新疆石河子地區(qū)玉米產(chǎn)量及氮素平衡的施氮量閾值研究

趙 靚， 侯振安， 黃 婷， 張 揚， 柴 穎， 毛家雙

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系， 新疆石河子 832003)

氮是土壤中較活躍的營養(yǎng)元素之一，同時也是影響作物產(chǎn)量的主要因子[1]。氮肥對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)40%[2]，由于單一的追求高產(chǎn)，生產(chǎn)中過量施用氮肥現(xiàn)象日益嚴(yán)重。氮肥施用不合理不僅不能提高作物產(chǎn)量，降低氮肥利用率，還會增加硝態(tài)氮在土壤中的累積量，引起硝態(tài)氮的淋洗[3,4]，以及水體富營養(yǎng)化[5]，增加氮素面源污染的風(fēng)險。近年來，氮肥過量施用造成的硝態(tài)氮淋洗問題已受到廣泛的關(guān)注[6]。據(jù)報道，我國農(nóng)田自80年代以后，出現(xiàn)氮素盈余現(xiàn)象并持續(xù)增長[7]。

玉米是一種需肥量較大且耐肥性強(qiáng)的糧食作物，土壤—作物體系的氮素平衡已成為氮肥管理是否合理的評價標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，氮肥用量僅在一定范圍內(nèi)對作物有增產(chǎn)作用[8]。楊憲龍等[9]研究結(jié)果表明，玉米獲得高產(chǎn)的最佳施氮量為180 kg/hm2，過高或過低都有減產(chǎn)風(fēng)險。施用氮肥是土壤無機(jī)氮累積的前提，當(dāng)施氮量低于最高產(chǎn)量需氮量時，土壤無機(jī)氮不會大量積累，當(dāng)超過最佳產(chǎn)量施氮量時，土壤無機(jī)氮開始明顯積累[10-11]。Halborson等[12]研究表明，施氮量高于90 kg/hm2時，0—180 cm土層中硝態(tài)氮的積累量隨著施氮量的增加顯著增加。蔣會利等[13]研究結(jié)果表明，施氮量低于207 kg/hm2，土壤硝態(tài)氮積累量變化不大； 高于207 kg/hm2，隨施氮量增加，土壤中硝態(tài)氮的積累量顯著增加。低施氮量會使土壤肥力下降，氮肥用量過高會增加土壤氮素殘留，適宜的氮肥投入不僅可以獲得高產(chǎn)，還能維持土壤無機(jī)氮平衡[14]。玉米是新疆北疆灰漠土區(qū)的主要糧食作物，氮肥施用不合理不僅導(dǎo)致肥料利用率低下，同時影響農(nóng)田的可持續(xù)利用[15]。本研究通過田間肥料定位試驗，探討氮肥用量對玉米產(chǎn)量及氮素平衡的影響，為北疆灰漠土區(qū)玉米高產(chǎn)高效，降低面源污染尋求最佳氮肥投入閾值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

表1 試驗地0—100 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

研究采用田間肥料定位小區(qū)試驗，設(shè)計6個氮肥(N)用量水平: 0、 225、 300、 375、 450、 600 kg/hm2(分別以N0、 N225、 N300、 N375、 N450、 N600表示)，其中300 kg/hm2為當(dāng)?shù)赜衩邹r(nóng)田氮肥推薦用量。每個處理重復(fù)3次，共18個小區(qū)，在田間隨機(jī)排列。試驗小區(qū)面積36.4 m2，小區(qū)四周隔離帶寬均為3 m。氮肥使用尿素，其中40%作基肥，60%分別于玉米抽雄期、 吐絲期、 孕穗期追施； 磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)做基肥施用，用量分別為75 kg/hm2、 37.5 kg/hm2。

玉米采用覆膜種植，機(jī)械點播，一膜四行，行距配置30 cm + 50 cm + 30 cm。兩年試驗均在播種7d后開始放苗，出苗齊全后，定苗，每穴單株，保證小區(qū)內(nèi)玉米總株數(shù)相同。2011年4月17日播種，播種株距為27 cm，定苗密度為8.58×104plant/hm2； 2012年 4月11日播種，株距為20 cm，定苗密度為 11.54×104株/hm2。其他栽培管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 樣品采集與測定

分別在玉米施肥播種前、 收獲期采集各處理0—20、 20—40cm、 40—60 cm、 60—80 cm、 80—100 cm土樣，測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。在玉米成熟期進(jìn)行測產(chǎn)，并實收計產(chǎn)。

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測定采用2 mol/L KCl溶液浸提，連續(xù)流動注射分析儀測定。

1.4 計算方法

文中相關(guān)參數(shù)計算公式如下[16-17]:

土壤硝態(tài)氮殘留量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收獲期土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)/10；

土壤銨態(tài)氮殘留量(kg/hm2) =土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收獲期土壤銨態(tài)氮含量(mg/kg)/10；

土壤無機(jī)氮積累量(kg/hm2)=收獲后土壤無機(jī)氮殘留量(Nmin)-初始土壤無機(jī)氮總量(Nmin)；

土壤氮素礦化量(kg/hm2) = 不施氮肥區(qū)作物吸氮量+不施氮肥區(qū)土壤殘留無機(jī)氮(Nmin)-不施氮肥區(qū)土壤初始無機(jī)氮(Nmin)；

土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=生育期施氮量+土壤起始無機(jī)氮(Nmin)+土壤氮素礦化量-作物攜出-收獲后土壤殘留無機(jī)氮(Nmin)；

氮盈余量(kg/hm2)=收獲后土壤殘留無機(jī)氮(Nmin)+土壤氮素表觀損失量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量的垂直分布

圖1 2011和2012年玉米收獲期0—100 cm土層硝態(tài)氮含量 contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest in 2011 and 2012

圖2 玉米收獲期0—100 cm土層銨態(tài)氮含量的垂直分布Fig.2 Distribution of contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest

2.2 不同施氮量對土壤無機(jī)氮殘留量的影響

表2 不同施氮量對土無機(jī)氮殘留量的影響(kg/hm2)

2.3 不同施氮水平對土壤無機(jī)氮積累量的影響

圖3表明，施用氮肥能顯著影響0—100 cm土壤的無機(jī)氮積累量(P<0.05)，不同施氮量處理土壤無機(jī)氮積累量表現(xiàn)為N600>N450>N375>N300>N225>N0，不施氮肥和低氮肥用量(225 kg/hm2)處理無機(jī)氮積累量均表現(xiàn)為負(fù)積累，施氮量高于300 kg/hm2時，土壤無機(jī)氮均呈正積累，且積累量隨氮肥用量增加而顯著增加。兩年試驗結(jié)果相比，N0、 N225處理土壤無機(jī)氮積累量2012年顯著低于2011年，分別降低165%、 170%； 而N300處理兩年差異不顯著，但2012年較第一年降低36%； 施氮量高于375 kg/hm2時，隨氮肥用量增加，2012年土壤無機(jī)氮積累量顯著高于2011年，N375、 N450、 N600處理分別增加17%、 38%和55%。表明低施氮量(<225 kg/hm2)可以降低土壤無機(jī)氮的累積，中高施氮量(>300 kg/hm2)則造成土壤無機(jī)氮的累積，連續(xù)高氮肥投入會加劇土壤無機(jī)氮累積，增加氮素污染風(fēng)險。

圖3 不同施氮量對0—100 cm土壤無機(jī)氮積累的影響Fig.3 Effects of different N rates on Nmin accumulation in 0-100 cm soil depth

土壤無機(jī)氮積累量與施氮量進(jìn)行方程擬合發(fā)現(xiàn)，無機(jī)氮積累量隨施氮量呈二次拋物線性增加，其中2011年回歸方程為y=0.0001x2+ 0.1013x-22.537(R2= 0.9288)，無機(jī)氮積累等于零時施氮量為187 kg/hm2； 2012年為y=0.0003x2+ 0.1417x- 52.78(R2= 0.9583)，無機(jī)氮積累等于零時施氮量為245 kg/hm2。

2.4 土壤氮素平衡

在本試驗中計算氮素平衡時，將土壤無機(jī)氮所在層次定義為0—100 cm深度，假定施氮區(qū)與不施氮區(qū)土壤礦化氮量相同，且不考慮降雨帶入土壤中的氮素量。

玉米收獲期土壤氮素平衡見表3。2011年的試驗結(jié)果表明，在氮素總輸入項中，氮素總輸入量隨氮肥用量的增加而顯著增加； 在氮素輸出項中，玉米氮素積累量和氮肥表觀損失量隨施氮量增加而顯著增加； 施氮量高于300 kg/hm2，土壤無機(jī)氮殘留量隨施氮量增加而顯著增加。由于土壤氮素總輸入量的差異較大，土壤氮盈余量隨施氮量增加也呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，不施氮肥處理氮素盈余量最低為201 kg/hm2，N600 處理最高為677 kg/hm2。2012年試驗結(jié)果與第一年相似，隨施氮量增加，各施氮肥處理(N225、 N300、 N375、 N450、 N600)土壤無機(jī)氮殘留量顯著高于不施氮肥處理(N0)，氮素盈余量最低降低為172 kg/hm2(N0)，最高增加為為747 kg/hm2(N600)，顯著高于其余各施肥處理。

表3 不同施氮量下土壤氮素平衡

2.5 氮肥用量與玉米產(chǎn)量及土壤無機(jī)氮的相互關(guān)系

2.5.1 施氮量與玉米產(chǎn)量及土壤無機(jī)氮積累的關(guān)系 試驗表明，玉米產(chǎn)量和土壤無機(jī)氮積累量與施氮量呈顯著的線性關(guān)系(圖4)。2011年產(chǎn)量與施氮量呈先增加后降低的二次拋物線關(guān)系，擬合方程為y=-0.00002x2+ 0.0186x + 12.448(R2= 0.8093)，施氮量465 kg/hm2時，玉米獲得最高產(chǎn)量(16.77 t/hm2)，但與N300、 N375、 N450施肥處理的產(chǎn)量差異不顯著； 土壤無機(jī)氮積累量隨施氮量增加呈二次拋物線性增加，方程為y=0.0001x2+ 0.1013x - 22.537(R2= 0.9288)，由擬合方程可得，當(dāng)施氮量為187 kg/hm2時，土壤無機(jī)氮無積累。與第一年試驗比較，2012年產(chǎn)量與施氮量呈線性加平臺的關(guān)系，施氮量低于375 kg/hm2時，方程為y = 0.0122x + 12.993(R2= 0.9972)，施氮量高于375 kg/hm2時，玉米產(chǎn)量不再顯著增加，y = 17.74 t/hm2； 土壤無機(jī)氮積累量與施氮量的關(guān)系表現(xiàn)為y= 0.0003x2+ 0.1417x - 52.78(R2= 0.9583)，無機(jī)氮無積累時施氮量為245 kg/hm2。其中，兩年的試驗得出，土壤硝態(tài)氮殘留量隨施氮量增加呈指數(shù)關(guān)系顯著增加(y2011= 139.5e0.0009x，R2= 0.9； y2012= 117.66e0.0014x，R2= 0.9041)； 土壤銨態(tài)氮殘留量隨施氮量增加呈線性關(guān)系顯著增加(y2011= 0.0268x + 53.189，R2= 0.896； y2012= 0.049x + 44.357，R2= 0.9679)。

圖4 土壤無機(jī)氮積累量、產(chǎn)量與氮肥用量的線性關(guān)系Fig.4 Relationships between yield of maize, Nmin accumulation in soil and N rate

圖5 氮肥用量與玉米產(chǎn)量、 土壤無機(jī)氮殘留量及氮肥利用率的關(guān)系Fig.5 Relationships between N rate and residual Nmin in soil, yield and NUE of maize

3 討論

土壤無機(jī)氮含量可以表征土壤的供氮能力，同時也能反映農(nóng)田生態(tài)環(huán)境對氮肥施用的響應(yīng)[18]，無機(jī)氮含量隨施氮量增加而提高幅度增大[19-20]。戴明宏等[21]在華北平原高肥力土壤環(huán)境下研究土壤無機(jī)氮在春玉米種植體系下的盈虧變化發(fā)現(xiàn)，氮肥用量越大，土壤無機(jī)氮殘留量越大。本研究表明，施用氮肥能顯著增加玉米收獲期土壤無機(jī)氮殘留量，無機(jī)氮殘留量與氮肥用量呈顯著的指數(shù)增長關(guān)系，其中主要表現(xiàn)為硝態(tài)氮殘留量增加。硝態(tài)氮是農(nóng)田土壤無機(jī)氮的主要存在形態(tài)[22]，隨氮肥用量增加土壤硝態(tài)氮含量和殘留量顯著增加[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)， 土壤硝態(tài)氮殘留量與施氮量呈指數(shù)關(guān)系，施氮量高于225 kg/hm2時，硝態(tài)氮殘留量迅速增加，硝態(tài)氮主要殘留在0—60 cm土層。銨態(tài)氮含量受氮肥用量影響較小，銨態(tài)氮殘留量與施氮量呈線性關(guān)系增加，主要殘留于0—20 cm土層。這一結(jié)果與楊憲龍等[9]在陜西關(guān)中平原地區(qū)對小麥-玉米輪作體系土壤氮平衡的研究結(jié)果極為相似； Liu等[25]在陸地栽培大白菜的研究表明，當(dāng)?shù)视昧康陀谧罴咽┑繒r，土壤硝態(tài)氮變化不大，高于最佳施氮量時，土壤硝態(tài)氮的含量與施氮量顯著地線性相關(guān)； 但Ottman和Pope[26]在砂壤土中通過15N標(biāo)記對小麥地土壤氮素移動的研究表明，氮肥用量對土壤硝態(tài)氮殘留量無顯著影響。

氮肥是土壤無機(jī)氮的主要來源，氮肥供應(yīng)不足時，土壤無機(jī)氮處于凈消耗狀態(tài)，而施氮量高于225 kg/hm2時，土壤無機(jī)氮出現(xiàn)積累[27]。本研究兩年試驗結(jié)果表明，不施氮肥或氮肥用量較低(< 225 kg/hm2)時，土壤無機(jī)氮呈負(fù)積累，出現(xiàn)虧缺，而當(dāng)施氮量高于300 kg/hm2時，土壤無機(jī)氮積累量隨施氮量增加顯著增大，土壤無機(jī)氮積累量隨氮肥用量增加呈拋物線形顯著增加。土壤氮素平衡是評估田間氮素表觀損失的有效方法[28-29]。本研究結(jié)果表明，土壤氮素表觀損失量隨氮肥用量增加而顯著增加，氮素盈余量的增加幅度也隨施氮量增加而加大，過量施氮肥能增加氮素?fù)p失，加大氮素面源污染的風(fēng)險。

氮肥施用可以提高作物產(chǎn)量，然而近年來部分研究結(jié)果表明，超過一定用量，氮肥施用對作物產(chǎn)量的增產(chǎn)效果減弱，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)的趨勢[30]，巨曉棠等[31]認(rèn)為過量施氮肥對作物增產(chǎn)沒有任何意義。本研究結(jié)果表明，施用氮肥能顯著增加玉米產(chǎn)量，施氮量高于300 kg/hm2時，玉米產(chǎn)量與最高產(chǎn)量差異不顯著，玉米產(chǎn)量與氮肥用量呈顯著的二次拋物線或線性加平臺的關(guān)系。Fang等[32]也指出施氮量高于200 kg/hm2時，作物產(chǎn)量不再顯著增加，產(chǎn)量與施氮量表現(xiàn)為線性加平臺或二次拋物線關(guān)系。

本研究通過三曲線法擬合玉米產(chǎn)量、 土壤無機(jī)氮殘留量、 氮肥利用率與施氮量的關(guān)系得出，氮肥當(dāng)季利用率隨施氮量呈冪函數(shù)關(guān)系降低，玉米產(chǎn)量、 土壤無機(jī)氮殘留量與氮肥利用率分別相交于270 kg/hm2和340 kg/hm2處，利用產(chǎn)量效應(yīng)、 環(huán)境效應(yīng)與肥料效應(yīng)函數(shù)的交點確定氮肥投入閾值，是較為優(yōu)化的方法，既能獲得玉米高產(chǎn)，降低氮素面源污染風(fēng)險，還能獲得較高的氮肥利用率。

4 結(jié)論

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