西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標和推薦施氮量初步研究

孫洪仁 穆尼熱·買買提 沙吾列·沙比汗 卜耀軍 喬 楠

(1.中國農業大學 草業科學與技術學院，北京 100193；2.新疆畜牧科學院 草業研究所，烏魯木齊 830000；3.榆林學院 生命科學學院，陜西 榆林 719000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是否需要施氮，至今仍存在較大爭議。許多學者認為，紫花苜蓿與根瘤菌共生，能夠固定大氣氮素而滿足自身需求，無需施氮；一些研究表明，施氮不僅沒有促進紫花苜蓿生長，反而造成減產；亦有一些研究證明，紫花苜蓿施氮增產效果明顯[1]。作物施氮是否有效，取決于因作物種類而異的土壤氮素含量臨界值，高于臨界值便無效，低于臨界值則有效[2]。然而紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值至今未被確定。生長第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力與生長第2年及以上者不同，二者間土壤氮素含量臨界值是否存在差異更是無人知曉。

確定作物土壤養分含量臨界值的方法是建立作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程，缺素處理相對產量100%對應的土壤養分含量即為該養分施用有效與否的臨界值[3]。利用上述回歸方程，還可以計算任意相對產量，如95%、90%、80%、70%、…對應的土壤養分含量，這些數值即為土壤養分豐缺指標，是土壤養分豐缺級別的劃分依據[4]。再給不同豐缺級別土壤配以適宜的推薦施肥量，則作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統得以建成[5]。

建立作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統需要開展多年和多點的田間試驗，工程頗為巨大，需要耗費大量人力、物力、財力和時間，許多小作物(包括紫花苜蓿)以及大作物的一些非集中產區難以實現[6]。本研究團隊前期創建了以“零散實驗數據整合法”和“養分平衡-地力差減法新應用公式”為核心的“作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究新方法”。該方法將眾多學者們多年來在各地開展的零散施肥實驗結果整合起來，建立作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程，進而確定土壤養分豐缺指標和劃分土壤養分豐缺級別；利用“養分平衡-地力差減法新應用公式”直接計算不同目標產量和不同養分利用率情形下的不同豐缺級別土壤的推薦施肥量，有效地克服了上述難題，成功地建立了若干作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統[7-14]。

西北荒漠綠洲區為我國紫花苜蓿重要產區，生產水平較高，創造了我國紫花苜蓿單產記錄。針對該區域紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標的研究十分薄弱，僅藺蕊[15]采用盆栽實驗法進行了小樣本初步探索，這也是全球僅有的一項紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標研究。本研究采用前期創建的“作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究新方法”，開展西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標推薦施肥系統研究，旨在解決紫花苜蓿是否需要施氮的爭議，確定紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值，為西北荒漠綠洲區紫花苜蓿測土施氮提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域自然概況

西北荒漠綠洲區包括新疆全境、甘肅河西走廊、內蒙古阿拉善盟、巴彥淖爾市以及寧夏銀川平原，該區域極度干旱少雨，年均降水200 mm以下；主體植被類型為荒漠；主體土壤為荒漠土壤，包括灰漠土、灰棕漠土和棕漠土3大類；土壤貧瘠，養分含量低，風沙和鹽堿為害較重；主體農業類型為依托高山冰雪融水灌溉而形成的綠洲農業。

1.2 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

檢索我國西北荒漠綠洲區紫花苜蓿施氮研究文獻，提取土壤堿解氮、全氮和有機質含量數據，以及施氮處理和缺氮處理(未施氮素，其它養分施用量與施氮處理相同)產量數據。利用公式計算缺氮處理相對產量(缺氮與施氮處理產量的比值)。公式如下：

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N為缺氮處理相對產量，%；Y-N為缺氮處理產量，t/hm2；YN為施氮處理產量，t/hm2。

采用Excel分別建立土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程，利用所得回歸方程和土壤養分豐缺分級改良方案[16]對土壤堿解氮、全氮和有機質豐缺進行分級，高端和低端分別至多保留1個外推數據。

1.3 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿推薦施氮量

利用“養分平衡-地力差減法新應用公式”[17-18]計算推薦施氮量。公式如下：

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中：F為養分推薦施用量，kg/hm2；R為缺素處理相對產量，%；A為目標產量養分移出量，kg/hm2；E為養分利用率，%。

單位經濟產量(干草，含水量14%)紫花苜蓿氮素移出量確定為30 kg/t[19]。西北荒漠綠洲區苜蓿單產范圍為12.0～27.0 t/hm2，因此設定如下11個目標產量：12.0、13.5、15.0、16.5、18.0、19.5、21.0、22.5、24.0、25.5和27.0 t/hm2，上述各目標產量氮素移出量依次確定為360、405、450、495、540、585、630、675、720、765和810 kg/hm2。氮素利用率因施肥方式等因素通常變動于30%～50%之間，本研究選30%、40%和50%等3個氮素利用率用于推薦施氮量計算。

2 結果與分析

2.1 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿施氮實驗文獻及與土壤氮素豐缺指標研究相關信息

搜集到在我國西北荒漠綠洲區開展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機質)含量和缺氮處理的紫花苜蓿施氮實驗文獻總計32篇，其中1990—1999年1篇[20]，2000—2009年9篇[21-29]，2010—2020年22篇[30-51]；盆栽實驗1篇[21]，余者為田間實驗；種子生產3篇[27,32,48]，余者為牧草生產。上述研究涉及縣域16個，品種至少13個。從上述文獻中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理和施氮處理產草量配套數據54、32和62組，進而分別得到土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量配套數據54、32和62對。實驗土壤堿解氮、全氮和有機質含量范圍依次為14.2～101.0 mg/kg、0.17～1.16 g/kg和0.7～20.1 g/kg；施氮量和缺氮處理相對產量范圍分別為14～420 kg/hm2和37%～134%。

2.2 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對產量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數據對以后，建立西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程(表1)。除生長第1年紫花苜蓿土壤全氮含量與缺氮處理相對產量回歸方程未達到顯著水平(P>0.05)外，其余皆達到了顯著水平(P<0.05)。土壤有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程的相關系數略高于土壤全氮和堿解氮含量。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程的相關系數明顯高于生長第2年及以上者。

表1 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程Table 1 The regression equations between relative yields of no N treatment and soil N concentration for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.3 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿若干節點土壤氮素含量

西北荒漠綠洲區與土壤養分豐缺分級相關聯的紫花苜蓿缺氮處理相對產量50%～100%之間若干節點土壤氮素含量見表2。關于若干節點土壤氮素含量的外推數據數量，有機質最少，全氮最多，堿解氮介于二者之間。除全氮外，生長第1年紫花苜蓿若干節點土壤氮素含量的外推數據數量少于生長第2年及以上者。

表2 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿若干缺氮處理相對產量對應的土壤氮素含量Table 2 Soil N concentration corresponding to several relative yields of no N treatment for alfalfa in the northwest desert oasis of China

生長第1年紫花苜蓿若干節點土壤堿解氮和全氮含量明顯高于生長第2年及以上者，生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對產量80%及以下有機質含量明顯高于生長第2年及以上者，缺氮處理相對產量90%～100%有機質含量低于生長第2年及以上者。

2.4 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

利用相關系數達到顯著水平的回歸方程確定西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(表3)。缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程的相關系數越高，劃分出來的土壤氮素豐缺級別越多；反之，相關系數越低，劃分出來的豐缺級別越少。第3級豐缺指標皆為非外推數據，其它各級別都或多或少存在一些外推數據。

表3 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標Table 3 The rich-lack index of soil N for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.5 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿推薦施氮量

西北荒漠綠洲區紫花苜蓿推薦施氮量見表4。紫花苜蓿推薦施氮量與土壤氮素豐缺級別呈線性負相關，豐缺級別越高，適宜施氮量越低，直至為零。紫花苜蓿推薦施氮量與目標產量呈線性正相關，目標產量越高，推薦施氮量越高。紫花苜蓿推薦施氮量與氮素利用率呈線性負相關，氮素利用率越高，推薦施氮量越低。當氮素利用率40%時，西北荒漠綠洲區紫花苜蓿第1～7級土壤推薦施氮量分別為0、90～203、180～405、270～608、360～810、450～1 013 和540～1 215 kg/hm2。

表4 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿推薦施氮量Table 4 The recommended N application rates for alfalfa in the northwest desert oasis of China

3 討論與結論

3.1 生長年限對西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標的影響

生長年限是否對紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標具有影響，尚未見報道。本研究結果表明，生長第1年紫花苜蓿和生長第2年及以上者土壤氮素豐缺指標差異明顯。該差異產生的原因可能是生長第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力處于從弱到強的逐漸成長階段，而生長第2年及以上者根系共生固氮能力已經趨于或達到成熟。因此，建議在開展紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標研究時應當區分生長年限。

3.2 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

藺蕊等[18]研究表明，新疆昌吉生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對產量95%對應的土壤堿解氮指標為40 mg/kg，本研究結果為66 mg/kg，明顯較其為高。藺蕊等[18]的研究僅為盆栽試驗，且樣本數量較小(n=5)，比較而言，本研究結果更為可信。

我國東北大豆[52-54]缺氮處理相對產量95%對應的土壤堿解氮指標研究結果為169～428 mg/kg，小麥[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麥[58]、馬鈴薯[59]和甜菜[60]缺氮處理相對產量100%對應的土壤堿解氮指標范圍為150～600 mg/kg，遠高于本研究結果(54～66 mg/kg)；我國小麥[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麥[58]、馬鈴薯[59]和甘蔗[61]缺氮處理相對產量100%對應的土壤全氮指標范圍為2.0～5.0 g/kg，明顯高于本研究結果(1.4 ～1.9 g/kg)；我國小麥[55]、玉米[56]和水稻[57]缺氮處理相對產量100%對應的土壤有機質指標研究結果集中于30至60 g/kg之間，明顯高于本研究結果(15～21 g/kg)。紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標明顯低于我國主要作物，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力十分強大所致。

3.3 西北荒漠綠洲區紫花苜蓿推薦施氮量

本研究引用紫花苜蓿施肥實驗文獻[20-51]的推薦施氮量范圍為14～420 kg/hm2。當氮肥利用率為40%時，本研究第1～3級土壤的推薦施氮量與這些實驗文獻的推薦施氮量大體一致。張福鎖等[62]針對我國主要作物的推薦施氮量范圍為0～750 kg/hm2。當氮肥利用率40%時，本研究第1～5級土壤之推薦施氮量與其較為接近。固氮能力十分強大的紫花苜蓿推薦施氮量范圍與我國主要作物接近，可能是很多用于紫花苜蓿種植的土地過于貧瘠和紫花苜蓿單位面積蛋白質產量大大高于其它作物所致，也可能是回歸方程的樣本數量不夠大，少數單向偏離群體數據導致土壤養分豐缺的過低級別出現。

3.4 紫花苜蓿是否需要施氮

紫花苜蓿是否需要施氮之爭曠日持久[1]。本研究結果表明，當土壤氮素含量高于某一臨界值(如堿解氮含量約為80 mg/kg)時，施氮無效，無需施氮；低于該臨界值時，則需要施氮。紫花苜蓿是否需要施氮的爭議應當終止于此，爭議焦點應轉入臨界值高低和施氮量多少及其影響因素。本研究初步建立了西北荒漠綠洲區紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標推薦施肥系統，為該區域紫花苜蓿測土施氮提供了科學依據。