长期有机无机肥配施下玉米氮素利用率和红壤碱解氮含量的阶段性变化

宋惠洁，胡丹丹，邬 磊，都江雪，胡志华，张文菊，李大明，余红英，柳开楼*

（1 江西省红壤及种质资源研究所 / 国家红壤改良工程技术研究中心 / 农业农村部酸化土改良与利用重点实验室，江西南昌 330046；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3 九江市农业技术推广中心，江西九江 332000）

21世纪以来，玉米种植业蓬勃发展，已发展成我国第一大粮食作物。但是，农民传统管理措施[1]与土壤肥力[2]限制了玉米产量的提高，制约了农民的增产增收。肥料投入是当前提高作物产量的主要途径之一，氮是玉米生长不可或缺的营养元素，外源氮肥是保障玉米氮素吸收的重要措施。红壤作为我国南方丘陵区重要的耕地资源，普遍存在土壤肥力低[3]，水土流失[3]、土壤酸化[4]等问题，作物生长发育对外源氮肥的依赖度很高。过度的氮肥投入又加剧了土壤酸化[5]和水体污染[6]，形成恶性循环。据研究报道[7–8]，我国红壤旱地单季作物有机氮、无机氮投入量分别为75.59、224.8 kg/hm2，年际氮盈余为167.6 kg/hm2。土壤中盈余的氮素部分储存在土壤中供下季作物吸收，部分通过硝化淋溶和气态形式损失[9]。因此，科学的氮肥管理方式，对于建立作物产量、经济效益和环境可持续发展间的平衡关系显得尤为重要。

大量研究证实，在我国红壤区有机无机肥配施是一种重要的、可确保土壤–作物生产系统稳定高效运转的氮素管理方法，可以有效提升农作物氮肥利用率，维持农田系统氮素平衡[10–12]。有机肥可促进微生物对农田铵态氮和硝态氮的同化，减轻土壤酸化程度[12]。施用有机肥作物的氮素吸收量和氮素回收利用率较施用化肥可分别提高155.2%和73.91%。Duan等[13–14]通过长期定位试验发现，有机无机肥配施处理的氮肥利用率平均为49%，最高达70%。然而，长期施用氮肥也导致氮素盈余量的增加，He等[15]的研究表明，我国氮素盈余量1984—2010年间呈现逐渐增加趋势，2010—2014年呈现逐渐降低的趋势，以东南地区的氮盈余值最大(93.4～129.7 kg/hm2)。Liu等[16]在马铃薯的研究发现，随着施氮量的增加，红壤中的氮素盈余逐渐增加，当氮盈余量超过94.3～100.0 kg/hm2时，硝态氮淋失风险呈指数级增加。许多研究证明，有机氮替代部分化肥氮[17–18]、合理的有机无机肥配施[19–23]，均可有效降低土壤氮盈余与潜在的面源污染风险。然而，氮素盈余与土壤氮素供应能力的相关关系还缺乏深入研究。因此，本研究以红壤双季玉米为对象，研究了不同施氮措施下氮素表观盈余和土壤碱解氮的量化关系，以期为实现红壤氮素科学管理和玉米高产稳产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究选择于1986年开始监测的红壤双季玉米长期施肥试验进行，地处中亚热带季风气候区，江西省进贤县张公镇 (28°15′30″N，116°20′24″E)，年均温18.1℃，年均降雨量与蒸发量分别为1537、1150 mm。干湿交替明显，全年60%以上的降雨集中在3—6月，全年40%以上的蒸发集中在7—9月。

供试土壤为红壤旱地(第四纪黏土发育)，0—20 cm基础土壤理化性质为：pH 6.0、有机碳9.39 g/kg、全氮 1.00 g/kg、碱解氮 60.3 mg/kg、全磷 1.4 g/kg、有效磷 12.9 mg/kg、全钾 15.8 g/kg、速效钾102 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验选择5个处理，分别为：不施肥(CK)、常量化肥(NPK)、两倍量化肥(DNPK)、有机肥(OM)和常量化肥+有机肥(NPKM)。小区面积22.2 m2，3次重复，随机排列。

供试作物为玉米，1986—2020年供试品种为掖单13号。4—7月为春玉米，8—11月为秋玉米，冬季休闲。每季播种量30 kg/hm2，株距30 cm，行距50 cm。秸秆不还田。

两季玉米肥料施用量相同，供试化肥为尿素(N 46%)、钙镁磷肥 (P2O512.5%)和氯化钾 (K2O 60%)，有机肥为鲜猪粪 (含水量 70%，C 414.0 g/kg、N 20.9 g/kg、P 3.9 g/kg、K 9.3 g/kg)，每季施用量为 1.5×104kg/hm2。有机肥与磷、钾化肥一次性基施，氮肥60%基施，40%于苗后3周左右追施，各施肥处理周年养分投入量见表1。

表1 各处理养分周年投入量(kg/hm2)Table 1 Annual nutrient input in each treatment

1.3 样品采集和指标测定

于收获期，在各小区随机选择3个点位，每个点位采集1株，分别取籽粒、秸秆部分，烘干、研磨、混匀后用于测定各部分氮素含量，测定方法为重铬酸钾–硫酸消化法[24]。取样后将每小区内玉米果穗全部采收，晒干后脱粒，计为小区产量，文中各处理年产量为春玉米和秋玉米产量之和。于秋玉米收获后，在各小区随机选5个点位采集0—20 cm土层的土壤，风干、研磨、过筛后用于测定土壤碱解氮含量，测定方法参考鲁如坤的碱解扩散法[24]。

1.4 数据计算与统计分析

氮素吸收量、氮素利用率和氮素表观盈余量计算公式：

式中：NUX表示X处理下玉米氮素的吸收量，GYX表示X处理下籽粒的产量，GCX表示X处理下籽粒中氮素的含量，SYX表示X处理下秸秆的重量，SCX表示X处理下秸秆中氮素的含量；NUEX表示X处理下氮肥利用率，NU0表示不施氮(CK)处理下氮素的吸收量，NIX表示X处理下氮肥的投入量；NBX表示X处理下氮素表观盈余量。

各处理产量、氮素吸收量、氮肥利用率、氮素表观盈余量和耕层土壤碱解氮含量均为0～10、11～20、21～30、31～35年的平均值。采用线性拟合方程对各处理不同指标在0～35年的变化进行了研究，并采用线性拟合方程的斜率表示各指标的增速。

数据整理采用的是Excel 2010，数据分析采用的是 SAS 9.1，图形绘制采用的是 Origin 8.5。

2 结果与分析

2.1 施肥处理各试验阶段玉米周年产量

由图1可知，所有施氮处理都能显著提升玉米产量，但随着施肥年限的延长，各施氮处理对产量的提升效果存在显著差异。整个试验期间(0～35年)，NPKM处理年均玉米产量最高，较CK处理增加了3.36～9.07倍；其次是DNPK和OM处理，分别较CK处理增加了3.31～5.64和2.46～6.72倍，NPK处理年均产量较CK增加了1.91～3.70倍。NPK和DNPK处理玉米产量呈现前20年上升后15年下降的趋势，而NPKM和OM处理表现为逐渐上升趋势。DNPK、NPKM处理玉米产量在0～10年与NPK无显著差异，在21～35年较NPK处理分别显著增加了51.57%～52.99%、129.9%～246.6%。试验前20年，OM与NPK处理玉米产量不存在显著差异，在21～30年、31～35年OM较NPK处理分别显著增加了80.29%、155.1%。在试验11～20和31～35年，NPKM处理玉米产量较OM处理显著增加，增幅分别为50.04%、35.90%。因此，在所有的氮肥处理中，NPKM处理对玉米产量的提升优势最佳 (增速 174.2 kg/(hm2·a)，其次是 OM 处理 (增速128.0 kg/(hm2·a)。

图1 不同处理各试验阶段玉米平均周年产量Fig.1 Average annual maize yield under different treatments in each experimental period

2.2 施肥处理各试验阶段玉米氮肥偏生产力

随着施肥年限的延长，各施氮处理下氮肥偏生产力的变化趋势明显不同(图2)。NPK和DNPK处理的氮肥偏生产力表现为0～20年升高21～35年降低的趋势，NPKM和OM处理的氮肥偏生产力表现0～35年逐渐升高的趋势。试验0～20年，以NPK处理氮肥偏生产力为最高，DNPK处理次之，NPK处理20年平均氮肥偏生产力分别较DNPK、NPKM、OM处理高41.56%～66.45%、73.62%～110.81%和58.95%～62.43%(P<0.05)，而在试验31～35年，NPK和DNPK处理氮肥偏生产力显著低于NPKM和OM处理。OM处理氮肥偏生产力始终高于NPKM处理，试验0～10、11～20、21～30及31～35年的平均氮肥偏生产力较NPKM处理分别提高了29.79%、9.23%、28.52%、20.60%。因此，随着施肥年限的延长，OM处理对氮肥偏生产力的提升效果最好，增速5.623 kg/(kg·a)，其次是NPKM处理，增速 4.704 kg/(kg·a)。

图2 不同处理各试验阶段玉米平均氮肥偏生产力Fig.2 Average partial factor productivity of N fertilizer under different treatments in each experimental period

2.3 施肥处理各试验阶段玉米氮素吸收量

由图3可知，所有施氮处理都能显著提升玉米氮素吸收量，且随施肥年限的延长，各施氮处理的氮素吸收量变化规律不同。35年氮素平均吸收量以NPKM处理最高，较CK处理显著提升了5.20～11.93倍，其次是DNPK与OM处理，较CK处理分别提升了4.33～7.02和3.66～5.90倍，NPK处理较CK处理也提升了1.80～3.64倍。随施肥年限的延长，NPKM处理的氮素吸收量呈明显上升趋势，而NPK与DNPK处理的氮素吸收量呈现0～20年升高，21～35年降低的趋势，OM处理的氮素吸收量在整个试验期间基本表现为上升趋势。NPKM和DNPK处理的35年平均氮素吸收量分别较NPK处理提高了73.86%～362.5%、49.38%～91.37%(P<0.05)；OM处理在试验21～35年的氮素吸收量显著高于NPK处理73.98%～147.1%。NPKM处理玉米在试验11～20、21～30和31～35年的氮素吸收量较OM处理分别显著增加了 96.27%、76.13%和87.20%。因此，随着施肥年限的延长，NPKM处理对玉米氮素吸收量的提升优势最佳，增速2.40 kg/(hm2·a)，其次是 OM 处理，增速 0.31 kg/(hm2·a)。

图3 不同处理各试验阶段玉米平均周年氮素吸收量Fig.3 Annual nitrogen uptake of maize under different treatments in each experimental period

2.4 施肥处理各阶段玉米氮肥利用率

由表2可知，随着施肥年限的延长，各施氮处理下氮素利用率变化趋势明显不同。试验0～10年，各处理氮肥利用率以OM最高，其次是NPK处理，NPKM处理最低，NPKM处理0～10年的平均氮素利用率较OM处理低23.92%；试验11～20年，OM处理的平均氮素利用率最低，NPK、DNPK与NPKM处理分别高于OM处理55.77%、50.02%和35.77%；试验21～35年，NPKM处理的平均氮素利用率最高，其次是OM处理，NPK处理最低，NPKM、OM处理分别高于NPK处理48.70%～159.09%、28.30%～110.23%。因此，随着施肥年限的延长，NPKM处理对玉米氮肥利用率的提升效果最佳，年增速达到6.58%，其次是OM处理，年增速为2.38%，而NPK和DNPK处理下玉米的氮肥利用率逐渐降低。

表2 不同处理各试验阶段玉米周年平均氮肥利用率(%)Table 2 Annual nitrogen use efficiency of maize under different treatments in each experimental period

2.5 施肥处理各试验阶段的氮素盈余量

施肥可以增加土壤氮素盈余，连续35年施用化肥土壤氮素盈余上升，连续35年施用有机肥土壤氮素盈余下降(表3)。整个试验期间(0～35年)，CK的氮素盈余均表现为亏缺，亏缺10.26～12.94 kg/hm2，各施氮处理土壤氮素表观平衡均为盈余，NPK、DNPK、NPKM、OM处理土壤氮素盈余量分别为65.35 ～88.94、145.58 ～180.56、164.19～227.54、111.10～152.96 kg/hm2。不同试验阶段各处理间氮素盈余量明显不同。0～30年，各处理氮素盈余量表现为NPKM最高，DNPK和OM处理次之，NPK处理最低，其中，NPKM处理较NPK、OM与DNPK处理分别显著提高了132.95%～208.24%、30.84%～90.83%和13.63%～37.48%；但在试验31～35年中，DNPK与NPKM处理均显著高于OM和NPK处理，其中DNPK处理较OM和NPK处理分别提升了62.52%、103.01%，NPKM处理氮素盈余量较OM和NPK处理分别提升了47.79%、84.61%。因此，随着施肥年限的延长，NPKM处理的氮素盈余量逐渐降低 [降速为 0.03 kg/(hm2·a)]，而 OM 处理的氮素盈余量则在试验20年后逐渐降低。

表3 不同处理下各试验阶段的年平均氮素盈余量 (kg/hm2)Table 3 Annual nitrogen surplus under different treatments in each experimental period

2.6 施肥处理各试验阶段耕层土壤碱解氮含量

长期施氮肥能增加耕层土壤碱解氮含量(表4)，试验10年后，除NPK处理外，其他施氮处理的土壤碱解氮含量显著高于CK处理，至试验31～35年，DNPK、NPKM、OM处理分别较CK处理高了60.71%、79.32%、62.77%。随着施肥年限的延长，施氮对土壤碱解氮的提升效果越来越明显，在试验31～35年中，各施氮处理下土壤碱解氮含量均有突增的趋势。各施氮处理的0—20土层土壤碱解氮含量变化趋势表现明显不同。试验期间，NPKM处理的土壤碱解氮含量表现最高，其次DNPK处理和OM处理，但差异不显著；NPK处理相对较低，在试验31～35年中，显著低于NPKM、OM和DNPK处理，分别低了29.62%、22.46%和21.46%。因此，NPKM处理对耕层土壤碱解氮含量的提升效果最佳[增速9.82 mg/(kg·a)]，其次是OM处理[增速 7.60 mg/(kg·a)]。

表4 不同处理各试验阶段耕层土壤碱解氮含量(mg/kg)Table 4 Alkali-hydrolyzable nitrogen content in topsoil under different treatments in each experimental period

2.7 氮素盈余与土壤碱解氮含量的相关关系

图4显示，各试验阶段氮素盈余量与耕层(0—20 cm)土壤碱解氮含量均表现为显著正相关关系，0～10、11～20、21～30和 31～35年间，R2分别为0.9349、0.9151、0.7230、0.8626 (P<0.05)。结合线性拟合方程的斜率，氮素盈余量每增加10 kg/hm2时，0～10、11～20、21～30和31～35年间耕层土壤碱解氮含量分别提高1.00、1.20、1.60和2.80 mg/kg，因此，氮素盈余量对耕层土壤碱解氮含量的提升效果随试验年限的延长表现为不断增强的趋势。

图4 氮素盈余与耕层土壤碱解氮含量的相关关系Fig.4 Relationship between nitrogen surplus and alkali-hydrolyzable nitrogen content in topsoil

3 讨论

3.1 氮肥施用调控作物的产量、氮素吸收利用和平衡

施用氮肥是农业生产中提高玉米产量的常见措施[4,25]，但越来越多的研究发现，大量投入化学氮肥会导致土壤酸化问题加剧，不利于土壤有机碳的积累，从而限制作物产量潜力的发挥[26–27]，本研究的结果也表明，常规量施用化肥在试验0～10年对玉米增产效果明显低于有机无机肥配施处理，而连年两倍量施用化肥虽在试验0～20年对玉米的增产效果较好，但随着施肥年限的延长，试验21～35年玉米增产效果显著低于有机无机肥配合施用，说明增加化肥用量虽然可以增加玉米产量，但随着施肥年限的延长增产效果不能持续。原因一方面与化肥连续施用导致土壤酸化严重，从而限制作物高产有关。本试验的前期研究也表明，与试验前(初始土壤pH为6.0)相比，连续30年施用化肥土壤pH降低了1.23个单位，而有机无机肥配施土壤pH的降幅明显较低(比试验前降低0.56个单位)，同时，试验30年时有机无机肥配施处理的土壤pH比化肥处理提高了0.67个单位[28]。另一方面，本试验的土壤微生物研究表明，连续35年施用化肥导致土壤微生物群落多样性降低，而35年持续施用化肥和有机肥则有利于土壤微生物群落结构和丰度提升，其中 Hypocreales、Bryobacter、Solirubrobacterales、Thermomicrobiales和Roseiflexaceae等功能微生物通过增加土壤磷转运和抑制作物对铝和锰的吸收来提高玉米产量[29]。本研究进一步表明，连年有机无机肥配施下玉米的增产效果较为持续，这与前人的研究[30–31]相吻合，原因可能是玉米产量与土壤有机碳相关性较强[32]，施用有机肥更有利于土壤有机碳的积累与富集[33–34]，另外，持续的有机无机肥配施也有利于土壤氮磷钾养分的积累[30]，能够改善土壤对作物养分的供应过程，从而有利于养分的平稳释放与持续供应[35–36]。

由于外源氮肥的供应，在红壤上施用氮肥可以显著提高玉米的氮素吸收量，与郑伟等[37]的研究结果相似。但是，随着施肥年限的延长，不同施氮措施下玉米氮素的吸收利用存在显著差异。连年施用化肥处理玉米的氮素吸收利用表现为先升高后降低的趋势，而连年施用有机肥和有机无机肥配施下，玉米的氮素吸收量和氮肥利用率均持续提升，且随着施肥年限的延长，氮素吸收量及氮肥利用率的提升效果逐渐增强。这说明，相比化肥，施用有机肥更有利于玉米所需的氮素向籽粒中转移，保障玉米高产。高洪军等[38]的研究也表明，相比单施化肥，农家肥配合化肥可以显著提高玉米对氮素的吸收积累，促进玉米植株吸收的氮向籽粒中转移，有机无机肥配施氮肥偏生产力为65.4 kg/kg，较单施化肥提高了1.7%，提升幅度与本研究存在差异，原因主要与施肥量和玉米产量不同有关。同时，也有研究表明，作物对氮肥的吸收利用与钾肥投入有关，在合理的氮肥用量下，配合适宜的钾肥投入可以显著提升作物的氮肥利用率[39]。此外，不同地区的土壤肥力特性、玉米品种等也是影响氮肥利用率提升幅度的关键因子。而本研究中，NPKM处理和OM处理的产量差异明显低于氮吸收量差异，主要与NPKM处理下氮素向秸秆中的分配率相对较高有关，这与谢军等[40]的研究结果不一致，原因主要是本试验供试玉米为20世纪80年代选育的掖单13号，品种老化可能导致了结果差异。

在红壤上，不施肥会导致作物系统氮素匮缺，而持续投入氮肥则可以改善氮素盈余状况，这与其他土壤类型的研究结果[17–19,41–42]相似。在所有施肥处理中，单施化肥下土壤氮素表观盈余量均随施肥年限的延长先降低后升高。而连年有机无机肥配施以及单施有机肥处理下，氮素表观盈余量均随施肥年限的延长而逐渐降低，原因主要与长期配施有机肥下玉米产量持续提升，从而引起氮素吸收量逐渐增加有关。这一结论与前人的研究结果[41,43]有所不同。郝小雨等[41]通过研究长期施肥下黑土作物产量变化及养分平衡状况发现，长期单施氮肥和有机肥土壤氮素均处于亏缺状态，而有机无机肥配施下土壤供氮能力有所改善，但依然表现为亏缺。这可能与土壤肥力、有机肥种类及养分含量不同有关。因此关于有机肥配施下氮素盈余的效果还需进一步研究。另外，Zhu等[44]指出，当氮素盈余量高于氮素输入量的17%时，氮素损失大，更容易造成污染，本研究中，长期有机无机肥配施下氮素盈余量占氮素输入量的比例逐渐降低，而长期施用化肥该比例逐渐升高，在试验31～35年，NPKM处理最低，为53.34%，其次是OM处理，为59.14%，NPK处理和DNPK处理较高，分别是74.12%、75.23%，因此，从氮素盈余量占氮素输入量的百分比来看，长期有机无机肥配施会减少过多的氮素盈余造成的损失及环境风险。但本试验中氮素盈余量占氮素输入量的百分比较高，一方面与施肥量有关，本试验中化肥和有机肥投入量及比例是20世纪80年代延续至今的，在后期的研究中，会深入研究不同氮投入量及有机无机氮配比下红壤旱地氮素盈余量的变化，以探寻更为合理的氮肥施用量和施肥方式。另一方面与本研究计算的氮素表观平衡高估了氮素盈余量有关。

3.2 氮盈余与土壤碱解氮的相关关系

通过连续35年的施肥试验发现，随着施肥年限的延长，土壤碱解氮含量不断提升，说明施氮有利于提升土壤的供氮能力，且随着施肥年限的延长，提升效果逐渐增强。这与Li等[45]的研究一致。较多的氮素盈余会促进土壤氮库提升。其中试验31～35年土壤碱解氮含量的大幅提升主要与氮素盈余的贡献有关，本研究发现，氮素盈余量与土壤碱解氮含量存在显著的正相关关系，且线性拟合方程的斜率表明，氮素盈余量每增加10 kg/hm2时，31～35年间0—20 cm土层土壤碱解氮含量提高2.80 mg/kg，明显高于0～10、11～20、21～30年间的1.00、1.20、1.60 mg/kg的碱解氮含量提高量，说明随着施肥年限的延长，氮素盈余量对耕层土壤碱解氮含量的提升效果逐渐增强。因此，在研究氮肥施用策略和土壤氮素有效性措施时，应将氮素平衡作为一个重要指标进行参考[46–47]。同时，也有研究表明，通过配施有机肥提高土壤pH和有机质含量也是土壤碱解氮含量增加的主要原因[48]，可能是适宜的pH和有机质含量促进了土壤微生物活性和相关酶活性的提升，从而明显改善了土壤氮素的有效性[49]。然而，除了碱解氮，土壤氮素形态还有有机态氮、硝态氮和铵态氮等，氮素盈余对这些氮素形态提升的贡献还不清楚，建议后续开展相关研究，从而深入解析氮素盈余对土壤氮素形态转化的影响。

此外，由于本研究计算的氮素表观平衡，未考虑土壤氮矿化和淋溶、灌水和干湿沉降等氮投入[47]，以及氨气挥发、硝态氮淋溶和反硝化作用等氮损失[50]，从而可能高估了氮素盈余量对土壤碱解氮含量的提升效果。杨宪龙等[47]通过对陕西关中4年的小麦—玉米轮作体系氮素的输入输出研究发现，土壤矿化氮、灌水及干湿沉降带入氮占氮素输入总量比例为24.7%～48.3%，表观损失率为38.6%～61.4%。候云鹏等[50]在对稻田氮素平衡的研究中也发现，在总氮素输入量中，人工施肥氮量仅占25.3%～57.5%，在总氮素输出量中，表观损失量为16.2～57.2 kg/hm2。因此，在后续的研究中，建议综合考虑氮素施入与流出，以便精准计算氮素平衡，从而更加准确评估氮素盈余量对土壤碱解氮的提升效果，以期为红壤氮肥的科学管理提供理论基础。

4 结论

在南方红壤丘陵区，单施化肥玉米氮素吸收量和肥料的偏生产力在试验前20年呈增加趋势，之后呈下降趋势。而有机无机肥配施或者施有机肥可持续提高氮肥利用率，促进玉米增产。氮素盈余量的增加与耕层土壤碱解氮含量呈显著正相关，有机无机肥配施随施肥年限的延长，提升土壤碱解氮含量的效果增强。