尿素硝酸铵溶液对玉米产量、养分吸收及潮土氮素积累的影响

马荣辉，薄录吉，杨武杰，李德伟，李彦，董亮，郭跃升，付龙云，刘兆辉

(1.山东省农业技术推广中心，山东 济南 250100；2.山东省农业科学院农业资源与环境研究所/养分资源高效利用全国重点实验室/农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东 济南 250100；3.山东省农业生态与资源保护总站，山东 济南 250010)

氮素是作物生长发育过程中必不可少的营养元素之一，其丰缺程度直接影响作物的生理生化特性、养分的协同吸收利用及最终产量的形成。尿素硝酸铵溶液(UAN)是一种以合成氨与硝酸中和形成的硝酸铵溶液与尿素溶液为原料按一定比例加工而成的高效水溶肥，UAN 替代一定量的传统尿素，可以实现传统氮肥的改性增效。 硝化抑制剂双氰胺(DCD)具有延长氮肥肥效、提高作物产量和减少氮素流失的功能[1]。 DCD 配合UAN 施用可进一步促进氮素利用率的提高，实现作物生产的节氮增效，并且降低氮素损失，调控土壤氮素环境。

为提高氮肥利用率，前人在氮肥种类、用量、运筹及与氮素抑制剂配施等方面做了大量研究[2-9]。 研究表明，铵态氮肥有利于促进玉米苗期叶绿素的形成，从而促进玉米生长[6]，但也有研究表明，氮肥种类对玉米产量影响不显著[10]。这一方面是由于土壤类型及基础肥力不同所致[11]，另一方面是因为氮肥种类在土壤中的转化过程不同[12]，从而影响玉米对氮素的吸收利用。实际生产过程中，无论施用何种氮肥，旱地作物和微生物一般优先利用硝态氮[12，13]。 另有大量研究表明，不论是喜铵还是喜硝作物，铵硝混合肥料较单纯的铵态氮肥或硝态氮肥更能使作物获得高产[14，15]，且土壤中氮也无过多残留，这可能是因为作物在不同生长期对氮的喜好不同，较充分利用了土壤中的氮。 在氮肥用量方面的研究则表明，合理的种植密度和适宜的施氮量对保持作物高产及氮肥高效利用大有益处[9]，并且相关研究模型也验证了这一点[16]。 另外，前人在氮肥运筹对玉米产量、氮素利用率及土壤氮素积累方面也进行了深入的研究[2，8]，合理的氮肥运筹有利于补充玉米在关键生长期所需的氮[17-19]，从而促进玉米对氮素的吸收利用，提高氮素利用率，同时降低土壤残留氮的积累。 硝化抑制剂可以提高玉米产量和氮素利用率[20]，在减少氮肥投入的情况下使用硝化抑制剂可以保证玉米不减产，同时土壤氮损失也有所减少[21]。 尽管在氮肥对玉米生长影响的研究取得了一系列成果，然而，上述研究多基于传统尿素等固态氮肥开展的。 随着我国化肥减量增效行动的持续推进和液态氮肥在水肥一体化应用中优势凸显，UAN 施用势必会逐渐得到大面积的推广应用。

目前，国内生产的UAN 多以出口为主，田间应用也仅在局部区域开展研究[22-24]。 国外虽然也开展了UAN 田间应用方面的研究，但我国土壤类型繁多且气候条件复杂，难以照搬应用。 潮土作为山东省面积最大的土壤类型，在保障粮食安全方面发挥了重大作用，但尚未见UAN 在山东潮土上的使用报道。 基于此，开展尿素硝酸铵溶液对玉米产量、养分吸收及潮土氮素积累的影响研究，以期为UAN 在山东潮土上的推广应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年6—10 月在山东省德州市德城区黄河涯镇黄河涯村进行。 该区四季分明、冷热干湿界限明显，春季干旱多风回暖快，夏季炎热多雨，秋季凉爽多晴天，冬季寒冷少雪多干燥；日照时数长，光照强度大，且多集中在作物生长发育的前中期；年平均气温12.9℃，极端最高气温43.4℃，极端最低气温-27℃；平均无霜期长达208 天，一般为3 月29 日到10 月24 日；年平均降水量为547.5 mm，降水量以7 月份最多，平均降水190 mm。

该地区种植模式均为华北平原区典型的小麦-玉米轮作。 供试土壤为潮土，耕层土壤有机质含量为7.85 g/kg、全氮0.54 g/kg、碱解氮51.9 mg/kg、有效磷8.09 mg/kg、速效钾72.0 mg/kg，pH 值8.77。 供试玉米品种为郑丹958。

1.2 试验设计

试验共设5 个处理，分别为对照(CK，不施氮肥)、尿素处理(U，纯N 240 kg/hm2)、尿素硝酸铵溶液处理(UAN，纯N 240 kg/hm2)、UAN 减量20%处理(80%UAN，纯N 192 kg/hm2)、UAN 减量20%配施DCD 处理(80%UAN＋DCD，纯N 192 kg/hm2，DCD 用量为12 kg/hm2)。 随机区组排列，重复3 次，小区面积50 m2。 上述5 个处理磷钾肥用量一致，全部基施，磷肥为重过磷酸钙，用量为90 kg/hm2， 钾 肥 为 硫 酸 钾， 用 量 为90 kg/hm2。氮肥基施50%，追施50%。 试验管理除施肥处理不同外，其他农事措施均保持一致。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 玉米收获测产及产量构成 玉米收获期每小区随机取50 株带果穗植株，测量其株高，取下果穗放入网兜，待风干后脱粒，称重后根据密度计算产量。 同时测定千粒重、行粒数、行数等指标。

1.3.2 样品采集 分别于2021 年6 月20 日(播种前)、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(收获时)采集0～100 cm 土壤样品(按照0 ～20、20 ～40、40 ～60、60～80、80～100 cm 分5 层采集)，带回实验室后测定硝态氮和铵态氮含量，并测定各土层容重。收获时取回的植株样品按茎叶、籽粒分开，105℃杀青30 min，80℃下烘干至恒重，粉碎后用于测定全氮含量。

1.3.3 土壤指标测定 土壤pH 值采用电位法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用凯氏消煮蒸馏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用NaHCO3浸提、钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提、火焰光度法测定。 玉米秸秆及籽粒样品氮磷钾含量采用浓H2SO4-H2O2消化，分别采用凯氏蒸馏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定；土壤硝态氮、铵态氮含量用1 mol/L 氯化钾溶液提取，流动分析仪测定。

1.4 数据处理与分析

氮素总吸收量＝成熟期地上部干物重×含氮量；

氮素偏生产力＝施氮区产量/氮肥施用量；

氮素农学效率＝(施氮区产量-无氮区产量)/氮肥施用量；

氮素利用率(%)＝(施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量)/氮肥施用量×100 。

采用Microsoft Excel 2007 和Origin 8.0 进行数据整理与作图，采用新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 尿素硝酸铵溶液对玉米生长及产量构成因素的影响

由表1 看出，UAN、80%UAN 处理及80%UAN＋DCD 处理间玉米株高无显著差异，但均显著高于U 处理，U 处理玉米株高显著高于CK。UAN 各处理玉米穗长、穗行数、行粒数、千粒重和产量与U 处理无显著差异，但均显著高于CK。

2.2 尿素硝酸铵溶液对玉米氮素利用率的影响

由表2 看出，施氮各处理玉米总吸氮量无显著差异，但均显著高于CK。 U 和UAN 处理间、80%UAN 和80%UAN＋DCD 处理间氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力无显著差异，U、UAN处理氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力显著低于80%UAN 和80%UAN＋DCD 处理。

表2 不同施肥处理对玉米氮素利用率的影响

2.3 尿素硝酸铵溶液对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响

各施肥处理土壤硝态氮含量变化较为复杂(表3)。 随玉米生育进程，CK 土壤硝态氮含量总体呈现下降趋势；U、UAN、80%UAN 处理土壤硝态氮含量呈现增加-降低-增加的变化趋势；80%UAN＋DCD 处理土壤硝态氮含量总体呈现降低-增加趋势。 土壤硝态氮含量增加是由施肥造成的。 其中，7 月5 日和8 月17 日的测定结果显示，U 处理土壤硝态氮含量低于UAN 处理，这是由于UAN 本身含有一定量的硝态氮。 7 月27 日和10 月9 日，U 处理土壤硝态氮含量高于UAN处理，这是由于尿素水解转化导致的，UAN 处理土壤硝态氮含量略高于80%UAN 处理。 7 月5 日和8 月17 日，80%UAN 处理土壤硝态氮含量分别是80%UAN＋DCD 处理的1.85 倍和1.23 倍，原因是DCD 抑制了铵态氮向硝态氮的转化；7 月27日和10 月9 日的测定结果表明，80%UAN 处理土壤硝态氮含量分别是80%UAN ＋DCD 处理的45.59%和91.74%，这是由于先期被抑制转化的铵态氮向硝态氮转化造成的。

表3 不同施肥处理下土壤铵态氮和硝态氮含量的动态变化 (mg/kg)

各施肥处理土壤铵态氮含量随时间延长均呈现出降低-增加-降低的变化趋势(表3)，施肥前土壤中的含量最高，玉米收获时土壤铵态氮含量低于施肥前。 其中，UAN 处理土壤铵态氮含量是U 处理的1.13～1.85 倍，是80%UAN 处理的1.30～1.60 倍，80%UAN＋DCD 处理土壤铵态氮含量是80%UAN 处理的1.12～2.55 倍，这是由于DCD 抑制铵态氮向硝态氮转化的缘故。

2.4 尿素硝酸铵溶液对不同土层氮素分布的影响

各处理土壤硝态氮含量随土体深度增加总体呈下降趋势(图1A)。 其中，各施氮处理土壤硝态氮含量均高于CK，且表现为U＞UAN＞80%UAN＋DCD＞80%UAN 处理。

图1 不同施肥处理下硝态氮和铵态氮在土壤中的垂直分布

各处理土壤铵态氮含量随土体深度增加总体呈下降趋势(图1B)。 其中，各施氮处理土壤铵态氮含量均高于CK，且UAN 处理明显高于其他施氮处理，80%UAN＋DCD 处理土壤铵态氮含量均高于80%UAN 处理。

2.5 尿素硝酸铵溶液对土壤剖面氮素累积的影响

玉米收获后，分析0 ～100 cm 土壤剖面的氮素累积量后发现，各施氮处理土壤铵态氮积累较少，积累量为0.10 ～0.73 kg/hm2，其中，UAN 处理积累量显著高于其他处理，其次是U 处理，显著高于80%UAN、80%UAN＋DCD 处理，后两个处理无显著差异(图2A)。 各施氮处理土壤硝态氮的积累量为5.70～9.19 kg/hm2，且各处理表现为U＞UAN＞80%UAN＋DCD＞80%UAN(图2B)，其中U、UAN 处理无显著差异，但均显著高于80%UAN＋DCD 及80%UAN 处理，后两个处理也有显著差异。

图2 不同处理0～100 cm 土壤剖面中铵态氮和硝态氮的累积量

3 讨论

研究表明，氮肥运筹、施氮方式改变、施氮量调整、氮肥形态调控、氮肥管理配合秸秆还田、氮素抑制剂使用均可在一定程度上提高玉米产量和氮素利用率并降低氮素淋溶[25-28]。 然而，上述研究多以传统尿素为对象开展，对于液态肥及其配施氮素抑制剂对玉米产量、氮素利用率、氮素淋溶的研究较少。 这主要是因为我国农田灌溉设备和施肥机械的推广力度不够，外加UAN 在贮藏、运输和施用过程中有特别的设备和操作要求。 然而，我国水资源形势日益严峻，同时伴随劳动力成本上升。 随着灌溉设施普及和自动化施肥的推广，研究UAN 在粮田中的应用对于实现农业可持续发展具有重要意义。

本研究表明，在常规同等施氮量条件下，氮肥形态对玉米产量及构成因子无显著影响，对氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力无显著影响，这与尹彩霞等[10]的研究结果一致。 但也有研究认为氮肥形态会影响玉米产量，如坡耕地氮素易随雨水流失，而通过调控氮形态和耕地覆膜可在一定程度上降低氮素流失从而提高玉米产量[4]；再如在玉米生长关键期提供其所需形态氮同样能提高产量和氮素利用率[29]。 可见，氮肥形态与作物产量之间的关系受到多种因素影响。 除此以外，氮肥形态还影响土壤氮素的迁移积累。本研究发现，UAN 处理0 ～100 cm 土壤硝态氮含量和积累量低于尿素处理，这说明施用UAN 能在一定程度上减少硝态氮向地下水淋溶，降低地下水硝酸盐污染的风险。 原因可能主要是UAN 中含有多种形态氮，有利于玉米在不同生长期吸收所需形态氮，这与控释氮肥缓慢释放氮以保证作物产量、降低氮素淋失的原理有所区别。 虽然施用UAN 可降低土壤硝态氮积累，但由于UAN 中含有6.5%～7.5%的铵态氮，这部分氮在施入初期是否以氨挥发的形式流失还值得进一步研究。

在国家提倡农业“减肥增效”和保障农业可持续发展的背景下，UAN 作为一种新型液体肥尚未普及推广，但应用前景广阔。 本研究表明，UAN减量20%并保持常规条件下的基肥与追肥比例不影响玉米产量，且其氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力明显提高；硝态氮在土壤中的迁移积累显著下降，这与前人的研究结果略有差异。赵士诚[30]、邹晓锦[31]等研究发现，氮肥减量后(基肥和大喇叭口肥比例为1∶2)玉米产量显著下降，改变追肥比例和时期(基肥、大喇叭口肥和吐丝肥比例为1∶3∶1)可保持常规施肥产量，这主要是由于氮肥减量后移可使耕层无机氮供应较好地与作物吸收同步，降低收获期土层硝态氮积累，减少氮素的田间表观损失。 朱晓霞等[32]研究表明，减量施用控释氮肥替代尿素并一次性施入土壤也能保证作物稳产，且显著降低硝态氮向深层土壤淋溶的风险。 这是因为控释肥能够协调养分的释放时间和强度，使养分释放速率与作物对养分的需求同步[33]，因而可使氮素利用率得以大幅度提高。不难看出，氮肥减量施用在保证作物产量和兼顾环境友好方面取得了一定效果，但是由于部分地区土壤较高的养分供应水平以及以大气沉降、灌溉等形式的氮素投入削弱了因氮肥减量造成的产量下降效应，长期减量施肥条件下，农作物产量是否稳定还需进一步多点多面的田间验证研究[34]。

通常在地力水平一定的情况下，保持养分的输入输出平衡可保证作物稳产，而在实际生产中，施入的氮肥往往以氨挥发、淋溶、径流的形式损失。 因此，可以通过阻断氮素损失途径提高氮素利用率以保证作物产量。 DCD 作为一种氮肥增效剂已被广泛应用于农田[35-37]。 通常情况下，氮肥施用后存在一个转化，而转化产生的硝态氮过高时会形成硝态氮淋溶的高风险期。 本研究发现，DCD 施用初期抑制铵态氮向硝态氮的转化，降低硝态氮潜在淋溶风险。 由于DCD 对铵态氮向硝态氮转化的抑制是一个动态过程[7]，在DCD施入后期转化过程会逐渐加速，因此后期土壤硝态氮含量会略有增加。 综合来看，DCD 抑制铵态氮向硝态氮的转化，使得土壤中长时间保持一定的铵态氮和硝态氮比例，同时保证土壤含有一定量氮素供应又降低硝态氮淋溶风险，还为下一季作物提供一定的养分，是一种较为科学有效的施肥管理方式。

4 结论

本研究表明，等氮量投入条件下，氮肥形态对玉米产量及构成因素、氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力无显著影响。 与传统尿素相比，施用UAN 可降低土壤硝态氮含量。 UAN 减量20%及添加DCD 不影响玉米产量，但显著提高氮素农学效率、氮素利用率和氮素偏生产力。 UAN减量20%可降低土壤中硝态氮和铵态氮迁移积累，添加DCD 不仅可使土壤保持一定的硝态氮盈余量还可降低其潜在淋溶风险。 综合产量、氮素利用率和氮素迁移积累三方面考虑，本试验条件下，UAN 减量20%配施DCD 是一种较为合理的施肥管理方式。