稳定性尿素对川中丘陵区小麦/玉米轮作制度下作物产量及氮肥利用率的影响

郭 松, 喻 华, 陈 琨, 曾祥忠, 樊红柱, 涂仕华, 秦鱼生(四川省农业科学院土壤肥料研究所,四川 成都 610066)

【研究意义】氮素是影响作物生长最关键的营养元素，不同品种、用量、施用时间和方法都可以显著影响作物产量。自绿色革命以来氮肥的施用量不断增加，但是不合理的施用导致了温室气体排放增加、土壤酸化、水体富营养化等一系列的环境问题。如何提高氮肥利用率，保持粮食高产，降低环境风险是关系国家粮食安全和环境质量的巨大挑战[1-3]。【前人研究进展】添加硝化抑制剂的铵态/酰胺态氮肥是一类稳定性新型肥料，具有高效兼环境友好的特点，是实现粮食高产和氮肥高效的有效途径[4-5]。硝化抑制剂可以抑制土壤铵态氮的微生物硝化作用，减缓尿素等铵态氮肥转化为硝态氮的速率，降低硝酸盐淋洗风险，提高农田氮肥利用率[6-7]。有研究表明在水稻上使用添加硝化抑制剂的尿素可显著增加稻谷产量和氮肥利用效率[8]。李永强等通过盆栽试验发现，相比于单施尿素，加入硝化抑制剂的尿素，可提高小麦产量[9]。针对玉米的研究发现，施用添加硝化抑制剂的尿素可以实现增产、增效和减排的效果[10-11]。章燕等在华北盐碱性褐土上的研究表明，种植玉米时施用添加硝化抑制剂的尿素，施肥2周后尿素的总硝化速率减少59.1 %[12]。也有研究发现稳定性肥料可以促进玉米根的生长，提高对氮素的吸收利用，但是对产量没有影响，所以维持较高浓度的铵态氮养分，可以提高农田的氮肥利用率[6,13]。在华北地区的小麦/玉米轮作中使用硝化抑制剂可以减少土壤氮素损失，降低温室气体排放，增加作物产量[14]。【本研究切入点】川中丘陵区是我国重要的玉米和小麦生产区，小麦/玉米轮作是该区域的主要种植制度。由于复种指数高、土壤质量较差、养分流失多和施肥不合理等原因，造成了该区氮肥利用率低、生产效益差和农田面源污染等问题[15-18]。因此，研发/筛选高效的氮肥品种及配套施用技术成为绿色生产的当务之急。目前，鲜有关于川中丘陵区小麦/玉米轮作制度下的稳定性肥料对作物产量、土壤氮素供应能力、作物氮素吸收及氮效率的研究。【拟解决的关键问题】本文选择川中丘陵区代表性土壤和主推作物品种，研究稳定性尿素在小麦/玉米轮作制度下的增产、增效作用和对土壤供氮能力的影响等，为实现川中丘陵区小麦/玉米轮作种植制度的氮肥减量增效提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

田间试验于2013年10月至2014年9月在四川省德阳市中江县仓山镇响滩村四川省农业科学院川中丘陵区现代农业试验示范基地进行。作物种植类型为冬小麦/春玉米轮作套播，采用1 m/1 m田间配置。小麦于2013年11月2日种植， 2014年5月9日收获；玉米于2014年4月10日种植，8月16日收获。试验地位于东经105°01.322′，北纬30°36.784′。土壤为棕紫泥土，试验开始前测定得到土壤pH 7.78 (1∶2.5 g/v)，有机质11.53 g/kg，总氮1.1 g/kg，有效磷6.97 mg/kg，速效钾146.1 mg/kg，碱解氮98.4 mg/kg，在当地耕地土壤中属于中等肥力水平。研究期间温度和降雨量如图1所示，平均温度为21.1 ℃，降雨量为636 mm。

1.2 试验设计及处理

试验用稳定性尿素为重庆江北化肥有限公司生产的添加硝化抑制剂DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸盐)的稳定性尿素，以商品名渝江牌在全国销售，含N 46 %。试验设6个处理，分别为无氮肥(CK)、普通尿素做基肥1次施用(UB100 %)、普通尿素做基肥和追肥施用(UD100 %)、稳定性尿素做基肥1次施用(DMPP100 %)、75 %普通尿素做基肥和追肥施用(UD75 %)和75 %稳定性尿素做基肥1次施用(DMPP75 %)。试验重复3次，随机区组排列，小区面积20 m2(4 m×5 m)。稳定性尿素为添加3，4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)的尿素。各处理的氮肥施用量如表1所示，磷肥和钾肥用量一致，其中小麦季P2O5施用量为75 kg/hm2，K2O施用量为75 kg/hm2，玉米季P2O5用量为90 kg/hm2，K2O施用量为150 kg/hm2。小麦试验品种为川麦42，机播，播种量为112.5 kg/hm2。玉米试验品种为成单30，育苗覆膜移栽，栽培规格窝距为20 cm，行距为宽窄行(70 cm×130 cm)，50 000 株/hm2。

图1 2013-2014年中江县温度和降雨量Fig.1 Temperature and precipitation of Zhongjiang county during the study period

表1 小麦季和玉米季各试验处理的氮肥施用量Table 1 Nitrogen application rates in the wheat-maize rotation system

1.3 样品采集

试验前取耕层基础土样，在小麦季的分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期和玉米季的拔节期、大喇叭口期、吐丝期、成熟期采集各小区0～20 cm土壤样品。试验出苗后按小麦的分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期和玉米季的苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、成熟期采集植株样品。小麦季苗期每小区取15株，其余时期每小区取6株。玉米季苗期每小区取5株，其余时期每小区取2株，分器官测定干物质含量和N含量，收获时测小区产量，产量包括14 %的含水量。

1.4 分析测试

土样分析：试验前取基础土样分析土壤有机质、pH、N、P、K等营养元素的有效态含量。各个时期土壤样品鲜样测试土壤硝态氮含量。硝态氮采用2 mol/L KCl浸提，用3-AA3型(Bran Lubbe，德国)连续流动分析仪测定。

植株样品分析：每一时期采集植株样品，分器官烘干测定干物质量，凯氏定氮法测定样品氮浓度。

1.5 计算公式[19-20]

氮肥表观利用率(Apparent nitrogen recovery，AR)=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/氮肥投入量×100 %

氮肥农学效率(Agronomic efficiency of applied N，AEN)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/氮肥投入量

1.6 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理，用SPSS19.0软件进行统计分析，LSD法进行显著性测验(P<0.05)，用SigmaPlot10.0和Adobe Illustrator CS11软件作图。

2 结果与分析

2.1 稳定性尿素对作物产量和氮效率的影响

由表2可知，在小麦季各施肥处理相对于不施氮肥处理(CK)，产量均有提高，而施氮肥处理之间没有显著差异。其中DMPP100 %和UB100 %、UD100 %处理的产量显著高于对照处理，增产率分别达到31.58 %、19.56 %和25.81 %。在玉米季，各施肥处理相对于CK处理产量均有显著提高，但是施氮肥处理之间无差异。其中DMPP75 %处理的产量最高，增产率达到99.5 %。从小麦/玉米轮作周年的总产量分析发现，各施肥处理间没有显著差异，但均高于CK处理。DMPP100 %处理下的产量达到10 629 kg/hm2，DMPP75 %处理下产量为10 551 kg/hm2，而UD100 %、UB100 %和UD75 %均在10 100～10 030 kg/hm2之间，不施氮肥处理只有6367 kg/hm2。在本试验中，使用稳定性尿素对作物产量没有显著影响。这可能与试验期间大暴雨少(仅玉米生长后期1次)，导致土壤氮素(特别是硝态氮)淋失少有关。

如表2所示，不同施肥处理影响小麦的氮素吸收，各施肥处理下的吸氮量显著高于CK处理，其中DMPP100 %处理下的小麦吸氮量最高。添加硝化抑制剂对小麦季的氮肥表观利用率有显著影响，在DMPP100 %处理下为24.38 %，显著高于UB100 %处理的14.57 %，其他处理在15 %～20 %之间。氮肥农学效率以DMPP100 %处理较高，但与其他处理无显著差异。

在玉米季，硝化抑制剂同样对作物氮吸收有显著影响。DMPP100 %处理下玉米吸氮量达到153.31 kg/hm2，显著高于其他处理。玉米季的氮肥表观利用率在DMPP100 %处理下达到最高，其次为DMPP75 %处理。氮肥减量25 %处理的氮肥农学效率显著高于氮肥全量处理，等量氮肥处理间无显著差异。

表2 不同氮肥处理对小麦和玉米籽粒产量及氮效率的影响Table 2 Grain yields and N use efficiency of different N fertilizer treatments

注：不同字母表示在P< 0.05水平下具有显著性差异。

Note: The numbers followed by different letters indicate significant differences (P< 0.05).

2.2 稳定性尿素对作物氮素吸收的影响

DMPP处理影响周年作物吸氮量，DMPP100 %处理下作物吸氮量为234.99 kg/hm2，显著高于其他处理，DMPP75 %处理与普通尿素处理没有显著差异。等量施肥处理中，稳定性尿素的氮肥表观利用率高于普通尿素处理。氮肥农学效率在等量施肥间无显著差异，但是硝化抑制剂处理下略高于普通尿素处理。研究结果表明说明在川中丘陵区小麦/玉米轮作系统中，使用稳定性尿素可以促进作物对氮肥的吸收利用，提高氮肥利用效率。

不同氮肥处理对小麦各生育期氮吸收的影响如表3所示。在孕穗期之前，单株小麦的吸氮量增较慢，各处理对小麦的影响趋势基本一致，其中苗期吸氮量在5.39～7.09 mg之间，拔节期在34～53 mg之间，孕穗期在49～60 mg的范围内。在开花后，小麦的吸氮量迅速增加至孕穗期的2倍左右，不同处理间的差异开始变大，到成熟期出现显著差异。成熟期DMPP100 %处理下吸氮量最高，籽粒氮积累量最大，同时茎杆中氮残留也最多。DMPP75 %处理下吸氮量显著低于DMPP100 %处理，但与其他施用普通尿素处理无显著差异。说明开花后，硝化抑制剂处理可以为小麦提供更多的有效氮。

在玉米季，从拔节期开始，玉米的吸氮量开始增大，在大喇叭口之后增加的更为迅速，而缺氮处理下的玉米，在后期吸氮量明显减弱。在拔节期单株玉米的吸氮量在0.5 g左右，大喇叭口期时施氮肥处理均在0.7 g以上，到吐丝期处理间出现显著差异，DMPP75 %处理下单株吸氮量达到1.78 g， DMPP100 %处理为1.53 g，其他处理均在1.4 g以下。通过对不同器官含氮量的分析可以看出，硝化抑制剂处理下的叶片含氮量高于其他处理。而到成熟期各处理的吸氮量有显著差异，DMPP100 %处理下吸氮量最高，其中籽粒、叶片和茎中的含氮量都较高。DMPP75 %处理下玉米吸氮量与普通尿素处理无差异，缺氮处理的玉米花后吸氮量较少，导致成熟期的氮积累最低。说明使用添加硝化抑制剂的尿素能为后期作物生长和籽粒建成提供更多氮源。

表3 小麦季各生育期的吸氮量Table 3 N content in each grown stage of wheat

注：表中不同字母表示在P<0.05水平有显著差异。

Note: The numbers followed by different letters indicate significant differences (P< 0.05).

表4 玉米季各生育期的吸氮量Table 4 N content in each grown stage of maize

注：表中不同字母表示在P< 0.05水平有显著差异。

Note: The numbers followed by different letters indicate significant differences (P< 0.05).

从整体看，在小麦季分蘖期，土壤中硝态氮的浓度较低，在20 mg/kg左右。到拔节期，施氮处理下的土壤中硝态氮的浓度迅速增加，从孕穗期开始硝态氮浓度开始降低，吐丝期以后降到10 mg/kg左右(图2A)。其中，在拔节期UD100 %处理为71.5 mg/kg，UB100 %为41.4 mg/kg，DMPP100 %处理为39.9 mg/kg，UD75 %和DMPP75 %均为32.5 mg/kg。到孕穗期，DMPP100 %处理仍维持在40 mg/kg，而UD100 %为36.1 mg/kg，UB100 %为32.9 mg/kg，同时DMPP75 %为26.2 mg/kg，UD75 %为17.2 mg/kg。开花期以后，硝化抑制剂处理下的土壤硝态氮浓度维持在10 mg/kg左右。不施肥处理的硝态氮浓度在小麦整个生育期均处于较低值，没有太大变化。

在玉米季，硝态氮浓度在拔节期达到最高值后开始不断下降，到吐丝期以后变化幅度减小，趋势和小麦季基本一致(图2B)。从处理之间的分析发现，在拔节期UB100 %处理和UD100 %处理的土壤硝态氮浓度在100 mg/kg以上，DMPP100 %处理为42.4 mg/kg，DMPP75 %处理为30.8 mg/kg，UD75 %处理为18.8 mg/kg。到大喇叭口期，DMPP100 %处理升高到76 mg/kg，而UB100 %降到30.5 mg/kg，UD100 %处理降到38.3 mg/kg，同时DMPP75 %处理也增加到49.9 mg/kg，而UD75 %只有13 mg/kg。这段时间降雨较多，可能是影响土壤硝态氮浓度的关键因素(图1)。到吐丝期DMPP100 %处理为33 mg/kg，UD100 %为22.5 mg/kg，UB100 %为13.4 mg/kg，DMPP75 %和UD75 %在10 mg/kg左右。到成熟期，DMPP100 %处理仍保持在20 mg/kg左右，其他处理低于10 mg/kg。

3 讨 论

前人研究表明施用稳定性肥料对作物有增产/稳产的作用[4]。在不同生态区不同种植制度下效果不一，在盆载小麦和华北、东北春玉米田间试验发现施用添加硝化抑制剂的尿素可以增产[9-11]，同时在东北地区春玉米的试验中也有人发现，施用稳定性肥料对产量没有影响[6,13]。我们的试验表明，稳定性尿素相对于普通尿素处理的产量在小麦季和玉米季没有显著差异，周年产量没有影响，这与赵自超等在华北地区的小麦/玉米轮作中使用稳定性肥料的研究结果一致(表2)[14]。说明稳定性肥料的施用要根据当地情况，结合土壤条件、用肥习惯等进行推荐。我们进一步研究了不同氮肥用量下的产量变化，发现全量稳定性尿素(DMPP100 %)处理下的周年产量达到10 629 kg/hm2，减量稳定性尿素(DMPP75 %)处理下为10 551 kg/hm2，两者之间没有差异。同时小麦季的产量以DMPP100 %处理略高，玉米季的产量以DMPP75 %处理略高，但都没有显著差异。从降雨量可以看出，小麦季干旱少雨，而玉米季降雨较多，说明在小麦季减量稳定性尿素处理没有发挥出充分的潜力(图1)，其他人的研究也发现减量25 %的控释肥与全量无显著差异[21]。结果说明针对川中丘陵区的小麦/玉米轮作系统，根据实际情况配合硝化抑制剂的合理施用，可以达到保产、节氮的效果。

图2 小麦季和玉米季各时期的土壤硝态氮含量Fig.2 Soil nitrate nitrogen content of wheat and maize season

使用硝化抑制剂可以使美国小麦和玉米的氮肥利用率提高23 %～35 %[22]。方玉凤等研究发现使用稳定性尿素的氮肥利用率为33 %左右，较普通尿素1次施用提高10 %，较普通尿素追肥处理提高5 %[11]。研究发现，川中丘陵区在小麦/玉米轮作系统下，在小麦季全量稳定性尿素(DMPP100 %)处理下的氮肥表观利用率为24.38 %，比尿素1次施肥处理(UB100 %)高9.81个百分点，比尿素2次施肥处理(UD100 %)高7.59个百分点；玉米季全量稳定性尿素DMPP100 %处理下的氮肥表观利用率为24.13 %，比尿素1次施肥UB100 %处理高10.03个百分点，比UD100 %尿素2次施肥处理高9.76个百分点；全量稳定性尿素DMPP100 %处理下的周年氮肥表观利用率为24.42 %，比UB100 %尿素1次施肥处理高9.96个百分点，比UD100 %尿素2次施肥处理高9.09个百分点。小麦季、玉米季和周年的吸氮量，DMPP100 %全量稳定性尿素处理也高于等量普通尿素处理(表2)。由于硝化抑制剂的缓释效果，大大降低土壤中微生物的硝化作用，增加土壤中铵态氮和酰胺态氮的浓度，造成不同处理下小麦和玉米生长后期吸氮量的差异，这与其他人在玉米的研究结果一致[6]。从整个生育期来看，小麦和玉米吸氮量总体趋势是随着生物量的增加而增加，营养生长前期增加缓慢，从孕穗期和大喇叭口期增速加快，在成熟期各个处理下的吸氮量差异显著，DMPP100 %处理下吸氮量最高，籽粒、叶片和茎中的含氮量都较高(表3～4)。通过对不同器官含氮量的分析可以看出，硝化抑制剂处理下的玉米叶片含氮量高于其他处理。而到成熟期各处理的吸氮量差异显著，DMPP100 %处理下吸氮量最高，其中籽粒、叶片和茎中的含氮量都较高。结合小麦和玉米茎叶的含氮量可以看出，开花期后，茎秆和叶片中的氮素转移到籽粒中储存，同时根从土壤中吸收大量氮素进入籽粒。有研究表明，小麦籽粒中60 %～95 %的氮来源于花前储存在根和地上部氮的再转移，在玉米籽粒中45 %～65 %的氮来自于花前秸秆中氮的再转移，其余35 %～55 %来自于花后的吸收[23-24]，所以相对于普通尿素，稳定性尿素可以提高籽粒含氮量，以DMPP100 %处理下效果最为明显(表3～4)。其他人的报道也指出施加DMPP可以显著提高根、茎、叶中氮的积累[21]。由于施用该类稳定性肥料后使得小麦氮素吸收量后移，而在川中地区冬小麦与春玉米的种植制度下，需要进一步优化肥料在不同生长季之间的配置，提高肥料利用率。

农田中的氮肥有34 %是通过硝化-反硝化作用损失的，因带负电的硝态氮不能被土壤吸附，易被水带走，造成氮肥损失和生态系统污染[4]。有研究发现农田施用硝化抑制剂DMPP，施肥两周后的总硝化速率减少59.1 %，而施肥7周后的总硝化速率与普通尿素没有显著差异[12]。另外硝化抑制剂对表层土壤硝态氮的含量影响较大，而对深层土影响较小，但是可以调控土体内氮素的迁移[6]。笔者研究发现，川中丘陵区小麦/玉米轮作种植制度下小麦季和玉米季土壤中硝态氮浓度在拔节期达到最高值后开始不断下降，到开花期以后基本没有变化，直到成熟期(图2)。方玉凤等研究结果中土壤硝态氮浓度的高峰出现在拔节期之前[11]，也有研究认为硝化抑制剂的作用时效随时间推移而降低，同时受中后期降雨较多的影响[6]。米国华等认为生长于于夏季多雨季节的玉米，硝态氮淋洗的可能性高于小麦等越冬作物[25]。土壤质地对DMPP的作用效果有重要影响，土壤质地越轻，效果越好，土壤越黏作用时间越长[26]，而川中丘陵区是典型的紫色土区域，土壤容重较轻[16]。另外通过合理施肥可以改良紫色土土壤结构[27], 添加DMPP的肥料能提高土壤中微生物生物量碳[28]。以上结果说明在作物生育前期，硝化抑制剂可以降低土壤中微生物的硝化作用，降低铵态氮向硝态氮的转化，减少硝酸盐淋失的风险，到后期维持相对较高的硝态氮浓度，满足作物生长的需求，但是土壤硝态氮浓度变化易受温度、降雨、土壤质地等因素的影响。

4 结 论

从本研究看来，在川中丘陵区施用合理的稳定性尿素对作物产量有积极影响，可以降低作物生长前期土壤中硝酸盐的淋失风险，提高作物生长中后期对氮素的吸收，提高氮肥利用率。在保证小麦/玉米产量的同时可以减少氮肥施用，保护农田生态环境。

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