不同管理方式對(duì)小麥氮素吸收、分配及去向的影響

徐明杰， 董嫻嫻， 劉會(huì)玲， 張麗娟,2*， 巨曉棠

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 河北保定 071000； 2 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071000；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

施用氮肥是提高小麥產(chǎn)量的主要措施，但過量或不合理的施氮不僅不會(huì)達(dá)到高產(chǎn)的目的，還會(huì)降低當(dāng)季氮肥利用率，帶來(lái)一系列的環(huán)境問題[1]。巨曉棠等[2]認(rèn)為，華北地區(qū)冬小麥的氮肥當(dāng)季利用率只有26.9%，基于土壤養(yǎng)分測(cè)定和目標(biāo)產(chǎn)量的優(yōu)化施肥是作物高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)，由于我國(guó)人多地少，只有逐年提高作物單產(chǎn)，才能有效緩解土地日益減少而人口逐年增長(zhǎng)帶來(lái)的對(duì)糧食需求的持續(xù)壓力[3]。氮素是作物生長(zhǎng)的重要因子，小麥植株對(duì)氮素吸收、同化、轉(zhuǎn)運(yùn)及利用顯著影響籽粒產(chǎn)量[4]。Wang等[5]的研究指出，較高的籽粒產(chǎn)量來(lái)自于較高的氮素利用效率和氮素再分配效率。王小燕和于振文[6]的研究也表明，灌溉量不變，施氮量增加，小麥各營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的積累量增加，但開花后營(yíng)養(yǎng)器官中積累的氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移率降低，最終籽粒蛋白質(zhì)含量并未增加。趙俊曄等[7]的研究表明，適量施氮提高小麥氮素積累量可以增加籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，開花至成熟階段是小麥氮素吸收分配的關(guān)鍵時(shí)期，開花后營(yíng)養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)移對(duì)籽粒氮素積累有較大貢獻(xiàn)。

目前國(guó)內(nèi)外已有許多通過氮肥調(diào)控，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收，提高氮素利用率的相關(guān)研究，但是關(guān)于高產(chǎn)體系下作物花前花后氮素利用、轉(zhuǎn)移規(guī)律的研究相對(duì)較少。因此，本文以曲周為代表的華北平原為研究對(duì)象，應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，布置15N微區(qū)試驗(yàn)，分析高產(chǎn)條件下化肥氮的“作物吸收—土壤殘留—損失”的新變化，解析小麥花前花后氮素利用、轉(zhuǎn)移規(guī)律，探討肥料氮、土壤氮與作物氮之間的關(guān)系，為該地區(qū)高產(chǎn)體系氮肥優(yōu)化管理提供合理依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

表1 供試土壤基本理化性狀

圖1 試驗(yàn)期間日降水量和20062010年該時(shí)期降水量的比較Fig.1 Comparison of precipitation in the experiment period of 2010-2011 with same period of average precipitation from 2006 to 2010

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)傳統(tǒng)處理(CT)和優(yōu)化處理(YH)兩種栽培體系。傳統(tǒng)管理為小麥播種前翻耕，玉米貼茬播種，秸稈不還田，傳統(tǒng)的肥水管理、播量和播期，特點(diǎn)是農(nóng)田耗水量大，農(nóng)田水分、養(yǎng)分利用率低。優(yōu)化管理為秸稈還田、優(yōu)化施肥、節(jié)水灌溉、晚播精播，特點(diǎn)是水分、養(yǎng)分利用率相對(duì)提高[17]。每個(gè)處理重復(fù)4次，主試驗(yàn)大區(qū)面積30 m×60 m，處理間間隔2 m，區(qū)組間間隔5 m。

1.2.215N微區(qū)田間設(shè)置及施肥方法 在主試驗(yàn)大區(qū)內(nèi)設(shè)置15N微區(qū)。微區(qū)用長(zhǎng)1 m，寬1 m，高0.4 m的鐵皮框制成。整好地后，劃出微區(qū)所在位置，將鐵皮框放到微區(qū)所在的位置，外圍垂直挖出0.35 m，將鐵皮框套入土中，使其周圍與土壤緊貼，鐵皮框上方露出地表0.05 m。每季作物設(shè)置2個(gè)微區(qū)，一個(gè)作為開花期破壞性取樣，一個(gè)作為收獲取樣。微區(qū)施用的氮肥為5.22%豐度的15N標(biāo)記尿素，播種前在微區(qū)內(nèi)取出1 kg左右的土，過5 mm篩，再與做基肥的15N標(biāo)記的尿素和磷鉀肥混勻，均勻撒施到微區(qū)，翻耕后播種；追肥時(shí)，先將15N標(biāo)記的尿素溶解于水中，再用噴壺將溶液均勻噴灑到微區(qū)，最后灌溉，灌水量與大田相同。

表2 冬小麥不同管理方式的水、氮管理

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 植株與土壤樣品采集 在作物花期及成熟期，將15N微區(qū)的植株地上部全部收獲。所有植株沿地面全部割下稱鮮重，風(fēng)干后稱風(fēng)干重，之后65℃下烘干，稱干重。將用于測(cè)定的植株樣品全部粉碎過0.15 mm篩，混勻后，連續(xù)用四分法取出測(cè)定所需的樣品量，用于測(cè)定植株含氮量和15N豐度。

土壤及植物全氮和15N豐度的測(cè)定：烘干樣品過0.15 mm篩，然后用美國(guó)THERMO finnigan公司型號(hào)為DeltaPlusXP的15N儀器進(jìn)行測(cè)定。

土壤水分含量采用烘干法測(cè)定。

1.4 計(jì)算方法

土壤各層來(lái)自15N肥料的氮量：Ndff(kg/hm2)=土壤各層全氮含量(kg/hm2)×土壤各層Ndff(%)

植株氮素來(lái)自化肥氮的量：Ndff(kg/hm2)= 植物Ndff(%)×植物吸氮量(kg/hm2)

化肥氮損失量(kg/hm2)=標(biāo)記氮肥施用量(kg/hm2)-植株吸收Ndff(kg/hm2)-土壤殘留Ndff(kg/hm2)

各器官氮素轉(zhuǎn)移量(kg/hm2) =開花期各器官氮素吸收量(kg/hm2)- 收獲期各器官含氮量(kg/hm2)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 8.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，做單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上部生物量及吸氮量

不同管理?xiàng)l件下，小麥在開花期和成熟期生物量呈現(xiàn)顯著差異(表3)，均表現(xiàn)為優(yōu)化處理(YH)高于傳統(tǒng)處理(CT)。與開花期相比，成熟期秸稈生物量明顯減少，而籽粒干物質(zhì)則大量積累。優(yōu)化處理籽粒產(chǎn)量達(dá)6165 kg/hm2，顯著高于傳統(tǒng)處理，比傳統(tǒng)處理增產(chǎn)35%。由此表明，基于土壤測(cè)試的優(yōu)化水、氮管理可促進(jìn)小麥根系下扎，充分吸收養(yǎng)分和水分，在低施氮條件下產(chǎn)量較高施氮傳統(tǒng)管理明顯提高。 在小麥開花期，YH與CT處理的吸氮量差異不顯著，可見傳統(tǒng)處理高量氮肥基施促進(jìn)了前期秸稈對(duì)氮素的累積；小麥成熟時(shí)籽粒和整個(gè)地上部的吸氮量?jī)?yōu)化處理均顯著高于傳統(tǒng)處理，分別高34%和30%。小麥開花前期優(yōu)化處理雖然施氮量低，但開花后吸氮量卻顯著高于傳統(tǒng)處理，表明優(yōu)化的栽培體系可提高作物的吸氮量。

表3 小麥生物量及吸氮量(kg/hm2)

2.2 小麥氮肥利用率

開花期和成熟期小麥各部位對(duì)15N的吸收量處理間并無(wú)顯著差異(表4)。小麥成熟時(shí)傳統(tǒng)處理地上部15N總吸收量為54.57 kg/hm2，優(yōu)化處理為48.38 kg/hm2，較開花期分別增長(zhǎng)8.49 kg/hm2、14.47 kg/hm2。花后小麥對(duì)氮肥的吸收量?jī)?yōu)化處理高于傳統(tǒng)處理，可見在前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段適當(dāng)?shù)墓?jié)肥能夠促進(jìn)后期生殖生長(zhǎng)階段對(duì)氮素的吸收。與15N吸收量不同，小麥兩個(gè)生育期優(yōu)化處理各部位的15N利用率都顯著高于傳統(tǒng)處理。成熟期優(yōu)化處理籽粒15N利用率為30.29%，約為傳統(tǒng)處理(15.22%)的2倍。小麥成熟期較開花期15N利用率分別提高了3個(gè)百分點(diǎn)(傳統(tǒng)處理)和10個(gè)百分點(diǎn)(優(yōu)化處理)，傳統(tǒng)處理雖然基施高量氮，但小麥15N利用率并不高；優(yōu)化處理花期追施氮肥，氮肥利用率明顯提高。

表4 冬小麥對(duì)標(biāo)記15N肥料的吸收

2.3 土壤氮和肥料氮的吸收與分配

開花期和成熟期，兩處理各營(yíng)養(yǎng)器官(除葉片外)土壤氮的積累量及比例均顯著高于肥料氮(表5)，兩處理各器官(除葉片外)對(duì)于肥料氮的吸收量沒有顯著差異，表明施氮量對(duì)各生育期不同營(yíng)養(yǎng)器官肥料氮積累量無(wú)顯著影響。優(yōu)化處理各器官(除葉片外)的土壤氮吸收量均顯著高于傳統(tǒng)處理，可見前期控氮促進(jìn)了作物對(duì)土壤中氮素的吸收利用；開花期小麥的莖及葉鞘是肥料氮及土壤氮累積量最大的營(yíng)養(yǎng)器官；成熟期，籽粒對(duì)于肥料氮和土壤氮累積量及其比例都高于其他器官，營(yíng)養(yǎng)器官中氮累積量較開花期大幅度減少，大量轉(zhuǎn)移到籽粒中。兩時(shí)期各處理營(yíng)養(yǎng)器官中肥料氮、土壤氮的分配比例與氮素的積累量趨勢(shì)一致。由于傳統(tǒng)處理基施的氮量高，植株對(duì)肥料氮的吸收比例明顯高于優(yōu)化處理，但從整個(gè)植株對(duì)于肥料氮和土壤氮的吸收比例來(lái)看，土壤氮所占的比例明顯高于肥料氮，說(shuō)明土壤氮是作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段的主要氮源。

各器官對(duì)于肥料氮的轉(zhuǎn)運(yùn)量基本趨勢(shì)一致，即莖+葉鞘>葉片>穎殼+穗軸(P<0.05，表6)；除葉片肥料氮轉(zhuǎn)移量傳統(tǒng)處理高于優(yōu)化處理外，其他無(wú)明顯差異。土壤氮的轉(zhuǎn)運(yùn)量趨勢(shì)為葉片>莖+葉鞘>穎殼+穗軸(P<0.05)；優(yōu)化處理土壤氮的葉片轉(zhuǎn)運(yùn)量為29.9 0 kg/hm2，約為肥料氮(7.30 kg/hm2)的4倍，其他各器官約為2倍，可見土壤氮是籽粒的主要氮源。小麥各器官的氮素貢獻(xiàn)率與氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量趨勢(shì)一致，土壤氮顯著高于肥料氮；傳統(tǒng)處理轉(zhuǎn)移氮的貢獻(xiàn)率顯著高于優(yōu)化處理。兩處理的轉(zhuǎn)運(yùn)氮貢獻(xiàn)率分別為81.65%和62.14%，說(shuō)明小麥籽粒氮素大部分來(lái)源于花前累積。

2.4 土壤剖面硝態(tài)氮運(yùn)移與15N豐度變化

表5 開花期、收獲期不同來(lái)源氮素在各器官中的積累與分配

表6 開花后營(yíng)養(yǎng)器官中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量及貢獻(xiàn)率

圖2 不同生育期土壤硝態(tài)氮和15N的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The movement of nitrate and labeled 15N in soil profile during different growth periods

2.5 小麥季化肥氮的總?cè)ハ?/h3>

小麥?zhǔn)斋@后兩處理氮去向均表現(xiàn)為土壤殘留>作物吸收>損失(表7)。傳統(tǒng)處理氮肥殘留量高達(dá)207.98 kg/hm2，損失為37.45 kg/hm2。與傳統(tǒng)處理相比，優(yōu)化處理土壤殘留量顯著減小，為54.44 kg/hm2，作物吸收量?jī)?yōu)化處理與傳統(tǒng)處理無(wú)顯著差異，但吸收率約為傳統(tǒng)處理的2倍。大量氮?dú)埩粼谕寥乐谐蔀橥寥赖獛?kù)的一部分，主要是因?yàn)槎←溂練夂蚋稍锖洌室詺鈶B(tài)形式揮發(fā)或隨水運(yùn)移至根區(qū)外的損失量低。

表7 標(biāo)記氮肥的去向

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)在華北平原采用15N示蹤技術(shù)，研究不同栽培體系下作物花前花后氮素利用、轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律的差異及高產(chǎn)體系化肥氮、土壤氮與作物氮之間的新變化，以期為小麥高產(chǎn)、氮素高效利用的水肥管理提供理論依據(jù)。李鑫等[18]研究表明，在華北平原施氮量為N 150 kg/hm2時(shí)小麥產(chǎn)量達(dá)到最高，再增加氮肥施用量對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)益。本試驗(yàn)的施氮量為N 139 kg/hm2的小麥大田平均產(chǎn)量為5784.43 kg/hm2，已達(dá)到高產(chǎn)，主要與土壤基礎(chǔ)肥力狀況有關(guān)。河北保定試驗(yàn)地0—90 cm土層土壤硝態(tài)氮含量為43.02 kg/hm2，而本試驗(yàn)的為63.42 kg/hm2。小麥優(yōu)化處理地上部總生物量和籽粒產(chǎn)量均顯著高于傳統(tǒng)處理；小麥成熟時(shí)籽粒和整個(gè)地上部的吸氮量，優(yōu)化處理顯著高于傳統(tǒng)處理。合理的控水節(jié)肥并不會(huì)減少作物的產(chǎn)量和吸氮量，甚至對(duì)產(chǎn)量和氮素吸收及利用有一定的促進(jìn)作用，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[19]。

趙俊曄等[20]的研究表明冬小麥對(duì)肥料氮的吸收量隨施氮量的增加而增加，但對(duì)肥料氮的吸收率卻顯著降低。李鑫等[21]認(rèn)為前期少量的氮肥施入可以促使根系下扎，向下層吸收養(yǎng)分，提高15N利用率。本試驗(yàn)小麥對(duì)標(biāo)記15N的吸收和利用結(jié)果表明，傳統(tǒng)處理15N吸收量高于優(yōu)化處理，而15N利用率顯著低于優(yōu)化處理，與以上研究結(jié)果相符。

周順利等[25]試驗(yàn)表明，隨著氮肥施用量的增加，土壤硝態(tài)氮含量越高，硝酸鹽向深層淋洗也越嚴(yán)重。淮賀舉等[26]認(rèn)為，不同施氮量下作物收獲后硝態(tài)氮在180 cm土層中的累積量隨氮素輸入量的增加而顯著增加。本試驗(yàn)條件下，優(yōu)化處理(N 139 kg/hm2)的硝態(tài)氮含量顯著低于傳統(tǒng)處理(N 300 kg/hm2)，這一結(jié)果與Cui等[27]的研究結(jié)果相似。優(yōu)化處理的硝態(tài)氮含量很低，變化幅度不大。與開花期相比，小麥成熟時(shí)傳統(tǒng)處理40—60 cm處硝態(tài)氮含量明顯增加，出現(xiàn)向下淋洗現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榇罅康适┤胪寥篮髽O易轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，加上冬小麥在漫長(zhǎng)的越冬期氮素吸收較少，拔節(jié)期和開花期的灌水使得硝態(tài)氮存在淋溶到深層土壤的風(fēng)險(xiǎn)。

氮肥施入土壤后有 3個(gè)去向，一部分氮素被當(dāng)季作物吸收利用，一部分殘留于土壤中，另一部分通過不同的機(jī)制和途徑損失[29]。Ju等[23]的研究表明，氮肥損失量與土壤殘留量隨施氮量的增加而增加，作物吸收量增加到一定值時(shí)就不再增加。施氮量為 N 120 kg/hm2時(shí)，氮肥殘留率達(dá)到45.3%，損失率只有11.3%[29]。

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