長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下玉米氮素利用率和紅壤堿解氮含量的階段性變化

宋惠潔，胡丹丹，鄔 磊，都江雪，胡志華，張文菊，李大明，余紅英，柳開樓*

（1 江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所 / 國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部酸化土改良與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330046；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3 九江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西九江 332000）

21世紀(jì)以來(lái)，玉米種植業(yè)蓬勃發(fā)展，已發(fā)展成我國(guó)第一大糧食作物。但是，農(nóng)民傳統(tǒng)管理措施[1]與土壤肥力[2]限制了玉米產(chǎn)量的提高，制約了農(nóng)民的增產(chǎn)增收。肥料投入是當(dāng)前提高作物產(chǎn)量的主要途徑之一，氮是玉米生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素，外源氮肥是保障玉米氮素吸收的重要措施。紅壤作為我國(guó)南方丘陵區(qū)重要的耕地資源，普遍存在土壤肥力低[3]，水土流失[3]、土壤酸化[4]等問(wèn)題，作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)外源氮肥的依賴度很高。過(guò)度的氮肥投入又加劇了土壤酸化[5]和水體污染[6]，形成惡性循環(huán)。據(jù)研究報(bào)道[7–8]，我國(guó)紅壤旱地單季作物有機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮投入量分別為75.59、224.8 kg/hm2，年際氮盈余為167.6 kg/hm2。土壤中盈余的氮素部分儲(chǔ)存在土壤中供下季作物吸收，部分通過(guò)硝化淋溶和氣態(tài)形式損失[9]。因此，科學(xué)的氮肥管理方式，對(duì)于建立作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展間的平衡關(guān)系顯得尤為重要。

大量研究證實(shí)，在我國(guó)紅壤區(qū)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是一種重要的、可確保土壤–作物生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)的氮素管理方法，可以有效提升農(nóng)作物氮肥利用率，維持農(nóng)田系統(tǒng)氮素平衡[10–12]。有機(jī)肥可促進(jìn)微生物對(duì)農(nóng)田銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的同化，減輕土壤酸化程度[12]。施用有機(jī)肥作物的氮素吸收量和氮素回收利用率較施用化肥可分別提高155.2%和73.91%。Duan等[13–14]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的氮肥利用率平均為49%，最高達(dá)70%。然而，長(zhǎng)期施用氮肥也導(dǎo)致氮素盈余量的增加，He等[15]的研究表明，我國(guó)氮素盈余量1984—2010年間呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，2010—2014年呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，以東南地區(qū)的氮盈余值最大(93.4～129.7 kg/hm2)。Liu等[16]在馬鈴薯的研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，紅壤中的氮素盈余逐漸增加，當(dāng)?shù)嗔砍^(guò)94.3～100.0 kg/hm2時(shí)，硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)呈指數(shù)級(jí)增加。許多研究證明，有機(jī)氮替代部分化肥氮[17–18]、合理的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施[19–23]，均可有效降低土壤氮盈余與潛在的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。然而，氮素盈余與土壤氮素供應(yīng)能力的相關(guān)關(guān)系還缺乏深入研究。因此，本研究以紅壤雙季玉米為對(duì)象，研究了不同施氮措施下氮素表觀盈余和土壤堿解氮的量化關(guān)系，以期為實(shí)現(xiàn)紅壤氮素科學(xué)管理和玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究選擇于1986年開始監(jiān)測(cè)的紅壤雙季玉米長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)進(jìn)行，地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，江西省進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn) (28°15′30″N，116°20′24″E)，年均溫18.1℃，年均降雨量與蒸發(fā)量分別為1537、1150 mm。干濕交替明顯，全年60%以上的降雨集中在3—6月，全年40%以上的蒸發(fā)集中在7—9月。

供試土壤為紅壤旱地(第四紀(jì)黏土發(fā)育)，0—20 cm基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)為：pH 6.0、有機(jī)碳9.39 g/kg、全氮 1.00 g/kg、堿解氮 60.3 mg/kg、全磷 1.4 g/kg、有效磷 12.9 mg/kg、全鉀 15.8 g/kg、速效鉀102 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選擇5個(gè)處理，分別為：不施肥(CK)、常量化肥(NPK)、兩倍量化肥(DNPK)、有機(jī)肥(OM)和常量化肥+有機(jī)肥(NPKM)。小區(qū)面積22.2 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。

供試作物為玉米，1986—2020年供試品種為掖單13號(hào)。4—7月為春玉米，8—11月為秋玉米，冬季休閑。每季播種量30 kg/hm2，株距30 cm，行距50 cm。秸稈不還田。

兩季玉米肥料施用量相同，供試化肥為尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥 (P2O512.5%)和氯化鉀 (K2O 60%)，有機(jī)肥為鮮豬糞 (含水量 70%，C 414.0 g/kg、N 20.9 g/kg、P 3.9 g/kg、K 9.3 g/kg)，每季施用量為 1.5×104kg/hm2。有機(jī)肥與磷、鉀化肥一次性基施，氮肥60%基施，40%于苗后3周左右追施，各施肥處理周年養(yǎng)分投入量見(jiàn)表1。

表1 各處理養(yǎng)分周年投入量(kg/hm2)Table 1 Annual nutrient input in each treatment

1.3 樣品采集和指標(biāo)測(cè)定

于收獲期，在各小區(qū)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位采集1株，分別取籽粒、秸稈部分，烘干、研磨、混勻后用于測(cè)定各部分氮素含量，測(cè)定方法為重鉻酸鉀–硫酸消化法[24]。取樣后將每小區(qū)內(nèi)玉米果穗全部采收，曬干后脫粒，計(jì)為小區(qū)產(chǎn)量，文中各處理年產(chǎn)量為春玉米和秋玉米產(chǎn)量之和。于秋玉米收獲后，在各小區(qū)隨機(jī)選5個(gè)點(diǎn)位采集0—20 cm土層的土壤，風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后用于測(cè)定土壤堿解氮含量，測(cè)定方法參考魯如坤的堿解擴(kuò)散法[24]。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

氮素吸收量、氮素利用率和氮素表觀盈余量計(jì)算公式：

式中：NUX表示X處理下玉米氮素的吸收量，GYX表示X處理下籽粒的產(chǎn)量，GCX表示X處理下籽粒中氮素的含量，SYX表示X處理下秸稈的重量，SCX表示X處理下秸稈中氮素的含量；NUEX表示X處理下氮肥利用率，NU0表示不施氮(CK)處理下氮素的吸收量，NIX表示X處理下氮肥的投入量；NBX表示X處理下氮素表觀盈余量。

各處理產(chǎn)量、氮素吸收量、氮肥利用率、氮素表觀盈余量和耕層土壤堿解氮含量均為0～10、11～20、21～30、31～35年的平均值。采用線性擬合方程對(duì)各處理不同指標(biāo)在0～35年的變化進(jìn)行了研究，并采用線性擬合方程的斜率表示各指標(biāo)的增速。

數(shù)據(jù)整理采用的是Excel 2010，數(shù)據(jù)分析采用的是 SAS 9.1，圖形繪制采用的是 Origin 8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥處理各試驗(yàn)階段玉米周年產(chǎn)量

由圖1可知，所有施氮處理都能顯著提升玉米產(chǎn)量，但隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各施氮處理對(duì)產(chǎn)量的提升效果存在顯著差異。整個(gè)試驗(yàn)期間(0～35年)，NPKM處理年均玉米產(chǎn)量最高，較CK處理增加了3.36～9.07倍；其次是DNPK和OM處理，分別較CK處理增加了3.31～5.64和2.46～6.72倍，NPK處理年均產(chǎn)量較CK增加了1.91～3.70倍。NPK和DNPK處理玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)前20年上升后15年下降的趨勢(shì)，而NPKM和OM處理表現(xiàn)為逐漸上升趨勢(shì)。DNPK、NPKM處理玉米產(chǎn)量在0～10年與NPK無(wú)顯著差異，在21～35年較NPK處理分別顯著增加了51.57%～52.99%、129.9%～246.6%。試驗(yàn)前20年，OM與NPK處理玉米產(chǎn)量不存在顯著差異，在21～30年、31～35年OM較NPK處理分別顯著增加了80.29%、155.1%。在試驗(yàn)11～20和31～35年，NPKM處理玉米產(chǎn)量較OM處理顯著增加，增幅分別為50.04%、35.90%。因此，在所有的氮肥處理中，NPKM處理對(duì)玉米產(chǎn)量的提升優(yōu)勢(shì)最佳 (增速 174.2 kg/(hm2·a)，其次是 OM 處理 (增速128.0 kg/(hm2·a)。

圖1 不同處理各試驗(yàn)階段玉米平均周年產(chǎn)量Fig.1 Average annual maize yield under different treatments in each experimental period

2.2 施肥處理各試驗(yàn)階段玉米氮肥偏生產(chǎn)力

隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各施氮處理下氮肥偏生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)明顯不同(圖2)。NPK和DNPK處理的氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為0～20年升高21～35年降低的趨勢(shì)，NPKM和OM處理的氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)0～35年逐漸升高的趨勢(shì)。試驗(yàn)0～20年，以NPK處理氮肥偏生產(chǎn)力為最高，DNPK處理次之，NPK處理20年平均氮肥偏生產(chǎn)力分別較DNPK、NPKM、OM處理高41.56%～66.45%、73.62%～110.81%和58.95%～62.43%(P<0.05)，而在試驗(yàn)31～35年，NPK和DNPK處理氮肥偏生產(chǎn)力顯著低于NPKM和OM處理。OM處理氮肥偏生產(chǎn)力始終高于NPKM處理，試驗(yàn)0～10、11～20、21～30及31～35年的平均氮肥偏生產(chǎn)力較NPKM處理分別提高了29.79%、9.23%、28.52%、20.60%。因此，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，OM處理對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的提升效果最好，增速5.623 kg/(kg·a)，其次是NPKM處理，增速 4.704 kg/(kg·a)。

圖2 不同處理各試驗(yàn)階段玉米平均氮肥偏生產(chǎn)力Fig.2 Average partial factor productivity of N fertilizer under different treatments in each experimental period

2.3 施肥處理各試驗(yàn)階段玉米氮素吸收量

由圖3可知，所有施氮處理都能顯著提升玉米氮素吸收量，且隨施肥年限的延長(zhǎng)，各施氮處理的氮素吸收量變化規(guī)律不同。35年氮素平均吸收量以NPKM處理最高，較CK處理顯著提升了5.20～11.93倍，其次是DNPK與OM處理，較CK處理分別提升了4.33～7.02和3.66～5.90倍，NPK處理較CK處理也提升了1.80～3.64倍。隨施肥年限的延長(zhǎng)，NPKM處理的氮素吸收量呈明顯上升趨勢(shì)，而NPK與DNPK處理的氮素吸收量呈現(xiàn)0～20年升高，21～35年降低的趨勢(shì)，OM處理的氮素吸收量在整個(gè)試驗(yàn)期間基本表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。NPKM和DNPK處理的35年平均氮素吸收量分別較NPK處理提高了73.86%～362.5%、49.38%～91.37%(P<0.05)；OM處理在試驗(yàn)21～35年的氮素吸收量顯著高于NPK處理73.98%～147.1%。NPKM處理玉米在試驗(yàn)11～20、21～30和31～35年的氮素吸收量較OM處理分別顯著增加了 96.27%、76.13%和87.20%。因此，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，NPKM處理對(duì)玉米氮素吸收量的提升優(yōu)勢(shì)最佳，增速2.40 kg/(hm2·a)，其次是 OM 處理，增速 0.31 kg/(hm2·a)。

圖3 不同處理各試驗(yàn)階段玉米平均周年氮素吸收量Fig.3 Annual nitrogen uptake of maize under different treatments in each experimental period

2.4 施肥處理各階段玉米氮肥利用率

由表2可知，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，各施氮處理下氮素利用率變化趨勢(shì)明顯不同。試驗(yàn)0～10年，各處理氮肥利用率以O(shè)M最高，其次是NPK處理，NPKM處理最低，NPKM處理0～10年的平均氮素利用率較OM處理低23.92%；試驗(yàn)11～20年，OM處理的平均氮素利用率最低，NPK、DNPK與NPKM處理分別高于OM處理55.77%、50.02%和35.77%；試驗(yàn)21～35年，NPKM處理的平均氮素利用率最高，其次是OM處理，NPK處理最低，NPKM、OM處理分別高于NPK處理48.70%～159.09%、28.30%～110.23%。因此，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，NPKM處理對(duì)玉米氮肥利用率的提升效果最佳，年增速達(dá)到6.58%，其次是OM處理，年增速為2.38%，而NPK和DNPK處理下玉米的氮肥利用率逐漸降低。

表2 不同處理各試驗(yàn)階段玉米周年平均氮肥利用率(%)Table 2 Annual nitrogen use efficiency of maize under different treatments in each experimental period

2.5 施肥處理各試驗(yàn)階段的氮素盈余量

施肥可以增加土壤氮素盈余，連續(xù)35年施用化肥土壤氮素盈余上升，連續(xù)35年施用有機(jī)肥土壤氮素盈余下降(表3)。整個(gè)試驗(yàn)期間(0～35年)，CK的氮素盈余均表現(xiàn)為虧缺，虧缺10.26～12.94 kg/hm2，各施氮處理土壤氮素表觀平衡均為盈余，NPK、DNPK、NPKM、OM處理土壤氮素盈余量分別為65.35 ～88.94、145.58 ～180.56、164.19～227.54、111.10～152.96 kg/hm2。不同試驗(yàn)階段各處理間氮素盈余量明顯不同。0～30年，各處理氮素盈余量表現(xiàn)為NPKM最高，DNPK和OM處理次之，NPK處理最低，其中，NPKM處理較NPK、OM與DNPK處理分別顯著提高了132.95%～208.24%、30.84%～90.83%和13.63%～37.48%；但在試驗(yàn)31～35年中，DNPK與NPKM處理均顯著高于OM和NPK處理，其中DNPK處理較OM和NPK處理分別提升了62.52%、103.01%，NPKM處理氮素盈余量較OM和NPK處理分別提升了47.79%、84.61%。因此，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，NPKM處理的氮素盈余量逐漸降低 [降速為 0.03 kg/(hm2·a)]，而 OM 處理的氮素盈余量則在試驗(yàn)20年后逐漸降低。

表3 不同處理下各試驗(yàn)階段的年平均氮素盈余量 (kg/hm2)Table 3 Annual nitrogen surplus under different treatments in each experimental period

2.6 施肥處理各試驗(yàn)階段耕層土壤堿解氮含量

長(zhǎng)期施氮肥能增加耕層土壤堿解氮含量(表4)，試驗(yàn)10年后，除NPK處理外，其他施氮處理的土壤堿解氮含量顯著高于CK處理，至試驗(yàn)31～35年，DNPK、NPKM、OM處理分別較CK處理高了60.71%、79.32%、62.77%。隨著施肥年限的延長(zhǎng)，施氮對(duì)土壤堿解氮的提升效果越來(lái)越明顯，在試驗(yàn)31～35年中，各施氮處理下土壤堿解氮含量均有突增的趨勢(shì)。各施氮處理的0—20土層土壤堿解氮含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)明顯不同。試驗(yàn)期間，NPKM處理的土壤堿解氮含量表現(xiàn)最高，其次DNPK處理和OM處理，但差異不顯著；NPK處理相對(duì)較低，在試驗(yàn)31～35年中，顯著低于NPKM、OM和DNPK處理，分別低了29.62%、22.46%和21.46%。因此，NPKM處理對(duì)耕層土壤堿解氮含量的提升效果最佳[增速9.82 mg/(kg·a)]，其次是OM處理[增速 7.60 mg/(kg·a)]。

表4 不同處理各試驗(yàn)階段耕層土壤堿解氮含量(mg/kg)Table 4 Alkali-hydrolyzable nitrogen content in topsoil under different treatments in each experimental period

2.7 氮素盈余與土壤堿解氮含量的相關(guān)關(guān)系

圖4顯示，各試驗(yàn)階段氮素盈余量與耕層(0—20 cm)土壤堿解氮含量均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，0～10、11～20、21～30和 31～35年間，R2分別為0.9349、0.9151、0.7230、0.8626 (P<0.05)。結(jié)合線性擬合方程的斜率，氮素盈余量每增加10 kg/hm2時(shí)，0～10、11～20、21～30和31～35年間耕層土壤堿解氮含量分別提高1.00、1.20、1.60和2.80 mg/kg，因此，氮素盈余量對(duì)耕層土壤堿解氮含量的提升效果隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)表現(xiàn)為不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖4 氮素盈余與耕層土壤堿解氮含量的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship between nitrogen surplus and alkali-hydrolyzable nitrogen content in topsoil

3 討論

3.1 氮肥施用調(diào)控作物的產(chǎn)量、氮素吸收利用和平衡

施用氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高玉米產(chǎn)量的常見(jiàn)措施[4,25]，但越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，大量投入化學(xué)氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤酸化問(wèn)題加劇，不利于土壤有機(jī)碳的積累，從而限制作物產(chǎn)量潛力的發(fā)揮[26–27]，本研究的結(jié)果也表明，常規(guī)量施用化肥在試驗(yàn)0～10年對(duì)玉米增產(chǎn)效果明顯低于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理，而連年兩倍量施用化肥雖在試驗(yàn)0～20年對(duì)玉米的增產(chǎn)效果較好，但隨著施肥年限的延長(zhǎng)，試驗(yàn)21～35年玉米增產(chǎn)效果顯著低于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用，說(shuō)明增加化肥用量雖然可以增加玉米產(chǎn)量，但隨著施肥年限的延長(zhǎng)增產(chǎn)效果不能持續(xù)。原因一方面與化肥連續(xù)施用導(dǎo)致土壤酸化嚴(yán)重，從而限制作物高產(chǎn)有關(guān)。本試驗(yàn)的前期研究也表明，與試驗(yàn)前(初始土壤pH為6.0)相比，連續(xù)30年施用化肥土壤pH降低了1.23個(gè)單位，而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施土壤pH的降幅明顯較低(比試驗(yàn)前降低0.56個(gè)單位)，同時(shí)，試驗(yàn)30年時(shí)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的土壤pH比化肥處理提高了0.67個(gè)單位[28]。另一方面，本試驗(yàn)的土壤微生物研究表明，連續(xù)35年施用化肥導(dǎo)致土壤微生物群落多樣性降低，而35年持續(xù)施用化肥和有機(jī)肥則有利于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度提升，其中 Hypocreales、Bryobacter、Solirubrobacterales、Thermomicrobiales和Roseiflexaceae等功能微生物通過(guò)增加土壤磷轉(zhuǎn)運(yùn)和抑制作物對(duì)鋁和錳的吸收來(lái)提高玉米產(chǎn)量[29]。本研究進(jìn)一步表明，連年有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下玉米的增產(chǎn)效果較為持續(xù)，這與前人的研究[30–31]相吻合，原因可能是玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳相關(guān)性較強(qiáng)[32]，施用有機(jī)肥更有利于土壤有機(jī)碳的積累與富集[33–34]，另外，持續(xù)的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施也有利于土壤氮磷鉀養(yǎng)分的積累[30]，能夠改善土壤對(duì)作物養(yǎng)分的供應(yīng)過(guò)程，從而有利于養(yǎng)分的平穩(wěn)釋放與持續(xù)供應(yīng)[35–36]。

由于外源氮肥的供應(yīng)，在紅壤上施用氮肥可以顯著提高玉米的氮素吸收量，與鄭偉等[37]的研究結(jié)果相似。但是，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，不同施氮措施下玉米氮素的吸收利用存在顯著差異。連年施用化肥處理玉米的氮素吸收利用表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，而連年施用有機(jī)肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下，玉米的氮素吸收量和氮肥利用率均持續(xù)提升，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，氮素吸收量及氮肥利用率的提升效果逐漸增強(qiáng)。這說(shuō)明，相比化肥，施用有機(jī)肥更有利于玉米所需的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移，保障玉米高產(chǎn)。高洪軍等[38]的研究也表明，相比單施化肥，農(nóng)家肥配合化肥可以顯著提高玉米對(duì)氮素的吸收積累，促進(jìn)玉米植株吸收的氮向籽粒中轉(zhuǎn)移，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施氮肥偏生產(chǎn)力為65.4 kg/kg，較單施化肥提高了1.7%，提升幅度與本研究存在差異，原因主要與施肥量和玉米產(chǎn)量不同有關(guān)。同時(shí)，也有研究表明，作物對(duì)氮肥的吸收利用與鉀肥投入有關(guān)，在合理的氮肥用量下，配合適宜的鉀肥投入可以顯著提升作物的氮肥利用率[39]。此外，不同地區(qū)的土壤肥力特性、玉米品種等也是影響氮肥利用率提升幅度的關(guān)鍵因子。而本研究中，NPKM處理和OM處理的產(chǎn)量差異明顯低于氮吸收量差異，主要與NPKM處理下氮素向秸稈中的分配率相對(duì)較高有關(guān)，這與謝軍等[40]的研究結(jié)果不一致，原因主要是本試驗(yàn)供試玉米為20世紀(jì)80年代選育的掖單13號(hào)，品種老化可能導(dǎo)致了結(jié)果差異。

在紅壤上，不施肥會(huì)導(dǎo)致作物系統(tǒng)氮素匱缺，而持續(xù)投入氮肥則可以改善氮素盈余狀況，這與其他土壤類型的研究結(jié)果[17–19,41–42]相似。在所有施肥處理中，單施化肥下土壤氮素表觀盈余量均隨施肥年限的延長(zhǎng)先降低后升高。而連年有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施以及單施有機(jī)肥處理下，氮素表觀盈余量均隨施肥年限的延長(zhǎng)而逐漸降低，原因主要與長(zhǎng)期配施有機(jī)肥下玉米產(chǎn)量持續(xù)提升，從而引起氮素吸收量逐漸增加有關(guān)。這一結(jié)論與前人的研究結(jié)果[41,43]有所不同。郝小雨等[41]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥下黑土作物產(chǎn)量變化及養(yǎng)分平衡狀況發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期單施氮肥和有機(jī)肥土壤氮素均處于虧缺狀態(tài)，而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下土壤供氮能力有所改善，但依然表現(xiàn)為虧缺。這可能與土壤肥力、有機(jī)肥種類及養(yǎng)分含量不同有關(guān)。因此關(guān)于有機(jī)肥配施下氮素盈余的效果還需進(jìn)一步研究。另外，Zhu等[44]指出，當(dāng)?shù)赜嗔扛哂诘剌斎肓康?7%時(shí)，氮素?fù)p失大，更容易造成污染，本研究中，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下氮素盈余量占氮素輸入量的比例逐漸降低，而長(zhǎng)期施用化肥該比例逐漸升高，在試驗(yàn)31～35年，NPKM處理最低，為53.34%，其次是OM處理，為59.14%，NPK處理和DNPK處理較高，分別是74.12%、75.23%，因此，從氮素盈余量占氮素輸入量的百分比來(lái)看，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施會(huì)減少過(guò)多的氮素盈余造成的損失及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。但本試驗(yàn)中氮素盈余量占氮素輸入量的百分比較高，一方面與施肥量有關(guān)，本試驗(yàn)中化肥和有機(jī)肥投入量及比例是20世紀(jì)80年代延續(xù)至今的，在后期的研究中，會(huì)深入研究不同氮投入量及有機(jī)無(wú)機(jī)氮配比下紅壤旱地氮素盈余量的變化，以探尋更為合理的氮肥施用量和施肥方式。另一方面與本研究計(jì)算的氮素表觀平衡高估了氮素盈余量有關(guān)。

3.2 氮盈余與土壤堿解氮的相關(guān)關(guān)系

通過(guò)連續(xù)35年的施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著施肥年限的延長(zhǎng)，土壤堿解氮含量不斷提升，說(shuō)明施氮有利于提升土壤的供氮能力，且隨著施肥年限的延長(zhǎng)，提升效果逐漸增強(qiáng)。這與Li等[45]的研究一致。較多的氮素盈余會(huì)促進(jìn)土壤氮庫(kù)提升。其中試驗(yàn)31～35年土壤堿解氮含量的大幅提升主要與氮素盈余的貢獻(xiàn)有關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)，氮素盈余量與土壤堿解氮含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且線性擬合方程的斜率表明，氮素盈余量每增加10 kg/hm2時(shí)，31～35年間0—20 cm土層土壤堿解氮含量提高2.80 mg/kg，明顯高于0～10、11～20、21～30年間的1.00、1.20、1.60 mg/kg的堿解氮含量提高量，說(shuō)明隨著施肥年限的延長(zhǎng)，氮素盈余量對(duì)耕層土壤堿解氮含量的提升效果逐漸增強(qiáng)。因此，在研究氮肥施用策略和土壤氮素有效性措施時(shí)，應(yīng)將氮素平衡作為一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行參考[46–47]。同時(shí)，也有研究表明，通過(guò)配施有機(jī)肥提高土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量也是土壤堿解氮含量增加的主要原因[48]，可能是適宜的pH和有機(jī)質(zhì)含量促進(jìn)了土壤微生物活性和相關(guān)酶活性的提升，從而明顯改善了土壤氮素的有效性[49]。然而，除了堿解氮，土壤氮素形態(tài)還有有機(jī)態(tài)氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等，氮素盈余對(duì)這些氮素形態(tài)提升的貢獻(xiàn)還不清楚，建議后續(xù)開展相關(guān)研究，從而深入解析氮素盈余對(duì)土壤氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響。

此外，由于本研究計(jì)算的氮素表觀平衡，未考慮土壤氮礦化和淋溶、灌水和干濕沉降等氮投入[47]，以及氨氣揮發(fā)、硝態(tài)氮淋溶和反硝化作用等氮損失[50]，從而可能高估了氮素盈余量對(duì)土壤堿解氮含量的提升效果。楊憲龍等[47]通過(guò)對(duì)陜西關(guān)中4年的小麥—玉米輪作體系氮素的輸入輸出研究發(fā)現(xiàn)，土壤礦化氮、灌水及干濕沉降帶入氮占氮素輸入總量比例為24.7%～48.3%，表觀損失率為38.6%～61.4%。候云鵬等[50]在對(duì)稻田氮素平衡的研究中也發(fā)現(xiàn)，在總氮素輸入量中，人工施肥氮量?jī)H占25.3%～57.5%，在總氮素輸出量中，表觀損失量為16.2～57.2 kg/hm2。因此，在后續(xù)的研究中，建議綜合考慮氮素施入與流出，以便精準(zhǔn)計(jì)算氮素平衡，從而更加準(zhǔn)確評(píng)估氮素盈余量對(duì)土壤堿解氮的提升效果，以期為紅壤氮肥的科學(xué)管理提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

在南方紅壤丘陵區(qū)，單施化肥玉米氮素吸收量和肥料的偏生產(chǎn)力在試驗(yàn)前20年呈增加趨勢(shì)，之后呈下降趨勢(shì)。而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或者施有機(jī)肥可持續(xù)提高氮肥利用率，促進(jìn)玉米增產(chǎn)。氮素盈余量的增加與耕層土壤堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施隨施肥年限的延長(zhǎng)，提升土壤堿解氮含量的效果增強(qiáng)。