改性尿素硝酸銨溶液調(diào)控氮素?fù)]發(fā)和淋溶的研究*

肖 強(qiáng), 李鴻雁, 衣文平, 鄒國元, 李麗霞**, 孫世友

改性尿素硝酸銨溶液調(diào)控氮素?fù)]發(fā)和淋溶的研究*

肖 強(qiáng)1, 李鴻雁1, 衣文平1, 鄒國元1, 李麗霞1**, 孫世友2**

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所/北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心 北京 100097; 2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所 石家莊 050051)

為了提高肥料的利用率, 以尿素硝酸銨溶液為原料、聚氨酸為保護(hù)劑, 復(fù)合抑制劑NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)和DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸鹽)為材料, 開發(fā)出改性尿素硝酸銨溶液(YUL1和YUL2), 研究其對(duì)華北平原夏玉米追肥過程中的氨揮發(fā)和淋溶損失的調(diào)控效果。田間試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理: 不施氮肥(CK)、農(nóng)民習(xí)慣追施尿素(CN)、優(yōu)化追施尿素(CNU)、優(yōu)化追施尿素硝酸銨溶液(UAN)、優(yōu)化追施改性尿素硝酸銨溶液(YUL1)和優(yōu)化追施改性尿素硝酸銨溶液(YUL2)。采用掃描電鏡和能譜儀分析相關(guān)指標(biāo)變化, 在夏玉米喇叭口期追施氮肥后15 d內(nèi)進(jìn)行田間原位連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)氨揮發(fā)和土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化, 并在玉米成熟期測(cè)定產(chǎn)量, 計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明, 改性尿素硝酸銨溶液清澈無雜質(zhì), 流延后成膜表面光滑、致密, 抑制劑在膜表面分布均勻; 能譜測(cè)試膜層表面磷硫含量增高, 證明復(fù)合抑制劑與尿素硝酸銨溶液達(dá)到有效融合。在同等優(yōu)化施氮量下: 與CNU相比, YUL1氨揮發(fā)總量顯著降低19.3%, YUL2增加9.6%; 與UAN相比, YUL1、YUL2分別顯著降低57.3%和42.0%。與其他施氮處理相比, YUL1和YUL2夏玉米季生長中后期0~20 cm土層依然保持相對(duì)較高的氮素含量水平, 夏玉米收獲后土壤硝態(tài)氮含量分別比CNU高46.0%和43.4%, 比UAN高45.6%和44.7%; 180~200 cm土層硝態(tài)氮含量顯著低于其他處理。在保證產(chǎn)量和凈收益的同時(shí), 改性尿素硝酸銨肥料顯著降低了氮素的氨揮發(fā)和淋溶損失濃度, 尿酶抑制劑含量相對(duì)較高的YUL1抑制氨揮發(fā)的效果更好, 硝化抑制劑含量相對(duì)高的YUL2硝態(tài)氮向下淋失的風(fēng)險(xiǎn)更小。

復(fù)合抑制劑; 尿素硝酸銨溶液; 追施; 氨揮發(fā); 淋溶

小麥()和玉米()是我國主要的糧食作物, 年產(chǎn)量3.36億t, 占糧食總產(chǎn)量的55.3%。黃淮海地區(qū)是我國冬小麥和夏玉米的主產(chǎn)區(qū), 播種面積分別占全國小麥玉米產(chǎn)區(qū)的62.6%和57.8%[1-2]。然而, 目前該區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系中氮肥過量施用相當(dāng)嚴(yán)重。在山東地區(qū), 夏玉米的傳統(tǒng)施氮量為259 kg?hm-2, 高于推薦施氮量的57%[3]; 河南超高產(chǎn)夏玉米施氮量多在450~600 kg?hm-2, 也遠(yuǎn)高于最佳施氮量225 kg?hm-2[4]。過量施肥不僅不會(huì)達(dá)到作物高產(chǎn)的目的, 還會(huì)降低氮肥的利用率[5-6]。該區(qū)目前氮肥損失量已高達(dá)20%~55%,玉米氮肥利用率僅為26.1%, 遠(yuǎn)低于國際水平[7-8]。再加上我國傳統(tǒng)氮肥(如尿素)具有速溶、速散特性, 且玉米生長期正值高溫多雨季節(jié), 降水量大且較集中, 極易造成氮素淋失, 尤其是追肥撒施能引發(fā)嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染等環(huán)境問題[9-11]。因此, 提高肥料利用率、降低肥料施用量、開發(fā)高效環(huán)保類的新型肥料已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的重大課題。在黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系中, 尤其在一些微噴灌設(shè)施較好的大型園區(qū)里, 目前已采用尿素硝酸銨溶液(UAN)進(jìn)行追肥。有學(xué)者認(rèn)為UAN具有產(chǎn)品中性、腐蝕性低、復(fù)配性好等優(yōu)點(diǎn), 可通過管道運(yùn)輸及液體儲(chǔ)存罐保存, 不僅能降低造粒、包裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能耗和氮素?fù)p失, 而且較固體顆粒肥料更易施入耕層, 從而降低氮素?fù)p失, 提高其利用效率[12], 具有良好的應(yīng)用前景。徐傳銀等[13]在水稻()上研究顯示, 用UAN噴施代替相應(yīng)追施分蘗肥、促花肥和?；ǚ? 較配方施肥有所增產(chǎn), 有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均有不同程度提高。孫克剛等[14]采用同等用量UAN處理比優(yōu)化施肥技術(shù)普通尿素處理冬小麥增產(chǎn)5.0%, 比常規(guī)施氮肥(尿素)每公頃肥料減少45 kg, 增產(chǎn)8.3%, 說明施用UAN可以減量施肥且穩(wěn)定冬小麥產(chǎn)量。侯峰[15]研究UAN對(duì)玉米各器官氮吸收和利用的影響, 莖、葉、苞葉、軸、籽粒氮吸收量均不同程度提高。姚海燕等[16]在玉米上施用UAN比施用尿素可以提高玉米的氮肥吸收量、株高、百粒重和穗粒數(shù), 且籽粒和秸稈產(chǎn)量均明顯提高, 增產(chǎn)效果明顯。

UAN的優(yōu)點(diǎn)是比普通尿素更能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì), 但實(shí)際上UAN由于是液體氮肥, 主要成分是尿素和硝酸銨, 其特點(diǎn)決定了隨水噴施后產(chǎn)生的氨揮發(fā)和淋溶損失很嚴(yán)重。然而, 國內(nèi)外對(duì)其環(huán)境效應(yīng)方面的研究尚少見, 還未形成一定的重視, 對(duì)其施用后的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化也不清楚。因此, 本文通過多年試驗(yàn), 對(duì)UAN肥料進(jìn)行了改性研究, 首先篩選出目前只有市場(chǎng)化的脲酶抑制劑和硝化抑制劑, 進(jìn)行有機(jī)組配, 實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 增加抑制劑穩(wěn)定性; 同時(shí), 篩選出有機(jī)酸類的保護(hù)劑, 通過液肥生產(chǎn)工藝與兩種抑制劑有機(jī)結(jié)合, 最終開發(fā)出綜合性能較好的液體追肥用尿素硝酸銨肥料, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證, 以期為同類研究提供新的思路, 為我國小麥、玉米的安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料

肥料原料為尿素硝酸銨溶液(UAN, 含30%純氮, 河北冀衡賽瑞化工有限公司生產(chǎn))。生化抑制劑: 脲酶抑制劑為N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、硝化抑制劑為3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP), 兩種抑制劑的含量均為97%(北京百靈威科技有限公司生產(chǎn))。

1.2 改性尿素硝酸銨溶液肥料制備與檢測(cè)

1.2.1 制備工藝和保護(hù)劑(聚氨酸類)

按照肖強(qiáng)等[17]的方法, 稱取一定量的組合生化抑制劑(YUL1: NBPT和DMPP分別占UAN重量的0.12%和0.03%; YUL2: NBPT和DMPP分別占UAN重量的0.06%和0.06%), YUL1和YUL2各自按照比例組合后, 慢慢加入到保護(hù)劑(聚氨酸類, 占UAN重量的0.18%)中, 不斷攪拌30 min, 同時(shí)保持材料溫度30~40 ℃, 靜止后常溫下分別將上述溶液加入到定量的UAN里, 繼續(xù)不斷攪拌, 保持轉(zhuǎn)數(shù)為240 轉(zhuǎn)×min-1, 之后將上述溶液靜置, 分別得到無雜質(zhì)澄清溶液YUL1和YUL2, 即為改性尿素硝酸銨溶液肥料YUL1和YUL2。

1.2.2 包膜肥料的外觀與剖面結(jié)構(gòu)及能譜分析方法

將改性尿素硝酸銨溶液肥料采用流延法成膜, 利用S-450型掃描電鏡(SEM)觀察包膜肥料表面和斷面膜結(jié)構(gòu)、成膜特點(diǎn)等形態(tài)信息。采用X射線能譜分析儀(EDS)分析肥料及材料表面、內(nèi)部的能譜特征。

1.3 田間效果評(píng)價(jià)

1.3.1 試驗(yàn)處理及布置

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在河北省農(nóng)林科學(xué)院大河實(shí)驗(yàn)站, 位于石家莊市鹿泉市大河鎮(zhèn)大河村, 屬于黃淮海半濕潤平原區(qū)氣候, 四季分明。供試土壤為壤質(zhì)潮土, 土壤肥力水平中等, 0~20 cm土層有機(jī)質(zhì)16.292 g·kg-1、全氮0.702 g·kg-1、全磷0.061 g·kg-1、全鉀1.817 g·kg-1、有效磷5.4 mg·kg-1、速效鉀62 mg·kg-1, pH 8.34。

供試夏玉米品種為‘鄭丹958’。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理(表1), 3次重復(fù)。試驗(yàn)田分為微區(qū)和小區(qū), 各18個(gè)。每個(gè)微區(qū)面積為2 m2, 長2 m, 寬1 m, 四周用PVC板隔開, PVC板埋深0.6 m; 每個(gè)小區(qū)面積為12 m2, 長4 m、寬3 m, 四周起壟, 小區(qū)間隔0.5 m。微區(qū)內(nèi)部各處理、小區(qū)內(nèi)部各處理隨機(jī)排列。小區(qū)和微區(qū)的夏玉米植株都是行距50 cm、株距25 cm。每個(gè)微區(qū)內(nèi)種植夏玉米棵數(shù)相同, 苗期定植12棵(3排4行); 每個(gè)小區(qū)內(nèi)玉米播種采用機(jī)播。

微區(qū)夏玉米于2017年6月26日播種, 追肥于小喇叭口期進(jìn)行, 目的為檢測(cè)改性尿素硝酸銨溶液肥料的氮素釋放機(jī)制以及氨揮發(fā)時(shí)間、揮放量。在此基礎(chǔ)上, 小區(qū)夏玉米試驗(yàn)于2018年6月24日播種, 追肥于小喇叭口期進(jìn)行, 供測(cè)產(chǎn)及計(jì)算氮素利用率。當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥量為225 kg(N)·hm-2、75 kg(P2O5)·hm-2、90 kg(K2O)·hm-2。所有處理施磷鉀量相同, 均為一次性底施。根據(jù)當(dāng)?shù)亻L期定位試驗(yàn)和測(cè)土配方施肥結(jié)果, 優(yōu)化施氮量為157.5 kg(N)·hm-2。所有施肥處理的施氮量基施/追施為1∶1, 所有施氮處理基施肥料均為普通尿素, 追施肥料品種如表1所示。固體尿素采用條施的習(xí)慣方式, 液體肥料隨水施入, 所有處理均采用微噴灌方式灌水(喇叭口期), 灌水量一致。

表1 各處理的追肥氮肥種類和施氮總量

基肥均為尿素?；省米贩实氖┑勘葹?∶1。The base fertilizer is urea. The N ratio of base fertilizer to topdressing was 1∶1.

1.3.2 取樣及數(shù)據(jù)處理

在微區(qū)內(nèi), 夏玉米施追肥后約15 d內(nèi)測(cè)定氨揮發(fā), 直到氨揮發(fā)速率痕量為止, 同時(shí)取0~40 cm土層土樣測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮指標(biāo)。土壤氨揮發(fā)的捕獲方法采用通氣法[18-20], 測(cè)定采用凱氏定氮法。在施肥當(dāng)天開始進(jìn)行土壤氨揮發(fā)氣體的收集, 施肥后第2 d 8:00取樣; 試驗(yàn)開始第1~2周, 每天取樣1次; 第2周之后, 約間隔10 d取樣1次, 直至監(jiān)測(cè)不到氨揮發(fā)時(shí)為止。

田間土壤氨揮發(fā)通量的計(jì)算公式為:

土壤氨揮發(fā)通量(kg·hm-2·d-1)=所測(cè)氨量/(捕獲面積×每次連續(xù)捕獲時(shí)間) (1)

小區(qū)在收獲期進(jìn)行測(cè)產(chǎn)和取0~200 cm土層土壤分析氮素淋失情況。測(cè)產(chǎn)時(shí)每個(gè)小區(qū)取整3行玉米植株測(cè)產(chǎn), 收獲后用土鉆取土樣, 0~20 cm為一層, 采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(TRAACS 2000, Bran and Luebbe)法測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮, 采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量[21]。

圖表制作、數(shù)據(jù)計(jì)算與處理及相關(guān)分析等采用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行; 方差分析和多重比較采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性UAN液體肥料的外觀與能譜分析

改性UAN清澈, 無雜質(zhì), 保護(hù)劑起到了一定的作用, 產(chǎn)品配方易于多角度調(diào)節(jié)。采用流延法將其成膜后, 在掃描電鏡下可看出, 產(chǎn)品表面光滑、致密, 說明抑制劑在UAN內(nèi)分布均勻, 呈現(xiàn)較理想的液體肥料狀態(tài)(圖1)。能譜分析表明, 保護(hù)劑含C、N、O、Na (圖2A), 加入組合抑制劑后發(fā)現(xiàn), 磷的含量出現(xiàn)(圖2B), 由于只有抑制劑中含有磷, 進(jìn)一步說明復(fù)合抑制劑與尿素硝酸銨溶液已有機(jī)融合。

圖1 改性尿素硝酸銨溶液的成膜表觀分析

圖2 尿素硝酸銨溶液(UAN)(A)與改性UAN(B)能譜分析

2.2 追施改性尿素硝酸銨溶液后土壤氨揮發(fā)特征

追肥后氨揮發(fā)速率如圖3所示。施肥后10 d內(nèi), 是施氮處理氨揮發(fā)的集中階段。CN處理由于無抑制劑和控釋技術(shù)且施氮量最多, 氨揮發(fā)在施肥后的第2 d就達(dá)到峰值, 為13.22 kg(N)?hm-2?d-1, 顯著高于其他處理, 到第8 d時(shí)CN處理氨揮發(fā)基本完成, 整個(gè)過程呈現(xiàn)迅速升高后又迅速下降趨勢(shì), 變化幅度、劇烈強(qiáng)度最大。優(yōu)化施氮量中, UAN處理變化趨勢(shì)與CN處理相似, 氨揮發(fā)峰值最大, 為5.06 kg(N)?hm-2?d-1, 高于其他優(yōu)化施氮肥料處理但不顯著, 不過在第3 d之后, UAN處理顯著高于YUL1處理, 第5 d后顯著高于其他優(yōu)化施氮處理。CNU、YUL1和YUL2處理氨揮發(fā)變化趨勢(shì)類似, 之間差異不顯著, 但YUL1峰值出現(xiàn)在第3 d, 說明改性后延緩了尿素硝酸銨溶液的氨揮發(fā)速度。

圖3 追肥施氮后不同肥料處理瞬時(shí)氨揮發(fā)率的變化

不同小寫字母表示同一時(shí)間不同處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same time (<0.05).

從累積氨揮發(fā)量可看出(圖4), CN處理顯著高于其他處理, 施氮后累積氨揮發(fā)為21.47 kg(N)·hm-2, 其次為UAN處理, 為18.04 kg(N)·hm-2。CNU雖然與UAN處理施用的都是速效氮肥且施氮量相同, 但UAN為液體, 原料中本身就有銨態(tài)氮, 噴施后氨揮發(fā)速度快于CNU, 累積氨揮發(fā)量比CNU處理顯著高88.9%; 而YUL1和YUL2分別比UAN顯著降低57.3%和42.0%, 分別比CNU顯著降低19.3%和增加9.6%, 二者作用不同, 說明改性的功能不同, 可能原因是YUL1比YUL2延緩尿素硝酸銨溶液向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的作用更強(qiáng), 減弱了氨揮發(fā)速度。

圖4 追肥施氮后不同肥料處理累積氨揮發(fā)的變化

2.3 追施改性尿素硝酸銨溶液對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

2.3.1 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化

延緩氮素向下淋失速度、減少淋溶損失是評(píng)價(jià)肥料效果優(yōu)劣的主要因素之一。本試驗(yàn)在追肥后, 0~20 cm土層CN、CNU和UAN處理的土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)由高到低的趨勢(shì), 峰值出現(xiàn)在第2 d, 分別為12.35 mg·kg-1、6.48 mg·kg-1和9.46 mg·kg-1(圖5A)。CN處理下降的幅度最大, 說明損失或轉(zhuǎn)化的最多; 處理CNU峰值低于UAN, 可能是因?yàn)樘幚鞺AN為普通的尿素硝酸銨溶液, 本身含有一部分銨離子的原因, 但隨著時(shí)間延長, 二者銨態(tài)氮濃度差異不顯著。YUL1和YUL2處理雖然峰值也出現(xiàn)在第2 d, 分別為6.04 mg·kg-1和7.66 mg·kg-1, 在所有施氮處理中前者最低, 后者僅比CNU高, 但二者在追肥之后的5~25 d銨態(tài)氮濃度逐漸呈現(xiàn)高于其他施氮處理的趨勢(shì), 尤其YUL2處理在后期與CNU和UAN處理達(dá)到顯著差異, YUL1與CNU差異顯著, 說明二者具有延緩銨態(tài)氮釋放的作用。YUL1和YUL2相比, 硝化抑制劑含量相對(duì)高的YUL2, 其土壤銨態(tài)氮濃度相對(duì)高, 脲酶抑制劑高的YUL1相對(duì)阻礙了氮素向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化, 可能是因?yàn)殡迕敢种苿┮种屏四蛩氐乃? 同時(shí)硝化抑制劑抑制了銨態(tài)氮硝化的結(jié)果。

由于硝態(tài)氮在土壤中更易淋失, 因此, 調(diào)控硝態(tài)氮對(duì)環(huán)境意義更大。從0~20 cm土層硝態(tài)氮的變化可看出(圖5B), 所有施氮處理整體趨勢(shì)呈現(xiàn)低-高-低的變化。CN處理在第6 d達(dá)到峰值(71.6 mg·kg-1), 之后含量迅速下降。CNU處理硝態(tài)氮的變化規(guī)律與CN處理的近似, 雖然施氮量少, 但峰值比CN高15.0 mg·kg-1(>0.05)。UAN處理追肥后前期土壤硝態(tài)氮的含量顯著高于處理CNU, 硝態(tài)氮的峰值雖然與CN和CNU同期出現(xiàn), 但峰值顯著低于前兩者(16.0~31.0 mg·kg-1), 在峰值前和峰值后兩段時(shí)間內(nèi), 這3個(gè)處理硝態(tài)氮的含量差異不顯著。YUL1和YUL2處理硝態(tài)氮的變化略有不同, 追肥后硝態(tài)氮含量前期緩慢上升, 在達(dá)到峰值前低于同期其他施氮處理, 峰值出現(xiàn)在第7 d, 分別為63.80 mg·kg-1和72.76 mg·kg-1,雖然低于CN和CNU峰值, 但顯著高于同期相同施氮量的CNU和UAN處理, 且從7~26 d整體呈現(xiàn)高于后兩者的趨勢(shì)。在第26 d, YUL2顯著高于CN、CNU和UAN處理, YUL1與這三者差異不顯著, YUL2與YUL1差異不顯著。

圖5 追肥施氮后不同肥料處理土壤銨態(tài)氮(a)和硝態(tài)氮(b)含量(0~20 cm土層)

2.3.2 玉米收獲期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的剖面分布

夏玉米收獲后, 不同追氮處理0~200 cm土層銨態(tài)氮分布情況如圖6A所示, 銨態(tài)氮的變化分兩個(gè)階段: 0~120 cm和120~200 cm, 整體含量小于3.5 mg·kg-1, 淋溶較弱。從表層0~20 cm到100~120 cm銨態(tài)氮含量逐漸升高并達(dá)到最大值, 但是120~ 180 cm銨態(tài)氮含量急劇下降。0~80 cm土層內(nèi)YUL1和YUL2處理銨態(tài)氮含量相對(duì)較高: 在60 cm土層上下, YUL2顯著高于其他施氮處理; 在80 cm土層上下, YUL1和YUL2顯著高于其他施氮處理; 在120 cm土層上下, YUL1和YUL2顯著低于其他施氮處理; 從120~180 cm土層銨態(tài)氮含量在各個(gè)追肥肥料處理間差異不顯著。說明YUL1和YUL2穩(wěn)定銨態(tài)氮的能力更強(qiáng)。

圖6 收獲期不同施肥處理土壤剖面銨態(tài)氮(A)和硝態(tài)氮(B)分析

收獲期CN處理土壤剖面硝態(tài)氮呈現(xiàn)明顯地向下淋溶的趨勢(shì)(圖6B), 在0~20 cm和120~140 cm土層處含量較高, 140 cm處為16.8 mg·kg-1, 在180~ 200 cm土層處為各處理含量最高, 達(dá)13.6 mg·kg-1, 顯著高于其他施氮處理。CNU和UAN處理相比, 各土層硝態(tài)氮含量差異不顯著(120~140 cm土層除外), 兩者峰值均出現(xiàn)在0~20 cm土層, 分別為20.43 mg·kg-1和16.21 mg·kg-1。YUL1和YUL2處理, 硝態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)在0~20 cm土層, 分別為29.82 mg·kg-1和29.30 mg·kg-1, 二者之間差異不顯著, 但均顯著高于其他施氮處理, 比CNU高46.0%和43.4%, 比UAN高45.6%和44.7%, 可能是YUL1和YUL2處理延緩了硝態(tài)氮的釋放時(shí)間, 保留了更多的硝態(tài)氮在耕層; 從耕層到120 cm處, YUL1和YUL2處理硝態(tài)氮的含量均高于其他肥料處理, 120 cm土層以下, 隨土層加深逐漸低于其他施氮處理, 在180~200 cm土層達(dá)到顯著差異。在同等施氮量條件下, YUL1和YUL2處理顯著降低了硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險(xiǎn), YUL1和YUL2之間硝態(tài)氮含量差異不顯著。

2.4 追施改性尿素硝酸銨溶液對(duì)玉米產(chǎn)量、氮肥利用率及經(jīng)濟(jì)效益的影響

YUL2處理夏玉米產(chǎn)量顯著高于不施氮處理, 其他施氮處理與不施氮處理差異不顯著(表2), 施氮處理間差異不顯著, 優(yōu)化施肥沒有降低夏玉米產(chǎn)量。從趨勢(shì)上看, YUL2比CN、CNU和UAN處理分別高出7.37%、7.98%和6.8%。在氮素利用率方面, CNU和UAN比CN分別高3.04和5.1個(gè)百分點(diǎn), 但差異不顯著; 而YUL1和YUL2比CN顯著高8.17和9.72個(gè)百分點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)效益情況看, 由于減少氮的用量, 優(yōu)化施氮處理比習(xí)慣施氮處理效益增加79~875元·hm-2; 優(yōu)化施氮處理中, YUL1和YUL2分別比CNU增加123元·hm-2和783元·hm-2, 比UAN增加136元·hm-2和796元·hm-2, 說明YUL1和YUL2具有增收的趨勢(shì)和調(diào)控氮素的效果。從減少氨揮發(fā)量和穩(wěn)定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的效果看, YUL2比YUL1好, 可能也是導(dǎo)致凈收入前者高于后者的原因。

表2 不同處理的氮素利用率及經(jīng)濟(jì)效益

表內(nèi)數(shù)據(jù)以2018年市場(chǎng)價(jià)計(jì)。玉米是1 500元·t-1, 普通尿素是2 200元·t-1, UAN是2 000元·t-1, NBPT和DMPP均為90 000元·t-1。根據(jù)1.2.1中各種成分的比例, 計(jì)算出YUL1是2 207元·t-1(其中NBPT 108元, DMPP 27元, 聚氨酸72元, UAN 2 000元), YUL2是2 180元·t-1(其中NBPT 54元, DMPP 54元, 聚氨酸72元, UAN 2 000元)。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。Data in the table are calculated based on average market price in 2018. The price of maize is 1 500 ￥·t-1, conventional urea is 2 200 ￥·t-1, UAN is 2 000 ￥·t-1, NBPT and DMPP all are 90 000 ￥·t-1. According to the proportions of various components of YUL1 and YUL2, price of YUL1 is 2 207 ￥·t-1(NBPT is 108 ￥, DMPP is 27 ￥, polyglutamic acid is 72 ￥, UAN is 2 000 ￥), and YUL2 is 2 180 ￥·t-1(NBPT is 54 ￥, DMPP is 54 ￥, polyglutamic acid is 72 ￥, UAN is 2 000 ￥). Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 level.

3 討論

相同施氮量下, 普通尿素硝酸銨溶液(UAN)氨揮發(fā)量顯著高于普通尿素(CNU), 而改性后的尿素硝酸銨溶液YUL2與CNU差異不顯著, YUL1氨揮發(fā)量顯著降低, 說明改性起到了降低氨揮發(fā)的作用。但同是改性的尿素硝酸銨溶液, 對(duì)氨揮發(fā)的影響結(jié)果不同, 其可能原因是加入的抑制劑配方不同導(dǎo)致的, YUL1比YUL2脲酶抑制劑的含量高、硝化抑制劑的成分低, 調(diào)控氨揮發(fā)的效果好, 穩(wěn)定硝態(tài)氮的效果相對(duì)弱。這從不同層次土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量變化及分布情況初步可以判斷出, 深層土壤硝態(tài)氮YUL1比YUL2高, 表層土壤夏玉米生長后期也是如此。因此, YUL1調(diào)控銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力更強(qiáng)一些, YUL2抑制硝態(tài)氮生成的能力更強(qiáng)一些。劉敏等[22]、Reza等[23]的研究結(jié)果也表明, 與常規(guī)追氮方式相比, 添加硝化抑制劑減少N2O排放的同時(shí), 增加了NH3的揮發(fā); 蘇芳等[24]研究結(jié)果表明, 在相同施氮量條件下, 尿素的氨揮發(fā)損失為25.7%, 但添加DMPP后氨揮發(fā)損失為27.6%, 比尿素高出1.9個(gè)百分點(diǎn); 硫硝酸銨的氨揮發(fā)損失為18.6%, 添加DMPP后為20.6%, 增加2.0個(gè)百分點(diǎn); 都與本文的研究結(jié)果相類似。說明硝化抑制劑含量高, 氨揮發(fā)相應(yīng)的高。有學(xué)者[24]建議在條施覆土基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑, 有可能同時(shí)降低N2O排放和NH3揮發(fā)損失, 但此推論值得進(jìn)一步研究。

另外, 尿酶抑制劑濃度及用量不同, 抑制氨揮發(fā)的量也不同。本文中尿素硝酸銨溶液比普通尿素顯著高出88.9%, 改性尿素硝酸銨溶液YUL1比普通尿素降低了19.3%, YUL2卻增加了9.6%。Liu等[25]在尿素硝酸銨溶液中加入0.3%不同濃度的NBPT, 在玉米上的試驗(yàn)表明, 施氮后20 d內(nèi), 氨揮發(fā)損失分別減少29.1%~78.8%、35.4%~81.9%、77.3%~87.4%和59.1%~83.3%, 與YUL1結(jié)果相類似。YUL1比YUL2的NBPT用量高, 抑制氨揮發(fā)效果好, 但Liu等[25]表明, NBPT對(duì)氨揮發(fā)的抑制作用不隨NBPT濃度的增加而增強(qiáng), 含有脲酶抑制劑或脲酶與硝化復(fù)合抑制劑的尿素硝酸銨溶液表施時(shí), 僅比未處理的尿素硝酸銨溶液玉米產(chǎn)量高16.5~16.6%。在免耕條件下, 在尿素氮損失明顯的地區(qū)和年份, 表施含有脲酶抑制劑的尿素肥料, 可以提高玉米的利用效率和生產(chǎn)性能[25]。

本文的改性尿素硝酸銨溶液肥料, 成本有所增加, 但從總的經(jīng)濟(jì)效益來看, 并沒有減少, 而且尚未考慮到產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益。說明改性尿素硝酸銨溶液肥料前景看好, 可以進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

4 結(jié)論

與施用普通尿素、普通尿素硝酸銨溶液相比, 改性的尿素硝酸銨溶液氨揮發(fā)量顯著減少, 其中尿酶抑制劑含量相對(duì)較高的改性尿素硝酸銨溶液表現(xiàn)效果最好。在同等優(yōu)化施氮量下, 與施用普通尿素相比, 施肥后26 d內(nèi), 改性尿素硝酸銨溶液處理夏玉米季生長中后期表層土壤依然保持相對(duì)較高的氮素水平, 至收獲期硝態(tài)氮濃度均比普通尿素、普通尿素硝酸銨溶液處理含量高。兩種改性的尿素硝酸銨溶液相比, 硝化抑制劑含量相對(duì)高的YUL2, 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高, 硝態(tài)氮向下淋失的風(fēng)險(xiǎn)更小。改性尿素硝酸銨肥料在降低氮素的氨揮發(fā)和淋溶損失濃度的同時(shí), 既保證了產(chǎn)量又增加了凈收益。

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Effects of modified urea ammonium nitrate solution topdressing on ammonia volatilization and leaching*

XIAO Qiang1, LI Hongyan1, YI Wenping1, ZOU Guoyuan1, LI Lixia1**, SUN Shiyou2**

(1. Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences / Beijing Engineering Technology Research Center for Slow/Controlled-release Fertilizer, Beijing 100097, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China)

In this study, with urea ammonium nitrate solution as raw material, NBPT (n-butyl thiophosphoric triamide) and DMPP (3,4-dimethylpyrazole phosphate) were used as inhibitors, and polyurethane as a protective agent to develop two modified urea ammonium nitrate solutions (YUL1 and YUL2). And their effects on ammonia volatilization and leaching loss in summer maize in the North China Plain were studied. In the field experiment, six treatments were set up: 1) no urea application (CK), 2) farmers’ traditional urea application (CN), 3) optimized urea application (CNU), 4) application of optimized urea ammonium nitrate solution (UAN), 5) and 6) optimized modified urea ammonium nitrate solution 1 (YUL1) and 2 (YUL2) application. The effects of nitrogen regulation characteristics were systematically evaluated. The properties of the products were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscopy (EDS). The in-situ continuous dynamic observation of ammonia volatilization and nitrogen transformation was carried out within 15 days after nitrogen application (which occurred at bell mouth stage of summer maize); the yield and economic benefits were measured and calculated at the maturity stage of maize. The results showed that the modified urea ammonium nitrate solution was clear and free of impurities, the film surface was smooth and dense after casting, and the inhibitors were evenly distributed on the film surface. The content of phosphorus and sulfur on the film surface was increased by energy spectrum test, which proved that the composite inhibitors and urea ammonium nitrate solution achieved effective fusion. Under the same optimized nitrogen application rate, compared with CNU, the total amount of ammonia volatilization of YUL1 decreased significantly by 19.3% and YUL2 increased by 9.6%. Compared with UAN, YUL1 and YUL2 decreased the total amount of ammonia volatilization significantly by 57.3% and 42.0%, respectively. Compared with other nitrogen application treatments, the soil layer of 0-20 cm in the middle and late period of summer maize growth of YUL1 and YUL2 treatments still maintained relatively higher nitrogen contents. After harvest, the soil nitrate nitrogen contents of YUL1 and YUL2 were 46.0% and 43.4%, respectively, higher than that of CNU, and 45.6% and 44.7% higher than that of UAN in the 0-20 cm soil layer; in the soil layer of 180-200 cm, they were significantly lower than those of other treatments. With regard to ensuring the yield and net income of summer maize, the modified urea ammonium nitrate solution significantly reduced ammonia volatilization and leaching loss of nitrogen.

Compound inhibitors; Urea ammonium nitrate solution; Topdressing; Ammonia volatilization; Leaching

S145.6

10.13930/j.cnki.cjea.190811

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* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFD0800604)、北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20200418)、河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20323601D)、河北省農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2019-1-03)和國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-02)資助

李麗霞, 主要從事施肥與環(huán)境研究, E-mail: ashleyllx@163.com; 孫世友, 主要從事施肥與環(huán)境研究, E-mail: sunshiyou@126.com

肖強(qiáng), 主要從事新型肥料研究。E-mail: xqiang1978@163.com

2019-11-18

2020-01-08

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0800604), the Science and Technology Innovation Capacity Building Project of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences (KJCX20200418),the Key Research and Development Project of Hebei Province (20323601D), the Innovation Project of Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences (2019-1-03) and China Agriculture Research System (CARS-02).

s: LI Lixia, E-mail: ashleyllx@163.com; SUN Shiyou, E-mail: sunshiyou@126.com

Nov. 18, 2019;

Jan. 8, 2020