尿素氮在不同类型土壤中转化特征及其施用效果对生化抑制剂的响应

李学红，李东坡，薛 妍，宋玉超，张 可，4，肖富容 ，4，李永华，郑 野

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2．北方华锦化学工业股份有限公司化工研究院，辽宁 盘锦 124021；3．锦西天然气化工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125001；4．中国科学院大学，北京 100049，5．辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，辽宁 沈阳 110016）

与植物其他营养物质相比，氮肥在农业生产中应用最多，2018年我国氮肥实物产量达到3457.12万t，尿素约占67.78%（数据来源于中华人民共和国国家统计局，https：//data.stats.gov.cn/index.htm.2018）。与其他氮肥相比，尿素具有含氮量高（45%～46%）和生产成本低等优点［1］。然而，施用普通尿素会导致大量氮素损失，降低氮的回收率和利用率［2］。氮素损失既是一个经济问题（供作物吸收利用的养分减少，影响产量），也是一个环境问题（地表水体富营养化、地下水硝酸盐富集、形成酸雨，破坏臭氧层等）［3-4］。因此，提高农业生产中尿素氮利用率是目前亟待解决的问题。

在尿素中添加生化抑制剂（脲酶抑制剂和硝化抑制剂）制成稳定性肥料是最具实用价值和广阔应用前景的措施，可以有效延缓尿素水解、抑制铵态氮（NH4+-N）的硝化进程，增加和延长氮素肥料在土壤中的有效供给时间，保证作物后期养分供应［5-6］，并减少温室气体排放［7］，提高氮的利用率。目前已筛选出100多种具有抑制脲酶活性的无机物和有机物，但实际用于农业生产的却很少，主要有N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、正丙基硫代磷酰三胺（NPPT）、苯基磷酰二胺（PPD）和氢醌（HQ），其抑制效果依次为NPPT＞NBPT＞PPD＞HQ［8］。Dawar等［9］研究证明，脲酶抑制剂NBPT在尿素施用后的前7 d有效延缓尿素水解，增加作物根系附近氮的含量。周旋等［10］研究证明，NPPT在不同类型土壤中的作用效果与NBPT相似，能显著降低脲酶活性。硝化抑制剂双氰胺（DCD）因其本身具有无毒、高效、抑制时间长、价格低等优势在国内外广泛应用。DCD能够抑制氨氧化细菌活性，延缓土壤铵的氧化，减少硝态氮（NO3--N）累积和N2O排放，提高氮肥利用率［11］。王艳群等［12］研究表明，合理施肥量添加DCD可以有效增加小麦-玉米产量，提高经济效益。Ding等［13］研究表明，施用DCD能够显著减少田间玉米土壤N2O总排放量，增加玉米产量。王雪薇等［14］研究表明，硫酸铵添加DCD可显著抑制土壤NH4+-N向NO3--N转化，提高小青菜品质和产量。生化抑制剂的作用效果不仅受自身物理、化学性质的影响，还受土壤类型、湿度、温度、酸碱度等多种因素的影响［15-16］。黑土、棕壤和褐土是东北地区粮食作物主产区的典型土壤类型，不同生化抑制剂在这3种类型土壤中的作用效果存在差异。本文采用玉米盆栽试验对NPPT和DCD及其组合在黑土、棕壤和褐土中调控尿素氮转化特征及抑制效果进行研究，探讨不同抑制剂与尿素配施对不同类型土壤氮素形态和玉米产量的影响，为适合黑土、棕壤和褐土的高效稳定性尿素肥料研制与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地位于中国科学院沈阳应用生态试验站，属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，干冷同期，降雨集中。年均气温8℃左右，年均降水量659.60 mm，年日照时数2527 h。2019年6～8月，该区平均降水量比历年同期多2～3成，且降水比较集中，连续降雨较多。

1.2 试验材料

供试尿素，由国药集团化学试剂有限公司生产，含氮量46%；硝化抑制剂双氰胺（DCD）、脲酶抑制剂正丙基硫代磷酰三胺（NPPT），为分析纯，均由Macklin生物科技公司生产。试验土壤为吉林省长春市农安县的黑土、辽宁省铁岭市昌图县的棕壤、辽宁省朝阳市朝阳县的褐土，分别取耕层0～20 cm土壤，挑出杂物，并混合均匀，经自然风干后过2 mm筛，备用。土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

1.3 试验设计

试验在2019年5～10月进行，共 设5个处理，3次重复，（1）不施尿素（U0）；（2）单施尿素（U）；（3）尿素+脲酶抑制剂（UN）；（4）尿素+硝化抑制剂（UD）；（5）尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂（UND）。采用盆栽试验，各处理施氮0.35 g·kg-1，施 磷（P2O5）0.12 g·kg-1，施 钾（K2O）0.15 g·kg-1。抑制剂NPPT、DCD施用量分别为尿素量的0.25%、2.00%，与尿素充分混匀后再与土壤混匀，装入盆中。将盆随机排列埋入田间土壤中，使盆中土面与地面保持水平，盆高出地面2～3 cm，玉米苗三叶期每盆定植1株，其管理措施同常规大田玉米生产栽培。

1.4 测定指标与方法

在玉米苗期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期采集土壤样品，测定土壤尿素氮、NH4+-N和NO3--N含量。用小土钻在盆中5点取样，混匀后，分别用2 mol·L-1氯化钾乙酸苯汞、2 mol·L-1氯化钾浸提（土∶液=1∶10），滤液采用AA3连续流动分析仪测定尿素氮、NH4+-N和NO3--N含量。灌浆初期用叶面积仪和叶绿素仪测量玉米棒三叶叶面积和叶绿素含量，取其平均值。玉米收获期进行考种和测产，用VARIO MACRO元素分析仪测定植株全氮含量。

1.5 计算与分析方法

表观硝化率（%）=硝态氮含量/（铵态氮含量+硝态氮含量）×100；

经济系数=玉米产量/玉米生物产量；

氮素收获指数=玉米籽粒氮素累积量/玉米植株氮素累积量；

氮素表观利用率（%）=（施氮玉米地上部氮素累计量-不施氮玉米地上部氮素累计量）/施氮量×100；

氮肥农学效率（g·g-1）=（施氮玉米籽粒产量-不施氮玉米籽粒产量）/施氮量；

肥料氮贡献率（%）=（施氮玉米产量-不施氮玉米产量）/施氮玉米产量×100。

采用Excel 2010进行数据分析、SPSS 19.0进行方差分析，采用Duncan最小显著极差法进行差异性检验（P＜0.05），运用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤NH4+-N、NO3--N含量动态的变化

在玉米苗期未检测到土壤中含有尿素氮，故后3个采样时期均未测定。

由图1可知，随着玉米生育时期的推进，U、UN、UD、UND处理在黑土、棕壤、褐土中NH4+-N含量呈下降趋势。与U处理相比，添加抑制剂提高土壤中NH4+-N的含量，而硝化抑制剂作用效果好于UN处理。黑土和棕壤UD处理土壤NH4+-N含量始终保持最高水平，苗期分别为81.09、63.85 mg·kg-1，其次是UND处理，土壤NH4+-N含量显著高于U和UN处理。大喇叭口期，土壤中的NH4+-N含量快速下降，黑土中UD处理的NH4+-N含量为26.39 mg·kg-1，显著高于UN、UND处理；棕壤中UN、UD、UND处理的NH4+-N含量在24.27～25.59mg·kg-1之间，且各处理间无显著差异，NH4+-N含量比U处理平均提高1.11倍。灌浆期和成熟期，黑 土、棕 壤 中NH4+-N含 量 均 在9.48 mg·kg-1以下，处理间差异不明显。而褐土中UND处理土壤NH4+-N含量维持较高水平，其次是UD处理。苗期UND处理的NH4+-N含量为78.46 mg·kg-1，比U处理提高2.62倍。大喇叭口期，UD、UND处理的NH4+-N含量分别为16.80、19.90 mg·kg-1，显著高于其他处理。灌浆期和成熟期，各处理NH4+-N含量均在7.56 mg·kg-1以下，且差异不明显。

3种类型土壤的NO3--N含量变化与NH4+-N含量变化规律一致，苗期添加硝化抑制剂处理土壤NO3--N含量都显著低于单施尿素和只添加脲酶抑制尿素处理，表明硝化抑制剂DCD可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化，降低土壤中的NO3--N浓度。随着玉米生育时期的推进，硝化抑制剂作用效果减弱，土壤中存留的NH4+-N加快向NO3--N转化。大喇叭口期，黑土、褐土中UD处理的NO3--N含量很高，分别为24.37、28.50 mg·kg-1，但与U处理无显著差异，显著高于UN、UND处理。棕壤中UND处理NO3--N最高，为30.44 mg·kg-1，显著高于UN、UD处理，但与U处理无显著差异。灌浆期和成熟期，3种土壤中各处理NO3--N含量趋于一致，且处理间差异不显著（图1）。

图1 不同处理土壤铵态氮、硝态氮含量变化

2.2 不同处理对土壤表观硝化率的影响

由图2可知，各处理土壤表观硝化率存在显著差异，添加生化抑制剂处理的表观硝化率小于单施尿素处理，表明抑制剂有效抑制土壤硝化反应，且硝化抑制剂作用效果好于单独添加脲酶抑制处理。

在3种土壤中，添加抑制剂的3个处理中，UN处理抑制土壤表观硝化率最弱，玉米苗期，黑土表观硝化率最高，为83.98%，没有体现出抑制硝化作用；棕壤表观硝化率为77.31%，与U处理无显著差异；褐土表观硝化率为70.70%，显著低于U处理，但高于硝化抑制剂的处理。大喇叭口期UN处理土壤表观硝化率呈显著下降的趋势，其中黑土和棕壤表观硝化率降至最低，分别为29.19%和34.76%。可能是脲酶抑制剂NPPT作用时间较短，对土壤硝化作用没有抑制效果，土壤中NH4+-N积累量较少。褐土UN处理土壤表观硝化率为57.21%，显著高于UND处理，但与UD处理无显著差异。灌浆期和成熟期，3种土壤表观硝化率均在53.53%～76.57%之间，各处理间差异不大。

UD和UND处理能有效抑制土壤硝化作用，降低土壤表观硝化率。在黑土中，UD和UND处理表观硝化率呈逐渐上升的趋势，抑制剂作用效果随时间的延长逐渐减弱。苗期UD处理土壤表观硝化率最低，为46.25%。大喇叭口期UD和UND处理土壤表观硝化率分别为48.06%和44.87%，与U0处理无显著差异。灌浆期之后，UD处理土壤表观硝化率维持在62.91%以下，显著低于其他处理。棕壤中UD处理一直处于较低水平，在46.25%～54.95之 间，显 著 低 于UND处 理。褐土中UD、UND处理苗期土壤表观硝化率分别为37.63%、40.88%，显著低于U、UN处理。大喇叭口期UND处理土壤表观硝化率最低，为46.81%。灌浆期和成熟期各处理间土壤表观硝化率差异不大（图2）。

图2 玉米不同生育时期各处理土壤表观硝化率

2.3 不同处理对玉米叶面积的影响

由图3可知，在黑土和褐土中，施用尿素处理的玉米叶面积高于不施尿素的处理，添加尿素+抑制剂的处理玉米叶面积高于单施尿素处理（除棕壤UD处理外）。黑土中UN处理叶面积最大，为987.67 cm2，显著高于U0处理，但与U、UD、UND处理无显著差异。棕壤中施用尿素及尿素+抑制剂处理与U0处理无显著差异，其中UN处理叶面积最大，为869.95 cm2，UD叶面积最小，为733.21 cm2。褐土中，U处理叶面积为807.14 cm2，显著高于U0处理，但与添加抑制剂处理无显著差异（P＜0.05）。施用尿素、尿素+抑制剂可以使玉米植株获得更大的叶面积，从而更好地吸收利用太阳光，提高产量。

图3 不同处理玉米叶面积

2.4 不同处理对玉米叶绿素含量的影响

由图4可以看出，3种土壤中施用尿素处理玉米叶绿素含量高于不施尿素处理，其中黑土、褐土中施用抑制剂处理玉米叶绿素含量要显著高于不施尿素处理，棕壤除UN处理外，其他处理叶绿素含量显著高于不施尿素的处理。黑土中UD处理玉米叶绿素含量最高，为49.63，其次是UND处理，显著高于UN处理。棕壤中UD处理玉米叶绿素最高，为53.18，显著高于UN处理，但与UND处理无显著差异。褐土中UND处理玉米叶绿素含量最高，与UN、UD处理无显著差异，SPAD均在33.33以上，显著高于U0和U处理。表明施用生化抑制剂能提高玉米叶片叶绿素含量，通过光合作用合成更多的有机物，从而增加玉米产量。

图4 不同处理玉米叶片叶绿素含量（SPAD）

2.5 不同处理对玉米产量及产量构成因素的影响

2.5.1 不同处理对玉米产量构成因素的影响

黑土中UND处理玉米穗长最长，为20.17 cm，显著高于U0处理，但与其他施用抑制剂处理无显著差异。UN处理株高为281.67 cm，与UD处理无显著差异，显著高于其他处理。UND处理株高为240.00 cm，显著高于U0和U处理。UD处理玉米穗粗为4.51 cm，显著高于U0、UN处理，但与U、UND处理无显著差异（表2）。

表2 不同处理玉米产量及产量构成因素

棕壤中所有处理玉米穗长无显著差异，其中U处理穗长最长，为19.98 cm，其次是UD处理，穗长为19.90 cm，U0、UN、UND处理穗长在18.87 cm以下。UD处理株高最高，为270.00 cm，显著高于U0处理，但与其他处理无显著差（P＜0.05）。UN处理株高也较高，为263.33 cm，与U、UND处理无显著差异。UD处理穗粗最粗，为4.66 cm，其次是UND处理，穗粗为4.22 cm，与其他处理无显著差异。

褐土中UD、UND处理玉米穗长最长，均为19.73 cm，其次是U处理，穗长为16.10 cm，各处理间无显著差异。UD处理玉米株高最高，为268.67 cm，其次是UN处理，株高为257.33 cm，与UND处理无显著差异，显著高于U0和U处理。UND处理穗粗最大，为4.44 cm，其次是UD处理，穗粗为4.12 cm，各处理间无显著差异。

2.5.2 不同处理对玉米产量的影响

在黑土、棕壤、褐土上种植玉米，与单施尿素相比，施用尿素+抑制剂可以提高玉米产量，黑土中平均增产1.1倍，棕壤中平均增产0.21倍，褐土中平均增产0.89倍。黑土中UD处理玉米产量最高，为172.78 g·株-1，其次是UND处理，玉米产量为155.01 g·株-1，显著高于其他处理（P＜0.05）。棕壤中UD处理玉米产量最高，为164.00 g·株-1，U、UN、UND处理玉米产量分别为120.45、127.18、115.66 g·株-1，高于U0处理。褐土中UND处理玉米产量最高，为172.44 g·株-1，其次是UD处理，玉米产量为125.19 g·株-1，显著高于U0和U处理。在3种土壤上种植玉米，添加硝化抑制剂DCD作用效果要好于单独添加脲酶抑制剂NPPT，且增产效果明显。

2.6 不同处理对玉米氮素累积吸收量及氮肥利用率的影响

从表3可以看出，添加生化抑制剂影响玉米植株吸氮量、氮素收获指数、氮肥表观利用率、农学效率、肥料贡献率，不同土壤类型抑制剂的作用效果明显不同，各处理籽粒含氮量、总含氮量存在差异，添加抑制剂的处理要高于单施尿素处理。黑土中UD处理籽粒含氮量为2.26 g·株-1，显著高于UN处理，但与UND处理无显著差异。UD处理总含氮量最高，为3.36 g·株-1，显著高于UN处理，其次是UND处理植株总含氮量为3.22 g·株-1，与其他处理差异显著。棕壤UD处理籽粒含氮量最高，为2.23 g·株-1，显 著高于U0、U、UND处理，其次是UN处理，籽粒含氮量为2.08 g·株-1，比U处理提高0.46倍。UD植株总含氮量最高，为3.99 g·株-1，与UN处理无显著差异，显著高于UND处理。褐土中UND处理籽粒含氮量最高，为2.23 g·株-1，与UD处理无显著差异，显著高于其他处理。UND处理植株总含氮量为3.61 g·株-1，显著高于未添加抑制剂的处理，其次是UD处理，植株总含氮量为3.36 g·株-1，与UN处理无显著差异。

表3 不同处理玉米氮素效率指标

在黑土中，添加抑制剂处理氮素收获指数高于单施尿素处理，UD处理氮素收获指数最高，为0.71，与UN、UND处理间无显著差异。与U处理相比，UD处理氮素表观利用率、氮肥农学效率、肥料贡献率最高，分别为57.30%、36.58 g·g-1、62.86%，其次是UND处理，显著高于UN处理。在棕壤中，U0处理氮素收获指数最高，为0.66，其次是UN处理，各处理间无显著差异。UD处理氮素表观利用率、氮肥农学效率、肥料贡献率最高，分别为59.35%、22.67 g·g-1、40.97%。UN处理氮素表观利用率、氮肥农学效率、肥料贡献率较高，分别为43.10%、10.29 g·g-1、23.31%，显著高于U处理。褐土中，UND处理氮素收获指数为0.65，与UD处理无显著差异，显著高于其他处理。UN、UD、UND处理氮素表观利用率显著高于U处理，UND处理氮肥农学效率和肥料贡献率均最高，分别为39.50 g·g-1、67.24%，显著高于U和UN处理。

3 讨论

3.1 抑制剂及其组合对土壤无机氮的影响

戴宇等［17］研究表明，硝化抑制剂DCD能够显著提高玉米、水稻产量，改善作物品质。本研究中，尿素添加NPPT、DCD及其组合，可以延长NH4+-N在土壤中的存留时间，增加NH4+-N在无机氮中的比例，降低NO3--N的浓度。Aleem等［18］研究表明，硝化细菌在碱性条件下更为敏感。玉米苗期，褐土中U处理的NO3--N含量较黑土、棕壤更高，而除黑土的UN处理外，黑土、棕壤、褐土添加抑制剂处理土壤NH4+-N含量显著高于U处理，表明抑 制 剂NPPT和DCD可 以 抑 制NH4+-N向NO3--N的转化。大喇叭口期，UN、UD、UND处理土壤中的NH4+-N含量仍保持较高水平，由于脲酶抑制剂NPPT作用时间较短，对尿素水解后产物调控作用较小，甚至会促进其他途径氮素的损失［19］，所以UN处理中的NH4+-N含量相对较少，而UD、UND处理中DCD仍有较强的抑制效果，使土壤中NO3--N仍维持在较低水平，满足玉米生长氮素需求，实现养分供应与吸收同步。随玉米生长时期的推进，在灌浆期和成熟期，DCD逐渐降解，抑制土壤硝化作用减弱，加上玉米对土壤中氮素的吸收利用，使各处理NH4+-N和NO3--N含量趋于一致，差异不明显。

3.2 抑制剂及其组合对土壤表观硝化率的影响

黑土、棕壤、褐土单施尿素土壤呈现活跃的硝化反应，其中褐土的硝化作用强度高于黑土和棕壤，可能是因为褐土pH值高［20］以及3种土壤有机质含量和微生物数量不同，从而影响相关酶活性。同一抑制剂处理在3种土壤中作用效果不同，褐土中UND处理土壤表观硝化率最低，为40.88%，显著低于其他2种土壤。在大喇叭口期，黑土、棕壤各处理土壤表观硝化率有所下降，可能是玉米在此时期吸收大量无机氮所致［21］，且玉米喜硝［22］，DCD能显著 抑 制NH4+-N向NO3--N的转化，故土壤中NH4+-N含量占比上升。灌浆期，添加抑制剂处理的土壤表观硝化率显著上升，表明抑制剂作用效果减弱，甚至没有抑制效果。

3.3 抑制剂及其组合对玉米产量以及氮素利用的影响

3种类型的土壤，经尿素配施NPPT、DCD及其组合处理后，显著促进玉米植株的生长和氮素的吸收，增加了玉米叶面积和叶绿素含量，最终提高籽粒产量，这与孙传范等［23］研究结果相似。Byrnes等［24］研究结果表明，添加NBPT能够增加稻谷的产量，但未达到显著水平。本研究中，添加脲酶/硝化抑制剂或两者配施均可提高玉米产量，而棕壤、褐土单独施用NPPT，产量增加不显著。与单施尿素处理相比，黑土添加抑制剂，玉米产量平均提高1.06倍；棕壤玉米产量平均提高0.13倍；褐土玉米产量平均提高0.88倍，表明在3种土壤上种植玉米，施用尿素配合抑制剂，具有增产效果明显、氮素利用率提高等优势，产生良好的经济、生态效益。在氮素利用方面，与U处理相比，黑土、棕壤、褐土添加抑制剂的处理植株含氮量提高0.31～0.79倍，其中黑土UN处理和棕壤UND处理植株含氮量低于U处理。在黑土中，添加抑制剂能显著提高玉米氮素收获指数、氮肥农学效率、肥料贡献率，且分别提高0.56～0.62、5.83～19.84、3.73～7.39倍；氮素表观利用率UD和UND处理分别提高2.12和1.79倍，其中UD作用效果最好。在棕壤中，UN、UD处理均能提高氮素收获指数、氮素表观利用率、氮肥农学效率和肥料贡献率，其中以尿素与DCD配施效果最好，分别提高0.01、2.79、1.82和1.08倍。在褐土中，抑制剂处理比单施尿素处理显著提高了玉米氮素表观利用率、氮肥农学效率和肥料贡献率，分别提高3.08～4.08、1.53～7.50和0.89～2.35倍，尤 其 以NPPT和DCD配施效果最为显著，两者的协同作用提高了土壤中氮素的存留时间以及对玉米的持续供应。

4 结论

硝化抑制剂DCD对黑土和棕壤中尿素氮的转化均表现出显著的抑制作用，提高土壤中NH4+-N的含量，降低NO3--N的含量，同一抑制剂对黑土中尿素氮转化的调控效果较棕壤更为明显。脲酶抑制剂NPPT和硝化抑制剂DCD配施对褐土中氮素转化协同抑制效果更好，保持土壤较高的NH4+-N含量和较低的NO3--N含量时间更长，满足玉米整个生育期对养分的需求，且提高了其产量。在玉米栽培时，在黑土和棕壤上建议采用添加DCD尿素肥料，在褐土上建议添加NPPT+DCD尿素肥料。