尿素硝酸銨溶液對(duì)玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及潮土氮素積累的影響

馬榮輝，薄錄吉，楊武杰，李德偉，李彥，董亮，郭躍升，付龍?jiān)?，劉兆輝

(1.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/養(yǎng)分資源高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，山東 濟(jì)南 250010)

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一，其豐缺程度直接影響作物的生理生化特性、養(yǎng)分的協(xié)同吸收利用及最終產(chǎn)量的形成。尿素硝酸銨溶液(UAN)是一種以合成氨與硝酸中和形成的硝酸銨溶液與尿素溶液為原料按一定比例加工而成的高效水溶肥，UAN 替代一定量的傳統(tǒng)尿素，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)氮肥的改性增效。 硝化抑制劑雙氰胺(DCD)具有延長(zhǎng)氮肥肥效、提高作物產(chǎn)量和減少氮素流失的功能[1]。 DCD 配合UAN 施用可進(jìn)一步促進(jìn)氮素利用率的提高，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)的節(jié)氮增效，并且降低氮素?fù)p失，調(diào)控土壤氮素環(huán)境。

為提高氮肥利用率，前人在氮肥種類(lèi)、用量、運(yùn)籌及與氮素抑制劑配施等方面做了大量研究[2-9]。 研究表明，銨態(tài)氮肥有利于促進(jìn)玉米苗期葉綠素的形成，從而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)[6]，但也有研究表明，氮肥種類(lèi)對(duì)玉米產(chǎn)量影響不顯著[10]。這一方面是由于土壤類(lèi)型及基礎(chǔ)肥力不同所致[11]，另一方面是因?yàn)榈史N類(lèi)在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程不同[12]，從而影響玉米對(duì)氮素的吸收利用。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論施用何種氮肥，旱地作物和微生物一般優(yōu)先利用硝態(tài)氮[12，13]。 另有大量研究表明，不論是喜銨還是喜硝作物，銨硝混合肥料較單純的銨態(tài)氮肥或硝態(tài)氮肥更能使作物獲得高產(chǎn)[14，15]，且土壤中氮也無(wú)過(guò)多殘留，這可能是因?yàn)樽魑镌诓煌L(zhǎng)期對(duì)氮的喜好不同，較充分利用了土壤中的氮。 在氮肥用量方面的研究則表明，合理的種植密度和適宜的施氮量對(duì)保持作物高產(chǎn)及氮肥高效利用大有益處[9]，并且相關(guān)研究模型也驗(yàn)證了這一點(diǎn)[16]。 另外，前人在氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量、氮素利用率及土壤氮素積累方面也進(jìn)行了深入的研究[2，8]，合理的氮肥運(yùn)籌有利于補(bǔ)充玉米在關(guān)鍵生長(zhǎng)期所需的氮[17-19]，從而促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收利用，提高氮素利用率，同時(shí)降低土壤殘留氮的積累。 硝化抑制劑可以提高玉米產(chǎn)量和氮素利用率[20]，在減少氮肥投入的情況下使用硝化抑制劑可以保證玉米不減產(chǎn)，同時(shí)土壤氮損失也有所減少[21]。 盡管在氮肥對(duì)玉米生長(zhǎng)影響的研究取得了一系列成果，然而，上述研究多基于傳統(tǒng)尿素等固態(tài)氮肥開(kāi)展的。 隨著我國(guó)化肥減量增效行動(dòng)的持續(xù)推進(jìn)和液態(tài)氮肥在水肥一體化應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)凸顯，UAN 施用勢(shì)必會(huì)逐漸得到大面積的推廣應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的UAN 多以出口為主，田間應(yīng)用也僅在局部區(qū)域開(kāi)展研究[22-24]。 國(guó)外雖然也開(kāi)展了UAN 田間應(yīng)用方面的研究，但我國(guó)土壤類(lèi)型繁多且氣候條件復(fù)雜，難以照搬應(yīng)用。 潮土作為山東省面積最大的土壤類(lèi)型，在保障糧食安全方面發(fā)揮了重大作用，但尚未見(jiàn)UAN 在山東潮土上的使用報(bào)道。 基于此，開(kāi)展尿素硝酸銨溶液對(duì)玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及潮土氮素積累的影響研究，以期為UAN 在山東潮土上的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021 年6—10 月在山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)黃河涯村進(jìn)行。 該區(qū)四季分明、冷熱干濕界限明顯，春季干旱多風(fēng)回暖快，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴天，冬季寒冷少雪多干燥；日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，光照強(qiáng)度大，且多集中在作物生長(zhǎng)發(fā)育的前中期；年平均氣溫12.9℃，極端最高氣溫43.4℃，極端最低氣溫-27℃；平均無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)208 天，一般為3 月29 日到10 月24 日；年平均降水量為547.5 mm，降水量以7 月份最多，平均降水190 mm。

該地區(qū)種植模式均為華北平原區(qū)典型的小麥-玉米輪作。 供試土壤為潮土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為7.85 g/kg、全氮0.54 g/kg、堿解氮51.9 mg/kg、有效磷8.09 mg/kg、速效鉀72.0 mg/kg，pH 值8.77。 供試玉米品種為鄭丹958。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK，不施氮肥)、尿素處理(U，純N 240 kg/hm2)、尿素硝酸銨溶液處理(UAN，純N 240 kg/hm2)、UAN 減量20%處理(80%UAN，純N 192 kg/hm2)、UAN 減量20%配施DCD 處理(80%UAN＋DCD，純N 192 kg/hm2，DCD 用量為12 kg/hm2)。 隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次，小區(qū)面積50 m2。 上述5 個(gè)處理磷鉀肥用量一致，全部基施，磷肥為重過(guò)磷酸鈣，用量為90 kg/hm2， 鉀 肥 為 硫 酸 鉀， 用 量 為90 kg/hm2。氮肥基施50%，追施50%。 試驗(yàn)管理除施肥處理不同外，其他農(nóng)事措施均保持一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 玉米收獲測(cè)產(chǎn)及產(chǎn)量構(gòu)成 玉米收獲期每小區(qū)隨機(jī)取50 株帶果穗植株，測(cè)量其株高，取下果穗放入網(wǎng)兜，待風(fēng)干后脫粒，稱(chēng)重后根據(jù)密度計(jì)算產(chǎn)量。 同時(shí)測(cè)定千粒重、行粒數(shù)、行數(shù)等指標(biāo)。

1.3.2 樣品采集 分別于2021 年6 月20 日(播種前)、7 月5 日(第一次施肥后)、7 月27 日(第二次施肥后)、8 月17 日和10 月9 日(收獲時(shí))采集0～100 cm 土壤樣品(按照0 ～20、20 ～40、40 ～60、60～80、80～100 cm 分5 層采集)，帶回實(shí)驗(yàn)室后測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，并測(cè)定各土層容重。收獲時(shí)取回的植株樣品按莖葉、籽粒分開(kāi)，105℃殺青30 min，80℃下烘干至恒重，粉碎后用于測(cè)定全氮含量。

1.3.3 土壤指標(biāo)測(cè)定 土壤pH 值采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮含量采用凱氏消煮蒸餾定氮法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提、火焰光度法測(cè)定。 玉米秸稈及籽粒樣品氮磷鉀含量采用濃H2SO4-H2O2消化，分別采用凱氏蒸餾定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量用1 mol/L 氯化鉀溶液提取，流動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

氮素總吸收量＝成熟期地上部干物重×含氮量；

氮素偏生產(chǎn)力＝施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量；

氮素農(nóng)學(xué)效率＝(施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量)/氮肥施用量；

氮素利用率(%)＝(施氮區(qū)植株總吸氮量-無(wú)氮區(qū)植株總吸氮量)/氮肥施用量×100 。

采用Microsoft Excel 2007 和Origin 8.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，采用新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素硝酸銨溶液對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表1 看出，UAN、80%UAN 處理及80%UAN＋DCD 處理間玉米株高無(wú)顯著差異，但均顯著高于U 處理，U 處理玉米株高顯著高于CK。UAN 各處理玉米穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量與U 處理無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK。

2.2 尿素硝酸銨溶液對(duì)玉米氮素利用率的影響

由表2 看出，施氮各處理玉米總吸氮量無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK。 U 和UAN 處理間、80%UAN 和80%UAN＋DCD 處理間氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力無(wú)顯著差異，U、UAN處理氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力顯著低于80%UAN 和80%UAN＋DCD 處理。

表2 不同施肥處理對(duì)玉米氮素利用率的影響

2.3 尿素硝酸銨溶液對(duì)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響

各施肥處理土壤硝態(tài)氮含量變化較為復(fù)雜(表3)。 隨玉米生育進(jìn)程，CK 土壤硝態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；U、UAN、80%UAN 處理土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)增加-降低-增加的變化趨勢(shì)；80%UAN＋DCD 處理土壤硝態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)降低-增加趨勢(shì)。 土壤硝態(tài)氮含量增加是由施肥造成的。 其中，7 月5 日和8 月17 日的測(cè)定結(jié)果顯示，U 處理土壤硝態(tài)氮含量低于UAN 處理，這是由于UAN 本身含有一定量的硝態(tài)氮。 7 月27 日和10 月9 日，U 處理土壤硝態(tài)氮含量高于UAN處理，這是由于尿素水解轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的，UAN 處理土壤硝態(tài)氮含量略高于80%UAN 處理。 7 月5 日和8 月17 日，80%UAN 處理土壤硝態(tài)氮含量分別是80%UAN＋DCD 處理的1.85 倍和1.23 倍，原因是DCD 抑制了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化；7 月27日和10 月9 日的測(cè)定結(jié)果表明，80%UAN 處理土壤硝態(tài)氮含量分別是80%UAN ＋DCD 處理的45.59%和91.74%，這是由于先期被抑制轉(zhuǎn)化的銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化造成的。

表3 不同施肥處理下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化 (mg/kg)

各施肥處理土壤銨態(tài)氮含量隨時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)出降低-增加-降低的變化趨勢(shì)(表3)，施肥前土壤中的含量最高，玉米收獲時(shí)土壤銨態(tài)氮含量低于施肥前。 其中，UAN 處理土壤銨態(tài)氮含量是U 處理的1.13～1.85 倍，是80%UAN 處理的1.30～1.60 倍，80%UAN＋DCD 處理土壤銨態(tài)氮含量是80%UAN 處理的1.12～2.55 倍，這是由于DCD 抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的緣故。

2.4 尿素硝酸銨溶液對(duì)不同土層氮素分布的影響

各處理土壤硝態(tài)氮含量隨土體深度增加總體呈下降趨勢(shì)(圖1A)。 其中，各施氮處理土壤硝態(tài)氮含量均高于CK，且表現(xiàn)為U＞UAN＞80%UAN＋DCD＞80%UAN 處理。

圖1 不同施肥處理下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在土壤中的垂直分布

各處理土壤銨態(tài)氮含量隨土體深度增加總體呈下降趨勢(shì)(圖1B)。 其中，各施氮處理土壤銨態(tài)氮含量均高于CK，且UAN 處理明顯高于其他施氮處理，80%UAN＋DCD 處理土壤銨態(tài)氮含量均高于80%UAN 處理。

2.5 尿素硝酸銨溶液對(duì)土壤剖面氮素累積的影響

玉米收獲后，分析0 ～100 cm 土壤剖面的氮素累積量后發(fā)現(xiàn)，各施氮處理土壤銨態(tài)氮積累較少，積累量為0.10 ～0.73 kg/hm2，其中，UAN 處理積累量顯著高于其他處理，其次是U 處理，顯著高于80%UAN、80%UAN＋DCD 處理，后兩個(gè)處理無(wú)顯著差異(圖2A)。 各施氮處理土壤硝態(tài)氮的積累量為5.70～9.19 kg/hm2，且各處理表現(xiàn)為U＞UAN＞80%UAN＋DCD＞80%UAN(圖2B)，其中U、UAN 處理無(wú)顯著差異，但均顯著高于80%UAN＋DCD 及80%UAN 處理，后兩個(gè)處理也有顯著差異。

圖2 不同處理0～100 cm 土壤剖面中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積量

3 討論

研究表明，氮肥運(yùn)籌、施氮方式改變、施氮量調(diào)整、氮肥形態(tài)調(diào)控、氮肥管理配合秸稈還田、氮素抑制劑使用均可在一定程度上提高玉米產(chǎn)量和氮素利用率并降低氮素淋溶[25-28]。 然而，上述研究多以傳統(tǒng)尿素為對(duì)象開(kāi)展，對(duì)于液態(tài)肥及其配施氮素抑制劑對(duì)玉米產(chǎn)量、氮素利用率、氮素淋溶的研究較少。 這主要是因?yàn)槲覈?guó)農(nóng)田灌溉設(shè)備和施肥機(jī)械的推廣力度不夠，外加UAN 在貯藏、運(yùn)輸和施用過(guò)程中有特別的設(shè)備和操作要求。 然而，我國(guó)水資源形勢(shì)日益嚴(yán)峻，同時(shí)伴隨勞動(dòng)力成本上升。 隨著灌溉設(shè)施普及和自動(dòng)化施肥的推廣，研究UAN 在糧田中的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本研究表明，在常規(guī)同等施氮量條件下，氮肥形態(tài)對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因子無(wú)顯著影響，對(duì)氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力無(wú)顯著影響，這與尹彩霞等[10]的研究結(jié)果一致。 但也有研究認(rèn)為氮肥形態(tài)會(huì)影響玉米產(chǎn)量，如坡耕地氮素易隨雨水流失，而通過(guò)調(diào)控氮形態(tài)和耕地覆膜可在一定程度上降低氮素流失從而提高玉米產(chǎn)量[4]；再如在玉米生長(zhǎng)關(guān)鍵期提供其所需形態(tài)氮同樣能提高產(chǎn)量和氮素利用率[29]。 可見(jiàn)，氮肥形態(tài)與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系受到多種因素影響。 除此以外，氮肥形態(tài)還影響土壤氮素的遷移積累。本研究發(fā)現(xiàn)，UAN 處理0 ～100 cm 土壤硝態(tài)氮含量和積累量低于尿素處理，這說(shuō)明施用UAN 能在一定程度上減少硝態(tài)氮向地下水淋溶，降低地下水硝酸鹽污染的風(fēng)險(xiǎn)。 原因可能主要是UAN 中含有多種形態(tài)氮，有利于玉米在不同生長(zhǎng)期吸收所需形態(tài)氮，這與控釋氮肥緩慢釋放氮以保證作物產(chǎn)量、降低氮素淋失的原理有所區(qū)別。 雖然施用UAN 可降低土壤硝態(tài)氮積累，但由于UAN 中含有6.5%～7.5%的銨態(tài)氮，這部分氮在施入初期是否以氨揮發(fā)的形式流失還值得進(jìn)一步研究。

在國(guó)家提倡農(nóng)業(yè)“減肥增效”和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的背景下，UAN 作為一種新型液體肥尚未普及推廣，但應(yīng)用前景廣闊。 本研究表明，UAN減量20%并保持常規(guī)條件下的基肥與追肥比例不影響玉米產(chǎn)量，且其氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力明顯提高；硝態(tài)氮在土壤中的遷移積累顯著下降，這與前人的研究結(jié)果略有差異。趙士誠(chéng)[30]、鄒曉錦[31]等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減量后(基肥和大喇叭口肥比例為1∶2)玉米產(chǎn)量顯著下降，改變追肥比例和時(shí)期(基肥、大喇叭口肥和吐絲肥比例為1∶3∶1)可保持常規(guī)施肥產(chǎn)量，這主要是由于氮肥減量后移可使耕層無(wú)機(jī)氮供應(yīng)較好地與作物吸收同步，降低收獲期土層硝態(tài)氮積累，減少氮素的田間表觀損失。 朱曉霞等[32]研究表明，減量施用控釋氮肥替代尿素并一次性施入土壤也能保證作物穩(wěn)產(chǎn)，且顯著降低硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。 這是因?yàn)榭蒯尫誓軌騾f(xié)調(diào)養(yǎng)分的釋放時(shí)間和強(qiáng)度，使養(yǎng)分釋放速率與作物對(duì)養(yǎng)分的需求同步[33]，因而可使氮素利用率得以大幅度提高。不難看出，氮肥減量施用在保證作物產(chǎn)量和兼顧環(huán)境友好方面取得了一定效果，但是由于部分地區(qū)土壤較高的養(yǎng)分供應(yīng)水平以及以大氣沉降、灌溉等形式的氮素投入削弱了因氮肥減量造成的產(chǎn)量下降效應(yīng)，長(zhǎng)期減量施肥條件下，農(nóng)作物產(chǎn)量是否穩(wěn)定還需進(jìn)一步多點(diǎn)多面的田間驗(yàn)證研究[34]。

通常在地力水平一定的情況下，保持養(yǎng)分的輸入輸出平衡可保證作物穩(wěn)產(chǎn)，而在實(shí)際生產(chǎn)中，施入的氮肥往往以氨揮發(fā)、淋溶、徑流的形式損失。 因此，可以通過(guò)阻斷氮素?fù)p失途徑提高氮素利用率以保證作物產(chǎn)量。 DCD 作為一種氮肥增效劑已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田[35-37]。 通常情況下，氮肥施用后存在一個(gè)轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的硝態(tài)氮過(guò)高時(shí)會(huì)形成硝態(tài)氮淋溶的高風(fēng)險(xiǎn)期。 本研究發(fā)現(xiàn)，DCD 施用初期抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，降低硝態(tài)氮潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)。 由于DCD 對(duì)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的抑制是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程[7]，在DCD施入后期轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)逐漸加速，因此后期土壤硝態(tài)氮含量會(huì)略有增加。 綜合來(lái)看，DCD 抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，使得土壤中長(zhǎng)時(shí)間保持一定的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮比例，同時(shí)保證土壤含有一定量氮素供應(yīng)又降低硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)，還為下一季作物提供一定的養(yǎng)分，是一種較為科學(xué)有效的施肥管理方式。

4 結(jié)論

本研究表明，等氮量投入條件下，氮肥形態(tài)對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素、氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力無(wú)顯著影響。 與傳統(tǒng)尿素相比，施用UAN 可降低土壤硝態(tài)氮含量。 UAN 減量20%及添加DCD 不影響玉米產(chǎn)量，但顯著提高氮素農(nóng)學(xué)效率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力。 UAN減量20%可降低土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮遷移積累，添加DCD 不僅可使土壤保持一定的硝態(tài)氮盈余量還可降低其潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)。 綜合產(chǎn)量、氮素利用率和氮素遷移積累三方面考慮，本試驗(yàn)條件下，UAN 減量20%配施DCD 是一種較為合理的施肥管理方式。