广西赤红壤区玉米氮肥效应及适宜施氮量研究

2019-04-11黄金生周柳强谢如林区惠平朱晓晖谭宏伟

西南农业学报 2019年3期

黄金生，周柳强，曾艳，谢如林，区惠平，朱晓晖，谭宏伟

(1. 广西农业科学院农业资源与环境研究所/农业部华南植物营养与施肥技术科学观测实验站，广西南宁 530007；2. 广西农业科学院，广西南宁 530007)

【研究意义】氮素是影响作物产量及品质形成的重要因子[1]，合理使用的氮肥对作物增产的贡献率可达50 %[2]。适量施氮可促进作物对氮素的吸收和利用，增加作物产量；过量施氮会容易引起无机氮在土壤中大量累积，降低肥料利用率和农民收益、增加氮素面源污染潜在风险。玉米是广西仅次于水稻的第二大粮食作物，该地区氮肥施用量较高，但肥料利用率低，这不仅会导致玉米产量偏低，同时也影响了耕地的可持续发展。因此，确定一个能协调产量效应和环境效应的氮肥适宜施用量，对广西玉米产业的健康发展及农业生态环境的保护具有重要意义。【前人研究进展】前人通过作物产量、氮肥利用率及土壤-作物体系的氮素平衡关系对我国玉米、水稻及小麦等粮食作物的适宜的施氮量进行了大量研究[3-6]。研究表明，东北地区玉米适宜施氮量为200～243 kg/hm2[7-8]，陕西关中地区玉米适宜施氮量为180 kg/hm2[9]，新疆石子河地区玉米适宜施氮量为260～340 kg/hm2[10]，内蒙古河套灌区玉米适宜施氮量为193～291 kg/hm2[11]，而四川紫色坡耕地玉米适宜施氮量为186.73～393.6 kg/hm2[12]。可见，在不同区域、不同土壤类型下，玉米的适宜施氮量也不一样。【本研究切入点】赤红壤是我国南方地区的主要土壤类型，土壤肥力贫瘠，供氮能力低。因此，增施氮肥是该区域提高作物产量的主要措施。目前，有关氮肥施用量对玉米产量、氮素利用和环境影响的研究主要集中于我国北方玉米，而有关施氮量对南方赤红壤地区玉米土壤氮素累积特征影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】通过春-秋2季连续种植玉米进行田间肥效试验，研究氮肥用量对广西赤红壤区春秋玉米产量、土壤无机氮的分布积累、氮肥利用率及氮素平衡的影响，寻求适宜广西地区的玉米氮肥投入量，保护农业生态环境，推动广西玉米产业高产高效发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年2-11月在广西南宁市武鸣区广西农业科学院里建试验基地内(N 23°14’，E 108°3’)进行。试验地属南亚热带季风气候区，年平均降水量1975 mm、气温22.1 ℃，≥10 ℃有效积温8105 ℃，无霜期344 d。采用春-秋连续2季播种种植方式，春季玉米于2月23日播种，7月20日收获；秋季玉米于7月30日播种，11月25日收获。春秋2季玉米行株距60 cm×30 cm。供试玉米品种为迪卡008。

试验区土壤类型为砂页岩发育的赤红壤，试验开始前0～20 cm耕层土壤全氮1.46 g/kg、全磷1.10 g/kg、全钾4.68 g/kg，0～100 cm土层其他养分见表1。

1.2 试验方法

试验所用氮肥为尿素(含N 46 %)，磷肥为钙镁磷肥(含P2O518 %)，钾肥为氯化钾(含K2O 60 %)。每季玉米氮肥用量设0、180、240、300、360和480 kg/hm2共6个处理，分别用N0、N180、N240、N300、N360和N480表示)，其中N300为当地玉米农田氮肥习惯用量；每个处理的磷肥和钾肥用量分别为150和225 kg/hm2。磷肥全部作基肥，种植前一次性施入；氮肥和钾肥分2次施用，50 %作基肥，50 %作追肥。小区面积为25.5 m2(8.5 m × 3 m)，重复3次，随机区组排列。

1.3 样品采集与测定

于每季玉米施肥前和收获期钻取0～100 cm土层土样，每20 cm为一层，每小区取3个点，按层次混合成一个混合样，测定土壤铵态氮和硝态氮含量。在玉米收获期进行测产，同时分别采集植株玉米籽粒和秸秆样品，测定其氮含量。

表1 供试土壤0～100 cm土层理化性状

土壤铵态氮和硝态氮测定采用0.01 mol/L CaCl2浸提，采用Gallery间断化学分析仪测定；植株全氮测定采用H2SO4-H2O2消化，凯氏定氮法测定[13]。

1.4 数据计算与统计

试验数据绘图和统计分析分别采用Origin 2017和SAS 9.1软件进行，LSD法进行数据的差异显著性检验。文中有关计算公式如下[9-10]：土壤硝态氮残留量(铵态氮残留量)(kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×收获期土壤硝态氮含量(铵态氮含量)(mg/kg)/10；土壤无机氮积累量(kg/hm2)=收获后土壤无机氮(Nmin)残留量-初始土壤无机氮总量；土壤氮素矿化量(kg/hm2)=不施氮肥区作物吸收量+不施氮肥区土壤无机氮残留量-不施氮肥区土壤初始无机氮量；土壤氮素表观损失量(kg/hm2)=生育期施氮量+土壤初始无机氮量+土壤氮素矿化量-作物携出量-收获后土壤无机氮残留量；氮盈余量(kg/hm2)=收获后土壤无机氮残留量+土壤氮素表观损失量；作物N养分吸收携出量(kg/hm2)=植株干物质重×植株N养分含量；氮肥利用率RE( %)=(施N区地上部植株吸氮量-无N区地上部植株吸氮量)/施N量。

2 结果与分析

2.1 施氮量对土壤无机氮含量垂直分布的影响

a：春玉米季；b：秋玉米季a: Spring maize season; b: Autumn maize season图1 玉米收获期0～100 cm土层硝态氮含量Fig.1 NO3-N contents in 0-100 cm soil layer after harvest of maize

a：春玉米季；b：秋玉米季a: Spring maize season; b: Autumn maize season图2 玉米收获期0～100 cm土层铵态氮含量 contents in 0-100 cm soil layer after harvest of maize

2.2 施氮量对土壤无机氮残留量的影响

表2 施氮量对春玉米季土壤无机氮残留量的影响

注：同列数据后不同小写字母表示不同施氮量处理间差异达5 %显著水平，同行数据后不同大写字母表示不同土层间差异达5 %显著水平，下同。

Note: Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 5 % level among different N treatments, and different capital letters in the same raw are significantly different at 5 % level among the different soil layers. The same as below.

表3 施氮量对秋玉米季土壤无机氮残留量的影响

2.3 氮肥用量对土壤无机氮积累的影响

由图3可知，施用氮肥能显著影响0～100 cm土层土壤的无机氮积累量，不施氮处理土壤无机氮表现为负积累，施氮处理土壤无机氮表现为正积累，且积累量随着施氮量的增加而增加。当施氮量达360 kg/hm2时，春、秋玉米生长季，土壤的无机氮积累量均显著增加。与春玉米生长季相比，秋玉米季除N180处理土壤无机氮积累量升高外，其他处理土壤无机氮积累量均降低。结果表明，由于春玉米季收获后土壤无机氮残留较高，再连续投入高氮肥，土壤无机氮会通过挥发、淋溶而损失，无法继续被固定。

不同小写字母表示春玉米季不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示秋玉米季不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant difference among different N treatments in spring maize season (P<0.05), different capital letters indicate significant difference among different N treatments in autumn maize season (P<0.05)图3 不同施氮量对0～100 cm土壤无机氮积累量的影响Fig.3 Effects of different N levels on Nmin accumulation in 0-100 cm soil layer

2.4 施氮量对玉米籽粒产量的影响

由表4可知，施氮显著增加春、秋2季玉米的籽粒产量。春玉米季各施氮处理的产量无明显差异，到秋玉米季各施氮处理产量则差异显著。春、秋2季玉米产量存在较大变化，无论施氮肥与否，春玉米产量明显高于秋玉米，这可能与春玉米生长期较长有关(春玉米147 d，秋玉米118 d)。从2季玉米的平均产量来看，施用氮肥可增产35.0 %～46.5 %，但当施氮量超240 kg/hm2后玉米产量无显著增加，总体呈降低趋势。

2.5 氮肥用量对土壤氮素平衡的影响

由表5可知，春玉米季氮素总输入量随着施氮量的增加而显著增加。在氮素输出中，玉米地上部吸收氮携出量随施氮量的增加而增加，但当施氮量超过240 kg/hm2后各施氮处理携出量增加不明显；土壤无机氮残留量随施氮量增加而增加，施氮量高于240 kg/hm2，土壤无机氮残留量显著增加；土壤氮素表观损失量随着施氮量的增加而升高，但各施氮处理间无明显差异。由于土壤氮素总输入中施氮量差异较大，土壤氮盈余量也随施氮量增加而显著增加，氮肥利用率则随着施氮量的增加而显著降低。

由表6可知，到秋玉米季，各施氮处理土壤无机氮残留量、土壤氮素表观损失及土壤氮素盈量均显著高于不施氮处理，且各施氮处理间土壤氮素表观损失量显著增加。与春玉米季相比，秋玉米季同一

表4 施氮量对玉米籽粒产量的影响

施氮处理土壤无机氮残留量、土壤氮素表观损失及土壤氮素盈量均有所增加，玉米地上部氮素吸收量和氮肥利用率则均降低。结果表明，秋玉米季施肥主要增加了氮肥在土壤中的残留和表观损失，前季残留土壤无机氮可以促进后季作物生长，降低后季玉米的当季氮肥利用率。

2.6 氮肥用量与产量、土壤无机氮残留量及氮肥利用率三曲线分析

图4表明，玉米产量、土壤无机氮残留量、氮肥当季利用率与施氮量均呈显著的线性关系(P<0.05)。春玉米季0～100 cm土层土壤无机氮残留量与施氮量回归方程为y=56.71e0.003x(R2=0.964)，呈显著指数增加关系；氮肥当季利用率与施氮量回归方程为y=2805x-0.81(R2=0.948)，呈幂函数关系；春季玉米产量、无机氮残留量与氮肥利用率的交点分别出现于施氮量200和322 kg/hm2处，在此范围内，玉米产量无明显差异。秋玉米季0～100 cm土层土壤无机氮残留量、氮肥当季利用率与施氮量的回归方程分别为y=34.12e0.005x(R2=0.993)及y=2805x-0.76(R2=0.984)。秋玉米产量、无机氮残留量与氮肥利用率的交点分别出现于施氮量211和300 kg/hm2处，在此范围内，玉米产量无明显差异。结合2季玉米试验结果，综合考虑无机氮残留量、氮肥利用率与玉米产量3个因素，本区域玉米适宜施氮量为200～300 kg/hm2。

表5 春玉米季不同施氮量下土壤氮素平衡

表6 秋玉米季不同施氮量下土壤氮素平衡

图4 施氮量与玉米产量、土壤无机氮残留量及氮肥利用率的关系Fig.4 Relationships between N levels and residual Nmin in soil, yield and NUE of maize

3 讨论

氮是作物产量形成的最重要营养元素，适量施氮可以显著提高作物产量和氮肥利用率，施氮过高或过低会导致减产[1, 14]。本研究结果表明，施氮肥可显著提高玉米产量，春玉米及秋玉米施氮量分别超过180及240 kg/hm2、2季平均施氮量超过240 kg/hm2后，施氮已不能提高玉米对氮素养分的吸收，增产效果降低，即氮素当季利用率随着施氮量的增加而降低。这与叶东靖等[15]的研究结果相一致。

氮肥是土壤无机氮的主要来源，氮肥施用量高时，土壤无机氮出现积累，而氮肥供应不足时，土壤无机氮处于亏损状态。研究发现，苏北沿海滩菊芋种植体系中，不施氮肥和施氮量低于225 kg/hm2时，土壤无机氮处于亏损状态，高于225 kg/hm2时，土壤无机氮出现积累[17]；新疆石河子地区玉米种植体系中，施氮量低于225 kg/hm2时，土壤无机氮出现亏损，高于300 kg/hm2时，土壤无机氮开始积累[10]。本研究结果表明，不施氮肥时，土壤无机氮处于亏损状态，当施用量高于180 kg/hm2时，土壤无机氮开始积累，当施用量高于360 kg/hm2时，土壤无机氮积累量随着施氮量增加而显著增加，这与前人研究结果相似。

有研究指出，利用产量效应、无机氮残留量和氮肥利用率的交点确定氮肥的适宜施用量是较为有效的方法[10]。本研究采用三曲线法对玉米产量、土壤无机氮残留量、氮肥利用率与施氮量的关系进行拟合，结果表明土壤无机氮残留量与施氮量呈显著指数增加关系，氮肥当季利用率与施氮量呈幂函数降低关系，春玉米产量、土壤无机氮残留量与氮肥利用率分别交于200和322 kg/hm2处，秋玉米产量、土壤无机氮残留量与氮肥利用率分别交于211和300 kg/hm2处，即春、秋玉米生长季氮肥最大施用量应分别控制在322和300 kg/hm2。由于本研究对春、秋2季玉米的试验期仅为1年，对氮残留条件下土壤氮素的平衡及氮肥的适宜施用量等尚需进一步研究。