硝酸铵与尿素作为Carinata（Brassica carinata A. Braun）冬季生产氮源的评价：产量、种子品质及经济最优N率（EONR）

《Agronomy Journal》：Evaluating ammonium nitrate and urea as nitrogen fertilizer sources for carinata production

　　

Carinata（Brassica carinata A. Braun）是一种适应美国东南部冬季生产的油籽作物。本研究评估了氮（nitrogen，N）肥来源（硝酸铵 ammonium nitrate 和尿素 urea）及氮率（0、45、90和135 kg N ha^?1）对Carinata产量、产量构成、种子品质和氮利用指数的影响。采用两因素（氮源和氮率）析因设计的田间试验，在佛罗里达州Jay以及佐治亚州Midville和Tifton开展，历时两个生产季。氮源表现因地点而异。在Jay，尿素的经济最优氮率（economic optimum N rate，EONR）为68.2 kg ha^?1，在相同氮率下比硝酸铵多产生$68.6 ha^?1利润。在Tifton，硝酸铵具有更高的EONR（100 kg N ha^?1），并在其EONR（90.6 kg N ha^?1）下比尿素多产生$88.5 ha^?1经济利润。在Midville，硝酸铵和尿素均不盈利。所有地点种子产量均随氮率增加而增加，总氮吸收范围为75.6至190 kg ha^?1。平均而言，氮吸收超过施氮量：Jay为71.9 kg ha^?1，Midville为21.3 kg ha^?1，Tifton为52.8 kg ha^?1，突显了残余和矿化土壤氮（residual and mineralized soil N）的大量利用，并表明Carinata在种植于接受较高肥料输入的作物之后时可能特别有益。未来研究应评估如何将残余和可矿化土壤氮（mineralizable soil N）纳入Carinata的氮推荐。

Carinata（Brassica carinata A. Braun）是一种适应美国东南部冬季生产的油籽作物。随着可持续航空燃料转型，符合国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）可持续性标准的冬季油籽作物受到更多关注。Carinata为非食品油籽作物，具有低碳足迹，并于2019年获ICAO批准；其适合美国东南部，因为可在冬季休耕期种植于沙质土壤，并提供杂草抑制、改善土壤保水性和增强生物活性等农艺收益。Carinata较耐旱，可为种植者提供淡季收入而不挤占粮食和纤维生产；将冬季Carinata整合到棉花（Gossypium hirsutum L.）系统可提高整体系统生产力。随着区域生产扩大，可靠产量的关键障碍之一是缺乏该新兴作物在该地区的养分管理信息。美国东南部多数土壤高度风化，有机质低，本地肥力差，因此常规施肥对作物生产至关重要。芸薹属油籽对氮（nitrogen，N）供应反应敏感，使氮肥成为维持Carinata生产力的重要管理策略。许多确定氮肥对Carinata影响的研究显示，增加氮率通常提高Carinata生物量、株高和种子产量。佛罗里达州Quincy的一项两年研究报道，Carinata经济氮率为93 kg ha^?1 N；佐治亚州Midville、Shellman和Tifton三地点另一项研究观察到，在氮分次施用系统中，Carinata经济氮率为134 kg ha^?1 N。一般而言，氮易通过淋溶、反硝化、挥发和径流等途径损失，通常50%–70%施用氮肥损失。铵和硝酸盐是作物易利用的无机氮形态。在东南部常见的湿润、温暖和通气良好的土壤条件下，硝酸盐比铵更普遍。作物吸收硝酸盐后需将其代谢为铵，随后将铵转化为氨基酸并将氨基酸转化为蛋白质；硝酸盐还原为铵是耗能过程，每还原一个硝酸盐需要两个硝酸盐还原酶分子。作物对铵和硝酸盐的偏好因生长阶段而异。因此，氮肥来源可能是提高氮利用效率的重要策略。尿素和硝酸铵是常见氮肥来源。美国对纯硝酸铵有限制，但尿素 ammonium nitrate 肥料或硫基硝酸铵肥料等衍生物形式可用。尿素是碳酰胺，化学式为CO(NH₂)₂。尿素首先由土壤微生物释放的脲酶转化为铵，尽管植物可少量直接吸收尿素。相反，硝酸铵溶解后可立即被吸收。与尿素相比，多年生黑麦草在使用硝酸铵肥料时氮回收和吸收增加。Carinata专属氮源效应研究有限，但近缘油籽油菜的发现提供有用背景。在油籽油菜中，硝酸铵使种子产量增加60%–170%，而尿素使种子产量增加40%–160%。本研究目标为：(a) 比较硝酸铵和尿素肥料来源对Carinata生产力和品质的效果；(b) 评估Carinata对两种肥料来源不同施用率的响应；(c) 确定两种肥料来源用于Carinata生产的EONR。

研究方法概述：研究人员于2021–2022和2022–2023两个生长季，在佛罗里达州Jay的West Florida Research and Education Center、佐治亚州Midville的Southeast Georgia Research and Education Center和佐治亚州Tifton的Coastal Plains Experiment Station开展田间研究。试验采用两因素（氮源和氮率）析因设计，氮源为硝酸铵（NH₄NO₃，ammonium nitrate）和尿素（urea），氮率为0、45、90和135 kg N ha^?1，四次重复，Tifton 2021–2022季为三次重复。整体研究构成七个生产条件。测定指标包括种子产量、地上生物量、收获指数、1000粒重（1000-seed weight，TSW）、种子和残茬氮浓度、氮吸收、氮回收、农艺效率、施氮与吸收差值（difference in N applied and uptake，DNAU）、油分、蛋白质、硫代葡萄糖苷（glucosinolates，GLSs）和脂肪酸谱。经济分析中，Carinata售价以美国农业部农业营销服务局2021–2022和2022–2023大豆平均价格$0.42 kg^?1为基准；尿素氮价格$1.91 kg^?1，硝酸铵氮价格$2.03 kg^?1，施用成本$18.8 ha^?1。数据采用R中线性混合模型分析，并按地点分别分析。

研究结果：

种子产量：除Tifton氮源主效应外，氮源及氮源×氮率交互对种子产量不显著。Jay平均，硝酸铵为1480 kg ha^?1，尿素为1543 kg ha^?1，相差4.22%。Midville平均，硝酸铵为1109 kg ha^?1，尿素为972 kg ha^?1，相差14.1%。Tifton平均，硝酸铵较尿素显著提高种子产量12.9%（1502 vs. 1331 kg ha^?1）。氮率主效应在所有地点显著。Jay和Midville，硝酸铵随氮率线性增加，尿素呈二次响应；Tifton，硝酸铵和尿素均呈二次响应。Jay硝酸铵线性斜率为4.97 kg N ha^?1，Midville为4.23 kg N ha^?1；对应收入为$2.09 kg^?1和$1.78 kg^?1，低于硝酸铵单价$2.03 kg^?1加施用成本$18.8 ha^?1。135 kg N ha^?1硝酸铵较0 kg N ha^?1在Jay和Midville分别造成$11.1 ha^?1和$53.0 ha^?1经济损失。Tifton硝酸铵EONR（考虑施用成本）为100 kg ha^?1，最大种子产量在130 kg ha^?1。尿素二次函数EONR为Jay 68.2 kg ha^?1、Midville 0 kg ha^?1、Tifton 90.6 kg ha^?1；Midville不考虑施用成本时EONR为12.7 kg ha^?1，较0 kg N ha^?1增收$26.9 ha^?1，但加上$24.3 kg^?1氮成本及$18.8 ha^?1施用成本后不如0 kg N ha^?1盈利。尿素最大种子产量出现在Jay 133 kg ha^?1、Midville 88.5 kg ha^?1、Tifton 120 kg ha^?1。

生物量、收获指数和1000粒重：氮源及其交互对地上生物量、收获指数和TSW均不显著。氮率主效应在所有地点显著提高地上生物量。Jay，硝酸铵为二次、尿素为线性；Midville，硝酸铵为线性、尿素为二次；Tifton，两者均为二次。氮率仅在Tifton显著影响收获指数，硝酸铵和尿素均为二次。TSW在Midville和Tifton受氮率显著影响，Jay不显著。Midville，硝酸铵线性增加，尿素为二次且无线性斜率项；Tifton，硝酸铵为二次，尿素为线性，较高氮率降低TSW，线性斜率为?1.96×10^?3。

氮同化指数：所有地点氮源×氮率交互对测定的氮同化指数均不显著。除Midville总氮吸收和Tifton农艺效率外，氮源主效应不显著。种子氮含量为34.9–52.7 g kg^?1，残茬氮含量为4.37–15.5 g kg^?1。尽管种子氮浓度高于残茬，但残茬重量更大，因此种子氮吸收并不总是高于残茬，氮收获指数为0.413–0.579；低于0.5表示残茬氮吸收大于种子。平均总氮吸收：Jay硝酸铵140、尿素147 kg ha^?1；Midville硝酸铵98.7、尿素83.3 kg ha^?1；Tifton硝酸铵134、尿素118 kg ha^?1。氮率主效应显著影响Midville和Tifton种子氮浓度，均为二次；残茬氮浓度仅Midville显著，均为二次。总氮吸收在所有地点受氮率显著影响；Jay和Midville两者均为二次且无线性斜率项，Tifton两者均为线性；总体氮吸收随氮率增加。氮收获指数仅Jay受氮率显著影响，硝酸铵为完整二次，尿素为二次且无线性斜率项。氮回收在氮源间差异大但不显著：Jay硝酸铵12.4%、尿素31.2%；Midville硝酸铵22.1%、尿素5.09%；Tifton硝酸铵67.0%、尿素48.3%。农艺效率在Tifton氮源间显著，Jay和Midville不显著：Jay硝酸铵3.42%、尿素4.78%；Midville硝酸铵3.52%、尿素2.12%；Tifton硝酸铵11.6%、尿素9.35%。氮率主效应对氮回收不显著，但对农艺效率在Midville和Tifton显著；Midville硝酸铵为线性、尿素为二次且无线性斜率项；Tifton两者均为二次且无线性斜率项；农艺效率随氮率增加总体下降。DNAU平均为Jay ?71.9 kg ha^?1、Midville ?21.3 kg ha^?1、Tifton ?52.8 kg ha^?1，表明作物氮吸收普遍超过肥料氮输入。Jay和TiftonDNAU不受氮源或氮率影响，也无交互；Midville DNAU随氮率显著增加，从低氮率负值转为120 kg N ha^?1正值，氮源和交互不显著；Midville硝酸铵为带显著截距、线性、二次项的二次形式，尿素为带显著截距和线性斜率的线性形式。

油和蛋白质：油和蛋白质含量及产量不受氮源主效应和氮源×氮率交互显著影响。平均油含量为Jay 421、Midville 371、Tifton 405 g kg^?1；平均蛋白质含量为Jay 239、Midville 296、Tifton 274 g kg^?1。平均油产量为Jay 722、Midville 437、Tifton 673 L ha^?1；平均蛋白质产量为Jay 364、Midville 309、Tifton 402 kg ha^?1。氮率主效应显著影响Tifton油和蛋白质含量，两者均为二次。总体上，油含量在最高氮率最低，蛋白质含量在最高氮率最高。油产量在所有地点受氮率显著影响；Jay和Midville硝酸铵为线性、尿素为二次；Tifton两者均为二次。基于尿素二次函数，最大油产量在Jay 122、Midville 86.6、Tifton 118 kg N ha^?1；Tifton硝酸铵最大油产量在116 kg N ha^?1。蛋白质产量在Midville和Tifton受氮率显著影响；Midville硝酸铵为二次且无线性斜率项、尿素为完整二次；Tifton两者均为完整二次。基于尿素二次函数，最大蛋白质产量在Midville 88.4、Tifton 168 kg N ha^?1；Tifton硝酸铵最大蛋白质产量在150 kg N ha^?1。

硫代葡萄糖苷和脂肪酸谱：氮源、氮率及其交互对GLSs、油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）、芥酸（C22:1）均不显著。平均GLSs在Tifton最低，为48.1 μmol g^?1，Jay为77.0 μmol g^?1，Midville为78.4 μmol g^?1。油酸在Tifton最高，为106 g kg^?1，Jay为87.2 g kg^?1，Midville为88.1 g kg^?1。亚油酸和芥酸平均分别为Jay 160和412 g kg^?1、Midville 169和418 g kg^?1、Tifton 166和399 g kg^?1。总饱和脂肪酸、亚麻酸（C18:3）和二十碳烯酸（C20:1）不受氮源主效应或氮源×氮率交互显著影响。氮率主效应在Jay不显著影响总饱和脂肪酸、亚麻酸和二十碳烯酸；在Tifton显著影响总饱和脂肪酸和二十碳烯酸，均为二次；在Midville和Tifton显著影响亚麻酸，均为二次。总体上，总饱和脂肪酸和亚麻酸随氮率增加而增加，二十碳烯酸随氮率增加而降低。

讨论总结：氮源效应及启示方面，两种氮源在三地点对种子产量影响不同，主要归因于尿素氮有效性降低和硝酸铵提供更大比例即时植物可用氮。脲酶催化尿素水解为铵，可能通过氨挥发导致氮损失，尤其温暖和碱性土壤。本研究中Carinata为冬季作物，经历长期低温；脲酶产生由微生物介导，低温减慢微生物活动，脲酶产生下降，尿素水解总体速率可能降低，限制冬季挥发损失。但水解发生时，仍导致尿素颗粒周围局部pH升高；在低pH缓冲能力土壤中，即使本体土壤酸性，临时pH升高仍可增加挥发风险。与尿素相比，硝酸铵氨挥发风险较低，且提供铵和硝酸盐，均为即时植物可用氮形态。芸薹属优先吸收硝酸盐，因此硝酸铵可能提供更有利氮供应：硝酸盐快速可用，随后铵较慢可用，通过直接吸收或铵转化为硝酸盐后吸收。然而，硝酸盐易淋溶，尤其粗质地土壤。Jay土壤最粗、沙质剖面最深，可解释硝酸铵在该地点种子产量略低于尿素，尽管差异不显著。Midville和Tifton共享Dothan sandy loam土壤系列，但水分状况差异大。Tifton灌溉，Midville雨养，水分可用性差异可能促成Tifton对硝酸铵更强响应。充足土壤水分降低尿素和硝酸铵氨挥发损失，改善硝酸盐移动性和根系吸收。既往研究表明，在水分充足条件下硝酸铵往往优于尿素，因为硝酸盐更可供植物吸收且比尿素衍生的铵更不易挥发。这些灌溉地点水分条件有助于解释硝酸铵更大产量优势。

氮率经济学方面，Carinata种子产量在Midville和Jay随硝酸铵施用率线性增加，斜率分别为4.97和4.23 kg N ha^?1，对应Jay $2.09 kg^?1收入、Midville $1.78 kg^?1收入。单位硝酸铵氮施用收入低于硝酸铵单价（$2.47 kg^?1）和施用成本（$18.8 ha^?1）之和，使硝酸铵在两地点不经济盈利。尿素在Midville也不经济盈利，但Jay尿素EONR为68.2 kg N ha^?1。Jay尿素EONR预测种子产量为1633 kg ha^?1，较0 kg N ha^?1增益$49.5 ha^?1经济利润，较等效硝酸铵施用率（68.2 kg N ha^?1）增益$68.6 ha^?1。Tifton硝酸铵EONR为100 kg N ha^?1，尿素EONR为90.6 kg N ha^?1。EONR预测种子产量为硝酸铵1959 kg ha^?1、尿素1677 kg ha^?1。因此，硝酸铵在EONR施用较尿素EONR增益$88.5 ha^?1经济利润，较0 kg N ha^?1增益$333 ha^?1。干旱条件可解释Midville施氮相对对照经济利润降低，该地点两季均雨养。尽管Jay第二季雨养，但Jay年降雨量大于Midville（1690 vs. 1146 mm），使Midville作物更可能经历水分胁迫。

氮利用指数及启示方面，总氮吸收跨地点为75.6–190 kg ha^?1，DNAU结果显示作物氮吸收普遍超过肥料氮输入。平均DNAU为Jay ?71.9 kg ha^?1、Midville ?21.3 kg ha^?1、Tifton ?52.8 kg ha^?1，表明大量利用残余和矿化土壤氮。尽管Midville总体DNAU为负，较高氮率观察到正值DNAU，反映肥料氮输入超过作物氮吸收。这与Jay和Tifton相反，后两者所有处理DNAU均为负，表明持续利用残余和矿化土壤氮。佛罗里达Carinata类似模式中，总氮吸收超过施氮11%–160%，表明Carinata有效清除残余土壤氮。除残余氮外，作物残茬和土壤有机质矿化可在季中供应额外氮。尽管试验点土壤有机质低（<10 mg kg^?1），前作残茬可能贡献额外氮。本研究前作包括玉米、棉花、南瓜和向日葵，含可测量氮，随季后期温度升高可变为可用。Jay未管理冬季杂草可能贡献少量残茬氮。氮吸收大于肥料输入通常被认为环境有益，因为减少易淋溶或气态损失的氮库。未来工作应量化残余土壤氮和氮损失途径，以全面评估长期可持续性。矿化是生物过程，取决于土壤和有机源生物与非生物因素。Midville较低氮吸收可能归因于雨养生产和较低年降水量（1146 mm），相比Jay（1690 mm）和Tifton（1208 mm）。土壤水分调节养分溶解性和可用性；因此，充足水分条件下预期更高氮吸收，而有限水分限制养分吸收。

对种子品质的影响方面，总体增加氮率倾向于降低油含量但增加蛋白质含量。然而，油和蛋白质产量随氮率增加而增加，表明施氮带来的种子产量增益大于油含量降低。其他研究也有类似观察。施氮促进油籽营养生长，延迟灌浆和成熟。该过程允许蛋白质和淀粉等其他组分在种子中更多积累，从而降低油浓度。Alberti et al. (2019)研究表明，Carinata油浓度每施用1 kg ha^?1 N降低0.26 g kg^?1，但种子产量增加8.2 kg ha^?1。

研究结论翻译：Carinata种子产量和经济回报对硝酸铵和尿素的响应在三个研究地点间变化。在高降雨、粗质地Jay地点，尿素比硝酸铵更经济盈利；在灌溉、相对细质地Tifton地点，硝酸铵更盈利。在雨养、细质地Midville地点，即使中等氮率，两种氮源均不经济盈利，表明有限水分限制产量对施氮的响应。硝酸铵在粗质地、高降雨Jay地点和雨养、细质地Midville地点产生线性产量响应，但在Tifton灌溉下产生二次响应。尿素在所有地点产生二次响应。这些结果表明，硝酸铵并不始终是比尿素更好的氮源，每种来源的相对优势取决于降雨模式、灌溉制度和土壤剖面特征。由于三个地点在这些因素上不同，跨地点合并结果会掩盖氮源和氮率的环境特异性响应。跨地点，Carinata经常吸收超过肥料供应的氮，表明大量利用残余和矿化土壤氮。这表明前作残余土壤氮可对Carinata氮营养有重要贡献，应在制定氮率推荐时考虑。