不同土壤肥力條件下高產(chǎn)玉米氮肥最佳用量研究

張 佳 ，王永亮 ，郭彩霞 ，郭軍玲 ，楊治平 ，張 強(qiáng)

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006）

玉米是需氮量較高的作物，近些年在追求產(chǎn)量提高的同時(shí)，氮肥的投入量也在逐年增加[1-4]。盡管施氮量在不斷增加，但玉米產(chǎn)量增加幅度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氮肥施用量的增加幅度，造成了氮肥利用率低，資源和能源浪費(fèi)，并帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題[5]。因此，在玉米高產(chǎn)的條件下，如何實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)于氮肥資源的節(jié)約以及保障我國的糧食安全生產(chǎn)意義重大[6]。目前，關(guān)于施氮量對(duì)提高玉米產(chǎn)量、氮效率方面的研究較多[7-12]，但大多是針對(duì)某一試驗(yàn)點(diǎn)施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量和氮素利用率的研究，關(guān)于山西省不同土壤肥力下施氮量對(duì)春玉米產(chǎn)量和氮素利用率方面的研究較少。

春玉米作為山西中部和北部地區(qū)主要的種植作物，近年來種植面積逐年增加，單產(chǎn)和總產(chǎn)都有大幅度提高，但這種高產(chǎn)多數(shù)是以高氮肥用量為代價(jià)的。本試驗(yàn)在山西省中部春玉米帶上高、中、中低3個(gè)肥力等級(jí)上，改進(jìn)傳統(tǒng)施肥習(xí)慣，開展了不同氮肥用量對(duì)春玉米產(chǎn)量、氮效率和土壤硝態(tài)氮累積的影響試驗(yàn)，旨在為山西省春玉米主產(chǎn)區(qū)不同肥力水平下氮肥的優(yōu)化管理提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2011年4—10月分別在山西省中部春玉米種植帶3個(gè)肥力水平的土壤上進(jìn)行。其中，晉中市山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)基地，因土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效養(yǎng)分含量相對(duì)較低，以中低肥力土壤描述；晉中市祁縣谷戀村，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效養(yǎng)分含量相對(duì)處于中等水平，以中等肥力土壤描述；呂梁市文水縣東城村，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效養(yǎng)分含量相對(duì)較高，以高肥力土壤描述。3個(gè)試驗(yàn)地氣候條件略有差異，但都屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，整個(gè)春玉米生育期內(nèi)雨量充沛。供試土壤0～30 cm土層的基本理化性質(zhì)列于表1。

表1 供試土壤0～30 cm土層基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè) 7個(gè)氮肥用量水平：0，90，180，270，360，450，540kg/hm2，分別用 N0，N90，N180，N270，N360，N450，N540表示，隨機(jī)區(qū)組排列，4次重復(fù)。3個(gè)試驗(yàn)地各處理的磷、鉀肥用量相同，分別為P2O5112.5 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2， 全部以基肥形式施入；氮肥的30%作基肥施入，50%在大喇叭口期、20%在灌漿期作追肥施入。氮、磷和鉀肥分別使用尿素、普鈣和硫酸鉀。試驗(yàn)小區(qū)面積為66.6m2，寬窄行配置，寬行80 cm，窄行40 cm。玉米品種選用先玉335，種植密度為6.75萬株/hm2。5月初播種，10月初收獲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

土壤樣品分別于玉米播種前和收獲后，按每30 cm一層采0～90 cm深度的土樣。每小區(qū)隨機(jī)取2點(diǎn)，同層次的土壤混合為一個(gè)土樣，置于-20℃冰箱冷凍保存。樣品解凍后，稱取10 g土樣，用50 mLKCl（2 mol/L）溶液浸提，振蕩1 h后過濾，用德國產(chǎn)Foss型流動(dòng)注射分析儀測(cè)定NO3-N含量，并根據(jù)各層土壤容重將NO3-N含量換算成相應(yīng)土層土體NO3-N積累量。測(cè)定NO3-N含量的同時(shí)用烘干法測(cè)定土壤含水量[13]。

按玉米不同生育期，即拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和成熟期采集植株樣品，每次采3株，稱取植株各部位濕質(zhì)量，并在105℃下殺青30 min，在80℃下烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后磨粉，測(cè)定并計(jì)算地上部干物質(zhì)量。收獲時(shí)取每小區(qū)中間4壟玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。玉米植株樣品全氮含量采用半微量凱式定氮法測(cè)定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

土壤硝態(tài)氮積累量=土層厚度（cm）×土壤容重（ g/cm3）×土壤硝態(tài)氮含量（ mg/kg）/10[15]；

氮肥利用率＝（施氮區(qū)地上部吸氮量-無氮區(qū)地上部吸氮量）/施氮量×100%[15]；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）＝施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量[15]；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）＝（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-無氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響

施氮可以顯著提高籽粒的產(chǎn)量，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都呈現(xiàn)出隨著施氮量的增加產(chǎn)量升高，但達(dá)到一定量后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的施肥處理比不施肥處理產(chǎn)量增加了1 298～1 641 kg/hm2，增幅達(dá)10.7%～15.4%。依據(jù)產(chǎn)量和施氮量的變化關(guān)系，對(duì)不同施氮量下的產(chǎn)量效應(yīng)用線性加平臺(tái)進(jìn)行擬合，達(dá)到顯著水平。

從圖1可以看出，線性加平臺(tái)模型得到的最佳產(chǎn)量，也就是平臺(tái)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量，在中低肥力土壤的東陽試驗(yàn)點(diǎn)，最佳產(chǎn)量為13 109 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的最佳施氮量為227 kg/hm2；在中等肥力土壤的祁縣試驗(yàn)點(diǎn)，最佳產(chǎn)量為11 909 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的最佳施氮量為204 kg/hm2；在高肥力土壤的文水試驗(yàn)點(diǎn)，最佳產(chǎn)量為12 970 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的最佳施氮量為201 kg/hm2。進(jìn)一步分析可知，在中低肥力土壤的東陽試驗(yàn)點(diǎn)和在高肥力土壤的文水試驗(yàn)點(diǎn)，要得到13 000 kg/hm2的產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)施肥量分別為225，200 kg/hm2，表明中低肥力的東陽試驗(yàn)點(diǎn)土壤達(dá)到最佳產(chǎn)量所需的施氮量比高肥力土壤的文水試驗(yàn)點(diǎn)相對(duì)較高，說明作物在低肥力土壤條件下，通過合理增施氮肥可以達(dá)到高產(chǎn)。

2.2 不同肥力水平下施氮量對(duì)春玉米氮效率的影響

氮肥利用率由于受土壤性質(zhì)、作物種類和生長時(shí)期、氮肥及其他肥料的種類和施用技術(shù)以及氣象條件等因素的強(qiáng)烈影響，變幅很大[16]。本研究采用了國際上用以表征農(nóng)田肥料利用效率的肥料養(yǎng)分回收利用率、肥料農(nóng)學(xué)利用率和肥料的偏生產(chǎn)力3個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。有研究表明，氮肥利用率的變幅在9%～72%之間[17]。本研究中3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力都大致呈現(xiàn)出隨施氮量的增加而降低的趨勢(shì)，其中，不同氮肥用量的氮肥利用率的變化范圍在4.48%～25.73%之間，均為15.1%，以東陽試驗(yàn)點(diǎn)的N270處理最高，為25.73%；氮肥農(nóng)學(xué)利用率變幅在1.49～6.60 kg/kg之間，平均為3.68 kg/kg，最大值是祁縣的N180處理，為6.60 kg/kg；氮肥偏生產(chǎn)力的變化范圍在21.82～138.29 kg/kg之間，平均為58.01 kg/kg，以東陽試驗(yàn)點(diǎn)的N90處理最高，達(dá)138.29 kg/kg。

從表2可以看出，在中低肥力土壤的東陽試驗(yàn)點(diǎn)，N180，N270處理的氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率都高于其他處理；在中等肥力土壤的祁縣試驗(yàn)點(diǎn)，N180處理的氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率較高；在高肥力土壤的文水試驗(yàn)點(diǎn)，N180處理的氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率較高。綜合分析可知，隨著施氮量的增加，春玉米的氮效率呈下降趨勢(shì)，氮肥的投入產(chǎn)出比明顯降低，因此，選擇適宜的施氮量，在氮肥用量大幅減少的同時(shí)，可以顯著提高春玉米對(duì)氮素的有效利用。

表2 不同施氮處理對(duì)春玉米氮效率的影響

2.3 收獲后不同施氮水平的土壤NO3-N累積情況

旱地土壤的無機(jī)氮形式主要是NO3-N，這也是玉米氮素吸收的主要形態(tài)，其不易被土壤膠體吸附，累積過多時(shí)，易發(fā)生淋失或反硝化作用而被損失掉。從圖2可以看出，春玉米收獲后，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各處理的NO3-N含量都較播前發(fā)生了明顯的變化，在0～90 cm土層范圍內(nèi)其累積量都呈現(xiàn)隨施氮量的增加而增加的趨勢(shì)。其中，中低肥力的東陽試驗(yàn)點(diǎn)，從N360處理開始，0～90 cm土層NO3-N含量顯著升高，且高于播前NO3-N累積量，30～60，60～90 cm土層的累積量顯著高于同處理的0～30 cm土層的累積量，富集現(xiàn)象明顯，存在向深層土壤淋溶的風(fēng)險(xiǎn)；中等肥力的祁縣試驗(yàn)點(diǎn)，從N180處理開始，0～90 cm土層的NO3-N含量顯著升高，高于播前累積量，但耕層（0～30 cm）的NO3-N累積量與播前差異不大；高肥力的文水試驗(yàn)點(diǎn)，從N180處理開始各土層NO3-N累積量開始升高，其中，N450，N540處理各土層NO3-N累積量增幅較大，富集現(xiàn)象明顯，30～60，60～90 cm土層的累積量明顯高于其他處理的相同土層含量。

氮肥的不合理施用會(huì)造成土壤NO3-N的大量累積，在過量灌溉和強(qiáng)降雨時(shí)，NO3-N會(huì)向下淋溶，從而污染地下水[18]。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不施氮處理與播前相比，各層次的NO3-N含量都有一定的降低，說明在不施氮的條件下，土壤礦化產(chǎn)生的NO3-N不能滿足作物的生長需求，仍需要從土壤中吸收一定的量。在中低肥力的東陽試驗(yàn)點(diǎn)，N270處理之后，30～90 cm土層的NO3-N盈余現(xiàn)象嚴(yán)重，向下淋失的趨勢(shì)明顯，故施氮量不宜超過270 kg/hm2。在祁縣試驗(yàn)點(diǎn)，N180處理沒有造成NO3-N的富集，之后的處理屬于施肥過量。文水試驗(yàn)點(diǎn)N180處理的NO3-N累積量適宜，之后的處理氮素盈余現(xiàn)象嚴(yán)重，屬于施肥過量，對(duì)環(huán)境具有一定的威脅。

3 討論與結(jié)論

根據(jù)氮肥最佳用量施肥，使氮素供應(yīng)既能滿足作物不同生育期的養(yǎng)分需求，又不會(huì)造成土體硝態(tài)氮的大量累積，是目前養(yǎng)分管理研究的目標(biāo)[19-21]。崔振嶺等[22]研究認(rèn)為，當(dāng)夏玉米播前0～90 cm土層硝態(tài)氮含量達(dá)到82 kg/hm2時(shí)，不施氮可保證夏玉米10葉期的生長；達(dá)到151 kg/hm2時(shí)，不施氮即可保證整個(gè)生育期的生長。鐘茜等[23]結(jié)合我國追求作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)兼顧的國情，認(rèn)為在華北冬小麥—夏玉米輪作區(qū)，土壤中無機(jī)氮的安全殘留量不超過150 kg/hm2，適當(dāng)殘留是對(duì)土壤氮素的補(bǔ)充，有利于下季作物的吸收利用。

調(diào)查表明，山西省中部春玉米種植帶，作物管理以粗放式經(jīng)營為主，養(yǎng)分管理有很多誤區(qū)，普遍存在著氮肥施用量及分配時(shí)期不合理的現(xiàn)象。其中，過量與不足現(xiàn)象共存，重基肥、輕追肥與輕基肥、重追肥現(xiàn)象并存。陳世勇等[24]研究認(rèn)為，玉米早期根系吸收弱，需要養(yǎng)分?jǐn)?shù)量少，施用大量氮肥不能被及時(shí)利用，造成肥料利用效率低的同時(shí)造成巨大的環(huán)境壓力。因此，在農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮方式下，土壤硝態(tài)氮時(shí)空變異很難與玉米需肥及根系生長規(guī)律相吻合，前期供氮過多，后期供氮明顯不足，嚴(yán)重影響玉米增產(chǎn)潛力。最佳的養(yǎng)分管理應(yīng)該在保證玉米生育期氮素需求的同時(shí)又不會(huì)造成硝態(tài)氮的大量盈余，高產(chǎn)的同時(shí)對(duì)環(huán)境又不會(huì)造成危害。

本研究參考不同施氮量對(duì)春玉米產(chǎn)量、氮肥利用率及土壤硝態(tài)氮累積的影響，認(rèn)為在中低肥力的東陽試驗(yàn)點(diǎn)，施氮量為225 kg/hm2時(shí)，在保證高產(chǎn)的同時(shí)又不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅；在中等肥力的祁縣和高肥力的文水試驗(yàn)點(diǎn)，可能由于土壤質(zhì)地和氣候的差異，2個(gè)不同肥力的土壤差異不大，氮肥推薦量為200 kg/hm2時(shí)可以同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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