15N同位素在華北冬小麥夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源研究中的應(yīng)用

張經(jīng)廷，周順利，王志敏，賈秀領(lǐng)

(1.河北省農(nóng)林科學(xué)院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

氮素是作物需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)形成發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。作物所需的氮素絕大部分由根系從土壤中吸收，除此之外地上部幼嫩器官也可以吸收少量氮素。作物吸收的氮素從來(lái)源上可分為土壤固有氮(播前和生長(zhǎng)季礦化的有效氮)、當(dāng)季投入氮(化肥、有機(jī)肥、還田秸稈等)、前茬投入殘留氮、環(huán)境沉降氮、生物固氮等。明確作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源中各組分的比例對(duì)氮肥合理運(yùn)籌、養(yǎng)分高效利用及作物良好營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的維持都具有重要意義。作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類(lèi)多樣，供應(yīng)量和時(shí)期變異大，由于標(biāo)記技術(shù)的限制不同來(lái)源的氮素難以區(qū)分，導(dǎo)致很多形式的氮源對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)的定量研究難度很大。創(chuàng)新標(biāo)記技術(shù)把不同來(lái)源的氮素形式有效區(qū)分是定量研究作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的重要技術(shù)途徑之一。

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，耕地面積約占全國(guó)的23%。冬小麥-夏玉米復(fù)種輪作是華北平原的主導(dǎo)種植模式：每年10月初種植冬小麥，次年6月初收獲；小麥?zhǔn)斋@之后鐵茬免耕種植夏玉米，玉米于當(dāng)年的10月初收獲，然后繼續(xù)種植冬小麥，形成一個(gè)輪作周期。華北平原冬小麥和夏玉米常年產(chǎn)量分別占全國(guó)小麥玉米產(chǎn)量的2/3和1/3以上[3]，對(duì)保障區(qū)域乃至國(guó)家的糧食安全發(fā)揮著舉足輕重的作用。闡明華北平原冬小麥-夏玉米種植體系作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源組成，明確不同來(lái)源的氮素對(duì)冬小麥和夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)，對(duì)本區(qū)域養(yǎng)分資源綜合管理、施肥制度優(yōu)化、作物營(yíng)養(yǎng)狀況調(diào)控都具有十分重要的意義。本文主要概述在研究當(dāng)季土壤施入化肥氮、前茬殘留化肥氮、播前土壤固有硝態(tài)氮對(duì)華北冬小麥-夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)的定量貢獻(xiàn)時(shí)15N同位素示蹤技術(shù)的具體應(yīng)用方法與研究結(jié)果，并對(duì)葉面肥氮、還田秸稈氮、大氣沉降氮等其他氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的研究進(jìn)行了展望，以期為該種植體系氮肥減施增效以及養(yǎng)分資源優(yōu)化管理提供理論參考。

1 當(dāng)季施入化肥氮對(duì)冬小麥和夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)

自20世紀(jì)中期興起第一次綠色革命起，化學(xué)肥料(尤其是氮肥)的大量投入對(duì)提高作物生產(chǎn)能力發(fā)揮了不可替代的重要作用，在一定程度上緩解了由于全球人口增長(zhǎng)引發(fā)的糧食安全問(wèn)題。隨著氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐漸降低，很多研究表明，全球尺度范圍內(nèi)氮肥施入土壤后，作物當(dāng)季吸收利用率僅為30%～35%[4-5]。氮肥利用率為作物吸收的氮肥占氮肥施入量的比例，而氮肥對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率為作物吸收的當(dāng)季施入氮肥占作物氮素總吸收量的比例。15N同位素示蹤技術(shù)能將標(biāo)記的氮素同其他來(lái)源的氮素明顯區(qū)別開(kāi)來(lái)，可準(zhǔn)確定量氮素的去向，因此被廣泛應(yīng)用于作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的研究中。應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究華北冬小麥夏玉米化學(xué)肥料氮對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)已有很多報(bào)道。趙俊曄等[6]研究了高產(chǎn)條件下施氮量對(duì)冬小麥氮肥吸收利用的影響，結(jié)果表明，不同施氮水平基施氮肥對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率為4.51%～9.40%，追施氮肥為8.22%～17.28%，當(dāng)季施入的氮肥對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)總貢獻(xiàn)率為12.73%～26.68%。左紅娟等[7]基于高豐度15N研究了華北平原冬小麥肥料氮的去向，結(jié)果表明，冬小麥吸收的氮素來(lái)自肥料的比例為 26.6%～33.6%。王月福等[8]研究表明，土壤肥力水平和施氮量都顯著影響冬小麥對(duì)氮肥的吸收，在低量施氮(120 kg·hm-2)條件下，低肥力土壤氮肥對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率為24.60%，顯著高于高肥力土壤的19.60%；而在較高施氮(240 kg·hm-2)條件下，氮肥對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)受土壤肥力的影響不顯著，低肥力土壤氮肥貢獻(xiàn)率為30.31%，高肥力土壤為29.28%。可見(jiàn)，土壤肥力和氮肥施用對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)有一定的互補(bǔ)等效性，在肥力較低的條件下可以通過(guò)適量增施氮肥調(diào)適作物最佳氮營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，反之亦然。Ju等[9]研究了華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系15N標(biāo)記尿素氮的去向，結(jié)果表明，冬小麥季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率分別為36.03%和55.22%，夏玉米季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率分別為36.58%和46.57%。張經(jīng)廷等[10]通過(guò)15N同位素示蹤技術(shù)結(jié)合大型原狀土柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源中當(dāng)季施入的化肥氮所占的比例為42.65%，夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源中當(dāng)季施入的化肥氮所占比例為43.88%。綜上所述，當(dāng)季施入的化肥氮對(duì)華北冬小麥夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率變異幅度較大，在12.73%～55.22%之間，主要受土壤肥力水平和氮肥施用量影響，同時(shí)存在區(qū)域差異。

2 夏玉米季土壤殘留肥料氮對(duì)后茬冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)

據(jù)調(diào)研華北地區(qū)夏玉米的化肥氮施用量平均為240.33 kg·hm-2 [11-14]，夏玉米收獲后化肥氮的土壤殘留率為27.58%～57.56%[10,15-17]，土壤殘留量為66.29～138.32 kg·hm-2。研究表明，夏玉米季殘留肥料氮對(duì)后茬冬小麥有很強(qiáng)的作物有效性[18]，因此夏玉米季殘留肥料氮是后茬冬小麥一個(gè)重要的氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。

2.1 夏玉米季施入肥料氮對(duì)后茬冬小麥的有效性

2.2 冬小麥對(duì)前茬夏玉米季不同土層殘留肥料氮的吸收

為了定量分布于0～2 m土壤剖面不同層次的夏玉米季殘留肥料氮對(duì)后茬冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)，利用15N示蹤技術(shù)，通過(guò)大型原狀土柱的分割與重組，定量研究冬小麥對(duì)夏玉米季殘留肥料氮尤其是1.2～2 m土壤深層殘留肥料氮的回收利用，研究過(guò)程的示意圖示于圖1。首先，在夏玉米播前分層每層20 cm創(chuàng)制高2 m，內(nèi)徑36 cm的大型土柱。土柱分別施用普通未標(biāo)記氮肥與15N標(biāo)記氮肥。夏玉米生育期內(nèi)遮蔽自然降水，人工灌水模擬正常年份降水。夏玉米收獲后，0～2 m土體各土層都含有殘留肥料氮。以冬小麥對(duì)1.2～1.4 m土層中的玉米季殘留肥料氮的重新吸收為例說(shuō)明研究過(guò)程，先將施入普通氮肥土柱的1.2～1.4 m土層切割舍棄，然后將施15N標(biāo)記氮肥土柱的1.2～1.4 m土層組裝進(jìn)去，形成一個(gè)新土柱，最后種植冬小麥。這樣即可單獨(dú)定量冬小麥對(duì)1.2～1.4 m土層中殘留肥料氮的重新吸收。同理，可分別研究冬小麥對(duì)0～2 m土體其余土層夏玉米季殘留肥料氮的回收利用。結(jié)果表明，夏玉米季殘留于0～2 m土體的肥料氮，13.7%～21.4%被后茬冬小麥吸收，占夏玉米季施氮量的4.9%～8.7%。玉米季土壤各層殘留肥料氮對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率隨土層深度的增加而減小，從0～0.2 m土層的4.00%降低到1.8～2 m的0.04%，0～2 m土體玉米季殘留肥料對(duì)后茬冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)總貢獻(xiàn)率為9.75%[24]。

當(dāng)然，冬小麥?zhǔn)┤氲姆柿系獙?duì)后茬夏玉米的氮營(yíng)養(yǎng)也有一定的有效性，劉新宇[25]研究表明，冬小麥不同施氮水平土壤殘留肥料氮對(duì)后茬夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)率為1.6%～12.6%。

3 播前土壤硝態(tài)氮對(duì)冬小麥和夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)

3.1 冬小麥-夏玉米輪作體系作物播前土壤硝態(tài)氮的累積現(xiàn)狀及影響

3.2 土壤硝態(tài)氮15N標(biāo)記新技術(shù)-“補(bǔ)償平衡法”及其應(yīng)用

圖2 “補(bǔ)償平衡法”原位標(biāo)記土壤硝態(tài)氮示意圖(以標(biāo)記作物播前1.2～1.4 cm土層的硝態(tài)氮為例)Fig.2 Sketch showing the process for soil nitrate labeling in situ and the soil column setup in which a selected soil layer was labeled with the 15N isotope (Soil nitrate in the 1.2-1.4 m layer prior to crop sowing was labeled)

3.3 播前土壤硝態(tài)氮的作物氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)

播前土壤剖面累積硝態(tài)氮的作物利用率隨土層深度的增加而減小，冬小麥可以吸收播前累積于0～2 m土體的土壤硝態(tài)氮，各土層硝態(tài)氮的作物利用率從耕層0～0.2 m的33.46%降低到1.8～2 m的0.21%，0～2 m土體的土壤硝態(tài)氮總的作物利用率為7.88%。夏玉米可以吸收播前0～1.4 m土體的硝態(tài)氮，0～1.4 m土體硝態(tài)氮總利用率為9.59%，其中耕層0～0.2 m和底層1.2～1.4 m土壤硝態(tài)氮的作物利用率分別為24.93%和0.44%。冬小麥播前0～2 m土體各土層累積的硝態(tài)氮對(duì)作物氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)率在0.05%～8.02%之間，總貢獻(xiàn)率為17.68%；夏玉米播前0～1.4 m土體各土層硝態(tài)氮的氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)率在0.07%～7.26%之間，總貢獻(xiàn)率為12.98%[38-39]。

4 展望

華北冬小麥-夏玉米輪作體系作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源除了包括上述的化學(xué)肥料氮、殘留肥料氮、播前土壤硝態(tài)氮外，還田作物秸稈氮、葉面肥氮、大氣沉降氮等也是作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的重要組成。但秸稈氮、葉面肥氮和大氣沉降氮等對(duì)華北小麥玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)尚未闡明，亟待通過(guò)15N同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步研究。

4.1 冬小麥夏玉米還田秸稈氮的作物氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)

華北冬小麥-夏玉米輪作體系作物收獲后秸稈還田是目前秸稈處理的主要方式。在一般產(chǎn)量水平條件下，每年約有90～120 kg·hm-2的氮素隨秸稈還田，還田秸稈氮現(xiàn)已成為該輪作體系土壤氮素及作物氮營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源之一，但目前尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。利用15N同位素標(biāo)記秸稈中的氮素是研究還田秸稈氮作物利用特性的有效手段。作物生長(zhǎng)季中施入15N標(biāo)記的氮肥，通過(guò)作物的吸收即可實(shí)現(xiàn)秸稈氮素的15N標(biāo)記，把15N標(biāo)記的秸稈還田到新的小區(qū)內(nèi)即可定量還田秸稈氮對(duì)作物的氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)。目前大田條件下還田秸稈的研究一般采用尼龍網(wǎng)袋填埋法[40-42]，即將一定量的秸稈裝入尼龍網(wǎng)袋后埋到一定深度的土壤中，一定時(shí)間后取出進(jìn)行測(cè)定。這種方法有很大的局限性，首先由于秸稈集中在一起，與土壤接觸面積減小，進(jìn)而降低了秸稈與土壤微生物接觸的機(jī)會(huì)，從而影響秸稈腐解；其次由于尼龍網(wǎng)袋的存在勢(shì)必會(huì)影響作物根系的生長(zhǎng)。因此，還田秸稈氮的作物氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)及秸稈還田方法亟待進(jìn)一步研究。

4.2 葉面肥氮對(duì)冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)

華北平原冬小麥傳統(tǒng)的灌溉方式一般為大畦漫灌，這種灌溉方式灌水量不是取決于作物的需水量而主要由土壤基礎(chǔ)含水量、畦面積大小和地面平整度等決定，因此灌水量大且灌溉不均勻，灌溉效率低。有研究表明，冬小麥長(zhǎng)期過(guò)量的漫灌灌溉方式是華北地下水超采及地下水漏斗群形成的主因之一[43-44]。因此，傳統(tǒng)的大畦漫灌方式越來(lái)越不適應(yīng)日趨嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)和規(guī)模化生產(chǎn)對(duì)高效的要求。微噴水肥一體化技術(shù)可根據(jù)作物水肥需求規(guī)律把肥料溶于水中進(jìn)行水肥適時(shí)適量精準(zhǔn)施用，具有節(jié)水省肥高效等優(yōu)勢(shì)，因此在華北平原尤其是在地下水超采區(qū)的小麥生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐步得到應(yīng)用推廣。微噴水肥一體化由于水肥營(yíng)養(yǎng)液直接噴施植株，部分營(yíng)養(yǎng)液被植株冠層短暫滯留，隨著噴施的持續(xù)進(jìn)行，一部分營(yíng)養(yǎng)元素可通過(guò)葉片等器官被作物吸收，起到葉面肥營(yíng)養(yǎng)功能。氮素溶液正常噴施條件下，一部分氮素會(huì)被葉面吸收，但大部分氮素溶液會(huì)穿透冠層進(jìn)入土壤被根系吸收，葉面吸收的氮素?zé)o法與根系吸收的氮素區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此，如何運(yùn)用15N示蹤技術(shù)單獨(dú)定量冬小麥微噴水肥一體化葉面氮素吸收及其對(duì)作物的氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步研究。

4.3 大氣沉降氮的作物氮營(yíng)養(yǎng)貢獻(xiàn)

近年來(lái)受農(nóng)田施氮不合理及畜禽糞便管理不當(dāng)?shù)绒r(nóng)業(yè)源和工業(yè)、交通等非農(nóng)業(yè)源活性氮排放增大的影響，從1980—2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素沉降顯著升高，從1980年的13.2 kg N·hm-2增至2010年的21.1 kg N·hm-2，增幅高達(dá)60%。通過(guò)模擬分析，2010年我國(guó)氮沉降總量約為7 635.3 Gg，其中人口相對(duì)密集和農(nóng)業(yè)集約化程度較高，華北平原是高沉降通量區(qū)域，沉降量和年增幅增長(zhǎng)顯著[45-46]。研究還發(fā)現(xiàn)，從1980—2010年，同樣在長(zhǎng)期不施氮肥條件下小麥和玉米作物吸氮量平均增加16%，在土壤供氮能力保持相對(duì)穩(wěn)定的前提下，氮素增加主要來(lái)自大氣氮沉降[45]。可見(jiàn)，大氣沉降氮已成為作物氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的重要組成部分，運(yùn)用15N同位素技術(shù)明確大氣沉降氮的作物利用特性可能是今后研究的熱點(diǎn)之一。