氮肥施用對四川紫色土礦質(zhì)態(tài)氮淋失特征及春玉米產(chǎn)量的影響

劉明鵬，徐開未，肖華，陳曉輝，彭丹丹，盧俊宇，陳遠(yuǎn)學(xué)*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；3.雅安市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 雅安 625000）

氮是玉米生長必需營養(yǎng)元素，也是玉米產(chǎn)量最主要的限制因子[1]。施用氮肥能有效提高春玉米產(chǎn)量，但目前我國氮肥過量施用和低效利用問題突出[2]。長期過量施用氮肥會導(dǎo)致土壤氮富集，當(dāng)土壤氮素累積超出環(huán)境容量后，會通過徑流、土壤淋失、氨揮發(fā)等方式流失[3]。據(jù)估計全球每年約有20%～30%氮肥通過土壤淋失，這是造成農(nóng)田氮損失和地下水硝酸鹽超標(biāo)的重要原因，嚴(yán)重污染地下水[4-5]。土壤氮素淋失主要受施肥、灌溉、降雨、田間管理措施等因素影響[5-6]，但不同地區(qū)的農(nóng)田土壤氮素淋失量（率）由于受區(qū)域氣候、施肥量、施肥方式、土壤類型和耕作方式等因素影響而差異較大[7]。雖然減少施氮量可以提高氮肥利用率，但會造成作物減產(chǎn)，而增施氮肥則增加氮素淋失風(fēng)險[8]。因此，明確地區(qū)適宜施氮量對保證作物產(chǎn)量、減少農(nóng)田氮素?fù)p失和降低環(huán)境風(fēng)險具有重要意義。

研究表明，作物生育期間施用氮肥的15%～25%會通過淋洗途徑損失[9]，且主要的淋失形態(tài)為硝態(tài)氮（NO-3-N）[10]。通過減少氮肥用量、深施氮肥、施用緩控氮肥及施用硝化抑制劑等方法可以降低土壤氮流失風(fēng)險，提高氮肥利用率[11]。緩釋肥及硝化抑制劑主要通過降低硝化-反硝化損失減少土壤氮淋失風(fēng)險，而減少氮肥用量可以顯著降低土壤剖面中的無機(jī)氮含量，是有效減少土壤氮淋失最直接的方式[11-12]。田間原位收集農(nóng)田全部淋失水分及氮素的難度較大，目前常用的方法有：①采集田間原狀土到室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬自然降水條件，收集土壤滲漏液，測定其氮素濃度并估算氮素淋失風(fēng)險[13]；②鉆取土壤剖面土樣，測定其濃度估算淋失量[14]；③使用吸力杯式土壤溶液收集器獲取土壤滲漏液估算氮素淋失量[15]；④使用15N 示蹤法研究土壤中的氮肥去向估算氮淋失量[16]；⑤在田間埋設(shè)原位滲漏池收集滲漏液直接測定氮素滲漏量[17]。其中，滲漏池可以收集小區(qū)全部淋溶液，結(jié)果更為準(zhǔn)確。充足的水分輸入和土壤中的氮素殘留是造成農(nóng)田氮素淋失的重要原因，西南地區(qū)常年施氮肥量250～300 kg·hm-2[18]，導(dǎo)致土壤氮素大量殘留，且試驗(yàn)地玉米季常年降雨量為1 200～1 700 mm，多雨寡照，極易發(fā)生土壤氮素淋失[19]。為此，本研究以四川雅安紫色土肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測基地為平臺，探究施氮量對土壤氮素淋失、春玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，以期為西南區(qū)玉米合理施肥、玉米高產(chǎn)高效，降低環(huán)境污染風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018 年4—8 月和2019 年4—8 月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場（29°98′N，103°00′E）進(jìn)行，試驗(yàn)地屬長期定位試驗(yàn)點(diǎn)，長期肥料定位試驗(yàn)開始于2010 年。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫16.2 ℃，年均降雨天數(shù)218 d，年均降水量1 732 mm，平均日照時數(shù)約1 019 h，無霜期280～310 d。試驗(yàn)地位于河谷一級階地，海拔580 m，土壤類型為紫色濕潤雛形土，土壤質(zhì)地為黏壤土，1～2 m 以下為老河道，地下水位較淺。2018 年試驗(yàn)前耕層0～20 cm 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 2018年播前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Soil basic physical and chemical properties before planting in 2018

1.2 供試材料

供試春玉米品種為“仲玉3 號”，由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所選育，是當(dāng)?shù)孛苤部沟垢弋a(chǎn)的主推品種之一。氮肥為尿素（N，46.4%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5，12%），鉀肥為氯化鉀（K2O，60%），均購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計與管理

試驗(yàn)設(shè)5 個氮（N）水平，分別為0（不施氮對照）、90（低氮處理）、180（優(yōu)化施氮處理）、270（農(nóng)民習(xí)慣施氮處理）、360 kg·hm-2（高氮處理），對應(yīng)編號依次記為N0、N90、N180、N270和N360。各處理間磷、鉀肥用量一致，分別為P2O575 kg·hm-2、K2O 105 kg·hm-2。為便于長期定位和施肥管理，試驗(yàn)采用單因素大區(qū)設(shè)計，5 個氮水平為試驗(yàn)大區(qū)，大區(qū)長8.4 m，寬9.5 m，大區(qū)之間設(shè)間隔2 m，在大區(qū)內(nèi)再劃設(shè)3個小區(qū)作為重復(fù)，小區(qū)間無間隔，小區(qū)面積2.8 m×9.5 m=26.6 m2。

施肥方法：將30%的氮肥和全部磷、鉀肥用作基肥，基肥采用溝施，施肥深度15 cm；另于拔節(jié)期追施30%的氮肥，大喇叭口期追施40%的氮肥，追肥方式為氮肥兌清水再沖施于植株旁；不施氮處理灌等量清水作對照。

玉米采用直播方式播種，行距60 cm，窩距52 cm，每窩2 苗，種植密度為6.75×104株·hm-2。2018 年4 月24 日播種，5 月19 日追拔節(jié)肥，7 月7 日大喇叭口期追肥，8月31日收獲；2019年4月4日播種，5月4日追拔節(jié)肥，6 月15 日大喇叭口期追肥，8 月24 日收獲。2019年播種時由于干旱進(jìn)行灌溉，灌溉量為110 mm，2018、2019 年春玉米季輸入水量（含降雨和灌溉）分別為1 640.8、1 561.3 mm（圖1）。其余田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行。

圖1 2018—2019年玉米生育期間降雨量和大氣溫度Figure 1 Rainfall and air temperature during maize growth period in 2018—2019

1.4 樣品采集與分析

滲漏水樣品：滲漏水的采集監(jiān)測采用地下原位淋溶監(jiān)測裝置（圖2）。于各處理每個小區(qū)中心位置埋設(shè)，在土深60 cm 處水平放置120 cm×60 cm×15 cm 的不銹鋼制淋洗盤，盤底放置100目尼龍網(wǎng)，盤中下部平鋪一層洗凈的細(xì)石英砂，上部鋪上一層粗石英砂。淋溶盤下方埋設(shè)規(guī)格40 cm×20 cm×60 cm的不銹鋼集水箱，淋洗盤與集水箱頂部通過軟管連接，集水箱底部連接PVC出水管，取樣時使用真空泵抽取淋溶液測定體積，每次強(qiáng)降雨后的24 h內(nèi)進(jìn)行淋溶水監(jiān)測，在連續(xù)小雨時期，根據(jù)雨量大小和集水箱容量，間隔2～3 d 取水，但應(yīng)避免集水箱內(nèi)水滿。抽出水樣充分?jǐn)噭蚝笥靡严磧舻膹V口塑料瓶取水樣，及時帶回實(shí)驗(yàn)室，測定水樣中、銨態(tài)氮（）濃度。采用紫外分光光度法[20]測定，采用靛酚藍(lán)比色法[20]測定。

圖2 田間原位淋溶裝置示意圖Figure 2 Sketch map of the in situ lysimeter in the field

土樣：玉米收獲后在每個小區(qū)按S 型布設(shè)4 個取樣點(diǎn)，以20 cm 為一層，采集0～100 cm 土壤樣品，剔除石礫和動植物殘體后，混合制樣，過2 mm 篩后，放入4 ℃冰箱保存，測定土壤-N、-N含量。

玉米：收獲時每個小區(qū)選取13.3 m2實(shí)收測產(chǎn)。并隨機(jī)取長勢均勻的植株5 株作為樣品，制樣分析氮含量。全氮采用濃H2SO4-H2O2消煮-蒸餾滴定法[20]測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

相關(guān)指標(biāo)的計算公式如下：

氮肥表觀利用率（%）=[施氮區(qū)地上部植株吸氮量（kg·hm-2）-對照區(qū)地上部植株吸氮量（kg·hm-2）]/施氮量（kg·hm-2）×100

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg·kg-1）=（施氮區(qū)產(chǎn)量（kg·hm-2）-對照區(qū)產(chǎn)量（kg·hm-2））/施氮量（kg·hm-2）

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施氮區(qū)產(chǎn)量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）

氮淋失量（kg·hm-2）=[小區(qū)滲漏水濃度（mg·L-1）×淋失體積（L）/1 000 000]/淋洗板面積（m2）×10 000

氮肥表觀淋失率（%）=[施氮區(qū)氮淋失量（kg·hm-2）-不施氮區(qū)氮淋失量（kg·hm-2）]/施氮量（kg·hm-2）×100

數(shù)據(jù)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Microsoft excel 2010軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理對淋洗液中氮素濃度的影響

圖3 土壤淋洗液的-N濃度動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of -N concentration in soil leacheate

N0、N90、N180、N270和N360處理的淋洗液-N 濃度變化范圍為0.05～0.39、0.06～0.65、0.09～1.47、0.12～1.90、0.16～1.97 mg·L-（1圖4）。隨施氮量增加，N濃度峰值呈梯度上升趨勢，但其變化始終處于較低水平，顯著低于-N濃度峰值（P＜0.05）。兩年-N濃度變化趨勢與-N 相似，先緩慢降低，在拔節(jié)期追肥后逐漸上升再緩慢下降，在追肥后-N 濃度峰值較-N推遲1～3周，這可能是由于-N被土壤膠體吸附導(dǎo)致其在土壤中遷移較慢。兩年淋洗液平均-N 濃度表現(xiàn)為N36（00.58 mg·L-1）＞N27（00.51 mg·L-1）＞N18（00.41 mg·L-1）＞N9（00.30 mg·L-1）＞N（00.24 mg·L-1）。

圖4 土壤淋洗液的-N濃度動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of -N concentration in soil leacheate

2.2 不同施氮量下土壤氮素的剖面分布

圖5 不同施氮量下春玉米收獲期0～100 cm土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布Figure 5 Distribution of -N and -N content in 0～100 cm soil layer at spring maize harvest stage under different nitrogen application rates

從年際間變化來看，兩年間各施氮處理0～100 cm 土層內(nèi)-N、-N 含量變化較大，2018年各處理0～100 cm 土層NO-3-N、-N 含量變化范圍為0.12～22.05、2.12～18.07 mg·kg-1；2019年為2.08～12.74、2.49～6.90 mg·kg-1，較2018 年明顯降低，這可能與作物生長狀況和玉米季氮素淋失狀況有關(guān)。

2.3 不同施氮處理對氮素淋失量（率）的影響

圖6 -N累計淋失量動態(tài)變化Figure 6 Dynamic change of -N cumulative leaching loss

圖7 -N累計淋失量動態(tài)變化Figure 7 Dynamic change of -N cumulative leaching loss

由表2 可以看出，隨著施氮量增加，礦質(zhì)態(tài)氮淋失量顯著增加（P＜0.05），而氮肥表觀淋失率呈先降后升的趨勢。兩年礦質(zhì)態(tài)氮的淋失量及表觀淋失率均在N360處理達(dá)到最高，分別為67.13 kg·hm-2（17.69%）和73.79 kg·hm-2（17.81%），N180處理下氮肥表觀淋失率達(dá)到最低，為10.21%、11.78%。將滲漏水礦質(zhì)態(tài)氮淋失量與施氮量進(jìn)行擬合（圖8）發(fā)現(xiàn)，指數(shù)方程擬合較好，達(dá)到極顯著水平（P＜0.01，R2=0.957 6），礦質(zhì)態(tài)氮淋失量隨施氮量增加呈指數(shù)上升趨勢。

表2 不同施氮量下春玉米生育期內(nèi)旱地60 cm處氮淋失量及淋失率Table 2 N leaching loss and loss rate of spring maize at 60 cm soil depth of dry land during growth period under different nitrogen application rates

圖8 施氮量與礦質(zhì)態(tài)氮淋失量的關(guān)系Figure 8 The relationship between N application rates and mineral N leaching loss

2.4 不同施氮量對春玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

由表3 可知，隨著施氮量增加，春玉米產(chǎn)量顯著提高（P＜0.05），施氮超過180 kg·hm-2后，產(chǎn)量進(jìn)入平臺期，不再顯著增加（P＞0.05）。2018 年N360處理達(dá)到最高產(chǎn)量7 683.7 kg·hm-2，略高于N180和N270，三個處理間差異不顯著；2019年在N180達(dá)到最高產(chǎn)量9 217.6 kg·hm-2，略高于N270與N360處理，三個處理間差異不顯著。植株地上部吸氮量與籽粒產(chǎn)量趨勢基本一致。從兩年的氮肥平均利用率來看，氮肥表觀利用率及農(nóng)學(xué)利用率均隨施氮量增加呈先升后降趨勢，在N180處理達(dá)到最大，與其他處理相比，氮肥表觀利用率增加了14.50～27.75 個百分點(diǎn)，農(nóng)學(xué)利用率增幅為12.9%～90.9%，而氮肥偏生產(chǎn)力呈逐漸下降趨勢。

表3 不同施氮量下春玉米的產(chǎn)量及氮肥利用率Table 3 Yield of spring maize and N use efficiency under different N application rates

3 討論

氮素淋失與施肥量、降雨、灌溉、土壤類型及管理措施密切相關(guān)[6-7]。長期大量施用氮肥使氮素在土壤中逐年累積，導(dǎo)致大量的氮素以不同形式淋失[2]。本研究結(jié)果表明，在玉米旱地土壤中，氮素淋失以-N為主（約占礦質(zhì)態(tài)氮的90%～91%），與前人研究結(jié)果一致。原因是-N 在土壤中易被土壤膠體吸附及被礦物晶格固定，其淋溶損失遠(yuǎn)低于-N，而旱地土壤氧化條件利于-N 形成和累積，且-N 易溶于水且不易被膠體吸附，是旱地土壤氮素的主要流失形式[21]。本試驗(yàn)中氮素淋失量隨施氮量的增加呈指數(shù)上升趨勢，高氮處理（N360）的氮淋失量和淋失率均達(dá)到最大，較優(yōu)化施氮處理（N180）分別顯著增加167.7%和6.76個百分點(diǎn)（P＜0.05），與SUN等[22]的研究結(jié)果基本一致。結(jié)合玉米氮素吸收情況來看，施氮量超過一定范圍后，植株吸氮量達(dá)到160～170 kg·hm-2后不再增加，而多余的氮在土壤中累積，導(dǎo)致氮素淋失量指數(shù)上升。對兩年收獲后土層0～100 cm 礦質(zhì)氮含量的分析結(jié)果表明，土壤-N 和-N 含量隨著施氮量增加呈梯度增長趨勢，在N270和N360處理下，土壤-N 和-N 有明顯向下遷移趨勢，這一結(jié)果與翁玲云等[6]的研究結(jié)果基本一致，說明高氮處理下土壤-N、-N 殘留量大，長期增施氮肥可能會引起-N、-N淋洗出根區(qū)，威脅地下水安全。而兩年收獲期0～100 cm 土層礦質(zhì)氮含量也有所差異，隨時間推移，2019年土層礦質(zhì)態(tài)氮含量較2018年有所降低，這與試驗(yàn)地降雨量偏多有關(guān)。土壤中的-N和-N 隨著大量降水過程淋洗至深層土壤[6]，2019年各處理下土壤-N、-N 淋失量較2018 年均有所增加。且2019年玉米的產(chǎn)量與吸氮量較2018年顯著提高（P＜0.05），也會導(dǎo)致0～100 cm土層的-N和-N含量降低。而兩年0～100 cm土層-N含量垂直變化趨勢并不一致，2018 年土壤-N 含量在40～60 cm 土層出現(xiàn)明顯波峰，N360處理下，土層40～60 cm 的-N 含量可達(dá)18.07 mg·L-1，顯著高于2019年同土層-N含量（P＜0.05），而2019年-N含量則隨土層深度增加而升高，波峰消失。原因是-N 受土壤膠體吸附，其在土層中的遷移較慢[21]，而隨時間推移，在試驗(yàn)地常年多雨氣候下[19]-N隨降雨逐漸淋洗至更深土層。此外，在40～100 cm 土層的厭氧環(huán)境下，經(jīng)微生物作用，部分-N 被還原成-N[23]，在高氮條件下，其還原量更大，未被土壤膠體吸附的部分-N 和-N 一同向下淋失，也是導(dǎo)致兩年土層-N含量差異的原因之一。

研究表明，氮素淋失量與降水及灌溉量呈顯著正相關(guān)[24]，降雨和灌溉引起土壤-N 下移，一般情況下，每2～3 mm 降水可使土壤-N 下移1 cm[25]。本研究試驗(yàn)地位于有“天漏”之稱的雅安市，玉米季寡照多雨，N360處理的-N 淋失量達(dá)62.39（2018 年）、68.53 kg·hm-2（2019 年），表觀淋失率分別高達(dá)16.67%、16.86%。張奕濤等[26]對褐潮土氮素淋失特征的監(jiān)測結(jié)果表明，在降雨量不高的地區(qū)，過量施氮造成的土壤氮素淋失遠(yuǎn)大于降雨和灌溉造成的淋失，施氮240 kg·hm-2處理下，1.2 m 土層的-N 淋失量最高可達(dá)43 kg·hm-2，遠(yuǎn)高于不施氮對照和施氮120 kg·hm-2處理。而李曉欣等[27]在華北山前平原進(jìn)行的長期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在多雨地區(qū)，年際間土壤-N 淋失量差異大，其主要是受各年份降雨及灌溉影響，水分輸入量高年份的-N淋失量是缺水年份的2.37～5.50 倍，-N 淋失率最高可達(dá)22.5%。本試驗(yàn)結(jié)果介于上述兩者之間，這種差異可能是由于試驗(yàn)地多雨氣候與土壤質(zhì)地綜合影響所致。雅安地區(qū)玉米季高溫多雨，兩年玉米季輸入水量為1 640、1 561 mm，大量輸水加劇土壤-N 向下淋失，而試驗(yàn)地土壤為黏壤土，通透性稍差，會阻礙水流下滲，減少淋失。在氣候與土壤的綜合影響下，其淋失率高于黏壤土（5.7%～9.6%），但低于通透性較好的砂壤土（16.2%～30.4%）[28]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明春玉米產(chǎn)量隨施氮量增加顯著提高（P＜0.05），施氮超過180 kg·hm-2后進(jìn)入平臺期，不再顯著提高，這與尹彩俠等[34]的研究結(jié)果一致。而翁玲云等[6]基于多年定位試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)夏玉米施氮超過180 kg·hm-2后，氮肥表觀利用率顯著降低13.13～21.96 個百分點(diǎn)，氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著下降36.1%～79.9%（P＜0.05），且土壤-N累積量增高，積累峰下移，對地下水安全造成威脅。本研究中N180處理下玉米氮肥表觀利用率較其他處理提高14.50～27.75 個百分點(diǎn)，農(nóng)學(xué)利用率增加12.9%～90.9%，與上述結(jié)果基本一致。而西南地區(qū)夏季高溫多雨，盲目增施氮肥更易發(fā)生-N大量淋洗，引起地下水硝酸鹽污染。巨曉棠等[35]在1998—2001 年對80 多個井水樣本的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，三年間井水的硝酸鹽超標(biāo)率從29%攀升至49%，表明地下水受到硝酸鹽污染。隨著時代發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必將由增產(chǎn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向高質(zhì)量綠色發(fā)展，在施肥中，必須綜合考慮產(chǎn)量效益與環(huán)境風(fēng)險的平衡，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）玉米季礦質(zhì)態(tài)氮淋失的主要形態(tài)為硝態(tài)氮，占淋失量的90%以上，且淋失高峰主要出現(xiàn)在基肥和苗期追肥后1～3周，表明施肥初期是防控玉米旱地土壤氮淋失的關(guān)鍵時期。

（2）隨施氮量增加，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量顯著升高，且有向下遷移的趨勢，氮素淋失量呈指數(shù)上升，淋失率升高，地下水水質(zhì)迅速下降，優(yōu)化施氮處理可以顯著降低土壤氮素淋失率。

（3）優(yōu)化施氮處理顯著提高玉米氮肥利用率，同時獲得與高氮投入相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。綜合考慮作物產(chǎn)量和氮素淋失情況來看，施氮180 kg·hm-2可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高效且氮素淋失量（率）較低，為該地區(qū)春玉米施氮肥的推薦用量。