吳振宇, 楊 陽, 周子軍, 倪曉宇, 余立祥, 陸荷微, 劉斌美, 吳躍進(jìn), 王 鈺**

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新型緩釋尿素肥效與功能材料添加量的關(guān)系*

吳振宇1, 楊 陽2, 周子軍2, 倪曉宇2, 余立祥2, 陸荷微1, 劉斌美2, 吳躍進(jìn)2, 王 鈺1**

(1. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 合肥 230601; 2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所 合肥 230031)

本研究利用煤汽化尿素生產(chǎn)工藝制備6種改性緩釋尿素(功能性吸附材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%), 通過砂柱淋溶、氨揮發(fā)氣室試驗(yàn)和田間玉米試驗(yàn), 以普通尿素為對(duì)照, 分析功能性吸附材料添加量與尿素緩釋特征和田間肥效的關(guān)系, 探討適于玉米生產(chǎn)的改性緩釋尿素功能性吸附材料最優(yōu)添加量, 為基質(zhì)緩釋肥的研發(fā)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供借鑒。結(jié)果表明: 緩釋尿素中氮素釋放特征可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程N=0(1-e-bx)擬合, 其氮素釋放速率常數(shù)(b)比普通尿素下降67.4%~82.6%, 累積氨揮發(fā)損失比普通尿素下降15.8%~39.3%。玉米栽培試驗(yàn)中, 耕層土壤速效氮含量隨功能性吸附材料添加量的提高呈增加趨勢(shì), 同時(shí)玉米葉片中葉綠素含量和硝酸還原酶活性呈增加趨勢(shì)。借助一元三次模型擬合玉米產(chǎn)量性狀與功能性吸附材料添加量的關(guān)系發(fā)現(xiàn), 功能性吸附材料添加量為5.28%、4.80%、5.24%和4.76%的緩釋尿素可分別獲得理論最高玉米生物學(xué)產(chǎn)量(15 829 kg·hm-2)、地上部生物量(164.0 g·plant-1)、根系生物量(26.9 g·plant–1)和籽粒產(chǎn)量(6 769 kg·hm–2)。綜上, 基質(zhì)型緩釋尿素的功能性吸附材料具有較好的減少氮素淋溶和氨揮發(fā)、改善玉米氮素營(yíng)養(yǎng)、提高玉米產(chǎn)量的作用, 5%的添加量更有利于玉米生物量和產(chǎn)量提高。

緩釋尿素; 功能性吸附材料; 最佳添加量; 氮素釋放速率; 累積氨揮發(fā); 籽粒產(chǎn)量; 玉米

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥過量施用及養(yǎng)分流失問題嚴(yán)重, 造成肥料資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境危害[1]。研發(fā)應(yīng)用新型緩控釋肥是提高作物肥料利用率、減少養(yǎng)分損失的重要途徑[2]。我國(guó)約60%以上的氮肥由尿素提供, 不同類型緩控釋尿素的研發(fā)一直是關(guān)注熱點(diǎn)。包膜和穩(wěn)定性尿素借助物理包膜和生物抑制原理, 對(duì)控制養(yǎng)分釋放和形態(tài)轉(zhuǎn)化具有良好效果, 但前者工藝復(fù)雜、成本較高, 后者在多水土壤中穩(wěn)定性較差, 限制了其農(nóng)業(yè)應(yīng)用[3]。基質(zhì)緩釋肥通過添加具有較強(qiáng)離子交換性能的功能性吸附材料(簡(jiǎn)稱“功能材料”, 下同), 控制養(yǎng)分的運(yùn)移和損失[4]。雖然基質(zhì)緩釋肥養(yǎng)分釋放期比包膜緩控釋肥短, 但其成本較低, 農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景廣闊[1,5]。

基質(zhì)緩釋肥中添加的功能材料通常由具有片層狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)鏈狀吸附位點(diǎn)的天然礦物與有機(jī)高分子聚合物復(fù)配改性制成[2,5]。例如, 利用層狀硅酸鹽礦物中硅氧四面體和鋁氧八面體晶片結(jié)合形成復(fù)三角網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu), 通過八面體中陽離子的同晶置換產(chǎn)生吸附電荷, 結(jié)合其較大的比表面(600~800 m2·kg-1), 從而產(chǎn)生物理、化學(xué)和離子交換3種類型的吸附, 可以在控制肥料養(yǎng)分釋放方面發(fā)揮作用[2-3]?；|(zhì)緩釋肥控制養(yǎng)分流失的能力與功能材料性質(zhì)緊密相關(guān)。前人通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型比較了不同功能材料對(duì)肥料氮素養(yǎng)分釋放特征的影響, 表明氮素最大累積釋放率以添加蛭石(83.1%)和膨潤(rùn)土(87.2%)的基質(zhì)緩釋肥較低[2]?；|(zhì)緩釋肥控制養(yǎng)分流失的能力還與功能材料添加量緊密相關(guān)。前人將功能材料添加量設(shè)置為59.0%, 發(fā)現(xiàn)蛭石、膨潤(rùn)土、沸石等材料具有明顯控制肥料氮素養(yǎng)分釋放的作用[2]。但是, 功能材料添加量過多會(huì)降低有效養(yǎng)分含量、增加生產(chǎn)和運(yùn)輸成本, 在工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在很大局限。前人嘗試將功能材料添加量降低為5%, 發(fā)現(xiàn)制備的基質(zhì)肥料在控制氮素養(yǎng)分釋放方面仍有較明顯的作用[5]。不過, 進(jìn)一步減少功能材料添加量對(duì)基質(zhì)肥料緩釋效果和肥效表現(xiàn)有何影響, 目前尚鮮見報(bào)道。確定適宜的功能材料和最優(yōu)添加量是研發(fā)推廣基質(zhì)緩釋肥的關(guān)鍵前提[2,6-7]。

本研究利用煤汽化尿素生產(chǎn)工藝制備具有不同功能材料添加量的緩釋尿素, 通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)其氮素養(yǎng)分淋溶和氨揮發(fā)損失特征, 借助田間試驗(yàn)分析其對(duì)土壤速效氮、玉米氮素營(yíng)養(yǎng)和產(chǎn)量的影響, 基于函數(shù)擬合與極值運(yùn)算探討適于玉米生產(chǎn)的功能材料最優(yōu)添加量。本研究結(jié)果有望為基質(zhì)緩釋肥的研發(fā)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試肥料

室內(nèi)和田間試驗(yàn)供試氮肥為普通尿素(對(duì)照)、改性功能材料及改性功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(河南心連心協(xié)助生產(chǎn))。功能材料以具有層鏈狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀吸附位點(diǎn)的沸石、膨潤(rùn)土等礦物為基質(zhì)材料, 經(jīng)高分子聚合物復(fù)配改性提升功能材料離子交換性能和緩釋效果, 然后通過噴霧方式在造粒過程中混合添加到尿素顆粒中。田間試驗(yàn)所用磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%, 山東魯科化工生產(chǎn)), 鉀肥為硫酸鉀(含K2O 51%, 中鹽安徽紅四方生產(chǎn))。

1.1.2 田間基本條件及供試作物

試驗(yàn)區(qū)年均降水量950 mm。供試土壤類型為黃棕壤土, 其基本化學(xué)性質(zhì): 全氮0.96 g·kg-1, 全磷1.31 g·kg-1, 全鉀16.1 g·kg-1, 有機(jī)質(zhì)20.5 g·kg-1, pH 6.83。供試玉米(L.)品種為‘鳳糯476’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 砂柱淋溶試驗(yàn)

設(shè)7個(gè)處理: 普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。以石英砂為淋溶介質(zhì), 石英砂過0.25~0.42 mm篩, 洗凈, 100 ℃烘干備用。淋溶方法: 在玻璃淋洗管(直徑3.2 cm, 高14.5 cm)中裝入石英砂和尿素, 淋洗管內(nèi)分3層, 上下兩層各為60 g石英砂, 中間為含0.93 g N的供試尿素。淋洗管底部接入蠕動(dòng)泵, 轉(zhuǎn)速90 r·min-1, 對(duì)砂柱進(jìn)行反向淋溶, 淋溶液每25 mL采集1次, 共采集12次。每處理3次重復(fù)。

1.2.2 氨揮發(fā)試驗(yàn)

設(shè)8個(gè)處理: 無尿素對(duì)照(CK)、普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干, 過2 mm篩備用。氨揮發(fā)采用密閉間歇式通氣法測(cè)定: 稱風(fēng)干土800 g放入密閉氣室(高22 cm, 直徑15 cm, 容積4 L)中, 加入240 mL蒸餾水放置24 h, 之后將含0.93 g N的供試尿素均勻撒在土壤表層并用200 g土覆蓋, 再加入60 mL蒸餾水, 于(23±2) ℃培養(yǎng)。借助氣泵、定時(shí)裝置和氨捕獲瓶(高10 cm, 直徑7 cm, 容積400 mL, 內(nèi)置100 mL 20 g·L-1硼酸作為氨吸收液)通氣吸收揮發(fā)態(tài)氨, 每天分別于2:00、8:00、14:00和20:00通氣, 每次持續(xù)通氣20 min。共采集14 d, 每2 d樣品合并測(cè)定氨吸收量, 每處理3次重復(fù)。

1.2.3 田間試驗(yàn)

于2016年6月23日—9月23日在中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地開展田間玉米試驗(yàn)。設(shè)8個(gè)處理: 無尿素對(duì)照(CK)、普通尿素(CU)和功能材料添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的6種緩釋尿素(1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU)。施氮肥處理的氮肥用量均為195 kg(N)·hm-2。所有處理均施用45 kg(P2O5)·hm-2過磷酸鈣和45 kg(K2O)·hm-2硫酸鉀。所有肥料做基肥于播種前翻壓混合到0~20 cm耕層土壤。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 小區(qū)面積16 m2(4 m×4 m), 每處理3次重復(fù)。玉米行距40 cm, 株距30 cm, 采用常規(guī)田間管理措施進(jìn)行病、蟲、草防治。

于吐絲期采集穗位葉片, 每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)葉片, 蒸餾水洗凈, 吸水紙吸干, 剪碎混勻, 用于測(cè)定葉綠素含量和硝酸還原酶活性, 每個(gè)處理重復(fù)3次; 同時(shí), 采用土鉆(直徑5.5 cm)于每個(gè)小區(qū)按W形取樣方式采集5個(gè)點(diǎn)的耕層(0~20 cm)土壤樣品, 每個(gè)小區(qū)內(nèi)的土壤樣品混勻(約5 kg), 采用四分法取回約1 kg用于室內(nèi)測(cè)定速效氮含量, 每個(gè)處理重復(fù)3次。于成熟期收獲計(jì)產(chǎn), 每小區(qū)20株, 測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量等。

1.3 測(cè)定分析方法

淋溶樣品尿素含量(折合純N)采用對(duì)二甲氨基苯甲醛顯色法測(cè)定[8]。氨吸收液樣品氨含量以0.005 mol·L-1稀硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定測(cè)定[9]。土壤速效氮(NO3--N+ NH4+-N)以紫外吸收法和靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[10]。玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性以分光光度法測(cè)定[11]。按常規(guī)方法測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SAS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析, 以LSD法進(jìn)行多重比較(=0.05)?；谏爸苋茉囼?yàn)數(shù)據(jù), 借助Origin 2015軟件構(gòu)建一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型N=0(1-e-bx), 分析緩釋尿素氮素釋放的動(dòng)力學(xué)特征。式中:N為尿素氮素累積釋放率;0為尿素氮素最大累積釋放率; b為氮素釋放速率常數(shù);為淋溶次數(shù)[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋尿素砂柱氮素淋失特征

通過砂柱淋溶評(píng)價(jià)功能材料對(duì)氮素淋溶損失的影響(圖1)。各處理氮素淋溶損失率峰值均出現(xiàn)在第1次淋溶, 普通尿素第1次淋溶的氮素淋溶損失率達(dá)81.6%, 而功能材料添加量1%~6%的緩釋尿素?cái)?shù)值為27.7%~42.8%, 比普通尿素降低47.6%~66.0%; 普通尿素氮素迅速淋溶損失, 在第2次淋溶時(shí)累積氮素?fù)p失率達(dá)98.8%, 緩釋尿素氮素淋溶損失相對(duì)緩慢, 在第2次淋溶時(shí)累積氮素?fù)p失率為46.6%~66.4%; 在第6次淋洗時(shí), 功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素的累積氮素淋溶損失率已近100%, 而功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素處理約為70%, 在第12次淋溶時(shí)約為90%, 功能材料添加量6%的緩釋尿素氮素淋溶損失最慢。

單次淋溶釋放率=單次淋溶損失氮量/尿素氮加入量×100%, 其中尿素氮加入量為930 mg N; CU為普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU分別為功能性吸附材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。N leaching ratio = N in leaching sample / urea N dose′100%, where, urea N dose is 930 mg N; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU are slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional absorption materials, respectively.

2.2 緩釋尿素氮素釋放動(dòng)力學(xué)特征

借助一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程N=0(1-e-bx)分析緩釋尿素氮素釋放的動(dòng)力學(xué)特征, 擬合效果較優(yōu)(=0.983~0.999,<0.05)。由一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程得出的尿素氮素最大累積釋放率(0)和氮素釋放速率常數(shù)(b)可知(表1): 普通尿素和功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素的氮素最大累積釋放率約為100%, 而功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素?cái)?shù)值約為90%; 普通尿素的氮素釋放速率常數(shù)為1.72, 與之相比, 功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素?cái)?shù)值(0.54~0.56)降低67.4%~68.6%, 功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素?cái)?shù)值(0.30~0.33)降低80.8%~82.6%。

表1 不同功能性吸附材料添加比例的緩釋尿素的氮素累積釋放曲線的擬合

CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU為功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。CU represents common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU represent slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively.

2.3 緩釋尿素氨揮發(fā)損失特征

基于間歇通氣培養(yǎng)法比較不同尿素處理的土壤氨揮發(fā)損失動(dòng)態(tài)特征(表2): 多數(shù)尿素處理的氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)在第1~2 d, 但功能材料添加量6%的緩釋尿素氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)在第3~4 d, 之后氨揮發(fā)呈逐漸降低趨勢(shì), 在第13~14 d各處理氨揮發(fā)損失降為0.2 mg N以下; 各尿素處理的氨揮發(fā)損失始終顯著高于無尿素對(duì)照(<0.05); 緩釋尿素在第1~2 d和5~6 d的氨揮發(fā)損失均顯著低于普通尿素處理(<0.05); 緩釋尿素的氨揮發(fā)峰值為14.09~21.26 mg N, 比普通尿素處理(26.59 mg N)降低20.0%~47.0%, 其中, 功能材料添加量6%的緩釋尿素的氨揮發(fā)峰值最低(14.09 mg N)。

通過累加各時(shí)間段的氨揮發(fā)損失比較不同尿素處理的氨揮發(fā)損失總量(表2): 各尿素處理的累積氨揮發(fā)損失為34.3~56.5 mg N, 占氮素施入總量(930 mg)的3.69%~6.08%, 均顯著高于無尿素對(duì)照(<0.05); 緩釋尿素的累積氨揮發(fā)損失比普通尿素處理顯著降低15.8%~39.3%(<0.05); 功能材料添加量6%的緩釋尿素的累積氨揮發(fā)損失最低(34.3 mg N), 顯著低于功能材料添加量1%~3%的緩釋尿素(<0.05)。

表2 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素的土壤氨揮發(fā)損失動(dòng)態(tài)

尿素氮加入量均為930 mg N。CK: 無尿素對(duì)照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(<0.05)。Urea N dose is 930 mg N. CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added respectively with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials. Means in the same column with different lowercase letters are significantly different (< 0.05).

2.4 玉米吐絲期耕層土壤速效氮對(duì)緩釋尿素的響應(yīng)

基于玉米吐絲期耕層土壤速效氮比較不同尿素處理在田間條件下的氮素抗淋溶能力(圖2): 各尿素處理的耕層土壤速效氮含量為15.0~17.9 mg(N)·kg-1, 比無尿素對(duì)照顯著提高15.4%~37.7%(<0.05); 隨功能材料添加量的增加, 緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量呈逐漸增加趨勢(shì), 其中, 功能材料添加量3%~6%的緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量比普通尿素處理顯著提高8.7%~19.3%(<0.05), 且以功能材料添加量6%的緩釋尿素處理耕層土壤速效氮含量最高。

CK: 無尿素對(duì)照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。不同小寫字母的均值之間差異顯著 (<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

2.5 玉米吐絲期葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性對(duì)緩釋尿素的響應(yīng)

借助玉米吐絲期葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性比較不同尿素處理的玉米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況(表3): 各尿素處理的葉片葉綠素含量為1.92~2.54 mg·g-1(FW), 比無尿素對(duì)照顯著提高100.0%~164.6%(<0.05); 緩釋尿素處理的葉片葉綠素含量為1.99~2.54 mg·g-1(FW), 比普通尿素處理顯著提高3.65%~ 32.29%(<0.05)。各尿素處理的葉片硝酸還原酶活性為20.66~29.60 μg(NO2-)·g-1·h-1, 比無尿素對(duì)照顯著提高43.4%~105.4%(<0.05); 緩釋尿素處理的葉片硝酸還原酶活性均高于普通尿素處理, 其中, 功能材料添加量2%~6%的緩釋尿素處理葉片硝酸還原酶活性為22.51~29.60 μg(NO2-)·g-1·h-1, 比普通尿素處理顯著提高9.0%~43.3%(<0.05)。

表3 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素對(duì)吐絲期玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性的影響

CK: 無尿素對(duì)照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means in the same column with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

2.6 緩釋尿素對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

通過生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子比較不同尿素處理對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響(表4): 各尿素處理的生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重均顯著高于無尿素對(duì)照(<0.05); 功能材料添加量2%~6%的緩釋尿素處理生物學(xué)產(chǎn)量比普通尿素處理顯著提高5.6%~16.4%(<0.05); 功能材料添加量4%~5%的緩釋尿素處理籽粒產(chǎn)量比普通尿素處理顯著提高12.3%~13.5%(<0.05); 與普通尿素相比, 緩釋尿素未顯著影響玉米穗粒數(shù)(>0.05); 功能材料添加量3%~5%的緩釋尿素處理千粒重比普通尿素處理顯著提高5.5%~11.8%(<0.05)。

2.7 基于玉米生物量及產(chǎn)量的緩釋尿素功能材料添加量模型尋優(yōu)

借助一元三次模型擬合玉米產(chǎn)量參數(shù)與緩釋尿素功能材料添加量之間的關(guān)系(圖3): 玉米產(chǎn)量參數(shù)與緩釋尿素功能材料添加量之間的函數(shù)關(guān)系模型達(dá)顯著水平(<0.01或<0.05), 緩釋尿素功能材料添加量可以解釋93.7%~99.5%的玉米產(chǎn)量參數(shù)變異。通過對(duì)擬合函數(shù)曲線進(jìn)行極值運(yùn)算得出: 玉米生物學(xué)產(chǎn)量、地上部生物量、根系生物量和籽粒產(chǎn)量的理論最大值分別為15 829 kg·hm-2、164.0 g·plant-1、26.9 g·plant-1和6 769 kg·hm-2, 對(duì)應(yīng)的理論最優(yōu)緩釋尿素功能材料添加量分別為5.28%、4.80%、5.24%和4.76%。

3 討論

3.1 功能性吸附材料對(duì)氮素釋放的影響

淋溶是氮肥的重要損失途徑。功能性吸附材料基于大量蒙脫石晶胞構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu), 可進(jìn)行物理、化學(xué)和離子交換3種類型的吸附, 表現(xiàn)出良好的離子交換性能, 對(duì)控制肥料養(yǎng)分釋放具有明顯作用[13]。然而, 未經(jīng)改性處理的功能性吸附材料受層間陽離子種類和環(huán)境溶液介質(zhì)影響, 其層狀結(jié)構(gòu)分散狀況和離子交換性能受到限制[5,14]。本研究中采用的改性功能性吸附材料提高了其本身環(huán)境適應(yīng)性和離子交換性能。砂柱淋溶試驗(yàn)表明, 添加功能材料的緩釋尿素氮素淋溶損失相對(duì)緩慢, 功能材料添加量4%~6%的緩釋尿素氮素最大累積釋放率約為90%, 低于普通尿素(100%), 而其氮素釋放速率常數(shù)比普通尿素處理降低80%以上。張曉冬等[2]通過砂柱淋溶試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 基于功能材料的緩釋肥的氮素最大累積釋放率為87%, 低于普通化肥(100%), 而其氮素釋放速率常數(shù)比普通尿素降低64%以上。孫克君等[15]通過土柱淋溶試驗(yàn)也表明, 以功能材料包膜制備的緩釋尿素的氮素累積溶出率遠(yuǎn)低于普通尿素。由此可見, 添加功能性吸附材料的緩釋尿素具有控制氮素養(yǎng)分淋溶損失的作用。

表4 不同功能性材料添加比例的緩釋尿素對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

CK: 無尿素對(duì)照; CU: 普通尿素; 1%SRU、2%SRU、3%SRU、4%SRU、5%SRU和6%SRU: 功能材料添加量為1%、2%、3%、4%、5%和6%的緩釋尿素。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(<0.05)。CK: control test without urea; CU: common urea; 1%SRU, 2%SRU, 3%SRU, 4%SRU, 5%SRU and 6%SRU: slow release urea added with 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional materials, respectively. Means in the same column with different lowercase letters mean significant differences (< 0.05).

淋溶損失外, 氨揮發(fā)氣態(tài)損失也是氮肥的重要損失途徑, 且與土壤銨含量呈正相關(guān)[16-17]。本研究通過向尿素中添加功能性吸附材料, 對(duì)尿素氨揮發(fā)損失動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生較為明顯的調(diào)控作用, 緩釋尿素累積氨揮發(fā)損失顯著低于普通尿素(<0.05)。緩釋尿素減少氨揮發(fā)損失的原因可能是: 功能材料的片層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可有效吸附尿素水解產(chǎn)生的銨, 減少銨在土壤溶液中的濃度; 改性功能材料還具有良好的吸脹性和絮凝性, 可改變土壤孔隙狀況, 減少土壤與大氣之間的氣體交換通道, 從而減少氨揮發(fā)[5,13]。

3.2 尿素中添加功能性吸附材料對(duì)玉米氮素營(yíng)養(yǎng)的影響

通過施氮肥等方式提高土壤速效氮含量是改善玉米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的重要途徑。本研究發(fā)現(xiàn), 與普通尿素相比, 添加功能材料的緩釋尿素可提高耕層土壤速效氮含量, 其中, 功能材料添加量3%~6%的緩釋尿素處理與普通尿素處理達(dá)顯著差異(<0.05), 這與室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)中緩釋尿素可減輕氮素淋溶和氨揮發(fā)損失的結(jié)果一致, 同時(shí)證明與包膜型緩控釋肥類似[18], 基于功能性吸附材料的基質(zhì)型緩釋肥也具有提高玉米耕層土壤速效氮含量的作用。綜上可知, 基于功能性吸附材料的緩釋尿素在田間復(fù)雜條件下仍可表現(xiàn)出控制養(yǎng)分損失的特性, 具有農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

葉片綠度和硝酸還原酶活性是表征植株氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的良好指標(biāo)[19]。在缺氮條件下, 玉米葉片葉綠素含量和基于硝酸鹽誘導(dǎo)的硝酸還原酶活性通常會(huì)下降。本研究發(fā)現(xiàn), 施用添加功能材料的緩釋尿素, 可提高玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性, 該結(jié)果進(jìn)一步證明向尿素添加功能材料具有改善玉米氮素營(yíng)養(yǎng)的作用。王署娟等[20]研究也發(fā)現(xiàn), 功能材料包膜尿素可提高小白菜葉片葉綠素含量, 反映了該緩釋尿素對(duì)植株氮素營(yíng)養(yǎng)的改善作用。

3.3 緩釋尿素中功能性吸附材料添加量與玉米產(chǎn)量的關(guān)系

前述試驗(yàn)結(jié)果表明, 緩釋尿素中添加的功能材料可減少尿素的氮素?fù)p失、改善玉米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。進(jìn)一步的產(chǎn)量結(jié)果表明, 緩釋尿素具有提高玉米生物學(xué)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的作用, 其中生物學(xué)產(chǎn)量提高0.2%~16.4%, 籽粒產(chǎn)量提高0.2%~13.5%。孫克君等[15]研究也發(fā)現(xiàn)功能材料包膜控釋肥可提高玉米生物學(xué)產(chǎn)量8%以上。功能性吸附材料具有極強(qiáng)的離子交換能力, 能明顯影響肥料養(yǎng)分釋放, 只有選擇適宜的添加量才能在控制養(yǎng)分損失的同時(shí)避免影響肥料養(yǎng)分有效性和作物吸收[4]。本研究發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量對(duì)緩釋尿素功能材料添加量表現(xiàn)出差異響應(yīng)。王署娟等[20]研究也表明通過調(diào)節(jié)包膜尿素的功能材料添加量可以調(diào)控作物產(chǎn)量。為了探究適于玉米生產(chǎn)的最優(yōu)緩釋尿素功能材料添加量, 借助一元三次模型對(duì)玉米產(chǎn)量與緩釋尿素功能材料添加量的關(guān)系進(jìn)行擬合, 通過極值運(yùn)算得出緩釋尿素功能材料添加量為4.76%~5.28%可獲得較高玉米生物學(xué)和籽粒產(chǎn)量。

4 結(jié)論

添加改性功能性吸附材料的緩釋尿素可減少尿素氮素淋溶和氨揮發(fā)損失。緩釋尿素氮素釋放動(dòng)力學(xué)特征可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程N=0(1-e-bx)擬合, 緩釋尿素的氮素釋放速率常數(shù)(b)比普通尿素降低67.4%~82.6%, 其累積氨揮發(fā)損失比普通尿素降低15.8%~39.3%。隨緩釋尿素功能材料含量的提高, 耕層土壤速效氮含量呈增加趨勢(shì), 進(jìn)而改善玉米葉片葉綠素含量和硝酸還原酶活性。在緩釋尿素功能材料含量為5%左右時(shí), 可獲得較高的玉米生物學(xué)和籽粒產(chǎn)量。

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Effects of adding proportions of functional absorption materials on performance of new slow-release urea*

WU Zhenyu1, YANG Yang2, ZHOU Zijun2, NI Xiaoyu2, YU Lixiang2, LU Hewei1, LIU Binmei2, WU Yuejin2, WANG Yu1**

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2. Institute of Technical Biology & Agriculture Engineering, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Nitrogen fertilization enhances crop productivity. However, common nitrogen fertilizers have some drawbacks (e.g., high risk of nitrogen leaching and ammonia volatilization) which lead to environmental and economic problems. The development and application of new types of high-efficiency fertilizers such as matrix-based slow-release fertilizer is a possible solution to these drawbacks. Matrix-based slow-release fertilizer has the advantages of simple production process, low cost and stable performance. The added proportion of modified functional absorption materials affects the performance, effective component content and production cost of slow-release fertilizers. However, little is known about the relationship between the added proportion of functional absorption materials and performance of slow-release urea. The objective of this study was to assess the effects of added proportion of functional absorption materials on the performance of a new materials-based slow-release urea. The tested functional absorption materials were modified zeolite and bentonite by using organic polymer. The nitrogen loss characteristics and field crop performance of the functional absorption materials-based slow-release urea (SRU) were analyzed using sand leaching, ammonia emission chamber and field maize experiment methods. Experimental treatments mainly consisted of common urea (CU, as control), and six SRUs added 1%, 2%, 3%, 4%, 5% and 6% functional absorption materials, respectively. Then nitrogen release characteristics of urea were described using the first-order kinetic model. In field conditions, soil in the plough layer (0-20 cm) and ear leaves of maize were sampled at silking stage for measurement of soil available nitrogen concentration, leaf chlorophyll content and nitrate reductase activity. The optimal added proportion of functional absorption materials in slow-release urea was calculated using a polynomial model. Results showed that the highest nitrogen leaching ratio occurred at the first leaching — i.e., 81.6% in common urea treatment and 27.7%-42.8% in SRU treatments. The cumulative nitrogen leaching ratio in common urea treatment reached 100% at the sixth leaching, while that in SRU treatments reached 90% only at the twelfth leaching. Slow-release urea with 6% functional absorption materials had the best performance of reducing nitrogen leaching. The nitrogen release characteristics was fitted by the first-order kinetic equation —N=0(1-e-bx), whereNis cumulative nitrogen release ratio,0is the maximum cumulative nitrogen release ratio, b is nitrogen release ratio constant, andis the number of leaching. Nitrogen release ratio constant (b) of SRU treatments was 67.4%-82.6% lower than that of CU treatment, while cumulative ammonia emission of SRU treatments was 15.8%-39.3% lower than that of CU. Available nitrogen content in the plough layer of maize field increased with increasing proportion of functional absorption materials, which also increased leaf chlorophyll content and nitrate reductase activity in maize. SRU increased maize biomass and grain yield. Calculation based on a polynomial model showed that the highest plant biomass (15 829 kg·hm-2), shoot biomass (164.0 g·plant-1), root biomass (26.9 g·plant-1) and grain yield (6 769 kg·hm-2) were obtained in SRU treatments with 5.28%, 4.80%, 5.24% and 4.76% functional absorption materials, respectively. Overall, slow-release urea with 5% functional absorption materials had better performance in terms of nitrogen loss reduction via leaching and ammonia emission reduction, maize nitrogen nutrient improvement, and then maize biomass and grain yield increase.

Slow-release urea; Functional absorption materials; Optimum adding proportion; Nitrogen release rate; Cumulative ammonia emission; Grain yield; Maize

S143.1+5

A

1671-3990(2017)05-0740-09

10.13930/j.cnki.cjea.161006

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31601828)、中國(guó)科學(xué)院院企合作重大項(xiàng)目(Y19HX14702)、安徽省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(15czz03129)和中國(guó)科學(xué) 院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS)項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-083)資助

**通訊作者:王鈺, 主要從事植物生態(tài)研究。E-mail: yuwang800@hotmail.com

吳振宇, 研究方向?yàn)樯鷳B(tài)工程與環(huán)境修復(fù)技術(shù)。E-mail: wuzhenyu19910107@163.com

2016-11-11

2017-01-05

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31601828), the Major Program of Cooperative Enterprise and Chinese Academy of Sciences (Y19HX14702), the Major Scientific and Technological Program of Anhui (15czz03129) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-EW-STS-083).

** Corresponding author, E-mail: yuwang800@hotmail.com

Nov. 11, 2016; accepted Jan. 5, 2017

吳振宇, 楊陽, 周子軍, 倪曉宇, 余立祥, 陸荷微, 劉斌美, 吳躍進(jìn), 王鈺. 新型緩釋尿素肥效與功能材料添加量的關(guān)系[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 740-748

Wu Z Y, Yang Y, Zhou Z J, Ni X Y, Yu L X, Lu H W, Liu B M, Wu Y J, Wang Y. Effects of adding proportions of functional absorption materials on performance of new slow-release urea[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 740-748