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化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿

孙昭安 陈清 朱彪 曹慧 孟凡乔

引用本文:
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化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿

    作者简介: 孙昭安 E-mail:sun.zhaoan@163.com;
    通讯作者: 曹慧, E-mail:hui5232@163.com ; 孟凡乔, E-mail:mengfq@cau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0800605-2);潍坊学院博士基金(2019BS12)。

Contributions of fertilizer N to winter wheat N uptake and compensation of soil N pool in farmland

    Corresponding author: CAO Hui, E-mail:hui5232@163.com ;MENG Fan-qiao, E-mail:mengfq@cau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  小麦对氮素的吸收消耗了土壤氮库,土壤中残留的化肥氮则可补偿土壤氮库的消耗,综合考虑这两方面的影响,核算施氮量和秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。  【方法】  收集1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,分析化肥氮和土壤氮对小麦当季氮吸收的贡献,小麦当季氮吸收、化肥氮的去向、土壤氮库的盈亏分别与施氮量之间的关系,以及秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。  【结果】  施氮量与化肥氮对小麦当季氮吸收的贡献之间呈显著正相关 (P = 0.029),而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关 (P = 0.031)。小麦当季氮素吸收源于土壤的比例约为2/3,源于化肥的比例约为1/3,追施氮对小麦氮吸收的贡献约是基施氮的1.5倍。施氮量与氮肥有效率 (氮肥利用率+氮肥残留率) 之间呈极显著负相关 (P = 0.004),而与氮肥损失率之间呈极显著正相关 (P < 0.001)。在秸秆不还田和还田条件下,小麦季土壤氮库的盈亏均与施氮量之间呈极显著正相关 (P ≤ 0.001)。  【结论】  在施氮量为N 60~500 kg/hm2时,小麦吸收的氮素1/3来自化肥,2/3来自土壤。冬小麦季化肥氮的3个去向为:地上部吸收、土壤残留和损失,其所占比例分别约为36%、33%和31%。在秸秆不还田和还田条件下,土壤氮库达到平衡的施氮量分别为N 308和233 kg/hm2
  • 图 1  化肥氮和土壤氮对小麦氮吸收的贡献及其与施氮量之间的关系

    Figure 1.  N application rate dependent relationship between contributions of fertilizer N and soil N to wheat N uptake

    图 2  不同施氮水平下化肥氮和土壤氮对小麦氮吸收的贡献

    Figure 2.  Contributions of fertilizer N and soil N to wheat N uptake under different N application rates

    图 3  氮肥有效率和损失率随施氮量的变化

    Figure 3.  Changes of fertilizer nitrogen efficiency and loss with N application rates

    图 4  不同施氮水平下化肥氮的回收率、残留率和损失率比例

    Figure 4.  Percentage of fertilizer N in recovery, residual and loss under different N application rates

    图 5  施氮量与土壤氮库盈亏的关系

    Figure 5.  The relationship between the N application rate and the budget of soil N

    表 1  化肥氮和土壤氮对小麦氮素吸收的贡献 (%)

    Table 1.  Contribution of fertilizer- and soil-derived N to N uptake by wheat

    施氮量 (kg/hm2)
    N application rate
    肥料氮Fertilizer N土壤氮
    Soil N
    参考文献
    Reference
    基肥Basal追肥Topdressing总Total
    1008.391.7[16]
    27633.366.6[17]
    19131.768.3[18]
    14141.258.8[19]
    6023.676.4[20]
    12038.761.9[20]
    18042.757.3[20]
    23041.958.1[21]
    15051.548.5[22]
    23022.178.0[23]
    22538.161.9[24]
    7514.086.0[25]
    15021.578.5[25]
    22525.274.5[25]
    32735.364.7[26]
    7513.286.8[27]
    15020.180.0[27]
    22525.774.4[27]
    19041.958.1[28]
    42556.443.6[29]
    7529.071.0[30]
    27841.158.9[31]
    7515.684.4[32]
    15022.377.7[32]
    22526.573.5[32]
    30026.873.2[32]
    18866.833.4[33]
    31421.178.9[34]
    24019.927.447.352.7[10]
    29815.384.7[35]
    10033.366.7[36]
    15040.459.6[36]
    12035.164.9[37]
    24045.654.4[37]
    36053.047.0[37]
    30.869.2[38]
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    表 2  化肥氮在小麦–土壤系统中的去向 (%)

    Table 2.  Fate of fertilizer-derived N in wheat–soil system

    施氮量 (kg/hm2)
    N application rate
    地上部回收率Recovery in shoot土壤残留
    Soil residual
    氮肥有效率
    Fertilizer N efficiency
    损失
    Loss
    参考文献
    Reference
    籽粒Grain秸秆Straw总Total
    10045.145.1[16]
    18646.322.568.831.2[58]
    27651.5 5.456.923.280.119.9[17]
    12047.131.378.422.2[59]
    14136.418.154.4[19]
    20738.835.774.525.6[20]
    41436.437.473.826.2[20]
    62125.934.560.440.4[20]
    7557.116.873.9[60]
    11350.815.165.9[60]
    15047.214.962.1[60]
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    表 3  秸秆还田对不同施氮量小麦当季土壤氮库盈亏的影响 (N kg/hm2)

    Table 3.  Balance of indigenous soil N in wheat season under different N application rates affected by straw incorporation

    施氮量
    N application rate
    (N kg/hm2)
    籽粒中的
    土壤氮
    Soil N
    in grain
    秸秆中的土壤氮
    Soil N
    in straw
    地上部的土壤氮
    Soil N
    in shoot
    秸秆中
    肥料氮Fertilizer N
    in straw
    土壤残留
    的肥料氮
    Residual fertilizer
    N in soil
    土壤氮盈亏Soil N balance参考文献
    Reference
    秸秆还田
    With straw incorporation
    秸秆不还田
    Without straw incorporation
    291160.2 34.7194.9 9.887.3–63.1 –107.6 [75]
    12070.018.288.214.654.3–1.1–33.9[76]
    24050.620.771.322.457.729.5–13.6[76]
    36045.615.461.030.875.360.5 14.3[76]
    7588.818.3107.1 6.824.3–57.7 –82.8[10]
    15073.817.491.214.340.1–19.4 –51.1[10]
    22554.515.570.021.978.145.5 8.1[10]
    30047.715.663.325.3121.9 99.5 58.6[10]
    10069.331.8–37.5[36]
    15073.443.8–29.6[36]
    7593.026.0119.0 7.732.3–53.0 –86.7[77]
    22567.212.279.424.168.125.0–11.3[77]
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    [19] 巨晓棠潘家荣刘学军张福锁 . 北京郊区冬小麦/夏玉米轮作体系中氮肥去向研究. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(3): 264-270. doi: 10.11674/zwyf.2003.0302
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-30
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-03-01

化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿

    作者简介:孙昭安 E-mail:sun.zhaoan@163.com
    通讯作者: 曹慧, hui5232@163.com
    通讯作者: 孟凡乔, mengfq@cau.edu.cn
  • 1. 潍坊学院生物与农业工程学院/山东省高校生物化学与分子生物学重点实验室,山东潍坊 261061
  • 2. 中国农业大学资源与环境学院/农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室,北京 100193
  • 3. 北京大学生态研究中心/城市与环境学院/地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0800605-2);潍坊学院博士基金(2019BS12)。
  • 摘要:   【目的】  小麦对氮素的吸收消耗了土壤氮库,土壤中残留的化肥氮则可补偿土壤氮库的消耗,综合考虑这两方面的影响,核算施氮量和秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。  【方法】  收集1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,分析化肥氮和土壤氮对小麦当季氮吸收的贡献,小麦当季氮吸收、化肥氮的去向、土壤氮库的盈亏分别与施氮量之间的关系,以及秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。  【结果】  施氮量与化肥氮对小麦当季氮吸收的贡献之间呈显著正相关 (P = 0.029),而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关 (P = 0.031)。小麦当季氮素吸收源于土壤的比例约为2/3,源于化肥的比例约为1/3,追施氮对小麦氮吸收的贡献约是基施氮的1.5倍。施氮量与氮肥有效率 (氮肥利用率+氮肥残留率) 之间呈极显著负相关 (P = 0.004),而与氮肥损失率之间呈极显著正相关 (P < 0.001)。在秸秆不还田和还田条件下,小麦季土壤氮库的盈亏均与施氮量之间呈极显著正相关 (P ≤ 0.001)。  【结论】  在施氮量为N 60~500 kg/hm2时,小麦吸收的氮素1/3来自化肥,2/3来自土壤。冬小麦季化肥氮的3个去向为:地上部吸收、土壤残留和损失,其所占比例分别约为36%、33%和31%。在秸秆不还田和还田条件下,土壤氮库达到平衡的施氮量分别为N 308和233 kg/hm2

    English Abstract

    • 在小麦生产中,肥料氮的去向受小麦品种[1]、施氮量[2-3]和施氮时期[4-5]的影响。一般情况下,随着施氮量增加,氮肥利用率和残留率降低,损失率增加[6-8]。大部分研究侧重于氮肥利用率的变化特征,而对土壤残留肥料氮对作物带走的土壤氮素消耗的补偿缺乏考虑[4, 6]。在解析传统氮肥利用率时,必须综合考虑施氮量、作物产量和土壤氮素肥力变化情况[6-8]。例如,通过降低氮肥施用量,可以很容易提高传统氮肥利用率,但不能维持高产和土壤氮素肥力[2-3, 6, 9]。因此,巨晓棠[6]提出了氮肥有效率应为作物氮肥利用率和土壤氮肥残留率之和,也就是说,肥料氮对土壤氮库消耗的补偿效应也是氮肥利用率的重要组成部分。

      氮肥利用率一般以施氮区与未施氮区作物吸收氮素的差值即差值法来计算。但差值法不能区分作物吸收的氮素来源中肥料和土壤氮的比例,也无法明确土壤残留的肥料氮量和作物带走的土壤氮量,因此不能定量土壤氮库的盈亏量[4, 10-12]15N示踪法可以区分作物吸收氮素的来源,因此,可以较好地解析施氮量对土壤氮库消耗的补偿效应[4, 6-8]。若土壤中残留的肥料氮量大于作物地上部带走的土壤氮量,土壤氮库为盈余,反之则亏损。

      在华北平原等小麦主产区,秸秆还田是培肥土壤的重要措施[13]。秸秆的氮素转化及其对土壤氮素有效性的影响虽然有较多研究,但没有区分秸秆中氮素的来源及比例[14-15]。秸秆中只有源于肥料的氮量才可以补偿土壤氮库的消耗,以往的研究没有扣除秸秆中土壤来源的氮量[7-8]。小麦植株–土壤体系中肥料氮和土壤氮的转化也缺少分析,因此,对土壤氮库盈亏估算的准确性大打折扣。本研究通过汇总和分析中国农田小麦的15N示踪试验结果,揭示不同施氮量下化肥氮对小麦氮吸收的贡献、化肥氮的去向、土壤氮库的盈亏,以及秸秆还田对土壤氮库盈亏的影响,以期为我国小麦生产中的精确氮素管理、土壤氮素肥力提高和面源污染防控提供理论基础。

      • 利用中国知网检索关键词“15N”和“小麦”,以及Web of Science数据库检索关键词“15N”、“Wheat”和“China”,查阅了1980至2018年间我国小麦15N示踪相关的文献,通过以下3个标准对收集后的文献进行再次筛选:1)15N标记小麦以化肥氮方式施入土壤;2) 小麦氮吸收数据覆盖全生育期;3) 土壤氮库的盈亏基于田间小麦15N示踪结果。按照以上标准,最终筛选出75篇文献,其中57篇可用于核算化肥氮和土壤氮对小麦当季氮素吸收的贡献 (试验样本数为95个,表1),51篇可用于核算化肥氮在小麦–土壤体系中的去向 (试验样本数为101个,表2),17篇可用于核算秸秆还田和施氮量对小麦当季土壤氮库盈亏的影响 (试验样本数为57个,表3)。

        表 1  化肥氮和土壤氮对小麦氮素吸收的贡献 (%)

        Table 1.  Contribution of fertilizer- and soil-derived N to N uptake by wheat

        施氮量 (kg/hm2)
        N application rate
        肥料氮Fertilizer N土壤氮
        Soil N
        参考文献
        Reference
        基肥Basal追肥Topdressing总Total
        1008.391.7[16]
        27633.366.6[17]
        19131.768.3[18]
        14141.258.8[19]
        6023.676.4[20]
        12038.761.9[20]
        18042.757.3[20]
        23041.958.1[21]
        15051.548.5[22]
        23022.178.0[23]
        22538.161.9[24]
        7514.086.0[25]
        15021.578.5[25]
        22525.274.5[25]
        32735.364.7[26]
        7513.286.8[27]
        15020.180.0[27]
        22525.774.4[27]
        19041.958.1[28]
        42556.443.6[29]
        7529.071.0[30]
        27841.158.9[31]
        7515.684.4[32]
        15022.377.7[32]
        22526.573.5[32]
        30026.873.2[32]
        18866.833.4[33]
        31421.178.9[34]
        24019.927.447.352.7[10]
        29815.384.7[35]
        10033.366.7[36]
        15040.459.6[36]
        12035.164.9[37]
        24045.654.4[37]
        36053.047.0[37]
        30.869.2[38]

        表 2  化肥氮在小麦–土壤系统中的去向 (%)

        Table 2.  Fate of fertilizer-derived N in wheat–soil system

        施氮量 (kg/hm2)
        N application rate
        地上部回收率Recovery in shoot土壤残留
        Soil residual
        氮肥有效率
        Fertilizer N efficiency
        损失
        Loss
        参考文献
        Reference
        籽粒Grain秸秆Straw总Total
        10045.145.1[16]
        18646.322.568.831.2[58]
        27651.5 5.456.923.280.119.9[17]
        12047.131.378.422.2[59]
        14136.418.154.4[19]
        20738.835.774.525.6[20]
        41436.437.473.826.2[20]
        62125.934.560.440.4[20]
        7557.116.873.9[60]
        11350.815.165.9[60]
        15047.214.962.1[60]

        表 3  秸秆还田对不同施氮量小麦当季土壤氮库盈亏的影响 (N kg/hm2)

        Table 3.  Balance of indigenous soil N in wheat season under different N application rates affected by straw incorporation

        施氮量
        N application rate
        (N kg/hm2)
        籽粒中的
        土壤氮
        Soil N
        in grain
        秸秆中的土壤氮
        Soil N
        in straw
        地上部的土壤氮
        Soil N
        in shoot
        秸秆中
        肥料氮Fertilizer N
        in straw
        土壤残留
        的肥料氮
        Residual fertilizer
        N in soil
        土壤氮盈亏Soil N balance参考文献
        Reference
        秸秆还田
        With straw incorporation
        秸秆不还田
        Without straw incorporation
        291160.2 34.7194.9 9.887.3–63.1 –107.6 [75]
        12070.018.288.214.654.3–1.1–33.9[76]
        24050.620.771.322.457.729.5–13.6[76]
        36045.615.461.030.875.360.5 14.3[76]
        7588.818.3107.1 6.824.3–57.7 –82.8[10]
        15073.817.491.214.340.1–19.4 –51.1[10]
        22554.515.570.021.978.145.5 8.1[10]
        30047.715.663.325.3121.9 99.5 58.6[10]
        10069.331.8–37.5[36]
        15073.443.8–29.6[36]
        7593.026.0119.0 7.732.3–53.0 –86.7[77]
        22567.212.279.424.168.125.0–11.3[77]
      • 遵循如下思路对15N示踪相关的数据进行归纳整理:1) 小麦氮素吸收来源分为土壤氮和化肥氮,吸收的化肥氮又分为基施氮和追施氮 (表1);2) 化肥氮的去向分为籽粒及秸秆吸收、土壤残留和损失 (表2);3) 设置秸秆不还田和还田两种方式,分别整理籽粒吸收的土壤氮量,秸秆中来源于化肥和土壤的氮量,及土壤中残留肥料氮量,核算秸秆还田和施氮量对土壤氮库盈亏的影响 (表3)。

      • 氮肥有效率指氮肥利用率和土壤中氮肥残留率之和[6],即氮肥有效率 (%) = 氮肥利用率 (%) + 土壤中氮肥残留率 (%)。

      • 秸秆不还田条件下,土壤氮输出为地上部带走的土壤氮量,土壤氮输入为土壤中残留肥料氮量[7-8],土壤氮库盈亏量 (N kg/hm2)= 土壤中残留的肥料氮量-地上部吸收的土壤氮量;秸秆还田条件下,土壤氮输出为籽粒带走的土壤氮量,土壤氮输入为土壤和秸秆中源于肥料的氮量[7-8],土壤氮库盈亏量 (N kg/hm2)=土壤中残留肥料氮量+秸秆吸收的肥料氮量-籽粒吸收的土壤氮量。

      • 采用Microsoft Excel 2013软件完成数据整理和作图。小麦氮素吸收中不同来源氮的比例、化肥氮的去向及土壤氮库的盈亏分别与施氮量之间的关系运用线性模型进行拟合,相关分析及方差分析采用SPSS 17.0版软件完成。

      • 对我国小麦15N示踪相关的文献汇总分析 (表1) 发现,小麦季氮肥用量平均为N 200 kg/hm2,冬小麦当季的氮素吸收主要源于土壤氮,约占2/3,来自化肥氮仅占1/3。追肥氮对小麦氮素吸收的贡献约是基施化肥氮的1.5倍,其中追肥氮对小麦氮素吸收的贡献平均值约为18%,基肥氮的贡献约为12%。

        化肥氮对小麦氮吸收的贡献与施氮量之间呈显著正相关 (P = 0.029,图1-a),而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关 (P = 0.031,图1-b),这表明小麦氮素吸收源于化肥氮的比例随施氮量增加呈升高趋势,而来自于土壤氮的比例则表现相反趋势。

        图  1  化肥氮和土壤氮对小麦氮吸收的贡献及其与施氮量之间的关系

        Figure 1.  N application rate dependent relationship between contributions of fertilizer N and soil N to wheat N uptake

        由于施氮量与化肥氮对小麦氮吸收的贡献呈显著正相关 (图1-a),与土壤氮对小麦氮吸收的贡献呈显著负相关 (图1-b),因此本研究进一步分析不同施氮水平下小麦氮素不同来源比例的差异。结果表明,在低氮水平 (≤ 150 kg/hm2),小麦氮吸收来源于肥料氮的比例为28.8%,源于土壤氮的比例为71.3%(图2-a);而在中氮 (150~250 kg/hm2) 和高氮 (250~500 kg/hm2) 水平,肥料氮对小麦氮吸收的贡献上升到33.9%~35.3%,而土壤氮的贡献下降到64.9%~66.1%(图2-bc)。

        图  2  不同施氮水平下化肥氮和土壤氮对小麦氮吸收的贡献

        Figure 2.  Contributions of fertilizer N and soil N to wheat N uptake under different N application rates

      • 化肥氮施入小麦–土壤系统后主要被植株吸收、在土壤中残留以及各种途径的损失。对我国小麦化肥15N去向的有关文献整合分析 (表2) 发现,化肥氮在地上部吸收、土壤中残留和损失的比例约为1∶1∶1,其中地上部对化肥氮的回收率平均为36.4%,籽粒的回收率约是秸秆的3倍。

        小麦收获后约33%的化肥氮残留在土壤中,仅有约30%的化肥氮损失到环境中,氮肥有效率 (地上部回收率+土壤残留率) 约为70% (表2)。施氮量与氮肥有效率之间呈极显著负相关 (P = 0.004, 图3-a),与氮肥损失率之间呈极显著正相关 (P < 0.001, 图3-b),这说明随施氮量增加,化肥有效率呈降低趋势,而氮肥损失率则相反。

        图  3  氮肥有效率和损失率随施氮量的变化

        Figure 3.  Changes of fertilizer nitrogen efficiency and loss with N application rates

        由于化肥氮在小麦–土壤系统各去向与施氮量之间呈显著线性关系 (图3),因此进一步分析在不同施氮水平下化肥氮去向的差异 (图4)。结果表明,在低施氮水平 (≤ 150 kg/hm2),化肥氮被地上部吸收、土壤中残留和损失的比例分别约为40%、36%和24%。在中施氮水平 (150~250 kg/hm2),与低施氮相比,氮肥损失率上升到33%,氮肥有效率下降到67%,地上部对氮肥的回收率保持基本稳定 (42.5%),而氮肥残留率降低约15% (约为30%)。在高施氮水平 (250~500 kg/hm2),氮肥损失率上升到37%,地上部对氮肥的回收率下降到31%,而氮肥残留率保持基本稳定 (约为33%)。

        图  4  不同施氮水平下化肥氮的回收率、残留率和损失率比例

        Figure 4.  Percentage of fertilizer N in recovery, residual and loss under different N application rates

      • 对国内田间小麦15N示踪结果进行汇总,分析地上部带走的土壤氮量、秸秆中化肥来源的氮量以及土壤中残留化肥氮量,核算秸秆还田对小麦季土壤氮库盈亏的影响。结果表明,秸秆中化肥来源的氮量为14.0 kg/hm2,与秸秆不还田相比,秸秆还田的土壤氮素亏损量降低了70% (表3)。

        在秸秆不还田和还田条件下,土壤氮库盈亏量与施氮量之间均呈极显著正相关 (P ≤ 0.001,图5),当施氮量低于平衡点时,土壤氮库处于亏损状态,且亏损量随着施氮量的升高而降低;当高于平衡点时,土壤氮库处于盈余状态,且盈余量随着施氮量的升高而升高。在秸秆不还田下,土壤氮库达到平衡点的施氮量为N 308 kg/hm2时,即地上部带走的土壤氮量等于土壤中残留的肥料氮量 (图5-a);与秸秆不还田相比,在秸秆还田条件下,由于秸秆中化肥来源的氮量对土壤氮库消耗的补充,导致土壤氮库达到平衡点的施氮量降低约25% (为N 233 kg/hm2),即籽粒带走的土壤氮量等于土壤残留和还田秸秆中的肥料氮量总和 (图5-b)。

        图  5  施氮量与土壤氮库盈亏的关系

        Figure 5.  The relationship between the N application rate and the budget of soil N

      • 小麦植株氮素吸收主要有两个来源,化肥氮和土壤氮[2-3, 55]。本研究对国内肥料15N示踪结果进行整合分析发现,小麦氮素吸收来自土壤氮的比例高达2/3,而来自肥料氮的比例仅占1/3。在表1的大多数研究中,土壤氮对小麦氮吸收的贡献高于化肥氮,这个趋势在表1的比例高达87%,并且小麦吸收的化肥氮的比例随施氮量升高而升高 (图1-a),而吸收的土壤氮的比例则相反 (图1-b)。例如,当施氮量从低氮水平( ≤ 150 kg/hm2)升高到高氮水平(250~500 kg/hm2),化肥氮对小麦氮吸收的贡献由29%增加到34%,相反,土壤氮的贡献由71%降低到66%(图2-ac)。这是由于化肥氮施入土壤后,化肥氮与土壤氮并存,稀释了土壤本身来源的无机氮库,化肥氮可部分替代土壤无机氮被作物吸收,减少作物对土壤来源无机氮的吸收比例[81]。但是,当施氮量达到一定程度,提高施氮量只增加化肥氮的吸收比例,但不能提高小麦植株氮吸收量,这也是过量施氮不能提高小麦产量的原因[2-3, 55]

        无论施肥量多高,土壤氮对小麦氮吸收的贡献一般在50%以上 (表1),这主要有两个可能原因:1) 肥料氮替换土壤氮被微生物固定,释放土壤来源的无机氮被作物吸收[82];2) 由于土壤氮库很大,30 cm土体一般为N 3000~5000 kg/hm2,通过肥料施入的氮量相对较小 (小麦季N 100~300 kg/hm2),因此,肥料氮对土壤氮库的稀释程度有限,土壤氮占总可利用无机氮库的比例依然很大[10]。但是,从长期土壤氮平衡来看,土壤中残留肥料氮对于补充土壤氮素消耗、维持土壤氮肥力及土壤氮素供应具有重要意义。

        本研究对22个小麦基肥和追肥15N示踪数据源汇总分析,发现追肥氮对小麦氮吸收的贡献均高于基肥氮,平均贡献提高了50% (表1)。这可能由于:1) 在播种期施基肥,由于小麦处于苗期,根系小,根系对氮素的吸收能力不强,土壤中绝大部分肥料氮被微生物固定,所以土壤固持的肥料氮相对也较多一些;2) 在小麦旺盛生长期追肥,土壤氮素供应与小麦快速生长对氮的大量需求同步,提高了小麦对肥料氮的吸收利用[5, 45, 78]。因此,未来适当氮肥后移或增加追肥比例可能会提高肥料利用率。

      • 小麦籽粒吸收肥料氮的多少决定了氮肥的经济利用效率[49]。本研究对国内小麦15N示踪结果整合分析发现,籽粒吸收的肥料氮约是秸秆的3倍,表明地上部吸收的肥料氮优先分配于籽粒中。小麦对肥料氮的回收率一般随施氮量的增加而减少,但取决于施氮水平[2-3, 7, 45]。例如当施氮水平从低氮水平( ≤ 150 kg/hm2)增加到中氮水平(150~250 kg/hm2),小麦对肥料氮的利用率仅发生较小变化 (肥料氮的回收率由40%变为43%),而当增加到高氮水平(250~500 kg/hm2),肥料氮的回收率发生较大变化,降低到约31%。这是由于尽管施氮量升高可以增加小麦对肥料氮的吸收比例 (图2) 和绝对量 (表3),但是传统氮肥利用率是通过当季作物吸收的肥料氮量除以施用量计算得到,因此氮肥利用率变化还取决于施氮量的多少[6]。巨晓棠[6]分析了国内小麦15N示踪试验资料,认为我国现有农田管理水平的氮肥损失率很高 (在40%~50%),氮肥有效率在50%~60%,而本研究发现仅有约30%的化肥氮损失到环境,氮肥有效率高达70%,因此,通过优化氮肥管理与综合农艺管理相结合,我国未来将氮肥有效率提高至70%以上是可以实现的[6]

      • 本研究施氮量与土壤氮库盈亏之间呈极显著正相关 (图5),土壤氮库盈亏取决于土壤中肥料来源的氮量是否可以补偿土壤本身氮素的消耗,这个趋势与倪玉雪等[7]建立华北地区小麦施氮量与土壤氮库盈亏的关系类似。在秸秆不还田和还田两种情况下,土壤氮库达到平衡时的施氮量分别是N 308 kg/hm2和233 kg/hm2,秸秆不还田下这个数值远高于我国目前小麦的推荐施氮量 (N 150~250 kg/hm2)[83],这是由于测试或平衡计算的推荐施氮方法,是通过测定土壤中贮存有效氮供应量以及从作物氮素需求中减去土壤供氮量来计算施氮量,往往田块过去的施氮量过高,而在下季要利用这部分氮素,很少考虑土壤氮的消耗是怎么补偿的[6],因此,一般推荐量低于本研究基于小麦当季氮收支平衡计算的结果;如果地块长期保持合理施氮水平,从施氮量中减去测定土壤有效氮供氮量,就会导致土壤氮素肥力下降[6-8]。倪玉雪等[7]报道,秸秆50%及100%还田条件下施氮量分别为N 192和166 kg/hm2时,以及在秸秆不还田下施氮量为N 245 kg/hm2[6]时,冬小麦季土壤氮库达到平衡,低于本研究达到土壤氮库平衡时的施氮量。这种差异的原因可能是建立施氮量与土壤氮库盈亏量之间的小麦15N示踪结果的数据库不同,本研究在倪玉雪等[7]的基础上又整合了近5年发表的国内小麦15N示踪试验结果。

        土壤氮素平衡受秸秆还田措施影响较大,本研究秸秆带走的土壤氮量为N 25 kg/hm2,肥料氮量为N 14 kg/hm2,因此秸秆还田措施可以补充当季被小麦吸收消耗的土壤氮量N 39 kg/hm2 (表3)。根据施氮量与氮肥有效率之间的关系y=−0.0416x+77.159 (图3-a) 以及与损失率之间关系y=0.0515x+20.022 (图3-b),当施氮量为N 308、233和500 kg/hm2时,氮肥有效率分别为64%、68%和56%,损失率分别为36%、32%和46%。因此,在秸秆不还田和还田条件下,种植一季冬小麦后,当施氮范围分别在N 308~500和233~500 kg/hm2,土壤氮素肥力氮得以维持或提高,小麦季氮肥有效率和损失率分别在56%~68%和32%~46%。

      • 1) 对于小麦整个生育期,在施氮量为 N 60~500 kg/hm2时,植株积累的氮素有2/3来自于土壤氮,1/3来自肥料氮,说明小麦当季氮素积累主要取决于对土壤氮的吸收,因此,从长期土壤氮素平衡来看,土壤中残留的肥料氮对于补充土壤氮素消耗、维持土壤氮肥力及土壤氮素供应具有重要意义。

        2) 在小麦旺盛生长期追肥,植株对氮素的大量需求与土壤氮素供应同步,因此,追肥氮对小麦氮吸收的贡献约是基肥氮的1.5倍,未来适当氮肥后移或增加追肥比例可能会提高肥料利用率。

        3) 化肥氮在冬小麦季的去向与施氮量之间呈显著线性关系,在低施氮水平 (≤ 150 kg/hm2) 表现为吸收量 > 残留量 > 损失量,而在施氮水平为250~500 kg/hm2时为损失量 > 残留量 > 吸收量。

        4) 随着施氮量的增加,小麦吸收的肥料氮增加,吸收的土壤氮减少,土壤残留的肥料氮增加;在秸秆不还田和还田条件下,施氮量分别高于N 308和233 kg/hm2时,土壤氮素平衡由亏缺转为盈余。土壤氮素平衡受秸秆还田措施影响较大,秸秆还田措施可以补充小麦当季消耗的土壤氮量N 39 kg/hm2

    参考文献 (83)

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