不同水氮管理模式对玉米地土壤氮素和肥料氮素的影响

2020-03-09张忠学齐智娟

农业机械学报 2020年2期

张忠学刘明齐智娟

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030)

0 引言

已有的研究结果表明，高施氮处理玉米氮素累积量高于低施氮处理，而中等施氮条件下植株氮素累积量最高，氮肥利用率较高，高灌水更容易导致硝态氮的淋失[8-9]。隽英华等[10]对东北地区春玉米的研究指出，随着施氮量增加，氮肥农学利用率、氮素吸收效率和氮素偏生产力均显著降低，氮盈余主要以土壤残留为主。张忠学等[11]利用15N示踪技术对玉米肥料氮的吸收利用进行了深入研究，发现籽粒对于肥料氮的竞争能力大于叶和茎。

已有关于作物氮素的研究大多集中于产量和氮素农学效率方面，只考虑单一变量对土壤无机氮残留和土壤氮库盈亏的影响，而关于不同水氮配比对土壤无机氮残留，特别是对于玉米地土壤-作物氮平衡的研究很少。本文在前人研究基础上，探究喷灌条件下不同水氮用量对于东北黑土区玉米土壤无机氮的残留特征和水氮两因素对于土壤-作物氮平衡的影响，同时借助于15N同位素示踪技术，研究肥料氮在土壤中的残留和玉米植株中土壤氮素累积量及其分配特征，并对肥料氮的去向进行系统的分析，以期为东北地区玉米种植过程中水氮合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4─10月在黑龙江省肇州县水利科学试验站进行。试验站位于45°17′N、125°35′E，属大陆性温寒带气候。年降雨量在400～500 mm之间，平均蒸发量1 733 mm，有效积温2 845℃，无霜期138 d，属于第一积温带，试验土壤为碳酸盐黑钙土。试验区土壤质量田间持水率为31.78%，土壤pH值为6.4。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量(质量比)分别为28.20、1.41、0.88、19.86、0.13、0.04、0.21 g/kg。

1.2 试验设计

试验设置灌水定额和施氮量2个因素。灌水定额设置3个水平：W1(40 mm)、W2(60 mm)、W3(80 mm)。氮肥施用量设置3个水平为：N1(180 kg/hm2)、 N2(240 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)，磷肥和钾肥施用量均为90 kg/hm2，同时设置不施氮不灌水的对照(CK)处理，共10个处理，每个处理3次重复，共30个小区。各小区面积104 m2(10.4 m×10 m)。每公顷保苗67 500株，各小区均采用65 cm小垄种植，每小区16条垄，株距23.0 cm。保护区宽度为5 m，保护行宽度为1 m，隔离带宽度为1.3 m(即2条垄)。于各小区正中心设置微区，微区采用长2.0 m、宽0.6 m、高0.4 m的铁皮框制成。将铁皮框放到划出的微区所在位置，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。

试验所用的肥料为尿素(氮质量分数46%)、磷酸二铵(氮质量分数18%，含磷质量分数46%)和硫酸钾(钾质量分数58%)，施肥方式为撒施，不覆膜，微区内施用的氮肥为丰度10.22%的15N标记的尿素。各处理的肥料施用量均是经过折算后的氮、磷、钾元素的施用量，磷肥和钾肥全部作基肥施入，氮肥1/2随底肥施入，剩余1/2在拔节期施入。供试玉米品种为“大龙568”。试验于2018年5月1日播种，分别在拔节期、抽雄期灌水两次，各次灌水定额比例为1∶1，其中拔节期灌水是在施完拔节肥随后进行灌水，6月30日追肥，撒施尿素，拔节期7月1日灌水，抽雄期7月20日灌水。

喷灌采用5983型摇臂式喷头(喷洒半径 9.0～14.0 m，流量 0.74～1.02 m3/h)，喷头安装在长1.5 m的支管上。灌水时将4个喷头分别布置在小区四角上，逐一对各小区进行灌水。为防止各小区之间发生水分交换，调节喷头射程略微小于小区长度。灌溉所用水源为当地地下水，用管道末端的水表控制灌水量。

1.3 观测内容及方法

1.3.1植株含氮量

成熟期在微区取样，将植株沿地上部分取下，用农用压缩喷雾器将植株冲洗干净，并将植株按不同器官放入干燥箱中，105℃下杀青30 min后，60℃干燥至恒定质量。将干燥后的样品放置在干燥箱中冷却，冷却后称量干物质量，将干燥后的样品用球磨机磨碎，过80目筛后混匀，采用H2SO4-H2O2消煮，取消煮后的清液，采用德国SEALAnalytical公司生产的AutoAnalyzer-6Ⅲ型流动分析仪，测定成熟期植株各器官含氮质量分数。

1.3.2土壤含氮量及同位素测定

玉米收获后，在微区按“S”形采集深度100 cm的土壤样品，取样分层为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。每层取3个平行样，同层次混合。将部分土样105℃干燥至恒定质量，并计算土壤容重及含水率，将干燥的土样磨碎后用于测定土样中15N丰度。其余土壤样品用2 mol/L KCl浸提，并使用AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度0.001 AUFS) 测定土壤各层硝态氮、铵态氮、土壤全氮含量。

植株和土样同位素测定在东北农业大学农业农村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型，Thermo Fisher Scientific，美国)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美国)联用的方法测定收获后不同土层土壤中的15N丰度。

1.3.3相关指标计算

植株氮素累积量计算公式为

NAA=DmNc

(1)

式中Dm——植株干物质量,g

Nc——植株含氮率

植株氮素来源于肥料氮素的百分比计算公式为

Ndff=(Np-Nc)/(Nf-Nc)×100%

(2)

植株氮素来源于土壤氮素的百分比计算公式为

Ndfs=1-Ndff

(3)

式中Np——微区内植株样品的15N丰度

Nc——天然15N丰度标准值(0.366 3%15N)

Nf——15N标记尿素中15N丰度

植株中肥料氮素累积量为Ndff与植株氮素累积量的乘积。

植株中土壤氮素累积量为Ndfs与植株氮素累积量的乘积。

各层土壤的氮素总量按杜会英等[12]的公式计算，即

Ts=ρVNs

(4)

式中Ts——各层土壤氮素总量，kg/hm2

ρ——各层土壤容重，g/cm3

V——各层土壤体积，m3

Ns——各层土壤全氮质量比，g/kg

肥料氮土壤残留量(Nsoil)计算公式为

Nsoil=(Ne-Nc)/(Nf-Nc)Ts×100%

(5)

式中Ne——微区中土壤样品的15N丰度

肥料氮损失量为施氮量减去植株中肥料氮素累积量和肥料氮土壤残留量。参考巨晓棠等[13]的方法计算0～100 cm土层氮素平衡参数，土壤无机氮残留量为土层厚度与土壤容重、土壤无机氮含量的乘积除以10，土壤氮素净矿化量为不施氮区作物吸氮量与不施氮区土壤无机氮残留量的和减去不施氮区土壤起始无机氮累积量，土壤氮素表观损失量为施氮量、土壤起始无机氮累积量、土壤氮素净矿化量三者之和减去作物吸氮量和土壤无机氮残留量，氮素盈余量为氮素表观损失量与收获后土壤无机氮残留量的和。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010记录数据，SPSS 16.0统计分析数据，LSD法进行显著性检验。采用Microsoft Excel 2010绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮管理对土壤无机氮含量的影响

2.1.1对土壤剖面铵态氮含量的影响

如图1可知，玉米收获后，0～100 cm土层铵态氮质量比在0.40～5.97 mg/kg之间，随着土层加深总体呈现先降低再升高再降低的趋势，由大到小依次为0～20 cm、20～40 cm、60～80 cm、40～60 cm、80～100 cm。施氮处理的铵态氮含量高于CK处理，其中N3W1处理0～60 cm土层的铵态氮含量最高，N3W3处理60～100 cm土层铵态氮含量最高。相同灌水量条件下，随着施氮量增加，各层土壤铵态氮含量呈增加趋势，相同土层N3各处理较CK处理各土层铵态氮含量分别提高了84.82%～385.77%，N2、N3处理0～40 cm铵态氮含量较CK处理提高31.69%～174.34%， N1、N2各处理在40～60 cm的铵态氮含量接近，而当土层深度在60～100 cm时，N2、N1较CK处理提高115.01%～377.93%、N3较CK处理提高246.40%～786.33%，说明高施氮量能提升各层土壤铵态氮含量。相同施氮量条件下，0～60 cm土层铵态氮含量随灌水量的增加而减小，其中0～40 cm土层中施氮处理在W2、W3水平下的含量较W1下降13.52%～41.47%，而W3和W2水平下铵态氮含量接近；60～100 cm土层的铵态氮含量随灌水量增加出现增加的趋势， N2W3处理较N2W1处理在60～80 cm、80～100 cm土层的铵态氮含量增幅最高，达到27.56%、65.23%。

图1 不同土层深度铵态氮质量比

图2 不同土层深度硝态氮质量比

2.1.2对土壤剖面硝态氮含量的影响

如图2所示，玉米收获后，相同处理相同土层硝态氮含量明显高于铵态氮。与铵态氮含量变化趋势相似，在60～80 cm土层中呈增加的趋势后，在80～100 cm又呈降低趋势，施氮灌水处理较CK处理增加明显。各处理0～20 cm的硝态氮含量最高，与40～60 cm接近，而60～80 cm 含量较40～60 cm的含量有小幅提升。相同灌水水平下，随着施氮量的提高，施氮处理0～100 cm土层的硝态氮含量均较CK处理提升明显，其中N2、N3处理80～100 cm土层硝态氮含量增幅最高，达366.37%～656.55%，说明增施氮肥在对土壤硝态氮含量有显著提升的同时对底层土壤的硝态氮含量影响显著。N3和N2水平各土层硝态氮含量均较N1有明显增加，同时N3的增幅高于N2。相同施氮水平下，随着灌水量的增加，0～60 cm的硝态氮含量均呈下降趋势，40～60 cm硝态氮含量下降最大；60～100 cm呈增加趋势，但不同灌水水平下的硝态氮含量接近。

2.2 不同水氮管理对土壤无机氮累积量的影响

2.2.1对成熟期土壤铵态氮累积量的影响

由表1可知，玉米收获后，0～100 cm土层中铵态氮累积量在19.29～47.57 kg/hm2之间。随着施氮量的增加，0～100 cm土层铵态氮的累积量呈上升趋势，且相同灌水水平下，各个土层铵态氮累积量均随着施氮量的增加而增加，不同施氮量条件下0～100 cm土层铵态氮总累积量差异显著 (P<0.05)。施氮处理60～80 cm土层较40～60 cm土层铵态氮累积量有所提高。相同灌水水平下，N1各处理与CK处理各土层铵态氮累积量间没有明显差异(P>0.05)，但N3与N2、N1处理0～80 cm土层铵态氮累积量均差异显著(P<0.05)。相同施氮水平下，0～100 cm土层铵态氮累积量随着灌水量的增加而减小，施氮处理W3与W1水平下的累积量差异显著(P<0.05)，而W3与W2无明显差异。0～60 cm土层铵态氮累积量随着灌水量的提高而减少，除N1W3处理外，60～100 cm土层铵态氮累积量随着灌水量的增加而增加。

表1 不同处理不同土层铵态氮的累积量

注：同列不同小写字母表示处理在5%水平上差异显著，下同。

2.2.2对成熟期土壤硝态氮累积量的影响

由表2可知，玉米收获后0～100 cm土层硝态氮累积量在61.37～126.70 kg/hm2之间，比较表1和表2可知，相同处理硝态氮累积量明显高于铵态氮。施氮处理0～100 cm土层硝态氮累积量较CK处理有明显提高。0～100 cm土层硝态氮累积量随着施氮量的增加呈现增加趋势，相同灌水水平下，不同施氮处理之间均差异显著(P<0.05)，同时各层土壤硝态氮累积量也均随施氮量增加有不同程度增加，0～20 cm土层的硝态氮累积量增加最多。N1、N2、N3施氮水平下各层土壤硝态氮累积量较CK处理提高2.08～12.88 kg/hm2；80～100 cm土层硝态氮累积量增幅高于其他层土壤。随着灌水量增加，0～100 cm土层硝态氮累积量呈现递减趋势，且相同施氮量条件下W1和W3水平下硝态氮累积量差异显著(P<0.05)。除N1W2和N1W3处理外，其他处理硝态氮累积量在0～80 cm土层均随灌水量的增加而减小；在80～100 cm土层随着灌水量的增加而增加，同时80～100 cm硝态氮累积量占0～100 cm的比例由W1水平下的27.43%～28.67%增加到W2、W3水平下的28.62%～37.82%。灌水量的增加使得0～80 cm硝态氮累积量降低，增加了80～100 cm土壤硝态氮累积量，增加了硝态氮向深层土壤淋失的风险。

表2 不同处理不同土层硝态氮的累积量

2.2.3对土壤-作物氮平衡的影响

由表3可以看出，施氮处理的氮素输入方式中肥料氮占比达到40.38%～53.02%，播前无机氮和矿化氮占比19.92%～25.28%和27.06%～34.34%。输出量中作物吸收量占比47.54%～63.60%，是氮素输出的主要方式。随施氮量的增加玉米氮素吸收量呈现先增后减的趋势，N2W3处理较高，与N2W2处理接近。相同施氮量条件下，W2、W3水平下玉米氮素吸收量较W1有明显提高(P<0.05)，相同灌水水平下，N2、N3处理与N1处理差异显著(P<0.05)，施氮灌水处理均较CK处理有明显提高。施氮处理0～100 cm土层土壤残留无机氮量占输出量的比例为23.40%～29.63%，无机氮残留量与CK处理差异显著(P<0.05)。无机氮残留量由高到低表现为N3、N2、N1；相同施氮水平下，无机氮残留由高到低表现为W1、W2、W3，且W1和W3处理差异显著(P<0.05)。N3水平的3个处理无机氮残留量达到156.22～174.27 kg/hm2，与N1、N2处理差异显著(P<0.05)。表观损失量占输出量的比例为10.46%～25.60%。W1处理表观损失量最高，W2处理表观损失量最低。N3施氮量条件下，相同施氮量不同灌水量处理的表观损失量差异显著(P<0.05)。氮素盈余由大到小表现为N3、N2、N1， N2、N3施氮水平下，氮素盈余量随灌水量增加表现为先降低后增加，这与表观损失量的规律相同。灌水施氮处理氮素输出的各项指标均较CK处理有明显提高，且均表现出显著差异(P<0.05)，适宜的水氮管理有助于土壤-作物氮平衡系统向着提高作物吸氮量、减少土壤残留的方向发展，对节约水氮用量和环境保护起到积极作用。

表3 不同处理土壤-作物氮平衡

2.4 不同水氮管理植株对土壤氮素的利用

从表4可知，随着施氮量的增加，玉米植株土壤氮素累积量呈现先增后减的趋势，同一灌水水平下N2处理较N1处理提高7.37%～22.39%，N2处理与N1处理差异显著(P<0.05)。N2、N3施氮水平下植株土壤氮的累积量随着灌水量的增加而增加，相同施氮量W1、W2、W3水平下的植株土壤氮累积量差异显著(P<0.05)，当施氮量为180 kg/hm2时，W2、W3处理植株土壤氮累积量接近，但均与W1处理差异显著(P<0.05)。结合表3和表4可以得出，玉米植株中氮素有66.70%～75.05%来自于对土壤氮的累积，其中占比最高的是N1W3处理，N2W2处理土壤氮累积量达到214.55 kg/hm2，占植株氮素累积量的比例最低。各器官土壤氮累积量由大到小顺序为籽粒、叶、茎(茎和茎鞘)，籽粒、叶、茎、穗轴+苞叶占植株土壤氮累积量比例分别为65.73%～76.01%、13.79%～22.78%、3.94%～7.41%、3.70%～5.37%。叶的土壤氮累积量随施氮量的增加呈现先增后减的趋势，籽粒土壤氮累积量随着灌水量的增加而增加。研究结果表明，中等施氮可以促进茎、叶、籽粒对于土壤氮的累积，而提高灌水量可以促进籽粒吸收土壤中的氮素。

表4 不同处理玉米土壤氮累积量

2.5 不同水氮管理对肥料氮去向的影响

由表5可知，中等施氮水平下，植株肥料氮累积量最高，在氮肥去向中占比最大，当施氮量增加到300 kg/hm2时，土壤15N残留量成为占比最高的部分。植株肥料氮累积量随施氮量和灌水量的增加均呈现先增加后减小的趋势，植株肥料氮累积量由大到小表现为N2、N3、N1和W2、W3、W1，除N1水平外，相同施氮不同灌水处理肥料氮的累积量影响显著(P<0.05)。肥料残留量随着施氮量的增加而增加、随着灌水量的增加而减小，且相同灌水量条件下，N3水平下与N2、N1肥料氮损失量差异显著(P<0.05)，相同施氮量条件下，W1处理肥料氮残留量与W2差异显著(P<0.05)。随着灌水量的增加肥料氮损失量先减少后增加，这与植株肥料氮累积量的趋势相反。从各去向的占比来看，中等施氮条件下植株氮素累积量所占的比例最高，当施氮量由240 kg/hm2增加到300 kg/hm2时，肥料氮残留量和肥料氮损失量所占比例均有所提高，而施氮量300 kg/hm2时肥料利用率为21.67%～31.23%，造成大量的氮肥残留或者损失。N1、N3各处理在灌水量80 mm时损失量以及损失量占比在各自施氮水平下均最高，这说明高灌水有增加肥料损失的风险。