氮肥施用对四川紫色土矿质态氮淋失特征及春玉米产量的影响

2022-02-15 13:41刘明鹏徐开未肖华陈晓辉彭丹丹卢俊宇陈远学

农业资源与环境学报 2022年1期

刘明鹏，徐开未，肖华，陈晓辉，彭丹丹，卢俊宇，陈远学*

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.福建农林大学资源与环境学院，福州 350002；3.雅安市农业农村局，四川雅安 625000）

氮是玉米生长必需营养元素，也是玉米产量最主要的限制因子[1]。施用氮肥能有效提高春玉米产量，但目前我国氮肥过量施用和低效利用问题突出[2]。长期过量施用氮肥会导致土壤氮富集，当土壤氮素累积超出环境容量后，会通过径流、土壤淋失、氨挥发等方式流失[3]。据估计全球每年约有20%～30%氮肥通过土壤淋失，这是造成农田氮损失和地下水硝酸盐超标的重要原因，严重污染地下水[4-5]。土壤氮素淋失主要受施肥、灌溉、降雨、田间管理措施等因素影响[5-6]，但不同地区的农田土壤氮素淋失量（率）由于受区域气候、施肥量、施肥方式、土壤类型和耕作方式等因素影响而差异较大[7]。虽然减少施氮量可以提高氮肥利用率，但会造成作物减产，而增施氮肥则增加氮素淋失风险[8]。因此，明确地区适宜施氮量对保证作物产量、减少农田氮素损失和降低环境风险具有重要意义。

研究表明，作物生育期间施用氮肥的15%～25%会通过淋洗途径损失[9]，且主要的淋失形态为硝态氮（NO-3-N）[10]。通过减少氮肥用量、深施氮肥、施用缓控氮肥及施用硝化抑制剂等方法可以降低土壤氮流失风险，提高氮肥利用率[11]。缓释肥及硝化抑制剂主要通过降低硝化-反硝化损失减少土壤氮淋失风险，而减少氮肥用量可以显著降低土壤剖面中的无机氮含量，是有效减少土壤氮淋失最直接的方式[11-12]。田间原位收集农田全部淋失水分及氮素的难度较大，目前常用的方法有：①采集田间原状土到室内进行模拟试验，模拟自然降水条件，收集土壤渗漏液，测定其氮素浓度并估算氮素淋失风险[13]；②钻取土壤剖面土样，测定其浓度估算淋失量[14]；③使用吸力杯式土壤溶液收集器获取土壤渗漏液估算氮素淋失量[15]；④使用15N 示踪法研究土壤中的氮肥去向估算氮淋失量[16]；⑤在田间埋设原位渗漏池收集渗漏液直接测定氮素渗漏量[17]。其中，渗漏池可以收集小区全部淋溶液，结果更为准确。充足的水分输入和土壤中的氮素残留是造成农田氮素淋失的重要原因，西南地区常年施氮肥量250～300 kg·hm-2[18]，导致土壤氮素大量残留，且试验地玉米季常年降雨量为1 200～1 700 mm，多雨寡照，极易发生土壤氮素淋失[19]。为此，本研究以四川雅安紫色土肥力与肥料效应监测基地为平台，探究施氮量对土壤氮素淋失、春玉米产量及氮肥利用率的影响，以期为西南区玉米合理施肥、玉米高产高效，降低环境污染风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年4—8 月和2019 年4—8 月在四川农业大学雅安校区农场（29°98′N，103°00′E）进行，试验地属长期定位试验点，长期肥料定位试验开始于2010 年。试验区属亚热带湿润季风气候，年均气温16.2 ℃，年均降雨天数218 d，年均降水量1 732 mm，平均日照时数约1 019 h，无霜期280～310 d。试验地位于河谷一级阶地，海拔580 m，土壤类型为紫色湿润雏形土，土壤质地为黏壤土，1～2 m 以下为老河道，地下水位较浅。2018 年试验前耕层0～20 cm 土壤基础理化性质见表1。

表1 2018年播前土壤基础理化性质Table 1 Soil basic physical and chemical properties before planting in 2018

1.2 供试材料

供试春玉米品种为“仲玉3 号”，由四川省南充市农业科学院玉米研究所选育，是当地密植抗倒高产的主推品种之一。氮肥为尿素（N，46.4%），磷肥为过磷酸钙（P2O5，12%），钾肥为氯化钾（K2O，60%），均购于当地农资市场。

1.3 试验设计与管理

试验设5 个氮（N）水平，分别为0（不施氮对照）、90（低氮处理）、180（优化施氮处理）、270（农民习惯施氮处理）、360 kg·hm-2（高氮处理），对应编号依次记为N0、N90、N180、N270和N360。各处理间磷、钾肥用量一致，分别为P2O575 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2。为便于长期定位和施肥管理，试验采用单因素大区设计，5 个氮水平为试验大区，大区长8.4 m，宽9.5 m，大区之间设间隔2 m，在大区内再划设3个小区作为重复，小区间无间隔，小区面积2.8 m×9.5 m=26.6 m2。

施肥方法：将30%的氮肥和全部磷、钾肥用作基肥，基肥采用沟施，施肥深度15 cm；另于拔节期追施30%的氮肥，大喇叭口期追施40%的氮肥，追肥方式为氮肥兑清水再冲施于植株旁；不施氮处理灌等量清水作对照。

玉米采用直播方式播种，行距60 cm，窝距52 cm，每窝2 苗，种植密度为6.75×104株·hm-2。2018 年4 月24 日播种，5 月19 日追拔节肥，7 月7 日大喇叭口期追肥，8月31日收获；2019年4月4日播种，5月4日追拔节肥，6 月15 日大喇叭口期追肥，8 月24 日收获。2019年播种时由于干旱进行灌溉，灌溉量为110 mm，2018、2019 年春玉米季输入水量（含降雨和灌溉）分别为1 640.8、1 561.3 mm（图1）。其余田间管理按大田丰产要求进行。

图1 2018—2019年玉米生育期间降雨量和大气温度Figure 1 Rainfall and air temperature during maize growth period in 2018—2019

1.4 样品采集与分析

渗漏水样品：渗漏水的采集监测采用地下原位淋溶监测装置（图2）。于各处理每个小区中心位置埋设，在土深60 cm 处水平放置120 cm×60 cm×15 cm 的不锈钢制淋洗盘，盘底放置100目尼龙网，盘中下部平铺一层洗净的细石英砂，上部铺上一层粗石英砂。淋溶盘下方埋设规格40 cm×20 cm×60 cm的不锈钢集水箱，淋洗盘与集水箱顶部通过软管连接，集水箱底部连接PVC出水管，取样时使用真空泵抽取淋溶液测定体积，每次强降雨后的24 h内进行淋溶水监测，在连续小雨时期，根据雨量大小和集水箱容量，间隔2～3 d 取水，但应避免集水箱内水满。抽出水样充分搅匀后用已洗净的广口塑料瓶取水样，及时带回实验室，测定水样中、铵态氮（）浓度。采用紫外分光光度法[20]测定，采用靛酚蓝比色法[20]测定。

图2 田间原位淋溶装置示意图Figure 2 Sketch map of the in situ lysimeter in the field

土样：玉米收获后在每个小区按S 型布设4 个取样点，以20 cm 为一层，采集0～100 cm 土壤样品，剔除石砾和动植物残体后，混合制样，过2 mm 筛后，放入4 ℃冰箱保存，测定土壤-N、-N含量。

玉米：收获时每个小区选取13.3 m2实收测产。并随机取长势均匀的植株5 株作为样品，制样分析氮含量。全氮采用浓H2SO4-H2O2消煮-蒸馏滴定法[20]测定。

1.5 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对淋洗液中氮素浓度的影响

图3 土壤淋洗液的-N浓度动态变化Figure 3 Dynamic changes of -N concentration in soil leacheate

N0、N90、N180、N270和N360处理的淋洗液-N 浓度变化范围为0.05～0.39、0.06～0.65、0.09～1.47、0.12～1.90、0.16～1.97 mg·L-（1图4）。随施氮量增加，N浓度峰值呈梯度上升趋势，但其变化始终处于较低水平，显著低于-N浓度峰值（P＜0.05）。两年-N浓度变化趋势与-N 相似，先缓慢降低，在拔节期追肥后逐渐上升再缓慢下降，在追肥后-N 浓度峰值较-N推迟1～3周，这可能是由于-N被土壤胶体吸附导致其在土壤中迁移较慢。两年淋洗液平均-N 浓度表现为N36（00.58 mg·L-1）＞N27（00.51 mg·L-1）＞N18（00.41 mg·L-1）＞N9（00.30 mg·L-1）＞N（00.24 mg·L-1）。

图4 土壤淋洗液的-N浓度动态变化Figure 4 Dynamic changes of -N concentration in soil leacheate

2.2 不同施氮量下土壤氮素的剖面分布

图5 不同施氮量下春玉米收获期0～100 cm土层硝态氮和铵态氮分布Figure 5 Distribution of -N and -N content in 0～100 cm soil layer at spring maize harvest stage under different nitrogen application rates

从年际间变化来看，两年间各施氮处理0～100 cm 土层内-N、-N 含量变化较大，2018年各处理0～100 cm 土层NO-3-N、-N 含量变化范围为0.12～22.05、2.12～18.07 mg·kg-1；2019年为2.08～12.74、2.49～6.90 mg·kg-1，较2018 年明显降低，这可能与作物生长状况和玉米季氮素淋失状况有关。

2.3 不同施氮处理对氮素淋失量（率）的影响

图6 -N累计淋失量动态变化Figure 6 Dynamic change of -N cumulative leaching loss

图7 -N累计淋失量动态变化Figure 7 Dynamic change of -N cumulative leaching loss

由表2 可以看出，随着施氮量增加，矿质态氮淋失量显著增加（P＜0.05），而氮肥表观淋失率呈先降后升的趋势。两年矿质态氮的淋失量及表观淋失率均在N360处理达到最高，分别为67.13 kg·hm-2（17.69%）和73.79 kg·hm-2（17.81%），N180处理下氮肥表观淋失率达到最低，为10.21%、11.78%。将渗漏水矿质态氮淋失量与施氮量进行拟合（图8）发现，指数方程拟合较好，达到极显著水平（P＜0.01，R2=0.957 6），矿质态氮淋失量随施氮量增加呈指数上升趋势。

表2 不同施氮量下春玉米生育期内旱地60 cm处氮淋失量及淋失率Table 2 N leaching loss and loss rate of spring maize at 60 cm soil depth of dry land during growth period under different nitrogen application rates

图8 施氮量与矿质态氮淋失量的关系Figure 8 The relationship between N application rates and mineral N leaching loss

2.4 不同施氮量对春玉米产量及氮肥利用率的影响

由表3 可知，随着施氮量增加，春玉米产量显著提高（P＜0.05），施氮超过180 kg·hm-2后，产量进入平台期，不再显著增加（P＞0.05）。2018 年N360处理达到最高产量7 683.7 kg·hm-2，略高于N180和N270，三个处理间差异不显著；2019年在N180达到最高产量9 217.6 kg·hm-2，略高于N270与N360处理，三个处理间差异不显著。植株地上部吸氮量与籽粒产量趋势基本一致。从两年的氮肥平均利用率来看，氮肥表观利用率及农学利用率均随施氮量增加呈先升后降趋势，在N180处理达到最大，与其他处理相比，氮肥表观利用率增加了14.50～27.75 个百分点，农学利用率增幅为12.9%～90.9%，而氮肥偏生产力呈逐渐下降趋势。

表3 不同施氮量下春玉米的产量及氮肥利用率Table 3 Yield of spring maize and N use efficiency under different N application rates

3 讨论

氮素淋失与施肥量、降雨、灌溉、土壤类型及管理措施密切相关[6-7]。长期大量施用氮肥使氮素在土壤中逐年累积，导致大量的氮素以不同形式淋失[2]。本研究结果表明，在玉米旱地土壤中，氮素淋失以-N为主（约占矿质态氮的90%～91%），与前人研究结果一致。原因是-N 在土壤中易被土壤胶体吸附及被矿物晶格固定，其淋溶损失远低于-N，而旱地土壤氧化条件利于-N 形成和累积，且-N 易溶于水且不易被胶体吸附，是旱地土壤氮素的主要流失形式[21]。本试验中氮素淋失量随施氮量的增加呈指数上升趋势，高氮处理（N360）的氮淋失量和淋失率均达到最大，较优化施氮处理（N180）分别显著增加167.7%和6.76个百分点（P＜0.05），与SUN等[22]的研究结果基本一致。结合玉米氮素吸收情况来看，施氮量超过一定范围后，植株吸氮量达到160～170 kg·hm-2后不再增加，而多余的氮在土壤中累积，导致氮素淋失量指数上升。对两年收获后土层0～100 cm 矿质氮含量的分析结果表明，土壤-N 和-N 含量随着施氮量增加呈梯度增长趋势，在N270和N360处理下，土壤-N 和-N 有明显向下迁移趋势，这一结果与翁玲云等[6]的研究结果基本一致，说明高氮处理下土壤-N、-N 残留量大，长期增施氮肥可能会引起-N、-N淋洗出根区，威胁地下水安全。而两年收获期0～100 cm 土层矿质氮含量也有所差异，随时间推移，2019年土层矿质态氮含量较2018年有所降低，这与试验地降雨量偏多有关。土壤中的-N和-N 随着大量降水过程淋洗至深层土壤[6]，2019年各处理下土壤-N、-N 淋失量较2018 年均有所增加。且2019年玉米的产量与吸氮量较2018年显著提高（P＜0.05），也会导致0～100 cm土层的-N和-N含量降低。而两年0～100 cm土层-N含量垂直变化趋势并不一致，2018 年土壤-N 含量在40～60 cm 土层出现明显波峰，N360处理下，土层40～60 cm 的-N 含量可达18.07 mg·L-1，显著高于2019年同土层-N含量（P＜0.05），而2019年-N含量则随土层深度增加而升高，波峰消失。原因是-N 受土壤胶体吸附，其在土层中的迁移较慢[21]，而随时间推移，在试验地常年多雨气候下[19]-N随降雨逐渐淋洗至更深土层。此外，在40～100 cm 土层的厌氧环境下，经微生物作用，部分-N 被还原成-N[23]，在高氮条件下，其还原量更大，未被土壤胶体吸附的部分-N 和-N 一同向下淋失，也是导致两年土层-N含量差异的原因之一。

研究表明，氮素淋失量与降水及灌溉量呈显著正相关[24]，降雨和灌溉引起土壤-N 下移，一般情况下，每2～3 mm 降水可使土壤-N 下移1 cm[25]。本研究试验地位于有“天漏”之称的雅安市，玉米季寡照多雨，N360处理的-N 淋失量达62.39（2018 年）、68.53 kg·hm-2（2019 年），表观淋失率分别高达16.67%、16.86%。张奕涛等[26]对褐潮土氮素淋失特征的监测结果表明，在降雨量不高的地区，过量施氮造成的土壤氮素淋失远大于降雨和灌溉造成的淋失，施氮240 kg·hm-2处理下，1.2 m 土层的-N 淋失量最高可达43 kg·hm-2，远高于不施氮对照和施氮120 kg·hm-2处理。而李晓欣等[27]在华北山前平原进行的长期定位试验发现，在多雨地区，年际间土壤-N 淋失量差异大，其主要是受各年份降雨及灌溉影响，水分输入量高年份的-N淋失量是缺水年份的2.37～5.50 倍，-N 淋失率最高可达22.5%。本试验结果介于上述两者之间，这种差异可能是由于试验地多雨气候与土壤质地综合影响所致。雅安地区玉米季高温多雨，两年玉米季输入水量为1 640、1 561 mm，大量输水加剧土壤-N 向下淋失，而试验地土壤为黏壤土，通透性稍差，会阻碍水流下渗，减少淋失。在气候与土壤的综合影响下，其淋失率高于黏壤土（5.7%～9.6%），但低于通透性较好的砂壤土（16.2%～30.4%）[28]。

本试验结果表明春玉米产量随施氮量增加显著提高（P＜0.05），施氮超过180 kg·hm-2后进入平台期，不再显著提高，这与尹彩侠等[34]的研究结果一致。而翁玲云等[6]基于多年定位试验研究也发现夏玉米施氮超过180 kg·hm-2后，氮肥表观利用率显著降低13.13～21.96 个百分点，氮肥农学利用率显著下降36.1%～79.9%（P＜0.05），且土壤-N累积量增高，积累峰下移，对地下水安全造成威胁。本研究中N180处理下玉米氮肥表观利用率较其他处理提高14.50～27.75 个百分点，农学利用率增加12.9%～90.9%，与上述结果基本一致。而西南地区夏季高温多雨，盲目增施氮肥更易发生-N大量淋洗，引起地下水硝酸盐污染。巨晓棠等[35]在1998—2001 年对80 多个井水样本的监测发现，三年间井水的硝酸盐超标率从29%攀升至49%，表明地下水受到硝酸盐污染。随着时代发展，现代农业必将由增产导向转向高质量绿色发展，在施肥中，必须综合考虑产量效益与环境风险的平衡，促进农业绿色可持续发展。

4 结论

（1）玉米季矿质态氮淋失的主要形态为硝态氮，占淋失量的90%以上，且淋失高峰主要出现在基肥和苗期追肥后1～3周，表明施肥初期是防控玉米旱地土壤氮淋失的关键时期。

（2）随施氮量增加，土壤硝态氮、铵态氮含量显著升高，且有向下迁移的趋势，氮素淋失量呈指数上升，淋失率升高，地下水水质迅速下降，优化施氮处理可以显著降低土壤氮素淋失率。

（3）优化施氮处理显著提高玉米氮肥利用率，同时获得与高氮投入相当的产量。综合考虑作物产量和氮素淋失情况来看，施氮180 kg·hm-2可以实现稳产高效且氮素淋失量（率）较低，为该地区春玉米施氮肥的推荐用量。