冬小麥對(duì)基肥和追肥15N的吸收與利用

孫昭安，陳 清，吳文良，孟凡喬

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

化肥氮的去向包括作物吸收、土壤殘留和損失。氮肥利用率是指當(dāng)季作物吸收肥料氮占施入肥料氮的百分比，反映的是當(dāng)季作物對(duì)肥料氮的回收情況，并未考慮氮肥后效和殘留肥料氮對(duì)土壤氮消耗的補(bǔ)償這一重要的氮素轉(zhuǎn)化問(wèn)題[1–2]。目前，作物對(duì)氮肥的吸收比例和數(shù)量主要采用差值法和同位素示蹤法來(lái)確定，從理論上也可應(yīng)用這兩種方法測(cè)定化肥氮的土壤殘留率和殘留量[3]。田間試驗(yàn)中，由于土壤氮庫(kù)很大，30 cm土體一般為N 3000～5000 kg/hm2[3]，通過(guò)肥料施入的氮量較小 (單季N 100～300 kg/hm2)[4]，作物收獲以后，殘留在土壤中的肥料數(shù)量只有N 100～200 kg/hm2[3]，導(dǎo)致施肥區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤氮量差的準(zhǔn)確測(cè)定較為困難，給差值法帶來(lái)較大誤差。相對(duì)而言，15N示蹤法能夠較準(zhǔn)確測(cè)定氮肥的利用率[3,5–6]。

冬小麥生產(chǎn)中，肥料氮的去向受土壤肥力[7]、作物品種[8]、產(chǎn)量水平[9]、施氮數(shù)量[10–11]和施氮時(shí)期的影響[12–15]。一般情況下，隨著施氮量增加，氮肥利用率和土壤殘留率降低，損失率顯著增加[10–11]。對(duì)于施肥時(shí)期，由于氮素轉(zhuǎn)化高度活躍 (包括氨揮發(fā)、硝化/反硝化以及淋溶等)，一般分開施肥比一次性施肥氮肥的利用率更高[14,16]。在華北平原，石玉等[14]和Ju等[15]都發(fā)現(xiàn)，追肥氮的利用率顯著高于底肥氮，損失率則低于底肥氮。López-Bellido等[17]在西班牙砂姜黑土區(qū)的研究也得到同樣的結(jié)果，拔節(jié)期施肥的利用率較高。需要指出的是，大部分研究?jī)H針對(duì)氮肥利用率，沒(méi)有考慮肥料氮在土壤中的殘留，即對(duì)于土壤氮庫(kù)的補(bǔ)償效應(yīng)。

采用15N示蹤法，可以定量冬小麥吸收氮的來(lái)源，即來(lái)自肥料氮和來(lái)自土壤氮的數(shù)量。若來(lái)自土壤的氮量大于肥料氮的殘留量，就說(shuō)明殘留的肥料氮不能維持土壤氮庫(kù)的平衡；反之，殘留的肥料氮可以維持土壤氮庫(kù)的平衡。差值法不能區(qū)分冬小麥吸收氮的來(lái)源，因此無(wú)法比較殘留肥料氮和作物吸收的土壤氮[1]。因此，15N示蹤法可以較好地反映施肥對(duì)于土壤氮庫(kù)的補(bǔ)償效應(yīng)。近年來(lái)，隨著我國(guó)糧食生產(chǎn)水平的提高，氮肥用量不斷提高。以前研究所獲得的氮肥去向[18–20]，無(wú)法準(zhǔn)確反映當(dāng)前生產(chǎn)水平下，氮肥在土壤和作物系統(tǒng)中的分配和轉(zhuǎn)換。為了進(jìn)一步明確肥料氮–土壤氮–作物氮“三氮”之間的關(guān)系，改進(jìn)小麥生產(chǎn)中的氮素管理，提高施氮效果，降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，本研究分期 (冬小麥播期或拔節(jié)期) 施肥，采用15N示蹤法，分析當(dāng)前農(nóng)民氮肥水平下，肥料氮的利用率、對(duì)于土壤氮庫(kù)的補(bǔ)償效應(yīng)以及肥料氮的損失。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014年10月15日至2015年6月5日在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)桓臺(tái)實(shí)驗(yàn)站田間進(jìn)行。該站位于東經(jīng)117°59'、北緯 36°57'，海拔高度為 18 m。供試土壤取自試驗(yàn)站農(nóng)田表層 (0—20 cm)。供試土壤為潮土[21]：土壤有機(jī)碳8.4 g/kg、土壤無(wú)機(jī)碳5.2 g/kg、全氮0.67 g/kg、pH = 8.2 (水土比為2.5∶1)、有效鉀174 mg/kg、速效磷5.2 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用內(nèi)徑10 cm、高30 cm的PVC缽進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。每盆裝過(guò)5 mm篩的風(fēng)干土8.7 kg。試驗(yàn)為兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)。不同時(shí)期破壞性取樣為A因素，設(shè)花期、灌漿期和收獲期3個(gè)水平。施氮量為B因素，設(shè)不施氮 (CK) 和施氮 (+ N，N 90 mg/kg，即等同于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量N 250 kg/hm2) 兩個(gè)氮肥水平，分別以50%作基肥、50%在拔節(jié)期追肥，氮肥用15N標(biāo)記尿素。所有處理均以過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀作底肥，用量分別為P2O578 mg/kg和K2O 43 mg/kg。用稱重法控制土壤水分為田間持水量的75%。供試作物為冬小麥 (Trticum aestivumsL.)，品種為魯源502。播種前，小麥種子放在清水中浸泡10小時(shí)，然后再淺埋入土壤中。2014年10月15日播種，每盆10粒，出苗一周后，每盆留6株 (根據(jù)田間定植密度1.8 × 106株/hm2)。冬小麥生長(zhǎng)期間，根據(jù)病蟲害情況，噴灑必要的農(nóng)藥。

1.2.215N標(biāo)記 采用原子百分含量為10.4%的15N標(biāo)記尿素 (由上海化工研究院生產(chǎn))。對(duì)于開花期和灌漿期取樣的小麥，基肥和追肥均采用15N標(biāo)記尿素。對(duì)于收獲期取樣的小麥，通過(guò)設(shè)“基施15N標(biāo)記尿素 + 拔節(jié)期追施普通尿素”和“基施普通尿素 + 拔節(jié)期追施15N標(biāo)記尿素”兩種施肥方式，來(lái)研究收獲期基施和追施肥料氮的去向[12,22]?；屎妥贩实谋壤秊?∶1，每盆分別各施入0.84 g15N標(biāo)記尿素或者普通尿素 (含氮量為46%)。具體步驟為：把尿素溶于盛放200 mL去離子水的燒杯中，溶解完全后緩緩倒入小部分土壤中，再與剩余的大部分土壤混勻。同時(shí)，設(shè)置施普通尿素 (自然豐度) 的對(duì)照盆，每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.2.3 取樣與分析 分別在開花期 (播種后196天)、灌漿期 (播種后216天) 和收獲期 (播種后230天)，于CK和 + N (15N肥料標(biāo)記和自然對(duì)照不標(biāo)記) 兩個(gè)處理盆中破壞性取樣，并按根、秸稈+谷殼+穗軸、籽粒進(jìn)行區(qū)分。從基部剪斷小麥植株，將全部土壤過(guò)2 mm篩，挑出根系，把土壤平鋪于農(nóng)用地膜上。把挑出的根連同附著于根上的土壤用水浸泡，輕輕振蕩，20 min后，過(guò)1 mm篩，把篩上根沖洗干凈。然后把浸泡和沖洗小麥根的用水、沉淀的泥漿均勻地灑在平鋪于地膜上的土壤中。將土壤用多次四分法方式縮分，最后取約50 g土壤。將小麥地上部和根分別置于105℃下殺青30 min，60℃下烘干至恒重。從50 g土壤樣品中取約20 g土壤置于白色平板上，挑去殘留細(xì)根，在60℃條件下烘干至恒重。

測(cè)定之前，利用球磨儀 (Restol MM2000，Retsch，Haan，Germany) 研磨 (＜ 500 μm)。上述各類樣品的15N豐度，分別在DELTAplusXP型質(zhì)譜儀(DELTAplusXP，ThermoFinnigan，Bremen，Germany)中測(cè)定。利用Thermo Elemental Analyzer 1112元素分析儀測(cè)定植物氮含量和土壤全氮含量。

1.2.4 氮素相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法 冬小麥吸收的氮中，來(lái)自肥料氮和土壤的比例 (%) 和數(shù)量 (N g/pot)[10–11]用下列公式計(jì)算：

土壤氮素來(lái)自肥料氮的比例 (%) 和數(shù)量 (N,g/pot)[3,5]：

冬小麥對(duì)肥料氮的回收率 (%)、肥料氮在土壤中的殘留率 (%) 和損失率 (%)[10–11,23]分別用下列公式計(jì)算：

冬小麥營(yíng)養(yǎng)器官的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量用灌漿前 (開花期)和灌漿后 (灌漿期和成熟期) 營(yíng)養(yǎng)器官中氮素之差來(lái)表示 (N, g/pot)，轉(zhuǎn)運(yùn)效率是冬小麥氮轉(zhuǎn)運(yùn)量占開花期營(yíng)養(yǎng)器官氮量的百分比 (%)，小麥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)為開花后營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量占成熟期籽粒氮量的百分比 (%)[24–26]：

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同生育期 (A因素) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件中的單因素AVNOVA進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較；對(duì)不同氮肥用量(B因素) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件中的t-test進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮對(duì)冬小麥各器官生物量和氮吸收的影響

除冬小麥根生物量和根氮吸收量外，其他器官和整個(gè)植株的生物量和氮吸收量，+ N處理均顯著高于CK (圖1)。僅在灌漿期，+N處理的根氮吸收量顯著高于CK，其余生育時(shí)期兩處理間無(wú)顯著差異(圖 1b)。

圖 1 供氮對(duì)冬小麥各器官生物量 (a) 和氮素吸收 (b) 的影響Fig. 1 Effects of N supply on biomass (a) and N uptake (b) in winter wheat organs

2.2 不同生育期冬小麥各器官氮來(lái)源于肥料氮和土壤氮的比例

在冬小麥?zhǔn)斋@期，土壤氮對(duì)根氮的貢獻(xiàn)最大(57.2%)，對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)最小 (42.8%)(圖2a)；相反，肥料氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)最大 (58.4%)，基肥氮和追肥氮的貢獻(xiàn)分別為27.3%和31.1%，肥料氮對(duì)根氮的貢獻(xiàn)最小 (42.7%)，基肥氮和追肥氮的貢獻(xiàn)分別為25.8%和16.9%(圖2a和圖2b)。肥料氮對(duì)整個(gè)植株氮的貢獻(xiàn)為57.2%，基肥氮和追肥氮的貢獻(xiàn)分別為26.6%和30.6%。對(duì)于冬小麥各器官和整個(gè)植株，土壤氮的貢獻(xiàn)均顯著高于基肥和追肥氮，基肥和追肥氮對(duì)小麥器官 (除根之外) 氮貢獻(xiàn)沒(méi)有顯著差異 (圖2)。

2.3 冬小麥不同生育期肥料氮的去向

肥料氮進(jìn)入冬小麥–土壤體系后，主要有3種去向，即，被作物吸收、在土壤中殘留以及各種途徑損失。從冬小麥開花期到收獲期，整個(gè)植株對(duì)肥料15N的回收率約提高了50%，而營(yíng)養(yǎng)器官 (根和秸稈 + 谷殼 +穗軸) 對(duì)肥料15N的回收率下降了60% (表1)。在開花期，營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)肥料15N的回收率高于籽粒，到了收獲期，籽粒對(duì)肥料15N的回收率卻高于營(yíng)養(yǎng)器官 (表1)。這是因?yàn)閺拈_花期到成熟期，冬小麥籽粒氮的64.9%～86.7%由開花期營(yíng)養(yǎng)器官的儲(chǔ)存氮素轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)，從開花期到灌漿期和灌漿期到成熟期兩個(gè)階段轉(zhuǎn)運(yùn)的氮量，分別占到成熟期籽粒氮的37.7%和20.2% (表2)。從開花期到成熟期，與CK相比，+N處理顯著地促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量(增加了93%)，降低了營(yíng)養(yǎng)器官氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)，降低了25% (表2)。

從開花期到收獲期，15N標(biāo)記氮肥在土壤中的殘留率隨冬小麥生長(zhǎng)而降低，下降了約50% (表1)。在收獲期，殘留的肥料15N為N 0.48 g/pot (表1) 和冬小麥吸收的土壤氮N 0.47 g/pot之間沒(méi)有顯著差異 (結(jié)合圖1b和圖2c計(jì)算)，因此，肥料可以完全補(bǔ)充本季小麥對(duì)土壤氮肥力的消耗。肥料15N的損失率隨著冬小麥的生長(zhǎng)而升高，從開花期到收獲期，升高幅度甚至達(dá)兩倍。

在冬小麥?zhǔn)斋@期期，整個(gè)植株對(duì)基肥和追肥肥料15N的回收率分別為35.8%和39.2%，兩者之間沒(méi)有顯著差異，各個(gè)器官對(duì)基肥和追肥15N的回收率也沒(méi)有顯著差異?；屎妥贩?5N在土壤中的殘留率分別為27.1%和30.1%，兩者之間沒(méi)有顯著差異。追肥的15N標(biāo)記肥料氮損失率顯著低于基肥21% (表1)。

圖 2 基肥、追肥和土壤氮對(duì)冬小麥氮吸收的貢獻(xiàn)Fig. 2 Contribution of basal fertilizer N, topdressing fertilizer N and soil N to winter wheat N

表 1 冬小麥不同生育期肥料氮的去向Table 1 Fate of fertilizer N at different wheat growth stages

表 2 冬小麥開花后營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的氮素轉(zhuǎn)移Table 2 Translocation of N from vegetative organs to grain after anthesis stage of wheat

3 討論

3.1 冬小麥吸收的氮來(lái)自氮肥和土壤的比例

小麥氮有2個(gè)來(lái)源，來(lái)自土壤的氮和肥料的氮。本研究中，冬小麥整個(gè)生育期吸收的肥料氮占總吸氮量的57%，土壤氮占43%，肥料氮高于土壤氮 (圖2)，這與Jia等[12]的結(jié)果類似，肥料氮對(duì)冬小麥氮的貢獻(xiàn)高于55%。在大多數(shù)研究中，土壤氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)高于肥料氮，如左紅娟等[26]在華北平原的研究表明，土壤氮對(duì)冬小麥氮貢獻(xiàn)為66%～73%，與邊秀舉等[27]在草甸栗鈣土上測(cè)得的結(jié)果類似(69%～77%)。本研究和其他研究結(jié)果不同，可能與本研究土壤處于中低氮肥力水平、小麥對(duì)肥料氮的依存率相對(duì)較高有關(guān)[7,29]。達(dá)到一定施氮量，提高施氮量只增加肥料氮的吸收比例，但不能提高小麥氮吸收量，這也是高土壤肥力下過(guò)量施氮不能提高產(chǎn)量的原因[29]。無(wú)論土壤肥力高低，土壤氮在小麥生產(chǎn)中仍然起到非常重要的作用 (貢獻(xiàn)率 ＞ 40%)，因此，加強(qiáng)土壤肥力培育，對(duì)于冬小麥高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

基肥和追肥對(duì)冬小麥氮貢獻(xiàn)無(wú)顯著差異 (圖2)，這與邊秀舉等[28]在草甸栗鈣土上的結(jié)果類似。而其它研究發(fā)現(xiàn)，追肥氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)顯著高于基肥氮[12–13,30]?；屎妥贩实獙?duì)小麥氮的貢獻(xiàn)主要與3個(gè)因素有關(guān)：1) 追肥時(shí)期，相同追肥氮量下，拔節(jié)期追肥氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)高于返青期[24]；2) 底肥和追肥比例，比例不同也會(huì)造成貢獻(xiàn)不同，當(dāng)1/3為基施尿素時(shí)，2/3為追施尿素時(shí)，追肥氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)是基肥氮的2倍[28]；3) 施氮量在N 240 kg/hm2的施肥水平下，追肥和基肥氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)顯著高于N 120 kg/hm2[29]。

冬小麥籽粒獲得氮有2個(gè)途徑，一是直接來(lái)自根系的吸收，二是冬小麥開花期之前營(yíng)養(yǎng)器官氮的再運(yùn)轉(zhuǎn)和利用[31]。本研究中，小麥開花期后營(yíng)養(yǎng)器官氮的貢獻(xiàn)為65%～87%，只有13%～35%的籽粒氮是靠根系吸收供應(yīng)的 (表2)。同延安等[32]也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果，冬小麥營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)為69%～87%，只有13%～31%的冬小麥籽粒氮是由根系直接吸收。因此，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，冬小麥吸收超過(guò)其滿足其當(dāng)前組織需要的氮量并儲(chǔ)存起來(lái)，然后在后期生殖生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)的氮素到籽粒[33–34]。

3.2 化肥氮的去向

籽粒吸收肥料氮的多少?zèng)Q定了氮肥的經(jīng)濟(jì)利用效率。本研究中，籽粒吸收的肥料氮約是秸稈的4倍，與左紅娟[27]的15N標(biāo)記冬小麥結(jié)果相近，表明冬小麥吸收的肥料氮優(yōu)先分配于籽粒中。冬小麥對(duì)肥料氮的回收率一般隨施氮量的增加而減少[13,35]，但取決于施氮量的范圍。如當(dāng)施氮量從100增加到250 kg/hm2，對(duì)肥料氮的回收率無(wú)顯著差異[36]，這是由于施氮量增加僅提高了冬小麥吸收肥料氮的比例，而不改變小麥氮吸收總量 (土壤氮 + 肥料氮)[10–11]。冬小麥?zhǔn)斋@期，肥料氮的損失率為34%，基肥氮的損失率比追肥氮高21% (表1)。和王月福等[29]的結(jié)果相似。這意味著，在本研究中農(nóng)民常規(guī)施肥為N 250 kg/hm2的水平下，適當(dāng)增加追肥氮的比例可以減少其損失率。

未被小麥吸收的肥料氮，還以各種形式殘留在土壤中，本研究結(jié)果為29% (表1)，這部分是消耗土壤氮庫(kù)的重要補(bǔ)充。氮肥利用率不可能無(wú)限制提高，施入土壤中的氮肥總有一部分在土壤中殘留和以各種損失[37]。從另一個(gè)角度分析，無(wú)論何種施肥措施，土壤氮對(duì)冬小麥氮的貢獻(xiàn)一般為60%以上，氮素殘留實(shí)際上是肥料氮與土壤氮的交換[12–13,30]。本研究中，整個(gè)小麥生育期，土壤氮素消耗 (N 0.47 g/pot)約等于肥料殘留氮 (N 0.48 g/pot)，土壤氮肥力能夠維持基本平衡。

4 結(jié)論

1) 在冬小麥整個(gè)生育期，肥料氮對(duì)小麥氮的貢獻(xiàn)為主 (57%)，基肥和追肥的貢獻(xiàn)分別為26%和31%，土壤氮的貢獻(xiàn)為43%；從開花期到成熟期，籽粒氮中的64.9%是由開花期營(yíng)養(yǎng)器官的氮轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)；從開花期到灌漿期和灌漿期到成熟期兩個(gè)階段，轉(zhuǎn)運(yùn)的氮量分別占到成熟期籽粒氮的37.7%和20.2%。

2) 冬小麥?zhǔn)斋@后，肥料氮約29%殘留在土壤中，是土壤氮庫(kù)的重要補(bǔ)充，土壤氮素能夠維持基本平衡。

3) 肥料氮當(dāng)季小麥回收率為37%，籽粒吸收肥料氮量約是秸稈的4倍；肥料損失率為34%，基肥氮的損失率比追肥氮的高21%，適當(dāng)增加追肥氮的比例可以減少其損失。

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