寒地黑土不同水氮运筹下玉米氮素利用的15N示踪分析

2021-06-25张作合孔凡丹郑美玉

绥化学院学报 2021年6期

张作合孔凡丹郑美玉

（绥化学院农业与水利工程学院黑龙江绥化 152061）

玉米生长对氮肥的需求量最大，因此氮肥的施用将直接影响玉米的产量和品质[1-2]。近些年来，尽管氮肥投入量较高，但许多地区玉米产量的增长明显放缓，甚至停滞不前[3]。在玉米产量不明显增加的情况下，过量的氮肥投入会导致氮肥利用率降低[4]。为了提高氮肥利用率和减少氮的损失，提出了施用控释肥料[5]、深埋[6]和综合管理技术[7]等方法，然而，这些方法的应用受到劳动成本、经济因素和技术的限制。相比之下，水氮运筹更容易在玉米生产中推广应用[8]，它能够提高氮肥利用率，增加玉米产量。

本文采用大田试验与15N示踪微区结合的方法，研究不同水氮运筹下，玉米植株对土壤氮素和肥料-15N的吸收情况及各器官中土壤氮素和肥料-15N的累积情况，同时计算玉米的氮肥吸收利用率和农学利用率，以期为玉米高产、氮肥利用率的提升提供理论依据和技术支撑。

一、材料与方法

（一）试验区概况。试验于2017年5月至9月，在黑龙江省大庆市肇州县试验中心(125°17′57.70″E，45°42′57.50″N)进行，该区属典型的寒地黑土旱作物（玉米、大豆等）试验区，位于第一积温带，生育期平均降雨量在390mm左右，平均蒸发量为1700mm，全年无霜期138d左右。供试土壤为黑钙土，0～20cm土壤基础理化性质：有机质质量比28.20g/kg、全氮质量比1.41g/kg、全磷质量比0.88g/kg、全钾质量比19.86g/kg、碱解氮质量比0.13g/kg、速效磷质量比0.04g/kg、速效钾0.21g/kg。供试玉米品种为良玉99，每公顷保苗67500株。

（二）试验设计。本试验采用灌水量和施氮量2因素全面试验，其中灌水量设置W1(200m3/hm2)和W2(400m3/hm2)2个水平，施氮量设置N0(不施氮)、N1(200kg/hm2)、N2(250kg/hm2)和N3(300kg/hm2)4个水平，8个处理，每个处理3次重复，共计24个处理。在每个小区内设置微区，微区为0.96m×0.46m×0.4m的无底钢板矩形框。全生育期只在拔节期和灌浆期各灌一次水，灌水方式选择滴灌，滴头布置间距20cm，滴头保证工作压力0.1MPa，滴头流量为2L/h。氮肥小区施用普通尿素，微区施用丰度为10.22%的15N标记尿素（上海化工研究院生产），基肥：拔节肥按2：1分施；磷肥、钾肥作为基肥一次性施入，K2O和P2O5施入量均为90kg/hm2。供试肥料选择尿素(含N46.4%)、过磷酸钙(含P2O512%)、硫酸钾(含K2O52%)，并换算成实际化肥施入量。微区内玉米的种植密度、肥料用量及灌水量与所在的试验小区相同。

（三）样品的采集与测定。

干物质量及植株氮含量：利用AA3型连续流动分析仪测定各部位全氮含量。

土壤和植株氮原子百分比：稳定同位素测试在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完成，将密封保存的样品带回实验室，采用同位素质谱仪(美国，DELTA V Advantage)和元素分析仪(美国，Flash 2000HT)联用的方法[9-10]来测定成熟期玉米各器官和籽粒15N的丰度。

在玉米成熟期进行测产，并计算小区产量。

（四）计算方法和数据分析。氮肥利用率相关指标计算如下：

数据分析和处理采用WPS2019、SPSS13.0，用Duncan进行处理间的多重比较，用WPS2019和Origin8.0软件作图。

二、结果与分析

（一）水氮运筹下成熟期玉米植株中肥料和土壤氮素的积累量。由图1可知，不同水氮运筹下玉米植株对肥料氮素吸收量占总量的25.46%～40.99%，对土壤中氮素的吸收量占总量的59.01%～74.54%，各处理玉米植株吸收土壤中的氮素均显著高于植株吸收肥料中的氮素(P＜0.05)，故不同水氮运筹下玉米各器官中氮素主要来自于土壤。

图1 不同处理成熟期玉米植株中肥料和土壤氮素的累积量

（二）水氮运筹下成熟期玉米各器官中肥料氮素和土壤氮素占比。由图2可知，比较成熟期玉米植株不同器官中的氮素来自肥料占比（Ndff）和土壤占比（Ndfs），发现成熟期肥料氮素在玉米植株各器官的分布差异较大。玉米植株茎秆中的氮素来自肥料占25.84%～35.32%，相同灌水量下植株茎杆中的氮素来自肥料占比都随着氮肥施入量的增加而增加，相同施氮水平下两种灌水量之间植株茎秆中的氮素来自肥料占比存在差异；成熟期玉米植株叶片中的氮素来自肥料占27.95%～40.09%，相同灌水量下植株叶片中的氮素来自肥料占比都随着氮肥施入量的增加而增加，各处理之间存在一定差异；成熟期玉米植株籽粒中的氮素来自肥料占23.78%～43.28%，相同灌水量下植株籽粒中的氮素来自肥料占比都随着氮肥施入量的增加而增加，且不同氮肥施用水平之间差异显著(P＜0.05)。玉米植株茎秆中的氮素来自土壤占64.68%～74.16%，相同灌水量下植株茎杆中的氮素来自土壤占比都随着氮肥施入量的增加而减少，相同施氮水平下两种灌水量之间植株茎秆中的氮素来自土壤占比存在差异；成熟期玉米植株叶片中的氮素来自土壤占59.91%～72.05%，相同灌水量下植株叶片中的氮素来自土壤占比都随着氮肥施入量的增加而减少，各处理之间存在一定差异；成熟期玉米植株籽粒中的氮素来自土壤占56.72%～76.22%，相同灌水量下植株籽粒中的氮素来自土壤占比不同氮肥施用水平之间差异显著(P＜0.05)，且随着氮肥施入量的增加而减小。

图2 不同处理成熟期玉米各器官中肥料和土壤氮素占比

如图2所示，选择氮肥吸收利用率（NUE）和农学利用率（NAE）两个指标来衡量玉米氮肥利用率。各处理之间的NUE 差异显著(P＜0.05)，W2N1、W2N2、W2N3处理分别较W1N1、W1N2、W1N3提高11.93%、8.17%、10.26%，W2N2处理的NUE最大为39.19%，分别较W2N1和W2N3处理提高23.94%和1.43%，说明增加灌水量和增施氮肥均能提高玉米的氮肥吸收利用率，其中灌水量为400m3/hm2和施氮量为250kg/hm2时氮肥吸收利用率提高幅度更大；W2N1、W2N2、W2N3处理玉米的NAE分别较W1N1、W1N2、W1N3提高0.35%、13.81%、15.52%，W2N2处理的NAE最大为17.65kg/kg，分别较W2N1和W2N3处理提高25.85%和7.59%，说明增加灌水量和增施氮肥均能提高玉米的农学利用率，其中灌水量为400m3/hm2和施氮量为250kg/hm2时农学利用率提高幅度更大。与其他处理相比，W2N2处理的NUE和NAE均为最高，从氮肥利用率角度来看，所有处理中W2N2处理最优。