应用15N示踪技术研究耕作方式对甘蔗氮肥吸收利用的影响

韦剑锋 韦冬萍 胡桂娟 吴炫柯 罗小芬 黄 琳 黄业华 赵晓玉

(1 柳州工学院，广西 柳州 545616；2 广西科技大学，广西 柳州 545006； 3 柳州市农业气象试验站，广西 柳州 545005)

广西甘蔗年种植面积约占全国的60%，其中大部分分布在红壤旱地[1]。近年来，国内甘蔗生产成本快速上涨，蔗农收益下降，导致广西甘蔗种植面积大幅减少，严重制约了我国甘蔗糖业的健康稳定发展[2]。农业机械化生产具有效率高和用工少的特点。为此，2017年农业部(现农业农村部)等四部委联合印发《推进广西甘蔗生产全程机械化行动方案》，把推进广西甘蔗生产机械化确立为国家战略。甘蔗机械化生产是一项综合农艺措施，其中机械耕地作业是重要工序之一[2-3]。前人在广西红壤蔗区研究发现，深松深耕有利于甘蔗增产，且深松35 cm以上或深翻50 cm并结合旋耕25 cm可显著增加土壤耕作深度，改善耕层土壤疏松程度，增加深层土壤毛管孔隙度，提高深层土壤含水量[2-5]。常用氮肥施入土壤后易发生气态或淋溶损失，耕作措施改变土壤性状后也会影响氮肥的作物利用、土壤残留及损失[6-10]，如优化耕作模式后玉米氮肥利用率提高15.9%～30.8%，残留率增加10.4%～18.7%，损失率降低24.4%～45.6%[6]；深松35 cm的小麦氮肥回收率比旋耕15 cm、翻耕25 cm分别增加20.0%和23.8%[7]；翻耕35 cm的玉米氮肥利用率显著高于旋耕15 cm[8]；条带深松30 cm的玉米氮肥利用率高于旋耕15 cm和免耕[9]。综上所述，合理耕作对提高作物氮肥利用效率有重要意义。应用15N示踪技术可以精确监测氮在土壤-植物系统中的迁移、运输及分配，为揭示作物氮素有效转化机理和创建养分高效利用技术模式提供重要支持。目前该技术已被广泛应用于农田生态系统氮循环与利用研究[11]。然而，有关甘蔗机械化生产下氮肥利用效率及去向的报道较少。因此，本研究结合广西甘蔗规模化生产和机械装备条件，应用15N示踪技术探讨3种耕作方式下甘蔗氮肥利用、残留及损失情况，以期为当地甘蔗生产机械化模式优化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验于2019年5月至2020年12月在柳州市雒容农场“双高”糖料蔗基地进行。试验地已连续种植甘蔗30多年，土壤类型为红壤，坡度5°～8°，0～20、20～40、40～60 cm土层土壤pH值分别为6.15、6.26、6.30，有机质含量分别为18.15、13.63、6.81 g·kg-1，全氮含量分别为0.88、0.74、0.62 g·kg-1，碱解氮含量分别为72.63、57.40、49.35 mg·kg-1，速效磷含量分别为80.25、32.17、6.51 mg·kg-1，速效钾含量分别为270.00、110.00、64.50 mg·kg-1。供试甘蔗为广西主栽品种桂糖42号，为广西思源农业发展有限公司自留种茎。氮肥为15N标记尿素(上海化工研究院有限公司生产，丰度值10.10%，含N 46.4%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)，复混肥为有机无机肥(含氮15%，磷5%，钾10%，有机质≥10%，生物活性添加剂≥10%)。

1.2 试验设计

结合当地甘蔗规模化生产习惯和机械装备条件，设3个处理，分别为深松45 cm+旋耕25 cm (T1)：用凿式深松犁松土深45 cm，配带旋耕机旋耕碎土深25 cm；翻耕40 cm+圆盘耙碎土25 cm(T2)：用四铧犁翻土深40 cm，拖挂圆盘耙碎土深25 cm；旋耕25 cm(T3)：用旋耕机旋耕碎土深25 cm。各处理均用118 kW轮式拖拉机牵引。每处理面积540 m2，重复3次。

2019年5月15日顺坡耕作，按当地甘蔗机械化生产习惯顺坡开宽窄行(宽行1.2 m、窄行0.6 m)，行沟深30 cm，然后在窄行设置微区，每微区由长150 cm、宽80 cm、高35 cm的无底镀锌铁皮框围成，每处理设3个重复。安装铁皮框时，先将铁皮框放置于微区所在位置，然后用铁锤将铁皮框打入土壤套住土柱，铁皮框顶端与种植沟顶部齐平。微区新植蔗参考当地施肥量和施肥方式施N 340 kg·hm-2、P2O5112 kg·hm-2、 K2O 225 kg·hm-2(折算为每微区施用15N标记尿素、过磷酸钙及氯化钾分别为197.84、252.00、101.25 g)，其中氮肥和钾肥30%作基肥、70%作追肥，磷肥100%作基肥。

2019年5月16日播种，每微区下种14个双芽段(相当于10.37万芽·hm-2)，双行摆种，撒施15N标记尿素59.35 g、过磷酸钙252.00 g及氯化钾30.37 g作基肥，覆土盖种，覆土厚度约10 cm。同时微区外同规格全田种植甘蔗。甘蔗齐苗并部分出现茎节后，每微区于2019年7月6日追施15N标记尿素138.49 g、氯化钾70.88 g，并覆土盖肥，覆土厚度约8 cm。2020年3月14日砍收新植蔗，2020年4月1日将微区外萌发的蔗蔸带土移植到微区取样留下的空穴并标记(避免宿根采集)，2020年5月5日宿根蔗破垄、施复混肥2 250 kg·hm-2并覆土。甘蔗杂草和病虫害采用机械喷洒药剂防治。

1.3 测定项目与方法

甘蔗生长过程收集干枯蔗叶；在甘蔗工艺成熟期，新植蔗、宿根蔗分别于2020年3月10日、2020年12月25日，每微区选4株在基部周围15 cm、深20 cm处连同根系、土壤挖出，浸泡洗净(根系洗出的泥土回填至取样位置)，分根、茎及叶测干物质量、全N含量及15N 丰度值，同时砍收余下甘蔗的地上部分，调查单位面积根、茎及叶干物质量；甘蔗砍收后，用外径4.0 cm、内径3.4 cm的土钻取微区0～20、20～40、40～60 cm土层土壤测干物质量、全N含量及15N丰度值，取样后即时用同直径钢管打入取样孔，土样风干粉碎后，每微区每土层留10 g待测，然后拔出钢管，将其余土样分层回填取样孔，体积不足部分用同直径圆木填塞并在地面标记(避免宿根采集)。样品全N含量和15N丰度值委托河北省农林科学院遗传生理研究所，按文献[12]的方法分别用K-05自动定氮仪(上海晟声自动化分析仪器有限公司)和DELTA-V Advantage同位素比率质谱仪(美国热电公司)测定。各指标计算公式如下：

样品氮素来自15N肥料的百分比=(样品15N丰度值-15N天然丰度值)/尿素中15N丰度值×100%；

甘蔗或土壤15N积累量(kg·hm-2)=干物质量(kg·hm-2)×样品全N含量(%)×样品氮素来自15N肥料的百分比/100 ；

新植季肥料氮损失量(kg·hm-2)=施15N总量(kg·hm-2)-新植季甘蔗15N积累总量(kg·hm-2)-新植季土壤15N积累总量(kg·hm-2)；

宿根季肥料氮损失量(kg·hm-2)=新植季15N残留总量(kg·hm-2)-宿根季甘蔗15N积累总量(kg·hm-2)-宿根季土壤15N积累总量(kg·hm-2)；

甘蔗肥料氮来源比率=甘蔗15N 积累量(kg·hm-2)/甘蔗全N积累量(kg·hm-2)×100%；

肥料氮利用率=甘蔗15N积累量(kg·hm-2)/施15N总量(kg·hm-2)×100%；

肥料氮残留率=土壤15N积累量(kg·hm-2)/施15N总量(kg·hm-2)×100%；

肥料氮损失率=肥料氮损失量(kg·hm-2)/施15N总量(kg·hm-2)×100%。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2007及SPSS 19.0软件进行数据处理与统计分析，用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对甘蔗干物质积累的影响

由表1可知，新植蔗各器官干物质积累量表现为T1略高于T2，两者均显著高于T3；宿根蔗根、叶干物质积累量表现为T1>T2>T3，处理间的差异均达到显著水平；宿根蔗茎干物质积累量和干物质积累总量以T1最高，T2次之，T3最低，其中T1与T3的差异达显著水平。3个处理宿根蔗各器官干物质积累量均高于新植蔗，其中茎干物质积累量、干物质积累总量比新植蔗分别增加168.4%～178.9%、135.8%～146.2%。各处理两季甘蔗茎干物质积累总量和植株干物质积累总量分别为47 409.37～52 856.71 kg·hm-2、62 530.37～70 381.95 kg·hm-2，其中T1茎干物质积累总量和植株干物质积累总量比T2、T3分别增加4.6%、11.5%和5.0%、12.5%，可见T1甘蔗产量较高。

表1 不同耕作方式甘蔗干物质积累Table 1 Dry matter accumulation of sugarcane under different tillage patterns /(kg·hm-2)

2.2 不同耕作方式对甘蔗肥料氮来源比率的影响

由表2可知，各处理新植蔗积累的氮有43.40%～46.45%来自当季施用的氮肥，宿根蔗积累的氮有13.27%～14.78%来自上季甘蔗施用的氮肥，两者相差29.77%～31.67%。新植蔗、宿根蔗各器官肥料氮来源比率均表现为T1最高，T2次之，T3最低，其中T1、T2根、茎肥料氮来源比率与T3的差异达显著水平，T1总肥料氮来源比率与T3的差异达显著水平，说明T1两季甘蔗肥料氮来源比率均较高。3个处理新植蔗各器官肥料氮来源比率均高于宿根蔗，是宿根蔗的2.8倍以上。

表2 不同耕作方式甘蔗肥料氮来源比率Table 2 The N-fertilizer resources proportion of sugarcane under different tillage patterns /%

2.3 不同耕作方式对甘蔗肥料氮积累与利用的影响

由表3可知，3个处理新植蔗、宿根蔗各器官肥料氮积累量及利用率均表现为茎>叶>根，其中各处理新植蔗茎肥料氮积累量及利用率分别是叶、根的2.2倍和37.2倍以上，各处理宿根蔗茎肥料氮积累量及利用率分别是叶、根的2.5倍和56.9倍以上。新植蔗、宿根蔗各器官肥料氮积累量及利用率均表现为T1最高，T2次之，T3最低，其中T1、T2与T3的差异均达显著水平，T1新植蔗茎、叶和宿根蔗根、茎的肥料氮积累量及利用率与T2的差异达显著水平。3个处理新植蔗各器官肥料氮积累量及利用率均高于宿根蔗，其中各处理新植蔗根、茎及叶肥料氮积累量比宿根蔗增加143.2%～187.1%、62.0%～75.4%、90.9%～104.4%；各处理两季甘蔗根、茎及叶肥料氮积累量为1.20～1.51 kg·hm-2、52.06～68.11 kg·hm-2、22.16～28.22 kg·hm-2， 其中T1根、茎及叶肥料氮积累量比T2和T3分别增加6.3%、10.6%、7.3%和25.8%、30.8%、27.3%。可见，T1甘蔗吸收的肥料氮较多，氮肥利用率较高。

表3 不同耕作方式甘蔗肥料氮积累与利用Table 3 The N-fertilizer accumulation and utilization of sugarcane under different tillage patterns

2.4 不同耕作方式对土壤剖面肥料氮残留分布的影响

由表4可知，各处理新植蔗、宿根蔗肥料氮残留量及残留率随土层深度的增加而减少，其中各处理新植蔗0～20 cm土层肥料氮残留量及残留率分别是20～40 cm、40～60 cm土层的1.5倍和2.6倍以上，宿根蔗0～20 cm土层肥料氮残留量及残留率分别是20～40 cm、40～60 cm土层的1.2倍和1.5倍以上。新植蔗、宿根蔗0～20 cm土层肥料氮残留量及残留率均表现为T3>T2>T1，20～40 cm、40～60 cm土层肥料氮残留量及残留率均表现为T1>T2>T3，且处理间的差异均达显著水平。可见T1、T2在20 cm以下土层残留氮肥比T3的多。各处理宿根蔗收获后肥料氮残留量及残留率不同程度下降，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层残留量比新植蔗收获后下降46.7%～49.5%、37.2%～41.6%、2.3%～10.4%，且T1、T2的下降幅度较大。说明残留氮肥的再利用与损失主要发生在0～40 cm土层。

表4 不同耕作方式土壤剖面肥料氮残留分布Table 4 The N-fertilizer residue and distribution in soil profile under different tillage patterns

2.5 不同耕作方式对甘蔗肥料氮去向的影响

由表5可知，各处理在新植蔗施用的肥料氮有14.39%～18.43%被当季甘蔗吸收利用，有7.79%～10.35%被下季宿根蔗吸收利用，两季肥料氮利用率为22.18%～28.78%，新植蔗、宿根蔗肥料氮吸收量及利用率均表现为T1>T2>T3，且各处理间的差异均达显著水平。各处理新植蔗收获后肥料氮在0～60 cm土层的残留率为50.70%～55.49%，到下季宿根蔗收获后为31.41%～34.12%，降低了19.29～21.37个百分点，两季肥料氮残留量及残留率均表现为T1最高，T2次之，T3最低，其中T1与T3的差异均达显著水平。各处理在新植蔗施用的肥料氮在当季和下季分别有26.08%～34.91%、11.02%～11.50%以其他形式损失或迁移到其他土壤，两季肥料氮损失率为37.10%～46.41%，新植蔗、宿根蔗肥料氮损失量及损失率均表现为T3最高，T2次之，T1最低，其中在新植蔗各处理间的差异均达显著水平。可见，T1肥料氮吸收利用和残留较多，T3肥料氮损失较多。

3 讨论

耕作方式通过改变土壤理化性状影响甘蔗生长与产量形成[2-5]。前人研究发现，红壤蔗地深松或深翻达35 cm以下可显著增加甘蔗产量[3-4]。本研究中，两季甘蔗各器官干物质积累量均表现为T1最高，T2次之，T3最低，与前人研究玉米[13]的结果相似。说明深松深翻有利于提高甘蔗产量。本研究中，T1两季甘蔗各器官干物质积累量与T3的差异均达显著水平，但T2宿根蔗茎干物质积累量及总干物质积累量与T3的差异不显著，这可能与不同耕作方式改善土壤性状的持续效应差异有关[4,14]，也说明深松对提高甘蔗产量的效应较为持久。

表5 不同耕作方式甘蔗肥料氮去向Table 5 The fate of N-fertilizer under different tillage patterns

作物吸收的氮主要来源于土壤、施肥及种子等，但不同栽培条件下，作物氮来源比率差异较大[15-21]。本研究中，各处理新植蔗、宿根蔗积累的氮分别有43.40%～46.45%、13.27%～14.78%来自新植蔗施用的氮肥，但前人研究表明新植蔗肥料氮来源比率仅为17.27%～27.28%[15-17]，这可能是本研究条件下基础土壤有效氮含量较低、施氮量较大引起甘蔗吸收氮肥较多的缘故。此外，两季甘蔗各器官肥料氮来源比率均表现为T1最高，T2次之，T3最低，其中T1总肥料氮来源比率与T3的差异均达显著水平，说明深松更有利于增加氮肥对甘蔗氮的贡献率。

施入土壤中的氮肥去向包括作物吸收、土壤残留及其他损失等，但不同耕作条件下氮肥去向比率变化较大[6,15-22]。本研究中，各处理新植蔗当季肥料氮利用率为14.39%～18.43%，但前人研究表明新植蔗氮肥利用率高达21.00%～42.46%[15-17]，这可能是本研究条件下甘蔗5月播种，12月停止生长，生长期较短，氮肥未得到充分吸收利用的缘故。此外，本研究考虑宿根需要，只挖取20 cm以上土层部分根系测定，因此甘蔗氮肥利用率的测定值略低于实际值。然而，在上季肥料氮大量残留和宿根蔗干物质积累量成倍增加的情况下，宿根蔗对上季肥料氮的利用率仅为7.79%～10.35%，与前人研究甘蔗[23]和其他作物[20-21,24-25]的结果相近，说明后季甘蔗对残留氮肥的吸收利用率较低。另外，宿根蔗积累的氮有一部分直接来源于新植蔗砍收后遗留蔗蔸的转移，因此宿根蔗对残留氮肥的实际利用率更低。耕作方式对作物氮吸收利用有着重要的调控作用，其中深松、深翻或优化耕作可增加作物对氮的吸收并促进氮向收获器官分配[6-8]。本研究中，甘蔗吸收的肥料氮主要供茎利用，其次是叶，且两季甘蔗各器官肥料氮积累量及利用率均表现为T1最高，T2次之，T3最低，其中各处理间两季甘蔗茎部的肥料氮利用率差异均达显著水平，这可能与不同耕作方式对土壤性状及水肥运移作用差别有关。在旱地条件下，深松可增加耕层深度、减小下层土体紧实度、增加降水接纳量，促进水肥向下运移，进而增加根系对水肥的吸收；深翻使耕层底部结构性较差、养分含量低的土壤翻转到表层，降低耕作层有效养分含量；而旋耕仅对表层土壤疏松，不利于水肥向下运移[3-4,26-27]。可见，深松更有利于甘蔗对肥料氮的吸收并促进茎部利用。

根施氮肥引起肥料氮在土壤中的残留是不可避免的[20-26]。有研究表明，当季肥料氮残留量随土层深度的增加而降低[18,28]，或随土层深度的增加先升高后降低[29]。本研究中，各处理新植蔗、宿根蔗收获后，肥料氮残留量及残留率均随土层深度的增加而明显降低，但宿根蔗收获后0～60 cm土层肥料氮残留率由新植蔗收获后的50.70%～55.49%下降到31.41%～34.12%，且各土层肥料氮残留量及残留率均小于新植蔗，与冬小麦/夏玉米轮作[23]及双季稻[20]的氮肥残留分布趋势相似，说明甘蔗氮肥主要残留在浅层土壤，肥料氮垂直运移主要发生在施肥季。此外，本研究中40～60 cm土层有一定的肥料氮残留，且由于铁皮围框仅入土约35 cm，故推测60 cm以下土层和微区侧面土壤也有氮肥残留。土壤氮素垂直迁移主要源于地表径流下渗和土壤水的向下移动，不同耕作方式通过改变土壤裂隙系统和水分下移而影响养分运移[3,30-32]。本研究中，新植蔗、宿根蔗收获后0～20 cm土层肥料氮残留量及残留率表现为T3>T2>T1，20～40 cm、40～60 cm土层肥料氮残留量及残留率表现为T1>T2>T3，说明深松、深翻可减少肥料氮在表层土壤残留，促进肥料氮向下层土壤运移。在我国红壤蔗区，甘蔗根系一般分布在60 cm以上土层[33]，过度深耕、深翻可能会引起肥料氮向下迁出甘蔗根系吸收范围而损失。但也有研究表明，在不打破心土层、不造成水肥渗漏的前提下，广西红壤蔗地耕作深度达40～50 cm对甘蔗吸收利用水肥有促进作用[3-4]。本研究中，各处理宿根蔗收获后肥料氮在40～60 cm土层的残留量比新植蔗收获后下降2.3%～10.4%，其中T1、T2的下降幅度较大，说明深松45 cm或深翻40 cm未引起肥料氮持续向较深土层运移。

施入土壤的氮肥以氨挥发、N2O排放及淋洗等途径迁移出作物根系吸收范围而造成损失，但不同栽培条件下氮肥损失不同[6,15,18-21]。本研究中，新植蔗施用的肥料氮在当季和下季宿根分别有26.08%～34.91%、11.02%～11.50%损失或迁移到其他土壤，说明甘蔗氮肥损失主要发生在施肥季。结合肥料氮残留分布推测，当季肥料氮损失较多可能与氮肥大部分停留在表层土壤造成气态损失严重有关[18,20]，而宿根季肥料氮损失较少的可能原因是残留肥料氮逐渐转化成有机形态而被土壤固定[24]。两季甘蔗肥料氮损失量及损失率均表现为T3最高，T2次之，T1最低，其中在新植蔗各处理间的差异均达显著水平。说明深松、深翻对减少甘蔗施肥季氮肥损失有显著作用。

4 结论

通过应用15N示踪技术连续研究两季甘蔗表明，耕作方式能够影响甘蔗氮肥的吸收利用与去向。其中深松45 cm+旋耕25 cm的肥料氮利用率较高、损失率较低，在20～60 cm土层的残留较多；其次是翻耕40 cm+圆盘耙碎土25 cm；而旋耕25 cm的肥料氮利用率较低、损失率较高，在0～20 cm土层的残留较多。因此，深松45 cm+旋耕25 cm更有利于促进氮肥向20 cm以下土层运移，增加甘蔗对氮肥的吸收利用并减少氮肥损失，进而提高甘蔗产量。但因甘蔗生产周期一般1年新植、2～3年宿根，后续宿根氮肥后效及去向还有待深入研究。