雋英華， 孫文濤， 韓曉日， 邢月華， 王立春， 謝佳貴

(1 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所， 遼寧沈陽 110161； 2 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧沈陽 110866；3 農(nóng)業(yè)部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林長春 130033)

氮肥是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的必需營養(yǎng)元素，同時(shí)也是土壤中含量較低而作物從土壤中吸收數(shù)量最多的營養(yǎng)元素，因此施用氮肥對提高作物產(chǎn)量十分重要[1]。近年來，人們?yōu)樽非蟾弋a(chǎn)過量施用氮肥，導(dǎo)致氮肥利用效率下降，由此引起的氮素污染對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的危害也日趨嚴(yán)重[2]。2003年Nature雜志發(fā)表了題為“Fertilized to death”的警告性文章[3]，指出如果不重視過量施用氮肥帶來的環(huán)境威脅，將造成災(zāi)難性的后果。因此，如何有效地控制農(nóng)田氮素帶來的環(huán)境污染已是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

表1 試驗(yàn)前0—120 cm土層礦質(zhì)氮 (Nmin) 累積量(kg/hm2)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)施氮水平：N 0、 60、 120、 180、 240和300 kg/hm2，分別用N0、 N60、 N120、 N180、 N240和N300表示，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。各處理均施磷酸二銨(以P2O5計(jì)) 97.5 kg/hm2(N0處理用過磷酸鈣代替)，氯化鉀(以K2O計(jì))105.0 kg/hm2，且全部以基肥形式施入；氮肥為尿素，其中20%作基肥，40% 作拔節(jié)期追肥(6月28日)，40%作大喇叭口期追肥(7月31日)。試驗(yàn)小區(qū)面積為30 m2(5.6 m × 5.4 m)。供試玉米品種為鄭單958，種植密度為6.2×104plant/hm2。4月23日播種，9月23日收獲。2011年與2010年試驗(yàn)方案一致，試驗(yàn)區(qū)在同一田塊，但位于不同位置。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)選取2行玉米(約6.7 m2) 測定生物產(chǎn)量，然后選取整齊一致具有代表性的5穗玉米和3株秸稈帶回實(shí)驗(yàn)室，考種測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤剖面中各土層礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮或銨態(tài)氮)累積量(Nmin, N kg/hm2)按下式計(jì)算[17]：

Nmin=d×Pb×C×0.1

式中：d為土層厚度 (20 cm)；Pb為土壤容重(g/cm3)；C為土壤中硝態(tài)氮或銨態(tài)氮含量(N mg/kg)；0.1為換算系數(shù)。剖面礦質(zhì)氮累積量為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮累積量之和。經(jīng)測定0—20 cm土壤容重為1.15 g/cm3，20—40 cm土層容重為1.23 g/cm3，下層土層容重為1.38 g/cm3。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用兩年試驗(yàn)的平均值，利用軟件Microsoft Excel 2003和SPSS 11.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對春玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

表2 不同施氮水平下春玉米產(chǎn)量性狀及經(jīng)濟(jì)效益

2.2 施氮水平對土壤礦質(zhì)氮累積量的影響

圖1 0—120 cm土層礦質(zhì)氮累積量的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of Nmin accumulation in 0-120 cm soil layer

圖2 春玉米主要生育期土壤銨態(tài)氮累積量的動(dòng)態(tài)行為Fig. 2 Dynamics of ammonium N accumulation at the major growing stages for spring maize

圖3 春玉米主要生育期土壤硝態(tài)氮累積量的動(dòng)態(tài)行為Fig. 3 Dynamics of nitrate N accumulation at the major growing stages for spring maize

2.3 施氮水平對土壤酶活性的影響

土壤脲酶活性動(dòng)態(tài)變化受生育時(shí)期和施氮水平的雙重制約(圖4)。隨著生育期推進(jìn)，土壤脲酶活性整體上呈“雙峰”曲線變化。除N0和N60處理外，其他施氮處理土壤脲酶活性均在7月7日和8月6日有兩個(gè)較大的峰值。隨著施氮量增加，土壤脲酶活性整體上呈增加趨勢，當(dāng)施氮量超過N 180 kg/hm2時(shí)，脲酶活性無顯著變化。說明適量施氮(≤ 180 kg/hm2)能夠提供脲酶合適的作用底物，加快脲酶-尿素活化絡(luò)合物的形成及分解[19]。

圖4 不同施氮水平下土壤脲酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Dynamics of soil urease activity under different N application rates

圖5 不同施氮水平下土壤硝酸還原酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig. 5 Dynamics of soil nitrate reductase activity under different N application rates

與不施氮(N0)相比，施氮明顯提高了土壤硝酸還原酶活性(圖5)。其原因一方面是施氮為硝酸還原酶提供了充足的催化底物，另一方面施氮促進(jìn)了植物根系分泌物和根系脫落物進(jìn)入土壤，增加了其碳源，同時(shí)也加速了植物根系的活動(dòng)，使根系周圍土壤的通氣狀況、 水分條件以及pH與根外土壤產(chǎn)生了差異，提高了土壤的硝化能力[20]。隨著施氮量增加，土壤硝酸還原酶活性先增加后減小，當(dāng)施氮量為N 180 kg/hm2時(shí)達(dá)到最大。說明向土壤中添加適量氮肥能夠激活硝酸還原酶，這與張玉蘭等[21]的研究結(jié)論相一致。隨著生育期推進(jìn)，土壤硝酸還原酶活性先增加后降低，峰值出現(xiàn)在7月7日左右，說明此時(shí)期內(nèi)土壤的硝化作用強(qiáng)烈，這也與前面土壤脲酶活性的變化規(guī)律相吻合。

3 討論與結(jié)論

土壤硝態(tài)氮含量是決定氮素淋溶損失的重要因素，過量施氮能顯著增加土壤硝態(tài)氮含量，引起硝態(tài)氮在土壤中的大量累積，增加氮素淋溶損失的潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]。許多研究指出，農(nóng)田土壤長期過量施用氮肥會(huì)造成土壤中硝態(tài)氮大量累積，且累積量隨著施氮量增加顯著增加[24-25]。本研究表明，土壤剖面硝態(tài)氮累積量的變化行為受施氮量和生育時(shí)期的雙重制約，而銨態(tài)氮累積量僅受氮肥運(yùn)籌的影響。在整個(gè)生育期內(nèi)，0—120 cm 土層硝態(tài)氮累積量均隨著施氮量增加和生育期推進(jìn)顯著增加?？梢?，控制氮肥用量是減少硝態(tài)氮在土壤中累積的主要措施。巨曉棠等[26]在華北平原小麥-夏玉米輪作體系進(jìn)行的研究也充分說明了這一點(diǎn)。

但也有學(xué)者表明，氮肥用量增加并未影響累積硝態(tài)氮在土壤剖面不同層次中的分布特性[27]。黨延輝等[28]在渭北平原的長期試驗(yàn)表明，累積硝態(tài)氮在土壤剖面中的分布與肥料類型有關(guān)；在同一施氮水平下，單施無機(jī)氮肥硝態(tài)氮的累積峰在120—200 cm，無機(jī)氮磷配施硝態(tài)氮的累積峰降低至80—140 cm，無機(jī)氮肥與有機(jī)肥配施的累積深度僅為60—120 cm?？梢?，影響累積硝態(tài)氮在土壤剖面中不同層次分布的因素較多，除氮肥用量和生育時(shí)期外，土壤剖面結(jié)構(gòu)、 降水及灌水量、 肥料類型等因素的作用也值得關(guān)注，這也可能是不同研究者所得研究結(jié)果差異的原因[29]。

參考文獻(xiàn):

[1] 高祥照, 馬文奇, 杜森. 我國施肥中存在問題的分析[J]. 土壤通報(bào), 2001, 32(6)：255-261.

Gao X Z, Ma W Q, Du S. Current status and problems of fertilization in China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2001, 32(6)：255-261.

[2] 韓寶文, 王激清, 李春杰. 氮肥用量和耕作方式對春玉米產(chǎn)量、 氮肥利用率及經(jīng)濟(jì)效益的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2011, (2)：28-33.

Han B W, Wang J Q, Li C J. Impacts of nitrogen application rates and tillage modes on yield, nitrogen use efficiency of spring maize and economic benefit[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, (2)：28-33.

[3] Nohrstedt N. Fertilized to death[J]. Nature, 2003, 425：894-895.

[4] 徐志剛, 習(xí)銀生, 張世煌. 2008/2009年度國家玉米臨時(shí)收儲(chǔ)政策實(shí)施狀況分析[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題, 2010, (3)：16-23.

Xu Z G, Xi Y S, Zhang S H. Analysis on the implementation, mechanisms and effects of 2008/2009 national corn provisional reserve policy[J]. Issues in Agricultural Economy, 2010, (3)：16-23.

[5] 孫占祥, 鄒曉錦, 張鑫, 安景文. 施氮量對玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率及土壤硝態(tài)氮累積的影響[J]. 玉米科學(xué), 2011, 19(5)：119-123.

Sun Z X, Zou X J, Zhang X, An J W Effects of maize yield and N application on N utilization and content of soil nitrate[J]. Journal of Maize Sciences, 2011, 19(5)：119-123.

[6] 楊鎮(zhèn), 才卓, 景希強(qiáng), 等. 東北玉米[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社, 2006.

Yang Z, Cai Z, Jing X QetalMaize of northeast China[M]. Beijing：China Agriculture Press, 2008.

[7] 雋英華, 汪仁, 孫文濤, 邢月華. 春玉米產(chǎn)量、 氮素利用及礦質(zhì)氮平衡對施氮的響應(yīng)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(3)：544-551.

Juan Y H, Wang R, Sun W T, Xing Y H. Response of spring maize to nitrogen application in grain yield, nitrogen utilization and mineral nitrogen balance[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(3)：544-551.

[8] 朱兆良, 文啟孝. 中國土壤氮素[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社, 1992.

Zhu Z L, Wen Q X. Soil nitrogen in China[M]. Nanjing：Jiangsu Science and Technology Press, 1992.

[9] 趙士誠, 裴雪霞, 何萍, 等. 氮肥減量后移對土壤氮素供應(yīng)和夏玉米氮素吸收利用的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(2)：492-497.

Zhao S C, Pei X X, He Petal. Effects of reducing and postponing nitrogen application on soil N supply, plant N uptake and utilization of summer maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(2)：492-497.

[10] 石德楊, 張海艷, 董樹亭. 土壤高殘留氮條件下施氮對夏玉米氮素平衡、 利用及產(chǎn)量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(1)：37-44.

Shi D Y, Zhang H Y, Dong S T. Effects of nitrogen application on nitrogen balance and use efficiency and yield of summer maize in soil with high residual nitrogen[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1)：37-44.

[11] Garcia-Ruiz R, Ochoa V, Hinojosa M Betal. Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, (40)：2137-2145.

[12] 董艷, 董坤, 鄭毅, 等. 種植年限和種植模式對設(shè)施土壤微生物區(qū)系和酶活性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(3)：527-532.

Dong Y, Dong K, Zhen Yetal. Soil microbial community and enzyme activities in green house with different cultivation years and planting system[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(3)：527-532.

[13] Jimenez M D L P, Hprra A M, Pruzzo Letal. Soil quality. A new index based on microbiological and biochemical parameters[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, (35)：302-306.

[14] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.

Lu Y K. Analysis methods of soil agricultural chemistry[M]. Beijing：Chinese Agricultural Science Technology Press, 2000.

[15] Tabatabai M A. Soil enzymes [A]. Weaver R W, Angle J R, Bottomley P S. Methods of soil analysis. Part 2：microbiological and biochemical properties[M]. Madison WI：Soil Science Society of America, 1994. 775- 833.

[16] Kandeler E, Eder G, Sobotik M. Microbial biomass, N mineralization and the activities of various enzymes in relation to nitrate leaching and root distribution in a slurry- amended grassland[J]. Biology and Fertility of Soils, 1994, 18(1)：7- 12.

[17] 呂麗華, 陶洪斌, 王璞, 等. 施氮量對夏玉米碳、 氮代謝和氮利用效率的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2008, 14(4)：630-637.

Lü L H, Tao H B, Wang Petal. The effect of nitrogen application rate on carbon and nitrogen metabolism and nitrogen use efficiency of summer maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4)：630-637.

[18] 趙營, 同延安, 趙護(hù)兵. 不同供氮水平對夏玉米養(yǎng)分累積、 轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2006, 12(5)：622-627.

Zhao Y, Tong Y A, Zhao H B. Effects of different N rates on nutrients accumulation, transformation and yield of summer maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(5)：622-627.

[19] 和文祥, 朱銘莪. 陜西土壤脲酶活性與土壤肥力關(guān)系分[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1997, 34(4)：392-398.

He W X, Zhu M E. Relationship between urease activity and fertility of soils in Shanxi Province[J]. Acta Pedologica Sinica, 1997, 34(4)：392-398.

[20] Bakken L R. Denitrification under different cultivated plants：effect of soil moisture tension, nitrate concentration, and photosynthetic activity[J]. Biology and Fertility of Soils, 1988, 6(4)：271-278.

[21] 張玉蘭, 陳振華, 馬星竹, 陳利軍. 潮棕壤稻田不同氮磷肥配施對土壤酶活性及生產(chǎn)力的影響[J]. 土壤通報(bào), 2008, 39(3)：518-523.

Zhang Y L, Chen Z H, Ma X Z, Chen L J. Response of soil enzymes to different amount N and P fertilizers in rice ecosystems of meadow brown soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3)：518-523.

[22] Tanaka A, Yamaguchi J, Miura S. Comparison of fertilizer nitrogen efficiency among field crops[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1984, 30(2)：199-208.

[23] 王爽, 孫磊, 陳雪麗, 等. 不同施氮水平對玉米產(chǎn)量、 氮素利用效率及土壤無機(jī)氮含量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 22(3)：387-391.

Wang S, Sun L, Chen X Letal. Effects of different nitrogen fertilization levels on maize yield, nitrogen utilization and inorganic nitrogen content in soil[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(3)：387-391.

[24] 劉宏斌, 李志宏, 張維理, 林葆. 露地栽培條件下大白菜氮肥利用率與硝態(tài)氮淋溶損失研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2004, 10(3)：286-291.

Liu H B, Li Z H, Zhang W L, Lin B. Study on N use efficiency of Chinese cabbage and nitrate leaching under open field cultivation[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(3)：286-291.

[25] 蔣會(huì)利, 溫曉霞, 廖允成. 施氮量對冬小麥產(chǎn)量的影響及土壤硝態(tài)氮運(yùn)轉(zhuǎn)特性[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(1)：237-241.

[27] 張樹蘭, 同延安, 梁東麗, 等. 氮肥用量及施用時(shí)間對土體中硝態(tài)氮移動(dòng)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2004, 41(2)：270-277.

Zhang S L, Tong Y A, Liang D Letal. Nitrate-N movement in the soil profile as influenced by rate and timing of nitrogen application[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(2)：270-277.

[29] 王春陽, 周建斌, 鄭險(xiǎn)峰, 李生秀. 不同栽培模式對小麥-玉米輪作體系土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊慬J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13(6)：991-997.

Wang C Y, Zhou J B, Zheng X F, Li S X. Effects of different cultivation methods on soil residual nitrate under winter wheat- summer maize cropping system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6)：991-997.

[30] 李娟, 趙秉強(qiáng), 李秀英, Bing S H. 長期有機(jī)無機(jī)肥料醅施對土壤微生物學(xué)特性及土壤肥力的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41(1)：144-152.

Li J, Zhao B Q, Li X Y, Bing S H. Effects of long-term combined application of organic and mineral fertilizers on soil microbiological properties and soil fertility[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(1)：144-152.

[31] 李會(huì)娜, 劉萬學(xué), 戴蓮, 等. 紫莖澤蘭入侵對土壤微生物、 酶活性及肥力的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(11)：3964-3971.

Li H N, Liu W X, Dai Letal. Invasive impacts ofAgeratinaadenophora(Asteraceae) on the changes of microbial community structure, enzyme activity and fertility in soil ecosystem[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(11)：3964-3971.

[32] Vepslinen M, Kukkonen S, Vestberg M. Application of soil enzyme activity test kit in a field experiment[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33：1665-1672.

[33] Ajwa H A, Dell C J, Rice C W. Changes in enzyme activities and microbial biomass of tall grass prairie soil as related to burning and nitrogen fertilization[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31：769-777.

[34] 李東坡, 武志杰, 陳利軍, 等. 長期培肥黑土脲酶活性動(dòng)態(tài)變化及其影響因素[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(12)：2208-2212.

Li D P, Wu Z J, Chen L Jetal. Dynamics of urease activity in a long-term fertilized black soil and its affecting factors[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(12)：2208-2212.

[35] 徐國偉, 段驊, 王志琴, 等. 麥秸還田對土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(3)：926-933.

Xu G H, Duan Y, Wang Z Qetal. Effect of wheat-residue application on physical and chemical characters and enzymatic activities in soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(3)：926-933.

[36] 夏雪, 谷潔, 高華, 等. 施氮水平對土壤水解酶活性和作物產(chǎn)量的影響[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2010, 25(5)：756-765.

Xia X, Gu J, Gao Hetal. Effect of nitrogen application rates on soil hydrolase activities and crop yield[J]. Journal of Natural Resources, 2010, 25(5)：756-765.

[37] 楊榮, 蘇永中. 水氮配合對綠洲沙地農(nóng)田玉米產(chǎn)量、 土壤硝態(tài)氮和氮平衡的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(3)：1459-1469.

Yang R, Su Y Z. Effects of nitrogen fertilization and irrigation rate on grain yield, nitrate accumulation and nitrogen balance on sandy farmland in the marginal oasis in the middle of Heihe River basin[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(3)：1459-1469.