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提升作物的氮肥利用效率、减少氮素的其他损失是当前绿色农业发展的必然要求之一[1-2]。然而，传统肥料通常存在挥发性强、淋溶损失严重和氮肥利用效率低等问题，这不仅导致经济效益难以提升，还引发了一系列生态和环境危机[3-4]。氮肥利用效率低是中国农业普遍存在的问题，其根源不仅仅局限于肥料的施用方式和施用量，更多的是由于传统肥料自身难以克服的结构性问题[5-7]。以尿素为例，其遇水易溶解，而干湿交替易导致气体挥发的特性是由其分子结构所决定的[8-9]。大量的农田试验发现，尿素施入农田 10 d 内是土壤气体挥发的高峰时期，农田 NH3、N2O、 NO 等气体总挥发量可以达到总施氮量的 20%，并且随着时间的推移，气体累积损失量会进一步增多，而这些问题的产生主要与尿素结构不稳定有关[10-14]。尿素在适宜条件下易快速分解成铵态氮 （NH4 +-N）和硝态氮（NO3--N），而作物无法在短时间内充分吸收这些养分，从而导致其他损失的产生[10，14-15]。因此，新型缓释肥料的研发和应用技术研究显得极为重要。
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聚脲甲醛缓释肥作为一种新型缓释肥料，最早应用在高尔夫球场和高附加值的经济作物上。随着工艺技术的改进，其成本有了明显降低，使得在农田上应用成为可能[16]。与传统缓释肥通过表面涂抹有机聚合物来缓慢释放氮素不同，聚脲甲醛是尿素和甲醛在不同温度与压力条件下的缩合产物，调整不同摩尔比例的尿素和甲醛，可以缩合出不同链长的聚脲甲醛肥料，形成具有释放时间长短可控、缓释效果明显的新型肥料[17-18]。一些研究已经验证其具有良好的缓释效果[17，19-21]，但聚脲甲醛肥料进入农田后需要在适宜的光温条件下，通过微生物的分解才能进一步被作物利用[22-23]。因此，气候条件、土壤类型和农田管理措施都会影响聚脲甲醛缓释肥的释放效果。当前聚脲甲醛缓释肥在华北平原农田的研究较少，且主要集中在不同施用梯度条件下的氮素利用效率及氨挥发方面[22-23]，而深耕及优化施氮条件下典型农田作物的产量、氮肥利用效率和养分在不同土层的迁移分布还未见报道，且不清楚该方式是否对聚脲甲醛缓释肥氮素利用效率和土壤残留产生显著影响。
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基于此，本研究以聚脲甲醛缓释肥为研究对象，设置深耕和旋耕两种耕作方式，以传统尿素为对比，在豫南砂姜黑土小麦玉米轮作体系开展大田试验，探究聚脲甲醛缓释肥减施深耕对豫南砂姜黑土作物产量、氮素利用效率及土壤养分残留量的影响，寻找影响氮素释放和作物产量的关键影响因素，最终为新型聚脲甲醛肥在农田系统的合理利用和大范围推广提供科学支撑。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验点位于河南省驻马店市西平县宋集镇 （113°12′ 39″E，33°27′01″N）。该地区属于北亚热带季风性湿润气候区，年平均气温为 14.7℃，年日照时数为 2181 h，全年无霜期为 216～225 d，平均降水量为 786 mm。供试土壤类型为砂姜黑土，其耕层（0～20 cm）土壤的主要理化性质如下：土壤 pH 值约 6.8、土壤有机质 15.98 g/kg、铵态氮 4.08 mg/kg、硝态氮 10.3 mg/kg、有效磷 22.8 mg/kg、交换性钙 136.9 mg/kg、交换性钠 406.45 mg/kg、交换性钾 136.9 mg/kg[24]。
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1.2 试验处理
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小麦玉米轮作始于 2019 年 10 月（小麦季），结束于 2020 年 9 月（玉米季）。试验为双因素随机区组设计，设置旋耕和深耕 2 种耕作方式，尿素和聚脲甲醛缓释肥 2 种氮肥类型。为探明不同措施的氮肥利用效率，设置 5 个处理，3 个重复，共 15 个大区，大区面积为 0.13 hm2，共计 2 hm2。具体如下：处理 1：空白处理（CK），不施任何肥料，采取旋耕处理；处理 2：优化旋耕（OPTX），氮素为尿素，基肥与追肥施氮比为 6∶4，小麦季耕作方式为旋耕，耕深为 15 cm；处理 3：优化深耕 （OPTS），施肥量同 OPTX，小麦季耕作方式为深耕，耕深为 25 cm；处理 4：缓释旋耕（PFX），氮肥为聚脲甲醛缓释肥，肥料一次性基施农田，追肥期不施任何肥料，耕深同 OPTX；处理 5：缓释深耕（PFS），肥料同 PFX，耕深同 OPTS。除 CK 处理外，其余处理的磷和钾用量均相等，基肥期一次性施入。其中磷肥为过磷酸钙[Ca（H2PO4）2]， P2O5 含量为 16%，钾肥为硫酸钾（K2SO4），K2O 含量为 54%，具体施肥量见表1。考虑到 PF 的肥效较高，且前期研究已经验证其拥有更高的氮肥利用率[20，25]，玉米、小麦季的氮素施用量均降低 15%，用于验证减量施氮条件下是否对作物产量产生影响。小麦季品种选用矮抗 58，播种量为 187.5 kg/hm2；玉米季选用优良品种郑单 958，采用包衣处理种子，播种量为 37.5 kg/hm2。前茬小麦秸秆覆盖还田后，采用玉米播种施肥直播机进行播种施肥，前茬玉米收获后利用秸秆粉碎机粉碎秸秆，并平铺于地表，将相应肥料撒施入农田土壤中后旋耕或者深耕。
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注：肥料配比为河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所提供的针对于砂姜黑土小麦玉米轮作长期定位试验获得的经典配方。
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1.3 样品采集与分析
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播种前和收获后，按照“S”形采集 0～30 和 30～60 cm 土层的土壤样品，每个处理 3 个重复。土样采集后，一部分土样过筛并测定含水量。土壤 NH4 +-N 和 NO3--N 用 2 mol/L 的 KCl2 溶液浸提（水土比 10∶1）后迅速冷藏保存，两周内用流动分析仪（SEAL.，AA3，德国）测定。另一部分土样风干后，过 0.25 mm 筛，用于测定全氮、有效磷和速效钾含量，测定方法分别采用半微量凯氏定氮法、乙酸铵浸提-火焰光度法和重铬酸钾法[26]。小麦收获后选取处理内长势均匀的小麦，采集 6 m2 的样方，3 次重复，后将小麦秸秆和籽粒分开，烘干、称重并测定秸秆和籽粒的含水量，最终估算不同处理产量和地上生物量；选取 1 m 样行，设置 3 个重复，进行烤种，主要分析株高、穗长、穗粒数和千粒重等指标。玉米收获后选取两个样行（10 m），3 个重复，分开玉米籽粒和秸秆，烘干、测定含水量并称重，用于估算玉米地上生物量和产量；筛选 10 株玉米样进行烤种，主要分析穗粒数和千粒重等指标。两季作物籽粒和秸秆烘干后粉碎、研磨并过筛，用于测定其中全氮、磷和钾含量，并最终估算不同处理单位面积养分吸收量，其中全氮方法同土壤样品，全磷和全钾分别采用钼锑抗吸光光度法和火焰光度法测定[26]。
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1.4 计算公式与数据处理
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不同处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用计算公式如下：
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Excel 2007 用于数据整理及方差分析，Origin 2018 用于数据作图，SPSS 19.0 用于统计分析。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理作物产量及产量构成因素
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从表2 可以看出，不同处理小麦玉米季产量存在较大差别，其中 PFS 和 PFX 处理小麦季产量无显著差异，但显著高于优化尿素（OPTS 和 OPTX） 处理（P<0.05）；而玉米季 PFS 处理产量显著高于 PFX 及 OPTS 和 OPTX 处理（P<0.05），说明深耕更有利于聚脲甲醛缓释肥第二季作物产量的提升。对比不同处理的穗数，结果发现，小麦季 PFS 和 PFX 处理的穗粒数显著高于 OPTS 和 OPTX 处理 （P<0.05），而玉米季 PFS 和 PFX 处理与 OPT 处理 （OPTX 和 OPTS） 穗数均无显著差异（P>0.05）； 对比不同处理的穗粒数，结果发现，小麦季 PFS 和 PFX 处理与 OPTS 处理无显著差异，但显著高于 OPTX 处理（P<0.05）；与小麦季不同，玉米季 PFS 处理的穗粒数最高，其次为 PFX 和 OPTS 处理，OPTX 处理的穗粒数最低（除 CK）；对比不同处理的千粒重，结果发现，小麦季（除 CK）不同处理的千粒重无显著差异（P>0.05），而玉米季 PFS 和 PFX 处理的千粒重显著高于优化尿素处理 （P<0.05）。由此说明，聚脲甲醛缓释肥对小麦、玉米产量构成因素产生一定的影响，导致各项指标优于传统尿素处理。
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注：不同小写字母表示同一作物不同处理间差异达显著水平 （P<0.05）。下同。
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2.2 不同处理作物地上部总吸氮量、氮肥利用率及农学效率
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从表3 可以看出，不同施肥处理地上部总吸氮量（TNA）存在较大差别。除 CK 外，OPTS 处理小麦季 TNA 最高，其次为 PFX 和 OPTX 处理， PFS 处理的 TNA 最低。与小麦季不同，PFS 和 PFX 处理玉米季的 TNA 与 OPTS 处理无明显差异 （P>0.05），但显著高于 OPTX 处理（P<0.05），间接说明深耕有利于聚脲甲醛缓释肥第二季作物氮素吸收效率的提升。对比不同处理的氮肥农学效率、氮肥利用率和氮肥偏生产力，发现聚脲甲醛缓释施肥处理（PFS 和 PFX）的氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著高于优化施肥处理（OPTX 和 OPTS），但 PFS 和 PFX 处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力两季均无显著差异（P>0.05）；与氮肥农学效率和氮肥偏生产力不同，PFX 处理两季的氮肥利用率均显著高于 OPTX 和 OPTS 处理（P<0.05），而 PFS 处理仅显示玉米季显著高于 OPX 和 OPTS 处理 （P<0.05）。可见，聚脲甲醛缓释肥在旋耕条件下有较高的氮肥利用效率，而深耕条件下仅第二季显示出较高的氮肥利用率，这与聚脲甲醛缓释肥深耕条件下当季氮素释放速度慢有关。
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2.3 不同处理作物耕作方式和肥料类型的交互作用
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对耕作方式和肥料类型进行双因素交互作用显著性检验（表4）。结果发现，小麦季和玉米季肥料类型、耕作方式以及两者的交互作用均对作物产量产生显著的影响（P<0.05）；然而，与作物产量不同，小麦季肥料类型对作物吸氮量有显著影响 （P<0.05），但耕作方式对作物吸氮量影响不显著 （P>0.05）。而玉米季肥料类型对于作物吸氮量有显著影响（P<0.05），但耕作方式和两者交互对作物吸氮量均无显著影响（P>0.05）。一方面说明聚脲甲醛缓释肥有明显的增产效果，另一方面说明耕作方式对于聚脲甲醛缓释肥当季作物氮素的吸收不如尿素明显。
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2.4 不同处理土壤剖面 Nmin 及其他养分指标残留与分布
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从图1 中可以看出，除 CK 外，聚脲甲醛缓释肥处理在 0～30 cm 土层中 NH4 +-N 的残留量显著高于传统优化施肥处理（P<0.05），而 30～60 cm 土层不同处理间无显著差异（P>0.05）。深耕和旋耕对聚脲甲醛缓释肥和传统尿素在 0～30 和 30～60 cm 土壤剖面中 NH4 +-N 的残留量均无显著差异（P>0.05）。与 NH4 +-N 不同，PFX 处理 NO3--N 在 0～30 cm 土壤剖面的残留量最高，其次为 PFS 和 OPTS 处理，CK 和 OPTX 处理 NO3--N 的残留量最低；而 30～60 cm 土层中 OPTS 处理的 NO3--N 残留量最高，其次为 PFX 处理，再次为 PFS 和 OPTX 处理。从图2 可以看出，0～30 cm 土层土壤中，PFS 和 PFX 处理全氮含量无显著差异，但均显著高于 OPTS 处理（P<0.05），而在 30～60 cm 土层土壤中，PFS、PFX 和 OPTS 处理全氮含量无显著差异（P>0.05），但显著高于 CK 和 OPTX 处理 （P<0.05）；对比全磷含量，0～30 cm 土层土壤中， OPTX、PFX 和 OPTS 处理无明显差异，但显著高于 PFS 处理（P<0.05），而 30～60 cm 土层土壤的结果恰好相反；除 CK 处理外，不同处理 0～30 和 30～60 cm 土层土壤的全钾含量均无显著差异（P>0.05）。
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图1 不同施肥处理铵态氮和硝态氮在 0～60 cm 土壤剖面的残留量
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注：不同小写字母表示不同处理差异显著（P<0.05）。下同。
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图2 不同施肥处理土壤全氮、全磷和全钾在 0～60 cm 土壤剖面的残留量
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3 讨论
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3.1 深耕对聚脲甲醛缓释肥小麦-玉米产量和氮素利用率的影响
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研究显示，深耕更有利于提高土壤的透气性，减少表层养分的过度积累[27]；还可以通过物理稀释减轻土壤酸化或盐碱化带来的影响，改善土壤结构[28]，从而更有利于增强作物根系活力。深耕还可以增强作物关键生长期的光合利用效率，利于后期作物籽粒淀粉的积累，从而提升作物的养分利用效率和作物的产量[29-32]。在本研究中，尿素处理深耕条件下两季作物的产量均高于旋耕处理，而聚脲甲醛缓释肥深耕处理仅玉米季作物的产量高于旋耕处理，小麦季两种耕作方式作物产量无显著差异，究其原因可能与聚脲甲醛缓释肥深耕条件下当季氮素释放速率慢有关；不仅如此，聚脲甲醛缓释肥深耕处理小麦季总地上吸氮量和氮肥利用率显著低于旋耕处理，而玉米季两者均无显著差异，其原因可能归结于 3 个方面：第一，聚脲甲醛缓释肥在合适的光、热、气条件下更易于分解，而深耕处理导致部分聚脲甲醛缓释肥进入犁底层土壤，限制了养分释放速率；第二，聚脲甲醛缓释肥处理氮肥用量少于优化施肥处理，而深耕稀释了聚脲甲醛缓释肥在耕层土壤的浓度，降低了作物对聚脲甲醛缓释肥中氮素的利用效率；第三，进入深层的聚脲甲醛缓释肥的释放速率减缓，可能会在多季种植过程中逐渐释放出来，从而维持作物产量和产量的稳定性，这与本研究中深耕处理第二季作物的吸氮量和氮肥利用率显著提升的结果相吻合。聚脲甲醛缓释肥在不同耕作方式下的氮素有效性研究相对较少，李亚朋[19]在其他缓释肥中也发现深耕并不利于当季作物氮素的有效吸收，而第二季作物氮素利用效率有了显著的提升，其原因归结于深耕条件导致缓释肥下移，土壤透气性的下降及温湿度变化影响了当季缓释肥养分释放速率，但在后期种植过程中，上一季作物养分释放缓解了后一季作物的养分匮缺。除此之外，本研究显示，聚脲甲醛缓释肥旋耕处理在作物收获后土壤全氮和全磷含量略高于深耕处理，尽管未达到显著水平，间接说明深耕对于聚脲甲醛缓释肥养分释放速率有一定影响，考虑到聚脲甲醛缓释肥存在当季养分无法释放完全的问题，而深耕确实增加了玉米的产量，除了玉米季更适宜的气象条件易于聚脲甲醛缓释肥分解外，深耕处理的后期养分累积释放对于作物增产也有重要影响。
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3.2 深耕对聚脲甲醛缓释肥土壤养分残留量的影响
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深耕对于养分在土壤剖面上的迁移分布有一定影响。相关研究显示，深耕更利于养分在耕层深处和犁底层的分布[33-34]，并降低土壤养分在耕层和犁底层的残留；而旋耕条件下，养分更易在耕层浅处分布，从而容易导致气体挥发损失[35-36]。本研究结果显示，对于传统尿素，深耕与旋耕 0～30 和 30～60 cm 土壤剖面的 NH4 +-N 浓度并无显著差异，而两层土壤 NO3--N 浓度数值均高于旋耕处理。与传统尿素处理不同，聚脲甲醛缓释肥深耕处理 0～30 cm 土层土壤的 NH4 +-N 浓度高于旋耕处理，30～60 cm 土层无显著差异（P>0.05）；而深耕 0～30 和 30～60 cm 土层的 NO3--N 浓度均显著低于旋耕处理（P<0.05），这可能与深耕条件下土壤底层聚脲甲醛缓释肥并未释放完全，从而导致耕层和犁底层矿质氮养分浓度值较低有关，本研究中聚脲甲醛缓释肥深耕处理土壤全氮含量略微高于旋耕处理，也间接印证了深耕影响部分氮素释放。相关研究显示，聚脲甲醛缓释肥的分解需要适宜的环境条件和微生物活性，才更有利于其分解[17]。所以，深耕条件下部分聚脲甲醛缓释肥进入犁底层土壤，这样的环境条件并不利于聚脲甲醛缓释肥的分解，从而限制了当季作物对肥料中氮素的吸收利用。随着后期养分的不断释放，累加效应导致第二季作物的吸氮量和氮素吸收效率有了显著提升。除此之外，玉米季适宜的环境可能更适合深耕条件下聚脲甲醛缓释肥养分的释放，这与较高的微生物活性有关，后续研究还需要进一步证明。总而言之，聚脲甲醛缓释肥作为新型肥料在深耕条件下显示出明显的产量效益，如何进一步挖掘深耕条件下当季作物的养分利用潜力，生产出更适宜深耕条件、不同气候条件、土壤类型和专一性更高的肥料品种，成为未来的研究重点。
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4 结论
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（1）聚脲甲醛缓释肥在低施氮量条件下，小麦、玉米产量均显著高于传统尿素施肥处理，说明聚脲甲醛缓释肥具备提升旱地农田作物产量的潜力。
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（2）聚脲甲醛缓释肥深耕处理小麦季作物产量和旋耕处理无显著差异，而玉米季显著高于旋耕处理，说明深耕处理后续增产潜势明显。
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（3）聚脲甲醛深耕处理小麦季总吸氮量低于旋耕处理，而玉米季深耕与旋耕处理无显著差异，说明深耕后续氮肥利用效率提升明显。
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（4）综合两季的作物产量和养分利用效率，聚脲甲醛缓释肥在深耕条件下显示出更强的增产潜势，适合于小麦玉米轮作体系。
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致谢：感谢郑州高富肥料有限公司提供的聚脲甲醛缓释肥及常规肥料，感谢西平县土壤肥料工作站提供的场地支持。
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摘要
为了探究聚脲甲醛缓释肥（PF）减量深耕对小麦和玉米作物产量、氮肥利用效率以及矿质养分迁移的影响，设置对照（CK）、尿素 + 旋耕（OPTX）、尿素 + 深耕（OPTS）、PF+ 旋耕（PFX）和 PF+ 深耕（PFS）5 个处理，在豫南砂姜黑土小麦、玉米农田开展大区试验。结果表明，对比传统尿素（OPT）处理，PF 处理小麦、玉米产量显著高于 OPT 处理，尤其 PFS 处理较 OPTX 处理小麦和玉米季产量分别高 12% 和 6.4%，较 OPTS 处理分别高 3.4% 和 1.8%；与产量不同，PFS 处理仅显示玉米季氮肥利用率（NUE）高于 OPTX 和 OPTS 处理，而小麦季 NUE 甚至低于 OPTS 处理，这可能与 PF 在小麦季深耕条件下养分释放速度慢有关。对比两种耕作方式，发现 PFS 处理小麦季产量与 PFX 处理产量无显著差别，而玉米季产量显著高于 PFX 处理；与产量不同，PFS 处理小麦季 NUE 显著低于 PFX 处理，而玉米季无显著差别，这可能与玉米季更适宜的气象条件和小麦季 PF 养分的后续释放有关。对比土壤铵态氮（NH4 + -N）、硝态氮（NO3 - -N）残留量和总氮浓度，发现作物收获后，PFS 处理 0 ～ 30 和 30 ～ 60 cm 土层 NH4 + -N 残留量与 PFX 处理无显著差异，NO3 - -N 残留量显著低于 PFX 处理，而总氮含量略高于 PFX 处理，这可能与 PF 处理在小麦季深耕条件下氮素未释放完全有关。总而言之，依据作物的产量和氮肥利用效率，聚脲甲醛缓释肥在深耕条件下显示出更高的产量效益和增产潜势，尤其玉米季作物吸氮量、产量和 NUE 有了显著提升，值得被推荐。
Abstract
In order to investigate the effects of polyurea formaldehyde slow-release fertilizer（PF）reduction application and deep tillage on wheat and maize yield，nitrogen fertilizer utilization efficiency and mineral nutrient migration，five treatments were set up：control（CK），urea+rotary tillage（OPTX），urea+deep tillage（OPTS），PF+rotary tillage（PFX）and PF+deep tillage（PFS）．A large-scale experiment was conducted on wheat and maize fields in lime concretion black soils in southern Henan. The results showed that compared with traditional urea（OPT）treatment，the yield of wheat and maize under PF treatment was significantly higher than that under OPT treatment，especially the yield of wheat and maize under PFS treatment was 12% and 6.4% higher than that under OPTX treatment，3.4% and 1.8% higher than that under OPTS treatment，respectively. Unlike yield，PFS treatment only showed higher nitrogen fertilizer utilization efficiency（NUE）in the maize season compared to OPTX and OPTS treatments，while NUE in the wheat season was even lower than that under OPTS treatment，which may be related to the slow nutrient release rate of PF under deep tillage conditions in the wheat season. Comparing the two cultivation methods，it was found that there was no significant difference in wheat yield between PFS and PFX treatment，while maize yield was significantly higher than PFX treatment；Different from the yield，the NUE of the wheat season treated with PFS was significantly lower than that of the PFX treatment，while there was no significant difference in the maize season，which may be related to the more suitable meteorology of the maize season and the subsequent release of PF nutrients in the wheat season. Comparing the residual amounts of ammonium nitrogen（NH4 + -N），nitrate nitrogen（NO3 - -N），and total nitrogen（TN）concentration in the soil，it was found that after crop harvest，there was no significant difference in the residual amounts of NH4 + -N in the 0 ～ 30 and 30 ～ 60 cm soil layers treated with PFS， compared to PFX treatment；the residual amounts of NO3 - -N were significantly lower than that under PFX treatment，while the total nitrogen content was slightly higher than that under PFX treatment. This may be completely related to the incomplete release of nitrogen in PF under deep tillage conditions in the first season. In summary，based on crop yield and nitrogen fertilizer utilization efficiency，polyurea formaldehyde slow-release fertilizer shows higher yield benefits and potential for yield increase under deep tillage conditions，especially with significant improvements in nitrogen uptake，yield and NUE of maize crops，which is worthy of recommendation.