水肥一體化下施氮量對(duì)土壤有機(jī)氮組分及玉米產(chǎn)量的影響

摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化玉米水肥一體化施肥技術(shù)，促進(jìn)氮肥有效轉(zhuǎn)化利用，研究不同施氮量對(duì)土壤有機(jī)氮組分及玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，隨施氮量的增加，土壤酸解總氮、酸解銨態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮和酸解氨基糖態(tài)氮含量呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)施氮量為210 kg·hm^-2（N2處理）時(shí)，以上4種有機(jī)氮組分含量最高。酸解銨態(tài)氮是影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素， N2處理下酸解銨態(tài)氮含量較N3（252 kg·hm^-2）、N4（273 kg·hm^-2）、N1（147 kg·hm^-2）和N0（0 kg·hm^-2）分別顯著提高3.55%、9.86%、20.37%和170.21%；產(chǎn)量分別顯著提高1.58%、2.97%、18.43%和112.89%。綜上，N2處理（施氮肥210 kg·hm^-2）具有更高的供氮潛力，是較為理想的施氮量。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；施氮量；有機(jī)氮組分；玉米產(chǎn)量

收稿日期：2024-04-28

基金項(xiàng)目：齊齊哈爾市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（ZDGG-202208）;黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新跨越工程農(nóng)業(yè)科技基礎(chǔ)創(chuàng)新優(yōu)青項(xiàng)目（CX23YQ20）;齊齊哈爾市科技計(jì)劃創(chuàng)新激勵(lì)項(xiàng)目（CNYGG-2023023）。

第一作者：徐瑩瑩（1989－），女，碩士，助理研究員，從事作物耕作栽培及農(nóng)業(yè)微生物研究。E-mail： ghdetongzhuo@163.com。

水肥一體化技術(shù)是一種將水肥同步施用的先進(jìn)農(nóng)業(yè)管理技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于有效利用灌溉水中的養(yǎng)分資源^[1]。相比傳統(tǒng)施肥方式，水肥一體化技術(shù)能夠減少養(yǎng)分浪費(fèi)，提高利用效率，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，減輕環(huán)境污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益^[2-3]。

在玉米生長過程中，氮素對(duì)其生長發(fā)育和產(chǎn)量形成起著決定性作用^[4]。不同施氮量會(huì)導(dǎo)致土壤氮素含量變化，進(jìn)而影響土壤中氮素的形態(tài)和分布，最終關(guān)系到土壤的肥力水平和植株長勢(shì)^[5]。因此，對(duì)于玉米種植來說，合理施用氮肥至關(guān)重要，尤其是在水肥一體化技術(shù)下，更需要精準(zhǔn)施肥，確保氮素的充分供應(yīng)和利用^[6]。土壤有機(jī)氮是土壤氮庫的重要組成部分，含量約占土壤總氮量的90%，與土壤供氮能力密切相關(guān)^[7]。豐富的土壤有機(jī)氮有利于改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)玉米增產(chǎn)，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性^[8]。研究表明，施氮水平是調(diào)控土壤有機(jī)氮含量及分布特征的關(guān)鍵因素^[9]。徐曉峰等^[10]發(fā)現(xiàn)，輪作條件下，施氮量由低向高過渡時(shí)，影響小麥氮素吸收的土壤酸解有機(jī)氮組分由氨基酸態(tài)氮占主導(dǎo)向氨基糖態(tài)氮占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。鄒洪琴等^[11]基于不同肥力地塊的研究得出，增加施氮量能夠提高土壤有機(jī)氮和可溶性有機(jī)氮含量， 且玉米吸氮量與可溶解性有機(jī)氮含量顯著正相關(guān)。盡管前人對(duì)不同耕作措施或養(yǎng)分差異性地塊下的土壤有機(jī)氮開展了相關(guān)研究，然而目前，關(guān)于水肥一體化管理模式下，不同施氮量對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化和有效性的動(dòng)態(tài)變化，尤其是對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響尚不明確。因此，本研究旨在通過探討水肥一體化條件下施氮量對(duì)土壤有機(jī)氮組分及玉米產(chǎn)量的影響，明確合理的施氮策略，為進(jìn)一步優(yōu)化水肥一體化技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2023年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院試驗(yàn)基地開展，該區(qū)屬于松嫩平原西部半干旱區(qū)，年平均降雨量400 mm，有效活動(dòng)基溫2 900 ℃，土壤類型為碳酸鹽黑鈣土?；A(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)19.21 g·kg^-1，堿解氮110.25 mg·kg^-1，有效磷22.54 mg·kg^-1，速效鉀162.20 mg·kg^-1。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 上一年秋季玉米機(jī)械化收獲后，采用液壓翻轉(zhuǎn)犁將玉米秸稈全量翻埋還田，作業(yè)深度30 cm，還田量13 000 kg·hm^-2。采取130 cm大壟雙行淺埋滴灌水肥一體化種植模式，供試玉米品種為天育108，播種密度82 500株·hm^-2。共設(shè)置5種施氮量，如表1所示。氮肥（尿素）采用底肥加追肥的方式施入，底肥∶追肥=1.00∶1.92，底肥在播種前機(jī)械夾肥施入，追肥分別在拔節(jié)期、開花前、灌漿前按4∶3∶1比例滴灌施入。各處理的磷肥300 kg·hm^-2（葛洲壩牌磷酸二銨，N-P₂O₅-K₂O 18-46-0）和鉀肥112.5 kg·hm^-2（米高牌硫酸鉀，K₂O≥50%）作底肥一次性施入。每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積2 668 m²。試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)見表1。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法 （1）土壤樣品采集：分別于拔節(jié)期-開花前（S1）、開花期-灌漿期（S2）、灌漿后-成熟期（S3）采集0～20 cm土壤樣本，每小區(qū)按五點(diǎn)采樣法混合為1份樣品，每處理取3份樣品，去除可見動(dòng)植物殘?bào)w及石塊等雜質(zhì)，保存于-4 ℃用于土壤指標(biāo)測定。（2）土壤指標(biāo)測定：酸解總氮、酸解銨態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮、酸解氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量測定方法參照文獻(xiàn)[12]。（3）玉米產(chǎn)量測定：每小區(qū)取3個(gè)收獲點(diǎn)，每個(gè)收獲點(diǎn)26 m²，采摘全部果穗，脫粒測產(chǎn)，折合成14%標(biāo)準(zhǔn)水產(chǎn)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2021進(jìn)行線性回歸分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)土壤酸解總氮含量的影響

如圖1所示，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，酸解總氮含量先上升后下降，最大值出現(xiàn)在S2時(shí)期。從施氮量來看，各時(shí)期酸解總氮含量隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為N2gt;N3gt;N4gt;N1gt;N0。S1時(shí)期，N2、N3和N4間差異不顯著，顯著大于N1和N0；從S2、S3和3個(gè)時(shí)期平均值來看，各處理間的差異性表現(xiàn)一致，即N2和N3間差異不顯著，顯著大于N4、N1和N0。從3個(gè)時(shí)期平均值來看，酸解總氮含量在N2出現(xiàn)最大值，平均值較N4、N1和N0分別顯著提高7.33%、14.21%和46.56%。

2.2 施氮量對(duì)土壤酸解銨態(tài)氮含量的影響

如圖2所示，與酸解總氮相似，生育期內(nèi)酸解銨態(tài)氮含量也表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，S1至S2時(shí)期上升，S2至S3時(shí)期下降。各時(shí)期隨施氮量的增加，銨態(tài)氮含量也呈先上升后下降趨勢(shì)。S1時(shí)期，各處理間差異顯著；S2和S3時(shí)期，N2與N3差異不顯著，顯著大于N4、N1和N0。

從3個(gè)時(shí)期平均來看，各處理間差異顯著，表現(xiàn)為N2gt;N3gt;N4gt;N1gt;N0，N2、N3、N4和N1處理的酸解銨態(tài)氮含量較N0分別顯著提高170.21%、160.94%、145.95%和124.47%，N2處理的酸解銨態(tài)氮含量較N3、N4和N1分別顯著提高3.55%、9.86%和20.37%。

2.3 施氮量對(duì)土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量的影響

如圖3所示，S1至S3時(shí)期，酸解氨基酸態(tài)氮含量逐漸下降。S1時(shí)期，N2處理下的氨基酸態(tài)氮含量顯著大于其他處理，N3與N4間差異不顯著；S2時(shí)期，各處理間差異顯著；S3時(shí)期，氨基酸態(tài)氮含量在N2處理下最高，N3、N4和N1間差異不顯著，但均顯著大于N0。

從3個(gè)時(shí)期平均來看，N2、N3、N4和N1處理的酸解氨基酸態(tài)氮含量較N0分別顯著提高56.70%、45.34%、39.97%和31.10%，N2處理的酸解氨基酸態(tài)氮含量較N3、N4和N1分別顯著提高7.82%、11.95%和19.53%。

2.4 施氮量對(duì)土壤酸解氨基糖態(tài)氮含量的影響

如圖4所示，與酸解氨基酸態(tài)氮相似，S1至S3時(shí)期，酸解氨基糖態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì)。S1時(shí)期，各處理間差異顯著；S2和S3時(shí)期，N2與N3差異不顯著，顯著大于N4、N1和N0。從3個(gè)時(shí)期平均來看，各處理間顯著差異，N2、N3、N4和N1處理的酸解氨基糖態(tài)氮含量較N0分別顯著提高97.30%、86.20%、49.07%和37.53%，N2處理的酸解氨基糖態(tài)氮含量較N3、N4和N1分別顯著提高5.96%、32.35%和43.46%。

2.5 施氮量對(duì)土壤酸解未知態(tài)氮含量的影響

如圖5所示，與其他有機(jī)氮組分不同，S1至S3時(shí)期，酸解未知態(tài)氮含量在N0處理下逐漸上升，而在4種施氮處理下呈先下降后上升趨勢(shì)。各時(shí)期隨施氮量的增加，酸解未知態(tài)氮含量未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。S1時(shí)期，N2處理的酸解未知態(tài)氮含量顯著小于其他各處理；S2時(shí)期，N1、N2、N3和N4處理均顯著小于N0；S3時(shí)期，N2和N3處理間差異不顯著，N4和N1處理間差異不顯著，均顯著大于N0。從3個(gè)時(shí)期平均來看，酸解未知態(tài)氮含量表現(xiàn)為N0gt;N3gt;N4gt;N2gt;N1，N3、N4、N2和N1各處理較N0分別顯著降低0.63%、3.26%、4.03%和6.45%。

2.6 施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

如圖6所示，產(chǎn)量隨施氮量增加先上升，至N2處理達(dá)到最大后逐漸下降，表現(xiàn)為N2gt;N3gt;N4gt;N1gt;N0，與N0相比，N2、N3、N4和N1處理產(chǎn)量分別顯著提高112.89%、109.57%、106.76%和79.76%；N2產(chǎn)量較N3、N4、N1分別顯著提高1.58%、2.97%和18.43%。

2.7 有機(jī)氮組分與產(chǎn)量的線性回歸分析

為明確土壤有機(jī)氮組分與玉米產(chǎn)量間相關(guān)性，對(duì)有機(jī)氮組分各指標(biāo)的平均值與產(chǎn)量進(jìn)行線性回歸分析，如圖7所示，除酸解未知態(tài)氮含量與產(chǎn)量擬合度較低外（R²=0.178 9， Pgt;0.05），其他4種有機(jī)氮組分均與產(chǎn)量呈顯著正向線性關(guān)系，相關(guān)性大?。╮值）表現(xiàn)為酸解銨態(tài)氮gt;酸解總氮gt;酸解氨基酸態(tài)氮gt;酸解氨基糖態(tài)氮。

3 討論

3.1 施氮量對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響

有機(jī)氮組分是土壤氮庫的重要組成部分，其含量變化表征了土壤氮素轉(zhuǎn)化、運(yùn)移狀態(tài)，影響著土壤氮素供應(yīng)能力^[13]。土壤有機(jī)氮組分包括酸解銨態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮、酸解氨基糖態(tài)氮及酸解未知態(tài)氮，直接或間接影響土壤氮素有效性，在土壤氮素循環(huán)中起重要作用^[14]。酸解總氮含量為上述各組分含量之和^[15]，研究表明，土壤有機(jī)氮組分與施肥措施密切相關(guān)^[16]。本研究中，各時(shí)期隨施氮量的增加，酸解總氮、酸解銨態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮和酸解氨基糖態(tài)氮含量均呈先上升后下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為N2gt;N3gt;N4gt;N1gt;N0。與N0相比，其他4種處理因氮肥的施入刺激土壤中的微生物活動(dòng)和有機(jī)物分解，從而轉(zhuǎn)化釋放出更多的酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮，因此當(dāng)施氮量增加時(shí)，土壤中這些氮素形態(tài)含量隨之上升；當(dāng)施氮量到達(dá)210 kg·hm^-2（N2處理）時(shí)，除酸解未知態(tài)氮外，其他有機(jī)氮組分含量出現(xiàn)最大值，當(dāng)施氮量為252和273 kg·hm^-2時(shí)，有機(jī)氮含量逐漸下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象一方面是由于過量的氮肥可能導(dǎo)致氮素的淋溶、揮發(fā)或反硝化損失，減少了土壤氮素積累量^[17]，另一方面可能存在氮素與其他養(yǎng)分（磷、鉀等）間的競爭或協(xié)同作用，影響了有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化和釋放，使各組分含量降低^[18]。蘭慧青^[19]在探究施氮水平對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)，盡管有機(jī)氮含量隨施氮量的增加逐步升高，但當(dāng)施氮量超過某一閾值時(shí)，可能會(huì)破壞土壤微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而造成有機(jī)氮含量降低。本研究表明，酸解未知態(tài)氮含量在各時(shí)期無明顯變化規(guī)律，但從平均值來看，N0出現(xiàn)最大值，且顯著大于其他施氮處理，這與焦亞鵬等^[20]研究結(jié)論相似。酸解未知態(tài)氮以一種未確定的形式存在于土壤中，可能是一些有機(jī)氮化合物的碎片或殘留物，通常難以分解，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)^[21]，而氮肥的施入引起氮素轉(zhuǎn)化和固持過程發(fā)生變化，使土壤中的氮素可能更多地被固定為其他組分的氮，導(dǎo)致本研究中施氮處理下的酸解未知態(tài)氮含量小于N0處理。

3.2 施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，作物產(chǎn)量會(huì)逐漸增加，呈正向趨勢(shì)，而超出該范圍時(shí)不再增產(chǎn)^[22]。本研究得到相似結(jié)果，當(dāng)施氮量增加至210 kg·hm^-2時(shí)，獲得最高產(chǎn)量，增至252和273 kg·hm^-2時(shí)，產(chǎn)量下降，這可能是氮肥中的氨或硝酸鹽濃度過高引起作物生理障礙，如氨中毒或離子失衡^[23]。此外，適宜的氮磷鉀比例對(duì)于作物健康生長至關(guān)重要，過量的氮肥可能會(huì)打破這種平衡，導(dǎo)致其他營養(yǎng)元素的相對(duì)缺乏^[24]，還會(huì)影響土壤微生物的多樣性和活動(dòng)，降低土壤肥力^[25]，進(jìn)而抑制作物生長。土壤緊實(shí)度增加、透氣性變差也可能是過量施氮導(dǎo)致的結(jié)果^[26]。這些共同因素是造成施氮量過高不增產(chǎn)甚至減產(chǎn)的重要原因。

本研究中，產(chǎn)量與有機(jī)氮組分相關(guān)性結(jié)果表明，土壤酸解銨態(tài)氮含量是影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。酸解銨態(tài)氮主要來源于土壤有機(jī)物的礦化，酸解銨態(tài)氮含量的增加，表明土壤中可供作物利用的氮素總量增加^[27]，土壤肥力和作物氮素供應(yīng)得到改善，有利于促進(jìn)植株生長和增產(chǎn)。

4 結(jié)論

適宜施氮量是保證土壤有機(jī)氮組分有效轉(zhuǎn)化及玉米獲得高產(chǎn)的重要前提。本研究中，隨施氮量的增加，土壤酸解總氮、酸解銨態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮和酸解氨基糖態(tài)氮含量呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)施氮量為210 kg·hm^-2（N2處理）時(shí)，以上4種有機(jī)氮組分含量最高。酸解銨態(tài)氮是影響玉米產(chǎn)量的第一要素，N2處理下酸解銨態(tài)氮含量顯著大于其他處理，即具有更高的供氮潛力，產(chǎn)量達(dá)到最大值。

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Effects of Nitrogen Application Rate on Soil Organic

Nitrogen Components and Maize Yield Under

Integration of Water and Fertilizer

XU Yingying^1，2， WANG Yuxian^1，2， YANG Huiying^1，2， GAO Pan^1，2， ZHANG Gongliang¹， SHEN Huibo¹， LIU Yutao^1，2， XU Ting^1，2

（1.Qiqihar Branch，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Qiqihar 161006， China; 2.Zhang Xingyi Soil Science Scientist Studio， Chinese Academy of Sciences， Qiqihar 161006， China）

Abstract：In order to further optimize the fertilization technology under integration of water and fertilizer for maize， and to promote the effective transformation and utilization of nitrogen fertilizer， effects of different nitrogen application rate on soil organic nitrogen components and yield were studied. The results showed that with the increase of nitrogen application rate， the content of soil acid hydrolyzed total nitrogen， acid hydrolyzed ammonium nitrogen， acid hydrolyzed amino acid nitrogen， and acid hydrolyzed amino sugar nitrogen showed a trend of first increasing and then decreasing. When the nitrogen application rate was 210 kg·ha^-1 （N2 treatment）， content of the above four organic nitrogen components was the highest. Acid hydrolyzed ammonium nitrogen was the key factor affecting maize yield， and its content under N2 treatment was higher than that in N3 （252 kg·ha^-1）， N4 （273 kg·ha^-1）， N1 （147 kg·ha^-1） and N0 （0 kg·ha^-1） ，which significantly increased by 3.55%， 9.86%， 20.37%， and 170.21%， respectively. Yield significantly increased by 1.58%， 2.97%， 18.43%， and 112.89%， respectively. In summary， N2 treatment （nitrogen application rate is 210 kg·ha^-1）" has higher nitrogen supply potential， was a more ideal nitrogen application rate.

Keywords：integration of water and fertilizer; nitrogen application rate; organic nitrogen components; maize yield