土壤高殘留氮條件下施氮對夏玉米氮素平衡、利用及產(chǎn)量的影響

石德楊，張海艷*，董樹亭

(1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與植物保護(hù)學(xué)院，山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266109;2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018)

20世紀(jì)80年代以后，中國成為世界上氮肥消費(fèi)最多的國家，在占世界9%的耕地上消耗了全球氮肥的30%以上。這一方面是維持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需要，同時也與傳統(tǒng)水肥管理的不合理有關(guān)。統(tǒng)計表明，1977年至2005年期間，中國每年的糧食產(chǎn)量從2.83×1011kg增加到4.84×1011kg，增長了71%;農(nóng)作物的單位產(chǎn)量也從2348 kg/hm2增長到4642 kg/hm2，增長了98%。與此同時，氮肥的應(yīng)用則從7.07×109kg增加到26.21×109kg，增長了271%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前兩者［1］。Fang 等［2］在華北地區(qū)的研究表明，施氮量超過N 200 kg/hm2時產(chǎn)量不再顯著增加，施氮量與作物產(chǎn)量的關(guān)系呈線性加平臺或二次拋物線關(guān)系。Sexton等［3］研究了“氮輸入－產(chǎn)量響應(yīng)－淋失量”函數(shù)關(guān)系，表明當(dāng)施肥量比最大產(chǎn)量時的額定用量少5%時，淋失量可顯著減少35%。華北平原夏玉米－冬小麥輪作體系中，每年氮肥投入在550～600 kg/hm2左右，氮肥超量施用現(xiàn)象十分普遍［4］，而氮素?fù)p失及對生態(tài)環(huán)境的破壞主要發(fā)生在夏玉米季［5－6］。因此對夏玉米的氮素利用與氮素?fù)p失的研究意義重大。

中國農(nóng)田氮素平衡的計算結(jié)果表明，自80年代以后，中國農(nóng)田氮素開始盈余，而且盈余量越來越大，1998 年盈余量達(dá) 5.85 ×109kg［7］。這些盈余的氮素絕大部分以不同形態(tài)貯存于土體中。在15N標(biāo)記氮肥的田間試驗(yàn)中，當(dāng)季作物收獲時化肥氮在土壤中的殘留率一般為15% ～30%［8］。北方旱作條件下，施入的銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥在土壤中1～2周會轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮;高量施氮條件下，收獲后土壤中累積的氮素絕大部分以硝態(tài)氮的形態(tài)存在［9］。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)系在河北辛集的調(diào)查結(jié)果，20塊小麥田收獲后0—90 cm土層土壤中的殘留無機(jī)氮(其中95%是硝態(tài)氮)為75～510 kg/hm2，超過200 kg/hm2的田塊占到40%［9］。因此在現(xiàn)有的氮肥管理?xiàng)l件下，土壤剖面累積了大量的硝態(tài)氮，這是不容忽視的土壤氮素資源。然而，目前為止的氮肥管理卻很少將土壤殘留氮素考慮在內(nèi)［10］。本研究通過田間試驗(yàn)，充分考慮土壤殘留氮的存在，探討在高殘留氮土壤上施氮對夏玉米氮素平衡、氮素利用及產(chǎn)量的影響，分析高殘留氮條件下夏玉米的經(jīng)濟(jì)效益，以引起并提高氮肥研究中對土壤殘留氮的重視，真正實(shí)現(xiàn)氮肥的合理施用，并為集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)資源高效和環(huán)境友好提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2010年6～10月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米科技創(chuàng)新園(116°20'～117°59'E，35°38'～36°28'N)進(jìn)行，試驗(yàn)田位于黃淮海平原地區(qū)，屬半濕潤溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為697 mm，且多集中在夏季，年平均氣溫12.9℃，無霜期195 d。供試土壤為中性沙壤土，地力均勻，播種前土壤剖面無機(jī)氮含量為444 kg/hm2，0—180 cm土層土壤的理化性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)設(shè)5個氮肥(尿素)水平，即 N 0、80、160、240 和 320 kg/hm2，分別以 N0、N80、N160、N240、N320表示，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。磷、鉀肥為常規(guī)固定處理，即150 kg/hm2。試驗(yàn)地前茬作物為小麥，2010年6月12日小麥?zhǔn)斋@后翻地、播種，供試品種選用鄭單958，種植密度67500 plant/hm2，行距60 cm，株距25 cm，小區(qū)面積30 m2(3 m×10 m)，重復(fù)3次，小區(qū)間隔1 m。7月8日定苗，7月23日追肥，10月8日收獲。播種前施50%的氮肥及全量的磷、鉀肥作底肥，剩余的50%于大口期追施，田間管理按夏玉米高產(chǎn)田進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)地0—180 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性狀Table 1 Basic soil physicochemical properties of the experiment(0－180 cm)

1.2 測定項(xiàng)目與方法

于播種前及收獲后按每層30 cm采集0—180 cm土層的土壤樣品，每小區(qū)取3鉆，按土壤層次等層混合均勻。稱取新鮮土樣6 g，加入50 mL 1 mol/L的KCl浸提，振蕩60 min，過濾后保存在4℃冰箱中，用AA3(Auto Analyzer 3)型流動分析儀(德國SEAL公司)測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，并根據(jù)不同容重將單位換算成kg/hm2。根據(jù)鮑士旦［11］的方法，測定土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、速效磷、速效鉀、土壤容重。土壤pH用酸度計法測定［12］。

分別于玉米拔節(jié)期、大口期、開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期在每個處理小區(qū)選取代表性植株3株，分為莖(含葉鞘和雄穗)、葉、苞葉、籽粒、穗軸(開花后)5部分，置于烘箱中，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒量。樣品粉碎，過0.42 mm篩，用濃H2SO4－H2O2消解，稀釋后用KDY-9820型凱氏定氮儀測定含氮量［11］。成熟期收獲，考種測產(chǎn)。

1.3 計算方法及數(shù)據(jù)分析

土壤硝態(tài)氮積累量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)/10［13］;

土壤礦化氮量(kg/hm2)=不施氮區(qū)地上部分吸氮量+不施氮區(qū)土壤殘留無機(jī)氮量－不施氮區(qū)土壤起始無機(jī)氮量［13－14］;

氮表觀損失量(kg/hm2)=氮輸入量－氮輸出量=(施氮量+播前土壤起始礦質(zhì)氮量+氮表觀礦化量)－(施氮區(qū)地上部分吸氮量+收獲后土壤殘留礦質(zhì)氮量)［13－14］;

氮肥表觀損失率(%)=氮表觀損失量/施氮量×100［14］;

氮剖面損失量(kg/hm2)=播前土壤起始無機(jī)氮量－收獲后土壤殘留無機(jī)氮量［13］;

氮肥土壤殘留率(%)=100－氮肥利用率－表觀損失率［14］;

氮收獲指數(shù)(NHI，%)=籽粒吸氮量/植株吸氮量 ×100［13］;

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量［13］;

氮肥生理利用率(NPUE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部分吸氮量－不施氮區(qū)地上部分吸氮量)［13］;

氮肥利用率(NFUE，%)=(施氮區(qū)地上部分吸氮量 －不施氮區(qū)地上部分吸氮量)/施氮量×100［6，10，14］;

氮素利用率(NUE，%)=施氮區(qū)地上部分吸氮量/(土壤殘留硝態(tài)氮量+施氮量)×100［10］;

土壤氮依存率(SNDR，%)=不施氮區(qū)地上部分吸氮量/施氮區(qū)地上部分吸氮量×100［14］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 3.01和Microsoft Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計分析。產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益與“土壤殘留氮+施入氮”的函數(shù)方程采用OriginPro 7.5擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 高殘留氮下施氮對硝態(tài)氮積累量的影響

播種前，0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量為396 kg/hm2，說明夏玉米播種前供試土壤的硝態(tài)氮水平高(表2)。方差分析表明，施氮處理對收獲后各土層及0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05);各土層及0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量表現(xiàn)為N320＞N240＞N160＞N80＞N0處理，即各土層均以不施氮處理硝態(tài)氮積累量最低，隨施氮量的增加硝態(tài)氮積累量增加。與播種前比較，N0、N80處理收獲后0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量顯著降低，而N160、N240和N320處理顯著升高(表2)。說明低施氮量(＜80 kg/hm2)能在一定程度上降低土壤硝態(tài)氮的累積;高施氮量(＞160 kg/hm2)則進(jìn)一步加重土壤硝態(tài)氮的累積。各土層之間比較，各處理土壤硝態(tài)氮積累量在0—60 cm土層最高。隨土層深度的增加，收獲后各施氮處理土壤硝態(tài)氮積累量呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢;且各施氮處理土壤硝態(tài)氮積累量的低谷均出現(xiàn)在60—90 cm(表2)?？梢娤鯌B(tài)氮主要分布于土壤上層，且會因灌溉及降雨等因素導(dǎo)致部分硝態(tài)氮往下層土壤淋洗，由此加劇了對地下水污染的風(fēng)險。

表2 不同施氮量下土壤剖面硝態(tài)氮積累量(kg/hm2)Table 2 NO3－-N accumulation in soil profile under different nitrogen application rates

2.2 高殘留氮土壤施氮對氮素平衡的影響

土壤無機(jī)氮(Nmin)包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。在本試驗(yàn)中計算氮素平衡時，將土壤無機(jī)氮累積量指定在0—180 cm土層范圍，即玉米根系的主要分布范圍，且不考慮氮素的激發(fā)效應(yīng);假定施氮區(qū)與不施氮區(qū)土壤礦化氮量相同;因土壤中含有較高水平的殘留氮，降雨帶入土壤中的氮素不予考慮。

從表3可以看出，夏玉米全生育期土壤氮素的礦化量(184 kg/hm2)與播前土壤起始無機(jī)氮量之和達(dá)628 kg/hm2，土壤自身供氮量可以滿足作物對氮素的需求。從收獲后土壤殘留的無機(jī)氮來看，各施氮處理無機(jī)氮的殘留量高達(dá)413～543 kg/hm2，即使不施氮處理的殘留量也高達(dá)378 kg/hm2，這主要與土壤起始無機(jī)氮含量很高有關(guān)。大量殘留的無機(jī)氮特別是硝態(tài)氮極易通過淋洗或硝化－反硝化途徑從土壤－作物體系中損失掉，對環(huán)境產(chǎn)生危害。

當(dāng)施氮量為N 80、160、240和320 kg/hm2時，氮表觀損失依次為18、45、72和108 kg/hm2，對應(yīng)的表觀損失率為23%、28%、30%和34%，氮肥土壤殘留率為44%、47%、46%和52%(表3)。

將作物吸氮量、表觀損失量與總氮輸入量進(jìn)行回歸分析，得出作物吸氮量回歸方程為:y=0.156x+161.64(R2=0.891*)，即總氮輸入量每增加1 kg作物吸氮量增加0.156 kg。表觀損失量回歸方程為:y=0.369x－245.03(R2=0.997＊＊)，即總氮輸入量每增加1 kg氮素表觀損失量增加0.369 kg。說明總氮輸入量每增加1 kg，氮素的表觀損失量是作物吸氮量的2.4倍左右。

2.3 高殘留氮土壤施氮對夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響

從表4可以看出，不施氮處理夏玉米產(chǎn)量達(dá)到11.6×103kg/hm2。隨著施氮量的增加，當(dāng)施氮量為80 kg/hm2、160 kg/hm2和240 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮處理，但3個處理間差異沒有達(dá)到顯著水平;施氮量320 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量顯著降低，與不施氮處理間差異不顯著?？梢?，在本試驗(yàn)高殘留氮土壤條件下，80～240 kg/hm2施氮量均能提高夏玉米產(chǎn)量，并且在此范圍內(nèi)隨施氮量增加產(chǎn)量差異不明顯。

表3 不同施氮量下土壤氮素平衡及損失Table 3 Soil N balance under different nitrogen application rates

表4 不同施氮量對夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響Table 4 Effects of different nitrogen application rates on yield and nitrogen use efficiency of summer maize

施氮處理夏玉米籽粒吸氮量顯著高于不施氮處理，且隨施氮量的增加而增加;但當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時，籽粒吸氮量不再顯著增加，而是顯著降低(表4)。氮收獲指數(shù)(NHI)能反映出氮素向籽粒轉(zhuǎn)移的效率。由表4還可以看出，不同施氮處理的氮收獲指數(shù)介于62.7% ～68.7%之間，且隨著施氮量的增加而降低。

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)可以用來評價氮肥的增產(chǎn)效果，氮肥生理利用率(NPE)指因施氮增加的吸氮量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量或干物質(zhì)的效率，氮肥利用率(NFUE)表述對氮肥的利用情況，氮素利用率(NUE)反映對土壤殘留氮和氮肥的利用情況。從表4還可以看出，施氮量N 80 kg/hm2時，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率和氮素利用率均最高，分別為 4.6 kg/kg、13.9 kg/kg、33.3% 和58.2%;隨施氮量的增加，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率和氮素利用率降低。說明在高殘留氮土壤上增施氮肥會降低氮肥的增產(chǎn)作用和利用率。

土壤氮依存率(SNDR)是指土壤氮對作物氮營養(yǎng)的貢獻(xiàn)率。表4顯示，各施氮處理土壤氮依存率較高，介于81.4% ～90.4%，這與土壤起始無機(jī)氮水平較高有關(guān)。

2.4 夏玉米的經(jīng)濟(jì)效益分析

采用二次多項(xiàng)式Y(jié)=a+bX+cX2，模擬“籽粒產(chǎn)量”與“土壤殘留氮+施入氮”的關(guān)系(圖1A)，籽粒產(chǎn)量Y最大時施氮量X= －b/2c。經(jīng)擬合，得方程 Y=5.99763+0.02143X－0.0000184152X2。計算可知，最大籽粒產(chǎn)量時“土壤殘留氮+施入氮”為582 kg/hm2，去除土壤殘留氮，需要施氮量為186 kg/hm2。綜合考慮產(chǎn)量利潤和氮肥施用成本，模擬“毛利潤－氮肥價格”與“土壤殘留氮+施入氮”的關(guān)系(圖1B)，得方程Y=1.31395+0.00383X －0.00000359842X2，最大經(jīng)濟(jì)效益時“土壤殘留氮+施入氮”為532 kg/hm2，施入氮136 kg/hm2。

圖1 “土壤殘留氮+施入氮”與籽粒產(chǎn)量(A)和經(jīng)濟(jì)效益(B)的模型擬合Fig．1 The models describing relationships between soil N+fertilizer N，and grain yield(A)and economic benefit(B)

3 討論與結(jié)論

植物通過吸收土壤中氮素來滿足其生長發(fā)育的需要，其中包括土壤氮及肥料氮，巨曉棠等［15］認(rèn)為，氮素殘留是對土壤氮庫的一種補(bǔ)償，是肥料氮與土壤氮的交換作用，但土壤中殘留過多的氮素，尤其是硝態(tài)氮不僅會造成氮素資源的浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成某種程度的威脅。歐美許多國家對土壤中殘留氮的含量有十分嚴(yán)格的規(guī)定，一般要求0—90 cm土體中殘留硝態(tài)氮低于45 kg/hm2或無機(jī)氮不高于50 kg/hm2［16］。本試驗(yàn)中，夏玉米播種前 0—180 cm 土體硝態(tài)氮積累量為396 kg/hm2，達(dá)到極高水平。因此，土壤高殘留氮是本試驗(yàn)夏玉米氮肥研究中不可忽視的一個重要因素。

硝態(tài)氮是氮素在土壤中存在和作物吸收利用的主要形式［7］。高亞軍等［17］研究認(rèn)為，施氮是造成土壤中硝態(tài)氮積累的主要原因。大量研究表明，硝態(tài)氮積累量隨施氮量的增加而增加［13，18］。從本試驗(yàn)中可以看出，受播前土壤殘留硝態(tài)氮的影響，即使不施氮處理夏玉米收獲后土壤中硝態(tài)氮積累量仍保持較高水平(346 kg/hm2)。隨施氮量增加，土壤硝態(tài)氮積累量增多，0—180 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量呈極顯著線性關(guān)系(R2=0.994＊＊)。因此，本試驗(yàn)條件下，播前土壤殘留氮和施氮是造成土壤硝態(tài)氮積累的兩個重要因素。

玉米收獲后氮平衡計算結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，氮素的表觀損失量增加［13，19］。本試驗(yàn)中，夏玉米生育期土壤氮素的礦化量加上播前無機(jī)氮量，土壤自身供氮量達(dá)到628 kg/hm2，遠(yuǎn)高于當(dāng)季夏玉米的吸氮量，這可能是各施氮處理土壤殘留無機(jī)氮和表觀損失量增加的一個原因。施用氮肥能促進(jìn)植株對氮素的吸收［20］。楊榮等［18］研究表明，隨施氮量增加，玉米總吸氮量增加。本試驗(yàn)條件下，施氮量小于240 kg/hm2時，作物和籽粒吸氮量隨施氮量增加而增加，當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時，作物和籽粒吸氮量均有降低趨勢，可能是由于部分硝態(tài)氮淋溶出玉米根系吸收范圍而無法被作物吸收，導(dǎo)致吸氮量降低。

梁冬麗等［21］研究認(rèn)為，玉米吸收利用土壤氮素的比例高于對肥料氮的吸收利用，這與本研究的結(jié)果是一致的。因此，合理的氮肥配置除了考慮施氮的增產(chǎn)效應(yīng)外還必須將土壤殘留氮考慮在內(nèi)。過量施氮導(dǎo)致玉米葉片早衰及光合能力下降，最終可能影響到正在發(fā)育籽粒的碳、氮代謝，不利于產(chǎn)量形成和氮肥利用率的提高［22］。本試驗(yàn)中，土壤自身供氮水平較高，施氮能顯著提高玉米的產(chǎn)量，但施氮量在80～240 kg/hm2時，增施的氮肥對產(chǎn)量沒有明顯的增產(chǎn)作用，施氮量超過240 kg/hm2時產(chǎn)量反而下降。本研究中，氮收獲指數(shù)、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率、氮素利用率均以80 kg/hm2施氮處理最高，且隨施氮量增加呈降低的趨勢。因此在本試驗(yàn)的高殘留氮土壤條件下，綜合考慮產(chǎn)量、氮素利用和環(huán)境效應(yīng)，合理的施氮量為 N 80 kg/hm2。由于本研究僅為一年的試驗(yàn)結(jié)果，對土壤高殘留氮條件下氮肥的合理施用量及氮素吸收利用等尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

從另一角度出發(fā)，中國人多地少，糧食生產(chǎn)壓力大，只能追求在保持較高產(chǎn)量水平下的合理的氮肥利用率，而不應(yīng)該一味追求高的氮肥利用率而降低產(chǎn)量［15］。此外，一味地強(qiáng)調(diào)過低的氮肥投入，還將導(dǎo)致土壤無法滿足作物正常生長的氮素需求而不利于作物產(chǎn)量的穩(wěn)定［18］。因而在本試驗(yàn)的高殘留氮土壤條件下，綜合考慮玉米產(chǎn)量利潤和氮肥成本，夏玉米獲得最大產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益時的施氮量分別為186 kg/hm2和136 kg/hm2。

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