黄淮海平原的粮食生产以冬小麦-夏玉米轮作模式为主，其中夏玉米占全国玉米播种面积的 43.4%^[1]，立足于农机农艺结合，目前夏玉米生产中广泛采用了缓控释肥一次性种肥同播技术，实现了夏玉米生产的高产、高效、生态、节肥和省工^[2]，对化肥减施增效和保障国家的粮食安全发挥了重要作用。当前夏玉米生产中多采用缓控释氮肥与速效化肥掺混成缓控释专用肥，夏玉米播种同时在侧下方一次性施入缓控释专用肥，轻简化的同时既能有效降低肥料投入成本，又能较好地满足夏玉米稳产高产的氮素需求^[3-4]，刘仲阳等^[5]对缓控释肥一次性施肥连续施用对粮食作物产量、土壤肥力、氮肥利用率及对农田生态环境影响的分析表明，缓控释肥料一次性施肥连续 5 年及以上使玉米产量提高了 0%～14.4%，氮肥利用率提高 14.3%～80.3%，土壤全氮、有机质、无机氮（硝态氮、铵态氮）含量分别提高 0%～6.7%、 0%～6.4%、0%～66.3%；一次性施肥连续施用 3 年及以上的玉米农田 N₂O 排放、NH₃ 挥发分别降低 5.1%～56.0%、6.1%～52.4%。Zheng 等^[6] 通过8 年的定位研究表明，在冬小麦-夏玉米轮作制度中，控释掺混肥一次性施肥的夏玉米增产 6.8%～9.8%，平均氮肥利用率提高 13.2%～14.3%。

包膜控释肥通过膜材配方设计和包膜率调整可以控制养分释放模式和释放期，其中养分前期控制释放较好的控释肥可以直接进行种肥接触施肥而不会出现烧苗或伤根等问题，种肥接触施肥还能减少土壤和微生物对释放养分的竞争，真正实现了给作物而不是土壤施肥^[7]，控释肥释放的养分被作物根系直接吸收，可以大幅度提高肥料利用效率并降低氮素损失^[8-10]，Zhang 等^[11]研究发现，水稻育秧时采用控释肥进行全量接触施肥，减氮 60% 未造成水稻减产，两年试验的氮肥利用率较常规施肥分别提高 24.7% 和 16.6%，总氮淋失量分别降低 16.27 和 14.36 kg/hm²，铵态氮和硝态氮淋失分别降低 0.90～1.84 和 110.6～10.14 kg/hm²。孙巧玉等^[12] 研究表明，在育秧期钵盘施用全量控释肥可显著提高秧苗地下部的生长和养分含量，提高水稻千粒重和产量，同时显著降低水稻整个生育期田面水中全氮和铵态氮浓度，有效控制稻田氮素损失风险。杨俊刚等^[13]在夏玉米上的研究表明，接触施用包膜控释肥料没有抑制玉米的出苗和幼苗生长；减氮 1/3 的控释肥处理与习惯施肥处理的玉米产量没有差异。

目前种肥混播控释肥主要集中在水稻上，而且大多选用控释氮肥，有关氮磷钾养分控制释放的研究则少见报道。为此，本研究拟通过田间小区试验研究种肥混播控释肥（包膜尿素和包膜复合肥混合） 对夏玉米产量、氮磷钾养分吸收、施肥经济效益、叶片酶活性和根际土壤微生物功能基因的影响，以期为夏玉米轻简化生产和化肥减施增效提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

田间试验布置在山东省德州市现代农业科技园区（37.44° N，116.30° E），属温带大陆性季风气候，年平均温度为 12.9℃，年平均日照时数为 2592 h，试验期间降水量为 468.5 mm。试验期间的降水量与气温分布如图1 所示。试验地土壤为潮土， 0～20 cm 土层土壤的有机质 17.68 g/kg、全氮 1.64 g/kg、全磷 31.56 g/kg、全钾 47.89 g/kg、有效磷 11.24 mg/kg、速效钾 163.25 mg/kg、pH 8.12。

1.2 田间试验设计

试验共设 4 个处理，分别为不施氮对照（CK），常规施肥（CFA），种肥混播控释肥（RCF）和氮磷钾减量 50% 种肥混播控释肥（RCF50），小区面积 13.2 m²，3 次重复，随机排列。夏玉米品种为郑单 958，玉米株行距分别为 60 和 22 cm，2022 年 6 月 24 日播种，10 月 17 日收获。RCF 和 RCF50 处理所用肥料由控释尿素和控释复合肥（15-15-15） 混配而成，在夏玉米播种时采用种肥同穴接触施肥 （图2），每穴施肥量由单位面积施肥量和株数计算而得，控释尿素和控释复合肥均由北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所自制，包膜率分别为 3% 和 3.5%，25℃水浸泡条件下氮素累积释放 80% 所需时间为 60 d。CK 和 CFA 处理所用化肥为尿素、重钙和氯化钾，磷钾肥在播种前底施，CFA 处理的 40% 作基肥、60% 在大喇叭口期追施，各处理施肥量详见表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量和产量构成

在夏玉米收获时，每小区选取中间两行有代表性的 20 株玉米进行人工收割，风干脱粒，计算玉米籽粒产量（水分含量 14%）；每小区随机选取 5 株玉米，晾干后进行考种。

1.3.2 养分含量和氮肥利用效率

玉米成熟期收取整株玉米，将所取的植株样品分为秸秆和籽粒以测定植株养分含量，样品置于烘箱 105℃杀青 30 min，75℃下烘干至恒重，然后将烘干后的样品粉碎混匀，样品采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，分别用凯氏定氮法、钒钼黄吸光光度法、火焰光度法测定样品的氮、磷、钾含量。

$\text{氮肥吸收利用率}（\mathrm{\%}）=\left(N_{\mathrm{F}}-N_{\mathrm{C}}\right)/N\times 100$

式中，N_F 和 N_C 分别为施氮区和对照区地上部氮素积累量，kg/hm²；N 为当季施氮肥量，kg/hm²。

$\text{氮肥农学利用率}（\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{k}\mathrm{g}）=\left(Y_{\mathrm{a}}-Y_{\mathrm{b}}\right)/N$

式中，Y_a 和 Y_b 分别为施氮区和对照区产量，kg/hm²。

$\text{氮肥偏生产力}（\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{k}\mathrm{g}）=Y/N$

式中，Y 为总产量，kg/hm²。

1.3.3 叶片氮代谢酶活性

在夏玉米吐丝期，取最上部完全展开叶并立即在液氮中冷冻，带回实验室分析，叶片硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶 （GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性均利用试剂盒（南京建成生物工程研究所）进行测定。其中 NR 以每小时每毫克组织蛋白催化产生 1 μmol NO₂^- 的量作为一个 NR 活力单位。GS 以每毫克组织蛋白在每毫升反应体系中每分钟使 540 nm 下吸光值变化 0.01 定义为一个酶活力单位，GOGAT 和 GDH 以每毫克组织蛋白在反应体系中每分钟消耗 1 μmol 还原性辅酶定义为一个酶活力单位。

1.3.4 根际土壤微生物功能基因分析

在夏玉米吐丝期，采用根钻取根际土，即将植株地上部切断后，用直径 150 cm 的根钻取出 20 cm 深的土柱，将外围土壤去掉后，用毛刷刷下贴近根系的土，将其中的根和肥料颗粒等拣出，土样冻于-20℃冰箱，根际土壤利用荧光定量 PCR 技术对硝化过程功能基因（amoA）和反硝化过程功能基因 （nirS、nirK）的保守区进行扩增（表2），对分子靶标功能基因拷贝数的定量分析得到各种微生物含量，由此获得不同处理条件下参与氮循环的功能菌群数量信息。

注：AOA、AOB 分别为氨氧化古菌和氨氧化细菌。下同。

1.4 数据处理

采用 Excel 2013、Origin 8.5 进行数据处理和图形绘制，所有数据均运用 SPSS 22.0 进行单因素方差分析，差异显著性水平为 0.05。

2 结果与分析

2.1 种肥混播控释肥对夏玉米产量与养分吸收的影响

从表3 可见，施氮增加了夏玉米产量，施氮处理较不施氮对照的夏玉米增产 19.3%～45.6%，其中 RCF 和 RCF50 处理增产显著（P<0.05）。与 CFA 处理相比，RCF 和 RCF50 处理的夏玉米分别增产 22% 和 7.7%，其中 RCF 处理增产显著（P<0.05）。 RCF 和 RCF50 处理相对更高的产量是因为具有较高的穗粒数和千粒重（表3），上述结果说明种肥混播控释肥在夏玉米上具有较好的节肥和增产效果。

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同。

施氮增加了夏玉米氮素吸收量，施氮处理较不施氮对照的夏玉米吸氮量提高了 36.2%～81.8%，其中 RCF 增幅显著（P<0.05）（表4）。与 CFA 处理相比，RCF 和 RCF50 处理的夏玉米氮、磷、钾吸收量分别增加 0.75%～33.3%、16.3%～27.1%、 4.78%～36.5%，但施氮处理间夏玉米氮、磷、钾吸收量差异不显著（P>0.05），上述结果说明种肥混播控释肥能促进夏玉米对氮磷钾养分的吸收。

从表4 可以看出，种肥混播控释肥较常规施肥大幅提高了氮肥利用效率，其中氮肥吸收利用率提高了 20.7～24.6 个百分点，氮肥偏生产力提高了 14.0～74.1 kg/kg，氮肥农学利用率提高了 14.1～20.2 kg/kg，说明控释肥的供氮模式更能满足夏玉米高产的氮素需求特征。

2.2 施肥经济效益分析

施氮处理较不施氮对照均能增收，每公顷净收入增加 3890～9812 元（表5）。从表中还可以看出，与 CFA 处理相比，RCF 和 RCF50 处理的产值和净收入分别增加 7.7%～22.0% 和 9.67%～19.6%。虽然控释肥价格高于速效性化肥，其中等养分投入量的 RCF 较 CFA 处理的肥料投入增加了 69.6%，但产量和产值增加幅度远超过肥料的投入，因而经济效益大幅增加，而 RCF50 处理在氮磷钾投入减半的情况下，肥料投入反倒低于 CFA 处理，但实现了夏玉米稳产。上述结果说明，采用控释肥种肥混播接触施肥技术能获得更大的种植收益。

注：2022 年夏玉米市场价格 2.8 元 /kg，尿素 3000 元 /t，重钙 1200 元 /t，氯化钾 3500 元 /t，控释尿素和控释复合肥分别为 3600 和 4600 元 /t，追肥人工费用 150 元 /hm²。

2.3 硝化反硝化基因

从图3 可以看出，处理间根际土壤中硝化微生物 [氨氧化古菌（AOA）与氨氧化细菌（AOB）]amoA和反硝化微生物 nirK 没有显著差异，但施氮显著增加了反硝化微生物 nirS 的基因数。与 CFA 处理相比， RCF 和 RCF50 处理的根际土壤硝化和反硝化微生物差异不明显，可能原因是控释肥的养分已大部分释放，其根际土壤中无机氮并未更高。

注：柱上字母不同表示差异显著（P<0.05）。下同。

2.4 叶片氮代谢酶活性

夏玉米吐丝期叶片氮代谢关键酶活性如图4 所示。施氮显著增加了 NR、GS、GOGAT 活性，RCF 处理显著增加了 GDH 活性（P<0.05），与 CFA 处理相比，RCF 和 RCF50 处理的叶片酶活性差异不显著，说明施氮处理的氮素供应差别不大。

3 讨论

3.1 种肥混播控释肥对夏玉米产量、养分吸收和施肥经济效益的影响

种肥混播控释肥是指将大量甚至全量控释肥与种子直接接触施用，作物根系与控释肥实现“零距离”接触，控释肥在作物根际形成一个良好的长效贮肥库，控释肥缓慢释放养分供给作物生长需求，从而减少了肥料养分的固定和氮素损失，在增产、节肥和轻简化的同时，可以大幅度提高肥料利用率^[8-10，12]。刘汝亮等^[14]研究表明，水稻育秧时采用控释肥全量接触施肥，即便减氮 60% 也未造成水稻减产，2 年试验的氮肥利用率大幅提高 26.2% 和 20.7%，总氮净流失量比常规施肥减少 51.8%。李子双等^[15]研究发现，在冬小麦上采用控释肥种肥混播，冬小麦茎秆和籽粒的氮含量和氮累积量明显提高，增产 7.1%。同时降低了 80～100 cm 土层硝态氮淋溶风险。本研究结果表明，控释肥种肥混播较常规施肥显著提高夏玉米产量 22.0%，即使在氮磷钾减量 50% 的情况下也实现了 7.7% 的增产，增产的主要原因是控释肥种肥混播增加了夏玉米的穗粒数和千粒重（表3），这表明控释肥一次性施肥的氮素供应更能满足夏玉米籽粒形成期的需肥规律，与衣文平等^[16]的研究结果类似。相关研究表明，控释肥能实现作物增产和提高氮肥利用率的主要原因是其养分释放特征与作物需肥规律高度吻合^[17]，采用育秧接触施肥的水稻氮肥利用率甚至可达 80% 以上^[8-9]，本研究中，控释肥处理（RCF 和 RCF50）的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力较常规施肥分别提高 20.7%～24.6%、 14.1～20.2 kg/kg 和 14.0～74.1 kg/kg（表4），氮肥利用率提高幅度与相关种肥混播的研究类似^[10-11]。除了因为控释肥的释放与作物需肥规律高度吻合外，控释肥主要分布在作物根系密集区，释放的养分能直接被根系捕获，减少了土壤固定和损失。除了种肥混播对氮肥、养分利用率的影响外，控释肥处理（RCF 和 RCF50）的磷钾吸收量也高于常规施肥（表4），主要原因是磷钾控释降低了在土壤中被固定并提高了有效性，增加了土壤中有效磷和速效钾含量，从而提高了磷钾的利用率^[18-19]。

尽管控释肥较速效性化肥的施肥投入平均增加 6.4%，但增产增收不仅能抵消肥料投入成本，而且净收益平均增加 7.8%^[20]。本研究中，等养分控释肥（RCF 处理）的肥料投入较常规施肥增加 57.1%，氮磷钾减量 50% 控释肥（RCF50 处理） 的肥料投入成本则降低了 21.4%，2 个控释肥处理的夏玉米净收入较常规施肥分别增加 19.6% 和 9.67%，相对于文献中的范围略高^[20-21]。尽管氮磷钾减量 50% 的控释肥（RCF50 处理）在降低肥料投入的同时也能实现增产增收，过分减肥后短期虽然产量下降不明显，但存在农产品品质和土壤肥力下降的风险^[7]，因此其长期效应还有待观察。

3.2 控释肥种肥同穴混播对夏玉米叶片酶活性和根际微生物功能基因的影响

GS、GDH、GOGAT 和 NR 是参与植物氮代谢的主要氮同化酶^[22]。作物吸收的氮在一系列氮代谢酶（NR、GS、GOGAT 及 GDH）的催化下形成各种功能物质。本研究中，与 CK 相比，施氮显著提高了叶片氮代谢关键酶活性，这与相关研究结果一致^[23-24]。RCF 和 RCF50 处理吐丝期叶片氮代谢关键酶活性与 CFA 处理差异不明显，但总体略高，说明控释肥种肥同穴混播的氮素供应优于常规分次施肥，Yang 等^[10]研究表明，水稻育秧采用控释肥全量接触施肥，控释肥处理增加了籽粒灌浆期叶片 NR、GS、GOGAT 活性。叶片氮代谢酶活性较高有利于增加玉米氮素转化与积累。控释肥提高玉米叶片氮代谢关键酶活性的效果优于尿素，从而保证了夏玉米生长中后期氮代谢的高效运转，为高产奠定了良好基础^[25]。

缓控释氮肥可以调控氮素释放速率，降低土壤中硝化微生物（AOA 与 AOB）amoA 基因及反硝化微生物 nirS、nirK 基因数，进而减少氮素损失和促进作物生长^[26-27]，王学霞等^[28]研究表明，控释氮肥与水溶肥配施显著降低了微生物功能基因 AOA amoA、AOB amoA 和 nirK、nirS 数量，进而显著降低了土壤 N₂O 排放通量和累积排放量。本研究中，控释肥种肥同穴混播相比常规施肥并未降低土壤中硝化微生物基因及反硝化微生物基因数，与类似研究结果不同的主要原因是控释肥施肥方式的差异，控释肥种肥接触施肥的肥料施肥区域高度集中，不同于常规的混施或条带状施肥，这种施肥方式的养分具有“点状”局部富集的特点，供微生物转化的底物浓度在该区域的浓度必然高于施肥区域以外，但并不意味着单位面积的土壤中硝化微生物基因及反硝化微生物基因数也更高，因此这种方式对单位面积微生物的影响以及氮素损失尚待进一步研究。

4 结论

与常规分次施氮相比较，控释肥与夏玉米种肥同穴施用不仅在夏玉米上实现了增产增收，而且提高了氮磷钾养分吸收量和氮肥利用效率，其中夏玉米产量增产 7.7%～22.1%，氮肥吸收利用率提高 20.7%～24.6%，每公顷净收益（扣除肥料投入） 增加 9.67%～19.6%。吐丝期根际土壤硝化反硝化微生物基因数和叶片氮代谢关键酶活性与常规施肥没有显著差异。综上所述，种肥混播控释肥不仅实现了夏玉米生产的轻简化，而且在实现增产增收的前提下提高了肥料利用效率。

参考文献