基于15N示蹤技術(shù)的不同水肥條件下玉米氮素利用實(shí)驗(yàn)

張忠學(xué) 尚文彬 鄭恩楠 陳帥宏 陳 鵬 劉 明

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

氮素是營(yíng)養(yǎng)元素中影響產(chǎn)量的首要因子，氮素的積累和分配對(duì)玉米的增產(chǎn)有重要意義[1-2]。然而，為了追求高產(chǎn)盲目地大量施用氮肥不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，還會(huì)降低水肥利用效率，造成環(huán)境污染[3-5]。提高肥料利用率，滿足產(chǎn)量與環(huán)境友好需求是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展以及建設(shè)美好生態(tài)環(huán)境面臨的重要科學(xué)問(wèn)題。

傳統(tǒng)普遍采用差值法來(lái)計(jì)算肥料利用率，即將施肥作物收獲的養(yǎng)分量減去不施肥作物收獲的養(yǎng)分量占施入肥料養(yǎng)分量的比作為肥料利用率[6]。然而此方法不能識(shí)別作物吸收的氮來(lái)自于肥料氮還是土壤氮。近年來(lái)隨著同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展，更多的學(xué)者采用同位素示蹤法來(lái)測(cè)定肥料利用率[7]。利用同位素示蹤技術(shù)，不僅可以得知氮素來(lái)源還可以通過(guò)其在植株各器官分布狀況反映植株長(zhǎng)時(shí)間對(duì)氮素的利用情況以及氮素在植株體內(nèi)代謝和運(yùn)轉(zhuǎn)的綜合信息[8]。侯毛毛等[9]利用15N示蹤技術(shù)得出后季烤煙對(duì)首季施入肥料氮素的再利用率為10.79%～14.58%；趙登超等[10]采用15N標(biāo)記的肥料測(cè)定不同時(shí)期的冬棗氮素利用率分別為2.42%、9.77%、9.01%；董雯怡等[11]應(yīng)用15N示蹤探究毛白楊苗木對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收利用及分配。玉米在我國(guó)糧食生產(chǎn)中有著十分重要的地位，已有報(bào)道利用示蹤法探究玉米對(duì)氮素的利用效率，然而關(guān)于整個(gè)土壤與作物體系氮素流動(dòng)過(guò)程，肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)和補(bǔ)償規(guī)律，以及肥料氮真實(shí)損失情況還少有報(bào)道。

本文在優(yōu)化的水肥組合方案基礎(chǔ)上[12]控制磷肥、鉀肥一致，采用大田試驗(yàn)結(jié)合15N示蹤微區(qū)試驗(yàn)的方法，研究不同水氮條件下，玉米各器官中氮素的累積情況及玉米對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收利用情況，以期為玉米生產(chǎn)節(jié)水減肥、提高氮肥利用率提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省肇州縣水利科學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)(45°17′N，125°35′E)，屬典型的旱作物試驗(yàn)區(qū)，主要進(jìn)行玉米、大豆等旱田作物的試驗(yàn)研究。該區(qū)平均海拔150 m，屬于大陸性溫寒帶氣候，多年生育期平均降雨量約為390 mm，平均蒸發(fā)量1 733 mm，大于等于10℃有效積溫2 845℃，無(wú)霜期138 d。屬于第一積溫帶，地下水深度在7 m左右。試驗(yàn)土壤為碳酸鹽黑鈣土(土壤物理性質(zhì))，容重1.21 g/cm3。土壤基礎(chǔ)肥力(均為質(zhì)量比)：有機(jī)質(zhì)28.20 g/kg、全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、堿解氮0.13 g/kg、速效磷0.04 g/kg、速效鉀0.21 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為“良玉99”。試驗(yàn)采用3個(gè)灌溉水平，即W1(200 m3/hm2)、W2(400 m3/hm2)、W3(600 m3/hm2)，5個(gè)施氮水平，即N0(不施氮)、N1(150 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(250 kg/hm2)、N4(300 kg/hm2)，15個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)45個(gè)處理小區(qū)，每個(gè)處理小區(qū)面積為8 m×7.8 m=62.4 m2。與整個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)邊平行的兩端設(shè)置寬度為5 m的保護(hù)區(qū)，與整個(gè)試驗(yàn)小區(qū)短邊平行的兩端設(shè)置寬度為1 m的保護(hù)帶。在每個(gè)小區(qū)正中心位置設(shè)置微區(qū)，微區(qū)由長(zhǎng)1.0 m、寬0.46 m、高0.4 m的鐵皮框制成。劃出微區(qū)所在位置后，將鐵皮框放到微區(qū)所在位置，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。試驗(yàn)于2017年5月1日播種，每公頃保苗67 500株，生育期于拔節(jié)期、灌漿期灌水兩次。灌水方式采用滴灌，滴頭間距20 cm，滴頭工作壓力0.1 MPa，滴頭流量2 L/h。各處理均施磷肥(磷酸二銨，N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%；P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)90 kg/hm2、鉀肥(硫酸鉀，K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%)90 kg/hm2。磷肥、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥(尿素，含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)40%作為基肥施入，60%于拔節(jié)期與灌漿期隨灌水按1∶1施入。微區(qū)所用氮肥為10.22%豐度的15N標(biāo)記的尿素(上海化工研究院)。微區(qū)中施用的氮肥、鉀肥、磷肥及灌水量同其所在的小區(qū)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1植株土壤全氮含量及同位素測(cè)定

在玉米成熟期取微區(qū)中植株的地上部分，并在取樣時(shí)用土鉆分別取微區(qū)中深度為0～20 cm、20～40 cm 和40～60 cm的土樣。將植株清洗干凈后分成莖(含鞘和雄穗)、葉(含苞葉)、籽粒3部分置于干燥箱中，105℃殺青30 min，65℃干燥至恒溫并稱量。植株樣品粉碎后過(guò)0.15 mm篩，土壤樣品過(guò)0.25 mm篩，混勻后連續(xù)用四分法取測(cè)定所需的樣品量。植株全氮采用濃H2SO4-H2O2消解，土壤全氮采用硫酸銅-硫酸鉀-硫酸消解，AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal Analytical GmbH，德國(guó)，靈敏度 0.001 AUFS)測(cè)定各部分全氮含量。植株和土壤同位素測(cè)定在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，美國(guó))和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國(guó))聯(lián)用的方法測(cè)定成熟期玉米各器官以及土壤中的15N豐度。

1.3.2產(chǎn)量測(cè)定

在2017年9月28日進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5點(diǎn)(中心點(diǎn)與對(duì)角點(diǎn))，每點(diǎn)連續(xù)選5株玉米，測(cè)其穗長(zhǎng)、穗粗、穗質(zhì)量、百粒鮮質(zhì)量、百粒干質(zhì)量，計(jì)算出小區(qū)產(chǎn)量。

1.3.3相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

植株氮素來(lái)源于肥料氮素的百分比為

Ndff=(NP-NA)/(Nf-NA)×100%

(1)

式中NP——植株樣品中15N豐度，%

NA——15N的自然豐度，取0.365%

Nf——肥料中15N豐度，%

植株氮素來(lái)源于土壤氮素的百分比為

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株中肥料氮素含量(FN)為

三是建立投入保障機(jī)制。推動(dòng)服務(wù)型機(jī)關(guān)黨組織建設(shè)長(zhǎng)效化，要重視完善固定的經(jīng)費(fèi)投入機(jī)制，從而保障培養(yǎng)服務(wù)意識(shí)、提升服務(wù)能力、開展服務(wù)工作、落實(shí)服務(wù)獎(jiǎng)懲等各項(xiàng)制度的落地。黨組織工作經(jīng)費(fèi)要納入高校年度預(yù)算，要就服務(wù)群眾工作經(jīng)費(fèi)制定專項(xiàng)計(jì)劃，確保專項(xiàng)列支。要加大對(duì)服務(wù)群眾工作的各類資源和設(shè)施的建設(shè)和統(tǒng)籌，不斷完善硬件設(shè)施保障。

FN=NdffDMNC

(3)

式中DM——植株干物質(zhì)量，kg/hm2

NC——植株含氮量，%

植株中土壤氮素含量(SN)為

SN=NdfsDMNC

(4)

土壤氮素激發(fā)率(SE)為

SE=NPK/PK×100%

(5)

式中NPK——施氮處理來(lái)自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮處理植株總氮量，kg/hm2

1.3.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥條件下玉米各器官肥料氮素與土壤氮素吸收利用

圖1 玉米對(duì)肥料氮與土壤氮的吸收Fig.1 Absorption of nitrogen from fertilizer and soil by maize

器官的Ndff是指作物各器官?gòu)姆柿系形盏牡繉?duì)該器官全氮的貢獻(xiàn)率，反映了各器官對(duì)15N的吸收征調(diào)能力[10]。玉米不同器官來(lái)自肥料中的氮素和來(lái)自土壤中的氮素如圖1所示。不同水肥條件下，玉米莖來(lái)自肥料中的氮素為26%～37%，玉米葉來(lái)自肥料中的氮素為28%～40%，玉米籽粒來(lái)自肥料中的氮素為23%～46%。當(dāng)灌水量相同時(shí)，N1處理的玉米莖、葉、籽粒來(lái)自肥料中的氮素顯著低于N2、N3、N4處理(P<0.05)。說(shuō)明當(dāng)施氮量較低時(shí)，玉米各器官中氮素主要來(lái)自于土壤。N1處理時(shí)，3種灌水條件下玉米葉來(lái)自肥料中的氮素顯著高于玉米籽粒來(lái)自肥料中的氮素(P<0.05)，但與玉米莖來(lái)自肥料中的氮素差異不顯著(P>0.05)。隨著施氮量的增加，各器官來(lái)自肥料中的氮素整體呈上升趨勢(shì)，而各器官來(lái)自土壤中的氮素整體呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明增加施氮量可以提升植株對(duì)肥料氮素的利用能力，減小土壤中氮素的消耗。處理W2N3玉米籽粒來(lái)自肥料中的氮素最大達(dá)到了46%，且顯著高于其他處理(P<0.05)，籽粒吸收肥料氮素與土壤氮素的比例接近1∶1。玉米莖來(lái)自肥料中的氮素為31%，玉米葉來(lái)自肥料中的氮素為34%，玉米各器官對(duì)肥料氮的競(jìng)爭(zhēng)能力由大到小表現(xiàn)為籽粒、葉、莖(各器官間差異顯著，P<0.05)。說(shuō)明適宜的水肥組合可以提升玉米生殖器官對(duì)肥料氮的利用，減少玉米營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)肥料氮素的利用，進(jìn)而提升玉米的產(chǎn)量。

表1為不同水肥處理下玉米各器官對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收總量。由表1可以看出，當(dāng)灌水量為W1和W2時(shí)，隨著施氮量的增加各器官?gòu)姆柿现形盏牡砍氏仍黾雍鬁p小的趨勢(shì)；當(dāng)灌水量為W3時(shí)，隨著施氮量的增加各器官?gòu)姆柿现形盏牡砍食掷m(xù)增大趨勢(shì)。當(dāng)灌水量為W1時(shí)，N3處理來(lái)自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N4分別高出了106%(P<0.05)、20.89%(P<0.05)和9.71%(P>0.05)；當(dāng)灌水為W2時(shí)，N3處理來(lái)自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N4分別高出了123%(P<0.05)、37.34%(P<0.05)和4.60%(P>0.05)；當(dāng)灌水為W3時(shí)，N4處理來(lái)自肥料中的氮量最高，較N1、N2和N3分別高出了123%(P<0.05)、30.69%(P<0.05)和4.42%(P>0.05)。表明，當(dāng)水量充足時(shí)，增加施氮量可以促進(jìn)植株對(duì)肥料氮的吸收能力，而灌水量不足時(shí)，過(guò)量氮肥對(duì)植株肥料氮的吸收能力出現(xiàn)抑制作用但抑制作用不顯著。不同器官?gòu)姆柿现形盏牡坎煌纱蟮叫”憩F(xiàn)為：籽粒、葉、莖。籽粒、葉、莖從肥料中吸收的氮量分別占總量的62.33%～68.59%、16.66%～22.69%、8.72%～21.01%。不同水肥條件下植株對(duì)15N吸收量占總量的33.32%～43.54%，對(duì)土壤中氮素的吸收量占總量的56.46%～66.68%。所有處理植株吸收土壤中的氮量均高于植株吸收肥料中的氮量。

表1 不同水肥條件的玉米對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收總量Tab.1 Uptake of nitrogen from fertilizer and soil by maize under different water and fertilizer conditions kg/hm2

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同種器官不同處理在0.05水平差異顯著，下同。

2.2 不同水肥條件下肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)效應(yīng)

有學(xué)者將施用無(wú)機(jī)氮肥使土壤中有機(jī)氮分解的現(xiàn)象稱為激發(fā)效應(yīng)[13-14]。氮素的激發(fā)效應(yīng)反映了土壤氮庫(kù)的盈虧和平衡狀況。由表2可以看出，在不同水肥處理下，土壤氮素激發(fā)率為127%～160%。所有處理均產(chǎn)生了正激發(fā)效應(yīng)。除W1處理外，N1處理下土壤氮素激發(fā)率均為最低。當(dāng)灌水量為W2時(shí)，施氮量為N1處理的土壤氮素激發(fā)率較其他處理降低了14、27、19個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05)，當(dāng)灌水量為W3時(shí)，施氮量為N1的處理土壤氮素激發(fā)率較其他處理降低7、22、26個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05)。表明當(dāng)灌水充足時(shí)，隨著施氮量的增加，作物從土壤中吸收的氮量也不斷上升，而灌水不足時(shí)，過(guò)量施氮會(huì)抑制作物從土壤中吸收氮素。在灌水量為W1、W2、W3時(shí)，土壤氮素激發(fā)率達(dá)到最大對(duì)應(yīng)的施氮量分別為N2、N3、N4，土壤氮素激發(fā)率達(dá)到了154%、157%和160%。表明灌水和施肥均會(huì)影響土壤氮素激發(fā)效應(yīng)，過(guò)量氮肥的施入會(huì)抑制土壤呼吸，使土壤穩(wěn)定碳分解而促進(jìn)土壤碳的累積，增大碳氮比，降低土壤氮素激發(fā)效應(yīng)。而通過(guò)灌水可以增加土壤水分有效性，補(bǔ)充微生物細(xì)胞水，提高微生物活性，使土壤有機(jī)碳礦化增加，降低碳氮比，增加土壤氮素激發(fā)效應(yīng)。

表2 土壤氮的激發(fā)效應(yīng)Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

2.3 不同水肥條件下土壤肥料氮素殘留量

圖2 不同土層15N殘留量Fig.2 Residual of 15N in different soil layers

圖2為不同土層中肥料氮素的殘留量。從圖中可以看出，不同水肥處理15N在0～60 cm土層中的總殘留量為16.54～117.55 kg/hm2。隨著施氮量的增加，0～60 cm土層中的15N殘留量總體呈增加趨勢(shì)，不同施氮處理之間差異顯著(P<0.05)。當(dāng)灌水量為W1時(shí)，隨著土層深度的增加15N殘留量呈明顯降低趨勢(shì)。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的41.99%～42.86%、32.40%～34.70%和22.44%～25.61%(各土層間差異顯著，P<0.05)。當(dāng)灌水量為W2時(shí)，土層中15N含量分布較均勻。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的36.13%～38.54%、33.14%～35.22%和26.24%～30.73%(0～20 cm土層與20～40 cm土層間差異不顯著，P>0.05；與40～60 cm土層間差異顯著，P<0.05)。當(dāng)灌水量為W3時(shí)，0～20 cm土層中15N的殘留量明顯減小，而40～60 cm土層中15N的殘留量呈增加趨勢(shì)。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層中15N殘留量分別占15N殘留總量的32.89%～35.63%、28.37%～35.12%和29.25%～38.74%(各土層間差異不顯著，P>0.05)。

2.4 不同水肥條件下氮肥損失

圖3 不同水肥條件下玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)量Fig.3 Yield and dry mass of maize under different water and fertilizer conditions

氮肥損失率必須基于肥料氮、土壤氮素以及作物吸氮“三氮”之間關(guān)系，將主要根區(qū)殘留的肥料氮看作是對(duì)土壤氮素的一種補(bǔ)償效應(yīng)，更加全面客觀地反映氮肥效果，確定最佳水肥組合方案。表3為不同水肥條件下的氮肥損失率。不同水肥處理的氮肥損失率為25.79%～45.28%。W3N1處理氮肥損失率最高，達(dá)到了45.28%，顯著高于其他處理(P<0.05)。這可能是由于灌水過(guò)多，施氮量過(guò)低，施入的氮肥多數(shù)溶于水中隨水流失造成的。相同施氮條件下氮肥損失率整體由大到小依次為W3、W1、W2。可見灌水是影響氮肥損失率的重要因素，過(guò)量灌水會(huì)使大量的肥料隨水流失，而灌水量不足時(shí)會(huì)對(duì)氮肥產(chǎn)生抑制作用。相同灌水條件下N1處理的氮肥損失率都顯著高于其他處理，氮肥損失率高達(dá)42.48%、41.59%和45.28%(P<0.05)。在N1條件下，不同水分處理間，作物吸收的15N都顯著低于其他處理(P<0.05)，表明施氮量過(guò)低會(huì)無(wú)法滿足植株生長(zhǎng)需求，出現(xiàn)過(guò)早萎蔫現(xiàn)象，提高了氮肥損失率。W2N3、W2N4處理的氮肥損失率顯著低于其他處理(P<0.05)。說(shuō)明適宜水肥配比會(huì)充分發(fā)揮水和肥的作用，使其被植株充分利用，減少水肥的損失。

表3 不同水肥條件的氮肥損失率Tab.3 Nitrogen fertilizer loss rate under different water and fertilizer conditions

2.5 不同水肥條件下玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)量

圖3a為不同水肥處理下玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)量間的關(guān)系。從圖3a中可以看出玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)累積量呈線性分布規(guī)律，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，決定系數(shù)R2=0.992 8。說(shuō)明不同水肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)量的影響基本一致。由圖3b、3c可以看出，與不施氮相比，施氮可以顯著提升玉米干物質(zhì)量與產(chǎn)量(P<0.05)。但施氮對(duì)產(chǎn)量和干物質(zhì)量提升存在閾值，當(dāng)灌水量為W1和W2時(shí)，隨著施氮量的增加，產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量均呈先增加后減小的趨勢(shì)，在施氮量為N3時(shí)干物質(zhì)量和產(chǎn)量達(dá)到最大，W1分別為25 218.68、13 192.88 kg/hm2，W2分別為27 672.60、14 063.04 kg/hm2，顯著高于其他處理(P<0.05)。當(dāng)灌水量為W3時(shí)，隨著施氮量的增加產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量呈持續(xù)增加趨勢(shì)，在施氮量為N4時(shí)干物質(zhì)量和產(chǎn)量達(dá)到最大(與N3處理差異不顯著，P>0.05；與其他處理差異顯著，P<0.05)，分別為27 377.33、13 963.73 kg/hm2。說(shuō)明灌水量過(guò)低會(huì)使土壤含水率過(guò)低無(wú)法滿足肥料需求，造成脅迫作用。而灌水量過(guò)高會(huì)使肥料隨著灌水流失，無(wú)法充分發(fā)揮肥料作用。

3 討論

氮是玉米生長(zhǎng)所需的必要元素，水分對(duì)作物生長(zhǎng)起著重要的制約作用[15-16]。許多學(xué)者[17-19]都得出：水氮對(duì)玉米產(chǎn)量的影響最顯著。因此，本試驗(yàn)控制磷肥、鉀肥一致(均為90 kg/hm2)，在不同的水氮組合方案上應(yīng)用被15N標(biāo)記過(guò)的氮肥探究肥料氮和土壤氮在玉米不同器官中的吸收分配規(guī)律。同時(shí)對(duì)各水氮組合下，氮肥損失率進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明：植株來(lái)自肥料中的氮素與全氮量有著密切的關(guān)系，含氮量高的器官中肥料氮的比例也更大(由大到小為籽粒、葉、莖)。潘曉麗等[20]對(duì)不同肥力土壤中玉米氮素吸收和利用規(guī)律做了探究，也得到了類似的結(jié)論。不同的水氮組合中，玉米中來(lái)自肥料中的氮為33.32%～43.54%，來(lái)自土壤中的氮為56.46%～66.68%。這與山楠等[21]的研究成果一致，都得出了土壤是植物最主要供氮源的結(jié)論。沈善敏[6]在田間試驗(yàn)中得出了隨15N施用量增加，作物從土壤吸收的氮也增加的結(jié)果。而本研究表明：隨著灌水量的增加，提高施氮量，作物從土壤中吸收的氮量增加。這可能是由于在本試驗(yàn)中施氮量的范圍較大，最高施氮量達(dá)到了300 kg/hm2，而前者的最高施氮量?jī)H為189 kg/hm2。過(guò)量的施氮會(huì)導(dǎo)致土壤微生物活性降低，而灌水會(huì)使土壤濕潤(rùn)，微生物細(xì)胞自溶使其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放到土壤溶液中，提升微生物活性。土壤中微生物對(duì)施入的氮素和土壤中的氮素進(jìn)行一系列的礦化，并且將施入的標(biāo)記氮素替代非標(biāo)記的氮素被固定，使土壤中更多的氮元素被利用。

許多學(xué)者研究表明[6,22-26]：我國(guó)的氮肥利用率僅為20%～35%，而西方發(fā)達(dá)國(guó)家可以達(dá)到50%～60%。且氮肥施用量越低肥料利用率越高。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)此感到質(zhì)疑。李世清等[22]認(rèn)為應(yīng)該采用疊加氮肥利用率，宇萬(wàn)太等[23]表明15N標(biāo)記法和傳統(tǒng)差值法得出的結(jié)果不可信，并對(duì)比值法進(jìn)行了驗(yàn)證，王火焰等[24]提出了肥料養(yǎng)分真實(shí)利用率，田昌玉等[25]對(duì)氮肥利用率進(jìn)行了規(guī)范，巨曉棠[26]則提出了氮肥有效率。本研究對(duì)巨曉棠[26]所提出的氮肥有效率進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氮肥利用率、肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)效應(yīng)、土壤氮庫(kù)平衡做了分析計(jì)算。結(jié)果表明：不同水肥處理下，氮肥利用率為26.61%～42.24%，且氮肥利用率并不是隨著施氮量的增加而減小。在施氮量250 kg/hm2，灌水量為400 m3/hm2時(shí)，氮肥利用率最高為42.24%。而無(wú)論在低氮處理(吸氮量小)還是高氮處理(盡管吸收氮量增加，但分母增加更大)氮肥利用率都很低。不同水肥條件下，氮肥損失率達(dá)到25.79%～45.28%。施入的氮肥除轉(zhuǎn)為有效養(yǎng)分供植物吸收利用和用于補(bǔ)充被作物吸收的土壤氮外，主要通過(guò)以下兩種途徑損失：①經(jīng)過(guò)土壤理化作用移動(dòng)到不能被植物根系吸收利用的深層土壤中。②通過(guò)氣體如氨揮發(fā)和硝化反硝化損失。朱兆良等[27]曾在國(guó)家尺度上對(duì)我國(guó)部分地區(qū)農(nóng)田中氮肥去向做了初步估計(jì)，氨揮發(fā)損失占11%，硝化和反硝化是氮肥損失的主要途徑，占34%，土壤殘留等占15%。SEBILO等[28]用15N做了30 a的示蹤實(shí)驗(yàn)，雖然沒(méi)能最終獲得肥料氮被消耗完的真實(shí)利用率，但卻有61%～65%的肥料氮被累積利用，仍有15%的肥料氮有待被利用，殘留在土壤中的肥料氮僅有10%被真實(shí)損耗。在本文研究中，將玉米主要根系殘留的肥料作為對(duì)土壤氮庫(kù)補(bǔ)償?shù)囊环N手段。不同水氮處理下土壤氮庫(kù)盈虧情況如表4所示。在計(jì)算土壤氮庫(kù)盈余時(shí)除了要考慮作物帶走土壤氮和土壤殘留肥料氮外還要考慮到秸稈還田和干濕沉降對(duì)土壤氮的補(bǔ)充(50～75 kg/hm2)。不同灌水量下施入所能維持土壤氮庫(kù)平衡的氮肥量不同。具體表現(xiàn)為隨灌水量的增加，施入維持土壤氮庫(kù)平衡的氮量也增加。當(dāng)施入氮肥過(guò)低時(shí)不僅使作物產(chǎn)量降低還會(huì)耗竭土壤氮。而施入氮肥過(guò)高時(shí)，盈余的氮素會(huì)造成水體與大氣的污染。雖然本試驗(yàn)并未對(duì)土壤中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮作具體的測(cè)量，但大量的研究[15,29-31]都表明土壤中盈余的氮素會(huì)讓土壤中硝態(tài)氮嚴(yán)重累積，硝態(tài)氮的遷移和滲漏對(duì)地下水造成嚴(yán)重的污染。硝化和反硝化作用產(chǎn)生的N2O對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)高達(dá)7%，其微小的累積就會(huì)給臭氧層帶來(lái)長(zhǎng)期的破壞。同時(shí)，灌溉量一定時(shí)，隨著施氮量的增加水分利用效率均呈先增加后減小的趨勢(shì)。而當(dāng)施氮量一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加灌水量有助于提高水分利用效率，灌水量過(guò)高反而會(huì)降低水分利用效率。水分利用效率是決定玉米經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。合理有效的水肥調(diào)控有助于提高水分利用效率，避免資源浪費(fèi)。

表4 收獲后土壤氮素盈虧情況Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 結(jié)論

(1)通過(guò)15N同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，作物從肥料中獲取的氮要少于作物從土壤中獲取的氮。各器官對(duì)氮的競(jìng)爭(zhēng)能力由大到小為籽粒、葉、莖，且不同水肥處理下，這種競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)不同。當(dāng)灌水量400 m3/hm2、施氮量為250 kg/hm2時(shí)這種競(jìng)爭(zhēng)最明顯，籽粒中吸收的肥料氮素占植株吸收肥料氮素的68.79%，而莖與葉中吸收的肥料氮素分別占植株吸收肥料氮素的13.91%和17.30%。

(2)不同灌水量下最適宜的氮肥施用量不同。當(dāng)灌水量為200 m3/hm2時(shí)施入250 kg/hm2的氮肥可獲得最高產(chǎn)量13 192.88 kg/hm2，最高干物質(zhì)量25 218.68 kg/hm2；當(dāng)灌水量為400 m3/hm2時(shí)施入250 kg/hm2的氮肥可獲得最高產(chǎn)量14 063.04 kg/hm2，最高干物質(zhì)量27 672.60 kg/hm2；當(dāng)灌水量為600 m3/hm2時(shí)施入300 kg/hm2的氮肥可獲得最高產(chǎn)量13 963.73 kg/hm2，最高干物質(zhì)量27 377.33 kg/hm2。

(3)通過(guò)對(duì)玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、玉米對(duì)肥料氮以及土壤氮的吸收能力，土壤氮庫(kù)盈余水平以及環(huán)境友好的角度綜合考量，在黑龍江省西部地區(qū)玉米最佳灌水量為400 m3/hm2，最佳施氮量為250 kg/hm2，在此條件下玉米產(chǎn)量為14 063.04 kg/hm2，氮肥利用率為42.24%，土壤氮庫(kù)處于平衡狀態(tài)，氮肥向環(huán)境中損失率為25.79%。