尿素硝酸銨溶液對玉米產量、養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，付龍云，劉兆輝

(1.山東省農業技術推廣中心，山東 濟南 250100；2.山東省農業科學院農業資源與環境研究所/養分資源高效利用全國重點實驗室/農業農村部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東 濟南 250100；3.山東省農業生態與資源保護總站，山東 濟南 250010)

氮素是作物生長發育過程中必不可少的營養元素之一，其豐缺程度直接影響作物的生理生化特性、養分的協同吸收利用及最終產量的形成。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 替代一定量的傳統尿素，可以實現傳統氮肥的改性增效。 硝化抑制劑雙氰胺(DCD)具有延長氮肥肥效、提高作物產量和減少氮素流失的功能[1]。 DCD 配合UAN 施用可進一步促進氮素利用率的提高，實現作物生產的節氮增效，并且降低氮素損失，調控土壤氮素環境。

為提高氮肥利用率，前人在氮肥種類、用量、運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，銨態氮肥有利于促進玉米苗期葉綠素的形成，從而促進玉米生長[6]，但也有研究表明，氮肥種類對玉米產量影響不顯著[10]。這一方面是由于土壤類型及基礎肥力不同所致[11]，另一方面是因為氮肥種類在土壤中的轉化過程不同[12]，從而影響玉米對氮素的吸收利用。實際生產過程中，無論施用何種氮肥，旱地作物和微生物一般優先利用硝態氮[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氮肥或硝態氮肥更能使作物獲得高產[14，15]，且土壤中氮也無過多殘留，這可能是因為作物在不同生長期對氮的喜好不同，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保持作物高產及氮肥高效利用大有益處[9]，并且相關研究模型也驗證了這一點[16]。 另外，前人在氮肥運籌對玉米產量、氮素利用率及土壤氮素積累方面也進行了深入的研究[2，8]，合理的氮肥運籌有利于補充玉米在關鍵生長期所需的氮[17-19]，從而促進玉米對氮素的吸收利用，提高氮素利用率，同時降低土壤殘留氮的積累。 硝化抑制劑可以提高玉米產量和氮素利用率[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，同時土壤氮損失也有所減少[21]。 盡管在氮肥對玉米生長影響的研究取得了一系列成果，然而，上述研究多基于傳統尿素等固態氮肥開展的。 隨著我國化肥減量增效行動的持續推進和液態氮肥在水肥一體化應用中優勢凸顯，UAN 施用勢必會逐漸得到大面積的推廣應用。

目前，國內生產的UAN 多以出口為主，田間應用也僅在局部區域開展研究[22-24]。 國外雖然也開展了UAN 田間應用方面的研究，但我國土壤類型繁多且氣候條件復雜，難以照搬應用。 潮土作為山東省面積最大的土壤類型，在保障糧食安全方面發揮了重大作用，但尚未見UAN 在山東潮土上的使用報道。 基于此，開展尿素硝酸銨溶液對玉米產量、養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用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年6—10 月在山東省德州市德城區黃河涯鎮黃河涯村進行。 該區四季分明、冷熱干濕界限明顯，春季干旱多風回暖快，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴天，冬季寒冷少雪多干燥；日照時數長，光照強度大，且多集中在作物生長發育的前中期；年平均氣溫12.9℃，極端最高氣溫43.4℃，極端最低氣溫-27℃；平均無霜期長達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。

該地區種植模式均為華北平原區典型的小麥-玉米輪作。 供試土壤為潮土，耕層土壤有機質含量為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 試驗設計

試驗共設5 個處理，分別為對照(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)。 隨機區組排列，重復3 次，小區面積50 m2。 上述5 個處理磷鉀肥用量一致，全部基施，磷肥為重過磷酸鈣，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%。 試驗管理除施肥處理不同外，其他農事措施均保持一致。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 玉米收獲測產及產量構成 玉米收獲期每小區隨機取50 株帶果穗植株，測量其株高，取下果穗放入網兜，待風干后脫粒，稱重后根據密度計算產量。 同時測定千粒重、行粒數、行數等指標。

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)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)，帶回實驗室后測定硝態氮和銨態氮含量，并測定各土層容重。收獲時取回的植株樣品按莖葉、籽粒分開，105℃殺青30 min，80℃下烘干至恒重，粉碎后用于測定全氮含量。

1.3.3 土壤指標測定 土壤pH 值采用電位法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用凱氏消煮蒸餾定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提、火焰光度法測定。 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定；土壤硝態氮、銨態氮含量用1 mol/L 氯化鉀溶液提取，流動分析儀測定。

1.4 數據處理與分析

氮素總吸收量＝成熟期地上部干物重×含氮量；

氮素偏生產力＝施氮區產量/氮肥施用量；

氮素農學效率＝(施氮區產量-無氮區產量)/氮肥施用量；

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

采用Microsoft Excel 2007 和Origin 8.0 進行數據整理與作圖，采用新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 尿素硝酸銨溶液對玉米生長及產量構成因素的影響

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、穗行數、行粒數、千粒重和產量與U 處理無顯著差異，但均顯著高于CK。

2.2 尿素硝酸銨溶液對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 處理間氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力無顯著差異，U、UAN處理氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力顯著低于80%UAN 和80%UAN＋DCD 處理。

表2 不同施肥處理對玉米氮素利用率的影響

2.3 尿素硝酸銨溶液對土壤硝態氮和銨態氮含量的影響

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

表3 不同施肥處理下土壤銨態氮和硝態氮含量的動態變化 (mg/kg)

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

2.4 尿素硝酸銨溶液對不同土層氮素分布的影響

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

圖1 不同施肥處理下硝態氮和銨態氮在土壤中的垂直分布

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

2.5 尿素硝酸銨溶液對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現，各施氮處理土壤銨態氮積累較少，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，后兩個處理無顯著差異(圖2A)。 各施氮處理土壤硝態氮的積累量為5.70～9.19 kg/hm2，且各處理表現為U＞UAN＞80%UAN＋DCD＞80%UAN(圖2B)，其中U、UAN 處理無顯著差異，但均顯著高于80%UAN＋DCD 及80%UAN 處理，后兩個處理也有顯著差異。

圖2 不同處理0～100 cm 土壤剖面中銨態氮和硝態氮的累積量

3 討論

研究表明，氮肥運籌、施氮方式改變、施氮量調整、氮肥形態調控、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，上述研究多以傳統尿素為對象開展，對于液態肥及其配施氮素抑制劑對玉米產量、氮素利用率、氮素淋溶的研究較少。 這主要是因為我國農田灌溉設備和施肥機械的推廣力度不夠，外加UAN 在貯藏、運輸和施用過程中有特別的設備和操作要求。 然而，我國水資源形勢日益嚴峻，同時伴隨勞動力成本上升。 隨著灌溉設施普及和自動化施肥的推廣，研究UAN 在糧田中的應用對于實現農業可持續發展具有重要意義。

本研究表明，在常規同等施氮量條件下，氮肥形態對玉米產量及構成因子無顯著影響，對氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力無顯著影響，這與尹彩霞等[10]的研究結果一致。 但也有研究認為氮肥形態會影響玉米產量，如坡耕地氮素易隨雨水流失，而通過調控氮形態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量[4]；再如在玉米生長關鍵期提供其所需形態氮同樣能提高產量和氮素利用率[29]。 可見，氮肥形態與作物產量之間的關系受到多種因素影響。 除此以外，氮肥形態還影響土壤氮素的遷移積累。本研究發現，UAN 處理0 ～100 cm 土壤硝態氮含量和積累量低于尿素處理，這說明施用UAN 能在一定程度上減少硝態氮向地下水淋溶，降低地下水硝酸鹽污染的風險。 原因可能主要是UAN 中含有多種形態氮，有利于玉米在不同生長期吸收所需形態氮，這與控釋氮肥緩慢釋放氮以保證作物產量、降低氮素淋失的原理有所區別。 雖然施用UAN 可降低土壤硝態氮積累，但由于UAN 中含有6.5%～7.5%的銨態氮，這部分氮在施入初期是否以氨揮發的形式流失還值得進一步研究。

在國家提倡農業“減肥增效”和保障農業可持續發展的背景下，UAN 作為一種新型液體肥尚未普及推廣，但應用前景廣闊。 本研究表明，UAN減量20%并保持常規條件下的基肥與追肥比例不影響玉米產量，且其氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力明顯提高；硝態氮在土壤中的遷移積累顯著下降，這與前人的研究結果略有差異。趙士誠[30]、鄒曉錦[31]等研究發現，氮肥減量后(基肥和大喇叭口肥比例為1∶2)玉米產量顯著下降，改變追肥比例和時期(基肥、大喇叭口肥和吐絲肥比例為1∶3∶1)可保持常規施肥產量，這主要是由于氮肥減量后移可使耕層無機氮供應較好地與作物吸收同步，降低收獲期土層硝態氮積累，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產，且顯著降低硝態氮向深層土壤淋溶的風險。 這是因為控釋肥能夠協調養分的釋放時間和強度，使養分釋放速率與作物對養分的需求同步[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量和兼顧環境友好方面取得了一定效果，但是由于部分地區土壤較高的養分供應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量下降效應，長期減量施肥條件下，農作物產量是否穩定還需進一步多點多面的田間驗證研究[34]。

通常在地力水平一定的情況下，保持養分的輸入輸出平衡可保證作物穩產，而在實際生產中，施入的氮肥往往以氨揮發、淋溶、徑流的形式損失。 因此，可以通過阻斷氮素損失途徑提高氮素利用率以保證作物產量。 DCD 作為一種氮肥增效劑已被廣泛應用于農田[35-37]。 通常情況下，氮肥施用后存在一個轉化，而轉化產生的硝態氮過高時會形成硝態氮淋溶的高風險期。 本研究發現，DCD 施用初期抑制銨態氮向硝態氮的轉化，降低硝態氮潛在淋溶風險。 由于DCD 對銨態氮向硝態氮轉化的抑制是一個動態過程[7]，在DCD施入后期轉化過程會逐漸加速，因此后期土壤硝態氮含量會略有增加。 綜合來看，DCD 抑制銨態氮向硝態氮的轉化，使得土壤中長時間保持一定的銨態氮和硝態氮比例，同時保證土壤含有一定量氮素供應又降低硝態氮淋溶風險，還為下一季作物提供一定的養分，是一種較為科學有效的施肥管理方式。

4 結論

本研究表明，等氮量投入條件下，氮肥形態對玉米產量及構成因素、氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力無顯著影響。 與傳統尿素相比，施用UAN 可降低土壤硝態氮含量。 UAN 減量20%及添加DCD 不影響玉米產量，但顯著提高氮素農學效率、氮素利用率和氮素偏生產力。 UAN減量20%可降低土壤中硝態氮和銨態氮遷移積累，添加DCD 不僅可使土壤保持一定的硝態氮盈余量還可降低其潛在淋溶風險。 綜合產量、氮素利用率和氮素遷移積累三方面考慮，本試驗條件下，UAN 減量20%配施DCD 是一種較為合理的施肥管理方式。