基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术

隽英华，汪 仁，孙文涛，邢月华

(1辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁沈阳110161;2沈阳农业大学，辽宁沈阳110866)

氮是植株生长所必须的营养元素，同时也是土壤中含量较低而作物从土壤中吸收数量最多的营养元素，因此氮肥的施用对保持作物高产稳产具有重要作用［1］。由于氮素资源具有来源多向性与去向复杂性［2］，农户对氮肥的管理很难做到合理施用，过量施氮现象十分普遍。据调查，东北春玉米氮肥施用量约为 240～280 kg/hm2，高的超过 300 kg/hm2，远远超过当前产量水平的需求量和专家推荐量，资源浪费严重，养分效率低下并导致严重的环境问题［3-4］。协调作物高产、氮肥高效利用和生态环境之间的矛盾已成为现代农业发展必须解决的问题［5-6］。

早在1999年陈新平等［7］应用土壤、植株快速测试方法建立了氮肥实时监控技术，以实现土壤养分供应与作物养分需求之间的同步。张福锁等［8］对该技术继续进行了研究，更好地实现了土壤、环境和肥料氮素供应与作物不同生育阶段的氮素需求在数量、时间和空间上的耦合［9］。氮肥实时监控技术主要针对氮素来源与去向的多向性资源特征提出的，以根层养分调控为技术核心［22］。该技术根据春玉米不同生长发育阶段氮素需求规律和根系在土壤中的生长深度，来确定不同生长阶段所需氮素供应量(土壤硝态氮+肥料氮)。氮肥实时监控技术在花椰菜、夏玉米、冬小麦等［11-13］作物上研究相对较多，而在东北春玉米上鲜有报道。东北春玉米的种植面积和产量约占全国的1/4［14］，肩负着为国家提供数亿人口粮食供给的重任。近年来，单产和总产有了大幅度提高，但这种高产多数是以高氮肥用量为代价的。农民习惯施氮存在一定盲目性，氮肥投入总量大，前期投入比例高，施肥时期与作物生长不同步［15］。鉴于此，本文试图通过氮素实时监控技术对春玉米施氮进行优化管理，实现土壤氮素供应与作物氮素需求的协调一致，提高春玉米产量和氮肥效率，旨在为东北地区春玉米生产提供氮肥管理理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2010～2012年在辽宁省昌图县老城镇进行(N 42°46'33''，E 123°57'39'')，该区属于中温带亚湿润季风大陆性气候，年均温度7.0℃，年均日照总数为2700 h，4 ～9月有效日照总数1700 h，年均降水量500～600 mm，无霜期148 d左右，≥10℃有效积温3200℃。供试土壤类型为中等肥力棕壤。表层土壤(0—20 cm)的基本理化性质为:有机质 18.5 g/kg、全氮 1.23 g/kg、全磷 1.08 g/kg、全钾13.8 g/kg、碱解氮 114 mg/kg、有效磷 18.2 mg/kg、速效钾156 mg/kg、pH 6.10。试验前0—100 cm土层的矿质氮(Nmin)累积量如表1所示。

表1 试验前0—100 cm土层矿质氮(Nmin)累积量(kg/hm2)Table 1 Nminaccumulation at 0－100 cm soil layer before the testing

1.2 试验设计

2010～2011 年主要开展春玉米氮肥实时监控技术体系的建立研究。试验设6个施氮水平，分别为 N 0、60、120、180、240 和 300 kg/hm2，用 N0、N60、N120、N180、N240和N300表示，每处理3次重复，小区面积为30 m2，随机区组排列。各处理均施磷肥(磷酸二铵)和钾肥 (氯化钾)，施用量分别为P2O597.5 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2，全部以基肥形式施入;氮肥为尿素，其中20%作基肥，40%在拔节期(6月28日)追施，40%在大喇叭口期(7月31日)追施。供试玉米品种为郑单958，种植密度为6.2×104plant/hm2。4月23日播种，9月23日收获。2011年与2010年的试验方案一致，试验区在同一地块，但相邻不重叠。

2012年主要开展春玉米氮肥实时监控技术体系的田间验证试验，设3个处理，为无氮对照(CK)、习惯施肥(FP)和优化施肥(OPT)，采用大区设计，面积334 m2，2次重复(Ⅰ、Ⅱ)，具体施氮方法见表2。常规施肥处理的施氮量根据调查当地施氮量的平均值确定，优化施肥处理的施氮量是基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术体系确定的施氮量(以目标产量10000 kg/hm2计算)。所有处理磷、钾肥均全部作基肥一次性施入，施用量分别为P2O597.5 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2。供试玉米品种、田间管理等其他工作与2010年完全一致。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤样品采集 分别于播种前(4月23日)和收获后(9月23日)采取0—100 cm土壤样品，每20 cm为一层，同时测定土壤容重。每小区随机采取5点，同层次的土壤混为1个土样，装入自封袋中。带回实验室，四分法取样，一部分新鲜土壤过2 mm筛用于测定矿质氮含量，另一部风干后用于测定土壤基本理化性状。

表2 2012年田间验证试验春玉米施氮量及方法(kg/hm2)Table 2 N management for spring maize in the field testing experiment in 2012

1.3.2 植株样品采集 分别于苗期(5月23日)、拔节期(6月28日)、大喇叭口期(7月17日)、灌浆期(8月18日)和成熟期(9月23日)采集植株样品，苗期每个小区随机采取50株，拔节期以后每个小区随机采取6株组成混合样品，烘干后测定干物质量，并按茎、叶、籽粒和穗轴分开，磨碎(0.25 mm筛)，测定全氮含量。2010～2011年收获时全小区单打单收，测定生物产量;同时选取整齐一致具有代表性的5穗玉米进行考种。

2012年收获时每小区选取三点，每点67 m2，测定生物产量;同时每小区随机选取整齐一致具有代表性的10株植株带回实验室，烘干后测定干物质量，并按茎、叶、籽粒和穗轴分开，磨碎(0.25 mm)后测定全氮含量。

1.4 测定项目与方法

土壤水分和植物干物质量分别采用常压恒温干燥法测定;土壤容重采用环刀法;土壤矿质氮含量采用2 mol/L KCI溶液浸提，连续流动分析仪(AA3，德国布朗卢比公司)测定(土水比为1∶10，160 r/min振荡1 h，过滤后将滤液保存于 -18℃冰箱中);植株全氮采用浓H2SO4-H2O2消解—凯氏定氮法测定［16］。

1.5 相关指标计算方法［17－18］

氮肥利用率(%)=(施氮处理作物吸氮量-不施氮处理作物吸氮量)/施氮量×100

氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/作物吸氮量

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮处理籽粒产量/施氮量

土壤剖面中各土层矿质氮(硝态氮或铵态氮)累积量(Nmin，kg/hm2)计算公式为:

式中:d为土层厚度(20 cm);Pb为土壤容重(g/cm3);C为土壤硝态氮或铵态氮含量(N mg/kg);0.1为换算系数。剖面矿质氮累积量为硝态氮和铵态氮累积量之和。经测定0—20 cm土层土壤容重为1.15 g/cm3，20—40 cm为1.23 g/cm3，下层为1.38 g/cm3。

1.6 数据处理

所有试验数据均采用平均值的形式表示，利用软件Microsoft Excel 2003和SPSS 11.5进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

土壤剖面中的NH+4-N累积量较少 (表1)，并且容易被土壤颗粒吸附，植株吸收利用的量较少，加之基本上不受生育期和施氮量的影响［19-20］，因此土壤矿质氮累积量以NO-3-N为主，NH+4-N累积量相对于NO-3-N可忽略不计。

2.1 不同氮肥水平对春玉米产量及氮肥效率的影响

随着施氮量增加，春玉米籽粒产量显著增加，当施氮量达到240 kg/hm2时，籽粒产量达到最大，之后继续增加施氮量并不能进一步提高籽粒产量(表3)。分析表明，籽粒产量(Y，kg/hm2)与施氮量(X，kg/hm2)之间呈二次曲线关系(图1)，回归方程为Y=-0.0453X2+18.949X+8866(R2=0.7636＊＊)，当施氮量为 N 209 kg/hm2时获得最高产量10847 kg/hm2，当施氮量为N 179 kg/hm2时获得最佳产量10806 kg/hm2(尿素态氮按5.20 Yuan/kg，玉米1.90 Yuan/kg计)。综合分析施氮量与籽粒产量的关系表明，适宜施氮量在N179～209 kg/hm2之间。

本试验条件下氮肥利用率在21.0% ～30.0%之间。随着施氮量的增加，籽粒吸氮量和作物总吸氮量均显著增加，当施氮量达到180 kg/hm2时，两者均达到较高水平，之后继续增加施氮量并不能显著提高籽粒吸氮量和作物总吸氮量(表3)。相关分析表明，作物吸氮量 (Y，kg/hm2)与籽粒产量(X，kg/hm2)之间呈线性正相关，回归方程为 Y=0.0251X-58.3(R2=0.681)(图2)，即籽粒产量每增加1 kg作物吸氮量增加0.0251 kg。随着施氮量增加，氮肥利用率先增加后减小，当施氮量达到N 180 kg/hm2时，利用率达到最大为30.0%，且与其它施氮处理间差异达显著水平。

表3 不同施氮水平下春玉米籽粒产量、吸氮量及氮肥利用率Table 3 Grain yield，N uptake and N use efficiency of spring maize under different N application rates

图1 籽粒产量与施氮量之间的相关关系Fig．1 The relationship between grain yield and N application rate

图2 作物吸氮量与籽粒产量之间的相关关系Fig．2 The relationship between crop N uptake and grain yield of spring maize

与不施氮(N0)相比，施氮明显提高了春玉米的氮累积量和累积速度，这种影响在拔节期以后逐渐变大(图3)，因为拔节期以后是春玉米营养生长最快的时期，对营养氮的需求和吸收量增大［21］，施氮对春玉米的氮累积有正向效应。随着施氮量增加，春玉米氮累积量总体呈增加趋势，以N300处理的最大。随着生育期推进，春玉米氮累积量增加，其累积动态曲线呈“S”型。从春玉米不同生育阶段氮的累积量来看，播种～拔节期、拔节～大喇叭口期和大喇叭口～成熟期的氮累积量分别占总累积量的21.4%、23.4%和55.2%(平均值)。

2.2 春玉米氮肥实时监控技术

图3 不同施氮水平下春玉米N累积动态变化Fig．3 Dynamics of N accumulation of spring maize under different N application rates

针对辽宁省春玉米主产区生产状况和春玉米氮素养分吸收规律［23-26］，设计目标产量为 10000 kg/hm2，整个生育期地上部氮素吸收总量为250 kg/hm2，其中从播种到拔节期的氮素吸收量为50 kg/hm2，考虑到作物地下部的氮素吸收量，将该阶段氮素供应目标值定为100 kg/hm2，该时期作物根系主要分布在0—30 cm，故优化氮肥用量(播前基肥)为氮素供应目标值减去0—30 cm土层的硝态氮含量。同样原理，从拔节期到大喇叭口期的氮素供应目标值定为120 kg/hm2，该时期考虑的作物根系主要分布在0—60 cm，优化氮肥用量(拔节期追肥)为氮素供应目标值减去0—60 cm土层的硝态氮含量;从大喇叭口期到收获期的氮素供应目标值定为240 kg/hm2，该时期考虑的作物根系主要分布在0—90 cm，优化氮肥用量(大喇叭口期追肥)为氮素供应目标值减去0—90 cm土层的硝态氮含量。详细技术参数见图4。

图4 基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术Fig．4 Real-time nitrogen management for spring maize based on the soil nitrate-N contents

2.3 春玉米氮肥实时监控技术的验证

为了验证春玉米氮肥实时监控技术的准确性和实用性，在同一地块进行了田间验证试验，结果如表4所示。较常规施肥处理相比，优化施肥处理在施氮量减少23.6%的前提下籽粒产量平均增加了6.43%，达到10766 kg/hm2，氮肥利用率平均提高了10.4个百分点。从氮肥农学效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力的角度进行评价，优化施肥处理也明显高于习惯施肥处理，分别平均增加了4.78、2.85和16.1 kg/kg。结果表明，应用氮肥实时监控技术推荐施氮量，在氮肥用量大幅减少的同时，显著提高了春玉米对氮素的有效利用。

3 讨论

过量施氮在集约化种植区是一个普遍问题，确定最优施氮量，使氮素供应既满足作物养分需求，又不至于造成土体硝态氮的过量累积，是目前氮素养分管理研究的目标［27］。试验区春玉米收获后0—100 cm土层硝态氮累积量高达117 kg/hm2(2010年试验基础值)，如果不考虑土壤中的残留氮，盲目过量施氮则会造成硝态氮的大量累积，加大淋失损失风险。因此，在辽宁省春玉米主产区迫切需要对氮肥进行科学管理。通过3年(2010～2012年)的试验研究及田间验证，认为氮肥实时监控技术能很好地解决土壤氮素供应与春玉米不同生育阶段氮素需求在时间和空间上的匹配问题，推荐的氮肥用量比传统施氮量减少约60 kg/hm2。本试验条件下，春玉米每形成100 kg籽粒产量需要吸氮量2.51 kg，这与通过大量文献资料［28-32］总结出的东北地区100 kg籽粒产量玉米吸氮量2.38 kg差异不大。

表4 春玉米籽粒产量及氮肥效率Table 4 Grain yield and fertilizer N efficiency of spring maize

调查发现，试验区传统的习惯氮肥管理模式为总量大且重基肥轻追肥(238～309 kg/hm2)，基肥用量常占施肥总量的50%以上，有些地方甚至采用了100%作基肥的“一炮轰”施肥方式。而本研究表明，春玉米的氮累积动态曲线呈“S”型，播种～拔节期、拔节～大喇叭口期和大喇叭口～成熟期的氮累积量分别占总累积量的21.4%、23.4%和55.2%，这与许多学者的研究结果［23-26，33-34］基本吻合，说明生育中后期是春玉米吸收氮的关键时期。采用农户习惯施氮模式，土壤中氮素的时空变异很难与春玉米需肥特性及干物质累积规律相吻合，前期供氮过多，后期供氮明显不足，严重影响着春玉米的增产潜力。应用实时监控技术，在春玉米不同生育时期根据土壤硝态氮累积量以及春玉米需氮量来确定氮肥用量，实现了土壤供氮与作物需氮在时间和空间上的一致，不仅氮肥用量大幅下降，产量平均比农民习惯施肥增产6.43%，同时显著提高了氮肥效率。

吴永成等［35］研究表明，玉米根系主要分布于0—80 cm土层，100 cm以下根重比例不足1%，本研究选取0—90 cm土层为理想根层深度，施基肥时考虑0—30 cm土层的硝态氮含量，施拔节肥时考虑0—60 cm土层硝态氮含量，施大喇叭口肥时考虑0—90 cm土层硝态氮含量，这与曲日涛等［12］和戴明宏等［20］的研究结果基本吻合。通过对籽粒产量与施氮量二次曲线关系的分析表明，本地区适宜施氮量在N 179～209 kg/hm2之间，此时春玉米产量约为10000～11000 kg/hm2(图1);基于最先达到目标产量 (10000 kg/hm2左右)的施氮量为推荐量的原则，推荐施氮量应该在120～180 kg/hm2之间 (表3);可见应用一元二次方程来推导氮肥用量可能导致氮肥用量的高估，这与贾良良等［36］和岳素清和金喜强［37］的研究结果相一致。说明在施肥模型的选优问题上，不仅要考虑模型统计检验的拟合程度，还要考虑推荐施肥量的节省程度和经济效益大小等因素，以回归方程拟合性符合统计学要求、施肥量少(意味着投资风险比较低)而经济效益大的作为最优施肥模型［38-39］。以10000 kg/hm2为目标产量时，应用基于土壤硝态氮测试的氮肥实时监控技术推荐的氮肥用量为N 181～198 kg/hm2，与春玉米一生氮素总需求N198 kg/hm2(试验平均值)相一致。因此，从作物高产与环境保护的角度出发，辽宁北部春玉米种植区的氮肥适宜用量应控制在N 181～198 kg/hm2。

本研究在解决氮肥适宜用量的同时，清晰阐明了土壤供氮与作物需氮的过程与机理。而以前学者对有关氮肥用量的研究多采用肥料效应函数法或养分丰缺指标法，此类方法的研究只能确定氮肥最佳用量，而对氮在土壤-作物体系中的供应与利用过程基本是“黑箱”处理［27］，无法解决土壤供氮与作物需氮的匹配问题。这也正是在东北春玉米种植区建立与采用氮肥实时监控技术的主要原因。不同生育阶段氮素供应目标值的确定是春玉米氮肥实时监控技术的关键。本监控技术在春玉米目标产量10000 kg/hm2时所确定的不同生育阶段氮素供应目标值和作物吸氮量在其他区域是否适用，对于同一地块不同玉米品种之间是否存在差异等还缺乏了解。另外，在春玉米产量超过12000 kg/hm2，甚至达到15000 kg/hm2时，春玉米不同生育阶段氮素供应目标值和作物吸氮量如何修正，氮肥实时监控技术如何大范围应用等都还需要进一步的验证和修正。

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