不同管理方式對夏玉米氮素吸收、分配及去向的影響

徐明杰， 張 琳， 汪新穎， 彭亞靜， 張麗娟,2*， 巨曉棠

(1 河北農業大學資源與環境學院， 河北保定 071000； 2 河北省農田生態環境重點實驗室， 河北保定 071000；3 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193)

不同管理方式對夏玉米氮素吸收、分配及去向的影響

徐明杰1， 張 琳1， 汪新穎1， 彭亞靜1， 張麗娟1,2*， 巨曉棠3

(1 河北農業大學資源與環境學院， 河北保定 071000； 2 河北省農田生態環境重點實驗室， 河北保定 071000；3 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193)

15N； 夏玉米； 管理方式； 花前花后； 氮去向

玉米在我國糧食生產上占有重要地位，戴景瑞等[1]認為，2008_2020年我國玉米單產年均遞增188.7 kg/hm2才能保證未來玉米的消費需求。巨曉棠等[2]認為，即使在肥力較高的土壤上氮肥的施用對于冬小麥和夏玉米的高產穩產也是必不可少的，但夏玉米生長期正處于北方高溫多雨季節，降水量大而且比較集中，如果追肥不合理，很容易造成氮素淋失[3]，帶來一系列的環境問題[4]。目前華北平原地區冬小麥-夏玉米輪作體系中氮肥過量施用已相當嚴重[5]，在山東地區，夏玉米季農民的傳統施氮量為N 259 kg/hm2，高于推薦施氮量的57%[6]。這種過量施肥不僅不會達到作物高產的目的，還會降低氮肥的利用率[7]。玉米對氮素的吸收、同化與轉運直接影響其生長和發育，從而影響產量[8]。Wang等[9]認為，較高的籽粒產量來自于較高的氮素利用效率和氮素再分配效率。

盡管目前已有不少圍繞玉米季的氮肥利用特征及去向的研究，但是關于高產體系下作物花前花后氮素利用及轉移規律的研究相對較少。因此，本研究以曲周為代表的華北平原為對象，布置15N微區，利用15N標記技術進行試驗，分析目標產量下化肥氮的變化，解析夏玉米花前花后氮素利用及轉移規律，探討肥料氮、土壤氮與作物氮之間的關系，為該地區夏玉米的科學合理施氮提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在河北省邯鄲市中國農業大學曲周實驗基地進行。2007年10月，布設“華北平原可持續高產作物生產體系及資源優化利用”長期定位試驗，在主試驗開展4年的基礎上，于2011年6月至2011年10月進行本試驗。該基地位于河北省南部太行山東麓海河平原的黑龍港流域，曲周縣地處東經 114°50′_115°13′，北緯 36°34′_36°57′之間，平均海拔39.6 m，地下水埋深10—20 m，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.4℃，全年無霜期平均201d，年平均降水量494 mm，主要集中在6_8月，年際間變化大。2011年6月_2011年10月夏玉米試驗期間降水量為367.00 mm，比2006_2010年該期間平均降水量高87.98 mm，屬較濕潤年份。

供試土壤為山前平原沖積性潮褐土，各土層土壤的基本理化性質見如表1，該試驗地屬中肥力土壤[23]。

1.2 田間試驗設計

1.2.1 試驗設計與布置 長期定位試驗設置2種管理方式： 1)傳統方式，為秸稈不還田，傳統氮肥管理(CT)； 2)優化方式，為秸稈還田和推薦施肥(YH)。每處理重復4次，主試驗大區面積30×60 m，處理間間隔2 m，區組間間隔5 m。

1.2.215N微區田間設置及施肥方法 在主試驗大區內設置15N微區。微區用長1 m，寬1 m，高0.4 m的鐵皮框制成。整好地后，劃出微區所在位置，將鐵皮框放到微區所在的位置，外圍垂直挖出0.35 m，將鐵皮框套入土中，使其周圍與土壤緊貼，鐵皮框上方露出地表5 cm。每季作物設置2個微區，一個用于開花期破壞性取樣，一個用于收獲期取樣。微區施用的氮肥為5.22%豐度的15N標記尿素，播種前在微區內取出1 kg左右的土，過5 mm篩，再與做基肥的15N標記的尿素和磷、鉀肥混勻，均勻撒施到微區，翻耕后播種；追肥采用與大田相同的施肥方式。

1.2.3 種植方式和田間管理 兩處理供試夏玉米品種為鄭單958，密度為75000 plant/hm2，于2011年6月17日播種。播后兩處理各灌水70 mm，作物生長階段雨水充沛，不再進行補充灌溉。傳統方式氮肥施用量是通過各區域農戶調查來確定，代表了該地區內農民的平均習慣施肥量，為N 250 kg/hm2。優化方式是根據作物關鍵生育期追肥前根層土壤無機氮(硝態氮+銨態氮)含量和氮素供應目標值之間的差異來確定施氮量；夏玉米季的施肥量定為N 185 kg/hm2，關鍵追肥期為播種期、6葉期和13葉期(表2)。兩處理磷肥施用量均為P2O545 kg/hm2，隨播種機器施入；傳統方式夏玉米鉀肥施用量為K2O 45 kg/hm2，優化方式為K2O 90 kg/hm2，其中45 kg/hm2在播種時施入，45 kg/hm2在夏玉米6葉期追施。

注(Note): CT—Conventional pattern；YH—Optimized pattern.

1.3 采樣與測定

1.3.1 植物樣品 在作物花期和成熟期，將15N微區的植株地上部全部收獲。所有植株沿地面全部割下稱鮮重，風干后稱重，之后在65℃下烘干，稱干重。將用于測定的植株樣品全部粉碎過0.15 mm篩，混勻后，連續用4分法取測定所需的樣品量，用于測定植株含氮量和15N豐度。

1.4 測定方法

1.4.2 土壤及植物全氮和15N豐度的測定 烘干樣品過0.15 mm篩，然后用Delta Plus XP15N儀器測定(美國THERMO finnigan公司生產)15N豐度。

1.4.3 土壤水分含量的測定 采用烘干法測定土壤含水量。

1.5 計算公式與數據分析

土壤各層來自15N肥料的氮量Ndff(kg/hm2) =土壤各層全氮含量 (kg/hm2) ×土壤各層 %Ndff

植株氮素來自化肥氮的量Ndff (kg/hm2) =植物 %Ndff×植物吸氮量 (kg/hm2)

化肥氮損失量 (kg/hm2)=標記氮肥施用量-植株吸收Ndff-土壤殘留Ndff

各器官氮素轉移量 (kg/hm2)=開花期各器官氮素吸收量-收獲期各器官吸收量

試驗數據采用Excel 2003和SAS 8.0中的單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 地上部生物量及吸氮量

兩處理雖施肥量和追肥時期不同，但開花期夏玉米地上部生物量沒有顯著差異(表3)。開花后，玉米干物質大量積累，優化方式的籽粒產量顯著高于傳統方式，達到9685 kg/hm2，比傳統方式增產12%。與生物量相同，兩種管理方式的開花期吸氮量沒有顯著差異，優化方式夏玉米總吸氮量略低于傳統方式。收獲時作物秸稈吸氮量顯著降低，大量的氮素轉移到籽粒中，優化管理方式籽粒吸氮量(126.6 kg/hm2)顯著高于傳統方式(115.2 kg/hm2)，優化方式總吸氮量比傳統方式增加10%。在夏玉米干物質累積時期，優化方式的氮肥分兩次追施，促進了作物對氮素的吸收。

注(Note): CT—傳統方式Conventional pattern; YH—優化方式Optimized pattern. 同列數據后不同字母表示同一生育期處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments in same growth stage at the 5% level.

2.2 夏玉米氮肥利用率

開花期不同管理方式夏玉米地上部15N吸收量未表現出顯著差異(表4)。開花期優化方式氮肥利用率為21.76%，傳統方式為16.42%，優化方式顯著高于傳統。花前傳統方式雖施高氮，但作物氮肥利用率卻顯著低于優化方式，這與優化方式在夏玉米大量吸收氮素的階段及時追施氮肥以滿足作物生長有關。

收獲時夏玉米秸稈的15N吸收量和15N利用率較開花期明顯降低，前期吸收的大量氮素轉移到籽粒中。除秸稈15N吸收量兩處理差異不顯著外，優化方式地上部15N吸收量和15N利用率均顯著高于傳統方式。可見基于土壤測試的基、追肥分配促進了作物對氮肥的吸收利用。

注(Note): CT—傳統方式Conventional pattern; YH—優化方式Optimized pattern. 同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.3 土壤氮和肥料氮的吸收與分配

開花期和成熟期，兩處理夏玉米各營養器官土壤氮的積累量及比例均顯著高于肥料氮(表5)。開花期兩處理對于肥料氮和土壤氮的吸收比例約為3 ∶7，土壤氮占整個植株吸氮量的70%左右，處理間差異不明顯，說明土壤氮是作物營養生長階段的主要氮源。

注(Note): NDFF—N derived from fertilizer; NDFS—N derived from the soil; BC—Corn bract + Cob; SS—Stem + Sheath. CT—傳統方式Conventional pattern; YH—優化方式Optimized pattern. 同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

與開花期相比，收獲期兩處理夏玉米對于土壤氮和肥料氮的吸收總量明顯增加，但仍表現為土壤氮積累量顯著高于肥料氮；兩處理各營養器官土壤氮積累量較開花期大幅減少，大量土壤氮轉移到籽粒中；優化方式對土壤氮的吸收略高于傳統方式，但差異不明顯。對肥料氮的吸收比例，收獲時傳統方式較花前略有減少，優化方式的花前花后吸收比例基本一致。收獲期優化方式莖+葉鞘和苞葉+穗軸對肥料氮的吸收比例均顯著高于傳統方式，土壤氮的分配比例處理間差異不明顯；從整個植株對肥料氮和土壤氮的吸收比例來看，土壤氮所占的比例顯著高于肥料氮，這說明土壤氮也是作物生殖生長階段的主要氮源。

從表6可以看出，夏玉米各器官對于肥料氮和土壤氮的轉移量均表現為莖+葉鞘>葉片>苞葉+穗軸(P<0.05)，土壤氮的轉移量顯著高于肥料氮。除葉片的肥料氮轉移量傳統方式高于優化方式外，其他無明顯差異。各器官氮素貢獻率與氮素轉移量趨勢一致，土壤氮顯著高于肥料氮。肥料氮轉移貢獻率傳統方式顯著高于優化方式；土壤氮的轉移貢獻率傳統方式略高于優化方式，但差異不明顯。傳統和優化兩種方式的轉移氮貢獻率分別為57.73%和45.15%，說明兩處理籽粒中的氮素分別有43.27%和54.85%是花后吸收的，玉米籽粒的氮素約有一半是在花后積累的，基施高氮對作物產量形成的作用不大。

注(Note): NDFF—N derived from fertilizer; NDFS—N derived from the soil. CT—傳統方式Conventional pattern; YH—優化方式Optimized pattern; BC—Corn bract + Cob; SS—Stem + Sheath. 同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.4 土壤剖面硝態氮運移與15N豐度的變化

開花期土壤硝態氮含量自上而下逐漸減少，傳統方式在9.44_85.06 mg/kg之間波動，優化方式波動范圍較小，為14.66_27.97 mg/kg(圖1)。收獲期優化方式土壤硝態氮含量變化不大，傳統方式表現為先降低后升高的趨勢；表層土壤硝態氮含量兩處理均在50 mg/kg左右，深層硝態氮含量傳統方式顯著高于優化。開花期兩處理15N含量均表現為自上而下逐漸減小的趨勢，氮肥累積在土壤表層。收獲后傳統方式各層原子百分超均高于優化方式。與開花期相比，優化方式在20—40 cm處的15N含量有所提高，但隨土層深度的增加而降低；傳統方式原子百分超在20—40 cm處出現了明顯的累積峰，40 cm以下原子百分超明顯增大，可見在農民傳統施肥中，夏玉米季結束時氮肥在土壤剖面有累積并開始隨水向下運移。

2.5 夏玉米季化肥氮的總去向

夏玉米收獲后傳統方式氮去向表現為土壤殘留>損失>作物吸收(表7)，傳統方式的氮肥殘留量高達140.46 kg/hm2，損失量為57.51 kg/hm2；優化方式的氮肥總去向表現為土壤殘留>作物吸收>損失，優化方式的土壤殘留和損失量顯著低于傳統方式，分別為85.96 kg/hm2和38.83 kg/hm2；優化方式作物吸收量為60.21 kg/hm2，顯著高于傳統方式。大量氮肥殘留在土壤中成為土壤氮庫的一部分，其余氮肥因夏玉米季氣溫高、雨水多，以氣態形式揮發或隨水運移到根區外造成損失。

3 討論

本試驗選擇以曲周為代表的華北平原為研究對象，利用15N標記技術，研究不同氮肥與秸稈管理下夏玉米花前花后的氮素利用、轉運規律的差異及高產體系化肥氮、土壤氮與作物氮之間的變化， 以期為夏玉米高產、氮素高效利用提供理論依據。趙士誠等[24]的研究表明，與農民習慣施氮肥N 240 kg/hm2相比，氮肥減量30%后玉米的產量和植株吸氮量均沒有降低，氮肥利用率卻顯著增加，說明在華北高肥力地區，在保證夏玉米高產的同時，在農民習慣施肥的基礎上減少施肥量是可行的，同時可提高肥料利用率。本試驗結果表明，施氮量為N 185 kg/hm2時的夏玉米已達到高產水平9685 kg/hm2。籽粒產量和吸氮量均顯著高于傳統管理方式，籽粒產量比傳統管理方式增產12%。在考慮土壤自身供氮水平的基礎上，適當降低肥料的施用量不僅不會影響夏玉米的產量，而且可將氮素的表觀損失降到一個較低的水平[25]。

注(Note): CT—傳統方式Conventional pattern; YH—優化方式Optimized pattern. 同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

李志勇等[3]認為，較低和合理的施肥量可極大地提高優化施肥的氮肥利用率，較傳統施肥提高11.80%。楊治平等[26]的研究表明，秸稈與氮肥配施能使氮肥利用率提高3.9%_13.9%。本試驗夏玉米對標記15N的吸收和利用結果表明，收獲后優化方式的的15N吸收量和利用率均顯著高于傳統方式，高于傳統方式8.18 kg/hm2和11.73%，秸稈還田與優化氮肥管理促進了作物對氮素的吸收利用。應用基于土壤硝態氮測試的氮素實時管理提高了玉米氮素的吸收效率和利用效率[27]。

玉米籽粒中的氮一方面來源于抽雄前的莖稈、葉片中積累氮素的再轉移[28]，另一方面直接源于根系的氮素吸收[29-30]。開花至成熟期是玉米氮素吸收運轉分配的重要時期[31]。玉米植株吸收的氮素主要來源于土壤氮和肥料氮，本試驗兩種管理方式開花后營養器官中積累土壤氮的轉移量顯著高于肥料氮，表明土壤氮是籽粒蛋白質積累的主要氮素來源。傳統和優化方式的氮素轉移量分別為65.21和56.70 kg/hm2，花前氮素轉運量隨施氮量的增加有升高趨勢[31]。傳統方式籽粒中的氮素43.27%、優化方式中的54.85%來自于開花后的吸收，這與趙營等[16]研究玉米在不同氮水平下，各器官的氮轉移量在37.2%_57.3%的結果相一致。由此表明，玉米籽粒的一半氮素是花后積累的，這是因為夏玉米干物質及養分隨生育期延長而持續增加，其變化趨勢可用“S”曲線方程進行擬合[32]，花后干物質及養分的積累量大。

周順利等[33]認為，施氮肥提高了土壤硝態氮含量，而且提高程度與用量成正比。吳永成等[34]在河北吳橋的研究表明，在玉米收獲期，施氮處理(N 90_270 kg/hm2)2 m 土體均有明顯的硝態氮殘留積累，并且殘留積累量隨著施氮量的增加而增大。本試驗中，開花期傳統方式0—20 cm土層的硝態氮含量顯著高于優化方式，收獲后40—60 cm土層的硝態氮含量明顯增加，出現了向下淋洗的現象。這表明大量施入氮肥，增加了土壤硝態氮含量，由于玉米季雨水充分，大量硝態氮隨水分向下運移。

吳永成等[22]的研究表明，各土層中的15N殘留量隨施氮量的增多而增加，總體表現為隨土壤層次加深而明顯下降，本試驗條件下優化方式土壤剖面殘留15N表現出類似的空間分布趨勢。開花期傳統方式20—40 cm15N原子百分超顯著高于優化方式，可見花前大量氮肥還積累于土壤表層。收獲時傳統方式各土層的殘留15N量高于優化方式。與開花期相比傳統方式土壤表層原子百分超減小，40 cm以下原子百分超明顯增大，這表明氮肥已經進一步隨水向下運移。

氮肥施入土壤后有3個去向，一是被當季作物吸收利用，二是以各種形式殘留于土壤中，三是通過氨揮發、反硝化和硝酸鹽淋洗等途徑損失[35]。這三個去向之間有密切的聯系，施肥量越高利用率越低，而損失量越高[36]。本試驗中，傳統方式土壤殘留量和損失量顯著高于優化方式，但作物吸收量顯著低于優化方式。夏玉米收獲后傳統方式氮去向表現為土壤殘留>損失>作物吸收；優化方式氮肥總去向表現為土壤殘留>作物吸收>損失。氮肥利用率隨施氮量的升高而降低[35]，當季作物收獲后，尚有46.47%_56.18%的氮肥殘留在0—100 cm的土壤中，成為土壤氮庫的補充。

綜上所述，合理調控氮素投入量及時期，在合理的栽培管理條件下施氮量控制在N 185 kg/hm2。減少前期施肥量，增加后期施氮次數及比例，滿足玉米花后吸收氮素的需求，可以實現氮素高效利用前提下的作物高產。

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Effects of different management patterns on uptake,distribution and fate of nitrogen in summer maize

XU Ming-jie1， ZHANG Lin1， WANG Xin-ying1， PENG Ya-jing1， ZHANG Li-juan1,2*， JU Xiao-tang3

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding,Hebei071000,China;2KeyLaboratoryforFarmlandEco-EnvironmentofHebeiProvince,Baoding,Hebei071000,China;3CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

15N; summer maize; management pattern; anthesis; fate of nitrogen

2013-12-30 接受日期： 2014-06-13

“十二五”國家糧食豐產科技工程(2011BAD16B08, 2012BAD04B06, 2013BAD07B05)項目資助。

徐明杰(1985—)， 女， 河北遷安人， 碩士研究生， 主要從事土壤環境質量方面的研究。 E-mail: xumingjie2010@163.com * 通信作者 Tel: 0312-7528210, E-mail: lj_zh2001@163.com

S513.062.01； S153.6+1

A

1008-505X(2015)01-0036-10