唐文雪，馬忠明，王景才

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070；3.甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 741100）

氮是植物生長發(fā)育所必需的元素之一，氮肥對(duì)糧食增產(chǎn)具有十分重要的作用。中國耕地面積占世界耕地的比例不足1/10，但人口占世界的比例高達(dá)1/5，因而糧食高產(chǎn)至關(guān)重要。長期以來人類為了追求高產(chǎn)而大量使用化肥，但氮肥的過量投入及低利用率使我國氮素年損失量高達(dá)990 萬t，相當(dāng)于2 160 萬t 尿素，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還帶來溫室氣體排放、生物多樣性衰減、土地和淡水資源退化等[1-2]環(huán)境問題。針對(duì)這一世界性問題，一些人少地多的發(fā)達(dá)國家采用降低產(chǎn)量目標(biāo)以減少氮肥施用量的對(duì)策，但我國必須從協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系出發(fā)，研究既能獲得高產(chǎn)又能減輕氮肥投入對(duì)環(huán)境壓力的理論及技術(shù)[3]。而確定適宜施氮量是平衡氮肥施用產(chǎn)量效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)的有效手段，但合理確定施氮量并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。

各國科研工作者在這方面已開展了大量工作。WANG 等[4]通過文獻(xiàn)綜述和試驗(yàn)研究提出，華北平原小麥98%最大產(chǎn)量相對(duì)應(yīng)的氮肥施用量可作為適宜的區(qū)域性氮肥施用閾值。羅付香等[5]研究氮肥用量對(duì)紫色丘陵區(qū)坡耕地雨季土壤氮素流失及玉米產(chǎn)量的影響，提出了兼顧產(chǎn)量與環(huán)境因素的氮素投入閾值為186.73～393.6 kg·hm-2。連彩云等[6]研究施氮量對(duì)春玉米的產(chǎn)量、礦質(zhì)氮累積及氮素平衡的影響，提出我國北方平原區(qū)春玉米化學(xué)氮肥投入閾值為270～337 kg·hm-2。張君等[7]研究認(rèn)為土壤氮素盈余率與玉米產(chǎn)量、土壤氮?dú)埩艉偷鼗厥章视嘘P(guān)，并提出了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)施氮量193～291 kg·hm-2是保證玉米產(chǎn)量和環(huán)境友好的合理施氮閾值。崔玉亭等[8]根據(jù)環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)和農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理，提出太湖流域稻田氮肥適宜施用量為221～261 kg·hm-2。就全國來說，一般糧食作物氮素用量在150～180 kg·hm-2較適宜[9]。以上研究為合理施用氮肥控制面源污染提供了重要的參考依據(jù)。

用什么指標(biāo)來衡量不同尺度或生產(chǎn)體系氮素管理的優(yōu)劣，是提高氮素管理水平的核心問題[10]。作為政府和農(nóng)民最關(guān)心的指標(biāo)，產(chǎn)量對(duì)滿足人類生活需求非常重要，因而是確定適宜施氮量的最常用指標(biāo)[11]。研究表明，基于高產(chǎn)的施氮量可作為氮素投入閾值[4-7]。氮素平衡是衡量氮素投入生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標(biāo)[12]。減少土壤氮素盈余是目前最常用的確定適宜施氮量的方法。由于我國北方旱作農(nóng)田土壤普遍具有較強(qiáng)的礦化和硝化能力，盈余的氮素在作物收獲后主要以硝態(tài)氮形式累積于土壤剖面，而作物收獲后根層硝態(tài)氮?dú)埩粲直蛔鳛闈撛诹芟吹暮饬恐笜?biāo)[13]，用來評(píng)估氮素管理的合理程度。以上指標(biāo)都有其自身的理論依據(jù)，是確定最佳施氮量的常用且有效的指標(biāo)[11]。

黃土高原半干旱區(qū)作為一個(gè)特定生態(tài)類型區(qū)，在我國旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。該區(qū)自然降水少且與農(nóng)作物需水供需錯(cuò)位，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)[14-15]。近年來，全膜雙壟溝播旱作技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使玉米種植面積迅速擴(kuò)大。但農(nóng)民盲目施肥、過量施肥現(xiàn)象普遍[16]。目前，該區(qū)域合理施氮研究主要集中在氮肥施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)方面[16-17]，有關(guān)環(huán)境效應(yīng)及兼顧產(chǎn)量的環(huán)境效應(yīng)的研究鮮見報(bào)道。本研究通過3 年定位試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同施氮水平對(duì)玉米產(chǎn)量、土壤礦質(zhì)氮累積以及土壤氮素平衡的影響，以產(chǎn)量、氮素平衡值、礦質(zhì)氮?dú)埩魹榧s束指標(biāo)，確定適宜施氮閾值，以期為黃土高原半干旱區(qū)玉米合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2011—2013 年在定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬黃土高原干旱半干旱區(qū)，為典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，作物一年一熟。年均氣溫6.4 ℃，年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm。降水量462.5、390.8、341.3、283.1 mm 的保證率分別為20%、50%、75%、95%。2011年試驗(yàn)區(qū)玉米生長季降雨量僅為146.0 mm，并且降雨主要集中在7—9 月。2012 年和2013 年生育期降雨量389.4 mm 和430.7 mm，降雨與作物需求基本同步。試驗(yàn)期間各年降水量分布如圖1所示。試驗(yàn)土壤為黃綿土，基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical characteristics of the tested soil

圖1 2011—2013年玉米生長季降水量Figure 1 The precipitation during maize growing period in 2011—2013

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)6 個(gè)處理：①不施氮，②優(yōu)化施氮量75%，③優(yōu)化施氮量100%，④優(yōu)化施氮量125%，⑤優(yōu)化施氮量150%，⑥優(yōu)化施氮量200%，分別記為N0、N1、N2、N3、N4、N5。氮肥優(yōu)化量（以純N 計(jì)）為180 kg·hm-2，磷肥（P2O5）用量為120 kg·hm-2。各處理磷肥全量及氮肥的2/3 作基肥，剩余1/3 氮肥在拔節(jié)期追施。3次重復(fù)，小區(qū)面積33 m2。

玉米采用全膜雙壟溝播模式，溝內(nèi)種植。帶幅1.1 m，大壟70 cm，小壟40 cm，株距35 cm，播種密度53 500株·hm-2。2011—2013年5月上旬播種，10月上旬收獲。

指示玉米品種為中玉9 號(hào)。供試肥料為尿素和過磷酸鈣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)開始前和每年秋季玉米收獲后，以對(duì)角線法確定測(cè)點(diǎn)位置。每小區(qū)在壟溝及大小壟上各測(cè)定2個(gè)點(diǎn)。用土鉆采集0～200 cm 土壤樣品，每20 cm 為一層，共10 層。相同土層6 個(gè)點(diǎn)土樣混合后迅速放入-4 ℃冰柜中保存，用于測(cè)定土壤含水量、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量。土壤水分用烘干法測(cè)定，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮用1 mol·L-1NaCl 浸提，采用靛酚藍(lán)比色法及紫外分光光度計(jì)法測(cè)定。

收獲時(shí)各小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)產(chǎn)并隨機(jī)取樣3株，測(cè)定秸稈、籽粒干物質(zhì)質(zhì)量，然后粉碎并過2 mm篩備用。植株樣品全氮采用H2SO4-H2O2消煮后凱氏定氮法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

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，不同處理的比較按照隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行。各指標(biāo)采用的計(jì)算方法[18-19]如下：

土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土壤容重（g·cm-3）×土層厚度（cm）×土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg-1）/10

土壤銨態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土壤容重（g·cm-3）×土層厚度（cm）×土壤銨態(tài)氮含量（mg·kg-1）/10

土壤礦質(zhì)氮累積量（kg·hm-2）=土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）+土壤銨態(tài)氮累積量（kg·hm-2）

N 素表觀平衡值（kg·hm-2）=施N 量（kg·hm-2）-植株N素吸收量（kg·hm-2）

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響結(jié)果（圖2）表明，2011、2013年N2處理產(chǎn)量顯著高于對(duì)照N0及低氮處理N1和高氮處理N5，N2、N3、N4處理間差異不顯著。2012 年施氮處理產(chǎn)量顯著高于N0 處理，但相互間差異不顯著。N2 處理平均產(chǎn)量最高，顯著高于N0、N1及N5 處理，與N3、N4 處理間差異不顯著。并且2011、2012 年和2013 年施用氮肥較不施氮肥分別增產(chǎn)25.19%～66.54%、37.60%～42.69%、85.95%～92.44%，平均增產(chǎn)51.22%～62.52%，增產(chǎn)效果顯著。

圖2 施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Figure 2 Effects of N application rate on maize yield

2.2 施氮量對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量的影響

礦質(zhì)氮在土壤剖面中的含量及其空間分布特征是表征礦質(zhì)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。圖3 顯示了不同年份及施氮水平下0～200 cm 土壤礦質(zhì)氮剖面變化特征。2011—2013 年0～20 cm 土層礦質(zhì)氮含量最高，隨著土層深度增加，礦質(zhì)氮呈下降趨勢(shì)。在0～100 cm 各處理含量差異較大，在100～180 cm 各處理差異逐漸減小，在180 cm 以下趨于一致。隨施氮量的增加，200 cm 土壤礦質(zhì)氮含量呈增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為N5>N4>N3>N2>N1>N0，并且礦質(zhì)氮含量差異顯著；隨著種植年限的增加，在不同土層處理間礦質(zhì)氮含量差異增大。N0 處理礦質(zhì)氮含量顯著低于基礎(chǔ)水平，N1 處理與基礎(chǔ)水平一致，N2、N3 處理比基礎(chǔ)水平高，但沒有造成礦質(zhì)氮的富集現(xiàn)象，而N4、N5 處理土壤中礦質(zhì)氮富集現(xiàn)象明顯，屬于氮肥過量。氮肥的過量施用造成土壤內(nèi)礦質(zhì)氮大量累積，大量礦質(zhì)氮在強(qiáng)降雨和過量灌水條件下向下淋溶，從而污染地下水。

圖3 不同施氮量下土壤剖面礦質(zhì)氮含量變化特征Figure 3 Effects of different N application rates on mineral N content

2.3 施氮量對(duì)土壤氮表觀平衡值的影響

土壤氮表觀平衡結(jié)果（表2）表明，隨著氮肥用量的增加，氮表觀平衡值從負(fù)值經(jīng)零到正值不斷變化。3 年平均結(jié)果表明，施氮量少于180 kg·hm-2的條件下，氮表觀平衡值小于-27.63 kg·hm-2，表示土壤中的氮處于虧缺狀態(tài)，隨著種植年限延長，土壤氮庫被不斷消耗，最終影響土壤肥力。施氮量在180～225 kg·hm-2條件下，氮表觀平衡值為-27.63～14.72 kg·hm-2，土壤氮收支基本平衡。該施氮水平既可獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量，也不會(huì)消耗土壤氮，不會(huì)引起氮素的大量損失。而在施氮量超過270 kg·hm-2時(shí)，氮素盈余超過65.13 kg·hm-2，導(dǎo)致氮素大量盈余，而土壤持續(xù)較高的氮盈余最終提高了土壤氮素的累積量，礦質(zhì)氮累積量比試驗(yàn)前土壤增加202.54 kg·hm-2以上，使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加。

表2 施氮量對(duì)土壤氮表觀平衡值的影響（kg·hm-2）Table 2 Effects of N application rate on soil N surplus rate（kg·hm-2）

2.4 施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量及環(huán)境指標(biāo)的影響

考慮到氮肥的后效作用及年際的影響，3 年平均投入和平均產(chǎn)出更能反映氮肥的施肥效應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果為玉米產(chǎn)量與施氮量呈極顯著的二次曲線相關(guān)（圖4），效應(yīng)方程為y=-0.052x2+25.347x+5 050.8（R2=0.980 8）。施氮量為243.72 kg·hm-2時(shí)，玉米產(chǎn)量最高（8 139.65 kg·hm-2），最高產(chǎn)量的97%（7 895.46 kg·hm-2）與最高產(chǎn)量差異不顯著，對(duì)應(yīng)的施氮量為175.16 kg·hm-2。最高產(chǎn)量的95%（7 732.67 kg·hm-2）顯著低于最高產(chǎn)量。因此，97%最高產(chǎn)量至最高產(chǎn)量（7 895.46～8 139.65 kg·hm-2）對(duì)應(yīng)的施氮量175.16～243.72 kg·hm-2是玉米獲得高產(chǎn)的施氮閾值。200 cm土層礦質(zhì)氮累積量與施氮量呈極顯著指數(shù)相關(guān)，效應(yīng)方程為y=218.71e0.0035x（R2=0.916 6）。施氮量為180、225 kg·hm-2時(shí)，礦質(zhì)氮累積量為410.88、480.97 kg·hm-2，兩者差異不顯著，施氮量為270 kg·hm-2時(shí)礦質(zhì)氮累積量為563.01 kg·hm-2，顯著高于N2、N3 處理。因此氮素投入量的環(huán)境安全上限應(yīng)低于270 kg·hm-2。氮素表觀平衡值與施氮量呈顯著線性正相關(guān)，效應(yīng)方程為y=0.765 4x-137.39（R2=0.921 6），氮素平衡值為0，表示土壤氮收支平衡，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)施氮量為179.50 kg·hm-2。該施氮條件下，玉米產(chǎn)量較高，與最高產(chǎn)量差異不顯著，并且礦質(zhì)氮累積量顯著低于270 kg·hm-2處理，與180、225 kg·hm-2處理差異不顯著。對(duì)以上效應(yīng)方程聯(lián)立并采用內(nèi)插法計(jì)算分析，確定玉米高產(chǎn)及土壤氮素低盈余的施氮量為179.50～243.72 kg·hm-2。

圖4 2011—2013年施氮量與產(chǎn)量、礦質(zhì)氮累積量、氮表觀平衡值關(guān)系Figure 4 The relationship between nitrogen application rate and yield，mineral nitrogen accumulation and nitrogen surplus rate from 2011 to 2013

3 討論

研究表明，當(dāng)施氮量較低時(shí)，作物產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但施氮量達(dá)到一定水平時(shí)，產(chǎn)量增加不明顯甚至減產(chǎn)[20-24]。這可能是由于過量施氮使作物冠層內(nèi)透光率較低，降低了后期的光合性能，影響了作物產(chǎn)量[25]。根據(jù)朱兆良等[26]田間試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)，施氮量為150～180 kg·hm-2時(shí)，大田作物可達(dá)到較高的產(chǎn)量，因此將該施氮量定為控制大面積氮肥用量的“平均適宜施氮量”。本研究結(jié)果表明，由于2011 年極端干旱，玉米產(chǎn)量顯著低于2012年和2013年，但施氮處理間仍呈相似的規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，N2、N3、N4處理產(chǎn)量最高，再增施氮導(dǎo)致產(chǎn)量下降。分析玉米產(chǎn)量與施氮量的效應(yīng)方程，在施氮量為243.72 kg·hm-2時(shí)，玉米產(chǎn)量達(dá)到最高，97%最高產(chǎn)量的施氮量為175.16 kg·hm-2，因此，玉米高產(chǎn)的施氮閾值為175.16～243.72 kg·hm-2。

氮素表觀平衡值是反映施氮量與植株吸氮量關(guān)系的重要指標(biāo)。氮素盈余和氨損失之間存在極其顯著的正相關(guān)關(guān)系[32]。在荷蘭，國家尺度上氮素盈余量減少1 kg·hm-2，淋失到地下水和地表水中的硝酸鹽含量平均可以減少0.08 kg·hm-2和0.12 kg·hm-2[33]。本研究條件下，氮肥用量與土壤氮素盈余呈線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.921 6），施氮量每減少100 kg·hm-2，氮素盈余可降低76.54 kg·hm-2，當(dāng)施氮量為179.50 kg·hm-2時(shí)，氮素盈余為0，氮收支可達(dá)到平衡。

土壤氮肥投入閾值的確定要研究供氮量、植株吸氮量和土壤氮庫三者間的平衡關(guān)系。本研究結(jié)果表明，在施氮量179.50～243.72 kg·hm-2時(shí)，玉米產(chǎn)量為7 925.14～8 139.65 kg·hm-2，200 cm 土壤礦質(zhì)氮累積量較試驗(yàn)前土壤增加29.19～132.88 kg·hm-2，氮表觀平衡值為0～49.15 kg·hm-2。施氮量低于179.50 kg·hm-2時(shí)，氮素盈余為負(fù)值，長期持續(xù)會(huì)造成土壤肥力下降。施氮量超過243.72 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量不升反降，并且200 cm 土壤礦質(zhì)氮累積量大幅提升，對(duì)地下水環(huán)境造成威脅。為此，依據(jù)3 年平均產(chǎn)量、礦質(zhì)氮累積量及土壤氮素盈余，確定適宜施氮量為179.50～243.72 kg·hm-2，此為既保證玉米產(chǎn)量又實(shí)現(xiàn)土壤氮素盈余量較小的氮肥投入閾值。該閾值與2007 年和2010 年國家生態(tài)縣和生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)化肥施用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（<250 kg·hm-2）[34-35]一致。

4 結(jié)論

對(duì)于黃土高原半干旱區(qū)降雨量為283.1～462.5 mm 的區(qū)域，基于產(chǎn)量及環(huán)境安全的玉米氮肥投入閾值為179.50～243.72 kg·hm-2。該施氮量下，玉米產(chǎn)量達(dá)到最高，土壤氮素收支平衡，并且未造成土壤礦質(zhì)氮富集。