冬小麦-夏玉米轮作体系不同新型尿素的氮素利用率及去向

杜思婕，张艺磊，张志勇，吉艳芝，尹 兴，韩 建，张丽娟*

（1 河北农业大学资源与环境学院/河北省农田生态环境重点实验室/河北农业大学邸洪杰土壤与环境实验室，河北保定071000；2 韩国启明大学，韩国大邱 704-701；3 滦南县农业农村局，河北滦南 063500；4 河北经贸大学，河北石家庄 050000）

氮肥利用率低、损失率高是我国普遍现象[1-2]。当前我国农田施用氮肥(N)约为3100万 t/年，损失率达40%～50%[3]。我国氮肥利用效率远低于世界发达国家水平[4]，其主要原因为农民在农业生产实践中往往忽视残留氮肥的后效，仍按传统方式施肥，而长期大量施用氮肥会造成土壤氮素的大量累积[5]，且易在灌溉或降水作用下以硝态氮为主要形式向土壤深层淋洗，从而污染地下水[6]。新型控释尿素较普通尿素养分释放慢，可提高氮肥利用率、减少氮肥淋失、降低环境污染[7-8]。因此，研究不同新型尿素的农田氮素吸收和去向，对筛选出优质氮肥种类及其在农业生产中的推广应用有重要的指导意义。新型尿素有利于改善土壤质量，提高土壤透气保水能力，且能够有效提高土壤微生物多样性，是节本增效、环境友好的土壤改良剂[9]。控失尿素中的控失剂能够固化土壤氮素，延缓养分释放[10]。控失尿素具有使用方便、增效节肥、保护环境等特征，可有效提高小麦、玉米、水稻等作物的养分吸收利用能力及产量和品质[11-12]。聚能网尿素有较多络合基团与强螯合功能的高分子活性物质，作物生长所需的养分可以吸附在根系周围并在需要时转移到茎和叶，促使作物生长发育[13]。普通尿素中不同用量聚能网能适度改善玉米地上部养分积累量，促进养分吸收利用，增加玉米产量，提高经济效益[14]。腐植酸是动植物残骸经过微生物分解和转化，以及一系列地球化学过程形成和累积的一类成分复杂的天然有机高分子混合物[15]。研究表明，腐植酸氮肥可改善养分在土壤中的分布，满足根系的养分吸收；又可提高尿素中氮的稳定性，提高氮肥利用率，减少氮素损失[16-18]。目前，河南心连心化肥有限公司研制出新型缓释尿素，已在全国24个省市进行试验示范，试验结果显示增产增效、环境友好，与普通尿素相比，施用聚能网尿素可使玉米产量增加6.63%～23.70%，氮肥利用率提高24.79%[14]，施用控失尿素较普通尿素可使小麦增产7.32%，氮肥利用率达32.85%[19]。施用腐植酸尿素较传统氮肥可使小麦增产10%以上，氮肥利用率提高11%～12%[20]。Bhogal等[21]研究表明，后茬作物能利用前茬残留氮素的8%～20%，残留氮具有较强后效。虽然已有研究报道了不同施氮水平[22]、不同田间管理方式[23]、耕层水氮调控[24]或根层调控[25]等条件下冬小麦–夏玉米轮作体系氮素吸收及去向，而有关新型尿素对该轮作体系氮素吸收利用、损失及后效的影响鲜有报道。因此，本研究采用15N示踪技术进行田间微区试验，研究小麦对不同类型缓释尿素氮素的吸收利用和残留氮素在土壤及环境中的去向及后效，从而优选出高产高效的氮肥种类，为其在农业生产中的应用和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2016年10月至2017年9月在河北农业大学辛集试验站进行。该试验站位于北纬37°51′，东经 115°15′，地处低洼平原和山麓平原过渡带；四季分明，年平均气温为13°C，年平均降水量490 mm，主要集中在6—8月份，占全年降水量的三分之二。试验期间的降雨情况见图1，其中小麦和玉米季降水量分别为110、260 mm，小麦季较为干旱，玉米季雨水较多。试验地土壤为冲积性潮褐土，0—100 cm土壤基本理化性状见表1。

图1 小麦-玉米生育期间降水量与灌溉量Fig. 1 Precipitation and irrigation during the wheat-maize growth period

表1 试验地土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil in the field experiment

1.2 供试尿素

选择控失剂、聚能网材料、腐植酸作为添加剂，与丰度为5.18%的15N标记尿素配合，造粒、过筛并自然风干后成粒，制成含氮量44%的控失尿素、含氮量46%的聚能网尿素、含氮量46%的腐植酸尿素。硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶(简称Nr)，用普通尿素与纯氮量为1%的Nr制成含Nr尿素 (普通尿素 +Nr)。

1.3 试验设计

试验共设置6个处理，分别为：1) 不施氮，2) 普通尿素，3) 普通尿素 + Nr，4) 控失尿素，5) 聚能网尿素，6) 腐植酸尿素。其中，3)～6)为4种新型尿素，氮均为15N。每个处理3个重复，共18个微区，采取随机区组的排列方式。微区用长1 m、宽1 m、高0.5 m的铁皮框制成，地面以上保留0.05 m，垂直向下嵌入0.45 m，小区间间隔1 m，试验区四周设2 m 保护行。

氮素用量为225 kg/hm2，较农民传统用量(250 kg/hm2)降低了10%。具体施肥情况如下：小麦季各处理基施磷、钾量相同，分别为P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2；基施氮肥 135 kg/hm2(N)，追施氮肥90 kg/hm2(N)；种植前取出约 2 kg 土，过 5 mm 筛后，再与氮磷钾肥混匀，均匀撒施到微区，翻耕后播种；追肥时，先将15N标记的尿素溶解于水中，再用喷壶将溶液均匀喷洒到微区，最后浇上60 mm的水。夏玉米季氮肥种类均为普通尿素，用量为225 kg/hm2(N)，按照1∶1的比例分别在三叶期和十叶期，采用沟施覆土的施肥方式施用，不施用磷肥和钾肥。

1.4 种植方式和田间管理

1) 冬小麦：供试小麦品种为冀麦585，行距15 cm，播种量为300 kg/hm2。肥料撒施，翻耕后于2016年9月30日播种，2017年6月7日收获。由于小麦生长季雨水较少，为保证土壤墒情，在播前、越冬期、拔节期、追肥期、扬花期分别灌水60 mm。灌水时，缓慢浇入1 m2微区内，防止溢出。

2) 夏玉米：供试玉米品种为先玉335，行距60 cm、株距30 cm，每个微区6株。于2017年6月13日播种，在铁皮框内进行人工开沟播种，播后灌水70 mm。2017年10月15日收获。

其他田间管理同常规。

1.5 样品采集与测定

1) 植物样品：将15N 微区的植株地上部分沿地面全部割下称鲜重，并将籽粒和秸秆分开，风干后称重，之后在65℃下烘干，称干重。随机选取20株植株样品全部粉碎过0.15 mm筛，混匀后，连续用4分法取测定所需的样品量，用于测定植株含氮量和15N丰度。

2) 土壤样品：小麦和玉米收获时，在微区采集0—200 cm 的土壤 (以 20 cm 为间隔，每区取两钻，等层混匀)，要避免各点间和各层间污染，用于测定全氮含量和15N丰度。取样后，将取样孔用性质相同的土壤填充、压实，以保证填充后的土壤容重与原土壤接近，此过程注意防止上层15N对下层土壤的污染，最后用标杆标记。

3)15N丰度测定：土壤和植株的15N及全氮含量通过美国热电公司同位素比率质谱仪 (Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS) 测定。

1.6 计算方法

植株中来自化肥的氮量 %Ndff (kg/hm2) = 植物 %Ndff × 植物吸氮量 (kg/hm2)；

土壤各层来自15N肥料的氮量%Ndff (kg/hm2) =土壤各层全氮含量 (kg/hm2) × 土壤各层 %Ndff；

土壤氮库总平衡[26-27]= 0—200 cm 土体残留15N 标记肥料氮 + 秸秆还田氮 + 干湿沉降氮 + 灌溉氮 + 种子氮-作物吸收土壤氮

1.7 数据统计与分析

试验数据均使用Excel和SPSS 21.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生物量及对标记氮的吸收利用

由表2可知，冬小麦籽粒产量在施用控失尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素后较CK和普通尿素处理均显著增加，籽粒产量最高的是控失尿素处理，为8123 kg/hm2，与不施氮肥和施普通尿素处理相比，产量分别增加了44.2%、11.2%；腐植酸尿素、聚能网尿素处理的籽粒产量较普通尿素处理分别提高了10.7%、10.2%；普通尿素处理的冬小麦籽粒产量低于普通尿素 + Nr处理，但差异不显著。各处理间秸秆生物量差异不显著。

表2 冬小麦生物量及对标记15N肥料的利用率Table 2 Winter wheat biomass, nitrogen uptake and the utilization of labeled 15N fertilizer

与不施氮处理相比，控失尿素、聚能网尿素和腐植酸尿素处理的籽粒吸氮量提高了69.0%、71.5%和76.4%；控失尿素、聚能网尿素和腐植酸尿素处理的秸秆吸氮量较普通尿素处理分别提高了28.9%、15.7%和17.4%。普通尿素 + Nr和普通尿素处理的籽粒和秸秆吸氮量均显著高于CK；控失尿素、聚能网尿素和腐植酸尿素处理的籽粒和秸秆吸氮量显著高于普通尿素 + Nr处理。

普通尿素处理小麦籽粒15N利用率最低，仅为26.6%；普通尿素 + Nr处理略高于普通尿素处理，但差异不显著；聚能网尿素处理为31.0%，显著高于普通尿素处理；控失尿素、腐植酸尿素处理小麦籽粒15N利用率分别为34.6%、33.9%，高于聚能网尿素处理(31.0%)。普通尿素处理秸秆15N利用率最低，仅为5.6%；普通尿素 + Nr处理略高于普通尿素处理，但差异不显著；控失尿素处理的秸秆15N利用率最高，为9.0%，显著高于普通尿素 +Nr处理；腐植酸尿素和聚能网尿素处理次之，分别为7.2%、6.8%，显著高于普通尿素处理。与普通尿素处理相比，控失尿素、腐植酸尿素、聚能网尿素处理总体15N利用率分别提高35.4%、27.6%、17.4%。

2.2 土壤剖面硝态氮的运移与15N 丰度变化

小麦收获后0—200 cm土壤硝态氮的变化特征(图2 )显示，普通尿素硝态氮含量在60—100 cm有明显增加趋势；0—20 cm表层聚能网尿素处理硝态氮浓度最大，为 29.4 mg/kg；普通尿素 + Nr处理次之，为29.1 mg/kg；腐植酸尿素处理再其次，为22.1 mg/kg，均高于普通尿素处理。说明分别施用4种新型尿素有降低土壤硝态氮向下运移转化的作用。

由冬小麦收获后土壤全氮原子百分超（图2 )可知，普通尿素处理在80—100 cm处出现最高峰，说明施用普通尿素易使硝态氮向下运移转化。控失尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素与普通尿素 + Nr处理变化趋势相似，各土层15N垂直分布自上而下递减，15N主要残留在0—40 cm土层，分别占15N总残留量的52.4%、54.6%、53.8%、51.0%，100—120 cm以下15N含量分布下降趋势渐缓，趋于平稳。说明4种新型尿素可延缓氮素向土壤深层的运移转化，以供后茬玉米吸收利用。

图2 小麦收获时0—200 cm土层中硝态氮与15N垂直分布的动态变化Fig. 2 Dynamic changes of soil nitrate and 15N content at wheat harvest in 0-200 cm soil depth

2.3 小麦季氮肥去向与平衡

表3表明，普通尿素处理作物的15N吸收和土壤残留量均最低。普通尿素 + Nr处理作物的15N吸收率虽然略高于普通尿素处理，但土壤的15N残留量显著高于普通尿素处理。聚能网尿素处理15N吸收率显著高于普通尿素处理，占37.8%；控失尿素和腐植酸尿素处理15N吸收率则显著高于普通尿素和普通尿素+Nr处理，分别占43.6%、41.1%。普通尿素处理的土壤15N残留率最低，仅37.1%；腐植酸尿素处理的15N残留率与普通尿素处理差异不显著；控失尿素处理的土壤15N残留率显著高于普通尿素处理，为40.8%；聚能网尿素和普通尿素 + Nr处理15N残留率显著高于控失尿素处理。普通尿素处理的肥料氮总损失显著高于其他处理；控失尿素、聚能网尿素处理的肥料氮总损失最小。说明4种新型尿素处理有提高作物吸氮量、增加土壤氮肥残留、减少氮肥损失的效果，且控失尿素处理的总损失率更小。

表3 冬小麦季15N 肥料主要去向及比例Table 3 Amount and rate in the main fate of 15N fertilizers in winter wheat season

前茬玉米秸秆还田，从0—200 cm土体氮库平衡 (表4) 可以得出，作物对氮素的吸收表现为土壤氮 ＞ 肥料氮，各处理土壤氮库均为盈余，表明施入氮肥后可增加氮素在土体中的积累。土体氮库盈余量在 45.3～76.4 kg/hm2，表现为普通尿素 + Nr处理 ＞普通尿素、聚能网尿素、控失尿素处理 ＞ 腐植酸尿素处理。

表4 小麦收获后 0—200 cm 土体氮库平衡 (N kg/hm2)Table 4 The balance of soil nitrogen pool at harvest of wheat within 0-200 cm soil depth

2.4 后茬玉米的产量及其对前茬残留标记氮的吸收利用

小麦收获后在原微区种植夏玉米，前茬小麦施用的控失尿素、聚能网尿素，腐植酸尿素具有持效性，可使后茬玉米籽粒产量显著增加；除不施氮处理外，茎秆生物量在其他处理间差异不显著。不施氮和施普通尿素处理的籽粒吸氮量显著低于控失尿素、聚能网尿素，腐植酸尿素处理；普通尿素 +Nr处理的籽粒吸氮量略高于普通尿素处理，但差异不显著；与普通尿素处理相比，腐植酸尿素、控失尿素、聚能网尿素处理的籽粒吸氮量显著提高13.0%、18.5%、18.5%。各施氮处理茎秆吸氮量未表现出显著差异。由夏玉米季对残留15N的吸收利用情况可以看出，后茬玉米可以吸收利用土壤中残留的15N，控失尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素的15N吸收量分别为7.95、8.16、7.90 kg/hm2，显著高于普通尿素 (6.70 kg/hm2)，而15N利用率在各类尿素处理间的差异并不显著 (表 5)。

表5 后茬玉米生物量、吸氮量及对残留15N肥料的利用率Table 5 Biomass, nitrogen uptake and the utilization efficiency of residual 15N fertilizers of succeeding maize

2.5 后茬玉米收获后土壤剖面硝态氮的运移

由图3可知，玉米收获后，相较于小麦收获后的土壤剖面0—200 cm土层硝态氮含量明显降低。普通尿素处理0—120 cm土层硝态氮含量随土层加深而逐渐升高，在100—120 cm土层达到最高峰，为16.6 mg/kg，且在40—120 cm土层累积的硝态氮远高于其它4个尿素处理，其它4个尿素处理土壤硝态氮大多残留在0—20 cm表层，随土层逐渐加深，于160—200 cm土层略有回升。

3 讨论

3.1 华北小麦、玉米的氮肥利用率与氮肥残效

本研究选择以辛集为代表的华北平原冬小麦–夏玉米轮作体系为研究对象，设置田间15N微区试验，以4种新型尿素为供试材料，探讨其对作物氮素吸收利用的影响，追踪氮肥的去向及后效。结果表明，新型尿素处理对提高小麦产量有着显著的效果，其中控失尿素处理的冬小麦产量最高，达8123 kg/hm2，较普通尿素处理小麦平均增产821 kg/hm2；控失尿素处理的15N当季吸收利用效果最佳，15N当季利用率较普通尿素提高了35.4%。聚能网尿素处理的冬小麦产量为8049 kg/hm2，较普通尿素处理小麦平均增产747 kg/hm2；15N当季利用率提高了17.4%。腐植酸尿素处理冬小麦产量为8083 kg/hm2，较普通尿素处理小麦平均增产781 kg/hm2；15N当季利用率提高了27.3%。控失尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素对产量的影响有所不同，原因如下：1) 施用控失尿素有利于提高小麦千粒重，控失尿素前期养分释放较缓慢，后期养分供应充足有利于灌浆期粒重增加[29]。本试验结果显示施用控失尿素提高了小麦的籽粒产量 (表2)。2) 在普通尿素中添加聚能网，可

使土壤中养分得到活化，并在根系部位富集，加强作物吸收和利用氮素，从而获得高产；施用聚能网尿素与普通尿素相比增产5.85%～20.90%[14]；宋志平[30]指出，追施聚能网尿素相较于同时期追施等量的普通尿素，有增加玉米的穗粒数及提高玉米产量的效果：聚能网尿素平均增产466.5～522.0 kg/hm2，增产率为5.3%～5.9%，产量差异均达显著水平。3) 刘红恩等研究发现，腐植酸尿素既可以显著提高潮土冬小麦有效穗数、千粒质量等产量构成要素，显著提高籽粒产量，也能提高其各部位氮素质量分数，更好地促进冬小麦对氮素的累积，从而提高了氮肥表观利用效率[31]，这是由于腐植酸具有多个官能团且活性较高，能吸附更多的铵离子以供作物吸收利用[32]，且使氮转化速率和氮素气态损失降低所致[33]。

在本研究中，普通尿素0—40 cm土层的氮肥残留比例较小，在60—100 cm氮肥残留呈现累积，峰值出现在80—100 cm处，而4种新型尿素处理氮肥主要残留在0—40 cm土层，在0—20 cm土壤硝态氮和氮肥残留均高于普通尿素处理 (图2)。养分在表层积聚，不但可被当季作物利用，还有利于后茬玉米的吸收利用，因而相应地减少了肥料的淋失和对深层土壤及地下水的污染[34]。在新型尿素中，控失尿素处理较普通尿素处理的增产幅度最高，氮肥利用率也最高，且土壤硝态氮在0—40 cm土层中残留比例较大，因而控失尿素的当季肥效和后效最好。胡斌等[35]研究指出，玉米施用控释尿素后显著提高了0—20 cm土层的硝态氮含量，硝态氮含量在20 cm以下土层逐渐降低，这是因为控释氮肥能减缓肥料向硝态氮转化的速度，进而降低其淋溶损失所致。尿素中添加腐植酸对土壤中肥料氮在0—90 cm土层总残留量的影响并不显著[36]，添加硝化抑制剂后能够降低60 cm土体以下硝酸盐在土壤中的积累[37]，硝化抑制剂能有效抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化[38-40]，延缓土壤氮素矿化速率，减少氮素淋溶。

图3 玉米收获后土壤剖面硝态氮含量Fig. 3 Nitrate nitrogen content in soil profile after harvest of maize

3.2 新型尿素的减肥增效潜力

本研究表明，小麦收获后的土壤氮库均呈现盈余状态，普通尿素 + Nr处理盈余量最高，腐植酸尿素处理盈余量最低。添加硝化抑制剂后土壤残留肥料氮较高，有利于氮素被土壤固持。小麦收获后的氮肥总去向，控失尿素、腐植酸尿素处理表现为损失 ＜ 土壤残留 ＜ 作物吸收；普通尿素 + Nr、聚能网尿素处理表现为损失 ＜ 作物吸收 ＜ 土壤残留。说明控失尿素、腐植酸尿素有促进植物氮素吸收的作用，聚能网尿素、普通尿素 + Nr则增加土壤氮素残留从而阻控淋溶。由于小麦季气温低、降水少，土壤中残留的氮肥可供后茬玉米吸收利用，后茬玉米15N利用率表现为籽粒 ＞ 秸秆。

施用新型尿素意味着成本较施用普通尿素高，因此考虑减氮，本试验中氮素用量较农民传统降低10%。本研究数据显示，控失尿素较普通尿素表现出显著增产，这与杜成喜等[41]的研究结果相近——对当地市场肥料价格进行调查得出，施用控失尿素比施用普通复合肥的成本低。与农民传统施肥相比，等氮量的控失尿素和减氮20%的控失尿素分别节本增效1388.7、1096.2元/hm2，说明施用控失尿素节肥、增效明显，值得推广应用。

4 结论

新型尿素显著促进作物对氮素的吸收利用，减少氮素损失，进而获得高产。4种新型尿素相比，控失尿素处理较普通尿素处理小麦平均增产821 kg/hm2，其氮素当季利用率为43.6%，氮土壤残留率为40.8%，损失率低至15.6%。腐植酸尿素氮当季利用率仅次于控失尿素，为41.1%；而损失率最高，为19.8%；土壤残留率仅为39.1%。聚能网尿素氮当季利用率为37.8%，有利于氮素固持在土壤中，其残留率、损失率分别为46.1%、16.1%。普通尿素 +Nr处理的氮素当季利用率偏低而土壤残留率最高，分别为34.2%、47.4%；损失率为18.4%。玉米季消耗了部分土壤残留氮且存在氮素淋溶。

综上，控失尿素增产增效最为突出，同时减少氮素损失，提高氮肥利用率，可作为当地作物高效生产的氮肥种类推广应用。