• ISSN 1008-505X
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硫磺树脂包膜尿素氮素释放与小麦、玉米需氮规律的匹配性及最佳配施比例

张玉凤 沈玉文 王江涛 杨力 张强 陈剑秋 林海涛 边文范 田慎重 刘兆辉

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硫磺树脂包膜尿素氮素释放与小麦、玉米需氮规律的匹配性及最佳配施比例

    作者简介: 张玉凤E-mail:zhyfsdu@126.com;
    通讯作者: 陈剑秋, E-mail:chenjianqiu@kingenta.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0200701);国家小麦产业技术体系“养分管理及麦田环境治理”岗位科学家项目(CARS-03);山东省重点研发计划(2017CXGC0304);山东省农业科学院创新工程(CXGC2018E03)。

The fitness of nitrogen release of sulphur resin coated urea with wheat and maize growth and the optimal proportion in total fertilizer application

    Corresponding author: CHEN Jian-qiu, E-mail:chenjianqiu@kingenta.com ;
  • 摘要:   【目的】  研究小麦、玉米专用硫磺树脂包膜尿素 (SRCU) 在水中和土壤中的氮素释放规律及其与作物氮素吸收的匹配性,并研究现有条件下其与普通尿素的配施比例,为调整该产品的氮素释放特征、提高其利用效率提供依据。  【方法】  本研究包括氮素静水、土壤释放规律试验以及缓控释尿素与普通尿素最佳配比试验。供试缓控释肥料静水释放期分别为3个月 (SRCU3) 和2个月 (SRCU2)。静水氮素释放试验取10.00 g SRCU于孔径为0.15 mm的尼龙袋中,置于200 mL无离子水内,在25℃恒温培养,定期取样,测定水中氮素含量,直至80%以上氮素释放;土壤氮素释放规律试验在小麦、玉米播种后第1天,将 20.00 g SRCU装入尼龙网袋,埋入20 cm深土壤中,从第1天起,定期取出肥料袋,称量肥料袋质量,以相邻取样时期的质量差作为氮素释放量。肥料配比试验设不施氮肥 (CK)、普通尿素常规施用 (FP)、普通尿素全部基施 (100%U) 和100%、70%、50%、30% SRCU 分别与普通尿素配合一次性基施,共7个处理。在小麦、玉米收获期取植株和籽粒样品,测定氮素含量、产量,调查了小麦、玉米产量构成,计算氮肥表观利用率和经济效益。  【结果】  1) SRCU2和SRCU3在静水中第1天氮素累积释放率分别为9.29%和7.09%,28天的氮素累积释放率分别为63.45%和43.86%;SRCU2在64天的氮素累积释放率为89.77%,SRCU3在90天的氮素累积释放率为85.70%。2) 埋入土壤中的SRCU2在玉米苗期 (1—14天) 、拔节期 (14—42天)、大喇叭口期 (42—56天) 、开花期 (56—70天)、灌浆期 (70—94天) 的氮素累积释放率分别为8.96%、 25.28%、9.54%、 21.77%、15.82%;氮素日均释放率在拔节期较高,至开花期最高。埋入土壤中的SRCU3在小麦越冬期 (1—128天) 、返青期 (128—170天) 、拔节期 (170—201天)、开花—收获期 (201—239天)的氮素累积释放速率分别为 21.54%、7.60%、 26.96%、26.24%;氮素日均释放率在拔节期、灌浆期较高。3) 与常规施肥 (FP) 相比,100%SRCU和70%SRCU处理玉米产量显著升高,70%SRCU处理小麦产量显著升高;经济效益的增减与产量结果一致,施用100%SRCU、70%SRCU、50%SRCU处理玉米经济效益分别提高1107.82、1348.70、1065.80元/hm2,70%SRCU、50%SRCU处理小麦经济效益分别提高1609.98、683.71元/hm2,效益最高的均是70%SRCU处理。70%SRCU处理在玉米、小麦上的氮肥表现利用率分别提高8.97、7.10个百分点。  【结论】  小麦和玉米专用硫磺树脂包膜尿素的氮素释放率符合行业标准要求,但还需根据作物需求调整。目前SRCU3的氮素释放量在小麦返青期和拔节期不足,SRCU2需要增加玉米开花期后的释放量。本试验条件下,硫磺树脂包膜尿素在玉米和小麦上适宜的一次性配施比例为70%。
  • 图 1  SRCU2和SRCU3在25℃静水中的氮素累积释放率

    Figure 1.  Cumulative N release rates from SRCU2 and SRCU3 in water at 25℃

    图 2  玉米生长季SRCU2在土壤中的氮素累积释放率和日均释放率

    Figure 2.  Cumulative and daily average N release rate of SRCU2 in soil during maize growing season

    图 3  SRCU2在玉米季土壤中的阶段氮素释放率和玉米阶段氮素吸收率

    Figure 3.  Periodic N release rate of SRCU2 in soil and periodic nitrogen uptake rate of maize

    图 4  玉米季埋入SRCU2的土壤中硝态氮和铵态氮含量

    Figure 4.  Contents of nitrate and ammonium nitrogen in soil buried SRCU2 during maize season

    图 5  SRCU3在小麦季土壤中氮素的累积释放率和日均释放率

    Figure 5.  Cumulative and daily release rates of nitrogen from SRCU3 in soil during wheat season

    图 6  SRCU3在小麦季土壤中的阶段氮素释放率和小麦阶段氮素吸收率

    Figure 6.  Periodic N release rate of SRCU3 in soil and periodic N uptake rate of wheat

    图 7  小麦季埋入SRCU3的土壤硝态氮和铵态氮含量

    Figure 7.  Contents of nitrate and ammonium nitrogen in soil buried SRCU3 during wheat season

    表 1  SRCU与U不同配比处理小麦和玉米的产量

    Table 1.  Grain yield of wheat and maize under different combination ratios of SRCU and U

    处理
    Treatment
    玉米产量 (kg/hm2)
    Maize yield
    小麦产量 (kg/hm2)
    Wheat yield
    CK5298.71 d5129.92 d
    FP6949.54 b6574.68 b
    100%U6565.39 c5987.92 c
    100%SRCU7397.15 a6607.92 b
    70%SRCU7441.61 a7179.72 a
    50%SRCU7269.66 ab6759.00 b
    30%SRCU6924.15 b6506.04 b
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P <0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 2  SRCU与U不同配比处理下小麦和玉米有效穗数、穗粒数和千粒重

    Table 2.  The number of effective panicles,grains per ear and 1000-grain weight of wheat and maize under different combination ratios of SRCU and U

    处理
    Treatment
    玉米Maize小麦Wheat
    穗粒数
    Grains per ear
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    有效穗数 ( × 104/hm2)
    Effective panicle
    穗粒数
    Grains per ear
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    CK435.32 d336.50 c528.33 d30.37 c33.32 c
    FP 526.73 ab360.55 a648.33 a32.61 b 37.73 ab
    100%U493.52 c350.10 b 624.17 bc30.27 c35.90 b
    100%SRCU512.23 b362.80 a630.83 b 33.32 ab37.81 a
    70%SRCU534.49 a364.03 a649.33 a34.72 a37.88 a
    50%SRCU518.72 b361.00 a647.50 a32.70 b37.82 a
    30%SRCU513.73 b360.65 a 640.17 ab32.44 b 36.18 ab
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 3  SRCU与U不同配比处理下小麦和玉米植株氮吸收量 (kg/hm2) 和氮肥表观利用率 (%)

    Table 3.  N uptake (kg/hm2) and N apparent use efficiency (%) of wheat and maize under different combinationratios of SRCU and U

    处理
    Treatment
    玉米Maize小麦Wheat
    籽粒氮吸收量
    Grain N uptake
    秸秆氮吸收量
    Straw N uptake
    氮肥表观利用率
    N apparent use efficiency
    籽粒氮吸收量
    Grain N uptake
    秸秆氮吸收量
    Straw N uptake
    氮肥表观利用率
    N apparent use efficiency
    CK67.29 d39.43 d121.61 d24.88 c
    FP89.65 c76.29 b24.67 b159.11 bc65.21 a37.06 ab
    100%SRCU103.56 a68.12 bc27.06 ab158.26 bc68.55 a38.25 ab
    70%SRCU99.72 ab87.73 a33.64 a172.67 a66.56 a44.16 a
    50%SRCU93.78 b84.80 a29.93 ab163.57 b69.70 a41.32 a
    30%SRCU93.48 b64.63 c21.41 bc155.58 bc61.66 b33.69 b
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P< 0.05).
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    表 4  常规施肥处理与含SRCU处理经济效益的比较

    Table 4.  Comparison of economic benefits between conventional fertilization treatment and each SRCU-containing treatment

    作物
    Crop
    处理
    Treatment
    肥料增加成本
    Increased fertilizer cost
    (yuan/hm2)
    增产量
    Yield increase
    (kg/hm2)

    增产效益
    Yield increase profit
    (yuan/hm2)
    节约用工成本
    Labor cost saving
    (yuan/hm2)
    总增收
    Total profit increase
    (yuan/hm2)
    玉米
    Maize
    100%SRCU476.93447.61984.756001107.82
    70%SRCU292.12492.071082.556001348.70
    50%SRCU238.46320.12704.266001065.80
    30%SRCU143.08–25.39–55.86600401.06
    小麦
    Wheat
    100%SRCU417.3133.2479.78450112.46
    70%SRCU250.39605.041452.104501609.98
    50%SRCU208.66184.32442.37450683.71
    30%SRCU125.19–68.64–164.74450160.07
    注(Note):硫磺树脂包膜尿素 SRCU,1989 yuan/t;普通尿素 Urea,1700 yuan/t;小麦 Wheat,2.4 yuan/kg;玉米 Maize, 2.2 yuan/kg.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-06
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

硫磺树脂包膜尿素氮素释放与小麦、玉米需氮规律的匹配性及最佳配施比例

    作者简介:张玉凤E-mail:zhyfsdu@126.com
    通讯作者: 陈剑秋, chenjianqiu@kingenta.com
  • 1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南 250100
  • 2. 金正大生态工程集团股份有限公司/养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室,山东临沭,276700
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0200701);国家小麦产业技术体系“养分管理及麦田环境治理”岗位科学家项目(CARS-03);山东省重点研发计划(2017CXGC0304);山东省农业科学院创新工程(CXGC2018E03)。
  • 摘要:   【目的】  研究小麦、玉米专用硫磺树脂包膜尿素 (SRCU) 在水中和土壤中的氮素释放规律及其与作物氮素吸收的匹配性,并研究现有条件下其与普通尿素的配施比例,为调整该产品的氮素释放特征、提高其利用效率提供依据。  【方法】  本研究包括氮素静水、土壤释放规律试验以及缓控释尿素与普通尿素最佳配比试验。供试缓控释肥料静水释放期分别为3个月 (SRCU3) 和2个月 (SRCU2)。静水氮素释放试验取10.00 g SRCU于孔径为0.15 mm的尼龙袋中,置于200 mL无离子水内,在25℃恒温培养,定期取样,测定水中氮素含量,直至80%以上氮素释放;土壤氮素释放规律试验在小麦、玉米播种后第1天,将 20.00 g SRCU装入尼龙网袋,埋入20 cm深土壤中,从第1天起,定期取出肥料袋,称量肥料袋质量,以相邻取样时期的质量差作为氮素释放量。肥料配比试验设不施氮肥 (CK)、普通尿素常规施用 (FP)、普通尿素全部基施 (100%U) 和100%、70%、50%、30% SRCU 分别与普通尿素配合一次性基施,共7个处理。在小麦、玉米收获期取植株和籽粒样品,测定氮素含量、产量,调查了小麦、玉米产量构成,计算氮肥表观利用率和经济效益。  【结果】  1) SRCU2和SRCU3在静水中第1天氮素累积释放率分别为9.29%和7.09%,28天的氮素累积释放率分别为63.45%和43.86%;SRCU2在64天的氮素累积释放率为89.77%,SRCU3在90天的氮素累积释放率为85.70%。2) 埋入土壤中的SRCU2在玉米苗期 (1—14天) 、拔节期 (14—42天)、大喇叭口期 (42—56天) 、开花期 (56—70天)、灌浆期 (70—94天) 的氮素累积释放率分别为8.96%、 25.28%、9.54%、 21.77%、15.82%;氮素日均释放率在拔节期较高,至开花期最高。埋入土壤中的SRCU3在小麦越冬期 (1—128天) 、返青期 (128—170天) 、拔节期 (170—201天)、开花—收获期 (201—239天)的氮素累积释放速率分别为 21.54%、7.60%、 26.96%、26.24%;氮素日均释放率在拔节期、灌浆期较高。3) 与常规施肥 (FP) 相比,100%SRCU和70%SRCU处理玉米产量显著升高,70%SRCU处理小麦产量显著升高;经济效益的增减与产量结果一致,施用100%SRCU、70%SRCU、50%SRCU处理玉米经济效益分别提高1107.82、1348.70、1065.80元/hm2,70%SRCU、50%SRCU处理小麦经济效益分别提高1609.98、683.71元/hm2,效益最高的均是70%SRCU处理。70%SRCU处理在玉米、小麦上的氮肥表现利用率分别提高8.97、7.10个百分点。  【结论】  小麦和玉米专用硫磺树脂包膜尿素的氮素释放率符合行业标准要求,但还需根据作物需求调整。目前SRCU3的氮素释放量在小麦返青期和拔节期不足,SRCU2需要增加玉米开花期后的释放量。本试验条件下,硫磺树脂包膜尿素在玉米和小麦上适宜的一次性配施比例为70%。

    English Abstract

    • 目前氮肥利用率低造成资源浪费、农产品品质下降、地表水富营养化、地下水硝酸盐超标等问题日益严重。此外,随着农村劳动力的缺乏,费工费力的肥料深施和多次施肥技术在大田作物上已难于实行。因此,在环境与资源双重约束下,国家提出了化肥行业转型升级和化肥使用零增长的要求。缓控释肥是提高肥料利用率、减少化肥用量、省工环保的新型肥料产品之一。

      国外缓控释肥主要用于花卉、草坪、水稻[1-3],鉴于中国国情,专家认为缓控释肥主要应用方向是大田作物。国内学者对缓控释肥在大田作物小麦[4]、玉米[5-7]上的研究初步表明应用缓控释肥可以使氮肥用量减少20%[8],能保证作物稳产或增产。等氮量情况下,大部分地区出现增产,树脂包膜尿素 (PCU)、硫包膜尿素(SCU) 和聚合物硫包膜尿素 (PSCU) 控释氮肥可以使小麦产量增加6.50%~13.75%、17.1%和20.2%[9-10];尿素掺混缓释氮肥玉米产量比尿素处理增加20.7%[11-12]。研究明确了缓控释肥可以使肥料表观利用率提高4~10个百分点[12-14],减少了氮向土壤深层淋溶和向大气挥发的环境风险[8, 15-16],有利于保护环境,实现了一次性施肥,节省用工。虽然缓控释肥具有提高肥料利用率、减少化肥用量、省工等优点。但是目前市场出售的纯缓控释肥料价格远远高于速效尿素1~4倍[17]。在粮食作物价格变化不大甚至降低的情况下,从经济效益考虑,农民难以接受。因此,缓控释肥料生产厂家和科技人员通过各项措施降低缓控肥料的价格。目前比较成熟的措施是生产厂家调整包膜材料配方,降低包膜材料价格,从而降低缓控释肥料成本。科技人员从施用方法上调整,由施用单一缓控释肥料改变为不同肥料的掺混。其中采用缓控释肥与普通尿素掺混,能弥补单一缓控释肥在小麦生产前期气温低养分释放不足,影响小麦分蘖。国内学者研究了掺混肥料在小麦[18-19]、玉米[20-22]等作物上的使用效果,确定了部分地区的最佳掺混量。在广东省台山市水稻上,25%控释氮肥掺混一次性施用是一种较优的氮肥运筹模式[14]。在成都市水稻油菜轮作区,以40%缓控释尿素 (CRU) 掺混处理最优[23]。在山东泰安棕壤上,以50%CRU掺混处理的玉米产量最高[19]。上述结果表明,由于缓控释肥料品种不同,养分释放情况差异较大,而且缓控释肥的养分释放主要受温度和水分的影响,因此不同区域、不同作物上的用量也有区别,目前国内还未对该方面进行系统的研究。

      鉴于上述原因,本研究采用田间试验方法,通过设置硫磺树脂包膜尿素 (SRCU) 与普通尿素的不同配比,以作物产量、肥料利用率、经济效益等为评价指标,筛选出适合山东潮土上种植小麦、玉米的最佳配比,为缓控释肥的田间应用提供理论依据。同时采用埋袋法测定SRCU在土壤中的氮素释放随埋置时间的动态变化,为开发出与作物需肥规律基本同步的作物专用缓控释肥品种提供依据。

      • 试验于2015年6月―2016年6月在山东省章丘市庆元村进行。该试验地长期大葱―小麦―玉米轮作,小麦、玉米品种分别为登海605、济麦22,均采用机械播种,播种量为180 kg/hm2,玉米株数为6.12万株/hm2

        供试土壤为潮土,pH8.16、有机质9.23 g/kg、全氮0.48 g/kg、全磷0.46 g/kg、全钾32.0 g/kg、碱解氮26.2 mg/kg、有效磷6.0 mg/kg、速效钾82.5 mg/kg。

        供试硫磺树脂包膜尿素 (N 35%) 是小麦季静水释放期为3个月的肥料 (SRCU3) 和玉米季静水释放期为2个月的肥料 (SRCU2),由山东金正大生态工程股份有限公司生产。常规化肥包括普通大颗粒尿素 (N 46%)、重过磷酸钙 (P2O5含量44%) 和硫酸钾 (K2O含量50%)。

      • 试验设7个处理,包括不施氮肥对照 (CK),100%普通尿素 (U) 按照常规施肥 (FP) 和全部基施 (100%U),在氮素投入量不变前提下,硫磺树脂包膜尿素氮按照比例为100%、70%、50%和30%分别与普通尿素配合,共4个含硫磺树脂包膜尿素处理,即,100%SRCU、70%SRCU、50%SRCU和30%SRCU,每个处理3次重复,小区面积30 m2。除对照外,玉米季施肥处理的N、P2O5、K2O用量分别为240、90、120 kg/hm2,小麦季施肥处理的N、P2O5、K2O用量分别为210、120、90 kg/hm2。常规施肥处理氮肥分基施和追施,基肥量、追施量分别是施肥总量的40%和60%,小麦和玉米均追施1次,小麦追肥在4月上旬,玉米在7月中旬。100%U和4个含包膜尿素处理肥料全部一次基施。其它管理措施按当地农民习惯做法。

        玉米取样方法和测定指标:10月上旬收获时,在每个小区的中间两行取2个2 m长样段,贴地面收割,用于考种,测量穗粒数、千粒重、秸秆和籽粒重量,测定秸秆和籽粒氮素含量[24]。每个小区取8 m2长势均匀的玉米进行测产。

        小麦植株取样方法和测定指标:6月中旬收获时,每个小区取2个1 m2测单位面积穗数。在每个小区的中间两行取1 m长,贴地面割,用于考种,测量穗粒数、千粒重、秸秆和籽粒重量,测定秸秆和籽粒氮素含量[24 ]。每个小区取6 m2长势均匀的小麦进行测产。

      • 25℃静水浸提法[25]:称取SRCU约10 g (称准至0.01 g) 放入孔径为0.15 mm(100目)的尼龙纱网做成的小袋中,封口后将小袋放入250 mL玻璃瓶中,加入200 mL无离子水,加盖密封,置于25℃的生化恒温培养箱中,取样时间分别在第1、3、7、10、14、28、42、56、64、74、84、90、100天,此后取样的时间间隔为28天,直至累积氮素释放率达80%以上视为释放完全。取样时,将瓶上下颠倒3次,使瓶内的液体浓度一致,移入250 mL容量瓶中,冷却至室温后定容至刻度,采用分光光度计法测定氮含量。然后,向装有肥料小袋的瓶中再加入200 mL无离子水,加盖密封后放入生化恒温培养箱继续培养。

        土壤埋袋法:采用埋袋区和试验区分开的方法,在小麦、玉米的全生育期内,将20 g包膜均匀完整的SRCU装入网袋中,在播种后的第1天,选择未施肥行间,将网袋埋入深20 cm土壤,小麦季分别在第1、3、7、18、28、42、128、155、170、185、201、218、232、239天取样,玉米季分别在第1、3、5、7、10、14、28、42、56、70、84、94、118天取样,每次取出3袋,然后将SRCU从袋中倒出,挑出SRCU颗粒,放置在小网筛中,洗净SRCU颗粒表面的土壤,放置在预先称重的滤纸上,然后放在培养皿上,50℃以下低温烘干至恒重,通过差减法计算,得出埋置期的质量减少量,即为埋置期的氮素释放量。同时,玉米季在肥料包埋入土中的第57、94、118天,小麦季在埋入第65、164、206、239天分别取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm的土壤,测定土壤硝态氮和铵态氮含量[26];取0.5 m垄小麦植株,两株玉米,测定生物量和氮含量[24]

      • 氮素累积释放率 (%) = 某一时段的氮素累积释放量/氮素总量 × 100

        氮素日均释放率 (%) = (后一取样时间氮素累积释放率−前一取样时间氮素累积释放率)/取样间隔天数 × 100;

        阶段氮素释放率 (%) = 后一取样时间氮素累积释放率 − 前一取样时间氮素累积释放率;

        阶段氮素吸收率 (%) = (后一取样时间的氮素吸收量 − 前一取样时间的氮素吸收量)/收获期氮素吸收量 × 100;

        氮吸收量 (kg/hm2) = 干物质量 × 氮含量;

        氮肥表观利用率NAUE (%) = (施氮区植株吸氮量 − 不施氮区植株吸氮量)/施氮量 × 100。

      • 采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据处理分析,采用单因素方差分析 (P < 0.05),LSD法进行多重比较。

      • 图1所示,SRCU2和SRCU3的第1天氮素累积释放率分别为9.29%和7.09%,28天的累积释放率分别为63.45%和43.86%;SRCU2在64天的氮素累积释放率为89.77%,SRCU3在90天的氮素累积释放率为85.70%。其符合缓释肥料GB/T–2009中缓释率大于80%的要求。

        图  1  SRCU2和SRCU3在25℃静水中的氮素累积释放率

        Figure 1.  Cumulative N release rates from SRCU2 and SRCU3 in water at 25℃

      • 图2中显示,采用土壤埋袋法,SRCU2在收获时的氮素累积释放率达到86.38%。SRCU2在1—14天 (玉米苗期) 氮素累积释放率达到8.96%,14—42天 (拔节期) 氮素累积释放率为25.28%,42—56天 (大喇叭口期) 氮素累积释放率为9.54%,开花期 (56—70天) 累积释放率为21.77%,灌浆期 (70—94天) 累积释放率为15.82%。从氮素日均释放率看出,28—42天 (玉米拔节期) 释放率较高;56—70天 (玉米的开花期) 日均释放率达到最高。

        图  2  玉米生长季SRCU2在土壤中的氮素累积释放率和日均释放率

        Figure 2.  Cumulative and daily average N release rate of SRCU2 in soil during maize growing season

        图3表明,玉米吸氮高峰期与SRCU2氮素释放高峰期不吻合,需要大幅降低SRCU2 1—57天氮素的释放比例,适当增加58—94天的氮素释放比例,并大幅增加95—118天的氮素释放。

        图  3  SRCU2在玉米季土壤中的阶段氮素释放率和玉米阶段氮素吸收率

        Figure 3.  Periodic N release rate of SRCU2 in soil and periodic nitrogen uptake rate of maize

        图4表明,随着玉米生育期的推进,0—20 cm土层硝态氮含量呈现逐渐下降趋势,其它土层呈现上升―下降的趋势。在57和94天,土壤硝态氮含量自上层到下层呈递减趋势,118天 (收获期) 时,0—20与20—40 cm土层硝态氮含量最高,60—80与80—100 cm土层硝态氮含量最低,40—60 cm的含量居于中间。

        图  4  玉米季埋入SRCU2的土壤中硝态氮和铵态氮含量

        Figure 4.  Contents of nitrate and ammonium nitrogen in soil buried SRCU2 during maize season

        不同土层铵态氮含量变化不明显,可能是因为玉米季表层土壤温度较高,释放的尿素在土壤中很快水解为NH4+-N,之后大部分转化成NO3-N。

      • 图5表明,SRCU3在土壤中氮素累积释放速率在收获时达到82.34%。从SRCU3埋入土中到128天是小麦越冬期,128天时的氮素释放率达到21.54%,从氮素日均释放率看出,此间的氮素释放率较高的是1—7天,可能受播种后灌溉影响。128—170天为小麦返青期,此阶段的氮素累积释放速率较低,约为7.60%。170—201天为小麦的拔节期,氮素释放率约为26.96%,201—239天为小麦的开花、灌浆、收获期,氮素累积释放率为26.24%。从氮素日均释放率看出,在170—185天 (拔节期)、218—232天 (灌浆期) 氮素日均释放率较高,符合小麦对氮素需求的规律。

        图  5  SRCU3在小麦季土壤中氮素的累积释放率和日均释放率

        Figure 5.  Cumulative and daily release rates of nitrogen from SRCU3 in soil during wheat season

        图6看出,66—164天氮素释放率偏低,不能满足小麦返青期对氮素的需求。除了66—164天,其它时间段的氮素释放变化趋势与小麦吸收趋势基本一致,但是SRCU3在小麦整个生长期间的氮素总释放率偏低,本试验中每个取样阶段的氮素累积释放率也偏低,所以应该增加SRCU3在小麦每个取样阶段的氮素累积释放率,尤其需要大幅增加返青期的氮素释放率,同时需要增加整个生长期间的总氮素释放率,至少应该达到85%以上。

        图  6  SRCU3在小麦季土壤中的阶段氮素释放率和小麦阶段氮素吸收率

        Figure 6.  Periodic N release rate of SRCU3 in soil and periodic N uptake rate of wheat

        图7表明,肥料包埋入土中不同时间土壤硝态氮含量在0—40 cm土层变化较为剧烈,不同土层间相比,肥料包埋入65、164天时均是20—40 cm硝态氮含量最高,206、239天均是0—20 cm硝态氮含量最高,65、206天时80—100 cm硝态氮含量最低。这主要与SRCU3的释放有关,因为128—170天为小麦返青期,此时的氮素释放速率较低,而小麦氮吸收量增加,所以土壤中残留的氮含量较低。

        图  7  小麦季埋入SRCU3的土壤硝态氮和铵态氮含量

        Figure 7.  Contents of nitrate and ammonium nitrogen in soil buried SRCU3 during wheat season

        图7表明,随着小麦生育进程的推进,土壤铵态氮含量呈现急速下降的趋势;肥料包埋入土中65天时,铵态氮含量0—20 cm > 20—40 cm > 其它土层,164、206、239天时各土层间差异不明显。产生该现象的原因与缓控释肥的氮素释放、作物对氮素的吸收及氮素形态转化有关,由于1—65天小麦处于越冬期,氮素吸收较少,土壤温度低,所以氮素的转化速率低,因此导致铵态氮含量较高,而164天以后,气温升高,氮素的转化速率快,同时小麦对氮素的吸收能力增强,所以土壤中铵态氮含量急剧下降。

      • 在施氮肥处理中,100%U处理的小麦和玉米产量均显著低于其它处理 (表1),表明在本试验条件下,一次性施用普通尿素不适合小麦、玉米生产。与常规施肥 (FP) 相比,100%SRCU和70%SRCU处理玉米产量显著升高 (P < 0.05),50%SRCU和30%SRCU处理产量变化不明显。100%SRCU和70%SRCU处理的玉米产量无显著差异。70%SRCU处理的小麦产量显著高于100%SRCU、50%SRCU和30%SRCU处理,后3个处理间差异不显著。说明在本试验条件下,玉米季SRCU的比例应该在70%以上,小麦季的配施比例是70%。

        表 1  SRCU与U不同配比处理小麦和玉米的产量

        Table 1.  Grain yield of wheat and maize under different combination ratios of SRCU and U

        处理
        Treatment
        玉米产量 (kg/hm2)
        Maize yield
        小麦产量 (kg/hm2)
        Wheat yield
        CK5298.71 d5129.92 d
        FP6949.54 b6574.68 b
        100%U6565.39 c5987.92 c
        100%SRCU7397.15 a6607.92 b
        70%SRCU7441.61 a7179.72 a
        50%SRCU7269.66 ab6759.00 b
        30%SRCU6924.15 b6506.04 b
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P <0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 表2看出,与FP相比,4个SRCU处理玉米穗粒数和千粒重变化不显著。70%SRCU处理的玉米穗粒数显著高于100%SRCU、50%SRCU和30%SRCU处理,千粒重无显著差异。说明SRCU掺混比例70%时有利于玉米穗粒数的增加。

        表 2  SRCU与U不同配比处理下小麦和玉米有效穗数、穗粒数和千粒重

        Table 2.  The number of effective panicles,grains per ear and 1000-grain weight of wheat and maize under different combination ratios of SRCU and U

        处理
        Treatment
        玉米Maize小麦Wheat
        穗粒数
        Grains per ear
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        有效穗数 ( × 104/hm2)
        Effective panicle
        穗粒数
        Grains per ear
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        CK435.32 d336.50 c528.33 d30.37 c33.32 c
        FP 526.73 ab360.55 a648.33 a32.61 b 37.73 ab
        100%U493.52 c350.10 b 624.17 bc30.27 c35.90 b
        100%SRCU512.23 b362.80 a630.83 b 33.32 ab37.81 a
        70%SRCU534.49 a364.03 a649.33 a34.72 a37.88 a
        50%SRCU518.72 b361.00 a647.50 a32.70 b37.82 a
        30%SRCU513.73 b360.65 a 640.17 ab32.44 b 36.18 ab
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

        表2可知,与FP处理相比,100%SRCU处理的小麦有效穗数显著减少,70%SRCU、50%SRCU和30%SRCU处理差异不显著,后3个处理都显著高于100%SRCU配比处理;小麦穗粒数除70%SRCU处理显著增加,100%SRCU、50%SRCU和30%SRCU处理没有显著差异,70% SRCU处理的小麦穗粒数与100%SRCU处理差异不显著,但显著高于50% SRCU和30% SRCU处理;4个SRCU处理的小麦千粒重差异均不显著。说明与分次施肥 (FP) 相比,100%SRCU处理小麦有效穗数显著减少,与70%SRCU相比,50%和30%的SRCU掺混比例显著降低了小麦的穗粒数。因此,SRCU掺混比例在70%时有利于满足小麦整个生育期对氮素的需求。

      • 表3表明,与FP相比,100%SRCU、70%SRCU、50%SRCU和30%SRCU处理的玉米籽粒氮吸收量均显著升高,增幅为4.27%~15.50% (P < 0.05);70%SRCU和50%SRCU处理的玉米秸秆氮吸收量显著增加,增幅分别为14.99%和11.15%,100%SRCU处理略有下降,30%SRCU则显著下降。

        表 3  SRCU与U不同配比处理下小麦和玉米植株氮吸收量 (kg/hm2) 和氮肥表观利用率 (%)

        Table 3.  N uptake (kg/hm2) and N apparent use efficiency (%) of wheat and maize under different combinationratios of SRCU and U

        处理
        Treatment
        玉米Maize小麦Wheat
        籽粒氮吸收量
        Grain N uptake
        秸秆氮吸收量
        Straw N uptake
        氮肥表观利用率
        N apparent use efficiency
        籽粒氮吸收量
        Grain N uptake
        秸秆氮吸收量
        Straw N uptake
        氮肥表观利用率
        N apparent use efficiency
        CK67.29 d39.43 d121.61 d24.88 c
        FP89.65 c76.29 b24.67 b159.11 bc65.21 a37.06 ab
        100%SRCU103.56 a68.12 bc27.06 ab158.26 bc68.55 a38.25 ab
        70%SRCU99.72 ab87.73 a33.64 a172.67 a66.56 a44.16 a
        50%SRCU93.78 b84.80 a29.93 ab163.57 b69.70 a41.32 a
        30%SRCU93.48 b64.63 c21.41 bc155.58 bc61.66 b33.69 b
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P< 0.05).

        表3小麦数据看出,70%SRCU处理的小麦籽粒氮吸收量显著高于FP处理和其他3个SRCU配合比例处理,后者间差异不显著;秸秆吸氮量除30%SRCU处理明显偏低外,FP和SRCU的其他3个配合比例处理间差异不显著。

        玉米除70%SRCU处理的氮肥表观利用率显著高于FP和30%SRCU处理外,其他处理间差异不显著。小麦氮肥表观利用率除30%SRCU处理明显偏低外,其余处理间差异不显著。由此可知,SRCU掺混比例 ≥ 50%时,能够提高氮肥表观利用率;SRCU掺混比例在50%~70%时的氮肥表观利用率高于100%SRCU处理;氮肥表观利用率最高的处理是70%SRCU,其次为50%SRCU。70%SRCU处理在玉米和小麦上的氮肥利用率分别提高8.97和7.10个百分点。

      • 表4结果表明,与常规施肥处理相比,玉米季含有SRCU的处理肥料成本增加143.08~476.93元/hm2,节省施用肥料的劳务成本600元/hm2 (按当时的劳动力价格估算),加上增产带来的经济效益,玉米季的最终收益增加401.06~1348.70元/hm2,其中70%SRCU处理效益增加值最高。小麦季含有SRCU的处理肥料成本增加125.19~417.31元/hm2,节省施用肥料的劳务成本450元/hm2 (按当时的劳动力价格估算),加上增产带来的经济效益,小麦季的最终收益增加112.46~1609.98元/hm2,其中70%SRCU处理效益增加值最高。说明SRCU与U掺混能增加小麦、玉米经济效益,效益最好的是70%SRCU+30%U处理,其次为50%SRCU+50%U处理,在玉米上100%SRCU处理总增收也达到1000元/hm2以上。因此,在玉米上SRCU掺混比例最好 ≥ 50%,在小麦上最好为50%~70%。

        表 4  常规施肥处理与含SRCU处理经济效益的比较

        Table 4.  Comparison of economic benefits between conventional fertilization treatment and each SRCU-containing treatment

        作物
        Crop
        处理
        Treatment
        肥料增加成本
        Increased fertilizer cost
        (yuan/hm2)
        增产量
        Yield increase
        (kg/hm2)

        增产效益
        Yield increase profit
        (yuan/hm2)
        节约用工成本
        Labor cost saving
        (yuan/hm2)
        总增收
        Total profit increase
        (yuan/hm2)
        玉米
        Maize
        100%SRCU476.93447.61984.756001107.82
        70%SRCU292.12492.071082.556001348.70
        50%SRCU238.46320.12704.266001065.80
        30%SRCU143.08–25.39–55.86600401.06
        小麦
        Wheat
        100%SRCU417.3133.2479.78450112.46
        70%SRCU250.39605.041452.104501609.98
        50%SRCU208.66184.32442.37450683.71
        30%SRCU125.19–68.64–164.74450160.07
        注(Note):硫磺树脂包膜尿素 SRCU,1989 yuan/t;普通尿素 Urea,1700 yuan/t;小麦 Wheat,2.4 yuan/kg;玉米 Maize, 2.2 yuan/kg.
      • 包膜缓控释肥的养分释放受温度和水分的影响,在小麦生长前期土壤温度较低影响了其养分释放。本研究表明硫磺树脂包膜尿素在小麦返青期间释放率约为7.60%,拔节期氮素释放率约为26.96%。不能满足小麦返青期和拔节期的氮素需求,因此导致小麦分蘖少,有效穗数低。这与万连步等[27]的研究结果一致,小麦返青期吸收氮量占总氮量的13.5%,拔节期约占37.7%,100%CRU处理小麦有效穗数低于掺混比例、习惯施肥和100%U处理,主要是由于养分释放不足导致。掺混普通尿素的处理弥补了100%SRCU控释肥氮素前期释放不足的缺点,小麦有效穗数升高,SRCU掺混比例 ≥ 50%时,在小麦生长前期有U供应养分,后期有SRCU3供应养分,所以其产量升高。这与张敬昇等[28]的研究结果相似,添加40%控释氮肥稻、麦季分别比常规尿素处理增产11%和14%,小麦季穗长提高19.19%,水稻季穗粒数与千粒重分别提高13.79%和8.43%。在本试验中,从产量及其构成因素上看,均是70%SRCU处理效果最优,其次为玉米上100%SRCU处理,小麦上50%SRCU处理。从氮素释放上看,小麦上应该提高返青期氮素释放速率,玉米上应该增加后期氮素释放速率。

      • 本研究表明,SRCU掺混比例 ≥ 50%时,均比分次施用的常规施肥氮肥表观利用率高,增加数值为1.19~8.97个百分点,这与王素萍等[29]和姬景红等[20]研究结果一致。60%CRU + 40%Urea比一次性基施等氮量普通尿素 (100%U) 的氮肥利用率提高7.6个百分点[29]。施用45%~75%CRU与普通尿素配比的处理比100%普通尿素处理作物平均提高氮肥利用率3.1%~14.9%[20]。本试验证明氮肥表观利用率提高的原因是SRCU氮素缓慢释放,释放的氮素能被小麦、玉米及时吸收,因此氮吸收量较高。掺混处理的氮肥表观利用率高于100%SRCU处理的原因是掺混处理的部分普通尿素作为基肥施入,及时为作物生长前期供应氮素,增加有效分蘖,因此产量比100%SRCU处理高,最终使掺混处理的总吸氮量高于100%SRCU处理,氮肥表观利用率升高。从氮肥表观利用率看,70%SRCU+30%U效果最优,其次为50%SRCU+50%U。

      • 缓控释肥难以大面积应用到大田的主要原因是价格相对偏高,农民难以接受。目前能实现控释的肥料生产工艺大部分是包膜工艺,常用的材料为树脂、硫磺、水基等,树脂包膜的肥料市场价大约为2917元/t,采用硫磺加树脂包膜后,肥料价格大约为1989元/t,如果掺混一定的尿素 (1700元/t),价格还可以下降。在本试验中,小麦施氮量210 kg/hm2,若全部采用SRCU,则肥料投入成本约为1193.41元/hm2,全部施用普通尿素约为776.10元/hm2,两者相差约417.31元/hm2。加上节省的施肥人工成本 (450~600元/hm2),及增产带来的效益,与常规施肥处理相比,添加SRCU的小麦、玉米最终收益分别增加160.07~1609.98、401.06~1348.70元/hm2。在本试验地区,从经济效益指标看,最佳比例为70%SRCU+30%U,其次为50%SRCU +50%U。增效的主要原因是SRCU与U掺混后克服了全量SRCU处理前期供氮不足,实现了氮肥供氮与作物需氮相同步,增加了产量,降低了肥料施用成本。这些结果与大多数研究结果一致,如王素萍等[29]研究表明,60%CRU+40%Urea比一次性基施等氮量普通尿素 (100% Urea) 增收488.9~1040.2元/hm2,比100%CRU增收205.3~599.0元/hm2;张婧等[15]研究表明,小麦季80%CRF较农民习惯施肥增收1373.8元/hm2,玉米季增收1357.9元/hm2;张敬昇等[18]研究表明,40%控释氮肥与60%尿素掺混一次性基施较常规尿素处理小麦季增收1108.12元/hm2

      • 1) 小麦和玉米专用硫磺树脂包膜尿素的氮素释放率符合行业标准要求,但在土壤中的氮素释放速率还需要调整。SRCU3的氮素释放率在小麦返青期和拔节期不足,而且需要增加整个生长期间的总氮素释放率,至少应该达到85%以上;SRCU2需要增加玉米开花期后的释放量。

        2) 掺混50%~100%SRCU能提高小麦、玉米产量,氮肥表观利用率和经济效益。比常规施肥处理小麦玉米产量提高0.51%~9.20%;氮肥表观利用率提高1.19~8.97个百分点;经济效益提高112.46~1609.98元/hm2

        3) 当前肥料氮素释放特征和试验条件下,小麦、玉米采用一次性基施方法,硫磺树脂包膜尿素在玉米和小麦上施用的最佳比例应该为70%。玉米上SRCU的合适比例为50%~100%,小麦上SRCU的合适比例为50%~70%。

    参考文献 (29)

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