控释肥分次施用对滨海盐碱地小麦产量、氮素利用效率及N2O排放的调控效应

《Journal of Agriculture and Food Research》：Two-time application of controlled-release fertilizer: Effects on wheat yield, nitrogen use efficiency, and N 2O emissions in coastal saline-alkaline soils

本研究针对滨海盐碱地小麦生产中氮肥利用率低、土壤结构差及温室气体排放高等问题，系统评估了尿素、掺混肥(BF)和控释肥(CRF)在不同施用次数下对小麦生产力、氮素利用效率(NUE)及N2O排放的影响。结果表明，控释肥分两次施用(N5)能最佳地实现土壤氮素供应与作物需求的同步，在提高小麦产量(增产11.8-12.5%)和氮素利用效率(氮素吸收效率提升39.1-59.5%)的同时，显著降低N2O累积排放量(降幅约59%)。该研究为盐碱地小麦绿色高产高效栽培提供了优化的氮肥管理策略。

　　

在全球粮食需求持续增长的背景下，盐碱地作为一种重要的后备耕地资源，其可持续利用对于保障粮食安全具有重要意义。据统计，全球盐碱地面积超过8亿公顷，并且由于气候变化、海平面上升以及长期的水土管理不当，其在沿海和干旱地区仍在不断扩张。小麦作为对盐碱胁迫具有中等耐受性的主要谷物，是盐碱地区有潜力的栽培作物。然而，盐碱土壤的高盐分和碱度会损害土壤的渗透势，限制根系对养分的吸收，并抑制微生物过程，导致作物生长不良和籽粒灌浆受限。此外，劳动力短缺、机械化程度低等社会经济挑战也制约了有效的田间管理措施，特别是需要高劳动力投入的分次施肥。

在盐碱地小麦系统中，优化氮素管理是核心挑战之一。氮素是生物量形成和产量的关键，但其利用效率往往很低，这主要是由于氮素供应与作物需求不匹配。即使是分次施用尿素，在高pH值和不稳定的硝化-反硝化过程影响下，氮素吸收也会受到干扰，导致通过挥发和淋溶造成的氮素损失。这些过程还会增加氧化亚氮(N₂O)的排放，其全球增温潜势是二氧化碳的298倍。根据政府间气候变化专门委员会的报告，农业土壤贡献了全球超过60%的人为N₂O排放，其中谷物系统是主要来源。因此，提高氮素利用效率同时减少环境氮损失，既是农学目标，也是环境优先事项。

控释肥通过调控氮素释放使其与作物需求同步，在提高氮素利用效率、减少硝酸盐淋失和减缓N₂O排放方面显示出潜力。然而，其在盐碱地上的表现并不稳定。一些研究报告了在盐分条件下产量和氮素利用效率有所改善，而另一些研究则发现效果有限甚至为负面，这主要是由于生殖生长阶段氮素供应不足。大多数商用控释肥的氮素释放期仅为80-120天，远短于冬小麦220天的生命周期，导致单次基施可能在生长前期满足需求，但无法为后期阶段提供充足的氮素，最终降低根系活性、光合效率和花后氮素转运。

为了应对这些挑战，一项发表在《Journal of Agriculture and Food Research》上的研究，将控释肥或掺混肥的释放调控优势与分次施用的时间精确性相结合，探讨了不同的氮素管理策略如何影响盐碱条件下小麦的生理、氮循环和N₂O排放。

研究人员于2023年至2025年在中国东部滨海盐碱地进行了为期两年的田间试验，设置了六种氮素管理处理，包括不施氮对照、常规尿素分四次施用、掺混肥单次和分两次施用、以及控释肥单次和分两次施用。所有施肥处理的总氮量一致。研究系统测定了土壤无机氮动态、酶活性、N₂O排放、作物干物质积累、根系形态与活性、光合参数、产量及其构成因素以及氮素利用效率等指标。

主要技术方法概述

研究采用单因素随机区组设计，在盐碱地（电导率4.6-4.9 dS m^-1）进行两年田间试验。测定了土壤铵态氮、硝态氮、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性。采用静态箱-气相色谱法监测整个生育期N₂O排放通量。在关键生育期取样测定植株干物质积累、氮素积累与转运、根系形态和氧化活性。使用便携式光合作用测定系统测定旗叶光合参数。成熟期测定产量及其构成因素，并计算各项氮素利用效率指标。数据采用方差分析和最小显著差异法进行统计比较。

研究结果

3.1. 土壤无机氮动态、酶活性和N₂O排放

控释肥和掺混肥分两次施用处理在生长前期保持了较低的土壤硝态氮和铵态氮浓度，但在抽穗和开花期则能维持较高的水平，表明其能更好地同步土壤氮素供应与作物需求。与之相应，这两个处理的土壤硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性在生育后期也高于常规尿素处理。分两次施用控释肥和掺混肥显著降低了N₂O排放通量和累积排放量，其中控释肥分两次施用处理的减排效果最佳，两年平均减排约59%。

3.2. 干物质积累和根冠比

分两次施用控释肥和掺混肥处理在返青后表现出更高的地上部和根系干物质积累量，在成熟期，其地上部干重比常规尿素处理最高可增加40.3%。这表明分次施用提供了更持续的氮素供应，促进了作物的生长。根冠比在分次施肥处理中较低，表明光合产物更多地向地上部，特别是籽粒分配。

3.3. 根系形态和氧化活性

在生育后期，分两次施用控释肥和掺混肥处理的小麦具有更发达的根系，表现为更长的根长、更大的根表面积和根体积。同时，这些处理的根系氧化活性在拔节期和成熟期也显著高于常规尿素处理，表明其根系代谢活性和养分吸收能力更强。

3.4. 光合参数

在抽穗期和花后30天，分两次施用控释肥处理的旗叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均最高，而胞间CO₂浓度最低，表明其具有更高的光合效率和碳同化能力。

3.5. 小麦产量和产量构成因素

产量结果表明，控释肥分两次施用处理获得了最高产量，两年平均比常规尿素处理增产12.15%。增产主要来源于单位面积穗数和千粒重的显著增加。而掺混肥单次基施和控释肥单次基施处理的产量均低于常规尿素处理。

3.6. 氮积累、吸收和利用效率

氮素积累动态显示，分两次施用控释肥处理在抽穗至成熟期各器官的氮素积累量均保持较高水平，并且其花后氮素转运量也最高。在氮素利用效率方面，该处理的农学氮素利用效率、生理氮素利用效率和氮素吸收效率均显著高于其他处理，体现了其高效的氮素吸收和利用能力。

研究结论与意义

本研究得出结论，在滨海盐碱地小麦生产中，控释肥分两次施用是最优的氮肥管理策略。该策略通过调控氮素释放规律，实现了土壤氮素供应与小麦需氮特性的同步，从而在生育后期维持了较高的氮素供应能力和根系活力，促进了光合产物的形成与向籽粒的转运，最终实现了小麦高产和氮素高效利用，并显著降低了N₂O排放强度。

该研究的重要意义在于，它从土壤-植物系统的多个层面（土壤氮转化、根系生理、叶片光合、产量形成）阐明了分次施用控释肥提升盐碱地小麦生产效率和环境效益的内在机理。这不仅为盐碱地小麦的绿色高产高效栽培提供了具体且可操作的氮肥管理方案，也为在逆境土壤中实现粮食生产和环境保护的协同发展提供了理论依据和实践范例。未来研究可进一步探讨该策略下的土壤微生物机制及长期生态效应，以促进其在更广泛区域的推广应用。