7土壤与植物氮素营养及化学氮肥
本章提要：氮是植物生长的必需营养元素，它与植物产量和品质的关系很大。本章首先介绍了土壤中氮的形态与含量，继而介绍了土壤氮素的转化过程及其有效性，在此基础上阐述了植物的氮素营养，最后以较大的篇幅介绍了化学氮肥的种类、性质、施用方法与技术。 土壤氮素
7.1.1 土壤氮素的含量与形态
7.1.1.1 土壤氮素的含量 土壤中氮素的含量受自然因素如母质、植被、温度和降水量等影响，同时也受人为因素如利用方式、耕作、施肥及灌溉等措施的影响。我国自然植被下土壤表土中氮素的含量与有机质含量密切相关。在温带，由东向西，随着降水量的逐渐降低和蒸发量的逐渐增大，植物生物量逐渐减少，分解速率逐渐增大。因此氮素含量依黑土—黑钙土—漠钙土的序列逐渐减少；由北向南，随着温度的增高，分解速率增大，但同时植物生物量也明显增多，因而土壤氮素含量的变化稍显复杂。耕地土壤氮素含量除受到自然因素的影响外，更强烈地受到人为耕作施肥等因素的影响。自然因素的影响表现在：各地区耕地土壤耕层中氮素含量的变化趋势，大体上与自然植被下的土壤相似。以东北黑土地区为最高，旱地2.63±1.04g/kg，水田2.58±0.77g/kg。以黄土高原0.70±0.28g/kg和黄淮海平原旱地0.63±0.29g/kg及水田0.93±0.29g/kg为最低。一般农业土壤耕层氮素含量在0.5~3.0g/kg之间。当然，极少数肥沃的耕地、草地、林地及一些未扰动的表层土壤氮素含量可达到5.0~6.0g/kg以上，而冲刷严重、贫瘠地的表层土壤氮素含量可低到0.5g/kg以下。
较高的氮素含量往往被看成为土壤肥沃程度的重要标志。一般认为，肥沃水稻土的养分指标为：有机质含量20~40g/kg，全氮1.3~2.3 g/kg。
土壤氮素含量的剖面分布也因各种土壤的内部及环境因素有较大的差异。但基本趋势为：表层含氮量最高，以下各层随深度增加而锐减。耕层以下土壤剖面各层氮素同样是土壤氮素储量的重要组成部分，其含量高低不仅与作物尤其是一些深根作物的氮素营养有相当大的关系，而且对地下水状况产生明显的影响。
7.1.1.2土壤氮素的形态
土壤氮素=无机态氮+有机态氮。
无机态氮=固定态铵+交换性铵+土壤溶液中的铵、硝态氮、亚硝态氮+氧化亚氮等。它们占表土中全氮的比例最低的仅1%左右，最高可达10%以上。有机态氮是土壤氮素的主要存在形态，长期以来一直受到研究者的极大关注。有机态氮的组成复杂，迄今有关有机氮的知识主要从酸解和碱解研究中得来。
（1）土壤无机态氮 在土壤无机态氮当中，位于粘土矿物晶层间的固定态铵是数量最大的一部分。但直到20世纪50年代人们才知道固定态铵广泛存在于各种土壤、层状硅酸盐矿物、沉积岩以及火成岩中。
土壤无机态氮当中，交换性NH4+、溶液中NH4+和NO3-最易被植物吸收，具有重要的农学意义。这部分无机氮的含量取决于土壤中矿化作用、生物固定作用、铵的固定与释放、硝化作用、植物吸收、以及氨挥发、反硝化作用和淋失等多种作用。
一般认为亚硝态氮氧化为硝态氮或还原为氮的气态氧化物的速率很快，因此在土壤中极少有积累，然而新近的研究结果表明，不同土壤中的亚硝态氮的累积差异很大，在pH较高、质地较轻的土壤中亚硝态氮的累积通常不可忽视，尤其是在高温、多雨且作物吸氮速率较低的季节，这些土壤剖面或地下水中亚硝态氮含量常常超过环境标准的几十倍、甚至上百倍，在土壤和水体中积累的亚硝态氮作为环境污染物将愈来愈受到关注。此外，土壤无机氮还包括一些含氮气体，如NH3、N2O、NO、NO2等。它们的含量甚微，但由于N2O是温室气体之一，因而其通量受到研究者们的广泛注意。
（2）土壤有机态氮 一般情况下土壤有机态氮构成了土壤全氮的绝大部分，土壤有机态氮的组成较为复杂，以前已分离鉴定出的含氮化合物单体有：氨基酸、氨基糖、嘌呤、嘧啶以及微量存在的叶绿素及其衍生物、磷酯、各种胺、维生素等。在土壤中，它们与其它有机质或粘土矿物相结合，或与多价阳离子形成复合体，还有一小部分存在于生物体中，绝大多数有机态氮存在于土壤固相中，只有很少量的存在于土壤液相中。
土壤有机态氮中的大部分较难以分解，只有少量存在于土壤中活的或死的生物体中的有机态氮较易于分解，从而被植物吸收利用。在作物生长过程中，通过有机态氮矿化作用释放出来的氮是作物重要的氮素来源，因此，土壤有机态氮在作物氮素营养中起着很大的作用。
7.1.2 土壤氮素转化及其有效性
土壤中氮素的转化包括生物化学、物理化学、物理、化学等过程。具体地说，土壤氮素转化作用包括氮素矿化--生物固持作用、硝化作用、反硝化作用、铵的粘土矿物固定--释放作用、铵的吸附--解吸作用、铵--氨平衡以及氨挥发等过程。
土壤中氮素转化的各个过程之间有着密切关系，在一定程度上存在着抑制或促进作用。例如，施入土壤的铵可以进行多种转化作用，如被微生物固持、被粘土矿物层间固定、硝化作用、氨挥发等。各种过程进行的速率则取决于土壤的理化性质、生物活性以及环境因素等。在农田土壤中，还受到作物生长、根系吸收以及耕作、施肥、灌溉、用药等人为因素的强烈作用，土壤中氮素的转化与肥料氮的利用、保持、损失及其对生态环境质量的影响之间有着密切的关系。
7.1.2.1氮素的矿化(mineralization)与生物固持作用(immobilization)
氮素的矿化和生物固持作用是土壤有机态氮的矿化及无机态氮的生物固持作用的简称，是土壤中不断进行着的两个方向相反的生物化学过程。氮素的矿化作用是土壤有机态氮在土壤微生物的参与下分解形成铵或氨的作用。氮素生物固持作用是土壤微生物同化无机态氮并将其转化成细胞体中有机态氮的作用，所形成的微生物生物量态氮的生物分解性很高，但是随着时间的推移，这种氮逐步转化形成更为复杂的有机态氮，其分解性则显著降低，并逐渐接近于土壤中原有有机质的生物分解性。
氮的矿化—生物固持作用过程的相对强弱，受能源物质种类和数量以及水、热条件等强烈影响。当易分解的能源物质过量存在时，无机态氮的生物固持速率大于有机态氮的矿化速率，从而表现为净生物固持，土壤中的无机态氮含量趋于减少；随着能源物质的逐渐分解、消耗，生物固持速率逐渐降低，至C/N为20左右时，即转变为生物固持速率小于有机态氮的矿化速率，从而表现为净矿化。此时，土壤中无机态氮得以积累。
植物生长对土壤氮素的矿化和生物固持都可能有促进作用。这两种作用相对大小的净结果则表现为表观矿化量的增加或降低。
肥料氮的生物固持有利于减少土壤溶液中矿质态氮的积累和氮素损失，有利于肥料氮的保持。朱兆良（1979）和沈其荣（1994）等人用15N标记氮肥的田间和盆栽试验结果表明，生物固持的肥料氮可以逐步释放出来为当季作物利用。
7.1.2.2铵的粘土矿物固定(mineral fixation)与释放
铵的粘土矿物固定与释放是两个相反的过程。铵被粘土矿物所吸持呈非交换性铵的过程为固定；土壤粘土矿物所吸收的非交换性铵向交换性铵甚至水溶性铵的转化过程称为释放。
在粘土矿物中，只有2:1型矿物才固定铵，不同的2:1型粘土矿物固定铵的能力也不相同，一般来说，蛭石的固铵能力最强，蒙脱石次之，伊利石的固铵能力则取决于其风化度或钾的饱和度。固定态铵的生物有效性差异很大，一般来说，新固定的（试验前通过NH4+处理）或施肥后新增加的固定态铵的有效性很高，在幼苗试验和盆栽试验条件下，大多在90%以上；在田间条件下，视土层深度不同而异，表土层最高达70%左右，20~55厘米土层略低，心土层更低一些。固有的（土壤中原有的）固定态铵的有效性则较低。铵的固定并非坏事，相反，它可以在一定程度上起到调节土壤溶液中铵态氮浓度、提高土壤对氮的缓冲能力、把速效氮肥变为缓效氮肥的作用，不仅有利于作物良好生长，而且也有助于减少氮素的气态或淋失等损失。
7.1.2.3硝化作用(nitrification)
硝化作用是指土壤中的铵或氨在微生物的作用下氧化为硝酸盐的过程。硝化作用分成两个阶段，第一阶段是从NH3氧化为NO2-，其中间途径还不很清楚，总反应式为：NH4+ + OH- + O2→ NO2- + H2O + 3H+
在一般土壤上，由于亚硝酸盐极少积累，因而硝化作用的主要产物是硝酸盐，但是，在碱性环境中，由于硝酸细菌的活性受抑制，亚硝酸盐可能有所积累，亚硝酸盐的积累可能对作物产生毒害。硝化作用形成的硝酸盐是植物氮素营养的重要来源。但是，硝酸盐不仅比铵的移动性大得多，极易流失，而且在嫌气条件下，或者局部嫌气条件下，又易通过反硝化作用而损失，再则硝化过程中也常有N2O的逸失。这些损失既减少了土壤中可供作物利用的氮量，又可导致水体富营养化和引起大气臭氧层的破坏。因此，适当控制施入土壤中的铵态氮肥和尿素肥料的硝化作用是十分有益的。
影响硝化作用的因素很多，其中最主要的有土壤的水、气、热条件、pH、施入肥料的种类和数量、耕作制度和植物根系等。在土壤相对含水量为50%~60%时，土壤中硝化作用往往最为旺盛。硝化作用的最适土温一般为20~25℃。土壤pH在5.6~8.0范围内，随着pH上升硝化速率成倍增加。土壤pH不仅影响到硝化活性，而且还影响其进程，即影响到铵氧化成亚硝酸根及其后亚硝酸根继续氧化为硝酸根这两个过程的快慢。
一般来说，有机肥的施用可促进硝化作用，这可能是由于有机肥中具有硝化活性的微生物颇丰的缘故。
关于植物根系对土壤硝化作用影响的研究也不少，在作物不同生育阶段，土壤硝化作用有所不同。一般来说，植物的根系都表现出抑制硝化作用，并认为植物根系分泌的有机物质如酚类物质和有机酸等，能抑制土壤的硝化作用。
7.1.2.4反硝化作用(dinitrtification)
反硝化作用是指硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮（分子态氮和氮氧化物）的作用过程。反硝化过程分为微生物反硝化和化学反硝化两种过程。微生物反硝化是指由反硝化细菌引起的反硝化作用，其反应过程为：
NO3- →NO2-→NO→N2O→N2
这是土壤中反硝化作用的重要形式。化学反硝化是指亚硝酸盐在一定条件下的化学分解作用，其主要产物是分子态氮和一氧化氮等。在微生物反硝化作用产物中，氮和氧化亚氮的比例决定于嫌气的程度、pH和温度。在渍水条件下，其产物几乎为氮气，而嫌气条件不太强以及较低的pH和温度下，可使产物中氧化亚氮的比例明显增多。
影响反硝化的因素包括土壤水、气、热状况、pH、土壤活性有机质含量、植物根系、耕作、硝态氮浓度、氮肥种类与施用量等。淹水条件下，土壤中硝态氮的反硝化速率明显增高，成为土壤氮素损失的重要过程之一。过高、过低的温度均会抑制该过程的速率。由于反硝化微生物需要有机物质作为电子供体和细胞能源，因此土壤中活性有机物质的多少直接影响到反硝化速率的大小。反硝化作用进行的前提是存在硝态氮，因此土壤中硝态氮的浓度以及氮肥施用情况也会影响着反硝化过程。虽然反硝化过程常导致土壤氮素的逸失，但从氮素循环的地球化学意义上看，当硝态氮在淋洗进入水体之前进行反硝化作用，对保护水体环境还是有积极意义的。
7.1.2.5铵的吸附(adsorption)与解吸(desorption)
铵的吸附是指土壤液相中的铵被土壤颗粒表面所吸附的过程。铵的解吸则是指土壤固相表面吸附的铵（土壤交换性铵）自土壤固相表面进入液相的过程。铵的吸附与解吸是铵在土壤液相与固相之间的一种平衡过程，其平衡点受土壤阳离子交换量、伴随阳离子种类和浓度等因素的影响。铵的吸附量随土壤中粘粒含量、有机质含量、溶液中铵的相对浓度的增加而增多。土壤变干燥时，吸附态铵可部分转化为固定态铵；渍水时，固定态铵也因矿物膨胀而部分转变为吸附态铵。
土壤对铵离子的吸附与解吸，影响着作物根系对铵离子的吸收，影响着土壤中无机氮素形态的转化、迁移，也影响着土壤对来自肥料的铵离子的保蓄与缓冲能力。
7.1.2.6铵—氨平衡与氨挥发(volatilization)
铵—氨平衡是发生在土壤液相中的一种化学平衡，这一平衡直接制约着氨挥发损失。其平衡式如下：
据平衡常数公式可计算出不同pH和温度下，氨态氮占铵态氮及氨态氮总量的比例。由表7-1 可以看出，pH值越大，温度越高，氨态氮所占比例就越大。在pH6~8范围内，每增加一个pH单位，氨态氮占总氮量的百分率约增加10倍，pH从8再增加到9时，又增加了5~10倍。因此，在较高的pH条件下，氨挥发的数量就可能很大。同样地，温度对液相中氨态氮的比例影响也很大，在5~35℃范围内，温度每上升10℃，氨的比例增加1 倍。
表7-1 温度和pH对溶液中氨态氮占氨态氮和铵态氮总量百分率（%）的影响
温度（℃）
pH
6 7 8 9 10
5
0.01
0.12
1.22
11.0
55.2
15
0.03
0.27
2.62
21.2
72.9
25
0.06
0.56
5.32
36.0
84.9
35
0.11
1.11
10.1
52.9
91.8
氨挥发损失是氨自土表或水面（水田）逸散到大气造成氮素损失的过程。与氨挥发直接有关系的化学平衡如下：
当土表或土表水面的氨分压（气相中氨的浓度）大于其上大气的氨分压（大气中氨的浓度）时，即发生氨挥发。
氨挥发的速率主要决定于土壤表层或土表水层中铵和氨的浓度、pH、温度及风速等因子。因此，凡能影响这些因子的条件都将影响到氨挥发过程。例如土壤本身的pH、阳离子交换量、碳酸钙含量、铵态氮的相伴阴离子种类、氮肥施用方法、作物生长状况、气象条件等等。此外，稻田田面水中的藻类白天进行光合作用，可使水的pH显著升高至8以上，从而促进氨挥发。在有利于氨挥发的土壤、人为和气象条件下，氨挥发可成为土壤氮素损失的重要途径。
7.2 作物的氮素营养
7.2.1作物体内氮的含量和分布
作物体内的含氮量约为作物干物质重的0.3%~5%，含量的高低因作物种类、器官类型、生育时期不同而异。豆科作物含氮量往往远高于禾本科作物，作物幼嫩器官和种子中含氮量较高，而茎秆尤其是衰老的茎秆含氮量较低。在一定的施氮水平下，稻谷中的含氮量、可溶性氮的含量，均随氮肥用量的增加而提高。
氮在作物体内具有较大的移动性，其在作物体内的分布情况，随作物不同生育期及体内的碳、氮代谢而有规律地变化。在作物生育期中，约有70%的氮可以从较老的叶片转移到正在生长的幼嫩器官中被利用；到成熟期，叶片和其它营养器官中的蛋白质等含氮有机物可水解为氨基酸、酰胺并转移到贮藏器官，如种子、果实、块根、块茎等，重新形成蛋白质。
7.2.2氮的生理功能
氮是蛋白质的重要组成，蛋白质中约含有16%~18%的氮。蛋白质是构成细胞原生质的基本物质，而原生质是作物体内新陈代谢的中心。
氮是核酸和核蛋白的成分。核酸存在于所有作物体内的活细胞中。核酸与蛋白质结合而成核蛋白，核酸与蛋白质的合成以及作物的生长发育和遗传变异有着密切的关系。
氮是叶绿素的组成成分。高等作物叶片中约含有20%~30%的叶绿体，而叶绿体中含有40%~60%的蛋白质，叶绿体中的叶绿素a(C55H72O5N4Mg)和叶绿素b(C55H70O6N4Mg)的分子中均含有氮，叶绿体是作物进行光合作用的场所。环境中氮素供应水平的高低与叶片中叶绿素的含量呈正相关，叶绿素含量的多少直接影响着光合作用产物的形成。
氮是作物体内许多酶的成分。在细胞的可溶性蛋白质中，酶蛋白占相当大的比例，例如RuBP羧化酶约占叶细胞可溶性蛋白的50%。氮与酶蛋白形成及其酶促反应紧密联系在一起，从而深刻地影响着作物体内的多种新陈代谢过程，影响着作物体内一系列生物化学反应的进行速度，从而控制作物体内许多重要物质的转化过程。
氮是作物体内多种维生素的成分。维生素B1（C12H17ON3S）、维生素B2（C17H18O6N4）和维生素B6（C6H11O3N）等分子中均含有氮，它们是辅酶的成分，参与作物的新陈代谢。
氮也是一些植物激素的成分。植物生长素和细胞分裂素都含有氮。
氮还是ATP、NAD、NADP、FAD、磷脂和各种生物碱等重要化合物的组成成分。
7.2.3氮的吸收与利用
作物能吸收利用的氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、分子态氮和某些可溶性含氮有机化合物。在自然生态条件下和农业生产中，高等作物主要吸收铵态氮和硝态氮。铵态氮、硝态氮进入作物体内后，通过参与一些低分子有机氮化合物，如氨基酸、酰胺、胺类化合物的结构，最终进入高分子有机氮化合物，如蛋白质、核酸等组分中。
7.2.3.1 铵态氮的吸收(adsorption)与同化(assimilation)
植物吸收一个NH4+产生一个H+，NH4+进入体内后，与谷氨酸或酮酸结合形成酰胺或氨基酸，同时释放出H+于土壤溶液中，这就是施用铵态氮肥使土壤变酸的原因，铵离子的同化过程主要是在根部进行，但它也可以呈苹果酸铵盐形态转移到地上部后被同化。
当铵态氮供应充足时，作物吸收较多的铵，这时铵就与谷氨酸和天门冬氨酸合成酰胺，作物体内酰胺的形成具有重要意义。酰胺不仅作为作物体内铵贮存的一种重要形式，可作为各种含氮物质合成时氮的直接来源，而且还可以消除作物体内高含量铵可能引起的游离氨积累过多的毒害作用。因为氨在叶绿体的类囊体膜上使光合磷酸化偶联发生解联，影响ATP的形成，使细胞内的许多生理过程受到抑制，其毒害程度主要取决于pH值，pH值高时，氨毒害就严重。
7.2.3.2硝态氮的吸收与同化
硝态氮由植物主动吸收进入根部细胞后，或者就在根部还原，或者以NO3-形态通过木质部长距离运输至茎和叶片中被还原。至于NO3-在根部或茎、叶部还原的比例，则取决于作物的种类、体内碳水化合物的贮量和作物NO3-吸收的数量。硝态氮的还原作用分两步进行，第一步是NO3-在细胞质中经硝酸还原酶催化还原为NO2-，第二步是NO2-在叶片的叶绿体或根部的其它细胞中经亚非硝酸还原酶催化还原为NH3（参见图）：
由于上述两个反应是连续的，因此不含有明显的亚硝酸的积累。这两个反应也可以归纳为以下简式：
NO3-+8H+ 8e- ? NH3+2H2O+OH-
该反应所需的能量分别由日光、还原态铁氧还蛋白及植物体内的碳水化合物提供。产物除NH3外，还有H2O和OH-。部分OH-可在体内贮备，但大部分则通过根部外渗到土壤溶液中，从而使土壤pH升高。
7.2.4 作物氮素营养失调的形态表现
氮在作物生长发育过程中是一个最活跃的元素，在体内的移动性大且再利用率高，并在体内随着作物生长中心的更替而转移。因此，作物对氮素营养的丰欠状况极为敏感，氮的营养失调对作物的生长发育、产量与品质有着深刻的影响。
作物缺氮时，蛋白质、叶绿素的形成受阻，细胞分裂减少。因此，作物在不同生育时期表现出不同的缺氮症状，在营养生长期，作物以根、茎、叶生长为中心，因此作物苗期缺氮时，出叶速度慢，叶片小而少，呈浅绿或淡黄色，分蘖、分枝少，根系少而长。当作物进入生殖生长期，以开花结实为中心，因此，这时缺氮时，下部老叶提早枯落，上部叶片生长缓慢，植株矮小，茎秆纤细，纤维素增多，组织老化。缺氮易导致成熟期作物早衰或过早成熟，结实率降低，籽实少、产量低、品质差。
当氮素供应过多时，往往导致作物氮素的奢侈吸收。体内过量的氮用于叶绿素、氨基酸及蛋白质的形成，过多地消耗体内的光合产物，减少构成细胞壁所需的原料，如纤维素、果胶等物质形成受阻，细胞壁变薄，机械支持力减弱；体内过多的氮主要以非蛋白质态氮的增加为主，植物组织柔软多汁，使作物容易倒伏和发生病虫危害；体内过多的氮增加细胞内氨基酸的积累，促进细胞分裂素形成，作物长期保持嫩绿，延迟成熟。如禾谷类作物苗期氮营养过剩，出叶迅速，叶色浓绿、多汁，分蘖期长，分蘖多；拔节、孕穗期氮营养过剩，节间拉长，植株徒长，叶片软披，分蘖继续发生，颖花稀疏；氮营养过剩，还会导致作物成熟期灌浆慢，贪青晚熟，成穗率低，结实性差，空秕率增加，千粒重下降，经济产量降低。
合成的氨可直接作氮肥施用，也是加工其它氮肥的基本原料。氨在常温常压是气体，部分理化性质如表7-2。
20世纪60年代以来，美国的肥料以液氨和由液氨配制的流体复混肥比例较高，西欧、前苏联生产硝铵较多，中国、日本以及多数发展中国家主要发展尿素。1995年我国的氮肥结构中，碳酸氢铵氮899.7×104吨，占总产量的48.4%；尿素氮805.7×104吨，占43.4%，其余的含氮肥料包括：氯化铵、硝酸铵、磷铵、硝酸磷肥、硫酸铵、氨水等一共151.4×104吨，占8.2%。
表7-2 氨的部分理化性质
氨（NH3）
性质
分子量
17.03
含N，%
82.0
沸点
-33.4℃
冰点
-77.7℃
液体密度
637.8g/L(0℃)
蒸气密度
0.708g/L(0℃)
气化热
4.42kJ/g(-33.4℃)
对化学氮肥来说，有不同的分类方法。最常用的是按含氮基团进行分类。据此，可以将化学氮肥分为铵（氨）态氮肥、硝态（硝铵态）氮肥、酰胺态氮肥、氰氨态氮肥四类。通过各种物理和化学方法可将肥料加工成缓释的长效肥料，由于其性质有别于一般化学肥料，故也将之作为一类肥料加以介绍。
7.3.1 铵（氨）态氮肥
养分标明量为铵盐（氨）形态氮的单质氮肥称为铵（氨）态氮肥。如碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、氨水、液氨等。它们的共同点包括：（1）易溶于水，作物能直接吸收利用，肥效快速；（2）肥料中的铵离子解离后能与土壤胶体上的交换态阳离子交换而被吸附在胶粒上，在土壤中移动性不大，不易流失；（3）在碱性环境中易分解释放出氨气，尤其是液态氮肥和不稳定的固态氮肥本身就易挥发，与碱性物质接触后挥发损失加剧；（4）在通气条件良好的土壤中，铵（氨）态氮可进行硝化作用，转化为硝态氮，使化肥氮易遭流失和反硝化损失。
7.3.1.1 碳酸氢铵（ammonium bicarbonate）
碳酸氢铵简称碳铵。自1958年我国第一套小型生产装置试产以来，已生产了近半个世纪，一直是我国主要的氮肥品种。到1995年，年产量达899.7×104吨，占氮肥总产量的48.4%，仍居各氮肥品种之首。其主要成分的分子式为NH4HCO3，含氮17%左右。碳铵是一种无色或白色化合物，呈粒状、板状、粉状或柱状细结晶，比重1.57，容重0.75，易溶于水，0℃时的溶解度为11%，20℃时为21%，40℃时为35%。
碳铵是酸式碳酸盐。由于碳酸是一种极弱的酸，常温下氨是一个活泼的气体分子。二者结合生成的碳铵分子极不稳定，即使在常温（20℃）条件下，也很易分解为氨、二氧化碳和水。其反应式为：
NH4HCO3 → H2O + NH3↑ + CO2↑
由该反应式可见，碳铵分解的过程是一个损失氮素和加速潮解的过程，是造成贮藏期间碳铵结块和施用后可能灼伤作物的基本原因。影响碳铵分解的因素主要是温度和肥料本身的含水量。随着温度的升高，由碳铵分解的三个组分，将迅速提高其蒸汽分压（表7-3）10℃时的碳铵蒸气分压仅为0.171千帕，占正常大气压101千帕的0.17%，此时碳铵分解很慢。20℃时，碳铵蒸汽分压上升到0.597千帕，虽比10℃时增加近3.5倍，但碳铵分解仍较慢，30℃时，碳铵蒸汽分压达到10℃时的11.3倍。碳铵开始大量分解。随着温度的进一步提高，碳铵蒸汽分压迅速增加，碳铵剧烈分解。
由于碳铵生产过程中不能用常法加热干燥，故碳铵产品常含有吸湿水约3.5%，高的可达5.0%。较高的水分含量导致碳铵潮解、结块，敞开时加速其挥发。一般来说，碳铵水分含量<0.5%称干燥碳铵，常温下不易分解；含水量<2.5%时分解较慢；若含水量>3.5%，分解明显加快。农用碳铵的含水量一般控制在3.5%以下。
碳铵结晶体的粒度，由于影响其表面积和吸湿水含量，因此也能明显影响其分解挥发（表7-4）
表7-4 不同粒度碳铵的分解挥发（20±5℃）
结晶粒度
(mm)
不同放置天数后碳铵的分解失重（%）
3 5 7 10
>0.9
0.85
0.45
<0.18
1.5
2.0
2.0
5.0
4.5
6.0
7.5
14.0
9.5
13.5
18.0
34.0
20.0
26.5
34.5
62.0
目前，小氮肥厂广泛采用添加阴离子表面活性剂来增大碳铵晶粒。如添加十五烷基磺酰氯、十烷基苯磺酸铵等，效果很好。
虽然碳铵的化学性质不稳定，但其农化性质较好。碳铵是无酸根残留的氮肥，其分解产物氨、水、二氧化碳都是作物生长所需要的，不产生有害的中间产物和终产物，长期施用不影响土质，是较安全的氮肥品种之一。
碳铵施入土壤后很快电离成铵离子和重碳酸根离子，铵离子很容易被土粒吸附，不易随水移动。因此，只要碳铵能较完全地接触土壤，被土粒充分吸附，则施用后的挥发并不比其它氮肥明显的高。有些条件下，如在石灰性土壤上，深施后还可能比其它氮肥具有更好的作用效果。
经过相当长一段时间的实践，我国对碳铵的生产、运销和施用已积累了较成熟的经验。生产上以降低产品含水量和防止结块、分解为中心，已广泛采用加入添加剂、机械压粒及化学改性等多种方法提高产品质量。机械压粒是将细晶状碳铵压成粒重约1克的颗粒状，可减少表面积，降低分解挥发程度。化学改性是指在碳铵产品中加入一定量的磷酸铵和氧化镁，使其发生反应以吸收碳铵中的吸湿水，形成磷酸镁铵，使产品稳定和干燥。反应式如下：
MgO + NH4H2PO4 + 5H2O → MgNH4PO4·6H2O
改性碳铵可较长期存放而不致结块。田间肥效亦高于普通碳铵。并可作为生产三元复合肥的原料。
碳铵的合理施用原则和方法一直在不断发展。施用时应注意以下几个方面：一是掌握不离土、不离水的施肥原则。把碳铵深施覆土，使其不离开水土，这样有利于土粒对肥料铵的吸附保持，持久不断地对作物供肥。深施的方法包括作基肥铺底深施、全层深施、分层深施，也可作追肥沟施和穴施。其中，结合耕耙作业将碳铵作基肥深施，较方便而省工，肥效较高而稳定，推广应用面积最大。
7.3.1.2硫酸铵(ammonium sulfate)
硫酸铵肥料主要成分的分子式为(NH4)2SO4, 简称硫铵，俗称肥田粉。硫铵是我国使用和生产最早的氮肥品种。1906年，上海进口的第一批化肥就是硫铵。
硫酸铵肥料为白色结晶，若为工业副产品或产品中混有杂质时常呈微黄、青绿、棕红、灰色等杂色，含氮率为20%~21%。硫酸铵肥料较为稳定，分解温度高达280℃。不易吸湿，20℃时的临界吸湿点在相对湿度81%。易溶于水，0℃时溶解度达70g/100g水，肥效较快，且稳定。硫铵在世界氮素化肥发展初期增长很快，应用广泛，在氮肥中所占比例高。我国长期将硫铵作为标准氮肥品种，商业上所谓的“标氮”，即以硫铵的含氮量20%作为统计氮肥商品数量的单位。
目前，硫铵在我国氮肥总量中所占比重已很小，多数是炼焦等工业的副产品。我国现行硫铵产品标准的主要内容包括：含氮20.5%~21.0%、含水分0.1%~0.5%、含游离酸<0.3%。
硫酸铵肥料中除含有氮之外，还含硫25.6%左右，也是一种重要的硫肥。硫铵与普通过磷酸钙肥料一样，是补充土壤硫素营养的重要物质来源。
硫酸铵肥料施入土壤以后，很快地溶于土壤溶液并电离成铵离子和硫酸根离子。由于作物对营养元素吸收的选择性，吸收铵离子的数量多于硫酸根的数量，在土壤中残留较多的硫酸根离子，与氢离子（来自土壤或根表面铵的交换或吸收）结合，使土壤变酸。肥料中离子态养分经植物吸收利用后，其残留部分导致介质酸度提高的肥料称之为生理酸性肥料。
硫酸铵肥料中的硫酸根在还原性较强的土壤上可通过生物化学过程还原为硫化氢，硫化氢可侵入作物根细胞，使根变黑，部分乃至全部丧失吸收功能。当土壤中有较多的亚铁离子存在时，由于亚铁离子可与硫化氢形成硫化亚铁沉淀，而作为硫化氢的解毒剂。当然，如果在根内输导组织中形成硫化亚铁沉淀则同样会阻碍作物根系的吸收。
除还原性很强的土壤外，硫酸铵适用于在各种土壤和各类作物上施用。可作基肥、追肥、种肥。作基肥时，不论旱地或水田宜结合耕作进行深施，以利保肥和作物吸收利用，在旱地或雨水较少的地区，基肥效果更好。作追肥时，旱地可在作物根系附近开沟条施或穴施，干、湿施均可，施后覆土。硫酸铵较宜于作种肥，注意控制用量，以防止对种子萌发或幼苗生长产生不良影响。
7.3.1.3 氯化铵(ammonium chloride)
氯化铵肥料主要成分的分子式为NH4Cl，简称氯铵。氯化铵肥料可以直接由盐酸吸收氨制造，但其主要来源则是作为联碱工业的联产品。氯铵中的氯根来自食盐，铵离子来自碳酸氢铵。生产过程的总反应式为：
NaCl + NH4HCO3 → NaHCO3 + NH4Cl
每生产一吨纯碱，可联产约1吨氯铵，随着我国联碱工业的发展，联产氯铵的数量将会不断增加。
氯铵肥料为白色结晶，含杂质时常呈黄色，含氮量为24%~25%。氯铵临界吸湿点较高，20℃时为相对湿度79.3%，接近硫铵，但肥料产品中由于混有食盐、游离碳酸氢铵等，有氨味，吸湿性比硫铵稍大，易结块，甚至潮解，生产上有时将之精制并粒状化来降低其吸湿性。氯铵的溶解度比硫铵低，20℃时，100g水中可溶解37g。氯铵肥效迅速，与硫铵一样，也属于生理酸性肥料。作为联碱工业的联产品，其质量标准为：含NH4Cl 90%~95%，含N24%~25%，NaCl 0.6%~1.0%，碳铵等其它杂质<3.0%，水分1.5%~3.0%。
氯铵施入土壤后，遇水很快电离成铵离子和氯根，铵离子被土壤胶体吸附，氯根则与被交换出来的阳离子生成水溶性化合物。在酸性土壤中，氯根与被交换下来的氢离子结合生成盐酸，使土壤溶液酸性加强。在中性或石灰性土壤中，氯铵与土壤胶体作用的结果生成氯化钙。氯化钙易溶于水，在雨季及排水良好的地区可被淋洗流失，可能造成土壤胶体品质下降。而在干旱地区或排水不良的盐渍土壤中，氯化钙在土壤溶液中积累，造成溶液盐浓度增高，也不利于作物生长。
氯铵在土壤中的硝化作用比硫铵慢，这是由于氯铵肥料中含有的大量氯根对硝化作用具有明显的抑制作用。这就使得氯铵中的铵态氮的硝化流失减少。氯铵不象硫铵那样在强还原性土壤上会还原生成有害物质，因而施用于水田的效果往往比硫铵更好、更安全。但由于其副成分氯根比硫酸根具有更高的活性，能与土壤中两价、三价阳离子形成可溶性物质，增加土壤中盐基离子的淋洗或积聚，长期施用或造成土壤板结，或造成更强盐渍化。因此，在酸性土壤上施用应适当配施石灰，在盐渍土上应尽可能避免大量施用，氯铵不宜作种肥，以免影响种子发芽及幼苗生长。
此外，诸如马铃薯、亚麻、烟草、甘薯、茶等作物为明显的“忌氯”作物。施用氯铵肥料能降低作物块根、块茎的淀粉含量，影响烟草的燃烧性与气味，降低亚麻、茶叶产品品质等。
7.3.1.4 氨水（ammonia water）
氨水肥料主要成分的分子式为NH4OH或NH3·H2O，含氮12%~16%，作为副产品的氨水含氮量可能更低。
氨水是液体肥料，呈强碱性，并有强烈的腐蚀性，除挥发性强之外，还有渗漏问题。旱地施用氨水无论作基肥或是追肥都应开沟深施，并兑水稀释数倍，以免灼伤植物，水田淌灌，亦可在水稻插秧前结合旋耕犁耕将氨水施入田中。贮运过程中，应注意防挥发、防渗漏、防腐蚀。
7.3.1.5 液氨（liquid ammonia）
液氨又称液体氨，是将氨气压缩为液态直接作肥料施用。液氨肥料有效成分的分子式为NH3，含氮率高达82%，是含氮率最高的氮肥品种。将液氨直接用作氮肥始于本世纪30年代的美国。本世纪50年代之后，液氨施用技术趋于成熟，引起世界各国重视。如澳大利亚、加拿大、丹麦、墨西哥等国，液氨施用已具相当规模。
7.3.2 硝态氮肥与硝铵态氮肥
养分标明量为硝酸盐形态的氮肥为硝态氮肥。如硝酸铵、硝酸钙等。养分标明量为硝酸盐和铵盐形态的氮肥称为硝铵态氮肥。如硝酸铵。其共同点：（1）易溶于水，速效，吸湿性强，易结块；（2）硝酸根离子不能被土壤胶体吸附，在土壤溶液中易随水移动；（3）在土壤中，硝酸根可经反硝化作用转化为游离的分子态氮（氮气）和多种氧化氮气体（NO、N2O等）而丧失肥效；（4）多数硝态氮肥能助燃或本身就易燃易爆，在贮运过程中应注意安全。
7.3.2.1 硝酸铵（ammonium nitrate）
硝酸铵肥料简称为硝铵，其有效成分分子式为NH4NO3，硝铵是当前世界上的一个主要氮肥品种。二次世界大战后硝铵在原苏联和欧美各国发展较快，在氮肥中所占比例较高。我国从50年代起在东北、华北和西北地区先后建立了几十个硝铵厂。工业上生产硝铵是将合成氨在高温、高压及铂催化条件下生成硝酸，再由硝酸吸收铵生成硝铵。
硝铵肥料含氮率为33%~35%。目前生产的硝铵主要有两种：一种是结晶的白色细粒，另一种是白色或浅黄色颗粒。细粒状的硝铵吸湿性很强，徐徐干燥时，容易结成硬块，空气湿度大的季节会潮解变成液体，湿度变化剧烈和无遮盖贮存时，硝铵体积可以增大，以致使包装破裂，贮存时应注意防潮。颗粒硝铵如表面附有诸如矿质油、石蜡、磷灰土粉等防湿剂，吸湿性较小，可以在纸袋中保存，但也应注意防潮。
硝铵肥料施入土壤后，很快溶解于土壤溶液中，并电离为移动性较小的铵离子和移动性很大的硝酸根离子。由于二者均能被作物较好地吸收利用，因此硝铵是一种在土壤中不残留任何成分的氮肥，属于生理中性肥料。由于硝酸根较大的移动性，除特殊情况外，一般不将硝铵作基肥和雨季追肥施用。硝酸铵作旱地追肥效果较好。硝酸铵适用于各类土壤和各种作物，但不宜于水田。
硝铵不宜作种肥，因为其吸湿溶解后盐渍危害严重，影响种子发芽及幼苗生长。
出于贮运与施用安全的考虑，以及硝态氮的水解及食物污染问题，有些国家明确控制硝态氮肥的施用范围与数量。
硝铵的改性是改善其吸湿性和防止燃爆危险的重要途径。最重要的硝铵改性氮肥是硝酸铵钙和硫硝酸铵。硝酸铵钙又名石灰硝铵，其主要成分NH4NO3、CaCO3，含氮率约20%，其加工方法是将硝铵与碳酸钙混合共熔而成。硫硝酸铵则由硝铵（74%左右）与硫铵（26%左右）混合共熔而成；或由硝硫酸混合后吸收氨，结晶、干燥成粒而成。
7.3.2.2 硝酸钠（sodium nitrate）
硝酸钠又名智利硝石，因盛产于智利而闻名。除天然矿藏外，硝酸钠也可利用硝酸进行加工生产。其有效成分分子式为NaNO3。
硝酸钠含氮量为15%~16%，商品呈白色或浅色结晶，易溶于水，10℃时溶解度为96g/100g，20℃临界吸湿点为相对湿度74.7%，比硝铵稳定。国外长期将硝酸钠施用于烟草、棉花等旱作物上，肥效较好。对一些喜钠作物，如甜菜、菠菜等肥效常高于其它氮肥。
7.3.2.3 硝酸钙(calsium nitrate)
硝酸钙常由碳酸钙与硝酸反应生成，也是某些工业流程（如冷冻法生产硝酸磷肥）的副产品。其有效成分分子式为Ca(NO3)2。
硝酸钙纯品为白色细结晶，肥料级硝酸钙为灰色或淡黄色颗粒。其含氮率为13%~15%。硝酸钙肥料极易吸湿，20℃时临界吸湿点为相对湿度的54.8%，很容易在空气中潮解自溶，贮运中应注意密封。硝酸钙易溶于水，水溶液呈酸性。硝酸钙在作物吸收过程中表现出较弱的碱性，但由于含有充足的钙离子并不致引起副作用，故适用于多种土壤和作物。含有19%的水溶性钙对蔬菜、果树、花生、烟草等作物尤其适宜。
7.3.3 酰胺态氮肥（amide nitrogen fertilizer）
养分标明量为酰胺形态氮的氮肥称为酰胺态氮肥，如尿素(urea)。
尿素是人工合成的第一个有机物，但它广泛存在于自然界中，如新鲜人粪中含尿素0.4%。尿素作为氮肥始于20世纪初，20世纪50年代以后，由于尿素含氮量高，用途广和工业生产流程的不断改进，尿素生产在世界各国发展很快。我国于20世纪60年代开始建立中型尿素厂。1973年后，随着年产30万吨合成氨的大型尿素厂陆续兴建，我国成为世界上重要的尿素生产国。尿素已成为我国氮肥生产中最重要的品种之一。尿素肥料的有效成分分子式为CO(NH2)2，化学上又称之为脲。
尿素肥料的含氮率为45%~46%，普通尿素为白色结晶，呈针状或棱柱状晶体，吸湿性强，目前生产的尿素肥料多为颗粒状，并加用防湿剂制成一种半透明颗粒。在气温为20℃以下时，吸湿性较弱。随着气温升高，其吸湿性明显增强。尿素20℃时临界吸湿点为相对湿度的80%，但至30℃时，临界吸湿点降至72.5%，因此，要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。此外，尿素与其它肥料混合时会明显降低吸湿点。30℃时与硫铵混合，可降至相对湿度的56.4%，与氯化钾混合可降至60.3%，与硝铵混合可降至18.1%，尿素肥料与其它肥料掺混时应特别注意这一问题。大粒尿素的生产与试用实践表明，这种尿素能较好地防止吸湿和延长肥效。
尿素易溶于水，20℃时的溶解度为105g/100g，比硫铵高出一倍。尿素为中性有机分子，在水解转化前不带电荷，不易被土粒吸附，故很易随水移动和流失。
尿素一经施入土壤，在脲酶催化作用下即开始水解。脲酶由多种土壤微生物所分泌，也广泛存在于多种植物体内。脲酶数量及其活性常与土壤有机质含量高低有密切关系。表土中脲酶比心土和底土中多。尿素水解的反应式为：
CO(NH2)2 + H2O → (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 → 2NH3↑+ H2O + CO2
尿素水解速度与土壤酸度、温度、湿度以及土壤类型、熟化程度及施肥方式等有关。湿度适宜时，气温越高水解速率越大。一般来说，当气温为10℃左右时，全部水解约需1~2周，20℃时约4~5天，30℃时约1~3天。
作物根系可以直接吸收尿素分子，但数量不大。施入土壤的尿素主要以水解后形成的铵和硝化后的硝态氮形态被吸收。因而，尿素施入土壤后表现出的许多农化性质与碳铵相类似。
尿素水解后由于生成了氨气，氨挥发损失成为氮素损失的重要途径。国内外的研究结果表明，若将尿素撒施于水田表面，由于水解后产生氨，稻田水层的pH值明显上升（有时可达到9.0以上），加上水层中藻类快速生长大量利用二氧化碳，使水中的氢氧根难以与二氧化碳结合，氨挥发可能会进一步加剧。因此，尿素即便是用于酸性土壤水田，同样也存着氨挥发问题。尿素用于水田后的氨挥发损失可占施入氮量的百分之几到百分之五十以上，大都在10%~30%，约占水田氮损失总量的50%~80%。尿素用于旱地的氨挥发损失主要发生于pH>7.5的石灰性或碱性土壤上，损失量可占施入氮量的12%~60%。
尿素可用作基肥和追肥。因其供应养分快、养分含量高、物理性状好，尤其适合于作追肥施用，有条件时，追肥同样要强调深施，至少要保证能以水带肥，以减少肥料损失数量。
尿素以中性反应的分子态溶于水，水溶液离子强度较小，直接接触作物茎叶不易发生危害；尿素分子体积小，易透过细胞膜进入细胞，有利于作物吸收、运输；尿素进入叶内，引起细胞质壁分离的情况很少，即使发生，也容易恢复。由于尿素的这些特点，使其作为根外追肥特别合适。尿素作根外追肥时的浓度一般为0.5%~2.0%，因不同作物而异（表7-5）
根外追施尿素肥料宜在早晨或傍晚，喷施液量取决于植株大小、叶片状况等。一般隔7~10天喷一次，共喷2~3次。作根外追施的尿素肥料的缩二脲含量一般不得超过0.5%，尤其是幼苗期作物对其较敏感，受缩二脲危害的叶片叶绿素合成障碍，叶片上出现失绿、黄化甚至白化的斑块或条纹。
表7-5 几种作物喷施尿素的参考浓度
作物种类
建议喷施浓度(%)
稻、麦、禾本科牧草
２.0
黄瓜
1.0~1.5
萝卜、白菜、菠菜、甘蓝
1.0
西瓜、茄子、甘薯 、花生、柑桔
0.4~0.8
桑、茶、苹果、梨、葡萄
0.5
柿子、番茄、草莓、温室黄瓜及茄子、花卉
0.2~0.3
氰氨化钙，俗称石灰氮，也是一种有机氮肥，其主要成分分子式为CaCN2，含氮率约为20%~22%。氰氨化钙施入土壤后发生以下水解过程：
由于这一水解过程的产物是尿素，故也有人将氰氨化钙肥料归入酰胺态氮肥。氰氨化钙除用作肥料外，尚可用作除莠剂、杀虫剂、杀菌剂、脱叶剂及在血吸虫防治上作杀灭钉螺等用。氰氨化钙肥料在浙江省有少量生产，作为肥料使用国内已极少见。
7.3.4 缓释氮肥（slow-release nitrogen fertilizer）
缓释氮肥又称长效氮肥，是指由化学或物理法制成能延缓养分释放速率，可供植物持续吸收利用的氮肥。如脲甲醛、包膜氮肥等。这类肥料有如下优点：（1）降低土壤溶液中氮的浓度，减少氮的挥发、淋失及反硝化损失；（2）肥效缓慢，能在一定程度上满足作物全生育期对氮素的需要；（3）可以减少施肥次数而一次性大量施用不致出现烧苗现象，减少了部分密植作物后期田间追肥的麻烦。
一般将长效氮肥分为两类：一是合成的有机长效氮肥，二是包膜氮肥。
7.3.4.1 合成有机长效氮肥（organic slow-release nitrogen fertilizer）
合成有机长效氮肥主要包括尿素甲醛缩合物、尿素乙醛缩合物以及少数酰胺类化合物。
脲甲醛 代号UF，是以尿素为基体加入一定量的甲醛经催化剂催化合成的一系列直链化合物，其反应式如下：
H2NCOH2N + HCHO →H2NCONHCH2OH
由上可见，脲甲醛的主要成分为直链甲撑的聚合物，含尿素分子2~6个，为白色粒状或粉状的无臭固体，其成分依尿素与甲醛的摩尔比（U/F）、催化剂及反应条件而定。脲甲醛的全氮含量、冷水溶性氮、冷水不溶性氮和热水不溶性氮及氮素活度指数列于表7-6，其溶解度与直链长短有关，一般短链聚合物较长链聚合物溶解度大，不同链长聚合物的适当比例决定着其施入土壤后的溶解、释放速率。
表7-6 脲甲醛的组分及性质
脲甲醛施入土壤后，虽可能有一部分化学分解作用，但主要是依靠微生物分解释放，不易淋溶损失。在适宜条件下，微生物以下列过程将之水解：
H2NCO(CH2NHCONH)n + H2O →
H2NCO(CH2NHCONH)n-1 + H2NCONH2 + HCHO
…………………………
H2NCONH2 + H2O → (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O
脲甲醛水解产物为尿素与甲醛，尿素继续水解为氨、二氧化碳等供作物吸收利用，而甲醛则留在土壤中，在它未挥发或分解之前，对作物和微生物生长均有副作用。脲甲醛施入土壤后矿化速率与尿素和甲醛的摩尔比（U/F）、活度指数、土壤温度、土壤pH以及影响微生物活动的其它条件有关。当U/F<1时，脲甲醛在土壤中几乎不发生分解；U/F在1.2~1.5之间，脲甲醛在土壤中可以逐步矿化。U/F在1.6~3.0之间，脲甲醛在土壤中矿化较快，但过多的尿素投料，使产品失去长效性特征，还会造成产品易吸潮、结块。
脲乙醛 代号CDU，又名丁烯叉二脲，由乙醛缩合为丁烯叉醛，在酸性条件下再与尿素结合而成。
脲乙醛为白色粉状物，含氮量为28%~32%，溶点为259℃~260℃。该肥料产品在土壤中的溶解与温度及酸度密切相关。随着土壤温度的升高和土壤溶液酸度的增加，其溶解度增大。20℃时在水中的溶解度为0.06g/100g，而在3%硫酸溶液中溶解度为4.3g/100g。因此，脲乙醛在酸性土壤上的供肥速率大于在碱性土壤上的供肥速率。脲乙醛在土壤中分解的最终产物是尿素和β-羟基丁醛，尿素进一步水解或直接被植物吸收利用，而β-羟基丁醛则被土壤微生物氧化分解成CO2和水，并无残毒。
脲异丁醛 代号为IBDU，又名异丁叉二脲，是尿素与异丁醛缩合的产物。脲异丁醛肥料为白色颗粒状或粉状，含氮率在31%左右，不吸湿，水溶性很低。在室温下，100克水的溶出物中只含有0.01~0.1克氮。在土壤中，则较容易在微生物作用下水解为尿素和异丁醛，环境中较高的温度和较低的pH有利于这种水解作用。脲异丁醛具有如下优点：(1)水解产物异丁醛易分解，无残毒；(2)生产脲异丁醛的重要原料异丁醛是生产2-乙基己醇的副产品，廉价易得；(3)脲异丁醛是脲醛缩合物中对水稻最好的氮肥品种，其肥效相当于等氮量水溶性氮肥的104%~125%；热水不溶性氮仅0.9%，其利用率比脲甲醛大一倍；(4)施用方法灵活，可单独施用，也可作为混合肥料或复合肥料的组成成分。可以按任何比例与过磷酸钙、熔融磷酸镁、磷酸氢二铵、尿素、氯化钾等肥料混合施用。
草酰胺 代号为OA。过去是用草酸与酰胺进行合成，成本太高。现在以塑料工业的副产品氰酸作原料，用硝酸铜作接触剂，在常压低温(50℃~80℃)下直接合成，成本较低，成品纯度可达到99%。草酰胺肥料产品呈白色粉状或粒状，含氮率为31%左右。室温下，100克水中约能溶解0.02克草酰胺，但一旦施入土壤，草酰胺则较易水解生成草胺酸和草酸，同时释放出氢氧化铵。其反应式为：
NH2 COCONH2 + 2H2O → NH2 COCOOH + NH4OH
NH2 COCOOH + 2H2O → HOCOCOOH + NH4OH
草酰胺对玉米的肥效与硝酸铵相似，呈粒状时养分释放减慢，但快于脲醛肥料。
7.3.4.2 包膜缓释氮肥（coated slow-release nitrogen fertilizer）
包膜缓释氮肥是指以降低氮肥溶解性能和控制养分释放速率为主要目的在其颗粒表面包上一层或数层半透性或难溶性的其它薄层物质而制成的肥料，如硫磺包膜尿素等。常采用的包膜材料有硫磺、树脂、聚乙烯、石蜡、沥青、油脂、磷矿粉、钙镁磷肥等。包膜肥料制造方法简单，比较成熟的产品主要有硫衣尿素、塑料胶膜包衣硝铵、沥青石蜡包衣碳铵、钙镁磷肥包衣碳铵等。包膜肥料主要是通过膜孔扩散、包膜逐渐分解以及水分透过包膜进入膜内膨胀使包膜破裂等过程释放出养分。
硫磺包膜尿素（sulfur coated urea） 代号SCU，简称硫包尿素。包膜的主要成分除硫磺粉外，还有胶结剂和杀菌剂。在硫包膜过程中胶结剂对密封裂缝和细孔是必需的，而杀菌剂则是为了防止包膜物质过快地被微生物分解而降低包膜缓释作用。硫包尿素的含氮率范围在10%~37%，取决于硫膜的厚度，一般通过调节硫膜的厚度可改变其氮素释放速率。硫包尿素只有在微生物的作用下，使包膜中硫逐步氧化，颗粒分解而释放氮素。硫被氧化后，能产生硫酸，从而导致土壤酸化：
2S+3O2+2H2O→2H2SO4
较大量的SO42-在通透性很差的水田中，可能被还原，产生硫化氢，对水稻产生毒害作用。因此，在囊水水稻田中不宜大量施用硫包膜尿素肥料。
硫包膜尿素肥料中氮的释放速率与土壤中微生物的活性有较密切的关系，凡是对微生物活动有影响的因素均对该肥料的释放速率会产生影响。其中，温度是一个比较活跃的因子，较高的土壤温度有利于加快硫包尿素的供氮速率。
由于硫氧化后可形成硫酸，硫包尿素作为盐渍化土壤上的氮素来源是有益的，它可以在阻止盐渍土脱盐过程中pH值升高方面起着积极作用。
塑料包膜氮肥 由于合成长效肥料一般成本较高，美国和其它一些国家正在大力研究用合成塑料(聚乙烯、醋酸乙烯酯等)包膜长效氮肥，以减缓水溶性氮肥进入土壤溶液的速率。用塑料包膜的氮肥主要有尿素、硝铵、硫铵等。采用特殊工艺可以使包膜上含有一定大小与数量的细孔，这些细孔具有微弱而适度的透水能力。当土壤温度升高、水分增多时，肥料将逐渐向作物释放氮素。塑料包膜肥料不会结块也不会散开，可以与种子同时进入土壤，这将在很大程度上节省劳力。根据不同土壤、气候条件和作物营养阶段特性控制包膜的厚度或选择不同包膜厚度肥料的组合，即可较好地满足整个作物生长期的氮素养分供应。
长效碳酸氢铵（lasting ammonium bicarbonate） 又称长效碳铵。在碳铵粒肥表面包上一层钙镁磷肥。在酸性介质中钙镁磷肥与碳铵粒肥表面起作用，形成灰黑色的磷酸镁铵包膜。这样既阻止了碳铵的挥发，又控制了氮的释放，延长肥效。包膜物质还能向作物提供磷、镁、钙等营养元素。由于长效碳铵物理性状的改良，使其便于机械化施肥。制造长效碳铵的工艺流程是：将碳铵粉与白云石熟粉掺混→用对辊式造粒机压制粒肥→将粒肥滚磨刨去棱角→粒肥表面酸化→酸化粒肥成膜→封面→扑粉→制得黑色核形颗料状成品。如生产含碳铵73%，白云石熟粉4%，水分3%，膜壳20%的长效碳铵，其养分含量为氮11%~12%，全磷1.0%~1.5%。由于膜壳致密、坚硬，不溶于水而溶于弱酸，这样就使得长效碳铵在作物根际释放较快，而在根外土壤中释放较慢成为可能。长效碳铵主要是气态从膜内逸出，因此封面量、温度以及淹水等条件都会影响长效碳铵的释放速率。封面料用量多，释放慢；温度升高，释放速率增大；在淹水土壤中比旱地土壤中释放慢。
除了硫磺包膜尿素、塑料包膜氮肥、长效碳铵等包膜长效氮肥外，广州氮肥厂研制成一种高效涂层氮肥。即在尿素颗粒表面喷涂含有少量氮、钾、镁及微量元素的混合液，使尿素的释放速率减慢，高效涂层氮肥呈黄色小粒状，与普通尿素相比，具有释放氮素平稳、肥效稳长、氮肥利用率较高等特点。
目前，尚有人在继续致力于研究开发专用复合控释肥料，如果能达到预期目标，则可望生产出一种更为灵活、实用的长效肥料新品种。
7.3.5 氮肥的合理分配与施用
氮肥在作物生产过程上由于对作物产量的调控能力最强，因此使用量最大、使用次数最频繁。氮肥施入土壤后的转化比较复杂、涉及到化学、生物化学等许多过程。不同形态氮素的相互转化造成了肥料氮在土壤中较易发生挥发、逸散、流失，不仅造成经济上的损失，而且还可能污染大气和水体。因此，氮肥的合理分配与施用就愈显重要。
7.3.5.1 氮肥的合理分配
氮肥的合理分配主要依据土壤条件、作物氮素营养特性及氮肥本身的特性确定。
土壤条件 土壤酸、碱性是选用氮肥的重要依据。碱性土壤上应选用酸性和生理酸性肥料。这样有利于通过施肥改善作物生长的土壤环境，也有利于土壤中多种营养元素对作物有效性的提高。盐碱土上应注意避免施用能大量增加土壤盐分的肥料，以免对作物生长造成不良影响。在低洼、囊水等易出现强还原性的土壤上，不应分配硫酸铵等含硫肥料，以防止硫化氢等有害物质的生成，在水田中也不宜分配硝态氮肥，以防止随水流失或反硝化脱氮损失。
土壤氮素养分供应水平及其他养分供应水平也是氮肥分配的重要依据。
作物营养特性 不同作物种类对氮肥的需要数量是大不相同的。一般来说，叶菜类尤其是绿叶菜类、桑、茶、水稻、小麦、高梁、玉米等作物需氮较多，应多分配氮肥。而大豆、花生等豆科作物，由于有根瘤，可以进行共生固氮，只需在生长初期施用少量氮肥。甘薯、马铃薯、甜菜、甘蔗等淀粉和糖类作用一般只在生长初期需要充足的氮素供应，形成适当大小的营养体，以增强光合作用，而在生长发育后期，氮素供应过多则会影响淀粉和糖分的积累，反而降低产量和品质。同种作物的不同品种之间也存在着类似的差异。耐肥品种，一般产量较高，需氮量也较大；耐瘠品种，需氮量较小，产量往往也较低。
7.3.5.2 氮肥施用量的确定
生产、科研实践证明：随着氮肥施用量的增加，氮肥的利用率和增产效果逐渐下降。据统计，1993/1994年度我国平均每公顷农田消耗氮肥高达188kgN，比同期世界平均消耗50.3kgN的水平高出3.7倍。在一些经济发达的地区，由于过量施用氮肥而造成的经济损失和环境质量破坏，已达到非常严重的地步，恢复和重建其良好生态系统将要付出极其沉重的代价。
从国外在一些地区主要粮食作物上进行的肥料田间试验结果来看，在配合磷、钾等其它元素肥料的基础上，每季作物的施氮量大约在150kgN/ha左右，当然，具体施氮量应视各地具体情况而定。
7.3.5.3 提高氮肥利用率
氮素损失直接减少了土壤中作物可利用态氮量，降低氮肥的增产作用。离开土壤中作物根系密集层的氮素以不同形态进入水体或大气，造成环境污染。因此采用各种技术措施减少氮素损失，是农业氮素管理的中心任务之一。
为了减少氮素损失，应根据氮素在土壤中的主要理化、生化、农化行为，遵循如下原则。
严格控制氮肥的主要损失途径。除少数渗漏性较强的砂性水田土壤外，一般在水稻生长期间化肥氮的淋洗损失并不多，田面水的径流损失也较易得到控制，减少氨挥发和硝化—反硝化损失应作为重点。针对氨挥发，可采取各种措施降低施肥后田面水的pH及铵的浓度。为了降低田面水的pH，可以采用添加杀藻剂的方法，以抑制日间田面水pH的上升。减少田面水中铵的浓度最有效的措施是深施、分次施、选用缓释肥料，也可以采用无水层混施、“以水带氮”等。除了这些措施之外，为了减少田面水氨的挥发，有人尝试在水表面进行覆膜处理。由于铵态氮是氨挥发和硝化—反硝化作用的共同源，因此这两种损失机制之间有一定的内在联系。在采取措施时，应考虑到能使氮素的总损失量降至最低。由于铵态氮肥的深施还可以减缓土壤中硝化作用速率，也为减少硝态氮的淋洗损失以及反硝化脱氮损失创造了条件。同样地，在旱地上也应将氮肥分次施用，添加硝化抑制剂，采取适宜的水肥综合管理措施等来减少氮素的损失。
提高氮肥利用率的措施，除了平衡施肥、正确推荐氮肥施用量和施肥时期之外，还可以包括两类，一是采用更适宜的田间管理技术，二是在化学氮肥中添加特殊化学物质。
田间水肥综合管理也能起到类似于深施的作用，达到提高氮肥利用率的目的。比较简单而有效的方法是利用施肥后的上水或灌溉将肥料带入土层至一定深度，使土壤表层所残留氮的浓度较低，从而减少氮素损失。
使用脲酶抑制剂是提高尿素肥料利用率的一个便捷措施。脲酶抑制剂可以使尿素的水解速率有所减缓，使较多的尿素能以分子态扩散移动到土壤一定深度，从而减少表层土壤或田面水中铵态氮及氨态氮的浓度，减少氨挥发损失。Bremner等(1971)研究了100多种可作为脲酶抑制剂的化合物，认为氢醌类化合物是比较有效和实用的。生产上试用较多的有O—苯基磷酰二胺(PPD)、N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、氢醌和硫脲等。国内外有关脲酶抑制剂的研究证明，脲酶抑制剂在延缓尿素水解、减少氨挥发损失中的作用基本上是肯定的。然而，对它们在减少氮素总损失方面的作用机理尚未被广泛证明，田间应用是否能增产，尚无定论。分析一下，不难看出，影响脲酶抑制剂增产作用的因素很多。从脲酶抑制剂本身作用特性来看，一是其抑制效果短暂，二是不一定能减少氮素的总损失；三是可能对作物生长有不良的影响。尤其是在土壤中氨挥发并不重要、氮素营养并不是作物生长的限制因子，以及土壤中尚存在脲酶之外的其它尿素水解机制等条件下，更加能削弱脲酶抑制剂对作物的增产作用。国内对氢醌作为尿素的添加剂制成的“长效尿素”进行了研究和推广，结果表明施用氢醌对土壤和作物无毒害作用，并在小麦、玉米和水稻等作物上获得增产。
使用硝化抑制剂(又称氮肥增效剂)可以在一定程度上抑制硝化速率，减缓铵态氮向硝态氮的转化，从而减少氮素的反硝化损失和硝酸盐的淋溶损失，并可能减少果蔬等作物中硝酸盐的积累。常见的硝化抑制剂有2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)、脒基硫脲(ASU)、1，2，4-三唑盐酸盐(ATC)和双氰胺(DCD)等。近年来，国际上还发展了蜡包膜碳化钙(CCC)。我国试验比较多的种类是CP与DCD，CP对减缓硝化作用有明显的效果，在非石灰性土壤上施用CP，其减少肥料氮损失的效果明显优于石灰性土壤。这可能是由于施用硝化抑制剂后土壤中存留较多的铵而引起了氨挥发损失加重所致。硝化抑制剂在提高氮肥增产效果中的作用也不够稳定，其原因与脲酶抑制剂有类似之处。国内生产的长效碳铵，即是在碳铵中添加了DCD，加上肥料理化性状的改善，在农业生产中获得了较好的增产效果。
缓释肥料的使用在多数情况下也可以提高肥料中氮的利用率，这是由于缓释肥料中的溶解速率较慢，不会引起强烈的挥发和流失作用，从而保证肥料中的氮被作物充分吸收利用。国际网络试验研究了硫磺包膜尿素在水稻上的增产效果，在217个试验中，硫黄包膜尿素优于分次施用尿素的占39%，效果相当的占56%。发展喷灌、微灌、滴灌施肥（主要是N肥）是提高N肥利用率的最有效的方法，也是现代化农业中发展的方向。
思 考 题
1. 土壤中氮素存在的主要形态有哪些?说说不同形态氮的相互转化在土壤氮素供应与保持方面的意义。
2. 试述植物对氮素的吸收与同化过程。
3. 氮素胁迫条件下，作物的生长发育有何异常症状?
4. 试述常见氮肥的种类及其使用注意点。
5. 试述提高氮肥利用率的意义及其措施。
参 考 文 献
1. 朱兆良，文启孝主编 . 中国土壤氮素 . 南京：江苏科学技术出版社，1992
2. rnlod Finck . Fertilizers and Fertilization Verlag Chemie. Weinheim . 1982
3. 陆景陵主编 . 植物营养学 . 北京：北京农业大学出版社，1994
4. 史瑞和主编 . 植物营养学 . 南京：江苏科学技术出版社，1998
5. Peter Edward Bacon . Nitrogen Fertilization in the Environment . Woodlots & Wetland Pty.Ltd.Sydney，New South Wales Australia.，1995
6. H. 马斯纳著，曹一平、陆景陵等译 . 高等植物的矿质营养 . 北京农业大学出版社，1991
7. 林葆等 . 五十年来中国化肥肥效的演变和平衡施肥学术计论会论文集 . 农业出版社，1989
8. 鲁如坤 . 我国土壤氮、磷、钾的基本状况 . 土壤学报，1989（3）
9. 朱宝金 . 土壤中非交换态NH4＋的释放及其与作物生长的关系 . 土壤通报1986（17）
10. 朱兆良等 . 石灰性稻田土壤上化肥氮损失的研究 . 土壤学报，1989：26（4）
11. 朱兆良等 . 种稻下氮素的气态损失与氮肥品种及施用方法的关系 . 土壤，1987：9（1）
