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山东农业大学科研团队在 Crop J.(Q1/5.6) 发文!揭示控释肥料的“双刃剑”效应

2026-10-23 23:58:44

山东农业大学科研团队在 Crop J.(Q1/5.6) 发文!揭示控释肥料的“双刃剑”效应

氮肥过量施用是我国农业生产中的突出问题，氮素利用效率平均仅32%，远低于全球55%的平均水平。控释尿素（CRU）作为一种可实现养分精准释放的新型肥料，被寄予提高产量和环境效益的厚望。然而，其多年连续应用对产量稳定性、土壤质量和碳足迹的综合影响尚缺乏系统评估。近日，山东农业大学农学院赵斌教授团队在《The Crop Journal》发表题为“Impacts of controlled-release fertilizer application on maize yield stability, soil quality and carbon footprint in Huang-Huai-Hai Plain”的研究论文。该研究基于11年定位试验（2013-2024），系统比较了聚合物包膜尿素（PCF）、硫包膜尿素（SCF）和常规尿素（CU）对夏玉米产量稳定性、土壤质量和碳足迹的影响，为黄淮海平原玉米可持续生产提供了科学施肥依据。

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通讯作者及单位

Bin Zhao (Shandong Agricultural University, College of Agronomy)

zhaobin@sdau.edu.cn

核心内容

结果1：PCF显著提升土壤质量指数（SQI）。研究测定了15项土壤理化和生物学指标，分别采用全数据集（TDS）和最小数据集（MDS）计算土壤质量指数。结果显示：PCF处理的土壤质量指数最高，TDS法下分别比SCF、CK和CU高出8.7%、19.6%和41.1%；MDS法下高出17.3%、24.8%和29.3%。PCF显著提高了土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、硝态氮、铵态氮和有机碳（SOC）含量，同时降低土壤容重（BD）。PCF的蔗糖酶活性比SCF、CK和CU分别高出18.0%、66.8%和142.5%。结论：聚合物包膜尿素通过持续稳定的氮素释放，改善了土壤微生物生境和养分有效性，是提升土壤质量的最优选择。

结果2：控释肥料反而增加了温室气体排放和碳足迹。与预期相反，控释肥料处理并未减少温室气体排放：PCF和SCF的累积N₂O排放量分别比CU高出114.3%和88.9%。相应地，PCF和SCF的直接全球增温潜势（GWP_direct）比CU高出113.4%和88.6%，单位产量GWP_direct高出94.5%和77.3%。尽管PCF和SCF提高了土壤固碳速率，但净GWP仍显著高于CU（PCF和SCF分别高出70.3%和57.6%），碳足迹分别高出55.5%和48.4%。结论：控释肥料在雨季湿润-干旱交替条件下，持续为硝化和反硝化作用提供底物，反而刺激了N₂O排放。单纯依靠物理控释难以实现温室气体减排目标。

结果3：控释肥料增产并提高经济效益，产量稳定性无显著差异。2020-2024年连续5年定位观测显示：PCF和SCF的平均籽粒产量分别比CU高出4.5%和6.3%。累计净收益PCF和SCF分别比CU高出24.3%和31.5%。各处理的产量变异系数（CV）无显著差异，但SCF和CU的可持续产量指数（SYI）分别比PCF高9.7%和5.3%（统计不显著）。结论：控释肥料在增产和增收方面优势明显，且不降低产量稳定性。其中硫包膜尿素因释放机制相对稳健，产量稳定性略优于聚合物包膜尿素。

结果4：多指标综合评价（TOPSIS）排名：SCF最优。研究采用TOPSIS多准则决策分析法，综合经济效益、土壤质量指数和碳足迹三项指标对四种施肥策略进行评价：SCF排名第一，相对贴近系数比PCF和CU分别高出5.2%和11.6%。PCF排名第二，比CU高出6.1%。CK（不施氮）排名最差。结论：尽管PCF在土壤质量改善方面表现最佳，但综合考虑经济和环境效益，硫包膜尿素（SCF）是实现黄淮海平原玉米可持续生产的最优选择。

结果5：产量和碳足迹的关键驱动因子分析。产量正相关因子：全氮（TN）、pH、有机碳（SOC）、过氧化氢酶（S-CAT）和亮氨酸氨肽酶（S-LAP）。碳足迹正相关因子：全氮、硝态氮、有机碳、蔗糖酶、过氧化氢酶、亮氨酸氨肽酶、CH₄和N₂O排放。随机森林模型显示，N₂O排放是碳足迹的最强预测因子，其次为产量、铵态氮、SQI、硝态氮、全氮和pH。结论： N₂O排放是驱动碳足迹升高的核心因素；而土壤质量的提升主要促进产量，对碳足迹无直接缓解作用。

图1. 控释肥料施用对玉米产量稳定性、土壤质量和碳足迹的综合影响。A. 土壤质量指数（SQI）：采用TDS和MDS两种方法计算。PCF处理无论哪种方法均显著高于其他处理，CK最低，CU表现甚至差于不施氮处理。B. 温室气体与碳足迹：从左至右依次为直接GWP、单位产量GWP、净GWP和碳足迹。PCF和SCF在所有指标上均显著高于CU，说明控释肥料增加了气候影响。C. 产量、净收益、变异系数（CV）和可持续产量指数（SYI）：PCF和SCF产量和净收益高于CU，但SYI以SCF和CU较高，PCF略低。D. TOPSIS综合排名：相对贴近系数显示SCF > PCF > CU > CK，SCF为最优策略。E. Mantel分析：展示产量、碳足迹、SQI与土壤理化性质、酶活性和温室气体排放的关系。颜色和线条宽度代表相关性强度和显著性。F. 随机森林模型：变量重要性排序，N₂O排放是预测碳足迹的最重要因子（MSE增加百分比最高），其次为产量、NH₄⁺-N、SQI_TDS、NO₃⁻-N、TN和pH。

本研究在黄淮海平原长期定位试验中系统评估了两种控释尿素与常规尿素的“产量-土壤-气候”综合表现，得出以下启示：单一指标评价存在局限性：PCF虽土壤改良效果最佳，但综合效益劣于SCF。未来肥料筛选应建立多指标综合评价体系，避免“以点概面”。控释肥料的碳排放问题不容忽视：目前控释肥推广多强调其减少氨挥发和提高氮效率的优势，但本研究明确指出其可能增加N₂O排放。后续需研发兼具硝化抑制剂功能的复合包膜材料，实现“控释+抑制”双效协同。区域差异化施肥策略：黄淮海平原雨季集中、干湿交替频繁，是N₂O排放的热点区域。建议在该区域优先推荐硫包膜尿素，并探索减量10-15%的优化施氮方案，在保障产量的前提下降低碳足迹。长期定位观测的价值凸显：本研究历经11年才获得稳健结论。未来应进一步开展多地点、多气候年型的联网试验，为不同生态区定制最优控释施肥方案。

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