不同管理模式对春玉米土壤硝态氮累积与氮素利用率的影响

郭彩霞，王永亮，郭军玲，张建杰，王 琦，杨治平

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030031；2.山西大学生物工程学院，山西太原 030006）

不同管理模式对春玉米土壤硝态氮累积与氮素利用率的影响

郭彩霞1，王永亮1，郭军玲1，张建杰1，王 琦2，杨治平1

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030031；2.山西大学生物工程学院，山西太原 030006）

在高肥力（文水）、中肥力（祁县）、低肥力（东阳）条件下，研究了不同管理模式（无氮肥对照、农户习惯、优化处理、高产高效处理）对春玉米土壤剖面硝态氮分布、累积与氮素平衡以及氮肥利用率的影响。通过3年定位试验，结果表明，春玉米收获后0～200 cm土壤剖面硝态氮累积量，在2011，2012年3个试验点都表现为：农户习惯＞高产高效＞优化处理＞无氮对照。文水试验点硝态氮累积量最高，三季平均为287.7 kg/hm2，比东阳和祁县土壤硝态氮累积量分别高18.4%和11.6%。氮素表观损失在3个肥力水平都均表现为农户习惯＞高产高效＞优化处理＞无氮对照。作物携出量在3个肥力水平均表现为：高产高效＞优化处理＞农户习惯＞无氮对照。在2011，2012年氮素农学利用率均表现为：高产高效处理＞优化处理＞农户习惯，2013年氮素回收率最高为祁县。高产高效处理达67.6%。通过合理的管理模式，可以在提高产量的同时显著提高氮素的利用率，并降低土壤中硝态氮的残留量。

春玉米；硝态氮；氮素平衡；氮素利用率

施用氮肥是作物获得高产的重要措施，但是氮肥施用不当会带来环境污染的风险［1］。自80年代以来，我国农田生态系统中氮素总体上处于盈余状态，而且呈现持续增长的趋势［2-4］。在我国北方灌溉农作体系中，作物收获后土壤剖面中有大量的硝酸盐残留［5］，不仅降低了氮肥的增产效率，而且给环境带来巨大的压力。综合研究氮肥的产量效应、利用效率以及土壤-作物体系中的氮素平衡，是评价氮肥合理使用与否的关键所在［6］。然而，土壤剖面中累积的硝态氮也是不容忽视的土壤氮素资源，Cassman等［7］研究认为，土壤的天然氮供应量有着很高的氮肥替代值。许多研究也表明，氮肥不同施用时期和施用量，对玉米产量及氮肥利用率有显著的影响［8-9］，土壤中硝态氮的累积量随着施氮量的增加而呈直线上升的趋势［10-11］。同时，长期大量使用化肥会导致土壤肥力下降、氮肥利用率降低、施肥成本增高、经济效益降低。为实现农业可持续发展，需要对有机肥的施用给予高度关注，通过有机肥与化肥的合理配施，建立新型的玉米土壤培肥体系，按照玉米的养分吸收规律适时供应水肥，即达到高产的同时也减少氮肥的损失［12］。但是这些研究大多是针对某一试验点的肥料效应和氮素吸收、运转、平衡，关于不同肥力条件下综合农艺措施对氮肥的产量效应和氮素吸收利用的研究涉及较少，而科学合理的氮素管理是春玉米获得高产和提高肥料利用效率、减少环境污染的重要措施。因此，了解春玉米对氮素的吸收利用规律，以及如何科学合理施肥和提高氮肥利用率的问题亟待解决。

本试验针对山西省中部玉米种植带不同肥力土壤，采用不同的农艺综合管理措施，对春玉米土壤剖面硝态氮累积与氮素平衡的关系进行剖析，旨在为提高春玉米氮素利用率和经济效益，保护农田生态环境提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

田间试验于2011年4月-2013年11月在山西省中部玉米带不同肥力水平土壤上进行，种植制度为一年一季，其中，晋中市榆次区东阳镇东阳村山西省农业科学院东阳试验基地（东阳），因土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾成分含量相对较低，以低肥力土壤描述；晋中市祁县谷恋村（祁县），以中肥力土壤描述；吕梁市文水县东城村（文水），该区域以高肥力土壤描述，分别在这3个试验点进行田间试验。供试土壤0～30 cm土层的基础肥力状况如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性状Teb.1 Them ajor chem ical characteristics of experim en tal soil

1.2 田间试验设计

试验为裂区设计，小区面积6 m×10 m，4次重复，人工拉线播种。无氮肥对照（CK）：浅旋耕；农户习惯（FP）：浅旋耕，秸秆不还田，不施有机肥，其他肥料作为底肥一次性施入；优化管理（OPT）：秋深耕，秸秆还田，氮肥的30%作底肥，大喇叭口期追施氮肥的70%；高产高效（HY）：秋季深耕，秸秆还田，秋季施入牛粪（N含量11.6 g/kg）30 t/hm2，氮肥的30%作底施，大喇叭口期追施氮肥的50%，灌浆期追施氮肥的20%，磷肥全部底施，钾肥的70%作底施，大喇叭口期追施30%。灌水时期均为拔节期、大喇叭口期、灌浆期。不同试验处理模式如表2所示。

1.3 测定项目及方法

播前、收获后分别在各个小区内用土钻采集0～200 cm深度的土壤样品3个，按照取样层次等层混合。土壤硝态氮测定：称取10 g新鲜的土壤样置于100 m L的塑料瓶中，另取部分于105℃烘干测定水分。用50 m L 2 mol/L的KCl溶液浸提，振荡1 h后过滤，采用连续流动分析仪测定滤液中的硝态氮含量。植株和籽粒的全氮含量采用半微量凯氏定氮法进行测定。

表2 不同管理模式的栽培措施Tab.2 Differentm anagem ent patterns of in tegrated m anagem ent p ractices

土壤硝态氮积累量（kg/hm2）=∑土层厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤硝态氮含量（mg/kg）/10；土壤氮素矿化量（kg/hm2）=不施氮区作物吸氮量+不施氮区土壤残留无机氮（Nm in）-不施氮区土壤起始无机氮（Nmin）；生育期土壤氮素表观损失（kg/hm2）=生育期施氮量+土壤起始无机氮（Nmin）+土壤氮素净矿化量-作物携出量-收获后土壤残留无机氮（Nm in）；植株总氮积累量（TNAA，kg/hm2）=成熟期单株干质量×小区植株密度×成熟期单株含氮量；氮肥农学利用率（NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量）/施氮量；氮肥表观回收率（NRE，%）=（施氮区氮素吸收量-无氮区氮素吸收量）/施氮量×100%；氮肥生理利用率（NPE，kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区的产量）/（施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量）。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2007和SPSS 20.0软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同管理模式对产量和吸氮量的影响

从表3可以看出，2012，2013年3种管理模式下的玉米籽粒产量、氮素吸收量均高于无氮对照处理。玉米籽粒产量和氮素吸收量存在着较大的年季变化，2013年玉米籽粒产量和氮素吸收量总体呈减少趋势，主要是由于2013年玉米灌浆期以后降雨量较大，出现一定的倒伏现象，严重影响到玉米籽粒产量和氮素吸收量。

表3 不同管理模式对产量和吸氮量的影响Tab.3 Effect of differentm anagem ent patterns on grain yield and N uptake kg/hm2

高产高效处理的籽粒产量平均比农户习惯处理高18%；比优化处理高8%。2013年籽粒产量分别比2011，2012年减少，东阳减少32%，28%；祁县减少21%，4%；文水减少22%，11%。3个试验点产量都表现为HY＞OPT＞FP＞CK，除2013年外，在3个肥力水平下，2011年平均产量最高，HY比OPT、 FP的产量，东阳增加了7%，14%；祁县增加了9%，20%；文水增加了13%，22%。除2013年东阳试验点外，氮素吸收量最高为高产高效处理。高产高效处理氮素吸收量比农户习惯、优化处理平均高19%，10%。

2.2 不同管理模式对春玉米土壤0～200 cm剖面硝态氮的影响

由表4可知，3个试验点在玉米收获后土壤0～200 cm硝态氮累积量都表现为农户习惯处理、优化处理、高产高效处理显著高于无氮对照处理。2011年收获后东阳试验点0～200 cm土壤硝态氮累积量为55.5～242.1 kg/hm2，平均为160.9 kg/hm2；祁县试验点硝态氮累积量为151.6～324.3 kg/hm2，平均为249.7 kg/hm2；文水硝态氮累积量为110.1～361.9 kg/hm2，平均为241.6 kg/hm2，东阳试验点2012年播前的各个处理硝态氮累积量一致，是由于试验地块整体向南迁移约50米，土壤质地和结构与2011年地块差异不大，前茬为农户习惯处理的玉米茬，对试验结果影响较小。从3季玉米收获后结果看，文水试验点的硝态氮累积量最高，平均为287.7 kg/hm2，比东阳和祁县试验点硝态氮累积量分别高18.4%和11.6%。2012，2013年比2011年收获后硝态氮累积量有所增加，东阳增加了1.4，1.9倍；祁县增加了1.0，1.1倍；文水增加了1.1，1.5倍。这是由于土壤土层质地等因素造成的，高肥力土壤持水性和保肥性较好，使得上层淋洗下的硝态氮不容易进入更深层次的土壤。对于春玉米来说，90%以上的根系主要集中在100 cm土层，仅有少量的根系可下扎到200 cm土层，深层少量根系以吸收水分为主，对养分的利用很少，深层土壤硝态氮很难被作物吸收利用。因此，可以将100 cm土层以下的硝态氮累积量视为淋洗量来看待［13-14］。2013年硝态氮含量较高的原因，主要是降雨量较多，大部分硝态氮被淋洗到120 cm以下，固存在土壤中不易被作物吸收，有的可能已经淋洗到200 cm以下或更深土层。

表4 不同管理模式对硝态氮累积的影响Tab.4 NO-3-N accum u lation in soil p rofile under differentm anagem ent patterns kg/hm2

2.3 不同管理模式对春玉米土壤氮素平衡的影响

从3季玉米收获后结果看，氮素平衡状况是田间和区域尺度上评估氮素表观损失的有效方法［15-16］，氮素的表观损失是氮素输入总量与作物吸收和土壤残留2项输出之差，即施肥处理相对于不施肥处理的氮素损失量。由于0～200 cm是玉米根系有效利用土壤氮的范围，因此，本试验仅估算了春玉米0～200 cm土层内的氮素平衡用以评估春玉米对氮肥利用状况的评价。从表5可以看出，在多年农户管理的条件下，土壤氮素矿化量加上起始无机氮的数量，土壤自身供氮量较高，氮素在0～200 cm的残留量在3个肥力水平的土壤上大都表现为农户习惯处理最高。东阳试验点农户习惯、优化处理和高产高效分别是无氮对照氮素残留量的2.7，2.5，2.7倍。文水试验点农户习惯、优化管理和高产高效分别是无氮对照氮素残留量的4.0，3.4，3.1倍。不同肥力土壤条件下，3个种植模式的氮素表观损失都表现为FP＞HY＞OPT＞CK。根据氮平衡的计算结果［6］，在东阳低肥力土壤上FP、OPT和HY对应的土壤残留率分别为22.3%，30.8%，29.5%，而文水高肥力土壤上FP、OPT和HY对应的土壤残留率分别为33.9%，43.2%，32.2%。

2.4 不同管理模式对春玉米氮素吸收利用的影响

本试验中3个试验点在不同种植模式下氮肥的农学利用率受土壤性质、生长时期、氮肥用量及其种植模式以及气象条件等因素的影响变幅较大。国内外有很多表征肥料利用率的参数，如作物生产系数、偏生产率和生产率以及边际产量等。一般来说，国际上用以表征农田肥料利用效率的有肥料养分回收利用率（RE）、肥料农学利用率（AE）、肥料生理利用率（PE）以及肥料的偏生产力（PFP）［8-9］。PE是指植物体内养分的利用效率，而不是肥料的增产效应。因此，本试验选择了AE、RE、PE这些参数对试验进行了分析与评价［17-18］。

从表6可以看出，氮肥农学利用率是表征氮肥的增产效益［11］，3个肥力水平下都表现为农户习惯为最低，祁县2013年OPT处理最高，为21.8 kg/kg，增加幅度最低为2013年祁县，HY与OPT分别比FP高1.8，1.9倍。氮肥回收率是表征作物对土壤中氮肥的回收利用效果，2011年文水和祁县表现为HY＞OPT＞FP，在东阳OPT与HY间差异不显著，但均显著高于FP。氮肥生理利用率是因施氮量增加的吸氮量转化为产量或干物质的效率，2011年，东阳氮肥生理利用率表现为HY＞OPT＞FP，祁县和文水均表现为OPT＞HY＞FP，2013年由于产量的减少，导致东阳和文水氮肥的生理利用率下降。

表5 不同管理模式下（2011-2013年）三季春玉米土壤氮素总平衡Tab.5 Soil N balance under d ifferen tm anagem ent patterns（2011-2013） kg/hm2

表6 不同管理模式对氮素利用率的影响Tab.6 Effects of d ifferen tm anagem ent patterns on nitrogen use efficiencies

3 讨论与结论

由于农户对施肥管理技术的盲目，过量和粗放的施肥习惯导致大量的硝酸盐累积和氮肥利用率下降，不仅浪费了肥料资源而且还污染了环境［6，18］，施氮量与土壤剖面的硝态氮累积量呈显著的正相关。崔振岭等［10］研究指出，氮肥施用量超过正常的供氮量，土壤的硝态氮水平将随着施氮量的增加而呈显著的线性加平台趋势。当氮素大量施入农田时，由于农作物不能够全部吸收，土壤的胶体不能全部交换硝酸根离子，在灌水和降雨的作用下，土壤中的硝酸盐很容易向下层淋失。本试验结果表明，当施氮肥过大时，土壤中残留的硝酸盐含量明显增加，特别是当120～200 cm土层的硝酸盐积累量大幅度的增加时，发生淋失的可能性增大，很可能污染地下水资源。

春玉米生长期内土壤无机氮形态以硝态氮为主，铵态氮含量处于较低水平［18-19］，本试验结果表明，土壤剖面0～200 cm土壤无机氮含量，2011，2012年春玉米收获后3个肥力水平下高产高效处理的氮素累积量低于农户习惯，主要是由于高产高效处理中有机肥料的配施可明显加快氮素的转化速度，有机肥的施入为土壤微生物提供了碳源，显著增加了土壤微生物量氮［20-21］，使春玉米整个生长季内氮素供应较稳。2013年由于春玉米生育后期降水量较大，还出现一定的倒伏现象，不仅影响了作物对氮素的吸收，更多的硝态氮淋洗到120 cm以下，导致这一季的玉米收获后土壤残留的氮素较高。另外，氮素平衡计算结果表明，三季春玉米土壤0～200 cm剖面中土壤氮素矿化量为319.4～366.2 kg/hm2，已超过了春玉米对氮素的吸收量，这也解释了在高肥力土壤中增产增效不明显的问题，也是导致土壤剖面中硝态氮累积量、氮素表观损失量增加的原因，这与其他学者的研究结果一致［6］。说明随着氮素投入量的增加，玉米对氮素的吸收量呈显著的增加趋势，但当氮素的投入量超出一定的范围时，氮素的表观损失急剧增加。但是，要准确地评估作物生长期间土壤氮素的矿化和氮素的损失还有待结合单因素试验来进一步证实。

氮肥用量增加时，氮肥农学利用率增加，但是当氮肥用量超过一定水平后氮素利用率显著下降，即过量施用氮肥超过了植株对氮素的吸收利用能力后，氮肥利用率较低［22-23］。通过对种植模式、氮肥管理、增加密度、品种选择等综合农业措施优化后，对于进一步增加产量，提高氮肥利用率，减少土壤中硝态氮累积有重要作用［24］。在低肥力条件的土壤上要通过增加氮肥的投入量来增加产量和植株对氮素的吸收量，而高肥力条件的土壤要通过控制氮肥的投入量达到增加产量和提高氮肥利用率的目的［25］。在本试验中，农户习惯处理氮肥投入量过大，减少了植株对氮素的吸收，增加了氮素残留在土壤中的硝态氮累积量，使得氮素利用率和氮肥生产力降低；而高产高效处理将传统的农户习惯处理施肥方式改为按照一定比例分次施肥，显著提高了氮肥的偏生产力和氮素利用率，从一定程度上提高了植株对氮素的吸收利用效率，有效地减少了土壤硝态氮的累积量。

3年定位试验结果表明，高产高效处理的籽粒产量平均比农户习惯处理高18%；比优化处理高8%。高产高效处理与农户习惯处理相比较，降低了春玉米收获后0～200 cm土壤剖面中硝态氮的残留量，提高了氮肥利用率。而氮素吸收量高产高效比农户习惯、优化处理平均高19%，10%。

农户习惯处理管理措施不合理，导致土壤深层硝态氮的大量累积，降低了氮肥利用效率；优化处理减少了土壤硝态氮的累积，大幅度提高了氮素的利用效率；高产高效处理，显著增加了产量和氮素吸收量，提高氮素农学利用率和氮素回收率，氮素回收率最高为2013年祁县HY处理，达67.6%，生理利用率最高为2011年文水HY处理，达67.4 kg/kg。

总之，合理的管理模式，可以实现玉米氮素利用率和产量协同提高，并将土壤硝态氮累积量维持在较低的水平，既可培肥土壤，又可提高产量，是可持续发展的管理模式。

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Effects of Different M anagem ent Patterns on Soil Nitrate Nitrogen Accum u lations and Nitrogen Use Efficiency in Sp ring M aize

GUO Caixia1，WANG Yongliang1，GUO Junling1，ZHANG Jianjie1，WANG Qi2，YANG Zhiping1
（1.Institute of Agricultural Environment and Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China；2.College of Biological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The effects of differentmanagement patterns（Control treatment/CK，Farmer practice treatment/FP，Optimized application treatment/OPT，High yield and high efficiency treatment/HY），nitrate nitrogen accumulation，nitrogen balance and use efficiency in 3 sites（WS，QX，DY）with different soil fertilities（high，mid，low）.The results of three-year field experiments showed that the nitrate nitrogen accumulations decreased in the order：FP＞HY＞OPT＞CK in 0-200 cm soil profiles，at the harvest stage（2011，2012）of springmaize in 3 sites.The highest nitrate nitrogen residue average was 287.7 kg/ha at the site of WS，respectively 18.4%and 11.6%higher compared with the site of DY and QX.The nitrogen apparent losses were the highest from FP，which were FP＞HY＞OPT＞CK in 3 sites，except the CK treatment.The crop uptake decreased as HY＞OPT＞FP＞CK at all the sites. Nitrogen agronomic use efficiency decreased as HY＞OPT＞FP（2011，2012），the highest nitrogen recovery efficiency was HY（67.6%）at the site of QX（2013）.The residuemineral N and nitrogen apparent losses were influenced by soil fertilities，whereas nitrogen utilization were no significantly with soil fertilities.It was suggested that the pattern like HY with controlled N app lication rate and increasing organic fertilizer should be generalized，to reduce nitrate nitrogen residue and improve N use efficiency.

Spring maize；Nitrate nitrogen；Nitrogen balance；Nitrogen use efficiency

S158.3；S143.1 文献标识码：A 文章编号：1000-7091（2016）03-0191-07

10.7668/hbnxb.2016.03.028

2015-11-07

科技部国际科技合作专项（2015DFA90990）；农业部公益性行业（农业）科研专项（201103003）；山西省国际科技合作项目（2014081036）；山西省青年科技研究基金项目（2014021031-1）；山西省农业科学院博士研究基金项目（YBSJJ1310）

郭彩霞（1981-），女，山西保德人，助理研究员，硕士，主要从事作物高产养分资源高效研究。

杨治平（1969-），女，山西祁县人，研究员，博士，主要从事作物高产养分资源高效研究。