不同施肥方式對東北黑土春玉米連作體系土壤氮素平衡的影響

蔡紅光，米國華，張秀芝，任 軍，馮國忠，高 強*

(1吉林省農業科學院農業環境與資源研究中心，吉林長春130033;2吉林農業大學資源與環境學院，吉林長春130118;3中國農業大學植物營養系，農業部植物營養學重點實驗室，教育部植物－土壤相互作用重點實驗室，北京100193)

東北春玉米種植區是我國重要的商品糧生產基地，僅吉林省玉米總產量就占到了全國玉米總產量的12.5%［1］。該種植區主要土壤類型為黑土，具有有機質含量高、腐殖質層深厚、養分豐富、團粒發達、保水保肥能力及抗逆性強等優越的肥力特點［2］。當地農民的施肥方式主要是以分期施肥和一次性施肥方式為主。近年來隨著復混肥工藝的發展以及農村勞動力的限制，采取一次性基施肥料(一炮轟)的農戶比例逐漸加大［3－4］。在夏玉米生產區關于一次性施肥對玉米產量［5］、氮肥效應［6－7］及氮素平衡［8］方面的研究較多，而目前在東北春玉米連作區僅限于西部半干旱地區的報道［9］。高強等［4］對吉林省23個市(縣)的調查結果表明，玉米一次性施肥面積占到玉米總施肥面積的62.5%。主要以高氮復混肥的方式一次性施入底(基)肥，不再追肥;或者是一次性底(基)肥+種肥，不再追肥。在東北黑土玉米連作區，這種以高氮復混肥的形式將氮肥一次性施入土壤后對整個土壤－作物體系氮素平衡及環境有怎樣的影響，目前尚不清楚。為此，筆者連續三年在吉林省長春市針對不同肥料施用方式下的玉米產量及土壤氮素平衡進行了評價，旨在研究長期采取一次性施肥對東北春玉米產量、氮肥效率及土壤環境的影響程度，以期為指導該地區合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2004年4月至2006年10月在吉林省中部的長春市新立城鎮進行，該地區屬于松嫩平原黑土帶中部玉米連作區。年均降水量為520.1 mm，無霜期平均為141 d，年均積溫2916℃。供試土壤為黑土，0—30 cm土壤有機質、全氮、速效磷(P2O5)、速效鉀 (K2O)、分別為 28.5 g/kg、1.8 g/kg、19.6 mg/kg、139.1 mg/kg;pH 值 (水土比1∶2.5)為5.73，偏酸性;試驗區2004～2006年玉米生育期總降水量分別為410 mm、642 mm、475 mm(圖1)。試驗期間沒有灌溉。

1.2 試驗設計

圖1 試驗區2004～2006年玉米生育期降水量分布Fig．1 Precipitation in experiment field during maize development stage from 2004 －2006

試驗設4個處理，分別為不施氮肥(CK)、推薦施肥(Opt)、農民習慣施肥1(基肥+種肥，Tra1)和農民習慣施肥2(全部基施，Tra2)，各處理的氮、磷、鉀施用狀況見表1。其中CK處理中磷肥為過磷酸鈣(P2O514%)、鉀為硫酸鉀(K2O 50%)，均作基肥施入;Opt處理采用總量控制的氮素分階段調控［基肥以滿足玉米苗期氮素需求即可，為30 kg/hm2，拔節期采用土壤無機氮測試技術并結合相關文獻總結確定追肥量為160 kg/hm2和磷鉀恒量監控技術，其中氮肥為尿素(N 46%)，磷肥和鉀肥同CK，均作基肥施入［10－11］］。Tra1 和 Tra2 的肥料用量和施肥方式均是在對當地農戶調查的基礎上確定的，其中Tra1處理磷、鉀全部由復合肥(N 8%、P2O58%、K2O 8%)提供，其余氮由尿素補足，混勻后85%以基肥形式施入，其余作種肥施入。Tra2處理采用吉林省升華公司生產的六顆星牌高氮復合肥(N 28%、P2O515%、K2O 10%)，以基肥形式一次性全部施入。

每個處理重復3次，隨機區組排列。小區面積40 m2(4m×10m)。供試玉米品種均采用當地主栽品種，2004～2006年分別為吉單180、三北13、先玉335。試驗于5月上旬播種，10月上旬收獲，各處理田間管理同一般大田。

表1 玉米不同施肥方式下的氮磷鉀肥施用量Table 1 Dose of fertilizer N，P，and K application in different fertilization modes

1.3 樣品采集及分析方法

分別于每年播種前和收獲后在每小區取0—30 cm、30—60 cm、60—90 cm 的土壤(每小區取2鉆，等層混合)，放入冰盒，帶回實驗室 －20℃冷凍保存。采用0.01mol/L CaCl2浸提，TRACCS2000型連續流動分析儀測定土壤銨態氮和硝態氮含量。成熟期每小區取代表性植株3株，分為秸稈和子粒，分別稱其鮮重，烘干后稱干重。然后全部粉碎，用四分法取出分析樣，采用凱氏定氮法測定秸稈及子粒中含氮量。收獲時取中間四壟玉米果穗稱鮮重，然后取標準穗10穗，風干，脫粒，折算產量。

1.4 計算方法［12－13］

生育期土壤氮素凈礦化量=不施氮肥區作物吸氮量 +不施氮肥區土壤殘留無機氮(Nmin)－不施氮肥區土壤起始無機氮(Nmin);

生育期土壤氮素表觀損失=生育期施氮量 +土壤起始無機氮(Nmin)+土壤氮素凈礦化量－作物攜出－收獲后土壤殘留無機氮(Nmin);

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區作物吸氮量－不施氮肥區作物吸氮量)/施氮量×100;

氮肥表觀殘留率(%)=(施氮區土壤殘留Nmin－無氮區土壤殘留Nmin)/施氮量×100;

氮肥表觀損失率(%)=100－氮肥表觀利用率－氮肥表觀殘留率;

氮肥表觀損失率計算值不同于利用15N實測的氮損失，實質上包括了所有的未知去向的肥料氮(包括土壤的生物固定、淋洗、氨揮發等)。所有數據均采用Excel處理后，用SAS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施肥方式對玉米產量及氮素效率的影響

方差分析結果表明(表2)，產量、生物量、吸氮量在年際和處理間的差異均達到極顯著水平。且除生物量外，產量和吸氮量的年際和處理間的交互作用也達到極顯著水平，而重復之間均未達到顯著水平，這表明產量、生物量、吸氮量三者的變異主要是由年際和施肥處理間的差異造成的。

表2 各處理產量、生物量和氮累積量的方差分析Table 2 Variance analysis for grain yield，biomass and N uptake of each treatment

施氮量是影響子粒產量的主要因素，三年的定點試驗表明，施氮后增產效果明顯(表3)，三種施肥方式下的玉米子粒產量、總生物量、吸氮量均顯著高于CK處理。整體上看，作物產量和生物量均存在著較大的年際變化，這與種植品種的基因型差異有關。處理間比較，2004年以Opt處理的產量和吸氮量最高，且顯著高于Tra1處理，但三個處理的生物量差異不顯著。2005年仍以Opt處理的產量和吸氮量最高，且與Tra1和Tra2處理差異顯著，但其生物量與Tra2處理差異不顯著。2006年Opt處理表現出更加明顯的優勢，其產量、生物量和吸氮量均顯著高于Tra1和Tra2處理。

2.2 施肥方式對土壤剖面礦質氮累積量的影響

總體來講，施氮顯著增加了土壤中無機氮的殘留量，但以硝態氮的殘留增加量為主要貢獻部分。相比而言，在三年連續施入氮肥后，土壤中殘留的銨態氮無顯著變化，0—90 cm土層中的銨態氮含量維持在15.1～32.5 kg/hm2范圍內。除CK處理外，其他三種施肥方式下的銨態氮在2004年收獲后占土壤無機氮總量的49.8% ～55.7%，平均為52.1%;而在2005年收獲后其比例則下降為24.0%，2006年繼續下降為18.6%，且各處理間均無顯著差異。研究結果表明在東北黑土玉米連作區，玉米收獲后土壤中銨態氮含量受施肥方式的影響較小(表4)。

2004年收獲后，三個施肥處理下0—90 cm土層中硝態氮的含量為15.3～20.8 kg/hm2，平均為18.0 kg/hm2;2005年收獲后，三個施肥處理下0—90 cm土層中硝態氮的平均含量為104.4 kg/hm2，2006年為97.5kg/hm2，較2004年分別增加了4.8倍和4.4倍。從表4可以看出，0—90 cm土層中硝態氮含量增加的主要原因是由于30—60 cm和60—90 cm土層中硝態氮含量增加，其中以Tra1和Tra2處理增加最為顯著。與2004年相比，2005年Tra1處理30—60 cm和60—90 cm土層中的硝態氮含量分別增加了4.5倍和17.8倍;Tra2處理30—60 cm和60—90 cm土層中的硝態氮含量分別增加了3.8倍和13.3倍，硝態氮明顯下移。而2006年Tra1和Tra2處理下的硝態氮含量與2005年大體一致，僅30—60 cm土層中硝態氮含量略有增加。這主要是因為2005年降水量較2004年降水量大幅增加，且主要集中在6月中上旬(圖1)，導致Tra1和Tra2處理施入到土壤中的氮素隨水下移。而2006年降水量雖然也高于2004年，但是其增加量主要集中在8月中旬以后，且是兩次短時間的強降雨，大部分均隨地表徑流，所以2006年Tra1處理和Tra2處理下土壤中的硝態氮向下繼續移動的量較少，僅在30—60 cm土層中略有累積。

表4 玉米連作體系不同施肥方式對0—90 cm土層銨態氮和硝態氮累積量的影響(kg/hm2)Table 4 Effect of different fertilization modes on －N and－N accumulation in 0 －90 cm soil in maize succession system

表4 玉米連作體系不同施肥方式對0—90 cm土層銨態氮和硝態氮累積量的影響(kg/hm2)Table 4 Effect of different fertilization modes on －N and－N accumulation in 0 －90 cm soil in maize succession system

注(Note)：同一土壤層次中同列數據后標不同字母者表示達到5%的差異顯著水平(LSD)In the same soil layer，different letters mean significant difference according to LSD test(P=0.05)．CK—不施肥No nitrogen application;Opt—推薦施肥Optimized application treatment;Tra1—農民習慣施肥1 Traditional application 1;Tra2—農民習慣施肥2 Traditional application 2.

Nitrate-N Year Time Treatment0—30 cm 30—60 cm 60—90 cm 0—30 cm 30—60 cm 60—90 cm 2004 播種前Before sowing —年份 時間 處理 銨態氮Ammonium-N 硝態氮6.7 6.5 5.1 7.6 1.3 0.9收獲后After harvest CK 7.2 a 7.2 a 6.0 a 2.8 b 0.5 c 0.4 b Opt 6.0 a 6.1 a 7.2 a 6.7 a 5.9 b 2.7 a Tra1 8.0 a 4.8 a 5.7 a 4.9 a 10.2 a 2.9 a Tra2 7.9 a 6.1 a 6.7 a 5.1 a 12.5 a 3.2 a 2005 播種前Before sowing CK 11.4 a 11.4 a 9.6 a 12.4 b 8.4 b 2.7 b Opt 12.6 a 8.5 a 9.8 a 15.9 b 10.2 ab 8.9 a Tra1 13.7 a 8.8 a 8.9 a 15.1 b 8.2 b 7.3 a Tra2 11.8 a 7.7 a 10.0 a 23.3 a 14.1 a 9.3 a收獲后After harvest CK 16.3 a 7.2 a 9.0 a 11.8 c 2.9 c 7.2 b Opt 11.3 b 9.4 a 7.0 a 18.6 b 28.1 b 7.7 b Tra1 10.2 b 10.5 a 11.0 a 27.9 a 56.1 a 53.9 a Tra2 11.1 b 9.5 a 8.7 a 15.5 bc 59.6 a 45.9 a 2006 播種前Before sowing CK 6.4 b 8.1 a 7.6 a 22.8 c 12.5 c 8.8 c Opt 10.2 a 5.8 a 4.5 a 58.2 a 37.0 b 16.7 b Tra1 5.4 b 7.7 a 8.1 a 63.7 a 58.9 a 44.0 a Tra2 11.8 a 7.5 a 7.6 a 40.5 b 68.2 a 54.3 a收獲后After harvest CK 5.6 a 5.2 a 4.3 a 6.8 b 5.3 c 6.0 c Opt 7.6 a 8.1 a 6.3 a 13.1 a 20.5 b 12.4 b Tra1 7.7 a 5.0 a 4.2 a 10.4 ab 63.4 a 53.6 a Tra2 5.2 a 4.9 a 5.8 a 15.1 a 61.3 a 42.6 a

2.3 玉米連作體系中的氮素平衡

從三季玉米連作總的氮素平衡結果看出(表5)，在氮素的輸入項中，施氮量起著主要的作用，三個施肥處理中，播前Nmin和礦化氮僅占總輸入項的3.3%～4.3%和23.2%～30.8%。在氮素的輸出項中，作物攜出量以Opt處理最高，Tra1和Tra2處理作物攜出量相近。土壤殘留Nmin以Tra1處理最高，同時其氮素表觀損失也最大，表觀損失率達到47.7%。在三季玉米總的氮盈余中，Opt處理和Tra1處理均以表觀損失為主，其比例分別為71.9%和64.0%。而Tra2處理則主要以殘留Nmin為主，其比例為63.7%。Opt處理在2004年和2006年兩個正常降水年份氮盈余的主要部分均是氮素表觀損失部分，只有2005年降水量較大的年份殘留Nmin在氮盈余中的比例略高，為55.6%。相比而言，Tra1處理和Tra2處理的氮素盈余只在2004年以氮素表

觀損失為主，而在2005年則均以殘留Nmin為主，2006年略有緩和，但殘留Nmin在氮盈余中的比例仍較高，分別為48.1%和57.7%。分析其原因，主要是2005年的降水量增加，特別是6月份和7月份的降水量均較高，導致Tra1和Tra2處理施入的氮素被淋洗到土壤下層(表4)，作物未能吸收，導致殘留量增加。三季玉米連作總的土壤礦化量和播前土壤Nmin之和為227.3 kg/hm2，大體上相當于CK處理三年作物總的吸氮量。相比而言，其他三個處理的作物總吸氮量均顯著高于CK，但是并不隨著氮肥投入的增加而增加。三個處理中以Tra1處理施氮量最高(N 210 kg/hm2)，但其吸氮量卻顯著低于Opt處理。在三年的連作體系中，其氮素表觀利用率也顯著低于Opt處理和Tra2處理，僅為34.7%。

表5 玉米連作體系中土壤的氮素平衡Table 5 Soil N balance in maize succession system

3 討論

近年來吉林省等省份采用一次性施肥的農戶已超過60%［4］，且呈逐年增加趨勢。但是在東北黑土玉米連作區氮肥一次性大量基施是否會引起氮素的大量損失及相應的環境風險，尚無較多關注。本研究利用2004～2006年三年定點試驗，針對東北地區目前這種一次性施肥方式對玉米產量、吸氮量及氮肥效應的影響，以及對玉米連作區土壤－作物系統的氮素平衡和運轉情況進行了評價。由于本試驗區土壤中殘留磷肥較多，且磷肥后效較高［14］，土壤中交換性鉀的含量也較高(139.1 mg/kg)，所以各施肥方式中磷、鉀的差異不會影響玉米在整個生育期對氮素的吸收，即本研究中的幾種施肥方式的差異主要體現在基施氮肥的用量不同和氮肥的施用時期不同，這也一直是近年來研究的熱點［7－9，12－13，15－16］。從三年的田間試驗結果來看，Tra1與Tra2處理間差異不顯著。與之相比，Opt處理的產量在三年均明顯高于Tra1和Tra2處理，這表明根據作物生長需求來供應氮素是非常重要的［5，9，13］。

由于東北黑土春玉米種植區為雨養方式，無灌溉。所以降水量和降水時期是對一次性施肥及環境影響最大的因素。從本研究結果來看，降水明顯導致了Tra1和Tra2處理土壤殘留硝態氮的下移(表4)，但下移量和下移速度均遠低于高強等［9］在吉林西部半干旱地區的研究結果。這主要與高強等［9］的試驗中有多次灌溉用水，及兩地土壤質地差異較大有關［17］。在氮肥全部基施的情況下，春玉米與夏玉米的區別主要集中在二者生育期不同;由于植株生長期間土壤溫度及水分差異較大，會造成對氮肥損失的影響程度不同［13，18－19］，以及冬小麥季對氮素的二次利用等［20］方面。但氮肥一次性基施均會造成土壤殘留硝態氮向下淋失，降低肥料利用率，增加環境負擔［9，21－22］。

本研究中三個處理下春玉米的氮肥表觀利用率均略高于其他報道［23－25］，這可能是由于本研究供試土壤基礎肥力較低，氮肥增產效果明顯［26］，以及所種植品種的基因型差異有關。此外，在等量氮肥條件下，Opt處理與其他處理氮肥在不同施用時期的分配比例有所差異也可能對植株的氮素表觀利用率造成影響。無論從提高氮肥利用率還是從環境友好的角度出發，收獲后土壤中的殘留氮均應控制在一定的范圍內［27－28］。本研究中 Tra1處理和 Tra2處理的土壤殘留Nmin在定點施用后維持在135.0～169.6 kg/hm2范圍內，相對于鐘茜等［27］在華北地區對土壤殘留氮限定的指標(150 kg/hm2)是安全的。孫宏德等研究表明黑土中硝態氮淋失出120 cm土層的總量約為施氮量的2%，且氮肥一次性基施處理顯著高于追施［29］。近年來，東北地區春玉米一次性施肥的氮素用量已接近N 250 kg/hm2，一些地區已達到N 350 kg/hm2［30］。在這種氮肥高投入且完全以基施形式的情況下，氮素的表觀利用率將進一步降低，同時其在土壤中的殘留也極易使地下水污染。從三季玉米連作體系的氮素表觀平衡可以看出，Tra1處理表觀損失的氮素在土壤中大量殘留;Tra2處理投入的氮量較少(140kg/hm2)，但因一次性基施，其盈余的氮也大量殘留于土壤剖面中，極易導致相應的環境問題，增加土壤－作物系統的氮素表觀損失。相比較而言，Opt處理根據玉米生長需求分次供應養分，既保證了作物產量，又降低了對環境的威脅。

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