顧佳韜，王 鳳，徐征和，徐 晶

（濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南250022）

0 引言

水分和氮素在玉米的生長(zhǎng)發(fā)育中相互影響和制約[1,2]?；瘜W(xué)氮肥的施用是氮素的主要來(lái)源[3,4]，但是如今我國(guó)氮肥的利用率只有30%～35%。作為水資源干旱短缺嚴(yán)重的國(guó)家之一，我國(guó)的農(nóng)田水資源浪費(fèi)現(xiàn)象也很?chē)?yán)重，如何合理地施用水肥成了學(xué)者們共同關(guān)注的問(wèn)題。為了提高氮肥的利用率，節(jié)約水資源和保護(hù)環(huán)境進(jìn)行了本次研究[5-7]。20世紀(jì)70年代，在研究NO3

--N污染中首次應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，為研究氮素去向提供了一個(gè)重要思路。蔡曉等[8]指出在滴灌條件下各處理夏玉米生育期灌水量差異不大，整體上呈現(xiàn)隨施氮量增加而增大的趨勢(shì)。茹德平等[9]利用15N 示蹤技術(shù)得出夏玉米的最佳施純氮量為200～375 kg；目前運(yùn)用15N 示蹤技術(shù)在植物養(yǎng)分運(yùn)移的研究主要有：氮素吸收來(lái)源的研究、肥料氮在植株體內(nèi)分布情況研究[10]、氮肥利用率以及肥料氮在土壤中殘留與損失情況的研究[11]。已有學(xué)者用示蹤技術(shù)探究玉米對(duì)氮素的利用效率，但是在肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)作用以及不同水肥條件下處理土壤氮去向方面研究較少。本文針對(duì)黃河沖擊平原區(qū)農(nóng)田過(guò)量施肥以及氮素利用效率較低的問(wèn)題，選取山東省臨清市西荊林村農(nóng)田作為研究區(qū)，在不同水肥條件下，借助15N 示蹤技術(shù)，通過(guò)微區(qū)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析不同水肥處理下玉米成熟期各器官對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收分配，各處理肥料氮的殘留損失情況以及氮的農(nóng)學(xué)利用效率和水分利用效率分析，分析出最適宜的水肥比來(lái)提高氮肥利用率和避免水資源的浪費(fèi)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于山東省臨清市尚店鎮(zhèn)西荊林村（115°42′E，36°44′N(xiāo)），地處黃河沖積平原區(qū)。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.8 ℃；年平均降水量為550 mm 左右，主要集中在7-9月，夏玉米種植期間氣溫、降雨數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1；試驗(yàn)區(qū)土壤表層質(zhì)地主要為粉壤土，土壤容重為1.48 g/cm3，含鹽量為11.9%，有機(jī)質(zhì)為14.8 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為“泛玉298”，采用人工播種方式種植。試驗(yàn)采用2 個(gè)灌溉水平，即I1（0.8 I2，133 mm）、I2（166 mm），采用4 個(gè)施氮水平，即CK，N1，N2，N3，分別表示施純氮量0、120、180 和270 kg/hm2，本試驗(yàn)設(shè)有10 個(gè)處理小區(qū)，見(jiàn)圖2。試驗(yàn)以施磷（P2O5）60 kg/hm2、施鉀（K2O）60 kg/hm2為基礎(chǔ)。施肥小區(qū)重復(fù)3 次，隨機(jī)區(qū)組排列。夏玉米施用肥料為尿素（N，46%） 和復(fù)合肥（N∶P∶K=1∶1∶1，15%）。在小區(qū)正中心設(shè)置微區(qū)，微區(qū)由長(zhǎng)0.8 m、寬0.8 m、高1 m的PVC雪弗板制成。劃出微區(qū)所在位置后，將PVC板放到微區(qū)所在位置，外層用塑料薄膜圍住，使其周?chē)c土壤緊貼，PVC 板上方露出地表5 cm，防止徑流和橫向污染。微區(qū)內(nèi)施15N 標(biāo)記尿素（15N atom%為10.22，上海化工研究院），微區(qū)外施用普通尿素。各處理見(jiàn)表1。

表1 2020年夏玉米15N示蹤試驗(yàn)處理Tab.1 15N tracer test treatment of summer maize in 2020

1.3 觀測(cè)內(nèi)容與方法

1.3.1 土壤樣品

（1）小區(qū)夏玉米試驗(yàn)。夏玉米季選取拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和收獲后4個(gè)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)。用采樣器分層采集0～120 cm 土壤樣品，分為0～20、20～40、40～80、80～120 cm，共4層。供試土壤試驗(yàn)前氮素本底值見(jiàn)表2。

表2 土壤氮素本底值Tab.2 Soil nitrogen background value

（2）15N 示蹤微區(qū)試驗(yàn)。玉米成熟期用取土鉆機(jī)分別取微區(qū)中深度為0～100 cm 的土樣。土壤樣品過(guò)0.25 mm 篩，混勻后用四分法取測(cè)定所需的樣品量。土壤同位素測(cè)定在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用元素分析儀和同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用的方法測(cè)定土壤中的15N豐度。

1.3.2 植物樣品

2020年夏玉米收獲前，每個(gè)微區(qū)選取5 株15N 標(biāo)記的玉米植株，將選取的玉米植株分為莖稈、葉、籽粒三部分，并放入烘箱105 ℃殺青20 min，而后75 ℃恒溫烘至恒重，稱量各器官干物質(zhì)量并研磨，過(guò)0.15 mm 篩，用于測(cè)定玉米樣品中TN和15N 豐度。植株TN 含量利用硫酸雙氧水快速消煮，奈氏比色法測(cè)定。成熟期玉米各器官15N 豐度測(cè)定方法與土壤同位素測(cè)定相同。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

器官的N dff和Ndfs是指作物各器官?gòu)姆柿系屯寥赖形盏牡繉?duì)該器官全氮的貢獻(xiàn)率，反映了各器官對(duì)15N的吸收征調(diào)能力[12]。SN、FN是指植株中土壤氮和肥料氮的含量，反映了植株對(duì)土壤氮和肥料氮的吸收利用能力。FSN和L2是指土壤中殘留的肥料氮的含量和比率，L3是指土壤中損失的肥料氮的含量。SE是指土壤氮素的激發(fā)率，反映了氮肥使土壤中有機(jī)氮分解的情況。PFP指施用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值，它是反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)的重要指標(biāo)。ANUE表示了作物對(duì)施用肥料養(yǎng)分利用的百分?jǐn)?shù)，反映了施用氮肥后玉米氮素營(yíng)養(yǎng)的實(shí)際提高程度。WUE表示了作物蒸散消耗單位質(zhì)量水所制造的干物質(zhì)量，反映了植物生產(chǎn)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化效率。

（1）植株（土壤）中肥料氮素的百分比Ndff（%）：

植株（土壤）中土壤氮素的百分比Ndfs（%）：

式中：Np為植株（土壤）樣品中15N 豐度，%；NA為植株（土壤）15N的自然豐度，取0.365，%；Nf為肥料中15N豐度，%。

（2）植株全氮含量S全（kg/hm2） ：

植株中土壤氮含量SN（kg/hm2）：

植株中肥料氮含量FN（kg/hm2）：

植株對(duì)肥料氮的吸收率L1（%）：

式中：DM為植株干物質(zhì)量，kg/hm2；NC為植株含氮量，%。

（3）土壤中殘留肥料氮含量FSN（kg/hm2）：

土壤中肥料氮?dú)埩袈蔐2（%）：

氮肥損失率L3（%）：

式中：Z為土層厚度，cm；ρ為土壤容重，g·cm-3。

（4）土壤氮素激發(fā)率SE（%）：

式中：NPK為施氮處理來(lái)自土壤中氮量，kg/hm2。

（5）氮肥偏生產(chǎn)力PFP（kg/kg）：

式中：YN為施氮區(qū)產(chǎn)量，kg/hm2。

（6）氮肥農(nóng)學(xué)利用效率ANUE（kg/kg）：

式中：YCK為未施氮區(qū)產(chǎn)量，kg/hm2。

（7）水分利用效率WUE[kg（/hm2·mm-1）]。

式中：Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；ET為澆水量，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用Origin2019b進(jìn)行繪圖，使用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素ANOVA 方差分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同水肥條件下玉米各器官對(duì)氮素的吸收分配

作物吸收的氮素主要來(lái)源于肥料氮素和土壤氮素。2020年夏玉米不同器官氮素來(lái)自土壤和肥料情況如圖3所示。不同水肥條件下，玉米籽粒、玉米葉、莖稈吸收肥料中的氮素為21.53%～21.75%，11.48%～19.83%，17.39%～33.08%。當(dāng)灌水量相同時(shí)，隨著夏玉米施氮量的增加植株對(duì)肥料氮素的吸收利用也增加，土壤氮素的消耗減少。當(dāng)施氮量相同時(shí)，夏玉米灌水量的增加可以提升植株對(duì)肥料氮素的吸收利用。當(dāng)在N2I2 處理下，玉米籽粒吸收的肥料氮素達(dá)到最大值31.75%，且顯著高于N1I1、N1I2、N2I1 處理（P<0.05）。說(shuō)明適宜的水肥比可以提高作物器官對(duì)肥料氮的吸收利用，當(dāng)灌水量和施氮量達(dá)到一定的水平時(shí)，再增大水肥量不僅無(wú)法提高吸收能力，反而會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。玉米莖稈吸收的肥料氮素為21.48%，玉米葉吸收的肥料氮素為18.46%，玉米各器官對(duì)肥料氮素的競(jìng)爭(zhēng)能力由大到小為籽粒、莖稈、葉，說(shuō)明玉米植株吸收的肥料氮素優(yōu)先轉(zhuǎn)移到了籽粒中。

表3為不同水肥處理下夏玉米各器官對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收量。由表3可知，當(dāng)灌水量為I1時(shí)，夏玉米各器官吸收肥料氮隨施氮量的增加而增大。當(dāng)灌水量為I2 時(shí)，玉米莖稈和葉吸收肥料氮隨施氮量的增加而增大，而籽粒吸收肥料氮隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。不同器官對(duì)肥料中氮素的吸收量不同，由大到小表現(xiàn)為：籽粒、葉、莖稈，這與張水勤等[13]對(duì)玉米的研究結(jié)果基本一致。籽粒、葉、莖稈吸收肥料中的氮含量分別占總量的70.91%～84.52%、10.45%～20.31%、3.93%～8.78%。不同水肥條件下，夏玉米對(duì)肥料氮的吸收量占總吸氮量的19.43%～28.62%，對(duì)土壤氮吸收量占總吸氮量的71.38%～80.57%。各處理夏玉米對(duì)土壤氮吸收量均顯著高于夏玉米對(duì)肥料氮吸收量。BEHERA S K[14]等研究結(jié)果也是相同的。而張忠學(xué)[15]等學(xué)者通過(guò)玉米在不同水肥條件下氮素利用實(shí)驗(yàn)得出，夏玉米吸收肥料氮占總施氮量的33.32%～43.54%，當(dāng)灌水量充足時(shí)，隨著施氮量的不斷增加，作物從土壤中吸收的氮量也不斷增加，而在我們灌水量都充足的情況下，張忠學(xué)等學(xué)者的施氮量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們的，還由于他們的土壤類型是黑壤土和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)黑龍江處于大陸性溫寒帶氣候等環(huán)境因素，他們得出的比例要比我們得出的更多。

表3 不同水肥條件下玉米各器官對(duì)肥料氮和土壤氮的吸收量Tab.3 Absorption of fertilizer nitrogen and soil nitrogen by maize under different water and fertilizer conditions

2.2 不同水肥條件下肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)效應(yīng)

土壤激發(fā)效應(yīng)是指外源無(wú)機(jī)氮肥施加使土壤中固有有機(jī)氮分解的現(xiàn)象。由表4可知，不同水肥條件下，土壤氮素的激發(fā)率為119.16%～169.19%，且均為正激發(fā)效應(yīng)。相同施氮量下，I2 處理土壤氮素激發(fā)率大于I1 處理。說(shuō)明增加灌水量可以提高土壤微生物細(xì)胞水，從而提升微生物活性，增加土壤有機(jī)碳礦化作用，C/N減小，土壤氮素激發(fā)效應(yīng)增加。在I1灌水量下，土壤氮素激發(fā)率隨施氮量的增加而增大，施氮量為N3 時(shí)土壤氮素激發(fā)率達(dá)到最大值147.08%，N3 處理的土壤激發(fā)率較N2 增加了2.6%，N2 處理的土壤激發(fā)率較N1 增加了25.3%。在I2灌水量下，隨著施氮量的增加，土壤氮素激發(fā)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，施氮量為N2 時(shí)土壤氮素激發(fā)率達(dá)到最大值179.42%，N3 處理的土壤激發(fā)率較N2 降低了10.2%，N2 處理的土壤激發(fā)率較N1 增加了55.5%。說(shuō)明灌水和施肥均會(huì)影響土壤氮素激發(fā)效應(yīng)，在一定灌水量下，適當(dāng)增加施氮量能促進(jìn)土壤氮素激發(fā)效應(yīng)，而過(guò)量施氮對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)促進(jìn)效果不顯著甚至降低。

表4 土壤的激發(fā)效應(yīng)Tab.4 Stimulation effect of soil

2.3 不同水肥處理肥料氮去向分析

氮肥施入土壤后的去向主要包括：作物吸收利用、以不同形態(tài)殘留于土壤中以及通過(guò)不同機(jī)制和途徑在土壤-作物體系損失[16]。表5 顯示了不同水肥處理下肥料氮的去向。不同水肥處理作物肥料氮吸收率、土壤殘留率和損失率分別為29.41%～50.75%、20.45%～31.41%和24.67%～41.26%。這與茹德平得出的氮肥利用率為26.61%～42.24%，損失率為25.79%～45.28%類似[9]。在I1灌水量下，作物肥料氮吸收量、土壤殘留和損失量均表現(xiàn)為：N3>N2>N1，即隨施氮量的增加而增加，但作物肥料氮吸收率、殘留率和損失率表現(xiàn)為：N3N3>N1，說(shuō)明施氮量達(dá)到一定水平后繼續(xù)增加施氮肥作物吸氮量不再增加，而肥料氮在土壤中的殘留量和損失量隨之增加。N3I2 處理氮肥損失率最高，達(dá)到了50.14%，顯著高于其他處理(P＜0.05)。這可能是由于灌水過(guò)多，施氮量遠(yuǎn)超過(guò)作物生長(zhǎng)發(fā)育所需，多余的氮肥隨水流失。N1、N3施氮量下，I2灌水量NO3--N 損失量和損失率均大于I1灌水量，這說(shuō)明增加灌水量有增大肥料損失的風(fēng)險(xiǎn)，灌水量對(duì)作物吸收利用肥料氮素并未產(chǎn)生積極影響。N2 施氮量下，I2 灌水量下NO3--N 的殘留量、損失量均小于I1 灌水量下，肥料氮主要用于作物吸收，吸收率為50.75%。因此，整體上來(lái)說(shuō)在不同水肥處理下肥料氮的去向的占比從大到小是作物吸收，損失和在土壤中殘留。說(shuō)明適宜的水肥配比有利于植株充分利用氮肥，減少損失。這與楊蕊菊等得出的結(jié)論相似[17]。

表5 不同水肥處理肥料氮去向Tab.5 Different water and fertilizer treatments fertilizer nitrogen whereabouts

2.4 不同處理氮的利用效率分析

表6顯示了試驗(yàn)期間，不同水肥處理下夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力、水分利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。水分利用效率在N3I2 處理時(shí)最高為13.0 kg/m3，在N1I1 和N1I2 時(shí)最低為10.9 kg/m3，即施氮量和灌水量都達(dá)到最大時(shí)，水分利用效率整體隨著施氮量和灌水量的增加而增多。因此在一定程度下，隨著施氮量和灌水量的增多，水分利用效率增大，節(jié)水效率也隨之增大。水分利用效率是決定玉米經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)，合理的水肥調(diào)控有利于充分利用水資源，節(jié)約用水，避免浪費(fèi)。農(nóng)學(xué)利用效率在N3I2 處理時(shí)最高為7.72 kg/kg，且顯著高于其他處理，在N1I2 處理時(shí)最低為1.63 kg/kg，因此氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率整體上隨著施氮量和灌水量的增加而增多。而氮肥偏生產(chǎn)力在N1I1時(shí)最高為67.72 kg/kg且顯著高于其他處理，在N3I1 時(shí)最低為35.14 kg/kg，可以看出氮肥偏生產(chǎn)力隨著灌水量的增加而增大，隨著施氮量的增加而減小[18]。

表6 不同水肥處理夏玉米氮肥利用效率Tab.6 Nitrogen utilization efficiency of summer maize under different water and fertilizer treatments

3 結(jié)論

（1）不同水肥條件下，夏玉米對(duì)肥料氮的吸收量占總吸氮量的19.43%～28.62%，對(duì)土壤氮的吸收量占總吸氮量的71.38%～80.57%，夏玉米主要吸收土壤氮，隨施氮量的增加肥料氮吸收量增加。夏玉米各器官對(duì)肥料氮的競(jìng)爭(zhēng)能力由大到小為籽粒、莖稈、葉。適宜的水肥配比可以提高植株對(duì)肥料氮的吸收能力。

（2）不同水肥條件下，土壤氮素的激發(fā)率為119.16%～169.19%，且均是正激發(fā)效應(yīng)，灌水量和施肥量都會(huì)影響土壤氮素激發(fā)效應(yīng)，當(dāng)灌水量一定時(shí)，適當(dāng)?shù)厥┓蕰?huì)促進(jìn)土壤氮素的正激發(fā)效應(yīng)，但是過(guò)量的施肥會(huì)抑制土壤氮素的正激發(fā)效應(yīng)。

（3）不同水肥處理下作物肥料氮的吸收率、土壤殘留率、損失率分別為29.41%～50.75%、20.45%～31.41% 和24.67%～41.26%，整體上說(shuō)在不同水肥處理下作物肥料氮的去向的占比從大到小為作物吸收率，損失率，土壤殘留率。不同水肥處理中N2I2 處理夏玉米對(duì)肥料氮的吸收率最大，為50.75%。增加施氮量有增大肥料氮損失的風(fēng)險(xiǎn)，適宜的水肥配比有利于植株充分利用氮肥，減少損失。

（4）夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力為35.14～70.4 kg/kg，氮肥偏生產(chǎn)力均隨施氮量的增加而降低，隨著灌水量的增加而減小。夏玉米的水分利用效率為1.09～1.30 kg/m3，隨著施氮量和灌水量的增加而增大，夏玉米氮肥農(nóng)學(xué)利用效率為1.63～7.72 kg/kg，隨施氮量和灌水量的增加而增大。合理的水肥調(diào)控有利于最大程度利用資源，避免水資源的浪費(fèi)。