基质型缓释尿素对蕹菜产量、品质及氮肥利用率的影响

杨 阳，倪晓宇，刘斌美，杨 叶，余立祥，陶亮之，冯梦喜，钟雯瑾，吴跃进*

（1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；2.河南心连心化肥有限公司，河南 新乡 453700）

蔬菜生产对粮食安全和人类营养具有重要贡献。近年来，我国的蔬菜种植面积快速扩大，以满足国民对蔬菜产品日益增长的需求。最新统计数据表明，蔬菜种植用地占我国农业用地总面积的13.4%［1］。然而，在蔬菜生产中，大量施氮和频繁灌溉引发氮素淋溶和氨挥发，造成资源浪费和环境污染［2］。减少氮素淋溶和氨挥发是促进蔬菜绿色生产的必然要求。通过优化肥料产品可促进作物绿色生产［3-4］。在蔬菜生产中，可通过应用缓（控）释肥料减少氮素损失［2］。然而，较高的价格极大限制了缓控释肥料在农业中的应用［5］。基质型缓释尿素是近年来研发应用的一类新型肥料［6］。该型肥料中添加的缓释材料主要由改性黏土矿物组成，生产成本较低，缓释效果较明显，更易在农业生产中应用［5，7］。

蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk）是一种对环境胁迫具有较高抗性、对人体具有较高营养价值的速生蔬菜，近年来逐渐成为我国南方及东南亚地区的常见蔬菜［8］。虽然蕹菜生育时期较短，但在蕹菜生长期间通常需要频繁灌溉和大量施氮，以满足蕹菜对水分和氮素营养的需求。然而，常规肥料养分释放快，养分释放周期与作物需肥规律难以同步，在频繁灌溉及大量施氮条件下易引发氮素淋溶及氨挥发损失，导致氮肥低效利用、环境污染等问题［9-10］。通过施用缓释肥料，可以降低肥料养分释放速率，相比常规肥料可提高养分释放周期与作物需肥规律的同步性，有望提高作物氮素利用、减轻氮素损失［11-12］。然而，目前有关基质型缓释尿素对蕹菜产量、品质和氮肥利用的影响还缺乏研究。本研究通过两年田间试验，分析基质型缓释尿素对蕹菜产量、品质性状及氮肥利用率的影响，结合氮素损失模拟评价、田间土壤矿质氮含量及植株形态生理特征，探讨该型肥料的作用机制，以期为指导基质型缓释肥料在蕹菜等蔬菜生产中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2016年7月5日 至8月16日 和2017年7月6日至8月15日两个适宜蕹菜生长的时间段，实施田间试验。试验田位于中国科学院合肥物质科学研究院肥效试验基地（31°53′ N，117°10′ E；海拔27 m）。在2016和2017年蕹菜栽培期间，日平均气温分别为29.6和30.0 ℃，总降水量分别为112.0和91.2 mm，总灌溉量分别为140和160 mm（图1）。试验田土壤类型为黄棕壤，其耕层土壤主要性状为：沙粒164 g/kg，粉粒435 g/kg，黏粒401 g/kg，有机碳10.1 g/kg，全氮0.91 g/kg，全磷1.22 g/kg，全钾15.3 g/kg，pH值（土∶水，1∶2.5）6.9，田间持水量29.9%。

图1 蕹菜生长期间的降水、灌溉和日平均气温

1.2 试验材料

氮肥为常规尿素（N 46.4%）和基质型缓释尿素（N 43.2%），磷肥为过磷酸钙 （P2O516%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。所用肥料均由河南心连心化肥有限公司提供。基质型缓释尿素主要通过向熔融脲浆中添加缓释材料、高塔喷浆冷却造粒生产［6-7］。缓释材料的主要成分为复合改性黏土矿物（以蒙脱石为主）［7］。供试作物为蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk. ‘Lifeng’）。

1.3 试验设计

1.3.1 模拟氮素淋溶试验

包含3个处理：无氮对照、常规尿素和基质型缓释尿素，试验重复5次。所用土壤为蕹菜试验田耕层土壤混合样品。氮素淋溶采用土柱淋溶法测定［5］：将8.5 kg风干土（过2.0 mm筛）和470 mg氮肥（N）充分混匀，填充到PMMA淋溶管（直径20 cm，高度40 cm）；在土柱表面覆盖约1 cm厚石英砂，然后向淋溶管内加入蒸馏水并保持土柱上方有2 cm水层；每淋出940 mL收集一次淋溶液（相当于30 mm降水），连续收集10次。

1.3.2 模拟氨挥发试验

包含3个处理：无氮对照、常规尿素和基质型缓释尿素，试验重复5次。所用土壤为蕹菜试验田耕层土壤混合样品。氨挥发采用密闭间歇通气法测定［5］：将8.5 kg风干土（过2.0 mm筛）和470 mg氮肥（N）充分混匀，填充到PMMA密闭培养气室（直径20 cm，高度40 cm）；向土柱加入蒸馏水至70%田间持水量，然后于25 °C恒温培养；利用电子定时插排和气泵，于每日02：00～02：30、8：00 ～ 8：30、14：00 ～ 14：30、20：00 ～ 20：30 总计4个时间段进行间歇泵气，将气室内累积的氨泵入硼酸吸收液（20 g/L）；硼酸吸收液每3 d采集一次。试验期间通过称重补充土壤水分至70%田间持水量。

1.3.3 田间试验

包含3个处理：无氮对照、常规尿素和基质型缓释尿素。小区按照随机区组设计，设置3次重复。小区面积为4 m×4 m，在小区之间保留1 m宽的走道。在常规尿素和基质型缓释尿素处理中，氮肥施用量均为N 150 kg/hm2。所有小区的磷肥施用量为P2O580 kg/hm2，钾肥施用量为K2O 100 kg/hm2。所有肥料均在栽植前做基肥一次性翻耕混匀到耕层土壤（0～20 cm）。蕹菜的定植密度为100株/m2。

1.4 样品采集与测定方法

1.4.1 淋溶与氨挥发损失量

淋溶液中的氮素（尿素）采用对二甲氨基苯甲醛显色、分光光度计（美国Lambda 35）比色测定［7］。硼酸吸收液中的氨采用标准稀硫酸滴定法测定［13］。

1.4.2 田间土壤矿质氮含量

在蕹菜收获期，于每个小区按照W形路线随机采集5个点的耕层土壤，充分混匀作为该小区土壤样品，然后采用氯化钾溶液（1 mol/L）浸提［14］、连续流动分析仪（德国AA3）测定土壤矿质氮含量（包括铵态氮和硝态氮）。

1.4.3 蕹菜生长性状与氮肥利用率

于每个小区中部采集1 m×1 m样方，测定蕹菜生物学产量。每个处理随机采集20株蕹菜，然后采用WinFOLIA叶片分析系统（加拿大Regent）测定叶面积，采用WinRHIZO根系分析系统（加拿大Regent）测定根系表面积。植物样品进行烘干处理［6］，粉碎并过筛（0.15 mm），然后采用浓硫酸-过氧化氢消解法［15］提取植物样品中的全氮，再以连续流动分析仪（德国AA3）测定全氮含量。

1.4.4 蕹菜生理与品质性状

采用叶绿素计（日本SPAD-502）测定叶片叶绿素相对含量，每小区测定20个数据求平均值。叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度采用光合测定系统分析（美国LI-6400），每个处理重复6次。于每个处理随机采集20个叶片，剪碎混匀，用于测定叶片酶活性和品质性状。叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性采用比色法测定［16］。叶片维生素C含量采用国家标准方法测定［17］。叶片粗蛋白、可溶性糖和硝酸盐含量采用Wang 的方法测定［18］。

1.5 计算与统计分析

氮素淋溶与氨挥发损失率采用Yang的方法［5］计算，然后采用一阶动力学方程对损失过程进行拟合［5］。叶片羧化效率为净光合速率和胞间CO2浓度的比值［19］。氮肥表观利用率参照常规植物营养分析方法计算［6］。试验数据采用SAS 9.1统计分析软件进行方差分析和LSD多重比较。一阶动力学方程和数据图采用OriginPro 2015制作。

图2 基质型缓释尿素对氮素淋溶和氨挥发损失率的影响

2 结果与分析

2.1 氮素淋溶与氨挥发

淋溶结果（图2a）表明，常规尿素和基质型缓释尿素的淋溶损失率峰值均出现在第2次淋溶。在第1～3次淋溶，基质型缓释尿素的氮素淋溶损失率低于常规尿素数值；之后，常规尿素的氮素淋溶损失率低于基质型缓释尿素数值。基质型缓释尿素的累积淋溶损失率始终低于常规尿素数值（图2b）。氮素累积淋溶损失率可以采用一阶动力学方程拟合（P ＜0.01），拟合结果（图2b）表明：常规尿素的氮素累积淋溶损失率的最大值为38.5%，比基质型缓释尿素数值（29.3%）高9.2个百分点；常规尿素的氮素淋溶常数（反映淋溶损失特性，数值越大表示淋溶越快）为0.43，比基质型缓释尿素数值（0.22）高95.5%。

氨挥发结果（图2c）表明，常规尿素和基质型缓释尿素的氨挥发损失率峰值出现在施肥后第1～3 d。在施肥后第1～18 d，基质型缓释尿素的氨挥发损失率始终低于常规尿素数值；之后，基质型缓释尿素和常规尿素的氨挥发损失率均维持在较低水平，两者无显著差异。基质型缓释尿素的累积氨挥发损失率始终低于常规尿素数值（图2d）。累积氨挥发损失率可以采用一阶动力学方程拟合（P ＜0.01），拟合结果（图2d）表明：常规尿素的累积氨挥发损失率的最大值为20.7%，比基质型缓释尿素数值（12.0%）高8.7个百分点；常规尿素的氨挥发常数（反映氨挥发损失特性，数值越大表示氨挥发越快）为0.44，比基质型缓释尿素数值（0.38）高15.8%。

2.2 田间土壤矿质氮含量

蕹菜收获期耕层土壤矿质氮含量结果（表1）表明，在2016年，基质型缓释尿素处理的土壤矿质氮含量分别比无氮对照和常规尿素处理数值显著提高53.2%和6.7% （P＜0.05）；在2017年，分别比无氮对照和常规尿素处理数值显著提高51.0%和9.5% （P ＜0.05）。基质型缓释尿素处理土壤矿质氮含量较高的主要原因是其硝态氮含量显著较高（P ＜0.05），而铵态氮在不同处理之间无显著差异（P＞0.05）。

表1 基质型缓释尿素对耕层（0～20 cm）土壤矿质氮含量的影响 （mg/kg）

2.3 蕹菜产量与生长性状

图3 基质型缓释尿素对蕹菜生物学产量、叶面积和根系表面积的影响

生物学产量结果（图3）表明，在2016年，基质型缓释尿素处理的蕹菜单株生物学产量分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高201.8%和22.6% （P ＜0.05）；在2017年，分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高199.6%和18.4% （P ＜0.05）。

叶面积结果（图3）表明，在2016年，基质型缓释尿素处理的蕹菜单株总叶面积分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高86.5%和8.5% （P＜0.05）；在2017年，分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高96.6%和9.9% （P ＜0.05）。

根系表面积结果（图3）表明，在2016年，基质型缓释尿素处理的蕹菜单株根系表面积分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高205.1%和7.7%（P ＜0.05）；在2017年，分别比无氮对照和常规尿素处理显著提高192.3%和12.2% （P ＜0.05）。

2.4 蕹菜光合生理性状

叶片SPAD和光合生理参数测定结果（表2）表明，在2016年，基质型缓释尿素处理的蕹菜叶片SPAD、气孔导度和羧化效率比常规尿素处理数值分别显著提高21.3%、16.3%和28.5% （P ＜0.05）；净光合速率和蒸腾速率比常规尿素处理数值分别提高11.1%和8.6% （P＞0.05）。在2017年，基质型缓释尿素处理的蕹菜叶片SPAD、净光合速率、气孔导度和羧化效率比常规尿素处理数值分别显著提高18.4%、14.9%、14.3%和25.1% （P ＜0.05）；蒸腾速率比常规尿素处理数值提高1.9% （P＞0.05）。与无氮对照相比，施氮处理（常规尿素和基质型缓释尿素）显著提高蕹菜叶片SPAD、净光合速率、蒸腾速率和羧化效率，也有提高叶片气孔导度的趋势。

表2 基质型缓释尿素对蕹菜光合生理性状的影响

2.5 蕹菜氮肥表观利用率与氮素同化酶

氮肥表观利用率结果（表3）表明，在2016和2017年，基质型缓释尿素处理的蕹菜氮肥表观利用率分别比常规尿素处理提高7.3 （P＞0.05）和11.0 （P ＜0.05）个百分点。与无氮对照相比，施氮处理（常规尿素和基质型缓释尿素）显著提高蕹菜叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性。在2016和2017年，基质型缓释尿素处理的蕹菜叶片硝酸还原酶活性比常规尿素处理数值分别显著提高11.4%和23.1% （P ＜0.05）；基质型缓释尿素和常规尿素处理的蕹菜叶片谷氨酰胺合成酶活性无显著差异（P＞0.05）。

表3 基质型缓释尿素对蕹菜氮肥表观利用率、叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的影响

2.6 蕹菜品质性状

蕹菜叶片品质性状结果（表4）表明，与无氮对照相比，施氮处理（常规尿素和基质型缓释尿素）显著提高蕹菜叶片的维生素C、粗蛋白、可溶性糖和硝酸盐含量（P ＜0.05）。例如，在2016年，常规尿素和基质型缓释尿素处理的蕹菜叶片维生素C含量分别比无氮对照数值提高29.1% （P ＜0.05）和32.7% （P ＜0.05）；粗蛋白含量分别比无氮对照数值提高8.9% （P＞0.05）和12.7% （P ＜0.05）；可溶性糖含量分别比无氮对照数值提高50.3% （P＜0.05）和38.2% （P ＜0.05）；硝酸盐含量分别比无氮对照数值提高50.3% （P ＜0.05）和38.2% （P＜0.05）。不过，常规尿素和基质型缓释尿素处理之间在上述品质性状上无显著差异（P＞0.05）。

表4 基质型缓释尿素对蕹菜品质性状的影响

3 讨论

3.1 基质型缓释尿素对减少氮素淋溶和氨挥发的作用

氮素淋溶和氨挥发是田间氮素损失的重要途径［2，20］。减少氮素淋溶和氨挥发损失对提高氮肥资源利用效率、降低环境污染风险具有重要意义［21-22］。本研究发现，基质型缓释尿素处理的氮素淋溶和氨挥发损失率均显著低于常规尿素处理。原因可能是：基质型缓释尿素中添加的缓释材料可以促进土壤与肥料产生絮凝团聚效应，在土壤中形成微团聚结构［23］，可减少施肥区域肥料养分向土壤溶液的释放，降低土壤溶液中的氮素浓度，从而减少土壤氮素淋溶和氨挥发风险。Aksakal等［24］研究也表明，利用硅藻土类黏土矿物材料可以明显改善土壤团聚体稳定性。Pratt等研究［25］也发现，通过向粪肥中添加膨润土类黏土矿物材料，具有减少氨挥发的趋势。Pan等［26］研究证明，通过添加沸石类黏土矿物材料，可以降低氮肥的氨挥发风险。综上，基于黏土矿物制备的缓释材料，在减轻农田面源污染方面具有应用前景。受监测手段的限制，本研究中的氮素淋溶和氨挥发未能在田间开展，而是以室内模拟试验进行评价。而在田间条件下，农田氨挥发受土壤温度、含水量等多种因素影响［27］。未来还需要开展田间原位试验，将田间因素（如：降水、土壤温度、植物氮素吸收等）考虑在内，更系统地解析基质型缓释尿素的氮素释放和损失特征。

3.2 基质型缓释尿素对蕹菜氮素供应状况和生长的影响

土壤氮素供应状况是影响植物生长的重要因素［28］。本研究发现，基质型缓释尿素处理的耕层土壤矿质氮含量显著高于常规尿素处理数值，其原因可能是基质型缓释尿素处理具有较低的氮素淋溶和氨挥发损失风险。此外，基质型缓释尿素处理主要是提高土壤硝态氮含量，对土壤铵态氮含量无明显影响，各处理的土壤铵含量维持在较低水平。这主要是因为旱地条件下土壤透气性较好，有利于土壤铵转化为硝态氮［29］。本研究中，基质型缓释尿素处理的蕹菜生物学产量、叶面积、叶片SPAD、根系表面积显著高于常规尿素处理数值。上述结果印证了基质型缓释尿素处理具有改善蕹菜氮素供应状况、促进作物生长的作用。光合生理活性是影响植物干物质积累、进而决定植物产量的关键生理参数［30］。基质型缓释尿素处理提高蕹菜叶片净光合速率、气孔导度和羧化效率，有利于蕹菜植株光合同化和干物质积累，从而促进蕹菜生物学产量的提高；而其改善光合生理活性的原因可能是提高土壤矿质氮含量、改善植株氮素营养。

3.3 基质型缓释尿素对蕹菜氮肥利用率的影响

氮肥利用率是评价氮肥农业生产效率的重要参数［31］。本研究发现，基质型缓释尿素处理的蕹菜氮肥表观利用率高于常规尿素处理数值，其原因可能是：（1）氮素是植物生长过程中的一种重要结构性和功能性元素［32］，基质型缓释尿素处理较高的蕹菜生物学产量决定了其对氮素同化量具有更高需求；（2）基质型缓释尿素处理的蕹菜具有较高的根系表面积，而较大的根系表面积有利于植株吸收土壤氮素［33］，从而提高植株氮肥吸收利用率；（3）基质型缓释尿素处理的蕹菜叶片具有较高的硝酸还原酶活性（是决定硝态氮同化的关键酶），而硝态氮是旱作农田土壤的主要矿质氮形态，较高的硝酸还原酶活性可促进植株氮素同化［29，34］，从而提高氮肥吸收利用率。在玉米上的一项研究［6］也发现，缓释肥料处理的玉米叶片硝酸还原酶活性比普通肥料处理数值提高约30%，从而有利于提高植株氮素利用效率。

3.4 基质型缓释尿素对蕹菜品质性状的影响

对于蔬菜，除关注其生物学产量以外，也需要关注其品质性状［35］。本研究发现，相对于无氮对照，施氮处理（常规尿素和基质型缓释尿素）可提高蕹菜叶片的维生素C、粗蛋白、可溶性糖和硝酸盐含量；但是相对于常规尿素，基质型缓释尿素对蕹菜叶片的上述品质性状无显著作用。较高的叶片维生素C、粗蛋白和可溶性糖含量符合食用需求，而较高的叶片硝酸盐含量则可能危害人体健康［18］。例如，在某些叶菜中，硝酸盐的含量高达20 000 mg/kg鲜重，对人体健康造成危害［36-37］。本研究发现，3个处理的蕹菜叶片硝酸盐含量（最高为 512 mg/kg鲜重）均低于我国［18，38］和欧盟［36］推荐的叶菜硝酸盐含量上限（分别为3 000和2 000 mg/kg鲜重）。需要注意的是，蔬菜的品质与施氮量具有密切关系［32］。本研究中，由于蕹菜根系发达、养分吸收能力强的特性，施氮量设置为较低的水平（150 kg/hm2），而在很多地区的蔬菜生产中施氮量要高于该数值［12］。未来还需要开展试验，系统分析在不同施氮量下基质型缓释尿素对蕹菜等蔬菜作物品质性状的影响。

4 结论

相对于常规尿素，基质型缓释尿素可降低氮素淋溶和氨挥发损失风险，提高耕层土壤矿质氮含量，改善蕹菜的形态特征（叶面积、根系表面积）、光合生理参数（叶片SPAD、净光合速率、气孔导度、羧化效率）、硝酸还原酶活性，促进植株生长和氮素吸收同化，进而提高生物学产量和氮肥表观利用率。施氮可以改善蕹菜叶片的品质性状（维生素C、粗蛋白、可溶性糖）；但与常规尿素相比，基质型缓释尿素对蕹菜叶片品质性状无显著影响。从减少氮素损失风险、提高蔬菜产量和氮肥利用率方面考虑，基质型缓释尿素在蕹菜等蔬菜栽培中具有一定应用前景。