3 样品采集

土壤取样时间：苗期 (2016年11月20日)、返青期 (2017年3月12日)、拔节期 (2017年4月6 日)、开花期 (2017 年5月5日) 和成熟期 (2017 年6月4日)。取样方法：在小麦株间土壤均匀取2点，采样深度20 cm，土壤充分混匀后带回实验室。部分鲜土即刻测定土壤硝态氮、铵态氮含量，剩余土壤自然风干，研磨，分别过2 mm和0.25 mm筛后保存待测。

小麦各生育期测定株高和叶片SPAD值，每盆随机测定5株小麦。株高测量茎基部到顶端叶尖的高度，叶片SPAD值通过叶绿素仪 (SPAD-502，Minolta，日本) 测定最上部的完全展开叶叶缘和叶脉之间的中间位置，测定时避开叶脉和有损的叶片。

小麦收获后，植株秸秆及小麦籽粒置于烘箱中105℃杀青15 min，然后转至65℃烘箱烘干至恒重，其后称重磨细待测。

1.4 样品测定方法

土壤及黄腐酸pH值使用除去CO2的去离子水按照土水比1∶2.5浸提，pH计测定；土壤无机氮含量(土壤鲜样) 用 0.01 mol/L CaCl2浸提 (土水比1∶10)，浸提液中NO3–-N和 NH4

+-N含量采用连续流动注射分析仪 (AA3，Bran-Luebbe，德国) 测定；植株全氮含量采用H2SO4–H2O2联合消煮，凯氏定氮法测定；土壤有机质按照高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定；土壤有效磷含量用 0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5) 浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量用1.0 mol/L NH4OAc (pH 7.0) 浸提—火焰光度法测定[15]。控释肥料25℃静水养分释放特征采用行业标准《控释肥料》(HG/T4215-2011) 中的方法测定，田间养分释放特征采用土壤埋袋法测定[16]。土壤温度采用EC-5温度传感器 (S-THB-M008) 采集数据，HOBOH21-USB型数据采集器进行数据及图表分析，数据记录间隔为30 min/次。供试黄腐酸官能团采用美国尼高力公司Nicolet Nexus 410型红外光谱仪测定，波数范围是 400～4000 cm–1。光谱仪分辨率 2 cm–1，信噪比50000∶1，扫描32次。

1.5 数据分析方法

有关氮肥利用率相关指标的计算方法[17]：

氮肥农学利用率 (kg/kg) = (施氮区籽粒产量 – 不施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区产量/施氮量；氮肥利用率 (%) = (施氮处理氮累积量 – 不施氮处理氮累积量)/施氮量 × 100；

100 kg 籽粒需氮量 (kg) = 植株总吸氮量/小麦籽粒产量 × 100。

相关数据的处理与统计分析通过Excel 2010和SAS 8.2完成，包括ANOVA方差分析及Duncan差异显著性检验，比较不同处理间在P＜0.05的显著性水平，并采用Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 控释尿素田间氮素养分释放特征

控释尿素的氮素释放特性是评价其田间应用性能的关键指标[4–5]。在25℃静水浸提条件下，控释尿素氮素释放曲线呈“S”型 (图1)，前30 d为养分缓慢释放的迟滞期，此阶段共释放氮素10.5%；随后30～80 d为养分释放的加速期，此阶段共释放氮素59.8%；80～110 d为养分释放的减衰期，此阶段共释放氮素21.1%；氮素累积释放率达到91.4%时释放天数约为110 d。由于冬小麦季生育期平均温度仅为7.65℃ (图2)，控释尿素在土壤中的释放期较25℃静水中的释放期相对延长，氮素释放率达到80%时控释尿素释放天数从 90 d延长至 190 d。前80 d为养分缓慢释放的迟滞期，此阶段共释放氮素14.3%；随后80～200 d为养分释放的加速期，此阶段共释放氮素67.0%。因此，控释尿素需采用室内恒温培养与田间实测相结合的方式才能对其进行正确的农学效应评价。

图1 控释尿素氮释放特征Fig.1 Dynamics of N release from controlled release urea[注（Note）：左边图为 25℃ 恒温静水，右边图为田间实测 Left figure was results from 25℃ constant water and the right one was from field monitoring; DR—浸提时段释放率 N release rate at different extracting time intervals; AR—累积释放率 Accumulated N release rate.]

图2 小麦季土壤中15 cm地温变化曲线Fig.2 Soil temperature curve of 15 cm in wheat season

2.2 控释尿素配施黄腐酸对小麦生长的影响

从苗期到开花期，小麦的株高逐渐提高 (图3)。在小麦拔节期，等氮条件下CRU与U，CRU2/3与U2/3处理小麦株高差异不显著；CRU + FA、CRU2/3 +FA处理较等氮量的CRU、CRU2/3处理小麦株高平均升高了 5.2%，然而 U + FA 与 U，U2/3 + FA 与U2/3处理小麦株高差异均不显著。控释尿素配施黄腐酸显著提高了小麦株高。小麦整个生育期内叶片SPAD值呈现先升高后降低的趋势 (图4)。小麦拔节期，等氮条件下控释尿素处理与尿素处理小麦叶片SPAD值差异不显著；控释尿素配施黄腐酸与单施控释尿素处理小麦叶片SPAD值差异不显著，然而尿素配施黄腐酸较单施尿素处理小麦叶片SPAD值降低。控释尿素配施黄腐酸能够更大幅度地提高叶片叶绿素含量[23]。

图3 不同施肥处理小麦株高Fig.3 Plant height of wheat in different treatments[注（Note）：U—尿素 Urea N 225 kg/hm2; U2/3—尿素 Urea N 150 kg/hm2; CRU—控释尿素 Controlled release urea N 225 kg/hm2;CRU2/3—控释尿素 Controlled-release urea N 150 kg/hm2; FA—黄腐酸 Fulvic acid 45 kg/hm2.]

2.3 控释尿素配施黄腐酸对小麦产量及产量构成因素的影响

图4 不同施肥处理小麦叶片SPAD值Fig.4 SPAD values of wheat leaves in different treatments[注（Note）：U—尿素 Urea N 225 kg/hm2; U2/3—尿素 Urea N 150 kg/hm2; CRU—控释尿素 Controlled release urea N 225 kg/hm2;CRU2/3—控释尿素 Controlled-release urea N 150 kg/hm2; FA—黄腐酸 Fulvic acid 45 kg/hm2.]

控释尿素配施黄腐酸对小麦产量及产量构成因素存在不同程度的影响 (表1)。CRU 处理比U处理显著增产5.5%，CRU2/3处理比U2/3处理显著增产9.0%，因此控释尿素处理比尿素处理平均增产7.3%。另外，等氮量条件下与尿素处理相比，控释尿素处理平均提高小麦的穗粒数和单株有效穗数6.8%和5.2%，但对小麦的千粒重无显著影响。等氮条件下控释尿素配施黄腐酸较单施控释尿素处理的实收籽粒产量和地上部生物量分别显著提高了6.4%和6.9%，然而尿素全量配施黄腐酸 (U + FA) 处理较单施尿素 (U) 处理实收籽粒产量和地上部生物量显著减少 12.8% 和 10.1%，U2/3 + FA 处理较 U2/3 处理实收籽粒产量和地上部生物量显著增加10.6%和2.7%。另外，等氮条件下，控释尿素配施黄腐酸处理较单施控释尿素处理小麦的穗粒数增加了5.5%，但是对千粒重和单株有效穗数无显著影响。

表1 不同处理小麦产量和产量构成因素Table1 Yield and yield components of wheat in different treatments

2.4 控释尿素配施黄腐酸对小麦氮肥利用率的影响

肥料利用率主要取决于作物的吸收能力和土壤、肥料供应养分的能力[18]。表2表明，等氮量条件下，控释尿素处理较尿素处理的地上部氮素累积量显著增加了5.3%，控释尿素减氮1/3处理较尿素全量处理显著降低19.1%。等氮量条件下与尿素处理相比，控释尿素的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力差异不显著。等氮条件下，控释尿素配施黄腐酸 (CRU +FA、CRU2/3 + FA) 较单施控释尿素处理 (CRU、CRU2/3) 地上部氮素累积量显著增加了4.3%，然而尿素全量配施黄腐酸较单施全量尿素处理地上部氮素累积量显著减少了16.8%。另外，等氮条件下，控释尿素配施黄腐酸与单施控释尿素处理的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力差异均不显著。说明控释尿素能显著提高氮肥利用率，配施黄腐酸可进一步提高肥效，但尿素配伍黄腐酸显著降低氮肥利用率。

2.5 控释尿素配施黄腐酸对土壤养分状况及pH值的影响

控释尿素可调控小麦不同生育期耕层土壤硝态氮、铵态氮水平[20]，不同施氮处理对小麦季土壤硝态氮、铵态氮含量的影响十分显著 (图5)。从土壤养分在不同时期的变化趋势来看，小麦苗期至开花期土壤硝态氮含量呈现先降低后升高的趋势，控释氮肥与非控释氮肥处理变化趋势一致，但是在拔节期(174 天)，等氮条件下控释尿素 (CRU、CRU2/3) 处理的硝态氮含量比尿素处理 (U、U2/3) 平均显著高出54.7%；控释尿素减氮1/3处理与尿素全量处理硝态氮含量差异不显著；控释尿素配施黄腐酸与单施尿素处理硝态氮含量差异不显著。在本试验条件下，控释尿素较尿素处理可避免小麦越冬前氮素过剩造成资源浪费，同时显著增加返青期后土壤中的硝态氮、铵态氮含量，满足小麦氮素最大效率期对氮素的需求。

表2 不同处理的小麦氮肥利用率Table2 Nitrogen use efficiency of wheat under with different treatments

图5 不同时期各处理土壤硝态氮、铵态氮含量Fig.5 Content of soil NO3–-N and NH4+-N in different treatments at different time[注（Note）：U—尿素 Urea N 225 kg/hm2; U2/3—尿素 Urea N 150 kg/hm2; CRU—控释尿素 Controlled-release urea N 225 kg/hm2;CRU2/3—控释尿素 Controlled-release urea N 150 kg/hm2; FA—黄腐酸 Fulvic acid 45 kg/hm2.]

小麦生育期内，未施黄腐酸的处理 (U、U2/3、CRU、CRU2/3) 土壤有效磷含量呈现先升高后降低的趋势，然而配施黄腐酸的处理 (U + FA、U2/3 +FA、CRU + FA、CRU2/3 + FA) 土壤有效磷含量呈现先降低后增加最后降低的趋势。小麦拔节期，控释尿素处理的土壤有效磷含量与尿素处理无显著差异，然而CRU2/3、U2/3 + FA处理较CRU处理土壤有效磷含量显著提高了18.6%和20.6%，CRU、CRU + FA处理较U2/3处理有效磷含量显著降低了11.3% 和 3.0% (图 6)。

图6 不同时期各处理土壤有效磷含量Fig.6 Soil available P content in different treatments at different time

各处理土壤速效钾含量在小麦整个生育期均呈逐渐降低趋势 (图7)。拔节期控释肥处理 (CRU、CRU 2/3) 的土壤速效钾含量较等氮尿素处理 (U、U2/3)平均显著降低了10.5%，与等氮控释肥配施黄腐酸处理 (CRU + FA、CRU2/3 + FA) 无显著差异。

图7 不同时期各处理土壤速效钾含量Fig.7 Soil available K in different treatments at different time[注（Note）：U—尿素 Urea N 225 kg/hm2; U2/3—尿素 Urea N 150 kg/hm2; CRU—控释尿素 Controlled release urea N 225 kg/hm2;CRU2/3—控释尿素 Controlled release urea N 150 kg/hm2; FA—黄腐酸 Fulvic acid 45 kg/hm2.]

图8 不同处理土壤pH值的变化Fig.8 Changes of soil pH in different treatments[注（Note）：U—尿素 Urea N 225 kg/hm2; U2/3—尿素 Urea N 150 kg/hm2; CRU—控释尿素 Controlled release urea N 225 kg/hm2;CRU2/3—控释尿素 Controlled release urea N 150 kg/hm2; FA—黄腐酸 Fulvic acid 45 kg/hm2.]

尿素为化学中性和生理中性肥料，在土壤脲酶作用下会转化为铵离子，小麦吸收铵根离子时会释放出质子而降低微域土壤pH，同时铵态氮硝化也会造成土壤酸化，因此施用肥料降低了小麦苗期、返青期土壤pH，但各处理间差异不显著 (图8)。由于盆栽试验的局限性，灌溉量也严格控制，硝酸根及钙、镁、钾等碱性盐基离子淋洗作用不明显，小麦拔节期、开花期土壤酸化得到缓解。配施黄腐酸处理 U + FA、U2/3 + FA 仅拔节期较等氮的 U、U2/3处理pH平均显著降低了0.11个单位，其他各时期尿素和控释尿素配施黄腐酸与等量单施化肥处理差异不显著。

2.6 控释尿素配施黄腐酸对小麦经济效益的影响

控释尿素配施黄腐酸对小麦经济效益存在不同程度的影响 (表 3)。控释尿素全量 (CRU) 比尿素全量(U) 净收益显著增加16.8%，控释尿素减氮1/3(CRU2/3) 比尿素减氮 1/3 (U2/3) 净收益显著增加33.0%，因此控释尿素处理比尿素处理净收益平均增加 24.9%，CRU2/3处理与U处理无显著差异。CRU +FA净收益较CRU显著提高了12.6%，然而尿素配施黄腐酸处理 (U + FA、U2/3 + FA) 净收益较等氮尿素处理 (U、U2/3) 平均降低了 29.5%。

表3 不同处理的小麦经济效益 (yuan/hm2)Table3 Economic benefit of wheat in different treatments

3 讨论

在整个生育期内，小麦对氮素的需求呈“S”型曲线变化[24]，因此根据小麦各时期对氮素的不同需求供应氮素对小麦高产尤为重要。控释肥的养分释放受土壤温度和含水量的影响。本试验条件下，小麦越冬期前土壤平均温度为10.25℃ (图2)，控释尿素释放的养分能满足小麦前期的需氮要求，越冬期间土壤平均温度低于0.5℃，养分释放基本停止。返青期后土壤温度回升，控释尿素氮素释放加快，至孕穗期达到峰值，满足了小麦氮素最大效率期对氮素的需求，起到高产麦田“氮肥后移”的作用[25]。所以，控释尿素在田间条件下的氮素释放特征满足了小麦各生育期对氮素的不同需求。

通过谱图检索，供试黄腐酸红外光谱中3426 cm–1为羟基或氨基的伸缩振动峰，2934 cm–1为甲基和亚甲基的伸缩振动峰，1618 cm–1为双键的伸缩振动峰，1515 cm–1可能为 N–H、双键等峰，1418 cm–1为甲基的反对称变形振动，1116 cm–1为C–O的伸缩振动峰 (图9)。黄腐酸中的活性基团可通过阳离子交换、螯合、络合和吸附等方式固定土壤中的多种元素，有利于提高肥料利用率，同时有助于土壤团聚体形成，可改善土壤物理结构，而且黄腐酸可以增强光合作用，促进植物生长，尤其是可适当控制作物叶面气孔的开放度，减少蒸腾，提高作物抗旱能力[26]。李兆君等[27]认为黄腐酸会与尿素反应生成腐脲而具有脲酶抑制剂的作用，能够延长尿素有效期，提高氮肥利用率。本试验条件下，尿素全量处理与尿素减少1/3处理的小麦产量差异显著，然而配施黄腐酸的效果却不同。尿素减氮1/3配施黄腐酸后，其产量增加了10.6%，全量尿素配施黄腐酸却减产12.9%，可能原因是全量尿素处理在追肥后，迅速增加了土壤溶液中的NH4+含量，黄腐酸与其结合生成黄腐酸铵[28]，降低了小麦营养需求关键期的氮素供应，减少1/3尿素投入降低了这个负面作用。包膜控释尿素由于养分最初释放延缓，之后按照设定的释放率和释放期缓慢释放[29–30]，施用后没有引起土壤溶液离子浓度剧烈变化，对黄腐酸性能的影响也较小，既发挥了黄腐酸的保墒、保温和保肥能力[31–32]，又保证了小麦生育期对氮素的供应，因而控释尿素配施黄腐酸增产效果极显著 (表1)。

图9 供试黄腐酸红外光谱图Fig.9 Infra-red spectrogram of the experimental fluvic acid

黄腐酸与尿素掺混施用有造成小麦减产和降低氮肥利用率的风险，实际应用中可将尿素与黄腐酸分层施入土壤来缓解其拮抗作用，充分发挥黄腐酸的促生、保肥功能，但这势必会增加施肥作业的难度和成本。包膜控释尿素可与黄腐酸直接掺混一次性基施，不仅降低了施肥成本，而且对配套机械无特殊要求，可实现两种产品优势互补、协同增效，为该类新型肥料产品科学应用提供了思路，具有广阔的应用前景。然而黄腐酸与尿素的拮抗及其与控释尿素的配伍增效机制仍需深入研究。

4 结论

1) 本试验条件下，控释尿素在小麦全生育期田间养分释放较室内恒温25℃浸提检测的养分释放期相对延长了1倍以上，可满足小麦整个生育期的养分需求。一次性基施全量控释尿素比尿素全量显著增产5.5%，经济效益显著增加16.8%；减氮1/3的控释尿素比减氮1/3的尿素处理显著增产9.0%，经济效益显著增加33.0%。

2) 黄腐酸与控释尿素配施的增产效果显著优于其与普通尿素配伍，黄腐酸与控释尿素配施较单施尿素处理显著增产12.2%，显著增加净收益31.5%；尿素全量配施黄腐酸较单施尿素处理显著减产了12.8%；尿素减量1/3配施黄腐酸处理较尿素减量1/3处理显著增产10.6%。

3) 控释尿素配施黄腐酸处理较单施控释尿素处理土壤硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量均显著提高，有效提高速效养分的供应强度，满足小麦整个生育期尤其是养分临界期和最大效率期对养分的需求。