內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標和推薦施氮量

米春嬌, 孫洪仁*, 王顯國, 高 凱, 張玉霞, 劉庭玉

(1.中國農業大學草業科學與技術學院， 北京 100193； 2.內蒙古民族大學農學院， 內蒙古 通遼 028000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是否需要施氮，至今仍存在較大爭議。許多學者認為，紫花苜蓿與根瘤菌共生，能夠固定大氣氮素而滿足自身需求，無需施氮；部分研究表明，施氮不僅沒有促進紫花苜蓿生長，反而造成減產；亦有很多研究證明，紫花苜蓿施氮增產效果明顯[1]。大量作物施氮研究表明，土壤氮素含量存在一個因作物種類而異的臨界值，高于臨界值施氮無效，低于臨界值施氮有效[2]。但紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值是多少，至今尚不得而知。

施足植物生長過程所有缺乏養分的試驗處理稱作全肥處理，未施某種養分、其它養分施用量與全肥處理相同稱為缺素處理；缺素處理作物產量與全肥處理作物產量的比值是缺素處理相對產量；缺素處理相對產量100%所對應的土壤養分含量即為施用該種養分是否有效的臨界值[3-4]。確定作物土壤養分含量臨界值，需建立作物缺素處理相對產量與土壤養分含量回歸方程；利用所得回歸方程，可計算任意缺素處理相對產量，例如95%，90%，80%，70%…對應的土壤養分含量，此結果即為作物土壤養分豐缺指標，是作物土壤養分豐缺級別劃分依據[5-6]。在此基礎上，再確定出不同目標產量和肥料利用率情形下的不同豐缺級別土壤的適宜施肥量，即可建成作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統[7-9]。建立作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統工程巨大，開展多年、多點田間試驗需要耗費大量人力、物力、財力和時間，因此包括紫花苜蓿在內的許多作物和許多地域難以實現[10]。孫洪仁研究團隊創建了以“零散實驗數據整合法”和“養分平衡-地力差減法”新應用公式為核心的“作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究新方法”，成功地克服了這一難題，并建立了若干作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統[11-14]。

內蒙古高原為我國紫花苜蓿重要產區，建立土壤養分豐缺指標推薦施肥系統對紫花苜蓿生產具有重要意義。為了解決紫花苜蓿是否需要施氮、確定紫花苜蓿土壤氮素含量的臨界值、探討生長第1年與生長第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標的差異、給內蒙古高原紫花苜蓿測土施氮提供科學依據，本研究采用孫洪仁研究團隊創建的“作物土壤養分豐缺指標推薦施肥系統研究新方法”，開展了內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標推薦施肥系統研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域主要包括鄂爾多斯高原、內蒙古高原(含河北壩上地區)和科爾沁草原的內蒙古部分。該區位于干旱、半干旱帶，年均降水200～500 mm；主體植被類型為草原；主體土壤為栗鈣土和風沙土；土壤較為貧瘠，養分含量較低，風沙為害較重；雨養和灌溉農業并存。

1.2 數據來源

利用中國知網等數據庫資源，采用“苜蓿-施肥”和“苜蓿-氮”檢索式，檢索我國內蒙古高原2020年底以前發表的紫花苜蓿施氮試驗文獻，從中提取土壤堿解氮、全氮和有機質含量數據，以及施氮處理和缺氮處理(未施氮素，其他養分用量與施氮處理相同)產量數據。

1.3 數據處理

1.3.1計算相對產量 利用施氮處理和缺氮處理產量數據計算缺氮處理相對產量(缺氮與施氮處理產草量之比值)。

R=Y-N÷YN

(1)

式中R為“缺氮處理相對產量”，Y-N為“缺氮處理產量”，YN為“施氮處理產量”。

1.3.2建立回歸方程 利用Excel表，采用自然對數和直線2種模型，分別建立土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程。

1.3.3確定豐缺指標 利用所得回歸方程和土壤養分豐缺分級改良方案[15]，確定第1～11級的缺氮處理相對產量下限依次為100%，90%，80%……20%，10%和0%。利用本研究建立的回歸方程計算各豐缺級別缺氮處理相對產量起訖點數值0%，10%，20%……80%，90%和100%所對應的土壤氮素含量。對于計算得到的超出本研究試驗數據范圍的外推數據，高端和低端分別至多保留1個。

1.4 推薦施氮量

利用“養分平衡-地力差減法”新應用公式(式(2))[16-17]計算推薦施氮量。

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中:F為養分推薦養分施用量，R為缺素處理相對產量，A為目標產量養分移出量，E為養分利用率。

單位經濟產量(干草，含水量14%)紫花苜蓿氮素(N)移出量確定為30 kg·t-1[18]。內蒙古高原苜蓿單產范圍為9～18 t·hm-2，因此設定如下7個目標產量：9，10.5，12，13.5，15，16.5和18 t·hm-2。上述各目標產量氮素(N)移出量依次確定為270，315，360，405，450，495和540 kg·hm-2。氮肥利用率因施肥方式等因素通常變動于30%～50%之間，本研究選30%，40%和50%等3個氮肥利用率用于推薦施氮量計算。

2 結果與分析

2.1 內蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗文獻及與土壤氮素豐缺指標研究相關信息

搜集到在我國內蒙古高原開展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機質)含量和缺氮處理的紫花苜蓿施氮試驗文獻總計27篇。其中2000—2009年4篇[19-22]，2010—2020年23篇[23-45]；盆栽試驗3篇[24-25,43]，其余為田間試驗；含種子生產數據3篇[20,36,39]，其余為牧草生產數據。上述研究涉及19個縣域，至少16個品種，土壤類型以栗鈣土和風沙土為主，也包括黃土、草甸土和鹽化潮土等。從上述文獻中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理和施氮處理產草量配套數據61，39和80組，分別得到土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量配套數據61，39和80對。內蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗文獻中與土壤氮素豐缺指標研究的相關信息如表1所示。

表1 內蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗文獻中與土壤氮素豐缺指標研究相關信息

2.2 內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對產量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數據對以后，建立內蒙古高原紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量的回歸關系圖(圖1～圖3)和回歸方程(表2)。土壤堿解氮含量與缺氮處理相對產量回歸方程皆達到了極顯著水平(P<0.01)，且相關系數較高，皆在0.6以上。生長第1年紫花苜蓿土壤全氮含量與缺氮處理相對產量直線型回歸方程未達到顯著水平，生長第2年及以上者土壤全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量2種模型回歸方程均未達到顯著水平，且土壤有機質含量相關系數很低，在0.2以下。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程的相關系數皆明顯高于生長第2年及以上者。直線型回歸方程的相關系數與自然對數型較為接近。

圖1 內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤堿解氮含量的回歸關系

圖2 內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤全氮含量的回歸關系

圖3 內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤有機質含量的回歸關系

2.3 內蒙古高原紫花苜蓿若干節點土壤氮素含量

內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量50%～100%之間若干節點土壤氮素含量如表2所示。關于土壤氮素含量節點值的外推數據數量，生長第1年紫花苜蓿少于生長第2年及以上者；自然對數少于直線模型。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮含量高端節點值略高于生長第2年及以上者，而低端則相反。缺氮處理相對產量80%及以下之土壤氮素含量低端節點值，自然對數模型明顯高于直線模型；缺氮處理相對產量90%及以上之土壤氮素含量高端節點值，兩種模型互有高低。自然對數模型節點值皆為正數，直線模型節點值存在負數。直線模型缺氮處理相對產量60%及以下節點值皆為負數。缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程的相關系數越低，土壤氮素含量節點值的外推數據數量越多，且高端節點值越高，低端節點值越低。

表2 內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程及若干節點土壤氮素含量

生長第1年、生長第2年及以上和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產量95%對應的土壤堿解氮含量節點值依次為32.5(29.9～35.0)，29.7(27.9～31.5)和33.5(30.6～36.3)mg·kg-1，100%依次為46.1(45.6～46.5)，40.0(39.6～40.4)和48.3(48.0～48.5)mg·kg-1。生長第1年和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產量95%對應的土壤全氮含量節點值分別為1.09(0.99～1.18)和1.23(1.14～1.32)g·kg-1，100%分別為1.46(1.38～1.54)和1.67(1.63～1.71)g·kg-1。生長第1年和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產量95%對應的土壤有機質含量節點值分別為12.8(12.3～13.3)和14.2(14.0～14.3)g·kg-1，100%分別為16.5(16.4～16.5)和19.9(18.5～21.2)g·kg-1。

2.4 內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

利用相關系數達到顯著水平的回歸方程確定內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標如表3所示。缺氮處理相對產量與土壤氮素含量回歸方程的相關系數越高，劃分出來的土壤氮素豐缺級別越多；反之，相關系數越低，劃分出來的豐缺級別越少。采用自然對數模型劃分出來的土壤氮素豐缺級別數量明顯多于直線模型。第1和2級豐缺指標皆為非外推數據，其它各級別都或多或少存在一些外推數據。

表3 內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

2.4 內蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

內蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量如表4可知。紫花苜蓿推薦施氮量與土壤氮素豐缺級別線性負相關，豐缺級別越高，適宜施氮量越低，直至為零。紫花苜蓿推薦施氮量與目標產量線性正相關，目標產量越高，推薦施氮量越高。紫花苜蓿推薦施氮量與氮肥利用率線性負相關，氮肥利用率越高，推薦施氮量越低。當氮肥利用率40%時，內蒙古高原紫花苜蓿第1～6級土壤推薦施氮量分別為0，68～135，135～270，203～405，270～540和338～675 kg·hm-2。

表4 內蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

3 討論

3.1 生長年限與內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

生長年限是否影響紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標，至今未見任何報道[18]。本研究結果表明，生長年限對內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標具有明顯影響。生長第1年紫花苜蓿根系共生固氮能力逐漸增強，而生長第2年及以上者根系共生固氮能力已經成熟。有鑒于此，應該采用生長第1年紫花苜蓿和生長第2年及以上者分別建立之回歸方程所計算得到的土壤氮素豐缺指標。但生長第2年及以上紫花苜蓿土壤全氮和有機質含量與缺氮處理相對產量回歸方程未達到顯著水平，只能采用未區分生長年限的全體統一指標。

3.2 回歸模型與內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

回歸模型對燕麥(AvenaL.)、甘蔗(SaccharumL.)和馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)等作物土壤氮素豐缺指標具有較大影響[46-48]。本研究結果與其一致。內蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產量與土壤氮素含量2種模型回歸方程的相關系數較為接近，而自然對數模型外推節點值數量較少、節點值皆為相對合理之正數、劃出豐缺級別數量較多，總體評價優于直線模型。因此，本研究采用自然對數模型回歸方程計算結果。

3.3 內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標

藺蕊等[49]的少量盆栽試驗初步研究表明，新疆昌吉生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對產量95%對應的土壤堿解氮指標為40 mg·kg-1，本研究結果(29.9～35.0 mg·kg-1)較其略低。我國東北大豆[50-52]缺氮處理相對產量95%對應的土壤堿解氮指標研究結果為169～428 mg·kg-1，遠高于本研究結果(27.9～36.3 mg·kg-1)。內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標明顯低于東北大豆，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力強于大豆所致。

3.4 內蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

本文引用紫花苜蓿施肥試驗文獻[19-45]的推薦施氮量范圍為30～300 kg·hm-2。當氮肥利用率40%時，本研究第1～3級土壤的推薦施氮量與上述文獻相當。

張福鎖等[53]針對我國主要作物的推薦施氮量范圍為0～750 kg·hm-2。當氮肥利用率40%時，本研究第1～6級土壤之推薦施氮量與其較為接近。固氮能力十分強大的紫花苜蓿之推薦施氮量范圍與我國主要作物接近，當是許多用于紫花苜蓿種植的土地過于貧瘠和紫花苜蓿單位面積蛋白質產量大大高于其它作物所致。

4 結論

紫花苜蓿土壤氮素含量存在臨界值，高于臨界值無需施氮，低于臨界值需要施氮。生長第1年與生長第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標存在差異。本研究初步建立了內蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標推薦施肥系統，為該區域紫花苜蓿測土施氮提供了科學依據。