尿素硝铵溶液对黑土区春玉米产量和氮素吸收利用的影响

王寅，徐卓，李博凝，高强，冯国忠，李翠兰，焉莉，王少杰

（吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春130118）

0 引言

【研究意义】尿素硝铵溶液（urea ammonium nitrate solution，UAN）也称氮溶液，由尿素、硝铵和水配制而成，集硝态、铵态和酰胺态3种氮素形态于一体，兼有速效与长效氮源优势，肥效和氮素利用率较高[1]。UAN是生产液体复混肥、水溶肥的基础原料，也可通过喷灌、滴灌和机械深施等手段直接施用，同时也是微量元素肥料、杀虫剂、除草剂的优良载体[2]。UAN的生产相比固体氮肥减少了浓缩、造粒、烘干等环节，等养分条件下（含 N32%）运输体积较尿素小20%，运输成本较低，具有节能减排环保的优点[1-5]。因此，当前国内氮肥行业产能过剩、农田过量施肥的情况下，发展 UAN是促进肥料行业转型升级和农业减肥增效绿色发展的重要途径。【前人研究进展】UAN生产始于20世纪70年代的美国，目前产量占全球氮肥总产量的 4%左右，已在北美、欧洲、中亚、大洋洲等地区广泛使用[2-5]。据统计，2012年全球UAN产量超过2 000万吨，其中美国为1 360万吨，占比超过2/3。北美地区的研究显示，UAN在小麦、玉米、牧草等作物上都表现出良好的应用效果[6-10]。与尿素相比，UAN对作物种子的出苗和萌发更为安全，可减少肥害[11]。作追肥喷施时，UAN相比尿素、硫铵可有效提高小麦蛋白质含量[12-13]。而且，UAN的氨挥发量在不同土壤类型上均低于尿素，提高其硝铵比例可进一步减少氨挥发量[14-15]。国内研究中，江苏水稻采用UAN作为分蘖肥、促花肥和保花肥进行喷施，较配方施肥有不同程度增产效果[16]。新疆棉花滴灌研究发现UAN相比尿素增产 9.2%，而番茄滴灌试验表明产量和氮肥利用率分别提高9.5%和19.5%[17-18]。【本研究切入点】国外对 UAN的研究与应用起步较早，而国内产业随液体肥、水溶肥发展才刚刚起步，相关应用及研究还相对较少。目前，国内有关大田作物土壤施用 UAN的肥效研究鲜有报道，作物产量反应与氮素利用状况尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究通过在吉林省黑土区连续两年设置大田试验，以尿素为对照，研究不同用量和施用方式下 UAN对春玉米产量与产量性状、植株吸氮量、土壤无机氮残留量及系统氮素平衡状况的影响，评估其应用效果与氮素利用效率，为UAN在该区域的科学应用及推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地区概况

本研究连续两年在吉林省四平市梨树县设置田间试验，2015年位于四棵树乡三棵树村农户田块，2016年位于梨树镇泉眼沟村中国农业大学梨树试验站内，均属典型黑土区，土壤肥力相对较高。两年田间试验的土壤类型和基础理化性质如表1所示。研究区域属温带半湿润大陆性季风气候，雨热同期，年均降雨量在580 mm左右，集中在6—8月，主要种植制度一年一熟玉米连作。图1显示，相比多年平均气候状况，2015年气温波动较大，降水量整体偏少，玉米生育期内仅307 mm；而2016年降水整体较多，生育期内达693 mm，且出现多次极端降雨现象。

表1 2015和2016年田间试验耕层基础土壤基本性质Table 1 Basic topsoil physical and chemical properties of experiment fields in 2015 and 2016

图1 2015和2016年试验地区玉米生育期内气温和降水情况Fig. 1 Air temperature and precipitation of experimental region during the maize cropping season in 2015 and 2016

1.2 试验设计

田间试验设7个处理，分别为：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）、尿素减量基施64 kg N·hm-2+追施96 kg N·hm-2（U64-96）、UAN 减量基施 64 kg N·hm-2+追施 96 kg N·hm-2（UAN64-96），追肥时期为拔节-大喇叭口期。供试UAN为中化化肥控股有限公司的“绿植泉”产品，氮（N）含量 32.0%，其中硝态氮、铵态氮和酰胺态氮的比例分别为 7.7%、7.7%和 16.6%，普通尿素含 N 46.4%。所有处理的磷、钾、锌肥用量相同，分别为80 kg P2O5·hm-2（重过磷酸钙，含P2O545%）、90 kg K2O·hm-2（氯化钾，含 K2O 60%）和 ZnSO4⋅7H2O 30 kg·hm-2，均于播种前基施。肥料基施和追施的方式均为侧沟施用，根据吉林省《玉米施肥技术规程》设置施肥沟与苗带的横向距离为 8 cm，施肥深度为 12 cm[19]。尿素处理将尿素与其他肥料均匀混合后撒入施肥沟覆土，UAN处理先将UAN定量均速撒入施肥沟，其余肥料均匀混合后撒入施肥沟覆土。除供试肥料和施肥方法外，试验田其他管理措施均与当地农民习惯保持一致。

田间试验小区面积为40 m2，重复3次，随机区组排列。玉米种植密度均为6.5×104株/hm2。2015年种植品种京华8号，5月20日施基肥并播种，7月25日追肥；2016年种植品种良玉99，5月9日施基肥并播种，7月5日追肥。两年均在10月1日收获，生育期内均未进行人工灌溉。

1.3 测定项目与方法

田间试验施基肥前取0—20 cm耕层土壤，按常规法测定土壤基本理化性质[20]。玉米播种前和收获后采用土钻以20 cm为一层分别取0—100 cm土层的新鲜土壤，播种前整个田块选择20个位点，收获后每小区选择5个位点，每个土层的多样点土壤样品充分混合后放入冰盒迅速带回实验室。新鲜土样过5目筛后，采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液进行振荡浸提，流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量[21]。

试验田收获时测定每小区的植株密度，选择 10株代表性植株调查产量性状指标，包括：穗长、穗粗、秃尖长、单穗粒数和百粒重。每小区单收单打测得产量，并取5株代表性植株带回实验室分秸秆和籽粒两部分称取干重后粉碎，采用H2O2-H2SO4消煮，流动分析仪测定秸秆和籽粒含氮量。

参考巨晓棠等[22-23]的方法计算以下参数：

生育期土壤氮素矿化量 = 不施氮区作物吸氮量+不施氮区土壤无机氮残留量-不施氮区土壤初始无机氮累积量；

生育期土壤氮素表观损失量 =（生育期施氮量 +土壤初始无机氮累积量 + 生育期土壤氮素净矿化量）-（作物携出量 + 收获后土壤无机氮残留量）；

氮素盈余量 = 氮素表观损失量 + 收获后土壤无机氮残留量；

氮肥表观残留率（%）=（施氮区土壤无机氮残留量-不施氮区土壤无机氮残留量）/ 施氮量×100；

氮肥表观利用率（%）=（施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量）/ 施氮量×100；

氮肥表观损失率（%）= 100-氮肥表观利用率-氮肥表观残留率。

其中，氮素矿化量的计算值不等同于实际值，其实质还包括干、湿沉降进入农田的氮素。氮肥表观损失率的计算值并不同于利用15N实测的氮素损失，其实质包括所有未知去向的肥料氮（包括土壤生物固定、淋洗、氨挥发等）。

1.4 数据统计与分析

所有试验数据采用 Excel 2013软件计算，用SPSS17.0软件进行单因素方差分析，采用LSD法比较处理间在P＝0.05水平上的差异显著性。

图2 不同施肥处理成熟期玉米的籽粒产量Fig. 2 Grain yield of maize under the different fertilization treatments at maturity

2 结果

2.1 施用UAN对玉米籽粒产量和产量性状的影响

受生育期干旱的影响，2015年试验的玉米产量水平明显低于 2016年，但两年中施氮处理相比 N0处理均显著增产（图 2）。2015年干旱条件下，UAN200处理产量最高（10.3 t·hm-2），显著高于U80-120（9.31 t·hm-2）和 U64-96（9.14 t·hm-2）处理，而与 U200（9.71 t·hm-2）、UAN80-120（9.49 t·hm-2）和UAN64-96（9.63 t·hm-2）处理无显著差异。2016年降雨偏多条件下，U200和UAN200处理获得最高产量（11.9 t·hm-2），显著高于 U80-120（10.7 t·hm-2）、UAN64-96（11.0 t·hm-2）和 U64-96（10.2 t·hm-2）处理，与UAN80-120处理（11.6 t·hm-2）无显著差异。分析发现，相同施氮量、施用方式条件下，UAN处理产量均等于或高于尿素处理，并在2016年200 kg N·hm-2分次施用条件达显著差异。UAN64-96处理在减氮40 kg N·hm-2条件下两年均获得较理想的产量水平，2015年干旱条件下甚至接近UAN200和U200处理产量。

2016年产量性状调查显示，施氮后玉米的产量性状普遍改善（表 2）。施氮处理间主要在单穗粒数和秃尖长度指标上存在差异，UAN200处理的单穗粒数显著高于U80-120、U64-96处理，而UAN200、UAN80-120处理的秃尖长显著低于 U64-96处理。相同施氮量、施用方式条件下，UAN处理相比尿素处理的单穗粒数较高而秃尖长较低，但并无显著差异。

表2 2016年不同施肥处理成熟期玉米的产量性状Table 2 Yield characteristics of maize under the different fertilization treatments at maturity in 2016

2.2 施用UAN对玉米成熟期植株吸氮量的影响

施氮显著提高玉米植株的氮素吸收量（图 3），两年均以UAN200处理的植株吸氮量最高（187.4和288.2 kg·hm-2），而U64-96处理最低（159.1和243.8kg·hm-2）。2015年干旱条件下，UAN200处理显著高于除 UAN64-96处理（178.1 kg·hm-2）外的各施氮处理，U200处理显著高于U64-96处理。2016年降雨偏多条件下，U200、UAN200、UAN64-96处理显著高于U80-120和U64-96处理。与产量结果类似，相同施氮量、施用方式条件下 UAN处理的植株吸氮量均等于或高于尿素处理，其中2015年200 kg N·hm-2一次性施用、2015和2016年160 kg N·hm-2分次性施用条件下达到显著差异。另外，两年中UAN64-96处理的植株吸氮量均高于U80-120和U64-96处理，而与UAN200、U200处理无显著差异。

图3 不同施肥处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对玉米收获后土壤无机氮累积量的影响

图4显示，2015和2016年试验田播前0—100 cm土层无机氮累积量分别为87.8和110.0 kg·hm-2，玉米收获后各处理土壤无机氮累积量相比播前明显下降，2016年降幅更高。不同施肥处理0—100 cm土层土壤无机氮总累积量存在差异，两年中 N0处理均为最低（36.6、31.1 kg·hm-2），施氮处理中以 U200处理最高（69.0、62.2 kg·hm-2），其次为 UAN200和U80-120处理，而 U64-96处理相对较低（40.5、38.1 kg·hm-2）。各施氮处理土壤无机氮在纵向分布均呈由表层向深层逐渐下降的趋势，2015年除U200处理外其余的施氮处理土壤中下层（40—100 cm）无机氮累积量与 N0处理接近，而2016年除80—100 cm土层外各施氮处理均高于 N0处理。结果表明，相同施氮量、施用方式条件下，UAN处理收获后土壤无机氮残留较尿素处理相对较低。

图4 不同施肥处理玉米收获后土壤无机氮累积量Fig. 4 Soil mineral nitrogen under the different fertilization treatments after maize harvesting

2.4 施用UAN对土壤-作物系统氮素平衡的影响

分析农田土壤-作物系统的氮素平衡发现（表3），两年中氮肥投入均是施氮处理氮素输入的主要来源，占比42.1%—57.7%，其次为播前无机氮累积量，而氮素矿化量较低。氮素输出的主要途径为作物吸收，占比48.5%—71.6%，其次为氮素表观损失，土壤无机氮残留则较少。相比 2015年，2016年播前土壤无机氮累积量、氮素矿化量和作物吸氮量均偏低，而收获后土壤无机氮残留量和氮素表观损失量较高，因而氮素盈余量也较高。不同施氮处理中，U80-120处理的氮素盈余最高，其次为 UAN80-120和U200处理，而UAN64-96处理相对较低。相同施氮量、施用方式条件下，UAN处理的氮素盈余量均低于尿素处理，尤其是160 kg N·hm-2分次施用方式有利于减少土壤-作物系统的氮素盈余，从而降低氮素损失风险。

2.5 施用UAN对氮肥表观利用、残留和损失的影响

相比2015年，2016年氮素的表观利用率明显较高，表观残留率接近，表观损失率则相对较低（表4）。两年中UAN64-96处理的氮素表观利用率均为最高，显著高于U80-120、UAN80-120和U64-96处理，其中U80-120处理均为最低。氮素表观残留率以U64-96处理最低，其次为UAN80-120、U64-96处理，而U200、U80-120处理相对较高。氮素表观损失率以 U80-120和U64-96处理较高，其次为UAN80-120、UAN64-96处理，而U200和UAN200处理相对较低。相同施氮量、施用方式条件下，UAN处理的氮素表观利用率均高于尿素处理，而氮素表观残留率相对较低。氮素表观利用率方面，UAN200 kg N·hm-2一次性和分次施用方式下与尿素接近，但160 kg N·hm-2分次施用方式下则显著较低。结果表明，UAN在减量分次施用时氮素残留和损失较少，氮素利用率较高，环境效应较好。

3 讨论

国内外大量研究显示，无论是采用土壤表施、深施、喷施或滴灌方式，合理施用UAN均可获得良好的作物应用效果，而且其氨挥发量较低，损失较少，氮肥利用率较高[6-18]。2013年农业部发布的《中国三大粮食作物肥料利用率研究报告》表明，当前中国玉米施用氮肥的当季平均利用率为32%[24]。本研究两年试验中，除2016年U200处理外玉米施用尿素的当季氮肥利用率 27.5%—34.2%，与全国平均水平非常接近。而玉米施用 UAN的当季氮肥利用率 30.5%—52.0%，明显高于尿素处理及全国平均水平。植株生长和系统氮素平衡结果显示，本研究条件下，UAN采用相同的施氮量和施氮方式相比尿素可增加玉米产量和植株吸氮量，同时减少土壤氮素残留与损失，从而获得较高的氮肥利用率。

表3 不同施肥处理玉米生育期内土壤-作物系统的氮素平衡状况（kg·hm-2）Table 3 Nitrogen balance in soil-crop system under the different fertilization treatments during the maize cropping season

表4 不同施肥处理玉米生育期内的氮素表观利用、残留和损失比例Table 4 The percentage of apparent recovery, residual and loss in N balance under the different fertilization treatments during the maize cropping season

两年试验中，UAN不同施用方式的肥效略有差异。2015年，UAN64-96处理在节氮20%的基础上，其产量水平和植株吸氮量与 UAN200处理无显著差异，而土壤氮素残留较少，氮素利用率较高。2016年，UAN200处理的产量、植株吸氮量均为最高，氮素表观损失最低，氮素利用率较高。与其相比，UAN64-96处理尽管产量和植株吸氮量略有下降，但仍处于较高水平，且土壤残留最少，氮素利用率最高。因此，从施氮量、产量和氮素利用及损失等方面综合考虑，黑土区春玉米推荐160 kg N·hm-2UAN以基肥40%和拔节-大喇叭口期追肥60%分次施用。

本研究条件下，年际间不同的气候条件可能是影响UAN肥效的关键因素之一。2015年干旱条件下，UAN在投入养分的同时带入一定量水分，起到缓解干旱胁迫的作用，同时促进了养分的转化与吸收，而颗粒尿素在干旱高温条件下易发生分解而增大了养分损失[25-26]。因此，UAN的肥效总体上好于尿素，但其不同施用方式间的差异相对较小。2016年降雨偏多条件下，玉米施用基肥和追肥后的半个月内降雨量分别达到96 和51 mm，较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随水流失[27-28]，分次施用条件下其养分损失更多，导致肥效较差。而 UAN尽管保肥性相对较好，但分次施用条件下可能也导致了一部分氮素的淋失，因此产量水平和植株吸氮量较一次性基施处理略有下降。另外，本研究施肥的深度均设计为12 cm，施肥深度对于肥料养分的释放、迁移及作物的吸收与利用也会造成一定影响[29-30]，这也可能导致了不同气候条件下 UAN肥效的差异。因此，针对 UAN的肥效机理和应用技术还需进一步研究探讨，尤其是不同环境条件下养分的释放与转化差异，从而为 UAN的科学合理施用提供依据。

中国UAN的生产与应用起步较晚，2010年开始少量进口，近年来才逐渐受到关注。2013年农业部开始登记UAN，将其列入肥料登记目录，并于2015年发布了UAN的农业行业标准（NY 2670—2015），为产品生产和推广提供了依据[31]。据中国氮肥工业协会统计，目前中国同时具有尿素和硝酸铵生产能力的企业有18家，可形成1 300万吨的UAN产能[32]。作为具有良好肥效、施用灵活、节能环保的优质氮源，UAN在中国未来作物生产中必将得到更广泛推广和应用，对于氮肥企业来说也是促进产品结构调整、缓解过剩产能的重要产品。但需要注意的是，UAN作为具有一定腐蚀性的液体肥料，需要专门设计的生产、运输、储备及施用装置[1-2]。因此，还应加强对其相关配套装置设备的研发，以促进中国 UAN产业进步，推进绿色高效可持续农业发展。

4 结论

相同施氮量、施用方式条件下，尿素硝铵溶液（UAN）处理的玉米产量和植株吸氮量均等于或高于尿素处理，而收获后土壤无机氮残留量和氮素盈余量较低，因而获得较高的氮素利用率。与200 kg N·hm-2一次性基施或分次施用相比，160 kg N·hm-2UAN分次施用在减氮20%条件下获得较理想的产量水平，同时土壤氮素残留较少，氮素利用率明显较高，2015和2016年分别达42.6%和52.0%。本研究施肥深度12 cm条件下，从施氮量、产量和氮素利用及损失等方面综合考虑，黑土区春玉米推荐160 kg N·hm-2UAN以基肥 40%和拔节-大喇叭口期追肥 60%分次施用。

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