秸稈還田及不同比例控失尿素對華北平原小麥產量及潮土性質影響

張水清，涂昊澤，岳克，黃紹敏，張 博，宋曉，郭斗斗，張珂珂，岳艷軍

（1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002；2.華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070；3.河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南 新鄉 453700）

化肥是重要的農業生產資料，特別是化學速效氮肥的生產與施用推動著我國作物產量逐年攀升。隨著速效氮肥施用量的增加，氮肥施用所產生的問題也日益突出。由于過量和不合理地施用，氮素利用率和對產量提升的貢獻率降低[1]，土壤酸化、溫室氣體大量排放、農業面源污染等環境問題不斷涌現[2-5]。農業農村部分別于2015、2022年發布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》及《到2025 年化肥減量化行動方案》，旨在提高氮肥利用效率。鑒于此，研發高肥效、環保型氮肥是肥料行業響應國家政策的責任與擔當，也是未來綠色農業發展的方向。而緩釋氮肥能根據不同作物不同生育階段對不同養分的需求來調節其釋放速率和釋放時間，從而做到促控協調，滿足作物生育期內對養分的需求，同時還能降低氮素淋失，減少對環境的污染，是理想的新型氮肥[6]。

控失尿素是一種添加改性材料以固定氮素的新型緩釋氮肥，可以固定氮肥、減少肥力流失、提高氮肥利用率[7]。大量研究表明，控失尿素施用可提高作物產量、肥料利用率和經濟效益[8-11]。周麗平等[10]的研究表明，在種植夏玉米時施用控失尿素相較傳統尿素減少氨揮發近20%，平均產量提升13.5%。華北平原是我國重要的糧食生產地，該地區以夏玉米-冬小麥的生產方式為主，秸稈還田措施在此地區已大面積推廣，控失尿素替代普通尿素并未大面積推廣。岳克等[9]在河南新鄉進行的研究表明，與普通尿素相比，在種植冬小麥時施用控失尿素可增產8.1%，提高小麥氮肥利用率9.6%。在種植玉米時，控失尿素較普通尿素增產33.5%[11]。目前，關于控失尿素施用技術的研究多數聚焦于單一施用量方面，或是對比不同種類緩控釋肥優劣，而關于控失尿素與普通尿素的配合施用結合秸稈還田的研究報道較少；對于秸稈還田與單一氮肥用量交互作用的研究較多，秸稈還田與控失尿素和普通尿素配合施用的研究較少。因此，本研究開展秸稈還田條件下不同控失尿素比例對華北平原潮土性質、小麥產量及氮肥利用率的影響，旨在為華北潮土區氮肥高效施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年10月在河南省新鄉市平原示范區師寨鎮小趙莊村（113°46′27″ E，35°05′53″ N）進行，該區地處暖溫帶，年均氣溫14.4 ℃，年降雨量645 mm，無霜期225 d，年日照時數2 400 h。供試小麥品種為鄭麥7698。供試土壤類型為石灰性潮土，砂粒、粉粒和黏粒分別占14.0%、54.3%和31.7%，按照國際制分類標準[12]為粉砂質黏土。試驗前采集0～20 cm耕層土壤樣品進行基礎養分測定，其有機質含量為22.64 g·kg-1，全氮1.53 g·kg-1，有效磷和速效鉀分別為33.46 mg·kg-1和235.38 mg·kg-1，硝態氮含量為45.16 mg·kg-1，銨態氮含量為2.03 mg·kg-1，pH值為8.05。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，以秸稈還田為主區，控失尿素比例為副區。設置秸稈全量還田（S1）、秸稈不還田（S0）2 種秸稈還田模式，秸稈還田處理是將上一季的玉米秸稈機械粉碎后全量還田，在小麥播種前深翻（30 cm）入土，再用播種機播種；秸稈不還田處理是將玉米秸稈移出田塊，其他耕作措施同秸稈還田處理；控失尿素比例設CK（不施肥）、LCU0（不施控失尿素，普通尿素為100%）、LCU40（控失尿素占40%，普通尿素占60%，比例為氮素比例）、LCU70（控失尿素占70%，普通尿素占30%，比例為氮素比例）、LCU100（控失尿素為100%，不施普通尿素）5 個處理。LCU0、LCU40、LCU70和LCU1004 個處理小麥季施氮量相同，均為210 kg·hm-2，其中基肥和拔節期追肥分別占60%和40%；磷、鉀肥用量分別為磷肥（P2O5）120 kg·hm-2和鉀肥（K2O）60 kg·hm-2，全部作基肥一次施入。每個處理3次重復，小區面積30 m2（長6 m，寬5 m），小區間隔1 m。供試普通尿素（N，46%）、控失尿素（總氮≥43.2%，為內質包裹型新型緩釋尿素，專利號ZL201210392722.7；Loss control urea，簡稱LCU）均為河南心連心化肥有限公司生產，磷、鉀肥分別為過磷酸鈣（P2O5，12%）和氯化鉀（K2O，60%）。小麥在2017年10月13日播種，次年6月2日收獲。田間管理與當地高產田一致。

1.3 樣品采集與測定

小麥收獲后，于小區中采集0～20 cm耕層土壤樣品，按四分法取兩份：一份風干研磨，分別過0.85 mm和0.15 mm篩測定土壤養分含量；另一份鮮土放入4 ℃冰箱保存，測定土壤銨態氮和硝態氮含量。在小麥成熟期，每個小區單獨收割6 m2分別測定小麥籽粒產量。選擇代表性的小麥植株，分籽粒與莖葉兩部分將其烘干并測定質量，粉碎后測定氮的質量分數。

植株全氮采用濃H2SO4-H2O2消解-蒸餾定氮法測定。

土壤的基本理化性質參照《土壤農化分析》常規方法測定[13]。土壤有機質（SOM）采用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定，土壤總氮（TN）采用凱氏蒸餾法測定，有效磷（AP）采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀（AK）采用乙酸銨提取-火焰光度計法測定，土壤銨態氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）采用0.1 mol·L-1CaCl2溶液浸提-SEALAA3 流動注射分析儀測定。

1.4 數據處理與分析

試驗數據中土壤性質及作物產量采用SPSS 22.0軟件進行裂區試驗方差分析，以秸稈還田為主區，不同控失尿素比例為裂區。多重比較采用Duncan 最小極差法，使用Origin 2021進行回歸分析及圖像處理。

1.5 指標計算和統計方法

氮素收獲指數（N Harvest Index，NHI，kg·kg-1）=籽粒吸氮量/植株總吸氮量

氮肥表觀利用率（Apparent N Recovery Efficiency，ANRE，%）=（施氮區植株總吸氮量-空白區植株總吸氮量）/施氮量×100

氮肥偏生產力（Partial Factor Productivity from applied N，PFPN，kg·kg-1）=施氮區產量/施氮量

氮肥農藝利用率（Agronomic N Use Efficiency，ANUE，kg·kg-1）=（施氮區產量-空白區產量）/施氮量

土壤氮素依存率（Soil N Dependent Rate，SNDR，%）=空白區植株總吸氮量/施氮區植株總吸氮量×100

2 結果與分析

2.1 不同比例控失尿素及秸稈還田對土壤養分的影響

如表1 所示，秸稈還田處理對土壤有機質（SOM）含量及速效鉀（AK）具有極顯著影響（P＜0.01）。秸稈還田處理（S1）相較秸稈不還田處理（S0），土壤中有機質含量與速效鉀含量顯著提高，其他土壤養分含量無顯著變化。不同控失尿素比例對硝態氮（NO-3-N）及土壤pH 值具有極顯著影響（P＜0.01）。在秸稈還田處理下，S1-LCU100處理土壤中硝態氮含量最高，S1-LCU100與S1-LCU40、S1-LCU70處理無顯著差異，與S1-LCU0和S1-CK差異顯著（P＜0.05）。在秸稈不還田處理下，S0-LCU40、S0-LCU70和S0-LCU100處理土壤性質無顯著差異，三者硝態氮含量高于S0-LCU0但差異不顯著，顯著高于S0-CK。秸稈還田處理下，施肥條件不同未對土壤pH 產生顯著影響。在秸稈不還田處理下，施肥組與對照組（S0-CK）的pH 值無顯著差異（P＞0.05）。秸稈還田與控失尿素比例的交互作用對硝態氮含量具有顯著影響（P＜0.05），兩者的交互作用提高了土壤中硝態氮的含量（P＜0.05）。

表1 不同處理對潮土性質的影響Table 1 Effects of different treatments on the properties of Fluvo-aquic soil

不論是否進行秸稈還田，有機質含量在耕作后均有提升，秸稈還田與不還田處理有機質含量無顯著差異。秸稈還田處理相較秸稈不還田處理土壤全氮含量平均增加4.3%，但差異不顯著。有效磷含量在秸稈還田處理下較試驗前提高12.2%，平均增加4.1 mg·kg-1，差異達顯著水平（P＜0.05），秸稈不還田處理較試驗前降低10.0%，平均降低3.3 mg·kg-1，但無顯著差異。速效鉀含量在秸稈還田處理下較試驗前提高4.9%，平均增加11.6 mg·kg-1，秸稈不還田處理較試驗前降低7.3%，平均降低17.2 mg·kg-1，差異不顯著。秸稈還田條件下，土壤硝態氮含量較試驗前提升149.0%；秸稈不還田條件下，土壤硝態氮含量較試驗前提升65.0%，差異均達到顯著水平（P＜0.05），而銨態氮含量在試驗前后差異不顯著。在相同秸稈還田處理下，隨控失尿素比例增加，總氮、有效磷、速效鉀、硝態氮、銨態氮含量均增加。

2.2 不同比例控失尿素及秸稈還田對作物產量的影響

由圖1 可見，相較于CK，施用控失尿素顯著增加了小麥籽粒產量。在秸稈還田條件下，S1-LCU40小麥籽粒產量最高，為7 009.26 kg·hm-2，比S1-LCU0、S1-LCU70、S1-LCU100產量分別增加3.8%、4.0%、6.4%，但差異不顯著。在秸稈不還田條件下，控失尿素比例為70%時籽粒產量最高，相較于S0-LCU0、S0-LCU40、S0-LCU100產量分別增加7.7%、1.2%、2.8%，但差異不顯著。在秸稈還田或不還田條件下，籽粒產量都隨控失尿素比例的增加呈現出先增加后降低的趨勢。100%控失尿素比例產量較40%、70%控失尿素比例產量低，說明進一步增加控失尿素比例存在減產風險。在秸稈還田條件下，S1-LCU40小麥秸稈產量最高，達11 361.38 kg·hm-2，秸稈產量隨控失尿素比例增加呈現出先增加后降低的趨勢。在秸稈不還田時，S0-LCU70小麥秸稈產量最高，過高或過低控失尿素比例下秸稈產量均降低。無論秸稈還田與否，籽粒全氮含量與莖葉全氮含量均呈現出隨控失尿素比例增加先上升后降低的趨勢，40%控失尿素比例和70%控失尿素比例下籽粒和莖葉全氮含量提升最大。由表2可知，不同控失尿素比例對小麥產量及小麥吸氮量具有極顯著影響（P＜0.01），而秸稈還田對小麥產量無顯著影響。秸稈還田和不同控失尿素比例的交互效應對小麥產量無顯著影響。以上結果表明，不同比例控失尿素會影響華北潮土區冬小麥產量，其中控失尿素比例為40%時小麥產量提升最大。

圖1 不同比例控失尿素及秸稈還田對作物產量的影響Figure 1 Effects of different proportion of urea and straw returning on crop yield

表2 不同處理下小麥產量及吸氮量方差分析Table 2 Analysis of variance of wheat yield and its biological indexes under different treatments

2.3 不同比例控失尿素及秸稈還田對小麥氮素吸收與利用指標的影響

如表3 所示，不同控失尿素比例對氮素收獲指數具有顯著影響（P＜0.05），對氮肥表觀利用率、土壤氮素依存率具有極顯著影響（P＜0.01）。秸稈還田對土壤氮素依存率有顯著影響（P＜0.05），對小麥氮素吸收與利用其他指標無顯著影響。秸稈還田與控失尿素比例的交互作用對小麥氮素吸收與利用指標無顯著影響。

表3 不同處理下小麥氮素吸收與利用指標Table 3 Effects of different treatments on nitrogen uptake and utilization index of wheat

氮素收獲指數隨控失尿素比例增加呈現出先降低后升高的趨勢。不論秸稈還田與否，控失尿素比例為100%時氮素收獲指數均較其他添加控失尿素處理高。氮肥表觀利用率隨控失尿素比例增加呈現先增加后降低的趨勢，在秸稈還田條件下S1-LCU40氮肥表觀利用率最高，與S1-LCU0差異顯著，與S1-LCU70、S1-LCU100差異不顯著。這說明在秸稈還田條件下S1-LCU40為較優處理。在秸稈不還田條件下S0-LCU70氮肥表觀利用率最高，S0-LCU70、S0-LCU100相較于S0-LCU0顯著提高了氮肥表觀利用率，S0-LCU40與S0-LCU0差異不顯著。這說明在秸稈不還田條件下，S0-LCU70、S0-LCU100為更優處理。不論秸稈還田與否，相較于100%普通尿素，添加不同比例控失尿素均有利于提高氮肥表觀利用率。氮肥偏生產力和氮肥農藝利用率在秸稈還田條件下隨控失尿素比例增加表現出先升高后降低的趨勢。在秸稈還田條件下S1-LCU40氮肥偏生產力、氮肥農藝利用率最高，但與S1-LCU0差異不顯著。秸稈還田能夠提高土壤氮素依存率，使氮肥貢獻率降低，說明秸稈還田有助于土壤地力提升。

3 討論

本研究通過對華北潮土區不同比例控失尿素的施用及秸稈還田與否進行對照試驗，研究不同比例控失尿素與秸稈還田對土壤性質、小麥產量、氮素利用指標的影響。結果表明，秸稈還田與控失尿素配施可以改良土壤，增加小麥產量、小麥吸氮量，提高氮肥偏生產力、氮肥表觀利用率、氮肥農藝利用率等氮素利用指標。

3.1 不同比例控失尿素及秸稈還田對土壤性質的影響

本研究表明，秸稈還田對土壤性質提升效果明顯，各項土壤性質指標均高于秸稈不還田處理，但只對有機質含量和速效鉀含量影響達極顯著水平（P＜0.01），這與姚遠等[14]的研究結果一致。相較于普通尿素，不同比例控失尿素對硝態氮含量與土壤pH 值具有極顯著影響，其他土壤性質較不施肥處理均有提高，但影響并不顯著。硝態氮含量在收獲期結束后仍能維持較高水平，說明不同比例控失尿素能夠提高土壤中硝態氮含量，這與盧艷麗等[15]的研究結果一致?？厥蛩剡€能通過提高土壤碳氮代謝酶活性及磷酸酶活性來促進秸稈分解，進而提供長效養分[16]。不論秸稈還田與否，控失尿素比例為70%時，對土壤養分含量總體提升效果優于40%和100%控失尿素比例。在配施控失尿素時，秸稈不還田處理土壤pH、速效鉀、有機質含量均較秸稈還田處理低，說明秸稈還田通過提高土壤有機質含量提升地力與土壤緩沖性，并減緩因尿素添加而引起的土壤pH 降低。

3.2 不同比例控失尿素及秸稈還田對小麥產量及吸氮量的影響

本研究表明，秸稈還田與施用不同比例控失尿素顯著增加小麥產量與土壤硝態氮含量。秸稈還田相較秸稈不還田提高籽粒產量6.6%、秸稈產量16.0%。這是因為秸稈還田后可顯著增加土壤速效鉀、有效磷、硝態氮和有機質含量，滿足小麥籽粒發育所需養分的供應量，進而促進小麥增產[17]。通常而言，在一定范圍內作物產量隨氮肥施用量不斷提高，但超過某一范圍后增施氮肥也無法提高作物產量[18]。在秸稈還田與不同比例控失尿素共同施用下，小麥產量及吸氮量指標相較于秸稈不還田有所提高。在秸稈還田條件下，控失尿素比例為40%時，小麥產量及吸氮量指標均為最高，說明在秸稈還田條件下控失尿素比例為40%時對小麥生產增勢最好。這表明通過提高生物量及個體庫容可以達到提升群體庫容的效果，從而提高小麥增產潛力，這與張敬昇等[19]的研究結果一致?？厥蛩卣急仍诔^40%時，小麥產量及吸氮量指標有所下降，同時產量降低，這可能是因為在供肥充足時控失尿素氮素釋放未能與小麥氮素吸收規律相匹配[20]。在秸稈不還田條件下，控失尿素占比提升有助于小麥產量及吸氮量提升?？厥蛩乇壤秊?0%時各項指標較高，說明在秸稈不還田條件下相對較高的控失尿素占比有利于小麥產量提升。這可能是因為在連續耕作下，土壤肥力因為無秸稈還田等措施而略有降低，所以更高比例的控失尿素有利于氮素長效供給，使得作物產量增加[21]。鄒奇芳等[22]研究發現相較于其他緩釋氮肥配比，75%緩釋氮肥和25%普通尿素配比為陜西關中地區提高冬小麥產量的最佳配比。丁誠等[23]研究報道70%緩釋尿素比例對江蘇高郵地區小麥產量提升效果最佳。李偉等[24]研究發現控失尿素占比50%對小麥產量提升最大。與以上研究不同的是，研究發現在華北潮土區秸稈還田條件下施用40%比例控失尿素小麥產量最高。

3.3 不同比例控失尿素及秸稈還田對小麥氮素吸收與利用指標的影響

對比各氮素吸收與利用指標，秸稈還田對氮素收獲指數、氮肥表觀利用率、氮肥偏生產力、氮肥農藝利用率無顯著影響，但顯著提高了土壤氮素依存率。不同比例控失尿素對氮素收獲指數、氮肥表現利用率、土壤氮素依存率具有顯著影響。氮肥表觀利用率在施用控失尿素后顯著提高。楊雯玉等[25]的研究表明，與單施普通尿素相比，無論是相同施氮量還是減少30%的施氮量，控失尿素與普通尿素配施都可增加氮肥利用率。氮肥偏生產力在秸稈還田條件下控失尿素占比40%時最高。于淑芳等[26]的研究表明，相較于普通尿素，控失尿素能夠顯著增加氮肥偏生產力與農學效率，這與本研究結果基本一致。秸稈還田和不同比例控失尿素對土壤氮素依存率具有極顯著影響。同比例控失尿素條件下，秸稈還田處理較秸稈不還田處理土壤氮素依存率高，土壤氮素依存率越低，說明小麥所吸收氮素越多地來自肥料而非土壤。秸稈還田能夠替代部分尿素提供的肥力，提升土壤基礎肥力。

4 結論

（1）秸稈還田與施用控失尿素能顯著提高小麥產量、吸氮量和氮素利用效率；秸稈還田條件下控失尿素占比40%時小麥籽粒產量最高，且氮肥偏生產力、氮肥表觀利用率等氮素吸收利用指標較優。

（2）秸稈還田可提高土壤養分含量，對土壤有機質、速效鉀含量具有顯著影響；控失尿素能改善土壤養分狀況，對土壤硝態氮含量具有顯著影響，控失尿素比例為40%～70%時對土壤養分含量提升效果最佳。

（3）在考慮成本因素的基礎上，控失尿素占比40%是本研究條件下較理想的施肥配比，結合秸稈還田作為田間管理措施，可為華北潮土區小麥高產優產提供實踐依據。