不同來源氮素配合施用提高東北春玉米氮素利用與改善土壤肥力的可持續性研究

姜慧敏，郭俊娒，劉曉，喬少卿，張雪凌，郭康莉，張建峰*，楊俊誠*

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京100081；2中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；3延安大學生命科學學院，陜西延安716000；4四川農業大學資源環境學院，成都611130）

不同來源氮素配合施用提高東北春玉米氮素利用與改善土壤肥力的可持續性研究

姜慧敏1，郭俊娒2，劉曉1，喬少卿3，張雪凌4，郭康莉1，張建峰1*，楊俊誠1*

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京100081；2中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；3延安大學生命科學學院，陜西延安716000；4四川農業大學資源環境學院，成都611130）

【目的】研究不同氮素形態對東北春玉米氮素利用和土壤肥效的影響，為氮素養分持續高效利用和培肥土壤提供理論依據。【方法】2013～2015年連續三年在東北典型春玉米種植區開展田間定位試驗，在相同磷鉀肥施用前提下，試驗設4個處理：1)50%玉米秸稈氮(N0)；2)100%速效氮165kg/hm2(N1)；3)60%速效氮+ 20%有機肥氮+20%緩釋氮，施氮量165kg/hm2(N2)；4)N2+生物炭，生物炭量相當于50%玉米秸稈(N3)。收獲期測定耕層土壤基本理化指標、作物產量及氮素利用率、基肥和追肥后土壤N2O排放量。【結果】1)三年玉米平均產量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增加了62.7%、67.7%和80.1%(P<0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產3.0%和10.7%；N3處理玉米產量可持續性指數(SYI)最高，產量可持續性最好。2)與N1處理相比，2013年和2014年累計化肥氮利用率N2和N3處理分別增加了8.4%和12.7%、10.2%和15.5%，2015年分別顯著增加了8.4%和12.7%(P<0.05)。N2和N3處理累計化肥氮利用率呈現逐年增加的趨勢，且N3處理增加幅度大于N2處理，說明N3處理氮肥的后效更加明顯。3)施氮處理顯著提高了土壤N2O累積排放量(P<0.05)，N3處理較N1處理顯著降低了53.2%；4)N3處理的綜合土壤肥力指數(IFI)最高，N3處理在農學、土壤肥力和環境效應評價中最優。【結論】在總氮施用量不變的前提下，以添加適宜比例生物炭、有機肥和緩釋氮肥替代部分速效化肥氮，可協同實現東北春玉米持續穩產、氮素養分持續高效利用和土壤肥力的可持續改善。

生物炭；N2O排放；玉米；氮肥利用效率

東北是我國玉米主產區之一，種植面積和總產量均占到全國的30%左右，對我國糧食安全起著非常重要的作用[1]。玉米是對氮素敏感且需氮量較多的高產作物，合理施用氮肥是增加玉米產量、提高氮肥利用率的重要措施。但長期以來，東北地區氮肥多采用一次性基施，基本不施緩控釋肥，且為了追求高產而過量施用氮肥的問題十分突出，直接導致氮肥利用率降低和環境污染風險的增加[2]。同時，雖然東北地區有機肥資源豐富，但資源利用率低，玉米幾乎不施有機肥[3]，由此逐漸造成土壤物理性質退化，土壤耕作、保水、保肥性能降低，使玉米植株吸收氮素養分受阻，直接影響玉米產量的長期穩定提高[4]。因此，科學合理的施肥是保證黑土區春玉米高產、氮肥高效利用、環境生態安全和土壤肥力可持續的重要措施。

關于提高東北春玉米產量、氮素利用率及減少環境風險的施肥方式研究較多，如長期有機無機配施試驗結果表明，等氮量條件下，豬糞或秸稈配施化肥氮能顯著提高玉米產量及氮肥利用率[5]，豬糞、牛糞或秸稈與化肥配施能有效提高春玉米農田基礎地力產量和基礎地力貢獻率，增加有機物料投入是黑土區農田基礎地力培育的最佳施肥措施[6]。但以往有機無機配施多是畜禽糞便有機肥或秸稈與化肥單獨配施，而秸稈和畜禽糞便有機肥與化肥配施的多年定位研究較少。近年來，秸稈炭化后的生物炭逐漸成為一種新型有機肥，國內外研究表明，生物炭與適量的氮肥配施可提高氮肥利用率[7]、減少N2O氣體的排放[8]，說明生物炭與氮肥之間存在互補或協同效應，但這些研究多應用于水田，且多是室內培養試驗，而在東北春玉米種植區將生物炭、畜禽糞便有機肥、秸稈這三種有機肥與化肥配施的多年田間定位研究鮮有報道。另外，由于緩釋氮肥能夠根據作物的需肥規律釋放養分，在東北春玉米上的應用報道也很多[9]，但等氮量條件下，速效氮和緩釋氮與有機肥(畜禽糞便、秸稈、生物炭)配合施用對氮素養分利用和土壤綜合肥力評價研究尚無報道。

基于此，本研究以東北春玉米典型種植區黑龍江省為研究基地，采用連續3年的田間定位試驗，研究不同氮素形態(速效氮、緩效氮和有機氮)配施生物炭對春玉米產量、氮素利用效率、N2O排放及土壤肥效的影響，以期為進一步實現氮素養分的持續高效利用和土壤肥力的可持續提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于黑龍江省哈爾濱市民主鄉黑龍江省農業科學院現代農業科技示范園區，東經126°48′55.64″～126°51′26.50″，北緯45°49′44.33″～45°51′01.60″，海拔130～150m，屬于寒溫帶大陸季風氣候，年平均氣溫3.6℃，年降水量為486.4～543.6mm；高于10℃年積溫為2600～2800℃，全年無霜期135天；年平均風速4.1m/s。土壤類型為黑土，質地為砂礫13%、粉粒63%、粘粒24%，黑土層厚度為25～40cm，粘土層厚度為30～35m。試驗前供試土壤有機質含量為28.70g/kg，全量氮、磷、鉀含量分別為1.14、0.39、2.95g/kg，速效氮、磷、鉀含量分別為85.19、30.00、185.98mg/kg，pH6.85。

1.2 試驗設計

試驗區種植制度為一年一熟春玉米，供試作物為當地主栽品種龍單42號。試驗從2013年5月開始，到2015年10月連續種植了三季春玉米。試驗在施用相同磷、鉀肥的基礎上，設4個處理，分別為：1)50%玉米秸稈(N0)；2)100%速效氮165 kg/hm2(N1)；3)60%速效氮+20%有機肥氮+20%緩釋氮，共165kg/hm2(N2)；4)N2+生物炭，生物炭量相當于50%玉米秸稈(N3)。每個處理重復4次，區組隨機排列，小區面積為60m2。

速效氮肥為尿素，按照基肥、大喇叭口期比例2∶1施入；緩釋氮肥為緩釋包膜尿素(含氮量為41.8%)，由中國科學院南京土壤研究所提供；有機肥為商品有機肥(水分含量30.1%、有機質47.8%、N1.86%、P2O53.11%、K2O0.85%)，有機肥由江蘇田娘農業科技有限公司提供，替代量參考前期研究結果[1]；磷肥為重過磷酸鈣；鉀肥為氯化鉀；玉米秸稈平均N、P2O5、K2O含量分別0.70%、0.11%和1.42%；生物炭添加量為2t/hm2(相當于50%玉米秸稈量)。緩釋氮肥、有機肥、磷肥、鉀肥玉米秸稈和生物炭均基施，具體肥料施用量如表1所示。

1.3 供試生物炭基本理化性質

生物炭由黑龍江省農業科學院提供，是由玉米秸稈在500℃厭氧條件下熱解而成的高度芳香化產物，其性質較為穩定，且含有一定的養分。參照《土壤農化分析》[10]和《木炭和木炭試驗方法》[11]分析，其有機碳含量為77%，全量氮、磷、鉀含量為6.10、5.17、22.8g/kg，陽離子交換量為9.98cmol(+)/kg，灰分含量為13.3%。

1.4 樣品采集與測試

成熟期采集0—20cm耕層土壤樣品，每個小區采5個點將土壤混合，按四分法分取，風干研磨，用于土壤基本理化性狀指標的測定。成熟期測定植株和籽粒氮素養分含量，各小區測定玉米產量。

土壤pH采用電位法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用開氏消煮—半微量滴定法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用NH4F–HCl浸提—鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；植物樣全氮采用H2SO4–H2O2消煮后凱氏定氮法測定[10]。

土壤N2O氣體測定：2014年采用靜態箱/氣相色譜法測定土壤N2O的排放通量[12]。施基肥及追肥后從第二天起每天采集一次，連續采集7天左右，隨后一周采一次。

溫室氣體通量計算公式為：

其中:F為氣體排放通量[C或N mg/(m2·h)]；k為量綱換算系數；V為氣室體積；A為底座面積；M為目標氣體摩爾質量；V0為標準狀況下目標氣體的摩爾體積；T0為標準狀況下絕對氣溫；T為箱內溫度；P為箱內氣壓；P0為標準狀況下絕對氣壓；dc/dt為采樣期間箱內溫室氣體濃度變化速率。

1.5 計算公式

產量可持續性指數(sustainable yield index, SYI)[13]：

肥料氮利用率=(收獲期施氮區地上部總吸氮量–收獲期不施氮區地上部總吸氮量)/肥料氮施用量× 100%

表1 各處理肥料施用量 (kg/hm2)Table 1 Amounts of fertilzers applied in the treatments

內梅羅指數法計算土壤綜合肥力[14]：

式中：IFI為土壤綜合肥力；IFIi平均與IFIi最小分別為土壤各屬性分肥力均值與最小值；n為評價指標個數。本研究選取2013～2015年田間定位試驗連續監測的土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等6個指標作為參評的化學指標，反映土壤肥力狀況。

灰色關聯度分析：本研究對N0、N1、N2和N3這4個處理進行綜合評價。首先是評價指標的確定，2013年以產量、化肥氮利用率這2個指標來評價氮素農學效應，以土壤全氮、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH這6個指標來評價土壤肥力效應；2014年在2013年評價指標基礎上增加了N2O排放量來評價環境效應；2015年評價指標與2013年評價指標相同。灰色關聯度分析參考韋澤秀[15]。

1.6 數據統計分析

試驗結果采用SAS9.1統計分析軟件進行方差分析和相關分析，不同處理間采用最小顯著差數法(LSD法)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，采用Excel和SigmaPlot10.0制圖。

圖1 不同施肥處理對玉米產量的影響Fig. 1 Effect of different N fertilizer treatments on maize yields

2 結果與分析

2.1 產量與氮素利用率

由圖1可知，2013年玉米產量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產35.1%、39.7%和39.4% (P<0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產3.4%和3.2%。2014年玉米產量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產72.6%、75.9%和83.2%(P< 0.05)，施氮處理增產量比2013年相應處理產量提高了50%左右；N2和N3處理分別比N1處理增產1.9%和6.1%。2015年玉米產量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產85.5%、91.4%和130.0%(P< 0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產3.2%和24.0%，其中N3處理顯著增產(P<0.05)。從3年的平均產量來看，施氮處理分別顯著增加了62.7%、67.7%和80.1%(P<0.05)，表明氮肥對玉米增產效果顯著；N2和N3處理分別比N1處理增產3.0%和10.7%。從3年施氮處理產量較對照處理的增產率來看，N3處理有逐年增加的趨勢，說明氮肥結合有機替代和緩控釋及生物炭的施肥方式對玉米持續穩產具有重要作用。N0、N1、N2和N3處理的產量可持續性指數(SYI)分別為0.6、0.8、0.8和0.9，N3處理玉米SYI值最高，說明產量可持續性更好。

農田肥料利用率的計算是建立在試驗開始前各小區的土壤肥力均一的基礎上進行的，然而，連續多季或多年的不同施氮操作已造成處理小區間土壤肥力水平差異懸殊。因此，利用常規差減法按年度計算多年定位試驗的氮肥利用率存在一定的不合理性，所以，本文引入累計氮肥利用率的概念和算法[16]，它是指一段時間內作物累計從土壤中吸收的來自肥料的氮量與累積施入土壤中的肥料氮量的比值，它可以消除年際間的差異，時間越長，肥料利用效率越穩定，更能準確說明肥料利用的真實情況。本研究計算累計化肥氮利用率。

2013年玉米當季化學氮肥利用率結果表明(表2)，N2和N3處理分別比N1處理增加了8.4%和12.7%；2014年玉米累計化肥利用率N2和N3處理分別比N1處理增加了10.2%和15.5%；2015年玉米累計化肥氮利用率N2和N3處理比N1處理顯著增加了8.4%和12.7%(P<0.05)。結果表明，隨著處理時間的延長，N1處理玉米累計化肥氮利用率呈現先增加后減小的趨勢，N2和N3處理呈現逐年增加的趨勢，且N3處理增加幅度大于N2處理，說明N3處理氮肥的后效更加明顯。

2.2 土壤 N2O 排放

春玉米種植期N2O氣體排放規律在不同處理條件下基本一致(圖2)，排放通量范圍在–57～292 μg/(m2·h)，N0～N3處理平均排放通量分別為167、56、50和25μg/(m2·h)。施入基肥后一周內各處理N2O的排放通量均較低，從播種后第16天開始，N1和N2處理的N2O排放通量迅速升高，并在播種后23到44天之間出現一個明顯的排放峰值，在此時期內，N1和N2處理的N2O最大排放通量分別為173和292μg/(m2·h)，而此時期內N0和N3處理的N2O最大排放通量僅為43和81μg/(m2·h)。播種后44天以后，各處理N2O的排放通量逐漸降低，到7月1日追肥后(播種后62天)再次升高，并出現一個小的排放峰，在7月6日達到峰值，同第一個排放峰的規律一致，此時期N1和N2處理的N2O最大排放通量為71和61μg/(m2·h)，而N3處理排放通量僅為5.4μg/(m2·h)。

施入基肥后一周內N2O的累積排放量由高到低依次為N1>N2>N3>N0(表3)。與N1處理相比，N2和N3處理N2O累積排放量分別降低了4.6%和55.8%，其中N3處理差異達顯著水平(P<0.05)。追肥后一周內N2O的累積排放量范圍在9.2～68.8 g/hm2，各處理N2O累積排放量由高到低依次為N1> N2>N3>N0，與N1處理相比，N2和N3處理N2O累積排放量分別顯著降低了54.5%和70.0%(P< 0.05)。玉米全生育期內N2O排放總量范圍在420.3～1397.0g/hm2，由高到低依次為N2>N1>N3>N0，N3處理N2O排放總量比N1和N2處理分別顯著降低了53.2%和56.7%(P<0.05)。

表2 不同處理化肥氮的累積吸收量和累計利用率Table 2 Cumulative chemical N uptakes and use efficiencies of maize under different treatments

圖2 不同施肥處理對東北春玉米農田 N2O 排放通量的影響Fig. 2 Effect of different N fertilizer treatments on N2O emission flux of spring maize field

2.3 土壤肥力效應

應用修正的內梅羅指數計算了3年不同施肥處理下土壤的綜合肥力(圖3)，發現IFI值均在2.0以下。不同施肥處理IFI值由高到低依次為N3>N2= N1>N0，N0處理分別較N1、N2和N3處理顯著降低了5.2%、5.2%和11.6%(P<0.05)，施氮處理間IFI值沒有顯著差異。

2.4 灰色關聯度分析

由表4分析可知，2013年N1、N2和N3處理灰色關聯度分別為0.7533、0.8618和0.8535，N2處理在氮素農學效應和土壤肥力綜合效應評價中最優，N3處理與N2處理關聯度相近，N1處理關聯度值最小。2014年N1、N2和N3處理灰色關聯度分別為0.8433、0.8443和0.9981，N3處理在氮素農學效應、土壤肥力綜合效應和環境效應綜合評價中最優，N2和N1處理關聯度相近。2015年綜合評價結果為N3>N2>N1，說明N3處理在氮素農學效應和土壤肥力綜合評價中最優。

表3 不同處理施肥后 7 天以及玉米整個生育期農田 N2O 排放量 (g/hm2)Table 3 Cumulative N2O emissions in 7 days after fertilization and during the whole growing stage of maize under different treatments

圖3 不同施肥處理下土壤綜合肥力指數 (內梅羅指數法)Fig. 3 IFI under different N fertilizer treatments (Nemoro index method)

表4 2013～2015 年不同施肥處理綜合評價的關聯度及關聯序Table 4 Correlation degrees and rank of comprehensive evaluation of different fertilizer treatments in 2013–2015

3 討論

3.1 不同氮素形態對春玉米氮素吸收和利用的影響

氮素是影響植物生長發育及產量的重要營養元素。本研究結果表明，氮素對玉米產量形成起著至關重要的作用，N0處理(不施化肥氮，秸稈還田)玉米產量顯著低于施氮處理，其原因可能由于氮素不足加速穗葉葉綠素含量下降進程，使葉片提早衰老[17]，衰老過快會影響物質轉運和光合作用，最終影響產量的形成[18]。我們的研究結果證實，2013年春玉米抽雄期SPAD值含量最高，其次是灌漿期，與抽雄期比較，N1、N2和N3處理SPAD值灌漿期與之較為接近，而N0處理在灌漿期顯著減少(P<0.05)(數據未列出)。科學合理的氮素施用是春玉米獲得高產和提高氮素利用率的重要途徑。連續三年定位試驗研究發現，不同形態氮素配施(N2和N3處理)，作物平均產量較只施化肥氮(N1處理)分別提高了3.0%和10.7%，其原因可能是：1)緩釋肥提高了玉米產量構成因素的穗粗和穗長，2014年N2處理穗長和穗粗分別增加11.0%和2.4%，N3處理分別增加了12.9%和3.6%[19]，這與馮愛青等[20]的研究結果相似。2)畜禽糞便有機肥和生物炭這些富含碳的有機物施入土壤后，為土壤微生物提供了大量能源物質，促進了土壤微生物生物量氮的增加，2013年和2014年N2和N3處理土壤微生物量氮分別比N1處理增加12.5%和18.9%、0.7%和6.7%[19]，有利于土壤氮的協調供應，從而提高了氮素利用效率。另外，研究結果還發現，N3處理較N2處理玉米產量和累積氮素利用率隨著試驗時間的延長而出現顯著提高，很顯然，生物炭添加起到了關鍵作用，可能有以下三方面原因：一是養分增加，尤其是碳的增加，導致玉米產量顯著增加；二是生物炭提高了土壤微生物量碳含量，2013年和2014年N3處理土壤微生物量碳含量比N2處理分別增加了13.5%和26.9%，其中在2014年達到顯著水平(P<0.05)[21]。有研究表明，土壤微生物量碳與土壤全氮、堿解氮之間均呈顯著正相關關系[22–23]，我們前期的研究結果也證實，添加生物炭后土壤微生物量碳與堿解氮之間存在顯著正相關關系[21]；三是生物炭中含有大量的鉀，增加了土壤中可交換性鉀，使產量增加，N3處理2013年和2014年土壤速效鉀分別比N2處理增加了8.7%和6.7%[21]。

3.2 施肥方式對土壤 N2O 排放的影響

農田土壤是大氣中N2O的最主要釋放源，氮肥施用對農田土壤N2O的排放有明顯的促進作用[24]，旱作農業生產中氮肥的變化直接影響著土壤N2O排放通量[25]。本研究結果表明，產生N2O排放的主要因素是施氮肥，不施氮處理N2O的排放量顯著低于施氮處理(P<0.05)。施氮處理N2O累積排放量由高到低依次為N2>N1>N3，N2處理N2O累積排放量略高于N1處理，說明畜禽有機肥的施用為土壤中帶入大量易溶性有機物，增加了土壤中反硝化細菌的反應底物，且緩釋氮肥延長了氮素的釋放周期，因而有機替代結合緩釋肥對土壤N2O排放的促進作用要高于純施化肥氮處理。有研究發現，豬糞替代50%化肥氮處理N2O累計排放量比化肥氮處理顯著提高119.23%[26]，農田施用有機肥會促進N2O的排放，且對N2O排放的影響明顯大于秸稈覆蓋、免耕、秸稈深施等農業管理措施[27]，主要是通過調節土壤C/N影響土壤微生物活性直接或間接影響N2O排放[28]。N3處理由于在N2處理基礎上添加了生物炭，造成土壤N2O累積排放量顯著降低(P<0.05)。關于生物炭減少N2O排放的報道較多，Spokas和Reicosky[29]對16種不同生物炭進行試驗表明，15種生物炭抑制N2O排放。李飛躍和汪建飛[30]對近年來生物炭對土壤N2O排放的相關文獻進行歸納，發現生物炭施入土壤后能夠抑制或減少N2O的排放，他們對我國5種典型土壤(紅壤、黃綿土、黑土、水稻土和潮土)研究表明，350℃和500℃制備的生物炭均對黑土土壤N2O排放起到了抑制作用。本研究試驗中的生物炭是在500℃制備，同樣也顯著降低了土壤N2O的排放。生物炭抑制N2O排放的可能機制有以下兩個方面：一是生物炭較高的C/N抑制了土壤礦化氮的量，降低了土壤的硝化與反硝化作用[31]；二是生物炭施入土壤后，由于其具備多孔隙的特性，因此能夠改善土壤的通氣狀況，抑制了土壤的反硝化細菌的活性，從而減少了N2O的排放[32]。

3.3 施肥方式對土壤綜合肥力的影響

土壤肥力質量評價是土壤質量評價的核心內容[33]。評價指標及其權重構成了土壤肥力綜合評價指標體系，因物理性質相對穩定和生物性質變化太快等原因常不被選為土壤肥力評價指標，而土壤養分是土壤肥力的核心部分，所以生產中常用氮、磷、鉀、有機質等養分來綜合衡量土壤肥力高低[14]。本試驗結果表明，3年土壤綜合肥力指數施氮處理間沒有顯著差異。可見，40%化肥氮被20%有機氮和20%緩釋氮替代，土壤綜合肥力指標相近。有機無機配施能夠增加松結態、穩結態、緊結態腐殖質的總量，進而增加了土壤有機質含量[34]。同時，有機無機配施能夠有效提高土壤全磷、無機磷、有機磷含量，改善供磷水平[35]。N3處理在N2基礎上添加了生物炭，土壤綜合肥力指數比N2提高了5.9%，說明生物炭添加對土壤綜合肥力的提升具有重要作用，可能是生物炭有助于土壤腐殖質的形成，提高土壤有機質含量[36]，還可提高土壤碳氮比，促進土壤微生物的活性，促進土壤有機氮、有機磷的礦化，從而提高了土壤速效氮、磷的含量[37]。

4 結論

與N1處理相比，N3處理能夠有效提高玉米產量，增產率在1.9%～13.5%，玉米SYI值最高，產量可持續性更好；累計氮肥利用率隨著時間延長逐漸增加，氮肥后效明顯；能夠顯著降低土壤N2O的排放；土壤綜合肥力指數最高；農學、土壤肥力和環境效應綜合評價最優。因此，利用化肥氮總量控制、生物炭添加和適量有機和緩釋氮肥替代的氮素形態優化配施，可協同實現東北春玉米持續穩產、氮素養分持續高效利用和土壤肥力的可持續。

[1]劉占軍.東北春玉米氮磷增效施肥模式研究[D].北京:中國農業科學院碩士學位論文,2010. Liu ZJ.Evaluation on fertilizer application patterns for improving nitrogen and phosphorus use efficiency in spring maize in Northeast China[D].Beijing:MS Thesis of Chinese Academy of AgriculturalSciences,2010.

[2]高強,李德忠,王娟娟,等.春玉米一次性施肥效果研究[J].玉米科學,2007,15(4):125–128. Gao Q,Li DZ,Wang JJ,et al.Effects of single fertilization for spring maize[J].Journal of Maize Sciences,2007,15(4):125–128.

[3]高強,馮國忠,王志剛.東北地區春玉米施肥現狀調查[J].中國農學通報,2010,14:229–231. Gao Q,Feng GZ,Wang ZG.Present situation of fertilizer application on spring maize in Northeast China[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2010,14:229–231.

[4]王丹.東北地區玉米施肥存在的問題與解決途徑[J].農業科技通訊,2013,7:201–203. Wang D.Present status,problems and strategy on maize fertilization in Northeast China[J].Agricultural Science and Technology,2013,7: 201–203.

[5]張秀芝,高洪軍,彭暢,等.等氮量投入下有機無機肥配施對玉米產量及氮素利用的影響[J].玉米科學,2012,20(6):123–127. Zhang XZ,Gao HJ,Peng C,et al.Effects of combined application of organic manure and chemical fertilizer on maize yield and nitrogen utilization under equal nitrogen rates[J].Journal of Maize Sciences, 2012,20(6):123–127.

[6]查燕,武雪萍,張會民,等.長期有機無機配施黑土土壤有機碳對農田基礎地力提升的影響[J].中國農業科學,2015,48(23): 4649–4659. Zha Y,Wu XP,Zhang HM,et al.Effects of long-term organic and inorganic fertilization on enhancing soil organic carbon and basic soil productivity in black soil[J].Scientia Agricultura Sinica,2015, 48(23):4649–4659.

[7]Saleh ME,Mahmoud AH,Rashad M.Peanut biochar as astable adsorbent for removing NH4-N from wastewater:a preliminary study[J].Advances in Environmental Biology,2012,6(7): 2170–2176.

[8]Harter J,Krause HM,Schuettler S,et al.Linking N2O emissions from biochar-amended soil to the structure and function of the N-cycling microbial community[J].The ISME Journal,2013,8(3): 660–674.

[9]韓蔚娟.新型肥料在黑土上的施用效果及環境效應研究[D].吉林:吉林農業大學碩士學位論文,2015. Han WJ.Study on the application effectiveness and environmental effect of new-type fertilizer in the black soil[D].Jilin:MS Thesis of Jilin Agricultural University,2015.

[10]魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京:中國農業科技出版社, 1999. Lu RK.Soil agricultural chemical analysis method[M].Beijing: China Agricultural Science and Technology Press,1999.

[11]GB/T17664–1999,木炭和木炭試驗方法[S]. GB/T17664–1999,Wood charcoal and test method of wood charcoal[S].

[12]萬運帆,李玉娥,高清竹,等.不同農業措施下冬小麥田N2O排放通量的特征[J].中國農業氣象,2008,29(2):130–133. Wan YF,Li YE,Gao QZ,et al.Characteristics of N2O flux in winter wheat field under different field management[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2008,29(2):130–133.

[13]李忠芳.長期施肥下我國典型農田作物產量演變特征和機制[D].北京:中國農業科學院博士學位論文,2009. Li ZF.Characteristics and mechanism of grain yield in typical cropland under long-term fertilization in China[D].Beijing:PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences,2009.

[14]包耀賢,徐明崗,呂粉桃,等.長期施肥下土壤肥力變化的評價方法[J].中國農業科學,2012,45(20):4197–4204. Bao YX,Xu MG,LüF T,et al.Evaluation method on soil fertility under long-term fertilization[J].Scientia Agricultura Sinica,2012, 45(20):4197–4204.

[15]韋澤秀.水肥對大黃瓜和番茄生理特性及土壤環境的影響[D].陜西楊凌:西北農林科技大學博士論文,2009. Wei ZX.Effect the condition of soil water and fertilizer on the physiological characteristics of plant and soil environments of cucumber and tomato in greenhouse[D].Yangling,Shaanxi:PhD Dissertation of Northwest A&F University,2009.

[16]楊憲龍,路永莉,李茹,等.小麥-玉米輪作體系多年定位試驗中作物氮肥利用率計算方法探討[J].應用生態學報,2014,25(12): 3514–3520. Yang XL,Lu YL,Li R,et al.Discussion on the calculation method of nitrogen use efficiency in long-term experiments under wheat and maize rotation systems[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014, 25(12):3514–3520.

[17]何萍,金繼運,林葆.氮肥用量對春玉米葉片衰老的影響及其機理研究[J].中國農業科學,1998,31(3):1–4. He P,Jin JY,Lin B.Effect of Napplication rates on leaf senescence and its mechanism in spring maize[J].Scientia Agricultura Sinica, 1998,31(3):1–4.

[18]陳明,黃慶海,余喜初等.肥料運籌對晚稻產量及根系和葉片衰老進程的影響[J].中國農學通報,2012,28(33):139–143. Chen M,Huang QH,Yu XC,et al.Effects of different fertilizer application on the yield and senescence process of root and leaf in late season rice[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2012, 28(33):139–143.

[19]郭俊娒.不同施肥模式對東北春玉米氮素利用與農田溫室氣體排放的影響[D].北京:中國農業科學院碩士學位論文,2015. Guo JM.Effect of fertilizer application models on high efficient use of nitrogen and greenhouse gases emission in spring maize in Northeast China.[D]Beijing:MS Thesis of Chinese Academy of Agricultural Sciences,2015.

[20]馮愛青,張民,路艷艷,等.控釋氮用量及生物炭對玉米產量及土壤生物化學性質的影響[J].水土保持學報,2014,28(2):159–164. Feng AQ,Zhang M,Lu YY,et al.Effects of controlled release nitrogen application rate and biochar on maize yield and soil biochemical properties[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2014,28(2):159–164.

[21]郭俊娒.玉米秸稈炭還田對黑土土壤肥力特性和氮素農學效應的影響[J].植物營養與肥料學報,2016,22(1):67–75. Guo JM.Effect of maize straw derived biochar on the soil fertility and nitrogen agronomic responses in black soil[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2016,22(1):67–75.

[22]徐陽春,沈其榮,冉煒.長期免耕與施用有機肥對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響[J].土壤學報,2002,39(1):89–96.Xu YC,Shen QR,Ran W.Effects of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C,N and Pafter sixteen years of cropping[J].Acta Pedologica Sinca,2002,39(1):89–96.

[23]薛菁芳,高艷梅,汪景寬,等.土壤微生物量碳氮作為土壤肥力指標的探討[J].土壤通報,2007,38(2):247–251. Xue JF,Gao YM,Wang JK,et al.Microbial biomass carbon and nitrogen as an indicator for evaluation of soil fertility[J].Chinese Journal of Soil Science,2007,38(2):247–251.

[24]Qin SP,Wang YY,Hu CS,et al.Yield-scaled N2O emissions in a winter wheat-summer corn double-cropping system[J].Atmospheric Environment,2012,55:240–244.

[25]王旭燕,張仁陟,蔡立群等.不同施氮處理下旱作農田土壤CH4、N2O氣體排放特征研究[J].環境科學學報,2015,35(11): 3655–3661. Wang XY,Zhang RZ,Cai LQ,et al.Emission characteristics of CH4and N2O fluxes from dryland field under different nitrogen treatments[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2015,35(11): 3655–3661.

[26]王聰,沈健林,鄭亮,等.豬糞化肥配施對雙季稻田CH4和N2O排放及其全球增溫潛勢的影響[J].環境科學,2014,35(8):3120–3127. Wang C,Shen JL,Zheng L,et al.Effects of combined applications of pig manure and chemical fertilizers on CH4and N2O emissions and their global warming potentials in paddy fields with double-rice cropping[J].Environmental Science,2014,35(8):3120–3127.

[27]華珞,鄭海金.不同有機物料對土壤N2O排放的影響與調控[J].中國環境科學,2004,24(4):464–468. Hua L,Zheng HJ.Influence and control of paper waste and plant residual on N2O emission from soil[J].China Environmental Science, 2004,24(4):464–468.

[28]Fleisher DH,Cavazzoni J,Giacomelli GA,et al.Adaptation of SUBSTOR controlled environment potato production with elevated carbon dioxide[J].Transactions of the ASAE,2003,46(2):531–538.

[29]Spokas KA,Reicosky DC.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Annals of Environmental Science, 2009,3:179–193.

[30]李飛躍,汪建飛.生物炭對土壤N2O排放特征影響的研究進展[J].土壤通報,2013,44(4):1005–1009. Li FY,Wang JF.Effect of biochar addition to soil on N2O emission: a review[J].Chinese Journal of Soil Science,2013,44(4): 1005–1009.

[31]Wang JY,Zhang M,Xiong ZQ,et al.Effects of biochar addition on N2O and CO2emissions from two paddy soils[J].Biology and Fertility of Soils,2011,47(8):887–896.

[32]王欣欣.生物炭施用對稻田溫室氣體排放的影響研究[D].南京:南京農業大學碩士學位論文,2013. Wang XX.Studies on the effect of biochar application on paddy greenhouse gas emissions[D].Nanjing:MS Thesis of Nanjing Agricultural University,2013.

[33]劉世梁,傅伯杰,劉國華,等.我國土壤質量及其評價研究的進展[J].土壤通報,2006,37(1):137–143. Liu SJ,Fu BJ,Liu GH,et al.Research review of quantiative evaluation of soil quality in China[J].Chinese Journal of Soil Science,2006,37(1):137–143.

[34]接曉輝,楊麗娟,周崇峻,等.長期施肥對保護地土壤腐殖質總量及各形態之間比值的影響[J].土壤通報,2009,40(4):805–808. Jie XH,Yang LJ,Zhou CJ,et al.Effect of long-term fertilization on the contents of combined formation of humus in the protected cultivation[J].Chinese Journal of Soil Science,2009,40(4):805–808.

[35]孫倩倩,王正銀,趙歡,等.定位施肥對紫色菜園土磷素狀況的影響[J].生態學報,2012,32(8):2539–2549. Sun QQ,Wang ZY,Zhao H,et al.Effect of site-specific fertilization on soil phosphorus in purple garden soil[J].Acta Ecologica Sinica, 2012,32(8):2539–2549.

[36]Van Z,Kimber S,Morris S,et al.Effect of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil,2010,327:235–246.

[37]Laird DA,Fleming P,Davis DD,et al.Impact of biochar amendments on the quality of atypical midwestern agricultural[J]. Geoderma,2010,158(3):443–449.

Effects of combined application of nitrogen from different source on nitrogen utilization of spring maize and sustainability of soil fertility in Northeast China

JIANG Hui-min1,GUO Jun-mei2,LIU Xiao1,QIAO Shao-qing3,ZHANG Xue-ling4,GUO Kang-li1,ZHANG Jian-feng1*,YANG Jun-cheng1*
(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 3 School of Life Sciences, Yan’an University, Yan’an Shaanxi 716000, China; 4 College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

【Objectives】This paper focused on sustaining high use of nitrogen(N)and improving soil fertility by applying different Nforms in Northeast China.【Methods】A3-year field experiment was conducted in Heilongjiang Province,China during2013to2015.Under the same rates of Pand Kinput,four treatments were designed:1)only50%maize straw(N0);2)100%chemical Nfertilizer(N165kg/hm2,N1);3)80%chemical N fertilizer(60%fast released and20%slow released N)+20%organic Nfertilizer,as N165kg/hm2(N2);and4) N2+biochar,with the same amount as50%maize straw(N3).The plant and soil samples(0–20cm depth)were collected at the harvest,the related items were analyzed using regular methods.N2O emission was analyzed after the basic and topdressing fertilization.【Results】Compared with the N0,the average yields of the N1,N2and N3from2013to2015were significantly increased by62.7%,67.7%and80.1%(P<0.05), respectively.The average maize yield of three years in the N1was10421kg/hm2which was3.0%and10.7% lower than those of the N2and N3,respectively.The sustainable yield index(SYI)in the N3was higher than those in other treatments.Compared with N1,the cumulative chemical Nuse efficiencies of the N2and N3were increased by8.4%and12.7%in2013,by10.2%and15.5%in2014,and significantly increased by8.4%and 12.7%in2015(P<0.05).The cumulative chemical Nuse efficiencies of the N2and N3showed increasing trend year after year and the increase in the N3was bigger than in the N2.The single application of fast release N fertilizer resulted in greater soil N2O emission.Soil N2O emission in the N3was significantly decreased by53.2% compared to the N1(P<0.05).The integrated fertility indexes(IFI)in the N3was higher than those in other treatments.【Conclusions】The optimum Nmanagements can be coordinated to achieve high maize yield and high Nuse efficiency in Northeast China by regulating the amount of Nfertilizer with adding biochar and substituting chemical fertilizer Nwith organic fertilizer Nand slow release N.

biochar;N2O emission;maize;N use efficiency

2016–06–23接受日期：2016–11–20

國家自然科學基金項目（41501322，21577172）；國家重點基礎研究發展計劃“973”課題（2013CB127406）；中央級公益性科研院所專項資金資助項目（IARRP-2015-21）；國家科技合作專項（2015DFA20790）資助。

姜慧敏（1980—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，副研究員，主要從事土壤培肥與改良研究。

Tel：010-82105061，E-mail：jianghuimin@caas.cn

*通信作者Tel：010-82106203，E-mail：zhangjianfeng@caas.cn；Tel：010-82108760，E-mail：yangjuncheng@caas.cn