基于15N示踪技术的不同水肥条件下夏玉米氮素利用研究

顾佳韬，王 凤，徐征和，徐 晶

（济南大学，济南250022）

0 引言

水分和氮素在玉米的生长发育中相互影响和制约[1,2]。化学氮肥的施用是氮素的主要来源[3,4]，但是如今我国氮肥的利用率只有30%～35%。作为水资源干旱短缺严重的国家之一，我国的农田水资源浪费现象也很严重，如何合理地施用水肥成了学者们共同关注的问题。为了提高氮肥的利用率，节约水资源和保护环境进行了本次研究[5-7]。20世纪70年代，在研究NO3

--N污染中首次应用15N示踪技术，为研究氮素去向提供了一个重要思路。蔡晓等[8]指出在滴灌条件下各处理夏玉米生育期灌水量差异不大，整体上呈现随施氮量增加而增大的趋势。茹德平等[9]利用15N 示踪技术得出夏玉米的最佳施纯氮量为200～375 kg；目前运用15N 示踪技术在植物养分运移的研究主要有：氮素吸收来源的研究、肥料氮在植株体内分布情况研究[10]、氮肥利用率以及肥料氮在土壤中残留与损失情况的研究[11]。已有学者用示踪技术探究玉米对氮素的利用效率，但是在肥料氮对土壤氮的激发作用以及不同水肥条件下处理土壤氮去向方面研究较少。本文针对黄河冲击平原区农田过量施肥以及氮素利用效率较低的问题，选取山东省临清市西荆林村农田作为研究区，在不同水肥条件下，借助15N 示踪技术，通过微区试验，系统分析不同水肥处理下玉米成熟期各器官对肥料氮和土壤氮的吸收分配，各处理肥料氮的残留损失情况以及氮的农学利用效率和水分利用效率分析，分析出最适宜的水肥比来提高氮肥利用率和避免水资源的浪费。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验区位于山东省临清市尚店镇西荆林村（115°42′E，36°44′N），地处黄河冲积平原区。试验区属暖温带大陆性半湿润季风气候，多年平均气温为12.8 ℃；年平均降水量为550 mm 左右，主要集中在7-9月，夏玉米种植期间气温、降雨数据见图1；试验区土壤表层质地主要为粉壤土，土壤容重为1.48 g/cm3，含盐量为11.9%，有机质为14.8 g/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为“泛玉298”，采用人工播种方式种植。试验采用2 个灌溉水平，即I1（0.8 I2，133 mm）、I2（166 mm），采用4 个施氮水平，即CK，N1，N2，N3，分别表示施纯氮量0、120、180 和270 kg/hm2，本试验设有10 个处理小区，见图2。试验以施磷（P2O5）60 kg/hm2、施钾（K2O）60 kg/hm2为基础。施肥小区重复3 次，随机区组排列。夏玉米施用肥料为尿素（N，46%） 和复合肥（N∶P∶K=1∶1∶1，15%）。在小区正中心设置微区，微区由长0.8 m、宽0.8 m、高1 m的PVC雪弗板制成。划出微区所在位置后，将PVC板放到微区所在位置，外层用塑料薄膜围住，使其周围与土壤紧贴，PVC 板上方露出地表5 cm，防止径流和横向污染。微区内施15N 标记尿素（15N atom%为10.22，上海化工研究院），微区外施用普通尿素。各处理见表1。

表1 2020年夏玉米15N示踪试验处理Tab.1 15N tracer test treatment of summer maize in 2020

1.3 观测内容与方法

1.3.1 土壤样品

（1）小区夏玉米试验。夏玉米季选取拔节期、抽雄期、灌浆期和收获后4个具有代表性的时间点。用采样器分层采集0～120 cm 土壤样品，分为0～20、20～40、40～80、80～120 cm，共4层。供试土壤试验前氮素本底值见表2。

表2 土壤氮素本底值Tab.2 Soil nitrogen background value

（2）15N 示踪微区试验。玉米成熟期用取土钻机分别取微区中深度为0～100 cm 的土样。土壤样品过0.25 mm 筛，混匀后用四分法取测定所需的样品量。土壤同位素测定在东北农业大学农业部水资源高效利用重点实验室完成，采用元素分析仪和同位素质谱仪联用的方法测定土壤中的15N丰度。

1.3.2 植物样品

2020年夏玉米收获前，每个微区选取5 株15N 标记的玉米植株，将选取的玉米植株分为茎秆、叶、籽粒三部分，并放入烘箱105 ℃杀青20 min，而后75 ℃恒温烘至恒重，称量各器官干物质量并研磨，过0.15 mm 筛，用于测定玉米样品中TN和15N 丰度。植株TN 含量利用硫酸双氧水快速消煮，奈氏比色法测定。成熟期玉米各器官15N 丰度测定方法与土壤同位素测定相同。

1.4 指标计算

器官的N dff和Ndfs是指作物各器官从肥料氮和土壤氮中吸收的氮量对该器官全氮的贡献率，反映了各器官对15N的吸收征调能力[12]。SN、FN是指植株中土壤氮和肥料氮的含量，反映了植株对土壤氮和肥料氮的吸收利用能力。FSN和L2是指土壤中残留的肥料氮的含量和比率，L3是指土壤中损失的肥料氮的含量。SE是指土壤氮素的激发率，反映了氮肥使土壤中有机氮分解的情况。PFP指施用某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值，它是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。ANUE表示了作物对施用肥料养分利用的百分数，反映了施用氮肥后玉米氮素营养的实际提高程度。WUE表示了作物蒸散消耗单位质量水所制造的干物质量，反映了植物生产过程中的能量转化效率。

（1）植株（土壤）中肥料氮素的百分比Ndff（%）：

植株（土壤）中土壤氮素的百分比Ndfs（%）：

式中：Np为植株（土壤）样品中15N 丰度，%；NA为植株（土壤）15N的自然丰度，取0.365，%；Nf为肥料中15N丰度，%。

（2）植株全氮含量S全（kg/hm2） ：

植株中土壤氮含量SN（kg/hm2）：

植株中肥料氮含量FN（kg/hm2）：

植株对肥料氮的吸收率L1（%）：

式中：DM为植株干物质量，kg/hm2；NC为植株含氮量，%。

（3）土壤中残留肥料氮含量FSN（kg/hm2）：

土壤中肥料氮残留率L2（%）：

氮肥损失率L3（%）：

式中：Z为土层厚度，cm；ρ为土壤容重，g·cm-3。

（4）土壤氮素激发率SE（%）：

式中：NPK为施氮处理来自土壤中氮量，kg/hm2。

（5）氮肥偏生产力PFP（kg/kg）：

式中：YN为施氮区产量，kg/hm2。

（6）氮肥农学利用效率ANUE（kg/kg）：

式中：YCK为未施氮区产量，kg/hm2。

（7）水分利用效率WUE[kg（/hm2·mm-1）]。

式中：Y为作物产量，kg/hm2；ET为浇水量，mm。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行整理，用Origin2019b进行绘图，使用SPSS 统计分析软件进行单因素ANOVA 方差分析。

2 结果和分析

2.1 不同水肥条件下玉米各器官对氮素的吸收分配

作物吸收的氮素主要来源于肥料氮素和土壤氮素。2020年夏玉米不同器官氮素来自土壤和肥料情况如图3所示。不同水肥条件下，玉米籽粒、玉米叶、茎秆吸收肥料中的氮素为21.53%～21.75%，11.48%～19.83%，17.39%～33.08%。当灌水量相同时，随着夏玉米施氮量的增加植株对肥料氮素的吸收利用也增加，土壤氮素的消耗减少。当施氮量相同时，夏玉米灌水量的增加可以提升植株对肥料氮素的吸收利用。当在N2I2 处理下，玉米籽粒吸收的肥料氮素达到最大值31.75%，且显著高于N1I1、N1I2、N2I1 处理（P<0.05）。说明适宜的水肥比可以提高作物器官对肥料氮的吸收利用，当灌水量和施氮量达到一定的水平时，再增大水肥量不仅无法提高吸收能力，反而会呈现下降趋势。玉米茎秆吸收的肥料氮素为21.48%，玉米叶吸收的肥料氮素为18.46%，玉米各器官对肥料氮素的竞争能力由大到小为籽粒、茎秆、叶，说明玉米植株吸收的肥料氮素优先转移到了籽粒中。

表3为不同水肥处理下夏玉米各器官对肥料氮和土壤氮的吸收量。由表3可知，当灌水量为I1时，夏玉米各器官吸收肥料氮随施氮量的增加而增大。当灌水量为I2 时，玉米茎秆和叶吸收肥料氮随施氮量的增加而增大，而籽粒吸收肥料氮随施氮量的增加呈现先增加后减少的趋势。不同器官对肥料中氮素的吸收量不同，由大到小表现为：籽粒、叶、茎秆，这与张水勤等[13]对玉米的研究结果基本一致。籽粒、叶、茎秆吸收肥料中的氮含量分别占总量的70.91%～84.52%、10.45%～20.31%、3.93%～8.78%。不同水肥条件下，夏玉米对肥料氮的吸收量占总吸氮量的19.43%～28.62%，对土壤氮吸收量占总吸氮量的71.38%～80.57%。各处理夏玉米对土壤氮吸收量均显著高于夏玉米对肥料氮吸收量。BEHERA S K[14]等研究结果也是相同的。而张忠学[15]等学者通过玉米在不同水肥条件下氮素利用实验得出，夏玉米吸收肥料氮占总施氮量的33.32%～43.54%，当灌水量充足时，随着施氮量的不断增加，作物从土壤中吸收的氮量也不断增加，而在我们灌水量都充足的情况下，张忠学等学者的施氮量要远远大于我们的，还由于他们的土壤类型是黑壤土和实验地点黑龙江处于大陆性温寒带气候等环境因素，他们得出的比例要比我们得出的更多。

表3 不同水肥条件下玉米各器官对肥料氮和土壤氮的吸收量Tab.3 Absorption of fertilizer nitrogen and soil nitrogen by maize under different water and fertilizer conditions

2.2 不同水肥条件下肥料氮对土壤氮的激发效应

土壤激发效应是指外源无机氮肥施加使土壤中固有有机氮分解的现象。由表4可知，不同水肥条件下，土壤氮素的激发率为119.16%～169.19%，且均为正激发效应。相同施氮量下，I2 处理土壤氮素激发率大于I1 处理。说明增加灌水量可以提高土壤微生物细胞水，从而提升微生物活性，增加土壤有机碳矿化作用，C/N减小，土壤氮素激发效应增加。在I1灌水量下，土壤氮素激发率随施氮量的增加而增大，施氮量为N3 时土壤氮素激发率达到最大值147.08%，N3 处理的土壤激发率较N2 增加了2.6%，N2 处理的土壤激发率较N1 增加了25.3%。在I2灌水量下，随着施氮量的增加，土壤氮素激发率呈现先增大后减小的趋势，施氮量为N2 时土壤氮素激发率达到最大值179.42%，N3 处理的土壤激发率较N2 降低了10.2%，N2 处理的土壤激发率较N1 增加了55.5%。说明灌水和施肥均会影响土壤氮素激发效应，在一定灌水量下，适当增加施氮量能促进土壤氮素激发效应，而过量施氮对土壤激发效应促进效果不显著甚至降低。

表4 土壤的激发效应Tab.4 Stimulation effect of soil

2.3 不同水肥处理肥料氮去向分析

氮肥施入土壤后的去向主要包括：作物吸收利用、以不同形态残留于土壤中以及通过不同机制和途径在土壤-作物体系损失[16]。表5 显示了不同水肥处理下肥料氮的去向。不同水肥处理作物肥料氮吸收率、土壤残留率和损失率分别为29.41%～50.75%、20.45%～31.41%和24.67%～41.26%。这与茹德平得出的氮肥利用率为26.61%～42.24%，损失率为25.79%～45.28%类似[9]。在I1灌水量下，作物肥料氮吸收量、土壤残留和损失量均表现为：N3>N2>N1，即随施氮量的增加而增加，但作物肥料氮吸收率、残留率和损失率表现为：N3N3>N1，说明施氮量达到一定水平后继续增加施氮肥作物吸氮量不再增加，而肥料氮在土壤中的残留量和损失量随之增加。N3I2 处理氮肥损失率最高，达到了50.14%，显著高于其他处理(P＜0.05)。这可能是由于灌水过多，施氮量远超过作物生长发育所需，多余的氮肥随水流失。N1、N3施氮量下，I2灌水量NO3--N 损失量和损失率均大于I1灌水量，这说明增加灌水量有增大肥料损失的风险，灌水量对作物吸收利用肥料氮素并未产生积极影响。N2 施氮量下，I2 灌水量下NO3--N 的残留量、损失量均小于I1 灌水量下，肥料氮主要用于作物吸收，吸收率为50.75%。因此，整体上来说在不同水肥处理下肥料氮的去向的占比从大到小是作物吸收，损失和在土壤中残留。说明适宜的水肥配比有利于植株充分利用氮肥，减少损失。这与杨蕊菊等得出的结论相似[17]。

表5 不同水肥处理肥料氮去向Tab.5 Different water and fertilizer treatments fertilizer nitrogen whereabouts

2.4 不同处理氮的利用效率分析

表6显示了试验期间，不同水肥处理下夏玉米的氮肥偏生产力、水分利用效率和氮肥农学利用效率。水分利用效率在N3I2 处理时最高为13.0 kg/m3，在N1I1 和N1I2 时最低为10.9 kg/m3，即施氮量和灌水量都达到最大时，水分利用效率整体随着施氮量和灌水量的增加而增多。因此在一定程度下，随着施氮量和灌水量的增多，水分利用效率增大，节水效率也随之增大。水分利用效率是决定玉米经济效益的重要指标，合理的水肥调控有利于充分利用水资源，节约用水，避免浪费。农学利用效率在N3I2 处理时最高为7.72 kg/kg，且显著高于其他处理，在N1I2 处理时最低为1.63 kg/kg，因此氮肥的农学利用效率整体上随着施氮量和灌水量的增加而增多。而氮肥偏生产力在N1I1时最高为67.72 kg/kg且显著高于其他处理，在N3I1 时最低为35.14 kg/kg，可以看出氮肥偏生产力随着灌水量的增加而增大，随着施氮量的增加而减小[18]。

表6 不同水肥处理夏玉米氮肥利用效率Tab.6 Nitrogen utilization efficiency of summer maize under different water and fertilizer treatments

3 结论

（1）不同水肥条件下，夏玉米对肥料氮的吸收量占总吸氮量的19.43%～28.62%，对土壤氮的吸收量占总吸氮量的71.38%～80.57%，夏玉米主要吸收土壤氮，随施氮量的增加肥料氮吸收量增加。夏玉米各器官对肥料氮的竞争能力由大到小为籽粒、茎秆、叶。适宜的水肥配比可以提高植株对肥料氮的吸收能力。

（2）不同水肥条件下，土壤氮素的激发率为119.16%～169.19%，且均是正激发效应，灌水量和施肥量都会影响土壤氮素激发效应，当灌水量一定时，适当地施肥会促进土壤氮素的正激发效应，但是过量的施肥会抑制土壤氮素的正激发效应。

（3）不同水肥处理下作物肥料氮的吸收率、土壤残留率、损失率分别为29.41%～50.75%、20.45%～31.41% 和24.67%～41.26%，整体上说在不同水肥处理下作物肥料氮的去向的占比从大到小为作物吸收率，损失率，土壤残留率。不同水肥处理中N2I2 处理夏玉米对肥料氮的吸收率最大，为50.75%。增加施氮量有增大肥料氮损失的风险，适宜的水肥配比有利于植株充分利用氮肥，减少损失。

（4）夏玉米的氮肥偏生产力为35.14～70.4 kg/kg，氮肥偏生产力均随施氮量的增加而降低，随着灌水量的增加而减小。夏玉米的水分利用效率为1.09～1.30 kg/m3，随着施氮量和灌水量的增加而增大，夏玉米氮肥农学利用效率为1.63～7.72 kg/kg，随施氮量和灌水量的增加而增大。合理的水肥调控有利于最大程度利用资源，避免水资源的浪费。