不同施氮水平對冬小麥季化肥氮去向及土壤氮素平衡的影響

劉新宇,巨曉棠,張麗娟,李 鑫,袁麗金,劉 楠

(1河北農業大學資源與環境科學學院,河北保定071000;2中國農業大學資源與環境學院,北京100094;3輝得昌遠東有限公司,北京100098)

我國農田氮肥用量自20世紀60年代以來逐年增加,到 2007年高達 3500萬噸(N),2005～2007年我國農業氮肥用量年均增長3.3%[1]。氮肥施用量穩步增長,但氮肥利用率卻不斷下降,由此導致的氮素污染環境和危害人類健康問題也日益嚴重[2]。

研究氮肥施入土壤后的轉化和去向,是確定氮肥施用量和施用方法的理論依據。冬小麥-夏玉米輪作是華北平原主要的輪作方式,高量施肥、氮肥利用率低及損失率高是這一地區存在的普遍問題[3]。調查表明,山東省惠民、泰安及兗州縣和河南省的遂平、新鄉縣小麥季氮肥用量為N 120～729 kg/hm2,平均為N 325 kg/hm2[4]。據2008年的調查,河北省辛集小麥季投入氮肥為N 330kg/hm2,夏玉米季為N 300 kg/hm2,有些田塊單季投入純氮高達N 500 kg/hm2以上,遠遠超過了作物的吸氮量。氮肥施入土壤后主要有三種去向:一是被作物吸收;二是以不同形態在土壤中殘留;三是通過不同的機制和途徑由土壤-作物體系損失。對北京地區的肥料氮去向問題的研究結果表明,當季冬小麥或夏玉米對化肥氮的吸收率約為23.8%～44.5%,0—100 cm土壤殘留率為 20.9%～ 45.3%,損失率為 10.3%～55.2%[5-6];高肥力土壤上,冬小麥對肥料氮的回收率是 23.2%～ 45.3%,0—100 cm土壤殘留率為20.9%～ 45.3%,損失率為9.4%～ 55.9%[3]。在山東省惠民縣的試驗結果顯示,在農戶習慣施肥水平下(冬小麥季施氮量N 375 kg/hm2),當季冬小麥化肥氮的利用率約為26%,損失率為29%～32%,0—100 cm土壤殘留量為41%～45%[7]。另有研究表明,氮肥的底追比例對其三條去向也有影響[8]。近年來許多田間試驗表明,施氮的增產效果低,當季施氮不增產或低施氮量即可達到最高產量[9-12]。

農田生態系統中養分投入和支出之間的平衡對農業的可持續發展和環境保護十分重要;同時,農田的養分平衡也是影響土地和土壤質量的一項重要指標[13-14]。自20世紀80年代以來,中國農田生態系統中氮素總體上處于盈余狀態,而且呈現持續增長趨勢[15]。累積在土壤中的殘留氮素絕大部分以硝態氮的形式存在[16-18],這部分硝態氮在夏季持續降雨或大量灌溉條件下,容易向土壤深層移動逐漸淋出根區,造成土壤深層硝態氮累積量增加,并威脅到淺層地下水的安全[19-21]。周順利等[22]研究表明,土壤氮損失是盈余氮素的一個主要去向,而硝態氮淋洗是冬小麥生育期間土壤氮素損失的一個重要的途徑。減量施氮條件下0—100 cm土壤氮殘留和表觀損失數量均顯著低于高施氮處理,作物氮利用率也顯著提高[9]。

以往這些研究都是單純地考慮不同施氮水平對氮去向或土壤氮素平衡的影響,沒有將兩者聯系起來綜合考慮。為了系統綜合評價華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系下冬小麥季不同施氮水平對氮去向及土壤氮素平衡的影響,在河北農業大學標本園布置了15N微區試驗,研究冬小麥季不同施肥水平對子粒產量、氮肥利用率的影響,分析不同氮素投入下的基本去向,明晰土壤氮素總平衡及其與氮投入的數量關系,尋求冬小麥季最佳施肥量,以期為氮肥科學施用,減少損失,提高氮肥利用率和降低過量施氮所帶來的環境污染提供合理依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2005年10月～2006年6月在河北省保定市河北農業大學試驗基地(北緯 38°8′,東經115°4′)進行。屬暖溫帶半濕潤季風氣候,年平均氣溫為13.8℃,年無霜期約為210 d,年平均降水量575 mm,全年降水主要集中在夏季(6～8月),年際間變化大。地面平均海拔18.5 m,地下水埋深20～23 m。試驗期間降水量359.8mm,少于過去10年平均降雨量(492.4 mm),屬于干旱年份。

試驗地土壤為山前平原沖積性潮褐土,0—100 cm各土層土壤基礎物理化學性質見表1。

1.2 田間試驗設計

冬小麥季試驗采用復因素試驗設計,共計10個處理,采取隨機區組的排列,每個處理重復3次。主處理為2個小麥品種:科農9204,氮高效小麥品種,其播種量為 196.5 kg/hm2(密度為 361.5×104株/hm2);河農822,河北當地主要栽培品種,播種量為187.5 kg/hm2(由于兩個品種的千粒重不同,科農9204為41.33 g,河農822為39.59 g,因此播種時采用相同粒數)。每個微區中種植4行小麥,行間距為20 cm。副處理為氮肥用量,設置5個氮素水平:N 0、75、150、225、300 kg/hm2,分別用 N0、N75、N150、N225、N300表示。微區用長 1 m,寬 1 m,高 0.4 m的鐵皮框制成。氮肥的1/2和磷肥(P2O590 kg/hm2)與鉀肥(K2O 90 kg/hm2)作基肥,播前撒施后翻耕;1/2的氮肥在返青和拔節之間施用,采取溶解后噴施再灌水的方式。氮肥采用15N標記的尿素(46%),豐度為4.25%,磷肥為過磷酸鈣(12%),鉀肥為硫酸鉀(50%)。播種前在微區內取出2 kg左右的土,過5 mm篩,再與做基肥的15N標記的尿素和磷、鉀肥混合均勻,均勻撒施到微區,翻耕后播種。追肥時先將15N標記的尿素溶解于水中,再用噴壺將溶液均勻噴灑到微區,最后澆上60 mm的水。

1.3 采樣與測定

播種前和收獲后均用土鉆垂直取0—100 cm(以20 cm為一層)深度的土樣,播種前取的土樣用于土壤基本物理化學性質的測定。收獲后的土壤用于土壤全氮含量和15N豐度的測定。取樣后,將取樣孔用性質相同的土壤填充。

表1 田間試驗土壤的理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil in the field experiment

小麥分穗和秸稈兩部分收獲,在微區隨機選取10株用于測定植株的含氮量和15N豐度,剩下的所有植株沿地面全部割下,風干。將小麥穗脫粒,分別稱子粒和秸稈的風干重,之后 65℃烘干,粉碎過0.15 mm篩,用于測定植株的含氮量和15N豐度。

1.4 測定方法及計算

土壤的基本理化性質采用常規方法進行分析測定[23];土壤及植物樣品的全氮含量用開氏法測定;將開氏法定氮后的蒸餾液酸化,濃縮至 3mL,用FinniganMAT-251同位素質譜儀(南京土壤研究所生產)測定樣品的15N豐度。

氮肥表觀利用率(%,ARE)=(施氮區地上部的吸氮量-對照區地上部的吸氮量)/施氮量×100

氮肥生理利用率(%,PE)=(施氮區的產量-對照區的產量)/吸氮量×100

氮肥農學利用率(%,AE)=(施氮區的產量-對照區的產量)/施氮量×100

試驗數據采用Excel 2003和SAS8.1中的單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 施氮對作物產量和吸氮量及氮肥利用率的影響

不施氮處理的子粒產量顯著低于其它施氮處理(表2),施用氮肥可以促進子粒產量的增加。隨著施氮量的逐漸增加,子粒產量并不是逐漸升高,最高產量出現在施氮量為N 150 kg/hm2,說明在供試土壤的肥力水平和生產條件下,N 150 kg/hm2的施肥水平已經達到了較高產量,再增加氮肥施用量對作物產量提高無益。作物地上部分吸氮量有隨施氮量升高而增加的趨勢,地上部吸氮量是地上各部分生物量與相應含氮量的乘積之和,這種增加并不是由于地上部生物量顯著增加引起,而主要是地上部含氮量隨施氮量增加顯著升高引起的。子粒與秸稈吸氮量之比呈現出隨施氮量升高而降低的趨勢,說明高量施氮條件下,秸稈中殘留的氮增多。兩個小麥品種表現出相似的規律。

表2 微區作物產量、吸氮量、氮肥利用率的比較Table 2 Crop yield,nitrogen uptake and the three efficiencies in micro-plot

隨著施氮量的增加,氮肥表觀利用率(ARE)和農學利用率(AE)持續下降,而生理利用率(PE)卻呈現出“低—高—低”拋物線型的趨勢,在施氮量為N 150 kg/hm2時達到最高值(表2)。說明在該施氮量時,作物能更有效地將吸收的氮轉化成子粒產量。

2.2 作物吸收土壤氮和肥料氮的比例

作物吸收的氮主要來源于土壤氮和肥料氮。表3看出,小麥吸收的肥料氮的量隨施氮量的升高而有所提高。N300和N225處理之間沒有顯著差異,與其它兩個處理之間有顯著差異,兩個小麥品種有相同的趨勢。說明在低施氮條件下,小麥主要吸收土壤氮,土壤氮在小麥生長期間起主要的決定作用;在高施氮條件下,小麥吸收土壤氮的比例下降,吸收肥料氮的比例有所上升。

表3 作物吸收土壤氮和化肥氮的比例Table 3 The ratio of N uptake from soil and fertilizer

2.3 不同施氮量對作物吸收、土壤殘留和損失的影響

冬小麥對化肥氮的吸收量隨著施氮量的升高而顯著提高(表4)。當施氮量為N 75、150、225和300 kg/hm2時,河農822的氮肥利用率分別為44.9%、48.4%、44.2%和37.7%;科農9204當季氮肥利用率分別為50.2%、51.5%、46.5%和37.2%。隨施氮量增加,兩品種氮吸收率均呈現先升高后降低的趨勢。除N300處理外,其它處理氮肥利用率,科農9204均高于河農822,但是品種間差異不顯著。說明隨著施氮量的逐漸增加,氮肥利用率并不是直線上升,當施氮量過高時,作物對氮肥的利用情況會減弱。

冬小麥收獲后,化肥氮的土壤殘留量是相當大的,且隨著施氮量的增加殘留量也顯著增加。當施氮量分別為N 150和300 kg/hm2時,河農822的化肥氮殘留率分別為26.8%和39.1%,科農9204當季化肥氮殘留率分別為26.7%和40.6%。同時,隨著施氮量的升高,化肥氮在當季的損失量顯著增加。分析不同施氮水平下化肥氮三條基本去向的關系得出,隨施氮量的增加,化肥氮被作物吸收量、土壤殘留量、損失量(或進入環境的氮化物量)均增加。當施氮量低于N 300 kg/hm2時,肥料氮去向主要表現為作物吸收量＞土壤殘留量＞氮肥損失量;而當施氮量達到N 300 kg/hm2時,氮肥的去向則呈現出土壤殘留量＞作物吸收量＞氮肥損失量。說明當施氮量過高時,易造成肥料氮在土壤中的大量殘留。

表4 化肥氮在冬小麥季的去向Table 4 The fate of nitrogen fertilizer in the winter wheat cropping season

2.4 土壤氮素平衡

2.4.1 冬小麥收獲后土壤氮素平衡 一季作物后一定深度土體氮素平衡(盈虧)可根據下式計算[24]:

土壤氮素平衡=肥料氮在0—100 cm土體殘留+濕(或干濕)沉降帶入氮+灌溉水帶入氮-作物吸收土壤氮。

如果平衡是正值,則表示經過一季作物后,土壤根區氮素盈余,如果為負值,則表示虧缺。表5表明,隨著施氮量的增加,土壤氮素平衡由虧缺轉為盈余,土壤根區硝態氮也由播前消耗轉為在播前的基礎上累加,兩個小麥品種表現為共同的趨勢。在低施氮量時,氮高效小麥品種科農9204比常規品種對0—00 cm土層的硝態氮的消耗更多。

表5 不同施氮水平下冬小麥收獲后土壤氮素的總平衡(N kg/hm2)Table 5 Total balance of nitrogen in different fertilization rates after the harvest of winter wheat

2.4.2 施氮量與土壤氮素平衡關系 為了研究施氮量與土壤氮素平衡的數量關系,以施氮量為橫坐標,以土壤氮素平衡為縱坐標作圖并建立回歸方程。從圖1可以看出,施氮量與土壤氮素總平衡存在著很好的正相關關系,達到了極顯著水平。在本試驗條件下,河農822當施氮量達到N 184 kg/hm2時,土壤氮素達到平衡;而科農9204當施氮量達到N 190 kg/hm2時,土壤氮素達到平衡。說明氮高效品種科農9204對土壤氮的利用能力強。

圖1 施氮量與土壤氮素總平衡的關系Fig.1 The relation of N fertilization rates and N total balance in the soil

3 討論

在本試驗條件下,施用氮肥對冬小麥子粒產量有顯著的增產作用,但當施氮量大于N 150 kg/hm2時,增施的氮肥不再有增產作用,產量反而有所降低。據報道,北京郊區試驗條件下的最佳施氮量是N 120 kg/hm2[6],山東惠民地區試驗條件下的最佳施氮量是N 112 kg/hm2[25],其原因為土壤基礎肥力狀況不同。北京郊區試驗地耕層堿解氮含量為98.1 mg/kg,山東惠民試驗地0—90 m深度土壤剖面硝態氮的含量是175.28 kg/hm2,而本試驗0—100 m土層土壤硝態氮含量為43.02 kg/hm2。冬小麥對肥料氮的吸收量及在土壤中的殘留量均隨施氮量的增加而顯著增加,但對肥料氮的吸收率卻顯著降低,與趙俊曄等[26]的研究結果一致。在低施氮條件下,小麥主要吸收土壤氮,其在小麥生長期間起主要的決定作用;在高施氮條件下,小麥吸收土壤氮的比例下降,吸收肥料氮的比例有所上升。鐘茜等[25]對華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系對氮素環境承受力分析的研究表明,氮肥利用率和農學利用率隨施氮量的增加而降低,生理利用率表現出拋物線的趨勢,本試驗結果與其有相同的趨勢。

巨曉棠等[6]對北京郊區氮去向研究表明,氮肥利用率隨施氮量的升高而降低,而損失率相應的增加。本試驗條件下,隨著施氮量的逐漸增加,氮肥利用率未直線上升;當施氮量過高時,作物氮肥利用率減弱。當施氮量低于300 kg/hm2時,總體表現為作物吸收量＞土壤殘留量＞氮肥損失量;而當施氮量達到300 kg/hm2時,則呈現出土壤殘留量＞作物吸收量＞氮肥損失量。這與北京郊區的結果有相似趨勢,因為本試驗地點與北京地區均屬華北平原范圍,土壤類型及氣候環境條件有很大的相似性。黨廷輝等[27]研究表明,小麥積累的氮素中肥料氮的比例為33%～40%。本試驗中,小麥積累的肥料氮的比率是37.2%～51.1%,顯著高于以上結果。這與本試驗土壤肥力較低有關。可見,高肥力土壤條件下,小麥吸收的土壤氮的比例高于低肥力土壤。

本試驗條件下,施氮量是N 150 kg/hm2(優化水平)的處理,冬小麥對氮肥的吸收率為48.4%～51.1%,0—100 cm土壤殘留率為26.7%～26.8%,損失率為22.2%～24.8%;而施氮量N 300 kg/hm2(常規水平)處理相應的數值分別為 37.2%～37.7%、39.1%～40.6%和22.1%～23.2%。優化處理的氮肥利用率顯著高于常規水平,而常規水平的殘留率顯著高于優化處理。在低施氮量時,殘留氮以NO-3-N形式存在很少;在高施氮條件下,以NO-3-N形式存在的比例很高[6];而硝態氮的淋溶損失是氮素的重要去向之一。Bergstrom等[28]研究表明,施氮量小于100 kg/hm2時,硝態氮的淋溶量是緩和的,100～200 kg/hm2時,淋溶量隨施氮量的增加而增加。周順利等[22,29]研究也表明,氮肥施用量越高,土壤硝態氮含量越高,硝酸鹽向深層淋洗也越嚴重。由此可見,常規水平條件殘留較多的氮肥容易在集中降水或大量灌溉條件下隨水淋洗進入土壤深層,對淺層地下水造成污染。

另外,許多對殘留在土壤中氮肥去向的研究結果表明,殘留在土壤中的氮肥對后季作物具有可利用性[6,30-32]。所以可以在后季種植中合理調控耕層水肥狀況,適度減少氮肥施用,挖掘土壤累積氮素資源,以期發揮殘留氮肥的后效[33]。

郭天才等[34]對高產麥田氮平衡研究表明,未被當季作物利用的氮主要以氮表觀損失和殘留無機氮形式損失,且隨施氮水平的增加,氮表觀損失量和土壤殘留量均隨之增加。巨曉棠等[35]的研究結果表明,在不施氮或適量施氮條件下,土壤-作物系統中氮素的殘留和表觀損失均較低,當氮肥施用量超過作物的需要量時,氮素盈余急劇增加,盈余的氮素或以Nmin形式殘留于土壤剖面中,或損失于土壤-作物系統,從而導致相應的環境問題。本研究表明,施氮量與土壤氮素總平衡存在著很好的正相關關系。低施氮量時,土壤氮素總平衡表現為虧缺,小麥吸收了大量根層的土壤氮;而高施氮量時,土壤氮素總平衡盈余,易發生氮素的損失,與以上研究結果相符。而王西娜等[36]對黃土高原旱地冬小麥-夏玉米輪作體系土壤氮平衡的研究結果表明,隨氮肥用量增加表觀損失量和損失率降低,這與本研究的結果不一致,這是因為王西娜的研究試驗是以0—200 cm作為作物有效吸收層,而本試驗是以0—100 cm深度作為研究對象。

綜上所述,過量施肥是造成氮肥利用率低、損失率高和污染環境的主要原因,因此在農業生產實踐中要注意合理施肥。

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