《Agronomy Journal》：Corn response to dicyandiamide and urea fertilizer technology in poorly drained claypan soils
氮（N）是一种大量元素，由于多种损失机制，许多生产者难以对其进行有效管理。在排水不良黏磐土（claypan soils）中管理最优氮利用具有挑战性，这些土壤更容易发生饱和条件和气态氮损失。本研究的目的是量化双氰胺（dicyandiamide，DCD）用量对黏磐土中玉米生产和氮利用效率（nitrogen-use efficiency，NUE）的影响，并将最优DCD用量与未处理尿素和两种增强效率肥料（enhanced efficiency fertilizers，EEFs）进行比较。试验设计为随机完全区组，包含5个氮用量（0、67、135、200和270 kg ha?1）、5个DCD用量（0、4、7.5、10和14 g kg?1，与尿素配制）和2种EEFs（SuperU和Environmentally Smart Nitrogen [ESN]）。本研究于2023和2024年开展，降水存在差异。抽雄期（VT，Tasseling）穗位叶绿度、处理后8周及生理成熟期的植株氮吸收，在DCD用量和EEFs间相似。基于产量的最优DCD用量随年份和氮用量变化，总体最优DCD用量为8.9 g kg?1。2024年，10 g DCD kg?1和ESN相较于未处理尿素提高了籽粒产量。2023年，7.5 g DCD kg?1和ESN相较于未处理尿素提高了回收效率（recovery efficiency，RE）。抑制剂和EEFs的效用受天气条件影响，在排水不良土壤中使用正确技术在正确用量下提高了产量和回收效率。
氮肥是美国作物生产中最广泛施用的合成肥料，玉米（Zea mays L.）本身的氮消耗占年度总施氮量的37%–51%。最优氮供应是支持玉米营养生长、生殖生长和籽粒生产所必需的。根区氮不足会负面影响光合速率、植株冠层和叶绿素含量，进而降低生物量和籽粒产量；而过量施氮又可能通过不同途径损失，带来显著环境污染风险。在瓦管排水黏磐土中，极端情况下超过50%的施用氮肥可通过反硝化、挥发或淋溶等途径损失，从而降低植物可利用氮。美国中西部瓦管排水黏磐土由于排水不良、限制性黏磐层较浅以及表层土壤频繁饱和，更易通过反硝化和淋溶途径发生氮损失，限制氮吸收效率并增加场外氮迁移风险。美国玉米-大豆生产系统的氮利用效率（NUE）近几十年有所改善，但向空气和水体损失氮的潜力仍然存在。氮最佳管理策略已从基于产量转向基于土壤和环境的管理。增强效率肥料（EEFs）可通过缓释、控释或氮稳定剂等作用方式提高NUE。常用EEFs包括含脲酶抑制剂或硝化抑制剂（NI）的氮肥，以及聚合物包膜尿素和Environmentally Smart Nitrogen（ESN）。硝化抑制剂可抑制铵态氮（NH
4+-N）向硝态氮（NO
3?-N）的生物氧化，有助于提高NUE并减少NO
3?-N淋溶和N
2O排放损失。双氰胺（DCD）是一种廉价且广泛使用的NI，易溶于水、挥发性较低，可与氮肥配合使用；其作为抑菌性NI，可结合氨单加氧酶位点，从而减缓氨的微生物氧化及后续硝化。DCD抑制硝化的效率受pH、有机质、水分和温度等土壤性质影响。尽管DCD与氮肥配施已显示可改善美国中西部玉米生产潜力，但专门记录尿素处理最佳DCD浓度的已发表研究明显缺乏。最佳DCD用量预计会因土壤、环境条件和田间管理系统而异，但仅有少数田间研究确定了反硝化条件下，如Missouri黏磐土中尿素处理的最佳DCD用量。为此，研究人员评估了玉米产量对不同DCD施用量的响应，基于籽粒产量确定排水不良黏磐土中的最佳DCD用量，并将不同DCD浓度配施尿素与商业EEFs，特别是SuperU和ESN进行比较。该研究支持为玉米生产制定基于地点和数据驱动的氮管理策略。
研究人员于2023和2024年在University of Missouri's Lee Greenley Jr. Memorial Research Farm（40.021381° N 92.190036° W，near Novelty, MO）开展研究。2023年土壤为Putnam silt loam，pH为6.0 ± 0.2，有机质为33 ± 1 g kg
?1；2024年土壤为Kilwinning silt loam，pH为6.1 ± 0.3，有机质为38 ± 2 g kg
?1。玉米前作为大豆（Glycine max L.），供试杂交种为Pioneer P1359AM，行距76 cm，种植密度86,500 seeds ha
?1。试验采用随机完全区组设计，4次重复，小区为3 m × 12 m。处理包括7个尿素处理：尿素 + 0、4、7.5、10、14 g DCD kg
?1，SuperU（8.5 g DCD kg
?1 + 0.6 g N-thiophosphoric triamide [NBPT] kg
?1）和ESN，在67、135、200和270 kg N ha
?1下施用，并设置非处理对照（non-treated control，NTC）。所有氮肥均表面撒施并混入10 cm土层。研究人员测定了植物群体、抽雄期穗位叶绿度、籽粒产量和籽粒品质；在0和200 kg N ha
?1下测定处理后8周（8 weeks after treatment，8 WAT）生物量和氮吸收；在0、200和270 kg N ha
?1下测定生理成熟期生物量和氮吸收。结果表明，基于产量总体最佳DCD用量为8.9 g kg
?1；2024年10 g DCD kg
?1和ESN较未处理尿素提高籽粒产量；2023年7.5 g DCD kg
?1和ESN提高回收效率；抑制剂和EEFs的效用受天气条件影响，在排水不良土壤中正确技术配合正确用量可提高产量和回收效率。
技术方法概要：研究为2023和2024年在Missouri州Novelty附近University of Missouri's Lee Greenley Jr. Memorial Research Farm的田间试验，样本来源为排水不良黏磐土，2023为Putnam silt loam，2024为Kilwinning silt loam。采用随机完全区组设计，4次重复，评估尿素+DCD梯度、SuperU、ESN和NTC在多个氮用量下的响应。主要关键技术包括抽雄期SPAD（Soil Plant Analysis Development）叶绿度读数、8 WAT和生理成熟期地上部生物量与氮吸收测定、籽粒产量及近红外光谱籽粒品质分析，并以回收效率计算NUE；统计采用SAS方差分析和Fisher保护最小显著差（least significant difference，LSD），SigmaPlot二次模型确定最佳DCD用量。
3.1 玉米植株对DCD用量的响应：在200 kg N ha
?1下评估8 WAT（V14–V15）生物量和氮吸收，年份×处理无显著互作，故合并年份。NTC与DCD处理间生物量（1800–2100 kg ha
?1）和氮吸收（47–64 kg ha
?1）相似。植株氮浓度存在处理主效应，NTC、0、4、7.5、10和14 g DCD kg
?1分别为26、31、33、33、29和30 g kg
?1；10和14 g DCD kg
?1植株氮浓度较低，可能因较高DCD用量维持更多铵态氮，从而降低此时总氮吸收。生理成熟时，在0、200和270 kg N ha
?1下无二重互作，但DCD处理主效应对总生物量、穗轴和苞叶氮吸收、籽粒氮吸收和总植株氮吸收显著；所有施肥处理均高于NTC，但DCD用量间总生物量（26,300–27,500 kg ha
?1）、叶和茎氮吸收（83–93 kg N ha
?1）、穗轴和苞叶氮吸收（15–17 kg N ha
?1）、籽粒氮吸收（149–164 kg N ha
?1）及总植株氮吸收（247–268 kg N ha
?1）无差异。植物群体在2023年有处理主效应，但最终群体处于最优范围；2024年无差异。SPAD在2023年存在处理×氮用量互作，200 kg N ha
?1下较高DCD用量叶色更绿，14 g DCD kg
?1最绿（52.4）；2024年仅DCD主效应，所有DCD处理高于NTC，但DCD用量间差异较小。
3.2 玉米籽粒产量对DCD用量的响应：2023和2024年降水差异形成低产和高产环境。各氮用量最佳DCD用量不同：67 kg N ha
?1最佳DCD在2024为12.1 g kg
?1、2023为5.2 g kg
?1、两年平均为7.2 g kg
?1；135 kg N ha
?1在2023和2024年产量随DCD增加至14 g kg
?1；200 kg N ha
?1最佳DCD在2023和两年平均为14 g kg
?1，2024为7.3 g kg
?1；270 kg N ha
?1最佳DCD在2024为12.1 g kg
?1，2023和两年平均为0 g kg
?1。合并氮用量和年份后，二次响应表明总体最佳DCD用量为8.9 g kg
?1，对应产量11.3 Mg ha
?1。2023年较高DCD用量在200 kg N ha
?1下增加RE，最高出现在7.5和14 g kg
?1；2024年无显著效应。由于未设置8.9 g DCD kg
?1处理，后续比较尿素 + 7.5和10 g DCD kg
?1、未处理尿素、SuperU和ESN。
3.3 玉米植株对选定DCD用量、SuperU和ESN的响应：8 WAT无年份×处理互作，合并年份。ESN在200 kg N ha
?1下生物量最高（2200 kg ha
?1），但与其他尿素处理相似。7.5 g DCD kg
?1植株氮浓度（33 g kg
?1）高于10 g DCD kg
?1（29 g kg
?1），表明较高DCD用量下至8 WAT有更多土壤氮以铵态形式存在。8 WAT各处理生物量和氮吸收无差异。植物群体为72,000–73,500 plants ha
?1，SPAD值为52.6–53.0，处理间无差异。生理成熟时，总植株生物量（26,300–27,300 kg ha
?1）、叶和茎氮吸收（88–95 kg N ha
?1）、穗轴和苞叶氮吸收（15–17 kg N ha
?1）、籽粒氮吸收（144–164 kg N ha
?1）及总植株氮吸收（247–271 kg N ha
?1）在未处理尿素、7.5或10 g DCD kg
?1、SuperU和ESN间相似。
3.4 玉米籽粒产量对选定DCD用量、SuperU和ESN的响应：籽粒产量存在年份×处理×氮用量互作，故按年份分析。2023年处理间无显著差异；2024年处理间差异显著。67 kg N ha
?1下，10 g DCD kg
?1产量最高，显著高于未处理尿素和7.5 g DCD kg
?1；270 kg N ha
?1下，ESN产量最高，显著高于未处理尿素和10 g DCD kg
?1。2024年平均氮用量后，ESN产量最高（14.5 Mg ha
?1），高于未处理尿素（13.9 Mg ha
?1）、7.5 g DCD kg
?1（14.0 Mg ha
?1）和SuperU（14.0 Mg ha
?1）；ESN和10 g DCD kg
?1均高于未处理尿素。籽粒油分含量为33 g kg
?1，蛋白质为87–88 g kg
?1，淀粉为736–738 g kg
?1，无显著处理效应。RE无年份×处理或处理×氮用量互作，合并年份和氮用量：2023年ESN（0.41 kg kg
?1）和7.5 g DCD kg
?1（0.36 kg kg
?1）最高，2024年无显著差异。2024年农学效率（agronomic efficiency，AE）和部分因子生产力（partial factor productivity，PFP）以ESN最高，10 g DCD kg
?1次之，高于未处理尿素等；2023年无显著差异。
讨论部分表明，2023年生长季降水270 mm，较20年平均少58%，干旱条件显著降低产量潜力和氮损失机制；2024年降水598 mm，较20年平均低7%，7月稳定降雨、土壤水分充足及早期生殖阶段温度较低，使产量更高并增加环境氮损失机会。最佳DCD用量随年份和氮用量变化很大（0–14 g kg
?1），增加了在多种土壤和气候下制定预配抑制剂最佳氮推荐的复杂性。研究人员原本预期干燥条件下应降低DCD用量，但135和200 kg N ha
?1下2023年最佳DCD用量反而增至14 g kg
?1。270 kg N ha
?1下2023年DCD无益，可能因高剂量DCD下NH
4+保持时间延长，超过根际酸化、阳离子（K
+、Ca
2+、Mg
2+）拮抗及AMT转运体下调相关阈值，同时低土壤水分降低NH
4+扩散，且该氮用量下氮供应可能超过作物需求，导致可被保存氮产生的产量响应有限。2024年ESN和10 g DCD kg
?1较未处理尿素增产，而SuperU未显著增产，表明黏磐土中可能需要更高DCD用量，即使总体最佳为8.9 g kg
?1。2023年RE较低与干旱有关，2024年RE达到0.5–0.8，符合最佳管理实践常见范围。Noellsch et al.也报告黏磐土中RE因环境条件而变异。这些发现表明，DCD最佳用量范围为7.5–10 g kg
?1，与其他EEFs相当，为希望优化产量并尽量减少可能环境损失的农民提供了选择；但在变化环境条件下，DCD最佳施用量及氮肥配施DCD的响应可能导致混合的玉米产量响应，因此理解这些相互作用至关重要，进一步评估DCD用量在变化生长条件下响应的研究可生成区域特定数据，为政策制定者和生产者制定精准推荐。
研究结论翻译：8 WAT（V14–V15）生物量和氮吸收在尿素处理间相似。总生物量和氮吸收在DCD用量间相似。2023年，当DCD为7.5 g kg
?1或更高时，200 kg N ha
?1下的RE增加，但2024年未观察到差异。SPAD仪读数表明两年中DCD用量间无差异。基于年份和氮用量，最佳DCD用量变化很大（0–14 g kg
?1 DCD）。由于氮以不同用量施用，本研究基于产量、对氮用量平均后的总体最佳DCD用量为8.9 g DCD kg
?1。在8 WAT生物量和氮吸收、植物群体、SPAD、总植株生物量和总氮吸收方面，未处理尿素、最佳DCD用量和EEFs之间未观察到差异。2023年RE表明ESN和7.5 g DCD kg
?1效率最高。2023年在最佳DCD用量和EEFs之间未检测到产量差异，最可能是由于干旱条件限制了氮吸收和反硝化。2024年，ESN和10 g DCD kg
?1的产量均高于未处理尿素。需要正确技术来管理排水不良土壤中的反硝化。本研究中确定的最佳DCD用量范围为7.5–10 g kg
?1 DCD，与其他EEFs相当，表明希望优化产量同时尽量减少可能环境损失的农民有多种选择。这些发现表明，在变化环境条件下，DCD施用最佳用量及氮肥配施DCD的响应可能导致混合的玉米产量响应。因此，理解这些相互作用至关重要，进一步评估DCD用量在变化生长条件下响应的研究可生成区域特定数据，为政策制定者和生产者制定精准推荐。
