尿素硝銨溶液對冬小麥產(chǎn)量及土壤無機氮含量的影響

劉學(xué)彤，楊軍芳，黃少輝，賈良良，邢素麗，楊云馬，王欣雅，劉子軒

（河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051）

氮素是作物生長最重要的元素之一，對作物的生長做出了極大的貢獻(xiàn)［1］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥氮素主要有3種形態(tài)，分別是硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮。在以我國為代表的一些發(fā)展中國家，尿素（酰胺態(tài)氮）是被廣泛使用的氮肥產(chǎn)品。但因過量施用氮肥造成養(yǎng)分流失、土壤酸化、水體污染等一系列的環(huán)境問題日益嚴(yán)重［1-3］。尿素硝銨溶液（UAN）是近年來興起的一種新型高效環(huán)保肥料，其集硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮3種形態(tài)的氮于一種肥料中，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為8.0%，酰胺態(tài)氮含量為14%。近年來，水肥一體化技術(shù)逐漸從設(shè)施農(nóng)業(yè)走向了大田生產(chǎn)。水肥一體化的應(yīng)用，可以使糧食作物產(chǎn)量提高20%～50%，節(jié)約用水40%以上，提高肥料利用率20%以上［4-5］。尿素硝銨溶液UAN以其溶解性好、無殘渣、可配合微量元素肥料施用、肥料利用率高、氮肥損失少等優(yōu)勢，成為水肥一體化技術(shù)中氮肥的重要品種。此外，由于不需要再進(jìn)行尿素生產(chǎn)的造粒過程，因此能夠顯著降低能量消耗［6-7］，對促進(jìn)節(jié)能減排有重要意義。有研究表明，UAN在玉米、水稻、棉花等作物上都有良好的增產(chǎn)效果［8-10］，但在冬小麥上應(yīng)用研究較少。因此，本研究對水肥一體化條件下UAN在冬小麥上的應(yīng)用效果進(jìn)行探討，評價UAN在小麥體系的養(yǎng)分效率，為UAN在河北省冬小麥產(chǎn)區(qū)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2016年10月至2017年6月在衡水冀州區(qū)明洋農(nóng)場進(jìn)行。試驗區(qū)地處河北省平原 區(qū)（N37.57°，E115.57°）， 海 拔21.5～ 26.5 m，屬大陸性暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.7～13.3℃，年均降水量500～600 mm。本區(qū)域?qū)儆凇皽婧饴┒贰钡闹行膮^(qū)域，是河北省深層地下水嚴(yán)重超采區(qū)和禁采區(qū)。種植制度為小麥/玉米一年二熟制。供試土壤屬于中壤質(zhì)潮土，試驗前0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀為:有機質(zhì)18.6 g/kg，全氮1.09 g/kg，有效磷7.52 mg/kg，速效鉀151.5 mg/kg，pH值8.15。供試作物為小麥，品種為石農(nóng)086。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在等磷、鉀施肥量條件下，選用不同用量尿素、UAN做氮源，共設(shè)置5個處理，每個處理4次重復(fù)，共20個小區(qū)，小區(qū)面積60 m2（10 m×6 m）。各處理見表1，其中CK處理不施氮肥，F(xiàn)P（習(xí)慣施氮）和OPT-Urea（優(yōu)化施氮-尿素）處理氮肥采用尿素（N 46%），OPT-UAN（優(yōu)化施氮-UAN）和80%OPT-UAN（優(yōu)化施氮-UAN減氮20%）處理的氮肥采用尿素硝銨溶液（N 30%），磷肥采用重鈣（P2O543%），鉀肥采用氯化鉀（K2O 60%）。磷、鉀肥在播種前作為基肥隨整地全部底施，氮肥基追各半，其中基肥隨整地施入，追肥在拔節(jié)期追施，其中尿素處理為撒施后噴水灌溉，含UAN各處理為以噴霧器人工噴施后水肥一體化設(shè)備噴水灌溉［11］。其他管理同一般田間管理。

表1 試驗處理 （kg/hm2）

1.3 收獲及分析樣品采集

土壤樣品:2017年6月小麥?zhǔn)斋@后，每小區(qū)以S形用土鉆采集5個點，分3層采取0～20、20～40及40～80 cm土層樣品，充分混合后將采集的新鮮樣品帶回實驗室測定土壤無機氮。土壤無機氮采用1 mol/L KCl溶液浸提，AA3流動分析儀測定［12］。

植株樣品:小麥成熟期，每小區(qū)采集收獲兩個1 m2樣點，將籽粒和秸稈風(fēng)干后稱重，計算單位面積籽粒產(chǎn)量和秸稈量。將烘干后的樣品磨碎，分析籽粒和秸稈的N、P、K含量。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消化后，凱氏法測定全N、鉬銻抗比色法測定全P、火焰分光光度法測定全K［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007計算了各處理的作物吸氮量、氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力等［14］，采用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，并對土壤氮素表觀礦化量等進(jìn)行了計算［15-16］。各參數(shù)計算公式如下:

作物吸氮量（kg/hm2）=植株含氮量（%）×地上部生物量

氮肥利用率（%）=（施氮區(qū)小麥地上部吸氮量-對照區(qū)小麥地上部吸氮量）/施氮量×100

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施氮區(qū)小麥產(chǎn)量-對照區(qū)小麥產(chǎn)量）/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮處理產(chǎn)量/施氮量

土壤氮素表觀礦化量=CK作物吸氮量+CK土壤氮素殘留量-CK播前土壤氮素累積量

土壤氮素表觀損失量=（施氮量+播前土壤氮素累積量+生育期土壤氮素礦化量）-（作物吸氮量+收獲后土壤氮素殘留量）

氮素盈余量=氮素表觀損失量+收獲后土壤無機氮殘留量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

相比于不施氮肥（CK）處理，施用氮肥均能夠顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量（表2）。其中以O(shè)PT-Urea處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量最高，達(dá)到7 230kg/hm2，比不施氮肥增產(chǎn)高達(dá)67.56%。各施用氮肥處理間冬小麥籽粒產(chǎn)量差異不顯著，氮用量相同的UAN和尿素相比，冬小麥籽粒產(chǎn)量無明顯差異。從冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成來看，施用氮肥顯著增加了冬小麥的穗粒數(shù)，而對冬小麥的穗數(shù)和千粒重影響差異不明顯（表2）。可見，施用氮肥對冬小麥產(chǎn)量的影響，主要是增加了冬小麥的穗粒數(shù)。

表2 不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

2.2 不同施肥處理對土壤無機氮分布的影響

小麥?zhǔn)斋@后，不同施肥處理的0～80 cm土層土壤無機氮含量有明顯差異（圖1）。各施氮肥處理的土壤無機氮累積量均明顯高于CK不施氮肥處理，其中，F(xiàn)P、OPT-Urea施用尿素處理的0～80 cm土層土壤無機氮累積量顯著高于施用UAN各處理。由土壤無機氮在各土層分布可以發(fā)現(xiàn)，施用尿素的兩個處理（FP、OPT-Urea）0～40 cm土層無機氮含量明顯高于UAN各處理，而在40 cm以下，尿素和UAN各處理土壤無機氮含量差異不大。農(nóng)民傳統(tǒng)施肥FP處理在0～20和20～40 cm土層均顯著高于各UAN處理，說明農(nóng)民傳統(tǒng)過量施氮不僅會造成根層土壤剖面中無機氮的累積，進(jìn)一步可能會引起無機氮向深層地下水的淋失。從收獲后土壤無機氮殘留來看（圖2），F(xiàn)P處理和OPTUrea處理的殘留無機氮分別為154和145kg/hm2，顯著高于OPT-UAN處理的104kg/hm2和80%OPTUAN處理的68kg/hm2。

圖1 冬小麥?zhǔn)斋@后0～80 cm土層無機氮含量分布

圖2 冬小麥?zhǔn)斋@后0～80 cm土層無機氮累積量

2.3 不同施肥處理對冬小麥氮肥利用率的影響

施氮顯著提高了冬小麥地上部的氮素吸收量（表3），較不施氮肥高90%以上。各施氮處理中，80%OPT-UAN處理氮素吸收量較低，為146.6kg/hm2，比OPT-UAN處理低10.3%，但差異并未達(dá)到顯著水平。各施氮處理間無顯著差異。

表3 不同施肥處理對冬小麥肥料利用率的影響

冬小麥氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均表現(xiàn)為80%OPT-UAN處理最高，F(xiàn)P處理最低，且兩處理差異顯著，其中80%OPT-UAN處理氮肥偏生產(chǎn)力較OPT-UAN處理顯著提高20.6%。優(yōu)化施氮（N 210kg/hm2）的各處理氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于農(nóng)民常規(guī)施氮（N 270kg/hm2）的處理，增幅達(dá)到26.6%。等氮量處理間冬小麥氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均無明顯差異。

2.4 不同施肥處理對土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡的影響

從冬小麥全生育期內(nèi)土壤-作物系統(tǒng)的氮素平衡狀況（表4）來看，F(xiàn)P處理的氮素盈余量最高 為228kg/hm2，OPT-Urea、OPT-UAN處 理 分別為165和164kg/hm2，略低于FP處理，但均明顯高于80%OPT-UAN處理的136kg/hm2。從氮素表觀損失來看，F(xiàn)P處理的氮素表觀損失量最高為74kg/hm2，其次是80%OPT-UAN處理和OPTUAN處理，分別為68和60kg/hm2，均明顯高于OPT-Urea處理的20kg/hm2。相同施氮量條件下含UAN處理的氮素表觀損失量高于尿素處理，表明在本試驗條件下，UAN存在嚴(yán)重的氮素?fù)p失途徑，分析其原因可能與UAN中存在銨態(tài)氮在葉面噴施條件下的氨揮發(fā)損失有關(guān)，這需要進(jìn)一步的研究以確定。

表4 不同施肥處理冬小麥生育期內(nèi)土壤-作物系統(tǒng)的氮素平衡狀況 （kg/hm2）

3 討論

氮素是影響作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的首要因素［17］，大量研究表明合理使用氮肥可以顯著提高作物產(chǎn)量［18-19］。本研究中，施用尿素和UAN均可顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量，與前人研究結(jié)果一致［19-20］。與農(nóng)民傳統(tǒng)施氮 270kg/hm2相比，優(yōu)化施用氮肥210kg/hm2處理的小麥籽粒產(chǎn)量沒有差異，表明在本試驗區(qū)N 210kg/hm2足以滿足小麥對氮素的需求。孫世友等［21］在子牙河流域的研究也表明優(yōu)化施肥N 180kg/hm2時，小麥籽粒產(chǎn)量與傳統(tǒng)施肥N 270kg/hm2沒有顯著差異。

已有研究表明，與尿素相比，等氮量的UAN處理可以顯著促進(jìn)作物增產(chǎn)［8，20，22］。但在本研究中，等氮量的尿素和UAN處理間的小麥產(chǎn)量、吸氮量和氮肥利用率并沒有顯著的差異，這可能是由研究區(qū)土壤地力和氣候環(huán)境造成的。在本研究條件下，UAN處理的氮肥利用率達(dá)到33%～40%，與2013年農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》中小麥氮肥的當(dāng)季利用率32%接近，但與王寅等［8］在玉米上的研究結(jié)果有明顯不同，他認(rèn)為UAN的當(dāng)季氮肥利用率明顯高于尿素處理的當(dāng)季氮肥利用率。這可能與UAN的施用方式及不同氣候條件有關(guān)。本研究條件下UAN為葉面噴施后噴淋灌溉，噴施過程中可能有部分銨態(tài)氮以氣體氨形式揮發(fā)到空氣當(dāng)中（當(dāng)?shù)赝寥纏H值8.1，為堿性環(huán)境）；而尿素為地表撒施，然后噴淋灌溉，尿素溶化后隨水進(jìn)入土壤中，能夠減少揮發(fā)損失。陳健等［23］報道，黃淮海平原區(qū)冬小麥生長期，氨揮發(fā)損失所占比例較大，被認(rèn)為是氮肥損失的重要途徑。因此，如何控制UAN施用過程中的氮素?fù)p失將是接下來研究的重點問題。

施氮量過高，土壤剖面中氮素累積量和損失量均會顯著增加［24-26］。本研究結(jié)果顯示出相似的規(guī)律，農(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣施肥的0～80 cm土壤氮素殘留量及氮素?fù)p失量均高于優(yōu)化施肥，施氮量越高，土壤硝態(tài)氮累積越多，更容易造成硝酸鹽向深層淋溶，增加硝酸鹽污染風(fēng)險［27］。在本研究條件下，等氮量的UAN和尿素處理下，UAN處理的0～80 cm土壤氮素殘留量較少，尤其是UAN減量20%處理（80%OPT-UAN）的土壤氮素殘留量僅為68kg/hm2，這表明施用UAN較尿素可以減少土壤氮素殘留，降低土壤剖面中的硝酸鹽污染風(fēng)險。

另外有研究表明，等比例的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮能提高小麥根際土的酶活性［28］，對冬小麥的氮素吸收有明顯的促進(jìn)作用［29］。而UAN恰好含有等比例的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，且在玉米［8］、水稻［9］、棉花［10］和小麥（本研究）等作物上都有良好的增產(chǎn)效果，是否其含有的等比例銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在其中發(fā)揮了重要作用尚需要進(jìn)一步的研究來證實。

4 結(jié)論

研究表明，在河北省中低產(chǎn)田，施用氮肥可以顯著促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量增加，主要是通過增加冬小麥的穗粒數(shù)實現(xiàn)增產(chǎn)的；本研究中等氮量的UAN和尿素處理，小麥籽粒產(chǎn)量、植株吸氮量及氮肥利用率沒有顯著差異，但是與上述2個處理相比，UAN減量N 20%產(chǎn)量無顯著差異，而肥料利用率和氮肥偏生產(chǎn)力卻顯著提高；施用UAN較尿素可以降低土壤無機氮累積量；相同施氮量條件下含UAN處理的氮素表觀損失量高于尿素處理。