姜慧敏，郭俊娒，劉曉，喬少卿，張雪凌，郭康莉，張建峰*，楊俊誠*

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安716000；4四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都611130）

不同來源氮素配合施用提高東北春玉米氮素利用與改善土壤肥力的可持續(xù)性研究

姜慧敏1，郭俊娒2，劉曉1，喬少卿3，張雪凌4，郭康莉1，張建峰1*，楊俊誠1*

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安716000；4四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都611130）

【目的】研究不同氮素形態(tài)對(duì)東北春玉米氮素利用和土壤肥效的影響，為氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和培肥土壤提供理論依據(jù)?！痉椒ā?013～2015年連續(xù)三年在東北典型春玉米種植區(qū)開展田間定位試驗(yàn)，在相同磷鉀肥施用前提下，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：1)50%玉米秸稈氮(N0)；2)100%速效氮165kg/hm2(N1)；3)60%速效氮+ 20%有機(jī)肥氮+20%緩釋氮，施氮量165kg/hm2(N2)；4)N2+生物炭，生物炭量相當(dāng)于50%玉米秸稈(N3)。收獲期測(cè)定耕層土壤基本理化指標(biāo)、作物產(chǎn)量及氮素利用率、基肥和追肥后土壤N2O排放量?！窘Y(jié)果】1)三年玉米平均產(chǎn)量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增加了62.7%、67.7%和80.1%(P<0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產(chǎn)3.0%和10.7%；N3處理玉米產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)最高，產(chǎn)量可持續(xù)性最好。2)與N1處理相比，2013年和2014年累計(jì)化肥氮利用率N2和N3處理分別增加了8.4%和12.7%、10.2%和15.5%，2015年分別顯著增加了8.4%和12.7%(P<0.05)。N2和N3處理累計(jì)化肥氮利用率呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，且N3處理增加幅度大于N2處理，說明N3處理氮肥的后效更加明顯。3)施氮處理顯著提高了土壤N2O累積排放量(P<0.05)，N3處理較N1處理顯著降低了53.2%；4)N3處理的綜合土壤肥力指數(shù)(IFI)最高，N3處理在農(nóng)學(xué)、土壤肥力和環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)中最優(yōu)?！窘Y(jié)論】在總氮施用量不變的前提下，以添加適宜比例生物炭、有機(jī)肥和緩釋氮肥替代部分速效化肥氮，可協(xié)同實(shí)現(xiàn)東北春玉米持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和土壤肥力的可持續(xù)改善。

生物炭；N2O排放；玉米；氮肥利用效率

東北是我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積和總產(chǎn)量均占到全國的30%左右，對(duì)我國糧食安全起著非常重要的作用[1]。玉米是對(duì)氮素敏感且需氮量較多的高產(chǎn)作物，合理施用氮肥是增加玉米產(chǎn)量、提高氮肥利用率的重要措施。但長期以來，東北地區(qū)氮肥多采用一次性基施，基本不施緩控釋肥，且為了追求高產(chǎn)而過量施用氮肥的問題十分突出，直接導(dǎo)致氮肥利用率降低和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的增加[2]。同時(shí)，雖然東北地區(qū)有機(jī)肥資源豐富，但資源利用率低，玉米幾乎不施有機(jī)肥[3]，由此逐漸造成土壤物理性質(zhì)退化，土壤耕作、保水、保肥性能降低，使玉米植株吸收氮素養(yǎng)分受阻，直接影響玉米產(chǎn)量的長期穩(wěn)定提高[4]。因此，科學(xué)合理的施肥是保證黑土區(qū)春玉米高產(chǎn)、氮肥高效利用、環(huán)境生態(tài)安全和土壤肥力可持續(xù)的重要措施。

關(guān)于提高東北春玉米產(chǎn)量、氮素利用率及減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的施肥方式研究較多，如長期有機(jī)無機(jī)配施試驗(yàn)結(jié)果表明，等氮量條件下，豬糞或秸稈配施化肥氮能顯著提高玉米產(chǎn)量及氮肥利用率[5]，豬糞、牛糞或秸稈與化肥配施能有效提高春玉米農(nóng)田基礎(chǔ)地力產(chǎn)量和基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率，增加有機(jī)物料投入是黑土區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)地力培育的最佳施肥措施[6]。但以往有機(jī)無機(jī)配施多是畜禽糞便有機(jī)肥或秸稈與化肥單獨(dú)配施，而秸稈和畜禽糞便有機(jī)肥與化肥配施的多年定位研究較少。近年來，秸稈炭化后的生物炭逐漸成為一種新型有機(jī)肥，國內(nèi)外研究表明，生物炭與適量的氮肥配施可提高氮肥利用率[7]、減少N2O氣體的排放[8]，說明生物炭與氮肥之間存在互補(bǔ)或協(xié)同效應(yīng)，但這些研究多應(yīng)用于水田，且多是室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，而在東北春玉米種植區(qū)將生物炭、畜禽糞便有機(jī)肥、秸稈這三種有機(jī)肥與化肥配施的多年田間定位研究鮮有報(bào)道。另外，由于緩釋氮肥能夠根據(jù)作物的需肥規(guī)律釋放養(yǎng)分，在東北春玉米上的應(yīng)用報(bào)道也很多[9]，但等氮量條件下，速效氮和緩釋氮與有機(jī)肥(畜禽糞便、秸稈、生物炭)配合施用對(duì)氮素養(yǎng)分利用和土壤綜合肥力評(píng)價(jià)研究尚無報(bào)道。

基于此，本研究以東北春玉米典型種植區(qū)黑龍江省為研究基地，采用連續(xù)3年的田間定位試驗(yàn)，研究不同氮素形態(tài)(速效氮、緩效氮和有機(jī)氮)配施生物炭對(duì)春玉米產(chǎn)量、氮素利用效率、N2O排放及土壤肥效的影響，以期為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氮素養(yǎng)分的持續(xù)高效利用和土壤肥力的可持續(xù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于黑龍江省哈爾濱市民主鄉(xiāng)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)，東經(jīng)126°48′55.64″～126°51′26.50″，北緯45°49′44.33″～45°51′01.60″，海拔130～150m，屬于寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.6℃，年降水量為486.4～543.6mm；高于10℃年積溫為2600～2800℃，全年無霜期135天；年平均風(fēng)速4.1m/s。土壤類型為黑土，質(zhì)地為砂礫13%、粉粒63%、粘粒24%，黑土層厚度為25～40cm，粘土層厚度為30～35m。試驗(yàn)前供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為28.70g/kg，全量氮、磷、鉀含量分別為1.14、0.39、2.95g/kg，速效氮、磷、鉀含量分別為85.19、30.00、185.98mg/kg，pH6.85。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)種植制度為一年一熟春玉米，供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N龍單42號(hào)。試驗(yàn)從2013年5月開始，到2015年10月連續(xù)種植了三季春玉米。試驗(yàn)在施用相同磷、鉀肥的基礎(chǔ)上，設(shè)4個(gè)處理，分別為：1)50%玉米秸稈(N0)；2)100%速效氮165 kg/hm2(N1)；3)60%速效氮+20%有機(jī)肥氮+20%緩釋氮，共165kg/hm2(N2)；4)N2+生物炭，生物炭量相當(dāng)于50%玉米秸稈(N3)。每個(gè)處理重復(fù)4次，區(qū)組隨機(jī)排列，小區(qū)面積為60m2。

速效氮肥為尿素，按照基肥、大喇叭口期比例2∶1施入；緩釋氮肥為緩釋包膜尿素(含氮量為41.8%)，由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供；有機(jī)肥為商品有機(jī)肥(水分含量30.1%、有機(jī)質(zhì)47.8%、N1.86%、P2O53.11%、K2O0.85%)，有機(jī)肥由江蘇田娘農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，替代量參考前期研究結(jié)果[1]；磷肥為重過磷酸鈣；鉀肥為氯化鉀；玉米秸稈平均N、P2O5、K2O含量分別0.70%、0.11%和1.42%；生物炭添加量為2t/hm2(相當(dāng)于50%玉米秸稈量)。緩釋氮肥、有機(jī)肥、磷肥、鉀肥玉米秸稈和生物炭均基施，具體肥料施用量如表1所示。

1.3 供試生物炭基本理化性質(zhì)

生物炭由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，是由玉米秸稈在500℃厭氧條件下熱解而成的高度芳香化產(chǎn)物，其性質(zhì)較為穩(wěn)定，且含有一定的養(yǎng)分。參照《土壤農(nóng)化分析》[10]和《木炭和木炭試驗(yàn)方法》[11]分析，其有機(jī)碳含量為77%，全量氮、磷、鉀含量為6.10、5.17、22.8g/kg，陽離子交換量為9.98cmol(+)/kg，灰分含量為13.3%。

1.4 樣品采集與測(cè)試

成熟期采集0—20cm耕層土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采5個(gè)點(diǎn)將土壤混合，按四分法分取，風(fēng)干研磨，用于土壤基本理化性狀指標(biāo)的測(cè)定。成熟期測(cè)定植株和籽粒氮素養(yǎng)分含量，各小區(qū)測(cè)定玉米產(chǎn)量。

土壤pH采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤全氮采用開氏消煮—半微量滴定法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷采用NH4F–HCl浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定；植物樣全氮采用H2SO4–H2O2消煮后凱氏定氮法測(cè)定[10]。

土壤N2O氣體測(cè)定：2014年采用靜態(tài)箱/氣相色譜法測(cè)定土壤N2O的排放通量[12]。施基肥及追肥后從第二天起每天采集一次，連續(xù)采集7天左右，隨后一周采一次。

溫室氣體通量計(jì)算公式為：

其中:F為氣體排放通量[C或N mg/(m2·h)]；k為量綱換算系數(shù)；V為氣室體積；A為底座面積；M為目標(biāo)氣體摩爾質(zhì)量；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下目標(biāo)氣體的摩爾體積；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)氣溫；T為箱內(nèi)溫度；P為箱內(nèi)氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)氣壓；dc/dt為采樣期間箱內(nèi)溫室氣體濃度變化速率。

1.5 計(jì)算公式

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(sustainable yield index, SYI)[13]：

肥料氮利用率=(收獲期施氮區(qū)地上部總吸氮量–收獲期不施氮區(qū)地上部總吸氮量)/肥料氮施用量× 100%

表1 各處理肥料施用量 (kg/hm2)Table 1 Amounts of fertilzers applied in the treatments

內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算土壤綜合肥力[14]：

式中：IFI為土壤綜合肥力；IFIi平均與IFIi最小分別為土壤各屬性分肥力均值與最小值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。本研究選取2013～2015年田間定位試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等6個(gè)指標(biāo)作為參評(píng)的化學(xué)指標(biāo)，反映土壤肥力狀況。

灰色關(guān)聯(lián)度分析：本研究對(duì)N0、N1、N2和N3這4個(gè)處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。首先是評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定，2013年以產(chǎn)量、化肥氮利用率這2個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)，以土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH這6個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤肥力效應(yīng)；2014年在2013年評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上增加了N2O排放量來評(píng)價(jià)環(huán)境效應(yīng)；2015年評(píng)價(jià)指標(biāo)與2013年評(píng)價(jià)指標(biāo)相同?；疑P(guān)聯(lián)度分析參考韋澤秀[15]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果采用SAS9.1統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，不同處理間采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，采用Excel和SigmaPlot10.0制圖。

圖1 不同施肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig. 1 Effect of different N fertilizer treatments on maize yields

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量與氮素利用率

由圖1可知，2013年玉米產(chǎn)量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產(chǎn)35.1%、39.7%和39.4% (P<0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產(chǎn)3.4%和3.2%。2014年玉米產(chǎn)量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產(chǎn)72.6%、75.9%和83.2%(P< 0.05)，施氮處理增產(chǎn)量比2013年相應(yīng)處理產(chǎn)量提高了50%左右；N2和N3處理分別比N1處理增產(chǎn)1.9%和6.1%。2015年玉米產(chǎn)量N1、N2和N3處理分別比N0處理顯著增產(chǎn)85.5%、91.4%和130.0%(P< 0.05)；N2和N3處理分別比N1處理增產(chǎn)3.2%和24.0%，其中N3處理顯著增產(chǎn)(P<0.05)。從3年的平均產(chǎn)量來看，施氮處理分別顯著增加了62.7%、67.7%和80.1%(P<0.05)，表明氮肥對(duì)玉米增產(chǎn)效果顯著；N2和N3處理分別比N1處理增產(chǎn)3.0%和10.7%。從3年施氮處理產(chǎn)量較對(duì)照處理的增產(chǎn)率來看，N3處理有逐年增加的趨勢(shì)，說明氮肥結(jié)合有機(jī)替代和緩控釋及生物炭的施肥方式對(duì)玉米持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用。N0、N1、N2和N3處理的產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)分別為0.6、0.8、0.8和0.9，N3處理玉米SYI值最高，說明產(chǎn)量可持續(xù)性更好。

農(nóng)田肥料利用率的計(jì)算是建立在試驗(yàn)開始前各小區(qū)的土壤肥力均一的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，然而，連續(xù)多季或多年的不同施氮操作已造成處理小區(qū)間土壤肥力水平差異懸殊。因此，利用常規(guī)差減法按年度計(jì)算多年定位試驗(yàn)的氮肥利用率存在一定的不合理性，所以，本文引入累計(jì)氮肥利用率的概念和算法[16]，它是指一段時(shí)間內(nèi)作物累計(jì)從土壤中吸收的來自肥料的氮量與累積施入土壤中的肥料氮量的比值，它可以消除年際間的差異，時(shí)間越長，肥料利用效率越穩(wěn)定，更能準(zhǔn)確說明肥料利用的真實(shí)情況。本研究計(jì)算累計(jì)化肥氮利用率。

2013年玉米當(dāng)季化學(xué)氮肥利用率結(jié)果表明(表2)，N2和N3處理分別比N1處理增加了8.4%和12.7%；2014年玉米累計(jì)化肥利用率N2和N3處理分別比N1處理增加了10.2%和15.5%；2015年玉米累計(jì)化肥氮利用率N2和N3處理比N1處理顯著增加了8.4%和12.7%(P<0.05)。結(jié)果表明，隨著處理時(shí)間的延長，N1處理玉米累計(jì)化肥氮利用率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，N2和N3處理呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，且N3處理增加幅度大于N2處理，說明N3處理氮肥的后效更加明顯。

2.2 土壤 N2O 排放

春玉米種植期N2O氣體排放規(guī)律在不同處理?xiàng)l件下基本一致(圖2)，排放通量范圍在–57～292 μg/(m2·h)，N0～N3處理平均排放通量分別為167、56、50和25μg/(m2·h)。施入基肥后一周內(nèi)各處理N2O的排放通量均較低，從播種后第16天開始，N1和N2處理的N2O排放通量迅速升高，并在播種后23到44天之間出現(xiàn)一個(gè)明顯的排放峰值，在此時(shí)期內(nèi)，N1和N2處理的N2O最大排放通量分別為173和292μg/(m2·h)，而此時(shí)期內(nèi)N0和N3處理的N2O最大排放通量僅為43和81μg/(m2·h)。播種后44天以后，各處理N2O的排放通量逐漸降低，到7月1日追肥后(播種后62天)再次升高，并出現(xiàn)一個(gè)小的排放峰，在7月6日達(dá)到峰值，同第一個(gè)排放峰的規(guī)律一致，此時(shí)期N1和N2處理的N2O最大排放通量為71和61μg/(m2·h)，而N3處理排放通量僅為5.4μg/(m2·h)。

施入基肥后一周內(nèi)N2O的累積排放量由高到低依次為N1>N2>N3>N0(表3)。與N1處理相比，N2和N3處理N2O累積排放量分別降低了4.6%和55.8%，其中N3處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。追肥后一周內(nèi)N2O的累積排放量范圍在9.2～68.8 g/hm2，各處理N2O累積排放量由高到低依次為N1> N2>N3>N0，與N1處理相比，N2和N3處理N2O累積排放量分別顯著降低了54.5%和70.0%(P< 0.05)。玉米全生育期內(nèi)N2O排放總量范圍在420.3～1397.0g/hm2，由高到低依次為N2>N1>N3>N0，N3處理N2O排放總量比N1和N2處理分別顯著降低了53.2%和56.7%(P<0.05)。

表2 不同處理化肥氮的累積吸收量和累計(jì)利用率Table 2 Cumulative chemical N uptakes and use efficiencies of maize under different treatments

圖2 不同施肥處理對(duì)東北春玉米農(nóng)田 N2O 排放通量的影響Fig. 2 Effect of different N fertilizer treatments on N2O emission flux of spring maize field

2.3 土壤肥力效應(yīng)

應(yīng)用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算了3年不同施肥處理下土壤的綜合肥力(圖3)，發(fā)現(xiàn)IFI值均在2.0以下。不同施肥處理IFI值由高到低依次為N3>N2= N1>N0，N0處理分別較N1、N2和N3處理顯著降低了5.2%、5.2%和11.6%(P<0.05)，施氮處理間IFI值沒有顯著差異。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

由表4分析可知，2013年N1、N2和N3處理灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.7533、0.8618和0.8535，N2處理在氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)和土壤肥力綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)中最優(yōu)，N3處理與N2處理關(guān)聯(lián)度相近，N1處理關(guān)聯(lián)度值最小。2014年N1、N2和N3處理灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.8433、0.8443和0.9981，N3處理在氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)、土壤肥力綜合效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)中最優(yōu)，N2和N1處理關(guān)聯(lián)度相近。2015年綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為N3>N2>N1，說明N3處理在氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)和土壤肥力綜合評(píng)價(jià)中最優(yōu)。

表3 不同處理施肥后 7 天以及玉米整個(gè)生育期農(nóng)田 N2O 排放量 (g/hm2)Table 3 Cumulative N2O emissions in 7 days after fertilization and during the whole growing stage of maize under different treatments

圖3 不同施肥處理下土壤綜合肥力指數(shù) (內(nèi)梅羅指數(shù)法)Fig. 3 IFI under different N fertilizer treatments (Nemoro index method)

表4 2013～2015 年不同施肥處理綜合評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序Table 4 Correlation degrees and rank of comprehensive evaluation of different fertilizer treatments in 2013–2015

3 討論

3.1 不同氮素形態(tài)對(duì)春玉米氮素吸收和利用的影響

氮素是影響植物生長發(fā)育及產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素。本研究結(jié)果表明，氮素對(duì)玉米產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用，N0處理(不施化肥氮，秸稈還田)玉米產(chǎn)量顯著低于施氮處理，其原因可能由于氮素不足加速穗葉葉綠素含量下降進(jìn)程，使葉片提早衰老[17]，衰老過快會(huì)影響物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和光合作用，最終影響產(chǎn)量的形成[18]。我們的研究結(jié)果證實(shí)，2013年春玉米抽雄期SPAD值含量最高，其次是灌漿期，與抽雄期比較，N1、N2和N3處理SPAD值灌漿期與之較為接近，而N0處理在灌漿期顯著減少(P<0.05)(數(shù)據(jù)未列出)?？茖W(xué)合理的氮素施用是春玉米獲得高產(chǎn)和提高氮素利用率的重要途徑。連續(xù)三年定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)氮素配施(N2和N3處理)，作物平均產(chǎn)量較只施化肥氮(N1處理)分別提高了3.0%和10.7%，其原因可能是：1)緩釋肥提高了玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的穗粗和穗長，2014年N2處理穗長和穗粗分別增加11.0%和2.4%，N3處理分別增加了12.9%和3.6%[19]，這與馮愛青等[20]的研究結(jié)果相似。2)畜禽糞便有機(jī)肥和生物炭這些富含碳的有機(jī)物施入土壤后，為土壤微生物提供了大量能源物質(zhì)，促進(jìn)了土壤微生物生物量氮的增加，2013年和2014年N2和N3處理土壤微生物量氮分別比N1處理增加12.5%和18.9%、0.7%和6.7%[19]，有利于土壤氮的協(xié)調(diào)供應(yīng)，從而提高了氮素利用效率。另外，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，N3處理較N2處理玉米產(chǎn)量和累積氮素利用率隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長而出現(xiàn)顯著提高，很顯然，生物炭添加起到了關(guān)鍵作用，可能有以下三方面原因：一是養(yǎng)分增加，尤其是碳的增加，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量顯著增加；二是生物炭提高了土壤微生物量碳含量，2013年和2014年N3處理土壤微生物量碳含量比N2處理分別增加了13.5%和26.9%，其中在2014年達(dá)到顯著水平(P<0.05)[21]。有研究表明，土壤微生物量碳與土壤全氮、堿解氮之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系[22–23]，我們前期的研究結(jié)果也證實(shí)，添加生物炭后土壤微生物量碳與堿解氮之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[21]；三是生物炭中含有大量的鉀，增加了土壤中可交換性鉀，使產(chǎn)量增加，N3處理2013年和2014年土壤速效鉀分別比N2處理增加了8.7%和6.7%[21]。

3.2 施肥方式對(duì)土壤 N2O 排放的影響

農(nóng)田土壤是大氣中N2O的最主要釋放源，氮肥施用對(duì)農(nóng)田土壤N2O的排放有明顯的促進(jìn)作用[24]，旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的變化直接影響著土壤N2O排放通量[25]。本研究結(jié)果表明，產(chǎn)生N2O排放的主要因素是施氮肥，不施氮處理N2O的排放量顯著低于施氮處理(P<0.05)。施氮處理N2O累積排放量由高到低依次為N2>N1>N3，N2處理N2O累積排放量略高于N1處理，說明畜禽有機(jī)肥的施用為土壤中帶入大量易溶性有機(jī)物，增加了土壤中反硝化細(xì)菌的反應(yīng)底物，且緩釋氮肥延長了氮素的釋放周期，因而有機(jī)替代結(jié)合緩釋肥對(duì)土壤N2O排放的促進(jìn)作用要高于純施化肥氮處理。有研究發(fā)現(xiàn)，豬糞替代50%化肥氮處理N2O累計(jì)排放量比化肥氮處理顯著提高119.23%[26]，農(nóng)田施用有機(jī)肥會(huì)促進(jìn)N2O的排放，且對(duì)N2O排放的影響明顯大于秸稈覆蓋、免耕、秸稈深施等農(nóng)業(yè)管理措施[27]，主要是通過調(diào)節(jié)土壤C/N影響土壤微生物活性直接或間接影響N2O排放[28]。N3處理由于在N2處理基礎(chǔ)上添加了生物炭，造成土壤N2O累積排放量顯著降低(P<0.05)。關(guān)于生物炭減少N2O排放的報(bào)道較多，Spokas和Reicosky[29]對(duì)16種不同生物炭進(jìn)行試驗(yàn)表明，15種生物炭抑制N2O排放。李飛躍和汪建飛[30]對(duì)近年來生物炭對(duì)土壤N2O排放的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納，發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后能夠抑制或減少N2O的排放，他們對(duì)我國5種典型土壤(紅壤、黃綿土、黑土、水稻土和潮土)研究表明，350℃和500℃制備的生物炭均對(duì)黑土土壤N2O排放起到了抑制作用。本研究試驗(yàn)中的生物炭是在500℃制備，同樣也顯著降低了土壤N2O的排放。生物炭抑制N2O排放的可能機(jī)制有以下兩個(gè)方面：一是生物炭較高的C/N抑制了土壤礦化氮的量，降低了土壤的硝化與反硝化作用[31]；二是生物炭施入土壤后，由于其具備多孔隙的特性，因此能夠改善土壤的通氣狀況，抑制了土壤的反硝化細(xì)菌的活性，從而減少了N2O的排放[32]。

3.3 施肥方式對(duì)土壤綜合肥力的影響

土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容[33]。評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重構(gòu)成了土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，因物理性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定和生物性質(zhì)變化太快等原因常不被選為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心部分，所以生產(chǎn)中常用氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分來綜合衡量土壤肥力高低[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，3年土壤綜合肥力指數(shù)施氮處理間沒有顯著差異?？梢?，40%化肥氮被20%有機(jī)氮和20%緩釋氮替代，土壤綜合肥力指標(biāo)相近。有機(jī)無機(jī)配施能夠增加松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的總量，進(jìn)而增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[34]。同時(shí)，有機(jī)無機(jī)配施能夠有效提高土壤全磷、無機(jī)磷、有機(jī)磷含量，改善供磷水平[35]。N3處理在N2基礎(chǔ)上添加了生物炭，土壤綜合肥力指數(shù)比N2提高了5.9%，說明生物炭添加對(duì)土壤綜合肥力的提升具有重要作用，可能是生物炭有助于土壤腐殖質(zhì)的形成，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[36]，還可提高土壤碳氮比，促進(jìn)土壤微生物的活性，促進(jìn)土壤有機(jī)氮、有機(jī)磷的礦化，從而提高了土壤速效氮、磷的含量[37]。

4 結(jié)論

與N1處理相比，N3處理能夠有效提高玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)率在1.9%～13.5%，玉米SYI值最高，產(chǎn)量可持續(xù)性更好；累計(jì)氮肥利用率隨著時(shí)間延長逐漸增加，氮肥后效明顯；能夠顯著降低土壤N2O的排放；土壤綜合肥力指數(shù)最高；農(nóng)學(xué)、土壤肥力和環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)。因此，利用化肥氮總量控制、生物炭添加和適量有機(jī)和緩釋氮肥替代的氮素形態(tài)優(yōu)化配施，可協(xié)同實(shí)現(xiàn)東北春玉米持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和土壤肥力的可持續(xù)。

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Effects of combined application of nitrogen from different source on nitrogen utilization of spring maize and sustainability of soil fertility in Northeast China

JIANG Hui-min1,GUO Jun-mei2,LIU Xiao1,QIAO Shao-qing3,ZHANG Xue-ling4,GUO Kang-li1,ZHANG Jian-feng1*,YANG Jun-cheng1*
(1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 3 School of Life Sciences, Yan’an University, Yan’an Shaanxi 716000, China; 4 College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

【Objectives】This paper focused on sustaining high use of nitrogen(N)and improving soil fertility by applying different Nforms in Northeast China.【Methods】A3-year field experiment was conducted in Heilongjiang Province,China during2013to2015.Under the same rates of Pand Kinput,four treatments were designed:1)only50%maize straw(N0);2)100%chemical Nfertilizer(N165kg/hm2,N1);3)80%chemical N fertilizer(60%fast released and20%slow released N)+20%organic Nfertilizer,as N165kg/hm2(N2);and4) N2+biochar,with the same amount as50%maize straw(N3).The plant and soil samples(0–20cm depth)were collected at the harvest,the related items were analyzed using regular methods.N2O emission was analyzed after the basic and topdressing fertilization.【Results】Compared with the N0,the average yields of the N1,N2and N3from2013to2015were significantly increased by62.7%,67.7%and80.1%(P<0.05), respectively.The average maize yield of three years in the N1was10421kg/hm2which was3.0%and10.7% lower than those of the N2and N3,respectively.The sustainable yield index(SYI)in the N3was higher than those in other treatments.Compared with N1,the cumulative chemical Nuse efficiencies of the N2and N3were increased by8.4%and12.7%in2013,by10.2%and15.5%in2014,and significantly increased by8.4%and 12.7%in2015(P<0.05).The cumulative chemical Nuse efficiencies of the N2and N3showed increasing trend year after year and the increase in the N3was bigger than in the N2.The single application of fast release N fertilizer resulted in greater soil N2O emission.Soil N2O emission in the N3was significantly decreased by53.2% compared to the N1(P<0.05).The integrated fertility indexes(IFI)in the N3was higher than those in other treatments.【Conclusions】The optimum Nmanagements can be coordinated to achieve high maize yield and high Nuse efficiency in Northeast China by regulating the amount of Nfertilizer with adding biochar and substituting chemical fertilizer Nwith organic fertilizer Nand slow release N.

biochar;N2O emission;maize;N use efficiency

2016–06–23接受日期：2016–11–20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501322，21577172）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”課題（2013CB127406）；中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（IARRP-2015-21）；國家科技合作專項(xiàng)（2015DFA20790）資助。

姜慧敏（1980—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，副研究員，主要從事土壤培肥與改良研究。

Tel：010-82105061，E-mail：jianghuimin@caas.cn

*通信作者Tel：010-82106203，E-mail：zhangjianfeng@caas.cn；Tel：010-82108760，E-mail：yangjuncheng@caas.cn