长期施用不同剂量氮肥对高粱产量、氮素利用特性和土壤硝态氮含量的影响

王 媛 王劲松 董二伟 武爱莲 焦晓燕,*

1 山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 山西太原 030031; 2 高粱遗传与种质创新山西省重点实验室, 山西晋中 030600

我国的氮素用量占全球的 30%左右, 但作物吸收利用率普遍低于50%[1-2]。适宜的氮素营养通过促进作物的有效分蘖和颖花分化[3], 增加了穗粒数,从而提高籽粒和淀粉产量[4]。但超出作物的需求将导致氮饱和, 在影响光合产物形成与转运的同时,导致作物群体增大、病虫害及倒伏的风险增加[5]。氮素奢侈吸收还通过叶片硝态氮水平调控碳水化合物的代谢, 使更多的糖发生酵解转化为有机酸[6],影响籽粒淀粉的合成。盈余的氮素大部分以硝态氮形式存在于土壤剖面[7], 淋溶程度与施氮量显著相关[8]。15N试验表明, 施氮250 kg hm-2, 当季玉米收获后残留在土壤中的肥料氮占到33%[9]。长期施氮,残留量累积可达 45%以上[10]。并逐渐向深层淋失,每10 mm 降 水可使塿 土中硝态氮向下迁移2～4 cm[11],易造成地下水硝酸盐污染。

高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]是世界第五大作物, 具有较强的耐瘠性[12], 与玉米相比, 达到目标产量需氮量较低[13]。低氮胁迫下, 高粱根际利用羧酸类和胺类的微生物种类增多[14], 耐低氮能力较强, 且根系分泌的生物硝化抑制剂能较为高效的抑制亚硝化细菌[15-16], 进而降低氮素通过反硝化作用和硝态氮淋失向“环境”施肥。因而低氮条件下, 高粱的氮素利用特性及土壤硝态氮的残留累积可能区别于其他作物。且高粱氮素吸收利用还受土壤氮素背景及高粱种间遗传基础和进化差异的影响[17-18]。施氮还显著降低了高粱籽粒淀粉含量, 且随土壤肥力的提高, 影响效果更加明显[17]。目前关于不同施氮水平下, 高粱氮素利用特性及土壤剖面硝态氮已有研究[19-21], 鲜少涉及长期施用。还需在土壤氮素消耗或累积下, 进一步综合考虑不同品种高粱氮素利用特性、籽粒淀粉含量及土壤硝态氮的残留累积, 以避免土壤氮素背景、品种及气候等因素的影响, 实现高粱氮素的高效利用。本研究连续5年以该区主推品种晋杂34、辽杂27、晋饲2号、晋糯3号和汾酒粱1号为研究对象, 通过测定其产量、淀粉含量和土壤硝态氮, 探究氮素对高粱生产及土壤环境的影响, 以期为高粱合理施用氮肥提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

山西省农业科学院东阳试验基地(37°33′21″N,112°40′2″E)属北温带大陆性气候, 海拔 800 m, 年均气温9.7℃, 年均降水量440.7 mm, 连续12年生育期降水量均值为351.7 mm, 均方差为55.7 mm, 据此对高粱生育期降水年型划分[22]。2015年属枯水年,6、7月降水总量较均值共降低了47.55%; 2016年属丰水年, 7月降水量较均值增加了1.2倍; 2017年属平水年, 但 9月籽粒灌浆期降水量较均值降低了95.09%; 2018年属丰水年, 5月降水量较均值增加了74.82%; 2019年属枯水年5月、7月和8月降水量明显低于均值, 分别降低了97.84%、61.71%和41.35%(表1)。该区土壤类型为石灰性褐土, 土壤质地为壤质沙土(各粒级体积百分比分别为: 小于 0.002 mm黏粒占 1.63%; 0.020～0.002 mm 粉粒占 11.29%;2～0.02 mm沙粒占87.09%)。2015年播前土壤含有机质16.51 g kg-1、全氮0.75 g kg-1、速效磷6.31 mg kg-1、速效钾 126.08 mg kg-1。

表1 生育期降水量(2015-2019)Table 1 Monthly precipitation during five growing seasons from 2015 to 2019 (mm)

试验采用随机区组设计, 设0 (N0)、75 (N75)、150 (N150)、225 (N225)、300 (N300)、450 kg hm-2(N450) 6个氮素水平。磷、钾肥为常规处理, 即施磷(P2O5) 75 kg hm-2、钾(K2O) 30 kg hm-2, 作为基肥施入, 不再追肥。小区面积30 m2, 每个施氮水平设置重复3个小区, 间隔1 m。2015—2019年均在5月1日播种, 6月8日定苗, 10月3日收获。并于播前和拔节期分别灌溉100 mm, 其他田间管理按各品种高产田进行。供试品种, 种植密度见表2。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 产量测定 于成熟期, 将试验小区各边去掉 0.6 m, 其余部分作为收获区(秸秆一并收获, 未还田), 面积为30 m2。记录测产面积内的穗数和穗总鲜重, 按平均单穗重取代表性10穗, 称取鲜重带回实验室, 烤种后烘干至恒重, 计算含水量, 折算测产区域产量, 最后得出每公顷产量。

1.2.2 植株氮素测定 每个小区选取代表性植株10株, 分为茎、叶、穗轴和籽粒 4个部分, 分别称其干重, 粉碎, 四分法取样后, 采用凯氏定氮法, 并根据其干重计算高粱地上部氮素累积量[23]。

1.2.3 籽粒淀粉测定 将 2016—2019年粉碎的籽粒用氯化钙溶液分散, 采用旋光法测定总淀粉含量[24]。

1.2.4 土壤硝态氮测定 于2018—2019年10月10日按每20 cm采集0～200 cm土层的土壤样品。称取风干土样10 g, 加入50 mL 2 mol L-1的KCl浸提,振荡60 min, 采用流动连续分析仪(Auto Analyzer 3-AA3)测定土壤硝态氮含量。

表2 供试高粱品种及种植模式Table 2 Sorghum varieties and planting density

1.3 数据处理

淀粉产量反映施用氮肥对整株籽粒淀粉的影响,根据淀粉含量和单株籽粒产量即可计算[4]:

淀粉产量(grain starch yield, g plant-1) = 淀粉含量×单株籽粒产量/100

就氮素利用特性指标而言, 本文采用 5年氮素累积表观回收率、5年氮肥叠加利用率以及5年氮肥农学叠加效率(后均以氮肥利用率、氮肥农学效率和氮素表观回收率表示), 以充分考虑氮肥对土壤氮的消耗和补偿效应[25-26]。相关参数计算采用以下公式:

氮肥利用率( nitrogen fertilizer use efficiency,NFUE, %) = (5年施氮区单位面积植株地上部分吸氮量 - 5年不施氮区单位面积植株地上部分吸氮量)/5年单位面积累积施氮量 × 100

氮肥农学效率(nitrogen fertilizer agronomic efficiency, NAE, kg kg-1) = (5年施氮区单位面积产量 -5年不施氮区单位面积产量)/5年单位面积累积施氮量

氮素表观回收率(nitrogen apparent recovery rate,NARR, %) = 5年单位面积植株地上部氮素积累总量/5年单位面积累积施氮量 × 100

采用 SPSS 19.0软件进行统计分析, Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对高粱产量和植株吸氮量的影响

氮肥显著改变了高粱的籽粒产量、穗粒数和植株地上部氮素吸收量(表3)。施氮75 kg hm-2显著提高了 2015—2018年籽粒产量, 分别较不施氮增加了7.32%、22.58%、23.68%和17.01%, 随着施氮水平的继续增加, 产量基本不变。2019年籽粒产量在不施氮下变异性较大, 标准差为1112.36 kg hm-2, 各施氮水平不存在显著差异。施氮75 kg hm-2较不施氮处理显著增加了 2016—2019年的单穗粒数, 分别增加了19.98%、48.05%、30.06%和 23.64%, 且随施氮水平继续增加穗粒数无显著的变化。2015年不同施氮水平间穗粒数虽无显著差异, 但亦存在随施氮量的增加呈先升高后趋于稳定的趋势。说明施氮75 kg hm-2就可达到大幅增加高粱籽粒产量和穗粒数的目的。

保证作物植株体内充足的氮素营养是其生长和籽粒形成的基础, 施氮提高了2015—2019年地上部植株氮素累积量, 其中施氮75 kg hm-2处理增幅最大, 分别较不施氮提高了28.35%、48.69%、39.30%、51.86%和33.18%。说明施氮75 kg hm-2就可达到增加植株地上部氮素累积的目的, 且超过该水平增幅不大。

表3 不同施氮水平下高粱产量和植株地上部氮素累积量Table 3 Sorghum yield and nitrogen accumulation of above-ground plant at different nitrogen application rates

2.2 不同施氮水平对高粱籽粒淀粉的影响

淀粉含量在籽粒的出米率、适口性及酿造等方面都有重要影响[27-28]。由图 1可看出, 淀粉含量随施氮量的增加逐步降低。2016—2019年施氮 75 kg hm-2较不施氮分别降低了 4.95%、1.35%、2.83%和2.38%; 而施氮450 kg hm-2则分别降低了12.01%、1.87%、3.92%和4.44%。但2017年籽粒淀粉含量在施氮225 kg hm-2和300 kg hm-2略有上升。淀粉产量反映了单株籽粒生产淀粉的能力, 2016年施氮225 kg hm-2籽粒淀粉产量达到最大, 较不施氮和施氮450 kg hm-2分别增加了23.46%和16.22%, 且与施氮75 kg hm-2、150 kg hm-2和300 kg hm-2无显著性差异; 2017年施氮75 kg hm-2籽粒淀粉产量达到最大, 较不施氮和施氮 450 kg hm-2分别增加了35.85%和13.10%。2018—2019年虽不存在显著性差异, 但亦存在施氮提高了籽粒淀粉产量的趋势。这表明施用氮素使高粱籽粒淀粉含量逐步降低, 但低水平氮素更有利于单株籽粒淀粉产量的形成。

2.3 不同施氮水平下高粱的氮素利用特性

由表4可知, 施氮150 kg hm-2较75 kg hm-2, 氮肥利用率降低了 43.47%, 氮肥农学效率降低了53.28%。施氮75 kg hm–2时, 氮素表观回收率和氮肥利用率的差值为156.65%。当施氮量达到150 kg hm-2时, 差值为78.33%。

2.4 不同施氮水平对土壤硝态氮含量的影响

硝态氮是旱作农田氮肥残留的主要盈余项, 将其控制在一定范围内, 则可兼顾产量与环境效益[29]。由图2可知, 施氮75 kg hm-2与不施氮处理在0～200 cm土层硝态氮含量基本一致, 且几乎未见累积峰;施氮 150 kg hm-2在 2018年 60～80 cm 和 2019年100～120 cm 土层处硝态氮略有累积, 但含量仅为9.92 mg kg-1和14.47 mg kg-1, 淋溶所带来的环境风险较低。其他施氮处理均存在明显的累积峰, 2019年施氮450 kg hm-2在80～100 cm和180～200 cm土层处, 峰值达到72.76 mg kg-1和49.33 mg kg-1, 较不施氮处理分别增加了18.40倍和11.52倍, 淋溶所造成的环境风险加剧。

表4 不同氮素用量下高粱5年累积氮肥利用特性Table 4 Nitrogen utilization characteristics which were accumulated for five years at different nitrogen application rates

2019年施氮225、300和450 kg hm-2收获后硝态氮含量在 0～200 cm土层与 2018年存在明显的差异(图 2), 分别在 140～160 cm、120～140 cm 和100～120 cm土层处较2018年增加了2.66倍、7.68倍和2.02倍, 硝态氮在60～200 cm明显存在逐年累积的现象。2018—2019年, 不施氮和施氮75 kg hm-2在0～200 cm土层中硝态氮含量基本一致。施氮 150 kg hm-2在 100～200 cm土层中, 2019年较2018年略有增加, 在160～180 cm土层处2年差值达到最大, 差值仅为11.78 mg kg-1, 残留累积效果并不明显。

3 讨论

3.1 不同施氮水平对高粱籽粒产量和淀粉形成的影响

根部氮素营养通过对细胞分裂素这一信号物质的调控[30-31], 促进作物颖花分化[3], 进而增加了穗粒数, 有助于提高籽粒产量和淀粉产量[4]。本研究中施用氮肥显著增加了高粱籽粒产量和穗粒数,且N75处理增幅最大, 并随施氮量的增加保持基本不变, 这与高杰等[32]研究基本一致。2019年籽粒产量在各施氮处理下不存在显著性差异, 这可能与枯水年下该品种的耐旱表现及不施氮下变异性较大有关。

淀粉含量随施氮量的增加而降低, 这与王劲松等[17]研究结果相似。这一方面可能与根际氮素营养通过对植株体内硝酸盐的调节有关, 叶片硝酸盐在与硝酸还原酶的共同参与下, 对光合产物进行调节,使更多的糖发生酵解转化为有机酸[6]; 另一方面可能是由于硝酸还原酶的调节影响了 ADP-葡萄糖焦磷酸酶的调节亚基, 进而抑制其活性[33], 影响籽粒淀粉的合成。此外, 2017年施氮225 kg hm-2和300 kg hm-2籽粒淀粉含量略有上升, 这可能由于2017年籽粒灌浆期受水分胁迫, 导致施氮提高了籽粒淀粉含量[34]。2016年和 2017年单株淀粉产量随着施氮量的增加基本呈现先增加后降低的趋势, 不施氮和高氮处理皆不利于淀粉产量的形成, 这与穗粒数和淀粉含量的变化有关。2018年和 2019年各施氮处理下虽淀粉产量不存在显著性差异, 但亦存在施氮提高了籽粒淀粉产量的趋势, 这可能与本试验在田间进行, 部分品种变异性较大有关。综上所述, 本研究认为高粱在籽粒产量和淀粉方面最适宜的施氮量为75 kg hm-2。

3.2 施氮水平对高粱氮素吸收及利用的影响

适量的氮肥可以提高作物的物质生产能力, 一定程度上促进植株氮素积累总量的提升[35]。本研究中施氮逐步增加了高粱植株地上部氮素吸收量, 且以N75处理增幅最大。2015年和2016年植株氮素吸收量高于2017—2019年, N0处理差异更明显(表3)。这一方面可能与2015年播前全氮含量为0.75 g kg-1有关, 根据黄土高原地区土壤养分含量分级标准[36],属中等级。加之, 高粱植株具有较高的吸收氮素的能力[13], 土壤氮素背景显著影响了高粱植株氮素的吸收[17]。另一方面, 还可能与不同高粱品种的氮素利用效率存在差异有关[18]。不施氮和施氮75 kg hm-2下,植株5年氮素累积量远高于氮素投入量(表4), 这可能与土壤氮素的残留, 以及大气氮沉降对农田氮素的输入有关。河北辛集的调查显示, 麦田收获后0～90 cm土层中的残留无机氮为75～510 kg hm-2, 超过200 kg hm-2的田块占到40%[37]。刘平等[38]在山西北部的监测试验表明, 该区氮素干湿沉降总量达到每年47.86 kg N hm-2。且氮素沉降总量超过每年30 kg N hm-2, 会对农田生态系统养分循环产生影响,不容忽视[39]。

氮肥利用率(NFUE)反映了植株对氮肥的利用情况, 而氮肥农学效率(NAE)可以用来评价氮肥的增产效果。过量的施氮使作物物质生产能力增幅变小, 氮肥利用率和氮肥农学效率降低[40]。因此, 适当提高氮肥利用率, 不仅是提高实际生产中产出投入比的需要, 亦是降低氮素过量施用风险的需要。本研究中氮肥利用率和氮肥农学效率随施氮量的增加逐渐降低(表4)。施氮量达到150 kg hm-2时, 氮肥利用率和氮肥农学效率较施氮75 kg hm-2分别降低了43.47%和53.28%, 表明施氮≥150 kg hm-2时, 施用氮素已不能大幅提高高粱的物质生产能力。朱兆良等[1]在总结 782个田间试验数据的基础上, 得出主要粮食作物的氮肥利用率为28%～41%, 平均为35%。与本研究中, 施氮量为150 kg hm-2的氮肥利用率基本一致。因此, 就实现高粱植株对土壤氮素高效利用的目标而言, 氮素供应水平应小于150 kg hm-2。

然而氮肥利用率并不是越高越好, 而是在维持较高目标产量、维持土壤氮肥力、实现体系氮输入和输出的基本平衡的条件下才有意义[40]。氮素表观回收率(NARR)反映了植株氮素吸收和氮肥施用量之间的平衡状况。本研究中, 施氮量为 75 kg hm-2时, 氮素表观回收率为219.66%。此时可能由于高粱对氮素的需求, 以及土壤中不可避免的氮素损失, 而增加了土壤氮库的消耗。当施氮量达到150 kg hm-2时, 氮素表观回收率为113.95%, 接近平衡状态。但还需考虑土壤氮素的残留以及大气氮沉降的输入。因此, 施氮≥150 kg hm-2时, 造成氮素残留的风险较高。故本研究认为施氮量应介于75～150 kg hm-2之间, 可能更有利于在维持土壤氮素输入和输出平衡的同时, 降低土壤氮素的残留。

氮素对作物营养生长的作用要大于对生殖生长,过量施氮会影响植株碳、氮代谢[5]。本研究中, 施氮75 kg hm-2时, 氮素表观回收率和氮肥利用率的差值为156.65%, 此时高粱亦存在缺氮的风险。当施氮量达到150 kg hm-2时, 差值为78.33%, 已能满足高粱的生长需求, 且存在氮素过量施用的风险。故本研究认为综合氮肥利用效率、氮肥农学效率、土壤氮素输入输出的平衡以及高粱生长对氮素吸收的基本要求, 施氮量应介于75～150 kg hm-2之间。

3.3 不同施氮水平对土壤硝态氮含量的影响

硝态氮是氮素在土壤中存在和作物吸收利用的主要形式, 北方旱作条件下, 施入的铵态氮肥和酰胺态氮肥在土壤中 1～2周会转化为硝态氮, 且作物收获后残留氮素大部分以硝态氮的形态存在[7]。本研究表明, 连续施氮 4～5年后, 施氮≤150 kg hm-2与不施氮处理在0～200 cm且几乎未见累积峰, 随着施氮量继续的增加, 出现明显的累积峰, 存在明显的淋失风险(图2)。

硝态氮在土壤剖面的残留累积量与施氮量显著相关[8], 由土壤硝态氮含量、土层厚度和土壤容重决定。一般认为土壤表层容重易受耕作方式的影响,但本研究在同一试验地连续施氮, 并采取了相同的耕作措施, 保证了不同年际间土壤容重基本一致。故相同土层内, 硝态氮含量可以间接反映连续施氮状况下硝态氮在土壤剖面的残留累积。2019年(连续施氮第5年)施氮≥225 kg hm-2高粱收获后硝态氮含量在0～200 cm土层与2018年存在明显的差异, 残留氮素累积逐年增加。施氮150 kg hm-2在100～200 cm土层中, 2019年较2018年略有增加。不施氮和施氮75 kg hm-2在0～200 cm土层中硝态氮含量在基本一致。说明施氮量低于150 kg hm-2残留氮素逐年累积效果不明显(图2)。综上所述, 施氮量低于150 kg hm-2几乎不存在潜在的环境风险。

4 结论

施用氮肥显著提高了高粱产量、籽粒淀粉产量和植株地上部氮素吸收量, 以施氮75 kg hm-2增幅最大。施氮达到150 kg hm-2时, 氮肥利用率大幅下降, 施入氮素已能满足高粱植株的基本生长需求。施氮量低于150 kg hm-2时, 在0～200 cm土层几乎没有明显的硝态氮累积峰, 硝态氮残留逐年累积效果不明显。故施氮量应介于75～150 kg hm-2之间, 在满足高粱植株基本生长需求的同时, 弥补了土壤氮库的消耗, 有效降低了土壤硝态氮淋失, 亦有利于高粱产量和籽粒淀粉产量的形成。