不同新型尿素与普通尿素减氮配施对夏玉米氮利用、产量及土壤氮平衡的影响

郑贝贝 赵威 刘松涛 张亚菲

摘要： 以玉农76为试验材料，进行2年（2020年、2021年）田间试验，探索无氮处理（CK）、225 kg/hm2普通尿素处理（CU225，以氮计）、普通尿素减施20%（180 kg/hm2）处理（CU180，以氮计）、减氮基础上普通尿素（180 kg/hm2，以氮计）与控释尿素（CLU）、腐殖酸尿素（FAU）、聚能网尿素（ENU）、海藻酸尿素（SAU）按7 ∶ 3比例配施对夏玉米干物质累积量、产量、土壤氮养分供应特征及氮利用效率的影响，为夏玉米氮肥减施增效及一次性施肥措施提供依据。结果表明，施用氮肥能显著影响土壤有效氮的供应水平及供应特征，可以促进氮素吸收，提高籽粒产量。普通尿素处理（CU225、CU180）提高了玉米生长前期表层土壤硝态氮（NO-3-N）及铵态氮（NH+4-N）含量，使得该阶段干物质含量、叶面积指数（LAI）较高，同时增加了NO-3-N淋洗量。在生长中后期，土壤NO-3-N、NH+4-N含量迅速下降，因此后期干物质量、LAI及产量较低，氮素利用效率欠佳。与CU225处理相比，CU180处理的氮肥偏生产力（PFPN）、氮肥农学效率（AEN）及氮肥利用率（NUE）显著提高，但产量显著降低。在新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU）下，生长前期表层土壤的NO-3-N、NH+4-N含量较低，随后逐渐释放，从而延长了氮素的供应周期、减少了 NO-3-N 淋溶，其PFPN、AEN、NUE在2020年、2021年田间试验中分别显著提高1.78%～5.49%、9.05%～27.77%、6.39%～17.08%和0.77%～6.77%、3.97%～34.99%、4.51%～15.34%，整体表现为CLU、ENU处理的值较高。与CU225 处理相比，CLU、ENU处理2年平均分别显著增产1.78%、3.07%。综上，新型尿素与普通尿素减氮配施维持并提高了土壤供氮能力，降低了NO-3-N的污染风险，使得氮素养分的释放与玉米养分的吸收相互匹配，从而促进了玉米物质累积，进而提高了玉米产量及氮素利用效率，以控释尿素、聚能网尿素与普通尿素配施处理（CLU、ENU）效果较佳。

关键词： 氮肥减施；新型尿素；氮代谢酶；硝态氮分布；产量；氮素利用

中图分类号：S513.06  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）02-0090-08

玉米（Zea mays L.）是世界范围内广泛種植的粮食作物之一，其提供了全球人类与牲畜约1/5的膳食纤维与能量来源，随着全球人口的增加和畜牧业的迅速增长，对玉米的需求量逐年大幅增加［1］。提高玉米产量主要取决于田间管理和化肥施用，其中氮肥是玉米生长史中的关键生命元素，合理施氮对玉米生理特性、产量的各个因素皆起着重要作用［2］，因此在实际生产中，为了保证产量，农民施氮量往往高于推荐量。在我国秦岭淮河一带，农民施氮肥为225～425 kg/hm2（以氮计），然而我国玉米最佳推荐纯氮施用量仅为180 kg/hm2（以氮计）［3］。玉米是典型的须根系作物，其根系较为庞大，但致密的须根主要分布于表层，因此氮肥利用率（NUE）偏低，从而导致氮肥因氨挥发、淋洗、硝化、反硝化和其他迁移途径产生大量流失［4］，在生产成本高的同时造成环境污染。因此，为有效提高耕地的可持续利用率和缓解土壤质量下降、保证产量，提高玉米NUE亟待探索。

氮肥损失的主要原因是氮素供应期与作物生育期需求之间存在同步性差异［3］。在玉米田间管理中，基、追肥的施肥方式、施用比例及施用时期的合理匹配可显著提高植株的NUE，但多次分施存在劳动力浪费、生产效率较低等问题。近年来，我国中原腹地的农村人口逐渐向沿海转移且持续减少，导致农业劳动力短缺、务农老龄化等问题［5］，农业生产轻简化已经成为干旱区农业发展的趋势，一次性施肥技术在夏玉米生产中得到了广泛应用［6］。作为一次性施肥技术的最佳选择，缓释肥可以调节氮素释放速率，能够满足作物整个生育期对氮素的需求［7］。宏观Mata分析结果显示，与传统施氮相比，缓释施氮可使粮食作物产量显著提高1.3%～10.3%，籽粒氮吸收量增加5.09%～12.13%，氮利用效率显著提高8.2%～48.5%［8］，因此目前已被广泛应用于粮食作物、油料作物、纤维作物、水果类作物、蔬菜类作物及药用作物等。

近年来，玉米控释氮肥在增产增收、节肥省工、提高氮素利用效率、减少氮素流失等方面表现出了较好的效果［9］。与普通尿素相比，控释氮肥可满足玉米生长后期对氮素的需求，促进玉米对氮素的吸收和积累，在提高氮素利用效率、减少氮素淋失方面具有明显效果［10］；并且研究发现，不同量的控释氮肥与尿素配施能更好地调控氮肥在土壤中的释放与转化，从而提高玉米NUE、籽粒氮积累及增加玉米产量收益等［11］。但是，目前关于玉米施用控释肥的研究主要集中在基肥和追肥中不同包膜类型与普通尿素的配施比例对作物生长和产量的影响［3］，对旱地玉米一次性施用效果的研究较少。本研究探索氮肥类型和施用量对土壤氮分布、玉米产量及氮利用效率的影响，旨在指导农户优化管理措施，为夏玉米氮肥减施增效及一次性施肥措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020—2021年在河南省中牟县河南农业高新科技园（114°11′E，34°73′N）进行。试验区属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，年均日照时数2 366 h，降水量615 mm，夏季平均气温 27.9 ℃。2年试验均为同一田块，田块土壤为潮土，质地为中壤，0～30 cm土层土壤信息如下：酸碱度（pH值）5.88，有机质、全氮含量分别为16.48、0.81 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为65.86、24.17、144.96 mg/kg。

供试玉米品种为玉农76，是国内广泛种植的主要玉米品种之一。供试磷、钾肥分别为过磷酸钙（P2O5，12.5%）、氯化钾（K2O，60%），均购自河南农丰工业肥料有限公司。供试氮肥有普通尿素（46.7% N）、控释尿素（43.2% N）、腐殖酸尿素（44.6% N）、Ⅱ型聚能网尿素（46% N）、海藻酸尿素（46% N），均购自河南心连心化肥有限公司。

1.2 试验设计

试验于2020年、2021年5—9月进行。试验设置如表1所示，有7个处理：CK，不施氮肥；CU225，普通尿素及当地常规氮用量（225 kg/hm2）；CU180，普通尿素及当地常规氮减量20%（180 kg/hm2）；CLU，普通尿素配施控释尿素；FAU，普通尿素配施腐殖酸尿素；ENU，普通尿素配施聚能网尿素；SAU，普通尿素配施海藻酸尿素。其中上述当地常规用量为 225 kg/hm2，普通尿素与新型尿素的纯氮配施比例皆为7 ∶ 3［12］，且总纯氮用量均为180 kg/hm2。每个处理重复3次，共设21个小区，小区为长方形（7 m×5.7 m），随机区组排列，小区间用60 cm宽沟道拦隔。玉米播种密度为67 500株/hm2，P2O5用量为 75 kg/hm2，P2O5 ∶ K2O=5 ∶ 6。氮肥按照相应处理施用，氮、磷、钾肥在玉米3叶期时一次性全部施入。试验期间，病虫草害防治与其他管理措施同当地玉米田间生产规程。

1.3 测定指标

1.3.1 玉米不同生育期干物质、叶面积指数、氮浓度及产量的测定 分别在玉米拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、籽粒建成期（R2）、乳熟期（R3）及完熟期（R6）采用手持叶面积仪（CID-203，上海泽泉科技股份公司）测定叶面积。叶面积指数（LAI）=（单位叶面积×单位种植密度）/单位面积［13］，并于VT、R6时收获植株，置于烘箱内于105 ℃殺青0.5 h，再于75 ℃烘干以得到干物质质量。采用全自动连续流动分析仪（TRAAS-2000，上海泽泉科技股份公司）测定R6的玉米氮浓度。

在产量测定过程中，收获每个小区的玉米棒，室内风干考种，记录单株穗数、有效穗粒数及千粒质量，单位面积产量为单株均产量与种植密度之积。

1.3.2 土壤硝态氮（NO-3-N）、铵态氮（NH+4-N）含量的测定 于2021年玉米不同生育期对表层（0～30 cm）土壤进行取样。按照“S”形五点取样法， 取样前去除最上层（0.5 cm）土壤。同时在V12—VT 阶段使用不锈钢半自动螺旋土钻（直径3 cm）采取5个土层（0～10、10～30、30～50、50～70、70～90 cm）的土壤样品，将螺旋土钻所取土壤样品保存于-20 ℃。借助全自动连续流动分析仪，用 2 mol/L KCl浸提，分别采用盐酸-乙二胺四乙酸二钠缓冲液、苯酚钠-乙二胺四乙酸二钠缓冲液测定土壤NO-3-N、NH+4-N含量［14］。

1.3.3 土壤氮代谢酶活性的测定 用螺旋土钻获取表层（0～30 cm）土壤用以测定土壤脲酶（URE）、土壤酸性蛋白酶（APT）活性，上述酶活性均用北京索莱宝科技有限公司生产的试剂盒进行测定，其试剂盒型号分别为BC3070、BC3125。

1.4 数据处理

氮肥利用相关指标参照以下公式计算［13］：

植株氮素总吸收量（kg/hm2）=∑（各器官干物质量×各器官氮浓度）；

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮处理产量/施氮量；

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/整株氮素积累量×100%；

氮肥农学效率（AEN，kg/kg）=（施氮处理产量－不施氮处理产量）/施氮量；

氮肥利用率（NUE）=（施氮处理氮总累积量－不施氮处理氮总累积量）/施氮量×100%。

数据用Excel 2007进行常规计算处理，不同处理间的试验数据用SPSS 23软件进行双因素方差（two-way ANOVA）分析和最小显著性差异（LSD）法分析；用Origin 2021进行图形绘制，图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同处理对夏玉米干物质含量及不同生育期叶面积指数的影响

2年的田间试验结果（图1）表明，在吐丝期（VT）、完熟期（R6），各处理的干物质含量均存在一定差异。在吐丝期，2020年、2021年各处理的干物质含量整体以CK、SAU处理较低，最大值皆出现在CU225处理；2020年、2021年中，与CU225处理相比，其他处理分别降低4.46%～21.07%、8.39%～27.95%。在完熟期，2020年、2021年的干物质含量分别以CLU、ENU处理最大，分别为23.754、23.377 t/hm2，且2年间CLU、ENU处理间均无显著差异。

2020年、2021年，LAI在6个关键生育期中表现为随着生育期推进呈先升后降的趋势。从拔节期（V6）开始，LAI开始升高，此后急剧上升，在VT生育期达到最高值，在V6至V12间，整体表现为CU225、CU180处理大于相关不同新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU）。此后，从VT至R6的LAI逐渐平缓下降，各处理的LAI在V12与R6时基本相等。在VT至R6间，LAI整体整体表现为普通尿素、新型尿素配施处理大于CU225、CU180处理，其中LAI最大值整体出现在CLU、ENU处理。

2.2 不同处理对夏玉米表层土壤铵态氮、硝态氮含量的影响

由图2可知，在第2年（2021年）的田间试验中，不施肥处理（CK）、普通尿素处理（CU225、CU180）、新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU）对不同生育期的表层土壤的硝态氮及铵态氮含量均有一定影响。就硝态氮含量而言，随着生育期推进，所有处理整体均呈降低趋势，但不同处理在不同生育期阶段的降幅存在差异；就普通尿素处理而言，CU225、CU180处理从V6至V12阶段迅速下降，而后降幅放缓。与普通尿素处理相比，新型尿素与普通尿素减氮配施处理的硝态氮、铵态氮含量在全生育期的降幅均较为稳定，且在 V12以前， 其NO-3-N含量均明显较低，而在V12 至R6阶段则较高。就NH+4-N含量而言，CK处理在全生育期的变幅较小，普通尿素处理随生育期推进 呈下降趋势，而新型尿素与普通尿素减氮配施处理则呈先上升后下降的趋势。在V6时，各施肥处理呈SAU＜ENU＜CLU＜FAU＜CU180＜CU225，而在大喇叭口期（V12）后，以新型尿素与普通尿素减氮配施处理的NH+4-N含量高于CU180、CU225处理，尤其表现在VT、R2生育期。

2.3 不同处理对夏玉米土壤剖面铵态氮、硝态氮分布的影响

由图3-A可知，在2021年的田间试验中，不施肥处理、普通尿素处理、新型尿素与普通尿素减氮配施处理对90 cm土壤深度的土壤硝态氮、铵态氮含量的剖面分布均具有明显影响。随着土壤深度加深，CK、CLU、FAU、ENU、SAU处理的硝态氮含量均整体呈降低趋势，而普通尿素处理（CU225、CU180）随着土层加深则呈“S”形变化趋势。在表层 （0～30 cm）土壤，各处理整体呈CK＜CU180＜CU225＜ SAU、FAU＜CLU＜ENU，而在深层（50～90 cm）土壤中，各处理整体呈CK＜SAU、FAU、CLU＜ENU＜CU180＜CU225，其中在90 cm土层中，CU225、CU180处理明显高于CK、新型尿素与普通尿素减氮配施处理。就铵态氮含量分布而言，0～30 cm 土层中，与普通尿素处理（CU225、CU180）相比，CK与新型尿素与普通尿素减氮配施处理降幅均较缓；随着土壤深度加深，相应施肥处理的铵态氮含量急剧下降，尤其表现在30～50 cm土层，而在更深土层（70、90 cm）中，相应施肥处理的铵态氮含量均大于不施肥处理，但各处理间的差异较小（图3-B）。

2.4 不同处理对夏玉米不同生育期土壤氮代谢酶活性的影响

由图4-A可知，吐丝期的土壤脲酶（URE）活性各处理呈CK＜CU180＜SAU＜CU225＜ENU＜FAU＜ CLU；与CK处理相比，施肥处理的土壤脲酶活性提高了8.91%～43.67%，其中CK与CU180、CU225、SAU处理间均无显著差异，但显著低于ENU、FAU、CLU处理。在完熟期，与CK处理相比，施肥处理（CU225、CU180、CLU、FAU、ENU、SAU）的土壤脲酶（URE）活性显著提高203.51%～744.44%，其中新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU）中以ENU处理的土壤脲酶活性最高，SAU、FAU处理较ENU处理分别显著降低8.91%、14.34%。由图4-B可知，在吐丝期，各处理的酸性蛋白酶（APT）活性呈CK＜CU225＜CU180＜FAU＜SAU＜ENU＜CLU，但处理间波动较小，各处理间均无显著差异。在完熟期，以CK处理的APT活性最低，相关施肥处理较其提高7.37%～53.92%，其中CK与CU225、CU180处理无显著差异，三者皆显著小于新型尿素与普通尿素减氮配施处理。在新型尿素与普通尿素减氮配施处理中，表现为SAU＜FAU＜CLU＜ENU，与ENU处理相比，SAU、FAU处理分别显著降低9.58%、8.23%。

2.5 不同处理对夏玉米产量、氮含量及氮素利用的影响

由表2可知，2020年、2021年2年中各处理的玉米籽粒氮含量和整株氮总含量差异较小，且无论是籽粒氮含量还是氮总含量，各处理整体表现为 CK＜CU180＜CU225＜SAU、FAU＜ENU、CLU。氮素收获指数为籽粒氮素含量在氮总含量中的比例， 与CK处理相比，相关施肥处理的氮素收获指数在2020年、2021年中分别显著提高15.02%～16.99%、19.30%～23.00%，但相关施肥处理间氮素收获指数差距较小，各处理间均无显著差异。与CU225处理相比，新型尿素与普通尿素减氮配施处理的玉米籽粒产量在2020年、2021年变幅分别为 -0.98%～2.62%、-1.81%～4.05%，且2年中均以ENU、CLU处理较高，皆显著大于普通尿素处理（CU225、CU180）；与CU225处理相比，2020年CLU、ENU处理的产量分别显著提高2.62%、2.07%，2021年则分别显著提高0.96%、4.05%。在氮素利用相关指标中，氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥利用率中2020年、2021年中皆以CU180處理大于CU225处理；与CU180处理相比，2020年新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU）这3项指标分别显著提高1.78%～5.49%、9.05%～ 27.77%、6.39%～17.08%；2021年则分别显著提高0.77%～6.77%、3.97%～34.99%、4.51%～15.34%。双因素分析结果表明，籽粒产量、氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥利用率在年份与尿素类型中皆存在明显的交互作用。

3 讨论

作为植物必需的大量营养元素，氮是决定玉米前期生理代谢及后期籽粒产质形成的主要养分因子［15-16］。叶面积指数、干物质含量与玉米最终产量之间存在密切关系，玉米叶片的衰老史是氮素吸收水平、同化固定量、有机转化效率向氮转移再分配形式的转变过程［17］。氮进入叶片器官后，叶片对氮在光合系统或细胞壁进行策略性分配，当光合系统获得充足的氮源以增强叶片光合活力、延长绿叶持续期进而保障籽粒有效灌浆时间是获得高产的先决条件［18］。本研究中，2年的田间试验数据表明，在玉米吐丝期（VT）之前，普通尿素处理（CU225、CU180）的LAI均整体高于新型尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、FAU、ENU、SAU），而在吐丝期至完熟期（R6）则相反。CU225、CU180处理干物质含量在VT时较高，而在R6时则以新型尿素与普通尿素减氮配施处理较高，尤其表现在CLU、ENU处理，在一定程度上说明，普通尿素与新型尿素配施延缓了玉米叶片衰老，可保障中后期籽粒的形态建成。

尿素是玉米生产中常用的氮肥种类，但尿素施入土壤后易水解为氨并挥发，且氨可在微生物的硝化作用下产生硝酸盐溶淋，多个过程造成氮素损失［19］。土壤中无机氮含量可体现土壤中可利用氮水平的高低，可直接反映其对作物的养分供给能力，是评价外源氮投入是否适宜的重要判断依据之一［3］。本研究结果表明，在拔节期，CU225、CU180处理下表层（0～30 cm）土壤的硝态氮（NO-3-N）、铵态氮（NH+4-N）含量均较高，这表明尿素发生迅速水解，然而在玉米生根期至拔节期阶段玉米植株对氮的需要量相对较少［20］，由此造成氮素浪费。相比之下， 在玉米植株急需氮素的拔节期至乳熟期阶段，新型尿素与普通尿素配施处理的NO-3-N、NH+4-N 含量均明显高于普通尿素处理。这表明新型尿素与普通尿素配施可为玉米生长提供稳定的氮素供应，且氮素需求较吻合，这可能是玉米干物质在发育后期含量较高的原因。

新型尿素是尿素生产过程中添加特定的功能增效物质或者缓释物质，以抑制氮素快速损失、延长养分释放周期、提高植物吸收量［21］。Shi等研究发现，普通尿素与新型控释尿素不同比例配施均提高了0～40 cm土壤NO-3-N含量，而降低了更深土层（0～120 cm）中NO-3-N的分布水平［22］。本研究结果表明，在大喇叭口期至吐丝期阶段土深为 90 cm 的氮素纵向分布中，相比于普通尿素处理，新型尿素与普通尿素减氮配施处理表层（0～30 cm）土壤的NO-3-N、NH+4-N含量更高，深层（50～90 cm）土壤中，普通尿素处理（CU225、CU180）的 NO-3-N 含量与表层土壤相当，而CLU、FAU、ENU、SAU处理的NO-3-N含量明显较低。在土壤中，NO-3-N是较为活跃的氮素形态，它易随着水分流动而产生氮淋洗，深层土壤中较低的 NO-3-N 含量可降低氮素流失导致的环境污染风险［11，23］。

土壤酶活性是表征土壤生化代谢水平的重要指标，可反映土壤微生物学功能作用强度、养分组成及养分周转能力［24-25］。本研究结果表明，在VT阶段新型尿素与普通尿素减氮配施处理的土壤脲酶、酸性蛋白酶活性均整体高于CU225、CU180处理。URE、APT广泛存在于土壤颗粒间，二者均可介导有机质分子的水解，提高土壤有效氮含量［26］。在R6时，与VT相比，CU225、CU180的URE、APT活性均较低；前人研究表明，在玉米生育前期氮素释放量激发了土壤酶活性，而后期叶片早衰导致氮素获取量减少使得酶活性随之降低［17］。类似地，R6时CLU、FAU、ENU、SAU处理的URE、APT活性均有所降低，但仍保持较高的代谢活性，且CLU、ENU处理的酶活性均显著高于CU225、CU180处理，说明控释尿素、聚能网尿素与普通尿素配施在玉米生育后期仍能提供可观的氮素，从而维持较高的有效氮供应。

肥料的功能作用及最终的产量收获、养分效率受立地土壤条件、作物类型、肥料物质组成及施用量等多因素的综合影响［21，27］。 本研究中，在玉米籽粒氮含量和氮总含量中，各处理整体呈CK＜CU180＜ CU225＜SAU、FAU＜ENU、CLU，然而与施肥处理相比，不施肥处理条件下的玉米氮素含量仍较高，其氮含量可占施肥处理的50%以上；前人研究表明，土壤氮库转化是决定作物氮吸收水平的主要来源［28］，这取决于土壤的矿化水平。在本研究中，尽管大量施氮但CU225与CU180处理在氮素吸收量及籽粒氮分配方面均无明显差异。尽管CU225与CU180处理间在氮含量上无明显差异，但2年的田间产量数据显示，CU180处理的产量显著低于CU225处理，而ENU、CLU处理较CU225处理2年平均分别显著增加3.07%、1.78%，而氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥利用率中亦整体以ENU、CLU处理最高。

4 结论

本研究结果表明，普通尿素常量施肥［225 kg/hm2 （以氮计）］及常量减施20%一次性施用处理下，尿素在玉米生长前期快速水解提高了表层土壤硝态氮及铵态氮含量，使得生育前期干物质含量、叶面积指数较高，同时增加了NO-3-N的深层淋洗；玉米发育中后期尿素消耗殆尽，因此产量、氮素利用不理想。控释尿素、腐殖酸尿素、聚能网尿素、海藻酸尿素和普通尿素以3 ∶ 7 比例配施使得氮素养分的释放与玉米养分的吸收相互匹配，延长了氮素的供应周期，维持并提高了 土壤供氮能力，降低了NO-3-N 的污染风险，具有明显的“前控后保”作用，满足玉米生育期氮素需求规律，促進了玉米的生长发育，进而提高了玉米产量与氮素利用效率。然而不同新型尿素与普通尿素配施效果存在一定差异，整体以控释尿素、聚能网尿素与普通尿素减氮配施处理（CLU、ENU）效果较佳，其显著提高了玉米产量、氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥利用率。

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收 稿日期：2023-07-03

基金课题：河南省科技攻关项目（编号：192102110139）；河南农业职业学院科研创新项目（編号：HNACSRHR-2021-02）；河南农业职业学院科研创新团队项目（编号：HNACKT-2020-01）。

作者简介：郑贝贝（1986—），女，河南滑县人，硕士，讲师，主要从事农作物栽培与育种研究。E-mail：zhengbeibei2020@163.com。