寒地黑土不同水氮運籌下玉米氮素利用的15N示蹤分析

張作合 孔凡丹 鄭美玉

（綏化學院農業與水利工程學院 黑龍江綏化 152061）

玉米生長對氮肥的需求量最大，因此氮肥的施用將直接影響玉米的產量和品質[1-2]。近些年來，盡管氮肥投入量較高，但許多地區玉米產量的增長明顯放緩，甚至停滯不前[3]。在玉米產量不明顯增加的情況下，過量的氮肥投入會導致氮肥利用率降低[4]。為了提高氮肥利用率和減少氮的損失，提出了施用控釋肥料[5]、深埋[6]和綜合管理技術[7]等方法，然而，這些方法的應用受到勞動成本、經濟因素和技術的限制。相比之下，水氮運籌更容易在玉米生產中推廣應用[8]，它能夠提高氮肥利用率，增加玉米產量。

本文采用大田試驗與15N示蹤微區結合的方法，研究不同水氮運籌下，玉米植株對土壤氮素和肥料-15N的吸收情況及各器官中土壤氮素和肥料-15N的累積情況，同時計算玉米的氮肥吸收利用率和農學利用率，以期為玉米高產、氮肥利用率的提升提供理論依據和技術支撐。

一、材料與方法

（一）試驗區概況。試驗于2017年5月至9月，在黑龍江省大慶市肇州縣試驗中心(125°17′57.70″E，45°42′57.50″N)進行，該區屬典型的寒地黑土旱作物（玉米、大豆等）試驗區，位于第一積溫帶，生育期平均降雨量在390mm左右，平均蒸發量為1700mm，全年無霜期138d左右。供試土壤為黑鈣土，0～20cm土壤基礎理化性質：有機質質量比28.20g/kg、全氮質量比1.41g/kg、全磷質量比0.88g/kg、全鉀質量比19.86g/kg、堿解氮質量比0.13g/kg、速效磷質量比0.04g/kg、速效鉀0.21g/kg。供試玉米品種為良玉99，每公頃保苗67500株。

（二）試驗設計。本試驗采用灌水量和施氮量2因素全面試驗，其中灌水量設置W1(200m3/hm2)和W2(400m3/hm2)2個水平，施氮量設置N0(不施氮)、N1(200kg/hm2)、N2(250kg/hm2)和N3(300kg/hm2)4個水平，8個處理，每個處理3次重復，共計24個處理。在每個小區內設置微區，微區為0.96m×0.46m×0.4m的無底鋼板矩形框。全生育期只在拔節期和灌漿期各灌一次水，灌水方式選擇滴灌，滴頭布置間距20cm，滴頭保證工作壓力0.1MPa，滴頭流量為2L/h。氮肥小區施用普通尿素，微區施用豐度為10.22%的15N標記尿素（上海化工研究院生產），基肥：拔節肥按2：1分施；磷肥、鉀肥作為基肥一次性施入，K2O和P2O5施入量均為90kg/hm2。供試肥料選擇尿素(含N46.4%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O52%)，并換算成實際化肥施入量。微區內玉米的種植密度、肥料用量及灌水量與所在的試驗小區相同。

（三）樣品的采集與測定。

干物質量及植株氮含量：利用AA3型連續流動分析儀測定各部位全氮含量。

土壤和植株氮原子百分比：穩定同位素測試在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完成，將密封保存的樣品帶回實驗室，采用同位素質譜儀(美國，DELTA V Advantage)和元素分析儀(美國，Flash 2000HT)聯用的方法[9-10]來測定成熟期玉米各器官和籽粒15N的豐度。

在玉米成熟期進行測產，并計算小區產量。

（四）計算方法和數據分析。氮肥利用率相關指標計算如下：

數據分析和處理采用WPS2019、SPSS13.0，用Duncan進行處理間的多重比較，用WPS2019和Origin8.0軟件作圖。

二、結果與分析

（一）水氮運籌下成熟期玉米植株中肥料和土壤氮素的積累量。由圖1可知，不同水氮運籌下玉米植株對肥料氮素吸收量占總量的25.46%～40.99%，對土壤中氮素的吸收量占總量的59.01%～74.54%，各處理玉米植株吸收土壤中的氮素均顯著高于植株吸收肥料中的氮素(P＜0.05)，故不同水氮運籌下玉米各器官中氮素主要來自于土壤。

圖1 不同處理成熟期玉米植株中肥料和土壤氮素的累積量

（二）水氮運籌下成熟期玉米各器官中肥料氮素和土壤氮素占比。由圖2可知，比較成熟期玉米植株不同器官中的氮素來自肥料占比（Ndff）和土壤占比（Ndfs），發現成熟期肥料氮素在玉米植株各器官的分布差異較大。玉米植株莖稈中的氮素來自肥料占25.84%～35.32%，相同灌水量下植株莖桿中的氮素來自肥料占比都隨著氮肥施入量的增加而增加，相同施氮水平下兩種灌水量之間植株莖稈中的氮素來自肥料占比存在差異；成熟期玉米植株葉片中的氮素來自肥料占27.95%～40.09%，相同灌水量下植株葉片中的氮素來自肥料占比都隨著氮肥施入量的增加而增加，各處理之間存在一定差異；成熟期玉米植株籽粒中的氮素來自肥料占23.78%～43.28%，相同灌水量下植株籽粒中的氮素來自肥料占比都隨著氮肥施入量的增加而增加，且不同氮肥施用水平之間差異顯著(P＜0.05)。玉米植株莖稈中的氮素來自土壤占64.68%～74.16%，相同灌水量下植株莖桿中的氮素來自土壤占比都隨著氮肥施入量的增加而減少，相同施氮水平下兩種灌水量之間植株莖稈中的氮素來自土壤占比存在差異；成熟期玉米植株葉片中的氮素來自土壤占59.91%～72.05%，相同灌水量下植株葉片中的氮素來自土壤占比都隨著氮肥施入量的增加而減少，各處理之間存在一定差異；成熟期玉米植株籽粒中的氮素來自土壤占56.72%～76.22%，相同灌水量下植株籽粒中的氮素來自土壤占比不同氮肥施用水平之間差異顯著(P＜0.05)，且隨著氮肥施入量的增加而減小。

圖2 不同處理成熟期玉米各器官中肥料和土壤氮素占比

如圖2所示，選擇氮肥吸收利用率（NUE）和農學利用率（NAE）兩個指標來衡量玉米氮肥利用率。各處理之間的NUE 差異顯著(P＜0.05)，W2N1、W2N2、W2N3處理分別較W1N1、W1N2、W1N3提高11.93%、8.17%、10.26%，W2N2處理的NUE最大為39.19%，分別較W2N1和W2N3處理提高23.94%和1.43%，說明增加灌水量和增施氮肥均能提高玉米的氮肥吸收利用率，其中灌水量為400m3/hm2和施氮量為250kg/hm2時氮肥吸收利用率提高幅度更大；W2N1、W2N2、W2N3處理玉米的NAE分別較W1N1、W1N2、W1N3提高0.35%、13.81%、15.52%，W2N2處理的NAE最大為17.65kg/kg，分別較W2N1和W2N3處理提高25.85%和7.59%，說明增加灌水量和增施氮肥均能提高玉米的農學利用率，其中灌水量為400m3/hm2和施氮量為250kg/hm2時農學利用率提高幅度更大。與其他處理相比，W2N2處理的NUE和NAE均為最高，從氮肥利用率角度來看，所有處理中W2N2處理最優。

圖3 各處理玉米的氮肥利用率

三、結語

（一）不同水氮運籌下玉米植株對肥料氮素吸收量占總量的25.46%～40.99%。

（二）玉米植株莖稈中的氮素來自肥料占25.84%～35.32%，葉片中的氮素來自肥料占27.95%～40.09%，籽粒中的氮素來自肥料占23.78%～43.28%。

（三）適量增加灌水量和增施氮肥均能提高玉米的氮肥吸收利用率和農學利用率，W2N2處理的NUE和NAE均為最高，分別為39.19%和17.65kg/kg，從氮肥利用率角度來看，所有處理中W2N2處理最優。