• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

氮素与抑制剂双控释尿素的制备及其对土壤供氮能力和小麦产量的影响

李玉 贺明荣 代兴龙 董元杰

引用本文:
Citation:

氮素与抑制剂双控释尿素的制备及其对土壤供氮能力和小麦产量的影响

    作者简介: 李玉 E-mail:2392815362@qq.com;
    通讯作者: 董元杰, E-mail:yuanjiedong@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0201705);山东省农业重大应用技术创新项目(SD2019ZZ021)。

Preparation of dual controlled release urea with nitrogen inhibitor and resine coating and the effects on soil nitrogen supply capacity and wheat yield

    Corresponding author: DONG Yuan-jie, E-mail:yuanjiedong@163.com
  • 摘要:   【目的】  包衣和添加抑制剂是常用的制备缓控释肥料的手段。尝试同时使用这两种方法,制备更加可控氮素释放与转化的新型肥料,并研究其在小麦上的应用效果。  【方法】  采用先在大颗粒尿素 (2.5~3.5 mm) 表面涂层,再用树脂包膜的方法制备含不同抑制剂的树脂包膜尿素。依据不同抑制剂,制备了无涂层 (CU)、脲酶抑制剂HQ涂层 (CRU1)、硝化抑制剂DCD涂层 (CRU2) 和HQ + DCD组合涂层 (CRU3) 4种新型树脂包膜尿素。通过扫描电镜观测了4种包膜尿素的微观结构,采用静水释放的方法测定了养分和抑制剂的缓释性能。在山东省潍坊和泰安两地布置冬小麦等氮磷钾施用量和相同施肥方法的田间试验,以普通大颗粒尿素为对照,在冬小麦苗期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期采集耕层土壤样品,测定速效氮含量,并于小麦成熟期测定产量及构成因素。  【结果】  1) 制备的4种包膜尿素成膜完整,包膜厚度均匀,表面光滑且膜层致密,树脂包膜材料能完整地覆盖在肥核的表面,膜表面有微孔,成为尿素和抑制剂向膜外释放的通道;尿素与抑制剂交接处结合严密,无间隙产生,抑制剂在包膜层的完全包围之中,可实现对尿素和抑制剂释放的同时控制。2) 包膜与抑制剂结合可有效控制尿素溶出。静水释放条件下,4种包膜尿素的氮素初期溶出率分别为7.59%、1.96%、2.12%、0.89%,尿素控释期依次是42、56、56、56天;CRU1的HQ释放期为28天,CRU2的DCD释放期为14天,CRU3中HQ和DCD的释放期分别为42和14天。相比较而言,CRU3的氮素释放期长于CRU1和CRU2,抑制剂的释放期也长于CRU1和CRU2,因此缓释效果大于CRU1和CRU2。3) 与大颗粒尿素对照 (U) 相比,4个包膜尿素处理在小麦苗期能维持土壤中NH4+-N的适宜浓度,开花期后显著增加土壤NH4+-N含量,保障了氮素的持续供应;而在小麦整个生育期内均显著降低土壤NO3-N含量,从而减少氮素淋溶损失。含HQ涂层的CRU1、CRU3处理能在小麦生育期内维持土壤脲酶活性处于较低水平;含DCD涂层的CRU2、CRU3处理能够抑制土壤NH4+-N向NO3-N的转化,显著降低土壤NH4+-N表观硝化率。与CU相比,CRU1、CRU2和CRU3处理的小麦产量在潍坊试验点分别显著增加23.38%、23.13%和38.79%,在泰安试验点分别增加6.36%、9.52%和28.57%。  【结论】  先在大颗粒尿素表面包裹抑制剂涂层,再包裹树脂,可在尿素表面形成完整且均匀的膜,而且在膜表面仍有一定量的微孔,实现尿素与抑制剂释放的同时控制。小麦整个生育期,与施用单一抑制剂的包膜尿素处理相比,施用含两种抑制剂 (CRU3) 的包膜尿素处理的土壤氮素持续供应能力更强,小麦产量最高;而且土壤硝态氮水平一直较低,也减少了氮素淋溶损失的可能。
  • 图 1  包膜尿素表面电镜照片

    Figure 1.  Images of electroscopic scanning of coated urea surface

    图 2  包膜尿素剖面结构 (500×)

    Figure 2.  Sectional view structure of coated urea

    图 3  在25℃水中树脂包膜尿素 (CU) 氮素的累积释放曲线

    Figure 3.  Cumulative N release curve of resin coated urea (CU) in 25℃ water

    图 4  在25℃水中脲酶抑制剂HQ涂层树脂包膜尿素 (CRU1) 氮素与HQ的累积释放曲线

    Figure 4.  N and HQ cumulative release curves of HQ and resin coated urea (CRU1) in 25℃ water

    图 5  在25℃水中硝化抑制剂涂层树脂包膜尿素 (CRU2) 氮素与DCD的累积释放曲线

    Figure 5.  N and DCD cumulative release curves of DCD and resin coated urea (CRU2) in 25℃ water

    图 6  在25℃水中HQ与DCD组合涂层树脂包膜尿素 (CRU3) 氮素与抑制剂的累积释放曲线

    Figure 6.  N and inhibitor cumulative release curves of HQ+DCD and resin coated urea (CRU3) in 25℃ water

    图 7  小麦不同生育期土壤NH4+-N含量

    Figure 7.  Soil NH4+-N contents at different growing stages of winter wheat

    图 8  小麦不同生育期土壤NO3-N含量

    Figure 8.  Soil NO3-N contents at different growing stages of winter wheat

    图 9  不同地区土壤脲酶活性变化

    Figure 9.  Changes of soil urease activity in Weifang and Tai'an

    表 1  供试土壤基本理化性质

    Table 1.  Physical and chemical properties of tested soils

    地点
    Site
    pH电导率 (μS/cm)
    EC
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    有效氮 (mg/kg)
    Available N
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    潍坊Weifang7.16172.3714.4162.011.3122.30147.65
    泰安Tai’ an6.50145.0410.1036.500.8222.50 95.89
    下载: 导出CSV

    表 2  土壤NH4+-N的表观硝化率 (%)

    Table 2.  Apparent nitrification rate of NH4+-N in soil

    地点
    Site
    处理
    Treatment
    苗期
    Seedling stage
    拔节期
    Jointing stage
    开花期
    Flowering stage
    灌浆期
    Grain-filling stage
    成熟期
    Maturity stage
    潍坊WeifangCK59.44 ± 0.80 a57.38 ± 2.61 b74.73 ± 1.61 a78.37 ± 2.18 a81.58 ± 0.04 a
    U50.66 ± 4.73 b66.03 ± 2.50 a71.59 ± 4.57 ab77.34 ± 3.05 a81.56 ± 1.61 a
    CU45.18 ± 0.37 c59.89 ± 3.42 ab67.75 ± 1.51 bc70.98 ± 0.64 b76.94 ± 4.17 a
    CRU143.85 ± 1.73 cd57.89 ± 4.86 b63.79 ± 4.47 cd68.43 ± 3.21 bc78.21 ± 2.60 a
    CRU238.37 ± 3.46 d54.89 ± 4.42 bc59.90 ± 3.55 d67.45 ± 0.34 bc71.63 ± 2.72 b
    CRU338.85 ± 3.93 d49.84 ± 5.29 c58.56 ± 2.32 d64.85 ± 2.07 c69.63 ± 1.56 b
    泰安Tai’ anCK42.09 ± 2.85 b56.07 ± 1.76 a69.20 ± 3.20 a74.04 ± 0.85 ab82.02 ± 5.82 a
    U47.52 ± 2.17 a57.75 ± 1.66 a70.34 ± 0.80 a77.58 ± 4.24 a83.54 ± 1.80 a
    CU42.73 ± 1.80 b51.66 ± 3.80 b67.67 ± 1.55 a71.67 ± 0.53 bc79.50 ± 0.79 a
    CRU140.08 ± 2.78 b49.85 ± 2.33 bc66.58 ± 2.65 a68.39 ± 2.00 cd77.74 ± 0.82 a
    CRU233.69 ± 1.37 c47.05 ± 1.98 c56.82 ± 2.06 b64.88 ± 1.04 de69.02 ± 3.75 b
    CRU335.56 ± 3.49 c45.65 ± 2.42 c53.00 ± 0.22 c61.48 ± 4.56 e68.31 ± 4.85 b
    注(Note):同列数值后不同字母表示肥料处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among fertilizer treatments at 0.05 level.
    下载: 导出CSV

    表 3  小麦产量及其构成因素

    Table 3.  Yield and yield components of wheat

    地点
    Site
    处理
    Treatment
    穗数 (× 104/hm2)
    Spike number
    穗粒数
    Kernel number per spike
    千粒重 (g)
    1000-kernel weight
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    潍坊WeifangCK476.00 ± 6.00 d40.27 ± 4.36 c48.27 ± 0.57 a7859.78 ± 817.07 c
    U555.33 ± 18.15 bc39.35 ± 0.68 c47.47 ± 1.01 a8816.83 ± 382.00 bc
    CU515.33 ± 30.75 cd41.40 ± 2.36 bc46.27 ± 0.40 a8373.56 ± 258.12 c
    CRU1576.00 ± 22.27 ab43.60 ± 2.20 abc48.33 ± 1.36 a10332.01 ± 997.41 ab
    CRU2556.00 ± 49.15 bc45.85 ± 2.02 ab47.23 ± 2.61 a10310.69 ± 1959.12 ab
    CRU3624.00 ± 20.00 a47.00 ± 2.17 a46.63 ± 0.67 a11622.33 ± 603.23 a
    泰安Tai'anCK292.48 ± 54.27 c30.80 ± 2.00 c40.43 ± 0.81 a3066.67 ± 305.51 d
    U355.26 ± 90.33 bc31.87 ± 1.18 bc39.40 ± 3.47 a3666.67 ± 205.15 cd
    CU404.01 ± 33.35 abc32.80 ± 2.12 b37.03 ± 2.67 a4200.00 ± 800.00 bc
    CRU1468.22 ± 28.14 ab30.00 ± 3.00 c37.63 ± 3.51 a4466.67 ± 305.51 bc
    CRU2454.64 ± 10.80 ab31.13 ± 3.90 bc39.00 ± 1.00 a4600.00 ± 400.00 b
    CRU3479.84 ± 17.50 a34.00 ± 0.75 a38.97 ± 1.54 a5400.00 ± 200.00 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示同一地点处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments in the same experimental site (P < 0.05).
    下载: 导出CSV
  • [1] 巨晓棠, 谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 783–795. Ju X T, Gu B J. Status-quo, problem and trend of nitrogen fertilization in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2014, 20(4): 783–795. doi:  10.11674/zwyf.2014.0401
    [2] 张卫峰, 马林, 黄高强, 等. 中国氮肥发展、贡献和挑战[J]. 中国农业科学, 2013, 46(15): 3161–3171. Zhang W F, Ma L, Huang G Q, et al. The development and contribution of nitrogenous fertilizer in China and challenges faced by the country[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(15): 3161–3171. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2013.15.010
    [3] Zhou L K, Chen L J, Li R H, et al. Behavior of soil urea N and its regulation through incorporating with inhibitors hydroquinone and di-cyandiamide[C]. Ji L, Chen G X, Schnug E, et al. Fertilization in the third millennium-fertilizer, food security and environmental protection proceedings (Vol. Ⅱ)[M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 2003: 1175–1192.
    [4] 巨晓棠, 刘学军, 邹国元, 等. 冬小麦/夏玉米轮作体系中氮素的损失途径分析[J]. 中国农业科学, 2002, 35(12): 1493–1499. Ju X T, Liu X J, Zou G Y, et al. Evaluation of nitrogen loss way in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(12): 1493–1499. doi:  10.3321/j.issn:0578-1752.2002.12.011
    [5] Azeem B, Kushaari K Z, Man Z B, et al. Review on materials & methods to produce controlled release coated urea fertilizer[J]. Journal of Controlled Release, 2014, 181(1): 11–21.
    [6] 牟林, 韩晓日, 于成广, 等. 不同无机矿物应用于包膜复合肥的氮素释放特征及其评价[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5): 1179–1188. Mu L, Han X R, Yu C G, et al. N-release characteristics of compound fertilizers coated with various minerals and its evaluation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2009, 15(5): 1179–1188. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2009.05.028
    [7] Hayashi K, Nishimur S, Yagi K. Ammonia volatilization from a paddy field following applications of urea: Rice plants are both an absorber and an emitter for atmospheric ammonia[J]. Science of the Total Environment, 2008, 390(2/3): 485–494.
    [8] Erisman J W, Sutton M A, Galloway J, et al. How a century of ammonia synthesis changed the world[J]. Nature Geoscience, 2008, 1(10): 636–639. doi:  10.1038/ngeo325
    [9] 鲁艳红, 聂军, 廖育林, 等. 氮素抑制剂对双季稻产量、氮素利用效率及土壤氮平衡的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 95–104. Lu Y H, Nie J, Liao Y L, et al. Effects of urease and nitrification inhibitor on yield, nitrogen efficiency and soil nitrogen balance under double-rice cropping system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(1): 95–104. doi:  10.11674/zwyf.17072
    [10] 张丽莉, 武志杰, 陈利军, 等. 包膜与氢醌结合对尿素释放及水解的影响[J]. 生态环境学报, 2009, 18(3): 1112–1117. Zhang L L, Wu Z J, Chen L J, et al. Effect of coating and hydroquinone incorporation on urea-N release and its hydrolysis[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(3): 1112–1117. doi:  10.3969/j.issn.1674-5906.2009.03.057
    [11] 高祥照, 马文奇, 杜森, 等. 我国施肥中存在问题的分析[J]. 土壤通报, 2001, 32(6): 258–261. Gao X Z, Ma W Q, Du S, et al. Current status and problems of fertilization in China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2001, 32(6): 258–261. doi:  10.3321/j.issn:0564-3945.2001.06.004
    [12] 张海军. 包膜与添加抑制剂结合型尿素的控效机理[D]. 沈阳: 中国科学院沈阳应用生态研究所博士学位论文, 2004.

    Zhang H J. Combining effect of coating and inhibitor incorporation on urea-N release, transformation and agricultural efficiency[D]. Shenyang: PhD Dissertation of Shenyang Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, 2004.
    [13] 杜建军, 廖宗文, 王新爱, 等. 高吸水性树脂包膜尿素的结构特征及养分控/缓释性能[J]. 中国农业科学, 2007, 40(7): 1447–1455. Du J J, Liao Z W, Wang X A, et al. Structure and nutrient controlled/slow release characteristics of super absorbent polymer coated urea[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(7): 1447–1455. doi:  10.3321/j.issn:0578-1752.2007.07.019
    [14] 黄承彪. 复合矿物包膜尿素在土壤中的氮素释放研究[J]. 福建师大福清分校学报, 2008, 2(1): 35–39. Huang C B. The characteristics of CMMCU-N releasing and effect on different soil conditions[J]. Journal of Fuqing Branch of Fujian Normal University, 2008, 2(1): 35–39.
    [15] 徐星凯, 周礼恺, Oswald Van Cleemput. 脲酶抑制剂/硝化抑制对土壤中尿素氮转化及形态分布的影响[J]. 土壤学报, 2000, 37(3): 339–345. Xu X K, Zhou L K, Oswald Van Cleemput. Effect of urease/nitrification inhibitiors on the transformation and morphological distribution of urea nitrogen in soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(3): 339–345. doi:  10.3321/j.issn:0564-3929.2000.03.007
    [16] 周礼恺, 武冠云, 张志明, 等. 尿酶抑制剂氢醌在提高尿素肥效中的作用[J]. 土壤学报, 1998, 25(2): 191–198. Zhou L K, Wu G Y, Zhang Z M, et al. The effect of urease inhibitor hydroquinone on urea fertilizer efficiency[J]. Acta Pedologica Sinica, 1998, 25(2): 191–198.
    [17] Abalos D, Jeffery S, Sanz-Cobena A, et al. Meta-analysis of the effect of urease and nitrification inhibitors on crop productivity and nitrogen use efficiency[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2014, 189: 136–144. doi:  10.1016/j.agee.2014.03.036
    [18] 武志杰, 石元亮, 李东坡, 等. 稳定性肥料发展与展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(6): 1614–1621. Wu Z J, Shi Y L, Li D P, et al. The development and outlook of stabilized fertilizers[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2017, 23(6): 1614–1621. doi:  10.11674/zwyf.17303
    [19] Hou J, Fan Z Y, Dong Y J, et al. Effects of coated urea amended with biological inhibitors on physiological characteristics, yield and quality of peanut[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2014, 45: 896–911.
    [20] 张丽莉, 武志杰, 陈利军, 等. 双氰胺与尿素共包被对NH4+-N硝化及NO3-N淋溶的影响[J]. 生态环境学报, 2009, 18(4): 1508–1515. Zhang L L, Wu Z J, Chen L J, et al. Effect of coating and dicyandiamide incorporation on NH4+ nitrification and NO3 leaching[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(4): 1508–1515. doi:  10.3969/j.issn.1674-5906.2009.04.052
    [21] 巴闯, 杨明, 邹洪涛, 等. 包膜/抑制剂联合调控对农田土壤N2O排放和氨挥发的影响[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(6): 1291–1299. Ba C, Yang M, Zou H T, et al. Combined effects of coating/inhibitors on N2O emission and ammonia volatilization in farmland soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(6): 1291–1299.
    [22] 宋以玲, 贺明荣, 董元杰, 等. 硝化抑制剂型包膜肥料对玉米生理特性、产量、品质的影响[J]. 河北科技师范学院学报, 2015, 29(1): 6–13. Song Y L, He M R, Dong Y J, et al. Effects of nitrification inhibitor fly ash coated slow release fertilizer on physiological characteristics yield and quality of maize[J]. Journal of Hebei Normal University of Science & Technology, 2015, 29(1): 6–13. doi:  10.3969/J.ISSN.1672-7983.2015.01.002
    [23] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2000. 205–226.

    Lu R K. Analytical methods of soil and agricultural chemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. 205–226.
    [24] 赵牧秋, 蔡桂佳, 史云峰. 水中双氰胺含量的联二酮分光光度测定法[J]. 环境与健康杂志, 2014, 31(8): 713–715. Zhao M Q, Cai G J, Shi Y F. Determination of dicyandiamide in water by spectrophotometry with vicinal diketones[J]. Journal of Environment Health, 2014, 31(8): 713–715.
    [25] 关松荫. 土壤酶及研究法[M]. 北京: 中国农业出版社, 1986.

    Guan S Y. Soil enzymes and research methods[M]. Beijing: China Agricultural Press, 1986.
    [26] 李东坡, 武志杰, 梁成华. 包膜及其与生化抑制剂结合型尿素在草甸棕壤中尿素态氮溶出特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 214–218. Li D P, Wu Z J, Liang C H. Nitrogen release characteristics of coated urea amended with biological inhibitors in meadow brown soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2010, 16(1): 214–218. doi:  10.11674/zwyf.2010.0132
    [27] 张文学, 王萍, 孙刚, 等. 脲酶抑制剂不同用量对土壤氮素供应的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2018, (6): 38–44. Zhang W X, Wang P, Sun G, et al. Effects of urease inhibitor addition rate on nitrogen transformation in paddy soil[J]. Soil and Fertilizer Siences in China, 2018, (6): 38–44. doi:  10.11838/sfsc.20180606
    [28] 华建峰, 蒋倩, 施春健, 等. 脲酶/硝化抑制剂对土壤脲酶活性、有效态氮及春小麦产量的影响[J]. 土壤通报, 2008, 39(1): 94–98. Hua J F, Jiang Q, Shi C J, et al. Effects of urease/nitrification inhibitors on soil urease activity, soil available N and the yield of spring wheat[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(1): 94–98. doi:  10.3321/j.issn:0564-3945.2008.01.018
    [29] 郑文魁, 李成亮, 窦兴霞, 等. 不同包膜类型控释氮肥对小麦产量及土壤生化性质的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(2): 162–167, 174. Zheng W K, Li C L, Dou X X, et al. Effects of different types of controlled release urea on wheat yield and biochemical properties of soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 162–167, 174.
    [30] 侯俊, 董元杰, 李光宗, 等. 硝化抑制剂型包膜复合肥的氮素释放特征及其对大白菜生长的影响[J]. 水土保持学报, 2011, 25(6): 250–253, 259. Hou J, Dong Y J, Li G Z, et al. N-release characteristics of coated compound fertilizers added by nitrification inhibitor and their effects on Chinese cabbage[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(6): 250–253, 259.
  • [1] 唐继伟徐久凯温延臣田昌玉林治安赵秉强 . 长期单施有机肥和化肥对土壤养分和小麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(11): 1827-1834. doi: 10.11674/zwyf.18436
    [2] 陈松岭蒋一飞巴闯杨明邹洪涛张玉龙 . 水基共聚物–生物炭复合材料包膜尿素制备及其性能. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(5): 1245-1254. doi: 10.11674/zwyf.17390
    [3] 赵亚南宿敏敏吕阳况福虹陈轩敬张跃强石孝均 . 减量施肥下小麦产量、肥料利用率和土壤养分平衡. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(4): 864-873. doi: 10.11674/zwyf.16417
    [4] 侯贤清李荣贾志宽韩清芳 . 西北旱作农田不同耕作模式对土壤性状及小麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(5): 1146-1157. doi: 10.11674/zwyf.17032
    [5] 曹兵倪小会肖强徐凯杨俊刚衣文平李丽霞 . 包膜尿素对温室番茄产量、品质和经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 389-395. doi: 10.11674/zwyf.2014.0215
    [6] 袁亮赵秉强林治安温延臣李燕婷 . 增值尿素对小麦产量、氮肥利用率及肥料氮在土壤剖面中分布的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(3): 620-628. doi: 10.11674/zwyf.2014.0313
    [7] 王州张坤徐静张民 . 可生物降解树脂包膜尿素的研制及性能. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(6): 1510-1515. doi: 10.11674/zwyf.2013.0628
    [8] 王淑娟田霄鸿李硕张耀华 . 长期地表覆盖及施氮对冬小麦产量及土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(2): 291-299. doi: 10.11674/zwyf.2012.11287
    [9] 王改玲郝明德许继光洪坚平 . 保护性耕作对黄土高原南部地区小麦产量及土壤理化性质影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(3): 539-544. doi: 10.11674/zwyf.2011.0388
    [10] 李东坡武志杰梁成华 . 包膜及其与生化抑制剂结合型尿素在草甸棕壤中尿素态氮溶出特征. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 214-218. doi: 10.11674/zwyf.2010.0132
    [11] 陈贤友吴良欢韩科峰李金先应金耀 . 包膜尿素和普通尿素不同掺混比例对水稻产量与氮肥利用率的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(4): 918-923. doi: 10.11674/zwyf.2010.0421
    [12] 王秋君张小莉罗佳黄启为*沈其荣杨兴明* . 不同有机无机复混肥对小麦产量、氮效率和土壤微生物多样性的影响 . 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5): 1003-1009. doi: 10.11674/zwyf.2009.0503
    [13] 高会议郭胜利*刘文兆车升国 . 施肥措施对黄土旱塬区小麦产量和土壤有机碳积累的影响. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1333-1338. doi: 10.11674/zwyf.2009.0613
    [14] 刘常珍胡正义赵言文牛高华肖新毕冬梅 . 元素硫和双氰胺对菜地土壤铵态氮硝化抑制协同效应研究 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(2): 334-338. doi: 10.11674/zwyf.2008.0220
    [15] 张淑香赵林萍八木一行宝川靖和宋永林张振山 . 包膜尿素对玉米和小麦的生物学与环境效应. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(6): 1086-1091. doi: 10.11674/zwyf.2007.0616
    [16] 杨春霞李永梅 . 双氰胺对不同质地红壤中碳酸氢铵的硝化抑制作用研究. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(6): 1035-1039. doi: 10.11674/zwyf.2007.0608
    [17] 邓兰生张承林 . 玉米滴灌栽培条件下尿素与氢醌、双氰胺配施方法及效果. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(3): 498-503. doi: 10.11674/zwyf.2007.0323
    [18] 郝世雄刘兴勇余祖孝刘钟海 . 磷酸氢钙包膜尿素的研制及其释放特性. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(3): 426-430. doi: 10.11674/zwyf.2006.0323
    [19] 熊又升陈明亮何圆球熊桂云喻永熹 . 包膜尿素对芹菜产量、品质及氮素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(1): 104-109. doi: 10.11674/zwyf.2005.0117
    [20] 武俊喜陈新平贾良良张福锁 . 冬小麦/夏玉米轮作中高肥力土壤的持续供氮能力. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(1): 1-5.
  • 加载中
图(9)表(3)
计量
  • 文章访问数:  138
  • HTML全文浏览量:  94
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-19
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

氮素与抑制剂双控释尿素的制备及其对土壤供氮能力和小麦产量的影响

    作者简介:李玉 E-mail:2392815362@qq.com
    通讯作者: 董元杰, yuanjiedong@163.com
  • 1. 山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018
  • 2. 山东农业大学农学院,山东泰安 271018
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0201705);山东省农业重大应用技术创新项目(SD2019ZZ021)。
  • 摘要:   【目的】  包衣和添加抑制剂是常用的制备缓控释肥料的手段。尝试同时使用这两种方法,制备更加可控氮素释放与转化的新型肥料,并研究其在小麦上的应用效果。  【方法】  采用先在大颗粒尿素 (2.5~3.5 mm) 表面涂层,再用树脂包膜的方法制备含不同抑制剂的树脂包膜尿素。依据不同抑制剂,制备了无涂层 (CU)、脲酶抑制剂HQ涂层 (CRU1)、硝化抑制剂DCD涂层 (CRU2) 和HQ + DCD组合涂层 (CRU3) 4种新型树脂包膜尿素。通过扫描电镜观测了4种包膜尿素的微观结构,采用静水释放的方法测定了养分和抑制剂的缓释性能。在山东省潍坊和泰安两地布置冬小麦等氮磷钾施用量和相同施肥方法的田间试验,以普通大颗粒尿素为对照,在冬小麦苗期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期采集耕层土壤样品,测定速效氮含量,并于小麦成熟期测定产量及构成因素。  【结果】  1) 制备的4种包膜尿素成膜完整,包膜厚度均匀,表面光滑且膜层致密,树脂包膜材料能完整地覆盖在肥核的表面,膜表面有微孔,成为尿素和抑制剂向膜外释放的通道;尿素与抑制剂交接处结合严密,无间隙产生,抑制剂在包膜层的完全包围之中,可实现对尿素和抑制剂释放的同时控制。2) 包膜与抑制剂结合可有效控制尿素溶出。静水释放条件下,4种包膜尿素的氮素初期溶出率分别为7.59%、1.96%、2.12%、0.89%,尿素控释期依次是42、56、56、56天;CRU1的HQ释放期为28天,CRU2的DCD释放期为14天,CRU3中HQ和DCD的释放期分别为42和14天。相比较而言,CRU3的氮素释放期长于CRU1和CRU2,抑制剂的释放期也长于CRU1和CRU2,因此缓释效果大于CRU1和CRU2。3) 与大颗粒尿素对照 (U) 相比,4个包膜尿素处理在小麦苗期能维持土壤中NH4+-N的适宜浓度,开花期后显著增加土壤NH4+-N含量,保障了氮素的持续供应;而在小麦整个生育期内均显著降低土壤NO3-N含量,从而减少氮素淋溶损失。含HQ涂层的CRU1、CRU3处理能在小麦生育期内维持土壤脲酶活性处于较低水平;含DCD涂层的CRU2、CRU3处理能够抑制土壤NH4+-N向NO3-N的转化,显著降低土壤NH4+-N表观硝化率。与CU相比,CRU1、CRU2和CRU3处理的小麦产量在潍坊试验点分别显著增加23.38%、23.13%和38.79%,在泰安试验点分别增加6.36%、9.52%和28.57%。  【结论】  先在大颗粒尿素表面包裹抑制剂涂层,再包裹树脂,可在尿素表面形成完整且均匀的膜,而且在膜表面仍有一定量的微孔,实现尿素与抑制剂释放的同时控制。小麦整个生育期,与施用单一抑制剂的包膜尿素处理相比,施用含两种抑制剂 (CRU3) 的包膜尿素处理的土壤氮素持续供应能力更强,小麦产量最高;而且土壤硝态氮水平一直较低,也减少了氮素淋溶损失的可能。

    English Abstract

    • 氮是植物生长发育所必需的营养元素,但土壤供应量少,供求之间存在着极大的不平衡,因此农业生产中施用氮肥是保障作物产量和粮食安全必不可少的措施[1-2]。然而,近年来我国氮肥的高投入在保证粮食高产的同时,氮肥利用率并没有得到提高,平均约为30%[3],损失率非常高[4]。氮肥施入土壤后,易通过氨挥发、硝化–反硝化作用、径流和淋溶等途径流失到环境中去[5-6],不仅造成了肥料资源的浪费,还引发了土壤、水体和空气污染等环境问题[7-8]。因此,通过合理的科学技术手段实现粮食产量与氮肥利用率的同步提高,是现代农业绿色发展关注的重大课题之一[9]

      尿素施入土壤后,在土壤水分适宜的条件下迅速溶解,并在土壤脲酶的作用下水解形成NH3,导致短时间内土壤中NH3浓度增加和pH升高[10],这样不仅会造成 NH3的挥发损失,还会对植物幼苗产生毒害作用[11]。而尿素水解后的NH4+又是硝化作用的重要底物,会在硝化作用的第一阶段产生气态中间产物N2O,而硝化作用的产物NO3又可经过反硝化还原为N2O与NO。要减少尿素在转化过程中的NH3毒害、气态N损失和NO3淋失,提高氮素的利用率,一方面要努力控制施入土壤中尿素的溶解过程,另一方面要尽量减缓土壤中尿素的水解和NH4+的硝化速率[12]。在众多控制氮肥溶解的技术中,对尿素进行物理包膜是将尿素释放周期延长、控制尿素溶出速率的有效措施[13-14]。包膜尿素能克服尿素施入土壤后溶解过快的缺点,但不能控制溶出尿素在土壤中的转化。徐星凯等[15]和周礼恺等[16]的研究表明,施用脲酶/硝化抑制剂能够减缓土壤中尿素的水解和铵态氮至硝态氮的转化,从而减少氨挥发和硝酸盐淋溶的损失,但脲酶和硝化抑制剂施入土壤后会发生固定和降解等退化现象[17-18],导致抑制剂发挥作用时间明显缩短,抑制效能降低。前期研究发现,将抑制剂添加到无机膜材料中,制成抑制剂型包膜尿素来联合控氮,可显著提高氮素的利用效率、改善花生的生理特性、提高花生产量[19]

      树脂是世界公认的包膜材料,脲酶和硝化抑制剂可有效抑制尿素的水解和NH4+的硝化。为了既控制尿素的溶出又抑制溶出后尿素的水解和水解后NH4+向NO3-转换的过程,本研究在前人研究成果[20-21]和实验室前期研究[22]的基础上,采用热固型环氧树脂与脲酶/硝化抑制剂涂层联合包膜的技术手段,将抑制剂给尿素做成涂层后,再用环氧树脂包膜,制备具有物理包膜阻溶与抑制剂减缓氮素转化的新型缓/控释尿素,以有效控制尿素与抑制剂从膜内的溶出,并延长抑制剂的持效期,实现对尿素态氮溶出与转化的双重调控。分别采用扫描电镜和静水释放试验,研究了自制双控尿素的微观结构特性及养分与抑制剂的缓释性能;并在山东省潍坊和泰安两地布置相同处理的小麦田间试验,研究氮素与抑制剂双控释尿素对土壤供氮能力和冬小麦产量的影响。为有效提高氮素利用率,促进新型缓/控氮肥的研发与应用提供理论依据和技术指导。

      • 供试肥料:粒径范围2.5~3.5 mm的大颗粒尿素 (N 46%)。

        供试生化抑制剂:脲酶抑制剂氢醌 (HQ) 和硝化抑制剂双氰铵 (DCD),两种抑制剂均溶于水和乙醇。

        供试包膜材料:双酚A型环氧树脂和环氧树脂固化剂T-31。

        试验仪器:圆盘包衣机 (新而立机械设备有限公司生产,型号BY-300),恒温水浴锅,温度计,手动喷雾器等。

      • 将用量为纯氮质量0.8%的HQ、4%的DCD和两个同量抑制剂 (HQ+DCD) 分别混溶于含粘结剂乙基纤维素的乙醇溶剂中,85℃水浴加热混溶均匀后,装入手动喷雾器中。然后将筛分好的大颗粒尿素装入转速为40 r/min的包衣机的锅中,预热至85℃,旋转抛光5 min,用手动喷雾器对尿素颗粒外表面进行喷涂,保持尿素温度为85℃,干燥后制得3种涂层尿素肥核。

        分别将大颗粒尿素和制备的3种肥核装入转速为40 r/min包衣机锅中,旋转预热至75℃,将双酚A型环氧树脂与固化剂按质量比10∶1配制的混合液均匀喷涂到包衣机锅中的肥料颗粒上,按尿素与包膜材料质量比为100∶1,保持尿素温度75℃,连续包膜5次,分别制得树脂包膜尿素 (CU) 和HQ涂层 (CRU1)、DCD涂层 (CRU2)、HQ与DCD组合涂层 (CRU3) 4种新型包膜缓/控释尿素。

        制备的新型包膜尿素中膜材料质量占肥料总质量的4.76%,CU的氮含量为43.00%;CRU1的氮含量为38.30%,HQ含量为0.30%;CRU2的氮含量为38.30%,DCD含量为1.53%;CRU3的氮含量为38.30%,HQ含量为0.30%,DCD含量为1.53%。

      • 试验分别在山东省潍坊市农业科学院实验基地和山东农业大学资源与环境学院实验站进行,土壤类型均为棕壤,质地分别为粘壤土和砂壤土,供试土壤基本理化性质见表1

        表 1  供试土壤基本理化性质

        Table 1.  Physical and chemical properties of tested soils

        地点
        Site
        pH电导率 (μS/cm)
        EC
        有机质 (g/kg)
        Organic matter
        有效氮 (mg/kg)
        Available N
        全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        潍坊Weifang7.16172.3714.4162.011.3122.30147.65
        泰安Tai’ an6.50145.0410.1036.500.8222.50 95.89

        采用大田试验,供试作物为冬小麦(品种:济麦22)。于2018年10月21日播种,2019年6月14日收获。试验共设6个处理:1) 不施氮肥 (CK);2) 普通尿素 (U);3) 树脂包膜尿素 (CU);4) HQ涂层树脂包膜尿素 (CRU1);5) DCD涂层树脂包膜尿素 (CRU2);6) HQ与DCD混合涂层树脂包膜尿素 (CRU3)。试验小区面积为30 m2 (3 m × 10 m),小麦播种量为150 kg/hm2,行间距22.5 cm。每个处理重复3次,小区随机排列。肥料施用量标准为N 240 kg/hm2、P2O5 105 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2,磷肥和钾肥分别由过磷酸钙 (P2O5 12%) 和氯化钾 (K2O 60%) 提供。4种包膜肥料处理采用撒肥翻耕方式一次性基施,普通尿素处理的氮肥基施50%,拔节期追施50%,磷钾肥料均一次性施入。

      • 把肥料颗粒平放在实验台上,解剖刀垂直切下,肥料颗粒切成半圆状后,将样品在真空IB5.0离子喷镀仪上喷金,然后用扫描电镜 (OXFORD FEI 7231) 对包膜肥料的表面、剖面进行扫描拍照。

      • 按国标GB/T 23348-2009采用水溶出率法测定控释尿素的养分释放率,氮采用凯氏定氮法测定[23],HQ采用碱氧化—比色法测定[10],DCD采用联二酮分光光度法测定[24]

      • 分别于冬小麦的苗期 (12月8日)、拔节期 (4月7日)、开花期 (5月5日)、灌浆期 (5月26日)、成熟期 (6月4日) 采集耕层土壤样品,并于小麦成熟期测定产量及构成因素。

        土壤样品的测定:土壤NH4+-N和NO3-N含量采用2 mol/L KCl浸提,流动分析仪分析法测定;土壤脲酶活性采用苯酚钠–次氯酸钠比色法测定,以24 h土壤中产生的NH3-N的量表示[25](单位:mg/kg)。

        小麦产量及其构成因素的测定:成熟期在各小区内选取长势均匀一致的区域,划定2.0 m × 6行 (共计3 m2,包含一个边行) 的面积用于穗数的调查,然后人工收割、脱粒,风干后称重,并用谷物水分测定仪测定籽粒含水量,换算为含水量至12% 的籽粒产量,即:小区产量 = 实测产量 × (1 − 籽粒含水量)/(1 − 12%);在长势均匀一致的区域随机取30个单穗用于每穗粒数的调查;于小区测产的风干籽粒中随机取样进行粒重调查,并将数据折算为12%含水量标准的粒重。

      • 初期溶出率 (%) = 24 h养分溶出量/包膜肥料中养分含量 × 100;

        微分溶出率 (%) = (养分累积溶出量/包膜肥料中养分含量 − 初期溶出率)/(浸泡天数 − 1) × 100;

        土壤NH4+-N表观硝化率 (%) = NO3-N/(NH4+-N + NO3-N) × 100。

        采用Excel 2007软件处理数据和绘表,采用SPSS 22.0软件进行统计分析,采用最小显著极差法 (LSD) 进行差异显著性检验 (P < 0.05)。

      • 在500倍和1000倍的电镜照片 (图1-AB) 中可以看出,包膜尿素表面成膜完整,树脂包膜材料能完整地覆盖在颗粒尿素的表面上,膜质细腻、致密、均匀一致,表面光滑;同时,观察到膜内部的抑制剂在颗粒尿素表面均匀分布。放大1000倍偶见膜表面有微孔,这些微孔的产生,成为水向包膜尿素核心及尿素与抑制剂溶液向膜外渗透和扩散的通道。

        图  1  包膜尿素表面电镜照片

        Figure 1.  Images of electroscopic scanning of coated urea surface

        包膜尿素剖面结构的电镜扫描结果 (图2) 观察表明,包膜厚度均匀,表面光滑且膜层致密,其间孔隙排列纵横交错,形成了水分进入和尿素与抑制剂溶出膜的通道,包膜层与肥心接合紧密、牢固,分界明显,其中尿素为粒状晶体。膜材料在成膜时分布均匀、结合紧密,能穿入肥料颗粒的多孔表面,很好地适应肥料颗粒表面凸凹部分的外形轮廓而将其紧密覆盖。成膜时没有形成断层和孔洞,说明了膜材料组方和包膜工艺较好。

        图  2  包膜尿素剖面结构 (500×)

        Figure 2.  Sectional view structure of coated urea

        氮素与抑制剂双控释尿素的剖面观察结果显示,包膜层均匀一致,HQ和DCD完全按尿素不规则表面走向涂布,尿素与抑制剂交接处结合严密,无间隙产生,包膜层紧覆于抑制剂不规则的外表,抑制剂表面不规则的突起与凹陷起着膜附着与粘结的纽带作用,使膜材料在其表面形成一层坚实的壁垒将尿素包裹在中心。但在包膜层中,包膜层与抑制剂层及抑制剂附着层与尿素表面之间可观察到明显的界限,抑制剂在尿素表面分布均匀,与尿素结合紧密。从包膜尿素剖面的电镜照片还可以看出,抑制剂在包膜层的完全包围之中,可有效控制抑制剂的溶出,达到了预期效果,说明采用尿素与抑制剂共包膜的方式,可实现尿素和抑制剂释放的同时控制。

      • 图3可见,树脂包膜尿素氮的第一天溶出率为7.59%,第3天溶出率达17.47%,微分溶出率 (7日) 为3.93%,肥料28天累积释放率为75.31%。氮素释放期为42天,在第42天时,氮素的累计释放率达到87.82%,当培养时间达到56天时,氮素的累计释放率达到95%。

        图  3  在25℃水中树脂包膜尿素 (CU) 氮素的累积释放曲线

        Figure 3.  Cumulative N release curve of resin coated urea (CU) in 25℃ water

        图4可以看出,HQ的累计释放率一直高于氮素。试验进行到第14天时,HQ的日释放速率达到最大值5.26%,第28天时,氮素的日释放速率达到最大值2.24%。其中,氮素和HQ第一天的溶出率分别为1.96%、4.58%,微分溶出率 (7日) 分别为1.01%、2.55%,氮素释放期为56天,HQ释放期为28天,肥料28天氮素累积释放率为53.88%,HQ累积释放率为85.13%。表明树脂包膜不但可以减缓尿素氮的释放速率,也可明显降低HQ的溶解速率 (同等条件下,不包膜HQ遇水即溶)。

        图  4  在25℃水中脲酶抑制剂HQ涂层树脂包膜尿素 (CRU1) 氮素与HQ的累积释放曲线

        Figure 4.  N and HQ cumulative release curves of HQ and resin coated urea (CRU1) in 25℃ water

        图5 可以看出,DCD和氮素均能缓慢释放,但DCD的释放速率明显快于N素,在第10天时DCD的累积释放率已达76.31%,而氮素的累积释放率只有17.57%,DCD的释放速率明显高于氮素,并在一定程度上抑制了尿素氮的释放。CRU2中氮素的释放期是56天,第一天溶出率为2.12%,微分溶出率 (7日) 为1.40%;DCD的释放期为14天,初期溶出率为8.46%,微分溶出率 (7日) 为7.97%。肥料28天氮素累积释放率68.16%,DCD累积释放率100%。同等试验条件下,不包膜DCD即溶于水,而树脂包膜能减缓DCD的溶解速率,为延长其持效期提供了保障。

        图  5  在25℃水中硝化抑制剂涂层树脂包膜尿素 (CRU2) 氮素与DCD的累积释放曲线

        Figure 5.  N and DCD cumulative release curves of DCD and resin coated urea (CRU2) in 25℃ water

        从双抑制剂涂层树脂包膜尿素 (CRU3) 中氮素和两个抑制剂的释放曲线 (图6)可以看出,HQ和DCD均能缓慢释放,但释放速率均高于氮素。DCD的累计释放率一直高于HQ,第14天时,DCD累积释放率达到81.93%,HQ累积释放率为41.76%。CRU3肥料中,氮素第一天溶出率为0.89%,微分溶出率 (7日) 为1.15%,释放期为56天;HQ的初期溶出率为2.54%,微分溶出率 (7日) 为2.19%,释放期为42天;DCD的初期溶出率为4.99%,微分溶出率 (7日) 为7.63%,释放期为14天。肥料28天氮素累积释放率48.59%,HQ累积释放率76.91%,DCD累积释放率95%。尽管包膜后HQ和DCD的释放速率均高于氮素,但与不包膜抑制剂相比,树脂包膜能实现抑制剂溶解速率的降低,为延长抑制剂减缓氮素转化的持效期提供了可能。

        图  6  在25℃水中HQ与DCD组合涂层树脂包膜尿素 (CRU3) 氮素与抑制剂的累积释放曲线

        Figure 6.  N and inhibitor cumulative release curves of HQ+DCD and resin coated urea (CRU3) in 25℃ water

      • 图7可见,潍坊、泰安两地田间土壤NH4+-N含量的变化趋势基本一致,且各处理土壤NH4+-N含量均显著高于CK (P < 0.05)。与普通尿素U相比,在小麦苗期,潍坊试验点土壤中NH4+-N含量CU、CRU1、CRU2、CRU3处理分别降低了12.97%、19.28%、6.23%、14.54%,在泰安试验点分别降低了9.84%、12.24%、6.16%、9.15%,表明包膜尿素的缓释作用使氮素缓慢释放,从而降低了冬小麦生长前期土壤中NH4+-N含量。在冬小麦拔节期,两地各施肥处理土壤铵态氮含量差异不显著。在开花期,包膜尿素处理土壤中铵态氮含量明显高于普通尿素处理。在灌浆期,3个涂层包膜尿素处理土壤中铵态氮含量显著高于无涂层的树脂包膜尿素处理,潍坊试验点3个涂层包膜尿素处理间差异不显著,而泰安试验点CUR3显著高于CUR1,为小麦生长后期氮素的持续供应提供了保障。

        图  7  小麦不同生育期土壤NH4+-N含量

        Figure 7.  Soil NH4+-N contents at different growing stages of winter wheat

      • 图8所示,潍坊、泰安两地田间土壤NO3-N含量变化趋势基本一致,不同时期各处理土壤NO3-N含量存在一定差异。在小麦苗期,两地间U处理土壤中NO3-N含量显著高于其他处理 (P < 0.05),说明U处理前期尿素大量水解,释放出来的NH4+被氧化形成了NO3。小麦拔节期,与CU相比,包膜与抑制剂结合的CRU1、CRU2、CRU3处理土壤中NO3-N含量在潍坊试验点田间土壤分别降低了8.85%、23.45%、33.07%;泰安试验点田间土壤分别显著降低了20.02%、22.80%、27.10%。说明抑制剂HQ、DCD能够抑制尿素水解后NO3-N的形成,且在两个试验点具有相同的效果。小麦开花期后,CRU2、CRU3处理能使土壤中NO3-N维持在较低水平,且明显低于其他处理;而与CU相比,CRU1处理土壤中NO3-N含量差异不显著。开花期,与CRU1相比,CRU2、CRU3处理在潍坊试验点田间土壤中NO3-N含量分别降低了20.03%、20.44%;在泰安试验点分别显著降低了34.53%、39.33%,说明硝化抑制剂DCD能对土壤中NH4+的硝化起到显著抑制作用,包膜与DCD结合能够有效降低土壤NO3-N含量。其中CRU3处理脲酶抑制剂HQ和硝化抑制剂DCD的协同作用,使土壤中NO3-N含量处于较低水平。

        图  8  小麦不同生育期土壤NO3-N含量

        Figure 8.  Soil NO3-N contents at different growing stages of winter wheat

      • 表2可知,不同处理土壤NH4+-N表观硝化率在潍坊、泰安两地田间土壤上变化趋势基本一致。在小麦整个生育期,普通尿素 (U) 处理土壤中NH4+的硝化作用始终保持在较高水平。小麦生长苗期,包膜尿素处理的土壤NH4+-N表观硝化率显著低于普通尿素处理 (P < 0.05),与U相比,潍坊地块中CU、CRU1、CRU2和CRU3处理土壤NH4+-N表观硝化率分别显著下降了10.82%、13.44%、24.26%、23.31%,泰安地块中分别显著下降了10.08%、15.66%、29.10%、29.38%,说明由于包膜尿素中N的缓释作用,使前期尿素水解的NH4+-N被小麦吸收利用,不会造成NH4+-N的大量积聚,从而显著减少NH4+的氧化。与CU相比,两地CRU1处理土壤NH4+-N表观硝化率差异不显著,CRU2、CRU3处理在小麦生育期内能显著降低土壤中NH4+-N表观硝化率 (P < 0.05),其中小麦成熟期时,在潍坊试验点CRU2、CRU3处理分别显著降低土壤NH4+-N表观硝化率6.90%、9.50%;在泰安试验点分别显著降低土壤NH4+-N表观硝化率13.18%、14.08%,说明硝化抑制剂DCD及其与脲酶抑制剂HQ组合,能够显著降低小麦生长时期土壤中NH4+的硝化作用而导致的N损失。其中,CRU3处理土壤NH4+-N表观硝化率在小麦生育期内长时间维持在较低水平,说明HQ与DCD组合既能抑制氨挥发,又能抑制NH4+氧化,使土壤NH4+含量在短期内含量增加,导致土壤NH4+-N表观硝化率低于CRU2处理。

        表 2  土壤NH4+-N的表观硝化率 (%)

        Table 2.  Apparent nitrification rate of NH4+-N in soil

        地点
        Site
        处理
        Treatment
        苗期
        Seedling stage
        拔节期
        Jointing stage
        开花期
        Flowering stage
        灌浆期
        Grain-filling stage
        成熟期
        Maturity stage
        潍坊WeifangCK59.44 ± 0.80 a57.38 ± 2.61 b74.73 ± 1.61 a78.37 ± 2.18 a81.58 ± 0.04 a
        U50.66 ± 4.73 b66.03 ± 2.50 a71.59 ± 4.57 ab77.34 ± 3.05 a81.56 ± 1.61 a
        CU45.18 ± 0.37 c59.89 ± 3.42 ab67.75 ± 1.51 bc70.98 ± 0.64 b76.94 ± 4.17 a
        CRU143.85 ± 1.73 cd57.89 ± 4.86 b63.79 ± 4.47 cd68.43 ± 3.21 bc78.21 ± 2.60 a
        CRU238.37 ± 3.46 d54.89 ± 4.42 bc59.90 ± 3.55 d67.45 ± 0.34 bc71.63 ± 2.72 b
        CRU338.85 ± 3.93 d49.84 ± 5.29 c58.56 ± 2.32 d64.85 ± 2.07 c69.63 ± 1.56 b
        泰安Tai’ anCK42.09 ± 2.85 b56.07 ± 1.76 a69.20 ± 3.20 a74.04 ± 0.85 ab82.02 ± 5.82 a
        U47.52 ± 2.17 a57.75 ± 1.66 a70.34 ± 0.80 a77.58 ± 4.24 a83.54 ± 1.80 a
        CU42.73 ± 1.80 b51.66 ± 3.80 b67.67 ± 1.55 a71.67 ± 0.53 bc79.50 ± 0.79 a
        CRU140.08 ± 2.78 b49.85 ± 2.33 bc66.58 ± 2.65 a68.39 ± 2.00 cd77.74 ± 0.82 a
        CRU233.69 ± 1.37 c47.05 ± 1.98 c56.82 ± 2.06 b64.88 ± 1.04 de69.02 ± 3.75 b
        CRU335.56 ± 3.49 c45.65 ± 2.42 c53.00 ± 0.22 c61.48 ± 4.56 e68.31 ± 4.85 b
        注(Note):同列数值后不同字母表示肥料处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among fertilizer treatments at 0.05 level.
      • 图9所示,两地间CK处理的土壤脲酶活性均处于较低的水平;除小麦成熟期外,其它生长时期CRU1、CRU3处理土壤脲酶活性均低于其它施肥处理。与CU相比,在小麦苗期,潍坊试验点CRU1、CRU3处理土壤脲酶活性分别降低15.28%、23.63%;在泰安试验点分别降低12.13%、17.61%;在灌浆期,与CU相比,在潍坊试验点CRU1、CRU3处理分别降低12.53%、0.60%,在泰安试验点分别降低60.68%、44.56%,说明脲酶抑制剂HQ对土壤脲酶活性有一定的抑制作用,包膜与HQ结合还可延长HQ的作用时间。与CRU1、CRU3相比,CRU2对土壤脲酶活性的影响较小。本试验结果表明,CRU3处理可使土壤脲酶活性维持在一个较低水平,比HQ单独与包膜结合施用效果好。

        图  9  不同地区土壤脲酶活性变化

        Figure 9.  Changes of soil urease activity in Weifang and Tai'an

      • 表3可知,潍坊和泰安两地田间冬小麦产量变化趋势基本一致,说明不同地块间氮素与抑制剂双控释尿素对冬小麦产量的影响相同。与CK相比,各施肥处理均能提高小麦产量。与CU相比,CRU1、CRU2、CRU3在潍坊试验点分别增产23.38%、23.13%、38.79%,在泰安试验点分别增产6.36%、9.52%、28.57 %,不同地区间氮素与抑制剂双控释尿素均能增加小麦产量,其中以CRU3增产最显著。从产量构成因素来看,各处理间千粒重差异不显著 (P > 0.05),穗数和穗粒数是导致产量差异的关键因素,与CU相比,潍坊试验点CRU1、CRU2、CRU3的穗数分别增加了11.77%、7.89%、21.09%;泰安试验点的穗数分别增加了15.87%、12.51%、18.74%,且两地间表现出相同的变化趋势。我们认为包膜与生化抑制剂结合型尿素通过促进分蘖,增加了小麦穗数,进而增加小麦产量。其中CRU3处理在两地间的小麦穗数和穗粒数均高于其他处理,说明将包膜与两种抑制剂结合能有效提高氮素的肥效,并增加小麦产量。

        表 3  小麦产量及其构成因素

        Table 3.  Yield and yield components of wheat

        地点
        Site
        处理
        Treatment
        穗数 (× 104/hm2)
        Spike number
        穗粒数
        Kernel number per spike
        千粒重 (g)
        1000-kernel weight
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        潍坊WeifangCK476.00 ± 6.00 d40.27 ± 4.36 c48.27 ± 0.57 a7859.78 ± 817.07 c
        U555.33 ± 18.15 bc39.35 ± 0.68 c47.47 ± 1.01 a8816.83 ± 382.00 bc
        CU515.33 ± 30.75 cd41.40 ± 2.36 bc46.27 ± 0.40 a8373.56 ± 258.12 c
        CRU1576.00 ± 22.27 ab43.60 ± 2.20 abc48.33 ± 1.36 a10332.01 ± 997.41 ab
        CRU2556.00 ± 49.15 bc45.85 ± 2.02 ab47.23 ± 2.61 a10310.69 ± 1959.12 ab
        CRU3624.00 ± 20.00 a47.00 ± 2.17 a46.63 ± 0.67 a11622.33 ± 603.23 a
        泰安Tai'anCK292.48 ± 54.27 c30.80 ± 2.00 c40.43 ± 0.81 a3066.67 ± 305.51 d
        U355.26 ± 90.33 bc31.87 ± 1.18 bc39.40 ± 3.47 a3666.67 ± 205.15 cd
        CU404.01 ± 33.35 abc32.80 ± 2.12 b37.03 ± 2.67 a4200.00 ± 800.00 bc
        CRU1468.22 ± 28.14 ab30.00 ± 3.00 c37.63 ± 3.51 a4466.67 ± 305.51 bc
        CRU2454.64 ± 10.80 ab31.13 ± 3.90 bc39.00 ± 1.00 a4600.00 ± 400.00 b
        CRU3479.84 ± 17.50 a34.00 ± 0.75 a38.97 ± 1.54 a5400.00 ± 200.00 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示同一地点处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments in the same experimental site (P < 0.05).
      • 扫描电镜结果表明 (图1图2),采用氮素与抑制剂双控技术制成的缓释尿素,表面光滑,固体颗粒凸出较少,包膜厚度较为均匀,膜材料能完整地覆盖在肥核的表面,抑制剂在尿素表面分布均匀,与尿素结合紧密,抑制剂层在包膜层的完全包围之中,包膜可有效控制尿素和抑制剂的溶出。此外,本研究所用的树脂来源广泛、价格低廉,可以回收,既可以消纳塑料废弃物,又可以改善农业生态环境。

        另外,新型包膜尿素的研制,首先需在纯水中进行养分释放曲线和控释特征的研究,以评价其养分的控制与释放性能[26]。本试验通过测定4种氮素与抑制剂双控释尿素在25℃静水条件下的养分释放规律,发现与CU相比,其余3种具有包膜与抑制剂涂层的双控释尿素使氮素的缓释作用得到强化,其中氮素初期溶出率降低了72.00%~88.31%,微分溶出率降低64.38%~74.30%,释放期由42 天延长到了56 天,说明树脂包膜与抑制剂涂层结合能强化包膜尿素中氮素的控制释放。这可能是由于3种包膜与抑制剂结合型尿素肥料是将抑制剂喷涂到大颗粒尿素表面先形成抑制剂涂层,然后将带抑制剂涂层的尿素再用热固型树脂包膜,而包膜与抑制剂涂层的共包被增强了包膜尿素的疏水性能,强化了控释效果,从而延长了氮素的释放期。其中以CRU3处理,即包膜与HQ及DCD结合型尿素对尿素氮的控制释放作用最强。

        CRU1中尿素和HQ在水中均能缓慢释放 (图4),减缓尿素和HQ的溶解,但HQ从包膜中溶出的速率明显高于尿素,这可能是由于HQ的分子极性较弱,所含的—OH的电子云向苯环偏移较多,而尿素分子的极性较高,所含的—NH2易与包膜高分子聚合物结合,因而尿素通过高分子聚合物包膜层的速率要慢于HQ。张丽莉等[10]研究包膜与HQ结合型尿素的溶出特征,结果表明HQ从包膜中溶出的速率明显快于尿素,这与本研究结果一致。树脂包膜DCD涂层尿素CRU2中尿素和DCD的溶出是不同步的 (图5),DCD的溶出速率明显高于尿素,这可能是因为用树脂包膜控制DCD的溶出比较困难。尽管CRU2肥料中DCD与尿素溶出并不同步,但包膜后的DCD仍达到了缓释效果,有效降低了溶解速率,延长了作用时间。张海军[12]将尿素包膜与添加硝化抑制剂结合起来能使尿素与DCD缓慢溶出,减小了DCD淋失的可能性,这与本研究结果一致。CRU3肥料是将HQ与DCD混合涂层大颗粒尿素后包膜,其养分释放曲线 (图6) 表明,CRU3肥料中HQ与DCD两者的溶出互不影响,释放特征与CRU1中的HQ和CRU2中的DCD一致,并与尿素均达到了缓释效果,两者与包膜的共同作用对尿素的控释效果最强。综上,4种氮素与抑制剂双控释尿素的氮素与抑制剂的缓释效应均达到了预期效果,实现了对尿素和抑制剂释放的双控制,既有效控制尿素溶出,又延长了抑制剂对氮素转化的持效期,从而实现了对尿素溶出与转化的双重调控。

      • 尿素施入土壤后,在适宜的土壤条件下迅速溶解,并在土壤脲酶的作用下水解形成NH4+-N[27],NH4+-N在土壤微生物的作用下氧化成NO3-N [28]。NH4+-N和NO3-N均可被作物直接吸收利用,但由于尿素水解时间短,水解的NH4+-N来不及被作物吸收利用,导致短期内土壤中NH4+-N含量升高及NH3的挥发损失[10],而氧化产生的NO3-N易发生淋洗进入地下水,造成氮素损失和对环境的污染。前人研究表明,尿素包膜能够将尿素释放周期延长,克服尿素水解过快的缺点[13];而添加生化抑制剂能控制尿素在土壤中的转化,其中脲酶抑制剂通过降低土壤脲酶的活性减缓尿素水解,从而减少氨的挥发损失,硝化抑制剂通过对铵态氮硝化作用的抑制,降低铵态氮向硝态氮转化的速率[15]。本试验研究表明,在肥力水平差异较大的地块上,包膜与抑制剂结合均能进一步提高土壤供氮能力,增强氮素对作物的持续供应。巴闯等[21]也证实包膜与抑制剂联合调控可以进一步提升包膜尿素的应用效果,减少氮素损失,其中抑制剂涂层尿素后包膜作用效果最佳,这与本研究结果相一致。在本研究中,含有HQ涂层的树脂包膜尿素与普通树脂包膜尿素相比,能够将土壤脲酶活性在小麦生育期内维持在较低的水平 (图9),延缓尿素的水解,增强土壤的持续供氮能力。这是由于尿素和HQ同时缓慢的溶出,增加了HQ的作用效果,有利于前期维持土壤NH4+-N的适宜浓度,增加小麦中后期NH4+-N含量,强化土壤中氮素对作物的持续供应能力。张丽莉等[10]研究表明,尿素与HQ同时缓慢地溶出更加有效地控制了尿素水解的过程,这与本研究结果一致。含有DCD涂层的包膜尿素对土壤NH4+-N的硝化有明显的抑制作用,显著降低了土壤NH4+-N表观硝化率 (表2),从而减少土壤NO3-N的淋溶损失,张海军[12]研究也表明尿素和DCD的控制溶出能明显提高其硝化抑制效果。其中CRU3处理包膜与HQ+DCD结合型控效尿素,既能降低土壤脲酶活性,延缓尿素水解,又对NH4+-N的硝化起到明显抑制作用,减少了氮素损失,有效提高了氮素利用率,相同施氮量下可显著强化土壤的氮素供应能力。

      • 研究发现树脂包膜尿素能显著提高冬小麦产量[29],脲酶/硝化抑制剂型缓释尿素处理的小麦产量也高于普通尿素处理[28]。前人研究表明包膜尿素与抑制剂结合能够促进作物生长,增加作物产量[30]。本研究表明,研制的氮素与抑制剂双控释尿素能显著提高冬小麦产量,这与巴闯等[21]包膜/抑制剂联合调控尿素在玉米施用上的研究结果一致。这是由于将抑制剂涂层于尿素表面后,再用树脂包膜,既强化了尿素的疏水性能,又能使氮素与抑制剂同步缓释,实现对尿素溶出与转化的多重控制,进而使养分供应与作物生长需求同步,减少氮素损失,增加作物吸收氮素的数量,达到增产的效果。而包膜与不同抑制剂涂层尿素结合处理中以CRU3处理对冬小麦增产效果最显著,这是由于与CRU1和CRU2相比,CRU3使尿素溶出与转化过程得到更加有效的控制,进一步减少了氮素损失,促进了小麦增产。本研究还发现单位面积穗数和穗粒数是影响冬小麦产量的关键因素,说明包膜与抑制剂结合型尿素在小麦的植物营养临界期和养分最大效率期均能保证土壤均衡、足量供应氮素,通过促进小麦分蘖和小穗分化,增加了小麦的穗数和穗粒数,提高了小麦产量。

      • 热固型环氧树脂与脲酶/硝化抑制剂涂层联合包膜双控释尿素表面成膜完整,抑制剂与尿素结合严密,且抑制剂涂层在包膜层的完全包围之中,实现了对尿素和抑制剂释放的双重调控。

        施用脲酶抑制剂HQ涂层大颗粒尿素后进行树脂包膜的控释肥能降低土壤脲酶活性,有效地控制尿素水解;施用硝化抑制剂DCD涂层大颗粒尿素后进行树脂包膜的控释肥能抑制土壤NH4+-N的硝化作用,减少NO3-N的淋溶损失。双抑制剂涂层大颗粒尿素后包膜可提高土壤氮素持续供应能力,对氮素的控制释放及控制转化作用最强,小麦产量最高。因此,以尿素与HQ和DCD共包膜处理的双控释尿素效果最优。

    参考文献 (30)

    目录

      /

      返回文章
      返回