Nutrient release characteristics of bagged controlled-release fertilizer in Lei bamboo forest and its effect on bamboo shoot yield

样地位于浙江农林大学潘母岗实验基地，30°18′15″N，119°33′31″E，属中亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，具有春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征，全年降水量为1 628.6 mm，全年平均气温为16.4 ℃，全年日照时数为1 847.3 h。土壤发育自第四纪砂岩母质的铁铝土，基本理化性质：pH 6.3，有机质25.0 g·kg⁻¹，全氮1.7 g·kg⁻¹，有效氮149.0 mg·kg⁻¹，有效磷317.4 mg·kg⁻¹，速效钾186.3 mg·kg⁻¹。

供试袋装肥由杭州临安益微配方肥料有限公司提供，外包装为玉米淀粉袋。每袋大小为10 cm×10 cm，其中分别含有尿素150 g，过磷酸钙20 g，硫酸钾镁30 g。每个玉米淀粉袋上打有0.2 mm的小孔5个。根据课题组前期研究结果^[17]，穴施、撒施所用肥料按尿素∶过磷酸钙∶硫酸钾镁=15∶2∶3的质量比，均匀混合后备用。

处理时间为2020年5月30日至2021年4月11日。在2020年5月30日前完成试验小区的修建，安装径流液、渗漏液和氨挥发的收集装置。采用随机区组试验设计，选取相邻、坡度相同(12.5°)的12块2 m×10 m地块作为试验小区(图1)，各小区之间用宽为60 cm、厚为5 mm的铝塑板隔开，铝塑板插入土壤约40 cm深，高出地面20 cm。设置4种施肥处理：①撒施复合肥3.6 kg(根据竹农生产中采用的1 800 kg·hm⁻²施肥量换算)，SF；②袋控释肥，2×9(列×袋，每袋200 g)，BF；③穴施复合肥，2×9(列×穴每穴200 g)，HF；④不施肥，ck。每个处理重复3次。撒施复合肥处理为施用肥料后对雷竹林地进行翻垦，翻垦深度为20 cm，袋控释肥和穴施处理为先将雷竹林地进行翻垦，翻垦深度也为20 cm，再将袋控释肥和穴施复合肥施用在20 cm深土层中。

Figure 1.  Schematic diagram of the test plots

在研究区旁设置雨量筒，统计施肥后6个月内的降水量。

土壤氨挥发采用原位测定——通气法来收集氨气^[18]。用内径为20 cm，高20 cm的聚氯乙烯(PVC)管制成，管内放有2块蘸有质量浓度为2%的硼酸溶液的黑色海绵(厚2 cm，直径21 cm)，下层海绵距离地面约8 cm，上层海绵与PVC管顶部持平。选取的12个小区中，每个小区内随机放置3个氨挥发收集装置。施肥后隔1 d取出下层海绵后迅速放入塑封袋中并密封，同时更换新的蘸有2%硼酸溶液的海绵，共取51次。上层海绵根据干湿情况，4~8 d更换1次。取下的海绵带回实验室，用300 mL 1.0 mol·L⁻¹的氯化钾溶液分3~5次加入到塑封袋中反复挤压海绵得到氨浸提液，然后用0.01 mol·L⁻¹的盐酸溶液滴定，计算并记录氨挥发量。

每个小区之间用铝塑板隔开避免径流液流入相邻的小区内，小区底部设置规格为160 cm×140 cm×160 cm(高×底×高)的塑料天沟收集小区内的地表径流液。天沟集水槽底部有1个直径1 cm的出水口，用塑料管连接1个25 L的塑料蓄水桶，使收集的径流液流入到蓄水桶中。降雨后收集蓄水桶中的径流液样品(共取样14次)，取样前测量每个小区收集径流液的总体积，摇匀后抽取0.5 L水样带回实验室待测，并清空蓄水桶内剩余液体。

雷竹竹鞭主要分布在0~30 cm的土层，占整个土层的86%。雷竹根鞭系统养分的吸收也主要发生在这一土层中，因此把30 cm深度线作为养分越出土壤-雷竹根鞭系统的界限，渗漏到30 cm深度以下的养分则视为淋失^[19]。在12个小区内分别安装渗漏液收集装置，渗漏液通过打有排水孔且用渗水布包裹的塑料板流入收集的塑料管中(共取样14次)，然后流入预先埋在剖面坑底部的25 L蓄水桶中。通过记录的每个时间段内渗漏液的体积和测量的氮磷钾质量浓度计算出每个时间段内通过渗漏损失的养分量。

用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定全氮，用靛酚蓝比色法测定氨态氮，采用双波长比色法测定硝态氮，采用磷钼蓝比色法测定全磷，采用火焰光度计法测定全钾。2021年3月3日(出笋第1天)开始调查笋产量至笋期结束，1~2 d调查1次。氮肥利用率计算公式^[20]：氮(磷、钾)表观利用率=[施肥区雷竹氮(磷、钾)积累量−空白区雷竹氮(磷、钾)积累量]/施肥量×100%；肥料农学效率=(施肥区雷竹笋产量−对照区雷竹笋产量)/施肥量，t·kg⁻¹；肥料偏生产力=雷竹笋产量/施肥量，t·kg⁻¹；各器官氮(磷、钾)累积量=各器官生物量×氮(磷、钾)质量分数，mg·m⁻²)。

利用Excel 2019对数据进行统计处理和绘图，利用SPSS并采用Duncan法进行数据多重比较(P＜0.05)。

对不同施肥处理下氨挥发速率的研究发现：SF、HF和BF处理氨挥发速率的变化趋势均呈先上升后下降的特点，BF处理显著(P＜0.05)减缓了氨挥发速率(图2A)。在SF与HF处理下，第1天就有氨挥发，且氨挥发量高于BF处理，氨挥发速率的峰值出现的时间依次为SF、HF、BF，分别为施肥后第4、8、64天，BF处理峰值出现较晚，推迟了56~60 d。3种施肥处理下氨挥发速率峰值从大到小依次为SF(12.11 kg·d⁻¹·hm⁻²)、HF(7.00 kg·d⁻¹·hm⁻²)、BF(1.48 kg·d⁻¹·hm⁻²)。BF在施肥后第24~94天的氨挥发速率大于ck。

Figure 2.  Variations in ammonia volatilization rates and cumulative ammonia volatilization quantities under 4 fertilization treatments

由图2B可知：随着施肥时间的延长，SF与HF处理累积的氨挥发总量显著高于(P＜0.05)BF处理，BF处理的氨挥发速率相对较低且持续时间较长。SF和HF处理的累积氨挥发量分别于施肥后第8天和第14天呈快速增加趋势。BF处理在施肥前期累积的氨挥发量与ck未出现显著差异，在BF处理下的第24天才出现氨挥发现象。SF与HF累积的氨挥发量分别在第16、第24天后保持稳定，而BF处理累积氨挥发量在第94天后保持稳定， BF处理的累积氨挥发量显著低于(P＜0.05)SF与HF处理。

图3A~C中，BF径流液中的硝态氮与氨态氮质量浓度在前期显著低于(P＜0.05)SF与HF处理。在SF与HF处理下，径流液中硝态氮分别于第30天、第42天达到峰值，径流液中的氨态氮于第16天、第8天达到峰值。在BF处理下，径流液中硝态氮和氨态氮分别在第99天、第65天达到峰值，其质量浓度分别为5.34、6.22 mg·L⁻¹，显著小于(P＜0.05)SF与HF处理。

Figure 3.  Variations in nitrogen (N), total phosphorus (P), and total potassium (K) concentrations in runoff under 4 fertilization treatments

图3D中，SF和HF处理下径流液中全磷质量浓度整体上随着施肥时间的增加逐渐降低至ck水平，而BF处理径流液中全磷质量浓度随着施肥时间的增加先升高后下降。BF处理全磷质量浓度直到施肥第38天后才比ck高。而SF和HF处理下径流液中全磷质量浓度显著高于(P＜0.05)ck，且在施肥后第61天内径流液中全磷质量浓度显著高于(P＜0.05)BF，分别高出21.8%~318.6%和9.9%~339.6%。SF、HF和BF处理下径流液中全磷质量浓度的峰值分别在施肥第22天(2.11 mg·L⁻¹)、第25天(1.80 mg·L⁻¹)和第92天(1.47 mg·L⁻¹)出现，BF处理径流液中的全磷质量浓度峰值出现的时间分别比SF、HF处理晚70和67 d，且峰值低30.3%和18.3%。

图3E中SF与HF处理下的径流液中的全钾质量浓度均在处理后的第16天达到峰值，分别为3.80、4.90 mg·L⁻¹。BF处理下的径流液中的全钾质量浓度在第65天达到峰值，为3.18 mg·L⁻¹，峰值出现时间相较于其他处理推迟49 d，质量浓度比SF与HF处理下降16.3%和35.1%

SF、HF和BF处理渗漏液中的全氮、硝态氮质量浓度的变化趋势均为先上升后下降(图4A~C)，不同施肥处理下渗漏液的全氮质量浓度峰值出现的时间分别为第25天、第22天、第92天；硝态氮的峰值出现的时间与全氮的情况相同。SF和HF处理下渗漏液中氨态氮质量浓度在施肥后第16天第1次取样就达到了峰值，然后慢慢减小，袋控施肥处理下渗漏液的氨态氮质量浓度先缓慢上升再下降。在最后一次取样时各处理的氮质量浓度降低至ck水平。

Figure 4.  Alterations in nitrogen (N), total phosphorus (P), and total potassium (K) concentrations in leachate across 4 fertilization treatments

由图4D可见，SF和HF处理下径流液中全磷质量浓度呈先上升后下降的趋势，均在第22天达到峰值，分别为5.57和5.11 mg·L⁻¹。BF处理后，渗漏液中全磷质量浓度从第52天开始显著(P＜0.05)上升，且在第92天渗漏液中全磷质量浓度达到峰值3.35 mg·L⁻¹，显著(P＜0.05)小于SF和HF处理，然后渗漏液中全磷质量浓度下降，并在第180天降低至ck水平。

由图4E可见，SF和HF处理下渗漏液中全钾质量浓度持续下降，且前期下降的速度较快。BF处理下渗漏液中全钾质量浓度呈先上升后下降的趋势，上升速度将慢且平缓，全钾质量浓度峰值仅为6.51 mg·L⁻¹，显著小于(P＜0.05)SF处理的16.37 mg·L⁻¹和HF处理的18.37 mg·L⁻¹。

表1是从5月30日开始施肥到取样结束(11月26日)渗漏液中总流失养分量。SF和HF处理土壤渗漏液中全氮、硝态氮、氨态氮、全磷、全钾的流失总量均显著高于ck和BF处理，而SF和HF处理之间没有显著差异。HF处理随渗漏液流失的养分最多，而BF流失的养分最少。BF相比SF对土壤渗漏液中全氮、全磷、全钾量分别减少了33.9%、41.3%、36.7%，比HF分别减少了40.9%、45.1%、39.7%。BF处理通过渗漏方式损失的全氮、全磷、全钾量分别占施肥量8.84%、4.89%、8.27%。

表2结果表明：不同施肥处理径流液中全氮、硝态氮、氨态氮、全磷、全钾流失总量与对照组相比都有不同程度的上升。各施肥处理之间土壤径流液中全氮、硝态氮、氨态氮、全磷、全钾流失量均为BF处理最小，SF和HF处理之间的差异不显著。BF处理通过地表径流的方式损失的全氮、全磷、全钾量分别为1 311.72、121.65、341.92 g·hm⁻²，且仅占施肥量0.21%、0.24%、0.58%。BF相比SF土壤径流液中全氮、全磷与全钾量同比下降了30.28%、44.27%、14.49%，比HF土壤径流液中全氮、全磷、全钾量分别减少了23.97%、36.43%、11.28%。

施肥第15天后，袋装肥的外观无明显的变化。施肥第45天后，袋装肥表层玉米淀粉初步被分解，袋子变得透明。施肥第75天后袋装肥包装袋已明显透明，第105天后袋中的肥料明显减少，且肥料的颗粒也相对减少(图5A)。

Figure 5.  Temporal changes in bag-based controlled-release fertilizers and their nutrient quality

BF施入土壤后肥料的质量随着时间的增加而下降，且肥料质量减少的速率呈先增后减的趋势。施肥30 d后BF肥料的养分仅释放10.06%。在施肥第75~90天时，肥料释放的相对质量最高。在施肥第135天后，BF释放了75.0%的养分，施肥第195天后BF的养分已基本全部释放(图5B)。

由表3可知：BF处理氮、磷、钾的表观利用率比SF分别显著提高了27.7%、6.5%、9.5%。此外，BF处理还显著提高了氮肥偏生产力和氮肥农学效率，分别比SF处理提高了25.7%和114.8%。

图6为不同施肥处理后第2年笋产量的统计图。在不施肥的情况下，笋产量仅为9.09 t·hm⁻²，而SF和BF处理均能提高雷竹林的笋产量，分别达到了11.72和14.74 t·hm⁻²，产量比ck处理分别显著提高了28.93%和62.14%。此外，BF处理下笋产量比SF处理显著提高了25.75%。

Figure 6.  Second-year shoot yield of fertilization treatments

土壤中营养元素的损失不仅会降低土壤肥力和植物产量，还会对环境产生不利影响^[21]。在传统的施肥处理下，普通肥料养分释放快，易通过挥发、渗漏和地表径流等途径损失^[22]。控释肥料通过延长释放持续时间来控制释放速率，这一释放特性已被证明是一种有效解决这些问题的方案。

本研究发现BF和SF、HF氨挥发速率有显著差异，BF的累积氨挥发量变化曲线更加平缓，峰值出现延迟了58 d，BF处理的累积氨挥发量比SF、HF分别降低了35.48%、40.47%，这与王建等^[23]和孙克君等^[24]在BF相关研究中结果相近。因为SF与HF处理无法有效防止肥料和土壤相互接触，氮被迅速溶解和水解以产生大量的挥发氨并导致氮在短时间内损失^[25]，施肥后早期土壤氨态氮含量更高^[26]。与普通的施肥方式相比，BF能有效地缓解氮的溶解与释放，保证土壤中的氮缓慢增加并保持一定浓度，削弱氨态氮与硝态氮的挥发，有利于提高肥料利用率。

BF处理雷竹林土壤渗漏液和径流液中的氮、磷、钾质量浓度的峰值出现时间相比SF和HF晚，且峰值显著更低，BF在稻田中的应用也有类似的效果^[27]。这可能是由于BF缓慢释放的机制减少了因快速溶解和流失而导致的养分损失^[28]。而BF处理下土壤径流液与渗透液中的养分质量浓度均高于对照，这是因为在肥料释放的过程中，其释放速度除了与肥料本身和施肥方式有关以外，还与土壤环境有关，这其中包括土壤的含水率、温度、pH、微生物等^[29]，包膜缓控释肥的养分释放速率随土壤含水量的降低而降低^[30]。本样地夏季降雨量较大，土壤田间持水量相对较高，导致BF释放速度也较快。此外，未施肥的土壤渗漏液中依然存在养分的流失，可能是因为长期集约经营导致土壤氮磷钾累积量明显上升。

BF在雷竹林中持续释放时间长达195 d，这与郑祥洲等^[31]的研究结果类似。这表明BF具有较好的缓释特性并可延长肥效期，但是适合于雷竹林应用的最佳包膜厚度还需要进一步的研究。

本研究BF与不施肥和SF处理相比显著提高了笋产量。这与控释肥在水稻Oryza sativa^[32]、棉花Gossypium hirsutum^[33]等研究的结果相同。BF处理还显著提高了氮肥偏生产力和氮肥农学效率。同时BF的养分释放速率与植物整个发育阶段的需肥量基本一致，提高作物产量同时还避免施入过量养分造成环境污染^[34]。

本研究首次比较了在雷竹林地中施用袋控释肥与撒施复合肥、穴施复合肥等不同施肥处理下，土壤氨挥发，径流液与渗漏液中氮、磷、钾质量浓度，肥料利用率，笋产量以及袋控释肥外观与质量变化等，发现袋控释肥相较于传统施肥方式，能够有效提高雷竹林中肥料利用率与笋产量，降低对环境的污染。