基于15N示蹤技術的不同水肥條件下玉米氮素利用實驗

張忠學 尚文彬 鄭恩楠 陳帥宏 陳 鵬 劉 明

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

氮素是營養元素中影響產量的首要因子，氮素的積累和分配對玉米的增產有重要意義[1-2]。然而，為了追求高產盲目地大量施用氮肥不僅達不到預期的效果，還會降低水肥利用效率，造成環境污染[3-5]。提高肥料利用率，滿足產量與環境友好需求是當前農業可持續性發展以及建設美好生態環境面臨的重要科學問題。

傳統普遍采用差值法來計算肥料利用率，即將施肥作物收獲的養分量減去不施肥作物收獲的養分量占施入肥料養分量的比作為肥料利用率[6]。然而此方法不能識別作物吸收的氮來自于肥料氮還是土壤氮。近年來隨著同位素示蹤技術的發展，更多的學者采用同位素示蹤法來測定肥料利用率[7]。利用同位素示蹤技術，不僅可以得知氮素來源還可以通過其在植株各器官分布狀況反映植株長時間對氮素的利用情況以及氮素在植株體內代謝和運轉的綜合信息[8]。侯毛毛等[9]利用15N示蹤技術得出后季烤煙對首季施入肥料氮素的再利用率為10.79%～14.58%；趙登超等[10]采用15N標記的肥料測定不同時期的冬棗氮素利用率分別為2.42%、9.77%、9.01%；董雯怡等[11]應用15N示蹤探究毛白楊苗木對不同形態氮素的吸收利用及分配。玉米在我國糧食生產中有著十分重要的地位，已有報道利用示蹤法探究玉米對氮素的利用效率，然而關于整個土壤與作物體系氮素流動過程，肥料氮對土壤氮的激發和補償規律，以及肥料氮真實損失情況還少有報道。

本文在優化的水肥組合方案基礎上[12]控制磷肥、鉀肥一致，采用大田試驗結合15N示蹤微區試驗的方法，研究不同水氮條件下，玉米各器官中氮素的累積情況及玉米對肥料氮和土壤氮的吸收利用情況，以期為玉米生產節水減肥、提高氮肥利用率提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在黑龍江省肇州縣水利科學試驗站內(45°17′N，125°35′E)，屬典型的旱作物試驗區，主要進行玉米、大豆等旱田作物的試驗研究。該區平均海拔150 m，屬于大陸性溫寒帶氣候，多年生育期平均降雨量約為390 mm，平均蒸發量1 733 mm，大于等于10℃有效積溫2 845℃，無霜期138 d。屬于第一積溫帶，地下水深度在7 m左右。試驗土壤為碳酸鹽黑鈣土(土壤物理性質)，容重1.21 g/cm3。土壤基礎肥力(均為質量比)：有機質28.20 g/kg、全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、堿解氮0.13 g/kg、速效磷0.04 g/kg、速效鉀0.21 g/kg。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為“良玉99”。試驗采用3個灌溉水平，即W1(200 m3/hm2)、W2(400 m3/hm2)、W3(600 m3/hm2)，5個施氮水平，即N0(不施氮)、N1(150 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(250 kg/hm2)、N4(300 kg/hm2)，15個處理，每個處理3次重復，共計45個處理小區，每個處理小區面積為8 m×7.8 m=62.4 m2。與整個試驗小區長邊平行的兩端設置寬度為5 m的保護區，與整個試驗小區短邊平行的兩端設置寬度為1 m的保護帶。在每個小區正中心位置設置微區，微區由長1.0 m、寬0.46 m、高0.4 m的鐵皮框制成。劃出微區所在位置后，將鐵皮框放到微區所在位置，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5 cm。試驗于2017年5月1日播種，每公頃保苗67 500株，生育期于拔節期、灌漿期灌水兩次。灌水方式采用滴灌，滴頭間距20 cm，滴頭工作壓力0.1 MPa，滴頭流量2 L/h。各處理均施磷肥(磷酸二銨，N的質量分數為18%；P2O5的質量分數為46%)90 kg/hm2、鉀肥(硫酸鉀，K2O的質量分數為54%)90 kg/hm2。磷肥、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥(尿素，含N質量分數46%)40%作為基肥施入，60%于拔節期與灌漿期隨灌水按1∶1施入。微區所用氮肥為10.22%豐度的15N標記的尿素(上海化工研究院)。微區中施用的氮肥、鉀肥、磷肥及灌水量同其所在的小區。

1.3 測定項目與方法

1.3.1植株土壤全氮含量及同位素測定

在玉米成熟期取微區中植株的地上部分，并在取樣時用土鉆分別取微區中深度為0～20 cm、20～40 cm 和40～60 cm的土樣。將植株清洗干凈后分成莖(含鞘和雄穗)、葉(含苞葉)、籽粒3部分置于干燥箱中，105℃殺青30 min，65℃干燥至恒溫并稱量。植株樣品粉碎后過0.15 mm篩，土壤樣品過0.25 mm篩，混勻后連續用四分法取測定所需的樣品量。植株全氮采用濃H2SO4-H2O2消解，土壤全氮采用硫酸銅-硫酸鉀-硫酸消解，AA3型連續流動分析儀(Seal Analytical GmbH，德國，靈敏度 0.001 AUFS)測定各部分全氮含量。植株和土壤同位素測定在東北農業大學農業部水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，美國)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國)聯用的方法測定成熟期玉米各器官以及土壤中的15N豐度。

1.3.2產量測定

在2017年9月28日進行測產，每個小區隨機選取5點(中心點與對角點)，每點連續選5株玉米，測其穗長、穗粗、穗質量、百粒鮮質量、百粒干質量，計算出小區產量。

1.3.3相關指標計算

植株氮素來源于肥料氮素的百分比為

Ndff=(NP-NA)/(Nf-NA)×100%

(1)

式中NP——植株樣品中15N豐度，%

NA——15N的自然豐度，取0.365%

Nf——肥料中15N豐度，%

植株氮素來源于土壤氮素的百分比為

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株中肥料氮素含量(FN)為

三是建立投入保障機制。推動服務型機關黨組織建設長效化，要重視完善固定的經費投入機制，從而保障培養服務意識、提升服務能力、開展服務工作、落實服務獎懲等各項制度的落地。黨組織工作經費要納入高校年度預算，要就服務群眾工作經費制定專項計劃，確保專項列支。要加大對服務群眾工作的各類資源和設施的建設和統籌，不斷完善硬件設施保障。

FN=NdffDMNC

(3)

式中DM——植株干物質量，kg/hm2

NC——植株含氮量，%

植株中土壤氮素含量(SN)為

SN=NdfsDMNC

(4)

土壤氮素激發率(SE)為

SE=NPK/PK×100%

(5)

式中NPK——施氮處理來自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮處理植株總氮量，kg/hm2

1.3.4數據處理

采用Microsoft Excel 2007對數據進行整理，使用SPSS 16.0統計分析數據，LSD法進行顯著性檢驗。采用Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水肥條件下玉米各器官肥料氮素與土壤氮素吸收利用

圖1 玉米對肥料氮與土壤氮的吸收Fig.1 Absorption of nitrogen from fertilizer and soil by maize

器官的Ndff是指作物各器官從肥料氮中吸收的氮量對該器官全氮的貢獻率，反映了各器官對15N的吸收征調能力[10]。玉米不同器官來自肥料中的氮素和來自土壤中的氮素如圖1所示。不同水肥條件下，玉米莖來自肥料中的氮素為26%～37%，玉米葉來自肥料中的氮素為28%～40%，玉米籽粒來自肥料中的氮素為23%～46%。當灌水量相同時，N1處理的玉米莖、葉、籽粒來自肥料中的氮素顯著低于N2、N3、N4處理(P<0.05)。說明當施氮量較低時，玉米各器官中氮素主要來自于土壤。N1處理時，3種灌水條件下玉米葉來自肥料中的氮素顯著高于玉米籽粒來自肥料中的氮素(P<0.05)，但與玉米莖來自肥料中的氮素差異不顯著(P>0.05)。隨著施氮量的增加，各器官來自肥料中的氮素整體呈上升趨勢，而各器官來自土壤中的氮素整體呈下降趨勢。說明增加施氮量可以提升植株對肥料氮素的利用能力，減小土壤中氮素的消耗。處理W2N3玉米籽粒來自肥料中的氮素最大達到了46%，且顯著高于其他處理(P<0.05)，籽粒吸收肥料氮素與土壤氮素的比例接近1∶1。玉米莖來自肥料中的氮素為31%，玉米葉來自肥料中的氮素為34%，玉米各器官對肥料氮的競爭能力由大到小表現為籽粒、葉、莖(各器官間差異顯著，P<0.05)。說明適宜的水肥組合可以提升玉米生殖器官對肥料氮的利用，減少玉米營養器官對肥料氮素的利用，進而提升玉米的產量。

表1為不同水肥處理下玉米各器官對肥料氮和土壤氮的吸收總量。由表1可以看出，當灌水量為W1和W2時，隨著施氮量的增加各器官從肥料中吸收的氮量呈先增加后減小的趨勢；當灌水量為W3時，隨著施氮量的增加各器官從肥料中吸收的氮量呈持續增大趨勢。當灌水量為W1時，N3處理來自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N4分別高出了106%(P<0.05)、20.89%(P<0.05)和9.71%(P>0.05)；當灌水為W2時，N3處理來自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N4分別高出了123%(P<0.05)、37.34%(P<0.05)和4.60%(P>0.05)；當灌水為W3時，N4處理來自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N3分別高出了123%(P<0.05)、30.69%(P<0.05)和4.42%(P>0.05)。表明，當水量充足時，增加施氮量可以促進植株對肥料氮的吸收能力，而灌水量不足時，過量氮肥對植株肥料氮的吸收能力出現抑制作用但抑制作用不顯著。不同器官從肥料中吸收的氮量不同，由大到小表現為：籽粒、葉、莖。籽粒、葉、莖從肥料中吸收的氮量分別占總量的62.33%～68.59%、16.66%～22.69%、8.72%～21.01%。不同水肥條件下植株對15N吸收量占總量的33.32%～43.54%，對土壤中氮素的吸收量占總量的56.46%～66.68%。所有處理植株吸收土壤中的氮量均高于植株吸收肥料中的氮量。

表1 不同水肥條件的玉米對肥料氮和土壤氮的吸收總量Tab.1 Uptake of nitrogen from fertilizer and soil by maize under different water and fertilizer conditions kg/hm2

注:同列數據后不同小寫字母表示同種器官不同處理在0.05水平差異顯著，下同。

2.2 不同水肥條件下肥料氮對土壤氮的激發效應

有學者將施用無機氮肥使土壤中有機氮分解的現象稱為激發效應[13-14]。氮素的激發效應反映了土壤氮庫的盈虧和平衡狀況。由表2可以看出，在不同水肥處理下，土壤氮素激發率為127%～160%。所有處理均產生了正激發效應。除W1處理外，N1處理下土壤氮素激發率均為最低。當灌水量為W2時，施氮量為N1處理的土壤氮素激發率較其他處理降低了14、27、19個百分點(P<0.05)，當灌水量為W3時，施氮量為N1的處理土壤氮素激發率較其他處理降低7、22、26個百分點(P<0.05)。表明當灌水充足時，隨著施氮量的增加，作物從土壤中吸收的氮量也不斷上升，而灌水不足時，過量施氮會抑制作物從土壤中吸收氮素。在灌水量為W1、W2、W3時，土壤氮素激發率達到最大對應的施氮量分別為N2、N3、N4，土壤氮素激發率達到了154%、157%和160%。表明灌水和施肥均會影響土壤氮素激發效應，過量氮肥的施入會抑制土壤呼吸，使土壤穩定碳分解而促進土壤碳的累積，增大碳氮比，降低土壤氮素激發效應。而通過灌水可以增加土壤水分有效性，補充微生物細胞水，提高微生物活性，使土壤有機碳礦化增加，降低碳氮比，增加土壤氮素激發效應。

表2 土壤氮的激發效應Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

2.3 不同水肥條件下土壤肥料氮素殘留量

圖2 不同土層15N殘留量Fig.2 Residual of 15N in different soil layers

圖2為不同土層中肥料氮素的殘留量。從圖中可以看出，不同水肥處理15N在0～60 cm土層中的總殘留量為16.54～117.55 kg/hm2。隨著施氮量的增加，0～60 cm土層中的15N殘留量總體呈增加趨勢，不同施氮處理之間差異顯著(P<0.05)。當灌水量為W1時，隨著土層深度的增加15N殘留量呈明顯降低趨勢。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的41.99%～42.86%、32.40%～34.70%和22.44%～25.61%(各土層間差異顯著，P<0.05)。當灌水量為W2時，土層中15N含量分布較均勻。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的36.13%～38.54%、33.14%～35.22%和26.24%～30.73%(0～20 cm土層與20～40 cm土層間差異不顯著，P>0.05；與40～60 cm土層間差異顯著，P<0.05)。當灌水量為W3時，0～20 cm土層中15N的殘留量明顯減小，而40～60 cm土層中15N的殘留量呈增加趨勢。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的32.89%～35.63%、28.37%～35.12%和29.25%～38.74%(各土層間差異不顯著，P>0.05)。

2.4 不同水肥條件下氮肥損失

圖3 不同水肥條件下玉米產量與干物質量Fig.3 Yield and dry mass of maize under different water and fertilizer conditions

氮肥損失率必須基于肥料氮、土壤氮素以及作物吸氮“三氮”之間關系，將主要根區殘留的肥料氮看作是對土壤氮素的一種補償效應，更加全面客觀地反映氮肥效果，確定最佳水肥組合方案。表3為不同水肥條件下的氮肥損失率。不同水肥處理的氮肥損失率為25.79%～45.28%。W3N1處理氮肥損失率最高，達到了45.28%，顯著高于其他處理(P<0.05)。這可能是由于灌水過多，施氮量過低，施入的氮肥多數溶于水中隨水流失造成的。相同施氮條件下氮肥損失率整體由大到小依次為W3、W1、W2。可見灌水是影響氮肥損失率的重要因素，過量灌水會使大量的肥料隨水流失，而灌水量不足時會對氮肥產生抑制作用。相同灌水條件下N1處理的氮肥損失率都顯著高于其他處理，氮肥損失率高達42.48%、41.59%和45.28%(P<0.05)。在N1條件下，不同水分處理間，作物吸收的15N都顯著低于其他處理(P<0.05)，表明施氮量過低會無法滿足植株生長需求，出現過早萎蔫現象，提高了氮肥損失率。W2N3、W2N4處理的氮肥損失率顯著低于其他處理(P<0.05)。說明適宜水肥配比會充分發揮水和肥的作用，使其被植株充分利用，減少水肥的損失。

表3 不同水肥條件的氮肥損失率Tab.3 Nitrogen fertilizer loss rate under different water and fertilizer conditions

2.5 不同水肥條件下玉米產量與干物質量

圖3a為不同水肥處理下玉米產量與干物質量間的關系。從圖3a中可以看出玉米產量與干物質累積量呈線性分布規律，具有較強的相關性，決定系數R2=0.992 8。說明不同水肥處理對玉米產量與干物質量的影響基本一致。由圖3b、3c可以看出，與不施氮相比，施氮可以顯著提升玉米干物質量與產量(P<0.05)。但施氮對產量和干物質量提升存在閾值，當灌水量為W1和W2時，隨著施氮量的增加，產量和干物質累積量均呈先增加后減小的趨勢，在施氮量為N3時干物質量和產量達到最大，W1分別為25 218.68、13 192.88 kg/hm2，W2分別為27 672.60、14 063.04 kg/hm2，顯著高于其他處理(P<0.05)。當灌水量為W3時，隨著施氮量的增加產量和干物質累積量呈持續增加趨勢，在施氮量為N4時干物質量和產量達到最大(與N3處理差異不顯著，P>0.05；與其他處理差異顯著，P<0.05)，分別為27 377.33、13 963.73 kg/hm2。說明灌水量過低會使土壤含水率過低無法滿足肥料需求，造成脅迫作用。而灌水量過高會使肥料隨著灌水流失，無法充分發揮肥料作用。

3 討論

氮是玉米生長所需的必要元素，水分對作物生長起著重要的制約作用[15-16]。許多學者[17-19]都得出：水氮對玉米產量的影響最顯著。因此，本試驗控制磷肥、鉀肥一致(均為90 kg/hm2)，在不同的水氮組合方案上應用被15N標記過的氮肥探究肥料氮和土壤氮在玉米不同器官中的吸收分配規律。同時對各水氮組合下，氮肥損失率進行分析計算。結果表明：植株來自肥料中的氮素與全氮量有著密切的關系，含氮量高的器官中肥料氮的比例也更大(由大到小為籽粒、葉、莖)。潘曉麗等[20]對不同肥力土壤中玉米氮素吸收和利用規律做了探究，也得到了類似的結論。不同的水氮組合中，玉米中來自肥料中的氮為33.32%～43.54%，來自土壤中的氮為56.46%～66.68%。這與山楠等[21]的研究成果一致，都得出了土壤是植物最主要供氮源的結論。沈善敏[6]在田間試驗中得出了隨15N施用量增加，作物從土壤吸收的氮也增加的結果。而本研究表明：隨著灌水量的增加，提高施氮量，作物從土壤中吸收的氮量增加。這可能是由于在本試驗中施氮量的范圍較大，最高施氮量達到了300 kg/hm2，而前者的最高施氮量僅為189 kg/hm2。過量的施氮會導致土壤微生物活性降低，而灌水會使土壤濕潤，微生物細胞自溶使其營養物質釋放到土壤溶液中，提升微生物活性。土壤中微生物對施入的氮素和土壤中的氮素進行一系列的礦化，并且將施入的標記氮素替代非標記的氮素被固定，使土壤中更多的氮元素被利用。

許多學者研究表明[6,22-26]：我國的氮肥利用率僅為20%～35%，而西方發達國家可以達到50%～60%。且氮肥施用量越低肥料利用率越高。近年來，越來越多的學者對此感到質疑。李世清等[22]認為應該采用疊加氮肥利用率，宇萬太等[23]表明15N標記法和傳統差值法得出的結果不可信，并對比值法進行了驗證，王火焰等[24]提出了肥料養分真實利用率，田昌玉等[25]對氮肥利用率進行了規范，巨曉棠[26]則提出了氮肥有效率。本研究對巨曉棠[26]所提出的氮肥有效率進行了分析，并在此基礎上對氮肥利用率、肥料氮對土壤氮的激發效應、土壤氮庫平衡做了分析計算。結果表明：不同水肥處理下，氮肥利用率為26.61%～42.24%，且氮肥利用率并不是隨著施氮量的增加而減小。在施氮量250 kg/hm2，灌水量為400 m3/hm2時，氮肥利用率最高為42.24%。而無論在低氮處理(吸氮量小)還是高氮處理(盡管吸收氮量增加，但分母增加更大)氮肥利用率都很低。不同水肥條件下，氮肥損失率達到25.79%～45.28%。施入的氮肥除轉為有效養分供植物吸收利用和用于補充被作物吸收的土壤氮外，主要通過以下兩種途徑損失：①經過土壤理化作用移動到不能被植物根系吸收利用的深層土壤中。②通過氣體如氨揮發和硝化反硝化損失。朱兆良等[27]曾在國家尺度上對我國部分地區農田中氮肥去向做了初步估計，氨揮發損失占11%，硝化和反硝化是氮肥損失的主要途徑，占34%，土壤殘留等占15%。SEBILO等[28]用15N做了30 a的示蹤實驗，雖然沒能最終獲得肥料氮被消耗完的真實利用率，但卻有61%～65%的肥料氮被累積利用，仍有15%的肥料氮有待被利用，殘留在土壤中的肥料氮僅有10%被真實損耗。在本文研究中，將玉米主要根系殘留的肥料作為對土壤氮庫補償的一種手段。不同水氮處理下土壤氮庫盈虧情況如表4所示。在計算土壤氮庫盈余時除了要考慮作物帶走土壤氮和土壤殘留肥料氮外還要考慮到秸稈還田和干濕沉降對土壤氮的補充(50～75 kg/hm2)。不同灌水量下施入所能維持土壤氮庫平衡的氮肥量不同。具體表現為隨灌水量的增加，施入維持土壤氮庫平衡的氮量也增加。當施入氮肥過低時不僅使作物產量降低還會耗竭土壤氮。而施入氮肥過高時，盈余的氮素會造成水體與大氣的污染。雖然本試驗并未對土壤中的硝態氮、銨態氮作具體的測量，但大量的研究[15,29-31]都表明土壤中盈余的氮素會讓土壤中硝態氮嚴重累積，硝態氮的遷移和滲漏對地下水造成嚴重的污染。硝化和反硝化作用產生的N2O對全球變暖的貢獻高達7%，其微小的累積就會給臭氧層帶來長期的破壞。同時，灌溉量一定時，隨著施氮量的增加水分利用效率均呈先增加后減小的趨勢。而當施氮量一定時，在一定范圍內增加灌水量有助于提高水分利用效率，灌水量過高反而會降低水分利用效率。水分利用效率是決定玉米經濟效益的重要指標。合理有效的水肥調控有助于提高水分利用效率，避免資源浪費。

表4 收獲后土壤氮素盈虧情況Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 結論

(1)通過15N同位素標記發現，作物從肥料中獲取的氮要少于作物從土壤中獲取的氮。各器官對氮的競爭能力由大到小為籽粒、葉、莖，且不同水肥處理下，這種競爭趨勢不同。當灌水量400 m3/hm2、施氮量為250 kg/hm2時這種競爭最明顯，籽粒中吸收的肥料氮素占植株吸收肥料氮素的68.79%，而莖與葉中吸收的肥料氮素分別占植株吸收肥料氮素的13.91%和17.30%。

(2)不同灌水量下最適宜的氮肥施用量不同。當灌水量為200 m3/hm2時施入250 kg/hm2的氮肥可獲得最高產量13 192.88 kg/hm2，最高干物質量25 218.68 kg/hm2；當灌水量為400 m3/hm2時施入250 kg/hm2的氮肥可獲得最高產量14 063.04 kg/hm2，最高干物質量27 672.60 kg/hm2；當灌水量為600 m3/hm2時施入300 kg/hm2的氮肥可獲得最高產量13 963.73 kg/hm2，最高干物質量27 377.33 kg/hm2。

(3)通過對玉米產量、經濟效益、玉米對肥料氮以及土壤氮的吸收能力，土壤氮庫盈余水平以及環境友好的角度綜合考量，在黑龍江省西部地區玉米最佳灌水量為400 m3/hm2，最佳施氮量為250 kg/hm2，在此條件下玉米產量為14 063.04 kg/hm2，氮肥利用率為42.24%，土壤氮庫處于平衡狀態，氮肥向環境中損失率為25.79%。