土壤供氮能力與作物利用氮素的變化

土壤供氮能力與作物利用氮素的變化

世界土壤通常缺乏氮，化學氮肥的使用有效地提高了農業(yè)生產中的作物產量。這對三個主要水稻產品（小麥、玉米和水稻）的氮反應效果最為突出。然而，隨著氮利用率的提高和不合理的使用，氮肥的使用效率越來越低。殘余土壤中的活性氮嚴重污染了地下水的來源和生態(tài)環(huán)境。冬小麥吸收的氮素中,有73%~87%來自土壤［2］.因此,根據土壤供氮能力確定氮肥用量是提高氮肥利用率和保護環(huán)境的根本途徑.自20世紀60年代以來,農業(yè)科學工作者一直重視土壤供氮能力的研究;近數(shù)十年來,人們對環(huán)境問題的重視更促進了這類研究的開展.施氮量普遍增加導致了土壤殘留的礦質氮不斷升高［3］,測定土壤礦質氮濃度及一定深度土壤的氮素累積量日益受到人們重視.熟知的測定0~100cm或0~120cm土層的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度,并用其累積總量表征土壤可被作物利用的氮素數(shù)量(Nmin)的方法就是這類方法的代表［4－5］.一般情況下,在作物播前或作物生長期間無淋失和反硝化嚴重發(fā)生地區(qū),推薦施氮量應當基于與氮肥有同等效果的土壤礦質氮濃度.Carter等［6］證明,可礦化氮與硝態(tài)氮結合起來可以更好地預測施氮量.Stanford等［7］研究表明,在降水量有限、作物管理良好的條件下,土壤供氮能力與作物利用的氮素可以根據殘留礦質氮和受環(huán)境因素(溫度和濕度)影響的有機氮礦化量來更好預報.測定硝態(tài)氮并無技術困難,難點是采樣深度和時間.胡田田和李生秀［8－11］大量田間試驗表明,表層土壤的硝態(tài)氮可在一定程度上反映土壤的供氮能力,但相關系數(shù)不高,預報不精確;0~80或0~100cm土壤剖面累積的硝態(tài)氮可以提供滿意的評價指標.依靠天然降水維持農業(yè)生產的旱農地區(qū)(半干旱和半濕潤地區(qū))約占我國國土面積的43.2%［12］,是我國農業(yè)生產的主要基地,也是未來農業(yè)發(fā)展的前沿陣地.這一地區(qū)的特點是水分脅迫經常制約農業(yè)生產.降水少的氣候特點和地廣人稀的社會人文條件導致農田培肥不力,土壤有機質少,礦化的有機氮數(shù)量有限;有限的降水也造成了殘留的硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積.因此,研究土壤累積硝態(tài)氮的利用一直受到人們重視,但土壤硝態(tài)氮在反映這類土壤的供氮能力方面是否有普遍性?硝態(tài)氮濃度和剖面中累積的硝態(tài)氮量,哪一個能更好地反映土壤的供氮水平?在氮肥用量日益增加、作物產量不斷提高的條件下,過去得到的結論是否仍有意義?如何更好地利用旱地土壤累積的硝態(tài)氮確定氮肥用量及施肥時期等問題急需進一步研究.為了回答這些問題,我們在陜西和河南同時進行了18處大田試驗,本文應用這些試驗資料,分析土壤不同深度銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度及其累積量在反映旱地土壤供氮能力方面的效果和作用,為科學定量施氮提供理論和技術依據.1土壤理化性質大田試驗分別在陜西永壽(代碼Y)11個田塊和河南洛陽(代碼L)7個田塊的旱地土壤上實施.永壽地處陜西渭北高原,屬半濕潤易旱地區(qū),年均降水量601.6mm,年平均氣溫10.8℃,年蒸發(fā)量807.4mm;主要作物為小麥,小麥收后休閑,一年一熟;春播作物有玉米、糜谷.試驗選用不同肥力的小麥連作田塊,保證基礎條件特別是土壤水分條件相同,供試土壤均為黑壚土.洛陽位于河南西部,年均降雨量610mm,年均氣溫14.2℃,屬小麥-玉米一年兩熟區(qū),供試土壤為碳酸鹽褐土和黃潮土.各試驗點土壤理化性質見表1.兩省采用同一試驗方案.試驗共設7個處理,分別為不施氮肥的對照和2種銨態(tài)氮肥及2種硝態(tài)氮肥品種及組合的6個處理.本文只比較對照和施氮處理的各項指標,施氮處理均用6個處理的平均值,這就大幅度增加了重復次數(shù),提高了試驗精度.施氮處理的氮量均為150kgN·hm－2.各處理均施用磷肥(過磷酸鈣),用量為75kgP2O5·hm－2.田間采用隨機區(qū)組設計,3次重復,小區(qū)面積18m2.供試小麥品種永壽為晉麥4號,由該縣種子站提供;洛陽為焦麥668,由河南省溫縣農業(yè)科學院提供.永壽試驗于2009年9月25—29日播種,2010年6月10—12日收獲.洛陽于2009年10月14—18日播種,2010年6月7日收獲,播種量150kg·hm－2.田間管理措施與當?shù)卮筇镌耘嘁恢?小麥成熟后,按區(qū)收獲,稱取全區(qū)鮮質量;并稱取5kg左右鮮樣,曬干,稱量,脫粒,計算生物量及籽粒產量.1.2土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定土壤基本理化性質測定用小麥播前土樣.分別于2009年9月下旬(永壽)和10月中旬(洛陽),在選好的試驗地上隨機選取5點,用土鉆采集0~20cm表層土壤,風干過篩,貯于玻璃瓶中備用.土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測定分2次采樣.小麥播前在每個田塊選好的5個樣點上,分5層采集土樣(0~100cm),每層20cm,用于測定不同土層中的起始銨態(tài)氮和硝態(tài)氮.小麥收獲后,在永壽4個試驗田塊(Y-1,Y-4,Y-7,Y-10)的對照區(qū),同樣分5層采集土樣,測定殘留的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,確定小麥對土壤剖面中累積的這兩種形態(tài)氮素的利用.土壤全氮用凱氏法測定,土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定,有效磷用Olsen法測定,有效鉀用乙酸銨浸取火焰光度計測定.土壤起始礦質氮采用KCl浸取鮮土樣,濾液用連續(xù)流動分析儀測定硝態(tài)氮［13］和銨態(tài)氮［14］.1.3生物量的測定這一測定僅在洛陽試驗區(qū)進行.冬小麥生長期間,分別在越冬期﹑返青期﹑拔節(jié)期和成熟期,選取各處理有代表性植株10株,在105℃下殺青30min,80℃烘干、稱量,測定地上部生物量.施氮增產量用施氮處理的生物量平均值減去對照平均值得到,以kg·hm－2表示.1.4處理數(shù)據采用MicrosoftExcel2003和DPS7.0分析軟件對試驗數(shù)據進行統(tǒng)計分析,LSD法進行多重比較.2結果與分析2.1不同土層厚度的土壤硝態(tài)氮濃度表1小麥播前土壤中的銨態(tài)氮濃度很低.永壽土樣,低者無法檢出,最高也只有3.0mg·kg－1;洛陽土樣,最小0.3mg·kg－1,最大3.2mg·kg－1.各層間的銨態(tài)氮平均濃度差別不大(表2),但一些層次間的濃度有密切線性相關關系(表3).與銨態(tài)氮相反,播前土壤硝態(tài)氮濃度較高,由0~20cm到80~100cm,平均濃度分別為7.2、10.7、12.5、13.0和14.0mg·kg－1(表2);相鄰各土層間有顯著或極顯著的線性相關(表3).洛陽0~20cm到80~100cm平均濃度分別為17.9、9.7、6.8、4.7和4.0mg·kg－1;部分土層間的硝態(tài)氮濃度也有密切的線性相關關系.顯然,濃度逐層增加表明硝態(tài)氮受到當季雨水淋溶,逐層降低則是一種自然狀況,未受當季降水影響.2.2小麥土壤氮素數(shù)量小麥生物產量是籽粒產量的基礎,高的生物產量一般伴隨著高的籽粒產量.因此小麥生物產量和籽粒產量(表4)是農業(yè)生產的目標,也是判別土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度或數(shù)量能否反映土壤供氮能力的唯一準則.可以推斷,在其他條件相對一致情況下,如果某一形態(tài)氮素的濃度或數(shù)量可以表征土壤的供氮水平,則其濃度或數(shù)量高者,對照小麥的生物和籽粒產量必高;它們之間必然有顯著的正相關關系.計算結果表明,各層銨態(tài)氮濃度與對照小麥生物量和籽粒產量之間的決定系數(shù)很低,既無線性也無非線性關系.與銨態(tài)氮不同,永壽硝態(tài)氮濃度與對照小麥生物產量和籽粒產量有一定的線性關系(表5).這種關系隨土層加深而增大,60~80cm土層硝態(tài)氮濃度與小麥生物量和籽粒產量的決定系數(shù)最高,可解釋59%的生物產量變異和71%的籽粒產量變異.洛陽對照小麥生物產量和籽粒產量都與各層土壤硝態(tài)氮濃度無顯著線性關系.兩省小麥對土壤硝態(tài)氮濃度反應的共同特征是:硝態(tài)氮濃度高的土層能提供更多的氮素,對對照小麥產量貢獻大.銨態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度之和在反映土壤供氮特性方面的效果與硝態(tài)氮完全一致;決定系數(shù)雖有差異,但基本上都在誤差范圍之內.各層土壤不同形態(tài)氮素的數(shù)量(即每公頃每層土壤的絕對數(shù)量,以kgN·hm－2表示)與濃度有相同特點,與生物指標的關系也顯示同一趨勢.對照小麥產量雖與一些土層的硝態(tài)氮或銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度之和有一定線性關系,但既不穩(wěn)定,也不能表征土壤總的供氮特性.小麥吸收的氮素是其根系所能觸及的土層,不可能跨越某一土層而吸收另一土層的養(yǎng)分;不同土層濃度與對照小麥的關系不符合這種實際情況.另一方面,這一關系只有定性意義.以永壽試驗為例,對照平均籽粒產量為3902kg·hm－2,生物產量為7975kg·hm－2;根據籽粒含N2.4%、秸稈含N0.3%的測定值計算,需要吸取105.8kgN,而根據硝態(tài)氮濃度計算,由上到下5個土層的硝態(tài)氮平均數(shù)量只有19.0、26.8、23.3、33.8和36.3kg·hm－2.任何土層即使把銨態(tài)氮加上,都不可能提供如此多的氮素.同樣,每一土層測定的硝態(tài)氮數(shù)量或銨態(tài)氮及硝態(tài)氮數(shù)量之和雖是作物可以直接吸收利用的有效氮素,但并不是小麥整個生育期能夠利用的全部氮素.研究表明,小麥根系入土深度可達100cm,旱地小麥可以利用0~80cm或0~100cm深度的氮素［12］.為了確定不同深度累積的硝態(tài)氮及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮總量對小麥產量的貢獻,我們計算了不同土壤深度,即0~20cm、0~40cm、0~60cm、0~80cm和0~100cm累積的不同形態(tài)氮素的數(shù)量;擬合了不同深度累積的硝態(tài)氮量與小麥籽粒產量的關系(圖1).圖1顯示,永壽土壤,0~20cm土層累積的硝態(tài)氮與小麥產量無顯著相關,但隨著土層逐次加深,即由0~20cm逐步加深到0~40、0~60、0~80、0~100cm,硝態(tài)氮累積量與對照小麥產量呈顯著或極顯著相關;土層越深,關系越密切.0~100cm深度累積的硝態(tài)氮可解釋籽粒產量87%和生物產量80%的變異.土壤的硝態(tài)氮數(shù)量占銨態(tài)氮、硝態(tài)氮總量的91%,在反映土壤供氮特性方面與兩者之和的趨勢完全一致.這表明,在其他條件(品種、耕作、前作、土壤水分等)相對一致的情況下,這一深度土壤所累積的硝態(tài)氮是決定小麥產量的主要因素.以平均值計算,永壽不施氮小麥從土壤吸收的氮素為105.8kg·hm－2,5層土壤累積的硝態(tài)氮平均為139.2kg·hm－2,累積的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮總量平均為155.3kg·hm－2;吸收量占硝態(tài)氮累積量的76%,占銨態(tài)氮、硝態(tài)氮累積總量的68%.由此可見,只要加強管理和合理利用,累積在土壤剖面中的硝態(tài)氮并不一定是潛在污染源,而是可利用的養(yǎng)分資源.與永壽情況不同,洛陽小麥后期受旱嚴重,不施氮產量與硝態(tài)氮累積量或銨態(tài)氮、硝態(tài)氮累積總量無顯著相關.2.3小麥生物量和量采用上述同一過程計算了播前不同土層土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度、數(shù)量與施氮小麥生物產量與籽粒產量的關系.結果表明(表5),各層土壤的銨態(tài)氮濃度和數(shù)量與施氮小麥生物量和籽粒產量仍無關,且洛陽出現(xiàn)不正常的負相關.硝態(tài)氮濃度和數(shù)量雖與施氮小麥生物量和籽粒產量有顯著或極顯著相關,但永壽和洛陽有完全不同趨勢:永壽呈顯著正相關,20~40cm土層的硝態(tài)氮濃度和數(shù)量可以解釋籽粒產量62%和生物量58%的變異;洛陽的產量趨勢線清楚地顯示了其間的負相關趨勢;0~20cm和0~100cm土層的硝態(tài)氮濃度、數(shù)量與產量的決定系數(shù)高達0.73和0.79,與生物量為0.41和0.37.永壽施氮小麥生物量和產量與0~20cm、0~40cm、0~60cm、0~80cm和0~100cm土層累積的硝態(tài)氮量均顯著相關;0~100cm土層累積的硝態(tài)氮量可對產量變異給出62%的解釋,0~40cm和0~100cm土層累積量可對生物量變異給出59%和47%的解釋.洛陽施氮小麥籽粒產量與不同深度土層累積的硝態(tài)氮都呈顯著負相關,理論上無法解釋.這些不正常的現(xiàn)象顯然與氮肥的影響有關.施氮對小麥產量的影響可以用標志著小麥對氮肥反應程度的施氮增產量來表征.土壤供氮能力低,則小麥對氮肥反應強烈,施氮增產量高;反之則低.圖2表明,小麥施氮增產量與累積的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮及硝態(tài)氮之和的關系取決于累積的土層深度.永壽土壤,0~20cm、0~40cm和0~60cm土層累積的硝態(tài)氮與施氮增產量的相關性均不顯著,而0~80cm和0~100cm土層累積的硝態(tài)氮卻與其高度顯著相關;0~100cm土層硝態(tài)氮累積量和二者之和可對增產量變幅給出75%的解釋.隨著硝態(tài)氮在土壤剖面中累積量增加,增產量急劇下降.銨態(tài)氮、硝態(tài)氮累積總量與硝態(tài)氮趨勢完全一致(圖2).洛陽土壤累積的硝態(tài)氮同樣與施氮增產量顯著相關.0~80cm土層累積的硝態(tài)氮可解釋64%的產量和68%的生物量變異.與永壽不同的是,這種關系不是隨累積層次的加深而增大,而是從表層就顯著相關;隨土層增加,決定系數(shù)雖有提高趨勢,但變幅不大.原因在于洛陽的硝態(tài)氮主要累積在0~20cm耕層,平均累積量為43kg·hm－2,占整個土壤剖面累積量的40.5%.表層的硝態(tài)氮累積量對小麥吸收氮素有重要貢獻,表層加上其他土層的累積量雖然影響作物吸氮量,但未改變這種趨勢.2.4小麥生物量和施氮增產量的關系在洛陽地區(qū)測定了不同生育期的小麥生物量(表6),分析了小麥生物量、施氮增產量與不同深度土壤累積的硝態(tài)氮的關系(表7).結果表明,作物對氮素利用有生育階段性,隨著生育進程推進逐漸增加對深層土壤氮素的利用.越冬期主要利用0~20cm土層氮素,生物量隨此層硝態(tài)氮累積量增加而上升,施氮增產量則隨其增加而下降.返青、拔節(jié)期間,小麥生物量分別與0~40和0~60cm土層硝態(tài)氮累積量密切相關,而施氮增產量的決定系數(shù)或者與這兩個深度累積的硝態(tài)氮最高,或者隨深度進一步增加而再升高.成熟期,小麥已可充分利用0~100cm土層氮素,生物量和施氮增產量均與這一深度硝態(tài)氮累積量的決定系數(shù)最高,也與這一深度的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積總量關系最密切.由此可見,作物吸收土壤養(yǎng)分是一個漸進過程,不同生育期對不同深度土層養(yǎng)分有不同利用程度.幼苗根系不發(fā)達,只能利用淺層土壤養(yǎng)分;隨著根系延伸,會逐步加深對深層土壤養(yǎng)分的利用.2.5小麥土壤氮素吸收特征土壤累積的硝態(tài)氮對小麥的貢獻可由對照區(qū)小麥吸氮量和收獲后土壤殘留的硝態(tài)氮確定.小麥收獲后采集了永壽4個代表田塊(Y-1,Y-4,Y-7,Y-10)對照區(qū)的5層土壤,測定了其中殘存的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮.結果表明,銨態(tài)氮量依然很小,與播前無顯著差異,而硝態(tài)氮量顯著下降.這4個試驗田塊播前0~100cm土層累積的硝態(tài)氮分別為105.6、217.2、141.3和134.6kg·hm－2,收獲后殘存的硝態(tài)氮分別為56.2、97.1、71.2和70.0kg·hm－2(表8).而小麥吸收的氮素分別為87.6、127.9、115.3和114.8kg·hm－2.如果小麥吸收的氮素完全來自硝態(tài)氮,則由起始硝態(tài)氮減去相應吸氮量后殘留硝態(tài)氮應分別為18、89.3、26和19.8kg·hm－2,但實際上卻是上述測定結果,比預期平均高35kg·hm－2.這表明小麥生長過程中土壤可礦化出一定氮素,這部分增加的硝態(tài)氮就是礦化出來的有機氮.3討論3.1小麥根系發(fā)育的影響過多而不合理的氮肥投入會使硝態(tài)氮在土壤剖面中大量累積［15］.這些累積的硝態(tài)氮如未及時被作物吸收利用,會隨降水或灌水逐漸向下層淋溶,最終移出作物根區(qū),污染地下水源.根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,而土壤水分和養(yǎng)分供應又影響根系在土壤中的空間分布(橫向寬度、入土深度和層間密度)［16－18］,從而影響其對土壤水分和養(yǎng)分的利用［19－22］.土壤硝態(tài)氮對作物根系發(fā)育的影響［23］和發(fā)達根系對土壤硝態(tài)氮的利用是廣為關注的兩個方面［24］.小麥是一種根系發(fā)達的作物,其根系上層多、下層少,呈現(xiàn)明顯的T型分布;根系生長過程符合S型曲線,即前期較慢、中期快速持續(xù)增長、后期減緩甚至出現(xiàn)負增長;入土深度可達100cm左右［25］.促進小麥生長期間對硝態(tài)氮的利用是減源增效的有效措施.Noordwijk等［26］和Rowe等［27］提出了植物吸收土壤養(yǎng)分的“營養(yǎng)泵”和“安全網”假說,認為植物均可通過其根系網絡攔截來自土壤剖面淺層的養(yǎng)分,而深根植物則可通過根系向下延伸,將下層累積的養(yǎng)分“泵”到上部,從而避免進一步向下遷移.選擇適宜的作物合理輪作或間作,“截獲”和“泵吸”土壤剖面中累積的硝態(tài)氮日益受到人們重視［28－29］.李世清等［30］試驗證明,