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氮素是植物生长最重要的养分之一，尤其是禾本科作物对氮素的需求量更大。然而大量的氮肥投入，不仅造成资源浪费，而且严重影响农业生态环境[1]。如何提高氮肥利用效率，减少氮肥用量，降低对环境污染的风险受到广泛关注。我国水稻种植普遍存在氮肥施用量过高、施用方式不尽合理、养分损失严重等问题[2]，导致氮肥利用率仅为 20%～35%，造成严重的资源浪费和农业面源污染[3]。缓控释肥料通常能使作物更有效地利用养分，从而减少养分损失，而缓控释尿素是各类缓控释肥中应用最广泛的一种，它在提高作物产量和氮肥利用率方面比普通尿素更有效[4-5]。有研究表明，缓控释尿素一次性基肥施入节省水稻追肥劳动力，同时减少氮损失，因为它最小化了作物生长缓慢的早期季节氮的供应；但在生长初期，缓控释尿素从其聚合物涂层中释放的速度太慢，无法成为有效的氮源[6]，这也造成了供需矛盾。加入普通尿素有助于解决生长季前期短期氮固定和氮供应的需求，而缓控释尿素可使氮的释放推迟到生长季后期[7]。许多学者研究了控释氮肥与传统合成氮肥混合施用对作物养分吸收和利用的影响，缓控释尿素 + 普通尿素组合比二者单独施用提高水稻的干物质积累和氮素利用效率[8-9]。近年来，有关缓控释氮肥在水稻上的应用效果和技术报道很多，但针对东北寒地黑土粳稻的研究报道很少[7，10]。我国 65% 以上人口以稻米为主食，水稻常年种植面积约 3020 万 hm2[11]。黑龙江省是我国最重要的商品粮生产基地之一，耕地面积 1230 万 hm2，水稻种植面积 314.8 万hm2，占全省耕地面积的 25.6%，占全国水稻种植面积的 10.4%[12]。目前，我国东北寒地黑土生态区农民种植水稻主要采用“一基二追”的传统施肥方式，存在氮肥养分释放速度快，与水稻吸收不同步，肥料利用率低，劳动强度大等问题。因此，本文开展缓控释氮肥和普通氮肥以适宜比例配合施用，探索寒地黑土水稻高产高效土壤可持续的生产施肥模式，为氮肥高效利用提供技术支撑和理论依据。
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1 材料和方法
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1.1 试验设计
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庆安县位于黑龙江省绥化市东 50 km 的小兴安岭西南麓，松嫩平原腹地，属寒温带大陆性季风气候，年平均日照时数 2599 h，年平均气温 1.69℃，无霜期 130 d 左右，年平均降水量 577 mm。试验于 2018—2020 年进行，采用田间定位试验方法，试验设在庆安县平安乡太平村（127°36′47.0″E， 46°56′53″N），供试土壤类型为黑土，土壤肥力较高。种植前土壤有机质含量为 43.7 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为 181.7、29.4 和 159.2 mg/kg，pH 值为 6.3。根据土壤分析结果和当地水稻生产水平，推荐氮磷钾施肥量：氮（N）、磷 （P2O5）和钾（K2O）用量分别为 157.5、52.5 和 75 kg/hm2。试验设 5 个处理，小区面积为 40 m2，3 次重复，随机区组排列。普通尿素（N 46%）作为普通氮肥，重过磷酸钙（P2O5 46%）作为磷肥，氯化钾（K2O 60%）作为钾肥，采用 Agrium 公司生产的聚合物包膜尿素（N 44%）作为缓控释氮肥。试验用水稻品种为绥粳 18，插秧密度为 30 cm×13 cm。试验处理见表1。
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注：BU 表示普通尿素，CRU 表示缓控释尿素。
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1.2 试验方法与数据处理
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试验前后分别采集 0～90 cm（0～30、30～60 和 60～90 cm）的土壤剖面样品，收获后采集水稻植株和籽粒样品。在实验室中，先将植物样本放在 105℃的烘箱中 30 min 杀青，然后在 75℃烘干至恒重，称重，磨碎样本，通过 2 mm 筛以备分析。用 H2SO4-H2O2 消化法和微量凯氏定氮法测定植物总氮浓度[13]。每个小区取0～30、30～60 和 60～90 cm 深度的土壤样品，用 0.01 mol/L CaCl2 提取，使用自动分析仪测定土壤 NO3--N 和 NH4 +-N 的浓度[14]。数据分析采用 DPS 7.0 数据处理系统；使用 Excel 2007 进行图表处理；计算方法如下[15]：
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氮吸收（kg/hm2）= 籽粒产量 × 氮素含量（%）+ 秸秆产量 × 氮素含量（%）；
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氮残留（kg/hm2）= NO3--N 的积累量 +NH4 +-N 的积累量 =[土层厚度（cm）× 土壤容重（g/cm3） × 土壤 NO3--N 含量]/10+[土层厚度（cm）× 土壤容重（g/cm3）× 土壤 NH4 +-N 含量]/10；
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氮肥利用率（%）=（施氮区氮素吸收量-非施氮区氮素吸收量）/ 施氮量 ×100；
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氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-非施氮区产量）/ 施氮量。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理水稻产量及产量构成因子
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2018—2020 年，水稻平均产量在 5407～8063 kg/hm2 之间（含水量 14.0%），CK、BU100%B、CRU 100%B、FP 和 MBC 处理分别为 4585、6451、6815、 7378 和 7832 kg/hm2 （表2）。与 CK 相比，BU 100%B、CRU100%B、FP 和 MBC 处理水稻籽粒分别增产 1866、2230、2793 和 3247 kg/hm2，增产率分别为 40.7%、48.6%、60.9% 和 70.8%，差异显著 （P<0.05）。与 FP 处理相比，MBC 处理 3 年平均增产 6.2%，差异显著（P<0.05），说明缓控释氮肥和普通尿素配合作基肥一次性施入，较农民习惯施肥对水稻产量有显著的正效应。与 MBC 处理相比， BU100%B 和 CRU100%B 分别减产 21.5% 和 14.9%，差异显著（P<0.05），说明普通氮肥或缓控释氮肥单独施用产量效果不如二者按比例混合施用效果好。 CRU100%B 较 BU100%B 增产 5.6%，说明缓控释氮肥单独施用较普通尿素单独施用也有较好的增产效果。从考种结果看（表3），氮肥对水稻生长发育有显著促进作用。施氮肥处理有效穗数、株高、穗长、穗粒数、结实率和千粒重几项指标均显著好于不施氮肥（CK），CRU100%B 处理好于 BU100%B，MBC 处理好于 FP，尤其是对穗粒数和千粒重效果显著。 2019 年产量较低的主要原因是多雨和台风的影响，导致水稻倒伏，灌浆不足，影响成熟度。
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注：每年或平均数据后字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.2 不同处理水稻氮肥利用效率
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不同年份水稻氮素利用效率略有不同，总的趋势基本一致。3 年平均结果表明（图1a），与 CK 处理比较，BU100%B、CRU100%B、FP 和 MBC 处理的氮肥利用率分别为 26.3%、32.9%、35.6% 和 41.6%。MBC 处理氮肥利用率最高，较 FP 氮素利用率利提高 6.0 个百分点，即 16.9%，差异显著（P<0.05）；CRU100%B 处理较 BU100%B 处理提高 6.6 个百分点，即 25.1%，差异显著 （P<0.05）。从水稻氮肥农学效率 3 年平均结果来看 （图1b），BU100%B、CRU100%B、FP 和 MBC 处理的氮素农学效率分别为 11.8、14.2、17.7 和 20.6 kg/kg。 MBC 处理较 FP 氮素农学效率提高 2.9 kg/kg，即 16.4%，差异显著（P<0.05）；CRU100%B 处理较 BU100%B 提高 2.4 kg/kg，即 20.3%，差异显著 （P<0.05）。
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图1 不同处理水稻氮肥利用率和农学效率
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注：柱上小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.3 不同处理土壤剖面无机氮积累与分布
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3 年定位试验结果表明（ 图2），土壤剖面 （0～90 cm）无机氮积累值范围为 63.6～95.3 kg/hm2， CK、BU100%B、CRU100%B、FP 和 MBC 处理无机氮分别为 63.6、95.3、85.1、90.1 和 83.1 kg/hm2。与 CK 相比，施氮各处理土壤剖面（0～90 cm） 无机氮累积量分别增加 49.8%、33.7%、41.6% 和 30.7%，均达到显著水平（P<0.05）。与 FP 比较， MBC 处理土壤剖面（0～90 cm）无机氮累积量平均降低 7.9%，CRU100%B 较 BU100%B 降低 10.7%，差异显著（P<0.05）。从无机氮积累分布情况看（图2），无机氮在 0～90 cm 土壤剖面上的分布比例在水稻 3 年试验中基本一致，无机氮含量随土层深度的增加而降低。在 0～30、30～60 和 60～90 cm 土层中，无机氮累积量分别占无机氮累积总量的 38.3%～54.6%、28.8%～35.7% 和 14.0%～26.1%。MBC 处理土壤剖面（0～90 cm） 无机氮累积量较 FP 处理降低 7.8%，差异显著 （P<0.05）；CRU100%B 较 BU100%B 处理，无机氮累积量降低 10.7%，差异显著（P<0.05）。施用缓控释氮肥增加了无机氮在土壤上层剖面（0～30 cm） 的累积，MBC 较 FP 处理增加 5.6 个百分点，即增加 12.4%；CRU100%B 较 BU100%B 处理增加 3.6 个百分点，即增加 8.0%。施用缓控释氮肥减少了无机氮在土壤深层剖面（60～90 cm）的累积， MBC 较 FP 处理减少 4.5 个百分点，即降低 19.7%； CRU100%B 较 BU100%B 处理减少 3.0 个百分点，即降低 13.5%。可见，缓控释氮肥无论是单独施用还是与普通氮肥混合施用均可以增加耕层土壤无机氮累积，降低土壤剖面下层无机氮累积，从而降低氮素流失和地下水污染的风险。
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图2 不同处理土壤剖面无机氮积累与分布
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2.4 不同处理水稻经济效益
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经济效益分析结果显示，水稻施氮肥经济效益显著。从 3 年的平均结果看（表4），与不施氮肥 （CK） 比较，BU100%B、CRU100%B、FP 和 MBC 处理纯收益分别增收 4878、5848、7406 和 8716 元 /hm2，无论缓控释氮肥与普通氮肥配合施用还是单独施用都有较好的经济效益，达到显著水平（P<0.05）。与 FP 处理相比，MBC 处平均增收 1310 元 /hm2，增收率为 17.7%，差异显著（P<0.05）；与 BU100%B 处理相比，CRU100%B 处理平均增收 970 元 /hm2，增收率为 19.9%，差异显著（P<0.05）。可见，缓控释氮肥单独施用，或与普通氮肥混合施用较普通氮肥均获得较好的经济效益，3 年试验结果呈同样的趋势。
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注：普通氮肥（N）2.2 元 /kg，缓控释氮肥（N）2.5 元 /kg，磷肥（P2O5）3.3 元 /kg，钾肥（K2O）3.5 元 /kg，水稻价格 2.8 元 /kg，追施氮肥人工费 100 元 /hm2。
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3 讨论
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3.1 缓控释氮肥对水稻产量和效益的影响
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普通氮肥肥效快，受挥发、径流、淋溶等因素的影响氮素损失率高，造成肥料利用率低及环境负荷增大，研发与推广应用新型肥料对农业生产有重要意义[16]。缓控释肥料的主要优势在于能够简化施肥过程、提高肥料利用率，降低成本，提高生产效益[2，17-18]。寒地黑土的特点是土壤肥力较高，但春季气温低，土壤冷凉，有效养分释放慢，水稻前期生长养分供应主要以施用化肥为主。农民为了追求高产，连年大量施用氮肥，致使农田氮肥利用率低和氮素流失问题日益严重。有研究表明，缓控释尿素与普通尿素以适当比例混合施用，水稻增产 8.0%～34.2%[19-20]。在本研究中，MBC 较 FP 增产 6.2%，差异显著（P<0.05）；CRU100%B 较 BU100%B 增产 5.6%，说明缓控释氮肥单独施用较普通氮肥单独施用有一定的增产效果，但不如二者配合施用效果显著。施用缓控释氮肥对水稻经济效益也有较好的效果。蒋琪等[21]研究表明，施缓控释肥处理在减氮 9.8% 条件下，增收 2.1%；傅丽青等[22]研究结果，缓控释肥在氮肥用量比常规施肥分别减少近 50% 情况下，经济效益仅比常规施肥处理略有下降。本研究结果，MBC 较 FP 平均增收 1310 元 /hm2，增收率为 17.7%；CRU100%B 较 BU100%B 增收 970 元 /hm2，增收率为 19.9%，说明缓控释肥无论是单独施用，还是与普通氮肥配合施用都能获得显著的经济效益。目前，农村青壮年劳动力短缺，缓控释肥既能实现水稻增产增收，又能降低劳动力成本，提高肥料利用率，减少过度施肥导致的污染，具有广阔的应用前景。
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3.2 缓控释氮肥对水稻氮肥利用率的影响
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缓控释肥具有促进水稻氮吸收，促进水稻生长发育，提高氮肥利用率的作用[9，23]。关于缓控释肥料对水稻氮素吸收利用和环境影响的研究报道很多[24-25]，但有关在寒地黑土生态区对水稻氮素吸收利用、对土体无机氮累积和分布研究的甚少，且大多以 1 年的试验结果为主[26-27]。本研究结果是在连续 3 年定位试验条件下，得出缓控释氮肥和普通尿素配合作基肥一次性施入（MBC），较农民习惯施肥（FP）水稻氮肥利用率平均增加 16.9%，氮肥农学效率平均增加 16.4%，差异显著（P<0.05）。说明在寒地黑土生态区，缓控释氮肥和普通尿素配合作基肥一次性施入，能够均衡供应水稻整个生育期对氮素的需求，减少氮素损失，提高氮素利用效率。CRU100%B 较 BU100%B 处理氮肥利用率平均提高 25.1%，氮肥农学效率提高 20.3%，差异显著 （P<0.05），说明在氮肥施用量较大的情况下，缓控释氮肥对提高氮肥利用效率效果更好。施用缓控释氮肥可以减少氮肥用量 10%～40%，在等氮量情况下缓控释尿素比传统氮肥使稻谷增产，提高氮肥利用率和农学效率[26-29]，本文与前人研究结果基本一致。
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3.3 缓控释氮肥对稻田土壤氮素累积与分布的影响
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水稻施用缓控释氮肥具有降低土体中矿质氮残留的效应。缓释氮肥一次性施肥较普通氮肥分次施用，降低了土壤 NH4 +-N 和 NO3--N 浓度，减少农田氨挥发，降低了土壤矿质氮淋溶的风险[30-31]。有研究表明，施用棕榈硬脂酸包膜尿素较普通尿素水稻土壤 NH4 +-N 含量降低 18.9%[20]。Ke 等[23]和段然等[30]研究表明，水稻施用缓控释氮肥和普通氮肥在 40～60 cm 土层中，氮淋失量分别为 5.34 和 6.65 kg/hm2，显著降低了土壤深层矿质氮的淋溶和累积。本研究也得出类似的结果，施用缓控释氮肥减少了无机氮在土壤深层剖面（60～90 cm）的累积量，MBC 较 FP 处理减少 7.9%，CRU100%B 较 BU100%B 降低 10.7%。李玉浩等[32] 研究报道，配施 40%～100% 的控释氮肥处理，0～30 cm 土层土壤无机氮含量显著高于普通尿素处理。本文研究结果，施用缓控释氮肥增加了无机氮在土体上层（0～30 cm）的累积，减少了在土体深层（60～90 cm）的分布；在 0～30 cm 土壤剖面中，MBC 较 FP 处理无机氮累积量增加 12.4%（0～30 cm），在深层剖面（60～90 cm）则降低 19.7%，说明缓控释尿素的施用既有利于耕层土壤供氮能力的提高，也有利于减少氮素淋失到深层土体，降低环境污染的风险。
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4 结论
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氮肥是寒地黑土生态区水稻生产的首要营养元素，对水稻产量起重要不可替代作用。缓控释尿素 60% 与普通尿素 40% 混合（MBC）一次性施用可以均衡供应水稻整个生育期对氮素营养的需求，显著增加水稻产量、经济效益，提高氮素利用效率，减少多余的矿质氮在土壤剖面中残留，降低环境污染的风险。该项技术是实现水稻高产高效施肥和土壤可持续生产的有效途径，是该地区传统的“一基二追”施肥模式的有效替代。水稻一次性施肥，无论单独施用普通氮肥还是缓控释氮肥，均达不到高产高效的目标，同时增加了土壤剖面无机氮残留，对环境安全造成威胁，必须将二者按适宜比例混合施用才能获得预期效果。
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摘要
缓控释氮肥在寒地黑土水稻上的应用效果和施用技术尚不十分明确，采用定位试验方法进行为期 3 年的试验研究，明确不施氮肥（CK）、全部普通氮肥一次性基施（BU100%B）、全部缓控释氮肥一次性基施 （CRU100%B）、农民习惯施肥（FP）、60% 缓控释氮肥和 40% 普通氮肥混合一次性基施（MBC）条件下，水稻产量、效益、氮素吸收利用和无机氮在土壤剖面中累积与分布的差异。结果表明，与 CK 比较，各施氮处理产量、效益、氮素利用率和无机氮在土壤剖面中的累积显著提高。MBC 处理在产量、效益、氮肥利用率和减少土壤无机氮积累方面效果最好。与 FP 处理相比，MBC 处理 3 年水稻平均增产 6.2%，经济效益增加 17.7%，氮肥利用率增加 16.9%，氮肥农学效率增加 16.4%，差异显著（P<0.05）。施用缓控释氮肥减少了无机氮在剖面（0 ～ 90 cm）中的累积，MBC 处理较 FP 土壤无机氮累积量平均降低 7.9%，CRU100%B 较 BU100%B 处理平均降低 10.7%，且差异显著（P<0.05）。无机氮在土壤剖面中的分布由上到下逐渐减少，0 ～ 30、30 ～ 60 和 60 ～ 90 cm 土层分别占无机氮累积总量的 38.3% ～ 54.6%、28.8% ～ 35.7% 和 14.0% ～ 26.1%。施用缓控释氮肥增加了无机氮在土壤上层剖面（0 ～ 30 cm）的累积，减少了无机氮在土壤深层剖面（60 ～ 90 cm）的累积量。在 0 ～ 30 cm 剖面中，MBC 较 FP 处理无机氮平均增加 12.4%，在 60 ～ 90 cm 剖面中，无机氮平均降低 19.7%。可见，施用缓控释尿素提高了氮肥利用率、增加了水稻产量和效益、降低了土壤无机氮在深层剖面的残留，进而降低了氮素淋失的环境风险。
Abstract
The effects and application techniques of slow and controlled release nitrogen fertilizer on rice in cold black soil are not very clear. A 3-year experimental study was conducted by using the method of location test. Five treatments were set up，including no nitrogen application（CK），all common nitrogen one-time base application（BU100%B），all slow and controlled release nitrogen one-time base application（CRU100%B），farmers’ practice（FP）and 60% slow and controlled release nitrogen fertilizer and 40% common nitrogen fertilizer mixed one-time base application（MBC）. The differences in rice yield，benefit，nitrogen uptake and utilization，and soil inorganic nitrogen accumulation and distribution in soil profiles were determined. The results showed that compared with CK，the yield，benefit，nitrogen use efficiency and soil inorganic nitrogen accumulation in soil profile were significantly increased by introgen application. MBC treatment had the best effect on yield，benefit，nitrogen use efficiency and reducing soil inorganic nitrogen accumulation. Compared with FP treatment， MBC treatment increased rice yield by 6.2%，economic benefit by 17.7%，nitrogen use efficiency by 16.9% and nitrogen agronomic efficiency by 16.4%，with significant differences（P<0.05）. Application of slow and controlled release nitrogen reduced the accumulation of soil inorganic nitrogen in the 0-90 cm profile. Compared with FP treatment，the accumulation of soil inorganic nitrogen in MBC was reduced by 7.9%，and CRU100%B was 10.7% lower than that of BU100%B，on average （P<0.05）. The distribution of soil inorganic nitrogen in soil profile decreased gradually from top to bottom，and the soil layers of 0-30，30-60 and 60-90 cm accounted for 38.3%-54.6%，28.8%-35.7% and 14.0%-26.1% of the total soil inorganic nitrogen accumulation，respectively. Application of slow and controlled release nitrogen fertilizer increased the accumulation of soil inorganic nitrogen in the upper soil profile（0-30 cm）and decreased the accumulation of soil inorganic nitrogen in the deep soil profile（60-90 cm）. Compared with FP treatment，soil inorganic nitrogen of MBC treatment increased by 12.4% in 0-30 cm profile，and decreased by 19.7% in 60-90 cm profile，on average. In conclusion，application of slow and controlled release urea can improve nitrogen use efficiency，increase rice yield and benefit，reduce soil inorganic nitrogen residue in deep soil profile，and reduce the environmental risk of nitrogen leaching.