氮投入对坡耕地土壤侵蚀及青贮玉米生长的影响

赵桂茹，程 易，安曈昕，周 锋，饶东云，杨友琼，吴伯志

（云南农业大学农学与生物技术学院，云南省作物生产与智慧农业重点实验室，云南 昆明 650201）

我国粮食有着“十二连增”的记录，但肥料施用量同步增加，据国家统计局数据显示，近20年农用化肥施用量中，农用氮肥是最主要的化肥类型，以2018年为例，我国农用化肥施用折纯量为5653.42万t，其中农用氮肥和农用复合肥施用量分别为2222.18万和2220.27万t，远超世界化肥施用量的平均水平（农业农村部关于印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》）。虽然氮投入提高了作物生产力［1］，但氮肥过量施用问题，首先使农业生产成本增加，影响农产品质量安全；其次，氮的富集也会导致土壤酸化和板结［2］，并以对植物有害的方式（NH4+、Al3+毒害）改变土壤化学性质［3］；另外，氮的富集还会改变植物群落组成，并常常导致生物多样性损失［4-5］。针对氮投入所导致的上述环境问题，各国科学家提出了一系列的解决方案，例如改变施肥时间、增加作物多样性种植、培育新作物品种、有机肥替代化肥、采用控释性氮肥、精准施肥等技术，概括起来分为两类措施：一是降低氮肥投入量，二是提高氮肥利用效率。减少氮投入是最为简单有效的措施。通过消除养分的过度使用来减少农业对环境的影响，同时仍然允许主要谷物（玉米、小麦和水稻）的产量增加约30%［6］，说明适当降低氮投入并不会导致作物产量明显降低。例如，在我国东部太湖地区，部分作物如玉米，通过采用优化的氮肥减施技术，施氮量在当前基础上降低30%并不会降低玉米产量［7］。可知，通过采用优化的氮肥减施技术对部分作物的产量影响不显著。。

截至目前，施肥作为主要农业生产管理措施，近年来在农业生产实践中越来越重要，例如不同施肥方式对坡耕地水土流失的影响已有大量研究［8-11］；不同形态的氮肥或氮肥的不同使用方法对土壤侵蚀导致的面源污染的评价及研究相关报道也较多［12-14］；此外，对云南红壤坡耕地、丘陵区紫色土壤坡耕地和东北黑土坡耕地土壤侵蚀及养分流失研究也较多，但氮投入对青贮玉米产量及坡耕地水土流失的影响尚未见报道。

我国山地、丘陵、高原面积大，坡耕地面积占国土总面积的66%。坡耕地既是山区群众赖以生存的基本生产用地，也是水土流失发生的重要策源地，我国现有坡耕地23.95万km2，约占全国水土流失总面积的8.1%，年均土壤流失量14.15亿t，占全国土壤流失总量45亿t的近1/3。例如，作为典型山区云南省，山地和山地高原面积约占其国土面积的94.0%，根据云南省2015年土壤侵蚀调查成果，全省水土流失面积10.47万km2，占其国土面积的27.33%［15］。一般情况下，土壤地表径流是造成我国红壤丘陵区耕地退化的主要原因，加之长期高强度和不合理的土地利用，使得我国坡耕地地力持续下降。为了维持和提高土地生产力，在农业生产过程中，生产者不断增加坡耕地的氮投入，前述过多氮投入带来的危害可能会改变土壤理化性质，从而加剧坡耕地的水土流失。因此，在保证作物产量的前提下，构建适宜的坡耕地化肥减施技术，并有效控制过量氮投入所导致的以上生态环境问题和坡耕地水土流失是实现我国山地农业可持续发展的关键。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地点位于云南农业大学教学农场，海拔1930 m，25°18′N，102°45′E。该区域属于低纬度高原季风气候，年平均气温为14.5℃。2019和2020年试验区青贮玉米生育期（5～9月）的总降雨量分别为580.80和635.20 mm。依据中国气象局颁布的降雨强度等级划分标准可知，2019年整个生育期内降雨共64次，其中低强度降雨、中强度降雨和高强度降雨分别为44、12和8次，没有极高强度降雨产生；2020年大田玉米生育期内降雨共80次，其中低强度降雨56次，中强度降雨11次，高强度降雨4次，极高强度降雨4次；全年日照时数2617 h。试验地土壤为旱地红壤（中国分类标准），耕作层（0～20 cm）的土壤有机 质35.51 g/kg，全 氮2.15 g/kg，全 磷2.25 g/kg，全钾10.15 g/kg，碱解氮80.29 mg/kg，有效磷100.36 mg/kg，速 效 钾170.30 mg/kg，pH值7.53。试验共有12个小区，小区面积30 m2（10 m×3m），坡度为10°，设置50 cm隔离带，每个径流小区底部有一个1 m×1 m×1 m=1 m3的蓄水池，内置体积约250 L的桶，用于收集小区的径流量和侵蚀量。

1.2 试验设计

供试品种：玉米（Zea maysL.），青贮玉米选用曲辰9号（曲辰种业有限公司提供），分别于2019年5月12日播种（9月10日收获）和2020年5月22日播种（9月23日收获）。

2019年，试验设3个不同氮投入处理：N1（常规施肥水平，300.00 kg/hm2）、N2（常规施肥水平基础减25%，225.00 kg/hm2）、N3（常规施肥水平基础减50%，225.00 kg/hm2）；2020年，试验处理设4个不同氮投入处理：在2019年3个试验处理基础上增加N4（常规施肥水平基础减75%，75.00 kg/hm2），每个处理设3个重复，采用打塘直播播种方式，种植密度为90660株/hm2，种植行距和塘距分别为60和40 cm；横坡打塘，播种深度为10 cm，播种后盖土5 cm。肥料种类：尿素、普钙（过磷酸钙）、硫酸钾、商品有机肥。底肥选用普钙、硫酸钾、精致有机肥，此3种肥料均匀混合后作为底肥一次性施入塘内。氮肥分3次施用，即底肥、苗肥、穗肥，其比例为3∶2∶5，施肥方式：苗肥和穗肥都是采用距离玉米根系5 cm处，按照预设施氮量挖穴，覆土盖肥。

1.3 观测项目与方法

在云南农业大学教学农场试验地旁边安装无线集成自动观测气象站，用来观测降雨等气象指标。在玉米生育期内，每次降雨产生径流后均在次日8：30前准时取水，检测时间间隔为24 h（8：00至第2 d 8：00）。2019和2020年分别测定径流量和侵蚀量21和16次，收集径流液的径流池均配有紧密严实的铁皮盖子，基本无蒸发现象影响试验结果。

径流量：根据塑料桶下底面半径r、上底面半径R和径流深度水深度h计算小区径流量，其体积（m3/hm2）计算公式为：V=πh（r2+R2+rR）/3，因此，依据实际测量塑料桶下底面半径r、上底面半径R、夹角ɑ及水深h可得小区地表径流量V（m3/hm2）：

产沙量（侵蚀量）：测量完径流水深后，充分搅拌桶内的径流，分上、中、下3层共取水样250 mL带回实验室过滤，然后将直径12.5 cm的滤纸（质量为1.50 g）置于105℃烘箱中恒温烘干至恒重后冷却称重（其质量为m，单位为g），V为测定水样的径流量，用于计算小区土壤侵蚀量（kg/hm2）：

株高和茎粗：用塔尺测量玉米的株高（玉米株高为地面到植株雄穗顶端的高度），用卷尺测量玉米的茎粗，每个小区测量10株，然后求其平均值。叶面积指数（LAI）：使用冠层分析系统（型号：Sunscan；厂家：英国DELTA-T公司）来观测叶面积指数。

根系生物量：收获青贮玉米后，取出挂牌玉米根系的整块土体，具体操作为：垂直于作物行向，以2个1/2玉米种内行，每小区取样5株，用锄头挖掘出长0.4 m和宽0.4 m的根土混合体，然后取出青贮玉米植株的所有根系。在田间条件下进行初步的根土分离，识别保留的杂草茎基部，并挑出其杂草根系（断裂在土体中的少量根系），用自来水管冲洗干净，用吸水纸吸干玉米根系上的水，用天平（精确到0.01g）称重，获得根系生物量（g），然后将所有根样分装到标记好名称的信封中，在80℃下烘至恒重，再用精确到0.01g天平测定根系的干重。根冠比为根干重和地上部干重的比值。

1.4 数据分析方法

采用Excel 2019对数据进行基本处理，根据公式计算得出径流量和产沙量，再用SPSS 26.0和Origin 2018对青贮玉米产量、氮投入量、降雨量、径流量和产沙量等指标进行相关回归分析和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 坡耕地玉米生育期内地表径流量的变化

2019年，在青贮玉米各个生育时期，N1和N2处理的径流量显著低于N3处理（P＜0.05），而N2与N1处理的径流量未达到显著差异（P＞0.05）。2020年，在玉米各个生育时期，N1和N2处理的径流量极显著低于N3和N4处理（P＜0.01），但N1与N2处理径流量的差异不显著（P＞0.05），N1处理的径流量比N2、N3和N4处理分别降低3.19%、77.04%和73.56%（图1）。由上可知，在玉米整个生育期内，不同的氮素管理对青贮玉米整个生育期的地表径流均产生显著影响，减施25%氮投入没有加剧坡耕地径流量的发生。

图1 2019～2020年玉米生育期内径流量

2.2 坡耕地玉米生育期内产沙量的变化

如图2所示，不同氮投入对坡耕地产沙量产生显著影响。2019年，在青贮玉米不同生育时期（除抽雄期外），N1和N2处理的产沙量均极显著低于N3处理（P＜0.01），但N1与N2处理产沙量差异不显著（P＞0.05）。2020年，不论是玉米生长前期还是玉米生长中后期，4个处理的产沙量大小呈现相一致的规律：N2＜N1＜N3和N4，并且N2和N1处理的产沙量极显著低于N3和N4处理（P＜0.01）。在青贮玉米整个生育期内，N2处理的总产沙量显著低于N3和N4处理（P＜0.05），并在玉米整个生育期内比N3和N4处理分别拦截了126.40%和116.68%的泥沙量（图2）。由上可知，减少25%氮投入能够有效拦截坡耕地的泥沙量。

图2 2019～2020年玉米生育期产沙量

2.3 氮投入对青贮玉米农艺性状的影响

由方差分析（表1）可知，2019年不同处理青贮玉米株高在拔节期和大喇叭口期差异不显著（P＞0.05）；在青贮玉米抽雄期以及乳熟后期，N1和N2处理的株高差异不显著（P＞0.05），但均显

表1 2019～2020年玉米株高的方差分析 （cm）

著高于N3处理（P＜0.05）。2020年4个氮处理的青贮玉米株高在不同生育期的变化规律保持一致，在玉米不同生育时期，N1和N2处理的玉米平均株高显著高于N3和N4处理（P＜0.05），但N1与N2处理之间未达到显著差异（P＞0.05）。

在青贮玉米拔节期、大喇叭口期和抽雄期观测了植株的叶面积指数。由表2可知，2019年，3个处理在青贮玉米的拔节期和大喇叭口期均表现出N1处理的叶面积指数显著高于N2和N3处理（P＜0.05）；到抽雄期，N1和N2处理的叶面积指数差异不显著（P＞0.05），但均显著高于N3处理（P＜0.05）。2020年，4个处理的叶面积指数在拔节期未达到显著差异（P＞0.05）；在玉米大喇叭口期及抽雄期，N1和N2处理的叶面积指数分别为极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）大于N3和N4处理，但N1和N2处理差异均不显著（P＞0.05）。

表2 2019～2020年玉米叶面积指数的方差分析

在一定程度上，不同氮投入量对玉米根系生物量以及根冠比有显著影响，如表3所示。2019年，N2和N3处理的玉米根系生物量和根冠比分别显著（P＜0.05）和极显著（P＜0.01）大于N1处理，但其根系生物量和根冠比差异均不显著（P＞0.05）；而3个处理根系干重的差异性不显著。2020年，N2处理的植株根系生物量显著大于N1处理（P＜0.05），但显著小于N3和N4处理（P＜0.05）；N1和N2处理的根系干重显著小于N3和N4处理（P＜0.05）；从根冠比来看，4个处理间的比值达到极显著差异，N2处理的根冠比极显著大于N1处理（P＜0.01），但极显著小于N3和N4处理（P＜0.01）。

表3 2019～2020年玉米根系生长

2.4 氮投入对青贮玉米产量的影响

由图3可知，2019年N2处理的青贮玉米实际产量分别比N1和N3处理增产12.50%和21.62%，且显著高于N3处理（P＜0.05），但与N1处理差异不显著（P＞0.05）；此外，N1处理的理论鲜产、干产分别极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）高于N2和N3处理。2020年N1和N2处理的青贮玉米实际产量分别为83.98和80.64 t/hm2，极显著高于N3和N4处理（P＜0.01），但N1和N2处理间差异不显著（P＞0.05），N3与N4处理间差异也不显著（P＞0.05）；N1处理的青贮玉米理论鲜产分别比N2、N3和N4处 理 增 产18.33%、102.85%和136.66%，极显著高于N3和N4处理（P＜0.01），显著高于N2处理（P＜0.05）；N1和N2处理的玉米理论干产极显著高于N3和N4处理（P＜0.01），但N1和N2处理之间差异不显著（图3）。通过两年青贮玉米产量分析可知，N1和N2处理的产量显著高于N3和N4处理（P＜0.05），但N1和N2处理间没有达到显著差异（P＞0.05），说明在目前施肥水平基础上适量减少氮投入不会造成玉米大幅减产。

图3 2019～2020年玉米产量分析

2.5 基于回归模型的玉米农艺性状与土壤侵蚀相互关系

通过对玉米根系生物量、株高和叶面积、径流量和产沙量之间的相关性分析（表4）发现，叶面积指数与株高之间呈显著正相关，径流量与产沙量呈极显著正相关，而玉米根系生物量与玉米株高之间存在极显著负相关；此外，叶面积指数与株高对地表径流量和产沙量有显著的抑制作用。

表4 玉米冠层分布与土壤侵蚀的相关关系

3 讨论

3.1 氮投入对青贮玉米生长的影响

氮素对作物的生长发育必不可少，不同氮肥投入会改变土壤养分状态，玉米冠层及根系的分布会随之发生一系列相应的适应性变化。本研究表明：N2处理的玉米平均株高和LAI均显著高于N3和N4处理（P＜0.05），而与N1处理未达到显著水平（P＞0.05），这与前人的研究结果一致［16］，说明减施25%氮投入量不会影响玉米正常生长；玉米的根冠比随着氮投入量的减少而增加，这是因为大幅度减少氮肥投入对玉米根系生长的抑制作用小于对地上部生长的抑制作用，结果会使植株的根冠比增大，并且较高的根冠比并不利于后期经济产量的累积，这种碳水化合物分配比例的变化有利于根系的生长，使玉米根系从生长介质中吸收更多的氮［17］。但玉米的整个根系生物量与氮投入量呈负相关关系，这与前人研究得出：根长、根体积、根重、根系吸收总面积和活跃吸收面积会随氮投入水平的提高而增加的结果［18］不一致，可能是因为不同植物根系的生长及其相关的形态指标不仅与施肥有关，还与其他因素密切相关，比如施肥种类、土壤异质性、作物布局时空差异性、施肥方法［18］、施肥深度［19-20］，大田管理水平也显著影响玉米根系的分布，计算玉米根系方法的差异性也会导致根系生物量的变化。

此外，综合本研究的数据分析可知，N2处理的产量与N1处理没有显著差异，说明在目前施肥水平基础上适量减少氮投入不会造成玉米大幅减产，这与前人的研究结果相一致［21-24］，这可能是由于之前过量的氮投入导致氮素富集在土壤中。本研究以当地实际玉米生产的常规施肥为对照，关于青贮玉米不施氮肥对红壤坡耕地土壤侵蚀的影响有待进一步证实。

3.2 氮投入对坡耕地土壤侵蚀的影响

通常，降雨产生的水力侵蚀，以地面的水为动力冲走土壤，主要分为面蚀和沟蚀两大类，而地上植被覆盖是控制水土流失的主要措施，随着植被覆盖度的减少，土壤可蚀性明显增强［25-26］。本研究中N1和N2处理的径流量和产沙量显著低于N3和N4处理（P＜0.01，图1、图2），主要因为N1和N2处理玉米地上部的冠层覆盖度高，具体表现为其玉米株高和叶面积指数显著甚至极显著高于N3和N4处理（表1、表2），从而可以减轻坡耕地的土壤侵蚀。覆盖度高是影响玉米延迟径流产生时间和减流减沙作用的主要因素，覆盖越大，径流产生时间越长，减流减沙效果越好［27］。此外，地被覆盖层显著降低了土壤容重，提高了0～20 cm耕作层的土壤孔隙度和持水量，但20～40 cm土层土壤的孔隙度和毛细管持水量却有所降低［28］，而地表径流和侵蚀主要与0～20 cm表层的土壤水分呈正相关，与20 cm以下其他土层的土壤水分情况无显著相关性［29］。。

当然，即使是同样的作物覆盖，其根系生长好坏都会影响水土保持效果，比如玉米根系可以增强土壤的抗剪切力和抗冲性，从而提高土壤的抗蚀性［30］，但当土壤深度超过一定范围时，坡面上径流产沙的情况就会发生变化，坡面侵蚀经历了从片蚀—沟蚀—沟间坡面面蚀向深切和侧蚀发展的一系列动态过程，在土壤表土层，坡面上的侵蚀形态是以面蚀和片蚀的形式进行，在降雨强度相同的条件下，坡面流占总降雨量的比例随坡度的增大而增加，由面蚀促发的径流量和侵蚀量要远远高于土壤中流、沟蚀等坡面侵蚀的形式，表土层中抵抗面蚀的主体是地上部分作物的覆盖度［31］。紧接着在40～50 cm深度片蚀或面蚀有向细沟侵蚀转化的趋势，同时在试验过程中可以观测到被冲刷掉的泥沙中有毛细根的存在，由此可知，并非所有的植物根系都能够有效地加强土壤抗剪切和抗冲刷的能力［32］。

即使过量的氮肥投入可能降低玉米根系的纵向延伸能力，从而降低其对深层养分的吸收能力，最终导致根系的生物量相对降低，但高水平氮投入量却有利于作物根系的横向伸展，增加玉米1级侧根密度［33-34］，从而增加玉米根系的浅层土壤覆盖度，增强玉米根系的“加筋”作用和土壤抗蚀性。另外，本研究是挖掘出长0.4 m和宽0.4 m的根土混合体，然后沿纵向方向取出玉米植株的所有根系，并没有研究玉米根系的横向分布情况。因此，未来研究会将玉米冠层分布、根系横向及纵向分布情况相结合来分析不同氮投入对坡耕地土壤侵蚀的影响，并且还要进一步探讨玉米株高、LAI和根系生物量对产流产沙综合影响的机理。

4 结论

氮投入通过影响青贮玉米地上部农艺性状和地下根系生物量分布进而影响红壤坡耕地的径流量及产沙量，并且青贮玉米地上部农艺性状特征与土壤侵蚀的负相关程度高于地下部根系生物量的分布。此外，在目前实际玉米生产施肥水平基础上适量减少25%氮投入不会使玉米大幅减产，也不会加剧红壤坡耕地的土壤侵蚀。