不同氮效率玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布及農(nóng)田氮素平衡的影響

屈佳偉 高聚林 于曉芳 王志剛 胡樹(shù)平 孫繼穎 蘇治軍謝 岷 青格爾

?

不同氮效率玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布及農(nóng)田氮素平衡的影響

屈佳偉 高聚林*于曉芳 王志剛 胡樹(shù)平 孫繼穎 蘇治軍謝 岷 青格爾

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 內(nèi)蒙古呼和浩特 010019

闡明不同氮效率玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布及農(nóng)田氮素平衡的影響, 是挖掘品種氮素高效利用的生物學(xué)潛力, 提高氮素供應(yīng)與作物需求的匹配度, 進(jìn)而提高氮肥利用效率的重要途徑。本研究以氮高效玉米品種鄭單958、金山27和氮低效玉米品種蒙農(nóng)2133、內(nèi)單314、四單19為材料, 在不同施氮量下(0、300和450 kg hm–2), 系統(tǒng)研究了不同氮效率玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布、農(nóng)田氮素平衡的影響, 并分析了植株氮積累量與土壤硝態(tài)氮累積量的關(guān)系。結(jié)果表明, 不同施氮水平下, 氮高效品種的產(chǎn)量、氮素吸收效率、氮肥利用率都顯著高于氮低效品種; 相關(guān)分析表明植株氮素積累量與土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著負(fù)相關(guān)。從土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布來(lái)看, 隨生育進(jìn)程, 土壤硝態(tài)氮含量最大土層逐漸下移, 下移速率不受品種氮效率影響, 其年際間差異與降雨量差異顯著相關(guān); 但吐絲后氮高效品種的60~100 cm土壤剖面內(nèi)硝態(tài)氮含量顯著低于氮低效品種, 差異達(dá)顯著水平; 收獲后土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅縿t表現(xiàn)為氮低效品種顯著高于氮高效品種, 且隨施氮量的增加顯著增加。從農(nóng)田氮素平衡來(lái)看, 品種的氮效率顯著影響農(nóng)田土壤氮素殘留及表觀損失, 氮低效品種的農(nóng)田氮素表觀損失是氮高效品種的2.2倍(300 kg hm–2)和1.5倍(450 kg hm–2), 且年際間差異較大。因此, 不同氮效率品種通過(guò)對(duì)氮素的差異性吸收顯著影響農(nóng)田氮素平衡。選用氮高效品種可顯著降低土壤中硝態(tài)氮?dú)埩艉捅碛^損失, 降低氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn), 是提高氮肥利用率的有效途徑。

玉米; 品種; 氮效率; 土壤硝態(tài)氮; 農(nóng)田氮素表觀平衡

我國(guó)作物生產(chǎn)中氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%~ 35%, 高產(chǎn)地區(qū)更低, 而損失率高達(dá)45%~50%[1]。農(nóng)田條件下, 大約70%的氮素通過(guò)硝酸鹽淋洗、土壤反硝化和氨揮發(fā)淋失到地下水、河流或損失到空氣中[2]。因此, 要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全目標(biāo), 迫切需要在高產(chǎn)的前提下大幅度提高氮肥利用率, 進(jìn)而降低氮素?fù)p失帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。氮肥利用率的高低取決于氮肥管理技術(shù)的優(yōu)化與作物品種對(duì)氮素的吸收利用能力。就氮素的吸收過(guò)程而言, 根系大小及分布是決定作物吸氮量的一個(gè)重要因素[3]。氮高效玉米品種具有強(qiáng)大的根系, 且側(cè)根發(fā)達(dá), 能耐受高濃度硝酸鹽的抑制作用, 并對(duì)局部硝酸鹽刺激很敏感, 向肥性強(qiáng)[4]。在氮素供應(yīng)充足的條件下, 根系長(zhǎng)度和表面積增大, 有利于減少氮素在深層土壤的累積和不必要的損失[5]; 在氮素供應(yīng)不足的條件下, 促進(jìn)玉米根的伸長(zhǎng), 根系變長(zhǎng), 這一特性有利于擴(kuò)展整體根系所占據(jù)的空間, 從而提高土壤中氮素的空間有效性[3,6]。因此, 無(wú)論在低氮還是高氮條件下, 氮高效品種吸氮量都顯著高于氮低效品種。劉建安等[7]研究表明應(yīng)用氮累積量較高的玉米基因型可顯著減少施用氮肥在土壤中的殘留率。

氮肥利用率除與作物的吸氮量有關(guān)外, 還與施氮量、施氮時(shí)期、降雨與灌溉、土壤的礦化量、作物種類和種植制度有關(guān)[8-10]。大量研究表明[11-14], 硝態(tài)氮淋失量和施氮量呈線性正相關(guān)。石玉等[15]研究表明小麥?zhǔn)┑繛?68 kg hm–2, 底肥追肥比例為1∶2的處理在100~200 cm土層未出現(xiàn)硝態(tài)氮的明顯累積, 氮素表觀損失量最少。張經(jīng)廷等[16]研究表明夏玉米施入氮肥對(duì)冬小麥有很強(qiáng)的有效性, 減少收獲后硝態(tài)氮?dú)埩? 提高氮肥利用效率。

前人大多通過(guò)調(diào)整施氮量、施氮時(shí)期及栽培模式提高氮肥的利用率, 從品種吸收特性出發(fā)的研究較少。本研究從作物自身考慮, 利用不同氮效率玉米品種對(duì)氮素吸收的差異, 研究其對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布、土壤剖面硝態(tài)氮的累積及氮肥利用率的影響, 以期利用氮高效品種的生物學(xué)潛能提高肥料利用率, 達(dá)到減耗環(huán)保的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米中心試驗(yàn)基地(北緯40.57°, 東經(jīng)110.52°)的不同田塊, 前茬均為玉米。供試土壤為沙壤土, 2012年和2013年0~40 cm土層分別含有機(jī)質(zhì)27.3 g kg–1、25.5 g kg–1, 堿解氮40.5 mg kg–1、21.2 mg kg–1, 速效磷20.2 mg kg–1、26.7 mg kg–1, 速效鉀114.7 mg kg–1、120.4 mg kg–1, pH值分別為7.5和7.8。主要?dú)庀笮畔⑷鐖D1所示, 2012年8月平均降雨量較高, 為87.1 mm, 2013年9月平均降雨量119.8 mm, 較2012年明顯偏高。

1.2 試驗(yàn)材料

氮高效品種(HNE)鄭單958 (ZD958)、金山27 (JS27); 氮低效品種(LNE)內(nèi)單314 (ND314)、蒙農(nóng)2133 (MN2133)、四單19 (SD19)。依據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)崔超等[17]和崔文芳等[18]2010年以來(lái)的田間試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果, 并結(jié)合前人報(bào)道[19-20]評(píng)價(jià)品種的氮效率。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別于2012年4月25日和2013年4月27日播種, 采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 以品種為主區(qū), 施氮量為副區(qū), 設(shè)0 N (不施氮)、300N (純氮300 kg hm–2)和450N (純氮450 kg hm–2) 3個(gè)氮肥處理, 對(duì)各處理按3∶7分別于拔節(jié)期、大喇叭口期追施尿素(含N 46%)。于播種前將P2O590 kg hm–2(磷酸二銨, 含N 18%、P2O546%)、K2O 45 kg hm–2(硫酸鉀, 含K2O 50%)作基肥一次性旋耕入土, 旋耕深度為15 cm, 種植密度為8.25萬(wàn)株 hm–2, 每處理3次重復(fù),行距50 cm, 株距24 cm, 每小區(qū)25行, 其中15行為取樣區(qū)、10行為測(cè)產(chǎn)區(qū)。全生育期間灌水4次, 分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d, 采用畦田漫灌的方法, 每次灌水量均為75 mm。生育期內(nèi)嚴(yán)格控制雜草及防治病蟲害, 收獲期分別為2012年10月2日和2013年10月5日。

圖1 2012年和2013年玉米全生育期日降雨量、日平均氣溫和太陽(yáng)輻射

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤取樣方法 于玉米播種前、收獲后及各生育時(shí)期(大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、成熟期), 在取樣區(qū)用土鉆分層取土樣(0~100 cm土樣, 每20 cm為一層), 每小區(qū)采用對(duì)角線法于行間取5鉆混勻,用四分法取1/4土樣帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱, 用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量和土壤氨態(tài)氮含量。其中大喇叭口期(追肥前)和吐絲期采用Monolith法[21]取樣, 選擇典型植株, 挖取1/2株距和以植株為中心兩側(cè)各1/2行距的植株根系, 挖取的土體長(zhǎng)50 cm, 寬12 cm, 深度80 cm, 從上至下取10 cm×10 cm×12 cm的小土塊, 并以空間坐標(biāo)的方式標(biāo)記, 從每一土塊取下50 g左右的根際土混勻帶回實(shí)驗(yàn)室, 用以測(cè)定每一空間坐標(biāo)的土壤硝態(tài)氮含量。

1.4.2 測(cè)定指標(biāo) 取5 g新鮮土壤, 用2 mol L–1氯化鉀溶液浸提, 過(guò)濾后采用德國(guó)產(chǎn)AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮(氨態(tài)氮)含量, 并同時(shí)測(cè)定土壤含水量。

于播前和收獲后采用環(huán)刀法測(cè)定0~100 cm每20 cm一層的土壤容重。

于大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)在每小區(qū)連續(xù)取3株, 分為莖稈、葉片和葉鞘、苞葉和穗軸、籽粒, 測(cè)定鮮重后以105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重, 測(cè)定樣品干重。之后粉碎樣品, 采用半微量凱氏定氮法測(cè)定各器官全氮含量并折算植株含氮量。

測(cè)量10行測(cè)產(chǎn)區(qū)的實(shí)際面積, 計(jì)數(shù)10行內(nèi)株數(shù)、穗數(shù), 連續(xù)取20穗計(jì)數(shù)每穗粒數(shù), 待籽粒風(fēng)干后測(cè)定千粒重和籽粒含水量, 并計(jì)算產(chǎn)量。

1.5 相關(guān)計(jì)算公式

單株氮素積累量(g) = 植株含氮量(g kg–1)×單株干物質(zhì)量(kg)

土壤剖面中各土層礦化氮累積量(Nmin, kg hm–2)[22]=×b××10–1

式中,為土層厚度(cm);b為土壤容重(gcm–3);為土壤中礦化氮含量(mg kg–1), 剖面礦化氮累積量為各個(gè)層次的礦化氮累積量之和。

氮素吸收效率(NUPE)[23](kg kg–1) = 氮素積累量/供氮量(包括播種前0~100 cm土體內(nèi)無(wú)機(jī)氮含量和施入的氮量)

氮肥利用率(NRE)[24](%) = (施氮區(qū)植株吸氮量-無(wú)氮區(qū)植株吸氮量)×100/施氮量

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)[23](kg kg–1) = (施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

土壤氮素農(nóng)田平衡計(jì)算方法:

本試驗(yàn)沒(méi)有考慮降水輸入的氮素, 根據(jù)不施氮處理作物吸氮量與試驗(yàn)前后土壤礦化態(tài)氮累積量(Nmin)的凈變化估計(jì)作物生長(zhǎng)期間土壤礦化氮[25], 不考慮氮肥激發(fā)效應(yīng), 假定施氮處理土壤氮礦化量與不施氮處理相同。生育期土壤氮素凈礦化量=不施氮處理作物吸氮量+不施氮處理土壤殘留Nmin-不施氮處理土壤起始Nmin。根據(jù)氮平衡模型即根據(jù)氮素輸入輸出平衡的原理計(jì)算氮的表觀損失[26]。生育期土壤氮素表觀損失=生育期施氮量+土壤起始Nmin+土壤氮素凈礦化量-作物攜出量-收獲后土壤殘留Nmin。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2003統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù), 采用SPSS17.0分析兩年一點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差, 采用SigmaPlot 12.0和Surfer 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮效率玉米品種產(chǎn)量及氮肥利用率

表1所示, 產(chǎn)量在各施氮量條件下都表現(xiàn)為氮高效品種顯著高于氮低效品種, 氮高效品種鄭單958和氮低效品種蒙農(nóng)2133和四單19的0 N處理與300N處理差異顯著, 300N和450N處理差異不顯著; 金山27和內(nèi)單314隨施氮量的增加產(chǎn)量顯著增加。氮素吸收效率在不同氮效率品種間差異顯著(<0.01), 氮高效品種顯著高于氮低效品種, 0 N處理顯著高于300N和450N處理, 隨施氮量的增加, 兩品種氮素吸收效率下降。氮肥利用率表現(xiàn)為氮高效品種顯著高于氮低效品種, 隨施氮量的增加, 除氮高效品種金山27差異顯著外, 其他品種差異不顯著; 氮肥農(nóng)學(xué)效率氮高效品種與氮低效品種表現(xiàn)不一致, 鄭單958在300N顯著高于450N處理, 金山27、內(nèi)單314和蒙農(nóng)2133的450N顯著高于300N處理, 說(shuō)明對(duì)氮肥的響應(yīng)存在明顯差異。

表1 不同氮效率玉米品種產(chǎn)量、氮素吸收效率和氮肥利用率

**表示在0.01水平上差異顯著, *表示在0.05水平上差異顯著, ns表示差異在0.05水平上不顯著, 每列數(shù)據(jù)后跟不同字母表示在0.05水平上差異顯著。0N、300N、450N分別表示不施氮、施純氮300 kg hm–2和450 kg hm–2。

** means significance at<0.01; * means significance at<0.05; ns, not significant (=0.05). Means within each column followed by different letters are significantly different (<0.05) by the ANOVA protected least significant difference (LSD) test. 0 N, 300N, 450N mean no nitrogen, 300 kg hm–2nitrogen, and 450 kg hm–2nitrogen respectively. NUpE: nitrogen uptake efficiency; NRE: nitrogen recovery efficiency; NAE: nitrogen agronomy efficiency.

2.2 不同氮效率玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布的影響

2.2.1 土壤硝態(tài)氮的空間分布 圖2為2012年大喇叭口期氮高效品種鄭單958 (上)和氮低效品種內(nèi)單314 (下)土壤硝態(tài)氮含量等高線圖, 能夠較直觀地反映氮素的空間分布。大口期追肥前, 0 N處理硝態(tài)氮主要集中在40~80 cm土層, 由于300N和450N條件下拔節(jié)期追施過(guò)氮肥, 硝態(tài)氮主要集中在0~20 cm土層, 隨土層深度增加逐漸降低, 且在各土層氮低效品種土壤硝態(tài)氮含量都高于氮高效品種。

圖2 2012年大喇叭口期不同氮效率玉米品種土壤硝態(tài)氮含量的空間分布

X軸零點(diǎn)代表植株位置, 左右兩邊坐標(biāo)表示與植株的距離, 最大值(25)表示1/2行距, Y軸表示土層深度, 每一個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)空間坐標(biāo)的小土塊的土壤硝態(tài)氮含量, 顏色越深說(shuō)明土壤硝態(tài)氮含量越大。處理同表1。

Zero of X axis represents plant location, left and right sides of zero represent distance from the plant, and the maximum (25) distance is at 1/2 row spacing, Y axis represents soil depth, each datum corresponds to a small space coordinate clod of soil nitrate content, the deeper the color the greater the content of soil nitrate. Treatment described as in Table 1.

如圖3所示, 2012年吐絲期不同氮效率品種各施氮處理土壤硝態(tài)氮下移, 0 N處理, 硝態(tài)氮下移10 cm左右, 施氮條件下, 氮高效品種表層富集的硝態(tài)氮下移20 cm左右, 主要集中在20~40 cm土層, 氮低效品種也相應(yīng)下移, 但土壤硝態(tài)氮主要集中在0~40 cm土層, 且硝態(tài)氮含量較氮高效品種大, 說(shuō)明低氮處理下, 硝態(tài)氮下移的速度較慢, 高氮處理下, 硝態(tài)氮下移速度較快, 氮高效品種對(duì)氮素的吸收較大。

2.2.2 土壤硝態(tài)氮的時(shí)空運(yùn)移 2012年吐絲期各處理土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加呈單峰曲線變化, 0 N處理, 60~100 cm土層2個(gè)氮高效品種土壤硝態(tài)氮含量顯著低于2個(gè)氮低效品種, 隨施氮量的增加, 0~60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著增加, 土壤硝態(tài)氮含量的峰值出現(xiàn)在20~40 cm土層, 不同氮效率品種土壤硝態(tài)氮含量差異不顯著(圖4)。隨生育進(jìn)程, 土壤硝態(tài)氮含量的峰值逐漸下移。乳熟期, 0 N處理土壤硝態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)在80~100 cm土層, 在60~100 cm土層2個(gè)氮高效品種土壤硝態(tài)氮含量顯著低于2個(gè)氮低效品種, 隨施氮量的增加, 土壤硝態(tài)氮含量的峰值出現(xiàn)在40~60 cm土層; 且在300N處理下,這一土層2個(gè)氮高效品種顯著低于2個(gè)氮低效品種; 450N處理下, 60~100 cm土層氮高效品種顯著低于氮低效品種。成熟期0 N處理土壤硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在80~100 cm, 60~100 cm土層2個(gè)氮高效品種顯著低于2個(gè)氮低效品種; 隨施氮量的增加, 土壤硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在60~80 cm土層, 450N處理下, 60~ 100 cm土層2個(gè)氮高效品種顯著低于2個(gè)氮低效品種。

圖3 2012年吐絲期不同氮效率玉米品種土壤硝態(tài)氮含量的空間分布

縮寫同表1; 坐標(biāo)軸說(shuō)明同圖2。

Treatments are the same as those described in Table 1; description of coordinate axis corresponds with that given in Fig. 2.

圖4 2012年吐絲期(上)、乳熟期(中)、成熟期(下)土壤硝態(tài)氮含量的時(shí)空變化

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2013年土壤硝態(tài)氮含量的時(shí)空分布與2012年趨勢(shì)相同, 吐絲期隨土層深度的增加呈單峰曲線變化, 土壤硝態(tài)氮含量的最大值在0 N條件下和施氮量條件下分別出現(xiàn)在60~80 cm土層和20~40 cm土層, 且不同氮效率品種間差異不顯著(圖5)。乳熟期, 0 N處理, 氮高效品種最大值在80~100 cm土層, 氮低效品種最大值在60~80 cm土層; 施氮條件下, 土壤硝態(tài)氮含量的峰值在60~80 cm土層, 與2012年有差異, 氮高效品種在20~80 cm土層顯著低于氮低效品種; 成熟期, 土壤硝態(tài)氮含量的峰值都下移到80~100 cm土層; 施氮條件下, 60~100 cm土層, 氮高效品種顯著低于氮低效品種。

圖5 2013年吐絲期(上)、乳熟期(中)、成熟期(下)土壤硝態(tài)氮含量的時(shí)空變化

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.3 收獲后土壤硝態(tài)氮累積量的空間分布

收獲后各處理土壤硝態(tài)氮累積量隨施氮量的增加而增加(圖6), 0 N處理0~100 cm土層硝態(tài)氮積累總量表現(xiàn)為氮高效品種顯著低于氮低效品種, 80~100 cm土層硝態(tài)氮累積量最大, 氮低效品種高于氮高效品種, 隨施氮量的增加, 2012年0~100 cm土壤硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)為氮高效品種顯著低于氮低效品種, 60~80 cm土層硝態(tài)氮累積量最大, 同類型品種間差異不顯著, 2013年80~100 cm土層硝態(tài)氮累積量最大, 施氮處理下, 氮低效品種四單19顯著高于內(nèi)單314。

2.4 植株氮素積累量與土壤硝態(tài)氮累積量的關(guān)系

如圖7所示, 0~100 cm土層土壤硝態(tài)氮的累積量隨生育進(jìn)程逐漸降低, 大喇叭口期至吐絲期降低的幅度較大, 乳熟至成熟期趨于平穩(wěn), 氮高效品種土壤硝態(tài)氮累積量低于氮低效品種, 在不同施氮量下表現(xiàn)趨勢(shì)一致; 植株氮素積累量隨生育進(jìn)程呈上升的趨勢(shì), 乳熟至成熟期氮素吸收量較小, 曲線趨于平緩, 氮高效品種的氮素積累量顯著高于氮低效品種, 說(shuō)明土壤硝態(tài)氮累積量與氮素積累量具有很好相關(guān)性, 相關(guān)分析表明二者呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8), 因此, 選擇氮高效的品種對(duì)于減少土壤硝態(tài)氮積累十分重要。

圖6 不同氮效率玉米品種收獲后土壤硝態(tài)氮累積量(2012年和2013年)

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.5 土壤氮素的農(nóng)田表觀平衡

本試驗(yàn)條件下, 春玉米整個(gè)生育期0~100 cm各土層土壤氨態(tài)氮含量較低, 氨態(tài)氮累積量品種間差異不顯著(圖9), 因此評(píng)價(jià)土壤礦質(zhì)氮時(shí)忽略氨態(tài)氮的影響, 只計(jì)算硝態(tài)氮的貢獻(xiàn)[26]。在氮素平衡計(jì)算中, 將土壤Nmin所在層次定義為0~100 cm深度, 即作物根系吸收養(yǎng)分的主要層次。由表2可知, 2012年氮高效品種(HNE)數(shù)據(jù)來(lái)源于2個(gè)氮高效品種(鄭單958和金山27)數(shù)據(jù)的平均值, 氮低效品種(LNE)數(shù)據(jù)來(lái)源于兩個(gè)氮低效品種(蒙農(nóng)2133和內(nèi)單314)數(shù)據(jù)的平均值, 2013年氮高效品種(HNE)是鄭單958, 氮低效品種(LNE)數(shù)據(jù)是兩個(gè)氮低效品種(內(nèi)單314和四單19)數(shù)據(jù)的平均值。從播種到成熟期, 氮素輸入項(xiàng)中, 起始Nmin2012年較高, 氮素的礦化量全生育期也顯著高于2013年, 品種間差異不顯著, 主要受土壤含水量和溫度影響。氮輸出中氮高效品種吸收的氮素顯著高于氮低效品種(< 0.01), 隨施氮量的增加, 氮素吸收量顯著增加。土壤硝態(tài)氮?dú)埩綦S施氮量的增加逐漸增加, 300N和450N條件下, 土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅坎町惒伙@著, 表觀損失差異顯著, 300N處理下, 氮低效品種的表觀損失是氮高效品種的2.89倍和1.52倍(2012年和2013年), 450N處理下, 氮低效品種是氮高效品種的1.56倍和1.45倍(2012年和2013年), 氮素的盈余隨施氮量的增加逐漸增加, 在各施氮量下, 氮低效品種顯著高于氮高效品種。

3 討論

在不同施氮量下, 不同氮效率品種對(duì)氮素吸收和利用的能力不同。李文娟等[27]研究表明在N0和N180兩個(gè)供氮量下, 氮高效品種氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力都顯著高于氮低效品種。王冬梅[28]研究表明氮高效品種先玉335的氮素利用效率、氮素生理效率、氮素農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力均高于氮低效品種四單19。本研究在不同施氮量下, 氮高效品種的氮素吸收效率、氮肥利用率都顯著高于氮低效品種, 這與前人研究結(jié)果一致, 但是, 氮農(nóng)學(xué)效率在不同施氮量下表現(xiàn)不一致, 氮高效品種鄭單958在300N處理下, 顯著高于其他品種, 氮低效品種內(nèi)單314在450N處理下顯著高于其他品種,這可能是不同品種對(duì)氮肥的響應(yīng)存在差異所致, 鄭單958對(duì)中低氮響應(yīng)較強(qiáng), 內(nèi)單314對(duì)高氮響應(yīng)較強(qiáng), 但并不影響鄭單958在高氮條件下的氮素的吸收。Mackay和Barber[29]研究表明對(duì)氮素強(qiáng)響應(yīng)型玉米雜交種在高氮條件下生長(zhǎng)更快, 是由于其根系生長(zhǎng)更強(qiáng), 氮素吸收更多。本研究在450N條件下, 鄭單958的氮素積累量顯著高于內(nèi)單314。因此, 在品種選擇上, 應(yīng)選擇對(duì)中低氮響應(yīng)較強(qiáng)的氮高效品種, 充分發(fā)揮其在各個(gè)施氮量下的吸收潛力。

圖7 不同氮效率品種土壤硝態(tài)氮累積量與植株氮素積累量的變化(2012年和2013年)

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖8 土壤硝態(tài)氮累積量與植株氮素積累量的相關(guān)性分析

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖9 不同氮效率玉米品種收獲后土壤氨態(tài)氮累積量(2012年和2013年)

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

表2 土壤氮素農(nóng)田表觀平衡

每列數(shù)字后跟不同字母表示在0.05水平上差異顯著。2012年HNE表示氮高效品種, 數(shù)據(jù)來(lái)源于鄭單958和金山27數(shù)據(jù)的平均值, LNE表示氮低效品種, 數(shù)據(jù)來(lái)源于蒙農(nóng)2133和內(nèi)單314的數(shù)據(jù)的平均值; 2013年HNE數(shù)據(jù)是鄭單958 的數(shù)據(jù), LNE數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)單314和四單19的數(shù)據(jù)的平均值?？s寫同表1。

Means within each column followed by different letters are significantly different (< 0.05) by the ANOVA protected least significant difference (LSD) test. In 2012, HNE means high nitrogen efficiency variety, its data from mean value of ZD958 and JS27. LNE means low nitrogen efficiency variety, its data from mean value of MN2133 and ND314. In 2013, HNE was ZD958, LNE’s data from mean value of ND314 and SD19. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

氮高效玉米品種的高效吸收與根系的作用密不可分, 作物的根系通過(guò)吸收作用將淺層土壤中的水分、養(yǎng)分截留下來(lái), 降低了水分滲漏和土壤溶液中硝態(tài)氮的濃度, 減少了隨水分運(yùn)移的硝態(tài)氮總量, 同時(shí)下扎的根系像泵一樣把下層土壤中累積的硝態(tài)氮提取出來(lái)[30]。Wiesler等[31]認(rèn)為, 成熟時(shí)玉米雜交種地上部氮累積量與深土層的根長(zhǎng)密度呈正相關(guān)。馬存金等[20]研究表明, 氮高效玉米品種鄭單958根系總量大, 深層土壤根系多, 根系活力高, 氮素吸收能力強(qiáng), 施氮條件下優(yōu)勢(shì)更加明顯。前人大量研究表明氮高效玉米品種的根系分布特征是根系下扎能力強(qiáng), 生長(zhǎng)后期分布較深, 根系活力強(qiáng)有利于截獲土壤中隨水下移的硝態(tài)氮, 氮素積累總量高, 氮素轉(zhuǎn)移率、貢獻(xiàn)率和氮素利用效率都較強(qiáng)[32]。因此, 氮高效玉米品種對(duì)土壤硝態(tài)氮的時(shí)空分布及殘留具有一定的影響。本研究表明, 大喇叭口期至吐絲期, 是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)旺盛的階段, 氮高效品種氮素吸收量顯著高于氮低效品種(圖7), 且降雨量較小(圖1), 土壤硝態(tài)氮下移緩慢, 不施氮處理下移10 cm, 施氮處理下移20 cm (圖2和圖3), 氮高效品種的各土層的土壤硝態(tài)氮含量低于氮低效品種。吐絲至成熟期, 土壤硝態(tài)氮含量在60~100 cm土層中, 氮高效品種顯著低于氮低效品種, 氮高效品種這種深根吸收特性與Wiesler等研究結(jié)果一致, 他認(rèn)為增加30 cm以下土層中的根量(根長(zhǎng)密度), 可以顯著降低硝酸鹽向深層的淋失損失。米國(guó)華等[33]認(rèn)為, 在開(kāi)花后, 氮高效品種充分利用前期建成的根系, 高效吸收土壤中的礦化氮, 減少了葉片中氮素的輸出, 維持了葉片較高的光合效率, 為籽粒灌漿提供碳水化合物。本研究表明吐絲后植株氮素積累量顯著增加, 且氮高效品種顯著高于氮低效品種(圖7), 因此, 吐絲后下層土壤硝態(tài)氮含量出現(xiàn)顯著的差異。在施氮的條件下, 兩年的土壤硝態(tài)氮含量的運(yùn)移規(guī)律存在差異, 主要是由于2013年9月(乳熟期)降雨量119.8 mm較2012年55.1 mm明顯偏高(圖1), 前人研究表明NO3-N在土壤深層的累積與降水量或灌溉量有很強(qiáng)的正相關(guān)[34-35], 同時(shí)乳熟期根系衰老速度加快, 根系對(duì)于氮素的吸收也降低, 所以在降雨量較大的時(shí)期氮素下移的距離較大, 土壤硝態(tài)氮在深層積累的較多, 而低氮條件下外界環(huán)境對(duì)于土壤硝態(tài)氮影響較小。

氮素平衡被認(rèn)為是最主要的農(nóng)田環(huán)境指示器, 可以提供氮素?fù)p失到空氣中或淋溶到地下的潛在信息[36-37]。氮素?fù)p失到環(huán)境中破壞生物多樣性、水資源和空氣的質(zhì)量[38]。周順利等[39]對(duì)農(nóng)田氮素的表觀平衡研究表明土壤氮損失是盈余氮素的一個(gè)主要去向, 而硝態(tài)氮淋洗是夏玉米生育期間土壤氮素?fù)p失的一個(gè)重要途徑?；促R舉等[40]研究表明, 0~300 kg hm–2的不同施氮量下, 土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅吭?1~195 kg hm–2之間, 表觀損失在0~137 kg hm–2之間, 氮素盈余是81~323 kg hm–2。葉東靖等[24]研究表明過(guò)量施氮導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤中大量累積, 不同施氮量下東北春玉米土體殘留的無(wú)機(jī)氮變化在93~202 kg hm–2之間, 氮素盈余變化在93.2~347 kg hm–2之間, 各施氮處理中以N 180和N 240處理氮素輸入和氮素輸出基本保持平衡。本研究表明, 2012年土壤硝態(tài)氮的殘留量在159.96~429.03 kg hm–2之間變化, 2013年土壤硝態(tài)氮?dú)埩粼?6.35~201.3 kg hm–2之間變化, 氮高效品種顯著低于氮低效品種, 年際間存在顯著的差異, 氮素的盈余表現(xiàn)為450N條件下氮低效品種最高, 達(dá)到了564.44 kg hm–2(2012年)和447.11 kg hm–2(2013年), 與前人研究相比明顯增加, 說(shuō)明氮肥的過(guò)量投入導(dǎo)致氮素的盈余顯著增加。氮素的盈余包括土壤無(wú)機(jī)氮的殘留和氮素的表觀損失, 表觀損失又包括氮素的揮發(fā)和淋失損失, 受溫度和降雨量影響較大, 因此年際間差異較大, 在各施氮量下, 氮低效品種土壤硝態(tài)氮的殘留和氮素表觀損失顯著高于氮高效品種, 說(shuō)明在同等地力和氣象條件下, 品種對(duì)氮素吸收的差異是影響氮素盈余的主要因素, 同時(shí), 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還應(yīng)優(yōu)化氮肥施用量, 進(jìn)而提高氮肥的利用率。

4 結(jié)論

在不同施氮量下, 氮高效玉米品種氮素吸收效率、氮肥利用率、植株氮素吸收量顯著高于氮低效品種, 在中低氮條件下, 氮高效玉米品種鄭單958對(duì)氮肥的響應(yīng)較強(qiáng), 同時(shí)不影響其在高氮條件下氮素的吸收。因此, 選用在中低氮下響應(yīng)較強(qiáng)的氮高效品種是提高氮肥利用率的有效途徑。

不同氮效率玉米品種氮素的吸收顯著影響土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布, 土壤硝態(tài)氮累積量與植株氮素積累量呈顯著負(fù)相關(guān)。低氮條件下, 在各生育時(shí)期氮高效品種土壤硝態(tài)氮含量顯著低于氮低效品種, 高氮條件下, 吐絲后氮高效玉米品種60 cm以下土層土壤硝態(tài)氮含量顯著降低, 有利于延緩氮素向深層土壤的淋洗。

在土壤氮素的農(nóng)田平衡關(guān)系中, 氮素的盈余包括氮素的表觀損失和土壤氮素的殘留, 其中氮素的表觀損失受外界環(huán)境影響較大, 年際間有差異; 土壤氮素的殘留隨氮素投入量的增加而增加, 但同等土壤及氣象條件下, 品種對(duì)氮素吸收的差異是影響土壤氮素殘留和表觀損失的主要因素。因此, 選用氮高效品種同時(shí)優(yōu)化施肥管理對(duì)于提高氮肥利用率起關(guān)鍵作用。

[1] 巨曉棠, 張福鎖. 中國(guó)北方土壤硝態(tài)氮的累積及其對(duì)環(huán)境的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2003, 12(1): 24–28Ju X T, Zhang F S. Nitrate accumulation and its implication to environment in north China., 2003, 12(1): 24–28 (in Chinese with English abstract)

[2] Raun W R, Johnson G V. Improving nitrogen use efficiency for cereal production., 1999, 91: 357–363

[3] 米國(guó)華, 陳范駿, 吳秋平, 賴寧薇, 袁力行, 張福鎖. 玉米高效吸收氮素的理想根構(gòu)型. 中國(guó)科學(xué): 生命科學(xué), 2010, 40: 1112–1116 Mi G H, Chen F J, Wu Q P, Lai N W, Yuan L X, Zhang F S. Ideotype root architecture for efficient nitrogen acquisition by maize in intensive cropping systems., 2010, 40: 1112–1116 (in Chinese with English abstract)

[4] Wiesler F, Horst W J. Differences between maize cultivars in yield formation, nitrogen uptake and associated depletion of soil nitrate., 1992, 168: 226–237

[5] 王艷, 米國(guó)華, 陳范駿, 張福鎖. 玉米氮素吸收的基因型差異及其與根系形態(tài)的相關(guān)性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23: 297–302 Wang Y, Mi G H, Chen F J, Zhang F S. Genotypic differences in nitrogen uptake by maize inbred lines its relation to root morphology.2003, 23: 297–302 (in Chinese with English abstract)

[6] Chen F J. Genotypic difference in nitrogen acquisition ability in maize plants is related to the coordination of leaf and root growth., 2006, 29: 317–330

[7] 劉建安, 米國(guó)華, 張福鎖. 玉米基因型與土壤氮素表觀平衡. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2000, 8(2): 38–41 Liu J A, Mi G H, Zhang F S. Maize genotypes and soil nitrogen apparent balance.2000, 8(2): 38–41 (in Chinese with English abstract)

[8] 袁新民, 王周瓊. 硝態(tài)氮的淋洗及其影響因素. 干旱區(qū)研究, 2000, 17(4): 46–46 Yuan X M, Wang Z Q. Nitrate nitrogen leaching and factors influencing it., 2000, 17(4): 46–52 (in Chinese with English abstract)

[9] 張?jiān)瀑F, 劉宏斌, 李志宏, 林葆, 張夫道. 長(zhǎng)期施肥條件下華北平原農(nóng)田硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的研究. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005, 11: 711–716 Zhang Y G, Liu H B, Li Z H, Lin B, Zhang D F. Study of nitrate leaching potential from agricultural land in Northern China under long-term fertilization conditions., 2005, 11: 711–716 (in Chinese with English abstract)

[10] Li X X, Hu C S, Delgado J A, Zhang Y M, Ou-Yang Z Y. Increased nitrogen use efficiencies as a key mitigation alternative to reduce nitrate leaching in north china plain., 2007, 89: 137–147

[11] 呂殿青, 楊學(xué)云, 張航, 戴萬(wàn)紅, 張文孝. 陜西塿土中硝態(tài)氮運(yùn)移特點(diǎn)及影響因素. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 1996, 2: 289–296 Lyu D Q, Yang X Y, Zhang H, Dai W H, Zhang W X. Study on the characteristics of movement and leaching loss of NO3-in LOU soil in Shaanxi and its influencing factors., 1996, 2: 289–296 (in Chinese with English abstract)

[12] 胡春勝, 程一松, 高鷺, 李艷冬. 太行山山前平原冬小麥田深層土體硝態(tài)氮累積特征研究. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2001, 9(1): 19–20 Hu C S, Cheng Y S, Gao L, Li Y D. On the nitrate-N accumulated characteristics in deep soil layer of winter wheat field in Taihang Piedmont., 2001, 9(1): 19–20 (in Chinese with English abstract)

[13] 潘家榮, 巨曉棠, 劉學(xué)軍, 張福鎖, 毛達(dá)如. 高肥力土壤冬小麥/夏玉米輪作體系中化肥氮去向的研究. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2001, 15: 207–212 Pan J R, Ju X T, Liu X J, Zhang F S, Mao D R. Fate of fertilizer N in winter wheat summer maize rotation system on high-fertility soil., 2001, 15: 207–212 (in Chinese with English abstract)

[14] 張智猛, 戴良香, 張電學(xué), 常連生. 冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)堿解氮、硝態(tài)氮時(shí)空變化及施氮安全值的研究. 土壤通報(bào), 2004, 35(1): 38–42 Zhang Z M, Dai L X, Zhang D X, Chang L S. Study on change of Alkali hydrolysable N and NO3--N content in soil with time and space and secure use of nitrogen amount in the wheat-maize rotating system., 2004, 35(1): 38–42 (in Chinese with English abstract)

[15] 石玉, 于振文. 施氮量及底追比例對(duì)小麥產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮含量和氮平衡的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 11: 3661–3669 Shi Y, Yu Z W. Effects of nitrogen fertilizer rate and ratio of base and top dressing on yield of wheat, content of soil nitrate and nitrogen balance., 2006, 11: 3661–3669 (in Chinese with English abstract)

[16] 張經(jīng)廷, 王志敏, 周順利. 夏玉米不同施氮水平土壤硝態(tài)氮累積及對(duì)后茬冬小麥的影響, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46: 1182–1190 Zhang J T, Wang Z M, Zhou S L. Soil nitrate N accumulation under different N-fertilizer rates in summer maize and its residual effects on subsequent winter wheat., 2013, 46: 1182–1190 (in Chinese with English abstract)

[17] 崔超, 高聚林, 于曉芳, 王志剛, 孫繼穎, 胡樹(shù)平, 蘇治軍, 謝岷. 不同氮效率基因型高產(chǎn)春玉米花粒期干物質(zhì)與氮素運(yùn)移特性的研究. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19: 1337–1345 Cui C, Gao J L, Yu X F, Wang Z G, Sun J Y, Hu S P, Su Z J, Xie M. Dry matter accumulation and nitrogen migration of high-yielding spring maize for different nitrogen efficiency in the flowering and milking stage., 2013, 19: 1337–1345 (in Chinese with English abstract)

[18] 崔文芳, 王俊超, 高書晶. 不同氮水平下超高產(chǎn)玉米品種的產(chǎn)量性狀分析. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 41(9): 35–38 Cui W F, Wang J C, Gao S J. Correlation analyses on yield traits of maize hybrids with high yield potential at different nitrogen levels., 2012, 41(9): 35–38 (in Chinese with English abstract)

[19] 春亮. 玉米氮高效品種選育及根系形態(tài)對(duì)低氮反應(yīng)的遺傳分析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 北京, 2004 Chun L. Breeding for Nitrogen-efficient Maize Hybrids and Genetic Analysis on Roots Morphology in Response to Low Nitrogen Stress. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2004 (in Chinese with English abstract)

[20] 馬存金, 劉鵬, 趙秉強(qiáng), 張善平, 馮海娟, 趙杰, 楊金勝, 董樹(shù)亭, 張吉旺, 趙斌. 施氮量對(duì)不同氮效率玉米品種根系時(shí)空分布及氮素吸收的調(diào)控. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20: 845–859 Ma C J, Liu P, Zhao B Q, Zhang S P, Feng H J, Zhao J, Yang J S, Dong S T, Zhang J W, Zhao B. Regulation of nitrogen application rate on temporal and spatial distribution of roots and nitrogen uptake in different N use efficiency maize cultivars., 2014, 20: 845–859 (in Chinese with English abstract)

[21] 彭云峰, 張吳平, 李春儉. 不同氮吸收效率玉米品種的根系構(gòu)型差異比較: 模擬與應(yīng)用. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42: 843–853 Peng Y F, Zhang W P, Li C J. Relationship between nitrogen efficiency and root architecture of maize plants: simulation and application.2009, 42: 843–853 (in Chinese with English abstract)

[22] 王激清, 劉社平, 韓寶文. 施氮量對(duì)冀西北春玉米氮肥利用率和土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布的影響, 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(2): 138–143Wang J Q, Liu D P, Han B W. Effects of nitrogen application on nitrogen use efficiency of spring maize and distribution of soil nitrate nitrogen in northwest Hebei province., 2011, 25(2): 138–143 (in Chinese with English abstract)

[23] Mi G H, Liu J A, Chen F J, Zhang F S, Cui Z L, Liu X S. Nitrogen uptake and remobilization in maize hybrids differing in leaf senescence., 2001, 26: 237–247

[24] 葉東靖, 高強(qiáng), 何文天, 何萍. 施氮對(duì)春玉米氮素利用及農(nóng)田氮素平衡的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16: 552–558 Ye D J, Gao Q, He W T, He P. Effect of N application on N utilization and N balance in spring maize., 2010, 16: 552–558 (in Chinese with English abstract)

[25] 李曉欣, 胡春勝, 程一松. 不同施肥處理對(duì)作物產(chǎn)量及土壤中硝態(tài)氮積累的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2003, 21(3): 38–42 Li X X, Hu C S, Cheng Y S. Different fertilizer treatments on crop yield and soil nitrate accumulation., 2003, 21(3): 38–42 (in Chinese with English abstract)

[26] Guillard K, Griffin G F, Allinson D W, Yamartino W R, Rafey M M, Pietrzyk S W. Nitrogen utilization of selected cropping systems in the us northeast: II. Soil profile nitrate distribution and accumulation.199587: 199–207

[27] 李文娟, 何萍, 高強(qiáng), 金繼運(yùn), 侯云鵬, 尹彩霞, 張國(guó)輝. 不同氮效率玉米干物質(zhì)形成及氮素營(yíng)養(yǎng)特性差異研究. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16: 51–57 Li W J, He P, Gao Q, Jin J Y, Hou Y P, Yin C X, Zhang G H. Dry matter formation and nitrogen uptake in two maize cultivars differing in nitrogen use efficiency., 2010, 16: 51–57 (in Chinese with English abstract)

[28] 王冬梅. 不同氮效率玉米對(duì)氮素供應(yīng)的農(nóng)學(xué)和生物學(xué)響應(yīng)機(jī)制. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 吉林長(zhǎng)春, 2011Wang D M. The Agronomic and Biological Response Mechanism to Nitrogen Supply of Maize Differing in Different Nitrogen Efficiency. MS Thesis of Jilin Agricultural University, Changchun, China, 2011 (in Chinese with English abstract)

[29] Mackay A D, Barber S A. Effect of nitrogen on root growth of two corn genotypes in the field., 1986, 78: 699–703

[30] 張永利, 巨曉棠. 不同植物輪作提取深層土壤累積硝態(tài)氮的效果, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45: 3297–3309Zhang Y L, Ju X T. Mining the accumulated nitrate from deep soil layers by rotation with different crops., 2012, 45: 3297–3309 (in Chinese with English abstract)

[31] Wiesler F, Horst W J. Differences among maize cultivars in the utilization of soil nitrate and the related losses of nitrate through leaching., 1993, 151: 193–203

[32] 王敬鋒, 劉鵬, 趙炳強(qiáng), 董樹(shù)亭, 張吉旺, 趙明, 楊吉順, 李耕. 不同基因型玉米根系特征與氮素吸收利用的差異. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44: 699–707 Wang J F, Liu P, Zhao B Q, Dong S T, Zhang J W, Zhao M, Yang J S, Li G. Comparison of root characteristics and nitrogen uptake and use efficiency in different corn genotypes., 2011, 44: 699–707 (in Chinese with English abstract)

[33] 米國(guó)華, 陳范駿, 春亮, 郭亞芬, 田秋英, 張福鎖. 玉米氮高效品種的生物學(xué)特征. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13: 155–159 Mi G H, Chen F J, Chun L, Guo Y F, Tian Q Y, Zhang F S. Biological characteristics of nitrogen efficient maize genotypes.2007, 13: 155–159 (in Chinese with English abstract)

[34] Zhao R F, Chen X P, Zhang F S, Zhang H L, Schroder J, Romheld V. Fertilization and nitrogen balance in a wheat-maize rotation system in North China., 2006, 98: 938–945

[35] 李世清, 李生秀. 半干旱地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中硝態(tài)氮的淋失. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 11: 240–242 Li S Q, Li S X. Leaching loss of nitrate from semiarid area agro-ecosystem., 2000, 11: 240–242 (in Chinese with English abstract)

[36] OECD. Environmental Indicators for Agriculture, Methods and Results. Organization for Economic Co-operation and Development, Paris, France, 2001

[37] Yli Viikari A, Hietala Koivu R, Huusela Veistola E, Hyvonen T, Perala P, Turtola E. Evaluating agri-environmental indicators (AEIs)-use and limitations of international indicators at national level., 2007, 7: 150–163

[38] Goulding K, Jarvis S, Whitmore A. Optimizing nutrient management for farm systems., 2008, 363: 667–680

[39] 周順利, 張福鎖, 王興仁. 土壤硝態(tài)氮時(shí)空變異與土壤氮素表觀盈虧: II. 夏玉米. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22: 48–53 Zhou S L, Zhang F S, Wang X R. The spatio-temporal variations of soil NO3--N and apparent budget of soil nitrogen: II. Summer maize., 2002, 22: 48-53 (in Chinese with English abstract)

[40] 淮賀舉, 張海林, 蔡萬(wàn)濤, 陳阜. 不同施氮水平對(duì)春玉米氮素利用及土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊? 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28: 2651–2656Huai H J, Zhang H L, Cai W T, Chen F. Effect of different nitrogen rates on nitrogen utilization and residual soil nitrate of spring maize., 2009, 28: 2651–2656 (in Chinese with English abstract)

Effects of Maize Varieties with Different Nitrogen Efficiencies on Temporal and Spatial Distribution of Soil Nitrate and Field Nitrogen Balance

QU Jia-Wei, GAO Ju-Lin*, YU Xiao-Fang, WANG Zhi-Gang, HU Shu-Ping, SUN Ji-Ying, SU Zhi-Jun, XIE Min, and QING Ge-Er

Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

Studying effects caused by maize varieties with different nitrogen efficiencies on nitrate content in soil and nitrogen balance in filed is quite important for excavating high nitrogen efficiency biological potential of maize varieties, coordinating nitrate supply with plant requirement, and improving the nitrogen utilization efficiency. In this study, high nitrogen efficiency maize varieties ZD958, JS27 and low nitrogen efficiency maize varieties MN2133, ND314, and SD19 were separately used to systematically study the effects on nitrate spatial and temporal distribution in soil and nitrogen balance, as well as relationship between plant nitrogen uptake and soil nitrate accumulation. Compared with low nitrogen efficiency maize varieties, the high nitrogen efficiency varieties had higher yield, higher nitrogen absorption and use efficiency in all the nitrogen treatments (0, 300, and 450 kg ha–1). According to the correlation analysis, significant negative correlation was shown between the plant nitrogen accumulation and nitrate accumulation in soil. The temporal and the spatial distribution of nitrate in soil were also analyzed, showing that the soil layer with maximum nitrate content moved toward lower gradually in the process of maize growth. The move rate of the soil layer was independent of maize varieties, but largely correlated with the precipitation. However, after silking stage the nitrate content in 60–100 centimeter layer of soil was significantly lower in high nitrogen efficiency varieties than in low nitrogen efficiency varieties. After harvest, the nitrate residual in soil was significantly higher in low nitrogen efficiency varieties compared with high nitrogen efficiency varieties. Moreover, the nitrate residual amount was largely increased with increasing nitrate application. In the aspect of nitrate balance, the nitrogen efficiency of maize significantly affected filed nitrate residue and apparent lost. The apparent nitrate lost in field in low nitrogen efficiency varieties was 2.2 (300 kg ha–1) and 1.5 times (450 kg ha–1) as high as that in high nitrogen efficiency varieties, and had much more difference among different years. Therefore, different nitrogen efficiency varieties affected N-balance in filed via nitrate absorption. Choosing high nitrogen efficiency varieties can decrease nitrate content in soil, apparent lost in field, and nitrogen leaching risk, which is an effective way to improve nitrogen utilization efficiency.

maize;variety; nitrogen efficiency; soil nitrate; field nitrogen apparent balance

2017-05-03;

2018-01-08;

2018-01-30.

10.3724/SP.J.1006.2018.00737

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260300), 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD07B04), 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-02-63), 華北黃土高原地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(25204120)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0300800)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of China (31260300), the National Science and Technology Project of Food Production of China (2013BAD07B04), the China Agriculture Research System (CARS-02-63), the Experimental Station of Crop Cultivation Scientific Observation in North China Loess Plateau (25204120), and the National Key Research and Development Project (2017YFD0300800).

高聚林, E-mail: nmgaojulin@163.com

E-mail: nmqujiawei@163.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180129.1624.006.html