不同水氮管理模式對玉米地土壤氮素和肥料氮素的影響

張忠學 劉 明 齊智娟

(1.東北農業大學水利與建筑學院， 哈爾濱 150030；2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

已有的研究結果表明，高施氮處理玉米氮素累積量高于低施氮處理，而中等施氮條件下植株氮素累積量最高，氮肥利用率較高，高灌水更容易導致硝態氮的淋失[8-9]。雋英華等[10]對東北地區春玉米的研究指出，隨著施氮量增加，氮肥農學利用率、氮素吸收效率和氮素偏生產力均顯著降低，氮盈余主要以土壤殘留為主。張忠學等[11]利用15N示蹤技術對玉米肥料氮的吸收利用進行了深入研究，發現籽粒對于肥料氮的競爭能力大于葉和莖。

已有關于作物氮素的研究大多集中于產量和氮素農學效率方面，只考慮單一變量對土壤無機氮殘留和土壤氮庫盈虧的影響，而關于不同水氮配比對土壤無機氮殘留，特別是對于玉米地土壤-作物氮平衡的研究很少。本文在前人研究基礎上，探究噴灌條件下不同水氮用量對于東北黑土區玉米土壤無機氮的殘留特征和水氮兩因素對于土壤-作物氮平衡的影響，同時借助于15N同位素示蹤技術，研究肥料氮在土壤中的殘留和玉米植株中土壤氮素累積量及其分配特征，并對肥料氮的去向進行系統的分析，以期為東北地區玉米種植過程中水氮合理施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年4─10月在黑龍江省肇州縣水利科學試驗站進行。試驗站位于45°17′N、125°35′E，屬大陸性溫寒帶氣候。年降雨量在400～500 mm之間，平均蒸發量1 733 mm，有效積溫2 845℃，無霜期138 d，屬于第一積溫帶，試驗土壤為碳酸鹽黑鈣土。試驗區土壤質量田間持水率為31.78%，土壤pH值為6.4。土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量(質量比)分別為28.20、1.41、0.88、19.86、0.13、0.04、0.21 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗設置灌水定額和施氮量2個因素。灌水定額設置3個水平：W1(40 mm)、W2(60 mm)、W3(80 mm)。氮肥施用量設置3個水平為：N1(180 kg/hm2)、 N2(240 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)，磷肥和鉀肥施用量均為90 kg/hm2，同時設置不施氮不灌水的對照(CK)處理，共10個處理，每個處理3次重復，共30個小區。各小區面積104 m2(10.4 m×10 m)。每公頃保苗67 500株，各小區均采用65 cm小壟種植，每小區16條壟，株距23.0 cm。保護區寬度為5 m，保護行寬度為1 m，隔離帶寬度為1.3 m(即2條壟)。于各小區正中心設置微區，微區采用長2.0 m、寬0.6 m、高0.4 m的鐵皮框制成。將鐵皮框放到劃出的微區所在位置，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。

試驗所用的肥料為尿素(氮質量分數46%)、磷酸二銨(氮質量分數18%，含磷質量分數46%)和硫酸鉀(鉀質量分數58%)，施肥方式為撒施，不覆膜，微區內施用的氮肥為豐度10.22%的15N標記的尿素。各處理的肥料施用量均是經過折算后的氮、磷、鉀元素的施用量，磷肥和鉀肥全部作基肥施入，氮肥1/2隨底肥施入，剩余1/2在拔節期施入。供試玉米品種為“大龍568”。試驗于2018年5月1日播種，分別在拔節期、抽雄期灌水兩次，各次灌水定額比例為1∶1，其中拔節期灌水是在施完拔節肥隨后進行灌水，6月30日追肥，撒施尿素，拔節期7月1日灌水，抽雄期7月20日灌水。

噴灌采用5983型搖臂式噴頭(噴灑半徑 9.0～14.0 m，流量 0.74～1.02 m3/h)，噴頭安裝在長1.5 m的支管上。灌水時將4個噴頭分別布置在小區四角上，逐一對各小區進行灌水。為防止各小區之間發生水分交換，調節噴頭射程略微小于小區長度。灌溉所用水源為當地地下水，用管道末端的水表控制灌水量。

1.3 觀測內容及方法

1.3.1植株含氮量

成熟期在微區取樣，將植株沿地上部分取下，用農用壓縮噴霧器將植株沖洗干凈，并將植株按不同器官放入干燥箱中，105℃下殺青30 min后，60℃干燥至恒定質量。將干燥后的樣品放置在干燥箱中冷卻，冷卻后稱量干物質量，將干燥后的樣品用球磨機磨碎，過80目篩后混勻，采用H2SO4-H2O2消煮，取消煮后的清液，采用德國SEALAnalytical公司生產的AutoAnalyzer-6Ⅲ型流動分析儀，測定成熟期植株各器官含氮質量分數。

1.3.2土壤含氮量及同位素測定

玉米收獲后，在微區按“S”形采集深度100 cm的土壤樣品，取樣分層為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。每層取3個平行樣，同層次混合。將部分土樣105℃干燥至恒定質量，并計算土壤容重及含水率，將干燥的土樣磨碎后用于測定土樣中15N豐度。其余土壤樣品用2 mol/L KCl浸提，并使用AA3型連續流動分析儀(Seal Analytical GmbH， 德國， 靈敏度0.001 AUFS) 測定土壤各層硝態氮、銨態氮、土壤全氮含量。

植株和土樣同位素測定在東北農業大學農業農村部水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT型，Thermo Fisher Scientific，美國)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國)聯用的方法測定收獲后不同土層土壤中的15N豐度。

1.3.3相關指標計算

植株氮素累積量計算公式為

NAA=DmNc

(1)

式中Dm——植株干物質量,g

Nc——植株含氮率

植株氮素來源于肥料氮素的百分比計算公式為

Ndff=(Np-Nc)/(Nf-Nc)×100%

(2)

植株氮素來源于土壤氮素的百分比計算公式為

Ndfs=1-Ndff

(3)

式中Np——微區內植株樣品的15N豐度

Nc——天然15N豐度標準值(0.366 3%15N)

Nf——15N標記尿素中15N豐度

植株中肥料氮素累積量為Ndff與植株氮素累積量的乘積。

植株中土壤氮素累積量為Ndfs與植株氮素累積量的乘積。

各層土壤的氮素總量按杜會英等[12]的公式計算，即

Ts=ρVNs

(4)

式中Ts——各層土壤氮素總量，kg/hm2

ρ——各層土壤容重，g/cm3

V——各層土壤體積，m3

Ns——各層土壤全氮質量比，g/kg

肥料氮土壤殘留量(Nsoil)計算公式為

Nsoil=(Ne-Nc)/(Nf-Nc)Ts×100%

(5)

式中Ne——微區中土壤樣品的15N豐度

肥料氮損失量為施氮量減去植株中肥料氮素累積量和肥料氮土壤殘留量。參考巨曉棠等[13]的方法計算0～100 cm土層氮素平衡參數，土壤無機氮殘留量為土層厚度與土壤容重、土壤無機氮含量的乘積除以10，土壤氮素凈礦化量為不施氮區作物吸氮量與不施氮區土壤無機氮殘留量的和減去不施氮區土壤起始無機氮累積量，土壤氮素表觀損失量為施氮量、土壤起始無機氮累積量、土壤氮素凈礦化量三者之和減去作物吸氮量和土壤無機氮殘留量，氮素盈余量為氮素表觀損失量與收獲后土壤無機氮殘留量的和。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010記錄數據，SPSS 16.0統計分析數據，LSD法進行顯著性檢驗。采用Microsoft Excel 2010繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮管理對土壤無機氮含量的影響

2.1.1對土壤剖面銨態氮含量的影響

如圖1可知，玉米收獲后，0～100 cm土層銨態氮質量比在0.40～5.97 mg/kg之間，隨著土層加深總體呈現先降低再升高再降低的趨勢，由大到小依次為0～20 cm、20～40 cm、60～80 cm、40～60 cm、80～100 cm。施氮處理的銨態氮含量高于CK處理，其中N3W1處理0～60 cm土層的銨態氮含量最高，N3W3處理60～100 cm土層銨態氮含量最高。相同灌水量條件下，隨著施氮量增加，各層土壤銨態氮含量呈增加趨勢，相同土層N3各處理較CK處理各土層銨態氮含量分別提高了84.82%～385.77%，N2、N3處理0～40 cm銨態氮含量較CK處理提高31.69%～174.34%， N1、N2各處理在40～60 cm的銨態氮含量接近，而當土層深度在60～100 cm時，N2、N1較CK處理提高115.01%～377.93%、N3較CK處理提高246.40%～786.33%，說明高施氮量能提升各層土壤銨態氮含量。相同施氮量條件下，0～60 cm土層銨態氮含量隨灌水量的增加而減小，其中0～40 cm土層中施氮處理在W2、W3水平下的含量較W1下降13.52%～41.47%，而W3和W2水平下銨態氮含量接近；60～100 cm土層的銨態氮含量隨灌水量增加出現增加的趨勢， N2W3處理較N2W1處理在60～80 cm、80～100 cm土層的銨態氮含量增幅最高，達到27.56%、65.23%。

圖1 不同土層深度銨態氮質量比

圖2 不同土層深度硝態氮質量比

2.1.2對土壤剖面硝態氮含量的影響

如圖2所示，玉米收獲后，相同處理相同土層硝態氮含量明顯高于銨態氮。與銨態氮含量變化趨勢相似，在60～80 cm土層中呈增加的趨勢后，在80～100 cm又呈降低趨勢，施氮灌水處理較CK處理增加明顯。各處理0～20 cm的硝態氮含量最高，與40～60 cm接近，而60～80 cm 含量較40～60 cm的含量有小幅提升。相同灌水水平下，隨著施氮量的提高，施氮處理0～100 cm土層的硝態氮含量均較CK處理提升明顯，其中N2、N3處理80～100 cm土層硝態氮含量增幅最高，達366.37%～656.55%，說明增施氮肥在對土壤硝態氮含量有顯著提升的同時對底層土壤的硝態氮含量影響顯著。N3和N2水平各土層硝態氮含量均較N1有明顯增加，同時N3的增幅高于N2。相同施氮水平下，隨著灌水量的增加，0～60 cm的硝態氮含量均呈下降趨勢，40～60 cm硝態氮含量下降最大；60～100 cm呈增加趨勢，但不同灌水水平下的硝態氮含量接近。

2.2 不同水氮管理對土壤無機氮累積量的影響

2.2.1對成熟期土壤銨態氮累積量的影響

由表1可知，玉米收獲后，0～100 cm土層中銨態氮累積量在19.29～47.57 kg/hm2之間。隨著施氮量的增加，0～100 cm土層銨態氮的累積量呈上升趨勢，且相同灌水水平下，各個土層銨態氮累積量均隨著施氮量的增加而增加，不同施氮量條件下0～100 cm土層銨態氮總累積量差異顯著 (P<0.05)。施氮處理60～80 cm土層較40～60 cm土層銨態氮累積量有所提高。相同灌水水平下，N1各處理與CK處理各土層銨態氮累積量間沒有明顯差異(P>0.05)，但N3與N2、N1處理0～80 cm土層銨態氮累積量均差異顯著(P<0.05)。相同施氮水平下，0～100 cm土層銨態氮累積量隨著灌水量的增加而減小，施氮處理W3與W1水平下的累積量差異顯著(P<0.05)，而W3與W2無明顯差異。0～60 cm土層銨態氮累積量隨著灌水量的提高而減少，除N1W3處理外，60～100 cm土層銨態氮累積量隨著灌水量的增加而增加。

表1 不同處理不同土層銨態氮的累積量

注：同列不同小寫字母表示處理在5%水平上差異顯著，下同。

2.2.2對成熟期土壤硝態氮累積量的影響

由表2可知，玉米收獲后0～100 cm土層硝態氮累積量在61.37～126.70 kg/hm2之間，比較表1和表2可知，相同處理硝態氮累積量明顯高于銨態氮。施氮處理0～100 cm土層硝態氮累積量較CK處理有明顯提高。0～100 cm土層硝態氮累積量隨著施氮量的增加呈現增加趨勢，相同灌水水平下，不同施氮處理之間均差異顯著(P<0.05)，同時各層土壤硝態氮累積量也均隨施氮量增加有不同程度增加，0～20 cm土層的硝態氮累積量增加最多。N1、N2、N3施氮水平下各層土壤硝態氮累積量較CK處理提高2.08～12.88 kg/hm2；80～100 cm土層硝態氮累積量增幅高于其他層土壤。隨著灌水量增加，0～100 cm土層硝態氮累積量呈現遞減趨勢，且相同施氮量條件下W1和W3水平下硝態氮累積量差異顯著(P<0.05)。除N1W2和N1W3處理外，其他處理硝態氮累積量在0～80 cm土層均隨灌水量的增加而減??；在80～100 cm土層隨著灌水量的增加而增加，同時80～100 cm硝態氮累積量占0～100 cm的比例由W1水平下的27.43%～28.67%增加到W2、W3水平下的28.62%～37.82%。灌水量的增加使得0～80 cm硝態氮累積量降低，增加了80～100 cm土壤硝態氮累積量，增加了硝態氮向深層土壤淋失的風險。

表2 不同處理不同土層硝態氮的累積量

2.2.3對土壤-作物氮平衡的影響

由表3可以看出，施氮處理的氮素輸入方式中肥料氮占比達到40.38%～53.02%，播前無機氮和礦化氮占比19.92%～25.28%和27.06%～34.34%。輸出量中作物吸收量占比47.54%～63.60%，是氮素輸出的主要方式。隨施氮量的增加玉米氮素吸收量呈現先增后減的趨勢，N2W3處理較高，與N2W2處理接近。相同施氮量條件下，W2、W3水平下玉米氮素吸收量較W1有明顯提高(P<0.05)，相同灌水水平下，N2、N3處理與N1處理差異顯著(P<0.05)，施氮灌水處理均較CK處理有明顯提高。施氮處理0～100 cm土層土壤殘留無機氮量占輸出量的比例為23.40%～29.63%，無機氮殘留量與CK處理差異顯著(P<0.05)。無機氮殘留量由高到低表現為N3、N2、N1；相同施氮水平下，無機氮殘留由高到低表現為W1、W2、W3，且W1和W3處理差異顯著(P<0.05)。N3水平的3個處理無機氮殘留量達到156.22～174.27 kg/hm2，與N1、N2處理差異顯著(P<0.05)。表觀損失量占輸出量的比例為10.46%～25.60%。W1處理表觀損失量最高，W2處理表觀損失量最低。N3施氮量條件下，相同施氮量不同灌水量處理的表觀損失量差異顯著(P<0.05)。氮素盈余由大到小表現為N3、N2、N1， N2、N3施氮水平下，氮素盈余量隨灌水量增加表現為先降低后增加，這與表觀損失量的規律相同。灌水施氮處理氮素輸出的各項指標均較CK處理有明顯提高，且均表現出顯著差異(P<0.05)，適宜的水氮管理有助于土壤-作物氮平衡系統向著提高作物吸氮量、減少土壤殘留的方向發展，對節約水氮用量和環境保護起到積極作用。

表3 不同處理土壤-作物氮平衡

2.4 不同水氮管理植株對土壤氮素的利用

從表4可知，隨著施氮量的增加，玉米植株土壤氮素累積量呈現先增后減的趨勢，同一灌水水平下N2處理較N1處理提高7.37%～22.39%，N2處理與N1處理差異顯著(P<0.05)。N2、N3施氮水平下植株土壤氮的累積量隨著灌水量的增加而增加，相同施氮量W1、W2、W3水平下的植株土壤氮累積量差異顯著(P<0.05)，當施氮量為180 kg/hm2時，W2、W3處理植株土壤氮累積量接近，但均與W1處理差異顯著(P<0.05)。結合表3和表4可以得出，玉米植株中氮素有66.70%～75.05%來自于對土壤氮的累積，其中占比最高的是N1W3處理，N2W2處理土壤氮累積量達到214.55 kg/hm2，占植株氮素累積量的比例最低。各器官土壤氮累積量由大到小順序為籽粒、葉、莖(莖和莖鞘)，籽粒、葉、莖、穗軸+苞葉占植株土壤氮累積量比例分別為65.73%～76.01%、13.79%～22.78%、3.94%～7.41%、3.70%～5.37%。葉的土壤氮累積量隨施氮量的增加呈現先增后減的趨勢，籽粒土壤氮累積量隨著灌水量的增加而增加。研究結果表明，中等施氮可以促進莖、葉、籽粒對于土壤氮的累積，而提高灌水量可以促進籽粒吸收土壤中的氮素。

表4 不同處理玉米土壤氮累積量

2.5 不同水氮管理對肥料氮去向的影響

由表5可知，中等施氮水平下，植株肥料氮累積量最高，在氮肥去向中占比最大，當施氮量增加到300 kg/hm2時，土壤15N殘留量成為占比最高的部分。植株肥料氮累積量隨施氮量和灌水量的增加均呈現先增加后減小的趨勢，植株肥料氮累積量由大到小表現為N2、N3、N1和W2、W3、W1，除N1水平外，相同施氮不同灌水處理肥料氮的累積量影響顯著(P<0.05)。肥料殘留量隨著施氮量的增加而增加、隨著灌水量的增加而減小，且相同灌水量條件下，N3水平下與N2、N1肥料氮損失量差異顯著(P<0.05)，相同施氮量條件下，W1處理肥料氮殘留量與W2差異顯著(P<0.05)。隨著灌水量的增加肥料氮損失量先減少后增加，這與植株肥料氮累積量的趨勢相反。從各去向的占比來看，中等施氮條件下植株氮素累積量所占的比例最高，當施氮量由240 kg/hm2增加到300 kg/hm2時，肥料氮殘留量和肥料氮損失量所占比例均有所提高，而施氮量300 kg/hm2時肥料利用率為21.67%～31.23%，造成大量的氮肥殘留或者損失。N1、N3各處理在灌水量80 mm時損失量以及損失量占比在各自施氮水平下均最高，這說明高灌水有增加肥料損失的風險。

表5 不同處理肥料氮去向

3 討論

4 結論

(1) 隨著施氮量的增加，0～100 cm土層銨態氮、硝態氮含量和累積量均呈增加趨勢，提高灌水量可降低表層土壤的銨態氮、硝態氮含量，提高深層土壤銨態氮、硝態氮含量。灌水施氮處理0～100 cm土層銨態氮、硝態氮累積量與CK處理差異顯著(P<0.05)。

(2) 灌水施氮處理中N2W2處理作物氮累積量最高，達到321.67 kg/hm2，氮表觀損失量最低，為52.93 kg/hm2，說明中等施氮、中等灌水條件處理能夠使土壤-作物氮平衡系統向著提高作物吸氮量、減少土壤殘留的方向發展。

(3)玉米植株氮素中有66.70%～75.05%來自于對土壤氮的累積，各器官土壤氮累積量由大到小依次為籽粒、葉、莖(莖和莖鞘)，中等施氮可以促進莖、葉、籽粒對于土壤氮的累積，而提高灌水量可以促進籽粒吸收土壤中的氮素。

(4) 肥料氮累積量隨著施氮量和灌水量的增加呈先增后減的趨勢，0～100 cm土層肥料氮殘留量和肥料氮損失量均隨著施氮量的增加而增加，施氮量300 kg/hm2時會造成68.77%～78.73%的肥料氮殘留和損失。