新疆石河子地区玉米产量及氮素平衡的施氮量阈值研究

赵 靓， 侯振安， 黄 婷， 张 扬， 柴 颖， 毛家双

(石河子大学农学院资源与环境科学系， 新疆石河子 832003)

氮是土壤中较活跃的营养元素之一，同时也是影响作物产量的主要因子[1]。氮肥对粮食增产的贡献率达40%[2]，由于单一的追求高产，生产中过量施用氮肥现象日益严重。氮肥施用不合理不仅不能提高作物产量，降低氮肥利用率，还会增加硝态氮在土壤中的累积量，引起硝态氮的淋洗[3,4]，以及水体富营养化[5]，增加氮素面源污染的风险。近年来，氮肥过量施用造成的硝态氮淋洗问题已受到广泛的关注[6]。据报道，我国农田自80年代以后，出现氮素盈余现象并持续增长[7]。

玉米是一种需肥量较大且耐肥性强的粮食作物，土壤—作物体系的氮素平衡已成为氮肥管理是否合理的评价标准。研究表明，氮肥用量仅在一定范围内对作物有增产作用[8]。杨宪龙等[9]研究结果表明，玉米获得高产的最佳施氮量为180 kg/hm2，过高或过低都有减产风险。施用氮肥是土壤无机氮累积的前提，当施氮量低于最高产量需氮量时，土壤无机氮不会大量积累，当超过最佳产量施氮量时，土壤无机氮开始明显积累[10-11]。Halborson等[12]研究表明，施氮量高于90 kg/hm2时，0—180 cm土层中硝态氮的积累量随着施氮量的增加显著增加。蒋会利等[13]研究结果表明，施氮量低于207 kg/hm2，土壤硝态氮积累量变化不大； 高于207 kg/hm2，随施氮量增加，土壤中硝态氮的积累量显著增加。低施氮量会使土壤肥力下降，氮肥用量过高会增加土壤氮素残留，适宜的氮肥投入不仅可以获得高产，还能维持土壤无机氮平衡[14]。玉米是新疆北疆灰漠土区的主要粮食作物，氮肥施用不合理不仅导致肥料利用率低下，同时影响农田的可持续利用[15]。本研究通过田间肥料定位试验，探讨氮肥用量对玉米产量及氮素平衡的影响，为北疆灰漠土区玉米高产高效，降低面源污染寻求最佳氮肥投入阈值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

表1 试验地0—100 cm土层土壤基础理化性状

1.2 试验设计

研究采用田间肥料定位小区试验，设计6个氮肥(N)用量水平: 0、 225、 300、 375、 450、 600 kg/hm2(分别以N0、 N225、 N300、 N375、 N450、 N600表示)，其中300 kg/hm2为当地玉米农田氮肥推荐用量。每个处理重复3次，共18个小区，在田间随机排列。试验小区面积36.4 m2，小区四周隔离带宽均为3 m。氮肥使用尿素，其中40%作基肥，60%分别于玉米抽雄期、 吐丝期、 孕穗期追施； 磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)做基肥施用，用量分别为75 kg/hm2、 37.5 kg/hm2。

玉米采用覆膜种植，机械点播，一膜四行，行距配置30 cm + 50 cm + 30 cm。两年试验均在播种7d后开始放苗，出苗齐全后，定苗，每穴单株，保证小区内玉米总株数相同。2011年4月17日播种，播种株距为27 cm，定苗密度为8.58×104plant/hm2； 2012年 4月11日播种，株距为20 cm，定苗密度为 11.54×104株/hm2。其他栽培管理措施参照当地大田。

1.3 样品采集与测定

分别在玉米施肥播种前、 收获期采集各处理0—20、 20—40cm、 40—60 cm、 60—80 cm、 80—100 cm土样，测定土壤硝态氮和铵态氮含量。在玉米成熟期进行测产，并实收计产。

土壤硝态氮和铵态氮测定采用2 mol/L KCl溶液浸提，连续流动注射分析仪测定。

1.4 计算方法

文中相关参数计算公式如下[16-17]:

土壤硝态氮残留量(kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收获期土壤硝态氮含量(mg/kg)/10；

土壤铵态氮残留量(kg/hm2) =土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收获期土壤铵态氮含量(mg/kg)/10；

土壤无机氮积累量(kg/hm2)=收获后土壤无机氮残留量(Nmin)-初始土壤无机氮总量(Nmin)；

土壤氮素矿化量(kg/hm2) = 不施氮肥区作物吸氮量+不施氮肥区土壤残留无机氮(Nmin)-不施氮肥区土壤初始无机氮(Nmin)；

土壤氮素表观损失量(kg/hm2)=生育期施氮量+土壤起始无机氮(Nmin)+土壤氮素矿化量-作物携出-收获后土壤残留无机氮(Nmin)；

氮盈余量(kg/hm2)=收获后土壤残留无机氮(Nmin)+土壤氮素表观损失量。

2 结果与分析

2.1 土壤硝态氮与铵态氮含量的垂直分布

图1 2011和2012年玉米收获期0—100 cm土层硝态氮含量 contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest in 2011 and 2012

图2 玉米收获期0—100 cm土层铵态氮含量的垂直分布Fig.2 Distribution of contents in 0-100 cm soil layers at the stage of maize harvest

2.2 不同施氮量对土壤无机氮残留量的影响

表2 不同施氮量对土无机氮残留量的影响(kg/hm2)

2.3 不同施氮水平对土壤无机氮积累量的影响

图3表明，施用氮肥能显著影响0—100 cm土壤的无机氮积累量(P<0.05)，不同施氮量处理土壤无机氮积累量表现为N600>N450>N375>N300>N225>N0，不施氮肥和低氮肥用量(225 kg/hm2)处理无机氮积累量均表现为负积累，施氮量高于300 kg/hm2时，土壤无机氮均呈正积累，且积累量随氮肥用量增加而显著增加。两年试验结果相比，N0、 N225处理土壤无机氮积累量2012年显著低于2011年，分别降低165%、 170%； 而N300处理两年差异不显著，但2012年较第一年降低36%； 施氮量高于375 kg/hm2时，随氮肥用量增加，2012年土壤无机氮积累量显著高于2011年，N375、 N450、 N600处理分别增加17%、 38%和55%。表明低施氮量(<225 kg/hm2)可以降低土壤无机氮的累积，中高施氮量(>300 kg/hm2)则造成土壤无机氮的累积，连续高氮肥投入会加剧土壤无机氮累积，增加氮素污染风险。

图3 不同施氮量对0—100 cm土壤无机氮积累的影响Fig.3 Effects of different N rates on Nmin accumulation in 0-100 cm soil depth

土壤无机氮积累量与施氮量进行方程拟合发现，无机氮积累量随施氮量呈二次抛物线性增加，其中2011年回归方程为y=0.0001x2+ 0.1013x-22.537(R2= 0.9288)，无机氮积累等于零时施氮量为187 kg/hm2； 2012年为y=0.0003x2+ 0.1417x- 52.78(R2= 0.9583)，无机氮积累等于零时施氮量为245 kg/hm2。

2.4 土壤氮素平衡

在本试验中计算氮素平衡时，将土壤无机氮所在层次定义为0—100 cm深度，假定施氮区与不施氮区土壤矿化氮量相同，且不考虑降雨带入土壤中的氮素量。

玉米收获期土壤氮素平衡见表3。2011年的试验结果表明，在氮素总输入项中，氮素总输入量随氮肥用量的增加而显著增加； 在氮素输出项中，玉米氮素积累量和氮肥表观损失量随施氮量增加而显著增加； 施氮量高于300 kg/hm2，土壤无机氮残留量随施氮量增加而显著增加。由于土壤氮素总输入量的差异较大，土壤氮盈余量随施氮量增加也呈现显著增加的趋势，不施氮肥处理氮素盈余量最低为201 kg/hm2，N600 处理最高为677 kg/hm2。2012年试验结果与第一年相似，随施氮量增加，各施氮肥处理(N225、 N300、 N375、 N450、 N600)土壤无机氮残留量显著高于不施氮肥处理(N0)，氮素盈余量最低降低为172 kg/hm2(N0)，最高增加为为747 kg/hm2(N600)，显著高于其余各施肥处理。

表3 不同施氮量下土壤氮素平衡

2.5 氮肥用量与玉米产量及土壤无机氮的相互关系

2.5.1 施氮量与玉米产量及土壤无机氮积累的关系 试验表明，玉米产量和土壤无机氮积累量与施氮量呈显著的线性关系(图4)。2011年产量与施氮量呈先增加后降低的二次抛物线关系，拟合方程为y=-0.00002x2+ 0.0186x + 12.448(R2= 0.8093)，施氮量465 kg/hm2时，玉米获得最高产量(16.77 t/hm2)，但与N300、 N375、 N450施肥处理的产量差异不显著； 土壤无机氮积累量随施氮量增加呈二次抛物线性增加，方程为y=0.0001x2+ 0.1013x - 22.537(R2= 0.9288)，由拟合方程可得，当施氮量为187 kg/hm2时，土壤无机氮无积累。与第一年试验比较，2012年产量与施氮量呈线性加平台的关系，施氮量低于375 kg/hm2时，方程为y = 0.0122x + 12.993(R2= 0.9972)，施氮量高于375 kg/hm2时，玉米产量不再显著增加，y = 17.74 t/hm2； 土壤无机氮积累量与施氮量的关系表现为y= 0.0003x2+ 0.1417x - 52.78(R2= 0.9583)，无机氮无积累时施氮量为245 kg/hm2。其中，两年的试验得出，土壤硝态氮残留量随施氮量增加呈指数关系显著增加(y2011= 139.5e0.0009x，R2= 0.9； y2012= 117.66e0.0014x，R2= 0.9041)； 土壤铵态氮残留量随施氮量增加呈线性关系显著增加(y2011= 0.0268x + 53.189，R2= 0.896； y2012= 0.049x + 44.357，R2= 0.9679)。

图4 土壤无机氮积累量、产量与氮肥用量的线性关系Fig.4 Relationships between yield of maize, Nmin accumulation in soil and N rate

图5 氮肥用量与玉米产量、 土壤无机氮残留量及氮肥利用率的关系Fig.5 Relationships between N rate and residual Nmin in soil, yield and NUE of maize

3 讨论

土壤无机氮含量可以表征土壤的供氮能力，同时也能反映农田生态环境对氮肥施用的响应[18]，无机氮含量随施氮量增加而提高幅度增大[19-20]。戴明宏等[21]在华北平原高肥力土壤环境下研究土壤无机氮在春玉米种植体系下的盈亏变化发现，氮肥用量越大，土壤无机氮残留量越大。本研究表明，施用氮肥能显著增加玉米收获期土壤无机氮残留量，无机氮残留量与氮肥用量呈显著的指数增长关系，其中主要表现为硝态氮残留量增加。硝态氮是农田土壤无机氮的主要存在形态[22]，随氮肥用量增加土壤硝态氮含量和残留量显著增加[23-24]。本研究发现， 土壤硝态氮残留量与施氮量呈指数关系，施氮量高于225 kg/hm2时，硝态氮残留量迅速增加，硝态氮主要残留在0—60 cm土层。铵态氮含量受氮肥用量影响较小，铵态氮残留量与施氮量呈线性关系增加，主要残留于0—20 cm土层。这一结果与杨宪龙等[9]在陕西关中平原地区对小麦-玉米轮作体系土壤氮平衡的研究结果极为相似； Liu等[25]在陆地栽培大白菜的研究表明，当氮肥用量低于最佳施氮量时，土壤硝态氮变化不大，高于最佳施氮量时，土壤硝态氮的含量与施氮量显著地线性相关； 但Ottman和Pope[26]在砂壤土中通过15N标记对小麦地土壤氮素移动的研究表明，氮肥用量对土壤硝态氮残留量无显著影响。

氮肥是土壤无机氮的主要来源，氮肥供应不足时，土壤无机氮处于净消耗状态，而施氮量高于225 kg/hm2时，土壤无机氮出现积累[27]。本研究两年试验结果表明，不施氮肥或氮肥用量较低(< 225 kg/hm2)时，土壤无机氮呈负积累，出现亏缺，而当施氮量高于300 kg/hm2时，土壤无机氮积累量随施氮量增加显著增大，土壤无机氮积累量随氮肥用量增加呈抛物线形显著增加。土壤氮素平衡是评估田间氮素表观损失的有效方法[28-29]。本研究结果表明，土壤氮素表观损失量随氮肥用量增加而显著增加，氮素盈余量的增加幅度也随施氮量增加而加大，过量施氮肥能增加氮素损失，加大氮素面源污染的风险。

氮肥施用可以提高作物产量，然而近年来部分研究结果表明，超过一定用量，氮肥施用对作物产量的增产效果减弱，甚至出现减产的趋势[30]，巨晓棠等[31]认为过量施氮肥对作物增产没有任何意义。本研究结果表明，施用氮肥能显著增加玉米产量，施氮量高于300 kg/hm2时，玉米产量与最高产量差异不显著，玉米产量与氮肥用量呈显著的二次抛物线或线性加平台的关系。Fang等[32]也指出施氮量高于200 kg/hm2时，作物产量不再显著增加，产量与施氮量表现为线性加平台或二次抛物线关系。

本研究通过三曲线法拟合玉米产量、 土壤无机氮残留量、 氮肥利用率与施氮量的关系得出，氮肥当季利用率随施氮量呈幂函数关系降低，玉米产量、 土壤无机氮残留量与氮肥利用率分别相交于270 kg/hm2和340 kg/hm2处，利用产量效应、 环境效应与肥料效应函数的交点确定氮肥投入阈值，是较为优化的方法，既能获得玉米高产，降低氮素面源污染风险，还能获得较高的氮肥利用率。

4 结论

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