新疆石河子地區玉米產量及氮素平衡的施氮量閾值研究

趙 靚， 侯振安， 黃 婷， 張 揚， 柴 穎， 毛家雙

(石河子大學農學院資源與環境科學系， 新疆石河子 832003)

氮是土壤中較活躍的營養元素之一，同時也是影響作物產量的主要因子[1]。氮肥對糧食增產的貢獻率達40%[2]，由于單一的追求高產，生產中過量施用氮肥現象日益嚴重。氮肥施用不合理不僅不能提高作物產量，降低氮肥利用率，還會增加硝態氮在土壤中的累積量，引起硝態氮的淋洗[3,4]，以及水體富營養化[5]，增加氮素面源污染的風險。近年來，氮肥過量施用造成的硝態氮淋洗問題已受到廣泛的關注[6]。據報道，我國農田自80年代以后，出現氮素盈余現象并持續增長[7]。

玉米是一種需肥量較大且耐肥性強的糧食作物，土壤—作物體系的氮素平衡已成為氮肥管理是否合理的評價標準。研究表明，氮肥用量僅在一定范圍內對作物有增產作用[8]。楊憲龍等[9]研究結果表明，玉米獲得高產的最佳施氮量為180 kg/hm2，過高或過低都有減產風險。施用氮肥是土壤無機氮累積的前提，當施氮量低于最高產量需氮量時，土壤無機氮不會大量積累，當超過最佳產量施氮量時，土壤無機氮開始明顯積累[10-11]。Halborson等[12]研究表明，施氮量高于90 kg/hm2時，0—180 cm土層中硝態氮的積累量隨著施氮量的增加顯著增加。蔣會利等[13]研究結果表明，施氮量低于207 kg/hm2，土壤硝態氮積累量變化不大； 高于207 kg/hm2，隨施氮量增加，土壤中硝態氮的積累量顯著增加。低施氮量會使土壤肥力下降，氮肥用量過高會增加土壤氮素殘留，適宜的氮肥投入不僅可以獲得高產，還能維持土壤無機氮平衡[14]。玉米是新疆北疆灰漠土區的主要糧食作物，氮肥施用不合理不僅導致肥料利用率低下，同時影響農田的可持續利用[15]。本研究通過田間肥料定位試驗，探討氮肥用量對玉米產量及氮素平衡的影響，為北疆灰漠土區玉米高產高效，降低面源污染尋求最佳氮肥投入閾值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

表1 試驗地0—100 cm土層土壤基礎理化性狀

1.2 試驗設計

研究采用田間肥料定位小區試驗，設計6個氮肥(N)用量水平: 0、 225、 300、 375、 450、 600 kg/hm2(分別以N0、 N225、 N300、 N375、 N450、 N600表示)，其中300 kg/hm2為當地玉米農田氮肥推薦用量。每個處理重復3次，共18個小區，在田間隨機排列。試驗小區面積36.4 m2，小區四周隔離帶寬均為3 m。氮肥使用尿素，其中40%作基肥，60%分別于玉米抽雄期、 吐絲期、 孕穗期追施； 磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)做基肥施用，用量分別為75 kg/hm2、 37.5 kg/hm2。

玉米采用覆膜種植，機械點播，一膜四行，行距配置30 cm + 50 cm + 30 cm。兩年試驗均在播種7d后開始放苗，出苗齊全后，定苗，每穴單株，保證小區內玉米總株數相同。2011年4月17日播種，播種株距為27 cm，定苗密度為8.58×104plant/hm2； 2012年 4月11日播種，株距為20 cm，定苗密度為 11.54×104株/hm2。其他栽培管理措施參照當地大田。

1.3 樣品采集與測定

分別在玉米施肥播種前、 收獲期采集各處理0—20、 20—40cm、 40—60 cm、 60—80 cm、 80—100 cm土樣，測定土壤硝態氮和銨態氮含量。在玉米成熟期進行測產，并實收計產。

土壤硝態氮和銨態氮測定采用2 mol/L KCl溶液浸提，連續流動注射分析儀測定。

1.4 計算方法

文中相關參數計算公式如下[16-17]:

土壤硝態氮殘留量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收獲期土壤硝態氮含量(mg/kg)/10；

土壤銨態氮殘留量(kg/hm2) =土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收獲期土壤銨態氮含量(mg/kg)/10；

土壤無機氮積累量(kg/hm2)=收獲后土壤無機氮殘留量(Nmin)-初始土壤無機氮總量(Nmin)；

土壤氮素礦化量(kg/hm2) = 不施氮肥區作物吸氮量+不施氮肥區土壤殘留無機氮(Nmin)-不施氮肥區土壤初始無機氮(Nmin)；

土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=生育期施氮量+土壤起始無機氮(Nmin)+土壤氮素礦化量-作物攜出-收獲后土壤殘留無機氮(Nmin)；

氮盈余量(kg/hm2)=收獲后土壤殘留無機氮(Nmin)+土壤氮素表觀損失量。

2 結果與分析

2.1 土壤硝態氮與銨態氮含量的垂直分布

圖1 2011和2012年玉米收獲期0—100 cm土層硝態氮含量 contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest in 2011 and 2012

圖2 玉米收獲期0—100 cm土層銨態氮含量的垂直分布Fig.2 Distribution of contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest

2.2 不同施氮量對土壤無機氮殘留量的影響

表2 不同施氮量對土無機氮殘留量的影響(kg/hm2)

2.3 不同施氮水平對土壤無機氮積累量的影響

圖3表明，施用氮肥能顯著影響0—100 cm土壤的無機氮積累量(P<0.05)，不同施氮量處理土壤無機氮積累量表現為N600>N450>N375>N300>N225>N0，不施氮肥和低氮肥用量(225 kg/hm2)處理無機氮積累量均表現為負積累，施氮量高于300 kg/hm2時，土壤無機氮均呈正積累，且積累量隨氮肥用量增加而顯著增加。兩年試驗結果相比，N0、 N225處理土壤無機氮積累量2012年顯著低于2011年，分別降低165%、 170%； 而N300處理兩年差異不顯著，但2012年較第一年降低36%； 施氮量高于375 kg/hm2時，隨氮肥用量增加，2012年土壤無機氮積累量顯著高于2011年，N375、 N450、 N600處理分別增加17%、 38%和55%。表明低施氮量(<225 kg/hm2)可以降低土壤無機氮的累積，中高施氮量(>300 kg/hm2)則造成土壤無機氮的累積，連續高氮肥投入會加劇土壤無機氮累積，增加氮素污染風險。

圖3 不同施氮量對0—100 cm土壤無機氮積累的影響Fig.3 Effects of different N rates on Nmin accumulation in 0-100 cm soil depth

土壤無機氮積累量與施氮量進行方程擬合發現，無機氮積累量隨施氮量呈二次拋物線性增加，其中2011年回歸方程為y=0.0001x2+ 0.1013x-22.537(R2= 0.9288)，無機氮積累等于零時施氮量為187 kg/hm2； 2012年為y=0.0003x2+ 0.1417x- 52.78(R2= 0.9583)，無機氮積累等于零時施氮量為245 kg/hm2。

2.4 土壤氮素平衡

在本試驗中計算氮素平衡時，將土壤無機氮所在層次定義為0—100 cm深度，假定施氮區與不施氮區土壤礦化氮量相同，且不考慮降雨帶入土壤中的氮素量。

玉米收獲期土壤氮素平衡見表3。2011年的試驗結果表明，在氮素總輸入項中，氮素總輸入量隨氮肥用量的增加而顯著增加； 在氮素輸出項中，玉米氮素積累量和氮肥表觀損失量隨施氮量增加而顯著增加； 施氮量高于300 kg/hm2，土壤無機氮殘留量隨施氮量增加而顯著增加。由于土壤氮素總輸入量的差異較大，土壤氮盈余量隨施氮量增加也呈現顯著增加的趨勢，不施氮肥處理氮素盈余量最低為201 kg/hm2，N600 處理最高為677 kg/hm2。2012年試驗結果與第一年相似，隨施氮量增加，各施氮肥處理(N225、 N300、 N375、 N450、 N600)土壤無機氮殘留量顯著高于不施氮肥處理(N0)，氮素盈余量最低降低為172 kg/hm2(N0)，最高增加為為747 kg/hm2(N600)，顯著高于其余各施肥處理。

表3 不同施氮量下土壤氮素平衡

2.5 氮肥用量與玉米產量及土壤無機氮的相互關系

2.5.1 施氮量與玉米產量及土壤無機氮積累的關系 試驗表明，玉米產量和土壤無機氮積累量與施氮量呈顯著的線性關系(圖4)。2011年產量與施氮量呈先增加后降低的二次拋物線關系，擬合方程為y=-0.00002x2+ 0.0186x + 12.448(R2= 0.8093)，施氮量465 kg/hm2時，玉米獲得最高產量(16.77 t/hm2)，但與N300、 N375、 N450施肥處理的產量差異不顯著； 土壤無機氮積累量隨施氮量增加呈二次拋物線性增加，方程為y=0.0001x2+ 0.1013x - 22.537(R2= 0.9288)，由擬合方程可得，當施氮量為187 kg/hm2時，土壤無機氮無積累。與第一年試驗比較，2012年產量與施氮量呈線性加平臺的關系，施氮量低于375 kg/hm2時，方程為y = 0.0122x + 12.993(R2= 0.9972)，施氮量高于375 kg/hm2時，玉米產量不再顯著增加，y = 17.74 t/hm2； 土壤無機氮積累量與施氮量的關系表現為y= 0.0003x2+ 0.1417x - 52.78(R2= 0.9583)，無機氮無積累時施氮量為245 kg/hm2。其中，兩年的試驗得出，土壤硝態氮殘留量隨施氮量增加呈指數關系顯著增加(y2011= 139.5e0.0009x，R2= 0.9； y2012= 117.66e0.0014x，R2= 0.9041)； 土壤銨態氮殘留量隨施氮量增加呈線性關系顯著增加(y2011= 0.0268x + 53.189，R2= 0.896； y2012= 0.049x + 44.357，R2= 0.9679)。

圖4 土壤無機氮積累量、產量與氮肥用量的線性關系Fig.4 Relationships between yield of maize, Nmin accumulation in soil and N rate

圖5 氮肥用量與玉米產量、 土壤無機氮殘留量及氮肥利用率的關系Fig.5 Relationships between N rate and residual Nmin in soil, yield and NUE of maize

3 討論

土壤無機氮含量可以表征土壤的供氮能力，同時也能反映農田生態環境對氮肥施用的響應[18]，無機氮含量隨施氮量增加而提高幅度增大[19-20]。戴明宏等[21]在華北平原高肥力土壤環境下研究土壤無機氮在春玉米種植體系下的盈虧變化發現，氮肥用量越大，土壤無機氮殘留量越大。本研究表明，施用氮肥能顯著增加玉米收獲期土壤無機氮殘留量，無機氮殘留量與氮肥用量呈顯著的指數增長關系，其中主要表現為硝態氮殘留量增加。硝態氮是農田土壤無機氮的主要存在形態[22]，隨氮肥用量增加土壤硝態氮含量和殘留量顯著增加[23-24]。本研究發現， 土壤硝態氮殘留量與施氮量呈指數關系，施氮量高于225 kg/hm2時，硝態氮殘留量迅速增加，硝態氮主要殘留在0—60 cm土層。銨態氮含量受氮肥用量影響較小，銨態氮殘留量與施氮量呈線性關系增加，主要殘留于0—20 cm土層。這一結果與楊憲龍等[9]在陜西關中平原地區對小麥-玉米輪作體系土壤氮平衡的研究結果極為相似； Liu等[25]在陸地栽培大白菜的研究表明，當氮肥用量低于最佳施氮量時，土壤硝態氮變化不大，高于最佳施氮量時，土壤硝態氮的含量與施氮量顯著地線性相關； 但Ottman和Pope[26]在砂壤土中通過15N標記對小麥地土壤氮素移動的研究表明，氮肥用量對土壤硝態氮殘留量無顯著影響。

氮肥是土壤無機氮的主要來源，氮肥供應不足時，土壤無機氮處于凈消耗狀態，而施氮量高于225 kg/hm2時，土壤無機氮出現積累[27]。本研究兩年試驗結果表明，不施氮肥或氮肥用量較低(< 225 kg/hm2)時，土壤無機氮呈負積累，出現虧缺，而當施氮量高于300 kg/hm2時，土壤無機氮積累量隨施氮量增加顯著增大，土壤無機氮積累量隨氮肥用量增加呈拋物線形顯著增加。土壤氮素平衡是評估田間氮素表觀損失的有效方法[28-29]。本研究結果表明，土壤氮素表觀損失量隨氮肥用量增加而顯著增加，氮素盈余量的增加幅度也隨施氮量增加而加大，過量施氮肥能增加氮素損失，加大氮素面源污染的風險。

氮肥施用可以提高作物產量，然而近年來部分研究結果表明，超過一定用量，氮肥施用對作物產量的增產效果減弱，甚至出現減產的趨勢[30]，巨曉棠等[31]認為過量施氮肥對作物增產沒有任何意義。本研究結果表明，施用氮肥能顯著增加玉米產量，施氮量高于300 kg/hm2時，玉米產量與最高產量差異不顯著，玉米產量與氮肥用量呈顯著的二次拋物線或線性加平臺的關系。Fang等[32]也指出施氮量高于200 kg/hm2時，作物產量不再顯著增加，產量與施氮量表現為線性加平臺或二次拋物線關系。

本研究通過三曲線法擬合玉米產量、 土壤無機氮殘留量、 氮肥利用率與施氮量的關系得出，氮肥當季利用率隨施氮量呈冪函數關系降低，玉米產量、 土壤無機氮殘留量與氮肥利用率分別相交于270 kg/hm2和340 kg/hm2處，利用產量效應、 環境效應與肥料效應函數的交點確定氮肥投入閾值，是較為優化的方法，既能獲得玉米高產，降低氮素面源污染風險，還能獲得較高的氮肥利用率。

4 結論

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