氮肥运筹对旱作覆膜玉米产量及固碳减排效应研究

颉健辉，李玲玲，谢军红，彭正凯，邓超超，沈吉成，王进斌，Eunice Essel

（甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070）

氮素在作物产量形成中起着重要作用，合理施用氮肥是提高作物产量的关键因素。目前，我国氮肥用量高居不下，占全球用量的30%左右，但肥料利用率却不足50%［1-2］，增施氮肥成为作物增产的普遍习惯。研究发现，过量施氮造成硝态氮淋溶，引起地下水污染、土壤板结等问题，直接导致氮肥利用率下降［3］。同时，氮肥的不合理施用引起NH3挥发，造成氮肥损失。Bouwman 等研究证明，在全球范围内化学氮肥的NH3挥发损失率达10%～19%［4］，而在发展中国家由于尿素等含氮肥料的广泛使用，NH3挥发损失率更高［5］。进入大气中的NH3以干、湿沉降的方式返回陆地生态系统，虽然可增加土壤有效态氮，但过量的NH3沉降能够造成森林或水生生态系统的酸化、富营养化及降低物种多样性等一系列环境问题［6-7］。

近年来，玉米生产以高产为主要目标逐渐转变为高产、优质、高效、生态、可持续发展，如何以较低的生产成本获得较高的生产效益，提高资源利用效率和劳动生产效率，增强玉米市场竞争力成为旱作农业可持续发展关键问题［8-9］。为了提高氮肥利用效率，科研人员在氮肥统筹方面做了大量工作，确定了高效的施氮技术，其中，氮肥后移技术对作物产量的影响很大，而且能降低NH3挥发，提高作物的氮肥利用率［10-12］。但这些研究大多在降雨充沛地区农业生态系统中开展，在干旱半干旱地区覆膜条件下氮肥NH3挥发损失的研究相对缺乏。而干旱地区占全球陆地总面积45%，我国干旱地区大约占国土总面积的70%［13-14］。黄土高原是典型的干旱半干旱大陆季风气候区，多年平均降水量200～600mm，生态脆弱、旱灾频发、降水与作物生长季错位等限制了土地生产力的提高［15-16］。玉米是该地区主要的粮食作物之一，全膜双垄沟播技术是主要生产技术，该技术有效地提高了水分利用效率和土地生产力［17-18］。但受高产利益驱动，普遍存在偏施、重施现象，因此系统掌握肥料氮在旱作覆膜玉米农田生态系统中NH3挥发损失规律及其对氮肥利用率的影响，对制定该地区合理的氮肥管理措施具有重要意义。本研究依托位于甘肃农业大学定西旱作农业综合实验站始于2012 年的氮肥定位试验，生育期采用通气法对陇中旱农区玉米生产系统的土壤NH3挥发进行了原位观测［19］，研究了氮肥运筹对土壤NH3挥发规律、玉米产量和氮肥利用效率的影响，明晰氮肥应用对作物-土壤系统固碳减排效应机制，为本地区制定合理施肥制度提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试区概况

依托2012 年在甘肃省定西市李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站布设的定位试验，于2018 年开展研究。试区属典型黄土高原半干旱丘陵沟壑区，平均海拔为2000m，日照时数2476.6h，年均气温6.4℃，≥0℃积温2933℃，≥10℃积温2238.1℃，无霜期141d。多年平均降水量390.8mm，年蒸发量1532mm，为黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区。试验区土壤为黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好。土壤有机质12.01g·kg-1，碱解氮66.3mg·kg-1，有效磷19.4mg·kg-1，速 效 钾220.3mg·kg-1，pH 值 为8.36。2018 年4～10 月降水如图1 所示。

图1 2018 年4～10 月日降水量

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主处理为施氮水平，设3个水平和不施氮对照（N0），分别为：低施氮100kg·hm-2（N1）、 中 施 氮200kg·hm-2（N2）、 高施氮300kg·hm-2（N3）；副处理为不同施肥时期及比例，分别为基肥∶拔节肥=1∶2（T1）和基肥∶拔节肥∶大喇叭口肥=1∶1∶1（T2）。共8 个处理，3 次重复，总计24 个小区，小区面积35.2m2（4.4m×8.0m）。具体施肥方案如表1 所示。

表1 试验期间施氮水平和施肥方式（kg·hm-2）

参试玉米品种为先玉335，密度为5.25 万株·hm-2，采用全膜双垄沟播玉米生产技术，该技术具体内容如下：包含大小双垄，总宽110cm，大垄宽为70cm、高10cm，小垄宽为40cm、高15cm，整地起垄后，用宽120cm、厚0.01mm 的超薄膜，每公顷用量75 kg，全地面覆盖。膜与膜间不留空隙，两幅膜相接处在大垄中间，用大垄的土压住地膜，覆膜时地膜与垄面、垄沟贴紧，每隔2～3m 横压腰带，垄沟内每隔50cm 左右打渗水孔，以使降水渗入。

在4 月11 日，揭膜、施入基肥氮和磷肥（基肥为磷酸氢二铵、过磷酸钙，施入P2O5150kg·hm-2）后深翻入土，并及时完成起垄、覆膜作业，4 月29 日沟内播种玉米。6 月26 日和7 月18 日分别按试验方案进行穴施追肥（追肥为氮含量46%的尿素），根据密度确定每穴追肥量，田间及时拔出杂草、分蘖等，其他管理同全膜双垄沟播大田玉米种植。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量测定

各小区单独收获，测定与产量构成有关指标以及生物产量和籽粒产量，折算为单位面积产量。相关指标计算如下：

（1）氮肥农学效率（NAE）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮水平

（2）氮肥偏生产力（NPFP）=施氮区玉米籽粒产量/施用氮肥总量

（3）收获指数（HI）=籽粒产量/生物产量

1.3.2 NH3挥发样品采集

NH3挥发测定采用通气法［19］，该方法装置简单，条件易控，回收率高达99.51%，变异系数仅为0.77%。NH3挥发损失主要集中于前7d，累计NH3挥发量占总量的88.57%～96.72%。试验所用的通气装置由内径15cm、高12cm 的聚氯乙烯硬质塑料管制成。测定NH3挥发前先将两块直径为16cm、厚度均为2cm 的吸水性较好的海绵均匀浸入15mL的吸收液（吸收液为磷酸甘油溶液，1000mL 溶液中含有50mL 磷酸和40mL 丙三醇）后，将两层海绵有吸收液的一面朝下置于硬质塑料管中，下层海绵距离地表5cm，上层海绵与管顶部相平。

施肥当天按“S”型布设3 个样点，每个样点上安装3 个采气装置，安装时，一个装置的中心位于两株玉米种间，另外两个管子分别位于小垄和大垄中央且与第一个管子在一条直线上。取样时间为9：00～11：00。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速按小区号分别装入塑料袋中密封；同时换上一块刚浸过吸收液的海绵。上层的海绵视其干湿情况3～7d更换1 次。更换海绵后将捕获装置重新安放好开始下一次的氨吸收。第1 周每天取样1次；第2～3 周每2～3d取样1 次，直至捕获不到NH3挥发为止。把吸收有氨气的海绵放入自封袋带回室内分析，用1mol·L-1KCl 溶液将海绵完全浸没，室温下振荡1h，浸提液过滤后测定铵态氮含量，即为NH3挥发量。相关计算公式如下：

（1）NH3挥发速率计算公式：F=M/（A×D）

其中：F 为NH3挥发速率（kg·hm-2·d-1），M 为每次NH3挥发装置测得的铵态氮含量（kg），A 为捕获装置横截面积（hm2），D 为连续采集的时间（d）。

（2）NH3挥发总量为每次测得的NH3挥发量的总和。

（3）肥料NH3挥发损失率=（施氮区挥发量-不施氮区挥发量）/施氮量×100%

1.3.3 土壤水分与温度测定

（1）土壤温度

在所有采样小区各安置一套地温计，每次采集气体样品的同时记录地下5、10、15、20 及25cm处的土壤温度。

（2）土壤体积含水量

每次采气时用土钻取0～5、5～10、10～30cm处土样，用烘干法计算质量含水量，换算为土壤体积含水量。

1.4 数据的处理

采用Excel2010 软件进行数据整理与作图，用SPSS19.0 对数据进行方差分析和最小显著性检验（LSD 法）。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对玉米产量和相关指标的影响

从表2 可知，施氮水平、施氮水平与施肥时期及比例的互作效应显著影响玉米生物产量、籽粒产量、收获指数、氮肥偏生产力（NPFP）和氮肥农学效率（NAE），施肥时期及比例对以上指标无影响。高、中施氮水平间生物产量和籽粒产量差异不显著，但较对照显著提高了106%和176%，较低施氮水平显著提高了22%和19.1%；高、中施氮水平下HI 分别较对照提高了50%和25%，差异显著；NPFP 和NAE 随施氮水平增加而降低，与施氮300kg·hm-2相比，200kg·hm-2施氮水平下的NPFP 和NAE 提高了33%和26%。处理间，不同施氮时期及比例对同一施氮水平的生物产量、籽粒产量无影响，且中、高施氮水平下，处理N2T1、N2T2、N3T2 和N3T1 的生物产量、籽粒产量、收获指数、氮肥偏生产力和农学利用效率差异不显著，因此本着节约成本的原则，黄土高原雨养农业区全膜双垄沟播玉米的施氮制度为，施氮水平200kg·hm-2，按基肥∶拔节肥=1∶2 的比例施用，该制度下，玉米的生物产量、籽粒产量分别较对照增加131%和197%，NPFP 和NAE 较高施氮水平降低48%和47%。

2.2 氮肥运筹对NH3 挥发影响

2.2.1 NH3挥发速率

由图2 可看出，拔节期追肥后，N2T1 和N3T1处理NH3挥发速率在施肥后第1d即达到最高，分别为3.65 和3.56kg·hm-2·d-1，之后随着时间的推进NH3挥发速率先迅速降低，随后略有回升，最后逐渐降低至对照水平；N1T1 和N1T2 处理NH3挥发速率先迅速升高，施肥后第2d达到最高，峰值分别为3.62 和3.43kg·hm-2·d-1，之后随着时间推进逐渐降低至对照水平；N2T2 和N3T2 处理NH3挥发速率随着时间推进先缓慢升高，之后逐渐降低至对照水平，施肥处理间NH3挥发速率差异不显著但与不施肥对照差异显著。大喇叭口期追肥后，施肥处理NH3挥发速率先升高后降低，施肥后第4d达到最高，随后逐渐降低，在施肥一周后略有回升，之后降低到对照水平；N3T2 处理NH3挥发速率明显高于其他处理，达到排放峰时，施氮水平越大其峰值也就越大，N3T2 处理NH3挥发速率峰值达到3.69kg·hm-2·d-1。而且氨挥发排放主要集中在施肥后一周内，遇降雨NH3挥发速率明显降低。

表2 施肥对玉米产量及氮肥效率的影响

图2 追肥后NH3 挥发速率动态

2.2.2 NH3挥发累积量

从图3 可知，拔节期施肥后，NH3挥发累积量随着时间的推进逐渐增加，施肥处理和不施肥对照间差异显著，由于施肥后出现不同程度的降水（总计106.8mm），导致施 肥第3d以后NH3挥发累积量在施肥处理间差异不显著。大喇叭口期施肥后，NH3挥发累积量迅速增加，施肥一周后缓慢增加，到施肥后13d左右NH3挥发累积量基本保持不变，N3T2、N2T2、N1T2 和不施肥处理间差异显著，从7 月24 日（施肥后第5d）起至测定截止，N3T2 处理较其他处理显著增多，测定截止时高达53.3kg·hm-2。拔节期测定截止时N3T2、N2T2、N1T2 处理的NH3挥发累积量分别较大喇叭口期降低了36.6%、5.8%和11.7%。

图3 追肥后NH3 挥发累积量动态

2.2.3 NH3挥发量及NH3挥发损失率

由表3 可知，施氮水平、施肥时期和比例及其交互作用显著影响NH3挥发量。高、中、低施氮水平分别较不施氮对照增加了6.5、5.9、5.4 倍，差异显著；T1 处理NH3挥发量较T2 处理显著降低了37%；处理间的排序为N3T2＞N2T2＞N1T2＞N2T1＞N 3T1＞N1T1＞N0T2＞N0T1，N3T2 的NH3挥发量达到90.23kg·hm-2，分别较其他施氮处理显著增多了13%、23%、44%、46%和47%。NH3挥发损失率随施氮水平增加而降低，高、中施氮水平较低施氮水平降低了59.6%和44.6%，差异显著；与T2 相比，T1 处理NH3挥发损失率显著降低了40.4%；处理间NH3挥发损失率变幅在13%～60%，趋势为：N1T2＞N1T1＞N2T2＞N3T2＞N2T1＞N3T1，N3T1处理分别较N2T1、N3T2、N2T2、N1T1、N1T2 处理降低了36%、52%、62%、67%和79%，但和N2T1 处理差异不显著。

2.3 土壤0～30cm 温度和含水量

从图4 可以看出，随着土层深度的加深，土壤温度在拔节期和大喇叭口期都表现为0～15cm 逐渐降低，20cm 处略有回升，随后降低的趋势。不施氮对照的土壤温度在10cm 以上明显高于施肥处理，在相同施肥时期及比例处理下，拔节期土壤0～10cm 平 均 温 度 表 现 为：N3T2＜N2T2＜N1T2 和N1T1＜N3T1＜N2T1，分别较对照降低20.1%、18.3%、9.5%和11.4%、6.8%、11.7%；大喇叭口期土壤0～10cm 平 均 温 度 表 现 为N3T2＜N2T2＜N1T2 和N3T1＜N1T1＜N2T1，分别较对照降低19.5%、16%、8%和14%、12.6%、4.9%，土层20cm 以下各处理间土壤温度基本无差异。0～10cm 的土壤含水量小于10～30cm，拔节期不同施氮时期及比例下施氮水平间10～30cm 表现为N3T2＞N0T2＞N1T2＞N2T2和N3T1＞N0T1＞N1T1＞N2T1，N3T2 和N3T1 分别较对照提高了6.7%和2.3%；大喇叭口期10～30cm表现为：N3T2＞N1T2＞N0T2＞N2T2 和N3T1＞N0T1＞N1T1＞N2T1，N3T2 和N3T1 分别较对照提高了5.2%和2.9%。

图4 施氮对0～30cm 土层温度和体积含水量的影响

3 讨论

施用氮肥在一定范围内可以显著提高作物产量，然而产量提升的效果随肥料投入的增多先增加后降低，过量施氮后，氮肥利用效率降低［19-22］。本试验发现，增施氮肥能显著提高玉米籽粒产量和生物产量，但200 与300kg·hm-2施氮水平间差异不显著，过多施氮造成了生产成本的增加，同时降低了氮肥农学效率，其主要原因是合理的氮肥运筹能有效地促进作物根系发育以及干物质积累与分配，进而影响籽粒产量氮素超过一定的量，显著地增加了玉米的生物产量，但没有同比例的增加籽粒产量，最终导致氮肥利用效率下降［23-25］。不同施肥时期及比例处理下的生物产量、籽粒产量和NAE无显著差异，与前人［26-27］研究结果有一定出入，其主要原因是黄土高原半干旱区水热是主要限制因子，氮肥对玉米的增产作用发挥的前提是通过氮素调控玉米适应水分环境，2018 年降水充足、生育期间没有发生水分胁迫，过多的降水可能增加氮素的淋失，同时，施氮后NH3的挥发也造成植物吸收氮素之前已经损失，使得玉米最终吸收利用的氮素只是一部分，这是利用率低的又一重要原因［3，19］。

增加施氮水平与施氮次数增加了NH3挥发损失，本试验基肥于4 月11 日施入后旋耕入土，之后连续两天降水16.7mm，实验装置收集到的NH3挥发量很少，一方面是因为基肥为缓效氮肥，而且经翻耕入土后导致土壤表层NH3挥发底物浓度低，降低了NH3挥发损失；另一方面基肥施入后产生的降雨环境，进一步将肥料水解之后的NH4+-N滞留在土壤深层进行硝化反应，而不能扩散到土壤表层［9］，所以，深施在一定程度上可以降低氮素肥料NH3挥发损失，提高肥料利用效率；玉米穴施追肥后，NH3挥发速率迅速升高，在1～4d后达到峰值，随后逐渐降低，最后趋于对照。本试验中拔节期施肥后，由于NH3挥发测定期间出现不同程度的降水（总计106.8mm），施入的肥料大部分被溶解后流入土壤深层，导致施氮处理间NH3挥发速率和累积量均不显著；大喇叭口期追肥后，NH3挥发速率和累积量随施氮量增加逐渐升高，施用氮肥处理和对照间差异显著，施肥一周以后氨挥发速率出现回升，可能是由于之前不同程度的降雨导致农田土壤温度和水分发生变化，减少了土壤中氮素向NH3挥发底物转化的过程，NH3挥发速率迅速降低，经过几天的恢复后，又达到正常挥发水平。研究认为，土壤水分、大气温度、地温等因素也是影响氨挥发的主要因子［27-28］。本研究中，土壤0～10cm 土层温度随施氮水平的增多而降低，10～30cm 处无差异，主要原因是增加了施氮量，地上部分较大的叶面积指数产生遮阴现象，致使浅层土壤温度差异明显，较低的土壤温度下氨挥发损失较低，同时，拔节期、大喇叭口期良好水分环境一定程度上也降低了氨挥发损失。

4 结论

施氮水平显著影响玉米的生物产量和籽粒产量，将200kg·hm-2氮肥以基肥∶拔节肥=1∶2 的比例施用的玉米籽粒产量、生物产量与300kg·hm-2的差异不显著，但较对照显著增加197%和131%，显著提高了经济产量和固碳效应；增加施氮水平与追肥次数潜在地增加NH3挥发损失，使氮肥利用率降低。因此，在保证土壤较高经济产量和固碳能力的前提下，使NH3挥发损失保持在合理水平的施氮制度为：施纯氮200kg·hm-2，施肥时期和比例为基肥∶拔节肥=1∶2。