西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标和推荐施氮量初步研究

孙洪仁 穆尼热·买买提 沙吾列·沙比汗 卜耀军 乔 楠

(1.中国农业大学 草业科学与技术学院，北京 100193；2.新疆畜牧科学院 草业研究所，乌鲁木齐 830000；3.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是否需要施氮，至今仍存在较大争议。许多学者认为，紫花苜蓿与根瘤菌共生，能够固定大气氮素而满足自身需求，无需施氮；一些研究表明，施氮不仅没有促进紫花苜蓿生长，反而造成减产；亦有一些研究证明，紫花苜蓿施氮增产效果明显[1]。作物施氮是否有效，取决于因作物种类而异的土壤氮素含量临界值，高于临界值便无效，低于临界值则有效[2]。然而紫花苜蓿土壤氮素含量临界值至今未被确定。生长第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力与生长第2年及以上者不同，二者间土壤氮素含量临界值是否存在差异更是无人知晓。

确定作物土壤养分含量临界值的方法是建立作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程，缺素处理相对产量100%对应的土壤养分含量即为该养分施用有效与否的临界值[3]。利用上述回归方程，还可以计算任意相对产量，如95%、90%、80%、70%、…对应的土壤养分含量，这些数值即为土壤养分丰缺指标，是土壤养分丰缺级别的划分依据[4]。再给不同丰缺级别土壤配以适宜的推荐施肥量，则作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统得以建成[5]。

建立作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统需要开展多年和多点的田间试验，工程颇为巨大，需要耗费大量人力、物力、财力和时间，许多小作物(包括紫花苜蓿)以及大作物的一些非集中产区难以实现[6]。本研究团队前期创建了以“零散实验数据整合法”和“养分平衡-地力差减法新应用公式”为核心的“作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法”。该方法将众多学者们多年来在各地开展的零散施肥实验结果整合起来，建立作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程，进而确定土壤养分丰缺指标和划分土壤养分丰缺级别；利用“养分平衡-地力差减法新应用公式”直接计算不同目标产量和不同养分利用率情形下的不同丰缺级别土壤的推荐施肥量，有效地克服了上述难题，成功地建立了若干作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统[7-14]。

西北荒漠绿洲区为我国紫花苜蓿重要产区，生产水平较高，创造了我国紫花苜蓿单产记录。针对该区域紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标的研究十分薄弱，仅蔺蕊[15]采用盆栽实验法进行了小样本初步探索，这也是全球仅有的一项紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标研究。本研究采用前期创建的“作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法”，开展西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标推荐施肥系统研究，旨在解决紫花苜蓿是否需要施氮的争议，确定紫花苜蓿土壤氮素含量临界值，为西北荒漠绿洲区紫花苜蓿测土施氮提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区域自然概况

西北荒漠绿洲区包括新疆全境、甘肃河西走廊、内蒙古阿拉善盟、巴彦淖尔市以及宁夏银川平原，该区域极度干旱少雨，年均降水200 mm以下；主体植被类型为荒漠；主体土壤为荒漠土壤，包括灰漠土、灰棕漠土和棕漠土3大类；土壤贫瘠，养分含量低，风沙和盐碱为害较重；主体农业类型为依托高山冰雪融水灌溉而形成的绿洲农业。

1.2 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

检索我国西北荒漠绿洲区紫花苜蓿施氮研究文献，提取土壤碱解氮、全氮和有机质含量数据，以及施氮处理和缺氮处理(未施氮素，其它养分施用量与施氮处理相同)产量数据。利用公式计算缺氮处理相对产量(缺氮与施氮处理产量的比值)。公式如下：

R-N=Y-N÷YN

(1)

式中：R-N为缺氮处理相对产量，%；Y-N为缺氮处理产量，t/hm2；YN为施氮处理产量，t/hm2。

采用Excel分别建立土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程，利用所得回归方程和土壤养分丰缺分级改良方案[16]对土壤碱解氮、全氮和有机质丰缺进行分级，高端和低端分别至多保留1个外推数据。

1.3 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿推荐施氮量

利用“养分平衡-地力差减法新应用公式”[17-18]计算推荐施氮量。公式如下：

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中：F为养分推荐施用量，kg/hm2；R为缺素处理相对产量，%；A为目标产量养分移出量，kg/hm2；E为养分利用率，%。

单位经济产量(干草，含水量14%)紫花苜蓿氮素移出量确定为30 kg/t[19]。西北荒漠绿洲区苜蓿单产范围为12.0～27.0 t/hm2，因此设定如下11个目标产量：12.0、13.5、15.0、16.5、18.0、19.5、21.0、22.5、24.0、25.5和27.0 t/hm2，上述各目标产量氮素移出量依次确定为360、405、450、495、540、585、630、675、720、765和810 kg/hm2。氮素利用率因施肥方式等因素通常变动于30%～50%之间，本研究选30%、40%和50%等3个氮素利用率用于推荐施氮量计算。

2 结果与分析

2.1 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿施氮实验文献及与土壤氮素丰缺指标研究相关信息

搜集到在我国西北荒漠绿洲区开展的含有土壤碱解氮(或全氮和有机质)含量和缺氮处理的紫花苜蓿施氮实验文献总计32篇，其中1990—1999年1篇[20]，2000—2009年9篇[21-29]，2010—2020年22篇[30-51]；盆栽实验1篇[21]，余者为田间实验；种子生产3篇[27,32,48]，余者为牧草生产。上述研究涉及县域16个，品种至少13个。从上述文献中分别提取出土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理和施氮处理产草量配套数据54、32和62组，进而分别得到土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量配套数据54、32和62对。实验土壤碱解氮、全氮和有机质含量范围依次为14.2～101.0 mg/kg、0.17～1.16 g/kg和0.7～20.1 g/kg；施氮量和缺氮处理相对产量范围分别为14～420 kg/hm2和37%～134%。

2.2 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素含量与缺氮处理相对产量回归方程

剔除少量明显偏离群体数据对以后，建立西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤碱解氮、全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程(表1)。除生长第1年紫花苜蓿土壤全氮含量与缺氮处理相对产量回归方程未达到显著水平(P>0.05)外，其余皆达到了显著水平(P<0.05)。土壤有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程的相关系数略高于土壤全氮和碱解氮含量。生长第1年紫花苜蓿土壤碱解氮和有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程的相关系数明显高于生长第2年及以上者。

表1 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归方程Table 1 The regression equations between relative yields of no N treatment and soil N concentration for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.3 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿若干节点土壤氮素含量

西北荒漠绿洲区与土壤养分丰缺分级相关联的紫花苜蓿缺氮处理相对产量50%～100%之间若干节点土壤氮素含量见表2。关于若干节点土壤氮素含量的外推数据数量，有机质最少，全氮最多，碱解氮介于二者之间。除全氮外，生长第1年紫花苜蓿若干节点土壤氮素含量的外推数据数量少于生长第2年及以上者。

表2 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿若干缺氮处理相对产量对应的土壤氮素含量Table 2 Soil N concentration corresponding to several relative yields of no N treatment for alfalfa in the northwest desert oasis of China

生长第1年紫花苜蓿若干节点土壤碱解氮和全氮含量明显高于生长第2年及以上者，生长第1年紫花苜蓿缺氮处理相对产量80%及以下有机质含量明显高于生长第2年及以上者，缺氮处理相对产量90%～100%有机质含量低于生长第2年及以上者。

2.4 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

利用相关系数达到显著水平的回归方程确定西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标(表3)。缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归方程的相关系数越高，划分出来的土壤氮素丰缺级别越多；反之，相关系数越低，划分出来的丰缺级别越少。第3级丰缺指标皆为非外推数据，其它各级别都或多或少存在一些外推数据。

表3 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标Table 3 The rich-lack index of soil N for alfalfa in the northwest desert oasis of China

2.5 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿推荐施氮量

西北荒漠绿洲区紫花苜蓿推荐施氮量见表4。紫花苜蓿推荐施氮量与土壤氮素丰缺级别呈线性负相关，丰缺级别越高，适宜施氮量越低，直至为零。紫花苜蓿推荐施氮量与目标产量呈线性正相关，目标产量越高，推荐施氮量越高。紫花苜蓿推荐施氮量与氮素利用率呈线性负相关，氮素利用率越高，推荐施氮量越低。当氮素利用率40%时，西北荒漠绿洲区紫花苜蓿第1～7级土壤推荐施氮量分别为0、90～203、180～405、270～608、360～810、450～1 013 和540～1 215 kg/hm2。

表4 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿推荐施氮量Table 4 The recommended N application rates for alfalfa in the northwest desert oasis of China

3 讨论与结论

3.1 生长年限对西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标的影响

生长年限是否对紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标具有影响，尚未见报道。本研究结果表明，生长第1年紫花苜蓿和生长第2年及以上者土壤氮素丰缺指标差异明显。该差异产生的原因可能是生长第1年的紫花苜蓿根系共生固氮能力处于从弱到强的逐渐成长阶段，而生长第2年及以上者根系共生固氮能力已经趋于或达到成熟。因此，建议在开展紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标研究时应当区分生长年限。

3.2 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

蔺蕊等[18]研究表明，新疆昌吉生长第1年紫花苜蓿缺氮处理相对产量95%对应的土壤碱解氮指标为40 mg/kg，本研究结果为66 mg/kg，明显较其为高。蔺蕊等[18]的研究仅为盆栽试验，且样本数量较小(n=5)，比较而言，本研究结果更为可信。

我国东北大豆[52-54]缺氮处理相对产量95%对应的土壤碱解氮指标研究结果为169～428 mg/kg，小麦[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麦[58]、马铃薯[59]和甜菜[60]缺氮处理相对产量100%对应的土壤碱解氮指标范围为150～600 mg/kg，远高于本研究结果(54～66 mg/kg)；我国小麦[55]、玉米[56]、水稻[57]、燕麦[58]、马铃薯[59]和甘蔗[61]缺氮处理相对产量100%对应的土壤全氮指标范围为2.0～5.0 g/kg，明显高于本研究结果(1.4 ～1.9 g/kg)；我国小麦[55]、玉米[56]和水稻[57]缺氮处理相对产量100%对应的土壤有机质指标研究结果集中于30至60 g/kg之间，明显高于本研究结果(15～21 g/kg)。紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标明显低于我国主要作物，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力十分强大所致。

3.3 西北荒漠绿洲区紫花苜蓿推荐施氮量

本研究引用紫花苜蓿施肥实验文献[20-51]的推荐施氮量范围为14～420 kg/hm2。当氮肥利用率为40%时，本研究第1～3级土壤的推荐施氮量与这些实验文献的推荐施氮量大体一致。张福锁等[62]针对我国主要作物的推荐施氮量范围为0～750 kg/hm2。当氮肥利用率40%时，本研究第1～5级土壤之推荐施氮量与其较为接近。固氮能力十分强大的紫花苜蓿推荐施氮量范围与我国主要作物接近，可能是很多用于紫花苜蓿种植的土地过于贫瘠和紫花苜蓿单位面积蛋白质产量大大高于其它作物所致，也可能是回归方程的样本数量不够大，少数单向偏离群体数据导致土壤养分丰缺的过低级别出现。

3.4 紫花苜蓿是否需要施氮

紫花苜蓿是否需要施氮之争旷日持久[1]。本研究结果表明，当土壤氮素含量高于某一临界值(如碱解氮含量约为80 mg/kg)时，施氮无效，无需施氮；低于该临界值时，则需要施氮。紫花苜蓿是否需要施氮的争议应当终止于此，争议焦点应转入临界值高低和施氮量多少及其影响因素。本研究初步建立了西北荒漠绿洲区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标推荐施肥系统，为该区域紫花苜蓿测土施氮提供了科学依据。