不同施肥方式對(duì)東北黑土春玉米連作體系土壤氮素平衡的影響

蔡紅光，米國(guó)華，張秀芝，任 軍，馮國(guó)忠，高 強(qiáng)*

(1吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究中心，吉林長(zhǎng)春130033;2吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118;3中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)系，農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部植物－土壤相互作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193)

東北春玉米種植區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，僅吉林省玉米總產(chǎn)量就占到了全國(guó)玉米總產(chǎn)量的12.5%［1］。該種植區(qū)主要土壤類型為黑土，具有有機(jī)質(zhì)含量高、腐殖質(zhì)層深厚、養(yǎng)分豐富、團(tuán)粒發(fā)達(dá)、保水保肥能力及抗逆性強(qiáng)等優(yōu)越的肥力特點(diǎn)［2］。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥方式主要是以分期施肥和一次性施肥方式為主。近年來隨著復(fù)混肥工藝的發(fā)展以及農(nóng)村勞動(dòng)力的限制，采取一次性基施肥料(一炮轟)的農(nóng)戶比例逐漸加大［3－4］。在夏玉米生產(chǎn)區(qū)關(guān)于一次性施肥對(duì)玉米產(chǎn)量［5］、氮肥效應(yīng)［6－7］及氮素平衡［8］方面的研究較多，而目前在東北春玉米連作區(qū)僅限于西部半干旱地區(qū)的報(bào)道［9］。高強(qiáng)等［4］對(duì)吉林省23個(gè)市(縣)的調(diào)查結(jié)果表明，玉米一次性施肥面積占到玉米總施肥面積的62.5%。主要以高氮復(fù)混肥的方式一次性施入底(基)肥，不再追肥;或者是一次性底(基)肥+種肥，不再追肥。在東北黑土玉米連作區(qū)，這種以高氮復(fù)混肥的形式將氮肥一次性施入土壤后對(duì)整個(gè)土壤－作物體系氮素平衡及環(huán)境有怎樣的影響，目前尚不清楚。為此，筆者連續(xù)三年在吉林省長(zhǎng)春市針對(duì)不同肥料施用方式下的玉米產(chǎn)量及土壤氮素平衡進(jìn)行了評(píng)價(jià)，旨在研究長(zhǎng)期采取一次性施肥對(duì)東北春玉米產(chǎn)量、氮肥效率及土壤環(huán)境的影響程度，以期為指導(dǎo)該地區(qū)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2004年4月至2006年10月在吉林省中部的長(zhǎng)春市新立城鎮(zhèn)進(jìn)行，該地區(qū)屬于松嫩平原黑土帶中部玉米連作區(qū)。年均降水量為520.1 mm，無(wú)霜期平均為141 d，年均積溫2916℃。供試土壤為黑土，0—30 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷(P2O5)、速效鉀 (K2O)、分別為 28.5 g/kg、1.8 g/kg、19.6 mg/kg、139.1 mg/kg;pH 值 (水土比1∶2.5)為5.73，偏酸性;試驗(yàn)區(qū)2004～2006年玉米生育期總降水量分別為410 mm、642 mm、475 mm(圖1)。試驗(yàn)期間沒有灌溉。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)區(qū)2004～2006年玉米生育期降水量分布Fig．1 Precipitation in experiment field during maize development stage from 2004 －2006

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為不施氮肥(CK)、推薦施肥(Opt)、農(nóng)民習(xí)慣施肥1(基肥+種肥，Tra1)和農(nóng)民習(xí)慣施肥2(全部基施，Tra2)，各處理的氮、磷、鉀施用狀況見表1。其中CK處理中磷肥為過磷酸鈣(P2O514%)、鉀為硫酸鉀(K2O 50%)，均作基肥施入;Opt處理采用總量控制的氮素分階段調(diào)控［基肥以滿足玉米苗期氮素需求即可，為30 kg/hm2，拔節(jié)期采用土壤無(wú)機(jī)氮測(cè)試技術(shù)并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)確定追肥量為160 kg/hm2和磷鉀恒量監(jiān)控技術(shù)，其中氮肥為尿素(N 46%)，磷肥和鉀肥同CK，均作基肥施入［10－11］］。Tra1 和 Tra2 的肥料用量和施肥方式均是在對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶調(diào)查的基礎(chǔ)上確定的，其中Tra1處理磷、鉀全部由復(fù)合肥(N 8%、P2O58%、K2O 8%)提供，其余氮由尿素補(bǔ)足，混勻后85%以基肥形式施入，其余作種肥施入。Tra2處理采用吉林省升華公司生產(chǎn)的六顆星牌高氮復(fù)合肥(N 28%、P2O515%、K2O 10%)，以基肥形式一次性全部施入。

每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積40 m2(4m×10m)。供試玉米品種均采用當(dāng)?shù)刂髟云贩N，2004～2006年分別為吉單180、三北13、先玉335。試驗(yàn)于5月上旬播種，10月上旬收獲，各處理田間管理同一般大田。

表1 玉米不同施肥方式下的氮磷鉀肥施用量Table 1 Dose of fertilizer N，P，and K application in different fertilization modes

1.3 樣品采集及分析方法

分別于每年播種前和收獲后在每小區(qū)取0—30 cm、30—60 cm、60—90 cm 的土壤(每小區(qū)取2鉆，等層混合)，放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室 －20℃冷凍保存。采用0.01mol/L CaCl2浸提，TRACCS2000型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。成熟期每小區(qū)取代表性植株3株，分為秸稈和子粒，分別稱其鮮重，烘干后稱干重。然后全部粉碎，用四分法取出分析樣，采用凱氏定氮法測(cè)定秸稈及子粒中含氮量。收獲時(shí)取中間四壟玉米果穗稱鮮重，然后取標(biāo)準(zhǔn)穗10穗，風(fēng)干，脫粒，折算產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算方法［12－13］

生育期土壤氮素凈礦化量=不施氮肥區(qū)作物吸氮量 +不施氮肥區(qū)土壤殘留無(wú)機(jī)氮(Nmin)－不施氮肥區(qū)土壤起始無(wú)機(jī)氮(Nmin);

生育期土壤氮素表觀損失=生育期施氮量 +土壤起始無(wú)機(jī)氮(Nmin)+土壤氮素凈礦化量－作物攜出－收獲后土壤殘留無(wú)機(jī)氮(Nmin);

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區(qū)作物吸氮量－不施氮肥區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100;

氮肥表觀殘留率(%)=(施氮區(qū)土壤殘留Nmin－無(wú)氮區(qū)土壤殘留Nmin)/施氮量×100;

氮肥表觀損失率(%)=100－氮肥表觀利用率－氮肥表觀殘留率;

氮肥表觀損失率計(jì)算值不同于利用15N實(shí)測(cè)的氮損失，實(shí)質(zhì)上包括了所有的未知去向的肥料氮(包括土壤的生物固定、淋洗、氨揮發(fā)等)。所有數(shù)據(jù)均采用Excel處理后，用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對(duì)玉米產(chǎn)量及氮素效率的影響

方差分析結(jié)果表明(表2)，產(chǎn)量、生物量、吸氮量在年際和處理間的差異均達(dá)到極顯著水平。且除生物量外，產(chǎn)量和吸氮量的年際和處理間的交互作用也達(dá)到極顯著水平，而重復(fù)之間均未達(dá)到顯著水平，這表明產(chǎn)量、生物量、吸氮量三者的變異主要是由年際和施肥處理間的差異造成的。

表2 各處理產(chǎn)量、生物量和氮累積量的方差分析Table 2 Variance analysis for grain yield，biomass and N uptake of each treatment

施氮量是影響子粒產(chǎn)量的主要因素，三年的定點(diǎn)試驗(yàn)表明，施氮后增產(chǎn)效果明顯(表3)，三種施肥方式下的玉米子粒產(chǎn)量、總生物量、吸氮量均顯著高于CK處理。整體上看，作物產(chǎn)量和生物量均存在著較大的年際變化，這與種植品種的基因型差異有關(guān)。處理間比較，2004年以O(shè)pt處理的產(chǎn)量和吸氮量最高，且顯著高于Tra1處理，但三個(gè)處理的生物量差異不顯著。2005年仍以O(shè)pt處理的產(chǎn)量和吸氮量最高，且與Tra1和Tra2處理差異顯著，但其生物量與Tra2處理差異不顯著。2006年Opt處理表現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)量、生物量和吸氮量均顯著高于Tra1和Tra2處理。

2.2 施肥方式對(duì)土壤剖面礦質(zhì)氮累積量的影響

總體來講，施氮顯著增加了土壤中無(wú)機(jī)氮的殘留量，但以硝態(tài)氮的殘留增加量為主要貢獻(xiàn)部分。相比而言，在三年連續(xù)施入氮肥后，土壤中殘留的銨態(tài)氮無(wú)顯著變化，0—90 cm土層中的銨態(tài)氮含量維持在15.1～32.5 kg/hm2范圍內(nèi)。除CK處理外，其他三種施肥方式下的銨態(tài)氮在2004年收獲后占土壤無(wú)機(jī)氮總量的49.8% ～55.7%，平均為52.1%;而在2005年收獲后其比例則下降為24.0%，2006年繼續(xù)下降為18.6%，且各處理間均無(wú)顯著差異。研究結(jié)果表明在東北黑土玉米連作區(qū)，玉米收獲后土壤中銨態(tài)氮含量受施肥方式的影響較小(表4)。

2004年收獲后，三個(gè)施肥處理下0—90 cm土層中硝態(tài)氮的含量為15.3～20.8 kg/hm2，平均為18.0 kg/hm2;2005年收獲后，三個(gè)施肥處理下0—90 cm土層中硝態(tài)氮的平均含量為104.4 kg/hm2，2006年為97.5kg/hm2，較2004年分別增加了4.8倍和4.4倍。從表4可以看出，0—90 cm土層中硝態(tài)氮含量增加的主要原因是由于30—60 cm和60—90 cm土層中硝態(tài)氮含量增加，其中以Tra1和Tra2處理增加最為顯著。與2004年相比，2005年Tra1處理30—60 cm和60—90 cm土層中的硝態(tài)氮含量分別增加了4.5倍和17.8倍;Tra2處理30—60 cm和60—90 cm土層中的硝態(tài)氮含量分別增加了3.8倍和13.3倍，硝態(tài)氮明顯下移。而2006年Tra1和Tra2處理下的硝態(tài)氮含量與2005年大體一致，僅30—60 cm土層中硝態(tài)氮含量略有增加。這主要是因?yàn)?005年降水量較2004年降水量大幅增加，且主要集中在6月中上旬(圖1)，導(dǎo)致Tra1和Tra2處理施入到土壤中的氮素隨水下移。而2006年降水量雖然也高于2004年，但是其增加量主要集中在8月中旬以后，且是兩次短時(shí)間的強(qiáng)降雨，大部分均隨地表徑流，所以2006年Tra1處理和Tra2處理下土壤中的硝態(tài)氮向下繼續(xù)移動(dòng)的量較少，僅在30—60 cm土層中略有累積。

表4 玉米連作體系不同施肥方式對(duì)0—90 cm土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量的影響(kg/hm2)Table 4 Effect of different fertilization modes on －N and－N accumulation in 0 －90 cm soil in maize succession system

表4 玉米連作體系不同施肥方式對(duì)0—90 cm土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積量的影響(kg/hm2)Table 4 Effect of different fertilization modes on －N and－N accumulation in 0 －90 cm soil in maize succession system

注(Note)：同一土壤層次中同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同字母者表示達(dá)到5%的差異顯著水平(LSD)In the same soil layer，different letters mean significant difference according to LSD test(P=0.05)．CK—不施肥No nitrogen application;Opt—推薦施肥Optimized application treatment;Tra1—農(nóng)民習(xí)慣施肥1 Traditional application 1;Tra2—農(nóng)民習(xí)慣施肥2 Traditional application 2.

Nitrate-N Year Time Treatment0—30 cm 30—60 cm 60—90 cm 0—30 cm 30—60 cm 60—90 cm 2004 播種前Before sowing —年份 時(shí)間 處理 銨態(tài)氮Ammonium-N 硝態(tài)氮6.7 6.5 5.1 7.6 1.3 0.9收獲后After harvest CK 7.2 a 7.2 a 6.0 a 2.8 b 0.5 c 0.4 b Opt 6.0 a 6.1 a 7.2 a 6.7 a 5.9 b 2.7 a Tra1 8.0 a 4.8 a 5.7 a 4.9 a 10.2 a 2.9 a Tra2 7.9 a 6.1 a 6.7 a 5.1 a 12.5 a 3.2 a 2005 播種前Before sowing CK 11.4 a 11.4 a 9.6 a 12.4 b 8.4 b 2.7 b Opt 12.6 a 8.5 a 9.8 a 15.9 b 10.2 ab 8.9 a Tra1 13.7 a 8.8 a 8.9 a 15.1 b 8.2 b 7.3 a Tra2 11.8 a 7.7 a 10.0 a 23.3 a 14.1 a 9.3 a收獲后After harvest CK 16.3 a 7.2 a 9.0 a 11.8 c 2.9 c 7.2 b Opt 11.3 b 9.4 a 7.0 a 18.6 b 28.1 b 7.7 b Tra1 10.2 b 10.5 a 11.0 a 27.9 a 56.1 a 53.9 a Tra2 11.1 b 9.5 a 8.7 a 15.5 bc 59.6 a 45.9 a 2006 播種前Before sowing CK 6.4 b 8.1 a 7.6 a 22.8 c 12.5 c 8.8 c Opt 10.2 a 5.8 a 4.5 a 58.2 a 37.0 b 16.7 b Tra1 5.4 b 7.7 a 8.1 a 63.7 a 58.9 a 44.0 a Tra2 11.8 a 7.5 a 7.6 a 40.5 b 68.2 a 54.3 a收獲后After harvest CK 5.6 a 5.2 a 4.3 a 6.8 b 5.3 c 6.0 c Opt 7.6 a 8.1 a 6.3 a 13.1 a 20.5 b 12.4 b Tra1 7.7 a 5.0 a 4.2 a 10.4 ab 63.4 a 53.6 a Tra2 5.2 a 4.9 a 5.8 a 15.1 a 61.3 a 42.6 a

2.3 玉米連作體系中的氮素平衡

從三季玉米連作總的氮素平衡結(jié)果看出(表5)，在氮素的輸入項(xiàng)中，施氮量起著主要的作用，三個(gè)施肥處理中，播前Nmin和礦化氮僅占總輸入項(xiàng)的3.3%～4.3%和23.2%～30.8%。在氮素的輸出項(xiàng)中，作物攜出量以O(shè)pt處理最高，Tra1和Tra2處理作物攜出量相近。土壤殘留Nmin以Tra1處理最高，同時(shí)其氮素表觀損失也最大，表觀損失率達(dá)到47.7%。在三季玉米總的氮盈余中，Opt處理和Tra1處理均以表觀損失為主，其比例分別為71.9%和64.0%。而Tra2處理則主要以殘留Nmin為主，其比例為63.7%。Opt處理在2004年和2006年兩個(gè)正常降水年份氮盈余的主要部分均是氮素表觀損失部分，只有2005年降水量較大的年份殘留Nmin在氮盈余中的比例略高，為55.6%。相比而言，Tra1處理和Tra2處理的氮素盈余只在2004年以氮素表

觀損失為主，而在2005年則均以殘留Nmin為主，2006年略有緩和，但殘留Nmin在氮盈余中的比例仍較高，分別為48.1%和57.7%。分析其原因，主要是2005年的降水量增加，特別是6月份和7月份的降水量均較高，導(dǎo)致Tra1和Tra2處理施入的氮素被淋洗到土壤下層(表4)，作物未能吸收，導(dǎo)致殘留量增加。三季玉米連作總的土壤礦化量和播前土壤Nmin之和為227.3 kg/hm2，大體上相當(dāng)于CK處理三年作物總的吸氮量。相比而言，其他三個(gè)處理的作物總吸氮量均顯著高于CK，但是并不隨著氮肥投入的增加而增加。三個(gè)處理中以Tra1處理施氮量最高(N 210 kg/hm2)，但其吸氮量卻顯著低于Opt處理。在三年的連作體系中，其氮素表觀利用率也顯著低于Opt處理和Tra2處理，僅為34.7%。

表5 玉米連作體系中土壤的氮素平衡Table 5 Soil N balance in maize succession system

3 討論

近年來吉林省等省份采用一次性施肥的農(nóng)戶已超過60%［4］，且呈逐年增加趨勢(shì)。但是在東北黑土玉米連作區(qū)氮肥一次性大量基施是否會(huì)引起氮素的大量損失及相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，尚無(wú)較多關(guān)注。本研究利用2004～2006年三年定點(diǎn)試驗(yàn)，針對(duì)東北地區(qū)目前這種一次性施肥方式對(duì)玉米產(chǎn)量、吸氮量及氮肥效應(yīng)的影響，以及對(duì)玉米連作區(qū)土壤－作物系統(tǒng)的氮素平衡和運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于本試驗(yàn)區(qū)土壤中殘留磷肥較多，且磷肥后效較高［14］，土壤中交換性鉀的含量也較高(139.1 mg/kg)，所以各施肥方式中磷、鉀的差異不會(huì)影響玉米在整個(gè)生育期對(duì)氮素的吸收，即本研究中的幾種施肥方式的差異主要體現(xiàn)在基施氮肥的用量不同和氮肥的施用時(shí)期不同，這也一直是近年來研究的熱點(diǎn)［7－9，12－13，15－16］。從三年的田間試驗(yàn)結(jié)果來看，Tra1與Tra2處理間差異不顯著。與之相比，Opt處理的產(chǎn)量在三年均明顯高于Tra1和Tra2處理，這表明根據(jù)作物生長(zhǎng)需求來供應(yīng)氮素是非常重要的［5，9，13］。

由于東北黑土春玉米種植區(qū)為雨養(yǎng)方式，無(wú)灌溉。所以降水量和降水時(shí)期是對(duì)一次性施肥及環(huán)境影響最大的因素。從本研究結(jié)果來看，降水明顯導(dǎo)致了Tra1和Tra2處理土壤殘留硝態(tài)氮的下移(表4)，但下移量和下移速度均遠(yuǎn)低于高強(qiáng)等［9］在吉林西部半干旱地區(qū)的研究結(jié)果。這主要與高強(qiáng)等［9］的試驗(yàn)中有多次灌溉用水，及兩地土壤質(zhì)地差異較大有關(guān)［17］。在氮肥全部基施的情況下，春玉米與夏玉米的區(qū)別主要集中在二者生育期不同;由于植株生長(zhǎng)期間土壤溫度及水分差異較大，會(huì)造成對(duì)氮肥損失的影響程度不同［13，18－19］，以及冬小麥季對(duì)氮素的二次利用等［20］方面。但氮肥一次性基施均會(huì)造成土壤殘留硝態(tài)氮向下淋失，降低肥料利用率，增加環(huán)境負(fù)擔(dān)［9，21－22］。

本研究中三個(gè)處理下春玉米的氮肥表觀利用率均略高于其他報(bào)道［23－25］，這可能是由于本研究供試土壤基礎(chǔ)肥力較低，氮肥增產(chǎn)效果明顯［26］，以及所種植品種的基因型差異有關(guān)。此外，在等量氮肥條件下，Opt處理與其他處理氮肥在不同施用時(shí)期的分配比例有所差異也可能對(duì)植株的氮素表觀利用率造成影響。無(wú)論從提高氮肥利用率還是從環(huán)境友好的角度出發(fā)，收獲后土壤中的殘留氮均應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)［27－28］。本研究中 Tra1處理和 Tra2處理的土壤殘留Nmin在定點(diǎn)施用后維持在135.0～169.6 kg/hm2范圍內(nèi)，相對(duì)于鐘茜等［27］在華北地區(qū)對(duì)土壤殘留氮限定的指標(biāo)(150 kg/hm2)是安全的。孫宏德等研究表明黑土中硝態(tài)氮淋失出120 cm土層的總量約為施氮量的2%，且氮肥一次性基施處理顯著高于追施［29］。近年來，東北地區(qū)春玉米一次性施肥的氮素用量已接近N 250 kg/hm2，一些地區(qū)已達(dá)到N 350 kg/hm2［30］。在這種氮肥高投入且完全以基施形式的情況下，氮素的表觀利用率將進(jìn)一步降低，同時(shí)其在土壤中的殘留也極易使地下水污染。從三季玉米連作體系的氮素表觀平衡可以看出，Tra1處理表觀損失的氮素在土壤中大量殘留;Tra2處理投入的氮量較少(140kg/hm2)，但因一次性基施，其盈余的氮也大量殘留于土壤剖面中，極易導(dǎo)致相應(yīng)的環(huán)境問題，增加土壤－作物系統(tǒng)的氮素表觀損失。相比較而言，Opt處理根據(jù)玉米生長(zhǎng)需求分次供應(yīng)養(yǎng)分，既保證了作物產(chǎn)量，又降低了對(duì)環(huán)境的威脅。

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