控释尿素和普通尿素配施对旱地玉米产量和水氮利用效率的影响

党翼，张建军，赵刚，樊廷录，王磊，李尚中，周刚

（甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，兰州 730070）

玉米（Zea mays）作为中国主要粮食作物之一[1]，其持续稳产、高产关系到国家粮食安全。甘肃中东部作为甘肃旱作玉米主产区，玉米种植面积约为80万hm2，占全省玉米面积的82.5%；产量达400万t以上，占全省玉米产量的71.9%[2]。因此，该区域玉米高产、稳产对保证全省粮食安全有着举足轻重的作用。氮素是促进玉米生长发育的重要营养元素[3]。近年来，农民为追求高产，氮肥的施用量远远超过作物所需，致使作物增产能力与氮肥利用率降低[4]。同时，多余的氮肥被不断累积，不仅造成耕地质量退化，还通过径流、渗漏等多种途径进入河流、湖泊等地表和地下水体，对生态环境造成潜在威胁[5]。因此，合理施用氮肥对提高旱地玉米产量和水氮利用效率、减轻环境压力具有重要意义。

当前，我国农业生产中多以普通尿素等速效氮肥为主，肥效快但损失较大，因此，易导致玉米生育后期因氮素供应不足而出现脱肥现象[6]。控释氮肥肥效长，可通过调节氮素养分释放，减少氮肥损失，提高氮素利用率，有利于保证玉米生育后期对氮素的需求，实现高产[7-8]。虽然控释氮肥延长了氮素的释放时间，但播前一次性基施易导致玉米在拔节前生长缓慢、干物质积累较低的现象，且控释氮肥由于生产成本高，单独施用会增加生产成本，影响农户种植效益[9]。因此，采用普通尿素与控释尿素配施的方法，既可以实现玉米整个生育期内氮素均衡供应，又能降低生产成本，实现降支增收的目的[10]。本课题组通过连续4年定位试验表明，播前一次性基施控释尿素较施用普通尿素使玉米产量平均增加9.7%[11]。纪洋等[12]认为，在总施氮量240 kg·hm-2条件下，控释尿素与普通尿素按4.5∶5.5的比例配施能够显著提高水稻产量。金容等[13]认为，相同施氮量条件下，控释肥与尿素按比例混施能够提高氮肥利用率，且增产8.3%～21.6%。Guo等[14]认为，控释肥和尿素按7∶3比例混施更有利于提高玉米的氮素利用率和产量。在甘肃东部旱作区，玉米栽培的施氮模式为50%的氮肥结合播前整地基施，50%于拔节期人工追施，该施肥模式既不能满足玉米的氮肥需求规律，且分次追施又增加了生产成本。因此，本研究将控释尿素引入该地区，研究控释尿素与普通尿素按照不同配比施用对旱地玉米干物质积累、耗水特征、水氮利用效率及产量性状的影响，探讨陇东黄土旱塬区控释尿素与普通尿素的合理配比，建立适用于黄土旱塬区玉米生产的高效氮肥管理模式。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验于2020年在农业农村部西北旱作营养与施肥科学观测实验站（E 107°29′36″，N 35°29′42″）进行，土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土。近30 a年均降雨量510 mm，主要集中在7～9月，占年降雨量的60%，季节和年际间降水分配不均，年蒸发量1 532 mm，年均气温8.9℃，无霜期170 d，海拔1 279 m，500 mm降雨量保证率57.1%，属典型的旱作雨养农业区。2020年降雨量554.2 mm，玉米生育期降雨量450.2 mm，生育期4～9月旬降雨量及多年平均（37年）旬降雨量详见图1。陇东旱塬玉米抽雄扬花期为7月上旬，该阶段降雨量对玉米产量影响较大，图1显示，2020年7月上旬降雨量较多年平均降低31.5%。

图1 玉米生育期及37年平均旬降雨量Fig 1 Rainfall of ten-days in duration period and average of 37 years

1.2 试验设计

以玉米品种先玉335为试验材料，采用随机区组设计，设置不施氮肥（CK1）、全施普通尿素（CK2）、全施控释尿素（CK3）为对照，将普通尿素与控释尿素分别按照7∶3（T1）、5∶5（T2）和3∶7（T3）的比例配施。其中，普通尿素由兰州石油化工公司生产，氮含量46%；控释尿素为安徽茂施农业科技股份有限公司生产的聚氨酯包膜尿素，氮含量45%，释放期＞60 d，初始释放率小于10%。各施氮处理的总施氮量均为225 kg·hm-2，磷肥（含P2O516%的过磷酸钙）750 kg·hm-2，均于覆膜前结合整地时一次性施入耕层土壤，整个生育期不再追施氮肥。其他栽培管理措施同一般高产田。每处理3次重复，每重复小区面积4.4 m×5 m（22.0 m2）。均采用全膜双垄沟播种植，行距55.0 cm，株距24.2 cm，8行区，密度7.5×104株·hm-2；4月26日人工穴播，每穴保1苗，9月17日收获。地膜采用普通聚乙烯膜，幅宽1.2 m，厚度0.01 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量测定 采用土钻人工分层取土，烘干称重法测定。分别于玉米播种前、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期及收获期，由地表向下依次取0—200 cm土层，每20 cm作为1个取样层，先称湿土重，然后在105℃恒温下烘干至恒重后称干土重，计算土壤含水量。

1.3.2 叶绿素相对含量（SPAD）测定 分别于玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆中期选择晴朗的天气，于上午10—12时，采用SPAD-5200测定玉米中部功能叶叶片的SPAD值，每小区测定10株，每株读取3个数值，共计读取30个数值，取平均值。

1.3.3 单株干物质测定 分别于苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和收获期每小区选取具有代表性、长势均匀一致的植株3株，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重后进行称重。

1.3.4 产量及植株氮含量测定 收获前，每小区选择长势均匀一致处作为采样区，在此区域内按行逐株取25株测产，脱粒后用PM-8188-A谷物水分测定仪测定含水量，然后换算成标准含水量（14%）下的每公顷产量。另每小区取10株调查穗行数、行粒数，计算穗粒数和百粒重（含水量14%）。同时于玉米生理成熟期每个小区采集3株植株（地上部）样品，采用凯氏定氮仪法测定全氮含量。

1.3.5 计算公式 参照以下公式计算土壤贮水量（water content，W）、作物耗水量（evapotranspire，ET）、作物水分利用效率（water use efficiency，WUE）和氮肥利用率（nitrogen use efficiency，NUE）。

式中，h为土层深度（cm），a是土壤容重（g·cm-3），b是土壤含水量（%）；W1、W2分别为播种前和收获后土壤贮水量（mm）；P为作物生育期降水量（mm），通过campbell cr1000（美国）自动气象站记录仪获得；Y为含水量14%时玉米籽粒产量（kg·hm-2）。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理、表格制作和作图，采用DPS 8.01统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同肥料配比对玉米叶片SPAD的影响

施氮显著增加玉米叶片SPAD值；且随生育时期推进，不同施氮处理SPAD值均呈先增加后降低趋势；而相同生育期时，控释尿素处理叶片的SPAD值显著高于普通尿素处理（图2）。CK3处理苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期叶片SPAD值较CK2处理分别增加1.5%、3.8%、8.4%和5.9%。控释尿素与普通尿素配施的处理中，随着控释尿素比例的提高，各生育时期叶片SPAD值均表现为T3＞T2＞T1，但仅灌浆期T2和T3处理显著高于T1处理，其余生育时期3个处理间差异不显著。由此表明，控释尿素比例的提高，增加了花后籽粒灌浆时期的氮素供应，使玉米生育后期叶片持绿期延长，有利于增加产量。

图2 不同处理在各生育期叶片的SPAD值Fig.2 SPAD value of leaf at different stages under different treatments

2.2 不同肥料配比对玉米干物质量的影响

2.2.1 单株干物质积累 不同施氮处理玉米全生育期单株干物质积累呈“慢-快-慢”变化趋势（图3）。施氮处理的单株干物质积累量显著高于CK1处理；CK3处理玉米全生育期的干物质积累量均高于CK2，增幅为0.7%～16.9%。随控释尿素比例的提高，玉米不同生育阶段单株干物质积累量相应增加，表现为T3＞T2＞T1，其中，T3处理在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、收获期单株干物质积累较T2处理分别提高21.0%、19.4%、5.8%、4.3%、8.5%，较T1处理分别提高56.3%、24.6%、6.9%、5.2%、9.5%。

图3 不同处理不同生育时期单株干物质积累变化Fig 3 Dry matter accumulation per plant at different stages under different treatments

2.2.2 花前花后干物质积累 由图4可知，控释尿素显著增加了花前单株干物质的积累；对花后干物质积累影响较小，但整体表现为控释尿素处理干物质积累量高于普通尿素处理。CK3、T1、T2和T3处理花前单株干物质积累量较CK2处理分别显著提高9.3%、4.2%、5.3%、11.4%，花后干物质积累量较CK2处理分别提高7.5%、4.8%、5.5%、9.5%；控释尿素处理的花前和花后干物质积累量均较CK1处理显著增加，增幅分别为7.4%～14.8%和10.3%～23.1%。

图4 不同处理玉米花前和花后的单株干物质积累量Fig.4 Dry matter accumulation per plant at pre-flowering and post-flowering under different treatments

2.3 氮肥处理对玉米不同生育阶段耗水量的影响

2.3.1 不同生育阶段耗水量变化 T2、T3处理玉米全生育期耗水量较CK1显著增加10.4%、14.8%，较CK2显著增加8.5%、12.7%，较CK3显著增加9.7%、14.1%（表1）。玉米阶段耗水量与阶段降雨量密切相关，耗水高峰出现在拔节到抽雄期，其次为抽雄到灌浆期、苗期到拔节期和灌浆到收获期，播种到苗期耗水量最小。其中，T3处理在苗期到拔节期、拔节期到抽雄期、灌浆期到收获期的耗水量均显著高于其他施氮处理，增幅分别为10.0%～47.6%、3.6%～11.9%、10.8%～60.9%。

表1 不同处理在各生育阶段的耗水量Table 1 Water consumption at different stages under different treatments （mm）

2.3.2 花前花后耗水量变化 由图5可知，施氮种类对玉米花前和花后耗水量有一定调控作用，且与阶段降雨量密切相关。随着控释尿素比例的提高，玉米花前耗水量逐渐增加，其中，T2处理的花前耗水量较CK1、CK2和CK3分别显著增加11.9%、11.7%、8.6%；T3处理的花前耗水量最高，为293.3mm，较CK1、CK2、CK3、T1处理分别显著提高18.9%、18.7%、15.3%、9.7%。但花后耗水量在各施氮处理间无显著差异。由此表明，施用较高比例的控释尿素相当于氮肥后移，能有效调控玉米耗水进程，增加花前耗水量。

图5 不同处理花前花后的耗水量Fig.5 Water consumption in pre-flowering and post-flowering under different treatments

2.4 不同肥料配比对玉米产量性状及水分利用效率的影响

施氮显著增加玉米产量（表2），与CK1相比，增幅7.4%～39.7%；与CK2相比，T2、T3处理分别显著增产13.5%和30.1%；与CK3相比，T3处理显著增产21.9%。T3处理的产量最高，为16 230.0 kg·hm-2，较T1、T2处理显著增加21.5%和14.6%。由此说明，控释尿素与普通尿素配施较控释尿素或普通尿素单施更能提高玉米产量，且随着控释尿素配施比例的提高增产效果更加显著。

对各处理产量构成进行分析，结果（表2）表明，T3处理的百粒重和穗粒数较其他施氮处理分别增加3.9%～12.0%和2.0%～6.0%，较CK1显著增加17.3%和9.3%。各处理的水分利用效率与产量变化趋势基本一致，同样以T3处理最高，较其他施氮处理显著提高6.8%～15.4%，较CK1显著提高21.7%。由此表明，控释尿素与普通尿素配施有利于氮素的均衡分配，为玉米各发育阶段提供充足的氮素养分，为籽粒形态建成奠定基础。

表2 不同处理产量性状及水分利用效率Table 2 Yield characteristic and water use efficiency under different treatments

2.5 不同肥料配比对玉米氮肥利用率的影响

控释尿素与普通尿素配施显著提高了玉米氮肥利用率（图6）。其中，T1、T2、T3处理的氮肥利用率较CK2显著增加7.2～12.7个百分点，T2和T3处理较CK3显著提高4.8和9.1个百分点。T3处理的氮肥利用率最高，为38.8%，较CK2、CK3、T1、T2处理分别提高了12.7、9.1、5.5、4.3个百分点。由此说明，控释尿素与普通尿素配施有利于提高氮肥利用效率，且随控释尿素配施比例的提高效果更加显著。

图6 不同处理氮肥利用效率Fig.6 Nitrogen use efficiency under different treatments

3 讨论

3.1 控释尿素通过控制氮素养分释放速率显著影响玉米产量

氮素作为农作物生长发育的重要营养元素，氮素亏缺会导致植株生长速率变慢、植株变弱、叶片小而黄，严重影响作物产量[15]；而过量施氮会导致营养器官氮素代谢过旺，运往籽粒的氮素减少，即营养器官氮素再分配率和对籽粒氮贡献率降低，不利于经济产量的形成[16]。因此，氮肥的合理运筹是实现玉米高产和超高产的重要措施。控释氮肥作为一种新型肥料具有延缓氮素释放速率、减少氮素损失等特点而受到广泛关注[17]。研究表明，控释氮肥与普通氮肥配施可保证氮肥的持续供应，有利于协调玉米产量构成因素之间的关系，增加百粒重和穗粒数[18-20]，提高产量[21-22]；一次性基施等氮量控释尿素的玉米产量显著高于普通尿素，且穗粒数显著增加[23-24]。本研究结果显示，施用控释尿素较普通尿素增产6.7%，再次佐证了本课题组的定位试验结果[11]。同时，本研究发现，控释尿素与普通尿素配施更有利于玉米增产，且增产率随控释尿素比例的提高而增加，即控释尿素和普通尿素按7∶3的比例配施效果最好，较单施控释尿素、普通尿素和无肥处理分别增产21.9%、30.1%和39.7%，与解文艳等[25]的研究结果一致；分析各产量构成因素表明，T3处理的穗粒数和百粒重分别较其他施氮处理增加2.0%～6.0%和3.9%～12.0%，较CK1显著增加9.3%和17.3%。玉米抽雄期至灌浆期追施氮肥可使玉米干物质积累量提高24.5%～33.9%[26]。本研究表明，施用控释尿素能够提高玉米整个生育期单株干物质积累量和叶片SPAD值，显著增加花前单株干物质积累量，且均随着控释尿素比例的提高而增加，以70%控释尿素+30%普通尿素（T3）配施效果最好。可能是由于普通尿素一次性基施使玉米前期氮素累积过多，对后期氮素吸收及转运有一定抑制作用，而控释尿素通过延缓氮素释放时间从而延迟玉米植株氮素积累速率最大值的出现时间[27]，保证玉米生育后期土壤有效氮的充足供应，提高了叶片SPAD值，既使得玉米叶片有较长的持绿期，又保证了植株全生育期的干物质积累量，改善了穗粒数、百粒重等穗部性状，从而实现高产。

3.2 控释尿素通过改变玉米耗水进程实现高效用水

以肥调水是提高水分利用效率的重要农艺措施。旱作条件下，科学施用氮肥有利于促进作物根系对深层土壤水分的利用，发挥水氮耦合效应[28]。研究表明，作物水分利用效率因施氮方式而变化[29]，氮肥后移有利于提高作物水分利用效率[26,29]，从而提出了“以肥调水”的思路[30]。本研究表明，随控释氮肥掺混比例提高，玉米的水分利用效率逐渐提高，其中，以70%控释尿素+30%普通尿素配施处理的水分利用效率最高，为36.7 kg·hm-2·mm-1，显著高于其他施氮处理；该处理在全生育期的耗水量也较高，耗水高峰期出现在拔节到抽雄期，可能是由于控释尿素和普通尿素配施协调了氮素养分在玉米全生育期的释放，满足了玉米整个生育期对氮素养分的需求，达到了“以肥调水”的效果，改善和均衡了各生育阶段耗水量，进而使得产量显著增加，最终提高水分利用效率。

3.3 控释尿素通过控制氮素养分释放时间来提高氮肥效率

氮肥的类型、配比、施用时期及其在土壤中的释放特性决定着作物生育期内土壤氮素的供应强度，进而影响作物对氮素的吸收及土壤中氮素的累积及淋失[31]。氮肥利用率是表征氮肥利用效率的重要指标[32]。姬景红等[33]研究表明，普通尿素与控释尿素以40%和60%的比例混施有利于提高氮素利用效率。于飞等[32]研究认为，当前我国玉米氮肥用量为180～240 kg·hm-2，氮肥利用率为31.0%，低于发达国家水平[34]。本研究显示，控释尿素与普通尿素配施显著提高了氮肥利用率，其中，以70%控释尿素+30%普通尿素配施效果最好，氮肥利用率为38.8%，高于目前我国氮肥利用率的平均水平，接近发达国家水平。现阶段，由于地域、生态类型、土壤类型及耕地质量差异较大，且受控释氮肥的初始释放期及释放率等因素影响，关于控释尿素与普通尿素配施比例的研究结果差异较大[12,14,25]。因此，筛选出本区域适宜的控释尿素与普通尿素配比，对当地玉米生产具有重要现实意义。