孫洪仁 穆尼熱·買買提 沙吾列·沙比汗 卜耀軍 喬 楠

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.新疆畜牧科學(xué)院 草業(yè)研究所，烏魯木齊 830000；3.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是否需要施氮，至今仍存在較大爭議。許多學(xué)者認(rèn)為，紫花苜蓿與根瘤菌共生，能夠固定大氣氮素而滿足自身需求，無需施氮；一些研究表明，施氮不僅沒有促進(jìn)紫花苜蓿生長，反而造成減產(chǎn)；亦有一些研究證明，紫花苜蓿施氮增產(chǎn)效果明顯[1]。作物施氮是否有效，取決于因作物種類而異的土壤氮素含量臨界值，高于臨界值便無效，低于臨界值則有效[2]。然而紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值至今未被確定。生長第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力與生長第2年及以上者不同，二者間土壤氮素含量臨界值是否存在差異更是無人知曉。

確定作物土壤養(yǎng)分含量臨界值的方法是建立作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程，缺素處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量即為該養(yǎng)分施用有效與否的臨界值[3]。利用上述回歸方程，還可以計(jì)算任意相對(duì)產(chǎn)量，如95%、90%、80%、70%、…對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量，這些數(shù)值即為土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，是土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別的劃分依據(jù)[4]。再給不同豐缺級(jí)別土壤配以適宜的推薦施肥量，則作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)得以建成[5]。

建立作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)需要開展多年和多點(diǎn)的田間試驗(yàn)，工程頗為巨大，需要耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，許多小作物(包括紫花苜蓿)以及大作物的一些非集中產(chǎn)區(qū)難以實(shí)現(xiàn)[6]。本研究團(tuán)隊(duì)前期創(chuàng)建了以“零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法”和“養(yǎng)分平衡-地力差減法新應(yīng)用公式”為核心的“作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法”。該方法將眾多學(xué)者們多年來在各地開展的零散施肥實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合起來，建立作物缺素處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程，進(jìn)而確定土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)和劃分土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別；利用“養(yǎng)分平衡-地力差減法新應(yīng)用公式”直接計(jì)算不同目標(biāo)產(chǎn)量和不同養(yǎng)分利用率情形下的不同豐缺級(jí)別土壤的推薦施肥量，有效地克服了上述難題，成功地建立了若干作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)[7-14]。

西北荒漠綠洲區(qū)為我國紫花苜蓿重要產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)水平較高，創(chuàng)造了我國紫花苜蓿單產(chǎn)記錄。針對(duì)該區(qū)域紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)的研究十分薄弱，僅藺蕊[15]采用盆栽實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了小樣本初步探索，這也是全球僅有的一項(xiàng)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)研究。本研究采用前期創(chuàng)建的“作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法”，開展西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究，旨在解決紫花苜蓿是否需要施氮的爭議，確定紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值，為西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿測(cè)土施氮提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

西北荒漠綠洲區(qū)包括新疆全境、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古阿拉善盟、巴彥淖爾市以及寧夏銀川平原，該區(qū)域極度干旱少雨，年均降水200 mm以下；主體植被類型為荒漠；主體土壤為荒漠土壤，包括灰漠土、灰棕漠土和棕漠土3大類；土壤貧瘠，養(yǎng)分含量低，風(fēng)沙和鹽堿為害較重；主體農(nóng)業(yè)類型為依托高山冰雪融水灌溉而形成的綠洲農(nóng)業(yè)。

1.2 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

檢索我國西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿施氮研究文獻(xiàn)，提取土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，以及施氮處理和缺氮處理(未施氮素，其它養(yǎng)分施用量與施氮處理相同)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。利用公式計(jì)算缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量(缺氮與施氮處理產(chǎn)量的比值)。公式如下：

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N為缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量，%；Y-N為缺氮處理產(chǎn)量，t/hm2；YN為施氮處理產(chǎn)量，t/hm2。

采用Excel分別建立土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程，利用所得回歸方程和土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案[16]對(duì)土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)豐缺進(jìn)行分級(jí)，高端和低端分別至多保留1個(gè)外推數(shù)據(jù)。

1.3 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿推薦施氮量

利用“養(yǎng)分平衡-地力差減法新應(yīng)用公式”[17-18]計(jì)算推薦施氮量。公式如下：

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中：F為養(yǎng)分推薦施用量，kg/hm2；R為缺素處理相對(duì)產(chǎn)量，%；A為目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分移出量，kg/hm2；E為養(yǎng)分利用率，%。

單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(干草，含水量14%)紫花苜蓿氮素移出量確定為30 kg/t[19]。西北荒漠綠洲區(qū)苜蓿單產(chǎn)范圍為12.0～27.0 t/hm2，因此設(shè)定如下11個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量：12.0、13.5、15.0、16.5、18.0、19.5、21.0、22.5、24.0、25.5和27.0 t/hm2，上述各目標(biāo)產(chǎn)量氮素移出量依次確定為360、405、450、495、540、585、630、675、720、765和810 kg/hm2。氮素利用率因施肥方式等因素通常變動(dòng)于30%～50%之間，本研究選30%、40%和50%等3個(gè)氮素利用率用于推薦施氮量計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)及與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息

搜集到在我國西北荒漠綠洲區(qū)開展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機(jī)質(zhì))含量和缺氮處理的紫花苜蓿施氮實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)總計(jì)32篇，其中1990—1999年1篇[20]，2000—2009年9篇[21-29]，2010—2020年22篇[30-51]；盆栽實(shí)驗(yàn)1篇[21]，余者為田間實(shí)驗(yàn)；種子生產(chǎn)3篇[27,32,48]，余者為牧草生產(chǎn)。上述研究涉及縣域16個(gè)，品種至少13個(gè)。從上述文獻(xiàn)中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理和施氮處理產(chǎn)草量配套數(shù)據(jù)54、32和62組，進(jìn)而分別得到土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量配套數(shù)據(jù)54、32和62對(duì)。實(shí)驗(yàn)土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量范圍依次為14.2～101.0 mg/kg、0.17～1.16 g/kg和0.7～20.1 g/kg；施氮量和缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量范圍分別為14～420 kg/hm2和37%～134%。

2.2 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數(shù)據(jù)對(duì)以后，建立西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程(表1)。除生長第1年紫花苜蓿土壤全氮含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程未達(dá)到顯著水平(P>0.05)外，其余皆達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)略高于土壤全氮和堿解氮含量。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)明顯高于生長第2年及以上者。

表1 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程Table 1 The regression equations between relative yields of no N treatment and soil N concentration for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.3 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量

西北荒漠綠洲區(qū)與土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)相關(guān)聯(lián)的紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量50%～100%之間若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量見表2。關(guān)于若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量的外推數(shù)據(jù)數(shù)量，有機(jī)質(zhì)最少，全氮最多，堿解氮介于二者之間。除全氮外，生長第1年紫花苜蓿若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量的外推數(shù)據(jù)數(shù)量少于生長第2年及以上者。

表2 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿若干缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的土壤氮素含量Table 2 Soil N concentration corresponding to several relative yields of no N treatment for alfalfa in the northwest desert oasis of China

生長第1年紫花苜蓿若干節(jié)點(diǎn)土壤堿解氮和全氮含量明顯高于生長第2年及以上者，生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量80%及以下有機(jī)質(zhì)含量明顯高于生長第2年及以上者，缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量90%～100%有機(jī)質(zhì)含量低于生長第2年及以上者。

2.4 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

利用相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平的回歸方程確定西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)(表3)。缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)越高，劃分出來的土壤氮素豐缺級(jí)別越多；反之，相關(guān)系數(shù)越低，劃分出來的豐缺級(jí)別越少。第3級(jí)豐缺指標(biāo)皆為非外推數(shù)據(jù)，其它各級(jí)別都或多或少存在一些外推數(shù)據(jù)。

表3 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)Table 3 The rich-lack index of soil N for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.5 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿推薦施氮量

西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿推薦施氮量見表4。紫花苜蓿推薦施氮量與土壤氮素豐缺級(jí)別呈線性負(fù)相關(guān)，豐缺級(jí)別越高，適宜施氮量越低，直至為零。紫花苜蓿推薦施氮量與目標(biāo)產(chǎn)量呈線性正相關(guān)，目標(biāo)產(chǎn)量越高，推薦施氮量越高。紫花苜蓿推薦施氮量與氮素利用率呈線性負(fù)相關(guān)，氮素利用率越高，推薦施氮量越低。當(dāng)?shù)乩寐?0%時(shí)，西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿第1～7級(jí)土壤推薦施氮量分別為0、90～203、180～405、270～608、360～810、450～1 013 和540～1 215 kg/hm2。

表4 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿推薦施氮量Table 4 The recommended N application rates for alfalfa in the northwest desert oasis of China

3 討論與結(jié)論

3.1 生長年限對(duì)西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)的影響

生長年限是否對(duì)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)具有影響，尚未見報(bào)道。本研究結(jié)果表明，生長第1年紫花苜蓿和生長第2年及以上者土壤氮素豐缺指標(biāo)差異明顯。該差異產(chǎn)生的原因可能是生長第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力處于從弱到強(qiáng)的逐漸成長階段，而生長第2年及以上者根系共生固氮能力已經(jīng)趨于或達(dá)到成熟。因此，建議在開展紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)研究時(shí)應(yīng)當(dāng)區(qū)分生長年限。

3.2 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

藺蕊等[18]研究表明，新疆昌吉生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)為40 mg/kg，本研究結(jié)果為66 mg/kg，明顯較其為高。藺蕊等[18]的研究僅為盆栽試驗(yàn)，且樣本數(shù)量較小(n=5)，比較而言，本研究結(jié)果更為可信。

我國東北大豆[52-54]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量95%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)研究結(jié)果為169～428 mg/kg，小麥[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麥[58]、馬鈴薯[59]和甜菜[60]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)范圍為150～600 mg/kg，遠(yuǎn)高于本研究結(jié)果(54～66 mg/kg)；我國小麥[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麥[58]、馬鈴薯[59]和甘蔗[61]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤全氮指標(biāo)范圍為2.0～5.0 g/kg，明顯高于本研究結(jié)果(1.4 ～1.9 g/kg)；我國小麥[55]、玉米[56]和水稻[57]缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量100%對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)研究結(jié)果集中于30至60 g/kg之間，明顯高于本研究結(jié)果(15～21 g/kg)。紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)明顯低于我國主要作物，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力十分強(qiáng)大所致。

3.3 西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿推薦施氮量

本研究引用紫花苜蓿施肥實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)[20-51]的推薦施氮量范圍為14～420 kg/hm2。當(dāng)?shù)世寐蕿?0%時(shí)，本研究第1～3級(jí)土壤的推薦施氮量與這些實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)的推薦施氮量大體一致。張福鎖等[62]針對(duì)我國主要作物的推薦施氮量范圍為0～750 kg/hm2。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，本研究第1～5級(jí)土壤之推薦施氮量與其較為接近。固氮能力十分強(qiáng)大的紫花苜蓿推薦施氮量范圍與我國主要作物接近，可能是很多用于紫花苜蓿種植的土地過于貧瘠和紫花苜蓿單位面積蛋白質(zhì)產(chǎn)量大大高于其它作物所致，也可能是回歸方程的樣本數(shù)量不夠大，少數(shù)單向偏離群體數(shù)據(jù)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分豐缺的過低級(jí)別出現(xiàn)。

3.4 紫花苜蓿是否需要施氮

紫花苜蓿是否需要施氮之爭曠日持久[1]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤氮素含量高于某一臨界值(如堿解氮含量約為80 mg/kg)時(shí)，施氮無效，無需施氮；低于該臨界值時(shí)，則需要施氮。紫花苜蓿是否需要施氮的爭議應(yīng)當(dāng)終止于此，爭議焦點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)入臨界值高低和施氮量多少及其影響因素。本研究初步建立了西北荒漠綠洲區(qū)紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)，為該區(qū)域紫花苜蓿測(cè)土施氮提供了科學(xué)依據(jù)。