不同施氮水平对玉米产量、氮素利用效率 及土壤无机氮含量的影响

王爽，孙磊，陈雪丽，谷学佳，李伟群，王晓军，张磊，刘颖，潘亚清，王玉峰*

1. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所//黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室//黑龙江省肥料工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2. 黑龙江省农业科学院农药中心，黑龙江 哈尔滨 150086

玉米是黑龙江省主要的粮食和饲料作物，其产量的丰缺直接影响该省农业经济的发展[1]。施用氮肥是增加作用产量和改善作物品质的重要措施之一，但是在农业生产中，氮肥常常过量施入农田，一方面可造成作物体内硝酸盐的同化速度低于吸收速度，从而导致作物体内硝酸盐含量积累、品质下降等[2]，另一方面造成土壤剖面中硝态氮的大量积累，农田生态系统中氮素盈余，氮素损失量增加，地下水硝酸盐含量超标等严重的环境问题[3]。可见，氮肥的过量投入不仅造成资源、财力上的巨大浪费，也给环境和农产品安全带来负面影响[4]。因此，优化的氮肥施用制度，不仅应该满足作物所需的氮素营养、获得较高的氮素利用效率，而且必须使土壤无机氮、特别是硝态氮残留量控制在一定范围内，并确保土壤生态系统的氮素平衡。

试验以黑龙江地区玉米为研究对象，定位监测不同施氮水平对玉米产量、氮素吸收利用及土壤硝态氮积累的影响，旨在揭示不同施氮量下玉米产量、氮肥利用率及土壤硝态氮的变化规律，为优化氮肥管理、减少玉米农田土壤硝态氮淋溶损失，提高氮素养分利用率及氮素的循环利用，减少环境污染，保持粮食生产优质高效和土壤可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

该试验为田间小区定位监测试验，于2011年在黑龙江省农业科学院土壤肥料试验站(45°51'N, 126°50'E）进行，该试验站位于东北半湿润平原区，供试土壤类型为黑土，其基本养分状况见表1，0～100 cm基础土样基本理化性质见表2；玉米为当地主栽品种龙单42；肥料有尿素[w(N)=46.0%]，重过磷酸钙[w(P2O5)= 46.0%]，氯化钾[w(K2O)= 60.0%]。

表1 播种前土壤基础养分状况 Table 1 Soil fertility status before sowing

表2 供试土壤基本理化性状 Table 2 Basic physical and chemical properties of the soil studied

1.2 试验设计

试验共设7个氮水平，基肥施入重过磷酸钙130.50 kg·hm-2，氯化钾124.50 kg·hm-2：N0（对照，不施氮肥），N1（优化施氮量的75%，基肥尿素107.55 kg·hm-2，追肥尿素161.40 kg·hm-2），N2（优化施氮量的100%，基肥尿素143.40 kg·hm-2，追肥尿素215.25 kg·hm-2），N3（优化施氮量的125%，基肥尿素179.40 kg·hm-2，追肥尿素268.95 kg·hm-2），N4（优化施氮量的150%，基肥尿素215.25 kg·hm-2，追肥尿素322.80 kg·hm-2），N5（优化施氮量的200%，基肥尿素286.95 kg·hm-2，追肥尿素430.50 kg·hm-2），N6（优化施氮量的250%，基肥尿素358.65 kg·hm-2，追肥尿素538.05 kg·hm-2）。磷钾肥全部基施，氮肥基施40%、追施60%。小区面积为4.2 m×10 m=42 m2，随机区组排列，重复3次。

2011年5月4日播种，株距为5 cm，行距为70 cm，种植密度为3811（株·亩-1），整个生育期不进行人工灌溉。6月30日（大喇叭口期）追施氮肥，施肥方式为撒施。对各处理种植的玉米采取相同的农业田间管理：人工除草、中耕及病虫害防治。10月19日采集各小区0～200 cm土壤样品。

1.3 试验方法

收获时玉米测产：每个小区取连续4行玉米，每行5 m，行距0.70 m，作为测产区，测产样方面积为4 × 5 m × 0.7 m = 14 m2。9月30日收获各小区植株样品，按籽粒和茎秆分开。采集的植株样品经105 ℃杀青30 min后于80 °C下烘干至恒质量，称质量后粉碎，分别测定籽粒和茎秆的水分质量分数、全氮、全磷和全钾质量分数，测定方法见《土壤农化分析》[5]。分别单独计算籽粒和茎秆产量。

土壤硝态氮和铵态氮的测定：在玉米生长季播种前和收获后取土样，基础土样采用环刀分层取土的方法采集0～100 cm土壤剖面，测定土壤容重和田间持水量；收获后土样用土钻取土至200 cm，每20 cm为一层，3个样点相同土层土壤混合，装于塑料袋中，先放置在冰盒中冷藏，带回室内后于冰柜中冷冻。鲜土样解冻后混匀，过2 mm筛，称取12 g土，加入0.01 mol·L-1CaCl2浸提液100 mL 振荡30 min后过滤，浸提液立刻冰冻保存（或测定），同时测定土壤含水量[6]测定前将浸提液解冻，用AA3连续流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮质量分数。

1.4 统计分析

试验数据均采用Excel软件进行计算和绘图，用SAS软件进行统计检验分析。

氮肥偏生产力=施氮区玉米产量/施氮量；氮肥农学效率=（施氮区玉米产量−无氮区玉米产量）/施氮量；氮肥利用率=（施氮区玉米地上部吸氮量−无氮区玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[7]。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平下玉米产量及氮肥利用率的变化

综合研究氮肥产量效应、氮肥的吸收利用效率以及土壤-植物体系中的氮素平衡，始终是评价氮肥合理施用与否的关键所在[8]。氮素利用率不仅与氮肥品种有关，还受土壤条件、作物品种、气候特征等因素的影响[9]。从表3可以看出，随着施氮量的增加对玉米产量影响不显著，虽然以N5处理产量最高，但过高的施氮量并未显著增加玉米的产量。氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥利用率是评价农田氮肥利用效率的3个主要指标[10-11]。从表3可以看出，随着施氮量的增加，玉米的氮肥偏生产力从34.15 kg·kg-1下降到10.42 kg·kg-1，统计检验呈显著水平。氮肥农学利用率以N1处理为最高，表明增产效果最显著；总吸氮量和氮肥利用率在施氮量为165 kg·hm-2（即优化施氮量）时均达到最高；施氮量为330 kg·hm-2(N5)时，氮肥利用率降到最低(1.84%)。在试验范围内，随着施氮量的增加，氮肥农学利用率下降。本试验的结果只能说明该地区本季作物的氮肥利用率特征，其普遍规律还需长期的试验来验证。

表3 不同施氮水平下玉米产量和氮效率 Table 3 N efficiency and the yield of maize at different N application rates

2.2 玉米收获后土壤无机态氮质量分数的变化

2.2.1 玉米收获后土壤硝态氮的积累

图1 不同处理土壤剖面硝态氮的分布与积累情况 Fig. 1 Distribution and accumulation of NO3--N in soil profile at different N treatments

氮肥施用量和土壤中NO3--N（硝态氮）的积累密切相关，一般来说，土壤中NO3--N的残留随着施氮量的增加而增加[12]。因此，作物收获后残留在土壤剖面的硝态氮质量分数及其空间分布特征是表征硝态氮淋失风险的重要指标[4]。图1为不同氮水平玉米收获后各土层硝态氮质量分数变化趋势，0～80 cm土层硝态氮质量分数变幅较大，随着土壤深度的增加，土壤硝态氮质量分数随之降低，60～80 cm土层中各处理的土壤硝态氮质量分数达到最低；随着施肥梯度的增大，土壤中硝态氮质量分数同步增加，0～20 cm土层硝态氮质量分数为N6＞N5＞N3＞N4＞N1＞N2＞N0；N3与N6处理在20～40 cm土层出现硝态氮积累的高峰，分析其原因可能是由于土壤播种前已积累了大量的硝态氮(表2)，使土壤-作物体系在施氮后表现为强烈的积累。80～200 cm土层硝态氮的积累继续上升，存在向下层运移的趋势，但仍以N2处理的硝态氮质量分数为最低。

2.2.2 玉米收获后土壤铵态氮的积累

由图2可以看出，NH4+-N（铵态氮）在土壤中的质量分数较少，不同的施氮量对土壤NH4+-N质量分数的影响主要在0～20 cm土层，土壤NH4+-N质量分数的高低依次为N4>N3>N5>N0>N1>N6>N2，其中N4和N3处理的NH4+-N质量分数高于基础土样，其余各处理均明显低于播种前测定的土壤NH4+-N质量分数（表2）；20 cm以下各处理不同层次间土壤NH4+-N质量分数无显著差异，表明土壤颗粒和土壤胶体对NH4+-N具有很强的吸附作用，但也因土壤中所进行的交换反应及无机态氮的有机化、硝化和反硝化等作用，使土壤NH4+-N难以迁移至更深层次[13,14]。

图2 不同处理土壤剖面铵态氮的分布与积累情况 Fig. 2 Distribution and accumulation of NH4+-N in soil profile at different N treatments

3 讨论

氮肥对粮食作物的稳定增产起到不可替代的作用[15]。但也有报道认为，施氮对玉米籽粒的增产作用不大，氮肥利用率在随施氮量的增加而降低[16]。本研究结果表明，玉米产量随施氮量增加而增加，施氮量为165 kg·hm-2时，氮肥利用率最高，为41.03%。当施氮量高于165 kg·hm-2，产量反而有降低的趋势，过量施氮也并不能增加玉米对氮素的吸收，因而氮素利用率也随施氮量的增加而降低。

不同施肥量处理在灌溉条件、作物生长条件一致的情况下，对当季不同层次土壤硝态氮积累量的影响存在显著差异[17]。本研究结果显示，土壤剖面硝态氮质量分数的变化因施氮量的不同而表现出差异。以表层(0～40 cm)土壤硝态氮质量分数最高，不同处理间随着施肥梯度的增大，土壤中硝态氮质量分数同步增加；中间土层(60～100 cm)硝态氮质量分数最低，以后又随深度的增加而升高，这与周顺利等[18]的研究结果一致。据刘学军等[19]研究表明，1～2 m土层中积累的硝态氮难以被作物吸收利用，这部分氮素损失的可能性很大。本研究中1～2 m土层以N2处理的硝态氮积累量为最低，因此氮素淋移损失的程度也最小。

各处理的土壤铵态氮质量分数偏低，这与旱地土壤硝化作用强烈，被矿化产生的NH4+-N很快被转化为NO3--N，以及NH4+-N易被土壤胶体吸附有关[20]。与以往的研究结果类似，不同的施氮量对土壤铵态氮质量分数的影响主要在0～20 cm土层[21]，可以认为，铵态氮进入土壤中后大部分被吸附、固定在土壤颗粒中，因此，20 cm以下各处理不同层次间土壤铵态氮质量分数无显著差异。由于铵态氮硝化作用的存在，施入的氮肥以铵态氮的形式存在，为硝化作用提供底物，以保证后期有效氮供应，且避免了短时间内硝态氮的大量积累，因此，本研究中土壤铵态氮质量分数与施氮量并无显著的相关关系。

4 结论

（1）氮肥施用量的增加对玉米的增产效果产量影响不显著，总吸氮量和氮肥利用率在施氮量为165 kg·hm-2（即优化施氮量）时均达到最高；，随着施氮量的增加，氮肥偏生产力和农学利用率下降。

（2）0～200 cm土壤剖面的各土层间以0～40 cm的硝态氮质量分数最高，中间层(60～100 cm)硝态氮质量分数最低，100 cm以下又随深度的增加而升高，100～200 cm土层以N2（施氮量165 kg·hm-2）处理的硝态氮积累量为最低，因此氮素淋移损失的程度也最小。同一土层不同施肥处理之间随着施肥梯度的增大，土壤中硝态氮质量分数同步增加。

（3）施氮量对土壤铵态氮质量分数的影响主要在0～20 cm土层，以N2（施氮量165 kg·hm-2）处理的铵态氮质量分数最低，20 cm以下同一处理不同层次间土壤铵态氮的质量分数无显著差异。

（4）从降低成本、提高效益、减少氮素流失以及防止污染地下水等方面综合考虑，165 kg·hm-2的施氮量为本试验中的经济安全施氮量。

[1] 田秀平, 薛晶芳, 韩晓日. 土壤中各形态氮与玉米吸氮量关系的研究[J]. 天津农学院学报, 2007, 14(1): 9-12.

[2] 吴建新, 左强, 王甲辰, 等. 不同施肥措施对球茎茴香产量、品质及氮平衡的影响[J]. 北方园艺, 2010, (10): 15-18.

[3] ZHU Z L, CHEN D L. Nitrogen fertilizer use in China – Contributions to food production, impacts on environment and best management strategies[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63 (2-3): 117-127.

[4] 淮贺举, 张海林, 蔡万涛, 等. 不同施氮水平对玉米氮素利用及土壤硝态氮残留的影响[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(12): 2651-2656.

[5] 鲍士坦. 土壤农化分析[M]. 北京:中国农业出版社, 2000: 120-124.

[6] 崔健宇, 江荣风. 土壤农化分析实验[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2003: 14-19.

[7] LIU L J, SANG D Z, LIU C L, et al. Effects of real time and site specific nitrogen managements on rice yield and nitrogen use efficiency[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(12): 1456-1461.

[8] 戴明宏, 陶洪斌, 王利纳, 等. 华北平原春玉米季土壤硝态氮动态及氮素矿化的特征[J]. 水土保持学报, 2008, 22(3): 76-81.

[9] 张国梁, 章申. 农田氮素淋失研究进展[J]. 土壤, 1998(6): 291-297.

[10] 张福锁, 王激清, 张卫锋, 等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报, 2008, 45(5): 915-924.

[11] FAGERIA N K, BALIGAR V C. Methodology for evaluation of low and rice genotypes for nitrogen use efficiency[J]. Journal of Plant Nutrition, 2003, 26: 1315-1333.

[12] 黄绍敏, 宝德俊, 皇甫湘荣. 施氮对潮土土壤及地下水硝态氮含量的影响[J]. 农业环境保护, 2000, 19(4): 228-229.

[13] 巨晓棠, 刘学军, 张福锁. 尿素与DCD和有机物料配施条件下氮素的转化和去向[J]. 中国农业科学, 2002, 35(2): 181-186.

[14] 孙传范, 戴廷波, 曹卫星. 不同施氮水平下增铵营养对小麦生长和氮素利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(1): 33−38.

[15] CASSMAN K G, DOBERMANN A, WALTERS D T. Agroecosystems, nitrogen use efficiency, and nitrogen management[J]. Ambio, 2002, 31(2): 132−140.

[16] 赵营, 同延安, 赵护兵. 不同供氮水平对夏玉米养分积累、转运及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(5): 622- 627.

[17] ARDELL D H, FRAN C S. Corn response to nitrogen fertilization in a soil with high residual nitrogen[J]. Agronomy Journal, 2005, 97(4): 1222-1229.

[18] 周顺利, 张福锁, 王兴仁. 土壤硝态氮时空变异与土壤氮素表观盈亏Ⅱ. 夏玉米[J]. 生态学报, 2002, 22(1): 48-53.

[19] 刘学军, 巨晓棠, 张福锁. 减量施氮对冬小麦-夏玉米种植体系中氮利用与平衡的影响[J]. 应用生态学报, 2004, 15(3): 458-462.

[20] 高忠霞, 杨学云, 周建武, 等. 小麦_玉米轮作期间不同施肥处理氮素的淋溶形态及数量[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(8): 1624-1632.

[21] 马兴华, 于振文, 梁晓芳, 等. 施氮量和底施追施比例对土壤硝态氮和铵态氮含量时空变化的影响[J]. 应用生态学报, 2006, 17(4): 630-634.