有機無機肥配施對鹽漬土供氮特性與作物水氮利用的影響

周 慧 史海濱 徐 昭 郭珈瑋 付小軍 李正中

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.內蒙古河套灌區解放閘灌域管理局沙壕渠試驗站， 巴彥淖爾 015400)

0 引言

內蒙古河套灌區是我國重要的糧食產區，同時也是我國鹽漬化發育的典型地區，鹽漬化面積已達到灌溉總面積的50%以上[1]，過量的鹽分嚴重影響農業生態系統的穩定性和經濟發展的可持續性[2-4]。此外，灌區為了實現糧食增產，化肥施用量逐年增加[5]，目前已超過60萬t[6]，長期不科學的施肥方式導致大量氮素流失，造成嚴重的面源污染[7]。土壤鹽漬化以及過量施用化肥已成為制約灌區糧食安全和環境安全的重要因素。

土壤鹽分和養分匱乏是干旱地區作物生產力下降的主要原因[7]。在鹽脅迫下，作物對水氮吸收及其生理生化反應均產生較大變化[8]。ADAMS[9]研究發現，鹽分脅迫會造成作物養分缺失。PESSARAKLI等[10]研究表明，鹽分增加導致作物養分吸收利用效率降低。MUNNS等[11]研究指出，鹽分過高會抑制作物根系吸水能力。ZENG等[12]研究得出，作物的水肥利用效率在不同程度鹽分脅迫下有所差異。在鹽漬化農田中，鹽分是影響作物水氮有效利用的重要因素[13-14]。研究表明，增施肥料有助于根系吸水能力的增強，但過量施肥會導致作物水分利用效率的下降[11]。同時，施肥對土壤含鹽量也會造成一定的影響。ULERY等[15]研究發現，過量施用氮肥可能會加重土壤鹽分，從而對作物生長產生抑制作用。RAVIKOVITCH等[16]研究表明，施用氮肥可使土壤達到中等鹽度水平。CHEN等[17]研究得出，不同土壤鹽度與施氮量之間存在著不同的交互作用。可見，為減少土壤鹽害，在鹽漬化土壤上施用氮肥應當更為慎重。此外，鹽漬化土壤施用氮肥所造成的環境污染也較為嚴重，周慧等[18]研究表明，隨著土壤鹽分增加，土壤氨揮發總量也增大。也有學者提出，鹽分過高會限制作物對氮素的吸收利用，因而增加氮素淋失的風險[19]。綜上，河套灌區同時存在鹽漬化程度差異較大和施肥不合理的問題，因此，針對灌區不同程度鹽漬化土壤進行氮肥施用的調控尤為重要。

大量研究表明，在鹽漬化土壤中施用有機肥是修復土壤的重要手段[20-22]。DU等[23]研究表明，施入有機肥有利于減緩土壤鹽堿化速率，有機肥最佳施入量與土壤鹽分狀況密切相關。 LIANG等[24]研究發現，施用有機肥可提高土壤微生物和酶活性，從而提高植物對鹽脅迫的適應能力。此外，有機肥對于提高作物水氮利用效率也具有重要意義。蘇秦等[25]研究表明，有機肥可以改善土壤水分狀況，提高土壤水分利用效率。徐明崗等[26]研究發現，有機肥替代化肥可以提高作物氮素累積量，減少環境污染。目前，有機肥替代化肥比例對鹽漬化土壤供氮特性及水氮利用效率的研究鮮見報道，不同鹽分條件下有機肥最佳返田的比例需要進一步探明。因此，本文針對河套灌區不同程度鹽漬化土壤，探求適宜的有機無機肥料配施用量，以期促進糧食增產、提高水氮有效利用率及減小環境污染。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年在河套灌區解放閘灌域沙壕渠試驗站進行，試驗區屬于典型的干旱地區，多年平均降雨量143 mm，蒸發量2 100 mm，多年平均氣溫達到7.7℃，無霜期為135～150 d。大于10℃的年積溫為3 551℃，年平均日照時數3 200 h，年凍融期大約180 d。全年太陽總輻射約為6 000 MJ/m2，熱量充足。玉米生育期(4 — 9月)有效降雨量為81.6 mm。試驗地0～20 cm土層為粉壤土，20～40 cm土層為粉質黏壤土，40～60 cm土層為粉壤土，60～100 cm土層為砂壤土。試驗區耕層初始土壤性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗選取輕度(S1)和中度(S2)2種不同程度鹽漬化土壤。播前S1、S2土壤0～40 cm平均土壤電導率分別為0.460、0.951 dS/m。供試玉米品種為內單314，大小行種植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm，播種日期為4月27日，收獲日期為9月13日。以當地優化灌水定額750 m3/hm2作為灌水量，灌水方式為畦灌，分別于6月14日、7月9日及7月26日進行灌溉；以優化施氮量240 kg/hm2為施氮總量(施氮量為換算后的純氮素量)進行有機無機肥配施。分別在2種鹽漬化農田設置5個施肥處理(化肥占施肥比例分別為100%、75%、50%、25%和0)和1個空白對照處理，依次記為U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1和CK，具體施肥設計見表2。試驗共12個處理，3次重復，共36個小區，各小區長寬分別為6 m和5 m。各小區間設有1 m寬的隔離帶并打起15 cm高田埂。所施化肥為尿素(含氮質量分數46%)，有機肥為商品有機肥(碳氮比為7.5,含N質量分數10%，P2O5質量分數1%，K2O質量分數1%，有機質質量分數大于等于45%，腐殖酸質量分數大于等于17%，S質量分數大于等于8%)，有機肥和磷肥(過磷酸鈣50 kg/hm2)于耕作前作為基肥一次性施用，化肥按1∶1比例分別于玉米播前和拔節期灌水時施入。

表2 試驗處理設計Tab.2 Design of experimental treatments kg/hm2

1.3 測定項目及方法

1.3.1玉米產量及植株氮素含量

玉米成熟時，在各小區非邊行連續取樣20株，單獨收獲考種測產，取平均值。用H2SO4-H2O2消煮，靛酚藍比色法測定玉米植株氮素含量[27]。

1.3.2土壤礦質氮含量

土壤樣品采集在玉米苗期(5月23日)、拔節期(6月28日)、灌漿期(7月26日)及成熟期(8月25日)進行，取樣時將每個小區平均劃為3個區域進行，作為3個重復。取樣深度為100 cm，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，用氯化鈣浸提法對土壤提取土壤礦質氮[28]，用連續流動分析儀測定含量。

1.4 計算公式及數據統計分析

水分利用效率計算公式為

(1)

其中

ET=ΔW+P+I+Wg

(2)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——玉米產量，kg/hm2

ET——作物耗水量，mm

ΔW——作物種植和收獲后土壤貯水量變化量，mm

P——降雨量，mm

I——灌水量，mm

Wg——地下水補給量，mm

氮素利用效率計算公式為[29]

NHI=GN/PN×100%

(3)

REN=(N-N0)/F×100%

(4)

PFPN=Y′/F

(5)

AEN=(Y′-Y0)/F

(6)

式中NHI——氮收獲指數，%

GN——籽粒吸氮量，kg/hm2

PN——植株吸氮量，kg/hm2

PFPN——氮肥偏生產力，kg/kg

AEN——氮肥農學效率，kg/kg

REN——氮肥當季回收率，%

Y′——施氮處理玉米籽粒產量，kg/hm2

Y0——CK處理玉米籽粒產量，kg/hm2

N——施氮處理地上部總吸氮量，kg/hm2

N0——CK處理地上部總吸氮量，kg/hm2

F——施氮量，kg/hm2

數據處理采用SPSS 22.0與Excel 2016進行分析及圖表繪制，用LSD法進行多重比較確定差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理對生育期土壤礦質氮含量的影響

由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異顯著)可知，有機無機肥配施對不同程度鹽漬化土壤礦質氮釋放規律影響各異。在0～100 cm土層范圍內，同一處理玉米各生育期S1土壤礦質氮含量明顯高于S2；隨著生育期推進，土壤礦質氮含量整體表現出逐漸降低的趨勢。

圖1 不同施肥處理下玉米生育期S1、S2土壤礦質氮含量變化規律Fig.1 Variations of mineral nitrogen in S1 and S2 soils under different nitrogen treatments

在S1鹽漬土壤，玉米苗期及拔節期耕層土壤(0～40 cm)表現出施入無機肥比例越大土壤礦質氮含量越高的規律，表明此時配施化肥比例較大的處理肥效較快，而有機肥礦化速率較為緩慢；在玉米生長中后期，配施50%以上有機肥的處理供氮能力較強，其中以U1O1處理土壤礦質氮含量最大，灌漿期比其余處理顯著(除了U1O3處理不顯著)高2.83%～15.31%(P<0.05)，成熟期較其余處理顯著(除了U1O3、O1處理不顯著)高1.04%～21.41%(P<0.05)。分析40～100 cm土層土壤礦質氮含量發現，在苗期各處理之間土壤礦質氮含量無顯著性差異。進入拔節期，各處理深層土壤礦質氮含量表現出與耕層土壤相似的趨勢，表明此時期在灌溉作用下土壤礦質氮向深層土壤淋洗，且無機肥施入比例較大的處理礦質氮運移量較大，而在灌漿期則呈現出相反的趨勢，配施有機肥較多的處理持續供氮能力更強。在作物生育末期，以U1O1處理土壤礦質氮含量最低，表明后期有機無機肥各半配施對深層土壤礦質氮含量吸收利用較大。

分析S2鹽漬土0～40 cm土層作物生育期土壤礦質氮含量變化可知，在作物生育前期，各施肥處理土壤礦質氮含量差異不明顯。而在玉米生長中后期，表現出隨著有機肥施入比例越大土壤礦質氮含量越大的趨勢，灌漿及成熟期O1處理土壤礦質氮含量分別比其余施肥處理顯著(除了U1O3、U1O1處理不顯著)高3.95%～23.97%、7.49%～17.88%(P<0.05)。對于40～100 cm土層而言，在苗期及拔節期各施肥處理土壤礦質氮含量均無顯著性差異。而在玉米生長中后期，表現出隨著有機肥施入比例越大土壤礦質氮含量越小的趨勢，說明施入有機肥比例越大的處理作物后期對土壤礦質氮吸收利用量越大。

2.2 不同處理對玉米產量及水分利用效率的影響

由表3可以看出，隨著土壤鹽漬化程度增大，玉米產量顯著降低。在不同鹽分條件下，產量與有機無機肥配施比例的關系表現不一。在S1土壤，隨著有機肥施入比例增加，玉米產量整體表現出先升后降的趨勢，以U1O1處理產量最大，較其余施肥處理顯著(除了U1O3處理不顯著外)高5.32%～12.63%(P<0.05)。在S2土壤表現為隨有機肥施入比例增大玉米產量逐漸增加的態勢，O1處理玉米產量比其余施肥處理顯著(除了U1O3處理不顯著外)高0.27%～30.48%。同一處理S2鹽分下玉米產量較S1顯著降低，下降幅度達到30.94%～63.90%(P<0.05)。

表3 不同處理下的玉米產量和水分利用效率Tab.3 Yield and water use efficiency in maize under different treatments

注：同列不同小寫字母表示在 0.05 水平上差異顯著，下同。

從表3可知，輕度鹽分土壤耗水量要高于中度鹽分土壤，同一鹽分條件下，各處理土壤耗水量差異并不明顯，增施有機肥耗水量較單施化肥處理略有增加。鹽漬化程度及有機無機肥配施比例對玉米WUE影響較大，本研究條件下，作物WUE范圍在1.59～2.94 kg/m3之間。隨土壤鹽分增加，WUE顯著降低。S1鹽分下CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1處理WUE比S2鹽分下分別高24.47%、52.67%、50.36%、44.10%、27.12%、25.12%。在S1鹽分條件下，U1O1處理WUE最高，較U1處理提高11.84%(P<0.05)，與U1O3、O1處理之間無顯著性差異，但顯著高于其余處理；在S2鹽分條件下，以O1、U1O3處理最高，較U1處理提高27.68%(P<0.05)，U1O1、U1O3、O1處理之間無顯著性差異，較其余處理顯著提高。

2.3 不同處理對氮素吸收利用效率的影響

由表4可以看出，各處理植株吸氮量隨鹽度升高顯著降低，S1土壤CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1處理植株氮素吸收總量較S2土壤分別高出40.21%、34.82%、42.93%、44.59%、21.76%、13.68%。同一鹽分條件下植株吸氮量隨有機無機肥配施比例不同存在差異，S1鹽分下，植株吸氮量隨有機肥施入比例增大呈先升后降的趨勢，當有機肥施入比例小于50%時，植株吸氮量隨有機肥增加而增大，當超過這一水平則逐漸下降，以U1O1處理植株吸氮量最大，比其余施肥處理顯著(除U1O3處理不顯著外)高6.11%～24.40%(P<0.05)；S2鹽分下，植株吸氮量表現出隨有機肥施入比例增大而增加的趨勢，以O1處理植株吸氮量最大，比其余施肥處理顯著(除與U1O3處理不顯著外)高2.19%～32.65%(P<0.05)。

表4 不同處理下的氮素利用效率Tab.4 N use efficiency in maize under different treatments

鹽分對玉米氮收獲指數(NHI)影響較大(表4)，S1土壤CK、U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1處理NHI比S2土壤分別高24.74%、29.76%、15.33%、19.17%、12.47%、15.20%，即NHI隨著鹽分含量增加而降低。增施有機肥可以提高玉米氮收獲指數，2種鹽分條件下NHI均表現出U1O1、U1O3、O1處理之間無顯著差異，但顯著高于單施化肥處理，配施50%以上有機肥可以較大程度提高輕、中度鹽漬土氮收獲指數。

選取氮肥當季回收率(REN)、氮肥偏生產力(PFPN)及氮肥農學效率(AEN)3個常用指標來表征農田肥料利用效率。就REN來看(表4)，當有機肥施入比例小于50%時，S1鹽分條件下REN顯著高于S2鹽分條件下REN，當有機肥施入比例超過50%時，S1鹽分條件下REN呈降低趨勢，而S2鹽分條件下REN繼續增大，S1、S2鹽分土壤分別以 U1O1、O1處理REN最大，分別較單施化肥提高17.70%、17.56%。由表4可以看出，鹽分水平及施肥處理均對PFPN有明顯影響，鹽分增加，PFPN下降，S1條件下U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1處理PFPN比S2條件下分別高61.75%、59.95%、53.91%、34.69%、30.94%，呈現出隨著有機肥施入比例增大兩種鹽分條件下PFPN差異逐漸減小的趨勢。在相同鹽漬化程度下，S1鹽分條件以U1O1處理PFPN最大，S2鹽分條件下以O1處理最大。不同鹽分下各施肥處理之間AEN差異與PFPN差異基本一致。綜合各相關指標來看，S1、S2土壤分別以U1O1、O1處理氮肥利用效率較好。

3 討論

鹽漬化土壤中鹽分和養分是限制作物產量的兩大主要因素，二者之間的交互關系與鹽漬化程度密切相關。因此，在不同程度鹽漬化土壤通過合理的施肥模式來調控作物生育期氮素狀況是提高作物產量的重要途徑。

鹽漬化土壤中肥料礦化特性隨著鹽漬化程度的不同而不同[30]。LAURA[31]研究表明，土壤中礦質氮含量通常隨著土壤鹽分增加而降低，這與本研究的結果相同，即在作物整個生育期內均表現為輕度鹽漬化土壤礦質氮含量顯著高于中度鹽漬化土壤礦質氮含量。這是因為在低鹽環境下礦化作用會受到刺激而上升[32]，而過量的鹽分會對土壤的理化性質和礦化過程產生不利影響[33]。研究表明，不同生育階段作物對氮素的需求與土壤氮有效性之間保持更好的同步將有助于提高氮肥利用效率[34]。本文針對輕度鹽漬土0～40 cm土層研究發現，在玉米生長前期，配施有機肥比例越大的處理其土壤礦質氮含量越小，這種現象是由于有機肥具有礦質化過程緩慢的特性而產生的[35]。在玉米生育后期，有機肥肥效持久且不易流失的優勢開始體現，其中以有機無機各半配施處理土壤礦質氮含量最大，這一結果可能是由于前期該處理無機化肥較快的礦化速率能及時供應足量無機氮，有機肥分解的氮素易被微生物利用而固定在其體內，到了作物生長后期，微生物的死亡伴隨著固持在其體內的氮素釋放[36-37]，再加上有機肥自身所釋放的礦質氮而共同產生。本研究條件下，中度鹽漬土不同有機無機肥配施處理在作物生育前期耕層土壤礦質氮含量無明顯差異，其原因為高鹽度對無機肥礦化的抑制作用較強，且在鹽分較高的條件下，負責將氨鹽轉換為硝態氮的微生物受到影響[38]，從而會加劇土壤氨揮發的損失[39]，導致氮素有效性降低，而有機肥的施入可以增加土壤微生物含量及提高土壤酶活性[40]，為有機氮素礦化創造較好的環境條件，導致高鹽度下有機肥與無機肥的礦化量差異不顯著。本試驗結果顯示，在作物生長后期，有機肥施入比例越大的處理其耕層土壤礦質氮含量越大，說明在中度鹽漬化土壤有機肥在后期對于氮素的持續供應能力較強。本研究發現，輕、中度鹽漬土在作物生育后期均表現出配施50%以上有機肥的各處理深層土壤礦質氮含量較小，這可能是因為施入較多的有機肥可以促進作物根系生長，提高根冠比，促使作物對深層土壤養分的吸收利用[41]。有研究表明，有機肥的碳氮比是決定其氮素礦化最主要的特性指標之一[42]，較寬的碳氮比會為微生物提供大量碳源，部分氮素會被微生物吸收，因此會出現氮的凈固定[43]，而隨著碳氮比變窄會出現氮的凈礦化。一般認為，當有機肥的碳氮比小于15時，有機肥可出現凈固定[44]，本試驗所施用的有機肥碳氮比為7.5，其氮素有效性較高，可為作物生長提供較為充足的無機養分。

作物氮素積累、分配及氮素利用效率與最終籽粒產量形成關系密切。本研究表明，隨著土壤鹽分增加，作物吸氮量降低，這是因為根系土壤鹽分過高導致土壤或者營養液滲透勢減小，從而抑制作物對氮的吸收能力[45]。左青松等[46]研究發現，鹽分含量增加，會導致植株氮素向籽粒的轉運效率降低，這可能也是本研究中度鹽分土壤氮收獲指數低于輕度鹽分土壤氮收獲指數的原因。合理調配生育期氮素供應過程對于提高氮素利用效率尤為重要。本研究結果顯示，輕度鹽漬化土壤以有機無機肥各半配施處理氮素利用效率較高，而中度鹽漬化土壤則呈現出隨有機肥施入比例越大氮素利用效率越高的趨勢，原因在于：鹽分較低時，鹽度對作物生長抑制較小，在玉米生長前期需要無機肥供應適量的無機氮滿足其發育所需，但過量施入無機肥又會造成浪費，因此，施用有機肥來替代部分無機肥可以減少前期礦質氮過量累積造成揮發、淋洗等損失，進入作物生育后期，有機肥持續礦化又能穩定地釋放無機氮供作物吸收利用；在鹽度較高的條件下，鹽分會影響植物正常的營養吸收，抑制其生長[47]，過量施入無機化肥并不能被作物有效吸收，且本研究發現，鹽分顯著降低了無機肥的有效性，導致有機肥和無機肥所產生的土壤礦質氮含量在生育前期并無顯著性差異，而在生育中后期則呈現出隨著有機肥施入比例越大土壤礦質氮含量越多的態勢。有機肥中大量疏松的有機物質可以降低土壤壓實指數及改善土壤結構[48-49]，易于鹽分淋洗的同時還能抑制鹽分隨水分蒸發產生表聚效應，從而可以起到降低土壤鹽分的作用，促進作物對養分的吸收，這也可能是本研究中度鹽漬化土壤中增加有機肥施入比例對于提高肥料利用效率優勢更加明顯的原因。研究表明，玉米在生育前期氮素積累量較少，在生育中后期出現氮素吸收高峰[50]，本研究2種鹽分條件下配施50%以上有機肥處理土壤礦質氮含量在作物生育后期顯著高于施入無機肥比例較大的處理，這也是配施有機肥可以提高肥料利用效率的重要原因之一。

本研究表明，同一鹽分條件下，各有機無機肥配施處理之間土壤耗水量并無顯著差異，這是因為雖然有機肥的施入可以提高土壤含水率[51]，但同時也給作物提供了良好的水肥環境，對土壤水分造成較大的消耗，導致各處理之間土壤貯水量變化差異并不明顯。本研究結果顯示，隨著土壤鹽漬化程度增大作物水分利用效率降低，這是因為土壤鹽分過高時，土壤溶液滲透壓也隨之提高，從而導致水分有效性降低，使植物吸水困難。也有可能因為鹽分濃度過高致使作物出現生理干旱現象，抑制作物生長，造成作物減產[52]。LEA-COX等[53]研究發現，在鹽分脅迫條件下，作物對氮素吸收的減少與其對水分利用的減少具有極大相關性，鹽漬化土壤中這種復雜的機制也是導致作物水肥利用效率降低的直接原因。已有研究表明[54]，施有機肥可以顯著提高作物水分利用效率，這與本試驗研究結果基本一致，這是因為施入有機肥使土壤總空隙度及土壤養分狀況得到明顯改善，利于作物生長及水分利用率的提高[55-56]。有機無機肥配施對作物的產量效應受土壤基礎地力的影響較大[57]，本試驗初始土壤肥力較好，土壤本身可提供的無機養分較多，這可能也是導致增大有機肥施入比例對于增產及提高作物水氮利用效率效果明顯的直接原因。

4 結論

(1)土壤鹽分水平由0.460 dS/m增至0.951 dS/m時，各處理土壤氮素礦化量顯著減少；鹽分水平為0.460 dS/m時，無機肥施入比例越多,氮素釋放速度越快，有機無機肥配施能更好地調節生育期土壤氮素釋放；鹽分水平升至0.951 dS/m時，在生育前期各處理土壤礦質氮含量無明顯差異，增大有機肥施入比例可以顯著提高玉米生育后期土壤礦質氮含量。

(2)不同鹽分條件下，有機無機肥配施對作物產量及水分利用效率影響不同。鹽分水平為0.460 dS/m時，有機肥替代50%化肥可獲得最高產量(12 141.97 kg/hm2)及水分利用效率(2.94 kg/m3)，比單施化肥分別高12.63%、11.84%；鹽分水平為0.951 dS/m時，有機肥替代100%化肥處理產量最高(8 582.22 kg/hm2)，同時可以獲得較高的水分利用效率(2.20 kg/m3)，比單施化肥分別高30.48%、27.68%。

(3)隨著土壤鹽分增加，同一處理植株吸氮量及氮收獲指數顯著降低，下降幅度分別達到13.68%～44.59%和12.47%～29.76%。鹽分水平為0.460、0.951 dS/m時，分別以有機肥替代50%化肥、有機肥替代100%化肥處理可以獲得較高的氮素利用效率。

(4)通過有機肥替代化肥比例對生育期土壤供氮特性、玉米產量、水氮利用及環境友好等進行綜合評判得出，在施氮總量為240 kg/hm2時，灌區輕度鹽漬化土壤應該采用有機肥替代50%化肥的施肥方式，中度鹽漬化土壤以有機肥替代100%化肥較優，這種施肥管理模式可以達到增加產量效益、降低氮素污染的目的。