基于15N示蹤技術的不同水肥條件下夏玉米氮素利用研究
2021-12-06 01:08:54顧佳韜徐征和
節(jié)水灌溉 2021年11期
顧佳韜，王 鳳，徐征和，徐 晶
（濟南大學，濟南250022）
0 引言
水分和氮素在玉米的生長發(fā)育中相互影響和制約[1,2]。化學氮肥的施用是氮素的主要來源[3,4]，但是如今我國氮肥的利用率只有30%～35%。作為水資源干旱短缺嚴重的國家之一，我國的農(nóng)田水資源浪費現(xiàn)象也很嚴重，如何合理地施用水肥成了學者們共同關注的問題。為了提高氮肥的利用率，節(jié)約水資源和保護環(huán)境進行了本次研究[5-7]。20世紀70年代，在研究NO3
--N污染中首次應用15N示蹤技術，為研究氮素去向提供了一個重要思路。蔡曉等[8]指出在滴灌條件下各處理夏玉米生育期灌水量差異不大，整體上呈現(xiàn)隨施氮量增加而增大的趨勢。茹德平等[9]利用15N 示蹤技術得出夏玉米的最佳施純氮量為200～375 kg；目前運用15N 示蹤技術在植物養(yǎng)分運移的研究主要有：氮素吸收來源的研究、肥料氮在植株體內(nèi)分布情況研究[10]、氮肥利用率以及肥料氮在土壤中殘留與損失情況的研究[11]。已有學者用示蹤技術探究玉米對氮素的利用效率，但是在肥料氮對土壤氮的激發(fā)作用以及不同水肥條件下處理土壤氮去向方面研究較少。本文針對黃河沖擊平原區(qū)農(nóng)田過量施肥以及氮素利用效率較低的問題，選取山東省臨清市西荊林村農(nóng)田作為研究區(qū)，在不同水肥條件下，借助15N 示蹤技術，通過微區(qū)試驗，系統(tǒng)分析不同水肥處理下玉米成熟期各器官對肥料氮和土壤氮的吸收分配，各處理肥料氮的殘留損失情況以及氮的農(nóng)學利用效率和水分利用效率分析，分析出最適宜的水肥比來提高氮肥利用率和避免水資源的浪費。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
本試驗區(qū)位于山東省臨清市尚店鎮(zhèn)西荊林村（115°42′E，36°44′N），地處黃河沖積平原區(qū)。試驗區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，多年平均氣溫為12.8 ℃；年平均降水量為550 mm 左右，主要集中在7-9月，夏玉米種植期間氣溫、降雨數(shù)據(jù)見圖1；試驗區(qū)土壤表層質地主要為粉壤土，土壤容重為1.48 g/cm3，含鹽量為11.9%，有機質為14.8 g/kg。
1.2 試驗設計
供試玉米品種為“泛玉298”，采用人工播種方式種植。試驗采用2 個灌溉水平，即I1（0.8 I2，133 mm）、I2（166 mm），采用4 個施氮水平，即CK，N1，N2，N3，分別表示施純氮量0、120、180 和270 kg/hm2，本試驗設有10 個處理小區(qū)，見圖2。試驗以施磷（P2O5）60 kg/hm2、施鉀（K2O）60 kg/hm2為基礎。施肥小區(qū)重復3 次，隨機區(qū)組排列。夏玉米施用肥料為尿素（N，46%） 和復合肥（N∶P∶K=1∶1∶1，15%）。在小區(qū)正中心設置微區(qū)，微區(qū)由長0.8 m、寬0.8 m、高1 m的PVC雪弗板制成。劃出微區(qū)所在位置后，將PVC板放到微區(qū)所在位置，外層用塑料薄膜圍住，使其周圍與土壤緊貼，PVC 板上方露出地表5 cm，防止徑流和橫向污染。微區(qū)內(nèi)施15N 標記尿素（15N atom%為10.22，上海化工研究院），微區(qū)外施用普通尿素。各處理見表1。
表1 2020年夏玉米15N示蹤試驗處理Tab.1 15N tracer test treatment of summer maize in 2020
1.3 觀測內(nèi)容與方法
1.3.1 土壤樣品
（1）小區(qū)夏玉米試驗。夏玉米季選取拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和收獲后4個具有代表性的時間點。用采樣器分層采集0～120 cm 土壤樣品，分為0～20、20～40、40～80、80～120 cm，共4層。供試土壤試驗前氮素本底值見表2。
表2 土壤氮素本底值Tab.2 Soil nitrogen background value
（2）15N 示蹤微區(qū)試驗。玉米成熟期用取土鉆機分別取微區(qū)中深度為0～100 cm 的土樣。土壤樣品過0.25 mm 篩，混勻后用四分法取測定所需的樣品量。土壤同位素測定在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀和同位素質譜儀聯(lián)用的方法測定土壤中的15N豐度。
1.3.2 植物樣品
2020年夏玉米收獲前，每個微區(qū)選取5 株15N 標記的玉米植株，將選取的玉米植株分為莖稈、葉、籽粒三部分，并放入烘箱105 ℃殺青20 min，而后75 ℃恒溫烘至恒重，稱量各器官干物質量并研磨，過0.15 mm 篩，用于測定玉米樣品中TN和15N 豐度。植株TN 含量利用硫酸雙氧水快速消煮，奈氏比色法測定。成熟期玉米各器官15N 豐度測定方法與土壤同位素測定相同。
1.4 指標計算
器官的N dff和Ndfs是指作物各器官從肥料氮和土壤氮中吸收的氮量對該器官全氮的貢獻率，反映了各器官對15N的吸收征調能力[12]。SN、FN是指植株中土壤氮和肥料氮的含量，反映了植株對土壤氮和肥料氮的吸收利用能力。FSN和L2是指土壤中殘留的肥料氮的含量和比率，L3是指土壤中損失的肥料氮的含量。SE是指土壤氮素的激發(fā)率，反映了氮肥使土壤中有機氮分解的情況。PFP指施用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值，它是反映當?shù)赝寥阑A養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應的重要指標。ANUE表示了作物對施用肥料養(yǎng)分利用的百分數(shù)，反映了施用氮肥后玉米氮素營養(yǎng)的實際提高程度。WUE表示了作物蒸散消耗單位質量水所制造的干物質量，反映了植物生產(chǎn)過程中的能量轉化效率。
（1）植株（土壤）中肥料氮素的百分比Ndff（%）：
植株（土壤）中土壤氮素的百分比Ndfs（%）：
式中：Np為植株（土壤）樣品中15N 豐度，%；NA為植株（土壤）15N的自然豐度，取0.365，%；Nf為肥料中15N豐度，%。
（2）植株全氮含量S全（kg/hm2） ：
植株中土壤氮含量SN（kg/hm2）：
植株中肥料氮含量FN（kg/hm2）：
植株對肥料氮的吸收率L1（%）：
式中：DM為植株干物質量，kg/hm2；NC為植株含氮量，%。
（3）土壤中殘留肥料氮含量FSN（kg/hm2）：
土壤中肥料氮殘留率L2（%）：
氮肥損失率L3（%）：
式中：Z為土層厚度，cm；ρ為土壤容重，g·cm-3。
（4）土壤氮素激發(fā)率SE（%）：
式中：NPK為施氮處理來自土壤中氮量，kg/hm2。
（5）氮肥偏生產(chǎn)力PFP（kg/kg）：
式中：YN為施氮區(qū)產(chǎn)量，kg/hm2。
（6）氮肥農(nóng)學利用效率ANUE（kg/kg）：
式中：YCK為未施氮區(qū)產(chǎn)量，kg/hm2。
（7）水分利用效率WUE[kg（/hm2·mm-1）]。
式中：Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；ET為澆水量，mm。
1.5 數(shù)據(jù)處理
采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行整理，用Origin2019b進行繪圖，使用SPSS 統(tǒng)計分析軟件進行單因素ANOVA 方差分析。
2 結果和分析
2.1 不同水肥條件下玉米各器官對氮素的吸收分配
作物吸收的氮素主要來源于肥料氮素和土壤氮素。2020年夏玉米不同器官氮素來自土壤和肥料情況如圖3所示。不同水肥條件下，玉米籽粒、玉米葉、莖稈吸收肥料中的氮素為21.53%～21.75%，11.48%～19.83%，17.39%～33.08%。當灌水量相同時，隨著夏玉米施氮量的增加植株對肥料氮素的吸收利用也增加，土壤氮素的消耗減少。當施氮量相同時，夏玉米灌水量的增加可以提升植株對肥料氮素的吸收利用。當在N2I2 處理下，玉米籽粒吸收的肥料氮素達到最大值31.75%，且顯著高于N1I1、N1I2、N2I1 處理（P<0.05）。說明適宜的水肥比可以提高作物器官對肥料氮的吸收利用，當灌水量和施氮量達到一定的水平時，再增大水肥量不僅無法提高吸收能力，反而會呈現(xiàn)下降趨勢。玉米莖稈吸收的肥料氮素為21.48%，玉米葉吸收的肥料氮素為18.46%，玉米各器官對肥料氮素的競爭能力由大到小為籽粒、莖稈、葉，說明玉米植株吸收的肥料氮素優(yōu)先轉移到了籽粒中。
表3為不同水肥處理下夏玉米各器官對肥料氮和土壤氮的吸收量。由表3可知，當灌水量為I1時，夏玉米各器官吸收肥料氮隨施氮量的增加而增大。當灌水量為I2 時，玉米莖稈和葉吸收肥料氮隨施氮量的增加而增大，而籽粒吸收肥料氮隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。不同器官對肥料中氮素的吸收量不同，由大到小表現(xiàn)為：籽粒、葉、莖稈，這與張水勤等[13]對玉米的研究結果基本一致。籽粒、葉、莖稈吸收肥料中的氮含量分別占總量的70.91%～84.52%、10.45%～20.31%、3.93%～8.78%。不同水肥條件下，夏玉米對肥料氮的吸收量占總吸氮量的19.43%～28.62%，對土壤氮吸收量占總吸氮量的71.38%～80.57%。各處理夏玉米對土壤氮吸收量均顯著高于夏玉米對肥料氮吸收量。BEHERA S K[14]等研究結果也是相同的。而張忠學[15]等學者通過玉米在不同水肥條件下氮素利用實驗得出，夏玉米吸收肥料氮占總施氮量的33.32%～43.54%，當灌水量充足時，隨著施氮量的不斷增加，作物從土壤中吸收的氮量也不斷增加，而在我們灌水量都充足的情況下，張忠學等學者的施氮量要遠遠大于我們的，還由于他們的土壤類型是黑壤土和實驗地點黑龍江處于大陸性溫寒帶氣候等環(huán)境因素，他們得出的比例要比我們得出的更多。
表3 不同水肥條件下玉米各器官對肥料氮和土壤氮的吸收量Tab.3 Absorption of fertilizer nitrogen and soil nitrogen by maize under different water and fertilizer conditions
2.2 不同水肥條件下肥料氮對土壤氮的激發(fā)效應
土壤激發(fā)效應是指外源無機氮肥施加使土壤中固有有機氮分解的現(xiàn)象。由表4可知，不同水肥條件下，土壤氮素的激發(fā)率為119.16%～169.19%，且均為正激發(fā)效應。相同施氮量下，I2 處理土壤氮素激發(fā)率大于I1 處理。說明增加灌水量可以提高土壤微生物細胞水，從而提升微生物活性，增加土壤有機碳礦化作用，C/N減小，土壤氮素激發(fā)效應增加。在I1灌水量下，土壤氮素激發(fā)率隨施氮量的增加而增大，施氮量為N3 時土壤氮素激發(fā)率達到最大值147.08%，N3 處理的土壤激發(fā)率較N2 增加了2.6%，N2 處理的土壤激發(fā)率較N1 增加了25.3%。在I2灌水量下，隨著施氮量的增加，土壤氮素激發(fā)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，施氮量為N2 時土壤氮素激發(fā)率達到最大值179.42%，N3 處理的土壤激發(fā)率較N2 降低了10.2%，N2 處理的土壤激發(fā)率較N1 增加了55.5%。說明灌水和施肥均會影響土壤氮素激發(fā)效應，在一定灌水量下，適當增加施氮量能促進土壤氮素激發(fā)效應，而過量施氮對土壤激發(fā)效應促進效果不顯著甚至降低。
表4 土壤的激發(fā)效應Tab.4 Stimulation effect of soil
2.3 不同水肥處理肥料氮去向分析
氮肥施入土壤后的去向主要包括：作物吸收利用、以不同形態(tài)殘留于土壤中以及通過不同機制和途徑在土壤-作物體系損失[16]。表5 顯示了不同水肥處理下肥料氮的去向。不同水肥處理作物肥料氮吸收率、土壤殘留率和損失率分別為29.41%～50.75%、20.45%～31.41%和24.67%～41.26%。這與茹德平得出的氮肥利用率為26.61%～42.24%，損失率為25.79%～45.28%類似[9]。在I1灌水量下，作物肥料氮吸收量、土壤殘留和損失量均表現(xiàn)為：N3>N2>N1，即隨施氮量的增加而增加，但作物肥料氮吸收率、殘留率和損失率表現(xiàn)為：N3
表5 不同水肥處理肥料氮去向Tab.5 Different water and fertilizer treatments fertilizer nitrogen whereabouts
2.4 不同處理氮的利用效率分析
表6顯示了試驗期間，不同水肥處理下夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力、水分利用效率和氮肥農(nóng)學利用效率。水分利用效率在N3I2 處理時最高為13.0 kg/m3，在N1I1 和N1I2 時最低為10.9 kg/m3，即施氮量和灌水量都達到最大時，水分利用效率整體隨著施氮量和灌水量的增加而增多。因此在一定程度下，隨著施氮量和灌水量的增多，水分利用效率增大，節(jié)水效率也隨之增大。水分利用效率是決定玉米經(jīng)濟效益的重要指標，合理的水肥調控有利于充分利用水資源，節(jié)約用水，避免浪費。農(nóng)學利用效率在N3I2 處理時最高為7.72 kg/kg，且顯著高于其他處理，在N1I2 處理時最低為1.63 kg/kg，因此氮肥的農(nóng)學利用效率整體上隨著施氮量和灌水量的增加而增多。而氮肥偏生產(chǎn)力在N1I1時最高為67.72 kg/kg且顯著高于其他處理，在N3I1 時最低為35.14 kg/kg，可以看出氮肥偏生產(chǎn)力隨著灌水量的增加而增大，隨著施氮量的增加而減小[18]。
表6 不同水肥處理夏玉米氮肥利用效率Tab.6 Nitrogen utilization efficiency of summer maize under different water and fertilizer treatments
3 結論
（1）不同水肥條件下，夏玉米對肥料氮的吸收量占總吸氮量的19.43%～28.62%，對土壤氮的吸收量占總吸氮量的71.38%～80.57%，夏玉米主要吸收土壤氮，隨施氮量的增加肥料氮吸收量增加。夏玉米各器官對肥料氮的競爭能力由大到小為籽粒、莖稈、葉。適宜的水肥配比可以提高植株對肥料氮的吸收能力。
（2）不同水肥條件下，土壤氮素的激發(fā)率為119.16%～169.19%，且均是正激發(fā)效應，灌水量和施肥量都會影響土壤氮素激發(fā)效應，當灌水量一定時，適當?shù)厥┓蕰龠M土壤氮素的正激發(fā)效應，但是過量的施肥會抑制土壤氮素的正激發(fā)效應。
（3）不同水肥處理下作物肥料氮的吸收率、土壤殘留率、損失率分別為29.41%～50.75%、20.45%～31.41% 和24.67%～41.26%，整體上說在不同水肥處理下作物肥料氮的去向的占比從大到小為作物吸收率，損失率，土壤殘留率。不同水肥處理中N2I2 處理夏玉米對肥料氮的吸收率最大，為50.75%。增加施氮量有增大肥料氮損失的風險，適宜的水肥配比有利于植株充分利用氮肥，減少損失。
（4）夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力為35.14～70.4 kg/kg，氮肥偏生產(chǎn)力均隨施氮量的增加而降低，隨著灌水量的增加而減小。夏玉米的水分利用效率為1.09～1.30 kg/m3，隨著施氮量和灌水量的增加而增大，夏玉米氮肥農(nóng)學利用效率為1.63～7.72 kg/kg，隨施氮量和灌水量的增加而增大。合理的水肥調控有利于最大程度利用資源，避免水資源的浪費。
