内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标和推荐施氮量

米春娇, 孙洪仁*, 王显国, 高 凯, 张玉霞, 刘庭玉

(1.中国农业大学草业科学与技术学院， 北京 100193； 2.内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028000)

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；部分研究表明，施氮不仅没有促进紫花苜蓿生长，反而造成减产；亦有很多研究证明，紫花苜蓿施氮增产效果明显[1]。大量作物施氮研究表明，土壤氮素含量存在一个因作物种类而异的临界值，高于临界值施氮无效，低于临界值施氮有效[2]。但紫花苜蓿土壤氮素含量临界值是多少，至今尚不得而知。

施足植物生长过程所有缺乏养分的试验处理称作全肥处理，未施某种养分、其它养分施用量与全肥处理相同称为缺素处理；缺素处理作物产量与全肥处理作物产量的比值是缺素处理相对产量；缺素处理相对产量100%所对应的土壤养分含量即为施用该种养分是否有效的临界值[3-4]。确定作物土壤养分含量临界值，需建立作物缺素处理相对产量与土壤养分含量回归方程；利用所得回归方程，可计算任意缺素处理相对产量，例如95%，90%，80%，70%…对应的土壤养分含量，此结果即为作物土壤养分丰缺指标，是作物土壤养分丰缺级别划分依据[5-6]。在此基础上，再确定出不同目标产量和肥料利用率情形下的不同丰缺级别土壤的适宜施肥量，即可建成作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统[7-9]。建立作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统工程巨大，开展多年、多点田间试验需要耗费大量人力、物力、财力和时间，因此包括紫花苜蓿在内的许多作物和许多地域难以实现[10]。孙洪仁研究团队创建了以“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”，成功地克服了这一难题，并建立了若干作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统[11-14]。

内蒙古高原为我国紫花苜蓿重要产区，建立土壤养分丰缺指标推荐施肥系统对紫花苜蓿生产具有重要意义。为了解决紫花苜蓿是否需要施氮、确定紫花苜蓿土壤氮素含量的临界值、探讨生长第1年与生长第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标的差异、给内蒙古高原紫花苜蓿测土施氮提供科学依据，本研究采用孙洪仁研究团队创建的“作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法”，开展了内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标推荐施肥系统研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域主要包括鄂尔多斯高原、内蒙古高原(含河北坝上地区)和科尔沁草原的内蒙古部分。该区位于干旱、半干旱带，年均降水200～500 mm；主体植被类型为草原；主体土壤为栗钙土和风沙土；土壤较为贫瘠，养分含量较低，风沙为害较重；雨养和灌溉农业并存。

1.2 数据来源

利用中国知网等数据库资源，采用“苜蓿-施肥”和“苜蓿-氮”检索式，检索我国内蒙古高原2020年底以前发表的紫花苜蓿施氮试验文献，从中提取土壤碱解氮、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，其他养分用量与施氮处理相同)产量数据。

1.3 数据处理

1.3.1计算相对产量 利用施氮处理和缺氮处理产量数据计算缺氮处理相对产量(缺氮与施氮处理产草量之比值)。

R=Y-N÷YN

(1)

式中R为“缺氮处理相对产量”，Y-N为“缺氮处理产量”，YN为“施氮处理产量”。

1.3.2建立回归方程 利用Excel表，采用自然对数和直线2种模型，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。

1.3.3确定丰缺指标 利用所得回归方程和土壤养分丰缺分级改良方案[15]，确定第1～11级的缺氮处理相对产量下限依次为100%，90%，80%……20%，10%和0%。利用本研究建立的回归方程计算各丰缺级别缺氮处理相对产量起讫点数值0%，10%，20%……80%，90%和100%所对应的土壤氮素含量。对于计算得到的超出本研究试验数据范围的外推数据，高端和低端分别至多保留1个。

1.4 推荐施氮量

利用“养分平衡-地力差减法”新应用公式(式(2))[16-17]计算推荐施氮量。

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中:F为养分推荐养分施用量，R为缺素处理相对产量，A为目标产量养分移出量，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(N)移出量确定为30 kg·t-1[18]。内蒙古高原苜蓿单产范围为9～18 t·hm-2，因此设定如下7个目标产量：9，10.5，12，13.5，15，16.5和18 t·hm-2。上述各目标产量氮素(N)移出量依次确定为270，315，360，405，450，495和540 kg·hm-2。氮肥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个氮肥利用率用于推荐施氮量计算。

2 结果与分析

2.1 内蒙古高原紫花苜蓿施氮试验文献及与土壤氮素丰缺指标研究相关信息

搜集到在我国内蒙古高原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试验文献总计27篇。其中2000—2009年4篇[19-22]，2010—2020年23篇[23-45]；盆栽试验3篇[24-25,43]，其余为田间试验；含种子生产数据3篇[20,36,39]，其余为牧草生产数据。上述研究涉及19个县域，至少16个品种，土壤类型以栗钙土和风沙土为主，也包括黄土、草甸土和盐化潮土等。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61，39和80组，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61，39和80对。内蒙古高原紫花苜蓿施氮试验文献中与土壤氮素丰缺指标研究的相关信息如表1所示。

表1 内蒙古高原紫花苜蓿施氮试验文献中与土壤氮素丰缺指标研究相关信息

2.2 内蒙古高原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，建立内蒙古高原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的回归关系图(图1～图3)和回归方程(表2)。土壤碱解氮含量与缺氮处理相对产量回归方程皆达到了极显著水平(P<0.01)，且相关系数较高，皆在0.6以上。生长第1年紫花苜蓿土壤全氮含量与缺氮处理相对产量直线型回归方程未达到显著水平，生长第2年及以上者土壤全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量2种模型回归方程均未达到显著水平，且土壤有机质含量相关系数很低，在0.2以下。生长第1年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的相关系数皆明显高于生长第2年及以上者。直线型回归方程的相关系数与自然对数型较为接近。

图1 内蒙古高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤碱解氮含量的回归关系

图2 内蒙古高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤全氮含量的回归关系

图3 内蒙古高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤有机质含量的回归关系

2.3 内蒙古高原紫花苜蓿若干节点土壤氮素含量

内蒙古高原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如表2所示。关于土壤氮素含量节点值的外推数据数量，生长第1年紫花苜蓿少于生长第2年及以上者；自然对数少于直线模型。生长第1年紫花苜蓿土壤碱解氮含量高端节点值略高于生长第2年及以上者，而低端则相反。缺氮处理相对产量80%及以下之土壤氮素含量低端节点值，自然对数模型明显高于直线模型；缺氮处理相对产量90%及以上之土壤氮素含量高端节点值，两种模型互有高低。自然对数模型节点值皆为正数，直线模型节点值存在负数。直线模型缺氮处理相对产量60%及以下节点值皆为负数。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低，土壤氮素含量节点值的外推数据数量越多，且高端节点值越高，低端节点值越低。

表2 内蒙古高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归方程及若干节点土壤氮素含量

生长第1年、生长第2年及以上和所有生长年限紫花苜蓿缺氮处理相对产量95%对应的土壤碱解氮含量节点值依次为32.5(29.9～35.0)，29.7(27.9～31.5)和33.5(30.6～36.3)mg·kg-1，100%依次为46.1(45.6～46.5)，40.0(39.6～40.4)和48.3(48.0～48.5)mg·kg-1。生长第1年和所有生长年限紫花苜蓿缺氮处理相对产量95%对应的土壤全氮含量节点值分别为1.09(0.99～1.18)和1.23(1.14～1.32)g·kg-1，100%分别为1.46(1.38～1.54)和1.67(1.63～1.71)g·kg-1。生长第1年和所有生长年限紫花苜蓿缺氮处理相对产量95%对应的土壤有机质含量节点值分别为12.8(12.3～13.3)和14.2(14.0～14.3)g·kg-1，100%分别为16.5(16.4～16.5)和19.9(18.5～21.2)g·kg-1。

2.4 内蒙古高原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内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标如表3所示。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。采用自然对数模型划分出来的土壤氮素丰缺级别数量明显多于直线模型。第1和2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 内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

2.4 内蒙古高原紫花苜蓿推荐施氮量

内蒙古高原紫花苜蓿推荐施氮量如表4可知。紫花苜蓿推荐施氮量与土壤氮素丰缺级别线性负相关，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肥利用率线性负相关，氮肥利用率越高，推荐施氮量越低。当氮肥利用率40%时，内蒙古高原紫花苜蓿第1～6级土壤推荐施氮量分别为0，68～135，135～270，203～405，270～540和338～675 kg·hm-2。

表4 内蒙古高原紫花苜蓿推荐施氮量

3 讨论

3.1 生长年限与内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

生长年限是否影响紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标，至今未见任何报道[18]。本研究结果表明，生长年限对内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标具有明显影响。生长第1年紫花苜蓿根系共生固氮能力逐渐增强，而生长第2年及以上者根系共生固氮能力已经成熟。有鉴于此，应该采用生长第1年紫花苜蓿和生长第2年及以上者分别建立之回归方程所计算得到的土壤氮素丰缺指标。但生长第2年及以上紫花苜蓿土壤全氮和有机质含量与缺氮处理相对产量回归方程未达到显著水平，只能采用未区分生长年限的全体统一指标。

3.2 回归模型与内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

回归模型对燕麦(AvenaL.)、甘蔗(SaccharumL.)和马铃薯(SolanumtuberosumL.)等作物土壤氮素丰缺指标具有较大影响[46-48]。本研究结果与其一致。内蒙古高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤氮素含量2种模型回归方程的相关系数较为接近，而自然对数模型外推节点值数量较少、节点值皆为相对合理之正数、划出丰缺级别数量较多，总体评价优于直线模型。因此，本研究采用自然对数模型回归方程计算结果。

3.3 内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

蔺蕊等[49]的少量盆栽试验初步研究表明，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-1，本研究结果(29.9～35.0 mg·kg-1)较其略低。我国东北大豆[50-52]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-1，远高于本研究结果(27.9～36.3 mg·kg-1)。内蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标明显低于东北大豆，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力强于大豆所致。

3.4 内蒙古高原紫花苜蓿推荐施氮量

本文引用紫花苜蓿施肥试验文献[19-45]的推荐施氮量范围为30～300 kg·hm-2。当氮肥利用率40%时，本研究第1～3级土壤的推荐施氮量与上述文献相当。

张福锁等[53]针对我国主要作物的推荐施氮量范围为0～750 kg·hm-2。当氮肥利用率40%时，本研究第1～6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之推荐施氮量范围与我国主要作物接近，当是许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。

4 结论

紫花苜蓿土壤氮素含量存在临界值，高于临界值无需施氮，低于临界值需要施氮。生长第1年与生长第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标存在差异。本研究初步建立了内蒙古高原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。