控释氮肥减量配施对土壤氮素调控及夏玉米产量的影响

刘楚桐，陈松岭，金鑫鑫，徐志强，叶旭红，邹洪涛*，张玉龙

（1.沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室，辽宁 沈阳 110161；2.辽宁省农业发展服务中心，辽宁 沈阳 110034）

氮素是玉米生长必需的元素，与玉米产量息息相关。Worku等［1］认为，玉米耐肥性强，较其他农作物相比对氮肥更加敏感，同时施氮增产效果显著。近些年，我国由于过度的追求玉米产量，氮肥的施用量也逐渐增多。施入土壤中的氮素除了被作物吸收利用外，一部分以无机氮或有机结合态形式存在于土壤中，供后季植物吸收利用［2-4］。而另一部分以硝化、反硝化及淋溶等途径进入到环境中，造成了严重的资源浪费［5］，同时还引发了一系列如土壤酸化板结、水体富营养化等环境问题［6-10］。因此采用合理的氮肥施用方式在提高作物产量，提升氮肥利用率，保护和改善环境及实现农业可持续发展等方面具有重要的意义。

大量研究表明控释尿素具有优异的缓释性能，已经成为我国肥料的发展方向［11］。其不仅能够减缓养分的释放速度，使其养分释放尽可能地符合作物对养分的需求规律，是提升氮素利用率的有效途径之一［12-14］。任利沙等［15］认为，施用控释尿素能够显著提高玉米的穗粒数、百粒重及产量。刘敏等［16］研究表明，控释尿素可有效降低夏玉米生育期氮素损失，提高氮肥利用率，维持氮素平衡。隋常玲等［17］为研究夏玉米氮肥的去向和利用率，选用15N同位素标记的控释氮肥与普通氮肥进行试验，研究结果表明，控释氮肥处理比普通氮肥处理氮肥利用率提高7.7%，同时氮肥损失率下降了26.0%。但是控释尿素也存在一定的缺陷，例如李伟等［18］研究指出控释尿素价格高昂，较普通尿素高出1.5～1.6倍，并且控释尿素前期养分释放缓慢，易使作物出现前期缺氮后期贪青的问题。因此，控释与普通氮肥配施有助于弥补上述缺陷，既能满足作物前期对养分的需求，又能降低经济成本［19］。

近年来，国内外科研工作者对控释氮肥的研究注入了较多的精力，并取得了显著成效，但是在小麦玉米轮作体系中探究控释掺混肥减量配施等对土壤氮肥调控及作物产量的影响研究还不多见。通过探究不同施肥处理对夏玉米生长不同时期土壤铵态氮和硝态氮含量、硝酸还原酶和脲酶活性、微生物量氮含量、成熟期土壤全氮含量、植株和籽粒中全氮含量及玉米产量和产量构成因素的影响，为降低农田氮肥用量，提高氮肥利用率，增加玉米产量，实现农业可持续发展及轻简化施肥模式提供理论依据及数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点为河南省南阳市方城县，年均气温14.4℃，年均日照2092 h，年均降水量为803.9 mm，无霜期220 d，土壤类型为黄褐土。

试验始于2018年5月，试验共计6个处理，每个小区重复3次，小区面积3 m2。具体试验设计如表1。供试玉米品种为大丰30，于5月30日播种，9月20日收获，种植密度为60000株/hm2。田间管理与当地常规管理相同。所用尿素为普通大颗粒尿素（N 46.4%），所用控释尿素为自制（N 43.6%，控释期为42 d，包膜厚度为7%，所用包膜材料为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅及1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷）。其中，100%普通尿素处理施氮总量为N 270 kg/hm2，分别于夏玉米五叶期和拔节期施用，其他施氮处理氮肥均于夏玉米五叶期施用，各处理具体施氮时期及比例如表1所示。各处理磷、钾肥以P2O5、K2O计，施用量为120 kg/hm2，均做基肥施用，其中磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。

表1 试验设计及施肥时期

1.2 样品采集

1.2.1 土壤样品

分别于试验前采集土壤样品，测定其基础理化性质，于玉米拔节期、大喇叭口期、成熟期采集土壤样品（0～20 cm），土壤样品采集采用五点取样法，取回置于实验室。用于土壤铵态氮、硝态氮、微生物量氮、硝酸还原酶及脲酶测定的样品保存于4℃冰箱中，用于全氮测定的土壤样品风干后过筛，密封保存。

1.2.2 植物样品

在玉米成熟期破坏性取样，随机选取3株小区内植株，整株取回。

1.3 样品测定

1.3.1 土壤样品测定

将新鲜土壤样品过0.25 mm筛后用0.01 mol/L CaCl2振荡浸提，用AA3自动分析仪（Bran-Luebbe；Germany）测定土壤铵态氮、硝态氮含量。

采用氯仿熏蒸提取法测定土壤中微生物量氮含量［20-21］。

采用凯式定氮法测定土壤全氮含量。

采用常规方法测定土壤硝酸还原酶活性以及脲酶活性。

1.3.2 产量及产量构成因素测定

玉米成熟后，每个小区收获计产，调查穗粒数和百粒重及产量等。

1.3.3 植物样品的测定

分为秸秆和籽粒，杀青（105℃，30 min）烘干至恒重后全部粉碎，采用凯氏定氮法测定植物全氮。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据用SPSS 19.0和Excel 2013进行统计分析，采用Origin 9.0进行做图分析。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥后移对不同时期土壤铵态氮含量的影响

由图1可知，在拔节期、大喇叭口期和成熟期3个不同生长时期下控释氮肥对土壤铵态氮含量的影响各不相同。在玉米的不同生长时期下，不施氮肥处理的土壤铵态氮含量显著低于各施氮处理。在拔节期，处理U的土壤铵态氮含量最高，与CRU、100%SCR处理间无显著差异，其含量范围为6.746～7.684 mg/kg，但显著高于其余处理；在大喇叭口期，100%SCR处理的土壤铵态氮含量最高，与U及CRU处理间无显著差异，但与CK处理相比，高出了93.9%；而在玉米成熟期，CRU处理的土壤铵态氮含量最高，与80%CRU处理间无明显差异，但显著高于其他处理，与CK相比铵态氮含量增加了158%，与U处理相比，增加了39.7%。

图1 不同生长时期下铵态氮含量变化

2.2 控释氮肥后移对不同时期土壤硝态氮含量的影响

图2 不同生长时期下硝态氮含量变化

如图2所示，不同施肥处理间土壤硝态氮含量变化十分显著。在拔节期，处理100%SCR硝态氮含量最高，为20.34 mg/kg，显著高于其他处理，与处理CK相比高出79.0%，与处理U相比高5.17%；在大喇叭口期，处理U的土壤硝态氮含量最高，为17.94 mg/kg，与CRU处理间差异不显著，但显著高于其他处理，与CK相比，高86.69%；在成熟期，CRU处理硝态氮含量最高，为15.84 mg/kg，与100%SCR处理间无显著差异，但显著高于其他各施氮处理，较处理CK高出了68.6%，较处理U高了26.94%。

2.3 控释氮肥后移对不同时期土壤硝酸还原酶活性的影响

从图3可知，玉米不同生长时期土壤中的硝酸还原酶活性呈现出了相同的规律。在全部的生长时期中，100%SCR处理的硝酸还原酶活性均最高，分别达到210、390、270μg/g，相较U处理分别高出42.86%、53.85%、55.56%。另外，3个时期中80%CRU和80%SCR处理硝酸还原酶活性均较低，但是依旧显著高于CK处理。由此可见，施用氮肥对于提高土壤中硝酸还原酶的活性有显著的效果，其中100%SCR的效果最好，养分释放周期最长。

图3 玉米不同生长时期下硝酸还原酶含量变化

2.4 控释氮肥后移对不同时期土壤脲酶活性的影响

玉米不同生长时期土壤中脲酶活性如图4所示，所有施氮处理的脲酶活性均显著高于CK处理。在拔节期，100%SCR处理的脲酶活性达到了拔节期的最高活性，与U处理相比高出20.83%。而在大喇叭口期，100%SCR处理土壤中脲酶活性达到了整个生长时期的最高峰，为96.20 μg/g，高出U处理48.02%，但是80%CRU和80%SCR的脲酶活性却相对较弱，分别低于U处理18.76%和11.86%。成熟期80%CRU和80%SCR处理的脲酶活性比大喇叭口期有所增强，但是仍然与100%SCR处理具有显著的差异。

图4 玉米不同生长时期下脲酶活性含量变化

2.5 控释氮肥后移对玉米成熟期土壤微生物量氮含量的影响

由图5可知，不同施氮处理对于玉米成熟期土壤中微生物量氮含量影响差异较大。CRU处理的微生物量氮含量最高，显著高于其他处理，与U处理相比，高出31.52%。这说明控释尿素养分释放缓慢，能满足作物生长后期对于养分的需求。100%SCR处理虽然仅含有60%控释尿素，但是在成熟期，其微生物量氮含量与CRU处理差异并不显著，这能够说明控释氮肥减量配施不影响作物生长后期肥料养分的释放，反而能够获得相应的经济效益。

图5 玉米成熟期土壤微生物量氮含量变化

2.6 控释氮肥后移对成熟期土壤全氮含量的影响

由图6可知，在玉米收获期，处理CRU的土壤全氮含量最高，为1.570 g/kg，不施氮肥处理仍为最低，为1.080 g/kg，相差0.498 g/kg。全 氮含量范围为1.080～1.570 g/kg，其中CRU处理的土壤全氮含量较处理CK高出了46.23%，处理100%SCR较CK高出33.61%。这表明在玉米成熟期，施用含有控释氮肥的处理土壤中养分含量较高且释放缓慢，可有效为下季作物小麦的生长提供养分，极大提高氮素利用效率。

图6 玉米成熟期土壤全氮含量变化

2.7 控释氮肥后移对玉米成熟期秸秆及籽粒中全氮的影响

由图7可知在玉米成熟期秸秆和籽粒中氮含量的分配。就秸秆而言，处理80%CRU的含氮量最高，达到了80.84 kg/hm2，但是与处理80%SCR没有显著差异，较其他处理有显著增高。处理CK的含氮量最少，较80%CRU处理降低了25.99%。就籽粒而言，同样是处理80%CRU含氮量最高，达到151.23 kg/hm2；处理CK的含氮量最低，为116.18 kg/hm2。

图7 玉米成熟期植株及籽粒中氮含量分配

2.8 控释氮肥对玉米产量及产量构成因素的影响

如表2所示，各施氮肥处理的玉米穗粒数、籽粒重量及百粒重均显著高于不施氮肥的处理。各处理产量顺序为：100%SCR>CRU>U>80%SCR>80%CRU>CK，施用氮肥的各处理产量显著高于不施氮肥的处理，增幅为7.6%～13.04%，其中100%SCR处理产量显著高于其他处理，达到10483.5 kg/hm2，与常规施肥相比增产了4.04%。CRU增产了1.37%，而U与80%SCR无明显差异。说明控释氮肥减量配施不影响作物产量，反而能够起到增产的作用。

表2 不同肥料对玉米产量及产量构成因素的影响

2.9 成熟期土壤中各形态氮素及酶活性之间的相互关系

如表3所示，可以看出玉米成熟期土壤中全氮与铵态氮、硝态氮、微生物量氮及脲酶活性、硝酸还原酶活性均呈正相关，微生物量氮与铵态氮、硝态氮呈负相关，与脲酶活性呈显著正相关。硝态氮与脲酶活性及硝酸还原酶活性均呈负相关。脲酶活性与硝酸还原酶活性呈极显著正相关。

表3 成熟期土壤中各形态氮素及酶活性的相关关系

3 讨论

氮素是植物干物质累积及进行光合作用的基础。植物在生长过程中对养分需求逐渐增加，但由于常规氮肥施用后养分释放较快，能够满足作物生长前期对养分的需求，但不能满足作物后期生长对养分的需求，因此需要多次施用，费时费力；而控释肥料养分释放较慢，可基本满足植物一生的需求，在生长后期也能提供足够的养分供给作物［22］，但是可能会出现前期养分供给不足的问题，因此本试验采用控释与普通氮肥配施，旨在结合控释氮肥与普通氮肥的优点，满足整个玉米生育期内养分的需求量，同时留存在土壤中的养分能够为下一季小麦的生长前期提供养分，提高氮肥的利用率。

本试验研究结果表明，与空白对照相比，施氮能够显著增加土壤中铵态氮和硝态氮的含量。在作物生长前期，100%配方控释肥的铵态氮和硝态氮含量较高，与常规施肥处理差异并不显著，而80%配方控释肥和80%控释尿素处理的铵态氮、硝态氮含量却略低，这表明施氮量不足会影响土壤中氮素的累积，另外，100%配方控释肥中的普通尿素养分释放较快，不会存在100%控释尿素可能会引起的前期供氮不足的问题，这与卢艳丽等［23］研究一致；在作物生长中后期，100%控释尿素处理的铵态氮和硝态氮含量要显著高于常规氮肥处理，而100%配方控释肥的铵态氮和硝态氮含量却依旧保持较高水平，这说明控释尿素在作物生长的中后期能够释放充足的养分来保证作物的正常生长。因此，可以看出控释氮肥减量并与普通尿素配施能够实现玉米生育期内养分不间断释放，保证作物生长前期的正常生长。

土壤酶活性也是反映土壤肥力的一个重要的指标，对土壤受到的干扰比较敏感［24］，同时，梁国鹏等［25］认为不同氮量控释肥的添加显著影响了土壤酶活性。土壤中的硝酸还原酶和脲酶的活性均能体现氮素在土壤中的转化。在本研究中，100%配方控释肥处理的硝酸还原酶和脲酶活性在玉米各个生育期均显著高于其他处理，大致呈现“低-高-低”的趋势，与冯爱青等［26］研究一致。这说明100%配方控释肥在玉米整个生育期内均释放了氮素于土壤中，并且促进作物根系生长改善了土壤微生物的环境，从而提高了硝酸还原酶和脲酶活性。在玉米收获期，土壤中硝酸还原酶和脲酶活性呈极显著的相关性，说明土壤酶对土壤的作用具有共同性，并且能够在一定程度上反映土壤的肥力水平［27］。

土壤微生物量氮是土壤的活性因子，是作物生长所需营养物质的库，同时还是反映土壤肥力及养分利用率的一个重要的指标［28］。在玉米收获期，100%控释尿素处理的微生物量氮含量显著高于常规施肥处理，但是与100%配方控释肥处理差异并不显著，这说明控释尿素通过促进氮素的高效利用，促进了作物根系对于养分的吸收，增加了作物根系生物量及分泌物，从而提高了土壤中微生物量氮的含量和酶活性，同时其能释放大量的营养物质，为下一季作物前期的生长提供了充足的养分，而80%配方控释肥和80%控释尿素处理微生物量氮含量低于100%全量施用的处理，这依旧说明施用氮素不足会影响土壤中微生物活性，降低土壤肥力。不仅如此，由于微生物量氮与铵态氮及硝态氮均呈负相关，可以说明微生物量氮与铵态氮及硝态氮此消彼长的情况，这表明当土壤中铵态氮及硝态氮含量较高时，一部分氮素可转化为土壤微生物量氮形态，进而保存养分，提升土壤肥力；而当土壤中铵态氮及硝态氮含量较低时，土壤中微生物量氮又可转化为铵态氮及硝态氮供给作物吸收利用，提高肥料利用效率。

土壤中全氮含量以及植株籽粒中全氮含量的分配，可以看出100%配方控释肥、100%控释尿素、80%控释尿素和80%配方控释肥均无显著差异，这说明在玉米收获期，控释尿素能够释放出养分供作物吸收，同时也能留存在土壤中提高土壤的养分含量。

从产量来看，80%施用量无论是配方控释肥还是控释尿素均减产，而100%配方控释肥与100%控释尿素却起到了增加产量的效果。但是100%控释尿素价格高昂，增加了农业成本，全部使用经济效益不佳；另外田间生产具有一定的不确定性，全量施用控释尿素还会受到水分和温度的影响，不能达到理想效果。

4 结论

控释掺混肥的施用能够有效提高玉米各生长期内土壤养分含量及脲酶、硝酸还原酶的活性。在当前施肥模式下，成熟期100%配方控释肥较常规施肥相比土壤全氮增加了24.60%，微生物量氮增加了73.57%。硝酸还原酶活性在作物的拔节期、大喇叭口期及成熟期分别增加了75%、116.67%和125.00%。同时，施用100%配方控释肥处理玉米产量为10483.5 kg/hm2，较常规施肥相比增产了4.04%，相对于100%控释尿素增产了2.63%；在施肥量减少20%情况下，产量降低不显著。

综上，控释掺混肥的施用能够减少施肥次数，降低农业成本，同时还能够增加产量，提高土壤肥力水平，为下一季小麦的生长提供了养分，在小麦-玉米轮作体系中起到了重要的作用，为现代农业绿色可持续发展提供了试验基础。