15N同位素在華北冬小麥夏玉米氮營養來源研究中的應用

張經廷，周順利，王志敏，賈秀領

(1.河北省農林科學院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035; 2.中國農業大學 農學院，北京 100193)

氮素是作物需求量最大的營養元素之一，對作物生長發育、產量及品質形成發揮著不可替代的作用[1-2]。作物所需的氮素絕大部分由根系從土壤中吸收，除此之外地上部幼嫩器官也可以吸收少量氮素。作物吸收的氮素從來源上可分為土壤固有氮(播前和生長季礦化的有效氮)、當季投入氮(化肥、有機肥、還田秸稈等)、前茬投入殘留氮、環境沉降氮、生物固氮等。明確作物氮營養來源中各組分的比例對氮肥合理運籌、養分高效利用及作物良好營養狀態的維持都具有重要意義。作物氮營養來源結構復雜，種類多樣，供應量和時期變異大，由于標記技術的限制不同來源的氮素難以區分，導致很多形式的氮源對作物氮營養貢獻的定量研究難度很大。創新標記技術把不同來源的氮素形式有效區分是定量研究作物氮營養來源的重要技術途徑之一。

華北平原是我國重要的糧食生產基地，耕地面積約占全國的23%。冬小麥-夏玉米復種輪作是華北平原的主導種植模式：每年10月初種植冬小麥，次年6月初收獲；小麥收獲之后鐵茬免耕種植夏玉米，玉米于當年的10月初收獲，然后繼續種植冬小麥，形成一個輪作周期。華北平原冬小麥和夏玉米常年產量分別占全國小麥玉米產量的2/3和1/3以上[3]，對保障區域乃至國家的糧食安全發揮著舉足輕重的作用。闡明華北平原冬小麥-夏玉米種植體系作物氮營養來源組成，明確不同來源的氮素對冬小麥和夏玉米氮營養的貢獻，對本區域養分資源綜合管理、施肥制度優化、作物營養狀況調控都具有十分重要的意義。本文主要概述在研究當季土壤施入化肥氮、前茬殘留化肥氮、播前土壤固有硝態氮對華北冬小麥-夏玉米氮營養的定量貢獻時15N同位素示蹤技術的具體應用方法與研究結果，并對葉面肥氮、還田秸稈氮、大氣沉降氮等其他氮營養來源的研究進行了展望，以期為該種植體系氮肥減施增效以及養分資源優化管理提供理論參考。

1 當季施入化肥氮對冬小麥和夏玉米氮營養的貢獻

自20世紀中期興起第一次綠色革命起，化學肥料(尤其是氮肥)的大量投入對提高作物生產能力發揮了不可替代的重要作用，在一定程度上緩解了由于全球人口增長引發的糧食安全問題。隨著氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐漸降低，很多研究表明，全球尺度范圍內氮肥施入土壤后，作物當季吸收利用率僅為30%～35%[4-5]。氮肥利用率為作物吸收的氮肥占氮肥施入量的比例，而氮肥對作物氮營養的貢獻率為作物吸收的當季施入氮肥占作物氮素總吸收量的比例。15N同位素示蹤技術能將標記的氮素同其他來源的氮素明顯區別開來，可準確定量氮素的去向，因此被廣泛應用于作物氮營養來源的研究中。應用15N示蹤技術研究華北冬小麥夏玉米化學肥料氮對作物氮營養的貢獻已有很多報道。趙俊曄等[6]研究了高產條件下施氮量對冬小麥氮肥吸收利用的影響，結果表明，不同施氮水平基施氮肥對冬小麥氮營養的貢獻率為4.51%～9.40%，追施氮肥為8.22%～17.28%，當季施入的氮肥對冬小麥氮營養總貢獻率為12.73%～26.68%。左紅娟等[7]基于高豐度15N研究了華北平原冬小麥肥料氮的去向，結果表明，冬小麥吸收的氮素來自肥料的比例為 26.6%～33.6%。王月福等[8]研究表明，土壤肥力水平和施氮量都顯著影響冬小麥對氮肥的吸收，在低量施氮(120 kg·hm-2)條件下，低肥力土壤氮肥對冬小麥氮營養的貢獻率為24.60%，顯著高于高肥力土壤的19.60%；而在較高施氮(240 kg·hm-2)條件下，氮肥對冬小麥氮營養的貢獻受土壤肥力的影響不顯著，低肥力土壤氮肥貢獻率為30.31%，高肥力土壤為29.28%。可見，土壤肥力和氮肥施用對作物氮營養有一定的互補等效性，在肥力較低的條件下可以通過適量增施氮肥調適作物最佳氮營養狀態，反之亦然。Ju等[9]研究了華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系15N標記尿素氮的去向，結果表明，冬小麥季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥對作物氮營養的貢獻率分別為36.03%和55.22%，夏玉米季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥對作物氮營養的貢獻率分別為36.58%和46.57%。張經廷等[10]通過15N同位素示蹤技術結合大型原狀土柱模擬試驗發現，冬小麥氮營養來源中當季施入的化肥氮所占的比例為42.65%，夏玉米氮營養來源中當季施入的化肥氮所占比例為43.88%。綜上所述，當季施入的化肥氮對華北冬小麥夏玉米氮營養的貢獻率變異幅度較大，在12.73%～55.22%之間，主要受土壤肥力水平和氮肥施用量影響，同時存在區域差異。

2 夏玉米季土壤殘留肥料氮對后茬冬小麥氮營養的貢獻

據調研華北地區夏玉米的化肥氮施用量平均為240.33 kg·hm-2 [11-14]，夏玉米收獲后化肥氮的土壤殘留率為27.58%～57.56%[10,15-17]，土壤殘留量為66.29～138.32 kg·hm-2。研究表明，夏玉米季殘留肥料氮對后茬冬小麥有很強的作物有效性[18]，因此夏玉米季殘留肥料氮是后茬冬小麥一個重要的氮營養來源。

2.1 夏玉米季施入肥料氮對后茬冬小麥的有效性

2.2 冬小麥對前茬夏玉米季不同土層殘留肥料氮的吸收

為了定量分布于0～2 m土壤剖面不同層次的夏玉米季殘留肥料氮對后茬冬小麥氮營養的貢獻，利用15N示蹤技術，通過大型原狀土柱的分割與重組，定量研究冬小麥對夏玉米季殘留肥料氮尤其是1.2～2 m土壤深層殘留肥料氮的回收利用，研究過程的示意圖示于圖1。首先，在夏玉米播前分層每層20 cm創制高2 m，內徑36 cm的大型土柱。土柱分別施用普通未標記氮肥與15N標記氮肥。夏玉米生育期內遮蔽自然降水，人工灌水模擬正常年份降水。夏玉米收獲后，0～2 m土體各土層都含有殘留肥料氮。以冬小麥對1.2～1.4 m土層中的玉米季殘留肥料氮的重新吸收為例說明研究過程，先將施入普通氮肥土柱的1.2～1.4 m土層切割舍棄，然后將施15N標記氮肥土柱的1.2～1.4 m土層組裝進去，形成一個新土柱，最后種植冬小麥。這樣即可單獨定量冬小麥對1.2～1.4 m土層中殘留肥料氮的重新吸收。同理，可分別研究冬小麥對0～2 m土體其余土層夏玉米季殘留肥料氮的回收利用。結果表明，夏玉米季殘留于0～2 m土體的肥料氮，13.7%～21.4%被后茬冬小麥吸收，占夏玉米季施氮量的4.9%～8.7%。玉米季土壤各層殘留肥料氮對冬小麥氮營養的貢獻率隨土層深度的增加而減小，從0～0.2 m土層的4.00%降低到1.8～2 m的0.04%，0～2 m土體玉米季殘留肥料對后茬冬小麥氮營養總貢獻率為9.75%[24]。

當然，冬小麥施入的肥料氮對后茬夏玉米的氮營養也有一定的有效性，劉新宇[25]研究表明，冬小麥不同施氮水平土壤殘留肥料氮對后茬夏玉米氮營養貢獻率為1.6%～12.6%。

3 播前土壤硝態氮對冬小麥和夏玉米氮營養的貢獻

3.1 冬小麥-夏玉米輪作體系作物播前土壤硝態氮的累積現狀及影響

3.2 土壤硝態氮15N標記新技術-“補償平衡法”及其應用

圖2 “補償平衡法”原位標記土壤硝態氮示意圖(以標記作物播前1.2～1.4 cm土層的硝態氮為例)Fig.2 Sketch showing the process for soil nitrate labeling in situ and the soil column setup in which a selected soil layer was labeled with the 15N isotope (Soil nitrate in the 1.2-1.4 m layer prior to crop sowing was labeled)

3.3 播前土壤硝態氮的作物氮營養貢獻

播前土壤剖面累積硝態氮的作物利用率隨土層深度的增加而減小，冬小麥可以吸收播前累積于0～2 m土體的土壤硝態氮，各土層硝態氮的作物利用率從耕層0～0.2 m的33.46%降低到1.8～2 m的0.21%，0～2 m土體的土壤硝態氮總的作物利用率為7.88%。夏玉米可以吸收播前0～1.4 m土體的硝態氮，0～1.4 m土體硝態氮總利用率為9.59%，其中耕層0～0.2 m和底層1.2～1.4 m土壤硝態氮的作物利用率分別為24.93%和0.44%。冬小麥播前0～2 m土體各土層累積的硝態氮對作物氮營養的貢獻率在0.05%～8.02%之間，總貢獻率為17.68%；夏玉米播前0～1.4 m土體各土層硝態氮的氮營養貢獻率在0.07%～7.26%之間，總貢獻率為12.98%[38-39]。

4 展望

華北冬小麥-夏玉米輪作體系作物氮營養來源除了包括上述的化學肥料氮、殘留肥料氮、播前土壤硝態氮外，還田作物秸稈氮、葉面肥氮、大氣沉降氮等也是作物氮營養來源的重要組成。但秸稈氮、葉面肥氮和大氣沉降氮等對華北小麥玉米氮營養的貢獻尚未闡明，亟待通過15N同位素示蹤技術進一步研究。

4.1 冬小麥夏玉米還田秸稈氮的作物氮營養貢獻

華北冬小麥-夏玉米輪作體系作物收獲后秸稈還田是目前秸稈處理的主要方式。在一般產量水平條件下，每年約有90～120 kg·hm-2的氮素隨秸稈還田，還田秸稈氮現已成為該輪作體系土壤氮素及作物氮營養的重要來源之一，但目前尚未見相關報道。利用15N同位素標記秸稈中的氮素是研究還田秸稈氮作物利用特性的有效手段。作物生長季中施入15N標記的氮肥，通過作物的吸收即可實現秸稈氮素的15N標記，把15N標記的秸稈還田到新的小區內即可定量還田秸稈氮對作物的氮營養貢獻。目前大田條件下還田秸稈的研究一般采用尼龍網袋填埋法[40-42]，即將一定量的秸稈裝入尼龍網袋后埋到一定深度的土壤中，一定時間后取出進行測定。這種方法有很大的局限性，首先由于秸稈集中在一起，與土壤接觸面積減小，進而降低了秸稈與土壤微生物接觸的機會，從而影響秸稈腐解；其次由于尼龍網袋的存在勢必會影響作物根系的生長。因此，還田秸稈氮的作物氮營養貢獻及秸稈還田方法亟待進一步研究。

4.2 葉面肥氮對冬小麥氮營養的貢獻

華北平原冬小麥傳統的灌溉方式一般為大畦漫灌，這種灌溉方式灌水量不是取決于作物的需水量而主要由土壤基礎含水量、畦面積大小和地面平整度等決定，因此灌水量大且灌溉不均勻，灌溉效率低。有研究表明，冬小麥長期過量的漫灌灌溉方式是華北地下水超采及地下水漏斗群形成的主因之一[43-44]。因此，傳統的大畦漫灌方式越來越不適應日趨嚴峻的水資源形勢和規?；a對高效的要求。微噴水肥一體化技術可根據作物水肥需求規律把肥料溶于水中進行水肥適時適量精準施用，具有節水省肥高效等優勢，因此在華北平原尤其是在地下水超采區的小麥生產中具有廣闊的應用前景。目前，這項技術已經逐步得到應用推廣。微噴水肥一體化由于水肥營養液直接噴施植株，部分營養液被植株冠層短暫滯留，隨著噴施的持續進行，一部分營養元素可通過葉片等器官被作物吸收，起到葉面肥營養功能。氮素溶液正常噴施條件下，一部分氮素會被葉面吸收，但大部分氮素溶液會穿透冠層進入土壤被根系吸收，葉面吸收的氮素無法與根系吸收的氮素區分開來。因此，如何運用15N示蹤技術單獨定量冬小麥微噴水肥一體化葉面氮素吸收及其對作物的氮營養貢獻需要進一步研究。

4.3 大氣沉降氮的作物氮營養貢獻

近年來受農田施氮不合理及畜禽糞便管理不當等農業源和工業、交通等非農業源活性氮排放增大的影響，從1980—2010年中國農業生態系統氮素沉降顯著升高，從1980年的13.2 kg N·hm-2增至2010年的21.1 kg N·hm-2，增幅高達60%。通過模擬分析，2010年我國氮沉降總量約為7 635.3 Gg，其中人口相對密集和農業集約化程度較高，華北平原是高沉降通量區域，沉降量和年增幅增長顯著[45-46]。研究還發現，從1980—2010年，同樣在長期不施氮肥條件下小麥和玉米作物吸氮量平均增加16%，在土壤供氮能力保持相對穩定的前提下，氮素增加主要來自大氣氮沉降[45]。可見，大氣沉降氮已成為作物氮營養來源的重要組成部分，運用15N同位素技術明確大氣沉降氮的作物利用特性可能是今后研究的熱點之一。