基于15N同位素示蹤鹽漬化農(nóng)田向日葵氮素利用規(guī)律

喬 天， 劉 霞， 楊 威， 高宏遠(yuǎn)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

河套灌區(qū)作為我國向日葵的主產(chǎn)區(qū)，其土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，鹽堿地占總耕地面積的45%左右。較高的鹽分使土壤中養(yǎng)分難以被直接利用，并導(dǎo)致作物吸氮能力減弱。氮肥對向日葵生長產(chǎn)生的肥效最為明顯，它能夠緩解鹽分對作物生長帶來的不利影響，補(bǔ)充土壤對作物養(yǎng)分供給上的虧缺。然而氮素的有效性在不同水平鹽分土壤中存在差異，當(dāng)鹽分水平較低時，增施氮肥可明顯促進(jìn)作物生長；鹽分含量較高時，盲目增施氮肥會導(dǎo)致浪費，增加了氮素的潛在淋洗損失，可能造成地下水污染，加重土壤發(fā)生次生鹽漬化風(fēng)降并降低了氮肥利用率；其次，作物種類、土壤性質(zhì)、施肥量及方法也是影響氮肥利用效率的因素。對于向日葵作物，其施氮量存在一定范圍，超出合理施氮量氮肥利用率則會受到抑制。故針對灌區(qū)中度鹽漬化農(nóng)田合理施用氮肥展開研究具有實際意義。

氮素是植物生長發(fā)育的必須營養(yǎng)元素之一，是葉綠素和多種有機(jī)物的成分，可以促進(jìn)發(fā)育，為作物的高產(chǎn)增收奠定基礎(chǔ)，因而氮肥施用是當(dāng)前生產(chǎn)條件下保障河套灌區(qū)向日葵高產(chǎn)的重要措施。前人研究大多集中于施氮對向日葵水分利用特點、冠層生長與輻射利用規(guī)律、產(chǎn)量與品質(zhì)等方面，而針對不同施氮水平下農(nóng)田中氮肥施用后遷移轉(zhuǎn)化途徑及作物吸收可利用氮素來源比例的研究相對較少。同位素示蹤技術(shù)不僅能區(qū)分作物吸收的土壤氮與肥料氮，真實地反映作物對當(dāng)季甚至上季氮肥的吸收利用狀況，明確氮素來源，還可計算肥料氮在土壤中的殘留與分布狀況。目前多數(shù)研究主要采用差值法計算作物氮肥利用率，通過土壤中硝態(tài)氮含量來評價作物收獲后的氮素殘留狀況，鮮有研究利用氮同位素示蹤技術(shù)研究鹽漬化農(nóng)田向日葵收獲后土壤中肥料氮利用與殘留問題。

本研究針對河套灌區(qū)中度鹽漬化農(nóng)田，采用N同位素示蹤技術(shù)，以向日葵為試材，系統(tǒng)分析土壤-向日葵作物體系中肥料氮素的歸趨問題，探究不同施氮水平對向日葵不同來源氮素吸收、土壤中肥料氮殘留和氮素去向的影響，以期為該地區(qū)農(nóng)田推薦適宜的施氮量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年6—9月在河套灌區(qū)中部五原縣聯(lián)星村(107°35′70″E，40°46′30″N)進(jìn)行，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全年日照時間平均3 230.9 h，年降水量227.4 mm，月分配極不均，主要集中夏季7—9月，年際變化也較大。年平均蒸發(fā)量為2 039.2 mm，是降水量的9.0倍。試驗地土壤質(zhì)地見表1。土壤鹽分含量為3.3 g/kg，堿化度為14.6%，有機(jī)質(zhì)含量為9.3 g/kg，全氮含量為0.8 g/kg，堿解氮含量為44.4 mg/kg，速效磷含量為14.1 mg/kg，速效鉀含量為184.3 mg/kg，屬于肥力不足的中度鹽堿化土壤。

表1 試驗地土壤粒徑及質(zhì)地

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計4個施氮水平，記為N0、N1、N2、N3，對應(yīng)大田施氮量(按純N計)分別為0，150，225，300 kg/hm。于田間設(shè)置N試驗微區(qū)，每個微區(qū)面積為1.5 m，將未封底的鐵皮從微區(qū)四周挖溝嵌套進(jìn)去，地下部分埋深100 cm，地上部分10 cm(避免標(biāo)記尿素的水平向流失以及污染)。供試向日葵品種為NWS6901型食葵，具有耐鹽堿、抗病等特點。于2019年6月22日播種，9月27日收獲，生育期約為96天。參考當(dāng)?shù)叵蛉湛N植方式，行距60 cm，株距50 cm，播種前施入底肥磷肥(PO)和鉀肥(KO)，施用量分別為108.4，86.8 kg/hm，施用的N標(biāo)記尿素豐度為10.18%(含氮46.0%)，由上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)，作為追肥施用。每個處理設(shè)3個重復(fù)，為避免受到鐵皮邊界的影響，播種后每個微區(qū)定苗3株，并于現(xiàn)蕾期在向日葵根區(qū)土壤結(jié)合頭水追施N標(biāo)記尿素，施肥方式為穴施，灌溉方式采用畦灌，灌水量為900 m/hm。其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田相一致。

1.3 測定項目與方法

于向日葵完熟期收取各處理植株，并將其分解為根、營養(yǎng)器官(莖、葉、盤)、籽部分，分裝在牛皮紙信封中，測定樣品鮮重，將稱重后的植株樣品置于干燥箱中105 ℃殺青30 min，再恒溫80 ℃烘干8 h至質(zhì)量恒定，稱量并測得植株各部分干物質(zhì)量，最后將植株各部位均剪取一部分均勻混合，在研缽中粉碎后過0.5 mm篩后裝入樣品袋中備用。

作物收獲后對微區(qū)內(nèi)0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層鉆取土樣，采用氯化鉀溶液提取—分光光度計法測定土壤NO-N、NH-N含量。其余土樣風(fēng)干過篩與植物樣一起送往內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，使用德國Elementar公司生產(chǎn)的Isoprime100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀連接元素分析儀(Vario Isotope Select)測定植物各器官及土壤的全氮含量(TN)和穩(wěn)定氮同位素值(δN)。

1.4 指標(biāo)計算

相關(guān)指標(biāo)計算公式為：

(1)

式中：Ndff為植株氮素來源于肥料的比例(%);為植株樣品中的N豐度(%);為標(biāo)記肥料中的N豐度(%);為同位素自然豐度，0.366 3%。

(2)

式中：Ndfs為土壤氮素來自肥料的比例(%);為土壤樣品中的N豐度(%)。

=×

(3)

式中：為各器官吸氮量(g/plant);為各器官干物質(zhì)量(g);為各器官全氮含量(g/kg)。

=×Ndff

(4)

式中：為各器官對肥料氮的吸收量(g/plant)。

=-

(5)

式中：為各器官對土壤氮的吸收量(g/plant)。

(6)

式中：NDR為肥料氮貢獻(xiàn)率(%)。

(7)

式中：NDR為土壤氮貢獻(xiàn)率(%)。

=××Ndfs

(8)

式中：為土壤中肥料氮殘留量(g);為土壤干重(g);為土壤全氮量(g/kg)。

(9)

式中：NUE為氮肥利用率(%);TFN為氮肥施用總量(g)。

(10)

式中：NRF為氮肥殘留率(%)。

NLR=1-NUE-NRF

(11)

式中：NLR為氮肥損失率(%)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行不同處理的單因素方差分析，差異顯著性檢驗用LSD法，顯著性水平=0.05，用Origin 2019b軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 向日葵干物質(zhì)積累量及分配差異

由表2可知，向日葵單株干物質(zhì)量在N2施氮水平下較N0、N1顯著增加31.7%，13.9%(<0.05)，在N3施氮條件下較N2高出1.6%(>0.05)?？迅晌镔|(zhì)量在N1、N2、N3施氮水平下差異達(dá)顯著水平，較不施氮處理增加14.4%，22.2%，24.0%。相較于N0水平，施氮后的向日葵根系、營養(yǎng)器官干物質(zhì)量也呈現(xiàn)出不同程度的增加，增幅平均為35.7%，28.6%。隨施氮量的增加，根和營養(yǎng)器官生物量分配率逐漸增加，而籽的生物量分配率與之相反，呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢，降幅約為2.4%。從上述結(jié)果可以看出，施氮可以顯著促進(jìn)向日葵根系的生長發(fā)育，從而有利于吸收更多的氮素并通過營養(yǎng)器官輸送到葵籽中，以促進(jìn)產(chǎn)量的形成，施氮量為N2水平時可滿足向日葵作物生長需求，對向日葵植株生長的促進(jìn)作用最為顯著。

表2 向日葵干物質(zhì)積累及分配差異

2.2 向日葵吸氮及分配差異

由圖1可知，N2、N3施氮水平下向日葵整株吸氮量較N0分別顯著增加38.7%，55.4%，較N1分別顯著增加26.3%，41.5%，N3較N2增加12.1%(>0.05)。與N0相比，N1、N2、N3下的根系吸氮量分別增加了22.5%，112.1%，135.2%；營養(yǎng)器官吸氮量分別增加了12.3%，46.7%，69.4%；籽粒吸氮量分別增加了5.4%，20.2%，30.0%。不同施氮水平下向日葵營養(yǎng)器官和籽粒的氮素分配率未表現(xiàn)出明顯差異(表3)，在N2、N3 2種施氮水平下，根系的氮素分配率較N0顯著增加，增加范圍為3.6%～3.8%。說明施氮增加各器官對氮素的吸收量，對根系產(chǎn)生的作用最為顯著。

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同施氮水平下向日葵吸氮量

表3 不同施氮水平下氮素分配率 單位:%

施氮水平由N1增至N3(圖2)，向日葵根系對肥料氮和土壤氮的吸收比例分別增加113.4%，7.9%；營養(yǎng)器官和葵籽對肥料氮的吸收比例分別增加49.0%，18.0%，對土壤氮的吸收比例降低幅度分別為1.8%，13.7%。3種施氮水平下肥料氮及土壤氮對整株向日葵氮素吸收的貢獻(xiàn)比例平均分別為15.1%，84.9%。N2、N3施氮水平下肥料氮對整株作物的貢獻(xiàn)比例較N1分別顯著增加35.7%，40.5%，而土壤氮的貢獻(xiàn)比例較N1分別顯著降低4.3%，5.2%，土壤氮及肥料氮對整株向日葵的貢獻(xiàn)比例在N2、N3施氮水平下無顯著性差異。以上結(jié)果表明，增施氮肥可以提高各器官對氮素的吸收，以滿足植株生長所需的氮素營養(yǎng)，施氮對根系吸氮的促進(jìn)作用最為顯著。向日葵當(dāng)季吸收氮素主要源于土壤氮，增施氮肥至N2水平可以促進(jìn)肥料氮對向日葵氮素吸收的貢獻(xiàn)比例，繼續(xù)增施氮肥促進(jìn)效果不顯著。

圖2 不同施氮水平下不同來源氮素貢獻(xiàn)比例

2.3 土壤中肥料氮殘留量

由圖3可知，向日葵收獲后，在3種施氮水平下，0—20 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為48.3%，47.2%，46.7%，20—40 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為27.5%，27.1%，26.9%，40—60 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為16.6%，16.3%，16.1%，各土層殘留肥料氮所占比例均呈現(xiàn)隨施氮量增加而減小趨勢，60—100 cm土層累積殘留比例分別為8.5%，9.3%，10.3%。在土壤垂直剖面上，土壤中肥料氮殘留量表現(xiàn)為隨土層深度增加而遞減趨勢，殘留肥料氮主要集中在0—20 cm土層。0—100 cm土層肥料氮總殘留量在不同施氮水平下呈現(xiàn)出顯著差異，總體表現(xiàn)為N3>N2>N1，N2施氮水平下肥料氮殘留總量較N1增加36.5%，N3水平下肥料氮殘留總量較N2增加42.0%。由圖4可知，各處理0—100 cm土壤NO-N含量為6.3～21.6 mg/kg，NH-N含量為1.0～9.8 mg/kg，相同處理各土層NH-N含量明顯低于NO-N，肥料氮主要是以NO-N形態(tài)殘留于土壤中。綜上，較高施氮使肥料氮殘留增加的同時，也提高了深層土壤中(60—100 cm)肥料氮殘留的比例。

圖3 不同施氮水平下肥料氮殘留量

圖4 不同施氮水平下肥料氮殘留形態(tài)

2.4 氮肥利用、殘留及損失規(guī)律

由圖5可知，向日葵植株對肥料氮的利用率表現(xiàn)為N2>N3>N1，N2施氮水平下氮肥利用率較N3、N1分別高出22.7%，14.6%，各處理間差異均達(dá)顯著性水平，受施氮水平影響較大。土壤中氮肥殘留率整體呈現(xiàn)出隨施氮水平增加而減小的趨勢，其中N2施氮水平下土壤氮肥殘留率最低，為32.3%，較N1、N3施氮水平分別減少8.5%，8.6%，存在顯著差異。氮肥損失率在各施氮水平間不存在顯著性差異，說明氮肥損失所占比例受施氮水平的影響較小。3種施氮水平下氮肥利用率、氮肥殘留率、氮肥損失率平均分別為24.6%，33.7%，41.7%，肥料氮素去向規(guī)律均表現(xiàn)為氮肥損失率>氮肥殘留率>氮肥利用率。說明本試驗條件不同施氮條件下肥料氮素去向均以損失為主，N2施氮水平在提高氮肥利用率的同時，相對減少了土壤中氮肥氮的殘留。

圖5 不同施氮水平下氮肥氮利用率、殘留率及損失率

3 討 論

3.1 不同施氮水平對向日葵干物質(zhì)量及氮素吸收利用影響

本試驗中，施氮水平由N1增至N2時，向日葵干物質(zhì)量和吸氮量的增加比例最大，產(chǎn)生的促進(jìn)作用最顯著，而N2、N3種施氮水平之間差異不顯著，表明施氮量達(dá)一定水平后，繼續(xù)增施氮肥對向日葵吸收氮素和生長的促進(jìn)作用并不明顯，可能是因為高氮肥供應(yīng)顯著抑制根系固氮的酶活性，并導(dǎo)致植物氮素吸收及生物量不再進(jìn)一步增加。前人針對不同施氮水平及基追施比例下植株吸收氮素來源進(jìn)行研究，均得出土壤氮素對植株生長發(fā)育的貢獻(xiàn)率高于肥料氮的結(jié)果，本研究也得出相似結(jié)論，不同氮素來源對向日葵植株的貢獻(xiàn)比例表現(xiàn)為土壤氮>肥料氮，說明施氮水平如何不同，土壤氮都是向日葵氮素養(yǎng)分的主要來源。孫昭安等在對冬小麥氮素吸收的研究中得出的結(jié)論是施氮量與化肥氮對冬小麥氮素吸收的貢獻(xiàn)比例呈顯著正相關(guān)，而與土壤氮貢獻(xiàn)比例呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究中，肥料氮貢獻(xiàn)比例是隨施氮量增加呈現(xiàn)遞增趨勢，土壤氮貢獻(xiàn)比例與之相反，也進(jìn)一步表明，增施氮肥可提高肥料氮在作物中的運輸量和分配效率。除向日葵根系外，向日葵營養(yǎng)器官和葵籽對土壤氮的吸收比例隨施氮量的增加而增加，可能是因為土壤中氮素可以在植株根系內(nèi)直接被同化利用的緣故，但是這種作用對向日葵地上部器官產(chǎn)生的效果不明顯。

3.2 不同施氮水平下土壤中氮素殘留

殘留肥料氮在提高土壤肥力方面發(fā)揮重要作用，但同時也增加了氮素?fù)p失風(fēng)險。有研究表明，土壤氮素的殘留可以提高對土壤全氮、礦質(zhì)態(tài)氮含量及土壤氮庫的補(bǔ)充，能被后一季作物繼續(xù)吸收利用。張懷志等對比分析得出，微噴灌常規(guī)和減施氮肥條件下0—20 cm土層肥料氮殘留量分別占土壤肥料氮總殘留量的88.9%和87.9%，本研究中肥料氮殘留主要集中在0—20 cm土層，與Zhong等研究結(jié)果相類似，但0—20 cm土層肥料N僅占總殘留量的約47.4%，與前人研究結(jié)果存在較大差異的原因也可能是施氮方式、施氮水平以及作物種類不同引起的。以上結(jié)果表明，土壤鹽分不影響肥料氮在土壤中殘留的主要深度，但使部分殘留氮肥向下運移，且隨施氮量增加，0—60 cm土層肥料氮殘留所占比例減小，60—100 cm土層肥料氮殘留比例升高，在8.5%～10.3%，增施氮肥進(jìn)一步增加殘留氮肥在深層土壤中淋洗的風(fēng)險。一般認(rèn)為，增加施氮量提高了下層土壤肥料氮的積累量，加大了向根系外淋洗的風(fēng)險。

3.3 不同施氮水平下肥料氮素去向

本試驗向日葵-土壤系統(tǒng)中，氮肥遷移量總體表現(xiàn)為損失率>殘留率>利用率，與戴香良等研究花生肥料氮素去向為利用率>殘留率>損失率的結(jié)果有所不同，因為不同作物之間對氮肥吸收利用的能力存在較大差異，也可能是試驗區(qū)干旱及鹽堿土壤使銨態(tài)氮的揮發(fā)量大而導(dǎo)致?lián)p失率較高，還有待于深入分析干旱鹽漬化農(nóng)田土壤鹽分對氮素遷移規(guī)律的影響。在最佳經(jīng)濟(jì)施氮量下，內(nèi)蒙古中西部氮肥利用率平均為34.7%，隨施氮量的增加氮肥吸收利用率和損失率也增加，土壤中氮肥殘留率減小。本試驗得出的結(jié)果與之略有不同，3種施氮量水平下氮肥利用率分別為22.3%，27.4%，23.9%，土壤殘留率先減小后增加，但總體呈現(xiàn)下降趨勢，分別為35.1%，32.3%，33.8%。一方面是因為氮肥利用率在實際生產(chǎn)中會受到土壤肥力的影響而導(dǎo)致差異；另一方面，是因為土壤鹽分離子會抑制作物對氮素的吸收利用，從而成為氮素循環(huán)利用的關(guān)鍵制約因素之一。隨施氮量增加氮肥損失率減少，存在氣候因子帶來的影響，還可能與高氮投入時通過揮發(fā)等途徑損失有關(guān)，因而后續(xù)研究把控不同施氮水平條件下的氣體揮發(fā)損失的占比大小尤為重要。

4 結(jié) 論

(1)不同施氮量條件下向日葵氮素吸收量差異顯著。225 kg/hm施氮量在滿足向日葵作物生長同時，較不施氮處理顯著增加了38.7%的氮素吸收量，繼續(xù)增施氮肥對作物吸氮量無明顯促進(jìn)作用。

(2)向日葵吸收的氮素中，84.9%來源于土壤氮，15.1%來源于肥料氮，增施氮肥至225 kg/hm時使肥料氮的貢獻(xiàn)比例較150 kg/hm水平增加35.7%，繼續(xù)施氮促進(jìn)效果不顯著。

(3)1 m土層中肥料氮總殘留量隨施氮量增加而增加，約47.4%的殘留肥料氮分布在0—20 cm土層，較高的施氮水平會加大肥料氮在深層(60—100 cm)土壤中殘留的風(fēng)險。

(4)不同施氮水平肥料氮去向總體表現(xiàn)為損失率>殘留率>利用率。N2施氮水平下氮肥利用率較N3、N1分別顯著高出22.7%，14.6%；氮肥殘留率較N1、N3分別減少8.5%，8.6%；氮肥損失率在各施氮水平下無顯著差異。

針對中度鹽漬化農(nóng)田，225 kg/hm施氮水平下肥料氮利用率為27.4%，氮肥殘留率為32.3%，肥料損失率為40.3%。在提高氮肥利用率的同時降低了土壤中氮肥殘留率和損失率，可兼顧作物生長及減少環(huán)境污染的要求，是較為適宜的施氮量。