石德楊，張海艷*，董樹亭

(1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與植物保護學(xué)院，山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東青島266109;2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生物學(xué)國家重點實驗室，山東泰安271018)

20世紀80年代以后，中國成為世界上氮肥消費最多的國家，在占世界9%的耕地上消耗了全球氮肥的30%以上。這一方面是維持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需要，同時也與傳統(tǒng)水肥管理的不合理有關(guān)。統(tǒng)計表明，1977年至2005年期間，中國每年的糧食產(chǎn)量從2.83×1011kg增加到4.84×1011kg，增長了71%;農(nóng)作物的單位產(chǎn)量也從2348 kg/hm2增長到4642 kg/hm2，增長了98%。與此同時，氮肥的應(yīng)用則從7.07×109kg增加到26.21×109kg，增長了271%，遠遠超過前兩者［1］。Fang 等［2］在華北地區(qū)的研究表明，施氮量超過N 200 kg/hm2時產(chǎn)量不再顯著增加，施氮量與作物產(chǎn)量的關(guān)系呈線性加平臺或二次拋物線關(guān)系。Sexton等［3］研究了“氮輸入－產(chǎn)量響應(yīng)－淋失量”函數(shù)關(guān)系，表明當(dāng)施肥量比最大產(chǎn)量時的額定用量少5%時，淋失量可顯著減少35%。華北平原夏玉米－冬小麥輪作體系中，每年氮肥投入在550～600 kg/hm2左右，氮肥超量施用現(xiàn)象十分普遍［4］，而氮素損失及對生態(tài)環(huán)境的破壞主要發(fā)生在夏玉米季［5－6］。因此對夏玉米的氮素利用與氮素損失的研究意義重大。

中國農(nóng)田氮素平衡的計算結(jié)果表明，自80年代以后，中國農(nóng)田氮素開始盈余，而且盈余量越來越大，1998 年盈余量達 5.85 ×109kg［7］。這些盈余的氮素絕大部分以不同形態(tài)貯存于土體中。在15N標記氮肥的田間試驗中，當(dāng)季作物收獲時化肥氮在土壤中的殘留率一般為15% ～30%［8］。北方旱作條件下，施入的銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥在土壤中1～2周會轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮;高量施氮條件下，收獲后土壤中累積的氮素絕大部分以硝態(tài)氮的形態(tài)存在［9］。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)系在河北辛集的調(diào)查結(jié)果，20塊小麥田收獲后0—90 cm土層土壤中的殘留無機氮(其中95%是硝態(tài)氮)為75～510 kg/hm2，超過200 kg/hm2的田塊占到40%［9］。因此在現(xiàn)有的氮肥管理條件下，土壤剖面累積了大量的硝態(tài)氮，這是不容忽視的土壤氮素資源。然而，目前為止的氮肥管理卻很少將土壤殘留氮素考慮在內(nèi)［10］。本研究通過田間試驗，充分考慮土壤殘留氮的存在，探討在高殘留氮土壤上施氮對夏玉米氮素平衡、氮素利用及產(chǎn)量的影響，分析高殘留氮條件下夏玉米的經(jīng)濟效益，以引起并提高氮肥研究中對土壤殘留氮的重視，真正實現(xiàn)氮肥的合理施用，并為集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)資源高效和環(huán)境友好提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2010年6～10月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米科技創(chuàng)新園(116°20'～117°59'E，35°38'～36°28'N)進行，試驗田位于黃淮海平原地區(qū)，屬半濕潤溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為697 mm，且多集中在夏季，年平均氣溫12.9℃，無霜期195 d。供試土壤為中性沙壤土，地力均勻，播種前土壤剖面無機氮含量為444 kg/hm2，0—180 cm土層土壤的理化性質(zhì)見表1。

試驗設(shè)5個氮肥(尿素)水平，即 N 0、80、160、240 和 320 kg/hm2，分別以 N0、N80、N160、N240、N320表示，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計。磷、鉀肥為常規(guī)固定處理，即150 kg/hm2。試驗地前茬作物為小麥，2010年6月12日小麥收獲后翻地、播種，供試品種選用鄭單958，種植密度67500 plant/hm2，行距60 cm，株距25 cm，小區(qū)面積30 m2(3 m×10 m)，重復(fù)3次，小區(qū)間隔1 m。7月8日定苗，7月23日追肥，10月8日收獲。播種前施50%的氮肥及全量的磷、鉀肥作底肥，剩余的50%于大口期追施，田間管理按夏玉米高產(chǎn)田進行。

表1 試驗地0—180 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性狀Table 1 Basic soil physicochemical properties of the experiment(0－180 cm)

1.2 測定項目與方法

于播種前及收獲后按每層30 cm采集0—180 cm土層的土壤樣品，每小區(qū)取3鉆，按土壤層次等層混合均勻。稱取新鮮土樣6 g，加入50 mL 1 mol/L的KCl浸提，振蕩60 min，過濾后保存在4℃冰箱中，用AA3(Auto Analyzer 3)型流動分析儀(德國SEAL公司)測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，并根據(jù)不同容重將單位換算成kg/hm2。根據(jù)鮑士旦［11］的方法，測定土壤有機質(zhì)、土壤全氮、速效磷、速效鉀、土壤容重。土壤pH用酸度計法測定［12］。

分別于玉米拔節(jié)期、大口期、開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期在每個處理小區(qū)選取代表性植株3株，分為莖(含葉鞘和雄穗)、葉、苞葉、籽粒、穗軸(開花后)5部分，置于烘箱中，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒量。樣品粉碎，過0.42 mm篩，用濃H2SO4－H2O2消解，稀釋后用KDY-9820型凱氏定氮儀測定含氮量［11］。成熟期收獲，考種測產(chǎn)。

1.3 計算方法及數(shù)據(jù)分析

土壤硝態(tài)氮積累量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)/10［13］;

土壤礦化氮量(kg/hm2)=不施氮區(qū)地上部分吸氮量+不施氮區(qū)土壤殘留無機氮量－不施氮區(qū)土壤起始無機氮量［13－14］;

氮表觀損失量(kg/hm2)=氮輸入量－氮輸出量=(施氮量+播前土壤起始礦質(zhì)氮量+氮表觀礦化量)－(施氮區(qū)地上部分吸氮量+收獲后土壤殘留礦質(zhì)氮量)［13－14］;

氮肥表觀損失率(%)=氮表觀損失量/施氮量×100［14］;

氮剖面損失量(kg/hm2)=播前土壤起始無機氮量－收獲后土壤殘留無機氮量［13］;

氮肥土壤殘留率(%)=100－氮肥利用率－表觀損失率［14］;

氮收獲指數(shù)(NHI，%)=籽粒吸氮量/植株吸氮量 ×100［13］;

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量［13］;

氮肥生理利用率(NPUE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量－不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部分吸氮量－不施氮區(qū)地上部分吸氮量)［13］;

氮肥利用率(NFUE，%)=(施氮區(qū)地上部分吸氮量 －不施氮區(qū)地上部分吸氮量)/施氮量×100［6，10，14］;

氮素利用率(NUE，%)=施氮區(qū)地上部分吸氮量/(土壤殘留硝態(tài)氮量+施氮量)×100［10］;

土壤氮依存率(SNDR，%)=不施氮區(qū)地上部分吸氮量/施氮區(qū)地上部分吸氮量×100［14］。

試驗數(shù)據(jù)采用DPS 3.01和Microsoft Excel 2003進行統(tǒng)計分析。產(chǎn)量、經(jīng)濟效益與“土壤殘留氮+施入氮”的函數(shù)方程采用OriginPro 7.5擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 高殘留氮下施氮對硝態(tài)氮積累量的影響

播種前，0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量為396 kg/hm2，說明夏玉米播種前供試土壤的硝態(tài)氮水平高(表2)。方差分析表明，施氮處理對收獲后各土層及0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量影響達到顯著水平(P＜0.05);各土層及0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量表現(xiàn)為N320＞N240＞N160＞N80＞N0處理，即各土層均以不施氮處理硝態(tài)氮積累量最低，隨施氮量的增加硝態(tài)氮積累量增加。與播種前比較，N0、N80處理收獲后0—180 cm土層硝態(tài)氮積累量顯著降低，而N160、N240和N320處理顯著升高(表2)。說明低施氮量(＜80 kg/hm2)能在一定程度上降低土壤硝態(tài)氮的累積;高施氮量(＞160 kg/hm2)則進一步加重土壤硝態(tài)氮的累積。各土層之間比較，各處理土壤硝態(tài)氮積累量在0—60 cm土層最高。隨土層深度的增加，收獲后各施氮處理土壤硝態(tài)氮積累量呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢;且各施氮處理土壤硝態(tài)氮積累量的低谷均出現(xiàn)在60—90 cm(表2)?？梢娤鯌B(tài)氮主要分布于土壤上層，且會因灌溉及降雨等因素導(dǎo)致部分硝態(tài)氮往下層土壤淋洗，由此加劇了對地下水污染的風(fēng)險。

表2 不同施氮量下土壤剖面硝態(tài)氮積累量(kg/hm2)Table 2 NO3－-N accumulation in soil profile under different nitrogen application rates

2.2 高殘留氮土壤施氮對氮素平衡的影響

土壤無機氮(Nmin)包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。在本試驗中計算氮素平衡時，將土壤無機氮累積量指定在0—180 cm土層范圍，即玉米根系的主要分布范圍，且不考慮氮素的激發(fā)效應(yīng);假定施氮區(qū)與不施氮區(qū)土壤礦化氮量相同;因土壤中含有較高水平的殘留氮，降雨帶入土壤中的氮素不予考慮。

從表3可以看出，夏玉米全生育期土壤氮素的礦化量(184 kg/hm2)與播前土壤起始無機氮量之和達628 kg/hm2，土壤自身供氮量可以滿足作物對氮素的需求。從收獲后土壤殘留的無機氮來看，各施氮處理無機氮的殘留量高達413～543 kg/hm2，即使不施氮處理的殘留量也高達378 kg/hm2，這主要與土壤起始無機氮含量很高有關(guān)。大量殘留的無機氮特別是硝態(tài)氮極易通過淋洗或硝化－反硝化途徑從土壤－作物體系中損失掉，對環(huán)境產(chǎn)生危害。

當(dāng)施氮量為N 80、160、240和320 kg/hm2時，氮表觀損失依次為18、45、72和108 kg/hm2，對應(yīng)的表觀損失率為23%、28%、30%和34%，氮肥土壤殘留率為44%、47%、46%和52%(表3)。

將作物吸氮量、表觀損失量與總氮輸入量進行回歸分析，得出作物吸氮量回歸方程為:y=0.156x+161.64(R2=0.891*)，即總氮輸入量每增加1 kg作物吸氮量增加0.156 kg。表觀損失量回歸方程為:y=0.369x－245.03(R2=0.997＊＊)，即總氮輸入量每增加1 kg氮素表觀損失量增加0.369 kg。說明總氮輸入量每增加1 kg，氮素的表觀損失量是作物吸氮量的2.4倍左右。

2.3 高殘留氮土壤施氮對夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響

從表4可以看出，不施氮處理夏玉米產(chǎn)量達到11.6×103kg/hm2。隨著施氮量的增加，當(dāng)施氮量為80 kg/hm2、160 kg/hm2和240 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮處理，但3個處理間差異沒有達到顯著水平;施氮量320 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量顯著降低，與不施氮處理間差異不顯著?？梢?，在本試驗高殘留氮土壤條件下，80～240 kg/hm2施氮量均能提高夏玉米產(chǎn)量，并且在此范圍內(nèi)隨施氮量增加產(chǎn)量差異不明顯。

表3 不同施氮量下土壤氮素平衡及損失Table 3 Soil N balance under different nitrogen application rates

表4 不同施氮量對夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響Table 4 Effects of different nitrogen application rates on yield and nitrogen use efficiency of summer maize

施氮處理夏玉米籽粒吸氮量顯著高于不施氮處理，且隨施氮量的增加而增加;但當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時，籽粒吸氮量不再顯著增加，而是顯著降低(表4)。氮收獲指數(shù)(NHI)能反映出氮素向籽粒轉(zhuǎn)移的效率。由表4還可以看出，不同施氮處理的氮收獲指數(shù)介于62.7% ～68.7%之間，且隨著施氮量的增加而降低。

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)可以用來評價氮肥的增產(chǎn)效果，氮肥生理利用率(NPE)指因施氮增加的吸氮量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量或干物質(zhì)的效率，氮肥利用率(NFUE)表述對氮肥的利用情況，氮素利用率(NUE)反映對土壤殘留氮和氮肥的利用情況。從表4還可以看出，施氮量N 80 kg/hm2時，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率和氮素利用率均最高，分別為 4.6 kg/kg、13.9 kg/kg、33.3% 和58.2%;隨施氮量的增加，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率和氮素利用率降低。說明在高殘留氮土壤上增施氮肥會降低氮肥的增產(chǎn)作用和利用率。

土壤氮依存率(SNDR)是指土壤氮對作物氮營養(yǎng)的貢獻率。表4顯示，各施氮處理土壤氮依存率較高，介于81.4% ～90.4%，這與土壤起始無機氮水平較高有關(guān)。

2.4 夏玉米的經(jīng)濟效益分析

采用二次多項式Y(jié)=a+bX+cX2，模擬“籽粒產(chǎn)量”與“土壤殘留氮+施入氮”的關(guān)系(圖1A)，籽粒產(chǎn)量Y最大時施氮量X= －b/2c。經(jīng)擬合，得方程 Y=5.99763+0.02143X－0.0000184152X2。計算可知，最大籽粒產(chǎn)量時“土壤殘留氮+施入氮”為582 kg/hm2，去除土壤殘留氮，需要施氮量為186 kg/hm2。綜合考慮產(chǎn)量利潤和氮肥施用成本，模擬“毛利潤－氮肥價格”與“土壤殘留氮+施入氮”的關(guān)系(圖1B)，得方程Y=1.31395+0.00383X －0.00000359842X2，最大經(jīng)濟效益時“土壤殘留氮+施入氮”為532 kg/hm2，施入氮136 kg/hm2。

圖1 “土壤殘留氮+施入氮”與籽粒產(chǎn)量(A)和經(jīng)濟效益(B)的模型擬合Fig．1 The models describing relationships between soil N+fertilizer N，and grain yield(A)and economic benefit(B)

3 討論與結(jié)論

植物通過吸收土壤中氮素來滿足其生長發(fā)育的需要，其中包括土壤氮及肥料氮，巨曉棠等［15］認為，氮素殘留是對土壤氮庫的一種補償，是肥料氮與土壤氮的交換作用，但土壤中殘留過多的氮素，尤其是硝態(tài)氮不僅會造成氮素資源的浪費，還會對環(huán)境造成某種程度的威脅。歐美許多國家對土壤中殘留氮的含量有十分嚴格的規(guī)定，一般要求0—90 cm土體中殘留硝態(tài)氮低于45 kg/hm2或無機氮不高于50 kg/hm2［16］。本試驗中，夏玉米播種前 0—180 cm 土體硝態(tài)氮積累量為396 kg/hm2，達到極高水平。因此，土壤高殘留氮是本試驗夏玉米氮肥研究中不可忽視的一個重要因素。

硝態(tài)氮是氮素在土壤中存在和作物吸收利用的主要形式［7］。高亞軍等［17］研究認為，施氮是造成土壤中硝態(tài)氮積累的主要原因。大量研究表明，硝態(tài)氮積累量隨施氮量的增加而增加［13，18］。從本試驗中可以看出，受播前土壤殘留硝態(tài)氮的影響，即使不施氮處理夏玉米收獲后土壤中硝態(tài)氮積累量仍保持較高水平(346 kg/hm2)。隨施氮量增加，土壤硝態(tài)氮積累量增多，0—180 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量呈極顯著線性關(guān)系(R2=0.994＊＊)。因此，本試驗條件下，播前土壤殘留氮和施氮是造成土壤硝態(tài)氮積累的兩個重要因素。

玉米收獲后氮平衡計算結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，氮素的表觀損失量增加［13，19］。本試驗中，夏玉米生育期土壤氮素的礦化量加上播前無機氮量，土壤自身供氮量達到628 kg/hm2，遠高于當(dāng)季夏玉米的吸氮量，這可能是各施氮處理土壤殘留無機氮和表觀損失量增加的一個原因。施用氮肥能促進植株對氮素的吸收［20］。楊榮等［18］研究表明，隨施氮量增加，玉米總吸氮量增加。本試驗條件下，施氮量小于240 kg/hm2時，作物和籽粒吸氮量隨施氮量增加而增加，當(dāng)施氮量超過240 kg/hm2時，作物和籽粒吸氮量均有降低趨勢，可能是由于部分硝態(tài)氮淋溶出玉米根系吸收范圍而無法被作物吸收，導(dǎo)致吸氮量降低。

梁冬麗等［21］研究認為，玉米吸收利用土壤氮素的比例高于對肥料氮的吸收利用，這與本研究的結(jié)果是一致的。因此，合理的氮肥配置除了考慮施氮的增產(chǎn)效應(yīng)外還必須將土壤殘留氮考慮在內(nèi)。過量施氮導(dǎo)致玉米葉片早衰及光合能力下降，最終可能影響到正在發(fā)育籽粒的碳、氮代謝，不利于產(chǎn)量形成和氮肥利用率的提高［22］。本試驗中，土壤自身供氮水平較高，施氮能顯著提高玉米的產(chǎn)量，但施氮量在80～240 kg/hm2時，增施的氮肥對產(chǎn)量沒有明顯的增產(chǎn)作用，施氮量超過240 kg/hm2時產(chǎn)量反而下降。本研究中，氮收獲指數(shù)、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥生理利用率、氮肥利用率、氮素利用率均以80 kg/hm2施氮處理最高，且隨施氮量增加呈降低的趨勢。因此在本試驗的高殘留氮土壤條件下，綜合考慮產(chǎn)量、氮素利用和環(huán)境效應(yīng)，合理的施氮量為 N 80 kg/hm2。由于本研究僅為一年的試驗結(jié)果，對土壤高殘留氮條件下氮肥的合理施用量及氮素吸收利用等尚需進一步驗證。

從另一角度出發(fā)，中國人多地少，糧食生產(chǎn)壓力大，只能追求在保持較高產(chǎn)量水平下的合理的氮肥利用率，而不應(yīng)該一味追求高的氮肥利用率而降低產(chǎn)量［15］。此外，一味地強調(diào)過低的氮肥投入，還將導(dǎo)致土壤無法滿足作物正常生長的氮素需求而不利于作物產(chǎn)量的穩(wěn)定［18］。因而在本試驗的高殘留氮土壤條件下，綜合考慮玉米產(chǎn)量利潤和氮肥成本，夏玉米獲得最大產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益時的施氮量分別為186 kg/hm2和136 kg/hm2。

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