不同土壤肥力条件下高产玉米氮肥最佳用量研究

张 佳 ，王永亮 ，郭彩霞 ，郭军玲 ，杨治平 ，张 强

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006）

玉米是需氮量较高的作物，近些年在追求产量提高的同时，氮肥的投入量也在逐年增加[1-4]。尽管施氮量在不断增加，但玉米产量增加幅度却远远低于氮肥施用量的增加幅度，造成了氮肥利用率低，资源和能源浪费，并带来严重的环境问题[5]。因此，在玉米高产的条件下，如何实现氮肥高效利用和生态环境的保护，对于氮肥资源的节约以及保障我国的粮食安全生产意义重大[6]。目前，关于施氮量对提高玉米产量、氮效率方面的研究较多[7-12]，但大多是针对某一试验点施氮量对玉米产量和氮素利用率的研究，关于山西省不同土壤肥力下施氮量对春玉米产量和氮素利用率方面的研究较少。

春玉米作为山西中部和北部地区主要的种植作物，近年来种植面积逐年增加，单产和总产都有大幅度提高，但这种高产多数是以高氮肥用量为代价的。本试验在山西省中部春玉米带上高、中、中低3个肥力等级上，改进传统施肥习惯，开展了不同氮肥用量对春玉米产量、氮效率和土壤硝态氮累积的影响试验，旨在为山西省春玉米主产区不同肥力水平下氮肥的优化管理提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2011年4—10月分别在山西省中部春玉米种植带3个肥力水平的土壤上进行。其中，晋中市山西省农业科学院东阳试验基地，因土壤有机质、全氮和速效养分含量相对较低，以中低肥力土壤描述；晋中市祁县谷恋村，土壤有机质、全氮和速效养分含量相对处于中等水平，以中等肥力土壤描述；吕梁市文水县东城村，土壤有机质、全氮和速效养分含量相对较高，以高肥力土壤描述。3个试验地气候条件略有差异，但都属于暖温带大陆性季风气候，整个春玉米生育期内雨量充沛。供试土壤0～30 cm土层的基本理化性质列于表1。

表1 供试土壤0～30 cm土层基本理化性质

1.2 试验设计

试验设 7个氮肥用量水平：0，90，180，270，360，450，540kg/hm2，分别用 N0，N90，N180，N270，N360，N450，N540表示，随机区组排列，4次重复。3个试验地各处理的磷、钾肥用量相同，分别为P2O5112.5 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2， 全部以基肥形式施入；氮肥的30%作基肥施入，50%在大喇叭口期、20%在灌浆期作追肥施入。氮、磷和钾肥分别使用尿素、普钙和硫酸钾。试验小区面积为66.6m2，宽窄行配置，宽行80 cm，窄行40 cm。玉米品种选用先玉335，种植密度为6.75万株/hm2。5月初播种，10月初收获。

1.3 样品采集与测定

土壤样品分别于玉米播种前和收获后，按每30 cm一层采0～90 cm深度的土样。每小区随机取2点，同层次的土壤混合为一个土样，置于-20℃冰箱冷冻保存。样品解冻后，称取10 g土样，用50 mLKCl（2 mol/L）溶液浸提，振荡1 h后过滤，用德国产Foss型流动注射分析仪测定NO3-N含量，并根据各层土壤容重将NO3-N含量换算成相应土层土体NO3-N积累量。测定NO3-N含量的同时用烘干法测定土壤含水量[13]。

按玉米不同生育期，即拔节期、大喇叭口期、吐丝期和成熟期采集植株样品，每次采3株，称取植株各部位湿质量，并在105℃下杀青30 min，在80℃下烘干至恒质量，称质量后磨粉，测定并计算地上部干物质量。收获时取每小区中间4垄玉米进行测产。玉米植株样品全氮含量采用半微量凯式定氮法测定[14]。

1.4 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS18.0进行统计分析和作图。

土壤硝态氮积累量=土层厚度（cm）×土壤容重（ g/cm3）×土壤硝态氮含量（ mg/kg）/10[15]；

氮肥利用率＝（施氮区地上部吸氮量-无氮区地上部吸氮量）/施氮量×100%[15]；

氮肥偏生产力（kg/kg）＝施氮区籽粒产量/施氮量[15]；

氮肥农学利用率（kg/kg）＝（施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量）/施氮量[15]。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对春玉米产量的影响

施氮可以显著提高籽粒的产量，3个试验点都呈现出随着施氮量的增加产量升高，但达到一定量后保持稳定的趋势。3个试验点的施肥处理比不施肥处理产量增加了1 298～1 641 kg/hm2，增幅达10.7%～15.4%。依据产量和施氮量的变化关系，对不同施氮量下的产量效应用线性加平台进行拟合，达到显著水平。

从图1可以看出，线性加平台模型得到的最佳产量，也就是平台对应的产量，在中低肥力土壤的东阳试验点，最佳产量为13 109 kg/hm2，对应的最佳施氮量为227 kg/hm2；在中等肥力土壤的祁县试验点，最佳产量为11 909 kg/hm2，对应的最佳施氮量为204 kg/hm2；在高肥力土壤的文水试验点，最佳产量为12 970 kg/hm2，对应的最佳施氮量为201 kg/hm2。进一步分析可知，在中低肥力土壤的东阳试验点和在高肥力土壤的文水试验点，要得到13 000 kg/hm2的产量，经济施肥量分别为225，200 kg/hm2，表明中低肥力的东阳试验点土壤达到最佳产量所需的施氮量比高肥力土壤的文水试验点相对较高，说明作物在低肥力土壤条件下，通过合理增施氮肥可以达到高产。

2.2 不同肥力水平下施氮量对春玉米氮效率的影响

氮肥利用率由于受土壤性质、作物种类和生长时期、氮肥及其他肥料的种类和施用技术以及气象条件等因素的强烈影响，变幅很大[16]。本研究采用了国际上用以表征农田肥料利用效率的肥料养分回收利用率、肥料农学利用率和肥料的偏生产力3个参数进行分析和评价。有研究表明，氮肥利用率的变幅在9%～72%之间[17]。本研究中3个试验点的氮肥利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力都大致呈现出随施氮量的增加而降低的趋势，其中，不同氮肥用量的氮肥利用率的变化范围在4.48%～25.73%之间，均为15.1%，以东阳试验点的N270处理最高，为25.73%；氮肥农学利用率变幅在1.49～6.60 kg/kg之间，平均为3.68 kg/kg，最大值是祁县的N180处理，为6.60 kg/kg；氮肥偏生产力的变化范围在21.82～138.29 kg/kg之间，平均为58.01 kg/kg，以东阳试验点的N90处理最高，达138.29 kg/kg。

从表2可以看出，在中低肥力土壤的东阳试验点，N180，N270处理的氮肥利用率和氮肥农学利用率都高于其他处理；在中等肥力土壤的祁县试验点，N180处理的氮肥利用率和氮肥农学利用率较高；在高肥力土壤的文水试验点，N180处理的氮肥利用率和氮肥农学利用率较高。综合分析可知，随着施氮量的增加，春玉米的氮效率呈下降趋势，氮肥的投入产出比明显降低，因此，选择适宜的施氮量，在氮肥用量大幅减少的同时，可以显著提高春玉米对氮素的有效利用。

表2 不同施氮处理对春玉米氮效率的影响

2.3 收获后不同施氮水平的土壤NO3-N累积情况

旱地土壤的无机氮形式主要是NO3-N，这也是玉米氮素吸收的主要形态，其不易被土壤胶体吸附，累积过多时，易发生淋失或反硝化作用而被损失掉。从图2可以看出，春玉米收获后，3个试验点各处理的NO3-N含量都较播前发生了明显的变化，在0～90 cm土层范围内其累积量都呈现随施氮量的增加而增加的趋势。其中，中低肥力的东阳试验点，从N360处理开始，0～90 cm土层NO3-N含量显著升高，且高于播前NO3-N累积量，30～60，60～90 cm土层的累积量显著高于同处理的0～30 cm土层的累积量，富集现象明显，存在向深层土壤淋溶的风险；中等肥力的祁县试验点，从N180处理开始，0～90 cm土层的NO3-N含量显著升高，高于播前累积量，但耕层（0～30 cm）的NO3-N累积量与播前差异不大；高肥力的文水试验点，从N180处理开始各土层NO3-N累积量开始升高，其中，N450，N540处理各土层NO3-N累积量增幅较大，富集现象明显，30～60，60～90 cm土层的累积量明显高于其他处理的相同土层含量。

氮肥的不合理施用会造成土壤NO3-N的大量累积，在过量灌溉和强降雨时，NO3-N会向下淋溶，从而污染地下水[18]。3个试验点不施氮处理与播前相比，各层次的NO3-N含量都有一定的降低，说明在不施氮的条件下，土壤矿化产生的NO3-N不能满足作物的生长需求，仍需要从土壤中吸收一定的量。在中低肥力的东阳试验点，N270处理之后，30～90 cm土层的NO3-N盈余现象严重，向下淋失的趋势明显，故施氮量不宜超过270 kg/hm2。在祁县试验点，N180处理没有造成NO3-N的富集，之后的处理属于施肥过量。文水试验点N180处理的NO3-N累积量适宜，之后的处理氮素盈余现象严重，属于施肥过量，对环境具有一定的威胁。

3 讨论与结论

根据氮肥最佳用量施肥，使氮素供应既能满足作物不同生育期的养分需求，又不会造成土体硝态氮的大量累积，是目前养分管理研究的目标[19-21]。崔振岭等[22]研究认为，当夏玉米播前0～90 cm土层硝态氮含量达到82 kg/hm2时，不施氮可保证夏玉米10叶期的生长；达到151 kg/hm2时，不施氮即可保证整个生育期的生长。钟茜等[23]结合我国追求作物高产与环境保护兼顾的国情，认为在华北冬小麦—夏玉米轮作区，土壤中无机氮的安全残留量不超过150 kg/hm2，适当残留是对土壤氮素的补充，有利于下季作物的吸收利用。

调查表明，山西省中部春玉米种植带，作物管理以粗放式经营为主，养分管理有很多误区，普遍存在着氮肥施用量及分配时期不合理的现象。其中，过量与不足现象共存，重基肥、轻追肥与轻基肥、重追肥现象并存。陈世勇等[24]研究认为，玉米早期根系吸收弱，需要养分数量少，施用大量氮肥不能被及时利用，造成肥料利用效率低的同时造成巨大的环境压力。因此，在农户传统施氮方式下，土壤硝态氮时空变异很难与玉米需肥及根系生长规律相吻合，前期供氮过多，后期供氮明显不足，严重影响玉米增产潜力。最佳的养分管理应该在保证玉米生育期氮素需求的同时又不会造成硝态氮的大量盈余，高产的同时对环境又不会造成危害。

本研究参考不同施氮量对春玉米产量、氮肥利用率及土壤硝态氮累积的影响，认为在中低肥力的东阳试验点，施氮量为225 kg/hm2时，在保证高产的同时又不会对环境构成威胁；在中等肥力的祁县和高肥力的文水试验点，可能由于土壤质地和气候的差异，2个不同肥力的土壤差异不大，氮肥推荐量为200 kg/hm2时可以同时兼顾经济效益和环境效益。

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