新型尿素对高产冬小麦生长、产量及品质的影响

来源:用户上传      作者:刘盛林 董晓霞 王学君 孙泽强 杨光

　　 摘要：氮肥對于作物产量的提高和品质的改善有重要作用，将普通尿素改良为控释尿素和含微量元素尿素等新型尿素可能有助于提高氮肥生物有效性，促进作物生长和降低环境污染。本研究在田间条件下，施用等量氮素的控释尿素（CLU）、聚能网尿素（SNU）、腐植酸尿素（HAU）、含锌尿素（Zn-U）和含锰尿素（Mn-U）与普通尿素（CU），比较其对改善土壤养分状况和提高冬小麦产量与品质的影响。结果表明：施氮量相同时，CLU、SNU、HAU、Zn-U、Mn-U与CU相比对冬小麦生长和产量无显著促进作用，增施锰肥（Mn-U和U+Mn）增产效果优于增施锌肥（Zn-U和U+Zn）;CLU、Zn-U和Mn-U对土壤养分含量和冬小麦品质均无显著促进作用，新型尿素Mn-U能够促进作物对氮素的吸收，其氮肥利用率相对较高。因此，受土壤条件、作物品种、新型尿素种类、施用量和施用时期等多因素共同影响，石灰性土壤中施加不同新型尿素对冬小麦产量和品质均无显著促进作用，如何通过尿素种类进一步提高冬小麦产量和品质还有待于进一步研究。
　　关键词：新型尿素;微量元素;冬小麦产量;籽粒品质;氮肥利用率
　　中图分类号：S152.1+10.1：S143.1+4  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0025-06
　　Effects of Novel Types of Urea on Growth， Yield and
　　Quality of High-Yielding Winter Wheat
　　Liu Shenglin， Dong Xiaoxia， Wang Xuejun， Sun Zeqiang， Yang Guang
　　（Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences/
　　Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Shandong），
　　Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China）
　　Abstract As one of the soil essential elements， nitrogen plays an important role in enhancing crop yield and improve grain quality. The research of novel types of urea， such as loss-controlled urea and urea with microelements，might increase nitrogen use efficiency， enhance crop growth and reduce environment pollution. In this study， the effects of loss-control urea （CLU）， shaped-net urea （SNU）， humic acid urea （HAU）， Zn-urea （Zn-U） and Mn-urea （Mn-U） with equal nitrogen rate on improving soil nutrient content and promoting winter wheat yield and grain quality were studied with traditional urea （CU） as control in field. The results showed that CLU， SNU， HAU， Zn-U and Mn-U with same amount of nitrogen had no significant enhancement on growth and grain yield of winter wheat. The increment of grain yield with Mn-U was greater than that with Zn-U. CLU， Zn-U and Mn-U had no significant improvement on soil nutrient content and grain quality of winter wheat. Compared with other novel types of urea， Mn-U could enhance nitrogen uptake with higher nitrogen use efficiency. Novel types of urea application had no significant promoting effect on winter wheat yield and grain quality as fertilizer efficiency was restricted by soil condition， crop species， types and amounts of urea and application time simultaneously. Further studies would be needed to enhance crop yield continuously and improve grain quality.
　　Keywords Novel type of urea; Microelements; Winter wheat yield; Grain quality; Nitrogen use efficiency 　　集约化条件下，氮肥在冬小麦产量和品质形成中起关键作用，合理施用氮肥是获得较高目标产量的关键措施[1]。氮肥的不合理施用导致其利用效率低和环境污染等一系列问题。改变肥料结构、提高肥料利用率是实现化肥“减量增效”的必然要求，而新型尿素的研制和利用是提高氮肥利用效率和小麦产量的有效途径。通过高分子纳米材料进行物理和生物改性，利用其固有的吸附性能和胶体性能与复配材料协同作用，形成分子网格吸附和氮素固定，降低氮素流失和损失，将普通尿素改良为控释尿素等新型肥料有助于提高氮肥生物有效性，降低环境污染[2]。但目前推出的肥料效果尚不明确，需要通过进一步的大田试验以验证其作用。
　　微量元素成为限制冬小麦产量持续提升和品质提高的重要因素。有机质和有机肥投入是微量元素主要来源，近年来土地产出的持续提高和有机肥投入的相对减少，加之土壤条件的限制和固定吸附，导致微肥有效性低。我国土壤微量元素亏缺现状日趋严重，缺锌土壤面积约占耕地面积的40%[3，4]，缺锰土壤面积约占耕地面积的21%[5]，尤其是在石灰性土壤中，锌、锰亏缺是限制冬小麦产量持续提升和品质提高的重要因素[6-8]。适当施用微量元素肥料能够显著提高冬小麦产量，其增产效果受土壤条件、施肥方式、施用量等因素的影响[8]。锌和锰被土壤大量固定导致肥效低，探索含锌、锰等微量元素肥料种类和合理施肥方式是促进冬小麦生长和提高冬小麦品种的可行途径[9]。本研究在田间条件下，通过施用控释尿素、含锌和含锰尿素、聚能网尿素和腐植酸尿素等新型氮肥，比较其对改善土壤养分状况和提高冬小麦产量和品质改善的影响，寻求华北石灰性土壤冬小麦生产中合理的微量元素施肥措施和尿素种类。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况及材料
　　试验于2016—2017年进行。2016年试验〖JP6〗（Ⅰ）在山东省德州市临邑县德平镇富民农场进行。该区地处鲁北黄泛平原，属暖温带大陆性季风气候，年平均温度为13.5℃，年均降水量为566 mm。试验地土壤为潮土，pH值8.05，有机质含量12.04 g/kg、碱解氮58.46 mg/kg、有效磷1405 mg/kg、有效钾146.0 mg/kg、交换性Ca和交换性Mg 分别为19.08 g/kg和0.83 g/kg，有效锌 15.91 mg/kg、有效锰 11.65 mg/kg、有效铁 8.18 mg/kg、有效铜 2.48 mg/kg和水溶性硼0.47 mg/kg。前茬作物玉米，收获后秸秆全部机械化粉碎还田。肥料按照试验处理撒施后机耕整地，冬小麦机播。供试冬小麦品种为良星77，播种日期为2015年10月14日。
　　2017年试验（Ⅱ）在济宁市嘉祥县大张楼镇运韩村进行。地处鲁西南平原，属黄泛冲积平原，暖温带大陆性季风气候，年均气温13.9℃，年均降水量701.8 mm。试验地土壤为粘质潮土，前茬为夏玉米，收获后秸秆全部机械化粉碎还田。冬小麦机播。供试小麦品种为百农207，播种日期為2016年10月。土壤pH值8.41，有机质含量17.10 g/kg、碱解氮42.92 mg/kg、有效磷 8.31 mg/kg、速效钾118.0 mg/kg。
　　试验所用普通尿素氮含量46.0%;控释尿素氮含量43.2%;含锌尿素氮含量45.3%、锌含量1.61%;含锰尿素氮含量43.0%（试验Ⅱ为42.5%）、锰含量2.0%（试验Ⅱ为2.3%）;试验Ⅱ聚能网尿素和腐植酸尿素氮含量均为46.0%。不同类型尿素均由河南心连心化肥有限公司提供。
　　1.2 试验设计及方法
　　根据尿素种类，试验Ⅰ共设7个处理：（1）无氮处理（N0）;（2）普通尿素（CU）;（3）控释尿素（CLU）;（4）含锌尿素（Zn-U）;（5）含锰尿素（Mn-U）;（6）普通尿素及七水硫酸锌（ZnSO4·7H2O）（U+Zn），施锌量与Zn-U处理一致;（7）普通尿素及硫酸锰（MnSO4·H2O）（U+Mn），施锰量与Mn-U处理一致。
　　根据试验Ⅰ结果，试验Ⅱ优化后设8个处理：（1）无氮处理（N0）;（2）普通尿素（CU）;（3）控释尿素（CLU1）;（4）聚能网尿素（SNU）;（5）腐植酸尿素（HAU）;（6）控释尿素（CLU2）;（7）含锰尿素（Mn-U）;（8）普通尿素及硫酸锰（U+Mn）。
　　试验Ⅰ和试验Ⅱ所有处理磷、钾肥均作基肥一次性施入，磷肥（P2O5）为150 kg/hm2（重过磷酸钙，P2O5 含量44%），钾肥（K2O）为90 kg/hm2（氯化钾，K2O含量60%）;除N0外，所有处理氮肥施用总量（N）均为225 kg/hm2，CLU及CLU1处理的控释尿素一次性全部撒施处理，其它处理氮肥及七水硫酸锌（U+Zn）和一水硫酸锰（U+Mn）40%作基肥施入，剩余部分于起身-拔节期一次性追施。试验Ⅰ冬小麦生育期内锌肥施用量（Zn）为7.88 kg/hm2，锰肥（Mn）为9.78 kg/hm2（试验Ⅱ为7.31 kg/hm2）。两年试验小区面积均为4 m×10 m=40 m2。随机区组排列，重复3次。
　　冬小麦播种量225 kg/hm2，行距为25 cm，后期管理方式与当地农场相同。
　　1.3 测定指标及方法
　　试验开始前，取0～20 cm土层土壤样品，分析其有机质和养分含量;冬小麦收获后采集0～20 cm土壤样品，风干过2 mm筛后测定有机质、大量养分（氮、磷、钾，试验Ⅰ和Ⅱ）和中微量元素含量（钙、镁、硫、硼、铁、锰、铜、锌，试验Ⅰ）。土壤碱解氮采用凯氏定氮法测定;土壤经0.5 mol/L NaHCO3溶液提取后采用钒钼黄比色法测定有效磷含量;采用原子吸收分光光度法测定速效钾含量;钙和镁测定采用原子吸收分光光度法（NY/T 1121.13—2006）;土样用CaCl2溶液浸提后采用硫酸钡比浊法测定土壤硫（NY/T 1121.14—2006）;土壤硼采用甲亚胺—H比色法测定（NY/T 1121.8—2006）;铁、铜、锰、锌采用二乙三胺五乙酸浸提法测定（NY/T 890—2004）。 　　分别在关键生育期采集冬小麦植株样品测定植株干重，粉碎后通风橱内用硫酸和双氧水高温消煮，消煮液采用凯氏定氮法测定
　　植株氮含量。每处理选择干扰较小的单位面积测定冬小麦穗数、穗粒数和千粒重，测定产量。试验Ⅰ冬小麦籽粒蛋白质采用凯氏法（ISO 20483∶2006，IDT）测定;湿面筋采用手洗法（GB/T 5506.2—2008，ISO 21415-2∶2006，IDT）测定;铁和锰采用原子吸收分光光度计法（GB/T 5009.90—2003）测定;锌采用原子吸收分光光度计法（GB/T 5009.14—2003）测定。
　　1.4 氮肥利用率
　　氮肥利用率（%）=（施氮处理氮吸收量-不施氮处理氮吸收量）/施氮量×100。
　　1.5 數据分析
　　试验数据采用SPSS 16.0软件进行方差分析，蛋白质和湿面筋等非连续变量平方根反正弦转换后进行方差分析，处理间差异显著性分析采用LSD法（P<0.05）。
　　2 结果与分析
　　2.1 新型尿素对冬小麦产量和产量构成因素的影响
　　由图1A看出，与无氮处理（N0）相比，各类型尿素处理对产量均无显著促进作用，原因可能是土壤氮本底值含量过高。与普通尿素处理（CU）相比，含锰尿素（Mn-U）和尿素加锰（U+Mn）处理分别增产4.98%和6.79%，其效果优于Zn-U和U+Zn处理。含锌尿素和含锰尿素撒施对冬小麦千粒重、穗粒数和有效穗数均无显著影响（表1）。
　　由图1B看出，与无氮处理（N0）相比，施氮肥能够显著提高冬小麦产量，但不同种类尿素处理间无显著差异。其中含锰尿素（Mn-U）和尿素加锰（U+Mn）处理产量最高，控释尿素一次性撒施和两次施用无显著差异。尿素种类和施用方式对冬小麦千粒重、穗粒数和穗数等均无显著影响（表2）。
　　2.2 新型尿素对冬小麦生长的影响
　　由图2A看出，控释尿素、含锌尿素和含锰尿素对冬小麦生长均无显著促进作用。与无氮处理（N0）相比，撒施氮肥对冬小麦生物量无显著影响。施氮量相同时，不同类型尿素对冬小麦成熟期生物量表现为CU> Mn-U>CLU、Zn-U>U+Mn>U+Zn> N0，但不同处理间均无显著差异。由图2B看出，尿素种类和施用方式对冬小麦生长无显著影响。
　　2.3 新型尿素对冬小麦氮素吸收和氮肥利用率的影响
　　由图3A看出，与无氮处理（N0）相比，撒施普通尿素和含锌尿素能够显著提高冬小麦秸秆氮含量，撒施普通尿素和含锰尿素能够显著提高冬小麦籽粒氮含量;施氮量相同时，尿素种类和施用方式对冬小麦氮吸收的影响无显著差异。与其它种类尿素相比，撒施普通尿素氮肥利用率最高，达37.86%。由图3B看出，与无氮处理（N0）相比，
　　撒施尿素能够显著促进冬小麦氮吸收和在籽粒中的分布，但对秸秆氮吸收量无显著影响。与其它种类尿素相比，撒施含锰尿素氮肥利用率最高，达30.65%。
　　2.4 新型尿素对冬小麦籽粒品质的影响
　　由表3看出，与无氮处理（N0）相比，施氮各处理冬小麦湿面筋含量均有一定程度的增加，其中以Zn-U处理增幅最大，达10.10%，Zn-U处理比CU处理提高2.54%。同等施氮量下不同类型尿素对冬小麦籽粒蛋白质、湿面筋、Zn、Mn和Fe含量均无显著促进作用。
　　2.5 新型尿素对土壤养分的影响
　　由表4和表5看出，与无氮处理相比，施加氮肥对土壤大量养分和中微量元素（硫元素除外）均无显著影响;同等施氮量时，含锌尿素和含锰尿素对土壤氮、磷和钾均无显著影响，除控释尿素、含锰尿素及尿素加硫酸锰处理土壤硫含量显著降〖LL〗低外，对其它中微量元素无显著影响。
　　3 讨论与结论
　　氮肥的不合理施用导致其利用效率低和环境污染等一系列问题，新型尿素的研制和利用是提高氮肥利用效率和小麦产量的有效途径。本研究通过两年大田试验验证了控释尿素、含锌尿素、含锰尿素、聚能网尿素和腐植酸尿素等新型肥料在促进养分吸收和冬小麦产量中的作用。结果表明，施氮量一致时，尿素种类对冬小麦生长和产量无显著促进作用，可能有以下原因：（1）试验农田选择在集约化生产条件下，前茬作物种植过程中施入大量肥料，其土壤本身氮素含量较高（58.46 mg/kg和42.92 mg/kg），弱化了尿素种类在冬小麦氮素吸收过程中可能产生的正效应。（2）控释尿素通过改变肥料结构降低了肥料的释放速率，反而延缓其在苗期与返青期之间的释放，大量氮素不能有效利用，但通过2次施用，能一定程度上缓解这种氮素的损失。（3）尿素肥效除受其种类影响外，还受农田管理措施和环境因子的共同作用，由于土壤本身氮素含量较高，氮素不再是冬小麦生长和产量的主要限制因子或其重要性被其它限制因子弱化，因此，尽管尿素种类对氮肥利用率有一定程度的影响，但其对冬小麦的生长和产量均无显著促进作用。
　　以往研究表明，微量元素被作物吸收利用是一个复杂的过程，包括根系吸收、运输和分配等生理过程才能最终被植物利用，由此导致土壤锌利用率低[10，11]，加之锌在土壤中的移动性差[12]和石灰性土壤高pH值导致锌和锰等微量元素有效性低[13]。本试验结果表明，无论配施硫酸锌、硫酸锰还是施加含锌和含锰尿素，增施锌肥和锰肥对冬小麦产量和品质均无显著促进作用。主要原因可能有以下几个方面：（1）微量元素肥效受土壤条件、作物品种、肥料种类、施用量等多因素共同影响，石灰性土壤中高pH值显著降低锌和锰的有效性，加之微量元素用量小和冬小麦吸收利用效率低等导致肥效不明显。（2）试验地土壤锌含量15.91 mg/kg，远远高于5.00 mg/kg，属于极高水平[14]，因此，施锌对冬小麦产量和品质影响不明显。（3）试验地土壤锰含量11.65 mg/kg，远远低于50.00 mg/kg，属于极低水平[15]，施锰提高了冬小麦产量和品质，但是试验中锰肥的施用量过低未达显著差异。冬小麦产量和品质除受施肥影响外，还受气候、土壤物理性状等环境因素和其它管理措施（农药使用）等影响。 　　微肥与适量氮素伴施能够通过促进根系生长进而提高冬小麦吸收微量元素的能力[16]。施肥量相同情况下，含锌（Zn-U）或含锰尿素（Mn-U）与尿素伴施硫酸锌（U+Zn）和硫酸锰（U+Mn）相比，对冬小麦产量与品质影响无显著差异，尽管含锌和含锰尿素能够在一定程度上降低土壤对锌和锰的固定，但因其均为播种前撒施，而冬小麦生长要经历较长的越冬期，返青期时微量元素已大量被土壤固定，肥效明显降低。研究表明，中后期叶面喷施锌肥能够提高冬小麦籽粒锌含量，效果优于播前土施锌肥[10]。由此可见，微量元素施用方式和施肥时期对其肥效有重要影响。
　　锌和锰均為冬小麦生长的必需微量元素，对冬小麦品质起重要作用。本试验结果表明，与含锌尿素相比，含锰尿素在一定程度上能够通过促进冬小麦对氮和钾的吸收提高冬小麦产量，氮肥利用率显著增加，因此，石灰性土壤中施加含锰尿素效果优于含锌尿素。
　　综上所述，受土壤条件、冬小麦品种、锌肥和锰肥种类、施用量和施用时期等多因素共同影响，石灰性土壤中施加控释尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素、含锌和含锰尿素对冬小麦产量和品质无显著促进作用。今后要根据冬小麦品种、土壤和环境因子，选择适当的新型尿素施肥方式和肥料用量。
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