廣西赤紅壤區玉米氮肥效應及適宜施氮量研究

黃金生，周柳強，曾 艷，謝如林，區惠平，朱曉暉 ，譚宏偉

(1. 廣西農業科學院農業資源與環境研究所/農業部華南植物營養與施肥技術科學觀測實驗站，廣西 南寧 530007；2. 廣西農業科學院，廣西 南寧 530007)

【研究意義】氮素是影響作物產量及品質形成的重要因子[1]，合理使用的氮肥對作物增產的貢獻率可達50 %[2]。適量施氮可促進作物對氮素的吸收和利用，增加作物產量；過量施氮會容易引起無機氮在土壤中大量累積，降低肥料利用率和農民收益、增加氮素面源污染潛在風險。玉米是廣西僅次于水稻的第二大糧食作物，該地區氮肥施用量較高，但肥料利用率低，這不僅會導致玉米產量偏低，同時也影響了耕地的可持續發展。因此，確定一個能協調產量效應和環境效應的氮肥適宜施用量，對廣西玉米產業的健康發展及農業生態環境的保護具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】前人通過作物產量、氮肥利用率及土壤-作物體系的氮素平衡關系對我國玉米、水稻及小麥等糧食作物的適宜的施氮量進行了大量研究[3-6]。研究表明，東北地區玉米適宜施氮量為200～243 kg/hm2[7-8]，陜西關中地區玉米適宜施氮量為180 kg/hm2[9]，新疆石子河地區玉米適宜施氮量為260～340 kg/hm2[10]，內蒙古河套灌區玉米適宜施氮量為193～291 kg/hm2[11]，而四川紫色坡耕地玉米適宜施氮量為186.73～393.6 kg/hm2[12]?？梢姡诓煌瑓^域、不同土壤類型下，玉米的適宜施氮量也不一樣?！颈狙芯壳腥朦c】赤紅壤是我國南方地區的主要土壤類型，土壤肥力貧瘠，供氮能力低。因此，增施氮肥是該區域提高作物產量的主要措施。目前，有關氮肥施用量對玉米產量、氮素利用和環境影響的研究主要集中于我國北方玉米，而有關施氮量對南方赤紅壤地區玉米土壤氮素累積特征影響的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】通過春-秋2季連續種植玉米進行田間肥效試驗，研究氮肥用量對廣西赤紅壤區春秋玉米產量、土壤無機氮的分布積累、氮肥利用率及氮素平衡的影響，尋求適宜廣西地區的玉米氮肥投入量，保護農業生態環境，推動廣西玉米產業高產高效發展。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年2-11月在廣西南寧市武鳴區廣西農業科學院里建試驗基地內(N 23°14’，E 108°3’)進行。試驗地屬南亞熱帶季風氣候區，年平均降水量1975 mm、氣溫22.1 ℃，≥10 ℃有效積溫8105 ℃，無霜期344 d。采用春-秋連續2季播種種植方式，春季玉米于2月23日播種，7月20日收獲；秋季玉米于7月30日播種，11月25日收獲。春秋2季玉米行株距60 cm×30 cm。供試玉米品種為迪卡008。

試驗區土壤類型為砂頁巖發育的赤紅壤，試驗開始前0～20 cm耕層土壤全氮1.46 g/kg、全磷1.10 g/kg、全鉀4.68 g/kg，0～100 cm土層其他養分見表1。

1.2 試驗方法

試驗所用氮肥為尿素(含N 46 %)，磷肥為鈣鎂磷肥(含P2O518 %)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60 %)。每季玉米氮肥用量設0、180、240、300、360和480 kg/hm2共6個處理，分別用N0、N180、N240、N300、N360和N480表示)，其中N300為當地玉米農田氮肥習慣用量；每個處理的磷肥和鉀肥用量分別為150和225 kg/hm2。磷肥全部作基肥，種植前一次性施入；氮肥和鉀肥分2次施用，50 %作基肥，50 %作追肥。小區面積為25.5 m2(8.5 m × 3 m)，重復3次，隨機區組排列。

1.3 樣品采集與測定

于每季玉米施肥前和收獲期鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，每小區取3個點，按層次混合成一個混合樣，測定土壤銨態氮和硝態氮含量。在玉米收獲期進行測產，同時分別采集植株玉米籽粒和秸稈樣品，測定其氮含量。

表1 供試土壤0～100 cm土層理化性狀

土壤銨態氮和硝態氮測定采用0.01 mol/L CaCl2浸提，采用Gallery間斷化學分析儀測定；植株全氮測定采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測定[13]。

1.4 數據計算與統計

試驗數據繪圖和統計分析分別采用Origin 2017和SAS 9.1軟件進行，LSD法進行數據的差異顯著性檢驗。文中有關計算公式如下[9-10]：土壤硝態氮殘留量(銨態氮殘留量)(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收獲期土壤硝態氮含量(銨態氮含量)(mg/kg)/10；土壤無機氮積累量(kg/hm2)=收獲后土壤無機氮(Nmin)殘留量-初始土壤無機氮總量；土壤氮素礦化量(kg/hm2)=不施氮肥區作物吸收量+不施氮肥區土壤無機氮殘留量-不施氮肥區土壤初始無機氮量；土壤氮素表觀損失量(kg/hm2)=生育期施氮量+土壤初始無機氮量+土壤氮素礦化量-作物攜出量-收獲后土壤無機氮殘留量；氮盈余量(kg/hm2)=收獲后土壤無機氮殘留量+土壤氮素表觀損失量；作物N養分吸收攜出量(kg/hm2)=植株干物質重×植株N養分含量；氮肥利用率RE( %)=(施N區地上部植株吸氮量-無N區地上部植株吸氮量)/施N量。

2 結果與分析

2.1 施氮量對土壤無機氮含量垂直分布的影響

a：春玉米季；b：秋玉米季a: Spring maize season; b: Autumn maize season圖1 玉米收獲期0～100 cm土層硝態氮含量Fig.1 NO3-N contents in 0-100 cm soil layer after harvest of maize

a：春玉米季；b：秋玉米季a: Spring maize season; b: Autumn maize season圖2 玉米收獲期0～100 cm土層銨態氮含量 contents in 0-100 cm soil layer after harvest of maize

2.2 施氮量對土壤無機氮殘留量的影響

表2 施氮量對春玉米季土壤無機氮殘留量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示不同施氮量處理間差異達5 %顯著水平，同行數據后不同大寫字母表示不同土層間差異達5 %顯著水平，下同。

Note: Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 5 % level among different N treatments, and different capital letters in the same raw are significantly different at 5 % level among the different soil layers. The same as below.

表3 施氮量對秋玉米季土壤無機氮殘留量的影響

2.3 氮肥用量對土壤無機氮積累的影響

由圖3可知，施用氮肥能顯著影響0～100 cm土層土壤的無機氮積累量，不施氮處理土壤無機氮表現為負積累，施氮處理土壤無機氮表現為正積累，且積累量隨著施氮量的增加而增加。當施氮量達360 kg/hm2時，春、秋玉米生長季，土壤的無機氮積累量均顯著增加。與春玉米生長季相比，秋玉米季除N180處理土壤無機氮積累量升高外，其他處理土壤無機氮積累量均降低。結果表明，由于春玉米季收獲后土壤無機氮殘留較高，再連續投入高氮肥，土壤無機氮會通過揮發、淋溶而損失，無法繼續被固定。

不同小寫字母表示春玉米季不同施氮量處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示秋玉米季不同施氮量處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant difference among different N treatments in spring maize season (P<0.05), different capital letters indicate significant difference among different N treatments in autumn maize season (P<0.05)圖3 不同施氮量對0～100 cm土壤無機氮積累量的影響Fig.3 Effects of different N levels on Nmin accumulation in 0-100 cm soil layer

2.4 施氮量對玉米籽粒產量的影響

由表4可知，施氮顯著增加春、秋2季玉米的籽粒產量。春玉米季各施氮處理的產量無明顯差異，到秋玉米季各施氮處理產量則差異顯著。春、秋2季玉米產量存在較大變化，無論施氮肥與否，春玉米產量明顯高于秋玉米，這可能與春玉米生長期較長有關(春玉米147 d，秋玉米118 d)。從2季玉米的平均產量來看，施用氮肥可增產35.0 %～46.5 %，但當施氮量超240 kg/hm2后玉米產量無顯著增加，總體呈降低趨勢。

2.5 氮肥用量對土壤氮素平衡的影響

由表5可知，春玉米季氮素總輸入量隨著施氮量的增加而顯著增加。在氮素輸出中，玉米地上部吸收氮攜出量隨施氮量的增加而增加，但當施氮量超過240 kg/hm2后各施氮處理攜出量增加不明顯；土壤無機氮殘留量隨施氮量增加而增加，施氮量高于240 kg/hm2，土壤無機氮殘留量顯著增加；土壤氮素表觀損失量隨著施氮量的增加而升高，但各施氮處理間無明顯差異。由于土壤氮素總輸入中施氮量差異較大，土壤氮盈余量也隨施氮量增加而顯著增加，氮肥利用率則隨著施氮量的增加而顯著降低。

由表6可知，到秋玉米季，各施氮處理土壤無機氮殘留量、土壤氮素表觀損失及土壤氮素盈量均顯著高于不施氮處理，且各施氮處理間土壤氮素表觀損失量顯著增加。與春玉米季相比，秋玉米季同一

表4 施氮量對玉米籽粒產量的影響

施氮處理土壤無機氮殘留量、土壤氮素表觀損失及土壤氮素盈量均有所增加，玉米地上部氮素吸收量和氮肥利用率則均降低。結果表明，秋玉米季施肥主要增加了氮肥在土壤中的殘留和表觀損失，前季殘留土壤無機氮可以促進后季作物生長，降低后季玉米的當季氮肥利用率。

2.6 氮肥用量與產量、土壤無機氮殘留量及氮肥利用率三曲線分析

圖4表明，玉米產量、土壤無機氮殘留量、氮肥當季利用率與施氮量均呈顯著的線性關系(P<0.05)。春玉米季0～100 cm土層土壤無機氮殘留量與施氮量回歸方程為y=56.71e0.003x(R2=0.964)，呈顯著指數增加關系；氮肥當季利用率與施氮量回歸方程為y=2805x-0.81(R2=0.948)，呈冪函數關系；春季玉米產量、無機氮殘留量與氮肥利用率的交點分別出現于施氮量200和322 kg/hm2處，在此范圍內，玉米產量無明顯差異。秋玉米季0～100 cm土層土壤無機氮殘留量、氮肥當季利用率與施氮量的回歸方程分別為y=34.12e0.005x(R2=0.993)及y=2805x-0.76(R2=0.984)。秋玉米產量、無機氮殘留量與氮肥利用率的交點分別出現于施氮量211和300 kg/hm2處，在此范圍內，玉米產量無明顯差異。結合2季玉米試驗結果，綜合考慮無機氮殘留量、氮肥利用率與玉米產量3個因素，本區域玉米適宜施氮量為200～300 kg/hm2。

表5 春玉米季不同施氮量下土壤氮素平衡

表6 秋玉米季不同施氮量下土壤氮素平衡

圖4 施氮量與玉米產量、土壤無機氮殘留量及氮肥利用率的關系Fig.4 Relationships between N levels and residual Nmin in soil, yield and NUE of maize

3 討 論

氮是作物產量形成的最重要營養元素，適量施氮可以顯著提高作物產量和氮肥利用率，施氮過高或過低會導致減產[1, 14]。本研究結果表明，施氮肥可顯著提高玉米產量，春玉米及秋玉米施氮量分別超過180及240 kg/hm2、2季平均施氮量超過240 kg/hm2后，施氮已不能提高玉米對氮素養分的吸收，增產效果降低，即氮素當季利用率隨著施氮量的增加而降低。這與葉東靖等[15]的研究結果相一致。

氮肥是土壤無機氮的主要來源，氮肥施用量高時，土壤無機氮出現積累，而氮肥供應不足時，土壤無機氮處于虧損狀態。研究發現，蘇北沿海灘菊芋種植體系中，不施氮肥和施氮量低于225 kg/hm2時，土壤無機氮處于虧損狀態，高于225 kg/hm2時，土壤無機氮出現積累[17]；新疆石河子地區玉米種植體系中，施氮量低于225 kg/hm2時，土壤無機氮出現虧損，高于300 kg/hm2時，土壤無機氮開始積累[10]。本研究結果表明，不施氮肥時，土壤無機氮處于虧損狀態，當施用量高于180 kg/hm2時，土壤無機氮開始積累，當施用量高于360 kg/hm2時，土壤無機氮積累量隨著施氮量增加而顯著增加，這與前人研究結果相似。

有研究指出，利用產量效應、無機氮殘留量和氮肥利用率的交點確定氮肥的適宜施用量是較為有效的方法[10]。本研究采用三曲線法對玉米產量、土壤無機氮殘留量、氮肥利用率與施氮量的關系進行擬合，結果表明土壤無機氮殘留量與施氮量呈顯著指數增加關系，氮肥當季利用率與施氮量呈冪函數降低關系，春玉米產量、土壤無機氮殘留量與氮肥利用率分別交于200和322 kg/hm2處，秋玉米產量、土壤無機氮殘留量與氮肥利用率分別交于211和300 kg/hm2處，即春、秋玉米生長季氮肥最大施用量應分別控制在322和300 kg/hm2。由于本研究對春、秋2季玉米的試驗期僅為1年，對氮殘留條件下土壤氮素的平衡及氮肥的適宜施用量等尚需進一步研究。

4 結 論

充分考慮連作體系中殘留氮肥后效作用，兼顧作物產量、環境效應與肥料效應，廣西赤紅壤玉米種植區的適宜氮肥季用量為N 200～300 kg/hm2。