內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)和推薦施氮量

米春嬌, 孫洪仁*, 王顯國, 高 凱, 張玉霞, 劉庭玉

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100193； 2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是否需要施氮，至今仍存在較大爭議。許多學(xué)者認(rèn)為，紫花苜蓿與根瘤菌共生，能夠固定大氣氮素而滿足自身需求，無需施氮；部分研究表明，施氮不僅沒有促進(jìn)紫花苜蓿生長，反而造成減產(chǎn)；亦有很多研究證明，紫花苜蓿施氮增產(chǎn)效果明顯[1]。大量作物施氮研究表明，土壤氮素含量存在一個(gè)因作物種類而異的臨界值，高于臨界值施氮無效，低于臨界值施氮有效[2]。但紫花苜蓿土壤氮素含量臨界值是多少，至今尚不得而知。

施足植物生長過程所有缺乏養(yǎng)分的試驗(yàn)處理稱作全肥處理，未施某種養(yǎng)分、其它養(yǎng)分施用量與全肥處理相同稱為缺素處理；缺素處理作物產(chǎn)量與全肥處理作物產(chǎn)量的比值是缺素處理相對產(chǎn)量；缺素處理相對產(chǎn)量100%所對應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量即為施用該種養(yǎng)分是否有效的臨界值[3-4]。確定作物土壤養(yǎng)分含量臨界值，需建立作物缺素處理相對產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量回歸方程；利用所得回歸方程，可計(jì)算任意缺素處理相對產(chǎn)量，例如95%，90%，80%，70%…對應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量，此結(jié)果即為作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，是作物土壤養(yǎng)分豐缺級(jí)別劃分依據(jù)[5-6]。在此基礎(chǔ)上，再確定出不同目標(biāo)產(chǎn)量和肥料利用率情形下的不同豐缺級(jí)別土壤的適宜施肥量，即可建成作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)[7-9]。建立作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)工程巨大，開展多年、多點(diǎn)田間試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，因此包括紫花苜蓿在內(nèi)的許多作物和許多地域難以實(shí)現(xiàn)[10]。孫洪仁研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了以“零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合法”和“養(yǎng)分平衡-地力差減法”新應(yīng)用公式為核心的“作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法”，成功地克服了這一難題，并建立了若干作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)[11-14]。

內(nèi)蒙古高原為我國紫花苜蓿重要產(chǎn)區(qū)，建立土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)對紫花苜蓿生產(chǎn)具有重要意義。為了解決紫花苜蓿是否需要施氮、確定紫花苜蓿土壤氮素含量的臨界值、探討生長第1年與生長第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)的差異、給內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿測土施氮提供科學(xué)依據(jù)，本研究采用孫洪仁研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的“作物土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究新方法”，開展了內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域主要包括鄂爾多斯高原、內(nèi)蒙古高原(含河北壩上地區(qū))和科爾沁草原的內(nèi)蒙古部分。該區(qū)位于干旱、半干旱帶，年均降水200～500 mm；主體植被類型為草原；主體土壤為栗鈣土和風(fēng)沙土；土壤較為貧瘠，養(yǎng)分含量較低，風(fēng)沙為害較重；雨養(yǎng)和灌溉農(nóng)業(yè)并存。

1.2 數(shù)據(jù)來源

利用中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫資源，采用“苜蓿-施肥”和“苜蓿-氮”檢索式，檢索我國內(nèi)蒙古高原2020年底以前發(fā)表的紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)，從中提取土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，以及施氮處理和缺氮處理(未施氮素，其他養(yǎng)分用量與施氮處理相同)產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1計(jì)算相對產(chǎn)量 利用施氮處理和缺氮處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)計(jì)算缺氮處理相對產(chǎn)量(缺氮與施氮處理產(chǎn)草量之比值)。

R=Y-N÷YN

(1)

式中R為“缺氮處理相對產(chǎn)量”，Y-N為“缺氮處理產(chǎn)量”，YN為“施氮處理產(chǎn)量”。

1.3.2建立回歸方程 利用Excel表，采用自然對數(shù)和直線2種模型，分別建立土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量回歸方程。

1.3.3確定豐缺指標(biāo) 利用所得回歸方程和土壤養(yǎng)分豐缺分級(jí)改良方案[15]，確定第1～11級(jí)的缺氮處理相對產(chǎn)量下限依次為100%，90%，80%……20%，10%和0%。利用本研究建立的回歸方程計(jì)算各豐缺級(jí)別缺氮處理相對產(chǎn)量起訖點(diǎn)數(shù)值0%，10%，20%……80%，90%和100%所對應(yīng)的土壤氮素含量。對于計(jì)算得到的超出本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的外推數(shù)據(jù)，高端和低端分別至多保留1個(gè)。

1.4 推薦施氮量

利用“養(yǎng)分平衡-地力差減法”新應(yīng)用公式(式(2))[16-17]計(jì)算推薦施氮量。

F=(1-R)×A÷E

(2)

式中:F為養(yǎng)分推薦養(yǎng)分施用量，R為缺素處理相對產(chǎn)量，A為目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分移出量，E為養(yǎng)分利用率。

單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(干草，含水量14%)紫花苜蓿氮素(N)移出量確定為30 kg·t-1[18]。內(nèi)蒙古高原苜蓿單產(chǎn)范圍為9～18 t·hm-2，因此設(shè)定如下7個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量：9，10.5，12，13.5，15，16.5和18 t·hm-2。上述各目標(biāo)產(chǎn)量氮素(N)移出量依次確定為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變動(dòng)于30%～50%之間，本研究選30%，40%和50%等3個(gè)氮肥利用率用于推薦施氮量計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)及與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息

搜集到在我國內(nèi)蒙古高原開展的含有土壤堿解氮(或全氮和有機(jī)質(zhì))含量和缺氮處理的紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)總計(jì)27篇。其中2000—2009年4篇[19-22]，2010—2020年23篇[23-45]；盆栽試驗(yàn)3篇[24-25,43]，其余為田間試驗(yàn)；含種子生產(chǎn)數(shù)據(jù)3篇[20,36,39]，其余為牧草生產(chǎn)數(shù)據(jù)。上述研究涉及19個(gè)縣域，至少16個(gè)品種，土壤類型以栗鈣土和風(fēng)沙土為主，也包括黃土、草甸土和鹽化潮土等。從上述文獻(xiàn)中分別提取出土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理和施氮處理產(chǎn)草量配套數(shù)據(jù)61，39和80組，分別得到土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量配套數(shù)據(jù)61，39和80對。內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)中與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究的相關(guān)信息如表1所示。

表1 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿施氮試驗(yàn)文獻(xiàn)中與土壤氮素豐缺指標(biāo)研究相關(guān)信息

2.2 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素含量與缺氮處理相對產(chǎn)量回歸方程

剔除少量明顯偏離群體數(shù)據(jù)對以后，建立內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量的回歸關(guān)系圖(圖1～圖3)和回歸方程(表2)。土壤堿解氮含量與缺氮處理相對產(chǎn)量回歸方程皆達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，且相關(guān)系數(shù)較高，皆在0.6以上。生長第1年紫花苜蓿土壤全氮含量與缺氮處理相對產(chǎn)量直線型回歸方程未達(dá)到顯著水平，生長第2年及以上者土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量2種模型回歸方程均未達(dá)到顯著水平，且土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)很低，在0.2以下。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量回歸方程的相關(guān)系數(shù)皆明顯高于生長第2年及以上者。直線型回歸方程的相關(guān)系數(shù)與自然對數(shù)型較為接近。

圖1 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤堿解氮含量的回歸關(guān)系

圖2 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤全氮含量的回歸關(guān)系

圖3 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的回歸關(guān)系

2.3 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量

內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量50%～100%之間若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量如表2所示。關(guān)于土壤氮素含量節(jié)點(diǎn)值的外推數(shù)據(jù)數(shù)量，生長第1年紫花苜蓿少于生長第2年及以上者；自然對數(shù)少于直線模型。生長第1年紫花苜蓿土壤堿解氮含量高端節(jié)點(diǎn)值略高于生長第2年及以上者，而低端則相反。缺氮處理相對產(chǎn)量80%及以下之土壤氮素含量低端節(jié)點(diǎn)值，自然對數(shù)模型明顯高于直線模型；缺氮處理相對產(chǎn)量90%及以上之土壤氮素含量高端節(jié)點(diǎn)值，兩種模型互有高低。自然對數(shù)模型節(jié)點(diǎn)值皆為正數(shù)，直線模型節(jié)點(diǎn)值存在負(fù)數(shù)。直線模型缺氮處理相對產(chǎn)量60%及以下節(jié)點(diǎn)值皆為負(fù)數(shù)。缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)越低，土壤氮素含量節(jié)點(diǎn)值的外推數(shù)據(jù)數(shù)量越多，且高端節(jié)點(diǎn)值越高，低端節(jié)點(diǎn)值越低。

表2 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程及若干節(jié)點(diǎn)土壤氮素含量

生長第1年、生長第2年及以上和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤堿解氮含量節(jié)點(diǎn)值依次為32.5(29.9～35.0)，29.7(27.9～31.5)和33.5(30.6～36.3)mg·kg-1，100%依次為46.1(45.6～46.5)，40.0(39.6～40.4)和48.3(48.0～48.5)mg·kg-1。生長第1年和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤全氮含量節(jié)點(diǎn)值分別為1.09(0.99～1.18)和1.23(1.14～1.32)g·kg-1，100%分別為1.46(1.38～1.54)和1.67(1.63～1.71)g·kg-1。生長第1年和所有生長年限紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量節(jié)點(diǎn)值分別為12.8(12.3～13.3)和14.2(14.0～14.3)g·kg-1，100%分別為16.5(16.4～16.5)和19.9(18.5～21.2)g·kg-1。

2.4 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

利用相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平的回歸方程確定內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)如表3所示。缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤氮素含量回歸方程的相關(guān)系數(shù)越高，劃分出來的土壤氮素豐缺級(jí)別越多；反之，相關(guān)系數(shù)越低，劃分出來的豐缺級(jí)別越少。采用自然對數(shù)模型劃分出來的土壤氮素豐缺級(jí)別數(shù)量明顯多于直線模型。第1和2級(jí)豐缺指標(biāo)皆為非外推數(shù)據(jù)，其它各級(jí)別都或多或少存在一些外推數(shù)據(jù)。

表3 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

2.4 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量如表4可知。紫花苜蓿推薦施氮量與土壤氮素豐缺級(jí)別線性負(fù)相關(guān)，豐缺級(jí)別越高，適宜施氮量越低，直至為零。紫花苜蓿推薦施氮量與目標(biāo)產(chǎn)量線性正相關(guān)，目標(biāo)產(chǎn)量越高，推薦施氮量越高。紫花苜蓿推薦施氮量與氮肥利用率線性負(fù)相關(guān)，氮肥利用率越高，推薦施氮量越低。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿第1～6級(jí)土壤推薦施氮量分別為0，68～135，135～270，203～405，270～540和338～675 kg·hm-2。

表4 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

3 討論

3.1 生長年限與內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

生長年限是否影響紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)，至今未見任何報(bào)道[18]。本研究結(jié)果表明，生長年限對內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)具有明顯影響。生長第1年紫花苜蓿根系共生固氮能力逐漸增強(qiáng)，而生長第2年及以上者根系共生固氮能力已經(jīng)成熟。有鑒于此，應(yīng)該采用生長第1年紫花苜蓿和生長第2年及以上者分別建立之回歸方程所計(jì)算得到的土壤氮素豐缺指標(biāo)。但生長第2年及以上紫花苜蓿土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量與缺氮處理相對產(chǎn)量回歸方程未達(dá)到顯著水平，只能采用未區(qū)分生長年限的全體統(tǒng)一指標(biāo)。

3.2 回歸模型與內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

回歸模型對燕麥(AvenaL.)、甘蔗(SaccharumL.)和馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)等作物土壤氮素豐缺指標(biāo)具有較大影響[46-48]。本研究結(jié)果與其一致。內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量與土壤氮素含量2種模型回歸方程的相關(guān)系數(shù)較為接近，而自然對數(shù)模型外推節(jié)點(diǎn)值數(shù)量較少、節(jié)點(diǎn)值皆為相對合理之正數(shù)、劃出豐缺級(jí)別數(shù)量較多，總體評價(jià)優(yōu)于直線模型。因此，本研究采用自然對數(shù)模型回歸方程計(jì)算結(jié)果。

3.3 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)

藺蕊等[49]的少量盆栽試驗(yàn)初步研究表明，新疆昌吉生長第1年紫花苜蓿缺氮處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)為40 mg·kg-1，本研究結(jié)果(29.9～35.0 mg·kg-1)較其略低。我國東北大豆[50-52]缺氮處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤堿解氮指標(biāo)研究結(jié)果為169～428 mg·kg-1，遠(yuǎn)高于本研究結(jié)果(27.9～36.3 mg·kg-1)。內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)明顯低于東北大豆，可能是紫花苜蓿根系共生固氮能力強(qiáng)于大豆所致。

3.4 內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿推薦施氮量

本文引用紫花苜蓿施肥試驗(yàn)文獻(xiàn)[19-45]的推薦施氮量范圍為30～300 kg·hm-2。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，本研究第1～3級(jí)土壤的推薦施氮量與上述文獻(xiàn)相當(dāng)。

張福鎖等[53]針對我國主要作物的推薦施氮量范圍為0～750 kg·hm-2。當(dāng)?shù)世寐?0%時(shí)，本研究第1～6級(jí)土壤之推薦施氮量與其較為接近。固氮能力十分強(qiáng)大的紫花苜蓿之推薦施氮量范圍與我國主要作物接近，當(dāng)是許多用于紫花苜蓿種植的土地過于貧瘠和紫花苜蓿單位面積蛋白質(zhì)產(chǎn)量大大高于其它作物所致。

4 結(jié)論

紫花苜蓿土壤氮素含量存在臨界值，高于臨界值無需施氮，低于臨界值需要施氮。生長第1年與生長第2年及以上紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)存在差異。本研究初步建立了內(nèi)蒙古高原紫花苜蓿土壤氮素豐缺指標(biāo)推薦施肥系統(tǒng)，為該區(qū)域紫花苜蓿測土施氮提供了科學(xué)依據(jù)。