不同管理方式对夏玉米氮素吸收、分配及去向的影响

徐明杰， 张 琳， 汪新颖， 彭亚静， 张丽娟,2*， 巨晓棠

(1 河北农业大学资源与环境学院， 河北保定 071000； 2 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000；3 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

不同管理方式对夏玉米氮素吸收、分配及去向的影响

徐明杰1， 张 琳1， 汪新颖1， 彭亚静1， 张丽娟1,2*， 巨晓棠3

(1 河北农业大学资源与环境学院， 河北保定 071000； 2 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000；3 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

15N； 夏玉米； 管理方式； 花前花后； 氮去向

玉米在我国粮食生产上占有重要地位，戴景瑞等[1]认为，2008_2020年我国玉米单产年均递增188.7 kg/hm2才能保证未来玉米的消费需求。巨晓棠等[2]认为，即使在肥力较高的土壤上氮肥的施用对于冬小麦和夏玉米的高产稳产也是必不可少的，但夏玉米生长期正处于北方高温多雨季节，降水量大而且比较集中，如果追肥不合理，很容易造成氮素淋失[3]，带来一系列的环境问题[4]。目前华北平原地区冬小麦-夏玉米轮作体系中氮肥过量施用已相当严重[5]，在山东地区，夏玉米季农民的传统施氮量为N 259 kg/hm2，高于推荐施氮量的57%[6]。这种过量施肥不仅不会达到作物高产的目的，还会降低氮肥的利用率[7]。玉米对氮素的吸收、同化与转运直接影响其生长和发育，从而影响产量[8]。Wang等[9]认为，较高的籽粒产量来自于较高的氮素利用效率和氮素再分配效率。

尽管目前已有不少围绕玉米季的氮肥利用特征及去向的研究，但是关于高产体系下作物花前花后氮素利用及转移规律的研究相对较少。因此，本研究以曲周为代表的华北平原为对象，布置15N微区，利用15N标记技术进行试验，分析目标产量下化肥氮的变化，解析夏玉米花前花后氮素利用及转移规律，探讨肥料氮、土壤氮与作物氮之间的关系，为该地区夏玉米的科学合理施氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在河北省邯郸市中国农业大学曲周实验基地进行。2007年10月，布设“华北平原可持续高产作物生产体系及资源优化利用”长期定位试验，在主试验开展4年的基础上，于2011年6月至2011年10月进行本试验。该基地位于河北省南部太行山东麓海河平原的黑龙港流域，曲周县地处东经 114°50′_115°13′，北纬 36°34′_36°57′之间，平均海拔39.6 m，地下水埋深10—20 m，属温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温13.4℃，全年无霜期平均201d，年平均降水量494 mm，主要集中在6_8月，年际间变化大。2011年6月_2011年10月夏玉米试验期间降水量为367.00 mm，比2006_2010年该期间平均降水量高87.98 mm，属较湿润年份。

供试土壤为山前平原冲积性潮褐土，各土层土壤的基本理化性质见如表1，该试验地属中肥力土壤[23]。

1.2 田间试验设计

1.2.1 试验设计与布置 长期定位试验设置2种管理方式： 1)传统方式，为秸秆不还田，传统氮肥管理(CT)； 2)优化方式，为秸秆还田和推荐施肥(YH)。每处理重复4次，主试验大区面积30×60 m，处理间间隔2 m，区组间间隔5 m。

1.2.215N微区田间设置及施肥方法 在主试验大区内设置15N微区。微区用长1 m，宽1 m，高0.4 m的铁皮框制成。整好地后，划出微区所在位置，将铁皮框放到微区所在的位置，外围垂直挖出0.35 m，将铁皮框套入土中，使其周围与土壤紧贴，铁皮框上方露出地表5 cm。每季作物设置2个微区，一个用于开花期破坏性取样，一个用于收获期取样。微区施用的氮肥为5.22%丰度的15N标记尿素，播种前在微区内取出1 kg左右的土，过5 mm筛，再与做基肥的15N标记的尿素和磷、钾肥混匀，均匀撒施到微区，翻耕后播种；追肥采用与大田相同的施肥方式。

1.2.3 种植方式和田间管理 两处理供试夏玉米品种为郑单958，密度为75000 plant/hm2，于2011年6月17日播种。播后两处理各灌水70 mm，作物生长阶段雨水充沛，不再进行补充灌溉。传统方式氮肥施用量是通过各区域农户调查来确定，代表了该地区内农民的平均习惯施肥量，为N 250 kg/hm2。优化方式是根据作物关键生育期追肥前根层土壤无机氮(硝态氮+铵态氮)含量和氮素供应目标值之间的差异来确定施氮量；夏玉米季的施肥量定为N 185 kg/hm2，关键追肥期为播种期、6叶期和13叶期(表2)。两处理磷肥施用量均为P2O545 kg/hm2，随播种机器施入；传统方式夏玉米钾肥施用量为K2O 45 kg/hm2，优化方式为K2O 90 kg/hm2，其中45 kg/hm2在播种时施入，45 kg/hm2在夏玉米6叶期追施。

注(Note): CT—Conventional pattern；YH—Optimized pattern.

1.3 采样与测定

1.3.1 植物样品 在作物花期和成熟期，将15N微区的植株地上部全部收获。所有植株沿地面全部割下称鲜重，风干后称重，之后在65℃下烘干，称干重。将用于测定的植株样品全部粉碎过0.15 mm筛，混匀后，连续用4分法取测定所需的样品量，用于测定植株含氮量和15N丰度。

1.4 测定方法

1.4.2 土壤及植物全氮和15N丰度的测定 烘干样品过0.15 mm筛，然后用Delta Plus XP15N仪器测定(美国THERMO finnigan公司生产)15N丰度。

1.4.3 土壤水分含量的测定 采用烘干法测定土壤含水量。

1.5 计算公式与数据分析

土壤各层来自15N肥料的氮量Ndff(kg/hm2) =土壤各层全氮含量 (kg/hm2) ×土壤各层 %Ndff

植株氮素来自化肥氮的量Ndff (kg/hm2) =植物 %Ndff×植物吸氮量 (kg/hm2)

化肥氮损失量 (kg/hm2)=标记氮肥施用量-植株吸收Ndff-土壤残留Ndff

各器官氮素转移量 (kg/hm2)=开花期各器官氮素吸收量-收获期各器官吸收量

试验数据采用Excel 2003和SAS 8.0中的单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 地上部生物量及吸氮量

两处理虽施肥量和追肥时期不同，但开花期夏玉米地上部生物量没有显著差异(表3)。开花后，玉米干物质大量积累，优化方式的籽粒产量显著高于传统方式，达到9685 kg/hm2，比传统方式增产12%。与生物量相同，两种管理方式的开花期吸氮量没有显著差异，优化方式夏玉米总吸氮量略低于传统方式。收获时作物秸秆吸氮量显著降低，大量的氮素转移到籽粒中，优化管理方式籽粒吸氮量(126.6 kg/hm2)显著高于传统方式(115.2 kg/hm2)，优化方式总吸氮量比传统方式增加10%。在夏玉米干物质累积时期，优化方式的氮肥分两次追施，促进了作物对氮素的吸收。

注(Note): CT—传统方式Conventional pattern; YH—优化方式Optimized pattern. 同列数据后不同字母表示同一生育期处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments in same growth stage at the 5% level.

2.2 夏玉米氮肥利用率

开花期不同管理方式夏玉米地上部15N吸收量未表现出显著差异(表4)。开花期优化方式氮肥利用率为21.76%，传统方式为16.42%，优化方式显著高于传统。花前传统方式虽施高氮，但作物氮肥利用率却显著低于优化方式，这与优化方式在夏玉米大量吸收氮素的阶段及时追施氮肥以满足作物生长有关。

收获时夏玉米秸秆的15N吸收量和15N利用率较开花期明显降低，前期吸收的大量氮素转移到籽粒中。除秸秆15N吸收量两处理差异不显著外，优化方式地上部15N吸收量和15N利用率均显著高于传统方式。可见基于土壤测试的基、追肥分配促进了作物对氮肥的吸收利用。

注(Note): CT—传统方式Conventional pattern; YH—优化方式Optimized pattern. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.3 土壤氮和肥料氮的吸收与分配

开花期和成熟期，两处理夏玉米各营养器官土壤氮的积累量及比例均显著高于肥料氮(表5)。开花期两处理对于肥料氮和土壤氮的吸收比例约为3 ∶7，土壤氮占整个植株吸氮量的70%左右，处理间差异不明显，说明土壤氮是作物营养生长阶段的主要氮源。

注(Note): NDFF—N derived from fertilizer; NDFS—N derived from the soil; BC—Corn bract + Cob; SS—Stem + Sheath. CT—传统方式Conventional pattern; YH—优化方式Optimized pattern. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

与开花期相比，收获期两处理夏玉米对于土壤氮和肥料氮的吸收总量明显增加，但仍表现为土壤氮积累量显著高于肥料氮；两处理各营养器官土壤氮积累量较开花期大幅减少，大量土壤氮转移到籽粒中；优化方式对土壤氮的吸收略高于传统方式，但差异不明显。对肥料氮的吸收比例，收获时传统方式较花前略有减少，优化方式的花前花后吸收比例基本一致。收获期优化方式茎+叶鞘和苞叶+穗轴对肥料氮的吸收比例均显著高于传统方式，土壤氮的分配比例处理间差异不明显；从整个植株对肥料氮和土壤氮的吸收比例来看，土壤氮所占的比例显著高于肥料氮，这说明土壤氮也是作物生殖生长阶段的主要氮源。

从表6可以看出，夏玉米各器官对于肥料氮和土壤氮的转移量均表现为茎+叶鞘>叶片>苞叶+穗轴(P<0.05)，土壤氮的转移量显著高于肥料氮。除叶片的肥料氮转移量传统方式高于优化方式外，其他无明显差异。各器官氮素贡献率与氮素转移量趋势一致，土壤氮显著高于肥料氮。肥料氮转移贡献率传统方式显著高于优化方式；土壤氮的转移贡献率传统方式略高于优化方式，但差异不明显。传统和优化两种方式的转移氮贡献率分别为57.73%和45.15%，说明两处理籽粒中的氮素分别有43.27%和54.85%是花后吸收的，玉米籽粒的氮素约有一半是在花后积累的，基施高氮对作物产量形成的作用不大。

注(Note): NDFF—N derived from fertilizer; NDFS—N derived from the soil. CT—传统方式Conventional pattern; YH—优化方式Optimized pattern; BC—Corn bract + Cob; SS—Stem + Sheath. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.4 土壤剖面硝态氮运移与15N丰度的变化

开花期土壤硝态氮含量自上而下逐渐减少，传统方式在9.44_85.06 mg/kg之间波动，优化方式波动范围较小，为14.66_27.97 mg/kg(图1)。收获期优化方式土壤硝态氮含量变化不大，传统方式表现为先降低后升高的趋势；表层土壤硝态氮含量两处理均在50 mg/kg左右，深层硝态氮含量传统方式显著高于优化。开花期两处理15N含量均表现为自上而下逐渐减小的趋势，氮肥累积在土壤表层。收获后传统方式各层原子百分超均高于优化方式。与开花期相比，优化方式在20—40 cm处的15N含量有所提高，但随土层深度的增加而降低；传统方式原子百分超在20—40 cm处出现了明显的累积峰，40 cm以下原子百分超明显增大，可见在农民传统施肥中，夏玉米季结束时氮肥在土壤剖面有累积并开始随水向下运移。

2.5 夏玉米季化肥氮的总去向

夏玉米收获后传统方式氮去向表现为土壤残留>损失>作物吸收(表7)，传统方式的氮肥残留量高达140.46 kg/hm2，损失量为57.51 kg/hm2；优化方式的氮肥总去向表现为土壤残留>作物吸收>损失，优化方式的土壤残留和损失量显著低于传统方式，分别为85.96 kg/hm2和38.83 kg/hm2；优化方式作物吸收量为60.21 kg/hm2，显著高于传统方式。大量氮肥残留在土壤中成为土壤氮库的一部分，其余氮肥因夏玉米季气温高、雨水多，以气态形式挥发或随水运移到根区外造成损失。

3 讨论

本试验选择以曲周为代表的华北平原为研究对象，利用15N标记技术，研究不同氮肥与秸秆管理下夏玉米花前花后的氮素利用、转运规律的差异及高产体系化肥氮、土壤氮与作物氮之间的变化， 以期为夏玉米高产、氮素高效利用提供理论依据。赵士诚等[24]的研究表明，与农民习惯施氮肥N 240 kg/hm2相比，氮肥减量30%后玉米的产量和植株吸氮量均没有降低，氮肥利用率却显著增加，说明在华北高肥力地区，在保证夏玉米高产的同时，在农民习惯施肥的基础上减少施肥量是可行的，同时可提高肥料利用率。本试验结果表明，施氮量为N 185 kg/hm2时的夏玉米已达到高产水平9685 kg/hm2。籽粒产量和吸氮量均显著高于传统管理方式，籽粒产量比传统管理方式增产12%。在考虑土壤自身供氮水平的基础上，适当降低肥料的施用量不仅不会影响夏玉米的产量，而且可将氮素的表观损失降到一个较低的水平[25]。

注(Note): CT—传统方式Conventional pattern; YH—优化方式Optimized pattern. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

李志勇等[3]认为，较低和合理的施肥量可极大地提高优化施肥的氮肥利用率，较传统施肥提高11.80%。杨治平等[26]的研究表明，秸秆与氮肥配施能使氮肥利用率提高3.9%_13.9%。本试验夏玉米对标记15N的吸收和利用结果表明，收获后优化方式的的15N吸收量和利用率均显著高于传统方式，高于传统方式8.18 kg/hm2和11.73%，秸秆还田与优化氮肥管理促进了作物对氮素的吸收利用。应用基于土壤硝态氮测试的氮素实时管理提高了玉米氮素的吸收效率和利用效率[27]。

玉米籽粒中的氮一方面来源于抽雄前的茎秆、叶片中积累氮素的再转移[28]，另一方面直接源于根系的氮素吸收[29-30]。开花至成熟期是玉米氮素吸收运转分配的重要时期[31]。玉米植株吸收的氮素主要来源于土壤氮和肥料氮，本试验两种管理方式开花后营养器官中积累土壤氮的转移量显著高于肥料氮，表明土壤氮是籽粒蛋白质积累的主要氮素来源。传统和优化方式的氮素转移量分别为65.21和56.70 kg/hm2，花前氮素转运量随施氮量的增加有升高趋势[31]。传统方式籽粒中的氮素43.27%、优化方式中的54.85%来自于开花后的吸收，这与赵营等[16]研究玉米在不同氮水平下，各器官的氮转移量在37.2%_57.3%的结果相一致。由此表明，玉米籽粒的一半氮素是花后积累的，这是因为夏玉米干物质及养分随生育期延长而持续增加，其变化趋势可用“S”曲线方程进行拟合[32]，花后干物质及养分的积累量大。

周顺利等[33]认为，施氮肥提高了土壤硝态氮含量，而且提高程度与用量成正比。吴永成等[34]在河北吴桥的研究表明，在玉米收获期，施氮处理(N 90_270 kg/hm2)2 m 土体均有明显的硝态氮残留积累，并且残留积累量随着施氮量的增加而增大。本试验中，开花期传统方式0—20 cm土层的硝态氮含量显著高于优化方式，收获后40—60 cm土层的硝态氮含量明显增加，出现了向下淋洗的现象。这表明大量施入氮肥，增加了土壤硝态氮含量，由于玉米季雨水充分，大量硝态氮随水分向下运移。

吴永成等[22]的研究表明，各土层中的15N残留量随施氮量的增多而增加，总体表现为随土壤层次加深而明显下降，本试验条件下优化方式土壤剖面残留15N表现出类似的空间分布趋势。开花期传统方式20—40 cm15N原子百分超显著高于优化方式，可见花前大量氮肥还积累于土壤表层。收获时传统方式各土层的残留15N量高于优化方式。与开花期相比传统方式土壤表层原子百分超减小，40 cm以下原子百分超明显增大，这表明氮肥已经进一步随水向下运移。

氮肥施入土壤后有3个去向，一是被当季作物吸收利用，二是以各种形式残留于土壤中，三是通过氨挥发、反硝化和硝酸盐淋洗等途径损失[35]。这三个去向之间有密切的联系，施肥量越高利用率越低，而损失量越高[36]。本试验中，传统方式土壤残留量和损失量显著高于优化方式，但作物吸收量显著低于优化方式。夏玉米收获后传统方式氮去向表现为土壤残留>损失>作物吸收；优化方式氮肥总去向表现为土壤残留>作物吸收>损失。氮肥利用率随施氮量的升高而降低[35]，当季作物收获后，尚有46.47%_56.18%的氮肥残留在0—100 cm的土壤中，成为土壤氮库的补充。

综上所述，合理调控氮素投入量及时期，在合理的栽培管理条件下施氮量控制在N 185 kg/hm2。减少前期施肥量，增加后期施氮次数及比例，满足玉米花后吸收氮素的需求，可以实现氮素高效利用前提下的作物高产。

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Effects of different management patterns on uptake,distribution and fate of nitrogen in summer maize

XU Ming-jie1， ZHANG Lin1， WANG Xin-ying1， PENG Ya-jing1， ZHANG Li-juan1,2*， JU Xiao-tang3

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding,Hebei071000,China;2KeyLaboratoryforFarmlandEco-EnvironmentofHebeiProvince,Baoding,Hebei071000,China;3CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

15N; summer maize; management pattern; anthesis; fate of nitrogen

2013-12-30 接受日期： 2014-06-13

“十二五”国家粮食丰产科技工程(2011BAD16B08, 2012BAD04B06, 2013BAD07B05)项目资助。

徐明杰(1985—)， 女， 河北迁安人， 硕士研究生， 主要从事土壤环境质量方面的研究。 E-mail: xumingjie2010@163.com * 通信作者 Tel: 0312-7528210, E-mail: lj_zh2001@163.com

S513.062.01； S153.6+1

A

1008-505X(2015)01-0036-10