华北平原夏玉米季化肥氮去向及土壤氮库盈亏定量化探索

2014-02-25汪新颖彭亚静王玮刘新宇巨晓棠张丽娟

生态环境学报 2014年10期

汪新颖，彭亚静，王玮，刘新宇，巨晓棠，张丽娟

1. 河北农业大学资源与环境科学学院//河北省农田生态环境重点实验室//河北农业大学邸宏杰土壤与环境实验室，河北保定 071000；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

汪新颖1，彭亚静1，王玮1，刘新宇1，巨晓棠2，张丽娟1

为提高华北平原夏玉米种植体系的氮肥利用率、减少氮肥对环境的污染，对前人的15N示踪试验数据进行整理核算，分析肥料氮、作物氮、土壤氮三者之间的关系，探明夏玉米季化肥氮的去向及土壤氮库的盈亏情况。结果表明：华北平原地区玉米产量最高时施氮量平均为190 kg·hm-2；秸杆吸氮量高于籽粒，且吸氮量随施氮量增加而升高，土壤残留量和损失量有随施氮量增加而增加的趋势；土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈现线性极显著正相关，在秸秆50%和100%还田的两种条件下，施氮量为198 kg·hm-2和137 kg·hm-2时，土壤氮库达到平衡；推荐施氮条件下夏玉米对氮肥的吸收利用率远高于传统施氮，过量施氮会引起作物产量和氮肥利用率降低的负效应，增加土壤氮素残留和损失；施氮量在40～360 kg·hm-2范围内时，3种秸秆处理方式下，氮肥各去向绝对量与施氮量之间均呈显著线性相关关系；而氮肥各去向比率与施氮量之间只有地上部吸收率和籽粒吸收率与施氮量之间呈显著线性相关关系。由此，明确了华北平原夏玉米合理施氮量：秸秆50%还田时，为198 kg·hm-2；秸秆100%还田时，为137 kg·hm-2，揭示了华北平原夏玉米施氮量与土壤氮库盈亏量呈线性极显著正相关。这为确定华北平原夏玉米合理施氮量，提高氮肥利用率，避免肥料浪费及其对环境的危害提供了理论依据。

15N；华北平原；夏玉米；氮去向；土壤氮库；施氮量

玉米是我国重要的粮食作物，在我国农业生产中占有很大的比重，2011年，玉米超越水稻成为我国种植面积最大的作物，总产量仅次于水稻居全国第二位（曹阳等，2014）。华北平原是我国重要的玉米主产区之一，该区玉米产量约占全国玉米总产量的40%（王璞，2004），因此，该区的玉米生产对于国家的粮食安全起着非常重要的作用。施用氮肥是提高作物产量的重要手段。长期以来人们为追求高产大量施用氮肥，我国农田氮肥投入量持续增加。过量施用氮肥不仅使肥料利用率降低，同时导致了一系列的环境问题（Ju等，2009；Sun等2008）。据统计华北平原高产区小麦-玉米轮作体系每年平均施化肥氮素588 kg·hm-2（Ju等，2009），远远超过作物需氮量311 kg·hm-2（赵荣芳等，2009），0～100 cm土层平均累积量为200 kgN·hm-2（张丽娟等，2010）。张福锁等（张福锁等，2008）指出，华北平原夏玉米农户传统施肥条件下的氮肥利用率仅为10%（Cui等，2008），一般有20%～30%未被作物吸收利用（张福锁，2006），残留在土壤中的肥料氮，易随降水和灌溉水淋溶到土壤深层或随径流进入地表水，从而污染地表和地下水（Miao等，2011），导致华北平原土壤剖面根区及深层硝态氮累积严重（Li等，2009；巨晓棠和张福锁，2003）。因此，通过研究华北平原夏玉米季化肥氮去向及土壤氮库盈亏情况，确定合理的氮肥施用量，对于提高华北平原夏玉米产量、氮肥高效利用、减轻环境压力具有重要的理论和实践意义。

作物生产体系肥料尤其是氮肥的去向引起国内外关注，华北平原农田氮素去向已有大量研究成果。王立刚等（王立刚等，2013）在环渤海区对冬小麦/夏玉米轮作体系的研究表明，随施氮量的增加，作物产量逐渐增加，到240～300 kg·hm-2以上时，氮素淋溶损失量和残留量均逐渐增加。巨晓棠等（巨晓棠等，2003）在北京郊区对冬小麦/夏玉米轮作体系的研究结果表明，当施氮量由120 kg·hm-2增加至360 kg·hm-2时，氮素当季利用率从44.5%降为23.8%，损失率由10.2%增加至55.9%。吴永成等（吴永成等，2011）在河北沧州的研究结果表明，夏玉米对15N标记氮肥的回收率为41.2%～47.8%，15N残留率为40.7%～47.5%，15N的损失量随施氮量的增加而显著增加。王宜伦（王宜伦等，2013）在河南省鹤壁市对夏玉米的研究结果表明，夏玉米产量随氮肥用量增加呈先增加后降低趋势。但是，当前尚缺乏对华北平原农田肥料-土壤-作物系统氮素去向的定量化研究。因此，本研究通过总结前人已有的夏玉米15N示踪试验结果，对夏玉米农田氮素的去向进行统计核算，定量氮素在肥料～土壤～作物这一系统的去向，揭示施氮量与土壤氮库盈亏的关系，为确定华北平原夏玉米合理施氮量，提高氮肥利用率，减少环境污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于已发表的华北平原夏玉米种植体系设置的15N示踪田间试验。包括：北京地区（潘家荣），河北石家庄（潘家荣），河北保定（董娴娴），河北沧州（吴永成），河北曲周（徐明杰），山东惠民县（钟茜），河南郑州（任意）。共计收集22条数据记录，每条数据记录均包括如下主要信息：施氮量、产量、籽粒与秸秆吸氮量（区分来自土壤和肥料）及0～100 cm土壤氮素残留量。

1.2 数据整理与归纳方法

收集夏玉米15N田间示踪试验收获后数据，按如下方式进行整理归纳：（1）分籽粒和秸秆两部分，分别计算来自土壤和肥料的氮量，并采用0～100 cm土层土壤氮素残留量，从而计算肥料氮损失量。（2）设置秸秆不还田、50%还田和100%还田3种秸秆处理方式，提取并计算不同地区夏玉米种植体系施氮量、籽粒和秸秆吸收肥料氮量、0～100 cm土层氮肥残留量及其总损失，对氮肥的3条基本去向进行细化计算（3）定量夏玉米氮去向，还原3种秸秆处理方式下理论推荐施氮量和传统施氮量氮素去向的情景，将二者进行对比分析，明确施氮量与土壤氮库盈亏的关系，探明该地区传统过量施氮条件下氮的去向。

1.3 核算项目与相关计算公式

1.3.1 作物吸收

植株氮素来自15N肥料的质量分数（w(Ndff)/%）=植株中15N原子百分超/肥料中15N原子百分超×100

植株氮素来自肥料氮的量Ndff(kg·hm-2)=植物%Ndff×植物吸氮量

植株氮素来自土壤氮的量=吸氮量-Ndff

化肥氮回收率(%)=植物Ndff/施氮量×100

氮肥表观利用率(%ARE)=(施氮区地上部的吸氮量-对照区地上部的吸氮量）/施氮量×100

1.3.2 土壤残留

土壤各层氮素来自15N肥料的质量分数（w(Ndff)/%）=土壤各层全氮的15N原子百分超/肥料中15N原子百分超×100

土壤各层来自15N肥料的量Ndff(kg·hm-2)=土壤各层%Ndff×土壤各层全氮含量

化肥氮残留率(%)=土壤Ndff/施氮量×100

1.3.3 氮素损失

当季化肥氮损失量(kg·hm-2)=施氮量-植物Ndff-土壤Ndff

当季化肥氮损失率(%)当季化肥氮氮素损失量/施氮量×100

1.4 统计方法

数据处理采用Excel2003、SPSS11.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 夏玉米季氮素去向分析

由表1可知，华北平原各地区氮肥去向表现出一定的差异：河北曲周和山东惠民地区随施氮量的增加，残留量＞损失量＞吸收量；北京和河北沧州表现为残留量＞吸收量＞损失量；河北石家庄及河南郑州则为：损失量＞残留量＞吸收量；河北保定为：吸收量＞残留量＞损失量。建立施氮量和产量的二次关系方程，可得7个地区4个玉米品种产量达到最高时的施氮量分别为207、160、202、150、170、263和181 kg·hm-2，平均值为190 kg·hm-2。华北平原各地区不同施氮量条件下，产量并不是随施氮量的增加而升高的。在作物吸氮量方面，秸秆的吸氮量明显小于籽粒；且随施氮量增加吸收的肥料氮均有所增加，而吸收土壤氮则随施氮量增加而降低，说明高施氮量的条件下，玉米主要吸收肥料氮。土壤残留量和损失量也呈现出随施氮量增加而升高的趋势。

2.2 不同施氮水平对夏玉米当季土壤氮库盈亏关系的影响

分析玉米施氮量与土壤氮库盈亏量(图1)，可以看出，土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关。玉米秸秆100%还田的条件下（图1（a）），相关系数r=0.937**，随着施氮量的增加，土壤氮库由亏缺转为盈余。当施氮量达到137 kg·hm-2时，土壤氮库达到平衡，玉米吸收的肥料氮量与土壤残留肥料氮量相等。施氮量低于137kg·hm-2，土壤氮库呈现亏缺状态，随施氮量的增加亏损量降低；施氮量高于137 kg·hm-2，土壤氮库呈盈余状态，盈余量随施氮量的增加而增加。在华北平原夏玉米种植体系的生产实践中，可将该值作为维持土壤氮库平衡的标准值。

表1 化肥氮在夏玉米当季的去向Table1 The fate of nitrogen fertilizer in summer maize season kg·hm-2

图1 施氮量与土壤氮库盈亏量的关系Fig. 1 The relationship between N rate and balance of soil N

在秸秆50%还田的条件下，土壤氮库盈亏量与施氮量之间的关系如图1（b）所示，仍呈线性极显著正相关。当土壤氮库达到平衡时，施氮量是198 kg·hm-2。

2.3 理论推荐施氮和传统施氮化肥氮去向情景分析

2种施肥方式下的3种秸秆还田处理下，籽粒吸收肥料氮量和吸收率、总损失量和损失率是不变的；50%和100%秸秆还田处理导致土壤残留肥料氮增加，使土壤氮库得到了极大的补充。综合华北各地区，2种施肥方式下，籽粒吸氮率、0～100 cm土壤残留率、总损失率均有很大差异。夏玉米籽粒对氮肥的吸收利用率推荐施氮远高于传统施氮，可以高出6.7～13.5个百分点；0～100 cm土壤残留率，北京、河北和山东地区，传统施氮可高出推荐施氮量9.3～37.3个百分点；河南地区却降低13.5～17.4个百分点；北京和河南地区传统施氮总损失分别高于推荐施氮8.0%和22.8%；但河北和山东分别降低了0.8%和8.8%。这充分说明，过量施氮不仅不会提高作物产量还会降低氮肥利用率，增加土壤残留和损失。

2.4 夏玉米季氮去向定量参数

建立各处理肥料氮去向绝对量及比率与施氮量的相关关系（表3）。结果表明，在施氮量范围是40～360 kg·hm-2时，3种秸秆处理方式下，氮肥各去向绝对量与施氮量之间均呈显著线性相关关系（一次函数）。而氮肥各去向比率与施氮量之间只有地上部吸收率和籽粒吸收率与施氮量之间呈显著线性相关关系（一次函数），秸秆不还田和100%还田2种处理方式相同，其方程是，地上部吸收率y=-0.057x+42.270（r=0.553*）、籽粒吸收率y=-0.033x+24.865（r=0.561*）；秸秆50%还田时，地上部吸收率是y=-0.045x+33.568（r=0.585*），籽粒吸收率同秸秆不还田；秸秆吸收率、0～100 cm土壤残留率和损失率与施氮量的相关关系均不显著。3种秸秆处理方式，籽粒吸收率不变；损失率也不变。由于秸秆100%或50%还田，增加了土层中氮素的含量，导致0～100 cm土壤残留有所增加。

表2 华北平原夏玉米推荐施氮量与传统施氮量情景分析Table 2 Scence analysis between recommended N rate and traditional N tare of summer maize in North Plain

表3 夏玉米氮去向定量参数Table 3 The parameter equations of N fate of summer maize

3 讨论

华北平原夏玉米季化肥氮施用过量，生长周期降水量较大，收获后残留在土壤中的氮素绝大部分以硝态氮的形式存在（李东坡和武志杰，2008），传统过量施氮土壤剖面硝态氮的累积量显著高于优化施氮（Cui等，2008），施入土壤的氮肥容易随水淋溶到土壤深层，污染地下水。因此，明确氮肥的去向是加强农田氮素管理的重要途径（BERGSTROM L等，2000）。本研究通过汇总前人的15N示踪试验数据得知，华北平原夏玉米生产中施氮40～360kg·hm-2时，籽粒吸氮量高于秸秆，有利于提高玉米籽粒产量和氮肥利用率，减少土体中肥料氮残留量。作物肥料氮吸收量、土壤残留量和损失量随施氮量增加而增加。化肥氮的三条去向随施氮水平的变化各地区存在一定的差异：北京、河北保定、沧州、曲周和山东惠民地区高施氮量条件下主要以残留为主，河北石家庄和河南郑州地区则主要以损失为主；北京地区低施氮量作物吸收比例高，高氮量导致土壤高残留；河北曲周地区和山东地区施氮即导致高残留；高氮水平损失趋于强烈，但是河北石家庄地区损失是第一位，河北曲周残留是第一位。

土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈显著直线相关关系。在秸秆50%和100%还田条件下，夏玉米季土壤氮库达到平衡时的施氮量是：198和137 kg·hm-2。高于此施氮量，土壤氮库盈余且盈余量随施氮量的增加而升高；低于此施氮量则亏损，亏损量随施氮量的增加而降低。与倪玉雪等（倪玉雪等，2013）定量华北区冬小麦氮去向的结果类似，土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关，随着施氮量的升高，土壤氮库由亏损转为盈余；且Ju等（Ju等，2009）对中国北方3种重要的集约化种植体系的研究表明，氮素大量投入并不会使作物产量相应显著提高，氮年盈余量与施氮量呈显著正相关关系；巨晓棠等(巨晓棠等，2002)在华北平原北部对冬小麦/夏玉米轮作体系的研究得出，当氮肥施用量超过作物的需要量时，氮素盈余急剧增加。倪玉雪等（倪玉雪等，2013）认为在农业生产实践中，在达到土壤氮素平衡的同时，施氮量要稍高些，这样会提高收获后土壤剖面硝态氮的残留量；施氮量偏低，则会降低土壤氮肥力。

本研究将华北平原夏玉米设置了3种秸秆还田方式下的推荐施氮量和传统施氮量肥料氮去向情景，对其进行分析显示，传统施肥条件下，由于农民习惯施肥量大，损失量高，使得作物产量得不到相应的增加，氮肥利用率低，并且导致土壤残留和损失增加。而推荐施肥是结合作物需求与养分供应的最佳施肥方式（王欢元等，2011），既能保证作物的生长需求，实现肥料氮的高效利用，又能减少浪费，降低污染。因此，在生产实践中，应根据作物需求充分利用土壤氮素，合理降低氮肥用量，实现玉米高产、提高肥料利用率，降低污染（左红娟等，2012）。

夏玉米季化肥氮去向绝对量与施氮量之间呈显著直线相关关系，为明确合理氮肥施用量提供了理论依据。但是化肥氮的各回收率与施氮量之间的关系只有地上部吸收率和籽粒吸收率与施氮量之间呈显著的线性相关关系。分析可能原因：（1）各地区土壤肥力、田间管理措施等不同导致氮肥回收率存在很大差异，整合后则规律性趋于模糊；（2）氮肥回收率是基于各去向的绝对量与施氮量的比值计算而得，而非我们直接测定获得的数值，存在一定的误差；（3）目前在该地区开展的15N田间试验较少，可以利用的样本数也就较少。因此，定量化研究有待进一步深化，为我国农田氮肥应用的研究提供更有力的理论依据。

4 结论

（1）华北平原夏玉米季标记氮肥的三条去向各地区表现出一定差异，且秸秆和籽粒吸氮量并不是随当季施氮量的增加而增加，秸秆吸氮量高于籽粒；该地区夏玉米获得最高产量时的施氮量平均为190 kg·hm-2。

（2）土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关，玉米秸秆100%和50%还田条件下，随施氮量的增加，土壤氮库由亏缺转为盈余；当施氮量分别达到137和198 kg·hm-2时，土壤氮库达到平衡。

（3）华北平原各地区推荐施氮量条件下，氮素利用率远远高于农民传统施氮量，在保证夏玉米高产的同时，避免了肥料的浪费和对环境的危害。

（4）3种秸秆处理方式下，华北平原夏玉米当季化肥氮去向的绝对量与施氮量（40～360 kg·hm-2）之间呈显著直线相关关系。而氮肥去向的各回收率与施氮量之间的关系，只有地上部氮肥回收率和籽粒吸收率与施氮量呈显著线性相关。

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Exploration of N Fertilizer Fate and Quantitative Soil Nitrogen Pool Budget in Growing Season of Summer Maize in North China Plain

WANG Xinying1, PENG Yajing1, WANG Wei1, LIU Xinyu1, JU Xiaotang2, ZHANG Lijuan1

1. College of Resources and Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei//Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province// Di Hongjie Soil and Environmental Laboratory of Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100093, China

In order to increase the utilization rate of nitrogen fertilizer and decrease the environmental pollution from fertilizer nitrogen in planting system of summer maize in North China plain, the original data were collected from the previous studies of15N-microplot experiments to investigate the relationships of fertilizer-nitrogen, crop-nitrogen and soil nitrogen, and to explore the fate of fertilizer nitrogen and the situation of profit and loss of soil nitrogen pool in summer maize cropping system. The results showed that the average nitrogen application was 190 kg·hm-2with the highest yield of the summer maize in North China plain; the nitrogen uptake of straw was higher than that of N uptake of grain, and the N uptake by maize plants was increased with the increase of N fertilizer application rates, soil N residues and loss tended to increase with the increase of N fertilizer application. In the two conditions of 50% and 100% straw returning to field, there were the significantly positive linear correlations between the nitrogen uptake of plants and balance of soil N, and the soil nitrogen pool reached the balance when nitrogen fertilizer rates were N 198 kg·hm-2and N 137 kg·hm-2. The N utilization efficiency with nitrogen rate recommended was much higher than that with the traditional nitrogen rate applied. Excessive application of N fertilizer caused negative effect of reducing the crop yield and nitrogen utilization rate, and increased N loss and N accumulation in soil. In the conditions of 0%, 50% and 100% straw returning to field, there were the significant linear relations between the amounts of different N fates and nitrogen application rates with the range of N 40～360 kg·hm-2. In composition of the whereabouts of the N fertilizer, the absorption ratios of grain and total plants above the ground showed significant linear relations with the amount of nitrogen application. Thus, the reasonable N application rates of summer maize was defined in North China plain: when the straw was returned 50% and 100%, the N application were 198 kg·hm-2and 137 kg·hm-2separately; it revealed that there were the significant linear relations between the amounts of different N fates and nitrogen application rates with summer maize. It provided the theoretical basis for defining reasonable N application rates of the summer maize in North China plain, improving the utilization rate of nitrogen fertilizer, and avoiding the waste and the environmental damage of fertilizer.

15N; North China Plain; summer maize; fate of nitrogen; soil nitrogen pool budget; nitrogen application rates

S158

1674-5906（2014）10-1610-06

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WANG Xinying, PENG Yajing, WANG Wei, LIU Xinyu, JU Xiaotang, ZHANG Lijuan. Exploration of N fertilizer fate and quantitative soil nitrogen pool budget in growing season of summer maize in north China plain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1610-1615.

“十二五”国家粮食丰产科技工程（2011BAD16B08；2012BAD04B06；2013BAD07B05）

汪新颖（1990年生），女，硕士研究生，主要从事土壤环境质量方面的研究。E-mail:xinyingwang2014@163.com

*通信作者：张丽娟（1964年生），女，教授，博士生导师。E-mail: lj_zh2001@163.com

2014-08-27