不同施氮水平對玉米產量、氮素利用效率 及土壤無機氮含量的影響

王爽，孫磊，陳雪麗，谷學佳，李偉群，王曉軍，張磊，劉穎，潘亞清，王玉峰*

1. 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所//黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室//黑龍江省肥料工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 黑龍江省農業科學院農藥中心，黑龍江 哈爾濱 150086

玉米是黑龍江省主要的糧食和飼料作物，其產量的豐缺直接影響該省農業經濟的發展[1]。施用氮肥是增加作用產量和改善作物品質的重要措施之一，但是在農業生產中，氮肥常常過量施入農田，一方面可造成作物體內硝酸鹽的同化速度低于吸收速度，從而導致作物體內硝酸鹽含量積累、品質下降等[2]，另一方面造成土壤剖面中硝態氮的大量積累，農田生態系統中氮素盈余，氮素損失量增加，地下水硝酸鹽含量超標等嚴重的環境問題[3]。可見，氮肥的過量投入不僅造成資源、財力上的巨大浪費，也給環境和農產品安全帶來負面影響[4]。因此，優化的氮肥施用制度，不僅應該滿足作物所需的氮素營養、獲得較高的氮素利用效率，而且必須使土壤無機氮、特別是硝態氮殘留量控制在一定范圍內，并確保土壤生態系統的氮素平衡。

試驗以黑龍江地區玉米為研究對象，定位監測不同施氮水平對玉米產量、氮素吸收利用及土壤硝態氮積累的影響，旨在揭示不同施氮量下玉米產量、氮肥利用率及土壤硝態氮的變化規律，為優化氮肥管理、減少玉米農田土壤硝態氮淋溶損失，提高氮素養分利用率及氮素的循環利用，減少環境污染，保持糧食生產優質高效和土壤可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

該試驗為田間小區定位監測試驗，于2011年在黑龍江省農業科學院土壤肥料試驗站(45°51'N, 126°50'E）進行，該試驗站位于東北半濕潤平原區，供試土壤類型為黑土，其基本養分狀況見表1，0～100 cm基礎土樣基本理化性質見表2；玉米為當地主栽品種龍單42；肥料有尿素[w(N)=46.0%]，重過磷酸鈣[w(P2O5)= 46.0%]，氯化鉀[w(K2O)= 60.0%]。

表1 播種前土壤基礎養分狀況 Table 1 Soil fertility status before sowing

表2 供試土壤基本理化性狀 Table 2 Basic physical and chemical properties of the soil studied

1.2 試驗設計

試驗共設7個氮水平，基肥施入重過磷酸鈣130.50 kg·hm-2，氯化鉀124.50 kg·hm-2：N0（對照，不施氮肥），N1（優化施氮量的75%，基肥尿素107.55 kg·hm-2，追肥尿素161.40 kg·hm-2），N2（優化施氮量的100%，基肥尿素143.40 kg·hm-2，追肥尿素215.25 kg·hm-2），N3（優化施氮量的125%，基肥尿素179.40 kg·hm-2，追肥尿素268.95 kg·hm-2），N4（優化施氮量的150%，基肥尿素215.25 kg·hm-2，追肥尿素322.80 kg·hm-2），N5（優化施氮量的200%，基肥尿素286.95 kg·hm-2，追肥尿素430.50 kg·hm-2），N6（優化施氮量的250%，基肥尿素358.65 kg·hm-2，追肥尿素538.05 kg·hm-2）。磷鉀肥全部基施，氮肥基施40%、追施60%。小區面積為4.2 m×10 m=42 m2，隨機區組排列，重復3次。

2011年5月4日播種，株距為5 cm，行距為70 cm，種植密度為3811（株·畝-1），整個生育期不進行人工灌溉。6月30日（大喇叭口期）追施氮肥，施肥方式為撒施。對各處理種植的玉米采取相同的農業田間管理：人工除草、中耕及病蟲害防治。10月19日采集各小區0～200 cm土壤樣品。

1.3 試驗方法

收獲時玉米測產：每個小區取連續4行玉米，每行5 m，行距0.70 m，作為測產區，測產樣方面積為4 × 5 m × 0.7 m = 14 m2。9月30日收獲各小區植株樣品，按籽粒和莖稈分開。采集的植株樣品經105 ℃殺青30 min后于80 °C下烘干至恒質量，稱質量后粉碎，分別測定籽粒和莖稈的水分質量分數、全氮、全磷和全鉀質量分數，測定方法見《土壤農化分析》[5]。分別單獨計算籽粒和莖稈產量。

土壤硝態氮和銨態氮的測定：在玉米生長季播種前和收獲后取土樣，基礎土樣采用環刀分層取土的方法采集0～100 cm土壤剖面，測定土壤容重和田間持水量；收獲后土樣用土鉆取土至200 cm，每20 cm為一層，3個樣點相同土層土壤混合，裝于塑料袋中，先放置在冰盒中冷藏，帶回室內后于冰柜中冷凍。鮮土樣解凍后混勻，過2 mm篩，稱取12 g土，加入0.01 mol·L-1CaCl2浸提液100 mL 振蕩30 min后過濾，浸提液立刻冰凍保存（或測定），同時測定土壤含水量[6]測定前將浸提液解凍，用AA3連續流動分析儀測定土壤硝態氮和銨態氮質量分數。

1.4 統計分析

試驗數據均采用Excel軟件進行計算和繪圖，用SAS軟件進行統計檢驗分析。

氮肥偏生產力=施氮區玉米產量/施氮量；氮肥農學效率=（施氮區玉米產量?無氮區玉米產量）/施氮量；氮肥利用率=（施氮區玉米地上部吸氮量?無氮區玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[7]。

2 結果與分析

2.1 不同氮水平下玉米產量及氮肥利用率的變化

綜合研究氮肥產量效應、氮肥的吸收利用效率以及土壤-植物體系中的氮素平衡，始終是評價氮肥合理施用與否的關鍵所在[8]。氮素利用率不僅與氮肥品種有關，還受土壤條件、作物品種、氣候特征等因素的影響[9]。從表3可以看出，隨著施氮量的增加對玉米產量影響不顯著，雖然以N5處理產量最高，但過高的施氮量并未顯著增加玉米的產量。氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和氮肥利用率是評價農田氮肥利用效率的3個主要指標[10-11]。從表3可以看出，隨著施氮量的增加，玉米的氮肥偏生產力從34.15 kg·kg-1下降到10.42 kg·kg-1，統計檢驗呈顯著水平。氮肥農學利用率以N1處理為最高，表明增產效果最顯著；總吸氮量和氮肥利用率在施氮量為165 kg·hm-2（即優化施氮量）時均達到最高；施氮量為330 kg·hm-2(N5)時，氮肥利用率降到最低(1.84%)。在試驗范圍內，隨著施氮量的增加，氮肥農學利用率下降。本試驗的結果只能說明該地區本季作物的氮肥利用率特征，其普遍規律還需長期的試驗來驗證。

表3 不同施氮水平下玉米產量和氮效率 Table 3 N efficiency and the yield of maize at different N application rates

2.2 玉米收獲后土壤無機態氮質量分數的變化

2.2.1 玉米收獲后土壤硝態氮的積累

圖1 不同處理土壤剖面硝態氮的分布與積累情況 Fig. 1 Distribution and accumulation of NO3--N in soil profile at different N treatments

氮肥施用量和土壤中NO3--N（硝態氮）的積累密切相關，一般來說，土壤中NO3--N的殘留隨著施氮量的增加而增加[12]。因此，作物收獲后殘留在土壤剖面的硝態氮質量分數及其空間分布特征是表征硝態氮淋失風險的重要指標[4]。圖1為不同氮水平玉米收獲后各土層硝態氮質量分數變化趨勢，0～80 cm土層硝態氮質量分數變幅較大，隨著土壤深度的增加，土壤硝態氮質量分數隨之降低，60～80 cm土層中各處理的土壤硝態氮質量分數達到最低；隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態氮質量分數同步增加，0～20 cm土層硝態氮質量分數為N6＞N5＞N3＞N4＞N1＞N2＞N0；N3與N6處理在20～40 cm土層出現硝態氮積累的高峰，分析其原因可能是由于土壤播種前已積累了大量的硝態氮(表2)，使土壤-作物體系在施氮后表現為強烈的積累。80～200 cm土層硝態氮的積累繼續上升，存在向下層運移的趨勢，但仍以N2處理的硝態氮質量分數為最低。

2.2.2 玉米收獲后土壤銨態氮的積累

由圖2可以看出，NH4+-N（銨態氮）在土壤中的質量分數較少，不同的施氮量對土壤NH4+-N質量分數的影響主要在0～20 cm土層，土壤NH4+-N質量分數的高低依次為N4>N3>N5>N0>N1>N6>N2，其中N4和N3處理的NH4+-N質量分數高于基礎土樣，其余各處理均明顯低于播種前測定的土壤NH4+-N質量分數（表2）；20 cm以下各處理不同層次間土壤NH4+-N質量分數無顯著差異，表明土壤顆粒和土壤膠體對NH4+-N具有很強的吸附作用，但也因土壤中所進行的交換反應及無機態氮的有機化、硝化和反硝化等作用，使土壤NH4+-N難以遷移至更深層次[13,14]。

圖2 不同處理土壤剖面銨態氮的分布與積累情況 Fig. 2 Distribution and accumulation of NH4+-N in soil profile at different N treatments

3 討論

氮肥對糧食作物的穩定增產起到不可替代的作用[15]。但也有報道認為，施氮對玉米籽粒的增產作用不大，氮肥利用率在隨施氮量的增加而降低[16]。本研究結果表明，玉米產量隨施氮量增加而增加，施氮量為165 kg·hm-2時，氮肥利用率最高，為41.03%。當施氮量高于165 kg·hm-2，產量反而有降低的趨勢，過量施氮也并不能增加玉米對氮素的吸收，因而氮素利用率也隨施氮量的增加而降低。

不同施肥量處理在灌溉條件、作物生長條件一致的情況下，對當季不同層次土壤硝態氮積累量的影響存在顯著差異[17]。本研究結果顯示，土壤剖面硝態氮質量分數的變化因施氮量的不同而表現出差異。以表層(0～40 cm)土壤硝態氮質量分數最高，不同處理間隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態氮質量分數同步增加；中間土層(60～100 cm)硝態氮質量分數最低，以后又隨深度的增加而升高，這與周順利等[18]的研究結果一致。據劉學軍等[19]研究表明，1～2 m土層中積累的硝態氮難以被作物吸收利用，這部分氮素損失的可能性很大。本研究中1～2 m土層以N2處理的硝態氮積累量為最低，因此氮素淋移損失的程度也最小。

各處理的土壤銨態氮質量分數偏低，這與旱地土壤硝化作用強烈，被礦化產生的NH4+-N很快被轉化為NO3--N，以及NH4+-N易被土壤膠體吸附有關[20]。與以往的研究結果類似，不同的施氮量對土壤銨態氮質量分數的影響主要在0～20 cm土層[21]，可以認為，銨態氮進入土壤中后大部分被吸附、固定在土壤顆粒中，因此，20 cm以下各處理不同層次間土壤銨態氮質量分數無顯著差異。由于銨態氮硝化作用的存在，施入的氮肥以銨態氮的形式存在，為硝化作用提供底物，以保證后期有效氮供應，且避免了短時間內硝態氮的大量積累，因此，本研究中土壤銨態氮質量分數與施氮量并無顯著的相關關系。

4 結論

（1）氮肥施用量的增加對玉米的增產效果產量影響不顯著，總吸氮量和氮肥利用率在施氮量為165 kg·hm-2（即優化施氮量）時均達到最高；，隨著施氮量的增加，氮肥偏生產力和農學利用率下降。

（2）0～200 cm土壤剖面的各土層間以0～40 cm的硝態氮質量分數最高，中間層(60～100 cm)硝態氮質量分數最低，100 cm以下又隨深度的增加而升高，100～200 cm土層以N2（施氮量165 kg·hm-2）處理的硝態氮積累量為最低，因此氮素淋移損失的程度也最小。同一土層不同施肥處理之間隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態氮質量分數同步增加。

（3）施氮量對土壤銨態氮質量分數的影響主要在0～20 cm土層，以N2（施氮量165 kg·hm-2）處理的銨態氮質量分數最低，20 cm以下同一處理不同層次間土壤銨態氮的質量分數無顯著差異。

（4）從降低成本、提高效益、減少氮素流失以及防止污染地下水等方面綜合考慮，165 kg·hm-2的施氮量為本試驗中的經濟安全施氮量。

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