孫昭安，陳 清，吳文良，孟凡喬

（中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

化肥氮的去向包括作物吸收、土壤殘留和損失。氮肥利用率是指當季作物吸收肥料氮占施入肥料氮的百分比，反映的是當季作物對肥料氮的回收情況，并未考慮氮肥后效和殘留肥料氮對土壤氮消耗的補償這一重要的氮素轉化問題[1–2]。目前，作物對氮肥的吸收比例和數量主要采用差值法和同位素示蹤法來確定，從理論上也可應用這兩種方法測定化肥氮的土壤殘留率和殘留量[3]。田間試驗中，由于土壤氮庫很大，30 cm土體一般為N 3000～5000 kg/hm2[3]，通過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量只有N 100～200 kg/hm2[3]，導致施肥區(qū)和對照區(qū)土壤氮量差的準確測定較為困難，給差值法帶來較大誤差。相對而言，15N示蹤法能夠較準確測定氮肥的利用率[3,5–6]。

冬小麥生產中，肥料氮的去向受土壤肥力[7]、作物品種[8]、產量水平[9]、施氮數量[10–11]和施氮時期的影響[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]。對于施肥時期，由于氮素轉化高度活躍 (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果，拔節(jié)期施肥的利用率較高。需要指出的是，大部分研究僅針對氮肥利用率，沒有考慮肥料氮在土壤中的殘留，即對于土壤氮庫的補償效應。

采用15N示蹤法，可以定量冬小麥吸收氮的來源，即來自肥料氮和來自土壤氮的數量。若來自土壤的氮量大于肥料氮的殘留量，就說明殘留的肥料氮不能維持土壤氮庫的平衡；反之，殘留的肥料氮可以維持土壤氮庫的平衡。差值法不能區(qū)分冬小麥吸收氮的來源，因此無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于土壤氮庫的補償效應。近年來，隨著我國糧食生產水平的提高，氮肥用量不斷提高。以前研究所獲得的氮肥去向[18–20]，無法準確反映當前生產水平下，氮肥在土壤和作物系統(tǒng)中的分配和轉換。為了進一步明確肥料氮–土壤氮–作物氮“三氮”之間的關系，改進小麥生產中的氮素管理，提高施氮效果，降低對環(huán)境的負面影響，本研究分期 (冬小麥播期或拔節(jié)期) 施肥，采用15N示蹤法，分析當前農民氮肥水平下，肥料氮的利用率、對于土壤氮庫的補償效應以及肥料氮的損失。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年10月15日至2015年6月5日在中國農業(yè)大學桓臺實驗站田間進行。該站位于東經117°59'、北緯 36°57'，海拔高度為 18 m。供試土壤取自試驗站農田表層 (0—20 cm)。供試土壤為潮土[21]：土壤有機碳8.4 g/kg、土壤無機碳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 試驗設計

1.2.1 盆栽試驗設計 采用內徑10 cm、高30 cm的PVC缽進行盆栽試驗。每盆裝過5 mm篩的風干土8.7 kg。試驗為兩因素隨機區(qū)組設計，4次重復。不同時期破壞性取樣為A因素，設花期、灌漿期和收獲期3個水平。施氮量為B因素，設不施氮 (CK) 和施氮 (+ N，N 90 mg/kg，即等同于當地農民常規(guī)施氮量N 250 kg/hm2) 兩個氮肥水平，分別以50%作基肥、50%在拔節(jié)期追肥，氮肥用15N標記尿素。所有處理均以過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，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 (根據田間定植密度1.8 × 106株/hm2)。冬小麥生長期間，根據病蟲害情況，噴灑必要的農藥。

1.2.215N標記 采用原子百分含量為10.4%的15N標記尿素 (由上?；ぱ芯吭荷a)。對于開花期和灌漿期取樣的小麥，基肥和追肥均采用15N標記尿素。對于收獲期取樣的小麥，通過設“基施15N標記尿素 + 拔節(jié)期追施普通尿素”和“基施普通尿素 + 拔節(jié)期追施15N標記尿素”兩種施肥方式，來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，設置施普通尿素 (自然豐度) 的對照盆，每個處理重復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肥料標記和自然對照不標記) 兩個處理盆中破壞性取樣，并按根、秸稈+谷殼+穗軸、籽粒進行區(qū)分。從基部剪斷小麥植株，將全部土壤過2 mm篩，挑出根系，把土壤平鋪于農用地膜上。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，挑去殘留細根，在60℃條件下烘干至恒重。

測定之前，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型質譜儀(DELTAplusXP，ThermoFinnigan，Bremen，Germany)中測定。利用Thermo Elemental Analyzer 1112元素分析儀測定植物氮含量和土壤全氮含量。

1.2.4 氮素相關指標的計算方法 冬小麥吸收的氮中，來自肥料氮和土壤的比例 (%) 和數量 (N g/pot)[10–11]用下列公式計算：

土壤氮素來自肥料氮的比例 (%) 和數量 (N,g/pot)[3,5]：

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

冬小麥營養(yǎng)器官的氮轉運量用灌漿前 (開花期)和灌漿后 (灌漿期和成熟期) 營養(yǎng)器官中氮素之差來表示 (N, g/pot)，轉運效率是冬小麥氮轉運量占開花期營養(yǎng)器官氮量的百分比 (%)，小麥氮素轉運對籽粒的貢獻為開花后營養(yǎng)器官氮素轉運量占成熟期籽粒氮量的百分比 (%)[24–26]：

1.3 數據分析

對不同生育期 (A因素) 試驗數據采用SPSS17.0軟件中的單因素AVNOVA進行方差分析，采用LSD法進行多重比較；對不同氮肥用量(B因素) 試驗數據采用SPSS17.0軟件中的t-test進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 供氮對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，其余生育時期兩處理間無顯著差異(圖 1b)。

圖 1 供氮對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源于肥料氮和土壤氮的比例

在冬小麥收獲期，土壤氮對根氮的貢獻最大(57.2%)，對籽粒氮的貢獻最小 (42.8%)(圖2a)；相反，肥料氮對籽粒氮的貢獻最大 (58.4%)，基肥氮和追肥氮的貢獻分別為27.3%和31.1%，肥料氮對根氮的貢獻最小 (42.7%)，基肥氮和追肥氮的貢獻分別為25.8%和16.9%(圖2a和圖2b)。肥料氮對整個植株氮的貢獻為57.2%，基肥氮和追肥氮的貢獻分別為26.6%和30.6%。對于冬小麥各器官和整個植株，土壤氮的貢獻均顯著高于基肥和追肥氮，基肥和追肥氮對小麥器官 (除根之外) 氮貢獻沒有顯著差異 (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，整個植株對肥料15N的回收率約提高了50%，而營養(yǎng)器官 (根和秸稈 + 谷殼 +穗軸) 對肥料15N的回收率下降了60% (表1)。在開花期，營養(yǎng)器官對肥料15N的回收率高于籽粒，到了收獲期，籽粒對肥料15N的回收率卻高于營養(yǎng)器官 (表1)。這是因為從開花期到成熟期，冬小麥籽粒氮的64.9%～86.7%由開花期營養(yǎng)器官的儲存氮素轉運而來，從開花期到灌漿期和灌漿期到成熟期兩個階段轉運的氮量，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處理顯著地促進了營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉運量(增加了93%)，降低了營養(yǎng)器官氮素對籽粒的貢獻，降低了25% (表2)。

從開花期到收獲期，15N標記氮肥在土壤中的殘留率隨冬小麥生長而降低，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之間沒有顯著差異 (結合圖1b和圖2c計算)，因此，肥料可以完全補充本季小麥對土壤氮肥力的消耗。肥料15N的損失率隨著冬小麥的生長而升高，從開花期到收獲期，升高幅度甚至達兩倍。

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

圖 2 基肥、追肥和土壤氮對冬小麥氮吸收的貢獻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 冬小麥開花后營養(yǎng)器官向籽粒的氮素轉移Table 2 Translocation of N from vegetative organs to grain after anthesis stage of wheat

3 討論

3.1 冬小麥吸收的氮來自氮肥和土壤的比例

小麥氮有2個來源，來自土壤的氮和肥料的氮。本研究中，冬小麥整個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]的結果類似，肥料氮對冬小麥氮的貢獻高于55%。在大多數研究中，土壤氮對小麥氮的貢獻高于肥料氮，如左紅娟等[26]在華北平原的研究表明，土壤氮對冬小麥氮貢獻為66%～73%，與邊秀舉等[27]在草甸栗鈣土上測得的結果類似(69%～77%)。本研究和其他研究結果不同，可能與本研究土壤處于中低氮肥力水平、小麥對肥料氮的依存率相對較高有關[7,29]。達到一定施氮量，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量施氮不能提高產量的原因[29]。無論土壤肥力高低，土壤氮在小麥生產中仍然起到非常重要的作用 (貢獻率 ＞ 40%)，因此，加強土壤肥力培育，對于冬小麥高產和穩(wěn)產具有重要意義。

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

冬小麥籽粒獲得氮有2個途徑，一是直接來自根系的吸收，二是冬小麥開花期之前營養(yǎng)器官氮的再運轉和利用[31]。本研究中，小麥開花期后營養(yǎng)器官氮的貢獻為65%～87%，只有13%～35%的籽粒氮是靠根系吸收供應的 (表2)。同延安等[32]也發(fā)現(xiàn)了類似結果，冬小麥營養(yǎng)器官轉運氮對籽粒氮的貢獻為69%～87%，只有13%～31%的冬小麥籽粒氮是由根系直接吸收。因此，在營養(yǎng)生長階段，冬小麥吸收超過其滿足其當前組織需要的氮量并儲存起來，然后在后期生殖生長階段轉運存儲的氮素到籽粒[33–34]。

3.2 化肥氮的去向

籽粒吸收肥料氮的多少決定了氮肥的經濟利用效率。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標記冬小麥結果相近，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。如當施氮量從100增加到250 kg/hm2，對肥料氮的回收率無顯著差異[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]。冬小麥收獲期，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]的結果相似。這意味著，在本研究中農民常規(guī)施肥為N 250 kg/hm2的水平下，適當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，本研究結果為29% (表1)，這部分是消耗土壤氮庫的重要補充。氮肥利用率不可能無限制提高，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]。從另一個角度分析，無論何種施肥措施，土壤氮對冬小麥氮的貢獻一般為60%以上，氮素殘留實際上是肥料氮與土壤氮的交換[12–13,30]。本研究中，整個小麥生育期，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 結論

1) 在冬小麥整個生育期，肥料氮對小麥氮的貢獻為主 (57%)，基肥和追肥的貢獻分別為26%和31%，土壤氮的貢獻為43%；從開花期到成熟期，籽粒氮中的64.9%是由開花期營養(yǎng)器官的氮轉運而來；從開花期到灌漿期和灌漿期到成熟期兩個階段，轉運的氮量分別占到成熟期籽粒氮的37.7%和20.2%。

2) 冬小麥收獲后，肥料氮約29%殘留在土壤中，是土壤氮庫的重要補充，土壤氮素能夠維持基本平衡。

3) 肥料氮當季小麥回收率為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%，適當增加追肥氮的比例可以減少其損失。

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