黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标和推荐施氮量初步研究

2022-04-15孙洪仁王显国卜耀军乔楠任波

草业学报 2022年4期

孙洪仁，王显国，卜耀军，乔楠，任波

（1.中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193；2.榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000；3.陕西省榆林市榆阳区草原工作站，陕西榆林 719000）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是否需要施氮，至今仍存在较大争议［1］。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，无须施氮；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。那么，究竟在什么情形下紫花苜蓿施氮会无效甚或减产，而又在什么情形下紫花苜蓿施氮会增产呢？

大量研究［2-12］表明，土壤养分含量与施肥效果密切相关。土壤养分含量越低，施肥效果越好；反之，土壤养分含量越高，施肥效果越差，甚或造成减产。那么，土壤氮素含量是否会影响紫花苜蓿施氮效果呢？若然，施氮无效的土壤氮素含量临界值是多少？土壤氮素含量临界值以下，施氮量又该如何确定？

确定作物施肥量的方法有4种，分别为肥料效应函数法、养分平衡-地力差减法、养分平衡-土壤有效养分校正系数法和土壤养分丰缺指标法［2-12］。因时间有效性长、地域有效性广、简便易行等优点，由Bray［2］先生开创的土壤养分丰缺指标法在世界各国广为应用，已经成为测土推荐施肥的经典和标准方法。

我国针对紫花苜蓿土壤养分丰缺指标的研究起步晚、数量少［3-12］，而关于紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标研究更少，仅有蔺蕊等［3］采用盆栽试验法对新疆昌吉紫花苜蓿土壤碱解氮丰缺指标进行了初步探索。

为了回答前述问题，亦为了给黄土高原紫花苜蓿测土施肥提供科学依据，采用孙洪仁研究团队［7-16］创建的以“零散试验数据整合法”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”，开展了黄土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

检索我国黄土高原紫花苜蓿施肥试验文献，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，其他养分施用量与施氮处理相同）产草量数据，计算缺氮处理相对产量（缺氮与施氮处理产草量之比值）。利用式（1）计算缺氮处理相对产量。

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。

搜集到在我国黄土高原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试验文献总计34篇。其中1990-1999年3篇［17-19］，2000-2009年8篇［20-27］、2010-2020年23篇［28-50］；灌溉草地12篇［19，26，30-31，33-37，42-44］，余者为雨养草地；盆栽试验1篇［19］，余者为田间实验；种子生产1篇［32］，余者为牧草生产。上述研究涉及县域16个，品种至少13个，土壤类型至少9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和施氮处理产草量配套数据43、80和89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43、80和89对。文献中与土壤氮素丰缺指标研究相关信息为：pH 7.3～8.8，碱解氮26.1～100.0 mg·kg-1，全氮（total nitrogen）0.28～1.80 g·kg-1，有机质（organic matter）4.1～17.3 g·kg-1，施氮量（N application rate）28～375 kg·hm-2，施氮处理产草量1～27 t·hm-2，缺氮处理相对产量45%～129%。

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［14］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。

利用“养分平衡-地力差减法新应用公式”［15-16］计算推荐施氮量：

式中：F为推荐施用养分量；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。缺素处理是指未施某一种元素，但其他养分施用量与全肥处理（非缺素处理）相同。目标产量是指特定自然区域、正常栽培管理、充分满足所有养分供应情形下所能获得的作物产量。养分移出量是指随作物收获而从田间移出的养分数量。

单位经济产量（干草，含水量14%）紫花苜蓿氮素移出量确定为30.0 kg·t-1［51-52］。黄土高原雨养苜蓿单产低者不足9.0 t·hm-2，灌溉苜蓿单产高者可达22.5 t·hm-2，因此设定如下10个目标产量：9.0、10.5、12.0、13.5、15.0、16.5、18.0、19.5、21.0和22.5 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、540、585、630和675 kg·hm-2。氮肥利用率因施肥方式等因素通常变动于30%～50%，本研究选30%、40%和50%用于推荐施氮量计算。

图2 黄土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Fig.2 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil total nitrogen for alfalfa in the Loess Plateau

图3 黄土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Fig.3 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil organic matter for alfalfa in the Loess Plateau

2 结果与分析

2.1 黄土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，建立黄土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1～3）和回归方程（表1）。土壤碱解氮含量与缺氮处理相对产量回归方程的相关系数皆达到了显著水平（P＜0.05），且明显高于土壤全氮和有机质含量。生长第1年紫花苜蓿土壤氮素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，全体介于二者之间。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的相关系数均未达到显著水平（P＞0.05）。自然对数模型回归方程的相关系数与直线模型颇为接近。

图1 黄土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Fig.1 The regression relation between relative yields without N treatment and the concentration of soil alkaline hydrolysis nitrogen for alfalfa in the Loess Plateau

表1 黄土高原紫花苜蓿缺素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临界值Table 1 The regression equations between relative yields without N treatment and soil N concentration and several critical values of soil N concentration for alfalfa in the Loess Plateau

2.2 黄土高原紫花苜蓿若干节点土壤氮素含量临界值

黄土高原紫花苜蓿缺氮处理相对产量50%～100%的若干节点土壤氮素含量临界值列于表1。关于土壤氮素含量临界值之外推数据数量，土壤碱解氮明显少于全氮和有机质；生长第1年紫花苜蓿明显少于生长第2年及以上者，全体介于二者之间；生长第1年紫花苜蓿自然对数模型少于直线模型，生长第2年及以上者两种模型相同，而全体则为自然对数模型略多于直线模型。缺氮处理相对产量60%及以下临界值皆为外推数据。

生长第1年紫花苜蓿缺氮处理相对产量80%及以下临界值明显高于生长第2年及以上者，全体介于二者之间；在生长第1年、生长第2年及以上和全体之间，紫花苜蓿缺氮处理相对产量80%以上临界值高低没有明显规律。自然对数模型缺氮处理相对产量70%及以下临界值明显高于直线模型；缺氮处理相对产量70%以上临界值之高低在两种模型之间无规律可循。

自然对数模型临界值皆为正数，直线模型临界值存在负数。直线模型缺氮处理相对产量50%及以下临界值皆为负数。

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，土壤氮素含量临界值的外推数据数量越多。相关系数低至未达到显著水平者，甚至出现全部临界值皆为外推数据的情形。

舍弃相关系数未达到显著水平回归方程的计算结果，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、全氮和有机质含量临界值依次为62.8（58.9～66.6）mg·kg-1、1.22（1.17～1.27）g·kg-1和15.7（15.6～15.7）g·kg-1，100%对应的依次为72.1（68.9～75.2）mg·kg-1、1.45（1.42～1.48）g·kg-1和18.8（17.9～19.7）g·kg-1；生长第2年及以上紫花苜蓿缺氮处理相对产量95%和100%对应的土壤碱解氮含量临界值分别为63.7（62.6～64.8）和78.8（73.7～83.8）mg·kg-1。

2.3 黄土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黄土高原区紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标如表2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略多于直线模型。第3级丰缺指标皆为非外推数据，其他各级别都或多或少存在一些外推数据，而第5和6级则几乎全部为外推数据。

表2 黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标Table 2 The rich-lack index of soil N for alfalfa in the Loess Plateau

2.4 黄土高原紫花苜蓿推荐施氮量

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（表3）。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肥利用率呈线性负相关，氮肥利用率越高，推荐施氮量越低。当氮肥利用率40%时，黄土高原紫花苜蓿第1～6级土壤推荐施氮量分别为0～0、68～169、135～338、203～506、270～675和338～844 kg·hm-2。

表3 黄土高原紫花苜蓿推荐施氮量Table 3 Recommended N application r ates for alfalfa in the Loess Plateau（kg·hm-2）

3 讨论

3.1 生长年限与黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

本研究结果表明，生长年限对黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标具有较为显著的影响。黄土高原生长第1年紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤氮素含量回归方程的相关系数明显高于生长第2年及以上者，全体介于二者之间；生长第1年紫花苜蓿缺氮处理相对产量80%及以下临界值明显高于生长第2年及以上者，全体介于二者之间。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的回归方程所计算得到的土壤氮素丰缺指标。但生长第2年及以上紫花苜蓿缺氮处理相对产量与土壤全氮及有机质含量回归方程的相关系数未达到显著水平（P＞0.05），只能采用未区分生长年限的全体统一指标。

3.2 回归模型与黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

本研究结果表明，同一生长年限类型的直线型和自然对数型回归方程的相关系数颇为接近；自然对数模型缺氮处理相对产量70%及以下临界值明显高于直线模型，而缺氮处理相对产量70%以上临界值的高低在两种模型之间无规律可循；采用自然对数模型划分出来的土壤氮素丰缺级别数量略多于直线模型。由此可见，回归模型对黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标具有一定影响，但舍弃哪种模型计算结果都缺乏充分理由，将基于两种模型的计算结果整合起来，可能是一个较好选择。

3.3 黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标

将直线型和自然对数型回归方程的计算结果取平均数，确定黄土高原生长第1年紫花苜蓿土壤碱解氮第1～6级丰缺指标为≥73、55～73、39～55、26～39、13～26和＜13 mg·kg-1，土壤全氮第1～5级丰缺指标为≥1.5、1.1～1.5、0.7～1.1、0.4～0.7和＜0.4 g·kg-1，土壤有机质第1～6级丰缺指标为≥19、13～19、9～13、5～9、2～5和＜2 g·kg-1；生长第2年及以上紫花苜蓿土壤碱解氮第1～5级丰缺指标为≥79、51～79、30～51、13～30和＜13 mg·kg-1；未区分生长年限的紫花苜蓿土壤全氮第1～4级丰缺指标为≥1.9、1.2～1.9、0.5～1.2和＜0.5 g·kg-1，土壤有机质第1～5级丰缺指标为≥24、13～24、6～13、2～6和＜2 g·kg-1。

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存在差异，原因可能是生长第1年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。

蔺蕊等［3］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（63 mg·kg-1）明显更高。

我国东北大豆（Glycine max）［53-55］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。我国小麦（Triticum aestivum）［56］、玉米（Zea mays）［57］、水稻（Oryza sativa）［58］、燕麦（Avena sativa）［59］、马铃薯（Solanum tuberosum）［60］和甜菜（Beta vulgaris）［61］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-1，本研究结果（73～79 mg·kg-1）明显较低。我国小麦［56］、玉米［57］、水稻［58］、燕麦［59］、马铃薯［60］和甘蔗（Saccharum sinense）［62］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-1，明显高于本研究结果（1.5 g·kg-1）。我国小麦［56］、玉米［57］和水稻［58］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30～60 g·kg-1，本研究结果（19 g·kg-1）明显偏低。

黄土高原紫花苜蓿土壤氮素丰缺指标明显低于我国主要作物，是因为紫花苜蓿根系共生固氮能力十分强大。