控釋氮肥一次性基施提高谷子產量和氮素利用率

關 瑞，張 民，諸葛玉平，婁燕宏，王 會，潘 紅，韓 飛，何 偉

（山東農業大學資源與環境學院/土壤與肥料資源有效利用國家工程實驗室，山東泰安 271108）

谷子是我國最古老的糧食作物之一，被譽為“中華民族的哺育作物”[1]，我國的種植面積約占世界谷子種植面積的80%，產量占世界谷子總產量的90%[2]。同時，谷子還被認為是應對未來水資源短缺的重要戰略儲備作物，在實現地區糧食安全和農民增收、農業增效、社會穩定等方面有著十分重要的作用。此外，隨著人們飲食結構多樣化的需求，以及谷子獨特的營養價值和保健功能，市場的需求逐漸擴大，谷子產業的發展面臨著新的機遇。

谷子生長過程中需要從土壤中吸收大量的養分，因此，土壤是谷子生存的基礎。不同的土壤，不同的施肥方式以及不同的肥料品種都會直接影響谷子的養分吸收量和元素間的比例[3]，進而影響谷子的農藝性狀、養分積累及其產量。研究表明，作物產量提高過程中肥料貢獻率超過40%[4]，不同施肥量對谷子產量影響顯著[5]。宋淑賢等[6]指出施用氮肥能夠顯著改善谷子的產量性狀、明顯提高籽粒產量，單位面積有效穗數、穗粒重、生物產量、經濟產量在一定范圍內隨施氮量的增加而增加。

谷子生育期一般需施肥2～3次，以滿足谷子不同生育階段對養分的需求[7]，但是，多次施肥導致了肥料過量施用和勞動力投入成本的增加。不可否認，長期以來隨著農業生產的發展，肥料的施用量在迅速增加，過多的施用量不僅造成肥料利用率的下降，導致增肥不增產，同時也會引起嚴重的環境污染，進而威脅農業的可持續發展[8-9]。因此，提高肥料利用率，減少施肥不當帶來的資源浪費和環境污染，是當今亟需解決的難題。優化施肥種類和方式是有效解決上述問題的措施之一，控釋肥可以控制肥料養分釋放速率，具有安全、長效、高效等特點，其氮素利用率較等量施用的普通肥料可提高59.6%～65.7%，在減量施用的情況下仍可保持穩產甚至增產[10]。控釋肥一次性基施是提高肥料利用率、節約勞動成本的重要手段[11].

目前，關于控釋氮肥對農作物產量、養分累積和農藝性狀的研究已有很多，王曉琪等[12]在水稻上的研究指出，與普通尿素相比，施用控釋氮肥可增產4.1%～17.0%, 提高氮肥利用率7.1%～46.7%，每公頃水稻增收793.9～3582.9元；楊修一等[13]在對棉花的研究中發現，施用控釋氮肥可以促進棉花的光合作用，促進棉花的干物質積累。但是控釋氮肥在谷子上的應用效果鮮有研究，本研究通過兩年的田間試驗，比較兩種包膜緩控釋肥料的不同施肥方式對谷子產量、養分累積及其農藝性狀的影響，以期獲得谷子的最佳施肥方式，為谷子的輕簡化栽培提供強有力的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗地位于山東省泰安市岱岳區山東農業大學馬莊試驗站，土地平整，灌溉排水條件較好，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13℃，年平均降水量為688.3 mm，日照時數2536.2 h，平均霜期172.9天。耕層土壤 (0—20 cm) 的主要理化性質為pH 7.2(水土比2.5∶1)、土壤有機質含量11.6 g/kg、土壤全氮0.75 g/kg、堿解氮72.3 mg/kg、有效磷21.3 mg/kg、速效鉀78.6 mg/kg。

供試谷子品種為濟谷16，由山東省農科院作物研究所提供。供試肥料包括硫包膜尿素 (控釋期三個月，含N 35%)、樹脂包膜尿素 (控釋期三個月，含N 43%)、尿素 (含 N 46%)、過磷酸鈣 (含 P2O518%)、磷酸二銨 (含N 18%，含P2O546%)、硫酸鉀(含 K2O 51%)。

1.2 試驗設計

供試氮肥包括普通尿素，硫包膜和樹脂包膜兩種緩釋氮肥。緩釋氮肥施用均以2/3緩釋氮素配合1/3普通尿素氮，以不施氮肥為對照 (CK)。在施氮總量均為225 kg/hm2基礎上，設：常規施肥 (NPK，氮肥全為普通尿素，2/3尿素基施、1/3追施)；硫包膜尿素追肥處理 (SN2，2/3硫包膜尿素基施，追施1/3普通尿素)；樹脂包膜尿素追肥處理 (RN2，2/3樹脂包膜尿素基施，追施1/3普通尿素)；硫包膜尿素一次性基施處理 (SN1，硫包膜尿素一次性基施，不追肥)；樹脂包膜尿素一次性基施處理 (RN1，樹脂包膜尿素一次性基施，不追肥)。所有處理的磷肥和鉀肥用量相同，均作基肥一次性施入，每個處理3次重復，小區面積27.5 m2(5.5m × 5m)，隨機區組排列。分別于2015年6月24日和2016年6月28日播種，行距為40 cm，用谷子精播機播種，播種量為7500 g/hm2，分別于2015年7月15日和2016年7月17日間苗，8月6日進行追肥，追肥后統一灌溉，9月29日收獲。

1.3 樣品采集及分析

谷子成熟期調查株高、葉長、葉寬、莖粗、穗長、穗粗、單穗質量等農藝性狀，測定葉綠素含量。采用人工摘穗的方式收獲，實測小區產量和秸稈生物量。

采集植株樣品，殺青后，75℃烘干至恒重，分別將秸稈和谷粒粉碎、過篩，測定氮磷鉀含量。植株全氮含量采用凱氏定氮法測定；植株全磷含量采用釩鉬黃比色法；植株全鉀含量采用火焰光度計法測定[14]。

1.4 數據處理

氮肥利用效率的計算方法[15]：

氮肥農學效率 (ANUE，kg/kg) = (施氮區產量-對照區產量)/施氮量；

氮肥生理效率 (PNUE，kg/kg) = (施氮區產量-對照區產量)/(施氮區地上部吸氮量-對照區地上部吸氮量)；

氮肥表觀效率 (NRE) = (施氮區地上部吸氮量-對照區地上部吸氮量)/施氮量 × 100%。

用SPSS16.0軟件進行統計分析，采用Microsoft Excel 2010軟件進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對谷子農藝性狀的影響

施用控釋肥能顯著改善谷子農藝性狀 (表1)，各施肥處理的農藝性狀均顯著優于CK處理。2015年施用SN2、RN2、SN1和RN1控釋氮肥處理顯著提高了谷子的莖粗、葉長和葉寬，各控釋氮肥處理的莖粗、葉長和葉寬顯著大于常規施肥(NPK)的，提高幅度為6.6%～11.0%、10.3%～17.1%和6.9%～10.3%，而株高差異未達顯著水平。2016年施用SN2、RN2、SN1和RN1控釋氮肥處理顯著提高了谷子的莖粗，各控釋氮肥處理的莖粗顯著大于NPK，提高幅度為12.5%～25.0%，而株高、葉長和葉寬均未達顯著水平。不同種類包膜尿素對株高、莖粗、葉長和葉寬的影響差異不顯著，SN2、RN2、SN1和RN1控釋氮肥處理間的株高和葉寬差異也不顯著，而RN1處理的莖粗顯著大于SN2和RN2處理，分別提高了13.2%和12.0%，SN1處理的葉長顯著大于SN2處理，提高了7.0%。結果表明，施用控釋氮肥提高了谷子的莖粗和葉長，其中以一次性基施效果最好。

2.2 不同施肥處理對谷子葉綠素含量的影響

葉綠素含量不僅是衡量植物葉片光合性能的重要指標，而且對于作物的產量形成十分重要，SPAD值是衡量植物葉片葉綠素含量的重要參數。施肥顯著提高了谷子葉片SPAD值 (圖1)，控釋氮肥SN1的葉片SPAD值在2015年和2016年均最大，與CK相比分別提高了22.9%和24.4%。對于樹脂包膜尿素處理來說，RN2和RN1處理的葉綠素SPAD值差異未達顯著水平。2016年各施肥處理間的葉片SPAD值差異也較大，與NPK處理相比，控釋氮肥SN1處理的葉片SPAD值顯著提高了17.6%。并且一次性基施硫包膜控釋氮肥處理的葉片SPAD值顯著大于硫包膜控釋氮肥后期追肥的處理，提高了8.8%。表明一次性基施硫包膜控釋氮肥可以促進谷子葉片的葉綠素合成和光合作用。

表 1 不同施肥處理谷子農藝性狀Table 1 Agronomic traits of millet under different fertilization treatments

圖 1 不同施肥處理的葉綠素含量Fig. 1 Chlorophyll content in various fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對谷子產量的影響

不同施肥處理間谷子產量及產量構成因素存在不同程度的差異 (表2)，各施肥處理的穗粗、單穗重、穗長均顯著大于CK處理。2015年的試驗數據表明，控釋氮肥SN1和RN1處理的谷子穗粗顯著高于NPK處理，提高幅度為10.7%～11.6%，但穗長和單穗重的差異均未達顯著水平，2016年除CK外的其它施肥處理間產量構成因素無顯著差異。

各控釋氮肥處理的谷子產量顯著大于NPK處理，在2015和2016年提高幅度分別為2.8%～9.0%和11.9%～20.2%，此外，一次性基施控釋氮肥處理的谷子產量均顯著大于施用同種控釋氮肥的追肥處理，其中硫包膜尿素處理提高了5.7%～7.3%，樹脂包膜尿素處理提高了2.8%～5.8%。不管是一次性施肥還是控釋肥的基肥追肥處理 (SN2和RN2、SN1和RN1)，兩種包膜類型控釋肥處理間的谷子產量差異不顯著。

表 2 不同施肥處理谷子產量及其構成因素Table 2 Yield and yield components of foxtail millet under different treatments

2.4 不同施肥處理對谷子秸稈和籽粒氮磷鉀含量的影響

植株體內氮磷鉀含量是衡量植株生長狀況的重要指標，與籽粒產量呈顯著正相關[16]。谷子秸稈和籽粒中的氮含量可表征氮素在植物體內的運移 (圖2)。與常規施肥處理相比，一次性控釋氮肥處理顯著提高了秸稈氮含量，在2015、2016年提高幅度分別為11.7%～13.0%、9.7%～10.6%，但控釋肥的追肥處理與常規施肥處理的秸稈氮含量差異并不顯著，同時，一次性基施樹脂包膜尿素和硫包膜尿素處理間的秸稈氮含量無顯著性差異。谷子籽粒氮含量呈現出了同樣的規律，只有控釋氮肥RN1和SN1處理顯著高于NPK處理，兩年的提高幅度分別為9.7%～10.6%、5.8%～7.0%，而其它施肥各處理間差異均不顯著。同樣，一次性基施樹脂包膜和硫包膜尿素處理的籽粒氮含量無顯著性差異。

圖 2 不同施肥處理的谷子秸稈和籽粒氮含量Fig. 2 Nitrogen contents in straw and grain of foxtail millet under different fertilization treatments

圖 3 不同施肥處理下谷子秸稈和籽粒磷含量Fig. 3 Phosphorus contents in straw and grain of foxtail millet under different fertilization treatments

谷子秸稈和籽粒磷含量與氮含量趨勢一致 (圖3)。除NPK外，其它各施肥處理的秸稈和籽粒磷含量較CK均顯著提高。控釋氮肥SN1和RN1處理的秸稈和籽粒磷含量均顯著大于NPK處理，其中SN1處理的秸稈和籽粒磷含量在2015年分別提高了5.1%、12.2%，RN1提高了4.8%、10.9%；在2016年，SN1處理的秸稈和籽粒磷含量分別提高了38.0%、10.9%，RN1提高了22.7%、9.4%。另外，SN2和RN2的秸稈和籽粒磷含量與NPK處理差異均不顯著。

2015年和2016年各施肥處理的秸稈和籽粒鉀含量較CK均顯著提高 (圖4)，2015年一次性施用硫包膜控釋尿素處理的秸稈和籽粒鉀含量顯著大于硫包膜尿素追肥處理，分別提高了12.2%和2.2%。而同種樹脂包膜控釋尿素處理秸稈和籽粒鉀含量差異不顯著。2016年一次性基施控釋氮肥處理的秸稈和籽粒鉀含量均顯著大于追肥處理，其中硫包膜尿素處理提高了19.7%和20.6%，樹脂包膜尿素處理提高了10.2%和10.3%；但控釋氮肥處理SN1和RN1的谷子秸稈和籽粒鉀含量差異不顯著。

2.5 不同施肥方式的谷子氮素利用率

肥料利用率主要取決于作物的吸收能力和土壤、肥料供應養分的能力[17]。不同施肥處理間的氮肥利用率差異顯著 (表3)，2015年和2016年控釋氮肥處理 (SN2、RN2、SN1、RN1) 的谷子地上部氮素積累量均顯著高于NPK處理，提高幅度分別為12.1%～13.9%和10.1%～19.3%。而兩種不同類型的控釋氮肥在一次性施肥時其谷子地上部氮素累積量差異不顯著。與NPK處理相比，控釋氮肥處理的氮肥農學利用效率兩年提高幅度分別為20.4%～74.1%和22.2%～76.8%。與NPK相比，控釋氮肥處理的氮肥生理利用效率分別提高了19.7%～53.2%和26.6%～49.0%；控釋氮肥處理的氮肥表觀利用效率兩年提高幅度分別25.9%～60.2%和37.4%～71.1%。2015年控釋氮肥處理SN1的谷子地上部氮素累積量顯著大于控釋氮肥處理SN2，提高了5.4%。2016年一次性基施樹脂包膜和硫包膜尿素處理的谷子地上部氮素累積量均顯著大于控釋氮肥的基肥追肥處理，分別提高了4.4%和7.9%。此外，一次性基施控釋氮肥處理的各項利用率指標均高于控釋氮肥的基肥追肥處理。

圖 4 不同施肥處理下谷子秸稈和籽粒鉀含量Fig. 4 Potassium contents in straw and grain of foxtail millet under different fertilization treatments

表 3 不同施肥處理的谷子地上部植株體內氮累積量及氮肥利用率Table 3 Nitrogen accumulation and utlization efficiency of foxtail millet under different fertilization treatments

3 討論

氮肥的合理運籌是追求作物高產、優質的重要措施，氮素的供應水平會直接影響谷子的農藝性狀、產量[18]。谷子常規施肥中主要以施用尿素為主，尿素氮的損失主要有反硝化損失、地表徑流損失、硝態氮淋失、氨揮發損失等幾種途徑。本試驗谷子生長季為6月下旬到9月下旬，為華北平原地區的炎熱多雨期，在此期間極易發生硝態氮淋失和地表徑流，還會加劇硝酸鹽的反硝化作用[19]，高溫還會導致氨揮發速率加快[20]，造成氮素的損失。而控釋氮肥由于氮素釋放緩慢，可以大大減少土壤中的氨揮發和氮素淋溶，保證谷子生育期的土壤氮含量，促進作物對氮素的吸收。本試驗中，兩種緩釋尿素一次性基施 (SN1、RN1) 處理的谷子地上部氮素累積量顯著高于其他處理，第二年試驗結果更好 (表3)。而兩種緩釋尿素基施配合尿素追施的 (SN2、RN2) 效果在本試驗中普遍低于一次性基施處理 (表2)，這是由于控釋尿素在谷子苗期提供的速效氮素不能滿足谷子苗期營養需要，影響谷子苗期生長，進而影響后期谷子的產量。向春陽等[21]在玉米的試驗也有類似的結果。說明一次性基施控釋氮肥和普通尿素，可以減少施肥次數，達到節約勞動力成本和提高產量的目的。

氮肥的農學利用率 (ANUE)、生理利用率 (PNUE)、表觀利用率 (NRE) 是反映作物對肥料中氮素吸收利用效果的重要指標[22]。關于控釋氮肥對氮肥利用率的影響前人已做了大量研究，且已證實與普通尿素相比，控釋氮肥可以提高氮肥利用率。本試驗中，與常規施肥相比，一次性基施控釋氮肥處理的氮肥農學利用效率、生理利用效率、表觀利用率分別提高54.9%～57.4%、12.4%～57.4%、56.3%～57.6%，這與 Zheng[23]、Shoji等[24]、Geng 等[25]在小麥、玉米、棉花等作物上的研究結果一致。控釋氮肥與普通尿素配合一次性基施還可以提高作物葉綠素及可溶性蛋白含量，促進作物的干物質積累[26]。此外，在本試驗中，施用控釋氮肥的處理谷子的秸稈和籽粒中除氮含量較高外，磷鉀的含量也有顯著提高。紀德智等[27]在其對玉米的研究中也指出，施用控釋氮肥為作物提供了充足的氮素，促進了作物根系生長，進而提高了作物對磷鉀的吸收，這與本研究結果一致。

本試驗中施用硫包膜尿素的處理產量略高于樹脂包膜尿素處理，但在谷子產量和氮素利用效率方面差異不顯著，表明其效果是相當的。在有選擇余地的時候，可選擇價格較低的緩釋肥與尿素配合，達到節省成本的目的。

4 結論

施用控釋氮肥可以促進谷子的葉綠素合成及植株氮素累積，與傳統施肥方式相比，施用控釋氮肥處理的氮肥表觀利用率提高了29.2%～57.7%，產量增加了2.8%～20.2%，且控釋氮肥一次性基施的效果優于追肥處理，氮肥表觀利用率提高了12.0%～23.5%，產量增加了2.8%～7.5%，但不同控釋氮肥種類在相同施肥方式的情況下沒有顯著差異。因此，在谷子生產中推廣控釋氮肥的一次性基施具有重要的實踐意義，然而在“減肥增效”的背景下，減量施用控釋氮肥能否保持谷子穩產，還有待更深入地研究。