長期施用不同劑量氮肥對高粱產量、氮素利用特性和土壤硝態氮含量的影響

王 媛 王勁松 董二偉 武愛蓮 焦曉燕,*

1 山西省農業科學院農業環境與資源研究所, 山西太原 030031; 2 高粱遺傳與種質創新山西省重點實驗室, 山西晉中 030600

我國的氮素用量占全球的 30%左右, 但作物吸收利用率普遍低于50%[1-2]。適宜的氮素營養通過促進作物的有效分蘗和穎花分化[3], 增加了穗粒數,從而提高籽粒和淀粉產量[4]。但超出作物的需求將導致氮飽和, 在影響光合產物形成與轉運的同時,導致作物群體增大、病蟲害及倒伏的風險增加[5]。氮素奢侈吸收還通過葉片硝態氮水平調控碳水化合物的代謝, 使更多的糖發生酵解轉化為有機酸[6],影響籽粒淀粉的合成。盈余的氮素大部分以硝態氮形式存在于土壤剖面[7], 淋溶程度與施氮量顯著相關[8]。15N試驗表明, 施氮250 kg hm-2, 當季玉米收獲后殘留在土壤中的肥料氮占到33%[9]。長期施氮,殘留量累積可達 45%以上[10]。并逐漸向深層淋失,每10 mm 降 水可使塿 土中硝態氮向下遷移2～4 cm[11],易造成地下水硝酸鹽污染。

高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]是世界第五大作物, 具有較強的耐瘠性[12], 與玉米相比, 達到目標產量需氮量較低[13]。低氮脅迫下, 高粱根際利用羧酸類和胺類的微生物種類增多[14], 耐低氮能力較強, 且根系分泌的生物硝化抑制劑能較為高效的抑制亞硝化細菌[15-16], 進而降低氮素通過反硝化作用和硝態氮淋失向“環境”施肥。因而低氮條件下, 高粱的氮素利用特性及土壤硝態氮的殘留累積可能區別于其他作物。且高粱氮素吸收利用還受土壤氮素背景及高粱種間遺傳基礎和進化差異的影響[17-18]。施氮還顯著降低了高粱籽粒淀粉含量, 且隨土壤肥力的提高, 影響效果更加明顯[17]。目前關于不同施氮水平下, 高粱氮素利用特性及土壤剖面硝態氮已有研究[19-21], 鮮少涉及長期施用。還需在土壤氮素消耗或累積下, 進一步綜合考慮不同品種高粱氮素利用特性、籽粒淀粉含量及土壤硝態氮的殘留累積, 以避免土壤氮素背景、品種及氣候等因素的影響, 實現高粱氮素的高效利用。本研究連續5年以該區主推品種晉雜34、遼雜27、晉飼2號、晉糯3號和汾酒粱1號為研究對象, 通過測定其產量、淀粉含量和土壤硝態氮, 探究氮素對高粱生產及土壤環境的影響, 以期為高粱合理施用氮肥提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

山西省農業科學院東陽試驗基地(37°33′21″N,112°40′2″E)屬北溫帶大陸性氣候, 海拔 800 m, 年均氣溫9.7℃, 年均降水量440.7 mm, 連續12年生育期降水量均值為351.7 mm, 均方差為55.7 mm, 據此對高粱生育期降水年型劃分[22]。2015年屬枯水年,6、7月降水總量較均值共降低了47.55%; 2016年屬豐水年, 7月降水量較均值增加了1.2倍; 2017年屬平水年, 但 9月籽粒灌漿期降水量較均值降低了95.09%; 2018年屬豐水年, 5月降水量較均值增加了74.82%; 2019年屬枯水年5月、7月和8月降水量明顯低于均值, 分別降低了97.84%、61.71%和41.35%(表1)。該區土壤類型為石灰性褐土, 土壤質地為壤質沙土(各粒級體積百分比分別為: 小于 0.002 mm黏粒占 1.63%; 0.020～0.002 mm 粉粒占 11.29%;2～0.02 mm沙粒占87.09%)。2015年播前土壤含有機質16.51 g kg-1、全氮0.75 g kg-1、速效磷6.31 mg kg-1、速效鉀 126.08 mg kg-1。

表1 生育期降水量(2015-2019)Table 1 Monthly precipitation during five growing seasons from 2015 to 2019 (mm)

試驗采用隨機區組設計, 設0 (N0)、75 (N75)、150 (N150)、225 (N225)、300 (N300)、450 kg hm-2(N450) 6個氮素水平。磷、鉀肥為常規處理, 即施磷(P2O5) 75 kg hm-2、鉀(K2O) 30 kg hm-2, 作為基肥施入, 不再追肥。小區面積30 m2, 每個施氮水平設置重復3個小區, 間隔1 m。2015—2019年均在5月1日播種, 6月8日定苗, 10月3日收獲。并于播前和拔節期分別灌溉100 mm, 其他田間管理按各品種高產田進行。供試品種, 種植密度見表2。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 產量測定 于成熟期, 將試驗小區各邊去掉 0.6 m, 其余部分作為收獲區(秸稈一并收獲, 未還田), 面積為30 m2。記錄測產面積內的穗數和穗總鮮重, 按平均單穗重取代表性10穗, 稱取鮮重帶回實驗室, 烤種后烘干至恒重, 計算含水量, 折算測產區域產量, 最后得出每公頃產量。

1.2.2 植株氮素測定 每個小區選取代表性植株10株, 分為莖、葉、穗軸和籽粒 4個部分, 分別稱其干重, 粉碎, 四分法取樣后, 采用凱氏定氮法, 并根據其干重計算高粱地上部氮素累積量[23]。

1.2.3 籽粒淀粉測定 將 2016—2019年粉碎的籽粒用氯化鈣溶液分散, 采用旋光法測定總淀粉含量[24]。

1.2.4 土壤硝態氮測定 于2018—2019年10月10日按每20 cm采集0～200 cm土層的土壤樣品。稱取風干土樣10 g, 加入50 mL 2 mol L-1的KCl浸提,振蕩60 min, 采用流動連續分析儀(Auto Analyzer 3-AA3)測定土壤硝態氮含量。

表2 供試高粱品種及種植模式Table 2 Sorghum varieties and planting density

1.3 數據處理

淀粉產量反映施用氮肥對整株籽粒淀粉的影響,根據淀粉含量和單株籽粒產量即可計算[4]:

淀粉產量(grain starch yield, g plant-1) = 淀粉含量×單株籽粒產量/100

就氮素利用特性指標而言, 本文采用 5年氮素累積表觀回收率、5年氮肥疊加利用率以及5年氮肥農學疊加效率(后均以氮肥利用率、氮肥農學效率和氮素表觀回收率表示), 以充分考慮氮肥對土壤氮的消耗和補償效應[25-26]。相關參數計算采用以下公式:

氮肥利用率( nitrogen fertilizer use efficiency,NFUE, %) = (5年施氮區單位面積植株地上部分吸氮量 - 5年不施氮區單位面積植株地上部分吸氮量)/5年單位面積累積施氮量 × 100

氮肥農學效率(nitrogen fertilizer agronomic efficiency, NAE, kg kg-1) = (5年施氮區單位面積產量 -5年不施氮區單位面積產量)/5年單位面積累積施氮量

氮素表觀回收率(nitrogen apparent recovery rate,NARR, %) = 5年單位面積植株地上部氮素積累總量/5年單位面積累積施氮量 × 100

采用 SPSS 19.0軟件進行統計分析, Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5制作圖表。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平對高粱產量和植株吸氮量的影響

氮肥顯著改變了高粱的籽粒產量、穗粒數和植株地上部氮素吸收量(表3)。施氮75 kg hm-2顯著提高了 2015—2018年籽粒產量, 分別較不施氮增加了7.32%、22.58%、23.68%和17.01%, 隨著施氮水平的繼續增加, 產量基本不變。2019年籽粒產量在不施氮下變異性較大, 標準差為1112.36 kg hm-2, 各施氮水平不存在顯著差異。施氮75 kg hm-2較不施氮處理顯著增加了 2016—2019年的單穗粒數, 分別增加了19.98%、48.05%、30.06%和 23.64%, 且隨施氮水平繼續增加穗粒數無顯著的變化。2015年不同施氮水平間穗粒數雖無顯著差異, 但亦存在隨施氮量的增加呈先升高后趨于穩定的趨勢。說明施氮75 kg hm-2就可達到大幅增加高粱籽粒產量和穗粒數的目的。

保證作物植株體內充足的氮素營養是其生長和籽粒形成的基礎, 施氮提高了2015—2019年地上部植株氮素累積量, 其中施氮75 kg hm-2處理增幅最大, 分別較不施氮提高了28.35%、48.69%、39.30%、51.86%和33.18%。說明施氮75 kg hm-2就可達到增加植株地上部氮素累積的目的, 且超過該水平增幅不大。

表3 不同施氮水平下高粱產量和植株地上部氮素累積量Table 3 Sorghum yield and nitrogen accumulation of above-ground plant at different nitrogen application rates

2.2 不同施氮水平對高粱籽粒淀粉的影響

淀粉含量在籽粒的出米率、適口性及釀造等方面都有重要影響[27-28]。由圖 1可看出, 淀粉含量隨施氮量的增加逐步降低。2016—2019年施氮 75 kg hm-2較不施氮分別降低了 4.95%、1.35%、2.83%和2.38%; 而施氮450 kg hm-2則分別降低了12.01%、1.87%、3.92%和4.44%。但2017年籽粒淀粉含量在施氮225 kg hm-2和300 kg hm-2略有上升。淀粉產量反映了單株籽粒生產淀粉的能力, 2016年施氮225 kg hm-2籽粒淀粉產量達到最大, 較不施氮和施氮450 kg hm-2分別增加了23.46%和16.22%, 且與施氮75 kg hm-2、150 kg hm-2和300 kg hm-2無顯著性差異; 2017年施氮75 kg hm-2籽粒淀粉產量達到最大, 較不施氮和施氮 450 kg hm-2分別增加了35.85%和13.10%。2018—2019年雖不存在顯著性差異, 但亦存在施氮提高了籽粒淀粉產量的趨勢。這表明施用氮素使高粱籽粒淀粉含量逐步降低, 但低水平氮素更有利于單株籽粒淀粉產量的形成。

2.3 不同施氮水平下高粱的氮素利用特性

由表4可知, 施氮150 kg hm-2較75 kg hm-2, 氮肥利用率降低了 43.47%, 氮肥農學效率降低了53.28%。施氮75 kg hm–2時, 氮素表觀回收率和氮肥利用率的差值為156.65%。當施氮量達到150 kg hm-2時, 差值為78.33%。

2.4 不同施氮水平對土壤硝態氮含量的影響

硝態氮是旱作農田氮肥殘留的主要盈余項, 將其控制在一定范圍內, 則可兼顧產量與環境效益[29]。由圖2可知, 施氮75 kg hm-2與不施氮處理在0～200 cm土層硝態氮含量基本一致, 且幾乎未見累積峰;施氮 150 kg hm-2在 2018年 60～80 cm 和 2019年100～120 cm 土層處硝態氮略有累積, 但含量僅為9.92 mg kg-1和14.47 mg kg-1, 淋溶所帶來的環境風險較低。其他施氮處理均存在明顯的累積峰, 2019年施氮450 kg hm-2在80～100 cm和180～200 cm土層處, 峰值達到72.76 mg kg-1和49.33 mg kg-1, 較不施氮處理分別增加了18.40倍和11.52倍, 淋溶所造成的環境風險加劇。

表4 不同氮素用量下高粱5年累積氮肥利用特性Table 4 Nitrogen utilization characteristics which were accumulated for five years at different nitrogen application rates

2019年施氮225、300和450 kg hm-2收獲后硝態氮含量在 0～200 cm土層與 2018年存在明顯的差異(圖 2), 分別在 140～160 cm、120～140 cm 和100～120 cm土層處較2018年增加了2.66倍、7.68倍和2.02倍, 硝態氮在60～200 cm明顯存在逐年累積的現象。2018—2019年, 不施氮和施氮75 kg hm-2在0～200 cm土層中硝態氮含量基本一致。施氮 150 kg hm-2在 100～200 cm土層中, 2019年較2018年略有增加, 在160～180 cm土層處2年差值達到最大, 差值僅為11.78 mg kg-1, 殘留累積效果并不明顯。

3 討論

3.1 不同施氮水平對高粱籽粒產量和淀粉形成的影響

根部氮素營養通過對細胞分裂素這一信號物質的調控[30-31], 促進作物穎花分化[3], 進而增加了穗粒數, 有助于提高籽粒產量和淀粉產量[4]。本研究中施用氮肥顯著增加了高粱籽粒產量和穗粒數,且N75處理增幅最大, 并隨施氮量的增加保持基本不變, 這與高杰等[32]研究基本一致。2019年籽粒產量在各施氮處理下不存在顯著性差異, 這可能與枯水年下該品種的耐旱表現及不施氮下變異性較大有關。

淀粉含量隨施氮量的增加而降低, 這與王勁松等[17]研究結果相似。這一方面可能與根際氮素營養通過對植株體內硝酸鹽的調節有關, 葉片硝酸鹽在與硝酸還原酶的共同參與下, 對光合產物進行調節,使更多的糖發生酵解轉化為有機酸[6]; 另一方面可能是由于硝酸還原酶的調節影響了 ADP-葡萄糖焦磷酸酶的調節亞基, 進而抑制其活性[33], 影響籽粒淀粉的合成。此外, 2017年施氮225 kg hm-2和300 kg hm-2籽粒淀粉含量略有上升, 這可能由于2017年籽粒灌漿期受水分脅迫, 導致施氮提高了籽粒淀粉含量[34]。2016年和 2017年單株淀粉產量隨著施氮量的增加基本呈現先增加后降低的趨勢, 不施氮和高氮處理皆不利于淀粉產量的形成, 這與穗粒數和淀粉含量的變化有關。2018年和 2019年各施氮處理下雖淀粉產量不存在顯著性差異, 但亦存在施氮提高了籽粒淀粉產量的趨勢, 這可能與本試驗在田間進行, 部分品種變異性較大有關。綜上所述, 本研究認為高粱在籽粒產量和淀粉方面最適宜的施氮量為75 kg hm-2。

3.2 施氮水平對高粱氮素吸收及利用的影響

適量的氮肥可以提高作物的物質生產能力, 一定程度上促進植株氮素積累總量的提升[35]。本研究中施氮逐步增加了高粱植株地上部氮素吸收量, 且以N75處理增幅最大。2015年和2016年植株氮素吸收量高于2017—2019年, N0處理差異更明顯(表3)。這一方面可能與2015年播前全氮含量為0.75 g kg-1有關, 根據黃土高原地區土壤養分含量分級標準[36],屬中等級。加之, 高粱植株具有較高的吸收氮素的能力[13], 土壤氮素背景顯著影響了高粱植株氮素的吸收[17]。另一方面, 還可能與不同高粱品種的氮素利用效率存在差異有關[18]。不施氮和施氮75 kg hm-2下,植株5年氮素累積量遠高于氮素投入量(表4), 這可能與土壤氮素的殘留, 以及大氣氮沉降對農田氮素的輸入有關。河北辛集的調查顯示, 麥田收獲后0～90 cm土層中的殘留無機氮為75～510 kg hm-2, 超過200 kg hm-2的田塊占到40%[37]。劉平等[38]在山西北部的監測試驗表明, 該區氮素干濕沉降總量達到每年47.86 kg N hm-2。且氮素沉降總量超過每年30 kg N hm-2, 會對農田生態系統養分循環產生影響,不容忽視[39]。

氮肥利用率(NFUE)反映了植株對氮肥的利用情況, 而氮肥農學效率(NAE)可以用來評價氮肥的增產效果。過量的施氮使作物物質生產能力增幅變小, 氮肥利用率和氮肥農學效率降低[40]。因此, 適當提高氮肥利用率, 不僅是提高實際生產中產出投入比的需要, 亦是降低氮素過量施用風險的需要。本研究中氮肥利用率和氮肥農學效率隨施氮量的增加逐漸降低(表4)。施氮量達到150 kg hm-2時, 氮肥利用率和氮肥農學效率較施氮75 kg hm-2分別降低了43.47%和53.28%, 表明施氮≥150 kg hm-2時, 施用氮素已不能大幅提高高粱的物質生產能力。朱兆良等[1]在總結 782個田間試驗數據的基礎上, 得出主要糧食作物的氮肥利用率為28%～41%, 平均為35%。與本研究中, 施氮量為150 kg hm-2的氮肥利用率基本一致。因此, 就實現高粱植株對土壤氮素高效利用的目標而言, 氮素供應水平應小于150 kg hm-2。

然而氮肥利用率并不是越高越好, 而是在維持較高目標產量、維持土壤氮肥力、實現體系氮輸入和輸出的基本平衡的條件下才有意義[40]。氮素表觀回收率(NARR)反映了植株氮素吸收和氮肥施用量之間的平衡狀況。本研究中, 施氮量為 75 kg hm-2時, 氮素表觀回收率為219.66%。此時可能由于高粱對氮素的需求, 以及土壤中不可避免的氮素損失, 而增加了土壤氮庫的消耗。當施氮量達到150 kg hm-2時, 氮素表觀回收率為113.95%, 接近平衡狀態。但還需考慮土壤氮素的殘留以及大氣氮沉降的輸入。因此, 施氮≥150 kg hm-2時, 造成氮素殘留的風險較高。故本研究認為施氮量應介于75～150 kg hm-2之間, 可能更有利于在維持土壤氮素輸入和輸出平衡的同時, 降低土壤氮素的殘留。

氮素對作物營養生長的作用要大于對生殖生長,過量施氮會影響植株碳、氮代謝[5]。本研究中, 施氮75 kg hm-2時, 氮素表觀回收率和氮肥利用率的差值為156.65%, 此時高粱亦存在缺氮的風險。當施氮量達到150 kg hm-2時, 差值為78.33%, 已能滿足高粱的生長需求, 且存在氮素過量施用的風險。故本研究認為綜合氮肥利用效率、氮肥農學效率、土壤氮素輸入輸出的平衡以及高粱生長對氮素吸收的基本要求, 施氮量應介于75～150 kg hm-2之間。

3.3 不同施氮水平對土壤硝態氮含量的影響

硝態氮是氮素在土壤中存在和作物吸收利用的主要形式, 北方旱作條件下, 施入的銨態氮肥和酰胺態氮肥在土壤中 1～2周會轉化為硝態氮, 且作物收獲后殘留氮素大部分以硝態氮的形態存在[7]。本研究表明, 連續施氮 4～5年后, 施氮≤150 kg hm-2與不施氮處理在0～200 cm且幾乎未見累積峰, 隨著施氮量繼續的增加, 出現明顯的累積峰, 存在明顯的淋失風險(圖2)。

硝態氮在土壤剖面的殘留累積量與施氮量顯著相關[8], 由土壤硝態氮含量、土層厚度和土壤容重決定。一般認為土壤表層容重易受耕作方式的影響,但本研究在同一試驗地連續施氮, 并采取了相同的耕作措施, 保證了不同年際間土壤容重基本一致。故相同土層內, 硝態氮含量可以間接反映連續施氮狀況下硝態氮在土壤剖面的殘留累積。2019年(連續施氮第5年)施氮≥225 kg hm-2高粱收獲后硝態氮含量在0～200 cm土層與2018年存在明顯的差異, 殘留氮素累積逐年增加。施氮150 kg hm-2在100～200 cm土層中, 2019年較2018年略有增加。不施氮和施氮75 kg hm-2在0～200 cm土層中硝態氮含量在基本一致。說明施氮量低于150 kg hm-2殘留氮素逐年累積效果不明顯(圖2)。綜上所述, 施氮量低于150 kg hm-2幾乎不存在潛在的環境風險。

4 結論

施用氮肥顯著提高了高粱產量、籽粒淀粉產量和植株地上部氮素吸收量, 以施氮75 kg hm-2增幅最大。施氮達到150 kg hm-2時, 氮肥利用率大幅下降, 施入氮素已能滿足高粱植株的基本生長需求。施氮量低于150 kg hm-2時, 在0～200 cm土層幾乎沒有明顯的硝態氮累積峰, 硝態氮殘留逐年累積效果不明顯。故施氮量應介于75～150 kg hm-2之間, 在滿足高粱植株基本生長需求的同時, 彌補了土壤氮庫的消耗, 有效降低了土壤硝態氮淋失, 亦有利于高粱產量和籽粒淀粉產量的形成。