基于15N示踪的库尔勒香梨园氮素去向研究

2019-10-16王前登刘雪艳何雪菲柴仲平

植物营养与肥料学报 2019年9期

王前登，刘雪艳,2，何雪菲,2，王成，柴仲平,2*

（1 新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2 新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052）

氮素是果园管理中产量形成的关键限制因子之一，与其它农作物相比，落叶果树需氮较少，氮肥对于果树花芽质量、胚珠寿命、座果率等有重要作用[1-2]。果树吸收的氮主要源于土壤，适宜的氮供应对果树生长具有重要作用。氮肥施入土壤后一方面通过根系被果树吸收以满足生长发育；另一方面在土壤中以无机氮形态或有机结合态残留；其他的氮素通过氨挥发、硝化反硝化、淋溶等途径由土壤-植株体系损失至环境中。氮肥的去向受作物种类、土壤类型、氮肥用量、施肥方法及时期等方面的影响较大[3-4]。国外学者应用15N示踪技术研究柑橘[5]、猕猴桃[6]、樱桃[7]、桃[8]等果树氮素吸收、分配及利用，氮肥当季利用率可达到48.0%～61.7%。而我国苹果[9-10]、梨[11]、甜樱桃[12]、冬枣[13]、油桃[14]等果树的氮肥当季利用率只有16.9%～31.3%，仅为国外的50%。因此有必要明确我国果树肥料氮的利用与去向，为果树氮肥的优化管理提供依据。

在库尔勒香梨生产中，果农为了追求高产和大果，普遍过量施氮。据2005—2006年的调查，新疆库尔勒二十九团投入氮为138～345 kg/hm2，甚至更高，远远超过了果树的吸氮量[15]。柴仲平等[16]对20年树龄库尔勒进行施肥研究，发现影响库尔勒香梨产量的最大因素为氮肥(氮肥＞钾肥＞磷肥)，以最佳产量为目标，推荐香梨N、P2O5、K2O施肥量分别为 280～330 kg/hm2、250～300 kg/hm2和 50～60 kg/hm2。杨婷婷等[17]对6年生库尔勒香梨研究表明，施氮量在300 kg/hm2(折合0.667 kg/株)时，氮肥利用率最高，香梨营养品质和外观品质最佳。近年来，我国科研人员利用15N 同位素示踪技术进行了苹果、桃和葡萄树氮的吸收、分配和利用方面的研究[18-20]，本文以6年生库尔勒香梨果树为试材，进行15N标记的田间微区试验，研究库尔勒香梨园氮素的去向，从土壤氮素总平衡角度为库尔勒香梨施肥优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设在新疆维吾尔族自治区库尔勒市恰尔巴格乡下和什巴格村 5 队(41°48′21″ N、86°04′22″ E)，海拔918.7 m，地处塔里木盆地东北边缘，北接天山支脉，南临塔克拉玛干沙漠。试验区属于典型的暖温带大陆性干旱荒漠气候区，年均气温10.7～11.2℃，无霜期170～227 d，日照时数为2762～3186 h，年降水量50～55 mm。土壤类型为黄潮土，土壤质地为黏壤土，pH 7.9，土壤有机质含量为21.56 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾的含量分别为46.2、14.4和169 mg/kg，0—120 cm土层，每隔20 cm取样，测定的土壤容重分别为1.22、1.23、1.26、1.3、1.32和1.35 g/cm3。2016年4月至9月库尔勒香梨园降水量分别为0.9、27.5、13.9、31.3、62.1和0.9 mm。

田间试验以栽植6年树龄的库尔勒香梨为试材，嫁接砧木为杜梨(Pyrus betulifoliaBge.)，株行距5 m × 6 m。试验选取主干粗度、枝条数、枝条粗度相对一致，且无病虫害、结果正常的18株香梨树挂牌标记，设计6个小区，每个小区3株，小区之间空出保护行为6 m，每个小区面积90 m2。试验小区土壤肥力、水分等条件相近，立地条件较为一致。在香梨整个生育期施用磷肥667 g/plant、钾肥133 g/plant，磷肥选用重过磷酸钙(含P2O546%)，钾肥选用硫酸钾(含K2O 51%)。同位素示踪试验于2016年3月29日(萌芽前期)进行施肥处理，施肥方法是：距中心干50 cm 处挖深和宽均为30 cm左右的环状沟，在沟内每株均匀施普通尿素N 667g、15N-尿素N 10 g，其中60%在果树萌芽前施用，剩余40%在膨果前期追施，磷肥和钾肥在萌芽前一次性施入。氮肥选用尿素(含N 46%)、15N-尿素(上海化工研究院生产，丰度10.14 %)。灌溉采用常规漫灌，灌溉分别在4—8月的10日进行，共计5次，每次灌水量3000 m3/hm2，其它田间管理与普通果园相同。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 树体吸氮量分别于萌芽前期(3月29日)、盛花期(4月25日)、新梢旺长期(5月25日)、果实膨大期(8月5日)和果实成熟期(9月10日)对香梨树破坏性取样。以单株为单位，采样3株，使用不锈钢刀分离，解析为根、主干、多年生枝、新梢、叶和果实收集装袋，收集距主干半径100 cm范围内、深0—80 cm的坑中的所有根。样品收集完后称量各器官总鲜量，再按清水→洗涤剂→清水→1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后，在100～105℃下杀青15 min，再在70～80℃的条件下烘干至恒量，并称量其干重。用电磨粉碎后过0.25 mm筛，混合装袋备用。样品全氮用凯氏定氮法测定，用ISOPRIME 100-PYROCUBE质谱仪测定15N丰度。

1.2.2 土壤残留氮量在库尔勒香梨不同生育期采集土壤样品。在距施肥点20 cm处使用土钻采集0—120 cm土壤样品，各点间和各层间要避免污染。每20 cm土层采集1份样品，共采集108个土壤样品，分别用于测定土壤硝态氮与铵态氮。土样解冻后混匀，称取过 2 mm筛的新鲜土样 10.00 g，装于180 mL的塑料瓶中，加入浓度为1 mol/L的KCl溶液100 mL，振荡 1 h静置10 min后过滤，滤液在4℃低温保存。使用连续流动分析仪(CFA，TRAACS2000)法对硝态氮和铵态氮的含量进行测定。硝态氮和铵态氮15N丰度常用氨扩散法[21]收集。具体方法：取适量浸提液(含氮100 μg左右)，放入扩散容器中，将加有30 μL 2.5 mol/L KHSO4的玻璃纤维滤纸，挂在扩散容器中(始终不接触浸提液)，向浸提液中加入0.4 g戴氏合金，再加入浓度为5 mol/L NaOH溶液2 mL，迅速密封扩散容器，在培养箱25℃下放置1周，以充分反应。7天后取出玻璃纤维滤纸，干燥后用锡囊包裹，用 ISOPRIME 100-PYROCUBE质谱仪测定15N 丰度。

1.2.3 土壤氨挥发和N2O排放土壤氨挥发和N2O的收集贯穿香梨整个生育期，分别于4—9月的5 日(月初)、15 日(月中)和 25 日(月末)进行，在各试验小区距离香梨单株树体施肥位置10～20 cm处，分别放置3个收集装置，于上午8:00—12:00、中午12:00—16:00、下午16:00—20:00、夜间20:00—8:00同时对NH3和N2O进行收集。

采用原位密闭法收集土壤挥发的NH3[22](图1)，装置选用PVC材质制成，气体采样箱规格为内径26 cm，高40 cm，外覆绝热材料避免太阳辐射造成的温差。采气时将20 mL硼酸溶液(浓度2%)倒入50 mL的蒸发皿中，然后用铁丝支架架起，使蒸发皿的顶部与地面保持15 cm左右的距离，再罩以顶部密封的硬质料管，盖紧管盖，确保形成一个完全密闭的环境，用以吸收挥发的氨。收集时，将蒸发皿中的硼酸溶液倒入125 mL塑料瓶中，用蒸馏水润洗培养皿3遍，将润洗液倒入塑料瓶。同时将塑料瓶密封，带回实验室备用。用0.005 mol/L的硫酸溶液进行滴定、浓缩，用ISOPRIME 100-PYROCUBE质谱仪测定15N丰度。

图1 库尔勒香梨园土壤挥发氨气采集示意图Fig.1 The schematic diagram of soil ammonia volatilization collection in Korla fragrant pear orchards

采用静态箱法采集N2O(图2)。气体采样箱规格与氨挥发收集装置相同。箱内装有微型风扇、温度传感器，桶顶部安装气体样品采集口。采气时将采样箱罩在底座上并注水密封，以防底座与顶箱结合处漏气，采样开始时记录罩箱时间，随后每间隔15 min用有气体连接阀的50 mL针筒从采样箱内抽取气体样品，连续采集四次，并记录每次取样时箱内温度，收集起来的气体迅速转移到真空的铝箔采气袋中，带回实验室用气相色谱(Agilent7890A，USA)测定，检测器为电子捕获检测器(ECD)，温度为300℃，柱温度为55℃，载气为高纯N2，流量为30 mL/min，通过对测定的气样浓度进行线性回归，得出气体排放速率。每个收集点区域有3个装置，即3次重复。N2O中15N丰度用 ISOPRIME 100-TRACEGAS质谱仪测定。

图2 库尔勒香梨园土壤N2O采集示意图Fig.2 The schematic diagram of soil N2O collection in Korla fragrant pear orchards

1.3 数据计算与统计

Ndff=植株样品中15N原子百分超/肥料中15N原子百分超 × 100%

氮肥利用率=(Ndff × 植株器官全氮量)/施肥量 ×100%

植株氮素来自15N肥料的量(kg/hm2)= 植物Ndff ×植物吸氮量

Ndff(NO3--N)= 土壤中NO3--N原子百分超/肥料中15N原子百分超 × 100%

Ndff(NH4+-N)= 土壤中NH4+-N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(kg/hm2)= 土壤各层无机氮Ndff × 土壤各层全氮含量

氮肥残留率=(Ndff × 土层厚度 × 土壤容重 × 土层无机氮量)/施肥量 ×∑ 100%

NO2排放累积量=(NO2排放通量 × 每次连续收集的时间)

Ndff(氨挥发)= 土壤氨挥发的原子百分超/肥料中15N原子百分超 × 100%

Ndff(NO2排放)= NO2排放的原子百分超/肥料中15N原子百分超 × 100%

15N肥料气态损失率=(Ndff × 土壤挥发或排放的氨气、NO2)/施肥量(g)× 100%

氮肥损失率=100%-(氮肥利用率+氮肥残留率)

数据采用 Microsoft Excel 2010软件进行处理，应用DPS7.05软件进行单因素方差分析，LSD法进行差异显著性比较(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 树体氮吸收量、生物量和氮肥利用率

由表1可知，在库尔勒香梨盛花期，根吸收氮的量最高为0.09 g，其他器官吸收量相对较低，主要因为根是最先接触到养分的器官，根在盛花期成为树体的生长中心。在新梢旺长期，叶片和根的15N含量分别为0.18 g和0.15 g，叶和根在新梢旺长期成为树体的生长中心。在果实膨大期，根、叶和果实中吸收的15N量都相对较高，分别为0.19、0.29 g和0.12 g，表明多年生器官根和当年新生器官叶和果实在膨大期成为树体的生长中心。在果实成熟期，根、叶和果实中吸收的15N量都相对较高，分别为0.17、0.28和0.17 g，树体的生长中心与果实膨大期相同。

表1 库尔勒香梨不同生育期树体生物量、氮吸收量和氮肥利用率Table1 Fertilizer N uptake, use efficiency and biomass of Korla fragrant pear trees at different growth stages

从盛花期至果实膨大期，树体各器官对15N吸收量呈增加趋势，其中根、叶和果实的15N吸收量有显著增加。果实膨大期至果实成熟期，根、叶和新梢的15N吸收量又呈现出略有下降或保持不变的趋势，而主干、多年生枝和果实中的15N吸收量继续增长，其中果实中15N吸收量有显著增加。随着香梨生育期的推移，树体的生物量和对15N-尿素的利用率不断提高，在果实成熟期达到最大值，分别为10757 g/plant和18.5%。其中在新梢旺长期至果实膨大期树体生物量和15N 肥料利用率有显著增加。

2.2 土壤氮素残留

由表2可知，库尔勒香梨生育期内0—120 cm土壤剖面中NO-N残留量随着土层深度的增加逐渐减少，随着生育期的推移，在盛花期至果实成熟期NO-N在100—120 cm有所增加，但与80—100 cm土层NO-N的残留量并无显著差异，说明NO-N在100—120 cm土层出现淋溶集聚。0—60 cm深度各土层NO-N的残留量无显著差异，且其NO-N的残留量显著大于60—120 cm深度各土层，说明NO-N主要残留于0—60 cm土层。0—120 cm土壤剖面中NH-N残留量主要集中在0—60 cm土层，且在20—40 cm土层残留量最多(0.294 g/plant)，这主要与施肥深度(30 cm)密切相关。随着生育期的推移，0—60 cm土层的NO-N和NH-N残留量逐渐减少，60—120 cm土层的NO3--N和NH4+-N残留量从盛花期至果实膨大期逐渐增多，在果实成熟期略有减少。库尔勒香梨园土壤中15N肥料无机氮残留率在果实成熟期高达22.31%，其中主要以硝态氮形式存在于土壤中，残留率为13.9%，另一部分以铵态氮的形式被土壤固持，残留率为8.41%。可见库尔勒香梨果实成熟期以硝态氮形式为主存在于土壤，且一部分铵态氮转化为硝态氮，其他部分被土壤固持。

表2 库尔勒香梨不同生育期土壤无机氮残留Table2 Residual inorganic nitrogen at different growth stages of Korla fragrant pear

2.3 氨挥发损失和N2O排放损失

由表3可知，在库尔勒香梨生育期内，随着生育期的推移，15N肥料的氨挥发损失量和N2O排放损失量逐渐增加，在果实成熟期达到最高，分别为114和1.2 mg/plant，损失率分别为2.45%和0.0255%。新梢旺长期至果实膨大期15N 肥料氮素气态损失增量最大，其增量值分别为43.3和0.5 mg/plant，果实膨大期的氨挥发量是新梢旺长期增量的1.8倍，N2O排放量是新梢旺长期增量的2倍。这是因为新梢旺长期至果实膨大期经历时间长，温度较高，微生物活性增强，酶活性增大，所以氨挥发速率和N2O排放速率加快，导致氨挥发损失量和N2O损失量增大。

表3 库尔勒香梨不同生育期15N损失量与损失率Table3 Loss amounts and rates of 15N at different growth stages of Korla fragrant pear

2.4 氮素去向

由表4可知，随生育期的推移，树体吸收的肥料氮量逐渐增加，在果实成熟期达到最高为860 mg/plant，肥料利用率为18.5%。土壤中残留的N量与之相反，最低值出现在果实成熟期为1050 mg/plant，且0—120 cm土体肥料氮残留率为22.31%。15N肥料氮回收量包括树体吸收量和土壤残留量，随生育期的推移逐渐减小，于果实成熟期达到最小为1910 mg/plant，回收率为41.0%。这主要因为肥料残留N减小幅度大于树体吸收增加幅度，而在果实膨大期肥料利用率有所增加，原因是果实膨大期经历时间较长，也是库尔勒香梨树体对氮素需求量较大的时期。肥料氮的气态损失(氨挥发和N2O排放)量，随生育期的推移逐渐增加，在果实成熟期损失量达到最高为115 mg/plant，肥料氮气态损失率为2.48%。肥料氮损失量和损失率随生育期的推进(除果实膨大期)表现为逐渐增大，在果实成熟期损失率高达59.0%，其中氨挥发和N2O排放量仅占总损失量的4.19%。

表4 库尔勒香梨不同生育期15N肥料去向Table4 Fate of fertilizer 15N at different growth stages of Korla fragrant pear

3 讨论

3.1 树体吸收

库尔勒香梨施用尿素后，随着生育时期的推移，生长中心不断变换，不同器官对氮素的吸收和利用存在差异。在库尔勒香梨盛花期，根是树体的生长中心，因为根是最先接触到肥料的器官。在新梢旺长期，生长中心转换为叶和根，表明此时期树体吸收的15N从根逐渐向新生器官叶分配，用于叶的形态构建和生物量增长。在果实膨大期和果实成熟期，根和新生器官果实和叶成为树体的生长中心，表明树吸收的15N主要用于新生器官叶和果实的生长。而果农最为关心的果实在新梢旺长前期对吸收氮的竞争能力较弱，进入膨果期则迅速提高，于成熟期达到最高，与丁宁等在苹果上研究结果一致[23]。张进等[13]研究结果发现，随着冬枣生长发育，树体对15N-尿素的利用率逐渐上升，在果实膨大期达到最高(19.4%)，采果后略有下降(15.6%)。赵林等[10]研究表明，嘎拉苹果氮肥利用率随物候期的推移逐渐提高，采收后的当季利用率为27.5%。本研究与赵林等在嘎拉苹果上的研究结果趋势一致，但与张进等在冬枣上的研究结果并不完全一致，这可能与冬枣发育晚期枣叶开始衰老脱落，部分15N随叶片脱落而损失有关。香梨树体在果实成熟期氮肥利用率达到最高(18.5%)，比葛顺峰等[24]在苹果上的(19.4%～31.3%)低，比赵凤霞等[12]在甜樱桃(16.86%)的高，主要与试验试材的树龄、品种、生育期对养分的需求等因素有关。

3.2 土壤残留

未被树体吸收利用的15N部分会残留于土壤中，库尔勒香梨生育期内0—120 cm土壤剖面中NO3--N和NH4+-N残留量随着土层深度的增加逐渐减少，这与丁阔等[25]和杨婷婷等[26]在库尔勒香梨上的研究一致。库尔勒香梨施肥深度在30 cm处，造成0—60 cm土层NO3--N和NH4+-N残留量要远高于60—120 cm土层残留总量，表明库尔勒香梨园土壤氮素下层渗漏损失较少。刘小勇等[27]、范鹏等[28]对苹果土壤研究发现，60 cm以上土层土壤全氮和铵态氮含量明显高于深层土壤，硝态氮却与之相反，这可能与当地灌水和降雨量条件有关，库尔勒香梨园受灌水和降雨因子的限制，所以硝态氮移动距离有限。朱兆良[29]总结发现国内氮肥残留率为15%～30%，而国外土壤中15N残留率为12%～44%。本研究发现，香梨园中土壤无机氮的残留形式主要为硝态氮和铵态氮，随着库尔勒香梨生育期推移，土壤剖面中NO3--N和NH4+-N残留率不断减小，在果实成熟期残留率最低，分别为13.9%和8.41%，无机氮残留率(22.31%)大于氮肥利用率(18.5%)，说明当季果实收获后，尚有22.31%的无机氮残留在0—120 cm的土壤中，成为土壤氮库的补充。也有研究表明，残留在土壤中的氮素对后季作物仍具有可利用性[30]。因此在库尔勒香梨园后期管理中要合理调控根层水肥状况，一方面要适当减少氮肥用量，发掘根层土壤中残留氮素的资源潜能，发挥残留氮素的后效；另一方面要合理调控根层含水量，防止硝酸盐向深层的淋洗。

3.3 氮素去向

在库尔勒香梨园土壤中施入15N尿素后，氮素的去向可分为三个方面，一部分被作物吸收利用，另一部分残留于土壤中，还有一部分通过各种途径损失[31]。随着库尔勒香梨生育期推移，氮肥回收率和损失率不断变化，自盛花期至果实成熟期氮素回收率分别为 53.1%、46.4%、48.0%、41.0%，氮素损失率则为 46.9%、53.6%、52.0%、59.0%。可见，回收率在生育初期最大，而损失率在生育末期最大，说明在生育初期氮肥的损失途径和损失量较少，其中氨挥发和N2O损失量自盛花期至果实成熟期不断增加。王芬等[32-34]对富士苹果的研究表明，在萌芽期至果实膨大期氮肥去向表现为氮肥损失＞土壤残留＞树体吸收，本试验得出相同的结论，且在果实成熟期依旧有相同的规律。因此，在库尔勒香梨生产中提高氮肥利用率的关键是减少损失。巨晓棠等[35]研究发现在华北平原农田体系中，氮素的气体损失不超过总施氮量10%，本研究也有类似的结果，库尔勒香梨园土壤氮素损失中氨挥发和N2O排放量仅为15N肥料量的2.48%。果园氮肥损失的途径包括氨挥发、硝化-反硝化作用产生的氮氧化物和氮气、淋溶和地表径流带走土壤中的氮素等，但在实际生产中，如何明确氮肥的主要损失途径和减少这些途径的氮损失仍需进一步研究。本试验仅对库尔勒香梨园土壤无机氮(NO3--N和NH4+-N)残留量进行了测定，而残留的尿素可能有一部分转化为其他形态的氮(如土壤有机氮等)，因此会造成氮素回收率偏低，从而使氮素损失率偏高。虽然本试验对库尔勒香梨园氮素利用及去向研究较为完整，但关于库尔勒香梨园土壤氮素残留量及残留率仍有待进一步研究。