几种新型尿素对玉米植株氮素利用和土壤氮残留的影响

关园园 未志源 谢孟河 刘全涛 王 永 徐丽娜 张书红 岳艳军 梅沛沛

（1.河南科技学院生命科技学院/现代生物育种河南省协同创新中心 河南新乡 453003；2.山东登海宇玉种业有限公司 山东济南 250100；3.河南心连心化肥有限公司 河南新乡 453700）

农业自古是一个国家的基础产业和经济命脉，我国人口众多， 耕地面积较少， 如何合理地发展农业， 解决未来随着耕地面积逐渐较少而带来的粮食供应问题， 成为当前社会亟待解决的问题[1]。 中国自然资源部调查数据显示耕地面积在逐年减少，2013 年全国耕地面积为1.35 亿hm2，到2019 年全国耕地面积减少了730.15 万hm2[2]。 施用化肥是目前解决耕地减少问题、实现农作物增产的主要措施，其中氮肥更是起到主要的作用[3]。 2018 年我国化肥施用量在4 657 万t， 占世界化肥施用量25%， 其中氮肥、磷肥、 钾肥施用 量分别为2 814.1 万t、774.8 万t、1 068.1 万t[4]。有资料统计，使用化肥可以使农作物产量提高三到四成，是农资投入的主要组成部分[5]。

玉米是中国的主要作物，种植面积广、氮需求量大，2000-2019 年玉米的播种面积从2 305.6 万hm2增长到4 128.4 万hm2，20 年间玉米产量增加了146%[2]。施用氮肥对玉米生长最直观的作用表现在玉米植株性状方面，对产量的影响也是巨大的。 科学合理的氮肥施入对玉米产量品质起到不可或缺的作用。 近些年，由于品种改良加上充足的水肥供应，玉米高产性得到进一步挖掘， 但在我国玉米的实际生产中，大部分农民仍然采用比较传统的施肥方式，即一次性施入大量肥料，虽然过程省时省力，但随之带来了肥料过量流失、土壤结块退化，肥料利用率低下等一系列问题[6]。

针对这一问题， 科研工作者分别做了不同的试验对比分析玉米氮肥利用率的问题， 从选用氮肥高效利用品种、氮肥流失途径等方面进行研究，以寻找提高氮肥高效利用的方法。 陈剑秋等研究了控释肥料田间养分释放和土壤无机氮累积的影响[7]；战秀梅等通过大田试验分析了各种施肥方式对辽东地区玉米产量和养分吸收利用的影响[8]；李亚朋等开展了选用新型缓控释肥对玉米增产增效作用研究[9]。 史桂芳等研究发现， 缓控释肥对夏玉米的产量和肥料利用率均有提高[10]。 探索出可以提高华北夏玉米氮素利用效率的生理机制，选出比较适合的氮肥种类，这对于提高氮肥利用、减少施肥量、保护土壤都有着重要意义[11]。 新型尿素在2015 年以后受到了关注，经过几年的发展新型尿素种类和产量也在增加[12]，但是目前在同一个试验中设计不同种类的新型尿素对夏玉米生长和氮素吸收利用机理的研究还不多见。

因此，本试验以郑单958 玉米为种植材料，研究控释、聚能网、腐植酸和含锌尿素对玉米植株氮素利用和土壤氮残留的影响。 拟从高产夏玉米植株生产潜力、产量收获指数、氮肥利用率及收获期土壤剖面中无机氮残留等方面， 探讨使用不同新型尿素对玉米生长、产量、养分吸收利用和土壤环境的影响。 以期为新型肥料在生产中的应用提供理论支撑和推广依据。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

本试验于2017-2018 年夏季在新乡市河南科技学院东区试验田（107 国道）进行。 该地区地处北纬35°16′45″、东经113°56′10″，位于华北平原，黄河以北，太行山脉以南，属于暖温带大陆性季风型气候，无霜期为192 d。 当地年平均气温为14.3℃，7～8 月温度最高，降水最多，季度降水分布不均，年降水量充沛，日照时间充足，光热条件良好。 该试验地土质为中壤质黄潮土，土层结构良好，土地肥沃。 气候条件和土质类型都比较适合玉米生长。 耕层土壤肥力状况见表1。

表1 播种前试验地土壤基础肥力特征

1.2 试验设计

供试玉米品种为郑单958，所用化肥种类有常规尿素（当地农民习惯用的普通尿素）、控释尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素、含锌尿素和加锌的常规尿素（试验所用肥料均由新乡市心连心化肥有限公司提供，含锌尿素， 是在普通尿素中添加0.7% ZnSO4·7H2O；加锌的常规尿素与含锌尿素有效锌含量均为9 kg/hm2）。

本次试验设置7 个施肥处理， N0： 无氮处理；U： 常规尿素（本地常用尿素） 处理； UI： 控释尿素处理； UP： 聚能网尿素处理； UH： 腐植酸尿素处理；UZ：含锌尿素处理；U+Z：常规尿素加锌处理。3 次重复， 随机区组分布。 计算出氮肥用量为纯氮15 kg/亩。 用过磷酸钙和氯化钾作为磷肥和钾肥，折合有效养分含量均为6 kg/亩， 作为底肥施入。 不同氮肥采用中原区农民常用施肥方式， 一次性施用后期不追肥。 小区面积为33.6 m2（8.0 m×4.2 m），设有走道和外围保护行。

1.3 测定项目和植株样品观察与采集

在成熟期每个处理取长势相近的玉米2 株，将样品植株放入烘箱先杀青30 min （温度控制在135℃），然后在80℃条件下烘干至恒重（约烘24 h），烘干后将其分为植株和籽粒两部分。 在玉米成熟期，每一小区选4 m 4 行（约9.6 m2）进行测产。

1.3.1 植株养分含量测定方法将烘干后的植株和籽粒样品用粉碎机粉碎， 称取0.450 0～0.500 0 g 样品，利用H2SO4-H2O2消煮法在自动消化装置上消煮，消煮液冷却后定容至100 mL 过滤备用。 植株全氮养分含量用AA3 连续流动分析仪（TRAAS-2000）测定[13]。

1.3.2 土壤样品采集播前在试验地块采用 “S” 形布点取样法，取样深度为40 cm，用土钻取耕层0～20 cm、20～40 cm 两层土。 收获期采用 “五点法” 取样，即每个试验小区选择5 个取样点，同样取40 cm 两层土样，混合后将土样风干过筛后装袋保存， 用于测量土壤养分含量。

1.3.3 土壤样品处理将冰箱中的冷冻土样取出解冻， 添加100 mL 0.01 mol/L 的氯化钙溶液混合后放到振荡瓶中，在转速180 r/min 的条件下振荡15 min，之后浸提1 h，过滤后，土壤无机氮（铵态氮和硝态氮）用连续流动分析仪测定[14]。

相关公式[14-18]：

植株各部位生物量（kg/hm2）=植株各部位干质量×实际种植密度；

植株各部位吸氮量（kg/hm2）=植株各部位生物量×植株各部位全氮含量；

氮肥吸收利用率（NRE）=（施氮区氮总吸收量-无氮区氮总吸收量）/施氮量×100%；

氮肥农学利用率（ANUE）=（施氮区玉米产量-无氮区玉米产量）/施氮量；

试验数据采用Excel 进行处理与作图、SAS 8.0软件进行数据统计分析，采用Duncan 新复极差法进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量

玉米作为一种需氮量比较高的作物， 施用氮肥对提高玉米产量有着明显的促进作用[19]。 从表2 可以看出， 各施肥处理对比N0 处理产量差异都比较显著， 其中UI 处理的玉米成熟期产量最高， 达到了9 411 kg/hm2，增产率高达54.4%，其次为UP 处理，产量为9 050 kg/hm2，增产率达到48.4%。 其余处理增产效果也比较明显，U 处理、UH 处理，UZ 处理、U+Z处理增产率分别为28.0%、39.2%、35.3%和43.1%。对比U 处理， 心连心提供的4 种新型肥料在玉米增产上表现也比较突出，UI 处理与U 处理对比增产率达20.6%。 由此可以看出，UI 处理对玉米的肥效最为明显，可以提高化肥的利用效率，增产效果较为显著，这与前人研究结果相符[20]。 UZ 处理的增产效果不明显，与当地农民施用的常规尿素差异不大。 在玉米实际生产过程中，可以将常规尿素替换为控释尿素、聚能网尿素、腐植酸尿素，能减少施肥量、提高产量，从而增加经济收益。

表2 各施肥处理玉米产量及增产率

2.2 地上部植株生物量

从表3 可以看出， 玉米地上部生物量中， 植株与籽粒占全株生物量的比例基本相同。 在几种新型尿素中， UI 处理的植株和籽粒的生物量最高， 植株生物量达到12 879 kg/hm2， 籽粒的生物量达到了12 554 kg/hm2，全株生物量为25 433 kg/hm2。 UI 处理的全株生物量高出N0 处理1.5 倍， 而UZ 处理的玉米植株总生物量为18 988 kg/hm2，表现最低。UI 处理籽粒生物量对比N0 处理增长27.8%，这是其增加产量的主要因素。

表3 各施肥处理玉米地上部生物量

2.3 玉米氮素累积量

从表4 可以看出，玉米地上部氮素累积量各施肥处理之间差异显著，籽粒氮素累积量最高的为UI 处理，与N0 处理相比差异显著。 在几种新型尿素中，地上部全株氮素累积量UI 处理最高，达到277.4 kg/hm2，对比N0 处理增长率为39.7%。UZ 处理、UH 处理、UP处理地上部氮素累积量分别比N0 处理高25.8%、25.3%、17.5%。

表4 成熟期不同施肥处理玉米地上部氮素累积量

2.4 氮肥利用效率

肥料利用率可以反应作物对肥料吸收利用的程度，判断肥效。 从图1 可以看出，各施肥处理在氮肥农学利用率上（图1A），几种新型尿素利用率显著高于常规尿素， 其中控释尿素相比其他几种新型尿素利用率要高， 其他几种新型肥料的氮素农学利用率在9～13 kg/kg。 在氮肥利用率（图1B）方面常规尿素、控释尿素、 常规尿素加锌氮肥的利用率较其他处理都高， UI 处理最高， 55.3%的氮能被玉米吸收利用。说明相同的氮肥施用量情况下， 要获得较高的氮素农学利用率和氮肥利用率可选择控释尿素这种新型尿素。

图1 不同施肥处理对玉米氮素吸收利用的影响

2.5 土壤无机氮含量

铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）统称为无机氮，是植物吸收氮素的主要形态[21]。 从图2 可以看出，土壤表层铵态氮和硝态氮累积量最大的均为UH 处理，分别为16.74 kg/hm2、25.48 kg/hm2，说明腐植酸尿素有利于固定养分，减少土壤表面养分淋失，但是氮素的利用率较低。 取土时期为玉米收获期后，该阶段土壤残留养分主要集中在玉米根部土层（20～40 cm）。 各处理中玉米根系所在土层（20～40 cm）残留铵态氮和硝态氮最少的均是UP 处理， 残留量分别为4.75 kg/hm2、5.16 kg/hm2。 UI 处理的硝态氮积累量与UP 处理虽然有差异，但是差异不明显。 这与UI 处理的玉米对氮素吸收利用比较彻底，氮肥利用率较高的结果相符。

图2 玉米收获期土壤无机氮累积量

3 讨论与结论

在产量方面，各种新型尿素都具备增产功效。 UI处理增产效果最为明显，玉米产量最高，对比N0 处理增产率为35.2%， 在氮肥农学利用率上表现也最高，达到14.8 kg/kg。 UP 处理产量也表现较好，增产率达到32.6%。 UZ 处理的玉米在几种新型肥料中产量表现最低， 玉米对含锌尿素的吸收转化途径尚不清楚，产量过低可能受多方面因素影响，需要进一步进行试验考证。 对于增产效果比较明显的几种新型尿素，也要再进行大田试验对比后，选出综合表现最佳的进行大面积推广应用。 在各施肥处理地上部植株生物量对比中可以看出， 虽然U 处理全株生物量最高，但是籽粒生物量占比不高。 UI 处理的籽粒生物量最高，达到12 554 kg/hm2，这也是UI 处理产量最高的原因之一。 这与控释尿素通过新型加工工艺，控制肥效释放速度， 在作物的生育后期仍然为作物提供营养有关[22]。

在玉米植株氮素累积量上， 最高的为UI 处理，达到277.4 kg/hm2，对比N0 处理增长率为39.7%，其次为U+Z 处理。 在氮肥利用率上，各施肥处理中最高的为UI 处理， 达到了55.3%，U+Z 处理在氮肥利用率、生物量及氮吸收量方面均表现不错，但产量比较低，这与 “源” 到 “库” 的转移方式和途径有关，还需要进一步研究。

从玉米收获期土样无机氮的累积量来看， 铵态氮在土壤中不易转移，主要分布在耕层上层，硝态氮主要以离子形式在土壤中转移，但较容易流失。 土壤无机氮在0～20 cm 间累积量较少， 主要是由天气原因造成的，新乡地区夏季多雨，导致土壤表层养分淋失。 UH 处理的土壤铵态氮和硝态氮累积量表现都不错，目前已有大量研究证明，腐植酸有调节土壤中氮转化、缓释氮素、增加土壤中氮含量的作用。 腐植酸尿素处理有利于促进玉米氮肥养分吸收， 保护土壤肥力[23]。

综上所述，UI 处理在植株性状、 成熟期产量、生物量及氮累积量等方面对玉米的促进作用都比较明显， 这与邹长明关于新型肥料对夏玉米生长与产量研究结果一致[24]。 控释尿素作为一种新型氮肥，可以明显提高肥料利用率，从而可以减少施肥量，避免因为施肥量过高造成贪青晚熟现象， 提高经济效益[25]。因此，控释尿素作为一种长效氮肥，增产效果显著，发展前景较好，未来可以在当地进一步示范和推广，但考虑到该试验仅在新乡地区一块试验田进行，受不同土壤因素和气候条件的影响， 在其他地区还有待进一步试验研究。