張炳武,張新躍

(1.蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020； 2.四川省草原工作總站，四川 成都 610041)

我國南方人多地少，傳統(tǒng)以糧豬為主的種養(yǎng)結構已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，發(fā)展高效草地農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑之一。高效草地農(nóng)業(yè)以草業(yè)系統(tǒng)工程和營養(yǎng)體農(nóng)業(yè)理論為基礎[1]，通過對土地、氣候、優(yōu)良品種與科學技術等資源進行優(yōu)化配置和系統(tǒng)耦合，產(chǎn)生巨大生產(chǎn)潛力和效益。這對我國南方種植業(yè)和畜牧業(yè)結構調(diào)整具有重要意義。

飼用玉米(Zeamays)-多花黑麥草(Loliummultiflorum)系統(tǒng)(Corn-Italian Ryegrass System,簡稱CIS系統(tǒng))是指在保留南方坡地種植玉米傳統(tǒng)方式的基礎上，改玉米籽實利用為全株利用，并利用冬春季土地和水熱資源等條件種植多花黑麥草而形成的飼草種植系統(tǒng)，并經(jīng)飼養(yǎng)肉牛、奶牛進行轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)第一性生產(chǎn)向第二性生產(chǎn)的高效轉(zhuǎn)化。CIS系統(tǒng)自提出以來，在牧草品種選育、豐產(chǎn)栽培技術、畜禽轉(zhuǎn)化利用及時空配置等系統(tǒng)優(yōu)化方面做了相關研究[2-4]。CIS系統(tǒng)可利用干物質(zhì)總量達38.96 t·hm-2，是傳統(tǒng)水稻(Oryzasativa)-小麥(Triticumaestivum)種植系統(tǒng)可利用干物質(zhì)產(chǎn)量的3～4倍。該系統(tǒng)不僅產(chǎn)量高，而且多花黑麥草粗蛋白含量達20%以上，飼用玉米蠟熟期刈割粗蛋白含量為7.0%～8.6%，將兩種飼草合理搭配可平衡日糧中的蛋白質(zhì)和能量，提高轉(zhuǎn)化效率。然而，在畜產(chǎn)品生產(chǎn)過程中氮素轉(zhuǎn)化率不足20%[5]，氮素作為最主要營養(yǎng)元素在CIS系統(tǒng)研究中未曾涉及。本研究通過分析CIS系統(tǒng)氮素通量與平衡，探索系統(tǒng)氮素的轉(zhuǎn)移、流失、利用效率和平衡關系，優(yōu)化系統(tǒng)，降低飼草生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)效益，為實踐生產(chǎn)提供相關科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗點概況 試驗于2011年5月15日至9月25日在四川省新津縣文井鎮(zhèn)四川省牧草區(qū)域試驗站開展。土壤為水稻土，播前0-30 cm土壤有機質(zhì)為4.47%，全氮0.206%，全磷0.127%，全鉀2.02%，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別為8.72和17.15 mg·kg-1，速效磷71.7 mg·kg-1，速效鉀165 mg·kg-1，pH值為7.2，播前0-30和30-50 cm土壤容重分別為1.34和1.40 g·cm-3，前茬為多花黑麥草。

1.2試驗設計 單因素試驗設計。試驗地面積30 m×30 m，小區(qū)面積8.5 m×8.0 m。試驗設不施氮(玉米)和施氮(玉米+施肥)兩個處理。飼用玉米于2011年 5月20日播種，行株距為85 cm×15 cm(87 450株·hm-2)，播深2～3 cm，四周設2 m寬保護行。

試驗材料：飼用玉米品種為兼用型雅玉8號，氮肥選擇尿素(CON2H4，含氮量46.4%)。

基肥：施用過磷酸鈣450 kg·hm-2、KCl 240 kg·hm-2和ZnSO415 kg·hm-2。在6月25日、7月16日和8月9日追施氮肥246.3 kg·hm-2，比例分別為15%、50%和35%。

管理：飼用玉米蠟熟后期收割。采用田間精細管理方式，嚴格控制病、蟲、草害，并及時收集雨水、滲漏水及地表徑流水。飼用玉米生長期間不進行任何灌溉措施。

1.3樣品采集及處理

1.3.1土壤樣品采集 土壤樣品分別于2012年5月15日、6月25日、7月16日、7月25日、8月9日、8月24日和9月15日采集。用直徑3.5 cm的土鉆在各試驗小區(qū)分0-30和30-50 cm兩層采樣，每小區(qū)兩條對角線上8個點采樣，混合后帶回實驗室，經(jīng)烘干、去雜、碾磨過篩后待測。

1.3.2飼用玉米樣品采集 飼用玉米樣品分別在2012年6月25日、7月16日、7月25日、8月9日、8月24日、9月15日采集，包括地上部(莖稈和籽粒)和地下根系(清洗處理)。樣品經(jīng)烘干、粉碎、過篩待測分析。

1.3.3徑流水和滲漏水收集 在試驗期內(nèi)，水樣采集用淋溶池法收集。淋溶池面積2 m×4 m，各小區(qū)四周用PVC板封閉，地下埋深50 cm，地上15 cm。淋溶池一端與地表平行處留直徑為10 cm的孔，用于收集徑流水。淋溶池底部正中間用PVC硬質(zhì)板鋪設“U”型流水槽，通至外端，以收集滲漏水。每當降雨有徑流水和滲漏水形成時，則記錄其體積，并取50～100 mL水樣帶回實驗室，經(jīng)過濾、冷藏待測。

1.3.4雨水樣品收集 在2011年5月20日至9月25日試驗期內(nèi)，用Vantage Pro 2自動氣象站(產(chǎn)自美國)觀測，參照國家標準方法(GB/T15265-94)收集雨水樣品，經(jīng)過濾、冷凍之后備用。

1.4測定項目與方法 土壤和植株全氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮測定參照魯如坤[6]的方法。水樣全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等分別用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、靛酚藍比色法、紫外分光光度法測定。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用DPS(7.55)專業(yè)統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1飼用玉米氮素通量 施氮與不施氮兩種栽培條件下，飼用玉米莖葉、籽實及總生物量和三者氮素累積吸收量差異均不顯著(P>0.05)，只有根系氮素累積量差異顯著(P<0.05)(表1,表2)。不施氮條件下飼用玉米根系生物量比施氮條件下高27.84%，而根系氮素累積吸收量卻低10.88%?？梢?，在本試驗處理條件下，施氮對飼用玉米地上部植株的干物質(zhì)和氮素累積量影響不大，僅對根系氮素累積量有顯著影響。

表1 施氮對飼用玉米生物量的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilization on forage maize biomass

表2 施氮對飼用玉米氮素累積吸收量的影響Table 2 Effects of N fertilization on forage maize N uptake

2.2飼用玉米干物質(zhì)與氮素需求變化 飼用玉米生長期內(nèi)地上生物量持續(xù)增加，根系生物量先增加后略有降低(圖1)。不同栽培條件下，飼用玉米地上生物量均在127 d收獲時達到最大值，各生長階段施氮條件下的生物量均高于不施氮條件，但兩者差異均不顯著(P>0.05)。不同栽培條件下，根系生物量在75 d出現(xiàn)峰值。施氮條件下，飼用玉米75 d時的根系生物量為2 307.45 kg·hm-2，較不施氮條件下高33.39%，而在127 d時較不施氮條件下低27.84%?？梢?，施氮對飼用玉米各生長階段地上生物量影響不大，對不同生育期根系生物量作用較明顯。

不同栽培條件下，飼用玉米地上氮素累積量隨生育期大致呈增加趨勢，根系氮素累積量呈先增加后降低變化趨勢(圖2)。除90 d外,施氮條件下飼用玉米地上氮素累積量均高于不施氮，在105 d時施氮處理比不施氮高28.37%，且兩者差異顯著(P<0.05)。整個生育期內(nèi)飼用玉米根系氮素累積,施氮處理高于不施氮，僅75 d時差異不顯著，其余各階段差異均顯著(P<0.05)，其中56和105 d時差異最大?？梢姡┑岣吡孙曈糜衩自诖罄瓤谄?75 d)和灌漿期(105 d)的地上和根系氮素累積，對其收獲期氮素累積量影響較低。

2.3氮素流向及其利用

2.3.1氮素流向 施氮條件下，系統(tǒng)內(nèi)根系氮素殘留、土壤殘留礦質(zhì)氮、氮素地表徑流及氮素其它損失量均顯著高于不施氮條件下的(P<0.05)(表3)。通過施氮條件與不施氮條件下氮素在各流向中的分配量分別計算出的化肥氮遷移量進行分析得出，在施氮條件下，飼用玉米地上部和根系對化肥氮素(246.30 kg·hm-2)的吸收累積量為14.65 kg·hm-2，占施氮總量的5.95%(其中地上部占5.45%)，其余施用氮素(231.65 kg·hm-2)均無法被當季有效利用或發(fā)生直接損失。土壤殘留和其它損失是施用氮素主要去向，其轉(zhuǎn)移量分別占施氮總量的41.60%和51.44%。通過地表徑流和淋溶損失的化肥氮遷移量為1.32 kg·hm-2，共占施氮量的0.54%(表3)?？梢?，施氮對作物根系和土壤中氮素殘留量及氮素徑流和其它損失部分影響顯著，其中土壤殘留和其它損失部分是化肥氮主要流向。

圖1 施氮處理對飼用玉米地上和地下生物量的影響Fig.1 Effects of N fertilization on dry matter accumulation in aboveground and roots of forage maize

圖2 施氮處理對飼用玉米地上和地下氮素累積量的影響Fig.2 Effects of N fertilization on N accumulation in aboveground and roots of forage maize

表3 施用氮素流向及比例Table 3 Directions and proportion of nitrogen application

2.3.2飼用玉米吸氮量及氮肥利用率 本研究表明，飼用玉米地上干物質(zhì)產(chǎn)量和氮素累積量在施氮條件下提高了1.19%和4.23%(表1，表4)，但其氮素生理效率(NPE)和氮素吸收效率(NUE)分別降低了2.92%和34.67%(表4)。同時，氮肥的氮素利用效率(NFUR)和氮肥表觀利用效率(NUR)僅為5.95%和5.45%，嚴重低于我國氮肥平均利用率(30%～51%)。可見，施氮降低了飼用玉米對氮素的吸收能力和氮肥利用率，增加了化肥氮素無效轉(zhuǎn)移比例和潛在環(huán)境威脅。

表4 飼用玉米地上部植株的氮素累積及氮素利用率Table 4 Nitrogen accumulation and nitrogen utilization in forage maize plant

2.4土壤-飼用玉米系統(tǒng)氮素平衡 與不施氮相比，施氮條件下的系統(tǒng)氮素輸入總量提高了56.29%，土壤殘留礦質(zhì)氮和根系氮素殘留量分別提高了97.09%和12.21%，氮素有效輸出提高了44.54%(氮素有效輸出為飼用玉米地上植株含氮量轉(zhuǎn)移)。施氮條件下，氮素的其它損失、徑流損失及淋浴損失分別是不施氮條件下的47.92倍、15.18倍和1.17倍(表5)。

表5 施氮處理對0-50 cm土壤-飼用玉米氮素平衡的影響 Table 5 Effects of N fertilization on N balance of 0-50 cm soil-forage maize during growth period kg·hm-2

3 討論與結論

飼用玉米生長過程中，莖葉、籽實、根系部位的氮素累積吸收量分別為119.18、198.21和10.07 kg·hm-2，分別比施氮條件下高3.9%、低9.03%、低12.21%。在CIS系統(tǒng)中，飼用玉米地上生物量及其氮素累積量達26 756.82和317.39 kg·hm-2，與施氮條件下相比差異不顯著。

本研究中飼用玉米地上部干物質(zhì)累積量與張瑞珍等[8]研究結論相近。李霞忻等[9]和顧曉紅[10]指出，不同玉米品種間全株粗蛋白含量變幅8.21%～18.98%和6.61%～24.61%，平均值分別為11.4%和11.92%。而以本研究氮素累積為依據(jù)計算，飼用玉米粗蛋白含量約為13.49%，造成偏高的主要原因可能與玉米籽實產(chǎn)量、籽實和莖葉氮素累積量及其與土壤氮素供給和品種間氮素吸收能力等差異有關。

由于本研究中土壤氮素供給能力能有效滿足飼用玉米生長對氮素的需求，故施氮對飼用玉米地上部干物質(zhì)產(chǎn)量及其氮素吸收量影響均不顯著。化肥氮素投入僅改變飼用玉米不同生育階段干物質(zhì)和氮素累積量，亦提高土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。以上研究結論與趙營等[11]和蔡紅光等[12]結果一致。因此，確定土壤氮供給狀況必要性和關鍵性將成為施氮的前提，還需做更進一步探討。

氮肥利用率是長期以來農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的重點。戴宏明等[13]研究表明，土壤基礎肥力過高會造成氮素增產(chǎn)效益不明顯,夏來坤等[14]認為在玉米根系主要集中的0-60 cm土壤中，土壤氮素盈余、施氮水平及氮素損失是造成氮肥利用率低的重要原因。本試驗條件下，施化肥氮(純氮246.30 kg·hm-2)后氮素吸收效率為0.49 kg·kg-1，氮肥利用率和氮肥表觀利用率分別為5.95%和5.45%。施入化肥，氮素流失較大，主要去向為土壤氮素殘留和其它損失，分別占氮肥總量的41.60%和51.44%。系統(tǒng)氮素徑流、淋溶及其它損失分別為不施氮肥的15.18倍、1.17%和47.92倍。同樣，王西娜等[15]研究表明，在土壤氮能滿足玉米生長需求的條件下，施氮(240 kg·hm-2)后的氮肥利用率僅為3.9%，化肥氮素的土壤殘留量為87.2%，這與本研究結論接近。因此，探究在本研究基礎水肥條件下，有效利用飼用玉米生長期內(nèi)土壤(0-50 cm)氮素礦化量(283.34 kg·hm-2)和播前土壤礦質(zhì)氮量(139.58 kg·hm-2)將成為行之有效的途徑。

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