陳 磊，宋書(shū)會(huì)，云 鵬，周 磊，高 翔，盧昌艾，劉榮樂(lè)，汪 洪*

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086；3 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所，晉中 030600；4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；5 黑龍江省科學(xué)院，哈爾濱 150090）

氮是植物生長(zhǎng)的必需大量營(yíng)養(yǎng)元素之一。2017年我國(guó)化肥養(yǎng)分施用量為5.984 × 107t，其中氮肥用量為2.311 × 107t，占總量的38.6%[1]。氮肥施用為我國(guó)的糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。但近些年來(lái)為了追求高產(chǎn)，氮肥施用普遍過(guò)量，農(nóng)民施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物最高產(chǎn)量的地上部吸氮量，甚至在一些地區(qū)農(nóng)民施氮量是作物需氮量的1倍[2]。崔振嶺[3]調(diào)研華北平原冬小麥氮肥用量平均為369 kg/hm2。在山東進(jìn)行的農(nóng)戶(hù)調(diào)研，玉米氮肥用量平均為249 kg/hm2(56～600 kg/hm2)，高于玉米最高產(chǎn)量需氮量[4]。華北地區(qū)小麥-玉米輪作體系氮盈余量高達(dá)227 kg/hm2[5]。趙久然等[6]在北京順義和通縣對(duì)250多塊農(nóng)田調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冬小麥-夏玉米輪作體系中每年平均施氮量分別是309 kg/hm2和256 kg/hm2，施氮量明顯超過(guò)高產(chǎn)作物產(chǎn)量指標(biāo)所需的氮量。高旺盛等[7]在黃淮海平原冬小麥-夏玉米輪作體系中，調(diào)查了河南省溫縣、山東省桓臺(tái)縣和河北省景縣的年施氮量分別是587 kg/hm2、652 kg/hm2和 514 kg/hm2。

雖然氮肥投入不斷增加，但增產(chǎn)效果和氮肥利用率下降，氮素?fù)p失增加，硝化和反硝化過(guò)程中氧化亞氮排放[8]、氨揮發(fā)損失和硝態(tài)氮淋洗損失明顯增多[2,9]。過(guò)多的氮素向環(huán)境中排放與流失帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題，如土壤酸化[10]、大氣污染[11]、地下水硝酸鹽污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化[12-13]。研究發(fā)現(xiàn)，華北平原典型集約農(nóng)區(qū)三季冬小麥-夏玉米輪作體系中農(nóng)民習(xí)慣施氮量累計(jì)達(dá)到900 kg/hm2，與施氮量225 kg/hm2處理相比，施氮量675 kg/hm2并沒(méi)有提高作物產(chǎn)量，氮肥利用率顯著降低[14-16]。張維理等[17]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北方典型集約農(nóng)區(qū)施氮量過(guò)高和不合理施用對(duì)地下水硝態(tài)氮含量有明顯積累，與地下水硝酸鹽超標(biāo)顯著相關(guān)。

根際是植物-土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)交換的一個(gè)活躍微域[18]。據(jù)估計(jì)，植物固定CO2形成光合產(chǎn)物向地下轉(zhuǎn)運(yùn)，其中根際沉積碳約占植物向根部輸入碳的27%，約占凈光合作用固定碳的11%[19]，根際微域中微生物聚集，活性強(qiáng)，土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化快，與非根際土壤中養(yǎng)分含量存在明顯差異[20]，研究根際中養(yǎng)分存在的形態(tài)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)于調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要意義。Zhu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，高量氮肥施用下，玉米根系分泌物增加，土壤細(xì)菌總數(shù)也明顯增多。梁國(guó)鵬等[22]研究表明，在冬小麥-夏玉米輪作體系，施用氮肥能顯著提高夏玉米根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量及根際土壤銨態(tài)氮含量，在夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程中，根際始終顯著低于非根際硝態(tài)氮含量。云鵬等[23]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥-夏玉米輪作體系中氮肥施用量對(duì)根際和非根際土壤銨態(tài)氮含量及根際土壤硝態(tài)氮含量的影響不顯著，但施氮顯著提高非根際土壤硝態(tài)氮含量，且根際土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著高于非根際。Jing等[24]在北方大田條件下研究不同銨硝氮比例及尿素處理的玉米根系發(fā)現(xiàn)，局部供氮區(qū)的銨態(tài)氮含量與局部供氮區(qū)總根長(zhǎng)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)銨態(tài)氮含量從0增加到80%時(shí)，局部供氮區(qū)根長(zhǎng)密度增加120%～380%，氮吸收量增加25%～50%，銨態(tài)氮在局部調(diào)控玉米根系生長(zhǎng)中占據(jù)主導(dǎo)作用。安婷婷等[25]研究表明，小麥根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量小于非根際土壤，而脲酶和蔗糖酶活性高于非根際土壤；小麥籽粒產(chǎn)量和籽粒氮素積累量與0—20 cm和20—40 cm根際和非根際土壤無(wú)機(jī)氮含量呈顯著正相關(guān)。在華北普遍實(shí)行集約化經(jīng)營(yíng)，降低氮肥投入量，對(duì)潮土夏玉米生長(zhǎng)、根系參數(shù)及其根際土壤中可利用性氮素含量影響還缺少系統(tǒng)研究。本研究選擇河北衡水地區(qū)冬小麥/夏玉米輪作體系中夏玉米為研究對(duì)象，進(jìn)行3年田間試驗(yàn)，以當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮量為對(duì)照，探討減施氮肥對(duì)夏玉米根系形態(tài)及根際土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)的影響，為農(nóng)業(yè)集約化經(jīng)營(yíng)提供氮肥施用指導(dǎo)，充分發(fā)揮養(yǎng)分資源高效利用技術(shù)在糧食增產(chǎn)中的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所衡水試驗(yàn)站，屬北溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，海拔20 m，年平均氣溫12.6℃，無(wú)霜期188 d，年降水量平均為500 mm，降雨多集中在6—9月份，主要種植方式為冬小麥-夏玉米輪作。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為潮土，耕層(0—20 cm)土壤基本性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)14.2 g/kg、全氮1.02 g/kg、全磷0.98 g/kg、全鉀15.3 g/kg、堿解氮89.5 g/kg、Olsen-P 34.6 mg/kg、速效鉀103 mg/kg、pH 8.52。

試驗(yàn)氮肥處理開(kāi)始于2007年10月冬小麥季，結(jié)束于2010年10月夏玉米季，共連續(xù)實(shí)施3季冬小麥、3季夏玉米試驗(yàn)。試驗(yàn)冬小麥品種為衡觀35，夏玉米品種為鄭單958。每年小麥季設(shè)置4個(gè)氮肥用量，分別為N 0、180、225、300 kg/hm2，其中50%作為基肥、50%在小麥返青期追施。冬小麥?zhǔn)斋@后，免耕播種夏玉米。在小麥季氮肥N 0、180、225、300 kg/hm2處理小區(qū)上分別對(duì)應(yīng)施用玉米季氮肥N 0、144、180和240 kg/hm2，依次為不施氮肥(N0)、減施40%(N144)、減施25%(N180)和習(xí)慣施氮量(N240)處理。每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為41.8 m2(9.5 m × 4.4 m)，隨機(jī)排列。各試驗(yàn)小區(qū)每年施用磷鉀肥量相同，分別為P2O5187.5 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，均在每年小麥季以基肥一次性施入，玉米季不施磷鉀肥。玉米季氮肥50%為基肥，剩余50%于大喇叭口期追施。氮肥為尿素(N 46.4 %)、磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O517 %)、鉀肥為氯化鉀(K2O 60 %)。

1.2 樣品采集

分別于玉米生育期的苗期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期及收獲期在各試驗(yàn)小區(qū)呈“S”型隨機(jī)選5株玉米，分別收獲地上部植株，以及土深0—20 cm范圍內(nèi)的根系，根際土采用抖根分離法獲取，非根際土為行間土壤。土壤樣品混勻過(guò)2 mm篩，裝入密封塑料袋帶回，一部分在-18℃冰柜中保存，另一部分土樣風(fēng)干保存。地上部植株在105℃下殺青，70℃下烘干至恒重，統(tǒng)計(jì)地上部干物質(zhì)重，其中收獲期植株樣品分地上部植株和籽粒兩部分，籽粒作為產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系分析 將0—20 cm范圍內(nèi)根系洗凈，利用掃描儀獲取根系數(shù)字化圖像，采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(Regent Instruments Inc.，Canada)進(jìn)行分析，獲得根系總根長(zhǎng)、平均直徑、表面積等根系參數(shù)。

1.3.2 土壤無(wú)機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)的測(cè)定 將-18℃保存的新鮮土樣解凍后，用2 mol/L KCl溶液(土水比1∶5)浸提樣品，利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤銨態(tài)氮含量[26]。利用220 nm和275 nm雙波長(zhǎng)紫外吸光度校正法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量[27]。所用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)型號(hào)為SPECDRD 205。

以玉米生長(zhǎng)季的土壤氮素?fù)p失作為表征土壤氮素平衡的指標(biāo)，其主要參數(shù)和計(jì)算方法如下：

生育期土壤氮素凈礦化量(kg/hm2)= 不施氮肥區(qū)作物地上部氮素積累量 + 不施氮肥區(qū)土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅?- 不施氮肥區(qū)土壤起始無(wú)機(jī)氮含量；

氮素表觀損失=施氮量 + 土壤起始無(wú)機(jī)氮 + 土壤氮素凈礦化量 - 作物吸氮量 - 收獲后土壤殘留無(wú)機(jī)氮。

1.3.3 植株中氮含量的測(cè)定 玉米地上部植株及子粒經(jīng)烘干粉碎后，用濃H2SO4-H2O2消煮樣品，半微量凱氏定氮法測(cè)定氮含量[26]。

植株吸氮量=氮素含量 × 干物質(zhì)質(zhì)量；

氮素回收率(%)=(施氮處理植株吸氮量-不施氮處理植株吸氮量)/施氮量 × 100；

氮素累計(jì)回收率(%)=(施氮處理植株累計(jì)吸氮量 - 不施氮處理植株累計(jì)吸氮量)/累計(jì)施氮量 ×100；

氮素農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-不施氮處理籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力(kg/kg)= 施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS 2016軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 24.0軟件進(jìn)行不同處理之間單因素(ANOVA)方差分析，用Pearson Correlation分析玉米籽粒產(chǎn)量與各生育時(shí)期氮累積量、土壤根際和非根際銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及根系參數(shù)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1 玉米籽粒產(chǎn)量

施用氮肥顯著提高夏玉米籽粒的產(chǎn)量，2008年、2009年和2010年N144、N180和N240處理分別比N0處理增產(chǎn)26.5%、29.0%和36.7%，36.2%、38.0%和32.0%，25.3%、15.4%和21.8%(圖1)，其中2009年N180處理增產(chǎn)最高，達(dá)到38.0%，而增產(chǎn)最低出現(xiàn)在2010年N180處理，增產(chǎn)為15.4%。在連續(xù)3年輪作體系中，與N240處理相比，冬小麥-夏玉米輪作兩季氮肥用量各減少25%(N180)和40%(N144)，夏玉米籽粒產(chǎn)量未表現(xiàn)明顯降低，而連續(xù)三季氮肥減施后夏玉米籽粒產(chǎn)量開(kāi)始表現(xiàn)下降，2008—2010年N0處理產(chǎn)量為7464、7109和6650 kg/hm2，呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì)，存在年際差異。

圖1 2008—2010年不同用量氮肥玉米籽粒產(chǎn)量Fig.1 Grain yield of summer maize affected by N rate from 2008 to 2010

2.2 植株含氮量及氮累積量

三季夏玉米地上部植株含氮含量隨生育時(shí)期進(jìn)度呈下降趨勢(shì)。與不施肥處理相比，施氮肥處理均能明顯增加玉米苗期植株含氮量，其中N240處理達(dá)到顯著水平，3個(gè)施氮量處理間差異均不顯著(圖2)。在收獲期，施氮處理的植株含氮量均顯著高于不施氮處理，其中N144處理的植株含氮量明顯低于N240處理，但三年N144、N180和N240處理間的玉米苗期和收獲期植株氮累積量差異不明顯。

三年玉米地上部氮素累積趨勢(shì)與生物量累積的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致。2008年和2009年，從苗期到大喇叭口期玉米地上部氮素總累積增加幅度較多，增長(zhǎng)了0.7～8.9倍，土壤氮素消耗較多。N0處理收獲期地上部氮累積量逐年降低，由2008年的150.89 kg/hm2降低到2010年的78.85 kg/hm2，未達(dá)顯著水平。N144和N180處理的三季玉米地上部氮累積量與N240處理差異不明顯均不顯著(圖2)，表明連續(xù)減施氮肥并沒(méi)有明顯影響當(dāng)?shù)叵挠衩椎厣喜靠偽俊?/p>

相同氮肥處理下，夏玉米苗期植株含氮量和氮累積量2009年均低于2008年和2010年，其中植株氮累積量差異達(dá)到顯著水平，2008年和2010年間植株含氮量和氮累積量差異不明顯。不施肥處理下，2010年的夏玉米收獲期植株含氮量和氮累積量顯著低于2008年和2009年，2008年和2009年差異不顯著。

2.3 氮素利用率

2008年施肥處理間夏玉米地上部的吸氮量、氮素回收率和農(nóng)學(xué)效率沒(méi)有明顯差異，三年夏玉米氮素偏生產(chǎn)力N144＞N180＞N240，彼此差異均達(dá)到顯著水平(表1)。

2009年和2010年夏玉米地上部的吸氮量差異不明顯，N144和N180處理夏玉米氮素回收率顯著高于N240處理，氮素農(nóng)學(xué)效率和氮素累計(jì)回收率N144處理大于N240處理(表1)。相比于N144處理，2009年和2010年N240處理的氮素回收率、累積回收率、氮素農(nóng)學(xué)效率和氮素偏生產(chǎn)力分別降低了27.8%和9.65%，13.0%和11.7%，8.43%和5.68%，28.2%和24.2%。

2.4 根系生長(zhǎng)參數(shù)

2008年不施氮肥處理的植株總根長(zhǎng)顯著降低，2009年苗期和收獲期不同氮肥處理間總根長(zhǎng)度差異不明顯，而2010年苗期和收獲期施氮處理顯著增加根系總根長(zhǎng)。與N240相比，夏玉米減施氮肥處理對(duì)根系總長(zhǎng)影響不明顯(圖3)。

2008—2010年收獲期施氮肥處理顯著增加根系平均直徑，其中2008年大喇叭口期也表現(xiàn)相同結(jié)果(圖3)。除2010年苗期N144處理根系平均直徑顯著高于N180處理之外，三年夏玉米所有生育期施氮肥處理間根系平均直徑差異不顯著。

表1 2008—2010年不同氮肥用量處理下夏玉米季氮素效率Table1 Nitrogen efficiencies of summer maize under different nitrogen rates from 2008 to 2010

圖3 不同氮肥用量處理下玉米根系長(zhǎng)度和直徑變化Fig.3 Total root length and root diameter of summer maize plants under different N rate treatments

在玉米收獲期，不施肥處理三年的根系總根長(zhǎng)差異不明顯。2009年，N144和N240處理的總根長(zhǎng)顯著較低；2008年，N180處理總根長(zhǎng)顯著高于2009年。所有處理總根長(zhǎng)在2008年和2010年間差異不明顯。

與2010年夏玉米收獲期平均直徑相比，在所有氮肥處理中2008年和2009年顯著增大，2008年和2009年間差異不顯著。

與施氮肥處理相比，N0處理的玉米根系表面積和體積顯著降低。2008、2009年不同氮肥處理之間，玉米根系表面積和體積沒(méi)有顯著變化；與N240處理相比，2010年N144處理根系表面積和體積表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中收獲期根系體積已顯著降低(圖4)。

圖4 不同用量氮肥用量處理下玉米根系表面積和根系體積變化Fig.4 Root surface area and volume of summer maize plants affected by N rates in 2008-2010

與2008年夏玉米收獲期根系表面積和體積相比，在所有氮肥處理中2009年和2010年顯著降低，2009年和2010年間差異不顯著(圖4)。

對(duì)三年夏玉米進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，與不施肥相比，施肥處理均顯著增加根系長(zhǎng)度、平均直徑、根系表面積和體積，施肥處理根系長(zhǎng)度、表面積和體積差異不顯著。

2.5 根際土壤無(wú)機(jī)氮含量

圖5顯示，與根際土壤相比，2008年在夏玉米大喇叭口期非根際土壤硝態(tài)氮含量顯著降低，而其它三個(gè)時(shí)期，非根際土壤硝態(tài)氮含量較高。在玉米苗期、抽雄期和收獲期，不施氮肥處理的非根際硝態(tài)氮含量明顯低于施氮處理。尤其是在玉米抽雄期，與N0處理相比，N180處理和N240處理非根際土壤硝態(tài)氮含量增加了3倍。3個(gè)氮肥用量之間比較，根際土壤硝態(tài)氮含量沒(méi)有顯著性差異。2009年，在苗期、灌漿期和收獲期，根際土壤硝態(tài)氮含量明顯低于非根際土壤。隨著施氮量增加，苗期非根際土壤硝態(tài)氮含量顯著增加。2010年，施肥處理的根際土壤硝態(tài)氮含量明顯低于非根際土壤。三季的數(shù)據(jù)表明，減少氮肥施用量對(duì)于根際土壤硝態(tài)氮含量并沒(méi)有顯著影響。

與2009年夏玉米苗期根際硝態(tài)氮含量相比，不施肥處理的2008年和2010年顯著增加，其他3個(gè)氮肥處理的年季間根際硝態(tài)氮含量差異不顯著；苗期非根際硝態(tài)氮含量不同年季間差異不明顯。

在N0、N144和N180相同處理下，與2008年玉米收獲期非根際硝態(tài)氮含量相比，2009年和2010年出現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中2009年達(dá)到顯著水平；與2008年相比，N240處理的2010年收獲期非根際硝態(tài)氮含量表現(xiàn)增加，未達(dá)到顯著水平(圖5)。

圖5 不同氮肥用量處理下玉米不同生育期根際與非根際土壤硝態(tài)氮含量變化Fig.5 The NO3--N content in rhizosphere and non-rhizosphere soils of summer maize plants with different N treatments

三年夏玉米苗期根際和非根際土壤中，僅N144處理的根際土壤硝態(tài)氮含量與N0處理未達(dá)到顯著水平，其他施氮處理均顯著高于不施肥處理，3個(gè)施氮處理間差異不明顯。在收獲期的根際和非根際土壤中也有相似的結(jié)果，僅有N144處理的非根際土壤硝態(tài)氮含量與N0處理未達(dá)到顯著水平，其他結(jié)果與苗期時(shí)施肥處理一致，表明氮肥減施并沒(méi)有明顯減低根際和非根際土壤的硝態(tài)氮含量。

圖6顯示，2008年，玉米抽雄期根際土壤銨態(tài)氮含量顯著高于非根際土壤，而收獲期根際顯著低于非根際，在苗期和大喇叭口期根際和非根際土壤中銨態(tài)氮含量差異不明顯。同一生育時(shí)期，施氮處理間根際土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著。2009年，除收獲期N240處理的根際土壤銨態(tài)氮含量顯著低于非根際，其他處理和生育時(shí)期的根際與非根際土壤中銨態(tài)氮含量差異不明顯。2010年，玉米苗期N240處理中非根際土壤中銨態(tài)氮含量顯著高于根際土壤。分析三季小麥-玉米輪作的數(shù)據(jù)顯示，在氮肥處理中，根際與非根際土壤中銨態(tài)氮含量差異不顯著。

相同氮肥處理下，2008年苗期和收獲期根際和非根際銨態(tài)氮含量顯著高于2009年和2010年。N0、N144和N180處理下，2010年收獲期非根際銨態(tài)氮含量均低于2009年，僅N144處理達(dá)到顯著水平。N0和N144處理的2009年與2010年苗期根際銨態(tài)氮含量差異不顯著，2008年苗期土壤銨態(tài)氮含量較其他兩年相同處理高出了4～8倍，可能原因是玉米季基肥施用后不久取樣造成的。苗期非根際銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為2008年＞2010年＞2009年，均達(dá)到顯著水平。不同處理對(duì)三年夏玉米苗期和收獲期的根際和非根際土壤中銨態(tài)氮含量有影響，但平均銨態(tài)氮含量差異未達(dá)到顯著水平。

圖6 不同氮肥施用下玉米不同生育期根際與非根際土壤銨態(tài)氮含量變化Fig.6 The NH4+-N content in rhizosphere and non-rhizosphere soils of summer maize plants with different N treatments

2.6 土壤氮素殘留分析

綜合考慮不同處理的施氮量、吸氮量及年礦化量，測(cè)定收獲后土壤無(wú)機(jī)氮(Nmin)值，計(jì)算土壤氮素表觀損失。2008年和2010年，N144處理土壤殘留Nmin值低于N180和N240處理，三年均表現(xiàn)為氮素表觀損失隨氮肥用量減少而降低。與N240處理相比，三年連續(xù)N144、N180處理的土壤殘留Nmin值分別降低110 kg/hm2和45.4 kg/hm2(表2)。

3 討論

近些年來(lái)氮肥過(guò)量施用，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素盈余[28]，氮肥利用率偏低，帶來(lái)了資源浪費(fèi)與環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。巨曉棠等[29]在北京小麥玉米輪作體系研究發(fā)現(xiàn)，隨氮肥施用量的增加作物氮素?cái)y出量沒(méi)有明顯變化，反而導(dǎo)致土壤氮素大量盈余。辛思穎等[30]通過(guò)對(duì)河北省清苑縣12季小麥玉米輪作研究發(fā)現(xiàn)，在冬小麥季和夏玉米季施氮量分別為155 kg/hm2和134 kg/hm2時(shí)，土壤氮素盈虧量基本達(dá)到平衡。楊莉琳等[31]在太行山山前平原高產(chǎn)區(qū)小麥-玉米輪作進(jìn)行了三年定位試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)冬小麥和夏玉米生育期的最佳施氮量分別為91 kg/hm2和39.7 kg/hm2。與農(nóng)民習(xí)慣施肥(240 kg/hm2)相比，氮肥減量30%、20%和10%施用對(duì)玉米產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響[32-33]。Ju等[12]研究表明，我國(guó)小麥-玉米輪作體系氮肥用量可以從588 kg/hm2降到286 kg/hm2不影響作物產(chǎn)量和谷物的品質(zhì)。本研究通過(guò)三年試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)民習(xí)慣施氮肥相比，氮肥減量25%和40%后夏玉米的產(chǎn)量和植株含氮量及氮累積量均沒(méi)有降低，氮肥利用率顯著增加。因此，河北高肥力地區(qū)小麥-玉米輪作體系，應(yīng)在保證夏玉米高產(chǎn)的同時(shí)，減少氮肥至N 144 kg/hm2施肥量是可行的，可提高肥料利用率。其中一個(gè)原因可能就是輪作體系中小麥季氮素殘留率高。有研究顯示，北京地區(qū)小麥-玉米輪作體系中，在0—100 cm土層冬小麥季氮素殘留率為20.9%～45.3%[4,34]，山東省惠民縣冬小麥季土壤氮?dú)埩袅繛?1%～45%[35]。劉新宇等[36]進(jìn)一步研究指出，經(jīng)過(guò)4季小麥-玉米輪作后土壤氮素殘留率仍為22.1%～33.5%。

表2 2008—2010年不同氮肥處理夏玉米季土壤氮素表觀平衡Table 2 Apparent soil N balance in summer maize season under different N treatments from 2008 to 2010

玉米產(chǎn)量與不同生育時(shí)期的土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)[37]。張學(xué)林等[38]指出夏玉米籽粒產(chǎn)量與拔節(jié)期、吐絲期和收獲期根際土壤硝態(tài)氮含量，及吐絲期根際土壤銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)。本研究也發(fā)現(xiàn)，2009和2010年兩季夏玉米籽粒產(chǎn)量與根際土壤硝態(tài)氮含量之間呈顯著正相關(guān)，特別是生育后期呈極顯著正相關(guān)。王啟現(xiàn)等[39]研究發(fā)現(xiàn)，土壤氮素的表觀虧損出現(xiàn)在夏玉米吐絲期以后且其虧損量在乳熟期前后各占1/2，吐絲期增施氮肥提高可利用性氮素含量，能夠明顯增加玉米籽粒氮素積累量，提高玉米籽粒產(chǎn)量[40]。趙士誠(chéng)等[32]研究指出，氮肥減量30%后移施用(N 168 kg/hm2，基肥、大喇叭口肥和吐絲肥為1∶3∶1)處理的夏玉米籽粒產(chǎn)量、干物質(zhì)積累和植株氮積累量均沒(méi)有降低，氮肥利用率顯著增加。

作物根系是吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，根系形態(tài)和空間發(fā)布直接影響籽粒產(chǎn)量。當(dāng)土壤中氮素供應(yīng)不均勻時(shí)，玉米根系往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的可塑性反應(yīng)，低氮脅迫誘導(dǎo)根系縱向生長(zhǎng)，高氮供應(yīng)誘導(dǎo)根系橫向生長(zhǎng)[41]。為響應(yīng)氮素局部誘導(dǎo)，可在不改變玉米根系質(zhì)量的情況下增加細(xì)根長(zhǎng)度和根毛密度，促進(jìn)局部獲取土壤養(yǎng)分的面積，增強(qiáng)根系生理功能[42-43]。玉米花期前后，吸氮量與根長(zhǎng)密度、根系活躍吸收面積呈顯著正相關(guān)[44]。本研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米籽粒產(chǎn)量、氮累積量與灌漿期、收獲期根系表面積、根系體積和根系總長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，根系形態(tài)顯著影響夏玉米產(chǎn)量。銀敏華等[45]指出，兩季施用(N 0～240 kg/hm2)尿素和控釋氮肥的處理在土深100 cm范圍內(nèi)的夏玉米總根長(zhǎng)、根表面積和根體積均表現(xiàn)為隨施氮水平的提高呈先增加后減小的趨勢(shì)，總根長(zhǎng)和根系表面積與玉米產(chǎn)量之間有顯著一元線(xiàn)性相關(guān)。王敬鋒等[46]通過(guò)比較不同氮效率玉米品種根系發(fā)現(xiàn)，0—20 cm土層根系干重占根系總重的比例在70%以上，施氮肥會(huì)引起該土層根系所占比例下降，增加40—100 cm土層根系所占比例，氮高效型品種20—100 cm深層根系所占比例更大，根系活力更高，氮素吸收能力更強(qiáng)[44,46]。本研究玉米品種‘鄭單958’為氮高效型品種，氮肥處理可能引起20—100 cm土層根系比例增加，而0—20 cm土層范圍內(nèi)不同氮肥處理間根系總長(zhǎng)度、平均直徑、表面積和體積差異不明顯。Robinson等[47]通過(guò)春小麥盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不施氮素條件下參與氮素吸收的根系占總根系的11%，而施N 200 kg/hm2氮素條件下則僅為3.5%，表明參與氮素吸收的根系比例受土壤氮素供應(yīng)水平的調(diào)控。水培試驗(yàn)中低氮供應(yīng)時(shí)，玉米植株吸氮量與根重、總根長(zhǎng)、根軸總長(zhǎng)顯著相關(guān)，而高氮供應(yīng)時(shí)則不表現(xiàn)相關(guān)關(guān)系[48]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，供試土壤養(yǎng)分含量較高時(shí)，氮素投入量較大，氮素供應(yīng)充足根系作為養(yǎng)分吸收器官的功能有所下降[49]，不同氮肥處理間根系總長(zhǎng)度、平均直徑、表面積和體積沒(méi)有顯著差異。

根際是作物-土壤-微生物及環(huán)境相互作用的場(chǎng)所，根際微域的養(yǎng)分能直接被根系吸收，顯著影響作物實(shí)際吸收的養(yǎng)分含量，對(duì)植物高效利用土壤養(yǎng)分有著重要影響[50]。北方旱地土壤上玉米生長(zhǎng)主要吸收土壤硝態(tài)氮[51]。苗艷芳等[52]研究指出，作物吸收養(yǎng)分速率高于非根際土壤向根際土壤的養(yǎng)分傳輸速率，在根際土壤形成硝態(tài)氮耗竭，非根際土壤硝態(tài)氮平均濃度為11.7 mg/kg，而根際土壤僅為4.4 mg/kg。本研究發(fā)現(xiàn)，除2008年夏玉米大喇叭口期之外，三季夏玉米整個(gè)生育期中，不同氮肥處理間的非根際土壤硝態(tài)氮含量差異明顯，根際土壤硝態(tài)氮含量雖然明顯低于非根際土壤，但與N240相比，三季夏玉米氮肥減施40%和25%處理并沒(méi)有明顯降低根際土壤中硝態(tài)氮含量，說(shuō)明減施一定量的氮肥依然可以滿(mǎn)足玉米對(duì)根際土壤的硝態(tài)氮需求，這與前人提出的玉米籽粒產(chǎn)量與非根際土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)是吻合的[38]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，非根際土壤作為玉米生長(zhǎng)的氮素儲(chǔ)源，可利用性氮素含量對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量有重要影響。

4 結(jié)論

與習(xí)慣施氮量240 kg/hm2相比，連續(xù)三年在河北省衡水潮土玉米季減少氮肥施用量25%～40%，即施用N 180 kg/hm2或144 kg/hm2對(duì)玉米根系形態(tài)及根際土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)水平的影響尚不顯著，農(nóng)田氮素表觀損失下降，氮肥利用率提高，但非根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量和玉米籽粒產(chǎn)量出現(xiàn)下降。因此短期減少氮肥用量可行，具體持續(xù)減施時(shí)間或者配合減施措施還需進(jìn)一步研究。