孫洪仁，王顯國(guó)，卜耀軍，喬楠，任波

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000；3.陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)草原工作站，陜西 榆林 719000）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是否需要施氮，至今仍存在較大爭(zhēng)議［1］。許多學(xué)者認(rèn)為，紫花苜蓿與根瘤菌共生，能夠固定大氣氮素而滿(mǎn)足自身需求，無(wú)須施氮；部分研究表明，施氮不僅沒(méi)有促進(jìn)紫花苜蓿生長(zhǎng)，反而造成減產(chǎn)；亦有很多研究證明，紫花苜蓿施氮增產(chǎn)效果明顯。那么，究竟在什么情形下紫花苜蓿施氮會(huì)無(wú)效甚或減產(chǎn)，而又在什么情形下紫花苜蓿施氮會(huì)增產(chǎn)呢？

大量研究［2-12］表明，土壤養(yǎng)分含量與施肥效果密切相關(guān)。土壤養(yǎng)分含量越低，施肥效果越好；反之，土壤養(yǎng)分含量越高，施肥效果越差，甚或造成減產(chǎn)。那么，土壤氮素含量是否會(huì)影響紫花苜蓿施氮效果呢？若然，施氮無(wú)效的土壤氮素含量臨界值是多少？土壤氮素含量臨界值以下，施氮量又該如何確定？

確定作物施肥量的方法有4種，分別為肥料效應(yīng)函數(shù)法、養(yǎng)分平衡-地力差減法、養(yǎng)分平衡-土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)法和土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法［2-12］。因時(shí)間有效性長(zhǎng)、地域有效性廣、簡(jiǎn)便易行等優(yōu)點(diǎn)，由Bray［2］先生開(kāi)創(chuàng)的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法在世界各國(guó)廣為應(yīng)用，已經(jīng)成為測(cè)土推薦施肥的經(jīng)典和標(biāo)準(zhǔn)方法。

我國(guó)針對(duì)紫花苜蓿土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的研究起步晚、數(shù)量少［3-12］，而關(guān)于紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)研究更少，僅有藺蕊等［3］采用盆栽試驗(yàn)法對(duì)新疆昌吉紫花苜蓿土壤堿解氮豐缺指標(biāo)進(jìn)行了初步探索。

為了回答前述問(wèn)題，亦為了給黃土高原紫花苜蓿測(cè)土施肥提供科學(xué)依據(jù)，采用孫洪仁研究團(tuán)隊(duì)［7-16］創(chuàng)建的以“零散試驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法”和“養(yǎng)分平衡-地力差減法新應(yīng)用公式”為核心的“作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法”，開(kāi)展了黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究。

1 材料與方法

檢索我國(guó)黃土高原紫花苜蓿施肥試驗(yàn)文獻(xiàn)，提取土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，以及施氮處理和缺氮處理（未施氮素，其他養(yǎng)分施用量與施氮處理相同）產(chǎn)草量數(shù)據(jù)，計(jì)算缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量（缺氮與施氮處理產(chǎn)草量之比值）。利用式（1）計(jì)算缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量。

式中：R為缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量；Y-N為缺氮處理產(chǎn)量；YN為施氮處理產(chǎn)量。

搜集到在我國(guó)黃土高原區(qū)開(kāi)展的含有土壤堿解氮（或全氮和有機(jī)質(zhì)）含量和缺氮處理的紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)總計(jì)34篇。其中1990-1999年3篇［17-19］，2000-2009年8篇［20-27］、2010-2020年23篇［28-50］；灌溉草地12篇［19，26，30-31，33-37，42-44］，余者為雨養(yǎng)草地；盆栽試驗(yàn)1篇［19］，余者為田間實(shí)驗(yàn)；種子生產(chǎn)1篇［32］，余者為牧草生產(chǎn)。上述研究涉及縣域16個(gè)，品種至少13個(gè)，土壤類(lèi)型至少9個(gè)。從上述文獻(xiàn)中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮和施氮處理產(chǎn)草量配套數(shù)據(jù)43、80和89組，進(jìn)而分別得到土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量配套數(shù)據(jù)43、80和89對(duì)。文獻(xiàn)中與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息為：pH 7.3～8.8，堿解氮26.1～100.0 mg·kg-1，全 氮（total nitrogen）0.28～1.80 g·kg-1，有 機(jī) 質(zhì)（organic matter）4.1～17.3 g·kg-1，施 氮 量（N application rate）28～375 kg·hm-2，施氮處理產(chǎn)草量1～27 t·hm-2，缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量45%～129%。

采用Excel分別建立土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程。利用所得回歸方程和土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案［14］對(duì)土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)豐缺進(jìn)行分級(jí)，高端和低端分別至多保留1個(gè)外推數(shù)據(jù)。

利用“養(yǎng)分平衡-地力差減法新應(yīng)用公式”［15-16］計(jì)算推薦施氮量：

式中：F為推薦施用養(yǎng)分量；R為缺素處理相對(duì)產(chǎn)量；A為目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分移出量；E為養(yǎng)分利用率。缺素處理是指未施某一種元素，但其他養(yǎng)分施用量與全肥處理（非缺素處理）相同。目標(biāo)產(chǎn)量是指特定自然區(qū)域、正常栽培管理、充分滿(mǎn)足所有養(yǎng)分供應(yīng)情形下所能獲得的作物產(chǎn)量。養(yǎng)分移出量是指隨作物收獲而從田間移出的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量。

單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（干草，含水量14%）紫花苜蓿氮素移出量確定為30.0 kg·t-1［51-52］。黃土高原雨養(yǎng)苜蓿單產(chǎn)低者 不 足9.0 t·hm-2，灌 溉 苜 蓿 單 產(chǎn) 高 者 可 達(dá)22.5 t·hm-2，因此設(shè)定如下10個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量：9.0、10.5、12.0、13.5、15.0、16.5、18.0、19.5、21.0和22.5 t·hm-2。上述各目標(biāo)產(chǎn)量氮素（N）移出量依次確定為270、315、360、405、450、495、540、585、630和675 kg·hm-2。氮肥利用率因施肥方式等因素通常變動(dòng)于30%～50%，本研究選30%、40%和50%用于推薦施氮量計(jì)算。

圖2 黃土高原紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤全氮含量的回歸關(guān)系Fig.2 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil total nitrogen for alfalfa in the Loess Plateau

圖3 黃土高原紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的回歸關(guān)系Fig.3 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil organic matter for alfalfa in the Loess Plateau

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數(shù)據(jù)對(duì)以后，建立黃土高原紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量的回歸關(guān)系圖（圖1～3）和回歸方程（表1）。土壤堿解氮含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)皆達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），且明顯高于土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量。生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)明顯高于生長(zhǎng)第2年及以上者，全體介于二者之間。生長(zhǎng)第2年及以上紫花苜蓿土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。自然對(duì)數(shù)模型回歸方程的相關(guān)系數(shù)與直線模型頗為接近。

圖1 黃土高原紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤堿解氮含量的回歸關(guān)系Fig.1 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil alkaline hydrolysis nitrogen for alfalfa in the Loess Plateau

表1 黃土高原紫花苜蓿缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程及若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量臨界值Table 1 The regression equations between relative yields without N treatment and soil N concentration and several critical values of soil N concentration for alfalfa in the Loess Plateau

2.2 黃土高原紫花苜蓿若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量臨界值

黃土高原紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量50%～100%的若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量臨界值列于表1。關(guān)于土壤氮素含量臨界值之外推數(shù)據(jù)數(shù)量，土壤堿解氮明顯少于全氮和有機(jī)質(zhì)；生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿明顯少于生長(zhǎng)第2年及以上者，全體介于二者之間；生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿自然對(duì)數(shù)模型少于直線模型，生長(zhǎng)第2年及以上者兩種模型相同，而全體則為自然對(duì)數(shù)模型略多于直線模型。缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量60%及以下臨界值皆為外推數(shù)據(jù)。

生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量80%及以下臨界值明顯高于生長(zhǎng)第2年及以上者，全體介于二者之間；在生長(zhǎng)第1年、生長(zhǎng)第2年及以上和全體之間，紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量80%以上臨界值高低沒(méi)有明顯規(guī)律。自然對(duì)數(shù)模型缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量70%及以下臨界值明顯高于直線模型；缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量70%以上臨界值之高低在兩種模型之間無(wú)規(guī)律可循。

自然對(duì)數(shù)模型臨界值皆為正數(shù)，直線模型臨界值存在負(fù)數(shù)。直線模型缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量50%及以下臨界值皆為負(fù)數(shù)。

缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)越低，土壤氮素含量臨界值的外推數(shù)據(jù)數(shù)量越多。相關(guān)系數(shù)低至未達(dá)到顯著水平者，甚至出現(xiàn)全部臨界值皆為外推數(shù)據(jù)的情形。

舍棄相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平回歸方程的計(jì)算結(jié)果，生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤 堿 解 氮、全氮和有機(jī) 質(zhì) 含 量 臨 界 值 依次為62.8（58.9～66.6）mg·kg-1、1.22（1.17～1.27）g·kg-1和15.7（15.6～15.7）g·kg-1，100%對(duì)應(yīng)的依次為72.1（68.9～75.2）mg·kg-1、1.45（1.42～1.48）g·kg-1和18.8（17.9～19.7）g·kg-1；生長(zhǎng)第2年及以上紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%和100%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮含量臨界值分別為63.7（62.6～64.8）和78.8（73.7～83.8）mg·kg-1。

2.3 黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

利用相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平的回歸方程確定黃土高原區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)如表2所示。缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)越高，劃分出來(lái)的土壤氮素豐缺級(jí)別越多；反之，相關(guān)系數(shù)越低，劃分出來(lái)的豐缺級(jí)別越少。采用自然對(duì)數(shù)模型劃分出來(lái)的土壤氮素豐缺級(jí)別數(shù)量略多于直線模型。第3級(jí)豐缺指標(biāo)皆為非外推數(shù)據(jù)，其他各級(jí)別都或多或少存在一些外推數(shù)據(jù)，而第5和6級(jí)則幾乎全部為外推數(shù)據(jù)。

表2 黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)Table 2 The rich-lack index of soil N for alfalfa in the Loess Plateau

2.4 黃土高原紫花苜蓿推薦施氮量

紫花苜蓿推薦施氮量與土壤氮素豐缺級(jí)別呈線性負(fù)相關(guān)，豐缺級(jí)別越高，適宜施氮量越低，直至為零（表3）。紫花苜蓿推薦施氮量與目標(biāo)產(chǎn)量呈線性正相關(guān)，目標(biāo)產(chǎn)量越高，推薦施氮量越高。紫花苜蓿推薦施氮量與氮肥利用率呈線性負(fù)相關(guān)，氮肥利用率越高，推薦施氮量越低。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，黃土高原紫花苜蓿第1～6級(jí)土壤推薦施氮量分別為0～0、68～169、135～338、203～506、270～675和338～844 kg·hm-2。

表3 黃土高原紫花苜蓿推薦施氮量Table 3 Recommended N application r ates for alfalfa in the Loess Plateau（kg·hm-2）

3 討論

3.1 生長(zhǎng)年限與黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

本研究結(jié)果表明，生長(zhǎng)年限對(duì)黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)具有較為顯著的影響。黃土高原生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)明顯高于生長(zhǎng)第2年及以上者，全體介于二者之間；生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量80%及以下臨界值明顯高于生長(zhǎng)第2年及以上者，全體介于二者之間。鑒于此，應(yīng)該采用生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿和生長(zhǎng)第2年及以上者分別建立的回歸方程所計(jì)算得到的土壤氮素豐缺指標(biāo)。但生長(zhǎng)第2年及以上紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤全氮及有機(jī)質(zhì)含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），只能采用未區(qū)分生長(zhǎng)年限的全體統(tǒng)一指標(biāo)。

3.2 回歸模型與黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

本研究結(jié)果表明，同一生長(zhǎng)年限類(lèi)型的直線型和自然對(duì)數(shù)型回歸方程的相關(guān)系數(shù)頗為接近；自然對(duì)數(shù)模型缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量70%及以下臨界值明顯高于直線模型，而缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量70%以上臨界值的高低在兩種模型之間無(wú)規(guī)律可循；采用自然對(duì)數(shù)模型劃分出來(lái)的土壤氮素豐缺級(jí)別數(shù)量略多于直線模型。由此可見(jiàn)，回歸模型對(duì)黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)具有一定影響，但舍棄哪種模型計(jì)算結(jié)果都缺乏充分理由，將基于兩種模型的計(jì)算結(jié)果整合起來(lái)，可能是一個(gè)較好選擇。

3.3 黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

將直線型和自然對(duì)數(shù)型回歸方程的計(jì)算結(jié)果取平均數(shù)，確定黃土高原生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿土壤堿解氮第1～6級(jí)豐缺指標(biāo)為≥73、55～73、39～55、26～39、13～26和＜13 mg·kg-1，土壤全氮第1～5級(jí)豐缺指標(biāo)為≥1.5、1.1～1.5、0.7～1.1、0.4～0.7和＜0.4 g·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)第1～6級(jí)豐缺指標(biāo)為≥19、13～19、9～13、5～9、2～5和＜2 g·kg-1；生長(zhǎng)第2年及以上紫花苜蓿土壤堿解氮第1～5級(jí)豐缺指標(biāo)為≥79、51～79、30～51、13～30和＜13 mg·kg-1；未區(qū)分生長(zhǎng)年限的紫花苜蓿土壤全氮第1～4級(jí)豐缺指標(biāo)為≥1.9、1.2～1.9、0.5～1.2和＜0.5 g·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)第1～5級(jí)豐缺指標(biāo)為≥24、13～24、6～13、2～6和＜2 g·kg-1。

生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿和生長(zhǎng)第2年及以上者土壤氮素豐缺指標(biāo)存在差異，原因可能是生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿根系共生固氮能力處于從弱到強(qiáng)的逐漸成長(zhǎng)階段，而生長(zhǎng)第2年及以上者根系共生固氮能力已經(jīng)趨于或達(dá)到成熟。

藺蕊等［3］的少量盆栽試驗(yàn)初步研究表明，新疆昌吉生長(zhǎng)第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)為40 mg·kg-1，本研究結(jié)果（63 mg·kg-1）明顯更高。

我國(guó)東北大豆（Glycine max）［53-55］缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)研究結(jié)果為169～428 mg·kg-1，遠(yuǎn)高于本研 究 結(jié) 果。我 國(guó) 小 麥（Triticum aestivum）［56］、玉 米（Zea mays）［57］、水 稻（Oryza sativa）［58］、燕麥（Avena sativa）［59］、馬鈴薯（Solanum tuberosum）［60］和甜菜（Beta vulgaris）［61］缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)范圍為150～600 mg·kg-1，本研究結(jié)果（73～79 mg·kg-1）明顯較低。我國(guó)小麥［56］、玉米［57］、水稻［58］、燕麥［59］、馬鈴薯［60］和甘蔗（Saccharum sinense）［62］缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤全氮指標(biāo)范圍為2.0～5.0 g·kg-1，明顯高于本研究結(jié)果（1.5 g·kg-1）。我國(guó)小麥［56］、玉米［57］和水稻［58］缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)研究結(jié)果集中于30～60 g·kg-1，本研究結(jié)果（19 g·kg-1）明顯偏低。

黃土高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)明顯低于我國(guó)主要作物，是因?yàn)樽匣ㄜ俎８倒采痰芰κ謴?qiáng)大。

3.4 黃土高原紫花苜蓿推薦施氮量

引用紫花苜蓿施肥實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)［17-50］的推薦施氮量范圍為28～375 kg·hm-2。當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量9.0～16.5 t·hm-2、氮肥利用率40%時(shí)，本研究第1～4級(jí)土壤的推薦施氮量與上述文獻(xiàn)相當(dāng)。

張福鎖等［63］針對(duì)我國(guó)主要作物的推薦施氮量為0～750 kg·hm-2。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，本研究的推薦施氮量與其較為接近。固氮能力十分強(qiáng)大的紫花苜蓿推薦施氮量范圍與我國(guó)主要作物接近，是因?yàn)樵S多種植紫花苜蓿的土地過(guò)于貧瘠和紫花苜蓿單位面積蛋白質(zhì)產(chǎn)量遠(yuǎn)高于其他作物。