氮添加对科尔沁沙地羊草产量及氮肥利用效率的影响

王红静，马金宝，丛百明，周立业

(1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028000；2.通辽市畜牧兽医科学研究所，内蒙古 通辽 028000)

禾本科赖草属羊草(Leymuschiueusis)为内蒙古东部和东北部天然草地上的重要牧草之一，抗寒冷、耐瘠薄，具有较强的适应能力[1-2]，是我国北方草原有较好优势的植物资源，在发展草原畜牧业和北方生态环境保护方面具有举足轻重的地位[3-5]。科尔沁沙地地处我国北方半干旱地区，土壤沙化瘠薄、风力强劲，这些特定的自然条件以及长期以来管理水平的低下限制了羊草的种植和开发。

氮素是植物必需的矿物质元素，氮肥是牧草增产增效的限制因子，施氮肥可以促进牧草生长、提高牧草品质及土壤养分含量[6-7]。董晓兵等[8]研究表明，施氮肥可显著增加羊草粗蛋白含量，但过量的氮肥投入会引起土壤养分失衡，肥量残留增多，降低羊草产量、品质及氮肥利用效率[9-10]，致使土壤酸化、N2O等温室气体排放等系列问题[11-12]；施肥不足又影响植物的生长。氮肥利用率可以作为衡量氮肥施入是否合理的重要指标，且不同土壤环境下氮肥利用效率有很大的区别[13]，因此，研究不同氮肥用量对植物氮素吸收与利用的影响并得出合理的施入量是科学添加氮肥的关键。大田作物玉米、水稻、麦类等在氮肥利用的研究方面有较多的报道[14-17]。

本试验对科尔沁典型沙化土壤上建植的羊草草地进行施氮处理，设置不同施氮水平，探究氮肥处理对羊草产量、土壤全氮及氮肥利用方面的影响，确定既能保证羊草优质高产、又能确保氮素不残留的最佳氮肥量，为科尔沁沙地人工种植羊草草地的生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地位于内蒙古民族大学科技园区(E 122°28′，N 43°63′)。试验田土壤类型为沙土，耕层土壤为20 cm。年平均气温3℃，10℃以上积温3 200℃，无霜期145 d，年平均降水量400 mm，年平均风速3.7 m/s。

1.2 供试材料

供试材料为2016年人工建植的长势基本一致的羊草草地，羊草品种为吉农1号，采用人工条播播种方式，深度2 cm，行距20 cm，播种量30 kg/hm2。每年春季返青时各小区施重过磷酸钙(磷含量为44%)和氯化钾(钾含量为60%)均为200 kg/hm2，施肥后利用喷灌设施灌水。

1.3 试验方法

田间羊草施N肥试验设计：试验区采取随机区组设计，设置了0(CK)、100、200、300、400 kg/hm2的施氮(纯氮)量，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示，试验用氮肥为尿素(氮含量为46%)。小区面积为12 m2(3 m×4 m)，4次重复，共20个小区。于2016-2019年连续4年进行人工追施氮肥，施肥时间为4月20日和6月20日，采用撒施方式施肥，施肥后立即进行喷灌。2016年～2018年每年于6月20日和9月20日刈割2次，留茬5 cm。本试验土样采集分别于2019年苗期、拔节期、抽穗期分3次进行，草样于2019年6月20日(抽穗期)进行刈割取样。

1.4 取样方法和测定指标

土壤全氮测定：各小区打3钻，取土深度为20 cm，阴干，用四分法取其中1份，除去土壤中羊草根毛、石块等，过0.25 mm筛子备用，采用凯氏定氮仪法测定[18]。

干草产量测定：收获期在各小区随机取2个1 m2样方测定其鲜草产量，取200 g鲜草，称重，105℃杀青15 min，之后75℃烘干至恒定，称重，计算干鲜比并折算干草产量[19]。

植株粗蛋白测定：抽穗期各小区取全株草样品250 g杀青，烘干，粉碎，采用凯氏定氮仪法测定氮含量[19]。

氮肥贡献率=(施氮区产量-对照区产量)/施氮区产量×100%

吸氮量=植物地上部全氮×植物地上部重量

土壤氮素依存率=对照区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%

氮肥农学利用率=(施氮区产量-对照区产量)/施氮量

氮肥吸收利用率=(施氮区地上部吸氮量-对照区地上部吸氮量)/施氮量×100%

氮肥生理利用率=(施氮区产量-对照区产量)/(施氮区地上部吸氮量-对照区地上部吸氮量)

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量

1.5 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2007软件处理和制作表格，SPSS 17.0软件进行方差显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对土壤全氮含量的影响

羊草草地土壤苗期和拔节期各施肥处理间全氮含量无显著差异，其中拔节期和抽穗期羊草草地土壤全氮含量均随施肥量的增加呈增加趋势(表1)。抽穗期N4处理土壤全氮含量显著高于N0、N1和N2处理(P<0.05)。在不施肥处理下，羊草抽穗期土壤全氮含量显著低于苗期和拔节期(P<0.05)。

表1 不同施氮水平土壤全氮的变化

2.2 不同施氮水平对羊草干草产量的影响

羊草草产量随着施肥水平的增加呈先增加后降低趋势(图1)。N1水平下草产量显著高于N0水平(P<0.05)，N2和N4水平间草产量无显著差异，显著低于N3水平(P<0.05)，显著高于N1水平(P<0.05)。根据羊草干草产量与施肥量，得回归方程为：y=-0.073x2+45.21x+3 808，通过方程分析施氮肥水平在309.66 kg/hm2草产量达到最高。

图1 不同施氮水平羊草干草产量Fig.1 Yield of Leymus chinensis in response to different nitrogen application levels

2.3 不同施氮水平对羊草全株粗蛋白含量的影响

羊草全株粗蛋白含量随着施肥水平的增加呈增加趋势(图2)。N0、N1和N2水平间羊草全株粗蛋白含量无显著性差异，N4水平下羊草全株粗蛋白含量最高，显著高于N0、N1和N2水平(P<0.05)，与N3水平下全株粗蛋白含量无显著性差异(P>0.05)。

图2 不同施氮水平羊草全株粗蛋白含量Fig.2 Crude protein content at the whole plant level of Leymus chinensis in response to different nitrogen application levels

2.4 不同施氮水平对氮肥贡献率与土壤氮素依存率的影响

氮肥贡献率随施氮水平的增加呈先增加再降低的趋势，其中N3水平氮肥贡献率最高，显著高于N1水平(P<0.05)(表2)。土壤氮素依存率随施氮水平的增加呈下降趋势，其中N1水平土壤氮素依存率显著高于其他施肥水平(P<0.05)。

表2 不同施氮水平氮肥贡献率与土壤氮素依存率

2.5 不同施氮水平对氮肥利用率的影响

氮肥农学利用率随着施肥水平的增加呈先升高再降低的趋势，其中N2水平氮肥农学利用率最高，显著高于N1水平(P<0.05)。氮肥吸收利用率随着施肥水平的增加呈先升高再降低的趋势，其中N3水平氮肥吸收利用率达到最大，显著高于N1水平(P<0.05)。氮肥生理利用率随着施肥水平的增加呈下降趋势，其中N4水平氮肥生理利用率显著低于N2和N3水平(P<0.05)。N1水平氮肥生理利用率显著高于其他施肥水平(P<0.05)；氮肥偏生产力随着施肥水平的增加呈下降趋势，其中N4水平氮肥偏生产力显著低于其他施肥水平(P<0.05)(表3)。

表3 不同施氮水平氮肥利用率

2.6 各指标间相关性分析

氮肥贡献率、氮肥吸收利用率与其产量呈极显著正相关，说明氮肥吸收利用率越高，产量越大，氮肥贡献率越大。土壤氮素依存率、氮肥生理利用率与其产量呈极显著负相关，说明如果产量较低时，不施肥总吸氮量会较大于施肥总吸氮量，则施肥没有促进其增产增效。拔节期土壤全氮和收获期土壤全氮与其干草产量呈显著正相关，说明生长时土壤全氮越高，草产量越高(表4)。

表4 各指标间相关性分析

3 讨论

羊草自身不具备固氮能力，外界提供氮素的多少决定了羊草能利用氮素量的高低。前人的研究表明，施用氮肥可以显著提高羊草产量，且可以有效提高草产品品质，但是过量施用氮肥会增加生产成本，降低增产效益[20]。因此，在人工羊草草地的建植中，追施氮肥是一项必要的举措，其中，施肥量是一个技术难点，需要综合考虑环境、成本等问题。胡冬雪等[21]研究表明氮肥不仅能够提高草产量，而且能够提高羊草氮吸收量。本试验结果表明科尔沁沙地施氮量为309.66 kg/hm2时羊草草产量最高，植株粗蛋白含量随着施氮水平的增加而增加，说明施肥可以显著改善羊草营养结构且可以提高羊草产量。

明确人工羊草草地对氮肥吸收利用情况是合理施肥的重要条件之一。氮肥施入后会受环境等各方面的影响而有不同程度的挥发、流失等。土壤全氮含量在一定程度上反映着土壤的营养水平。本研究中，各水平施肥处理下羊草苗期至抽穗期土壤全氮含量的变化差异不显著，说明各施肥水平下干草产量的增加也随之带走同比例的氮素，致使各施肥水平下羊草草地土壤全氮含量在羊草收获后差异不显著。前人研究表明，作物地上部分的生物量与肥料施入量之间并不是简单的线性关系，而是存在着一定的阈值。孙志广等[22]在饲用燕麦氮肥研究中发现氮肥的增加可以提高植物的氮肥利用率，并得出合理的施氮量。本试验中，氮肥对羊草的贡献率随着施氮量的增加呈现逐渐增加的趋势，并在N4水平下达到最大，而氮肥利用率则呈现先增加后降低的趋势，并且在N2水平下达到最大，以上试验结果表明氮肥利用率、氮肥农学利用和氮肥吸收利用率都在N3处理下达到最大，且相关分析表明，氮肥利用率与其草产量呈显著正相关，表明N3施肥水平是科尔沁沙地最适宜的施肥量。

4 结论

N3水平处理下氮肥吸收利用率和氮肥贡献率最大，且氮肥农学利用率较高。通过回归方程分析表明施肥量为309.66 kg/hm2时羊草干草产量最优，此时收获羊草干草粗蛋白含量较高，且土壤残留氮素较低，能够最大限度的利用氮素而不造成环境污染，可以作为科尔沁沙地人工羊草草地的最佳施肥量。