Reducing Application of Formula Controlled-release Fertilizers Regulates Soil Nitrogen Levels to Maintain Summer Maize Yield
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摘要:目的 减施配方控释肥能够有效提高土壤氮素水平、降低投入，还可以减轻环境污染。因此，研究减施配方控释肥提高氮肥利用效率，稳定夏玉米产量具有重要意义。方法 设置不施氮肥(N0)、100% 普通尿素(FP)、80%普通尿素(LFP)、100% 配方控释肥(CRF)及80%配方控释肥(LCRF)5个处理，探讨减量配施控释氮肥对土壤铵态氮、硝态氮、土壤酶活性及产量的影响。结果 与普通尿素处理相比，混合施用普通尿素和控释氮肥既能满足夏玉米生育前期的养分需求，又能显著提高夏玉米生育后期土壤中铵态氮(14.0%)和硝态氮(32.8%)含量，显著提高土壤中硝酸还原酶和脲酶活性。在拔节期、开花期和成熟期，CRF处理中土壤硝酸还原酶活性较FP分别增加72.9%、40.9%和58.8%，土壤脲酶活性较FP处理分别增加24.6%、95.9%和29.2%，进而增加成熟期夏玉米根系和地上部干物质积累。在此基础上，减施20%配方控释肥处理仍能保持夏玉米生育后期土壤中氮素水平，LCRF处理中成熟期土壤铵态氮及硝态氮含量较FP处理分别增加8.8%和13.9%，也能维持较高的土壤中硝酸还原酶和脲酶活性。LCRF处理中玉米各生育时期内的土壤硝酸还原酶及脲酶活性均高于FP处理，满足玉米生长发育的要求，且根系及地上部干物质积累与产量较100% 配方控释肥无显著降低，肥料利用率则显著提高。结论 配方控释肥不仅能实现一次性施肥满足夏玉米整个生长季的氮肥需求，还能有效地提高氮肥利用效率，从而实现夏玉米减肥高效生产。Abstract:Objective Reducing application of controlled-release fertilizers can effectively increase soil nitrogen (N) levels, reduce N input, and reduce environmental pollution. Therefore, the reducing application amount of controlled-release fertilizers to regulate soil N levels and maintain summer maize yield is of great significance for guiding scientific fertilization.Method Five treatments were set up for no N fertilizer (N0), 100% regular urea (FP), 80% regular urea (LFP), 100% formulated controlled-release fertilizer (CRF) and 80% formulated controlled-release fertilizer (LCRF). Soil NH4+-N, NO3−-N, enzyme activities and yield were determined in these treatments.Result The results showed that the mixed application of common urea and controlled-release N fertilizer could not only meet the nutrient requirements in the early growth period of summer maize, but also significantly increase the contents of NH4+-N and NO3−-N in the soil during the later growth period of summer maize, and significantly increase the activities of nitrate reductase and urease in the soil. At the jointing stage, flowering stage and maturity stage, the soil nitrate reductase activities in the CRF treatment increased by 72.9%, 40.9% and 58.8%, respectively, and the soil urease activities increased by 24.6%, 95.9% and 29.2%, respectively, compared with the FP treatment. The 20% reduction of formula controlled-release fertilizer treatment could still maintain the N level in the late growth stage of summer maize. And the LCRF treatment increased the NH4+-N and NO3−-N contents in the mature stage soil by 8.8% and 13.9% compared with the FP treatment. The activities of nitrate reductase and urease activities in the LCRF treatment were higher than those of FP treatment in each growth period, which met the requirements of maize growth and improved fertilizer utilization rate.Conclusion In summary, the formulated controlled-release fertilizer can not only realize the one-time fertilization to meet the N fertilizer demand of the summer corn growing season, but also effectively improve the N fertilizer utilization efficiency, so as to realize the weight-loss and high-efficiency production of summer maize.
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Keywords:
- Summer corn /
- Ammonium Nitrogen /
- Nitrate nitrogen /
- Urease /
- Nitrate reductase
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【研究意义】黄淮海地区是我国夏玉米主产区之一，其种植面积及产量分别占全国28%和30% [1]。因此，该地区夏玉米的增产与稳产对保障国家粮食安全具有重要意义。氮素作为夏玉米生长发育过程中需求量最大的元素，是保障作物增产的关键因素[2-3]，然而，目前我国玉米生产过程中氮肥投入过高，近30年来氮肥施用量增长近6 倍，但粮食作物产量却仅增长3倍(http://www.stats.gov.cn/tjsj/)，肥料利用率显著降低。2019 年我国小麦、玉米、水稻三大粮食作物化肥利用率仅为39.2%(http://www.moa.gov.cn/)，显著低于世界平均水平[4]。氮素淋溶、挥发以及径流会导致土壤板结、地下水污染和温室效应加重等，严重影响生态环境[5]。因此，氮肥的减施增效倍受关注。【前人研究进展】控释氮肥具有优异的缓释性能，可以减缓养分释放，使其尽可能符合作物吸收养分的需求规律，有效降低作物生育期内氮素损失，从而提高氮素利用率，并显著增加作物产量[6-11]。隋常玲等[12]研究表明，控释氮肥能有效抑制氮素淋溶与挥发，降低近26%的氮素损失，进而提高氮肥利用率8%左右。水稻施用控释氮肥，既能满足水稻生育前期的氮素吸收需求，提高植株根系活力以及叶片氮转化相关酶活性；又能增强植株后期氮素吸收，提高氮素转运，增加养分累积，提高作物产量[13-18]。【本研究切入点】然而，控释氮肥存在价格较高（是普通尿素的1.5 ~ 1.6倍），且前期养分释放较慢，容易导致前期需肥较强的作物出现缺氮问题[19]。【拟解决的问题】因此，本试验通过研究控释氮肥与普通氮肥掺混配施对夏玉米根区土壤氮素调控及产量的影响，以期优化施肥方式，实现夏玉米高产稳产、经济高效的生产模式。
1. 材料与方法
1.1 试验地点
试验在泰安市岱岳区马庄镇大寺村(35°57'36″ N，116°58'37″ E)。土壤类型为棕壤，播种前0 ~ 20 cm土壤有机质15.23 g kg−1，全氮0.86 g kg−1，全磷0.97 g kg−1，碱解氮80.58 mg kg−1，速效磷37.42 mg kg−1，速效钾84.57 mg kg−1。栽培模式为小麦－玉米轮作。
1.2 试验材料及试验设计
试验始于2020年6月，共5个处理，每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积为3 m × 8 m，株距22 cm，行距60 cm，种植密度为75000 株 hm−2。各小区间设置2 m保护行。供试夏玉米品种为郑单958，2020年6月15日机械播种，9月28日收获。田间管理与当地农民习惯相同。尿素为普通大颗粒尿素（N 46.4%），控释肥为60天的控释尿素（N 42.6%，包衣率7.38%，包膜材料为树脂包衣），配方控释肥为控释尿素与普通尿素按6∶4混合而成，各处理施氮量、施肥时期及施肥比例见表1。磷、钾肥施肥量为：P2O5 120 kg hm−2，K2O 120 kg hm−2。磷肥为过磷酸钙(P2O5，12%)，钾肥为硫酸钾(K2O，50%)。
表 1 田间小区肥料试验设计方案Table 1. Field plot fertilizer experiment design scheme处理编号
Treatment code氮肥
Nitrogen fertilizer磷肥
Phosphorous fertilizer钾肥
Potassium fertilizer施氮量
Amount
（N kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way施肥量
Amount
（P2O5 kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way施肥量
Amount
（K2O kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way0 0 0 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 FP 270 尿素，基追比1∶1 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 LFP 216 尿素，基追比1∶1 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 CRF 270 配方控释肥，基肥 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 LCRF 216 配方控释肥，基肥 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤采集与测定
在拔节期（V6）、开花期（VT）、成熟期（R6）用直径5 cm 的土钻在每个小区内采集0 ~ 20 cm 耕层土壤，每小区取3次重复。将土样立即装入放有冰块的保温箱内带回实验室，置于冰箱−20 ℃贮存，并于 1 周内完成土壤酶活性的测定，土壤酶活性指标包括硝酸还原酶和脲酶活性，测定方法参照关松荫的《土壤酶及其研究法》[20]。同时将一部分土壤样品风干，用于土壤理化性质及元素分析的测定。土壤无机氮含量（风干土壤样品）用0.01 mol L−1的CaCl2浸提（土水比1∶10），浸提液中NO3−-N和NH4+-N含量采用连续流动注射分析仪（SEAL，AA3，德国）测定。
1.3.2 植株叶面积指数
在开花期量取各小区3棵植株绿叶长和宽，计算叶面积指数。
LAI = 单株叶面积（m2） × 单位土地面积株数（株）/单位土地面积（m2）。
1.3.3 植株干物质积累量
在开花期取样，将植株样品105 ℃杀青30 min后80 ℃烘至恒重，测各部分干物质重。
1.3.4 产量及产量构成要素
各处理于完熟期收获测产，每个处理小区收获中间5米3行，晒干并考种，用于测定籽粒产量及产量构成因素。
1.4 数据分析
试验数据分析采用Excel 2010和DPS 15.10软件，利用Sigma plot 10.0软件作图。
2. 结果分析
2.1 不同施肥处理对夏玉米土壤脲酶活性的影响
与N0相比，FP和CRF处理土壤中脲酶活性在拔节期、开花期和成熟期分别提高67.6%、32.4%和54.8%；108.8%、159.5%和100%（图1）。普通尿素减施20%对拔节期、开花期土壤中脲酶活性无显著影响，但是可以显著降低玉米成熟期土壤脲酶活性。配方控释肥减施20%显著降低玉米生育前期土壤中脲酶活性，但是对成熟期土壤脲酶活性无显著影响。然而在开花期和成熟期，LCRF的土壤脲酶活性仍显著高于FP处理。本研究结果表明，施用氮肥可显著提高土壤中脲酶活性，且配方控释肥对土壤脲酶活性的影响更为显著。
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图 1 不同施肥处理的土壤脲酶活性变化不同小写字母表示处理间有显著性差异（P < 0.05）。下同。Figure 1. Changes of soil urease activities in different fertilization treatments2.2 不同施肥处理对夏玉米土壤硝酸还原酶活性的影响
在拔节期、开花期和成熟期，CRF处理中土壤硝酸还原酶活性较FP分别增加72.9%、40.9%和58.8%（图2）。土壤中硝酸还原酶活性对普通尿素减施20%和配方控释肥减施20%的响应趋势差异显著。配方控释肥减施20%可显著降低玉米拔节期和开花期土壤中硝酸还原酶活性，但是对成熟期土壤脲酶活性无显著影响。普通尿素减施20%显著增加拔节期土壤硝酸还原酶活性，但是降低其在开花期和成熟期的活性。然而，各夏玉米生育时期内LCRF处理中土壤硝酸还原酶活性均高于FP处理。本研究结果表明，施氮能显著提高土壤中硝酸还原酶活性，且配方控释肥较普通尿素对其影响更为显著。
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图 2 不同施肥处理土壤硝酸还原酶活性的变化Figure 2. Changes of soil nitrate reductase activities under different fertilization treatments2.3 不同施肥处理对夏玉米土壤铵态氮、硝态氮含量的影响
在拔节期、开花期和成熟期，FP处理土壤中铵态氮、硝态氮含量较N0分别增加76.7%、80.6%和78.1%；94.8%、92.4%和50.6%（图3）。配方控释肥能减缓氮素释放，提高夏玉米中后期土壤氮素水平。本研究结果表明，拔节期CRF土壤中铵态氮、含量略低于FP处理，然而在成熟期其含量均显著高于FP。减施氮肥显著降低土壤中氮素含量，在开花期和成熟期，LFP处理土壤中铵态氮、硝态氮含量较FP处理分别降低9.2%和5.3%；24.5%和14.8%，且显著低于CRF、LCRF处理。在拔节期与FP处理相比，LCRF处理中土壤铵态氮、硝态氮含量相对较低；然而，在成熟期LCRF处理中土壤铵态氮含量较FP处理则增加8.8%。
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图 3 不同施肥处理中土壤硝态氮、铵态氮含量的变化Figure 3. Changes of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in different fertilization treatments2.4 不同施肥处理对夏玉米根系干重的影响
在拔节期、开花期和成熟期，FP处理的根系干重分别较N0处理增加120.8%、42.7%和35.8%（图4）。与普通尿素相比，配方控释肥能显著提高夏玉米生育后期根系干重。在开花期和成熟期，CRF处理中玉米根系干重较FP分别增加10.9%和13.4%。减施氮肥能显著降低夏玉米根系干重。在拔节期和开花期，LCRF处理的根系干重显著低于CRF处理，分别较其降低14.6%和11.0%，然而，成熟期LCRF处理的根系干重与CRF差异不显著。在拔节期、开花期和成熟期，LFP处理根系干重分别较FP处理降低17.0%和10.2%和9.1%。另外，LCRF玉米开花期根系干重与FP处理差异不显著，且LCRF处理玉米成熟期的根系干重较FP处理增加12.2%。本研究结果表明，施氮能显著提高夏玉米根系干重。
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图 4 不同施肥处理的植株根系干重变化Figure 4. Changes of plant root dry weight under different fertilization treatments2.5 不同施肥处理对夏玉米株高、叶面积指数以及地上部生物量的影响
在夏玉米开花期，各施氮处理的株高均显著高于N0，具体表现为CRF > FP > LCRF > LFP > N0，但各施肥处理间植株高度差异不显著（表2）。另外，施用氮肥显著增加了夏玉米叶面积指数，且施用配方控释肥效果最为显著。CRF的叶面积指数显著高于FP处理，减施氮肥20%对叶面积指数无显著影响。另外，CRF地上部干物质重显著高于FP处理；LFP的地上部干物质积累量较FP、LCRF处理均显著降低。然而，LCRF处理的地上部干物质积累与CRF无显著差异，且其较FP处理显著增加。
表 2 不同施肥处理对夏玉米植株农艺性状的影响Table 2. Effects of different fertilization treatments on agronomic characteristics of summer maize plants处理
Treatment株高(cm)
Plant heightLAI 地上部生物量(t hm−2)
Dry matter weightN0 217.38 b 3.22 c 11.56 d FP 245.65 a 3.83 b 16.43 b LFP 241.24 a 3.68 b 14.75 c CRF 248.17 a 4.21 a 20.32 a LCRF 243.49 a 4.14 ab 18.28 a 注：同列数据后不同小写字母表示处理间有显著性差异（P < 0.05）。下同。 2.6 不同施肥处理对夏玉米产量及产量构成因素的影响
本研究结果表明，施氮可以显著提高夏玉米穗粒数和千粒重，从而提高其产量，且配方控释肥较普通尿素增产效果更显著（表3）。与N0相比，FP和CRF处理的穗粒数和千粒重分别增加41.5%和7.3%；53.1%和9.1%。与FP相比，CRF处理每公顷穗数与千粒重无显著差异，但穗粒数显著增加，从而导致玉米产量较FP处理显著增加。与FP相比，LFP处理穗粒数降低7.8%，产量显著降低11.8%。然而，与FP相比，LCRF处理的穗粒数和产量无显著差异。
表 3 不同施肥处理夏玉米产量及其构成因素Table 3. Yield of summer maize and its components in different fertilization treatments处理
Treatment穗数
Ear per hm2穗粒数
Grain number
(per ear)千粒重
1000-grain weight
(g)产量
Grain yield
(kg hm−2)增产率
Yield increase rate
（%）N0 71750 a 334.7 d 314.5 b 6387 d −56.8 FP 74050 a 473.5 b 337.6 a 10050 b 0 LFP 72885 a 436.4 c 331.7 a 8867 c −11.8 CRF 73860 a 512.4 a 343.2 a 11021 a 9.7 LCRF 72960 a 489.7 ab 340.2 a 10289 ab 2.4 3. 讨论
氮肥的施用对提高作物产量具有重要的意义。然而，由于农户盲目施肥，降低了氮肥利用率，投入到农业系统中的大量氮肥通过淋溶、径流和挥发等途径进入水体和空气，严重污染生态环境[21]。因此，结合作物的需肥规律，选用适宜的氮肥类型，合理的氮肥用量，恰当的施肥时间，从而提高肥料利用效率对农业生产具有重要的意义[22]。但是，随着机械化生产的发展，一次性氮肥基施的施肥方式是农业发展的一种重要趋势。然而，普通尿素施入土壤后养分释放快，导致土壤中氮素含量在夏玉米生育前期高，而在其生育中后期，土壤中氮素含量低，不能满足夏玉米逐步增强的需氮要求，导致玉米早衰，产量降低[23]。近年来，通过包膜技术控制养分释放，从而使土壤中有效养分含量控制在一个适量水平是肥料生产的一个重要方向。但是，前人研究指出，由于控释氮肥养分释放速度慢，可能会出现前期氮素供给不足的问题[24]。因此，合理比例的普通尿素和控释氮肥混合施用，以满足夏玉米整个生育时期的氮肥需求，是保障玉米高产、提高氮肥利用率、减少氮素损失的关键。本研究结果表明，在相同氮肥施用量条件下，混合施用普通尿素和控释氮肥（CRF）既能满足夏玉米生育前期的养分需求，又能显著提高夏玉米生育后期土壤中铵态氮和硝态氮含量，提高成熟期夏玉米根系和地上部干物质积累，提高作物产量。且在此基础上，减施20%氮肥处理（LCRF）仍能保持夏玉米生育后期土壤中氮素水平，满足玉米生长发育的要求，根系和地上部干物质积累与产量较CRF无显著降低，肥料利用率显著提高。因此，配方控释肥不仅能实现一次性施肥满足玉米整个生长季的氮肥需求，还能有效地提高氮肥利用效率，从而实现玉米减肥高效生产。
脲酶是土壤中的主要水解酶类之一，脲酶可催化尿素水解为NH3，并进一步通过质子转换成 NH4+。因此，脲酶活性的高低与土壤的氮素状态显著相关[25]。前人研究指出，包膜控释肥以包膜材料阻滞核内尿素与土壤脲酶接触，从而减缓尿素的水解与转换进程，推迟铵态氮峰期，维持土壤中较高的铵态氮含量，降低氮损失，而普通施肥模式与之相反[26-27]。研究表明[28-30]，若较早的出现铵态氮峰期，会增加氨挥发损失，进而抑制植株在生长中后期的氮素吸收能力。本研究结果表明，CRF及LCRF处理中脲酶活性显著高于FP和LFP处理，为激发硝化作用提供NH4+底物，说明配方控释肥可能通过提高脲酶活性，促进尿素的水解和氮素形态转化，从而提高作物对氮素的吸收利用效率。另外，本研究表明，施用普通尿素和控释氮肥显著提高了土壤中硝酸还原酶活性。硝酸还原酶能够催化硝态氮转化成NO2-，然后经亚硝酸还原酶（Nitrite reductase，NiR） 催化形成羟胺（NH2OH）， 再经过羟胺还原酶（Hydroxylamine reductase，HyR）进一步催化还原成NH4+被作物吸收利用。在夏玉米生长中后期，CRF及LCRF处理中硝酸还原酶活性显著高于FP和LFP处理，能更好的维持土壤中NH4+水平，改善土壤微生物环境，保证夏玉米根系对于氮素的吸收，有利于地上部生物量的积累。
合理的施肥措施能够保障作物对养分需求的动态进程，匹配养分在关键生育期供应[31-32]。施用适宜配方控释肥通过维持土壤耕层高水平氮素浓度，减少氮损失，满足作物在生育中后期养分需求，促进作物氮素吸收，提高地上部干物质积累[33-34]，从而实现增产和提高氮素利用率[35-36]。本研究表明，配方控释肥显著改善夏玉米农艺性状，提高根系干重，增加地上部生物量，且CRF与LCRF处理间相互比较无显著差异。叶片光合能力强弱与光合面积大小是决定干物质与氮积累的核心因素之一[37-38]。本研究表明，配方控释肥处理的夏玉米叶片发育良好，其长、宽、面积均较优，从而提高了植株叶面积指数，成为有利于提高光合功能，实现夏玉米高产的主要生理原因，且CRF与LCRF处理间无显著差异。就产量而言，配方控释肥能增加夏玉米穗粒数及千粒重，提高夏玉米产量。并且，与CRF处理相比LCRF处理的夏玉米产量略低，但差异不显著。这充分说明了配方控释肥减量施用仍能维持较好的土壤地力，满足夏玉米的养分需求。
4. 结论
配方控释肥通过调控氮素释放速率，能够维持土壤中适宜的铵态氮、硝态氮含量，并保持夏玉米生长中后期土壤中硝酸还原酶、脲酶活性，从而促进夏玉米根系的生长发育以及地上部生物量的积累，进而提高夏玉米产量。并且，适量减施配方控释肥仍能够满足夏玉米各生育时期的氮素需求，保障夏玉米产量。
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图 1 不同施肥处理的土壤脲酶活性变化
不同小写字母表示处理间有显著性差异（P < 0.05）。下同。
Figure 1. Changes of soil urease activities in different fertilization treatments
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图 2 不同施肥处理土壤硝酸还原酶活性的变化
Figure 2. Changes of soil nitrate reductase activities under different fertilization treatments
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图 3 不同施肥处理中土壤硝态氮、铵态氮含量的变化
Figure 3. Changes of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in different fertilization treatments
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图 4 不同施肥处理的植株根系干重变化
Figure 4. Changes of plant root dry weight under different fertilization treatments
表 1 田间小区肥料试验设计方案
Table 1 Field plot fertilizer experiment design scheme
处理编号
Treatment code氮肥
Nitrogen fertilizer磷肥
Phosphorous fertilizer钾肥
Potassium fertilizer施氮量
Amount
（N kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way施肥量
Amount
（P2O5 kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way施肥量
Amount
（K2O kg hm−2）肥料种类及施用方法
Type and application way0 0 0 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 FP 270 尿素，基追比1∶1 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 LFP 216 尿素，基追比1∶1 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 CRF 270 配方控释肥，基肥 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 LCRF 216 配方控释肥，基肥 120 过磷酸钙，基肥 120 硫酸钾，基肥 
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表 2 不同施肥处理对夏玉米植株农艺性状的影响
Table 2 Effects of different fertilization treatments on agronomic characteristics of summer maize plants
处理
Treatment株高(cm)
Plant heightLAI 地上部生物量(t hm−2)
Dry matter weightN0 217.38 b 3.22 c 11.56 d FP 245.65 a 3.83 b 16.43 b LFP 241.24 a 3.68 b 14.75 c CRF 248.17 a 4.21 a 20.32 a LCRF 243.49 a 4.14 ab 18.28 a 注：同列数据后不同小写字母表示处理间有显著性差异（P < 0.05）。下同。
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表 3 不同施肥处理夏玉米产量及其构成因素
Table 3 Yield of summer maize and its components in different fertilization treatments
处理
Treatment穗数
Ear per hm2穗粒数
Grain number
(per ear)千粒重
1000-grain weight
(g)产量
Grain yield
(kg hm−2)增产率
Yield increase rate
（%）N0 71750 a 334.7 d 314.5 b 6387 d −56.8 FP 74050 a 473.5 b 337.6 a 10050 b 0 LFP 72885 a 436.4 c 331.7 a 8867 c −11.8 CRF 73860 a 512.4 a 343.2 a 11021 a 9.7 LCRF 72960 a 489.7 ab 340.2 a 10289 ab 2.4
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