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控释包衣尿素应用效果与发展对策分析

作者:凯发k8官网下载客户端  来源:  时间:2021-12-12 06:26  点击:

  独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师们指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 时间:2006年4 月f6目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名: 时间: 2006年 时间:2006年 中国农业人学倾jj学位论文第一章绪占 1.1立题背景 第一章绪言 首先.关于化肥的增产作用和投入水平。在近代的农业生产发展中,施用化肥是提高农作 物产量最迅速、最有效的方法之一f曹仁林等,2001),化肥也是农民生产投资中最大的物质投 资。合理施用化肥使粮食作物单位面积产量增加50%左右。据联合国粮农组织统计,化肥在提 高作物单产中的作用占40~60%;我国农业部门的专家认为在40%左右(曾宪坤,1995)。农 民用于购买化肥的投入约占其全部生产性开支的50%(李庆逵等,1998)。中国化肥的施用量 从1980年的1269万吨增加到1998年的4085万吨,18年问增长了3.2倍,年均增加化肥施 用量156万吨。据Bocktman等人(Beckmanetal,1990)报道,1950年谷物所需的养分仅有 很少部分来自化肥,主要是来自土壤的“自然肥力”和加入的有机肥料,然而到2020年谷物产 量的70%将依赖于化肥。 其次,化肥不合理使用带来的负面效应。由于人们只注重于施肥的产量效应,对环境的负 面影响和食品安全重视不够,施肥结构不合理、施用技术不科学等致使肥料利用率下降,不仅 出现了明显的报酬递减现象,而且也造成了生态环境污染,对人类的健康构成了威胁。全世界 1997.1998年度氮、磷、钾的用量已分别达到8200万吨、1500万吨和1800万吨(1FA,1998), 由于人口和对粮食需求的持续增长,预计未来肥料的用量还将继续增加,其中尤以发展中国家 最为明显,Hauck等(1985)的研究结果表明大多数作物的氮肥利用率约为50%左右。在过去 的40年中,美国的玉米产量提高了3倍,而氮肥的用量却增加了15倍(Bockmaneta1.1990). 可见肥料中(尤以氮肥为主)养分的利用率是比较低的,从肥料投入量远大于回收率这一事实 传递出化肥使用中存在着严重的经济、环境和资源浪费等问题。农业生产中由于不合理施肥而 出现的问题主要表现在肥料利用率降低、环境污染、土壤退化、农作物品质下降等方面.在中 国,上述问题则更为突出,如全国多种作物的氮肥当季利用率平均仅为359h左右(朱兆良等. 1992),另两大肥料磷肥的利用率是10—20%,钾是30__35%。其中氮紊流失最为严重,不仅 造成巨大的经济损失,而且引起部分地区水体富营养化,地下水和蔬菜中硝态氮含量超标,甲 烷和氧化亚氨排放量增加,破坏臭氧层,造成温室效应以及通过植物富集进入食物链,进而危 害人体健康等环境污染问题。因此提高肥料利用率,尤其是提高氮素肥料的利用率,减少污染, 发展可持续高效农业成为当今非常急迫的焦点问题。 第三,提高化肥利用率的策略。为了解决化肥中养分利用率偏低的问题,可以采用农艺和 中国农业太学硕J学位论文 第一章绪言 工艺两个方面的措施.农艺措施即优化平衡施肥技术和化肥深施技术等,该措施在一定程度上起 到了提高肥效的目的,但是存在着一定的局限性.如需进行土壤基础肥力的测试、操作复杂等: 工艺措施则是对化肥的改性技术,也就是使肥料中养分缓慢释放或控制释放的技术,缓释和控释 肥是指经过一定的物理、化学或物理化学手段对速效性化肥进行改性,使改性后的肥料中养分的 释放速度大大降低或能以某种预先设定的方式进行释放的肥料品种。自1924年脲醛肥料取得专 利以来,八十多年来,缓释肥料已取得长足进步,包括近年来成为国内外研究热点的可控释放肥 料(Controlled availabilityfertilizers,CAFs)。在这一领域美国、日本等两方国家起步较早,如美国 田纳西州农业管理局在60年代初即开始硫包膜尿素的研制,而Sierra公司则第一个推出了商品 化的控释肥Osmocote,其后又相继有加拿大、以色列、荷兰、德国等国家加入缓释腔释肥的研 究,井相继推出了Meister、Nutricote、Multicote、IBDU、CDU等缓释,控释肥。由于缓控释肥具 有养分释放与作物吸收同步的优点,其应用将为提高化肥利用率问题提供一种新的思路。 1.2研究目的意义 本研究的主要目的是研究我们自己研制的控释包衣尿素在几个主要大田作物上的应用效果、 存在的问题及对策。研究利用不同的技术方法来提高肥料利用率是研究如何阻止或减少养分损失 问题中的核心。而使肥料养分缓慢释放或控制其释放是解决这一核心问题的有效方法之一。美国、 日本、加拿大、德国、以色列、印度、埃及等对肥料的缓、控释都作了较多的研究,各具特色, 并形成了各自的产品。旱在1974年。中国科学院南京土壤研究所就开始了包膜缓释肥料的研究, 从此,缓控释肥料开始在我国的一些高等院校及科研院所开展起来,并形成了相应的产品。尽管 控释肥料具有潜在的经济及社会效益,然而,现有的控释肥料在控释的机理,控释的条件,释放 周期和控释材料等方面还存在不少问题,因此,价格居高不下,很难实现在大田的推广应用,大 多数控释肥料多用于草坪和花卉等园艺作物。经过多年的努力,北京市农林科学院营资所利用废 旧塑料、树腊作原料研发的控释包衣尿素于1999年进入中试,现已到产业化阶段,产品价格大 幅降低,为包衣尿素应用于大田作物提供可能。为此,我们选用面积大用肥多的南方水稻、北方 的夏玉米及露地甜椒进行试验,探索控释包衣尿素对水稻、夏玉米、甜菜的增产效应及存在问题, 结合研制开发和大田推广应用浅析发展对策。该研究的成功将具有如下几个方面的意义。 首先,减少肥料应用中的流失和经济损失。由于肥料性质与环境条件的综合影响,肥料利用 率低是化肥使用中普遍存在的问题。导致肥料利用率低的一个很重要原因是肥料养分的损失,尤 其是氮肥和钾肥。养分损失主要来源于以下几个方面:由物理过程引起的养分流失,包括径流、 挥发、淋溶等.其中由淋溶作用造成的养分损失最大,主要是氮肥和钾肥中可溶性氮素和钾素陡 雨水和灌溉水流失;由微生物引起的养分流失。包括硝化、反硝化、生物周定,分解(主要是 铵的分解)等;由化学过程 引起的养分流失,包括交换、周定、沉淀、水解,其中磷是 由水溶性磷转化成难溶的构溶性磷而失去肥效。农田中氮乘的损失途径主要包括:氨的挥发、反 硝化脱氮、铵的固定、径流和硝态氪的淋失等(JanssonS.L,1963;Goswami,N.N.,1979:王 2002)。1985—1996{1z间,中国投入的氮肥总量约为2.2亿吨氮,流失或逸入大气中的氮素约1亿吨。若以氮250美元/吨计,12年中,农业上仅氮肥损失已高达250亿美元(许秀成等, 中国农业大学硕上学位论文第一章绪占 2001)。肥料的大量损失直接造成了巨大经济损失,保守估计如果使我国肥料利用率提高10个百 分点,以我国现有的化肥消费水平计算,每年可节约成本100亿元以上(杜昌文,周建It,2002)。 其次,缓控释氮肥的麻.|_fI还能带来巨大的生态效益。肥料利用率的低卜不仅造成资源的巨人 浪费,还造成了严重的环境污染,有些地区出现地表水富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮的含鼙 严重超标、使空气中的NzO含量逐年上升,加剧温室效应等问题(张民等,化flEY.业,200t:葛 鑫等,2003)。尿素是目前中国农业生产中施用量最大的氨肥品种,在当前的环境生物地球化学 循环中,氮素是陆地生产力的重要限制因素,农业生产中所施用的氮素化肥己经严重干扰了全球 的氮素平衡,氟素的不平衡加速了环境生态问题的严重性,从土壤的酸化.到近海水体的富营养 化,以至于出现赤潮,到影响食物链,导致危害人类健康,和生物多样性的减少。在本世纪重点 环境问题中,氮素的超载己经成为一个重要的全球性问题。农田氨素化肥的大量施用.使得土壤 氪素过量积累并导致氮素从土壤中向水体流失,产生富营养化,或者在地表某个区域中积累富集, 在一定时候爆发,使环境急速恶化的“化学定时炸弹”。 第三,缓控释氮肥的应用还可以减少农田作业产生明显的社会经济效益。作物附近集中过多 的肥料,不仅造成土壤中养分含量过高,而莽分的利用率和回收率却很低,造成资源巨大的浪费、 污染。还可能“烧坏”作物的根系(DerrahRussll,1995),造成施肥反而减产的现象。究其原因, 主要是化肥的速溶性使其供肥前期过高而后期不足,难以适应作物各生育阶段的不同需求。由于 上述问题的存在,通常在作物的整个生长过程中,须进行几次适量的施肥,以满足作物生长期对 养分的需求,然而重复施肥不仅浪费劳动力,施肥设备还可能对作物带来一定的外部损伤 (GolovlvYul,1986)。所以通过肥料工艺的改进提高尿素氮肥利用率,简化农田作业,是发展可 持续高效农业急待解决的问题。 1.3国内外相关理论与研究进展综述 1.3.1缓释和控释肥料的概念及定义 广义上讲所谓缓释/控释肥料就是指肥料养分释放速率缓懂。释放期较长。在作物的整个生 长期都可以满足作物生长的需求(DerrshRussll,1995)。美国作物营养协会(AAPFCO)X}缓释和控 制释放肥料的定义为:所含养份比速效肥具有更长肥效的肥料。一般认为,所谓“释放”是指养 份由化学物质转变成植物直接吸收利用的有效形态的过程(如溶解、水解、降解); “缓释”是 指化学物质养份释放速率远小于速溶性肥料施入土壤后转变为植物有效态养份的释放速率;“控 释”是指以各种调控机制使养份释放按照设定的模式(释放率和释放时间)释放并与作物吸收养份 的规律相一致。因此.生物或化学作用下可分解的有机氮化合物(如脲甲醛UFs)包膜的肥料通 常被称为缓释肥(SRFs)而对生物和化学作用等因素不敏感的包膜肥料通常被称为控释肥(SRFs)。 Trenkel综合了有关缓释和控释肥料养份缓慢或控制释放的释放率和释放时间的研究.提出了 作为缓释和控释肥应具备的几个具体标准(rrenkelME,1997)。即在25"CF:(1)肥料中的养份 在24h内的释放率(即肥料的化学物质形态转变为植物可利用的有效形态)不超过15%;(2)在 28d内的养份释放率不超过75%;(3)在规定时间内养份释放率不低-p75%;(4)专用控释肥的 中国农业大学硕上学位论j[第一章绪。。 养份释放曲线与相应作物的养份吸收曲线相吻合。本文所用的缓释和控释肥概念是指在肥料养份 释放过程中,以缓慢或可控制的方式满足上述标准的一类肥料。 缓释和控释肥按其溶解性释放斤式通常被分为三种类型:物理障碍性因素控制的水溶性孵 料,如包膜颗粒肥料(如ProkotePlus、Osmocote、Multicote、POCFs和SCU等):微溶无机 盐(如磷酸铵镁)和微溶有机化合物,包括以生物降解和以化学降解为主的微溶有机化合物(如 草酰胺、UF、IBDU、CDU);@混入胶接剂或石蜡将水溶性的肥料转化为难溶性的肥料(Shavir &Mikkelsen,1993),从_[艺学角度I-,Fan和Singh根据释放控制方式将控释和缓释肥划分为扩 散型、侵蚀或化学反应型、膨胀型和渗透型四类(FanLTandSingh,1990)。 1.3.2国内外缓释和控释肥料研究进展 自从1948年美国的ICGCIan等人台成了世界上第一个缓释缩合肥料尿素.甲醛后,缓释肥料 的研发经历了一个漫长的发展过程。 在1960年以前主要是尿素一甲醛结合物缓释肥料及其作为缓释肥料包裹膜的初步研究;上 世纪六十年代,日本和美国等一些发达国家就开始着手研发缓释/控释肥料,通过改变肥料的一 些性质来提高其利用率(李广逵等,1998)。研究主要集中在尿素.甲醛缩合物缓释肥料的生产及 其性能和应用的研究.尿素.甲醛缩含物、石蜡、松香、环氧树脂等作为包裹膜的研究,缩二脲的 应用和危害的研究方面的研究:到了七十年代,研究方向主要在尿素.甲醛缩合物、聚烯类、三氮 杂苯等作为包裹肥料膜的研究,肥料中搀杂其它难溶物、添加剂、抑制剂作为生产缓释作用的研 究,异丁叉二脲和正丁叉二脲缩合物缓释肥料的研究;上世纪八十年代是缓释肥研发突b猛进的 年代,在这十年中缓释肥开始走多元化道路,其研究方向也随之扩大,主要是对硫磺、硅酸盐(醣)、 聚乙烯,磷酸三钙、磷酸镁铵[(nel4)Mgpo H20]作为包裹肥料膜方面的研究,无机矿物缓释肥 料的研究,吸附缓释肥料的研究,尿素与C2-C5醛类或二醛类缩合缓释肥料的研究,以及关于包 裹缓释肥料理论模型的研究;到了上世纪九十年代缓释肥趋于走向成熟,各方面的研究不断完善 细化.并对新的领域进行探索研究,其中包括对有机高分子缩台物包裹膜腐化过程的研究,缓释 肥料的缓释机理研究,尿素.醛类缓释肥料的研究(张民等,2001)。 在我国,早在1974年中科院南京土壤研究所开展了钙镁磷肥包裹碳铵、尿素的研究工作, 井卓有成效;1985年北京市园林科研所与北京市化工研究院开发了酚醛树脂包膜复合肥料,并已 投放市场,取得了根好的经济和社会效益。近几年我国缓释肥料的发展更突飞猛进,其主要采取 两种技术路线,即将化肥进行微溶化或包膜处理来实现肥料养分的缓释/控释。前者的代表性产 物有脲醛化合物(uF).后者有硫包膜尿素(SCU)、聚合物包膜尿素(PCU)等。包膜型缓释/ 控释肥料的制造过程通常不涉及化肥的化学反应,通过包膜材料的成分和结构的凋接,还能灵活 地调节其释放特性,在技术和经济上具有较大优势。目前中国农科院、中国农业人学、华南农业 大学、山东农业大学、北京化丁大学、北京农林科学院等单位科研人员正在开展不同类型的缓释 和控释肥料的研究、升发和应用研究。 中目农业大学硕士学位论文第一章绪言 1.3.3缓释和控释肥养分控制释放的机理模型和肥效 缓控释肥的目的是提高养分利用率薷I减少养分损夫,要求肥料释放速率和植物吸收养份的速 率相一致。用有机聚合物包膜的肥料,其养分释放曲线一般是线型或“S”型。能够与作物的吸 收曲线相吻合。包膜控释肥的养份释放的第。。个阶段是水分(主要是水蒸汽)透过膜溶解固体颗 粒肥料,此时肥料颗粒不断溶解并向外稳定而快速扩散或渗透,为稳定扩散阶段;第二阶段为释 放速率较低并不断下降阶段。释放机制有三种:扩散释放、破裂释放、颗粒群体释放。Raban等 (1995)把包膜控释肥的扩散释放分为迟滞期、恒释期和延迟期三个阶段。试验结果表明,控释 氮肥葬分累积释放量与释放时间的关系可用一元二次方程进行拟台,释放速率维持最大值的时间 较短,在以后有一个较长的逐渐降低的阶段。每种释放机制的驱动力不同,但是综合的释放模型 都应该与作物的需肥曲线相吻合。通常养份累积释放曲线是单“S”型。 缓控释肥养份释放的影响因素包括肥料本身的特性及外界条件。肥料自身的特性主要有粒 度、包膜材料、包膜厚度以及膜的孔度等(乇为木,2000):外界条件主要有温度和水分,两者 是通过影响饱和水汽压的高低间接起作用。在一定范围内,温度越高,水汽压力越大,控释氮肥 养分释放速率越快。除此之外,土壤PH值、土壤水含量、土壤有机质、离子浓度、酶和微生物 活性等也影响养分的释放速率,尽管并不显著。研究结果表明,环境中离子浓度的高低影响包膜 屎紊的溶出动态。 关于控释肥的环境生态特征和肥效,己经有大量的试验研究,许多研究结果证明,缓控释肥 的确能减少养分的挥发和淋失损失,提高作物的利用率,减轻施肥对环境的污染、改善作物的生 长发育状况、提高作物的产量和产品品质(张庆立,2001)。同时在农田生态系统中能够发挥相 应的积极作用,减少污染气体的捧放,降低对环境的污染危害程度。保持氮素循环的平衡和农业 生态系统以及整个陆地生态系统的氮素平衡,有利子生态系统的维持和发展。控释肥是施肥技术 的一次革命.是二十一世纪肥料产业的方向。根据作物的生长规律及需肥特性研制而成的缓控释 肥,将肥料一次性施入。养分元素在人工控制的时期内自动释放供给作物吸收。试验证明,控释 肥在减少用量一半的情况下,可获得同样的产量。并改善品质,由于~次性施入,省时省工,提 高了肥料利用率.取得显著的经济效益与社会效益。生产化肥是以煤炭、天然气、水资源及其他 能源为基础的,节约化肥,实际上是节约这些不可再生的资源,提高资源的高效利用是可持续发 展的重要保证。 尽管国内外在控释肥的研究开发和应用上己经取得了较大进展,但是仍然存在着许多需要进 一步深入系统研究的问题。我国控释肥研究工作起步较晚,高质量的控释肥产品较少,尤其在控 释肥的迁移转化、肥效及环境特征方面还缺乏系统深入的研究。 1.3.4国内外缓释和控释肥的实际应用及其发展前景 目前世界上缓释和控释肥的消耗总量大约是65万妇.美国是晟大的消费国,约占世界总朋 谴的70%,日本和欧洲各^15%左右。在日本,人多数控释和缓释肥用在农业上,主要是种植蔬 菜、水稻和水果,仅--4'部分用f草坪和观赏园艺。在美国和欧洲,约占总量的90%是用于高尔 中国农业大学顾:上学位论文第一章绪毒 夫球场、苗圃、专业草坪和景观园艺,仅有10%用于农业,如蔬菜、瓜果、草莓、柑桔和其它水 用在农业上的大多数是包膜控释肥(约占65%~75%),聚合物包膜控释肥的应用有明显稳定增长的趋势.非农业市场消耗的包膜控释肥和有机N化合物的量大约相等。包膜肥料的比例在 过去的10年中不断增加(LandelsS.E,1991)。控制释放表现好的包膜控释肥(价格也较高)被 越来越多地应用在农业市场上,这表明消费者己意识到包膜控释肥在提高农业效益上胜过其它缓 尽管多种表现很好的控释和缓释肥已经商品化且技术在不断发展,但它们在农业上的应用仍然受到限制,仅占世界化肥总消耗量的0.5%以下。主要限制因素是价格(通常比相应的常规化 肥料高约3~8倍)(TrenkelM.E.,1987)。鉴于控释肥提高养分利用率、增加产量、减少因养分 损失而引起的对环境的不良影响,随着价格的降低,控释肥应用快速增加的潜力是巨大的。 我国控释肥的研究和开发尚处于起步阶段,没有形成真正意义上的控释肥生产厂和商品。目 前我国也有一些缓效肥料的生产,如涂层尿素、长效碳铵、氢醌屎素、非溶性磷肥包裹尿素、沸 石尿素等,但这些肥料多是延缓肥料运输贮存中的养分损失或养分在土壤中的转化过程。例如, 包衣尿素中的包膜材料采用氢醌类物质,实为脲酶抑制剂,通过抑制脲酶活性而达到减缓尿素转 化的目的。我国目前生产的缓释肥料品种不能解决肥料释放与作物所需相吻合的难题,达不到自 控缓释指标,技术含量低.故一直未在生产中推开(张民等,2001)。 近年来国内有多所大学和科研院所承担了国家和地方的控释肥研究课题,已有研究单位从国 外引进了制作设备,研究出适合不同作物需要的控释肥系列新产品,并通过大量的室内和田间试 验,表明所制作的多种控释肥品种在水中和土壤中的控释时间和释放模式已达到了可控释放的具 体要求和标准。其释放速率主要受温度和水份条件的控制,并可根据不同作物的需要进行释放高 峰和施肥时间的调整.在多种作物上的盆栽和田间试验均已表明.可提高氮肥利用率30%~50 %以上。在作物相同产量的情况下可以减少33%~50以上的肥料施用量f张民等,2001).一季 作物一次施肥,省工省时,经济效益高,还减少了挥发、淋失及反硝化作用,减少了施肥对环境 造成的污染。这标志着我国控释肥的研究已取得了较大的进展,表明研制的控释肥已达到了国外 同类产品的质量标准和水平,相信控释肥在我国的产业化将会尽快实现。然而,要使控释肥的生 产成本进一步降低,尽快扩大推广应用范围,仍有大量工作要做。 从20世纪60年代,日本和美国等一些发达国家就开始研制开发包硫尿素(SCU)。聚合物包 膜尿素(PCU)等.80年代日本投入大量的人力、物力、,现已研发出“s”型控释包表尿素,每 吨大致在6000元一8000元。国内已有上海汉枫缓释肥料有限公司30万吨包硫生产线已投产,山 东金正大生态工程有限公司30万吨包硫尿素生产线己建成,年内投产,每吨价格在2000元一2500 元。北京市农林科学院营资所研发的控释包衣尿素1999年进行中试,2000年建成年产3000吨的 生产线年北京市农林科学院和首创合作成立北京首创新 型肥料有限公司,建成年产1万吨的生产线。针对控释包衣尿素这一新产品的特点,安排水稻、 夏玉米、露地甜搬大田试验,考察应用效果,为推广。应用提供理论和实际依据。 中国农、业大学硕t学位论文第一章埔亩 1.4研究目标、内容、方法及技术路线研究目标 通过田间试验,探索这种控释包衣尿素对水稻、夏玉米、露地甜椒的增产效应和经济效箍: 以试验结果为依据分析控释包衣尿素开发应用中存在的问题、发展前景及对策,为控释肥的研制、 开发、农业应用和推广提供依据。 1.4.2研究内容 (1)控释包衣尿素在水稻种植中增产效应及经济效益分析。 (2)控释包衣尿素在夏玉米种植中的增产效应及氮素溶出分析。 (3)控释包衣尿素在露地甜椒种植中施用对产量及品质的影响。 (4)控释包衣尿素在推广应用中存在的问题。 (5)浅析控释包衣尿素开发应用前景及发展对策。 1.4.3研究方法 选用面积大、用肥多的南方水稻、北方夏玉米及露地甜椒进行田间试验,并从宏观、田间试 验结果分析施用中存在问题,查阅有关资料,结合农业政策及实际情况,分析控释包衣尿素开发 应用前景及发展对策。 1,4.4技术路线 中国农业大学硕士学位论文第一章绪言 中国农业大学硕|:学位沧文第二章控释包衣尿素在水稻种植中增产敛应及经济效益分析 第二章控释包衣尿素在水稻种植中增产效应及经济效益分析 2.1材料与方法 2.1,1试验材料 试验用肥料是北京市农林科学院植物营养与资源所斯格利公司生产的控释包衣尿素(包农率 8.5%),以同品牌的普通尿素做对照,试验布置在广东省新会市三江镇,土壤有机质27.69/kg, 有效磷47mg/kg。水稻品种釉小占。磷肥施用量均为过磷酸钙300kg&m2,试验田间管理与大田 常规管理相同。 另外新会市三江镇皮子村洋心安排示范试验,土壤为洪积土发育而成的沙质土壤,有机质 15.79/kg,有效磷3.3mg/kg,供试水稻品种为“新占秀”。 2.1.2试验设计 根据当地水稻田用尿素情况,试验采用控释尿素比普通尿素数量减少O%、25%、33%、50 %,随机区组设计,小区试验面积20m2,5个处理,3次重复,氮肥处理见表2-1。示范区共占 地280m2,不设重复,控释尿素用量270kg/hm2,普通尿素375kg/hm2。 表2-1控释包衣尿素在水稻种植中的肥效试验处理 2.1.3测定项目及方法 水稻收获时各处理取5穴水稻,分别测定穗数、穗粒数、秕粒率和千粒重。 收获时将各小区20m2的水稻收割,晒干后测定稻谷产量。示范田采取五点法计产,每点收 割2m2水稻晒干后测定稻谷产量。 中国农业大学硕上学位论文第二章控释包表屎素在水稻种植中增产效应及经济教益分析 1ql Pilll——————皇—皇————量——————————————一 2.2水稻施用控释包衣尿素的增产效应 2.2.1控释包衣尿素对水稻产量的影响 袁2.-2控群包农尿素在水稻小区试验中的产量结果(kg/hm2) 注:F=94.652一.Fool《.99 小区试验产量结果经方差分析,F_94.652大于F001,各处理差异显著(表2.2)。控释尿素 和普通尿素处理都比对照有极显著的增产效果,两种氮素肥料的增产效果相比,控释尿素的两 个处理产量要高于普通尿素两处理。多重比较的结果显示(表2-3),施用控释尿素300kg/hm2处 理比普通尿素300kg/hm2和450kg/hm2分别增产709.0kg/hm2和600kg/hm2的稻谷,达极显著水平。 控释尿素用量仅为225kg/hm2时,与普通尿素450kg/hm2处理产量无显著差异,比普通尿素 300kg/hm2增产440.1kg/hm2,达显著水平。由此可见,控释肥料比普通肥料用量少而获得较高的 稻谷产量。 表2-3不同肥料处理稻谷产量的结果比较 处理 平均产量 比对照增产 比处理3增产 比处理4增产 6775.12413.4— 55.3 440.1’ 6.9 250.1 3.8 7125.O2763.3— 63.3 790.0~ 12.5 600.0” 9.2 6335.O1973.3— 45.2 6525.02163.3— 49.6 190.O LSD0.05---350.58;LS瑚.01--49&85在示范试验中也得到了相似的结果。控释尿素用量270kg/hm2,却比施用普通尿素375kg/hm2 增产稻谷502.5k蚰m2(表2-4)。分析控释尿素在水稻生产上肥料显著的原因,主要在于控释尿素 养分缓慢释放的特性,而且根据不同作物的需要可以针对性地生产释放快慢不同的肥料,使其符 合不同作物的需肥规律,保证在作物生长期持续供应养分,有利于二作物对养分的充分吸收利用。 表2-4控释包衣尿素在示范试验中产量结果(kg/hm2) 1i踅:!——10 中周农业大学硕lj学位论文 第二章控释包表屎素在水稻种植中增产效应及经济效益分村} 控释尿素增产效率远高于普通麒素(见表2-5)。但是使用任何肥料都不是越多越好,从表2—5 中数据可以看出,两种肥料都符合报酬递减率。普通尿素施Hj量由300kg/hm2增加为450kg/hm一 时每公斤养分增产稻谷由14.3kg降为10.4kg。控释尿素用量由225kg/hm2增加为300kg/hm2时 每公斤N增产稻谷由25.5kg降至21.9kg。经回归分析两种肥料的效应方程分别为: 控释尿素:Y=4361.6489+15.27138X-0.02020X2 r=0.9912(1) 普通尿素:Y=4361.6489+10.11813X-0.01180Xz r=0.9818(2) 根据以上方程,控释尿素的经济最适施用量为337.5kg/hm2,此时稻谷理论产量为 7214.83kg/hm2。普通尿素的经济最适推荐施用量为386.36kg/hm2,相应稻谷产量为6509.45kg/hm2。 表2-5不同用域控释尿素和普通尿素的增产效率比较 处理 施氮量(kgN/hm2) 每公斤肥料增产稻谷(kg) 每公斤纯N增产稻谷 94.510.7 25.5 1269.2 21.9 1386.6 14.3 2074.8 10.4 注;普通尿素含N量46%,控释尿素古N量42%.2.2.2控释尿素对水稻农艺性状的影晌 表2-6施用控释尿素和普通尿素对水稻农艺性状的影响 在试验过程中,普通尿素处理在水稻生长中后期有脱肥现象,这是由于普通尿素施肥后在土 壤中局部很快造成高的肥料浓度。但是土壤保蓄能力有限,造成肥料大量的流失。使后期养分缺 乏。而控释肥料养分供应持续水稻孕穗灌浆期无脱肥现象发生,表现在农艺性状上,控释尿素处 理的有效穗数、成穗率、结实率、每穗实粒和千粒重等指标都略高于普通尿素处理(表2.-6)。以 上各项累计效应反映在小区产量上.是造成控释尿素高产的原因。据研究(聂军等, 2003)控 释氮肥能促进水稻生育中、后期叶片中的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性,从而促进了水稻 孕穗后体内氮素的吸收与同化增强了水稻的吸氮量,达到了提高氮素利用效率的目的;同时控释 氮肥还可增强水稻生育后期叶片中蛋白水解酶的活性,促进了叶片中蛋白质的降解,有利丁^叶片 中的氮素向籽粒运转,从而提高水稻氮肥农学效率或生理效率。 中国农业大学顶{:学位论文 讹一章控释包寝尿素在水稻种植中增产效应及经济效益分析 2.3水稻施用控释包衣尿素的经济效益分析 表2-7水稻小区试验再处理经济效益分析(元巾m2) 注:控释尿素价格按1.8元,kg,普通尿素价格按11元,kg,稻谷收购价按1.1元rtg计算 由表2-7数据可以看出,控释尿素虽然相对普通尿素价格略贵,但由于用量少,产量高,结 果以上各处理以控释尿素两个处理的经济效益最好。 控释尿素虽然增产效率高,但价格高于瞥通尿素,为考察经济上是否合理进行了经济效益分 析表(见表2-7)。以上是在本试验条件下的经济效益比较,按照施肥理论.在肥料效应方程推荐 的经济最佳施肥量下,经济效益达到最大。控释尿素用量为经济最佳施肥用量337.5kg/hm2时, 稻谷理论产值为7936.3元/hm2,普通尿素用量在经济最佳推荐用量386.4kg/hm2时,稻谷理论产 值达到6509.5元抽m2。扣除各自的肥料成本607.5元抽l2和425.0元^m2后,使用控释尿素仍比 普通尿素经济效益高1244.4元伍m2。 另外,对比两种氮肥的施用方法,普通尿素为避免后期脱肥必须多次施肥,而控释尿素一次 施用可以维持作物全生育期的养分供给,节省了人工。综上所述,使用控释尿素在经济效益上比 普通尿素有优势。 2.4本章小结 (1)本研究中,施肥都具有增产效果,但在水稻上施用控释包农尿素,增产效果好于普通 尿素,用相对较少的肥料可获得相对高的产量。包衣尿素的经济最适施用量比普通尿素低约50 衄加m2但产量可高出约700k【gJhm2。 (2)控释包衣尿素的增产的原因主要是通过增加亩成穗数和穗粒数来实现的,说明在这种 肥料极易流失的环境下,即使多次追肥肥效也难保证,相比之下控释尿素使供肥效果明显改善。 (3)控释包衣尿素虽然价格上略高于普通尿素,但与普通尿素相比单位肥料的增产效率大, 肥料的整体用量较少,在经济效益上比普通屎素仍具有明显优势。 中国农业大学顶1:学位论文 第_三章控释包表尿素在玉米种檀中的增产效心及氮索溶出分析 第三章控释包衣尿素在玉米种植中的增产效应及氮素溶出分析 3.1材料与方法 3.1.1试验材料 试验采用北京市农林科学院植物营养与资源所斯格利公司生产的控释包衣尿素,包衣率为 5.6%(即包衣重量占包衣肥料重量的百分比)。试验布置在北京市房山区农科所试验基地,玉米 品种为京早13,2002年6月16日播种,9月27日收获,每亩3500株。试验地—卜壤为褐土.耕 层土壤有机质含量为17.1g/kg,全氮为O.88g/kg,碱解氮63.3me/kg,有效磷23.3mg/kg,有 效钾66.0me/kg,pH值为7.81,常规管理。 3.1.2试验设计 根据当地夏玉米用肥情况,选择包衣尿素施氮量比常规施氮减少20%。试验设3个处理,3 次重复。随机区组排列,小区面积33.3 m2。分别为不施氮对照、常规施氨(尿素,150kgN/hm2) 和包农尿素(120kgi"//hmz)。磷肥为普钙75kg/hm2(P205),钾肥为氯化钾120kg/hm2(K20), 均一次底施:常规施氮处理40%尿素作底肥,60%在8月7日追施。包衣尿素与磷钾肥一同底施。 3.1.3测定项目及方法 将小区收获测定籽粒产量,另外每小区取3株玉米,测完生物学产量后分开籽粒和其他部分 (包括茎、叶和玉米芯),粉碎后取分样用开氏法测定籽粒和其他部分混合样的含氪量。 为了研究包衣尿素在田阃的实际溶出过程及对玉米生长的供氮情况,将59包衣尿素缝合在 孔径为lmra的塑料网袋内,播种时埋置在10em土层(包衣尿紊小区内),共18袋。分别在播种 后第3、6、13、20、34、48天每次取出3袋,将肥料颗粒表面的土壤洗净、擦干,用PDAB法 测定包膜内的残留氮trailFujisawa,1998)。 分别在当年的6月25日、7月2日、8月5日、8月20日和9月4日按0~20cm、20.-40em、 40一60cm、60-80cm取剖面土样测定硝态氮和铵态氮含量,其中,硝态氮和铵态氨分别采用紫外 分光光度法和靛酚兰比色法测定。 3.2玉米施用控释包衣尿素的增产效应 表3-1不同处理夏玉米产量(k咝m2)、吸氮量(kg/hm2)和氮肥利用率(%) 处理 产量(kg/hm2) 吸氨量(kg/hm2) 氮肥利用率(%) 对照(不施氨) 7470.00345.98 303.2319.42 普通尿素(150kgNqun2)8080.00802.93 348.26_+57.38 30.02 包农尿素(120l【g2)8080.00970,4t 346.0670.62 35.69 13 中国农业人学硕j:学位论文 第三章控释包收尿素在蕞米种植中的增产效应及氯奈溶出分析 施用氮肥能够增加了夏玉米产量.无氮处理夏玉米平均产量为7470kg/hm2,普通尿素(150 kg/hm2)和包衣尿素(120kg/hm2)两个施氮处理的夏玉米产量均为8080kg/hm2,比无氦处理增 产8.16%,施用氮肥也相应地增加了玉米的吸氮量,普通尿素和包孜尿素两个处理夏玉米吸氮量 比无氮处理分别增眭14.85%和14.12%,但统计分析结震表明施氨处理与无氮处理的夏玉米产量 和吸氮量羞异均没有达到显著性水平(表3-1)。北京市2002年夏季干早和试验地十壤肥力水平 相对较高可能是导致氮肥增产效应较差的原因之一,包农尿素在减少20%氮肥用量并且采用夏玉 米全生育期一次性基旌的措旖下,夏玉米产量仍能与普通尿素处理平产,说明包衣尿素对养分的 控制释放有利于改善作物对肥料氮的有效吸收,但试验结果也显示包衣尿素对于提高夏玉米产量 和氮肥利用率等方面不如预期,尤其是对氮肥利用率的提高不如文献报道的明显(ShojiS.,eta1., 1994;ShojiS.,1999)。 包衣尿素在玉米产量、吸氮量和氮肥利用率三个方面没有表现出比尿素更大的优势,究其原 因。可能与包衣尿素在土壤中的养分释放过于靠前有关(图3.1)。由于玉米全生育期干重积累和 对氮素的吸收过程表现出典型的“S”型曲线,抽雄以后千重增加和吸收氟素的数量占到全生育 期的50%左右(余松烈等,1992)。因此保证抽雄后土壤中氮素供应的强度是高产玉米的吸肥特 点。虽然控释肥料的养分释放过程并不能完全表征养分在土壤中的转化和作物吸收,但是由于养 分释放过于靠前,造成包衣尿素处理后期对玉米供氮不足,表现在该处理根层土壤无机氮含量(硝 态氮和铵态氮)后期低于尿素处理(图3-2和图3.3),也说明本试验中包衣尿素的养分释放过程 与玉米氮吸收曲线并不一致,若耍充分发挥控释肥在增产、提高肥料利用率以及减轻由施肥导致 的环境负效应等方面的潜在优势,必须保证控释肥在田问的养分释放过程与作物对养分的吸收动 态一致(ShojiS..eta1.,1994;ShojiS.,1999;ShavivA.,2001)。 3.3玉米田控释包衣尿素的溶出特征 3.3.1包衣尿素在不问介质中的溶出特征 多年来,国内外主要控释肥生产厂家基本都采用不同温度的水浸泡法确定各自产品的溶出类 型和溶出期限(ShavivA.,2001)。由于包膜控释肥的养分释放是由包膜内外的浓度梯度驱动, 除了温度对其溶出速度有直接影响外,田问多变的土壤含水量和土壤溶液浓度也会间接地影响控 释肥养分的溶出,主要是溶出速度和溶出期(EijiFujisawa.。1998;ShojiS.,eta1.,1994)从本 试验结果来看,包衣尿素在水中(25)只需14天即基本溶空,但在田问溶出80%却需要48天。 田闻溶出期明显较水中溶出长,夏玉米生长正值夏季,气温较高,至少在生育的前期温度和水分 不会限制包衣尿素的养分溶出,但生育后期土壤含水量过低则可能造成包衣尿素溶出期延长。Eiji Fujisawa等人通过室内培养试验研究发现,只有当土壤含水量高于田问持水量的40%时,包膜控 释肥的养分释放速度和释放期才不受土壤水分状况的影响,而当土壤含水量低于田间持水量的 40%时,控释肥的养分溶出速度降低,士壤含水量越低,其溶出越慢(FujisawaE.,1998)。由于 2002年夏季降雨量不多.士壤水分前期湿后期干,造成包农尿素溶出的高峰期前移,后期的溶出 期变长、溶出量少、供肥不足。因此今后还需进一步强化包农肥料养分溶出的可控性和稳定性, 14 中【碍农业人学_哦t学位论文 第三章控释包衣尿素n-K米种植中的增产效应及氮素iI=fm分析 lI 嗣时对田间情况下士壤水分状况、士温变化和包农肥料颗粒周围盐分浓度动态变化对控释肥莽分溶{影响的研究与模拟,从而更加准确地设计出养分释放与作物吸收同步的控释专用肥,从而充 分发挥控释肥对于作物增产和提高氮肥利用率的潜在优势。 1020 30 时间(天) Time(day) 水中溶出40 图3-1包衣尿素在水中和在土壤中养分溶出过程的比较 血们砌m1_ohcookp_[E 中国农业大学颁I:学位论文第三章控释包农尿素在K米种植中的增产效应及氮豢溶…分析 3.3.2耕层土壤无机氮动态过程50 距离播种后时间(天) Day after sow/rig 图3-2土壤耕层硝态氮变化动态 距离播种后时间(天) Day after sawing 图30土壤耕层铵态氮变化动态 由于玉米生长期间气候干旱,降雨量较常年同期偏低,各小区均束发现硝酸盐在耕层以F的 累积,处理问耕层以下各土壤层次硝酸盐含量差异不大(数据未列出)。不过不同肥料和施用方 式对土壤无机氮的影响不同(图3.2,图3-3),对照处理无机氮含量在玉米全生育期均低于施氮 处理,分两次施用普通尿素的处理耕层土壤无机氨在玉米生长期间比较平稳,虽然前期低于包衣 尿素处理,但随着追肥,后期则高于包衣尿素处理;包衣尿素处理前期(抽雄吐丝前)耕层土壤 都维持较高的铵态氯和硝态氯含量,而后期则迅速降低,其变化与包衣尿素往十壤中的溶出基本 16 pdopaou目;名。昌《^《等v如N-._ll,雾* 中国农业大学倾1:学位论文 第三带控释包衣尿素在玉米种植中的增产效应及氮素溶il|分柝 一致(幽3_2)。 3.4本章小结 (1)与普通尿素常规施肥措施相比,包农尿素在减少20%用量且在玉米全生育期一次性基 施的情况下,玉米的产量和吸氮量与前者基本一致;普通尿素和包衣尿素两种肥料的氮肥利川率 分别为30.02%和35.69%。 (2)包表尿素在田阃的实际溶出期明显受到周围水分状况的影响,在本试验条件下相对_丁 玉米的吸肥规律,包表尿素的养分溶出高峰还嫌早些,这会影响包衣尿素增产潜力的发挥。

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