王爽，孫磊，陳雪麗，谷學(xué)佳，李偉群，王曉軍，張磊，劉穎，潘亞清，王玉峰*

1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所//黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//黑龍江省肥料工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)藥中心，黑龍江 哈爾濱 150086

玉米是黑龍江省主要的糧食和飼料作物，其產(chǎn)量的豐缺直接影響該省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。施用氮肥是增加作用產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)的重要措施之一，但是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥常常過(guò)量施入農(nóng)田，一方面可造成作物體內(nèi)硝酸鹽的同化速度低于吸收速度，從而導(dǎo)致作物體內(nèi)硝酸鹽含量積累、品質(zhì)下降等[2]，另一方面造成土壤剖面中硝態(tài)氮的大量積累，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素盈余，氮素?fù)p失量增加，地下水硝酸鹽含量超標(biāo)等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[3]。可見(jiàn)，氮肥的過(guò)量投入不僅造成資源、財(cái)力上的巨大浪費(fèi)，也給環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全帶來(lái)負(fù)面影響[4]。因此，優(yōu)化的氮肥施用制度，不僅應(yīng)該滿(mǎn)足作物所需的氮素營(yíng)養(yǎng)、獲得較高的氮素利用效率，而且必須使土壤無(wú)機(jī)氮、特別是硝態(tài)氮?dú)埩袅靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，并確保土壤生態(tài)系統(tǒng)的氮素平衡。

試驗(yàn)以黑龍江地區(qū)玉米為研究對(duì)象，定位監(jiān)測(cè)不同施氮水平對(duì)玉米產(chǎn)量、氮素吸收利用及土壤硝態(tài)氮積累的影響，旨在揭示不同施氮量下玉米產(chǎn)量、氮肥利用率及土壤硝態(tài)氮的變化規(guī)律，為優(yōu)化氮肥管理、減少玉米農(nóng)田土壤硝態(tài)氮淋溶損失，提高氮素養(yǎng)分利用率及氮素的循環(huán)利用，減少環(huán)境污染，保持糧食生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效和土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

該試驗(yàn)為田間小區(qū)定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，于2011年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料試驗(yàn)站(45°51'N, 126°50'E）進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于東北半濕潤(rùn)平原區(qū)，供試土壤類(lèi)型為黑土，其基本養(yǎng)分狀況見(jiàn)表1，0～100 cm基礎(chǔ)土樣基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2；玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N龍單42；肥料有尿素[w(N)=46.0%]，重過(guò)磷酸鈣[w(P2O5)= 46.0%]，氯化鉀[w(K2O)= 60.0%]。

表1 播種前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況 Table 1 Soil fertility status before sowing

表2 供試土壤基本理化性狀 Table 2 Basic physical and chemical properties of the soil studied

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)氮水平，基肥施入重過(guò)磷酸鈣130.50 kg·hm-2，氯化鉀124.50 kg·hm-2：N0（對(duì)照，不施氮肥），N1（優(yōu)化施氮量的75%，基肥尿素107.55 kg·hm-2，追肥尿素161.40 kg·hm-2），N2（優(yōu)化施氮量的100%，基肥尿素143.40 kg·hm-2，追肥尿素215.25 kg·hm-2），N3（優(yōu)化施氮量的125%，基肥尿素179.40 kg·hm-2，追肥尿素268.95 kg·hm-2），N4（優(yōu)化施氮量的150%，基肥尿素215.25 kg·hm-2，追肥尿素322.80 kg·hm-2），N5（優(yōu)化施氮量的200%，基肥尿素286.95 kg·hm-2，追肥尿素430.50 kg·hm-2），N6（優(yōu)化施氮量的250%，基肥尿素358.65 kg·hm-2，追肥尿素538.05 kg·hm-2）。磷鉀肥全部基施，氮肥基施40%、追施60%。小區(qū)面積為4.2 m×10 m=42 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。

2011年5月4日播種，株距為5 cm，行距為70 cm，種植密度為3811（株·畝-1），整個(gè)生育期不進(jìn)行人工灌溉。6月30日（大喇叭口期）追施氮肥，施肥方式為撒施。對(duì)各處理種植的玉米采取相同的農(nóng)業(yè)田間管理：人工除草、中耕及病蟲(chóng)害防治。10月19日采集各小區(qū)0～200 cm土壤樣品。

1.3 試驗(yàn)方法

收獲時(shí)玉米測(cè)產(chǎn)：每個(gè)小區(qū)取連續(xù)4行玉米，每行5 m，行距0.70 m，作為測(cè)產(chǎn)區(qū)，測(cè)產(chǎn)樣方面積為4 × 5 m × 0.7 m = 14 m2。9月30日收獲各小區(qū)植株樣品，按籽粒和莖稈分開(kāi)。采集的植株樣品經(jīng)105 ℃殺青30 min后于80 °C下烘干至恒質(zhì)量，稱(chēng)質(zhì)量后粉碎，分別測(cè)定籽粒和莖稈的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)定方法見(jiàn)《土壤農(nóng)化分析》[5]。分別單獨(dú)計(jì)算籽粒和莖稈產(chǎn)量。

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測(cè)定：在玉米生長(zhǎng)季播種前和收獲后取土樣，基礎(chǔ)土樣采用環(huán)刀分層取土的方法采集0～100 cm土壤剖面，測(cè)定土壤容重和田間持水量；收獲后土樣用土鉆取土至200 cm，每20 cm為一層，3個(gè)樣點(diǎn)相同土層土壤混合，裝于塑料袋中，先放置在冰盒中冷藏，帶回室內(nèi)后于冰柜中冷凍。鮮土樣解凍后混勻，過(guò)2 mm篩，稱(chēng)取12 g土，加入0.01 mol·L-1CaCl2浸提液100 mL 振蕩30 min后過(guò)濾，浸提液立刻冰凍保存（或測(cè)定），同時(shí)測(cè)定土壤含水量[6]測(cè)定前將浸提液解凍，用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算和繪圖，用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析。

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)玉米產(chǎn)量/施氮量；氮肥農(nóng)學(xué)效率=（施氮區(qū)玉米產(chǎn)量?無(wú)氮區(qū)玉米產(chǎn)量）/施氮量；氮肥利用率=（施氮區(qū)玉米地上部吸氮量?無(wú)氮區(qū)玉米地上部吸氮量）/施氮量×100%[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平下玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的變化

綜合研究氮肥產(chǎn)量效應(yīng)、氮肥的吸收利用效率以及土壤-植物體系中的氮素平衡，始終是評(píng)價(jià)氮肥合理施用與否的關(guān)鍵所在[8]。氮素利用率不僅與氮肥品種有關(guān)，還受土壤條件、作物品種、氣候特征等因素的影響[9]。從表3可以看出，隨著施氮量的增加對(duì)玉米產(chǎn)量影響不顯著，雖然以N5處理產(chǎn)量最高，但過(guò)高的施氮量并未顯著增加玉米的產(chǎn)量。氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥利用率是評(píng)價(jià)農(nóng)田氮肥利用效率的3個(gè)主要指標(biāo)[10-11]。從表3可以看出，隨著施氮量的增加，玉米的氮肥偏生產(chǎn)力從34.15 kg·kg-1下降到10.42 kg·kg-1，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)呈顯著水平。氮肥農(nóng)學(xué)利用率以N1處理為最高，表明增產(chǎn)效果最顯著；總吸氮量和氮肥利用率在施氮量為165 kg·hm-2（即優(yōu)化施氮量）時(shí)均達(dá)到最高；施氮量為330 kg·hm-2(N5)時(shí)，氮肥利用率降到最低(1.84%)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，氮肥農(nóng)學(xué)利用率下降。本試驗(yàn)的結(jié)果只能說(shuō)明該地區(qū)本季作物的氮肥利用率特征，其普遍規(guī)律還需長(zhǎng)期的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

表3 不同施氮水平下玉米產(chǎn)量和氮效率 Table 3 N efficiency and the yield of maize at different N application rates

2.2 玉米收獲后土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2.1 玉米收獲后土壤硝態(tài)氮的積累

圖1 不同處理土壤剖面硝態(tài)氮的分布與積累情況 Fig. 1 Distribution and accumulation of NO3--N in soil profile at different N treatments

氮肥施用量和土壤中NO3--N（硝態(tài)氮）的積累密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，土壤中NO3--N的殘留隨著施氮量的增加而增加[12]。因此，作物收獲后殘留在土壤剖面的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其空間分布特征是表征硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[4]。圖1為不同氮水平玉米收獲后各土層硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)，0～80 cm土層硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅較大，隨著土壤深度的增加，土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之降低，60～80 cm土層中各處理的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最低；隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)同步增加，0～20 cm土層硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為N6＞N5＞N3＞N4＞N1＞N2＞N0；N3與N6處理在20～40 cm土層出現(xiàn)硝態(tài)氮積累的高峰，分析其原因可能是由于土壤播種前已積累了大量的硝態(tài)氮(表2)，使土壤-作物體系在施氮后表現(xiàn)為強(qiáng)烈的積累。80～200 cm土層硝態(tài)氮的積累繼續(xù)上升，存在向下層運(yùn)移的趨勢(shì)，但仍以N2處理的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最低。

2.2.2 玉米收獲后土壤銨態(tài)氮的積累

由圖2可以看出，NH4+-N（銨態(tài)氮）在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，不同的施氮量對(duì)土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響主要在0～20 cm土層，土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低依次為N4>N3>N5>N0>N1>N6>N2，其中N4和N3處理的NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于基礎(chǔ)土樣，其余各處理均明顯低于播種前測(cè)定的土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表2）；20 cm以下各處理不同層次間土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異，表明土壤顆粒和土壤膠體對(duì)NH4+-N具有很強(qiáng)的吸附作用，但也因土壤中所進(jìn)行的交換反應(yīng)及無(wú)機(jī)態(tài)氮的有機(jī)化、硝化和反硝化等作用，使土壤NH4+-N難以遷移至更深層次[13,14]。

圖2 不同處理土壤剖面銨態(tài)氮的分布與積累情況 Fig. 2 Distribution and accumulation of NH4+-N in soil profile at different N treatments

3 討論

氮肥對(duì)糧食作物的穩(wěn)定增產(chǎn)起到不可替代的作用[15]。但也有報(bào)道認(rèn)為，施氮對(duì)玉米籽粒的增產(chǎn)作用不大，氮肥利用率在隨施氮量的增加而降低[16]。本研究結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，施氮量為165 kg·hm-2時(shí)，氮肥利用率最高，為41.03%。當(dāng)施氮量高于165 kg·hm-2，產(chǎn)量反而有降低的趨勢(shì)，過(guò)量施氮也并不能增加玉米對(duì)氮素的吸收，因而氮素利用率也隨施氮量的增加而降低。

不同施肥量處理在灌溉條件、作物生長(zhǎng)條件一致的情況下，對(duì)當(dāng)季不同層次土壤硝態(tài)氮積累量的影響存在顯著差異[17]。本研究結(jié)果顯示，土壤剖面硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化因施氮量的不同而表現(xiàn)出差異。以表層(0～40 cm)土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，不同處理間隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)同步增加；中間土層(60～100 cm)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，以后又隨深度的增加而升高，這與周順利等[18]的研究結(jié)果一致。據(jù)劉學(xué)軍等[19]研究表明，1～2 m土層中積累的硝態(tài)氮難以被作物吸收利用，這部分氮素?fù)p失的可能性很大。本研究中1～2 m土層以N2處理的硝態(tài)氮積累量為最低，因此氮素淋移損失的程度也最小。

各處理的土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，這與旱地土壤硝化作用強(qiáng)烈，被礦化產(chǎn)生的NH4+-N很快被轉(zhuǎn)化為NO3--N，以及NH4+-N易被土壤膠體吸附有關(guān)[20]。與以往的研究結(jié)果類(lèi)似，不同的施氮量對(duì)土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響主要在0～20 cm土層[21]，可以認(rèn)為，銨態(tài)氮進(jìn)入土壤中后大部分被吸附、固定在土壤顆粒中，因此，20 cm以下各處理不同層次間土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異。由于銨態(tài)氮硝化作用的存在，施入的氮肥以銨態(tài)氮的形式存在，為硝化作用提供底物，以保證后期有效氮供應(yīng)，且避免了短時(shí)間內(nèi)硝態(tài)氮的大量積累，因此，本研究中土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與施氮量并無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）氮肥施用量的增加對(duì)玉米的增產(chǎn)效果產(chǎn)量影響不顯著，總吸氮量和氮肥利用率在施氮量為165 kg·hm-2（即優(yōu)化施氮量）時(shí)均達(dá)到最高；，隨著施氮量的增加，氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率下降。

（2）0～200 cm土壤剖面的各土層間以0～40 cm的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，中間層(60～100 cm)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，100 cm以下又隨深度的增加而升高，100～200 cm土層以N2（施氮量165 kg·hm-2）處理的硝態(tài)氮積累量為最低，因此氮素淋移損失的程度也最小。同一土層不同施肥處理之間隨著施肥梯度的增大，土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)同步增加。

（3）施氮量對(duì)土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響主要在0～20 cm土層，以N2（施氮量165 kg·hm-2）處理的銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，20 cm以下同一處理不同層次間土壤銨態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異。

（4）從降低成本、提高效益、減少氮素流失以及防止污染地下水等方面綜合考慮，165 kg·hm-2的施氮量為本試驗(yàn)中的經(jīng)濟(jì)安全施氮量。

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