内蒙古典型生态区不同类型向日葵氮肥响应差异

王伟妮，高 娃，郑 硕，郜翻身，苏 伟，李 瑞，李 娜，王小峰

（1.内蒙古自治区土壤肥料学会，内蒙古 呼和浩特 010011；2.鄂尔多斯市土壤肥料和节水农业工作站，内蒙古 鄂尔多斯 017010；3.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；4.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010019；5.内蒙古自治区土壤肥料和节水农业工作站，内蒙古 呼和浩特 010011；6.鄂尔多斯市农业技术推广站，内蒙古 鄂尔多斯 017010；7.鄂尔多斯市杭锦旗农业技术推广中心，内蒙古 杭锦旗 017400）

向日葵作为内蒙古自治区的主要油料作物，在自治区的农业生产中占有相当重要的地位。内蒙古作为我国最大的向日葵主产区，播种面积约占全国向日葵总面积的40%左右，总产量约占全国总产量的44%，位列全国首位，是我国少有的向日葵高产稳产区［1］。向日葵植株高大，生长迅速，养分需求量大，生长过程中必须合理施用肥料才能确保获得高产［2］。然而，长期以来，农民对向日葵的化肥用量没有一个定量的概念，关于向日葵施肥方面的系统研究可借鉴的甚少［3-4］，盲目施肥现象普遍。张君［5］通过对内蒙古河套灌区8 个旗县的调查发现，向日葵施肥目前存在氮磷钾比例失调，氮肥区域分布不均，施肥培肥不足等问题。氮作为蛋白质的组成成分，是影响向日葵生长的重要营养因子。国内研究者在向日葵施氮的增产效果、经济效益、氮素的吸收利用等方面进行了相关研究［3，6-7］，发现氮肥的施用对向日葵有显著的增产增收效果。针对食用向日葵和油用向日葵的氮素吸收特点也有相关研究，但是由于不同地区的研究结果不尽相同，故而不能得出明确的结论。例如：宁夏地区食葵和油葵100 kg 籽粒吸氮（N）量分别为3.8 ～4.9 和3.5 ～4.6 kg［8］，内蒙古河套灌区则分别为4.34 和4.99 kg［3，9］。目前，内蒙古向日葵施肥研究大多是基于某一地区的单个试验而开展的机理和技术研究，缺少区域尺度上的宏观效应研究，且已有的研究主要集中在河套灌区［5，9］，其他区域鲜有报道，故而对于不同生态区之间的施氮反应和氮肥利用效率缺乏明确的认识。因此，了解内蒙古不同生态区食葵和油葵的氮肥效应现状及差异是实现向日葵区域间肥料优化管理的重要基础。本研究利用2006 ～2016 年测土配方施肥项目在内蒙古实施的向日葵“3414”田间肥效试验，明确食葵和油葵在不同生态区的施氮效应和氮肥利用率现状，研究不同生态区之间施氮效应的差异，并分析探讨不同向日葵类型和不同生态区之间基础供氮能力对增产效应的影响，以期为内蒙古向日葵区域尺度上的氮肥科学管理与合理配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区现辖呼和浩特市、包头市、乌海市、赤峰市、通辽市、鄂尔多斯市、呼伦贝尔市、巴彦淖尔市、乌兰察布市、兴安盟、锡林郭勒盟和阿拉善盟共12 个盟市。根据地形、气候和植被等方面差异可分为7 大生态区：大兴安岭北麓区、大兴安岭南麓区、燕山丘陵区、西辽河灌区、河套灌区、阴山北麓区和阴山南麓区。

本研究整理2006 ～2016 年国家测土配方施肥项目在内蒙古自治区布置的392 个向日葵田间试验，其中食用向日葵田间试验202 个，主要分布在河套灌区（HID）的杭锦后旗、临河区、五原县、磴口县和乌拉特前旗，阴山北麓区（NFYM）的乌拉特中旗、乌拉特后旗和四子王旗，燕山丘陵区（HAYM）的翁牛特旗、阿鲁科尔沁旗和巴林右旗；油用向日葵田间试验190 个，主要分布在河套灌区（HID）的临河区、杭锦旗和阿拉善左旗，大兴安岭南麓区（SFGH）的兴安盟农管局、兴安盟吐列毛杜农场和科右中旗，燕山丘陵区（HAYM）的克什克腾旗。食用向日葵田间试验在河套灌区的供试土壤类型主要为灌淤土和盐土，阴山北麓区的供试土壤类型主要为灌淤土和草甸土，燕山丘陵区的供试土壤类型主要为草甸土和栗钙土等；油用向日葵田间试验在河套灌区的供试土壤类型主要为灌淤土、棕钙土、潮土和灰漠土等，大兴安岭南麓区供试土壤类型主要为暗棕壤、黑钙土和草甸土等，燕山丘陵区供试土壤类型主要为黑钙土和灰色森林土。食用向日葵和油用向日葵在各生态区的供试土壤基本理化性状如表1 所示。向日葵供试品种均为各地主栽品种，食用向日葵主要包括黑白边、美葵2103、美葵5009、美葵3148、CL135、SH909、LD1355和LD9091 等，油用向日葵主要包括S33、S31、G101、T562 和TO12244 等。

表1 供试土壤基本农化性状

1.2 试验设计

本研究选取向日葵“3414”田间试验中的处理2（N0P2K2）和处理6（N2P2K2），即不施氮（-N）和施氮（+N）处理。表2 表明，内蒙古不同生态区施氮处理（处理6）的氮肥（N）用量差异较大。食用向日葵表现为阴山北麓区施氮量最高，主要是由于其中的乌拉特中旗和四子王旗施氮量偏高，分别为192 和270 kg/hm2；河套灌区施氮量间差异较小，绝大部分县市都分布在138 ～145.5 kg/hm2之间，平均为141 kg/hm2，低于阴山南麓区；燕山丘陵区的N 用量最低，所有县市的N 用量都≤135 kg/hm2，平均为128 kg/hm2。油用向日葵N用量表现为河套灌区最高，主要是因为杭锦旗施氮量较高，为207 kg/hm2；燕山丘陵区油葵试验仅布置在克什克腾旗，N 用量平均为135 kg/hm2；大兴安岭南麓区N 用量最低，在60 ～100.5 kg/hm2之间，平均仅为74 kg/hm2。总的来看，食用向日葵的施氮量高于油用向日葵，其均值分别为144 和124 kg/hm2。

表2 食用向日葵和油用向日葵的氮、磷、钾肥用量 （kg/hm2）

每个试验点不施氮和施氮处理的磷肥用量一致，钾肥用量也一致，不同生态区磷、钾肥用量的平均值见表2。供试肥料分别为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）和氯化钾（K2O 60%）。氮肥40%作为基肥施用，60%于向日葵现蕾期作为追肥施用，磷、钾肥全部做基肥施用，其他田间管理与农民习惯一致。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤基本农化性状的测定

向日葵播种前，各试验取耕层（0 ～20 cm）土壤样品测定pH 值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。土壤pH 值用电位法，有机质用外加热重铬酸钾容量法，全氮用自动凯氏定氮仪，碱解氮用1.0 mol/L NaOH 扩散法，有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾用1.0 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度法进行测定［10］。

1.3.2 测产

向日葵成熟后，各试验点所有小区实打实收获得籽实产量。

1.3.3 植株全氮的测定

于向日葵成熟期，对部分有代表性的试验进行植株取样，其中食用向日葵和油用向日葵进行取样的试验个数分别为46 和32 个。取样后分经济器官和营养器官分别烘干、粉碎、过筛，采用H2SO4-H2O2消煮法，凯氏法测定全氮含量。

1.4 有关参数的计算［11-13］

氮肥偏生产力（PFPN）（kg/kg）=施氮区产量/施氮量；

氮肥农学利用率（NAE）（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/施氮量；

氮肥吸收利用率（NRE）（%）=（施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量）/施氮量×100；

氮肥生理利用率（NPE）（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/（施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量）；

土壤氮素依存率（SNDR）（%）=无氮区植株总吸氮量/施氮区植株总吸氮量×100。

100 kg 籽粒吸氮量（kg）=植株总吸氮量/籽粒产量×100；

氮肥贡献率（NCR）（%）=（施氮区产量-无氮区产量）/施氮区产量×100。

采用Excel 2010 软件计算和处理试验数据，SPSS 17.0 软件统计分析，最小显著差异法（LSD法）检验处理间在0.05 水平的差异显著性，采用Origin 8.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮对内蒙古不同生态区向日葵产量的影响

内蒙古自治区食用向日葵和油用向日葵的产量在不施氮肥和施用氮肥的条件下均有显著差异（图1），其中食葵无氮区产量平均为2 525 kg/hm2，施氮区产量平均为3 350 kg/hm2；油葵无氮区产量平均为2 746 kg/hm2，施氮区产量平均为3 567 kg/hm2。对于食用向日葵，三大生态区中，河套灌区的无氮区产量最高，阴山北麓区的施氮区产量最高，而燕山丘陵区在不施氮和施氮条件下的产量均为最低。不施氮条件下，河套灌区的食葵产量比阴山北麓区和燕山丘陵区分别高26 和411 kg/hm2；施氮条件下，阴山北麓区的食葵产量比河套灌区和燕山丘陵区分别高191 和642 kg/hm2。由图1 也可以看出，食葵产量在三大生态区中，除河套灌区和阴山北麓区之间差异不显著，其余区域间产量差异两两显著。油用向日葵在三大生态区之间产量差异均为两两显著，其中燕山丘陵区在不施氮和施氮条件下的产量均为最高，而大兴安岭南麓区的产量均为最低。不施氮条件下，燕山丘陵区的油葵产量比河套灌区和大兴安岭南麓区分别高1 149 和2 127 kg/hm2；施氮条件下，燕山丘陵区的油葵产量比河套灌区和大兴安岭南麓区分别高1 097 和2 176 kg/hm2（图1）。

图1 内蒙古不同生态区食用向日葵（A）和油用向日葵（B）施氮的产量效应

2.2 内蒙古不同生态区向日葵施氮增产效果的差异

食用向日葵所在的三大生态区中，阴山北麓区施氮的增产效果最好，平均增产1 000 kg/hm2（47.6%），显著高于河套灌区（780 kg/hm2，35.1%）和燕山丘陵区（740 kg/hm2，35.5%）的增产效果（图2）。图2A 显示，食葵在河套灌区、阴山北麓区和燕山丘陵区的施氮增产量分别主要集中在400 ～1 100、500 ～1 200 和400 ～800 kg/hm2之 间， 所 占 比例分别为58.5%、53.3%和56.3%；分别有1.6%、13.3%和3.1%试验的增产量超过了2 000 kg/hm2。食葵在三大生态区的增产率分布情况也不太一致（图2B），河套灌区、阴山北麓区和燕山丘陵区分别主要分布在15%～50%、20%～60%和20%～45%之间，且分别有1.6%、13.3%和6.3%试验的增产率大于100%。

图2 内蒙古不同生态区食用向日葵和油用向日葵的施氮增产量和增产率

对于油用向日葵来说，大兴安岭南麓区施氮的增产效果最好，增产率平均可达39.3%（增产量773 kg/hm2）；河套灌区的增产效果次之，增产率平均为32.8%（增产量862 kg/hm2）；燕山丘陵区的增产效果最差，增产率仅为18.9%（增产量810 kg/hm2）（图2）。从图2A 可以看出，油葵在河套灌区和大兴安岭南麓区的施氮增产量分别主要集中在500 ～1 200 和500 ～1 000 kg/hm2之间，所占比例分别为52.3%和50.6%；分别有1.8%和1.3%试验的增产量超过了2 000 kg/hm2。油葵在河套灌区和大兴安岭南麓区的施氮增产率分别主要分布在15%～40%和25%～55%之间，且河套灌区有2.8%的试验施氮增产率大于100%（图2B）。油葵在燕山丘陵区的有效试验仅有3 个，故该区施氮增产效果的分布规律不作分析。

2.3 内蒙古不同生态区向日葵氮肥利用效率的差异

图3 内蒙古不同生态区食用向日葵和油用向日葵的氮肥偏生产力和农学利用率

国外通用的氮肥利用率定量指标有氮肥偏生产力（PFPN）、氮肥农学利用率（NAE）、氮肥吸收利用率（NRE）和氮肥生理利用率（NPE），这些指标从不同侧面描述了作物对氮肥的利用效率［14-15］。图3 是利用202 个食用向日葵和190 个油用向日葵田间试验数据得出PFPN和NAE 分布图。图3A 中，食用向日葵在河套灌区的PFPN最高，平均为24.1 kg/kg，略高于阴山北麓区和燕山丘陵区（22.8 和22.7 kg/kg）；油用向日葵在大兴安岭南麓区和燕山丘陵区的PFPN分别平均为39.7 和37.7 kg/kg，显著高于河套灌区（26.2 kg/kg）。由此可见，内蒙古油用向日葵的PFPN显著高于食用向日葵，均值分别为31.9 和23.6 kg/kg，这与油葵产量高且施氮量低有关。图3B 显示，食用向日葵在阴山北麓区的NAE 相较于河套灌区和燕山丘陵区略高，均值分别为6.6、5.6 和5.7 kg/kg；油用向日葵在大兴安岭南麓区的NAE 平均为10.8 kg/kg，显著高于河套灌区和燕山丘陵区（5.6 和6.0 kg/kg）。总的来看，油用向日葵的NAE 显著高于食用向日葵，其均值分别为7.8 和5.8 kg/kg。

从表3 可以看出，食用向日葵和油用向日葵的100 kg 籽粒吸氮量值差异很小，均值分别为4.6和4.7 kg，表明在当前生产条件下，生产100 kg 向日葵籽粒大约需要吸收N 4.5 kg。向日葵氮肥吸收利用率（NRE）在不同试验点间的差异较大，变幅在5.0%～96.8%之间，其中油葵的NRE 显著高于食葵，其均值分别为38.9%和30.1%。向日葵氮肥生理利用率（NPE）的变幅也较大，在4.0 ～100.4 kg/kg 之间；食葵和油葵NPE 的均值基本一致，分别为20.3 和20.8 kg/kg，表明向日葵体内每积累1 kg 肥料氮素大约可增加20 kg 籽粒。土壤氮素依存率（SNDR）反映了土壤氮对作物氮营养的贡献率［16］，其变化范围在43.0%～97.3%之间，食葵和油葵的平均值分别为70.1%和72.5%，充分说明土壤氮素养分对向日葵生长的贡献是相当大的。因此，培肥地力，维持较高的地力对向日葵的高产、高效具有重要意义。

表3 内蒙古不同生态区食用向日葵和油用向日葵的氮肥吸收和利用效率

2.4 内蒙古不同生态区土壤基础供氮能力与向日葵施氮产量、氮肥贡献率的关系

图4 内蒙古不同生态区食用向日葵施氮产量与不施氮产量的关系

不施氮条件下，作物产量的高低可反映土壤的基础供氮能力［17］。研究发现，内蒙古不同生态区的食用向日葵和油用向日葵施氮产量与不施氮产量（土壤基础供氮能力）之间均存在极显著的正相关关系（除燕山丘陵区的油用向日葵因试验样本数太少未做相关性分析），说明土壤基础供氮能力越高，越有利于施肥后获得高产（图4 和5）。图中回归方程斜率反映了土壤基础供氮能力对作物施氮产量的影响程度，不同生态区之间和不同向日葵类型之间回归方程斜率的差异说明向日葵的施氮效应受到生态区环境条件和作物种类的影响。其中，食用向日葵燕山丘陵区土壤基础供氮能力对产量的影响程度明显高于河套灌区和阴山北麓区，油用向日葵大兴安岭南麓区土壤基础供氮能力对产量的影响程度明显高于河套灌区。总体来看，土壤基础供氮能力对油用向日葵产量的影响程度明显高于食用向日葵。另外，不同生态区回归方程的决定系数处于0.629 ～0.799 之间，说明内蒙古自治区向日葵施氮产量60%以上的变异来自土壤基础供氮能力的不同。

图5 内蒙古不同生态区油用向日葵施氮产量与不施氮产量的关系

图6 和7 显示，除燕山丘陵区，其他区域的食用向日葵和油用向日葵的氮肥贡献率与不施氮产量之间均存在显著的对数关系，氮肥贡献率随不施氮产量的增加而显著降低，说明土壤基础供氮能力越高，向日葵对外源氮肥的依赖越低。但是，不同向日葵类型不同生态区之间回归方程的曲线斜率也存在明显差异，其中食用向日葵表现为河套灌区＞阴山北麓区＞燕山丘陵区，油用向日葵表现为河套灌区＞大兴安岭南麓区（图6 和7）。总体来看，食用向日葵回归方程的曲线斜率明显高于油用向日葵，表明随土壤基础供氮能力的提高，氮肥对食用向日葵产量贡献的降幅更大，而油用向日葵则相对较小。

3 讨论

氮肥在向日葵生产中发挥着重要作用，食葵和油葵施氮后的增产幅度均可达35%。然而，由于不同向日葵类型的基础产量和施氮量不同，故食葵和油葵的施氮效果与氮肥利用率均存在差异。食葵施氮的增产幅度（38.3%）高于油葵（35.4%），氮肥利用率（PFPN、NAE、NRE、NPE）则低于油葵，这是由于食葵的施氮量高于油葵所致。据前人研究结果［8］，食葵与油葵对氮素的吸收规律基本相同，不同生育期氮含量的变化趋势相近，每形成100 kg籽粒所吸收的N 量基本一样，这一结论与本研究结果基本一致。然而，本结果与李庆文等［18］报道的每生产100 kg 籽粒食葵需N 6.22 kg，油葵需N 7.44 kg 有所不同，这可能与土壤条件不同有关，具体原因有待进一步研究。

内蒙古四大生态区的向日葵产量水平、施氮效果和氮肥利用率均存在显著差异，这可能是受光照、降水、土壤等自然条件以及施肥、栽培等人为因素的综合影响［19-20］。河套灌区日照充足，光能丰富，昼夜温差大，无霜期短，非常适宜向日葵种植［21］。该区域的食葵和油葵施氮后的产量均处于较高水平，然而由于其基础产量也较高，故相对增产率较低，氮肥农学利用率和氮肥贡献率也相对偏低。该区向日葵施氮产量受土壤基础供氮能力影响程度较小，而受外源氮肥影响程度较大，说明当前河套灌区较低的土壤肥力导致向日葵只能更多的依赖于外源氮肥来获得高产，而这进一步导致了较低的氮肥利用率。因此，考虑到河套灌区的土壤和气候条件，该区域的向日葵种植应重视土壤培肥，提高地力水平，同时推广适宜的水肥高效利用技术，以水促肥获得高产。

图6 内蒙古不同生态区食用向日葵氮肥贡献率与不施氮产量的关系

图7 内蒙古不同生态区油用向日葵氮肥贡献率与不施氮产量的关系

大兴安岭南麓区光照、积温相对不足，自然灾害严重，而且该区域部分地区为森林植被系统，部分土壤呈酸性或微酸性，养分含量测定值尽管很高，但由于施肥量相对较低，因此该区油葵产量较低。然而，该区油葵施氮的增产效果和氮肥利用效率明显较河套灌区和燕山丘陵区高。这可能是因为该区域的土壤有机质和全氮含量较高，氮肥施用后产生的激发效应促进了土壤养分供应，因而氮肥增产效果较好［22］。另一方面，大兴安岭南麓区油葵施氮量普遍偏低，78%以上的旗县施氮量≤75 kg/hm2，平均施氮量较河套灌区和燕山丘陵区分别低85 和61 kg/hm2，故其氮肥偏生产力和农学利用率均最高。鉴于以上分析，该区域向日葵生产应在结合其他栽培措施的基础上，适当增施氮肥以促进植株发育、提高光合能力、增加产量［23-24］。另外，燕山丘陵区的食葵和大兴安岭南麓区的油葵施氮产量均表现为受土壤基础供氮能力影响程度较大，而受外源氮肥影响程度较小，这是因为这两个区域的土壤肥力水平相对偏高而氮肥用量相对偏低。因此，燕山丘陵区和大兴安岭南麓区的向日葵栽培应在现有基础上适当增加氮肥用量，同时配合其他栽培措施来提高产量。

本研究还发现，氮肥对向日葵产量的贡献率随土壤基础供氮能力的提高而显著下降，说明维持较高的土壤供氮能力可减少向日葵对外源氮肥的需求。在目前大力实施化肥负增长的战略背景下，内蒙古应大力推广平衡施肥、增施有机肥、深耕深松、秸秆还田以及水肥一体化等技术措施提高耕地质量，实现化肥负增长。同时，兼顾大区域与小环境，保证氮肥合理分配，实现向日葵的高产高效。

4 结论

氮肥施用是当前生产条件下保障内蒙古向日葵高产的重要措施。食用向日葵相较于油用向日葵，施氮增产幅度高而氮肥利用率低，故食用向日葵较油用向日葵更应重视氮肥的管理和调控，并结合其他栽培措施提高产量水平和氮肥利用效率。根据区域气候环境特点和向日葵氮肥响应特征，建议河套灌区的食葵和油葵生产中均应积极进行土壤培肥，提高土壤基础供氮能力，从而获得高产高效；燕山丘陵区的食葵和大兴安岭南麓区的油葵可在现有基础上适度增加施氮量，同时配合其他栽培措施增加产量；阴山北麓区的食葵应以维持作物需求为标准适当减少施氮量，尤其是四子王旗和乌拉特中旗。