氮投入對坡耕地土壤侵蝕及青貯玉米生長的影響

趙桂茹，程 易，安曈昕，周 鋒，饒東云，楊友瓊，吳伯志

（云南農業大學農學與生物技術學院，云南省作物生產與智慧農業重點實驗室，云南 昆明 650201）

我國糧食有著“十二連增”的記錄，但肥料施用量同步增加，據國家統計局數據顯示，近20年農用化肥施用量中，農用氮肥是最主要的化肥類型，以2018年為例，我國農用化肥施用折純量為5653.42萬t，其中農用氮肥和農用復合肥施用量分別為2222.18萬和2220.27萬t，遠超世界化肥施用量的平均水平（農業農村部關于印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》）。雖然氮投入提高了作物生產力［1］，但氮肥過量施用問題，首先使農業生產成本增加，影響農產品質量安全；其次，氮的富集也會導致土壤酸化和板結［2］，并以對植物有害的方式（NH4+、Al3+毒害）改變土壤化學性質［3］；另外，氮的富集還會改變植物群落組成，并常常導致生物多樣性損失［4-5］。針對氮投入所導致的上述環境問題，各國科學家提出了一系列的解決方案，例如改變施肥時間、增加作物多樣性種植、培育新作物品種、有機肥替代化肥、采用控釋性氮肥、精準施肥等技術，概括起來分為兩類措施：一是降低氮肥投入量，二是提高氮肥利用效率。減少氮投入是最為簡單有效的措施。通過消除養分的過度使用來減少農業對環境的影響，同時仍然允許主要谷物（玉米、小麥和水稻）的產量增加約30%［6］，說明適當降低氮投入并不會導致作物產量明顯降低。例如，在我國東部太湖地區，部分作物如玉米，通過采用優化的氮肥減施技術，施氮量在當前基礎上降低30%并不會降低玉米產量［7］。可知，通過采用優化的氮肥減施技術對部分作物的產量影響不顯著。。

截至目前，施肥作為主要農業生產管理措施，近年來在農業生產實踐中越來越重要，例如不同施肥方式對坡耕地水土流失的影響已有大量研究［8-11］；不同形態的氮肥或氮肥的不同使用方法對土壤侵蝕導致的面源污染的評價及研究相關報道也較多［12-14］；此外，對云南紅壤坡耕地、丘陵區紫色土壤坡耕地和東北黑土坡耕地土壤侵蝕及養分流失研究也較多，但氮投入對青貯玉米產量及坡耕地水土流失的影響尚未見報道。

我國山地、丘陵、高原面積大，坡耕地面積占國土總面積的66%。坡耕地既是山區群眾賴以生存的基本生產用地，也是水土流失發生的重要策源地，我國現有坡耕地23.95萬km2，約占全國水土流失總面積的8.1%，年均土壤流失量14.15億t，占全國土壤流失總量45億t的近1/3。例如，作為典型山區云南省，山地和山地高原面積約占其國土面積的94.0%，根據云南省2015年土壤侵蝕調查成果，全省水土流失面積10.47萬km2，占其國土面積的27.33%［15］。一般情況下，土壤地表徑流是造成我國紅壤丘陵區耕地退化的主要原因，加之長期高強度和不合理的土地利用，使得我國坡耕地地力持續下降。為了維持和提高土地生產力，在農業生產過程中，生產者不斷增加坡耕地的氮投入，前述過多氮投入帶來的危害可能會改變土壤理化性質，從而加劇坡耕地的水土流失。因此，在保證作物產量的前提下，構建適宜的坡耕地化肥減施技術，并有效控制過量氮投入所導致的以上生態環境問題和坡耕地水土流失是實現我國山地農業可持續發展的關鍵。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗地點位于云南農業大學教學農場，海拔1930 m，25°18′N，102°45′E。該區域屬于低緯度高原季風氣候，年平均氣溫為14.5℃。2019和2020年試驗區青貯玉米生育期（5～9月）的總降雨量分別為580.80和635.20 mm。依據中國氣象局頒布的降雨強度等級劃分標準可知，2019年整個生育期內降雨共64次，其中低強度降雨、中強度降雨和高強度降雨分別為44、12和8次，沒有極高強度降雨產生；2020年大田玉米生育期內降雨共80次，其中低強度降雨56次，中強度降雨11次，高強度降雨4次，極高強度降雨4次；全年日照時數2617 h。試驗地土壤為旱地紅壤（中國分類標準），耕作層（0～20 cm）的土壤有機 質35.51 g/kg，全 氮2.15 g/kg，全 磷2.25 g/kg，全鉀10.15 g/kg，堿解氮80.29 mg/kg，有效磷100.36 mg/kg，速 效 鉀170.30 mg/kg，pH值7.53。試驗共有12個小區，小區面積30 m2（10 m×3m），坡度為10°，設置50 cm隔離帶，每個徑流小區底部有一個1 m×1 m×1 m=1 m3的蓄水池，內置體積約250 L的桶，用于收集小區的徑流量和侵蝕量。

1.2 試驗設計

供試品種：玉米（Zea maysL.），青貯玉米選用曲辰9號（曲辰種業有限公司提供），分別于2019年5月12日播種（9月10日收獲）和2020年5月22日播種（9月23日收獲）。

2019年，試驗設3個不同氮投入處理：N1（常規施肥水平，300.00 kg/hm2）、N2（常規施肥水平基礎減25%，225.00 kg/hm2）、N3（常規施肥水平基礎減50%，225.00 kg/hm2）；2020年，試驗處理設4個不同氮投入處理：在2019年3個試驗處理基礎上增加N4（常規施肥水平基礎減75%，75.00 kg/hm2），每個處理設3個重復，采用打塘直播播種方式，種植密度為90660株/hm2，種植行距和塘距分別為60和40 cm；橫坡打塘，播種深度為10 cm，播種后蓋土5 cm。肥料種類：尿素、普鈣（過磷酸鈣）、硫酸鉀、商品有機肥。底肥選用普鈣、硫酸鉀、精致有機肥，此3種肥料均勻混合后作為底肥一次性施入塘內。氮肥分3次施用，即底肥、苗肥、穗肥，其比例為3∶2∶5，施肥方式：苗肥和穗肥都是采用距離玉米根系5 cm處，按照預設施氮量挖穴，覆土蓋肥。

1.3 觀測項目與方法

在云南農業大學教學農場試驗地旁邊安裝無線集成自動觀測氣象站，用來觀測降雨等氣象指標。在玉米生育期內，每次降雨產生徑流后均在次日8：30前準時取水，檢測時間間隔為24 h（8：00至第2 d 8：00）。2019和2020年分別測定徑流量和侵蝕量21和16次，收集徑流液的徑流池均配有緊密嚴實的鐵皮蓋子，基本無蒸發現象影響試驗結果。

徑流量：根據塑料桶下底面半徑r、上底面半徑R和徑流深度水深度h計算小區徑流量，其體積（m3/hm2）計算公式為：V=πh（r2+R2+rR）/3，因此，依據實際測量塑料桶下底面半徑r、上底面半徑R、夾角ɑ及水深h可得小區地表徑流量V（m3/hm2）：

產沙量（侵蝕量）：測量完徑流水深后，充分攪拌桶內的徑流，分上、中、下3層共取水樣250 mL帶回實驗室過濾，然后將直徑12.5 cm的濾紙（質量為1.50 g）置于105℃烘箱中恒溫烘干至恒重后冷卻稱重（其質量為m，單位為g），V為測定水樣的徑流量，用于計算小區土壤侵蝕量（kg/hm2）：

株高和莖粗：用塔尺測量玉米的株高（玉米株高為地面到植株雄穗頂端的高度），用卷尺測量玉米的莖粗，每個小區測量10株，然后求其平均值。葉面積指數（LAI）：使用冠層分析系統（型號：Sunscan；廠家：英國DELTA-T公司）來觀測葉面積指數。

根系生物量：收獲青貯玉米后，取出掛牌玉米根系的整塊土體，具體操作為：垂直于作物行向，以2個1/2玉米種內行，每小區取樣5株，用鋤頭挖掘出長0.4 m和寬0.4 m的根土混合體，然后取出青貯玉米植株的所有根系。在田間條件下進行初步的根土分離，識別保留的雜草莖基部，并挑出其雜草根系（斷裂在土體中的少量根系），用自來水管沖洗干凈，用吸水紙吸干玉米根系上的水，用天平（精確到0.01g）稱重，獲得根系生物量（g），然后將所有根樣分裝到標記好名稱的信封中，在80℃下烘至恒重，再用精確到0.01g天平測定根系的干重。根冠比為根干重和地上部干重的比值。

1.4 數據分析方法

采用Excel 2019對數據進行基本處理，根據公式計算得出徑流量和產沙量，再用SPSS 26.0和Origin 2018對青貯玉米產量、氮投入量、降雨量、徑流量和產沙量等指標進行相關回歸分析和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 坡耕地玉米生育期內地表徑流量的變化

2019年，在青貯玉米各個生育時期，N1和N2處理的徑流量顯著低于N3處理（P＜0.05），而N2與N1處理的徑流量未達到顯著差異（P＞0.05）。2020年，在玉米各個生育時期，N1和N2處理的徑流量極顯著低于N3和N4處理（P＜0.01），但N1與N2處理徑流量的差異不顯著（P＞0.05），N1處理的徑流量比N2、N3和N4處理分別降低3.19%、77.04%和73.56%（圖1）。由上可知，在玉米整個生育期內，不同的氮素管理對青貯玉米整個生育期的地表徑流均產生顯著影響，減施25%氮投入沒有加劇坡耕地徑流量的發生。

圖1 2019～2020年玉米生育期內徑流量

2.2 坡耕地玉米生育期內產沙量的變化

如圖2所示，不同氮投入對坡耕地產沙量產生顯著影響。2019年，在青貯玉米不同生育時期（除抽雄期外），N1和N2處理的產沙量均極顯著低于N3處理（P＜0.01），但N1與N2處理產沙量差異不顯著（P＞0.05）。2020年，不論是玉米生長前期還是玉米生長中后期，4個處理的產沙量大小呈現相一致的規律：N2＜N1＜N3和N4，并且N2和N1處理的產沙量極顯著低于N3和N4處理（P＜0.01）。在青貯玉米整個生育期內，N2處理的總產沙量顯著低于N3和N4處理（P＜0.05），并在玉米整個生育期內比N3和N4處理分別攔截了126.40%和116.68%的泥沙量（圖2）。由上可知，減少25%氮投入能夠有效攔截坡耕地的泥沙量。

圖2 2019～2020年玉米生育期產沙量

2.3 氮投入對青貯玉米農藝性狀的影響

由方差分析（表1）可知，2019年不同處理青貯玉米株高在拔節期和大喇叭口期差異不顯著（P＞0.05）；在青貯玉米抽雄期以及乳熟后期，N1和N2處理的株高差異不顯著（P＞0.05），但均顯

表1 2019～2020年玉米株高的方差分析 （cm）

著高于N3處理（P＜0.05）。2020年4個氮處理的青貯玉米株高在不同生育期的變化規律保持一致，在玉米不同生育時期，N1和N2處理的玉米平均株高顯著高于N3和N4處理（P＜0.05），但N1與N2處理之間未達到顯著差異（P＞0.05）。

在青貯玉米拔節期、大喇叭口期和抽雄期觀測了植株的葉面積指數。由表2可知，2019年，3個處理在青貯玉米的拔節期和大喇叭口期均表現出N1處理的葉面積指數顯著高于N2和N3處理（P＜0.05）；到抽雄期，N1和N2處理的葉面積指數差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于N3處理（P＜0.05）。2020年，4個處理的葉面積指數在拔節期未達到顯著差異（P＞0.05）；在玉米大喇叭口期及抽雄期，N1和N2處理的葉面積指數分別為極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）大于N3和N4處理，但N1和N2處理差異均不顯著（P＞0.05）。

表2 2019～2020年玉米葉面積指數的方差分析

在一定程度上，不同氮投入量對玉米根系生物量以及根冠比有顯著影響，如表3所示。2019年，N2和N3處理的玉米根系生物量和根冠比分別顯著（P＜0.05）和極顯著（P＜0.01）大于N1處理，但其根系生物量和根冠比差異均不顯著（P＞0.05）；而3個處理根系干重的差異性不顯著。2020年，N2處理的植株根系生物量顯著大于N1處理（P＜0.05），但顯著小于N3和N4處理（P＜0.05）；N1和N2處理的根系干重顯著小于N3和N4處理（P＜0.05）；從根冠比來看，4個處理間的比值達到極顯著差異，N2處理的根冠比極顯著大于N1處理（P＜0.01），但極顯著小于N3和N4處理（P＜0.01）。

表3 2019～2020年玉米根系生長

2.4 氮投入對青貯玉米產量的影響

由圖3可知，2019年N2處理的青貯玉米實際產量分別比N1和N3處理增產12.50%和21.62%，且顯著高于N3處理（P＜0.05），但與N1處理差異不顯著（P＞0.05）；此外，N1處理的理論鮮產、干產分別極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）高于N2和N3處理。2020年N1和N2處理的青貯玉米實際產量分別為83.98和80.64 t/hm2，極顯著高于N3和N4處理（P＜0.01），但N1和N2處理間差異不顯著（P＞0.05），N3與N4處理間差異也不顯著（P＞0.05）；N1處理的青貯玉米理論鮮產分別比N2、N3和N4處 理 增 產18.33%、102.85%和136.66%，極顯著高于N3和N4處理（P＜0.01），顯著高于N2處理（P＜0.05）；N1和N2處理的玉米理論干產極顯著高于N3和N4處理（P＜0.01），但N1和N2處理之間差異不顯著（圖3）。通過兩年青貯玉米產量分析可知，N1和N2處理的產量顯著高于N3和N4處理（P＜0.05），但N1和N2處理間沒有達到顯著差異（P＞0.05），說明在目前施肥水平基礎上適量減少氮投入不會造成玉米大幅減產。

圖3 2019～2020年玉米產量分析

2.5 基于回歸模型的玉米農藝性狀與土壤侵蝕相互關系

通過對玉米根系生物量、株高和葉面積、徑流量和產沙量之間的相關性分析（表4）發現，葉面積指數與株高之間呈顯著正相關，徑流量與產沙量呈極顯著正相關，而玉米根系生物量與玉米株高之間存在極顯著負相關；此外，葉面積指數與株高對地表徑流量和產沙量有顯著的抑制作用。

表4 玉米冠層分布與土壤侵蝕的相關關系

3 討論

3.1 氮投入對青貯玉米生長的影響

氮素對作物的生長發育必不可少，不同氮肥投入會改變土壤養分狀態，玉米冠層及根系的分布會隨之發生一系列相應的適應性變化。本研究表明：N2處理的玉米平均株高和LAI均顯著高于N3和N4處理（P＜0.05），而與N1處理未達到顯著水平（P＞0.05），這與前人的研究結果一致［16］，說明減施25%氮投入量不會影響玉米正常生長；玉米的根冠比隨著氮投入量的減少而增加，這是因為大幅度減少氮肥投入對玉米根系生長的抑制作用小于對地上部生長的抑制作用，結果會使植株的根冠比增大，并且較高的根冠比并不利于后期經濟產量的累積，這種碳水化合物分配比例的變化有利于根系的生長，使玉米根系從生長介質中吸收更多的氮［17］。但玉米的整個根系生物量與氮投入量呈負相關關系，這與前人研究得出：根長、根體積、根重、根系吸收總面積和活躍吸收面積會隨氮投入水平的提高而增加的結果［18］不一致，可能是因為不同植物根系的生長及其相關的形態指標不僅與施肥有關，還與其他因素密切相關，比如施肥種類、土壤異質性、作物布局時空差異性、施肥方法［18］、施肥深度［19-20］，大田管理水平也顯著影響玉米根系的分布，計算玉米根系方法的差異性也會導致根系生物量的變化。

此外，綜合本研究的數據分析可知，N2處理的產量與N1處理沒有顯著差異，說明在目前施肥水平基礎上適量減少氮投入不會造成玉米大幅減產，這與前人的研究結果相一致［21-24］，這可能是由于之前過量的氮投入導致氮素富集在土壤中。本研究以當地實際玉米生產的常規施肥為對照，關于青貯玉米不施氮肥對紅壤坡耕地土壤侵蝕的影響有待進一步證實。

3.2 氮投入對坡耕地土壤侵蝕的影響

通常，降雨產生的水力侵蝕，以地面的水為動力沖走土壤，主要分為面蝕和溝蝕兩大類，而地上植被覆蓋是控制水土流失的主要措施，隨著植被覆蓋度的減少，土壤可蝕性明顯增強［25-26］。本研究中N1和N2處理的徑流量和產沙量顯著低于N3和N4處理（P＜0.01，圖1、圖2），主要因為N1和N2處理玉米地上部的冠層覆蓋度高，具體表現為其玉米株高和葉面積指數顯著甚至極顯著高于N3和N4處理（表1、表2），從而可以減輕坡耕地的土壤侵蝕。覆蓋度高是影響玉米延遲徑流產生時間和減流減沙作用的主要因素，覆蓋越大，徑流產生時間越長，減流減沙效果越好［27］。此外，地被覆蓋層顯著降低了土壤容重，提高了0～20 cm耕作層的土壤孔隙度和持水量，但20～40 cm土層土壤的孔隙度和毛細管持水量卻有所降低［28］，而地表徑流和侵蝕主要與0～20 cm表層的土壤水分呈正相關，與20 cm以下其他土層的土壤水分情況無顯著相關性［29］。。

當然，即使是同樣的作物覆蓋，其根系生長好壞都會影響水土保持效果，比如玉米根系可以增強土壤的抗剪切力和抗沖性，從而提高土壤的抗蝕性［30］，但當土壤深度超過一定范圍時，坡面上徑流產沙的情況就會發生變化，坡面侵蝕經歷了從片蝕—溝蝕—溝間坡面面蝕向深切和側蝕發展的一系列動態過程，在土壤表土層，坡面上的侵蝕形態是以面蝕和片蝕的形式進行，在降雨強度相同的條件下，坡面流占總降雨量的比例隨坡度的增大而增加，由面蝕促發的徑流量和侵蝕量要遠遠高于土壤中流、溝蝕等坡面侵蝕的形式，表土層中抵抗面蝕的主體是地上部分作物的覆蓋度［31］。緊接著在40～50 cm深度片蝕或面蝕有向細溝侵蝕轉化的趨勢，同時在試驗過程中可以觀測到被沖刷掉的泥沙中有毛細根的存在，由此可知，并非所有的植物根系都能夠有效地加強土壤抗剪切和抗沖刷的能力［32］。

即使過量的氮肥投入可能降低玉米根系的縱向延伸能力，從而降低其對深層養分的吸收能力，最終導致根系的生物量相對降低，但高水平氮投入量卻有利于作物根系的橫向伸展，增加玉米1級側根密度［33-34］，從而增加玉米根系的淺層土壤覆蓋度，增強玉米根系的“加筋”作用和土壤抗蝕性。另外，本研究是挖掘出長0.4 m和寬0.4 m的根土混合體，然后沿縱向方向取出玉米植株的所有根系，并沒有研究玉米根系的橫向分布情況。因此，未來研究會將玉米冠層分布、根系橫向及縱向分布情況相結合來分析不同氮投入對坡耕地土壤侵蝕的影響，并且還要進一步探討玉米株高、LAI和根系生物量對產流產沙綜合影響的機理。

4 結論

氮投入通過影響青貯玉米地上部農藝性狀和地下根系生物量分布進而影響紅壤坡耕地的徑流量及產沙量，并且青貯玉米地上部農藝性狀特征與土壤侵蝕的負相關程度高于地下部根系生物量的分布。此外，在目前實際玉米生產施肥水平基礎上適量減少25%氮投入不會使玉米大幅減產，也不會加劇紅壤坡耕地的土壤侵蝕。