含2.5%基質材料尿素的氮緩釋特性及其與作物生長吻合性

岳艷軍，吳躍進，楊 陽*，劉斌美，倪曉宇，陶亮之，余立祥，楊 葉，馮夢喜，鐘雯瑾

（1 河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453731；2 中國科學院合肥物質科學研究院技術生物與農業工程研究所，安徽合肥 230031；3 安徽省環境友好高效化肥農藥工程實驗室，安徽合肥 230031）

糧食生產需要大量的氮肥投入，在獲得高產的同時，也導致氮肥利用率較低，環境風險增加。我國玉米的氮肥利用率通常不足施氮量的50%[1]，水稻氮肥利用率平均在40%以下[2]。氮肥損失引發諸多生態環境問題，如空氣污染 (氨揮發)、水體富營養化、生物多樣性降低等[3-5]。施用緩釋肥料[6]、氮肥深施[7]、分次 (多次) 施肥[8]可有效提高氮肥的利用率，降低氮肥的損失，但后兩種途徑需要較多的農業機械和勞動力投入，較難推廣[9]。緩釋肥料被證明是減少氮肥損失的一條有效途徑，其施用無需額外農業機械和勞動力投入，但多數緩釋肥料價格較高，在農業生產中并未得到大面積推廣[10]。因此，亟需研發應用低成本緩釋肥料。

降低緩釋肥料生產成本的途徑主要有:選擇低成本的緩釋材料、降低緩釋材料在肥料中的添加量、優化緩釋肥料生產工藝等[6,10-12]。與包膜材料相比，添加到肥料顆粒中的基質材料價格較低，因此更有希望用于生產低成本緩釋肥料[11]。前期研究表明，在基質材料添加量為5%～10%的條件下，基質肥料表現出良好的養分緩釋效果[11,13]。但是，較高的基質材料添加量導致基質型緩釋肥料成本偏高而有效養分 (如氮素) 含量偏低。根據我國最新國家標準(GB/T 2440-2017)，尿素產品的總氮含量需 ≥ 45%，該標準意味著尿素產品中的附加材料需 ≤ 2.5%。如此低的添加量能否產生明顯緩釋效果，直接關系到基質型緩釋肥料的未來發展。當前，在基質材料添加量僅為2.5%的條件下，基質型緩釋肥料的養分緩釋性能及其對作物生產的影響尚不明確。

基于當前研究現狀，本研究通過田間小區試驗，結合室內模擬評價方法，分析2.5%基質改性緩釋尿素對水稻和玉米的影響，并從土壤氮素損失和植物形態生理特征方面初步揭示其影響機制，旨在為基質肥料的研發應用提供科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和供試材料

2016 年和2017 年在中國科學院合肥物質科學研究院肥效試驗基地 (31°54′N、117°09′E，海拔27 m)的旱作區和水田區，連續進行了2 季水稻和2 季玉米田間試驗。在2016 和2017 年水稻季，總降水量分別為480.2 和352.3 mm；平均氣溫分別為26.4 和26.0℃。在2016 和2017 年玉米季，總降水量分別為368.3 和288.7 mm；平均氣溫分別為27.3 和26.8℃。在水稻和玉米季之外的時期，田間小區進行休閑處理。供試水稻品種為當粳8 號 (Oryza sativa L.‘Dangjing 8’)，供試玉米品種為鳳糯476 (Zea mays L. ‘Fengnuo 476’)。0—20 cm 土壤基本性質見表1。

供試氮肥為尿素 (含N 46.4%) 和基質型緩釋尿素 (含N 45.2%、基質材料2.5%)；供試磷肥為過磷酸鈣 (P2O516%)；水稻供試鉀肥為氯化鉀 (K2O 60%)，玉米為硫酸鉀 (K2O 50%)。緩釋尿素中添加的基質材料由改性蒙脫石、有機聚合粘結劑等組成[11]。緩釋尿素采用高塔造粒法生產[10]，其主要生產工藝:尿素熔融，基質材料粉體傳輸混合到熔融尿素料漿中，混合料漿高塔噴灑冷卻造粒，顆粒表面疏水防結塊改性修飾，顆粒過篩與粒徑分級。所用肥料均由河南心連心化肥有限公司提供。

1.2 試驗設計

1.2.1 田間試驗 設3 個處理:無氮對照 (CK)、常規尿素 (CU) 、緩釋尿素 (SRU)。試驗小區按照隨機區組設計分布，每個處理重復3 次。小區面積為50 m2(10 m × 5 m)，小區之間設置1 m 寬走道。稻田在走道兩側埋設40 cm 深的塑料薄膜用于阻隔小區間的水分和養分流動。水稻施氮處理的施氮量均為N 150 kg/hm2，玉米施氮處理的施氮量均為N 195 kg/hm2。水稻各處理均施磷肥P2O560 kg/hm2，施鉀肥K2O 60 kg/hm2；玉米各處理均施磷肥P2O545 kg/hm2，施鉀肥K2O 45 kg/hm2。在稻田，所有磷肥和鉀肥做基肥一次施用 (撒施，翻耕混入0—20 cm 耕層)，氮肥有70%做基肥、30%做分蘗肥；在玉米田，所有肥料均作基肥一次施用 (撒施，翻耕混入0—20 cm 耕層)。水稻采用人工插秧移栽，株行距均為20 cm；玉米采用人工播種，株距30 cm，行距40 cm。水稻和玉米田間管理參照常規方法，各小區保持一致。

1.2.2 淋溶試驗 設3 個處理:無氮對照、常規尿素、緩釋尿素。其中，無氮對照用于消除土壤背景氮素影響。每個處理重復5 次。試驗設置方法[6]:1)對于稻田土壤，將8.5 kg 過篩 (2 mm) 風干土和0.471 g 氮肥 (折合純氮，常規尿素或緩釋尿素) 混合；2) 對玉米田土壤，將8.5 kg 過篩 (2 mm) 風干土和0.612 g 氮肥 (折合純氮，常規尿素或緩釋尿素) 混合。然后將其分別填充至亞克力透明淋溶管中 (高40 cm、直徑20 cm)，管內土柱高度約20 cm。在土柱上方覆蓋0.8 kg 烘干河沙 (厚度約1 cm)。加入蒸餾水并在土柱上方維持2 cm 水層，連續收集淋溶液。按淋溶液體積，每淋出940 mL 為1 個樣品 (約需13～16 min)，連續收集30 個樣品。

1.2.3 氨揮發試驗 包含3 個處理:無氮對照、常規尿素、緩釋尿素。其中，無氮對照用于消除土壤背景氮素影響。每個處理重復5 次。試驗設置方法[6]:稱量8.5 kg 過篩 (2 mm) 風干土和0.471 或0.612 g 氮肥 (折合純氮，稱樣量同上述淋溶試驗) 混合。然后將其分別填充至亞克力透明氨揮發氣室中 (高40 cm，直徑20 cm)，氣室內土柱高度約為20 cm。對于玉米田土壤，將土壤含水量維持在70%田間持水量；對于稻田土壤，使土柱上方保持2 cm 水層。土柱在25℃培養，期間采用間歇通氣酸吸收法[6]收集揮發出的氨，以3 d 累積收集的氨作為1 個樣品，連續采集30 d，總計獲得不同時間段的10 個樣品。

1.3 樣品采集與測定分析

1.3.1 植株形態與生理特征 在水稻抽穗期和玉米吐絲期，測定植株形態 (株高、葉面積和根系表面積) 和生理特征 (葉綠素、硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶)。每個小區采集10 株，根系按照直徑30 cm、高30 cm 的規格采集土柱，用自來水浸泡沖洗去除土壤。株高采用卷尺測量。葉面積借助WinFOLIA葉面積分析系統 (加拿大Regent) 測量。水稻葉面積指數表示為單位種植面積上的水稻總葉面積[6]。根系表面積借助WinRHIZO 根系分析系統 (加拿大Regent) 測量。在每個小區的植株樣品中隨機抽取10 個水稻劍葉或5 個玉米穗位葉，剪碎混勻、液氮保存作為該小區的葉片樣品，然后參照常規植物生理實驗方法測定葉片葉綠素含量[14]、硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性[15]。

表 1 水稻和玉米田耕層土壤基本性質Table 1 Properties of paddy and maize fields in the 0-20 cm soil depth

1.3.2 生物產量與籽粒產量 于成熟期測定生物學產量和籽粒產量。對整個試驗小區進行收獲 (不含邊行)，對收獲的樣品烘干測定含水量[6]。水稻有效穗數以1 m2(1 m × 1 m) 樣方數據計算，每個小區隨機設置1 個樣方。在水稻和玉米的每個小區隨機采集20 穗，測定穗粒數。千粒重借助自動數粒機計數測定，重復3 次。

1.3.3 土壤礦質氮 在水稻抽穗期和玉米吐絲期，采集0—20 cm 耕層土壤樣品。每個小區按照W 形路線采集5 個點土壤樣品混勻作為該小區土壤樣品。土壤礦質氮 (包括硝態氮和銨態氮) 采用1 mol/L 氯化鉀溶液浸提，借助AA3 連續流動分析儀(德國Bran + Luebbe) 測定[6]。

1.3.4 淋溶與揮發樣品氮素含量 淋溶樣品中的氮素含量采用對二甲氨基苯甲醛比色法測定[11]。揮發樣品中氨用0.005 mol/L 硫酸滴定法測定[10]。

1.4 計算與統計分析

利用通徑分析比較不同產量構成要素對籽粒產量的貢獻[16]。肥料氮素淋溶率表示為肥料氮素淋出量與肥料氮素總施用量的比值；肥料氮素氨揮發率表示為肥料氮素氨揮發量與肥料氮素總施用量的比值[6]。肥料氮素累積淋溶率和肥料氮素累積氨揮發損失率采用邏輯斯諦方程擬合[17-18]；利用OriginPro 2015 擬合邏輯斯諦方程。借助SAS 9.1 進行均值差異顯著性檢驗 (基于最小顯著差異LSD 法) 和通徑分析。

2 結果與分析

2.1 植株形態與生理特征

2.1.1 株高 表2 顯示，緩釋尿素處理的抽穗期水稻株高兩年平均值比常規尿素處理高4.5% ，但差異不明顯；吐絲期玉米株高兩年平均值比常規尿素處理高12.4% (P ＜ 0.05)。這可能與緩釋尿素處理土壤礦質氮素含量較高，有利于改善植株氮素營養狀況有關。

表 2 抽穗期水稻和吐絲期玉米的株高、葉面積、根系表面積與葉片葉綠素含量Table 2 Shoot height, leaf area, root area and leaf chlorophyll at rice heading stage and maize silking stage

2.1.2 葉面積 表2 顯示，緩釋尿素處理的抽穗期水稻葉面積指數兩年平均值比常規尿素處理高9.8%(P ＜ 0.05)；吐絲期玉米葉面積兩年平均值比常規尿素處理高11.5% (P ＜ 0.05)。

2.1.3 根系表面積 表2 顯示，緩釋尿素處理的抽穗期水稻根系表面積兩年平均值比常規尿素處理高9.5% (P ＜ 0.05)；吐絲期玉米根系表面積兩年平均值比常規尿素處理高5.0%但差異不明顯。

2.1.4 葉片葉綠素含量 表2 顯示，緩釋尿素處理的抽穗期水稻葉片葉綠素含量兩年平均值比常規尿素處理高18.5% (P ＜ 0.05)；吐絲期玉米葉片葉綠素含量兩年平均值比常規尿素處理高7.8% (P ＜ 0.05)。

2.1.5 葉片氮同化酶 表3 顯示，緩釋尿素處理的抽穗期水稻葉片硝酸還原酶活性兩年平均值比常規尿素處理高19.6% (P ＜ 0.05)，葉片谷氨酰胺合成酶活性兩年平均值比常規尿素處理高17.7% (P ＜ 0.05)；緩釋尿素處理的吐絲期玉米葉片硝酸還原酶活性兩年平均值比常規尿素處理高20.3% (P ＜ 0.05)，葉片谷氨酰胺合成酶活性兩年平均值比常規尿素處理高11.5% (P ＜ 0.05)。這可能與緩釋尿素處理較高的土壤礦質氮含量有關。

2.2 生物學產量、籽粒產量與產量構成要素

2.2.1 生物學產量與籽粒產量 表4 顯示，緩釋尿素處理的水稻和玉米生物學產量均顯著高于常規尿素處理 (P ＜ 0.05)。與常規尿素處理相比，緩釋尿素處理水稻籽粒產量兩年平均值提高17.2% (P ＜ 0.05)，玉米籽粒產量兩年平均值提高6.6% (P ＞ 0.05)。這可能與緩釋尿素處理提高土壤礦質氮含量、改善作物生長和生理特征有關。

2.2.2 產量構成要素 表4 顯示，緩釋尿素處理的水稻單位面積有效穗數均顯著高于常規尿素處理 (P ＜0.05)；緩釋尿素處理的水稻穗粒數在3 個處理中最低；緩釋尿素處理的水稻千粒重略高于常規尿素處理 (P ＞ 0.05)。相比常規尿素處理，緩釋尿素處理玉米穗粒數兩年平均值提高5.4% (P ＞ 0.05)；緩釋尿素處理的玉米千粒重均略高于常規尿素處理 (P ＞ 0.05)。該結果說明緩釋尿素處理對水稻和玉米籽粒產量具有不同的影響機制。

表 3 水稻抽穗期和玉米吐絲期葉片硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性Table 3 Leaf nitrate reductase and glutamine synthetase at rice heading stage and maize silking stage

表 4 水稻和玉米生物量、籽粒產量及產量構成要素Table 4 Biomass, grain yield and yield components of rice and maize

2.2.3 通徑分析 圖1 顯示，水稻有效穗數對籽粒產量的總體貢獻分別為0.9562 (2016 年) 和1.0863(2017 年)，高于穗粒數和千粒重的總體貢獻。玉米穗粒數對籽粒產量的總體貢獻分別為0.9589 (2016年) 和0.9711 (2017 年)，高于千粒重的總體貢獻。綜上，本研究中影響水稻籽粒產量的主要產量構成因素為有效穗數，影響玉米籽粒產量的主要產量構成因素為穗粒數。

2.3 氮素淋溶與氨揮發損失風險

2.3.1 氮素淋溶損失 圖2 顯示，肥料氮素累積淋溶率隨時間 (淋溶樣品序號) 的變化特征可以用邏輯斯諦方程擬合 (P ＜ 0.01)。在稻田土壤和玉米田土壤模擬條件下，常規尿素的氮素淋溶損失均高于緩釋尿素處理。例如，在稻田土壤條件下，常規尿素的氮素累積淋溶率峰值 (a = 62.40%) 高于緩釋尿素處理(a = 49.06%)；常規尿素氮素累積淋溶率達到峰值的時間 (k = 1.18) 早于緩釋尿素處理 (k = 0.70)；常規尿素的最大瞬時淋溶速率 (a·k/4 = 18.41%/次) 高于緩釋尿素處理 (a·k/4 = 8.59%/次)；常規尿素的最大瞬時淋溶速率出現的時間[ln(b/k) = 2.99 次]早于緩釋尿素處理[ln(b/k) = 3.32 次]。綜上，緩釋尿素具有較低的氮素淋溶損失風險。

2.3.2 氨揮發損失 圖2 顯示，肥料氮素累積氨揮發損失率隨時間 (施肥后天數) 的變化特征可以用邏輯斯諦方程擬合 (P ＜ 0.01)。在稻田土壤和玉米田土壤模擬條件下，常規尿素的累積氨揮發損失率始終高于緩釋尿素處理。例如，在稻田土壤條件下，常規尿素的累積氨揮發損失率峰值 (a = 17.05%) 高于緩釋尿素處理 (a = 10.23%)；常規尿素和緩釋尿素處理的累積氨揮發損失率達到峰值的時間較接近 (k 值)；常規尿素的最大瞬時氨揮發損失速率 (a·k/4 = 0.95%/d)高于緩釋尿素處理 (a·k/4 = 0.58%/d)；常規尿素和緩釋尿素處理的最大瞬時氨揮發損失速率出現的時間較接近[ln(b/k) 數值]。綜上，緩釋尿素具有較低的氮素氨揮發損失風險。

圖 1 產量構成要素對籽粒產量貢獻的通徑分析Fig. 1 Path analysis of the contributions of yield components to grain yield

2.4 土壤礦質氮含量

表5 顯示，水稻抽穗期緩釋尿素處理的稻田土壤礦質氮含量兩年平均值比常規尿素處理高9.2% (＜0.05)；玉米吐絲期緩釋尿素處理的玉米田土壤礦質氮含量兩年平均值比常規尿素處理高18.1% (P ＜0.05)。這可能與緩釋尿素處理較低的氮素淋溶和氨揮發損失風險有關。

3 討論

3.1 基質材料添加量減少至2.5%對緩釋尿素肥效的影響

緩釋尿素中添加的基質材料由改性蒙脫石和有機聚合粘結劑等組成，具有較強的絮凝團聚效應[10]，可在施肥位置與土壤顆粒形成透性較低的微團聚體，從而減少肥料養分向土壤溶液的釋放[18]。基質材料在土壤中可形成復雜微納米級網狀結構，該結構上具有豐富的吸附位點，對土壤養分產生較強吸附作用，從而減緩養分釋放[11,13]。通常基質材料添加量越大，絮凝團聚效應越強，養分緩釋效果越明顯[11]。本研究通過兩年大田試驗，在等量氮投入下，2.5%基質改性緩釋尿素與常規尿素相比，水稻顯著增產17.2%，玉米增產6.6% (P ＞ 0.05)。證明按照最新國家標準，將基質添加量降低到2.5%后，制備的改性緩釋尿素依然具有增產作用，符合農業生產對新型肥料的基本要求。

圖 2 肥料氮素累積淋溶率和累積氨揮發損失率變化特征 ( n = 5)Fig. 2 Characteristics of cumulative N leaching rate and cumulative NH3 emission rate

3.2 緩釋尿素處理下玉米和水稻籽粒產量的差異分析

作物籽粒產量差異來源于產量構成要素的變化[19-20]。通徑分析結果表明，在本研究條件下，水稻籽粒產量主要取決于有效穗數；玉米籽粒產量主要取決于穗粒數。產量構成要素數據 (表4) 表明，相比常規尿素，緩釋尿素顯著提高水稻畝穗數，提高玉米穗粒數 (尤其2017 年)。水稻生育前期氮素供應良好有利于提高水稻分蘗成穗數，中、后期氮素供應則影響籽粒灌漿能力[16]。在本研究中，緩釋尿素提高水稻畝穗數 (表4)，說明緩釋尿素處理的水稻早期氮素營養有利于促進分蘗成穗；但是緩釋尿素處理在水稻生殖生長后期出現脫肥問題，穗粒數下降(表4)，表明該緩釋肥的氮素釋放與水稻全生育期的氮素需求的吻合度還需進一步提高。與水稻不同，緩釋尿素可提高玉米穗粒數和千粒重 (表4)，說明該緩釋尿素的氮素釋放更加吻合玉米整個生育期的氮素需求。

3.3 緩釋尿素處理改善玉米和水稻植株生長的原因分析

本研究通過室內模擬評價發現，相比常規尿素，2.5%基質改性緩釋尿素具有較低的氮素淋溶和氨揮發損失風險。淋溶試驗表明，經過6 次淋溶，普通尿素中的氮素基本溶出，曲線達到峰值并穩定(圖2)；而緩釋尿素的前6 次淋溶出的氮素雖然也增加迅速，但淋出量小于尿素，且在6 次后直到第30 次淋洗，仍有一定的氮素釋放，顯示出一定的養分緩慢溶出、持續供應的特性。從土壤養分測定結果 (表5) 也證實，緩釋尿素在施入土壤后，在水稻抽穗期和玉米吐絲期土壤礦質氮含量高于常規尿素處理。此時較高的土壤有效氮含量，改善了葉片的氮素營養，因而，葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性顯著高于普通尿素處理，反應在生長上，則顯著提高了株高、葉面積、葉綠素含量和根系表面積。這些作物形態生理特征的改善又反過來增強了作物對土壤氮素的吸收利用，提升了作物生產力[21-24]。

表 5 水稻抽穗期和玉米吐絲期土壤礦質氮含量 (N mg/kg)Table 5 Soil inorganic nitrogen concentration at rice heading stage and maize silking stage

4 結論

在基質材料添加量僅為2.5%的條件下，基質改性緩釋尿素可降低氮素的淋出速率，提高水稻抽穗期和玉米吐絲期氮素的供應，進而促進葉片氮素合成酶活性，提高營養生長，最終增加產量。同時，基質材料還具有減少氮素淋溶和氨揮發損失的趨勢，降低環境風險。依據產量性狀判斷，該緩釋肥料的氮素釋放與玉米生長較為契合，而水稻后期略顯脫肥，因此，更合理的比例還需進一步研究。