高洪軍, 朱 平， 彭 暢， 張秀芝， 李 強(qiáng)， 張衛(wèi)建

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 南京 210095； 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081；3 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 長(zhǎng)春 130033)

等氮條件下長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)春玉米的氮素吸收利用和土壤無(wú)機(jī)氮的影響

高洪軍1,3, 朱 平3， 彭 暢3， 張秀芝3， 李 強(qiáng)3， 張衛(wèi)建1,2*

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 南京 210095； 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081；3 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 長(zhǎng)春 130033)

有機(jī)無(wú)機(jī)配施； 春玉米； 氮肥利用效率； 無(wú)機(jī)氮

近年來(lái), 有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是肥料應(yīng)用研究中最活躍的領(lǐng)域之一，也是研究進(jìn)展最迅速的領(lǐng)域[1]。有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥相結(jié)合，在培肥土壤與作物增產(chǎn)方面優(yōu)于二者單獨(dú)施用，尤其在等氮量條件下的有機(jī)無(wú)機(jī)配施成了發(fā)展有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，是保證作物穩(wěn)定增產(chǎn)和推動(dòng)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要措施[2-3]。

眾多研究獲得的有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥配施效果結(jié)論基本一致，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施有利于作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[4-6], 提高土壤肥力[7-8]和氮肥利用率[9-10]，這些研究大都是在化肥用量不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)增施有機(jī)肥來(lái)進(jìn)行的。但在等養(yǎng)分條件下通過(guò)有機(jī)肥氮部分替代化肥氮來(lái)探討有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)作物產(chǎn)量、肥料利用率的影響除在水稻[1,5]和小麥[11]上有一定研究外，在東北春玉米上報(bào)道較少。雖然有個(gè)別報(bào)道，但有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施氮利用率較低，其結(jié)果與大多數(shù)研究不一致，并且此試驗(yàn)有機(jī)培肥期限較短[12]。因此，本試驗(yàn)基于國(guó)家黑土肥力與肥效長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究等氮條件下長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)春玉米氮養(yǎng)分吸收累積、運(yùn)移和氮肥利用效率的影響，以期為吉林黑土區(qū)春玉米氮肥合理施用和有機(jī)無(wú)機(jī)配施模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期土壤肥力監(jiān)測(cè)始于1990年，于2012年選擇其中5個(gè)處理進(jìn)行調(diào)查分析，即： 1)CK(不施肥)； 2)氮肥(N)； 3)氮磷鉀化肥(NPK)； 4)農(nóng)家肥加化肥(M+NPK)； 5)秸稈加化肥(S+NPK)。試驗(yàn)小區(qū)面積400 m2，每個(gè)小區(qū)均勻分成3個(gè)亞區(qū)，區(qū)間由2 m寬過(guò)道相隔。有機(jī)肥在每年玉米收獲后施用，1/3氮肥和磷鉀肥在玉米播種前作底肥，2/3氮肥于拔節(jié)前追施表土下10 cm處，秸稈在拔節(jié)追肥后撒施土壤表面。有機(jī)肥為農(nóng)家肥，養(yǎng)分含量為N 0.5%、 P2O50.4%、 K2O 0.49%； 玉米秸稈N、P2O5、K2O含量為0.7%、0.16%和0.75%。不同處理有機(jī)物料和化肥投入量見(jiàn)表1。供試作物為玉米，種植品種為鄭單958，于4月末播種，9月末收獲，按常規(guī)進(jìn)行統(tǒng)一田間管理，在10月份對(duì)土壤進(jìn)行取樣分析測(cè)定。

表1 不同處理的施肥量(kg/hm2)

注(Note): M—豬糞Pig manure; S—玉米秸稈Maize straw.

1.3 樣品采集和測(cè)定

在玉米拔節(jié)期(6月19日)、大喇叭口期(7月5日)、抽絲期(7月19日)、灌漿期(8月15日)、成熟期(9月19日)分別采集地上部植株樣品，每次在每小區(qū)取2株有代表性的玉米植株，將植株分為葉、莖鞘、籽粒、穗軸4部分裝入樣品袋中，于烘箱105℃殺青30 min，然后于80℃下烘干至恒重，稱(chēng)重，粉碎過(guò)0.5 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮[13]，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮。

在苗期(6月6日)和上述5個(gè)生育期分別采集0—20 cm土壤樣品，混勻，風(fēng)干，過(guò)0.85 mm篩。土壤硝態(tài)氮含量采用2 mol/L KC1浸提—紫外分光光度法測(cè)定[14]，銨態(tài)氮采用2 mol/L KC1浸提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[13]。

1.4 計(jì)算公式及統(tǒng)計(jì)方法

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP, kg/kg) =施氮處理產(chǎn)量/施氮量[15];

氮收獲指數(shù)(NHI,%)=籽粒中氮累積量/收獲時(shí)植株氮素累積量×100[16-17];

氮素轉(zhuǎn)移量(NT, kg/hm2)=抽絲期營(yíng)養(yǎng)體氮累積量-成熟期營(yíng)養(yǎng)體氮累積量[18];

氮素轉(zhuǎn)移效率(NTE,%)=氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/抽絲期營(yíng)養(yǎng)體氮素累積量×100[18];

轉(zhuǎn)移氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率(NTC,%) =氮素轉(zhuǎn)移量/籽粒中氮累積量×100[18]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)氮素吸收累積的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)氮素各器官轉(zhuǎn)移的影響

籽粒中的養(yǎng)分一部分來(lái)源于根系吸收的養(yǎng)分直接輸送，另一部分來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分的再轉(zhuǎn)移。養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移效率是營(yíng)養(yǎng)器官養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)輸出的重要指標(biāo)[19]。由表 3 可知，在各施肥處理中，葉和莖鞘總的氮素轉(zhuǎn)移量MNPK、SNPK、NPK和N處理分別為99.0、79.7、87.2和41.8 kg/hm2，MNPK處理顯著高于NPK和SNPK處理。 CK和單施N處理氮素轉(zhuǎn)移量最少，且葉片氮素的轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率和貢獻(xiàn)率都顯著高于莖稈，表明長(zhǎng)期不施肥或不平衡施肥葉片對(duì)籽粒養(yǎng)分的貯藏貢獻(xiàn)極其重要。

表2 不同施肥處理氮素階段累積量和日均累積量(kg/hm2)

注(Note): 同列不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平Different letters in a column mean significant difference at the 5% level.

表3 不同施肥處理春玉米各器官氮素的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率

注(Note): 同列不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Different letters in a column mean significant difference at the 5% level.

2.3 不同施肥處理對(duì)氮素利用效率的影響

表4 不同施肥處理氮素利用效率的變化

注(Note): PFP—Partial factor productivity; NHI—N harvest index.同列不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平Different letters in a column mean significant difference at the 5% level.

2.4 不同施肥處理耕層土壤無(wú)機(jī)氮的變化

土壤無(wú)機(jī)氮(包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)含量能夠很好地反映植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤供氮能力。圖1表明，各施肥處理的土壤無(wú)機(jī)氮含量的變化呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。玉米喇叭口期至灌漿期,土壤礦質(zhì)氮隨著土壤溫度的增加而增加，此階段也是玉米地上部生物量顯著增長(zhǎng)時(shí)期。從玉米喇叭口期至灌漿期，玉米吸收養(yǎng)分急劇增加，土壤無(wú)機(jī)氮含量下降明顯；在喇叭口期由于各施肥處理玉米拔節(jié)期追施氮肥，土壤無(wú)機(jī)氮含量有一個(gè)明顯的增幅，達(dá)到峰值；從灌漿期到成熟期，各處理土壤無(wú)機(jī)氮含量下降幅度不大。

圖1 不同施肥處理耕層(0—20 cm)土壤無(wú)機(jī)氮含量變化Fig.1 Inorganic nitrogen contents in 0-20 cm soil under different treatments

在各取樣時(shí)期，不同施肥處理土壤無(wú)機(jī)氮的含量存在差異，MNPK處理土壤無(wú)機(jī)氮的含量在玉米整個(gè)生育期一直高于其他施肥處理，在大喇叭口期達(dá)到60.83 mg/kg，與其他處理達(dá)到差異顯著，但在其他生育期各施肥處理差異不顯著。氮磷鉀化肥處理和秸稈加氮磷鉀處理差異不顯著。因此，NPK配施農(nóng)家肥比秸稈還田替代部分氮肥和全部使用氮磷鉀化肥顯著增加表層土壤無(wú)機(jī)氮含量，有利于土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮的長(zhǎng)期持續(xù)供應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)在長(zhǎng)期施肥條件下，化肥配施農(nóng)家肥的氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力高于化肥處理，并達(dá)到差異顯著，在其他類(lèi)型土壤，如潮土[24]、紅壤[25]上也有相同的研究結(jié)果，紅壤上化肥配施農(nóng)家肥玉米氮肥利用率以每年1.24%個(gè)百分點(diǎn)的速率顯著增加，施肥18年后達(dá)到60%以上，表明不施肥區(qū)(空白區(qū))土壤氮素耗竭非常嚴(yán)重；秸稈還田配合NPK和化肥NPK處理對(duì)氮肥利用效率的影響基本一致，表明適宜的有機(jī)無(wú)機(jī)配施不僅能提高氮素的生產(chǎn)能力，同時(shí)也減少了化肥氮投入，這與眾多的研究結(jié)果一致[26-28]。適宜的有機(jī)肥與化肥配施能提高氮肥利用率的原因可能是有機(jī)肥易被微生物利用，更多的氮被固定在微生物體內(nèi)，從而避免了前期過(guò)多的無(wú)機(jī)氮存在于土壤中而遭受揮發(fā)損失；當(dāng)作物需肥量增加時(shí)，土壤中沒(méi)有更多的能源物質(zhì)來(lái)維持微生物的生命活動(dòng)，大量的微生物相繼死亡，被固持在這些微生物體內(nèi)的這部分氮素釋放出來(lái)供作物吸收利用[29-31]。因此，解決有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)春玉米養(yǎng)分資源高效利用的有效途徑之一。

春玉米生長(zhǎng)期內(nèi)土壤無(wú)機(jī)氮形態(tài)以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮含量處于較低水平[32]。黃晶等[33]研究表明，與施用NPK 比較，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施降低了玉米收獲后的表層紅壤硝態(tài)氮的積累，此試驗(yàn)結(jié)果與本試驗(yàn)一致。郝曉輝等[34]研究指出，在等氮量條件下，有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施能顯著提高稻田土壤無(wú)機(jī)氮含量。本研究結(jié)果表明，在整個(gè)生育期，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理表層土壤無(wú)機(jī)氮含量都高于化肥處理，在喇叭口期達(dá)到峰值，土壤無(wú)機(jī)氮含量達(dá)到60.83 mg/kg，較其他處理為作物生長(zhǎng)提供了更多的氮素養(yǎng)分，表明長(zhǎng)期有機(jī)肥與化肥配施是增加土壤氮含量的較好施肥措施。有機(jī)肥氮素殘效連續(xù)疊加，使土壤具有強(qiáng)大而持久的供氮能力，這是施用有機(jī)肥產(chǎn)生后效的物質(zhì)基礎(chǔ)和根本原因[35]。長(zhǎng)期施用氮肥雖然能夠提高土壤供氮能力，但是真正能增加土壤有機(jī)氮庫(kù)、顯著提高土壤供氮能力并使土壤在供氮方式上具有漸進(jìn)性和持續(xù)性的只有施用有機(jī)肥。這種供氮方式更適合作物根系對(duì)氮的吸收利用，這是有機(jī)肥優(yōu)于化肥的原因之一[36]，本研究結(jié)果也表明，在減施化肥氮的基礎(chǔ)上，秸稈還田處理(SNPK)與化肥處理(NPK)的土壤無(wú)機(jī)氮含量差異不顯著，這是連續(xù)秸稈還田導(dǎo)致大量的有機(jī)氮礦化釋放出無(wú)機(jī)氮的緣故[37]。因此，本試驗(yàn)條件下，長(zhǎng)期施用適宜的有機(jī)肥氮替代部分化肥氮(用量為N 165 kg/hm2， 并且農(nóng)家肥氮的替代率在70%或秸稈氮的替代率在30%時(shí))是可行的，既節(jié)省化肥氮投入，又能提高土壤肥力。

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Effects of partially replacement of inorganic N with organic materials on nitrogen efficiency of spring maize and soil inorganic nitrogen content under the same N input

GAO Hong-jun1,3, ZHU Ping3, PENG Chang3, ZHANG Xiu-zhi3, LI Qiang3, ZHANG Wei-jian1,2*

(1CollegeofAgronomy,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China; 2InstituteofCropSciences,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China; 3JilinAcademyofAgriculturalSciences,Changchun130033,China)

【Objectives】 Study on the effect of proper ratio of organic N replacing chemical N on the N use efficiency and soil N content in the long run will provide base support for the efficient fertilization and sustainable soil fertility. 【Methods】 The long-term experiment on black soil fertility and fertilizer efficiency (Gongzhuling City, Jilin Province) was used, and spring maize cultivar, Zhengdan958 was selected. Plant and soil samples were collected from five treatments: no fertilization (CK), fertilizer N (N), fertilizer NPK (NPK), NPK plus pig manure (MNPK) and NPK with straw (SNPK). The nitrogen accumulation, translocation of maize and N use efficiency were studied at six growing stages of maize, seedling, jointing, belling, tasseling, blister and maturity, under the long-term experiment condition. 【Results】 The nitrogen accumulation of maize is increased from the jointing to belling, and the highest daily accumulation is in the belling stage. In MNPK treatment, the value is 86.44 kg/ha, significantly higher than in NPK and SNPK treatments. The total amounts of N transferred from leaves and straw-sheath to grains were 99.0, 79.7 and 87.2 kg/hm2in MNPK, SNPK and NPK treatments, respectively, with the corresponding contribution to grain N of 51.0%, 47.7% and 47.2% respectively. MNPK shows the significantly higher N translocation and contribution than SNPK and NPK treatments. The partial factor productivity of applied N is over 60 kg/kg in the MNPK treatment. Compared to the NPK treatment, SNPK treatment has no obvious differences on PFPs and N harvest index (NHIs). Soil inorganic nitrogen of the MNPK treatment is higher than that of NPK treatment in the whole growing stage, which reaches the highest amount of 60.83 kg/kg at the belling stage. 【Conclusions】 Replacing chemical N with organic N could improve the accumulation and translocation of inputted nitrogen, improve N use efficiency and increase the capacity of soil N supply in the long-run. Replacing 70% of the N 165 kg/ha input with manure fertilizer N or 30% with maize straw N is proved to be a feasible way in nutrient management of spring maize at black soil region in Jilin.

combined application of organic and inorganic fertilizers; spring maize; nitrogen use efficiency; inorganic nitrogen

2014-07-17 接受日期： 2014-12-09

吉林省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(20110207)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203030-04-04)項(xiàng)目資助。

高洪軍(1975—)，男，吉林省公主嶺市人，副研究員，主要從事土壤肥力與農(nóng)田生態(tài)研究。E-mail: ghj-1975@163.com * 通信作者 Tel: 010-62156856，E-mail: zwj@njau.edu.cn

S141.4； S513

A

1008-505X(2015)02-0318-08