尿素氮在不同類型土壤中轉化特征及其施用效果對生化抑制劑的響應

李學紅，李東坡，薛 妍，宋玉超，張 可，4，肖富容 ，4，李永華，鄭 野

（1.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016；2．北方華錦化學工業股份有限公司化工研究院，遼寧 盤錦 124021；3．錦西天然氣化工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125001；4．中國科學院大學，北京 100049，5．遼寧沈陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站，遼寧 沈陽 110016）

與植物其他營養物質相比，氮肥在農業生產中應用最多，2018年我國氮肥實物產量達到3457.12萬t，尿素約占67.78%（數據來源于中華人民共和國國家統計局，https：//data.stats.gov.cn/index.htm.2018）。與其他氮肥相比，尿素具有含氮量高（45%～46%）和生產成本低等優點［1］。然而，施用普通尿素會導致大量氮素損失，降低氮的回收率和利用率［2］。氮素損失既是一個經濟問題（供作物吸收利用的養分減少，影響產量），也是一個環境問題（地表水體富營養化、地下水硝酸鹽富集、形成酸雨，破壞臭氧層等）［3-4］。因此，提高農業生產中尿素氮利用率是目前亟待解決的問題。

在尿素中添加生化抑制劑（脲酶抑制劑和硝化抑制劑）制成穩定性肥料是最具實用價值和廣闊應用前景的措施，可以有效延緩尿素水解、抑制銨態氮（NH4+-N）的硝化進程，增加和延長氮素肥料在土壤中的有效供給時間，保證作物后期養分供應［5-6］，并減少溫室氣體排放［7］，提高氮的利用率。目前已篩選出100多種具有抑制脲酶活性的無機物和有機物，但實際用于農業生產的卻很少，主要有N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、正丙基硫代磷酰三胺（NPPT）、苯基磷酰二胺（PPD）和氫醌（HQ），其抑制效果依次為NPPT＞NBPT＞PPD＞HQ［8］。Dawar等［9］研究證明，脲酶抑制劑NBPT在尿素施用后的前7 d有效延緩尿素水解，增加作物根系附近氮的含量。周旋等［10］研究證明，NPPT在不同類型土壤中的作用效果與NBPT相似，能顯著降低脲酶活性。硝化抑制劑雙氰胺（DCD）因其本身具有無毒、高效、抑制時間長、價格低等優勢在國內外廣泛應用。DCD能夠抑制氨氧化細菌活性，延緩土壤銨的氧化，減少硝態氮（NO3--N）累積和N2O排放，提高氮肥利用率［11］。王艷群等［12］研究表明，合理施肥量添加DCD可以有效增加小麥-玉米產量，提高經濟效益。Ding等［13］研究表明，施用DCD能夠顯著減少田間玉米土壤N2O總排放量，增加玉米產量。王雪薇等［14］研究表明，硫酸銨添加DCD可顯著抑制土壤NH4+-N向NO3--N轉化，提高小青菜品質和產量。生化抑制劑的作用效果不僅受自身物理、化學性質的影響，還受土壤類型、濕度、溫度、酸堿度等多種因素的影響［15-16］。黑土、棕壤和褐土是東北地區糧食作物主產區的典型土壤類型，不同生化抑制劑在這3種類型土壤中的作用效果存在差異。本文采用玉米盆栽試驗對NPPT和DCD及其組合在黑土、棕壤和褐土中調控尿素氮轉化特征及抑制效果進行研究，探討不同抑制劑與尿素配施對不同類型土壤氮素形態和玉米產量的影響，為適合黑土、棕壤和褐土的高效穩定性尿素肥料研制與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地位于中國科學院沈陽應用生態試驗站，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，干冷同期，降雨集中。年均氣溫8℃左右，年均降水量659.60 mm，年日照時數2527 h。2019年6～8月，該區平均降水量比歷年同期多2～3成，且降水比較集中，連續降雨較多。

1.2 試驗材料

供試尿素，由國藥集團化學試劑有限公司生產，含氮量46%；硝化抑制劑雙氰胺（DCD）、脲酶抑制劑正丙基硫代磷酰三胺（NPPT），為分析純，均由Macklin生物科技公司生產。試驗土壤為吉林省長春市農安縣的黑土、遼寧省鐵嶺市昌圖縣的棕壤、遼寧省朝陽市朝陽縣的褐土，分別取耕層0～20 cm土壤，挑出雜物，并混合均勻，經自然風干后過2 mm篩，備用。土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質

1.3 試驗設計

試驗在2019年5～10月進行，共 設5個處理，3次重復，（1）不施尿素（U0）；（2）單施尿素（U）；（3）尿素+脲酶抑制劑（UN）；（4）尿素+硝化抑制劑（UD）；（5）尿素+脲酶抑制劑+硝化抑制劑（UND）。采用盆栽試驗，各處理施氮0.35 g·kg-1，施 磷（P2O5）0.12 g·kg-1，施 鉀（K2O）0.15 g·kg-1。抑制劑NPPT、DCD施用量分別為尿素量的0.25%、2.00%，與尿素充分混勻后再與土壤混勻，裝入盆中。將盆隨機排列埋入田間土壤中，使盆中土面與地面保持水平，盆高出地面2～3 cm，玉米苗三葉期每盆定植1株，其管理措施同常規大田玉米生產栽培。

1.4 測定指標與方法

在玉米苗期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期采集土壤樣品，測定土壤尿素氮、NH4+-N和NO3--N含量。用小土鉆在盆中5點取樣，混勻后，分別用2 mol·L-1氯化鉀乙酸苯汞、2 mol·L-1氯化鉀浸提（土∶液=1∶10），濾液采用AA3連續流動分析儀測定尿素氮、NH4+-N和NO3--N含量。灌漿初期用葉面積儀和葉綠素儀測量玉米棒三葉葉面積和葉綠素含量，取其平均值。玉米收獲期進行考種和測產，用VARIO MACRO元素分析儀測定植株全氮含量。

1.5 計算與分析方法

表觀硝化率（%）=硝態氮含量/（銨態氮含量+硝態氮含量）×100；

經濟系數=玉米產量/玉米生物產量；

氮素收獲指數=玉米籽粒氮素累積量/玉米植株氮素累積量；

氮素表觀利用率（%）=（施氮玉米地上部氮素累計量-不施氮玉米地上部氮素累計量）/施氮量×100；

氮肥農學效率（g·g-1）=（施氮玉米籽粒產量-不施氮玉米籽粒產量）/施氮量；

肥料氮貢獻率（%）=（施氮玉米產量-不施氮玉米產量）/施氮玉米產量×100。

采用Excel 2010進行數據分析、SPSS 19.0進行方差分析，采用Duncan最小顯著極差法進行差異性檢驗（P＜0.05），運用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤NH4+-N、NO3--N含量動態的變化

在玉米苗期未檢測到土壤中含有尿素氮，故后3個采樣時期均未測定。

由圖1可知，隨著玉米生育時期的推進，U、UN、UD、UND處理在黑土、棕壤、褐土中NH4+-N含量呈下降趨勢。與U處理相比，添加抑制劑提高土壤中NH4+-N的含量，而硝化抑制劑作用效果好于UN處理。黑土和棕壤UD處理土壤NH4+-N含量始終保持最高水平，苗期分別為81.09、63.85 mg·kg-1，其次是UND處理，土壤NH4+-N含量顯著高于U和UN處理。大喇叭口期，土壤中的NH4+-N含量快速下降，黑土中UD處理的NH4+-N含量為26.39 mg·kg-1，顯著高于UN、UND處理；棕壤中UN、UD、UND處理的NH4+-N含量在24.27～25.59mg·kg-1之間，且各處理間無顯著差異，NH4+-N含量比U處理平均提高1.11倍。灌漿期和成熟期，黑 土、棕 壤 中NH4+-N含 量 均 在9.48 mg·kg-1以下，處理間差異不明顯。而褐土中UND處理土壤NH4+-N含量維持較高水平，其次是UD處理。苗期UND處理的NH4+-N含量為78.46 mg·kg-1，比U處理提高2.62倍。大喇叭口期，UD、UND處理的NH4+-N含量分別為16.80、19.90 mg·kg-1，顯著高于其他處理。灌漿期和成熟期，各處理NH4+-N含量均在7.56 mg·kg-1以下，且差異不明顯。

3種類型土壤的NO3--N含量變化與NH4+-N含量變化規律一致，苗期添加硝化抑制劑處理土壤NO3--N含量都顯著低于單施尿素和只添加脲酶抑制尿素處理，表明硝化抑制劑DCD可以有效抑制NH4+-N向NO3--N轉化，降低土壤中的NO3--N濃度。隨著玉米生育時期的推進，硝化抑制劑作用效果減弱，土壤中存留的NH4+-N加快向NO3--N轉化。大喇叭口期，黑土、褐土中UD處理的NO3--N含量很高，分別為24.37、28.50 mg·kg-1，但與U處理無顯著差異，顯著高于UN、UND處理。棕壤中UND處理NO3--N最高，為30.44 mg·kg-1，顯著高于UN、UD處理，但與U處理無顯著差異。灌漿期和成熟期，3種土壤中各處理NO3--N含量趨于一致，且處理間差異不顯著（圖1）。

圖1 不同處理土壤銨態氮、硝態氮含量變化

2.2 不同處理對土壤表觀硝化率的影響

由圖2可知，各處理土壤表觀硝化率存在顯著差異，添加生化抑制劑處理的表觀硝化率小于單施尿素處理，表明抑制劑有效抑制土壤硝化反應，且硝化抑制劑作用效果好于單獨添加脲酶抑制處理。

在3種土壤中，添加抑制劑的3個處理中，UN處理抑制土壤表觀硝化率最弱，玉米苗期，黑土表觀硝化率最高，為83.98%，沒有體現出抑制硝化作用；棕壤表觀硝化率為77.31%，與U處理無顯著差異；褐土表觀硝化率為70.70%，顯著低于U處理，但高于硝化抑制劑的處理。大喇叭口期UN處理土壤表觀硝化率呈顯著下降的趨勢，其中黑土和棕壤表觀硝化率降至最低，分別為29.19%和34.76%。可能是脲酶抑制劑NPPT作用時間較短，對土壤硝化作用沒有抑制效果，土壤中NH4+-N積累量較少。褐土UN處理土壤表觀硝化率為57.21%，顯著高于UND處理，但與UD處理無顯著差異。灌漿期和成熟期，3種土壤表觀硝化率均在53.53%～76.57%之間，各處理間差異不大。

UD和UND處理能有效抑制土壤硝化作用，降低土壤表觀硝化率。在黑土中，UD和UND處理表觀硝化率呈逐漸上升的趨勢，抑制劑作用效果隨時間的延長逐漸減弱。苗期UD處理土壤表觀硝化率最低，為46.25%。大喇叭口期UD和UND處理土壤表觀硝化率分別為48.06%和44.87%，與U0處理無顯著差異。灌漿期之后，UD處理土壤表觀硝化率維持在62.91%以下，顯著低于其他處理。棕壤中UD處理一直處于較低水平，在46.25%～54.95之 間，顯 著 低 于UND處 理。褐土中UD、UND處理苗期土壤表觀硝化率分別為37.63%、40.88%，顯著低于U、UN處理。大喇叭口期UND處理土壤表觀硝化率最低，為46.81%。灌漿期和成熟期各處理間土壤表觀硝化率差異不大（圖2）。

圖2 玉米不同生育時期各處理土壤表觀硝化率

2.3 不同處理對玉米葉面積的影響

由圖3可知，在黑土和褐土中，施用尿素處理的玉米葉面積高于不施尿素的處理，添加尿素+抑制劑的處理玉米葉面積高于單施尿素處理（除棕壤UD處理外）。黑土中UN處理葉面積最大，為987.67 cm2，顯著高于U0處理，但與U、UD、UND處理無顯著差異。棕壤中施用尿素及尿素+抑制劑處理與U0處理無顯著差異，其中UN處理葉面積最大，為869.95 cm2，UD葉面積最小，為733.21 cm2。褐土中，U處理葉面積為807.14 cm2，顯著高于U0處理，但與添加抑制劑處理無顯著差異（P＜0.05）。施用尿素、尿素+抑制劑可以使玉米植株獲得更大的葉面積，從而更好地吸收利用太陽光，提高產量。

圖3 不同處理玉米葉面積

2.4 不同處理對玉米葉綠素含量的影響

由圖4可以看出，3種土壤中施用尿素處理玉米葉綠素含量高于不施尿素處理，其中黑土、褐土中施用抑制劑處理玉米葉綠素含量要顯著高于不施尿素處理，棕壤除UN處理外，其他處理葉綠素含量顯著高于不施尿素的處理。黑土中UD處理玉米葉綠素含量最高，為49.63，其次是UND處理，顯著高于UN處理。棕壤中UD處理玉米葉綠素最高，為53.18，顯著高于UN處理，但與UND處理無顯著差異。褐土中UND處理玉米葉綠素含量最高，與UN、UD處理無顯著差異，SPAD均在33.33以上，顯著高于U0和U處理。表明施用生化抑制劑能提高玉米葉片葉綠素含量，通過光合作用合成更多的有機物，從而增加玉米產量。

圖4 不同處理玉米葉片葉綠素含量（SPAD）

2.5 不同處理對玉米產量及產量構成因素的影響

2.5.1 不同處理對玉米產量構成因素的影響

黑土中UND處理玉米穗長最長，為20.17 cm，顯著高于U0處理，但與其他施用抑制劑處理無顯著差異。UN處理株高為281.67 cm，與UD處理無顯著差異，顯著高于其他處理。UND處理株高為240.00 cm，顯著高于U0和U處理。UD處理玉米穗粗為4.51 cm，顯著高于U0、UN處理，但與U、UND處理無顯著差異（表2）。

表2 不同處理玉米產量及產量構成因素

棕壤中所有處理玉米穗長無顯著差異，其中U處理穗長最長，為19.98 cm，其次是UD處理，穗長為19.90 cm，U0、UN、UND處理穗長在18.87 cm以下。UD處理株高最高，為270.00 cm，顯著高于U0處理，但與其他處理無顯著差（P＜0.05）。UN處理株高也較高，為263.33 cm，與U、UND處理無顯著差異。UD處理穗粗最粗，為4.66 cm，其次是UND處理，穗粗為4.22 cm，與其他處理無顯著差異。

褐土中UD、UND處理玉米穗長最長，均為19.73 cm，其次是U處理，穗長為16.10 cm，各處理間無顯著差異。UD處理玉米株高最高，為268.67 cm，其次是UN處理，株高為257.33 cm，與UND處理無顯著差異，顯著高于U0和U處理。UND處理穗粗最大，為4.44 cm，其次是UD處理，穗粗為4.12 cm，各處理間無顯著差異。

2.5.2 不同處理對玉米產量的影響

在黑土、棕壤、褐土上種植玉米，與單施尿素相比，施用尿素+抑制劑可以提高玉米產量，黑土中平均增產1.1倍，棕壤中平均增產0.21倍，褐土中平均增產0.89倍。黑土中UD處理玉米產量最高，為172.78 g·株-1，其次是UND處理，玉米產量為155.01 g·株-1，顯著高于其他處理（P＜0.05）。棕壤中UD處理玉米產量最高，為164.00 g·株-1，U、UN、UND處理玉米產量分別為120.45、127.18、115.66 g·株-1，高于U0處理。褐土中UND處理玉米產量最高，為172.44 g·株-1，其次是UD處理，玉米產量為125.19 g·株-1，顯著高于U0和U處理。在3種土壤上種植玉米，添加硝化抑制劑DCD作用效果要好于單獨添加脲酶抑制劑NPPT，且增產效果明顯。

2.6 不同處理對玉米氮素累積吸收量及氮肥利用率的影響

從表3可以看出，添加生化抑制劑影響玉米植株吸氮量、氮素收獲指數、氮肥表觀利用率、農學效率、肥料貢獻率，不同土壤類型抑制劑的作用效果明顯不同，各處理籽粒含氮量、總含氮量存在差異，添加抑制劑的處理要高于單施尿素處理。黑土中UD處理籽粒含氮量為2.26 g·株-1，顯著高于UN處理，但與UND處理無顯著差異。UD處理總含氮量最高，為3.36 g·株-1，顯著高于UN處理，其次是UND處理植株總含氮量為3.22 g·株-1，與其他處理差異顯著。棕壤UD處理籽粒含氮量最高，為2.23 g·株-1，顯 著高于U0、U、UND處理，其次是UN處理，籽粒含氮量為2.08 g·株-1，比U處理提高0.46倍。UD植株總含氮量最高，為3.99 g·株-1，與UN處理無顯著差異，顯著高于UND處理。褐土中UND處理籽粒含氮量最高，為2.23 g·株-1，與UD處理無顯著差異，顯著高于其他處理。UND處理植株總含氮量為3.61 g·株-1，顯著高于未添加抑制劑的處理，其次是UD處理，植株總含氮量為3.36 g·株-1，與UN處理無顯著差異。

表3 不同處理玉米氮素效率指標

在黑土中，添加抑制劑處理氮素收獲指數高于單施尿素處理，UD處理氮素收獲指數最高，為0.71，與UN、UND處理間無顯著差異。與U處理相比，UD處理氮素表觀利用率、氮肥農學效率、肥料貢獻率最高，分別為57.30%、36.58 g·g-1、62.86%，其次是UND處理，顯著高于UN處理。在棕壤中，U0處理氮素收獲指數最高，為0.66，其次是UN處理，各處理間無顯著差異。UD處理氮素表觀利用率、氮肥農學效率、肥料貢獻率最高，分別為59.35%、22.67 g·g-1、40.97%。UN處理氮素表觀利用率、氮肥農學效率、肥料貢獻率較高，分別為43.10%、10.29 g·g-1、23.31%，顯著高于U處理。褐土中，UND處理氮素收獲指數為0.65，與UD處理無顯著差異，顯著高于其他處理。UN、UD、UND處理氮素表觀利用率顯著高于U處理，UND處理氮肥農學效率和肥料貢獻率均最高，分別為39.50 g·g-1、67.24%，顯著高于U和UN處理。

3 討論

3.1 抑制劑及其組合對土壤無機氮的影響

戴宇等［17］研究表明，硝化抑制劑DCD能夠顯著提高玉米、水稻產量，改善作物品質。本研究中，尿素添加NPPT、DCD及其組合，可以延長NH4+-N在土壤中的存留時間，增加NH4+-N在無機氮中的比例，降低NO3--N的濃度。Aleem等［18］研究表明，硝化細菌在堿性條件下更為敏感。玉米苗期，褐土中U處理的NO3--N含量較黑土、棕壤更高，而除黑土的UN處理外，黑土、棕壤、褐土添加抑制劑處理土壤NH4+-N含量顯著高于U處理，表明抑 制 劑NPPT和DCD可 以 抑 制NH4+-N向NO3--N的轉化。大喇叭口期，UN、UD、UND處理土壤中的NH4+-N含量仍保持較高水平，由于脲酶抑制劑NPPT作用時間較短，對尿素水解后產物調控作用較小，甚至會促進其他途徑氮素的損失［19］，所以UN處理中的NH4+-N含量相對較少，而UD、UND處理中DCD仍有較強的抑制效果，使土壤中NO3--N仍維持在較低水平，滿足玉米生長氮素需求，實現養分供應與吸收同步。隨玉米生長時期的推進，在灌漿期和成熟期，DCD逐漸降解，抑制土壤硝化作用減弱，加上玉米對土壤中氮素的吸收利用，使各處理NH4+-N和NO3--N含量趨于一致，差異不明顯。

3.2 抑制劑及其組合對土壤表觀硝化率的影響

黑土、棕壤、褐土單施尿素土壤呈現活躍的硝化反應，其中褐土的硝化作用強度高于黑土和棕壤，可能是因為褐土pH值高［20］以及3種土壤有機質含量和微生物數量不同，從而影響相關酶活性。同一抑制劑處理在3種土壤中作用效果不同，褐土中UND處理土壤表觀硝化率最低，為40.88%，顯著低于其他2種土壤。在大喇叭口期，黑土、棕壤各處理土壤表觀硝化率有所下降，可能是玉米在此時期吸收大量無機氮所致［21］，且玉米喜硝［22］，DCD能顯著 抑 制NH4+-N向NO3--N的轉化，故土壤中NH4+-N含量占比上升。灌漿期，添加抑制劑處理的土壤表觀硝化率顯著上升，表明抑制劑作用效果減弱，甚至沒有抑制效果。

3.3 抑制劑及其組合對玉米產量以及氮素利用的影響

3種類型的土壤，經尿素配施NPPT、DCD及其組合處理后，顯著促進玉米植株的生長和氮素的吸收，增加了玉米葉面積和葉綠素含量，最終提高籽粒產量，這與孫傳范等［23］研究結果相似。Byrnes等［24］研究結果表明，添加NBPT能夠增加稻谷的產量，但未達到顯著水平。本研究中，添加脲酶/硝化抑制劑或兩者配施均可提高玉米產量，而棕壤、褐土單獨施用NPPT，產量增加不顯著。與單施尿素處理相比，黑土添加抑制劑，玉米產量平均提高1.06倍；棕壤玉米產量平均提高0.13倍；褐土玉米產量平均提高0.88倍，表明在3種土壤上種植玉米，施用尿素配合抑制劑，具有增產效果明顯、氮素利用率提高等優勢，產生良好的經濟、生態效益。在氮素利用方面，與U處理相比，黑土、棕壤、褐土添加抑制劑的處理植株含氮量提高0.31～0.79倍，其中黑土UN處理和棕壤UND處理植株含氮量低于U處理。在黑土中，添加抑制劑能顯著提高玉米氮素收獲指數、氮肥農學效率、肥料貢獻率，且分別提高0.56～0.62、5.83～19.84、3.73～7.39倍；氮素表觀利用率UD和UND處理分別提高2.12和1.79倍，其中UD作用效果最好。在棕壤中，UN、UD處理均能提高氮素收獲指數、氮素表觀利用率、氮肥農學效率和肥料貢獻率，其中以尿素與DCD配施效果最好，分別提高0.01、2.79、1.82和1.08倍。在褐土中，抑制劑處理比單施尿素處理顯著提高了玉米氮素表觀利用率、氮肥農學效率和肥料貢獻率，分別提高3.08～4.08、1.53～7.50和0.89～2.35倍，尤 其 以NPPT和DCD配施效果最為顯著，兩者的協同作用提高了土壤中氮素的存留時間以及對玉米的持續供應。

4 結論

硝化抑制劑DCD對黑土和棕壤中尿素氮的轉化均表現出顯著的抑制作用，提高土壤中NH4+-N的含量，降低NO3--N的含量，同一抑制劑對黑土中尿素氮轉化的調控效果較棕壤更為明顯。脲酶抑制劑NPPT和硝化抑制劑DCD配施對褐土中氮素轉化協同抑制效果更好，保持土壤較高的NH4+-N含量和較低的NO3--N含量時間更長，滿足玉米整個生育期對養分的需求，且提高了其產量。在玉米栽培時，在黑土和棕壤上建議采用添加DCD尿素肥料，在褐土上建議添加NPPT+DCD尿素肥料。