15N同位素在华北冬小麦夏玉米氮营养来源研究中的应用

张经廷，周顺利，王志敏，贾秀领

(1.河北省农林科学院 粮油作物研究所，河北 石家庄 050035; 2.中国农业大学 农学院，北京 100193)

氮素是作物需求量最大的营养元素之一，对作物生长发育、产量及品质形成发挥着不可替代的作用[1-2]。作物所需的氮素绝大部分由根系从土壤中吸收，除此之外地上部幼嫩器官也可以吸收少量氮素。作物吸收的氮素从来源上可分为土壤固有氮(播前和生长季矿化的有效氮)、当季投入氮(化肥、有机肥、还田秸秆等)、前茬投入残留氮、环境沉降氮、生物固氮等。明确作物氮营养来源中各组分的比例对氮肥合理运筹、养分高效利用及作物良好营养状态的维持都具有重要意义。作物氮营养来源结构复杂，种类多样，供应量和时期变异大，由于标记技术的限制不同来源的氮素难以区分，导致很多形式的氮源对作物氮营养贡献的定量研究难度很大。创新标记技术把不同来源的氮素形式有效区分是定量研究作物氮营养来源的重要技术途径之一。

华北平原是我国重要的粮食生产基地，耕地面积约占全国的23%。冬小麦-夏玉米复种轮作是华北平原的主导种植模式：每年10月初种植冬小麦，次年6月初收获；小麦收获之后铁茬免耕种植夏玉米，玉米于当年的10月初收获，然后继续种植冬小麦，形成一个轮作周期。华北平原冬小麦和夏玉米常年产量分别占全国小麦玉米产量的2/3和1/3以上[3]，对保障区域乃至国家的粮食安全发挥着举足轻重的作用。阐明华北平原冬小麦-夏玉米种植体系作物氮营养来源组成，明确不同来源的氮素对冬小麦和夏玉米氮营养的贡献，对本区域养分资源综合管理、施肥制度优化、作物营养状况调控都具有十分重要的意义。本文主要概述在研究当季土壤施入化肥氮、前茬残留化肥氮、播前土壤固有硝态氮对华北冬小麦-夏玉米氮营养的定量贡献时15N同位素示踪技术的具体应用方法与研究结果，并对叶面肥氮、还田秸秆氮、大气沉降氮等其他氮营养来源的研究进行了展望，以期为该种植体系氮肥减施增效以及养分资源优化管理提供理论参考。

1 当季施入化肥氮对冬小麦和夏玉米氮营养的贡献

自20世纪中期兴起第一次绿色革命起，化学肥料(尤其是氮肥)的大量投入对提高作物生产能力发挥了不可替代的重要作用，在一定程度上缓解了由于全球人口增长引发的粮食安全问题。随着氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐渐降低，很多研究表明，全球尺度范围内氮肥施入土壤后，作物当季吸收利用率仅为30%～35%[4-5]。氮肥利用率为作物吸收的氮肥占氮肥施入量的比例，而氮肥对作物氮营养的贡献率为作物吸收的当季施入氮肥占作物氮素总吸收量的比例。15N同位素示踪技术能将标记的氮素同其他来源的氮素明显区别开来，可准确定量氮素的去向，因此被广泛应用于作物氮营养来源的研究中。应用15N示踪技术研究华北冬小麦夏玉米化学肥料氮对作物氮营养的贡献已有很多报道。赵俊晔等[6]研究了高产条件下施氮量对冬小麦氮肥吸收利用的影响，结果表明，不同施氮水平基施氮肥对冬小麦氮营养的贡献率为4.51%～9.40%，追施氮肥为8.22%～17.28%，当季施入的氮肥对冬小麦氮营养总贡献率为12.73%～26.68%。左红娟等[7]基于高丰度15N研究了华北平原冬小麦肥料氮的去向，结果表明，冬小麦吸收的氮素来自肥料的比例为 26.6%～33.6%。王月福等[8]研究表明，土壤肥力水平和施氮量都显著影响冬小麦对氮肥的吸收，在低量施氮(120 kg·hm-2)条件下，低肥力土壤氮肥对冬小麦氮营养的贡献率为24.60%，显著高于高肥力土壤的19.60%；而在较高施氮(240 kg·hm-2)条件下，氮肥对冬小麦氮营养的贡献受土壤肥力的影响不显著，低肥力土壤氮肥贡献率为30.31%，高肥力土壤为29.28%。可见，土壤肥力和氮肥施用对作物氮营养有一定的互补等效性，在肥力较低的条件下可以通过适量增施氮肥调适作物最佳氮营养状态，反之亦然。Ju等[9]研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系15N标记尿素氮的去向，结果表明，冬小麦季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥对作物氮营养的贡献率分别为36.03%和55.22%，夏玉米季施氮120 kg·hm-2和360 kg·hm-2氮肥对作物氮营养的贡献率分别为36.58%和46.57%。张经廷等[10]通过15N同位素示踪技术结合大型原状土柱模拟试验发现，冬小麦氮营养来源中当季施入的化肥氮所占的比例为42.65%，夏玉米氮营养来源中当季施入的化肥氮所占比例为43.88%。综上所述，当季施入的化肥氮对华北冬小麦夏玉米氮营养的贡献率变异幅度较大，在12.73%～55.22%之间，主要受土壤肥力水平和氮肥施用量影响，同时存在区域差异。

2 夏玉米季土壤残留肥料氮对后茬冬小麦氮营养的贡献

据调研华北地区夏玉米的化肥氮施用量平均为240.33 kg·hm-2 [11-14]，夏玉米收获后化肥氮的土壤残留率为27.58%～57.56%[10,15-17]，土壤残留量为66.29～138.32 kg·hm-2。研究表明，夏玉米季残留肥料氮对后茬冬小麦有很强的作物有效性[18]，因此夏玉米季残留肥料氮是后茬冬小麦一个重要的氮营养来源。

2.1 夏玉米季施入肥料氮对后茬冬小麦的有效性

2.2 冬小麦对前茬夏玉米季不同土层残留肥料氮的吸收

为了定量分布于0～2 m土壤剖面不同层次的夏玉米季残留肥料氮对后茬冬小麦氮营养的贡献，利用15N示踪技术，通过大型原状土柱的分割与重组，定量研究冬小麦对夏玉米季残留肥料氮尤其是1.2～2 m土壤深层残留肥料氮的回收利用，研究过程的示意图示于图1。首先，在夏玉米播前分层每层20 cm创制高2 m，内径36 cm的大型土柱。土柱分别施用普通未标记氮肥与15N标记氮肥。夏玉米生育期内遮蔽自然降水，人工灌水模拟正常年份降水。夏玉米收获后，0～2 m土体各土层都含有残留肥料氮。以冬小麦对1.2～1.4 m土层中的玉米季残留肥料氮的重新吸收为例说明研究过程，先将施入普通氮肥土柱的1.2～1.4 m土层切割舍弃，然后将施15N标记氮肥土柱的1.2～1.4 m土层组装进去，形成一个新土柱，最后种植冬小麦。这样即可单独定量冬小麦对1.2～1.4 m土层中残留肥料氮的重新吸收。同理，可分别研究冬小麦对0～2 m土体其余土层夏玉米季残留肥料氮的回收利用。结果表明，夏玉米季残留于0～2 m土体的肥料氮，13.7%～21.4%被后茬冬小麦吸收，占夏玉米季施氮量的4.9%～8.7%。玉米季土壤各层残留肥料氮对冬小麦氮营养的贡献率随土层深度的增加而减小，从0～0.2 m土层的4.00%降低到1.8～2 m的0.04%，0～2 m土体玉米季残留肥料对后茬冬小麦氮营养总贡献率为9.75%[24]。

当然，冬小麦施入的肥料氮对后茬夏玉米的氮营养也有一定的有效性，刘新宇[25]研究表明，冬小麦不同施氮水平土壤残留肥料氮对后茬夏玉米氮营养贡献率为1.6%～12.6%。

3 播前土壤硝态氮对冬小麦和夏玉米氮营养的贡献

3.1 冬小麦-夏玉米轮作体系作物播前土壤硝态氮的累积现状及影响

3.2 土壤硝态氮15N标记新技术-“补偿平衡法”及其应用

图2 “补偿平衡法”原位标记土壤硝态氮示意图(以标记作物播前1.2～1.4 cm土层的硝态氮为例)Fig.2 Sketch showing the process for soil nitrate labeling in situ and the soil column setup in which a selected soil layer was labeled with the 15N isotope (Soil nitrate in the 1.2-1.4 m layer prior to crop sowing was labeled)

3.3 播前土壤硝态氮的作物氮营养贡献

播前土壤剖面累积硝态氮的作物利用率随土层深度的增加而减小，冬小麦可以吸收播前累积于0～2 m土体的土壤硝态氮，各土层硝态氮的作物利用率从耕层0～0.2 m的33.46%降低到1.8～2 m的0.21%，0～2 m土体的土壤硝态氮总的作物利用率为7.88%。夏玉米可以吸收播前0～1.4 m土体的硝态氮，0～1.4 m土体硝态氮总利用率为9.59%，其中耕层0～0.2 m和底层1.2～1.4 m土壤硝态氮的作物利用率分别为24.93%和0.44%。冬小麦播前0～2 m土体各土层累积的硝态氮对作物氮营养的贡献率在0.05%～8.02%之间，总贡献率为17.68%；夏玉米播前0～1.4 m土体各土层硝态氮的氮营养贡献率在0.07%～7.26%之间，总贡献率为12.98%[38-39]。

4 展望

华北冬小麦-夏玉米轮作体系作物氮营养来源除了包括上述的化学肥料氮、残留肥料氮、播前土壤硝态氮外，还田作物秸秆氮、叶面肥氮、大气沉降氮等也是作物氮营养来源的重要组成。但秸秆氮、叶面肥氮和大气沉降氮等对华北小麦玉米氮营养的贡献尚未阐明，亟待通过15N同位素示踪技术进一步研究。

4.1 冬小麦夏玉米还田秸秆氮的作物氮营养贡献

华北冬小麦-夏玉米轮作体系作物收获后秸秆还田是目前秸秆处理的主要方式。在一般产量水平条件下，每年约有90～120 kg·hm-2的氮素随秸秆还田，还田秸秆氮现已成为该轮作体系土壤氮素及作物氮营养的重要来源之一，但目前尚未见相关报道。利用15N同位素标记秸秆中的氮素是研究还田秸秆氮作物利用特性的有效手段。作物生长季中施入15N标记的氮肥，通过作物的吸收即可实现秸秆氮素的15N标记，把15N标记的秸秆还田到新的小区内即可定量还田秸秆氮对作物的氮营养贡献。目前大田条件下还田秸秆的研究一般采用尼龙网袋填埋法[40-42]，即将一定量的秸秆装入尼龙网袋后埋到一定深度的土壤中，一定时间后取出进行测定。这种方法有很大的局限性，首先由于秸秆集中在一起，与土壤接触面积减小，进而降低了秸秆与土壤微生物接触的机会，从而影响秸秆腐解；其次由于尼龙网袋的存在势必会影响作物根系的生长。因此，还田秸秆氮的作物氮营养贡献及秸秆还田方法亟待进一步研究。

4.2 叶面肥氮对冬小麦氮营养的贡献

华北平原冬小麦传统的灌溉方式一般为大畦漫灌，这种灌溉方式灌水量不是取决于作物的需水量而主要由土壤基础含水量、畦面积大小和地面平整度等决定，因此灌水量大且灌溉不均匀，灌溉效率低。有研究表明，冬小麦长期过量的漫灌灌溉方式是华北地下水超采及地下水漏斗群形成的主因之一[43-44]。因此，传统的大畦漫灌方式越来越不适应日趋严峻的水资源形势和规模化生产对高效的要求。微喷水肥一体化技术可根据作物水肥需求规律把肥料溶于水中进行水肥适时适量精准施用，具有节水省肥高效等优势，因此在华北平原尤其是在地下水超采区的小麦生产中具有广阔的应用前景。目前，这项技术已经逐步得到应用推广。微喷水肥一体化由于水肥营养液直接喷施植株，部分营养液被植株冠层短暂滞留，随着喷施的持续进行，一部分营养元素可通过叶片等器官被作物吸收，起到叶面肥营养功能。氮素溶液正常喷施条件下，一部分氮素会被叶面吸收，但大部分氮素溶液会穿透冠层进入土壤被根系吸收，叶面吸收的氮素无法与根系吸收的氮素区分开来。因此，如何运用15N示踪技术单独定量冬小麦微喷水肥一体化叶面氮素吸收及其对作物的氮营养贡献需要进一步研究。

4.3 大气沉降氮的作物氮营养贡献

近年来受农田施氮不合理及畜禽粪便管理不当等农业源和工业、交通等非农业源活性氮排放增大的影响，从1980—2010年中国农业生态系统氮素沉降显著升高，从1980年的13.2 kg N·hm-2增至2010年的21.1 kg N·hm-2，增幅高达60%。通过模拟分析，2010年我国氮沉降总量约为7 635.3 Gg，其中人口相对密集和农业集约化程度较高，华北平原是高沉降通量区域，沉降量和年增幅增长显著[45-46]。研究还发现，从1980—2010年，同样在长期不施氮肥条件下小麦和玉米作物吸氮量平均增加16%，在土壤供氮能力保持相对稳定的前提下，氮素增加主要来自大气氮沉降[45]。可见，大气沉降氮已成为作物氮营养来源的重要组成部分，运用15N同位素技术明确大气沉降氮的作物利用特性可能是今后研究的热点之一。