控释复合肥对坡耕地花生产量及氮素流失的影响

杨修一，张清行，卢晓峰，葛祥菡，吴凯笛，刘前进，耿计彪*

（1 山东省水土保持与环境保育重点实验室 / 临沂大学资源环境学院，山东临沂 276000；2 临沂大学农林科学学院，山东临沂 276000；3 金沂蒙集团有限公司，山东临沂 276700）

花生是重要的油料作物和经济作物，保障花生优质高产对于我国油粮安全具有不可或缺的作用[1-2]。山东省是全国最大的花生生产和出口基地，种植区主要分布在胶东半岛、南部和中西部等区域，其中鲁西南地区丘陵山坡分布着大量的瘠薄坡耕地[3]。砂质坡耕地抗侵蚀性能弱，保水保肥能力差，极易导致水土流失。一方面直接导致土壤质量退化和肥力下降[4]，另一方面随径流流失的养分加剧区域水体的富营养化，造成面源污染，所以从源头进行养分流失控制有益于农业的可持续发展[5-7]。此外，坡耕地养分流失严重，使花生可利用的养分不足，造成籽仁产量和品质下降，制约当地花生种植业发展与经济收入。

氮素是花生必需的大量营养元素[8]，施肥是解决土壤氮素供应不足的常规手段[9-10]。普通化肥养分有效期短，易导致花生前期氮肥过量而后期氮肥供应不足[11]，无法保障整个生育期的氮素需求，而花生本身“上花下果”的生长特点导致追肥不便。控释肥根据作物需求调节其养分释放速率，显著提高作物产量及养分利用率[12-14]。近年来，控释肥在作物上的良好效果引发较多关注，但控释肥在砂质坡耕地中的养分释放特性及其对花生产量的影响鲜有报道。因此，本研究以砂质坡耕地为研究对象，阐明控释复合肥对不同生育期花生地氮素淋溶及随地表径流的损失特征，揭示控释复合肥在土壤中的氮素释放特征与花生氮素吸收规律的适配性，以期为坡耕地花生高效种植与面源污染防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2021 年在山东省临沂市双河峪试验基地 (35°42′5″N，117°57′51″E) 开展，该地属于暖温带季风气候，降水集中在6—9 月，平均降水量为950 mm，平均温度14.3℃，本年度花生生长季内(4—8 月) 降水及温度变化如图1 所示，4、5 月降水量小，集中在6—8 月，温度自5 月下旬开始保持在22℃以上。试验土壤为棕壤，质地属砂质壤土，其中砂粒含量为70.8%，黏粒含量为3%，粉粒含量为26.2%，pH 为6.8。全氮和有机质含量分别为0.7 和8.2 g/kg，土壤铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾的含量分别为12.9、19.4、14.0 和55.7 mg/kg。

图1 花生生长季旬平均降水及温度Fig.1 Average rainfall and temperature per 10 days during growth stage of peanut

供试肥料包括控释复合肥和普通复合肥，控释复合肥以聚氨酯为包膜材料，含N-P2O5-K2O 量为15-15-15，25℃静水中初期溶出率为0.86%，释放周期为3 个月；普通复合肥含N-P2O5-K2O 量为15-15-15，由山东金沂蒙生态肥业有限公司提供。

1.2 试验设计

于2021 年4 月26 日播种花生，8 月27 日进行收获，整个生育期无人工灌溉措施。控释复合肥(CRF)和普通复合肥(CF)均设置一次基施800 和560 kg/hm2两个处理，相当于N、P2O5、K2O 施用量分别为120、120、120 kg/hm2(100% CRF、100% CF)和84、84、84 kg/hm2(70% CRF、70% CF)，以不施肥为对照，即CK。采用随机区组设计，每个处理重复3 次。供试控释肥和普通复合肥N-P2O5-K2O 比例均为15-15-15。

试验小区宽为1.6 m、长10 m、坡度12°，种植密度为10 万穴/hm2。每个小区种植两垄，垄高为10 cm，垄宽为40 cm，起垄时肥料施入垄沟，深度约为8—10 cm。花生播种在肥料一侧5 cm 处，然后覆膜至成熟期。试验地四周由硬塑料板砌成，塑料板埋入土壤15 cm，地面高度为10 cm，以防止养分流入其他区域；在小区与径流池相连端，沿小区宽度方向挖一个集流槽，集流槽下方放置120 L 的塑料桶，用于收集自然降雨下坡面径流水样品，整个生育期能够收集到的坡面径流样品为10 次。每小区种植两垄花生，一垄用于采集植株和土壤样品，一垄用于测产。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 植株干物质积累量和氮素吸收量 在5 月23 日(苗期，播种后27 天)，6 月26 日(开花下针期，播种后60 天)，7 月24 日(结荚期，播种后88 天)和8 月28 日(成熟期，播种后123 天)，采集长势均匀的代表性植株4 株，分为地上(叶、花和茎)和地下(根、荚果)部分，带回实验室后105℃杀青0.5 h，然后65℃烘干至恒重称量，地下和地上干物质量之和即为花生干物质累积量。成熟期，每个小区收获一垄花生荚果，晾晒、自然风干后称重，然后计算出仁率、百仁重和产量。花生植株全氮含量用浓硫酸—双氧水消煮，凯氏定氮仪测定。

1.3.2 径流液中无机氮含量 每次降雨产生径流后，用250 mL 塑料瓶收集上清液，每瓶添加1～2 滴浓硫酸减少氨挥发损失风险，带回实验室4℃冷藏，1 周内测定，整个生育期共采集10 次径流水样。径流水中的硝态氮和铵态氮含量，采用连续流动注射分析仪测定[15]，同时根据径流水中的浓度和径流体积计算每次硝态氮和铵态氮的流失量之和，各次硝态氮和铵态氮的流失量之和为总流失量。

1.3.3 控释肥养分释放特征 制作12 cm×10 cm 的尼龙网袋，装10 g 控释肥颗粒(肥料颗粒在105℃烘干3 h)。播种前，在播种行一侧10 cm 处挖1 条深10—15 cm、宽14 cm 的土沟，在沟底铺设20 个肥料袋，并将网袋中的肥料颗粒均匀地分布在沟内的土壤上，覆土[16]。为减少肥料网袋对结果的影响，植株和土壤的采集均避开埋袋处。在播种后的第1 天、第10 天及花生各生育期，每次连续取3 个肥料网袋，带回实验室冲洗干净，于105℃烘干至恒重，失去的重量即视为控释复合肥在土壤中的释放量。控释肥累积氮素释放率和阶段氮素释放率具体计算公式如下：

累积氮素释放率(%)=(10-第D 天肥料网袋取样时肥料颗粒干重) /10 ×100

阶段氮素释放率(%)=[(10-第N 天肥料网袋取样时肥料颗粒干重) /10-(10-第D 天肥料网袋取样时肥料颗粒干重) /10]×100

式中，D 依次取值为0、1、10、27、60 和88 天；N 依次取值为1、10、27、60、88 和123 天。肥料颗粒干重单位为g。

以不施肥处理植株的氮素吸收量作为土壤氮素供应量[17]。普通复合肥施入土壤后迅速溶解于土壤内，难以区分肥料释放量和土壤的供应量，因此将施肥后的土壤氮素供应曲线视为两者的供应总量。控释肥在土壤中的氮素释放量具体计算公式如下：

控释肥氮素释放量(kg/hm2)=(10-第M 天肥料网袋取样时肥料颗粒干重) /10×控释肥施氮量。

式中，M 取值为0、27、60、88 和123 天。肥料颗粒干重单位为g。

1.4 数据处理

相关数据的处理与统计分析通过Excel 2016 和SAS 8.0 完成，包括ANOVA 方差分析及Duncan 差异显著性检验，分析差异显著性(P＜0.05 差异显著)及方差。文中所有数据均为3 次重复的平均值，处理后的数据采用Sigmaplot 12.5 作图。

肥料对产量的贡献率=(施肥区花生产量-不施肥区产量)/施肥区花生产量[18]。

2 结果与分析

2.1 控释复合肥对坡耕地花生产量及氮素利用率的影响

不同肥料类型和施用量对花生产量及其构成要素产生显著影响(表1)，100% CRF 处理花生百仁重显著高于70% CF 处理，其余处理间差异不显著。100% CRF 单株结荚数最高，达到48.0 个，70% CRF为41.8 个，均显著高于普通复合肥和对照处理。各处理出仁率保持在71.2%～74.9%，70% CF 与100% CF 处理差异不显著，但70% CF 处理显著低于其他3 个处理。施肥显著提高了花生荚果产量，100% CRF 处理显著高于普通复合肥处理，但是70% CRF 处理与普通复合肥处理差异不显著。籽仁产量最高的是100% CRF 处理，达到3610.7 kg/hm2，较100% CF 处理显著增产13.8%；70% CRF 与100% CF 处理差异不显著，较70% CF 处理显著增加12.4%；普通复合肥籽仁产量与CK 处理三者间差异不显著。

表1 不同施肥处理下坡耕地花生产量及其构成要素Table 1 Yield and yield components of the peanut as affected by fertilization treatment

不同处理肥料对产量的贡献率表现出显著差异(图2)，100% CRF 处理肥料对产量的贡献率最大，为19.45%，显著高于100% CF 处理102.6%；70% CRF 处理肥料贡献率为14.65%，高于70% CF 处理74.4%。

图2 肥料对花生产量的贡献率Fig.2 Fertilizer contribution to peanut yield

2.2 控释复合肥对坡耕地花生干物质累积量的影响

花生干物质累积量随生育期进程而增加，CK 处理各生育期干物质积累量均处于最低水平(图3)。100% CF 处理苗期干物质累积量最高，达到3816.7 kg/hm2，显著高于70% CRF 处理，但与100% CRF和70% CF 处理差异不显著。花针期100% CRF 和100% CF 处理干物质累积量分别为5151.7 和5215.0 kg/hm2，分别较70% CF 处理显著增加了12.2%和13.6%，与70% CRF 处理差异不显著。结荚期100% CRF 处理的干物质量最高，达到11500.5 kg/hm2，显著高于其他处理；70% CRF 与100% CF 处理差异不显著，但显著高于70% CF。成熟期100% CRF 与70% CRF 处理之间无显著差异，但分别高于100% CF与70% CF 处理7.1%～8.3%。

图3 不同施肥处理花生各生育期干物质累积量Fig.3 Peanut dry biomass at different growth stages as affected by fertilization treatments

2.3 控释复合肥在田间土壤中的氮素释放特征

控释复合肥在花生田间土壤中，初期溶出率为0.39%，前10 天释放13.09%，至苗期时(施肥后27 天)释放30.89%，此阶段养分释放较快，平均每天溶出率为1.44%；苗期至花针期(施肥后27～60 天)、花针期至结荚期(施肥后60～88 天)、结荚期至成熟期(施肥后88～123 天)的阶段释放率分别为21.8%、18.7%和 18.2%，收获成熟时的累积释放率达到89.6% (图4)。

图4 控释复合肥氮素在土壤中的释放特征Fig.4 Nitrogen release characteristics of controlled-release compound fertilizer (CRF) in soil

2.4 控释复合肥氮素释放、土壤氮素供应与花生氮素吸收特征

花生植株氮素吸收量随生育期推进而呈上升趋势(图5)，花针期至结荚期(施肥后60～88 天)氮素吸收增加最为迅速。苗期(施肥后27 天)氮素吸收最高量出现在100% CF 处理，达到93.9 kg/hm2，显著高于70% CRF 和70% CF 处理，但与100% CRF处理差异不显著。花针期(施肥后60 天)100% CF、100% CRF 和70% CRF 处理氮素吸收量显著高于70% CF 处理。结荚期(施肥后88 天)各处理氮素吸收量表现为100% CRF＞70% CRF, 100% CF＞70% CF＞CK。成熟期(施肥后123 天)控释复合肥处理较普通复合肥处理氮素吸收量提高，70% CRF 与100% CF处理差异不显著，分别比100% CF、70% CF 处理高5.9%～6.0%。

图5 肥料的氮素释放、土壤氮素供应和花生氮素吸收施肥后天数的变化Fig.5 Dynamics of fertilizer N release , soil N supply and peanut N uptake with days after fertilization

控释复合肥在田间的氮释放量随花生生长时间延长而呈现增加趋势，土壤供氮量和控释复合肥氮释放量之和高于植株氮素吸收量。普通复合肥处理，苗期(施肥后27 天)前肥料供氮量高于植株氮素吸收量，但是花针期至成熟期(施肥后60～123天)，土壤和普通复合肥氮素供应总量低于植株氮素吸收量(植株可通过根瘤固氮作用、吸收大气沉降氮等形式吸收额外氮素)。

2.5 控释复合肥对坡耕地硝态氮和铵态氮径流损失的影响

各处理径流水中硝态氮浓度呈“先下降再上升而后下降”的趋势(图6)，CK 处理均处于最低水平。在首次径流水中，100% CF 处理硝态氮浓度最高，达到2.8 mg/L，显著高于100% CRF (2.0 mg/L) 和70% CF (1.8 mg/L)。施肥后49 和51 天的径流水中，100% CF 处理硝态氮浓度最高。施肥后63 和66 天径流水中硝态氮浓度出现一个峰值，同等施肥量下，普通复合肥处理硝态氮浓度高于控释复合肥处理，其后各处理硝态氮浓度呈动态下降趋势，但各处理间差异不显著。各次径流水中的铵态氮浓度表现出与硝态氮相似的变化趋势，不施肥处理处于最低水平(图6)，首次径流水中，100% CF 处理铵态氮浓度最高(2.7 mg/L)，其余处理保持在1.3～1.7 mg/L；施肥后49 和51 天的径流水中，控释复合肥处理低于普通复合肥，其余时间各处理差异不显著。

图6 不同施肥处理下土壤径流水中硝态氮(a)和铵态氮(b)浓度Fig.6 NO3--N and NH4+-N contents in runoff water under different fertilization treatments

从不同施肥处理的地表径流水中无机氮流失量(表2)可以看出，不施肥处理各时期流失量均处于最低值。整个生育期来看，施肥后41 至63 天，径流水中的硝态氮和铵态氮流失量逐渐下降；施肥后66 和95 天呈现上升趋势，而后下降。第一次(施肥后41 天)径流水中，100% CF 处理流失量最高，达到139.92 mg，显著高于其他处理，100% CRF、70% CRF 和70% CF 处理差异不显著，流失量在95.06～106.79 mg；施肥后51 和63 天，100% CF 处理显著高于CK 处理，其他时期各处理差异不显著。整个生育期，CK 处理流失总量为362.4 mg，显著低于施肥处理；施肥处理间差异不显著，各处理总流失量为428.77～488.28 mg。

表2 不同施肥处理下各小区土壤径流水中无机氮流失量 (mg)Table 2 Inorganic N loss in runoff water of different fertilization treatment plots

3 讨 论

3.1 控释复合肥氮素释放与花生氮素吸收的相关性

控释肥料是利用包膜工艺使肥料养分在作物生长季节按照一定模式释放的一类肥料[19]，其释放速率主要受土壤温度和含水量的影响。本研究中，控释复合肥前30 天释放了30.89%的氮素(图4)，保证了苗期植株对氮素的需求。花生在苗期需肥总量少，更多的吸收利用土壤中的养分，少量的氮素供应可避免奢侈吸收和旺长；结荚期是生殖和营养生长最旺盛的时期，对养分的需求量最大[3]，而自开花下针期至结荚期正处于控释复合肥的释放高峰期；在收获期氮素释放率达到90%，保证了荚果发育，加之土壤氮素供应，可满足花生整个生育期的氮素需求。同等施肥量下，普通复合肥处理苗期的植株氮素吸收量高于控释复合肥，而结荚期和成熟期表现出相反趋势，这与王艳华等[20]的研究结果一致。普通复合肥施入土壤后快速水解释放氮素，但花生植株地上部氮素吸收主要集中在中后期[9]，致使生长前期氮素过量、后期氮素供应不足[21]，导致氮肥利用率低，同时伴随水体污染风险。

3.2 控释复合肥对坡耕地花生产量的影响

作物高产是以较高生物量为前提的，干物质积累越多，花生产量越高[22-23]。控释复合肥在花针期氮素的快速释放，增加了有效果针数量，提高了单株荚果数，这与成艳红等[24]的研究结果一致。控释复合肥较普通复合肥显著提高了花针期后的总生物量干重，100% CRF 处理荚果和籽仁产量显著高于普通复合肥处理，且70% CRF 处理较100% CF 处理差异不显著。由于试验土壤粉粒和粘粒含量低，土壤颗粒之间的胶结性弱，水溶性养分极易流失[25]，而控释复合肥较好地协调了花生生长前期与后期对氮素的需求，为保证花生高产创造了良好的氮素营养条件。

花生具有根瘤固氮作用，土壤氮素缺乏时植株固氮效率较高，最高固氮量可达其最适需氮量的60%～65%[26]。地力肥沃条件下，少量施氮有利于根瘤生长和发育，施氮过多则抑制根瘤菌的侵染和根瘤的形成，不利于根瘤固氮[27]。本试验中，肥料氮素对产量的贡献率很低，尤其是100% CF 和70% CF 处理仅分别为9.6%和8.4%。同类型肥料不同用量处理间的氮素贡献率差异不显著，但是等施肥量下控释复合肥显著高于普通复合肥处理，表明本试验条件下氮肥类型对产量的贡献大于用量。

3.3 控释复合肥对坡耕地土壤氮素径流损失的影响

坡耕地是典型的农业发展水平不高的陡坡地区，而不适当的施肥加剧了坡耕地表土养分流失[28]，造成严重的土壤资源退化和污染，使作物产量和品质下降[29-31]。土壤硝态氮和铵态氮能被植物直接吸收利用，是土壤的养分指标，也是重要的环境评价指标。对比空白处理，施肥可以提高花生每个生育期土壤中硝态氮的含量，并且在苗期和结荚期出现两个硝态氮含量高峰值[32]。苗期硝态氮含量高是由于肥料施用后的水解作用；结荚期土壤硝态氮含量较高，是由于该时期高温多雨，促进了有机氮的矿化[32]，并且植株处于旺盛生长阶段，自身的固氮效率较高[33]，显著增加了硝态氮含量。与控释复合肥相比，苗期普通复合肥处理土壤硝态氮含量较高，而此阶段花生需肥量少，易造成氮素盈余，盈余的氮素会通过淋洗或反硝化作物-土壤体系，污染环境[34]。

可溶态氮是土壤氮素流失的主要形态，而硝态氮由于带负电荷，不易被土壤胶体吸附，在可溶态氮的流失中占重要比例[35]。本试验中，径流水中的硝态氮浓度高于铵态氮，在苗期和开花下针期径流中，同等施肥量下，普通复合肥处理硝态氮和铵态氮的流失总量高于控释复合肥处理，表明控释复合肥能有效减少花生前期氮素地表径流损失。由于普通肥料施入土壤后迅速水解，超出了花生氮素需求量，盈余氮素极易随径流损失，这与范振义[36]研究结果一致。整个生育期间，各施肥处理的氮素流失总量未表现出显著差异。因为影响坡耕地养分流失的主要因素有降雨特征、坡度、植被覆盖、耕作措施等[37]，本试验中肥料在播种前条施且覆于薄膜内，部分隔绝了氮素与地表径流的接触；另一方面随着植株生长影响地表覆盖度，对雨水具有截留作用，且雨水打击和花生生长的作用导致地表紧实度增加，水分入渗量下降，故花生中后期表层土壤释放到径流中的氮素减少，使播种后51 天的地表径流水的氮素浓度降低且保持稳定。

4 结论

控释复合肥在土壤中的氮素释放规律与花生植株氮素吸收较为吻合，相比于普通复合肥，一次性基施控释复合肥显著提高花生籽仁产量12.4%～13.8%，而且有效减少了播种后硝态氮和铵态氮的径流损失，提高氮素吸收量5.9%～6.0%。常规施氮量下，控释复合肥增加花生产量和氮素吸收量的效应显著高于普通复合肥；减氮素30%的控释复合肥投入量下的产量和氮素吸收量与全量复合肥效果无显著差异。因此，控释复合肥可以显著提高花生产量，有效解决坡耕地氮素流失的问题。