尿素硝铵溶液对冬小麦产量及土壤无机氮含量的影响

刘学彤，杨军芳，黄少辉，贾良良，邢素丽，杨云马，王欣雅，刘子轩

（河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051）

氮素是作物生长最重要的元素之一，对作物的生长做出了极大的贡献［1］。农业生产中的化肥氮素主要有3种形态，分别是硝态氮、铵态氮、酰胺态氮。在以我国为代表的一些发展中国家，尿素（酰胺态氮）是被广泛使用的氮肥产品。但因过量施用氮肥造成养分流失、土壤酸化、水体污染等一系列的环境问题日益严重［1-3］。尿素硝铵溶液（UAN）是近年来兴起的一种新型高效环保肥料，其集硝态氮、铵态氮、酰胺态氮3种形态的氮于一种肥料中，其中硝态氮和铵态氮含量分别为8.0%，酰胺态氮含量为14%。近年来，水肥一体化技术逐渐从设施农业走向了大田生产。水肥一体化的应用，可以使粮食作物产量提高20%～50%，节约用水40%以上，提高肥料利用率20%以上［4-5］。尿素硝铵溶液UAN以其溶解性好、无残渣、可配合微量元素肥料施用、肥料利用率高、氮肥损失少等优势，成为水肥一体化技术中氮肥的重要品种。此外，由于不需要再进行尿素生产的造粒过程，因此能够显著降低能量消耗［6-7］，对促进节能减排有重要意义。有研究表明，UAN在玉米、水稻、棉花等作物上都有良好的增产效果［8-10］，但在冬小麦上应用研究较少。因此，本研究对水肥一体化条件下UAN在冬小麦上的应用效果进行探讨，评价UAN在小麦体系的养分效率，为UAN在河北省冬小麦产区应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2016年10月至2017年6月在衡水冀州区明洋农场进行。试验区地处河北省平原 区（N37.57°，E115.57°）， 海 拔21.5～ 26.5 m，属大陆性暖温带半干旱季风气候，年平均气温12.7～13.3℃，年均降水量500～600 mm。本区域属于“沧衡漏斗”的中心区域，是河北省深层地下水严重超采区和禁采区。种植制度为小麦/玉米一年二熟制。供试土壤属于中壤质潮土，试验前0～20 cm土层基础理化性状为:有机质18.6 g/kg，全氮1.09 g/kg，有效磷7.52 mg/kg，速效钾151.5 mg/kg，pH值8.15。供试作物为小麦，品种为石农086。

1.2 试验设计

试验在等磷、钾施肥量条件下，选用不同用量尿素、UAN做氮源，共设置5个处理，每个处理4次重复，共20个小区，小区面积60 m2（10 m×6 m）。各处理见表1，其中CK处理不施氮肥，FP（习惯施氮）和OPT-Urea（优化施氮-尿素）处理氮肥采用尿素（N 46%），OPT-UAN（优化施氮-UAN）和80%OPT-UAN（优化施氮-UAN减氮20%）处理的氮肥采用尿素硝铵溶液（N 30%），磷肥采用重钙（P2O543%），钾肥采用氯化钾（K2O 60%）。磷、钾肥在播种前作为基肥随整地全部底施，氮肥基追各半，其中基肥随整地施入，追肥在拔节期追施，其中尿素处理为撒施后喷水灌溉，含UAN各处理为以喷雾器人工喷施后水肥一体化设备喷水灌溉［11］。其他管理同一般田间管理。

表1 试验处理 （kg/hm2）

1.3 收获及分析样品采集

土壤样品:2017年6月小麦收获后，每小区以S形用土钻采集5个点，分3层采取0～20、20～40及40～80 cm土层样品，充分混合后将采集的新鲜样品带回实验室测定土壤无机氮。土壤无机氮采用1 mol/L KCl溶液浸提，AA3流动分析仪测定［12］。

植株样品:小麦成熟期，每小区采集收获两个1 m2样点，将籽粒和秸秆风干后称重，计算单位面积籽粒产量和秸秆量。将烘干后的样品磨碎，分析籽粒和秸秆的N、P、K含量。植株样品经H2SO4-H2O2消化后，凯氏法测定全N、钼锑抗比色法测定全P、火焰分光光度法测定全K［13］。

1.4 数据处理

利用Excel 2007计算了各处理的作物吸氮量、氮肥利用率、农学效率、偏生产力等［14］，采用SPSS 17.0进行统计分析，并对土壤氮素表观矿化量等进行了计算［15-16］。各参数计算公式如下:

作物吸氮量（kg/hm2）=植株含氮量（%）×地上部生物量

氮肥利用率（%）=（施氮区小麦地上部吸氮量-对照区小麦地上部吸氮量）/施氮量×100

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区小麦产量-对照区小麦产量）/施氮量

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理产量/施氮量

土壤氮素表观矿化量=CK作物吸氮量+CK土壤氮素残留量-CK播前土壤氮素累积量

土壤氮素表观损失量=（施氮量+播前土壤氮素累积量+生育期土壤氮素矿化量）-（作物吸氮量+收获后土壤氮素残留量）

氮素盈余量=氮素表观损失量+收获后土壤无机氮残留量

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

相比于不施氮肥（CK）处理，施用氮肥均能够显著提高冬小麦籽粒产量（表2）。其中以OPT-Urea处理的冬小麦籽粒产量最高，达到7 230kg/hm2，比不施氮肥增产高达67.56%。各施用氮肥处理间冬小麦籽粒产量差异不显著，氮用量相同的UAN和尿素相比，冬小麦籽粒产量无明显差异。从冬小麦产量构成来看，施用氮肥显著增加了冬小麦的穗粒数，而对冬小麦的穗数和千粒重影响差异不明显（表2）。可见，施用氮肥对冬小麦产量的影响，主要是增加了冬小麦的穗粒数。

表2 不同施肥处理对冬小麦产量及构成因素的影响

2.2 不同施肥处理对土壤无机氮分布的影响

小麦收获后，不同施肥处理的0～80 cm土层土壤无机氮含量有明显差异（图1）。各施氮肥处理的土壤无机氮累积量均明显高于CK不施氮肥处理，其中，FP、OPT-Urea施用尿素处理的0～80 cm土层土壤无机氮累积量显著高于施用UAN各处理。由土壤无机氮在各土层分布可以发现，施用尿素的两个处理（FP、OPT-Urea）0～40 cm土层无机氮含量明显高于UAN各处理，而在40 cm以下，尿素和UAN各处理土壤无机氮含量差异不大。农民传统施肥FP处理在0～20和20～40 cm土层均显著高于各UAN处理，说明农民传统过量施氮不仅会造成根层土壤剖面中无机氮的累积，进一步可能会引起无机氮向深层地下水的淋失。从收获后土壤无机氮残留来看（图2），FP处理和OPTUrea处理的残留无机氮分别为154和145kg/hm2，显著高于OPT-UAN处理的104kg/hm2和80%OPTUAN处理的68kg/hm2。

图1 冬小麦收获后0～80 cm土层无机氮含量分布

图2 冬小麦收获后0～80 cm土层无机氮累积量

2.3 不同施肥处理对冬小麦氮肥利用率的影响

施氮显著提高了冬小麦地上部的氮素吸收量（表3），较不施氮肥高90%以上。各施氮处理中，80%OPT-UAN处理氮素吸收量较低，为146.6kg/hm2，比OPT-UAN处理低10.3%，但差异并未达到显著水平。各施氮处理间无显著差异。

表3 不同施肥处理对冬小麦肥料利用率的影响

冬小麦氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均表现为80%OPT-UAN处理最高，FP处理最低，且两处理差异显著，其中80%OPT-UAN处理氮肥偏生产力较OPT-UAN处理显著提高20.6%。优化施氮（N 210kg/hm2）的各处理氮肥偏生产力均显著高于农民常规施氮（N 270kg/hm2）的处理，增幅达到26.6%。等氮量处理间冬小麦氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均无明显差异。

2.4 不同施肥处理对土壤-作物系统氮素平衡的影响

从冬小麦全生育期内土壤-作物系统的氮素平衡状况（表4）来看，FP处理的氮素盈余量最高 为228kg/hm2，OPT-Urea、OPT-UAN处 理 分别为165和164kg/hm2，略低于FP处理，但均明显高于80%OPT-UAN处理的136kg/hm2。从氮素表观损失来看，FP处理的氮素表观损失量最高为74kg/hm2，其次是80%OPT-UAN处理和OPTUAN处理，分别为68和60kg/hm2，均明显高于OPT-Urea处理的20kg/hm2。相同施氮量条件下含UAN处理的氮素表观损失量高于尿素处理，表明在本试验条件下，UAN存在严重的氮素损失途径，分析其原因可能与UAN中存在铵态氮在叶面喷施条件下的氨挥发损失有关，这需要进一步的研究以确定。

表4 不同施肥处理冬小麦生育期内土壤-作物系统的氮素平衡状况 （kg/hm2）

3 讨论

氮素是影响作物优质高产的首要因素［17］，大量研究表明合理使用氮肥可以显著提高作物产量［18-19］。本研究中，施用尿素和UAN均可显著提高冬小麦籽粒产量，与前人研究结果一致［19-20］。与农民传统施氮 270kg/hm2相比，优化施用氮肥210kg/hm2处理的小麦籽粒产量没有差异，表明在本试验区N 210kg/hm2足以满足小麦对氮素的需求。孙世友等［21］在子牙河流域的研究也表明优化施肥N 180kg/hm2时，小麦籽粒产量与传统施肥N 270kg/hm2没有显著差异。

已有研究表明，与尿素相比，等氮量的UAN处理可以显著促进作物增产［8，20，22］。但在本研究中，等氮量的尿素和UAN处理间的小麦产量、吸氮量和氮肥利用率并没有显著的差异，这可能是由研究区土壤地力和气候环境造成的。在本研究条件下，UAN处理的氮肥利用率达到33%～40%，与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》中小麦氮肥的当季利用率32%接近，但与王寅等［8］在玉米上的研究结果有明显不同，他认为UAN的当季氮肥利用率明显高于尿素处理的当季氮肥利用率。这可能与UAN的施用方式及不同气候条件有关。本研究条件下UAN为叶面喷施后喷淋灌溉，喷施过程中可能有部分铵态氮以气体氨形式挥发到空气当中（当地土壤pH值8.1，为碱性环境）；而尿素为地表撒施，然后喷淋灌溉，尿素溶化后随水进入土壤中，能够减少挥发损失。陈健等［23］报道，黄淮海平原区冬小麦生长期，氨挥发损失所占比例较大，被认为是氮肥损失的重要途径。因此，如何控制UAN施用过程中的氮素损失将是接下来研究的重点问题。

施氮量过高，土壤剖面中氮素累积量和损失量均会显著增加［24-26］。本研究结果显示出相似的规律，农民传统习惯施肥的0～80 cm土壤氮素残留量及氮素损失量均高于优化施肥，施氮量越高，土壤硝态氮累积越多，更容易造成硝酸盐向深层淋溶，增加硝酸盐污染风险［27］。在本研究条件下，等氮量的UAN和尿素处理下，UAN处理的0～80 cm土壤氮素残留量较少，尤其是UAN减量20%处理（80%OPT-UAN）的土壤氮素残留量仅为68kg/hm2，这表明施用UAN较尿素可以减少土壤氮素残留，降低土壤剖面中的硝酸盐污染风险。

另外有研究表明，等比例的铵态氮和硝态氮能提高小麦根际土的酶活性［28］，对冬小麦的氮素吸收有明显的促进作用［29］。而UAN恰好含有等比例的铵态氮和硝态氮，且在玉米［8］、水稻［9］、棉花［10］和小麦（本研究）等作物上都有良好的增产效果，是否其含有的等比例铵态氮和硝态氮在其中发挥了重要作用尚需要进一步的研究来证实。

4 结论

研究表明，在河北省中低产田，施用氮肥可以显著促进冬小麦产量增加，主要是通过增加冬小麦的穗粒数实现增产的；本研究中等氮量的UAN和尿素处理，小麦籽粒产量、植株吸氮量及氮肥利用率没有显著差异，但是与上述2个处理相比，UAN减量N 20%产量无显著差异，而肥料利用率和氮肥偏生产力却显著提高；施用UAN较尿素可以降低土壤无机氮累积量；相同施氮量条件下含UAN处理的氮素表观损失量高于尿素处理。