缓控释氮肥减施对冬小麦产量和氮素利用效率的影响

徐杰，王锡玖，薛艳芳，何昕楠，刘灵艳，孟维伟，南镇武，王娜，刘开昌

（1.山东省农业科学院作物研究所，山东 济南 250100；2.桓台县农业农村局，山东 桓台 255000；3.山东省农业科学院玉米研究所，山东 济南 250100）

小麦是我国主要的粮食作物之一，适量施氮可以提高其产量并改善品质，但近年来农民盲目追求高产而导致过量施氮和不合理施氮，产量并未进一步增加［1］，反而导致氮肥利用效率降低和地下水污染加重［2，3］。随着土地流转的加快，小麦生产需要高效集约化种植。缓控释肥的发展和应用为减少农业氮素投入、提高氮肥利用率提供了思路，因其有长效稳定的肥效、省时省工和减少环境污染等特点已逐渐成为未来农业肥料发展的重要趋势［4，5］。因此，研究新形势下小麦生产过程中缓控释肥高效利用技术，对促进冬小麦种植增产增效和实现轻简化生产具有重要意义。

包膜缓控释肥因其成熟的制备工艺和较好的缓释效果，已成为当前国外市场应用最广泛的缓释肥料，其主要是在肥料颗粒表层包被上控制养分释放的包膜材料，使养分释放与作物养分吸收基本同步［6］。其主要种类有物理型和物理化学型，其中最为常见的是树脂包膜肥料和硫包膜尿素等［7］。前人研究表明，包膜缓释肥一次基施在水稻和玉米等作物上的应用效果显著［8，9］。但冬小麦的生育期普遍在200 d以上，养分需求具有前期少、后期多的特点，且拔节至孕穗期对氮素营养的需求最为旺盛，难以实现最大化的增产效果［10，11］。另外包膜肥料养分释放受土壤温度和水分等环境因素影响较大［12］。因此，针对特定区域寻求养分释放规律与冬小麦整个生育期养分需求相吻合的缓控释肥成为亟待解决的问题。

本研究在鲁西北地区开展大田试验，研究不同包膜缓控释氮肥减量施用条件下小麦产量、氮肥利用效率和土壤硝态氮含量的差异，筛选有利于冬小麦高产及氮素高效利用的包膜肥料，以期为冬小麦轻简化栽培技术体系建设和控释氮肥在鲁西北地区冬小麦生产上的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

于2017—2019年在山东省农业科学院济阳综合试验示范基地（36°58′28″N、116°57′33″E）进行两季大田小区试验。该地位于鲁西北平原南部，属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，年平均气温12.8℃，年平均无霜期195 d，年太阳辐射量5.2×105MJ/m2，年降水量583.3 mm，降水多集中在7—9月份。冬小麦生育季平均气温为8.96℃，日照时数为1 570.2 h，≥0℃积温为2 021.4℃，年均降水量为147.9 mm。

试验地为潮土，为冬小麦－夏玉米轮作定位试验地，0～20 cm耕层土壤基础肥力为全氮0.53 g/kg、碱解氮54.73 mg/kg、速效磷10.58 mg/kg、速效钾96.45 mg/kg、有机质12.42 g/kg，盐分0.15%，pH值7.6。供试小麦品种为济麦22。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，设置6个氮肥梯度，施氮量（N）分别为:0、72、126、180、234、250 kg/hm2，其中以不施氮为空白对照，N 234 kg/hm2和250 kg/hm2为农民传统施氮对照，施氮量180 kg/hm2为优化施氮量；根据优化施氮量，设置3种新型缓控释氮肥（硫加树脂尿素、树脂包膜尿素、热固树脂尿素）等氮量处理，共计9个处理（表1），重复3次。小区面积为90 m2（10 m×9 m）。

表1 试验方案

试验所用控释肥由金正大公司生产。普通尿素、硫加树脂尿素、树脂包膜尿素、热固树脂尿素含氮量分别为46%、35%、44%、43%，其中硫加树脂尿素含硫20%。所有处理磷钾养分投入量相同且均作基肥一次性施入，磷肥为重过磷酸钙（P2O590 kg/hm2），钾肥为颗粒状硫酸钾（K2O 90 kg/hm2）。试验田其它管理按照高产田标准进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 分蘖数 小麦苗期调查田间基本苗数，每小区标记1 m双行样区。于越冬期、拔节期、开花期和成熟期采集植株样品，调查群体数量。

1.3.2 产量及产量构成 成熟期调查公顷穗数、穗粒数和千粒重。每小区收获3 m2脱粒，自然风干至籽粒含水率为13%左右时称重，并折算成公顷产量。

1.3.3 干物质量 小麦开花期和成熟期每小区随机取0.5 m双行样品，其中开花期样品分为茎鞘、叶片和穗三部分，成熟期分为茎鞘、叶片、颖壳、籽粒四部分。分样后，装入牛皮纸袋中，放入烘箱105℃杀青30 min、80℃烘干至恒重，称干物质重。

1.3.4 籽粒全氮含量 将成熟期籽粒样品磨粉，采用浓硫酸消煮，国标GB 2905—1982半微量凯氏定氮法测定全氮含量。

1.3.5 土壤硝态氮 于小麦成熟期取0～100 cm土层土壤样品，－20℃冰箱低温保存。称取12 g土样，加入KCl溶液50 mL浸提，用连续流动分析仪测定土壤硝态氮含量。

1.3.6 氮肥指标计算公式 氮肥农学利用效率（kg/kg）＝（施氮处理籽粒产量－不施氮处理籽粒产量）/施氮量；氮肥偏生产力（kg/kg）＝籽粒产量/施氮量；氮肥生理利用效率（kg/kg）＝（施氮处理籽粒产量－不施氮处理籽粒产量）/（施氮处理地上部氮素积累量－不施氮处理地上部氮素积累量）。

1.3.7 干物质转运指标计算公式 营养器官花前贮藏干物质转运量（t/hm2）＝开花期干重－成熟期干重；营养器官花前贮藏干物质转运率（%）＝（开花期干重－成熟期干重）/开花期干重×100；花后干物质积累量（t/hm2）＝成熟期籽粒干重－营养器官花前贮藏干物质转运量；对籽粒产量的贡献率（%）＝花前贮藏干物质转运量（或花后干物质物量）/成熟期籽粒干重×100。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019处理数据及作图，用SAS 9.4软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦茎蘖动态的影响

由图1可知，2017—2018年度和2018—2019年度越冬前和拔节期，除T2外各施氮处理的总茎蘖数均显著高于无氮处理T1，传统施氮处理T9和T8较高，说明增施氮肥促进了拔节前冬小麦的茎蘖数，以T8处理总茎蘖数增长最快，表明更多的春季分蘖发生在传统施氮处理上。2017—2018年度和2018—2019年度拔节期缓控释肥处理间平均茎蘖数以T6处理最低，与T4处理无显著差异，但是较T8处理平均降低36.1%。拔节后无效分蘖逐渐死亡，成熟期茎蘖数仍以T8处理最高，T6处理与其相比两年仅降低5.9%，说明传统施氮绝大部分的春季分蘖是无效分蘖，对成穗数影响较小，而缓控释肥T6处理显著抑制了无效分蘖的生长。

图1 不同处理对冬小麦茎蘖动态的影响

2.2 不同处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表2看出，与不施氮T1相比，不同氮肥处理均显著提高冬小麦产量，且随着施氮量的增加而增加，以传统施氮处理T8产量最高，再进一步增施氮肥产量无明显增加。缓控释肥各处理以树脂包膜尿素T6处理产量最高，与T8相比无显著差异，较T1两年平均增产137.2%；与T4处理相比，2018、2019两年分别增产7.8%、10.6%。进一步分析产量构成发现，与T1相比，T6处理可以显著提高公顷穗数、穗粒数和千粒重；与T4处理相比，T6处理2018年穗粒数显著增加8.0%，2019年公顷穗数显著提高9.8%；两年公顷穗数T6较T8处理平均降低7.7%，但是其千粒重增加6.2%。说明在等量施氮条件下施用树脂包膜尿素缓控释肥（T6）可以通过获得较高的穗数或穗粒数提高产量；氮肥投入等量情况下，与传统施氮相比，虽然公顷穗数略有降低，但是可以通过增加千粒重来保证冬小麦获得较高产量。

2.3 不同处理对冬小麦的干物质积累与转运的影响

由表3可知，不施氮处理T1营养器官贮藏干物质的转运量、转运率及其对籽粒干物质的贡献率均低于施氮处理，但是其花后干物质积累量的贡献率高于施氮处理，表明不施氮抑制了冬小麦营养器官贮藏干物质向籽粒中转运。施氮处理间比较，营养器官贮藏干物质的转运量、转运率及其贡献率呈先升高后降低变化趋势；其中，转运量以T6处理最高，其次是T5和T7处理，表明T6、T5和T7处理有利于提高营养器官贮藏干物质向籽粒中转运的效率。随施氮量增加花后干物质积累量总体不断升高，以T9处理最高；干物质积累量的贡献率以T6处理最低，而T8处理有利于提高花后干物质积累量，且其贡献率亦较高，而再增施氮肥的T9处理对花后干物质贡献率无显著促进作用。

表3 不同处理对冬小麦花后营养器官干物质积累量和干物质再分配量的影响

2.4 不同处理对冬小麦氮肥利用效率的影响

由表4可知，优化施氮量处理较高施氮量处理均显著提高了冬小麦氮肥农学利用效率。与T8处理相比，T6处理2017—2018年度和2018—2019年度分别增加27.7%和33.3%。氮肥偏生产力随着施氮量的增加而显著降低，与T4相比，2018—2019年度T6处理氮肥偏生产力增加10.6%；T6较T8处理2017—2018年度和2018—2019年度分别增加28.9%和32.4%，两年平均增加30.6%。氮肥生理利用效率随着施氮量的增加先增加后降低，以T6处理最高，与优化施氮量T4处理无显著差异，较T8处理2017—2018年度和2018—2019年度分别增加57.1%和61.7%，两年度平均增加59.4%。说明树脂包膜尿素T6处理在降低氮肥投入量的同时，可以获得较高的氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用效率。

表4 不同处理对冬小麦氮肥利用效率的影响

2.5 不同处理对土壤硝态氮含量的影响

从图2可以看出，2017—2018年施氮显著增加小麦收获时1 m土体中的硝态氮含量，特别是显著提高0～40 cm土体的硝态氮含量，以T8处理最高。而氮肥优化各处理0～40 cm土体硝态氮含量显著降低，T6处理0～40 cm土体的硝态氮含量较T8处理显著降低49.5%，与优化氮肥处理T4相比无显著差异。

图2 不同处理对0～100 cm土层土壤硝态氮含量的影响

2018—2019年冬小麦收获后，施氮处理显著提高60～100 cm土层硝态氮含量，特别是80～100 cm土层硝态氮含量，以T8处理最高。施用缓控释肥可以降低土体中硝态氮含量，树脂包膜尿素T6处理80～100 cm土层硝态氮含量比T8处理低49.5%，与优化氮肥处理T4相比无显著差异。

两年度比较，2018—2019年土壤硝态氮残留量相对较少，原因主要与2018—2019年降雨量较大有关，土壤硝态氮淋洗严重。如果下季作物继续高施氮，土壤中的氮素不能被作物吸收利用，将大部分随着降雨向下淋洗，可能引起地下水污染。

3 讨论与结论

合理的氮肥运筹是提高小麦产量的重要途径。农民传统施肥方式是施用大量氮肥作基肥，但冬小麦生长早期需要养分数量少，根系吸收弱，大量施用氮肥不能被作物及时充分吸收利用导致大量损失，一方面造成肥料利用率低，同时造成巨大的环境压力［10，11］。而缓控释肥是通过包膜层来调节肥料内部速效养分的释放速率，通过包膜材料的组成设计，最有可能实现养分的释放速率与作物的需肥规律相匹配［13］。研究表明，与等氮量尿素相比，施用合适的控释氮肥可以显著提高作物产量［8，9，14］。本研究中缓控释肥T6处理较等氮量T4处理两年平均增产9.2%，与传统施肥T8处理相比，在降低23%的施氮量时，产量无显著差异。研究表明适当提高氮肥的施用量可提高小麦分蘖的发生速率［15，16］，但避免用量过大，否则容易增加无效分蘖数量［17，18］。本研究中，拔节期T6处理茎蘖数与T4处理无显著差异，较T8处理低36.1%。拔节后无效分蘖逐渐死亡，成熟期T6处理茎蘖数部分年份较T4处理增加6.8%；但两年平均比T8处理仅低5.9%，说明控释肥T6处理可以显著抑制春季无效分蘖的生长，与传统施氮相比，虽然穗数略有降低，但是可通过提高营养器官贮藏干物质向籽粒中转运的效率、增加千粒重来保证冬小麦获得较高产量。

生育期土壤硝态氮含量水平可以体现出不同控释氮肥的养分释放特性，而不同缓控释肥料的养分释放性能也与其包膜材料有关［19］。本研究中，缓控肥T6处理0～100 cm土壤中硝态氮含量与优化氮肥处理T4相比无显著差异；较T8处理2017—2018年度0～40 cm土体的硝态氮含量显著降低49.5%，2018—2019年度80～100 cm土层硝态氮含量降低49.5%；氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用效率分别增加30.5%、30.6%和59.4%。因此，本试验条件下，纯氮量180 kg/hm2的树脂包膜尿素一次性基施可提高小麦产量和氮肥利用率，降低土壤硝态氮含量，达到高产、高效、节肥的目的，适合在该区域推广应用。马富亮等［20］研究表明，硫膜控释尿素和树脂包膜控释尿素在增加小麦产量、改善小麦籽粒品质和提高氮素利用率方面均起到较好的作用，其中树脂包膜控释尿素比硫膜控释尿素表现出更好的增产效应，实现了氮素的高效利用，与本研究结果一致。蒋丽萍等［21］研究表明，与本试验中同一家公司生产的树脂包膜尿素，一次性基施较农民习惯施肥小麦产量提高2.2%，氮肥利用率提高16.9%，氮肥偏生产力提高58.8%。说明树脂包膜尿素释放速率较慢，更能有效防止硝态氮淋失和氨挥发损失，降低土壤氮素依存率，使小麦对土壤氮的依赖性逐渐减弱，对肥料氮的依赖性逐渐增强，进而提高小麦氮素吸收能力，有效提高氮素利用率。

综上所述，在本试验区域，树脂包膜尿素T6处理一次性基施较等量优化施氮180 kg/hm2处理显著降低春季无效分蘖数，获得较高的穗数或穗粒数，增产9.2%；在降低春季无效分蘖数、公顷穗数略有降低时，较T8处理提高营养器官贮藏干物质向籽粒中转运的效率、增加千粒重，保证冬小麦稳产。并且与传统施氮相比，T6处理显著降低土壤硝态氮含量，提高氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用效率30.5%、30.6%和59.4%，可以实现高产、高效、轻简化栽培的目的。因此，在鲁西北地区小麦生产中，推广树脂包膜尿素一次性基施具有重要的实践意义。然而在“减肥增效”的背景下，减量施用控释氮肥能否持续保持小麦高产、稳产和可持续性生产，还有待更深入地研究。