施氮量對新增耕地肥料利用及大豆產量的影響

武曉莉, 賀龍云, 姚晶晶, 黨宏忠, 張友焱, 周澤福

(1.中國林業科學研究 院荒漠化研究所， 北京 100091; 2.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083,)

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施氮量對新增耕地肥料利用及大豆產量的影響

武曉莉1, 賀龍云2, 姚晶晶2, 黨宏忠1, 張友焱1, 周澤福1

(1.中國林業科學研究 院荒漠化研究所， 北京 100091; 2.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083,)

在晉西黃土區新增耕地設置施加N0，N1，N2，N3，N4和N5六種不同氮水平氮肥的處理，比較分析不同施氮量對氮肥利用率、氮磷鉀吸收累積、大豆生長發育和產量的影響，并通過回歸擬合，確定最佳施氮量，結果表明：不同氮水平下，氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力隨施氮量的增加呈現下降的趨勢，而各氮水平條件下氮肥生理利用率差異不大；施氮能夠促進大豆植株各部位對氮、磷、鉀的吸收利用，各處理之間大豆植株氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量差異顯著，且在N2水平下最高，但大豆植株氮、磷、鉀累積量與施氮量相關性不顯著；N2水平下大豆植株在出枝期、開花期和鼓粒期的株高、冠幅均最高，且大豆產量最高，達188.83 g/m2，比其他五種處理措施增產8.68%～141.32%，其增產效益最高，為0.562元/m2；晉西黃土區新增耕地的最佳施氮量為168～178 kg/hm2，對應理論產量為1 800～1 802 kg/hm2。

黃土區; 新增耕地; 不同氮水平; 大豆產量; 肥料利用率

晉西黃土丘陵區土地遼闊，光熱充足，具有發展農業的巨大潛力。近些年，在大規模土地開發整理過程中，新增耕地土壤結構受到嚴重破壞，大量貧瘠的土壤出現在表層，其養分含量極低，不能支持農作物的正常生長，急需培肥和改良以達到增加產量和補充耕地的目的。氮是植物體內蛋白質、葉綠素、核酸等許多化合物的重要組成部分，對植物生長發育和產量形成有非常重要的作用，因此氮肥成為農業生產中增加產量的強有力的工具[1]。在實際生產過程中人們只注重產量效應，越來越多的氮肥被施入農田，但我國氮肥利用率平均僅35%左右[2]，氮素的過剩不但會對農作物的生長發育、產量和品質帶來不利影響，還會造成硝態氮積累[3]，并通過淋溶和徑流等方式進入地下水和河流，造成富營養化[4]，甚至會影響微生物、動物、大氣等整個生態系統的多樣性[5]，因此科學合理施肥和提高氮肥利用率是提高農業經濟效益和生態效益的重要措施，并引起了世界各地學者的廣泛關注[6-8]，但氮素的缺失和過剩是相對的，必須根據農作物種類、土壤情況和氣候條件等各種因素進行綜合考慮，才能提高氮肥的經濟效益[9]。目前，對于黃土區不同施氮量對氮肥利用率影響的報道較少，本試驗在晉西黃土區新增耕地上施加不同水平的氮肥，分析了氮肥利用率的變化及施氮量對大豆植株磷、鉀積累量、大豆生長發育情況及產量的影響，確定了晉西黃土區新增耕地的最佳施氮量，為當地土壤培肥和改良及大豆增產提供理論支持和科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗設計

試驗在山西省中陽縣車鳴峪林場進行，供試土壤采自中陽縣下棗林鄉陽坡溝流域新增耕地表層土(0—20 cm)，該地區屬于典型的黃土丘陵溝壑區，土壤貧瘠，水土流失嚴重，農業以種植玉米、薯類、谷子和豆類為主，供試土壤的基本理化性質見表1。

本試驗采用種植箱進行盆栽試驗，種植作物為大豆(GlycinemaxL. Merril.)，種植箱高約30 cm，長約40 cm，寬約30 cm，根據土壤密度將供試土壤進行裝箱，每箱約裝土50 kg。試驗所用肥料為尿素(含N46%)，過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 50%)。

試驗共設6個處理：(1) N0，不施氮肥；(2) N1，每箱施尿素3 g；(3) N2，每箱施尿素6 g；(4) N3，每箱施尿素9 g；(5) N4，每箱施尿素12 g；(6) N5，每箱施尿素18 g。N2施氮量根據測土配方施肥法確定，大豆目標產量按3000 kg/hm2，每100 kg大豆經濟產量需氮量按7.19 kg，氮肥當季利用率按30%進行計算，N1，N3，N4和N5施氮量分別為N2的50%，150%，200%和300%。所有處理施磷肥均為9 g/箱，施鉀肥均為3 g/箱，磷肥和鉀肥施肥量采用當地習慣施肥量，所有肥料均作為基肥在播種前一次性施入，每個處理4個重復，每箱留苗4株，生育期統一管理。

1.2測定方法

根據大豆生長情況，分別在幼苗期、出枝期、開花期和鼓粒期隨機選取各處理中3株大豆植株測定株高和冠幅。

表1　供試土壤基本理化性質

收獲時各氮水平處理下隨機選取3箱進行干物質重和產量的計算，每個種植箱內的大豆單獨脫粒并裝袋，稱重記錄鮮干重，分別采集各種植箱內大豆植株的根、莖和葉，同大豆籽粒一起先在烘箱中105℃殺青30 min，然后降低溫度至80℃，烘干，稱籽粒重，計算含水量，根據含水量折算各處理的實際產量，根、莖和葉樣品烘干后粉碎過篩。植物樣品全氮采用H2SO4-H2O2消解法(GB/T5511—2008)，流動注射分析儀測定；全磷采用HClO4-HNO3消解法(GB/T5009.87—2003)，分光光度計600 nm波長處進行測定；全鉀采用HClO4-HNO3消解法(GB/T5009.91—2003)，火焰光度計進行測定。

于大豆收獲期采集各處理土壤樣品，風干，研磨，過篩。土壤樣品全氮采用半微量開氏法測定[10]；全磷采用HClO4-H2SO4消解，鉬銻抗比色法測定[10]；全鉀采用HF-HClO4消解，火焰光度計測定[10]。

氮肥利用率公式[11]如下：

氮肥貢獻率=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮區產量×100%

氮肥農學利用率=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量

氮肥吸收利用率=(施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量)/施氮量×100%

氮肥生理利用率=(施氮區產量-不施氮區產量)/(施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量)

氮肥偏生產力=施氮區產量/施氮量

增產效益[12]=(產量×大豆價格-施氮量×氮價格)-(不施氮區產量×大豆價格)，大豆價格為6元/kg，尿素價格為3元/kg，折合純氮價格約為6.5元/kg。

1.3統計方法

采用Microsoft Excel 2007軟件和PASW Statistics 18.0數據處理系統進行單因素方差分析和曲線估計回歸分析。

2　結果與分析

2.1不同氮水平對肥料利用率和大豆產量的影響

2.1.1不同氮水平下氮肥利用率的變化表2顯示，不同氮水平下，氮肥貢獻率的變化有顯著差異，N2水平氮肥貢獻率最高，為57.33%，與N3差異不顯著，但顯著高于N1，N4和N5，比N1，N3，N4和N5高4.90%～550.00%，N5最低，其氮肥貢獻率僅8.82%。不同氮水平下，氮肥利用率的變化表現出一定規律，不同氮水平下，氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力隨施氮量的增加都呈現逐漸下降的趨勢，變幅分別為0.67～7.60 g/g，2.89%～42.92%和5.70～15.99 g/g；通過回歸分析對施氮量和氮肥吸收利用率建立回歸模型，其模型表達式為：Y=63.810-2.103x+0.016x2(R2=0.866，F=38.796*，Y表示氮肥吸收利用率，x表示施氮量，*表示在p<0.05條件下顯著)；不同氮水平下，氮肥生理利用率差異不大，除N5的氮肥生理利用率較低外，各施氮水平下氮肥生理利用率差異不顯著。

表2　不同氮水平下氮肥利用率的變化

注：表中數據為均值±標準差，字母表示p<0.05條件下的顯著性，下同。

2.1.2不同氮水平對磷肥和鉀肥利用的影響不同施氮水平對大豆植株吸收氮素、磷素和鉀素有顯著影響，如表3所示，在N2水平下，大豆植株氮素累積量最高，雖與N3水平差異不顯著，但顯著高于N0，N1，N4和N5，比五種施氮水平高18.13%～266.27%；N2水平下，大豆植株磷素累積量最高，顯著高于N0，N1，N3，N4和N5，且比五種施氮水平高19.51%～262.96%；N2水平下，大豆鉀素累積量也是最高，顯著高于N0，N1，N3，N4和N5，且比五種施氮水平高27.93%～285.37%。說明在晉西黃土區新增耕地施加N2水平的氮量能夠促進大豆植株對氮素、磷素和鉀素的吸收，在提高氮肥利用率的同時提高磷肥和鉀肥的利用。

表3　不同氮水平對磷肥和鉀肥利用率的影響　g/m2

對施氮量與大豆植株氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量進行相關性分析，結果如表4，大豆植株氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量與施氮量之間相關性均不顯著，大豆植株氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量三者之間呈正相關，其相關性均達到極顯著水平，相關系數都在0.93以上。

表4　施氮量與大豆植株氮、磷、鉀累積量相關性分析

2.1.3不同氮水平對大豆株高和冠幅的影響不同氮水平對大豆植株株高和冠幅有顯著影響，如表5所示，在大豆生長幼苗期，N3水平大豆的株高和冠幅最高，其次是N2措施，N3水平的株高比其他五種氮水平高11.00%～92.77%，其冠幅比其他五種氮水平高7.02%～173.83%，但在大豆生長出枝期、開花期和鼓粒期，N2水平大豆的株高和冠幅則最高，出枝期、開花期和鼓粒期株高分別比其他五種氮水平高3.30%～66.67%，3.57%～34.07%，9.45%～34.95%，各生長期冠幅分別比其他五種氮水平高22.46%～191.53%，17.95%～152.71%，31.99%～115.82%。這可能是因為在幼苗期，大豆根系還未形成根瘤菌，需要一定的氮素促進幼苗的生長，但施氮量過多會使土壤溶液滲透壓增加，氮素轉化過程中的產物對植物有一定的毒害作用[13]，不利于植物生長；大豆出枝期會形成穩定的根系，且形成根瘤菌，根瘤菌能夠固定土壤中的氮素，此時不需要補充太多氮素，相反，土壤中氮素過多時反而會抑制根瘤菌的著生和發育，使得氮素不能被有效吸收，從而降低氮肥利用率。

表5　不同氮水平對大豆生長的影響

2.1.4不同氮水平對大豆產量的影響不同氮水平下大豆產量差異顯著，其帶來的經濟效益也有顯著差異。如表6所示，N2水平下大豆產量最高，達188.83 g/m2，其次是N3，N2與N3之間差異不顯著，相比N0，二者增產率分別為141.32%和122.04%；N2大豆產量顯著高于其他五種氮水平，且比這五種氮水平高8.68%～141.32%；N2所帶來的直接增產效益也最高，達0.562元/m2；N5水平下大豆增產效率為(-0.256)元/m2，處于經濟虧損狀態，所產大豆的經濟效益不足以彌補肥料等所消耗的費用。說明N2水平下大豆產量最高，增產率最大，是適合研究區域的施氮水平。

表6　不同氮水平對大豆產量和增產效益的影響

2.2確定最佳施氮量

由圖1可以看出，施氮量與大豆植株干物質重、施氮量與產量之間存在密切聯系，隨施氮量的增加，大豆植株干物質重和產量都呈現先升高后下降的趨勢，大豆干物質重約在T2水平時到達峰值，同時，大豆產量也在T2水平附近到達峰值。

通過曲線估計回歸分析，分別對施氮量與大豆植株干物質重、施氮量與產量進行擬合，經線性模型、二次多項式模型、三次多項式模型、指數曲線模型和復合模型擬合后進行F檢驗，發現只有二次多項式模型和三次多項式模型在p<0.05條件下顯著，且在p<0.01條件下極顯著，擬合模型的二次多項式模型和三次多項式模型見表7。比較分析發現，在合理施肥范圍內，施氮量與干物質重擬合模型中三次多項式模型比二次多項式模型的擬合度更好，其R2為0.810，施氮量與產量擬合模型的三次多項式模型也較二次多項式模型的擬合度好，其R2為0.816，因此，本試驗最佳施氮量的確定采用三次多項式模型。可以看出，當施氮量為16.76 g/m2時，大豆植株干物質重最大，為449.71 g/m2，此時產量為179.97 g/m2；當施氮量為17.80 g/m2時，大豆產量最高，為180.24 g/m2。因此，晉西黃土區新增耕地種植大豆的最佳施氮量為16.76～17.80 g/m2，理論產量為179.97～180.24 g/m2，折合為最佳施氮量168～178 kg/hm2，理論產量1 800～1 802 kg/hm2。

注：每種施氮水平處理下隨機選取3箱大豆植株進行干物質重和產量的計算，圖中每個點為每個種植箱內折算后的干物質重和產量。

圖1不同氮水平對大豆干物質重、產量和氮素累積量的影響

表7　施氮量與植株干物質重、產量和植株氮素累積量回歸模型

注：Y分別表示大豆植株干物質重和產量，x表示施氮量。

3　討 論

大豆是高蛋白作物，需氮量非常高，雖然能夠通過根瘤菌固氮，但大豆發芽期和幼苗期還未形成根瘤，且根瘤菌的固氮系統在鼓粒鼓粒期開始衰亡[14]，其吸收同化的氮量往往不能滿足大豆籽粒的生長需求，極易造成減產[15]；雖然施氮肥會抑制根瘤菌的形成，但氮素能夠緩解葉片和根系的衰老，從而促進干物質積累和籽粒產量的增加[16]，因此，大豆的種植過程中需要補充足夠的氮素以促進高產；但氮肥過量會使葉片的光合能力下降，從而影響籽粒的碳氮代謝，造成減產和肥料利用率降低[17]，因此，合理施氮是保證大豆正常生長和提高產量的重要措施。本研究表明，施氮能夠促進大豆株高和冠幅的生長、提高大豆產量，在N2水平下大豆產量為188.83 g/m2，均比其他氮水平高，不施氮肥的大豆產量為78.25 g/m2，N5水平下大豆產量為86.17 g/m2，說明不施、少施或過量施肥均會造成大豆減產，N2水平較適宜于晉西黃土區新增耕地中大豆的種植。

國際通用的氮肥利用率包括氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力四個指標，氮肥的吸收利用率、農學利用率和偏生產力隨施氮量的增加而降低[18]，但氮肥生理利用率較穩定，本研究表明，除N5外，各施氮水平下氮肥的生理利用率差異不顯著，且氮肥吸收利用率、農學利用率和偏生產力都隨施氮量的增加呈現下降的趨勢，與之結論一致。而N5水平下氮肥生理利用率低可能是因為施氮量過多，導致氮素向籽粒轉運的效率嚴重降低[19]，植株吸收的氮素都積累在莖稈和葉片等部位，導致產量和氮肥生理利用率降低。

大豆植株各部位氮、磷、鉀累積量與施氮量之間相關性不顯著，這與王旭剛等[20]的結論一致。但大豆植株各部位氮、磷、鉀累積量之間呈極顯著正相關，說明大豆植株對氮、磷、鉀的吸收量會隨彼此含量的增加而增加，彼此有促進吸收的作用，這是因為施氮能夠促進植物生長，植物生長發育過程中需要吸收氮、磷、鉀等養分，彼此相互促進，但植物對氮、磷、鉀的吸收利用和累積不會因施氮量的持續增加而無限增加，因此，在大豆種植過程中，要提供足夠的氮肥以保證植株對氮素吸收利用以及對吸收磷素和鉀素的促進，但植株對氮、磷、鉀的吸收累積與施氮量無關。

本研究基于盆栽試驗，由于種植箱尺寸有限，因此對最佳施氮量的確定限制于平方米的尺度，且盆栽試驗過程中施肥、灌溉等農業管理措施較易控制，其理論施肥量較田間施肥量略高，在實際生產過程中應采用追肥和合理灌溉等措施進行施肥，以確保產量。目前，對晉西黃土區新增耕地最佳施氮量確定的大田試驗正在進行中。

4　結 論

在晉西黃土區新增耕地施加不同氮水平肥料后，氮肥的農學利用率、吸收利用率和偏生產力呈現出隨施氮量增加而降低的趨勢，但氮肥生理利用率差異不大；不同氮水平下，大豆植株各部位氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量都存在顯著性差異，且在N2水平下最高，氮、磷、鉀累積量之間呈極顯著正相關關系，但均與施氮量相關性不顯著；伴隨較高的肥料累積吸收量，N2水平下，大豆在出枝期、開花期和鼓粒期的株高和冠幅最高，但與N3水平差異不顯著；N2水平下大豆產量居首，其增產效益達0.562元/m2；通過對施氮量與大豆植株干物質重和產量進行回歸擬合，確定晉西黃土區新增耕地的最佳施氮量為168～178 kg/hm2，理論產量為1 800～1 802 kg/hm2。

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The Effect of Different Nitrogen Levels on Soybean Yield and Fertilizer Use Efficiency in New Farmland

WU Xiaoli1, HE Longyun2, YAO Jingjing2, DANG Hongzhong1, ZHANG Youyan1, ZHOU Zefu1

(1.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;2.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

N0, N1, N2, N3, N4and N5six different levels of nitrogen were applied in the new farmland of loess hilly areas, the nitrogen use efficiency, absorption and utilization of nitrogen, phosphorus and potassium by soybean and the effects on soybean growth and yield were compared and analyzed, and the optimum amount of nitrogen was determined through regression analysis. The results showed that under different nitrogen levels, nitrogen agronomic efficiency, nitrogen uptake efficiency, and nitrogen partial factor productivity presented the downward trend with increase of nitrogen application level, but the difference of nitrogen physiological efficiency was not significant; applying nitrogen could promote the absorption and utilization of nitrogen, phosphorus and potassium by soybean, and all of the N accumulation, P accumulation and K accumulation of soybean plant were the highest under N2level, and there was significant difference each other, but there was no significant correlation between different nitrogen and N accumulation, P accumulation and K accumulation of soybean plant; all of the height and crown of soybean plant in branch stage, flowering and filling periods were the highest under N2level, at the same time, the yield of soybean under N2level was the highest, which was 188.83 g/m2, and increased by 8.68%～141.32% compared the other five nitrogen levels, and there was the highest yield benefit, which was 0.562 yuan/m2; the optimum amount of nitrogen of new farmland in loess area was 168～178 kg/hm2, and corresponding output was 1 800～1 802 kg/hm2.

loess area; new farmland; different nitrogen levels; soybean yield; fertilizer use efficiency

2015-03-29

2015-04-10

“十二五”國家科技支撐課題“農田水土保持生物防護關鍵技術研究”(2011BAD31B02)

武曉莉(1986—),女,河北省新河縣人,博士研究生，主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E-mail:wuxiaoli0319@126.com

周澤福(1953—),男,山西省廣靈縣人,博士,研究員,研究方向：水土保持。E-mail:zhouzf@caf.ac.cn

S152

A

1005-3409(2016)02-0106-05