王平生，馬忠民，韓　宏，楊虎德，黃青巖，趙萬千

(1.甘肅臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 臨夏 731100 ；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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施氮量對北方梯田旱地玉米產(chǎn)量、氮素利用及土壤硝態(tài)氮含量的影響

王平生1，馬忠民2，韓宏1，楊虎德2，黃青巖1，趙萬千1

(1.甘肅臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 臨夏 731100 ；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在北方梯田旱地山地黃麻土上，應(yīng)用全覆膜雙壟溝播栽培技術(shù)，選用金凱5號為試驗(yàn)材料，通過3年定位試驗(yàn)，研究施氮量對玉米產(chǎn)量、氮肥利用率及氮素平衡與硝態(tài)氮時空分布的影響。結(jié)果表明：隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。適宜的施氮量為180 kg·hm-2～225 kg·hm-2，3年平均子粒產(chǎn)量、植株吸氮量、平均當(dāng)季氮肥利用率、累積氮肥利用率、累積氮肥農(nóng)學(xué)利用率、累積氮肥偏生產(chǎn)力和施氮純利潤分別為：12 213 kg·hm-2～12 321 kg·hm-2、183 kg·hm-2～201.3 kg·hm-2、23.4%～25.9%、45.6%～51.3%、20.4 kg·kg-1～24.9 kg·kg-1、54.8 kg·kg-1～67.9 kg·kg-1、2 562元·hm-2～3 363元·hm-2。本試驗(yàn)條件下，連作玉米施氮200 kg·hm-2可提高氮素利用率，氮素達(dá)到平衡，氮素當(dāng)季平均利用率達(dá)到最大值，能有效防控0～2 m土層內(nèi)硝態(tài)氮含量與累積的風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)與保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。表5，參23。

北方梯田地；玉米；施氮量；氮素利用率；土壤硝態(tài)氮

0　引　言

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，氮肥的投入量也逐年增加[1]。近年來我國玉米氮素利用率呈逐年下降趨勢，這造成了環(huán)境污染[2]，氮肥的過量施用，引起玉米的奢侈吸收[3]，使作物增產(chǎn)效果遞減，肥料利用率降低，產(chǎn)投比下降，導(dǎo)致能源浪費(fèi)、環(huán)境污染和生態(tài)效益降低等問題，均已引起廣泛關(guān)注。北方地區(qū)玉米在我國玉米產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，為我國的糧食安全做出重要貢獻(xiàn)。2006年-2008 年，北方地區(qū)玉米年均種植面積和總產(chǎn)占全國的比例均超過80%[4]。因此，如何提高氮肥的利用率，充分發(fā)揮氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境具有重要意義[5]。

前人研究表明，我國的肥料利用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平，氮肥的平均利用率為30%～35%，磷肥利用率為10%～25%，鉀肥利用率為35%～50%，肥料不合理利用現(xiàn)象日益突出[6-7]。氮對夏玉米有顯著的增產(chǎn)作用，但隨著施氮量的增加產(chǎn)量卻變化不大，氮肥利用率在9.2%～22.6%之間，且隨著施氮量的增加而降低[8]；氮肥利用率受土壤性質(zhì)、作物種類和生長時期、氮肥及其它肥料種類和施用技術(shù)及氣象條件等因素的影響，因而具有很大的變幅。由于不同土壤肥力下土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和特征不同，導(dǎo)致作物養(yǎng)分吸收和利用特征也將有所不同，這直接影響到肥料的合理施用和養(yǎng)分管理[9]。本研究在甘肅省梯田地玉米帶上設(shè)置不同氮肥用量，并充分考慮土壤殘留氮素的存在情況下，通過田間試驗(yàn)，探討在高殘留氮土壤上施氮對夏玉米氮素平衡、氮素利用率及產(chǎn)量的影響，分析高殘留氮條件下春玉米的經(jīng)濟(jì)效益，以引起并提高氮肥研究中對土壤殘留氮的重視，真正實(shí)現(xiàn)氮肥的合理施用，并為集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)資源高效和環(huán)境友好提供理論依據(jù)[10]。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年-2013年在甘肅省積石山縣關(guān)家川鄉(xiāng)關(guān)集村(102°56'9″E， 35°45'9″N)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬中溫帶寒冷地區(qū)，年平均氣溫5.2℃，海拔2 086 m，降水量600 mm，日照時數(shù)2 323.4 h，無霜期107 d～160 d。試驗(yàn)地土壤為山地黃麻土，土壤質(zhì)地中壤，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分為有機(jī)質(zhì)含量20.6 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，全磷0.92 g·kg-1，硝態(tài)氮42.4 mg·kg-1，銨態(tài)氮0.2 mg·kg-1，肥力中等；地貌類型為山地梯田地，地形平整，無灌溉條件，屬山旱梯田地，位于山坡梯田地的中部，具有代表性。3a試驗(yàn)采用全覆膜雙壟溝播栽培技術(shù)，試驗(yàn)品種金凱5號。

試驗(yàn)設(shè)施氮量為8個處理，① N00(2011、2012、2013三年不施氮)；② N01(2012、2013二年不施氮)；③ N02(2013一年不施氮)；④ N1(優(yōu)化施氮量75%，施氮135 kg·hm-2)；⑤ N2(優(yōu)化施氮量100%，施氮180 kg·hm-2)； ⑥ N3(優(yōu)化施氮量125%，施氮225 kg·hm-2)；⑦ N4(優(yōu)化施氮量150%，施氮270 kg·hm-2)；⑧ N5(優(yōu)化施氮量200%，施氮360 kg·hm-2)。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。3a試驗(yàn)磷、鉀肥用量均分別為P2O5120 kg·hm-2和 K2O 30 kg·hm-2。氮肥的2/3及全部磷、鉀肥于播前基施，氮肥的1/3在拔節(jié)期作追肥施用。氮、磷、鉀肥分別采用尿素(氮N 46%)、磷酸一銨(氮N 10%，磷P2O545%)、氯化鉀(鉀K2O 60%)、過磷酸鈣(磷 P2O512%)，播前取樣品化驗(yàn)其氮、磷、鉀養(yǎng)分含量。小區(qū)面積30 m2(長6.8 m×寬4.4 m)，種植4壟8行(每壟寬行70 cm、窄行40 cm)，株距28.5 cm，每小區(qū)189株，保苗密度6.3×104株·hm-2。3a試驗(yàn)均于4月10-4月12日播種，10月9-10月12日收獲。整個玉米生長過程根據(jù)大田農(nóng)民習(xí)慣方法進(jìn)行管理。

1.2樣品采集及測定

測產(chǎn)和考種及植株樣品采集與測定。收獲期收獲每小區(qū)中間2壟4行玉米并計(jì)產(chǎn)。在計(jì)產(chǎn)行中隨機(jī)選取25株玉米植株，其中20株考察千粒重、穗粒數(shù)等指標(biāo)，并分為秸稈和子粒兩部分，風(fēng)干后計(jì)算用水份測定儀推算地上部分干物重；5株為較正和化驗(yàn)樣品，也分為秸稈和子粒兩部分，樣品風(fēng)干后于80℃烘干至恒重，較正計(jì)算地上部分干物質(zhì)重?；?yàn)樣品粉碎后，按照國標(biāo)GB2905-82用半微量凱氏定氮法測定植株全氮。

土壤樣品采集與測定。收獲后7 d內(nèi)采集0～200 cm土層內(nèi)土壤樣品，每小區(qū)分5點(diǎn)采樣，20 cm采集一個土樣，混合均勻，土壤新鮮取樣后保存于冰柜內(nèi)，分別用紫外分光光度計(jì)法和靛酚藍(lán)比色法測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。

有關(guān)計(jì)算公式：

施氮增收(元·hm-2)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)×玉米籽價格；

施氮純利潤(Yuan·hm-2)=施氮增收-氮肥用量×氮肥價格；

氮肥貢獻(xiàn)率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%

土壤氮依存率(SNDR，%)=不施氮區(qū)地上部分吸氮量/施氮區(qū)地上部分吸氮量×100；

氮肥利用率(NFUE，%)=(施氮區(qū)地上部分吸氮量-不施氮區(qū)地上部分吸氮量)/施氮量×100；

氮肥生理利用率(NPUE，kg·kg-1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部分吸氮量-不施氮區(qū)地上部分吸氮量)；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE，kg·kg-1)=(施氮區(qū)子粒產(chǎn)量-無氮區(qū)子粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力(PFP，kg·kg-1，N)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮素吸收效率(UPE，kg·kg-1)=植株地上部分氮素累計(jì)量/施氮量；

氮收獲指數(shù)(NHI，%)=子粒中氮量/植株氮素累計(jì)量×100；

養(yǎng)分平衡值=養(yǎng)分投入量-作物攜出量

養(yǎng)分盈余率(%)=(平衡值/作物攜出量)×100；

土壤硝態(tài)氮積累量(kg·hm-2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)/10。

2　結(jié)果與分析

2.1不同施氮量對玉米產(chǎn)量及效益的影響

3a試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)相同的趨勢，隨著施氮量的增加，玉米產(chǎn)量呈先增加后緩慢減產(chǎn)的趨勢，施氮處理比當(dāng)年不施氮處理均有顯著增產(chǎn)，見表1。3 a平均產(chǎn)量，以N4處理達(dá)12 534 kg·hm-2為最大值，較當(dāng)年不施氮處理增產(chǎn)12.8%～30.8%，差異達(dá)極顯著水平；施N3產(chǎn)量12 321 kg·hm-2居第二位，較當(dāng)年不施氮處理增產(chǎn)12.3%～30.2%，產(chǎn)量差異2a極顯著水平,1a顯著水平；施N5和N1兩處理產(chǎn)量分別為11 816 kg·hm-2和11 712 kg·hm-2分居三、四位，較當(dāng)年不施氮處理增產(chǎn)10.1%～29.9%，差異達(dá)顯著水平。施N2處理產(chǎn)量11 498 kg·hm-2居第五位，較當(dāng)年不施氮處理增產(chǎn)5.6%～23.8%，差異1a達(dá)顯著水平。

不同年季間產(chǎn)量分析，2011年各施氮處理(除N1處理外)較對照產(chǎn)量差異達(dá)極顯著水平。2012年各施氮處理(除N1和N5處理外)較當(dāng)年不施氮處理差異達(dá)極顯著水平。2013年各施氮處理(除N1和N5處理外)較當(dāng)年不施氮處理差異達(dá)顯著水平。

地力相對產(chǎn)量即為產(chǎn)量對土壤的依賴率，氮肥貢獻(xiàn)率即為產(chǎn)量對氮肥的依賴率。N2和N3處理的地力相對產(chǎn)量分別為98.4%和98.3%，說明施氮量在N2～N3水平下，對耕地土壤的依賴較低；氮肥貢獻(xiàn)率分別為36.7%和37.3%，說明作物吸收利用的氮素62.7%～63.3%來自耕地土壤，試驗(yàn)地肥力屬中等水平，此結(jié)果與前人研究一致。

3年各處理累計(jì)施氮量與累計(jì)產(chǎn)量的相關(guān)性分析，效應(yīng)方程y=-0.024x2+37.189x+23 178模擬相關(guān)性極高(R2=0.997 9)，用方程推算最高產(chǎn)量累計(jì)施氮量為774.8 kg·hm-2，年均施氮量為258 kg·hm-2；經(jīng)濟(jì)施肥量(以N 4.35元·kg-1，玉米籽粒2.0元·kg-1計(jì))724 kg·hm-2，年均施氮量為243 kg·hm-2；最大利潤時年施氮量246 kg·hm-2。

表1還可看出，施氮量與生物產(chǎn)量變化趨勢基本上籽粒產(chǎn)量變化規(guī)律，呈拋物線模型，N00處理生物平均產(chǎn)量19 993 kg·hm-2最低，N4處理生物平均產(chǎn)量29 247 kg·hm-2達(dá)到峰值，再增加施氮量呈下降趨勢。

試驗(yàn)結(jié)果說明，施氮對北方梯田旱地玉米有明顯的增產(chǎn)作用，年均施氮量低于N1處理時，氮肥達(dá)不到激發(fā)效應(yīng)值，增產(chǎn)不明顯；而施氮量高于N4處理時，產(chǎn)量隨之降低，玉米植株且有貪青晚熟癥狀，從產(chǎn)量、產(chǎn)值和農(nóng)藝性狀綜合分析北方梯田旱地玉米適宜的年施氮量在N3～N4之間即225 kg·hm-2～270 kg·hm-2，其3年平均產(chǎn)量均達(dá)到12 300 kg·hm-2以上。

表1　不同施氮量對玉米產(chǎn)量和施氮肥效益的影響

注：同列不同大、小寫字母分別表示處理間差異達(dá)1%和5%顯著水平。

Note:Capital letters mean significante atp<0.01;Lowercase letters mean significance atp<0.05.

2.2不同施氮量對玉米吸氮量和氮素累計(jì)利用率影響

施氮處理玉米植株吸氮量明顯高于不施氮處理，且隨著施氮量的增加而增加，見表2；當(dāng)施氮量為N4時，累計(jì)吸氮量達(dá)到最大值619 kg·hm-2，較N1、N2、N3處理分別增加了17.9%、7.8%、2.3%；再增加施氮量其植株吸氮量降低7.8%。采用二次多項(xiàng)式y(tǒng)=a+bx+cx2，模擬施氮量與吸氮量關(guān)系，吸氮量y最大時施氮量x=-b/2c，經(jīng)擬合，得方程y=-0.000 5x2+0.770 1x+294.4，R2=0.997。計(jì)算可知，累計(jì)最大吸氮量(591 kg·hm-2)時的累計(jì)施氮量為770 kg·hm-2，其理論氮素吸收倍率1.3，最佳施氮量768 kg·hm-2，介于N3～N4處理水平之間。

隨著氮量增加氮肥累計(jì)利用率、氮肥累計(jì)生理利用率、氮肥累計(jì)農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均呈現(xiàn)下降趨勢，見表2。氮肥利用率是作物吸收利用氮肥的主要指標(biāo)，它的變幅為68.9%～25.6%，均值49.2%，以2a不施氮(N01)處理利用率最高為68.9%，N5處理25.6%最低，說明適當(dāng)降低施氮量即有利于氮肥利用率的提高，又能兼顧作物產(chǎn)量與保護(hù)生態(tài)環(huán)境。氮肥生理利用率是作物地上部分每吸收單位肥料中的氮所獲得籽粒產(chǎn)量的增加量，反應(yīng)植物體內(nèi)養(yǎng)分的利用效應(yīng)；試驗(yàn)結(jié)果表明施氮量對氮肥生理利用率影響不大，其變幅(44.3 kg·kg-1～49.6 kg·kg-1)，均值47.0 kg·kg-1。氮肥農(nóng)學(xué)利用率反應(yīng)單位施氮量下作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增加情況，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最關(guān)心的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；試驗(yàn)表明施氮量增加與累計(jì)農(nóng)學(xué)效率呈指數(shù)函數(shù)變化(y=43.259e-0.001 2x，R2=0.970 1)，變幅為11.4 kg·kg-1～32.6 kg·kg-1，拐點(diǎn)在N4處理附近，施氮量低于N4增量時呈農(nóng)學(xué)效率緩慢下降，高于N4直線下降，說明過量施氮不僅引起作物奢侈吸收與農(nóng)學(xué)利用率下降，還會造成面源污染，施氮不足引起產(chǎn)量下降，適量施氮有利于氮肥生產(chǎn)能力的提高。氮肥偏生產(chǎn)力單位投入的肥料氮所能產(chǎn)生的籽粒產(chǎn)量，是我國評價肥料效應(yīng)的適宜指標(biāo)；結(jié)果分析表明，施氮量增加與氮肥偏生產(chǎn)力呈對數(shù)函數(shù)變化(y=-70.46Ln(x)+515.84，R2=0.965 2)，變幅為32.8 kg·kg-1～161.4 kg·kg-1，拐點(diǎn)在N3處理，施氮量低于N3增量時呈快速下降，高于N3增量呈緩慢下降，說明合理的施氮量即符合施肥的報酬遞減率，又兼顧施氮肥效益。

表2　施氮量對春玉米利用效應(yīng)的影響

2.3施氮量對氮素平衡和無機(jī)氮?dú)埩衾鄯e的影響

土壤無機(jī)氮(Nmin)包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。本試驗(yàn)在計(jì)算氮素平衡時，將土壤無機(jī)氮累積量指定在0～200 cm土層范圍內(nèi)，即玉米根系的主要分布范圍，且不考慮氮素的激發(fā)效應(yīng)；養(yǎng)分投入僅包括化肥施入量的養(yǎng)分，不考慮降水、大氣沉降等帶入的養(yǎng)分；養(yǎng)分的支出僅考慮包括因作物收獲而帶出的養(yǎng)分，不考慮根部吸收及淋洗、揮發(fā)和反硝化造成的養(yǎng)分損失[11]。

當(dāng)施氮量為N3水平之間時，氮素的平衡值為70 kg·hm-2，基本達(dá)到平衡略有盈余，再增加施氮量，其盈余值呈2.6倍增幅梯增，見表3。

從3年試驗(yàn)收獲后土壤殘留的無機(jī)氮來看，當(dāng)施氮量在N1處理水平時土壤剖面損失量達(dá)到平衡值；施氮量N1～N2水平之間，土壤剖面損失量變幅不大；施氮量N2～N3水平之間，土壤剖面損失量變幅產(chǎn)生突變，0～200 cm土層無機(jī)態(tài)殘留累計(jì)量從175 kg·hm-2增加到1 055 kg·hm-2；施氮量在N3、N4、N5水平時，其中剖面損失量分別為-1 055 kg·hm-2、-1 188 kg·hm-2和-1 413 kg·hm-2，說明土壤含有大量的有機(jī)態(tài)氮，施氮量大于一定的特定范圍值后，土壤中的有機(jī)態(tài)氮被激發(fā)，產(chǎn)生大量的無機(jī)態(tài)氮?dú)埩?。大量殘留的無機(jī)氮特別是硝態(tài)氮極易通過淋洗或硝化-反硝化途徑從土壤-作物體系中損失掉，對環(huán)境產(chǎn)生危害。

表3　施氮量對土壤-作物體系氮素平衡的影響

將作物氮平衡值、盈余率與總氮輸入量進(jìn)行回歸分析，得出作物氮素平衡值回歸方程為y=0.734 2x-379.96(R2=0.952 3)，即總氮輸入量每增加1 kg氮素平衡值增加0.73 kg。盈余率回歸方程為y=0.162 6x-92.745(R2=0.988 1)，當(dāng)施氮量570 kg·hm-2時，氮素投入與攜出基本達(dá)到平衡。

2.4施氮量對土壤硝態(tài)氮含量及其空間分布影響

作物收獲后殘留在土壤剖面硝態(tài)氮的含量及其分布特證是表征硝態(tài)氮淋失風(fēng)險的重要指標(biāo)[12-13]。北方梯田地土壤0～200 cm土層內(nèi)，土壤無機(jī)態(tài)氮平均含量74.9 mg·kg-1，其中硝態(tài)氮含量71.8 mg·kg-1，占無機(jī)態(tài)氮95.7%，巨曉棠等[14]對20塊小麥田收獲后0 ～ 90 cm土層土中的殘留無機(jī)氮研究表明硝態(tài)氮占無機(jī)態(tài)氮95%，與此結(jié)果基本相同，這說明北方梯田地中的無機(jī)態(tài)氮主要以硝態(tài)氮形式存貯于土壤中。

3年試驗(yàn)結(jié)果表明0～200 cm土層硝態(tài)氮含量與起始年基礎(chǔ)含量比較分析，當(dāng)施氮量達(dá)到N1水平時，0～20 cm土層硝態(tài)氮含量略高于基礎(chǔ)水平，但20 cm～40 cm土層明顯低于基礎(chǔ)水平，見表4。100 cm～200 cm土層的含量均高于基礎(chǔ)含量，這可能是由于前茬作物(小麥)、施肥水平、栽培技術(shù)不同造成的。不同施氮量處理之間，隨著施氮量的增加各土層的硝態(tài)氮含量隨之增加，尤其是0 ～ 20 cm土層尤為明顯，除N00、N01、N02處理外，其余各處理硝態(tài)氮含量在45.4 mg·kg-1～423.9 mg·kg-1之間，差異達(dá)到顯著水平，以N5處理含量423.9 mg·kg-1為最高。20 cm～140 cm內(nèi)的各土層之間，除N00、N01、N02處理硝態(tài)氮含量略有不同外，其余處理均隨著施氮量的增加而增加，特別是當(dāng)施氮量大于N3水平時，其硝態(tài)氮含量成倍增加，加大了淋溶進(jìn)入地下水造成硝態(tài)鹽污染的風(fēng)險。140 cm～200 cm內(nèi)的各土層硝態(tài)氮含量差異不大。本試驗(yàn)說明土層硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而增加。

表4　不同施氮量下土壤剖面硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)

硝態(tài)氮含量隨著土層深度的加深而呈逐漸下降的趨勢，100 cm～120 cm和140 cm～160 cm土層硝態(tài)氮含量有波峰值，說明土壤有在此處有結(jié)板層，阻礙了硝態(tài)氮的淋溶下遷，施氮量主要影響0～140 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮的含量。

3　討論與結(jié)論

3.1合理施用氮肥是提高春玉米產(chǎn)量的基礎(chǔ)

植物通過吸收土壤中氮素來滿足其生長發(fā)育的需要，包括土壤氮及肥料氮。氮肥施入農(nóng)田后，其去向基本有三個方面：一是被作物吸收；二是在土壤剖面中殘留；三是以各種形式損失[14]。王友華[15]等研究表明，當(dāng)?shù)适┯昧吭?0 kg·hm-2～270 kg·hm-2范圍內(nèi)，玉米產(chǎn)量會隨著氮肥用量的增加而提高，而當(dāng)?shù)适┯昧窟_(dá)360 kg·hm-2時玉米產(chǎn)量則下降。呂鵬[16]等在山東兩年3個試驗(yàn)點(diǎn)夏玉米研究表明，施氮240 kg·hm-2～360 kg·hm-2可提高氮肥利用率，實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)；姜濤[17]研究結(jié)果表明，施氮量為300 kg·hm-2產(chǎn)量最高，還有研究表明，施氮量為200 kg·hm-2時，玉米及其秸稈的生物量隨著施氮量的增加而增加，而當(dāng)施氮量達(dá)240 kg·hm-2時，玉米籽粒產(chǎn)量不再增加，且玉米秸稈產(chǎn)量呈下降趨勢[18]。本研究表明，施氮可以顯著提高玉米產(chǎn)量，在施氮225 kg·hm-2～270 kg·hm-2范圍內(nèi)，均可獲得12 300 kg·hm-2以上的高產(chǎn)，超過施氮270 kg·hm-2范圍再增加施氮量，子粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量會有所下降。說明對于北方高原梯田旱地春玉米，在選用全生育期地膜雙壟溝播栽培技術(shù)條件下，過量施氮不利于玉米增產(chǎn)，現(xiàn)與國內(nèi)外研究報道基本吻合，但其機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇擬合度最高的二次多項(xiàng)式模擬產(chǎn)量與施氮間的關(guān)系，各處理產(chǎn)量最大時施氮量為Xmax=-b/2c計(jì)算可知，2011年-2013年度最大產(chǎn)量施氮量為225 kg·hm-2～275 kg·hm-2，3年平均施氮量為258 kg·hm-2；產(chǎn)量利潤達(dá)到最大值時年度施氮量為232 kg·hm-2～246.5 kg·hm-2，3年平均施氮量為245.9 kg·hm-2。綜合考慮施氮成本與玉米籽粒市場價格，可推算出經(jīng)濟(jì)施氮量為：200 kg·hm-2～243.3 kg·hm-2, 3年綜合平均年施氮量為243.2 kg·hm-2。此試驗(yàn)以高產(chǎn)為前提，施氮量在200 kg·hm-2～225 kg·hm-2范圍內(nèi)可獲得高產(chǎn)，見表5。

表5　產(chǎn)量與施氮量間模型特證參數(shù)

備注：三年市場價玉米為 2 Yuan·kg-1，尿素為 2 Yuan·kg-1；產(chǎn)量利潤為Y2=玉米單位價×施氮增產(chǎn)量-純氮單價×施氮量；經(jīng)濟(jì)施肥量為xe=[(Px/Py)-b]/2a(Px為氮肥價格，Py為玉米籽價格)

Note：The price of maize and urea in 3 years is 2 Yuan·kg-1and 2 Yuan·kg-1,respectively.

3.2合理施用氮肥是提高氮素利用率的關(guān)鍵

施肥過量是我國肥料利用效率低的最主要原因。累計(jì)利用率是指一段時間內(nèi)作物累計(jì)從土壤中吸收的養(yǎng)分量與累計(jì)施入土壤中的肥料養(yǎng)分量的比值，它可以消除年際間的差異和肥料的后效[19]。時間越長，肥料的利用率越穩(wěn)定，更能準(zhǔn)確說明肥料利用的真實(shí)情況[20]。楊憲龍等[21]在陜西關(guān)中小麥-玉米輪作區(qū)，年施氮165 kg·hm-2～495 kg·hm-2范圍內(nèi)，通過4年8季試驗(yàn)研究表明，氮肥累計(jì)利用率在33.3%～56.6%之間。黃紹敏等[22]對14年長期定位監(jiān)測不同施肥方式和種植制度下(小麥-玉米和小麥-大豆)的作物產(chǎn)量與肥料效應(yīng)結(jié)果表明，年施氮量在188 kg·hm-2水平條件下，累計(jì)利用率在27.4%～36.9%之間，平均值31.7%；當(dāng)季利用率在12.9%～59.8%之間，平均值為34%。此研究表明，累積利用率隨著施氮量的增加而下降，其N1>N2>N3>N4>N5，變幅為25.6%～56.3%，平均值為49.2%，本文累積利用率偏高，主要是由于N0處理連續(xù)3年不施氮肥，氮素耗竭引起作物產(chǎn)量的降低。2011年、2012年和2013年的當(dāng)季利用率分別為13%、24%和33%，年季間的當(dāng)季利用率差異較大，平均利用率23.3%，可能與3年連作、水肥耦合效應(yīng)以及選用的玉米地膜雙壟溝播栽培技術(shù)有關(guān)，但此結(jié)果與前人研究基本吻合。2011年和2012年施氮量與氮素利用率呈二次拋物線模型，氮素最大利用率分別為15.4%和27.9%，最大利用率時的施氮量在分別為222.2 kg·hm-2和227.3 kg·hm-2，數(shù)據(jù)接近于N3水平，即施氮量225 kg·hm-2；2013年施氮量與氮素利用率呈線型下降趨勢，可能與施氮累積效應(yīng)以及年季間氣候變化有關(guān)。3年平均玉米植株吸氮量最高時的施氮量為256.7 kg·hm-2。在北方高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨是不可調(diào)控的因素，在不考慮降雨的情況下，將施氮量設(shè)置在當(dāng)?shù)赝扑]施肥下，玉米地上吸氮量和利用率均呈現(xiàn)高水平?？梢?，確定合理施肥量有利于提高氮素利用率。

3.3合理施用氮肥是環(huán)境友好的保證

調(diào)查表明，甘肅省中南部梯田地玉米生產(chǎn)以粗放式經(jīng)營為主，養(yǎng)分管理有很多誤區(qū)，為了保證當(dāng)季產(chǎn)量，普遍存在過量施氮肥問題。巨曉棠等[3]認(rèn)為，氮素殘留是對土壤氮庫的一種補(bǔ)償，但土壤中殘留過多的氮素，尤其是硝態(tài)氮不僅造成氮素資源的浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成某種程度的威脅。歐美許多國家對土壤中殘留氮的含量有十分嚴(yán)格的規(guī)定，一般要求0～90 cm土體中硝態(tài)氮?dú)埩袅康陀?5 kg·hm-2或無機(jī)氮不高于50 kg·hm-2[22]。但我國人多地少，糧食生產(chǎn)壓力大，只能追求在保持較高產(chǎn)量水平下的合理的氮肥利用率，而不應(yīng)該一味追求高的氮肥利用率而降低產(chǎn)量。此外，一味追求過低的氮肥投入，還將導(dǎo)致無法滿足作物正常生長的氮素需求而不利于作物產(chǎn)量的穩(wěn)定[23]。石德楊等[11]研究結(jié)果，0～180 cm土層內(nèi)，夏玉米低施氮量(<80 kg·hm-2)能在一定程度上降低土壤硝態(tài)氮的累計(jì)，高施氮量(>160 kg·hm-2)加重土壤硝態(tài)氮的累計(jì)?；促R舉等[13]研究結(jié)果，0～180 cm土層內(nèi)，春玉米施氮200 kg·hm-2和300 kg·hm-2時土壤中的硝態(tài)氮出現(xiàn)富集現(xiàn)象，對環(huán)境形成一定的威脅。本文研究結(jié)果是春玉米連作施氮量低于180 kg·hm-2時無機(jī)態(tài)氮低累計(jì)，施氮量大于225 kg·hm-2時高累計(jì)，加大了硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險。

綜合分析施氮量對春玉米產(chǎn)量、氮肥利用率的影響，并考慮土壤氮素平衡及硝態(tài)氮時空分布帶來的環(huán)境風(fēng)險，在本試驗(yàn)條件下，北方梯田地春玉米合理施氮量應(yīng)控制在180 kg·hm-2～225 kg·hm-2之間，最佳施氮量225 kg·hm-2，能保證實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、資源高效利用以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一。

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Effects of Nitrogen Application Rates on Corn Yield, Nitrogen Use Efficiency and Soil Nitrate Content in Northern Terraced Dry Land

WANG Pingsheng1, MA Zhongmin2, HAN Hong1, YANG Hude2, HUANG Qingyan1, ZHAO Wanqian1

(1.LinxiaAcademyofAgriculturalSciences,Linxia731100,China; 2.GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China)

A 3-year experiment was conducted under the all-film covering with double ridge-furrow sowing technology to study the interactive effects of nitrogen application rate on corn yield, N use efficiency and soil nitrate spatial distribution in northern dry land terraced fields. The results indicated that with the increase of nitrogen application rate, grain yield showed an up and down trend. Across three-year, when the nitrogen application rate was 180 kg·hm-2～225 kg·hm-2, the average grain yield, plant nitrogen uptake, seasonal N fertilizer utilization rate, accumulated N fertilizer utilization rate, accumulated N fertilizer agronomic utilization rate, accumulated nitrogen partial factor productivity,and N fertilizer pure profit were: 12 213 kg·hm-2～12 321 kg·hm-2,183 kg·hm-2～201.3 kg·hm-2,23.4%～25.9%, 45.6%～51.3%,20.4 kg·kg-1～24.9 kg·kg-1,54.8 kg·kg-1～67.9 kg·kg-1,2 562 yuan·hm-2～3 363 yuan·hm-2respectively. 200 kg·hm-2nitrogen application rate in continuous corn cultivation increased nitrogen use efficiency, and achieved nitrogen equilibrium with maximum seasonal N fertilizer utilization rate, which could effectively controllthe risk of soil nitrate accumulation in 0～2 m soil profile, and achieved the goal of high corn yield and environmental protection.

northern terraced fields; corn; nitrogen application rate; nitrogen use efficiency; soil nitrate

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.03.004

2095-2961(2016)03 -0150-09

2015-10-09；

2016-03-01.

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003014-7)資助.

王平生(1963-)男，甘肅和政人，大專學(xué)歷，高級農(nóng)藝師，主要從事植物營養(yǎng)與施肥研究.

馬忠民(1962-)，男，甘肅民勤人，研究員，研究植物營養(yǎng)與土壤肥料.

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