控释尿素双层一次性施用技术提升小麦产量、氮素利用效率并降低N2O排放的机制研究

本研究通过两年田间试验证明，控释尿素（CRU）双层一次性施用（8-10 cm & 18-20 cm）较传统单层施肥显著提高小麦产量（10.20 t ha-1）和氮利用效率（NUE 19.13 kg kg-1），同时降低N2O排放量22.5%。该技术通过优化土壤微环境（降低0-10 cm土层温度与NO3--N含量，提升10-20 cm土层水分与NH4+-N有效性），实现作物需求与氮释放同步，为可持续农业提供创新解决方案。

　　

1 引言

农业贡献了全球25-30%的温室气体排放，其中60%的人为N₂O排放源自农田。N₂O的增温潜能是CO₂的298倍，且会破坏臭氧层。华北平原作为中国主要小麦产区，其产量增长伴随N₂O排放激增。传统尿素施肥导致氮素利用率仅30-45%，且分次施肥增加劳动成本。控释尿素（CRU）通过聚合物包膜实现氮素缓释，但单层深施存在早期供氮不足或深层淋失风险。本研究首次系统比较单层与双层CRU施肥对小麦产量、氮素利用及环境效应的综合影响。

2 材料与方法

试验于2021-2023年在山东东平县开展，设置5个处理：无氮肥（T0）、尿素单层8-10 cm（T1）、CRU单层8-10 cm（T2）、尿素双层8-10 cm+18-20 cm（T3）、CRU双层8-10 cm+18-20 cm（T4）。测定指标包括：

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  N₂O排放：静态箱-气相色谱法，计算累积排放量、排放因子及产量尺度排放

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  土壤无机氮：分层采集测定NH₄⁺-N和NO₃^--N

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  作物参数：干物质、产量构成、氮吸收量

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  氮效率指标：NUE、NRE、NUpE、PFPN

3 结果

3.1 土壤微环境

CRU双层处理（T4）使0-10 cm土层温度降低2.83%，水分提高12.31%，显著优化根区水热条件。

3.2 N₂O排放动态

T4处理N₂O峰值排放仅42.51 μg m^-2 h^-1，较单层尿素（T1）降低51.3%。全生育期累积排放0.66 kg ha^-1，排放因子较常规施肥降低76%。

3.3 氮素时空分布

双层CRU使10-20 cm土层NH₄⁺-N浓度提升22.16%，0-10 cm土层NO₃^--N降低39.8%，形成"上少下多"的氮库格局。

3.4 产量与氮效率

T4实现最高产量（10.20 t ha^-1），千粒重增加9.5%。氮吸收总量提升28.1%，NUE达19.13 kg kg^-1，较单层CRU提高11.3%。

4 讨论

双层CRU通过三重机制协同增效：

1. 1.

   物理阻隔：包膜延缓氮释放，匹配小麦"前稳后旺"的需氮规律

2. 2.

   空间适配：上层供苗期需求，下层满足生殖生长，根系吸收效率提升

3. 3.

   微环境调控：深层土壤低温高湿抑制硝化作用，减少N₂O生成

5 结论

该研究创新性提出"时空耦合"施肥理论，为破解粮食安全与碳中和的矛盾提供关键技术路径。建议政府通过农机补贴和政策引导推动技术落地，未来需评估不同土壤-作物系统的适用边界。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推断；专业术语如NUE（氮利用效率）、CRU（控释尿素）等均按规范标注；数学公式与化学式保留原文献表达方式）