不同土壤肥力條件下高產玉米氮肥最佳用量研究

張 佳 ，王永亮 ，郭彩霞 ，郭軍玲 ，楊治平 ，張 強

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030006）

玉米是需氮量較高的作物，近些年在追求產量提高的同時，氮肥的投入量也在逐年增加[1-4]。盡管施氮量在不斷增加，但玉米產量增加幅度卻遠遠低于氮肥施用量的增加幅度，造成了氮肥利用率低，資源和能源浪費，并帶來嚴重的環境問題[5]。因此，在玉米高產的條件下，如何實現氮肥高效利用和生態環境的保護，對于氮肥資源的節約以及保障我國的糧食安全生產意義重大[6]。目前，關于施氮量對提高玉米產量、氮效率方面的研究較多[7-12]，但大多是針對某一試驗點施氮量對玉米產量和氮素利用率的研究，關于山西省不同土壤肥力下施氮量對春玉米產量和氮素利用率方面的研究較少。

春玉米作為山西中部和北部地區主要的種植作物，近年來種植面積逐年增加，單產和總產都有大幅度提高，但這種高產多數是以高氮肥用量為代價的。本試驗在山西省中部春玉米帶上高、中、中低3個肥力等級上，改進傳統施肥習慣，開展了不同氮肥用量對春玉米產量、氮效率和土壤硝態氮累積的影響試驗，旨在為山西省春玉米主產區不同肥力水平下氮肥的優化管理提供理論依據和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2011年4—10月分別在山西省中部春玉米種植帶3個肥力水平的土壤上進行。其中，晉中市山西省農業科學院東陽試驗基地，因土壤有機質、全氮和速效養分含量相對較低，以中低肥力土壤描述；晉中市祁縣谷戀村，土壤有機質、全氮和速效養分含量相對處于中等水平，以中等肥力土壤描述；呂梁市文水縣東城村，土壤有機質、全氮和速效養分含量相對較高，以高肥力土壤描述。3個試驗地氣候條件略有差異，但都屬于暖溫帶大陸性季風氣候，整個春玉米生育期內雨量充沛。供試土壤0～30 cm土層的基本理化性質列于表1。

表1 供試土壤0～30 cm土層基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗設 7個氮肥用量水平：0，90，180，270，360，450，540kg/hm2，分別用 N0，N90，N180，N270，N360，N450，N540表示，隨機區組排列，4次重復。3個試驗地各處理的磷、鉀肥用量相同，分別為P2O5112.5 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2， 全部以基肥形式施入；氮肥的30%作基肥施入，50%在大喇叭口期、20%在灌漿期作追肥施入。氮、磷和鉀肥分別使用尿素、普鈣和硫酸鉀。試驗小區面積為66.6m2，寬窄行配置，寬行80 cm，窄行40 cm。玉米品種選用先玉335，種植密度為6.75萬株/hm2。5月初播種，10月初收獲。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品分別于玉米播種前和收獲后，按每30 cm一層采0～90 cm深度的土樣。每小區隨機取2點，同層次的土壤混合為一個土樣，置于-20℃冰箱冷凍保存。樣品解凍后，稱取10 g土樣，用50 mLKCl（2 mol/L）溶液浸提，振蕩1 h后過濾，用德國產Foss型流動注射分析儀測定NO3-N含量，并根據各層土壤容重將NO3-N含量換算成相應土層土體NO3-N積累量。測定NO3-N含量的同時用烘干法測定土壤含水量[13]。

按玉米不同生育期，即拔節期、大喇叭口期、吐絲期和成熟期采集植株樣品，每次采3株，稱取植株各部位濕質量，并在105℃下殺青30 min，在80℃下烘干至恒質量，稱質量后磨粉，測定并計算地上部干物質量。收獲時取每小區中間4壟玉米進行測產。玉米植株樣品全氮含量采用半微量凱式定氮法測定[14]。

1.4 數據分析

數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS18.0進行統計分析和作圖。

土壤硝態氮積累量=土層厚度（cm）×土壤容重（ g/cm3）×土壤硝態氮含量（ mg/kg）/10[15]；

氮肥利用率＝（施氮區地上部吸氮量-無氮區地上部吸氮量）/施氮量×100%[15]；

氮肥偏生產力（kg/kg）＝施氮區籽粒產量/施氮量[15]；

氮肥農學利用率（kg/kg）＝（施氮區籽粒產量-無氮區籽粒產量）/施氮量[15]。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對春玉米產量的影響

施氮可以顯著提高籽粒的產量，3個試驗點都呈現出隨著施氮量的增加產量升高，但達到一定量后保持穩定的趨勢。3個試驗點的施肥處理比不施肥處理產量增加了1 298～1 641 kg/hm2，增幅達10.7%～15.4%。依據產量和施氮量的變化關系，對不同施氮量下的產量效應用線性加平臺進行擬合，達到顯著水平。

從圖1可以看出，線性加平臺模型得到的最佳產量，也就是平臺對應的產量，在中低肥力土壤的東陽試驗點，最佳產量為13 109 kg/hm2，對應的最佳施氮量為227 kg/hm2；在中等肥力土壤的祁縣試驗點，最佳產量為11 909 kg/hm2，對應的最佳施氮量為204 kg/hm2；在高肥力土壤的文水試驗點，最佳產量為12 970 kg/hm2，對應的最佳施氮量為201 kg/hm2。進一步分析可知，在中低肥力土壤的東陽試驗點和在高肥力土壤的文水試驗點，要得到13 000 kg/hm2的產量，經濟施肥量分別為225，200 kg/hm2，表明中低肥力的東陽試驗點土壤達到最佳產量所需的施氮量比高肥力土壤的文水試驗點相對較高，說明作物在低肥力土壤條件下，通過合理增施氮肥可以達到高產。

2.2 不同肥力水平下施氮量對春玉米氮效率的影響

氮肥利用率由于受土壤性質、作物種類和生長時期、氮肥及其他肥料的種類和施用技術以及氣象條件等因素的強烈影響，變幅很大[16]。本研究采用了國際上用以表征農田肥料利用效率的肥料養分回收利用率、肥料農學利用率和肥料的偏生產力3個參數進行分析和評價。有研究表明，氮肥利用率的變幅在9%～72%之間[17]。本研究中3個試驗點的氮肥利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力都大致呈現出隨施氮量的增加而降低的趨勢，其中，不同氮肥用量的氮肥利用率的變化范圍在4.48%～25.73%之間，均為15.1%，以東陽試驗點的N270處理最高，為25.73%；氮肥農學利用率變幅在1.49～6.60 kg/kg之間，平均為3.68 kg/kg，最大值是祁縣的N180處理，為6.60 kg/kg；氮肥偏生產力的變化范圍在21.82～138.29 kg/kg之間，平均為58.01 kg/kg，以東陽試驗點的N90處理最高，達138.29 kg/kg。

從表2可以看出，在中低肥力土壤的東陽試驗點，N180，N270處理的氮肥利用率和氮肥農學利用率都高于其他處理；在中等肥力土壤的祁縣試驗點，N180處理的氮肥利用率和氮肥農學利用率較高；在高肥力土壤的文水試驗點，N180處理的氮肥利用率和氮肥農學利用率較高。綜合分析可知，隨著施氮量的增加，春玉米的氮效率呈下降趨勢，氮肥的投入產出比明顯降低，因此，選擇適宜的施氮量，在氮肥用量大幅減少的同時，可以顯著提高春玉米對氮素的有效利用。

表2 不同施氮處理對春玉米氮效率的影響

2.3 收獲后不同施氮水平的土壤NO3-N累積情況

旱地土壤的無機氮形式主要是NO3-N，這也是玉米氮素吸收的主要形態，其不易被土壤膠體吸附，累積過多時，易發生淋失或反硝化作用而被損失掉。從圖2可以看出，春玉米收獲后，3個試驗點各處理的NO3-N含量都較播前發生了明顯的變化，在0～90 cm土層范圍內其累積量都呈現隨施氮量的增加而增加的趨勢。其中，中低肥力的東陽試驗點，從N360處理開始，0～90 cm土層NO3-N含量顯著升高，且高于播前NO3-N累積量，30～60，60～90 cm土層的累積量顯著高于同處理的0～30 cm土層的累積量，富集現象明顯，存在向深層土壤淋溶的風險；中等肥力的祁縣試驗點，從N180處理開始，0～90 cm土層的NO3-N含量顯著升高，高于播前累積量，但耕層（0～30 cm）的NO3-N累積量與播前差異不大；高肥力的文水試驗點，從N180處理開始各土層NO3-N累積量開始升高，其中，N450，N540處理各土層NO3-N累積量增幅較大，富集現象明顯，30～60，60～90 cm土層的累積量明顯高于其他處理的相同土層含量。

氮肥的不合理施用會造成土壤NO3-N的大量累積，在過量灌溉和強降雨時，NO3-N會向下淋溶，從而污染地下水[18]。3個試驗點不施氮處理與播前相比，各層次的NO3-N含量都有一定的降低，說明在不施氮的條件下，土壤礦化產生的NO3-N不能滿足作物的生長需求，仍需要從土壤中吸收一定的量。在中低肥力的東陽試驗點，N270處理之后，30～90 cm土層的NO3-N盈余現象嚴重，向下淋失的趨勢明顯，故施氮量不宜超過270 kg/hm2。在祁縣試驗點，N180處理沒有造成NO3-N的富集，之后的處理屬于施肥過量。文水試驗點N180處理的NO3-N累積量適宜，之后的處理氮素盈余現象嚴重，屬于施肥過量，對環境具有一定的威脅。

3 討論與結論

根據氮肥最佳用量施肥，使氮素供應既能滿足作物不同生育期的養分需求，又不會造成土體硝態氮的大量累積，是目前養分管理研究的目標[19-21]。崔振嶺等[22]研究認為，當夏玉米播前0～90 cm土層硝態氮含量達到82 kg/hm2時，不施氮可保證夏玉米10葉期的生長；達到151 kg/hm2時，不施氮即可保證整個生育期的生長。鐘茜等[23]結合我國追求作物高產與環境保護兼顧的國情，認為在華北冬小麥—夏玉米輪作區，土壤中無機氮的安全殘留量不超過150 kg/hm2，適當殘留是對土壤氮素的補充，有利于下季作物的吸收利用。

調查表明，山西省中部春玉米種植帶，作物管理以粗放式經營為主，養分管理有很多誤區，普遍存在著氮肥施用量及分配時期不合理的現象。其中，過量與不足現象共存，重基肥、輕追肥與輕基肥、重追肥現象并存。陳世勇等[24]研究認為，玉米早期根系吸收弱，需要養分數量少，施用大量氮肥不能被及時利用，造成肥料利用效率低的同時造成巨大的環境壓力。因此，在農戶傳統施氮方式下，土壤硝態氮時空變異很難與玉米需肥及根系生長規律相吻合，前期供氮過多，后期供氮明顯不足，嚴重影響玉米增產潛力。最佳的養分管理應該在保證玉米生育期氮素需求的同時又不會造成硝態氮的大量盈余，高產的同時對環境又不會造成危害。

本研究參考不同施氮量對春玉米產量、氮肥利用率及土壤硝態氮累積的影響，認為在中低肥力的東陽試驗點，施氮量為225 kg/hm2時，在保證高產的同時又不會對環境構成威脅；在中等肥力的祁縣和高肥力的文水試驗點，可能由于土壤質地和氣候的差異，2個不同肥力的土壤差異不大，氮肥推薦量為200 kg/hm2時可以同時兼顧經濟效益和環境效益。

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