玉米植株追施肥料中氮素挥发累积损失建模

《Plant-Environment Interactions》：Modeling of the Accumulated Nitrogen Loss by Volatilization in Topdressing Fertilization in Corn Plants

　　

玉米栽培是全球最重要的种植体系之一。尿素（Urea）含氮量高、易于施用且单位氮成本较低，但氮素通过挥发（Volatilization）损失严重。为降低损失，广泛采用N-丁基硫代磷酰三胺（N-butyl thiophosphoric triamide, NBPT）等技术。本研究旨在为玉米追施施肥中施用含NBPT增效尿素肥料筛选最适宜的非线性模型，以描述氨（NH3）挥发导致的氮素累积损失。施用NBPT处理的尿素不仅降低了氮素挥发累积损失，且延缓了损失进程。von Bertalanffy模型对常规尿素肥料数据拟合最优，Gompertz模型对其余肥料拟合最优。UGRAN肥料累积损失最高，估计达36.503 kg ha?1，施后第1天约损失11 kg ha?1 N；UNBPT4肥料累积损失最低，估计为14.623 kg ha?1，较常规尿素减少59.9%。

研究背景与立项依据

玉米（Zea mays L.）是全球重要的粮食、饲料及生物燃料原料，氮（N）是其最需养分之一，但尿素施入土壤后易通过氨挥发（NH₃ Volatilization）、淋溶或反硝化丢失。在巴西等热带土壤中，氨挥发是主要氮损失途径，尤其表面追施尿素时损失可达施氮量的15%–35%，极端条件下达40%–60%。脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）可抑制脲酶、延缓尿素水解，从而减排并延长土壤供氮时间。前人多用单一生长模型拟合挥发累积曲线，未针对肥料类型比较选优。该研究以玉米追施情境下的5种NBPT处理尿素为对象，系统比较Logistic、Gompertz、von Bertalanffy与Brody四类S形非线性模型，筛选各肥料最优拟合式并量化损失参数。

主要技术方法

研究人员复用Alberto（2024）与da Fonseca等（2023）于2020年11月至2021年5月在巴西米纳斯吉拉斯州拉夫拉斯市（21°16′00″S, 44°57′27″W）红壤（Red Latosol）随机区组试验数据，处理为常规粒状尿素（UGRAN）及4种NBPT涂覆尿素（UNBPT1–UNBPT4，NBPT浓度460、250、760、600 mg kg^?1），追施氮量150 kg ha^?1，连续13次采集NH₃。采用高斯-牛顿算法最小二乘估计四模型参数；残差不满足独立假设时嵌入自回归结构；以校正决定系数（R²_adj）、Akaike信息准则（AIC）与残差标准差（RSD）选优；参数显著性由Student t检验与95%置信区间判定。

研究结果

材料与方法（Materials and Methods）

如上所述，数据源自上述田间试验，5种肥料×时间序列构成面板，模型形式为标准生长方程，α为渐近累积损失、β为拐点横坐标（最大损失速率日）、k为成熟指数。

结果与讨论（Results and Discussion）

残差诊断显示各模型满足正态与同方差，部分需自回归修正。选优表明：UGRAN与UNBPT2（低NBPT 250 mg kg^?1）适用von Bertalanffy（R²_adj=0.9935、0.9951，AIC=14.90、22.48，RSD=0.690、0.490）；UNBPT1/3/4适用Gompertz（R²_adj≥0.9962，AIC最低至2.91）。参数估计显示常规尿素α=36.503 kg ha^?1、β=1.228 d，即第1天前后达最大失速、拐点前已损约11 kg ha^?1；UNBPT4 α=14.623 kg ha^?1、β=4.650 d，拐点延至第5天、拐点前损约5 kg ha^?1。相对常规尿素，UNBPT1–4减排40.3%、48.0%、38.7%、59.9%。拐点位置印证NBPT浓度越高，Gompertz（拐点偏后）越优；常规与低NBPT则von Bertalanffy（拐点偏早）更适。置信区间不重叠证实UNBPT4与UGRAN/UNBPT2及UNBPT1/3间参数差异显著。

讨论（Discussion）

研究人员指出，模型分化源于NBPT推迟水解峰：常规尿素挥发峰早而陡，NBPT把峰值推到施后4–5天，与Souza等（2017）按pH分段的观察一致。UNBPT4最优可能与其NBPT溶剂配方抗土壤温度/pH降解有关（da Fonseca等，2023；Engel等，2015）。拟合曲线直观显示UGRAN与UNBPT2施后陡升，其余缓升。结果支持NBPT既减量又延时，提升氮利用效率（NUE），契合4R施肥原则。

结论（Conclusions）

尿素经NBPT处理显著降低并延缓氨挥发累积氮损失，参数α、β可定量表征。von Bertalanffy最适合UGRAN与UNBPT2，Gompertz最适合UNBPT1/3/4。常规尿素UGRAN累积损失最高（α=36.503 kg ha^?1），施后第1天约失11 kg ha^?1；UNBPT4最低（α=14.623 kg ha^?1），较常规减排59.9%。该研究发表于《Plant-Environment Interactions》，为玉米追施尿素选肥与模型化损失评估提供了统计与农艺双重依据。