基于15N示踪技术的不同水肥条件下玉米氮素利用实验

张忠学 尚文彬 郑恩楠 陈帅宏 陈 鹏 刘 明

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.农业部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

氮素是营养元素中影响产量的首要因子，氮素的积累和分配对玉米的增产有重要意义[1-2]。然而，为了追求高产盲目地大量施用氮肥不仅达不到预期的效果，还会降低水肥利用效率，造成环境污染[3-5]。提高肥料利用率，满足产量与环境友好需求是当前农业可持续性发展以及建设美好生态环境面临的重要科学问题。

传统普遍采用差值法来计算肥料利用率，即将施肥作物收获的养分量减去不施肥作物收获的养分量占施入肥料养分量的比作为肥料利用率[6]。然而此方法不能识别作物吸收的氮来自于肥料氮还是土壤氮。近年来随着同位素示踪技术的发展，更多的学者采用同位素示踪法来测定肥料利用率[7]。利用同位素示踪技术，不仅可以得知氮素来源还可以通过其在植株各器官分布状况反映植株长时间对氮素的利用情况以及氮素在植株体内代谢和运转的综合信息[8]。侯毛毛等[9]利用15N示踪技术得出后季烤烟对首季施入肥料氮素的再利用率为10.79%～14.58%；赵登超等[10]采用15N标记的肥料测定不同时期的冬枣氮素利用率分别为2.42%、9.77%、9.01%；董雯怡等[11]应用15N示踪探究毛白杨苗木对不同形态氮素的吸收利用及分配。玉米在我国粮食生产中有着十分重要的地位，已有报道利用示踪法探究玉米对氮素的利用效率，然而关于整个土壤与作物体系氮素流动过程，肥料氮对土壤氮的激发和补偿规律，以及肥料氮真实损失情况还少有报道。

本文在优化的水肥组合方案基础上[12]控制磷肥、钾肥一致，采用大田试验结合15N示踪微区试验的方法，研究不同水氮条件下，玉米各器官中氮素的累积情况及玉米对肥料氮和土壤氮的吸收利用情况，以期为玉米生产节水减肥、提高氮肥利用率提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在黑龙江省肇州县水利科学试验站内(45°17′N，125°35′E)，属典型的旱作物试验区，主要进行玉米、大豆等旱田作物的试验研究。该区平均海拔150 m，属于大陆性温寒带气候，多年生育期平均降雨量约为390 mm，平均蒸发量1 733 mm，大于等于10℃有效积温2 845℃，无霜期138 d。属于第一积温带，地下水深度在7 m左右。试验土壤为碳酸盐黑钙土(土壤物理性质)，容重1.21 g/cm3。土壤基础肥力(均为质量比)：有机质28.20 g/kg、全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全钾19.86 g/kg、碱解氮0.13 g/kg、速效磷0.04 g/kg、速效钾0.21 g/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为“良玉99”。试验采用3个灌溉水平，即W1(200 m3/hm2)、W2(400 m3/hm2)、W3(600 m3/hm2)，5个施氮水平，即N0(不施氮)、N1(150 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(250 kg/hm2)、N4(300 kg/hm2)，15个处理，每个处理3次重复，共计45个处理小区，每个处理小区面积为8 m×7.8 m=62.4 m2。与整个试验小区长边平行的两端设置宽度为5 m的保护区，与整个试验小区短边平行的两端设置宽度为1 m的保护带。在每个小区正中心位置设置微区，微区由长1.0 m、宽0.46 m、高0.4 m的铁皮框制成。划出微区所在位置后，将铁皮框放到微区所在位置，外围垂直挖出0.35 m，将铁皮框套入土中，使其周围与土壤紧贴，铁皮框上方露出地表5 cm。试验于2017年5月1日播种，每公顷保苗67 500株，生育期于拔节期、灌浆期灌水两次。灌水方式采用滴灌，滴头间距20 cm，滴头工作压力0.1 MPa，滴头流量2 L/h。各处理均施磷肥(磷酸二铵，N的质量分数为18%；P2O5的质量分数为46%)90 kg/hm2、钾肥(硫酸钾，K2O的质量分数为54%)90 kg/hm2。磷肥、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥(尿素，含N质量分数46%)40%作为基肥施入，60%于拔节期与灌浆期随灌水按1∶1施入。微区所用氮肥为10.22%丰度的15N标记的尿素(上海化工研究院)。微区中施用的氮肥、钾肥、磷肥及灌水量同其所在的小区。

1.3 测定项目与方法

1.3.1植株土壤全氮含量及同位素测定

在玉米成熟期取微区中植株的地上部分，并在取样时用土钻分别取微区中深度为0～20 cm、20～40 cm 和40～60 cm的土样。将植株清洗干净后分成茎(含鞘和雄穗)、叶(含苞叶)、籽粒3部分置于干燥箱中，105℃杀青30 min，65℃干燥至恒温并称量。植株样品粉碎后过0.15 mm筛，土壤样品过0.25 mm筛，混匀后连续用四分法取测定所需的样品量。植株全氮采用浓H2SO4-H2O2消解，土壤全氮采用硫酸铜-硫酸钾-硫酸消解，AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度 0.001 AUFS)测定各部分全氮含量。植株和土壤同位素测定在东北农业大学农业部水资源高效利用重点实验室完成，采用元素分析仪(Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，美国)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美国)联用的方法测定成熟期玉米各器官以及土壤中的15N丰度。

1.3.2产量测定

在2017年9月28日进行测产，每个小区随机选取5点(中心点与对角点)，每点连续选5株玉米，测其穗长、穗粗、穗质量、百粒鲜质量、百粒干质量，计算出小区产量。

1.3.3相关指标计算

植株氮素来源于肥料氮素的百分比为

Ndff=(NP-NA)/(Nf-NA)×100%

(1)

式中NP——植株样品中15N丰度，%

NA——15N的自然丰度，取0.365%

Nf——肥料中15N丰度，%

植株氮素来源于土壤氮素的百分比为

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株中肥料氮素含量(FN)为

三是建立投入保障机制。推动服务型机关党组织建设长效化，要重视完善固定的经费投入机制，从而保障培养服务意识、提升服务能力、开展服务工作、落实服务奖惩等各项制度的落地。党组织工作经费要纳入高校年度预算，要就服务群众工作经费制定专项计划，确保专项列支。要加大对服务群众工作的各类资源和设施的建设和统筹，不断完善硬件设施保障。

FN=NdffDMNC

(3)

式中DM——植株干物质量，kg/hm2

NC——植株含氮量，%

植株中土壤氮素含量(SN)为

SN=NdfsDMNC

(4)

土壤氮素激发率(SE)为

SE=NPK/PK×100%

(5)

式中NPK——施氮处理来自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮处理植株总氮量，kg/hm2

1.3.4数据处理

采用Microsoft Excel 2007对数据进行整理，使用SPSS 16.0统计分析数据，LSD法进行显著性检验。采用Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水肥条件下玉米各器官肥料氮素与土壤氮素吸收利用

图1 玉米对肥料氮与土壤氮的吸收Fig.1 Absorption of nitrogen from fertilizer and soil by maize

器官的Ndff是指作物各器官从肥料氮中吸收的氮量对该器官全氮的贡献率，反映了各器官对15N的吸收征调能力[10]。玉米不同器官来自肥料中的氮素和来自土壤中的氮素如图1所示。不同水肥条件下，玉米茎来自肥料中的氮素为26%～37%，玉米叶来自肥料中的氮素为28%～40%，玉米籽粒来自肥料中的氮素为23%～46%。当灌水量相同时，N1处理的玉米茎、叶、籽粒来自肥料中的氮素显著低于N2、N3、N4处理(P<0.05)。说明当施氮量较低时，玉米各器官中氮素主要来自于土壤。N1处理时，3种灌水条件下玉米叶来自肥料中的氮素显著高于玉米籽粒来自肥料中的氮素(P<0.05)，但与玉米茎来自肥料中的氮素差异不显著(P>0.05)。随着施氮量的增加，各器官来自肥料中的氮素整体呈上升趋势，而各器官来自土壤中的氮素整体呈下降趋势。说明增加施氮量可以提升植株对肥料氮素的利用能力，减小土壤中氮素的消耗。处理W2N3玉米籽粒来自肥料中的氮素最大达到了46%，且显著高于其他处理(P<0.05)，籽粒吸收肥料氮素与土壤氮素的比例接近1∶1。玉米茎来自肥料中的氮素为31%，玉米叶来自肥料中的氮素为34%，玉米各器官对肥料氮的竞争能力由大到小表现为籽粒、叶、茎(各器官间差异显著，P<0.05)。说明适宜的水肥组合可以提升玉米生殖器官对肥料氮的利用，减少玉米营养器官对肥料氮素的利用，进而提升玉米的产量。

表1为不同水肥处理下玉米各器官对肥料氮和土壤氮的吸收总量。由表1可以看出，当灌水量为W1和W2时，随着施氮量的增加各器官从肥料中吸收的氮量呈先增加后减小的趋势；当灌水量为W3时，随着施氮量的增加各器官从肥料中吸收的氮量呈持续增大趋势。当灌水量为W1时，N3处理来自肥料中的氮量最高，较N1、N2和N4分别高出了106%(P<0.05)、20.89%(P<0.05)和9.71%(P>0.05)；当灌水为W2时，N3处理来自肥料中的氮量最高，较N1、N2和N4分别高出了123%(P<0.05)、37.34%(P<0.05)和4.60%(P>0.05)；当灌水为W3时，N4处理来自肥料中的氮量最高，较N1、N2和N3分别高出了123%(P<0.05)、30.69%(P<0.05)和4.42%(P>0.05)。表明，当水量充足时，增加施氮量可以促进植株对肥料氮的吸收能力，而灌水量不足时，过量氮肥对植株肥料氮的吸收能力出现抑制作用但抑制作用不显著。不同器官从肥料中吸收的氮量不同，由大到小表现为：籽粒、叶、茎。籽粒、叶、茎从肥料中吸收的氮量分别占总量的62.33%～68.59%、16.66%～22.69%、8.72%～21.01%。不同水肥条件下植株对15N吸收量占总量的33.32%～43.54%，对土壤中氮素的吸收量占总量的56.46%～66.68%。所有处理植株吸收土壤中的氮量均高于植株吸收肥料中的氮量。

表1 不同水肥条件的玉米对肥料氮和土壤氮的吸收总量Tab.1 Uptake of nitrogen from fertilizer and soil by maize under different water and fertilizer conditions kg/hm2

注:同列数据后不同小写字母表示同种器官不同处理在0.05水平差异显著，下同。

2.2 不同水肥条件下肥料氮对土壤氮的激发效应

有学者将施用无机氮肥使土壤中有机氮分解的现象称为激发效应[13-14]。氮素的激发效应反映了土壤氮库的盈亏和平衡状况。由表2可以看出，在不同水肥处理下，土壤氮素激发率为127%～160%。所有处理均产生了正激发效应。除W1处理外，N1处理下土壤氮素激发率均为最低。当灌水量为W2时，施氮量为N1处理的土壤氮素激发率较其他处理降低了14、27、19个百分点(P<0.05)，当灌水量为W3时，施氮量为N1的处理土壤氮素激发率较其他处理降低7、22、26个百分点(P<0.05)。表明当灌水充足时，随着施氮量的增加，作物从土壤中吸收的氮量也不断上升，而灌水不足时，过量施氮会抑制作物从土壤中吸收氮素。在灌水量为W1、W2、W3时，土壤氮素激发率达到最大对应的施氮量分别为N2、N3、N4，土壤氮素激发率达到了154%、157%和160%。表明灌水和施肥均会影响土壤氮素激发效应，过量氮肥的施入会抑制土壤呼吸，使土壤稳定碳分解而促进土壤碳的累积，增大碳氮比，降低土壤氮素激发效应。而通过灌水可以增加土壤水分有效性，补充微生物细胞水，提高微生物活性，使土壤有机碳矿化增加，降低碳氮比，增加土壤氮素激发效应。

表2 土壤氮的激发效应Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

2.3 不同水肥条件下土壤肥料氮素残留量

图2 不同土层15N残留量Fig.2 Residual of 15N in different soil layers

图2为不同土层中肥料氮素的残留量。从图中可以看出，不同水肥处理15N在0～60 cm土层中的总残留量为16.54～117.55 kg/hm2。随着施氮量的增加，0～60 cm土层中的15N残留量总体呈增加趋势，不同施氮处理之间差异显著(P<0.05)。当灌水量为W1时，随着土层深度的增加15N残留量呈明显降低趋势。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层中15N残留量分别占15N残留总量的41.99%～42.86%、32.40%～34.70%和22.44%～25.61%(各土层间差异显著，P<0.05)。当灌水量为W2时，土层中15N含量分布较均匀。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层中15N残留量分别占15N残留总量的36.13%～38.54%、33.14%～35.22%和26.24%～30.73%(0～20 cm土层与20～40 cm土层间差异不显著，P>0.05；与40～60 cm土层间差异显著，P<0.05)。当灌水量为W3时，0～20 cm土层中15N的残留量明显减小，而40～60 cm土层中15N的残留量呈增加趋势。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层中15N残留量分别占15N残留总量的32.89%～35.63%、28.37%～35.12%和29.25%～38.74%(各土层间差异不显著，P>0.05)。

2.4 不同水肥条件下氮肥损失

图3 不同水肥条件下玉米产量与干物质量Fig.3 Yield and dry mass of maize under different water and fertilizer conditions

氮肥损失率必须基于肥料氮、土壤氮素以及作物吸氮“三氮”之间关系，将主要根区残留的肥料氮看作是对土壤氮素的一种补偿效应，更加全面客观地反映氮肥效果，确定最佳水肥组合方案。表3为不同水肥条件下的氮肥损失率。不同水肥处理的氮肥损失率为25.79%～45.28%。W3N1处理氮肥损失率最高，达到了45.28%，显著高于其他处理(P<0.05)。这可能是由于灌水过多，施氮量过低，施入的氮肥多数溶于水中随水流失造成的。相同施氮条件下氮肥损失率整体由大到小依次为W3、W1、W2。可见灌水是影响氮肥损失率的重要因素，过量灌水会使大量的肥料随水流失，而灌水量不足时会对氮肥产生抑制作用。相同灌水条件下N1处理的氮肥损失率都显著高于其他处理，氮肥损失率高达42.48%、41.59%和45.28%(P<0.05)。在N1条件下，不同水分处理间，作物吸收的15N都显著低于其他处理(P<0.05)，表明施氮量过低会无法满足植株生长需求，出现过早萎蔫现象，提高了氮肥损失率。W2N3、W2N4处理的氮肥损失率显著低于其他处理(P<0.05)。说明适宜水肥配比会充分发挥水和肥的作用，使其被植株充分利用，减少水肥的损失。

表3 不同水肥条件的氮肥损失率Tab.3 Nitrogen fertilizer loss rate under different water and fertilizer conditions

2.5 不同水肥条件下玉米产量与干物质量

图3a为不同水肥处理下玉米产量与干物质量间的关系。从图3a中可以看出玉米产量与干物质累积量呈线性分布规律，具有较强的相关性，决定系数R2=0.992 8。说明不同水肥处理对玉米产量与干物质量的影响基本一致。由图3b、3c可以看出，与不施氮相比，施氮可以显著提升玉米干物质量与产量(P<0.05)。但施氮对产量和干物质量提升存在阈值，当灌水量为W1和W2时，随着施氮量的增加，产量和干物质累积量均呈先增加后减小的趋势，在施氮量为N3时干物质量和产量达到最大，W1分别为25 218.68、13 192.88 kg/hm2，W2分别为27 672.60、14 063.04 kg/hm2，显著高于其他处理(P<0.05)。当灌水量为W3时，随着施氮量的增加产量和干物质累积量呈持续增加趋势，在施氮量为N4时干物质量和产量达到最大(与N3处理差异不显著，P>0.05；与其他处理差异显著，P<0.05)，分别为27 377.33、13 963.73 kg/hm2。说明灌水量过低会使土壤含水率过低无法满足肥料需求，造成胁迫作用。而灌水量过高会使肥料随着灌水流失，无法充分发挥肥料作用。

3 讨论

氮是玉米生长所需的必要元素，水分对作物生长起着重要的制约作用[15-16]。许多学者[17-19]都得出：水氮对玉米产量的影响最显著。因此，本试验控制磷肥、钾肥一致(均为90 kg/hm2)，在不同的水氮组合方案上应用被15N标记过的氮肥探究肥料氮和土壤氮在玉米不同器官中的吸收分配规律。同时对各水氮组合下，氮肥损失率进行分析计算。结果表明：植株来自肥料中的氮素与全氮量有着密切的关系，含氮量高的器官中肥料氮的比例也更大(由大到小为籽粒、叶、茎)。潘晓丽等[20]对不同肥力土壤中玉米氮素吸收和利用规律做了探究，也得到了类似的结论。不同的水氮组合中，玉米中来自肥料中的氮为33.32%～43.54%，来自土壤中的氮为56.46%～66.68%。这与山楠等[21]的研究成果一致，都得出了土壤是植物最主要供氮源的结论。沈善敏[6]在田间试验中得出了随15N施用量增加，作物从土壤吸收的氮也增加的结果。而本研究表明：随着灌水量的增加，提高施氮量，作物从土壤中吸收的氮量增加。这可能是由于在本试验中施氮量的范围较大，最高施氮量达到了300 kg/hm2，而前者的最高施氮量仅为189 kg/hm2。过量的施氮会导致土壤微生物活性降低，而灌水会使土壤湿润，微生物细胞自溶使其营养物质释放到土壤溶液中，提升微生物活性。土壤中微生物对施入的氮素和土壤中的氮素进行一系列的矿化，并且将施入的标记氮素替代非标记的氮素被固定，使土壤中更多的氮元素被利用。

许多学者研究表明[6,22-26]：我国的氮肥利用率仅为20%～35%，而西方发达国家可以达到50%～60%。且氮肥施用量越低肥料利用率越高。近年来，越来越多的学者对此感到质疑。李世清等[22]认为应该采用叠加氮肥利用率，宇万太等[23]表明15N标记法和传统差值法得出的结果不可信，并对比值法进行了验证，王火焰等[24]提出了肥料养分真实利用率，田昌玉等[25]对氮肥利用率进行了规范，巨晓棠[26]则提出了氮肥有效率。本研究对巨晓棠[26]所提出的氮肥有效率进行了分析，并在此基础上对氮肥利用率、肥料氮对土壤氮的激发效应、土壤氮库平衡做了分析计算。结果表明：不同水肥处理下，氮肥利用率为26.61%～42.24%，且氮肥利用率并不是随着施氮量的增加而减小。在施氮量250 kg/hm2，灌水量为400 m3/hm2时，氮肥利用率最高为42.24%。而无论在低氮处理(吸氮量小)还是高氮处理(尽管吸收氮量增加，但分母增加更大)氮肥利用率都很低。不同水肥条件下，氮肥损失率达到25.79%～45.28%。施入的氮肥除转为有效养分供植物吸收利用和用于补充被作物吸收的土壤氮外，主要通过以下两种途径损失：①经过土壤理化作用移动到不能被植物根系吸收利用的深层土壤中。②通过气体如氨挥发和硝化反硝化损失。朱兆良等[27]曾在国家尺度上对我国部分地区农田中氮肥去向做了初步估计，氨挥发损失占11%，硝化和反硝化是氮肥损失的主要途径，占34%，土壤残留等占15%。SEBILO等[28]用15N做了30 a的示踪实验，虽然没能最终获得肥料氮被消耗完的真实利用率，但却有61%～65%的肥料氮被累积利用，仍有15%的肥料氮有待被利用，残留在土壤中的肥料氮仅有10%被真实损耗。在本文研究中，将玉米主要根系残留的肥料作为对土壤氮库补偿的一种手段。不同水氮处理下土壤氮库盈亏情况如表4所示。在计算土壤氮库盈余时除了要考虑作物带走土壤氮和土壤残留肥料氮外还要考虑到秸秆还田和干湿沉降对土壤氮的补充(50～75 kg/hm2)。不同灌水量下施入所能维持土壤氮库平衡的氮肥量不同。具体表现为随灌水量的增加，施入维持土壤氮库平衡的氮量也增加。当施入氮肥过低时不仅使作物产量降低还会耗竭土壤氮。而施入氮肥过高时，盈余的氮素会造成水体与大气的污染。虽然本试验并未对土壤中的硝态氮、铵态氮作具体的测量，但大量的研究[15,29-31]都表明土壤中盈余的氮素会让土壤中硝态氮严重累积，硝态氮的迁移和渗漏对地下水造成严重的污染。硝化和反硝化作用产生的N2O对全球变暖的贡献高达7%，其微小的累积就会给臭氧层带来长期的破坏。同时，灌溉量一定时，随着施氮量的增加水分利用效率均呈先增加后减小的趋势。而当施氮量一定时，在一定范围内增加灌水量有助于提高水分利用效率，灌水量过高反而会降低水分利用效率。水分利用效率是决定玉米经济效益的重要指标。合理有效的水肥调控有助于提高水分利用效率，避免资源浪费。

表4 收获后土壤氮素盈亏情况Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 结论

(1)通过15N同位素标记发现，作物从肥料中获取的氮要少于作物从土壤中获取的氮。各器官对氮的竞争能力由大到小为籽粒、叶、茎，且不同水肥处理下，这种竞争趋势不同。当灌水量400 m3/hm2、施氮量为250 kg/hm2时这种竞争最明显，籽粒中吸收的肥料氮素占植株吸收肥料氮素的68.79%，而茎与叶中吸收的肥料氮素分别占植株吸收肥料氮素的13.91%和17.30%。

(2)不同灌水量下最适宜的氮肥施用量不同。当灌水量为200 m3/hm2时施入250 kg/hm2的氮肥可获得最高产量13 192.88 kg/hm2，最高干物质量25 218.68 kg/hm2；当灌水量为400 m3/hm2时施入250 kg/hm2的氮肥可获得最高产量14 063.04 kg/hm2，最高干物质量27 672.60 kg/hm2；当灌水量为600 m3/hm2时施入300 kg/hm2的氮肥可获得最高产量13 963.73 kg/hm2，最高干物质量27 377.33 kg/hm2。

(3)通过对玉米产量、经济效益、玉米对肥料氮以及土壤氮的吸收能力，土壤氮库盈余水平以及环境友好的角度综合考量，在黑龙江省西部地区玉米最佳灌水量为400 m3/hm2，最佳施氮量为250 kg/hm2，在此条件下玉米产量为14 063.04 kg/hm2，氮肥利用率为42.24%，土壤氮库处于平衡状态，氮肥向环境中损失率为25.79%。