尿素硝銨溶液對黑土區春玉米產量和氮素吸收利用的影響

王寅，徐卓，李博凝，高強，馮國忠，李翠蘭，焉莉，王少杰

（吉林農業大學資源與環境學院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室，長春130118）

0 引言

【研究意義】尿素硝銨溶液（urea ammonium nitrate solution，UAN）也稱氮溶液，由尿素、硝銨和水配制而成，集硝態、銨態和酰胺態3種氮素形態于一體，兼有速效與長效氮源優勢，肥效和氮素利用率較高[1]。UAN是生產液體復混肥、水溶肥的基礎原料，也可通過噴灌、滴灌和機械深施等手段直接施用，同時也是微量元素肥料、殺蟲劑、除草劑的優良載體[2]。UAN的生產相比固體氮肥減少了濃縮、造粒、烘干等環節，等養分條件下（含 N32%）運輸體積較尿素小20%，運輸成本較低，具有節能減排環保的優點[1-5]。因此，當前國內氮肥行業產能過剩、農田過量施肥的情況下，發展 UAN是促進肥料行業轉型升級和農業減肥增效綠色發展的重要途徑。【前人研究進展】UAN生產始于20世紀70年代的美國，目前產量占全球氮肥總產量的 4%左右，已在北美、歐洲、中亞、大洋洲等地區廣泛使用[2-5]。據統計，2012年全球UAN產量超過2 000萬噸，其中美國為1 360萬噸，占比超過2/3。北美地區的研究顯示，UAN在小麥、玉米、牧草等作物上都表現出良好的應用效果[6-10]。與尿素相比，UAN對作物種子的出苗和萌發更為安全，可減少肥害[11]。作追肥噴施時，UAN相比尿素、硫銨可有效提高小麥蛋白質含量[12-13]。而且，UAN的氨揮發量在不同土壤類型上均低于尿素，提高其硝銨比例可進一步減少氨揮發量[14-15]。國內研究中，江蘇水稻采用UAN作為分蘗肥、促花肥和保花肥進行噴施，較配方施肥有不同程度增產效果[16]。新疆棉花滴灌研究發現UAN相比尿素增產 9.2%，而番茄滴灌試驗表明產量和氮肥利用率分別提高9.5%和19.5%[17-18]。【本研究切入點】國外對 UAN的研究與應用起步較早，而國內產業隨液體肥、水溶肥發展才剛剛起步，相關應用及研究還相對較少。目前，國內有關大田作物土壤施用 UAN的肥效研究鮮有報道，作物產量反應與氮素利用狀況尚不清楚。【擬解決的關鍵問題】本研究通過在吉林省黑土區連續兩年設置大田試驗，以尿素為對照，研究不同用量和施用方式下 UAN對春玉米產量與產量性狀、植株吸氮量、土壤無機氮殘留量及系統氮素平衡狀況的影響，評估其應用效果與氮素利用效率，為UAN在該區域的科學應用及推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地區概況

本研究連續兩年在吉林省四平市梨樹縣設置田間試驗，2015年位于四棵樹鄉三棵樹村農戶田塊，2016年位于梨樹鎮泉眼溝村中國農業大學梨樹試驗站內，均屬典型黑土區，土壤肥力相對較高。兩年田間試驗的土壤類型和基礎理化性質如表1所示。研究區域屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，雨熱同期，年均降雨量在580 mm左右，集中在6—8月，主要種植制度一年一熟玉米連作。圖1顯示，相比多年平均氣候狀況，2015年氣溫波動較大，降水量整體偏少，玉米生育期內僅307 mm；而2016年降水整體較多，生育期內達693 mm，且出現多次極端降雨現象。

表1 2015和2016年田間試驗耕層基礎土壤基本性質Table 1 Basic topsoil physical and chemical properties of experiment fields in 2015 and 2016

圖1 2015和2016年試驗地區玉米生育期內氣溫和降水情況Fig. 1 Air temperature and precipitation of experimental region during the maize cropping season in 2015 and 2016

1.2 試驗設計

田間試驗設7個處理，分別為：不施氮（N0）、尿素一次性基施200 kg N·hm-2（U200）、UAN一次性基施200 kg N·hm-2（UAN200）、尿素基施80 kg N·hm-2+追施 120 kg N·hm-2（U80-120）、UAN 基施80 kg N·hm-2+追施 120 kg N·hm-2（UAN80-120）、尿素減量基施64 kg N·hm-2+追施96 kg N·hm-2（U64-96）、UAN 減量基施 64 kg N·hm-2+追施 96 kg N·hm-2（UAN64-96），追肥時期為拔節-大喇叭口期。供試UAN為中化化肥控股有限公司的“綠植泉”產品，氮（N）含量 32.0%，其中硝態氮、銨態氮和酰胺態氮的比例分別為 7.7%、7.7%和 16.6%，普通尿素含 N 46.4%。所有處理的磷、鉀、鋅肥用量相同，分別為80 kg P2O5·hm-2（重過磷酸鈣，含P2O545%）、90 kg K2O·hm-2（氯化鉀，含 K2O 60%）和 ZnSO4?7H2O 30 kg·hm-2，均于播種前基施。肥料基施和追施的方式均為側溝施用，根據吉林省《玉米施肥技術規程》設置施肥溝與苗帶的橫向距離為 8 cm，施肥深度為 12 cm[19]。尿素處理將尿素與其他肥料均勻混合后撒入施肥溝覆土，UAN處理先將UAN定量均速撒入施肥溝，其余肥料均勻混合后撒入施肥溝覆土。除供試肥料和施肥方法外，試驗田其他管理措施均與當地農民習慣保持一致。

田間試驗小區面積為40 m2，重復3次，隨機區組排列。玉米種植密度均為6.5×104株/hm2。2015年種植品種京華8號，5月20日施基肥并播種，7月25日追肥；2016年種植品種良玉99，5月9日施基肥并播種，7月5日追肥。兩年均在10月1日收獲，生育期內均未進行人工灌溉。

1.3 測定項目與方法

田間試驗施基肥前取0—20 cm耕層土壤，按常規法測定土壤基本理化性質[20]。玉米播種前和收獲后采用土鉆以20 cm為一層分別取0—100 cm土層的新鮮土壤，播種前整個田塊選擇20個位點，收獲后每小區選擇5個位點，每個土層的多樣點土壤樣品充分混合后放入冰盒迅速帶回實驗室。新鮮土樣過5目篩后，采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液進行振蕩浸提，流動分析儀測定土壤硝態氮和銨態氮含量[21]。

試驗田收獲時測定每小區的植株密度，選擇 10株代表性植株調查產量性狀指標，包括：穗長、穗粗、禿尖長、單穗粒數和百粒重。每小區單收單打測得產量，并取5株代表性植株帶回實驗室分秸稈和籽粒兩部分稱取干重后粉碎，采用H2O2-H2SO4消煮，流動分析儀測定秸稈和籽粒含氮量。

參考巨曉棠等[22-23]的方法計算以下參數：

生育期土壤氮素礦化量 = 不施氮區作物吸氮量+不施氮區土壤無機氮殘留量-不施氮區土壤初始無機氮累積量；

生育期土壤氮素表觀損失量 =（生育期施氮量 +土壤初始無機氮累積量 + 生育期土壤氮素凈礦化量）-（作物攜出量 + 收獲后土壤無機氮殘留量）；

氮素盈余量 = 氮素表觀損失量 + 收獲后土壤無機氮殘留量；

氮肥表觀殘留率（%）=（施氮區土壤無機氮殘留量-不施氮區土壤無機氮殘留量）/ 施氮量×100；

氮肥表觀利用率（%）=（施氮區作物吸氮量-不施氮區作物吸氮量）/ 施氮量×100；

氮肥表觀損失率（%）= 100-氮肥表觀利用率-氮肥表觀殘留率。

其中，氮素礦化量的計算值不等同于實際值，其實質還包括干、濕沉降進入農田的氮素。氮肥表觀損失率的計算值并不同于利用15N實測的氮素損失，其實質包括所有未知去向的肥料氮（包括土壤生物固定、淋洗、氨揮發等）。

1.4 數據統計與分析

所有試驗數據采用 Excel 2013軟件計算，用SPSS17.0軟件進行單因素方差分析，采用LSD法比較處理間在P＝0.05水平上的差異顯著性。

圖2 不同施肥處理成熟期玉米的籽粒產量Fig. 2 Grain yield of maize under the different fertilization treatments at maturity

2 結果

2.1 施用UAN對玉米籽粒產量和產量性狀的影響

受生育期干旱的影響，2015年試驗的玉米產量水平明顯低于 2016年，但兩年中施氮處理相比 N0處理均顯著增產（圖 2）。2015年干旱條件下，UAN200處理產量最高（10.3 t·hm-2），顯著高于U80-120（9.31 t·hm-2）和 U64-96（9.14 t·hm-2）處理，而與 U200（9.71 t·hm-2）、UAN80-120（9.49 t·hm-2）和UAN64-96（9.63 t·hm-2）處理無顯著差異。2016年降雨偏多條件下，U200和UAN200處理獲得最高產量（11.9 t·hm-2），顯著高于 U80-120（10.7 t·hm-2）、UAN64-96（11.0 t·hm-2）和 U64-96（10.2 t·hm-2）處理，與UAN80-120處理（11.6 t·hm-2）無顯著差異。分析發現，相同施氮量、施用方式條件下，UAN處理產量均等于或高于尿素處理，并在2016年200 kg N·hm-2分次施用條件達顯著差異。UAN64-96處理在減氮40 kg N·hm-2條件下兩年均獲得較理想的產量水平，2015年干旱條件下甚至接近UAN200和U200處理產量。

2016年產量性狀調查顯示，施氮后玉米的產量性狀普遍改善（表 2）。施氮處理間主要在單穗粒數和禿尖長度指標上存在差異，UAN200處理的單穗粒數顯著高于U80-120、U64-96處理，而UAN200、UAN80-120處理的禿尖長顯著低于 U64-96處理。相同施氮量、施用方式條件下，UAN處理相比尿素處理的單穗粒數較高而禿尖長較低，但并無顯著差異。

表2 2016年不同施肥處理成熟期玉米的產量性狀Table 2 Yield characteristics of maize under the different fertilization treatments at maturity in 2016

2.2 施用UAN對玉米成熟期植株吸氮量的影響

施氮顯著提高玉米植株的氮素吸收量（圖 3），兩年均以UAN200處理的植株吸氮量最高（187.4和288.2 kg·hm-2），而U64-96處理最低（159.1和243.8kg·hm-2）。2015年干旱條件下，UAN200處理顯著高于除 UAN64-96處理（178.1 kg·hm-2）外的各施氮處理，U200處理顯著高于U64-96處理。2016年降雨偏多條件下，U200、UAN200、UAN64-96處理顯著高于U80-120和U64-96處理。與產量結果類似，相同施氮量、施用方式條件下 UAN處理的植株吸氮量均等于或高于尿素處理，其中2015年200 kg N·hm-2一次性施用、2015和2016年160 kg N·hm-2分次性施用條件下達到顯著差異。另外，兩年中UAN64-96處理的植株吸氮量均高于U80-120和U64-96處理，而與UAN200、U200處理無顯著差異。

圖3 不同施肥處理成熟期玉米植株的氮素吸收量Fig. 3 Nitrogen uptake in maize plant under the different fertilization treatments at maturity

2.3 施用UAN對玉米收獲后土壤無機氮累積量的影響

圖4顯示，2015和2016年試驗田播前0—100 cm土層無機氮累積量分別為87.8和110.0 kg·hm-2，玉米收獲后各處理土壤無機氮累積量相比播前明顯下降，2016年降幅更高。不同施肥處理0—100 cm土層土壤無機氮總累積量存在差異，兩年中 N0處理均為最低（36.6、31.1 kg·hm-2），施氮處理中以 U200處理最高（69.0、62.2 kg·hm-2），其次為 UAN200和U80-120處理，而 U64-96處理相對較低（40.5、38.1 kg·hm-2）。各施氮處理土壤無機氮在縱向分布均呈由表層向深層逐漸下降的趨勢，2015年除U200處理外其余的施氮處理土壤中下層（40—100 cm）無機氮累積量與 N0處理接近，而2016年除80—100 cm土層外各施氮處理均高于 N0處理。結果表明，相同施氮量、施用方式條件下，UAN處理收獲后土壤無機氮殘留較尿素處理相對較低。

圖4 不同施肥處理玉米收獲后土壤無機氮累積量Fig. 4 Soil mineral nitrogen under the different fertilization treatments after maize harvesting

2.4 施用UAN對土壤-作物系統氮素平衡的影響

分析農田土壤-作物系統的氮素平衡發現（表3），兩年中氮肥投入均是施氮處理氮素輸入的主要來源，占比42.1%—57.7%，其次為播前無機氮累積量，而氮素礦化量較低。氮素輸出的主要途徑為作物吸收，占比48.5%—71.6%，其次為氮素表觀損失，土壤無機氮殘留則較少。相比 2015年，2016年播前土壤無機氮累積量、氮素礦化量和作物吸氮量均偏低，而收獲后土壤無機氮殘留量和氮素表觀損失量較高，因而氮素盈余量也較高。不同施氮處理中，U80-120處理的氮素盈余最高，其次為 UAN80-120和U200處理，而UAN64-96處理相對較低。相同施氮量、施用方式條件下，UAN處理的氮素盈余量均低于尿素處理，尤其是160 kg N·hm-2分次施用方式有利于減少土壤-作物系統的氮素盈余，從而降低氮素損失風險。

2.5 施用UAN對氮肥表觀利用、殘留和損失的影響

相比2015年，2016年氮素的表觀利用率明顯較高，表觀殘留率接近，表觀損失率則相對較低（表4）。兩年中UAN64-96處理的氮素表觀利用率均為最高，顯著高于U80-120、UAN80-120和U64-96處理，其中U80-120處理均為最低。氮素表觀殘留率以U64-96處理最低，其次為UAN80-120、U64-96處理，而U200、U80-120處理相對較高。氮素表觀損失率以 U80-120和U64-96處理較高，其次為UAN80-120、UAN64-96處理，而U200和UAN200處理相對較低。相同施氮量、施用方式條件下，UAN處理的氮素表觀利用率均高于尿素處理，而氮素表觀殘留率相對較低。氮素表觀利用率方面，UAN200 kg N·hm-2一次性和分次施用方式下與尿素接近，但160 kg N·hm-2分次施用方式下則顯著較低。結果表明，UAN在減量分次施用時氮素殘留和損失較少，氮素利用率較高，環境效應較好。

3 討論

國內外大量研究顯示，無論是采用土壤表施、深施、噴施或滴灌方式，合理施用UAN均可獲得良好的作物應用效果，而且其氨揮發量較低，損失較少，氮肥利用率較高[6-18]。2013年農業部發布的《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》表明，當前中國玉米施用氮肥的當季平均利用率為32%[24]。本研究兩年試驗中，除2016年U200處理外玉米施用尿素的當季氮肥利用率 27.5%—34.2%，與全國平均水平非常接近。而玉米施用 UAN的當季氮肥利用率 30.5%—52.0%，明顯高于尿素處理及全國平均水平。植株生長和系統氮素平衡結果顯示，本研究條件下，UAN采用相同的施氮量和施氮方式相比尿素可增加玉米產量和植株吸氮量，同時減少土壤氮素殘留與損失，從而獲得較高的氮肥利用率。

表3 不同施肥處理玉米生育期內土壤-作物系統的氮素平衡狀況（kg·hm-2）Table 3 Nitrogen balance in soil-crop system under the different fertilization treatments during the maize cropping season

表4 不同施肥處理玉米生育期內的氮素表觀利用、殘留和損失比例Table 4 The percentage of apparent recovery, residual and loss in N balance under the different fertilization treatments during the maize cropping season

兩年試驗中，UAN不同施用方式的肥效略有差異。2015年，UAN64-96處理在節氮20%的基礎上，其產量水平和植株吸氮量與 UAN200處理無顯著差異，而土壤氮素殘留較少，氮素利用率較高。2016年，UAN200處理的產量、植株吸氮量均為最高，氮素表觀損失最低，氮素利用率較高。與其相比，UAN64-96處理盡管產量和植株吸氮量略有下降，但仍處于較高水平，且土壤殘留最少，氮素利用率最高。因此，從施氮量、產量和氮素利用及損失等方面綜合考慮，黑土區春玉米推薦160 kg N·hm-2UAN以基肥40%和拔節-大喇叭口期追肥60%分次施用。

本研究條件下，年際間不同的氣候條件可能是影響UAN肥效的關鍵因素之一。2015年干旱條件下，UAN在投入養分的同時帶入一定量水分，起到緩解干旱脅迫的作用，同時促進了養分的轉化與吸收，而顆粒尿素在干旱高溫條件下易發生分解而增大了養分損失[25-26]。因此，UAN的肥效總體上好于尿素，但其不同施用方式間的差異相對較小。2016年降雨偏多條件下，玉米施用基肥和追肥后的半個月內降雨量分別達到96 和51 mm，較多的降水可能增加了土壤肥料氮素的流失和淋失。尿素溶解或水解后氮素更易隨水流失[27-28]，分次施用條件下其養分損失更多，導致肥效較差。而 UAN盡管保肥性相對較好，但分次施用條件下可能也導致了一部分氮素的淋失，因此產量水平和植株吸氮量較一次性基施處理略有下降。另外，本研究施肥的深度均設計為12 cm，施肥深度對于肥料養分的釋放、遷移及作物的吸收與利用也會造成一定影響[29-30]，這也可能導致了不同氣候條件下 UAN肥效的差異。因此，針對 UAN的肥效機理和應用技術還需進一步研究探討，尤其是不同環境條件下養分的釋放與轉化差異，從而為 UAN的科學合理施用提供依據。

中國UAN的生產與應用起步較晚，2010年開始少量進口，近年來才逐漸受到關注。2013年農業部開始登記UAN，將其列入肥料登記目錄，并于2015年發布了UAN的農業行業標準（NY 2670—2015），為產品生產和推廣提供了依據[31]。據中國氮肥工業協會統計，目前中國同時具有尿素和硝酸銨生產能力的企業有18家，可形成1 300萬噸的UAN產能[32]。作為具有良好肥效、施用靈活、節能環保的優質氮源，UAN在中國未來作物生產中必將得到更廣泛推廣和應用，對于氮肥企業來說也是促進產品結構調整、緩解過剩產能的重要產品。但需要注意的是，UAN作為具有一定腐蝕性的液體肥料，需要專門設計的生產、運輸、儲備及施用裝置[1-2]。因此，還應加強對其相關配套裝置設備的研發，以促進中國 UAN產業進步，推進綠色高效可持續農業發展。

4 結論

相同施氮量、施用方式條件下，尿素硝銨溶液（UAN）處理的玉米產量和植株吸氮量均等于或高于尿素處理，而收獲后土壤無機氮殘留量和氮素盈余量較低，因而獲得較高的氮素利用率。與200 kg N·hm-2一次性基施或分次施用相比，160 kg N·hm-2UAN分次施用在減氮20%條件下獲得較理想的產量水平，同時土壤氮素殘留較少，氮素利用率明顯較高，2015和2016年分別達42.6%和52.0%。本研究施肥深度12 cm條件下，從施氮量、產量和氮素利用及損失等方面綜合考慮，黑土區春玉米推薦160 kg N·hm-2UAN以基肥 40%和拔節-大喇叭口期追肥 60%分次施用。

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