土壤供氮能力与作物利用氮素的变化

土壤供氮能力与作物利用氮素的变化

世界土壤通常缺乏氮，化学氮肥的使用有效地提高了农业生产中的作物产量。这对三个主要水稻产品（小麦、玉米和水稻）的氮反应效果最为突出。然而，随着氮利用率的提高和不合理的使用，氮肥的使用效率越来越低。残余土壤中的活性氮严重污染了地下水的来源和生态环境。冬小麦吸收的氮素中,有73%~87%来自土壤［2］.因此,根据土壤供氮能力确定氮肥用量是提高氮肥利用率和保护环境的根本途径.自20世纪60年代以来,农业科学工作者一直重视土壤供氮能力的研究;近数十年来,人们对环境问题的重视更促进了这类研究的开展.施氮量普遍增加导致了土壤残留的矿质氮不断升高［3］,测定土壤矿质氮浓度及一定深度土壤的氮素累积量日益受到人们重视.熟知的测定0~100cm或0~120cm土层的铵态氮和硝态氮浓度,并用其累积总量表征土壤可被作物利用的氮素数量(Nmin)的方法就是这类方法的代表［4－5］.一般情况下,在作物播前或作物生长期间无淋失和反硝化严重发生地区,推荐施氮量应当基于与氮肥有同等效果的土壤矿质氮浓度.Carter等［6］证明,可矿化氮与硝态氮结合起来可以更好地预测施氮量.Stanford等［7］研究表明,在降水量有限、作物管理良好的条件下,土壤供氮能力与作物利用的氮素可以根据残留矿质氮和受环境因素(温度和湿度)影响的有机氮矿化量来更好预报.测定硝态氮并无技术困难,难点是采样深度和时间.胡田田和李生秀［8－11］大量田间试验表明,表层土壤的硝态氮可在一定程度上反映土壤的供氮能力,但相关系数不高,预报不精确;0~80或0~100cm土壤剖面累积的硝态氮可以提供满意的评价指标.依靠天然降水维持农业生产的旱农地区(半干旱和半湿润地区)约占我国国土面积的43.2%［12］,是我国农业生产的主要基地,也是未来农业发展的前沿阵地.这一地区的特点是水分胁迫经常制约农业生产.降水少的气候特点和地广人稀的社会人文条件导致农田培肥不力,土壤有机质少,矿化的有机氮数量有限;有限的降水也造成了残留的硝态氮在土壤剖面中的累积.因此,研究土壤累积硝态氮的利用一直受到人们重视,但土壤硝态氮在反映这类土壤的供氮能力方面是否有普遍性?硝态氮浓度和剖面中累积的硝态氮量,哪一个能更好地反映土壤的供氮水平?在氮肥用量日益增加、作物产量不断提高的条件下,过去得到的结论是否仍有意义?如何更好地利用旱地土壤累积的硝态氮确定氮肥用量及施肥时期等问题急需进一步研究.为了回答这些问题,我们在陕西和河南同时进行了18处大田试验,本文应用这些试验资料,分析土壤不同深度铵态氮和硝态氮浓度及其累积量在反映旱地土壤供氮能力方面的效果和作用,为科学定量施氮提供理论和技术依据.1土壤理化性质大田试验分别在陕西永寿(代码Y)11个田块和河南洛阳(代码L)7个田块的旱地土壤上实施.永寿地处陕西渭北高原,属半湿润易旱地区,年均降水量601.6mm,年平均气温10.8℃,年蒸发量807.4mm;主要作物为小麦,小麦收后休闲,一年一熟;春播作物有玉米、糜谷.试验选用不同肥力的小麦连作田块,保证基础条件特别是土壤水分条件相同,供试土壤均为黑垆土.洛阳位于河南西部,年均降雨量610mm,年均气温14.2℃,属小麦-玉米一年两熟区,供试土壤为碳酸盐褐土和黄潮土.各试验点土壤理化性质见表1.两省采用同一试验方案.试验共设7个处理,分别为不施氮肥的对照和2种铵态氮肥及2种硝态氮肥品种及组合的6个处理.本文只比较对照和施氮处理的各项指标,施氮处理均用6个处理的平均值,这就大幅度增加了重复次数,提高了试验精度.施氮处理的氮量均为150kgN·hm－2.各处理均施用磷肥(过磷酸钙),用量为75kgP2O5·hm－2.田间采用随机区组设计,3次重复,小区面积18m2.供试小麦品种永寿为晋麦4号,由该县种子站提供;洛阳为焦麦668,由河南省温县农业科学院提供.永寿试验于2009年9月25—29日播种,2010年6月10—12日收获.洛阳于2009年10月14—18日播种,2010年6月7日收获,播种量150kg·hm－2.田间管理措施与当地大田栽培一致.小麦成熟后,按区收获,称取全区鲜质量;并称取5kg左右鲜样,晒干,称量,脱粒,计算生物量及籽粒产量.1.2土壤铵态氮和硝态氮的测定土壤基本理化性质测定用小麦播前土样.分别于2009年9月下旬(永寿)和10月中旬(洛阳),在选好的试验地上随机选取5点,用土钻采集0~20cm表层土壤,风干过筛,贮于玻璃瓶中备用.土壤铵态氮和硝态氮测定分2次采样.小麦播前在每个田块选好的5个样点上,分5层采集土样(0~100cm),每层20cm,用于测定不同土层中的起始铵态氮和硝态氮.小麦收获后,在永寿4个试验田块(Y-1,Y-4,Y-7,Y-10)的对照区,同样分5层采集土样,测定残留的铵态氮和硝态氮,确定小麦对土壤剖面中累积的这两种形态氮素的利用.土壤全氮用凯氏法测定,土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定,有效磷用Olsen法测定,有效钾用乙酸铵浸取火焰光度计测定.土壤起始矿质氮采用KCl浸取鲜土样,滤液用连续流动分析仪测定硝态氮［13］和铵态氮［14］.1.3生物量的测定这一测定仅在洛阳试验区进行.冬小麦生长期间,分别在越冬期﹑返青期﹑拔节期和成熟期,选取各处理有代表性植株10株,在105℃下杀青30min,80℃烘干、称量,测定地上部生物量.施氮增产量用施氮处理的生物量平均值减去对照平均值得到,以kg·hm－2表示.1.4处理数据采用MicrosoftExcel2003和DPS7.0分析软件对试验数据进行统计分析,LSD法进行多重比较.2结果与分析2.1不同土层厚度的土壤硝态氮浓度表1小麦播前土壤中的铵态氮浓度很低.永寿土样,低者无法检出,最高也只有3.0mg·kg－1;洛阳土样,最小0.3mg·kg－1,最大3.2mg·kg－1.各层间的铵态氮平均浓度差别不大(表2),但一些层次间的浓度有密切线性相关关系(表3).与铵态氮相反,播前土壤硝态氮浓度较高,由0~20cm到80~100cm,平均浓度分别为7.2、10.7、12.5、13.0和14.0mg·kg－1(表2);相邻各土层间有显著或极显著的线性相关(表3).洛阳0~20cm到80~100cm平均浓度分别为17.9、9.7、6.8、4.7和4.0mg·kg－1;部分土层间的硝态氮浓度也有密切的线性相关关系.显然,浓度逐层增加表明硝态氮受到当季雨水淋溶,逐层降低则是一种自然状况,未受当季降水影响.2.2小麦土壤氮素数量小麦生物产量是籽粒产量的基础,高的生物产量一般伴随着高的籽粒产量.因此小麦生物产量和籽粒产量(表4)是农业生产的目标,也是判别土壤铵态氮和硝态氮浓度或数量能否反映土壤供氮能力的唯一准则.可以推断,在其他条件相对一致情况下,如果某一形态氮素的浓度或数量可以表征土壤的供氮水平,则其浓度或数量高者,对照小麦的生物和籽粒产量必高;它们之间必然有显著的正相关关系.计算结果表明,各层铵态氮浓度与对照小麦生物量和籽粒产量之间的决定系数很低,既无线性也无非线性关系.与铵态氮不同,永寿硝态氮浓度与对照小麦生物产量和籽粒产量有一定的线性关系(表5).这种关系随土层加深而增大,60~80cm土层硝态氮浓度与小麦生物量和籽粒产量的决定系数最高,可解释59%的生物产量变异和71%的籽粒产量变异.洛阳对照小麦生物产量和籽粒产量都与各层土壤硝态氮浓度无显著线性关系.两省小麦对土壤硝态氮浓度反应的共同特征是:硝态氮浓度高的土层能提供更多的氮素,对对照小麦产量贡献大.铵态氮与硝态氮浓度之和在反映土壤供氮特性方面的效果与硝态氮完全一致;决定系数虽有差异,但基本上都在误差范围之内.各层土壤不同形态氮素的数量(即每公顷每层土壤的绝对数量,以kgN·hm－2表示)与浓度有相同特点,与生物指标的关系也显示同一趋势.对照小麦产量虽与一些土层的硝态氮或铵态氮和硝态氮浓度之和有一定线性关系,但既不稳定,也不能表征土壤总的供氮特性.小麦吸收的氮素是其根系所能触及的土层,不可能跨越某一土层而吸收另一土层的养分;不同土层浓度与对照小麦的关系不符合这种实际情况.另一方面,这一关系只有定性意义.以永寿试验为例,对照平均籽粒产量为3902kg·hm－2,生物产量为7975kg·hm－2;根据籽粒含N2.4%、秸秆含N0.3%的测定值计算,需要吸取105.8kgN,而根据硝态氮浓度计算,由上到下5个土层的硝态氮平均数量只有19.0、26.8、23.3、33.8和36.3kg·hm－2.任何土层即使把铵态氮加上,都不可能提供如此多的氮素.同样,每一土层测定的硝态氮数量或铵态氮及硝态氮数量之和虽是作物可以直接吸收利用的有效氮素,但并不是小麦整个生育期能够利用的全部氮素.研究表明,小麦根系入土深度可达100cm,旱地小麦可以利用0~80cm或0~100cm深度的氮素［12］.为了确定不同深度累积的硝态氮及铵态氮、硝态氮总量对小麦产量的贡献,我们计算了不同土壤深度,即0~20cm、0~40cm、0~60cm、0~80cm和0~100cm累积的不同形态氮素的数量;拟合了不同深度累积的硝态氮量与小麦籽粒产量的关系(图1).图1显示,永寿土壤,0~20cm土层累积的硝态氮与小麦产量无显著相关,但随着土层逐次加深,即由0~20cm逐步加深到0~40、0~60、0~80、0~100cm,硝态氮累积量与对照小麦产量呈显著或极显著相关;土层越深,关系越密切.0~100cm深度累积的硝态氮可解释籽粒产量87%和生物产量80%的变异.土壤的硝态氮数量占铵态氮、硝态氮总量的91%,在反映土壤供氮特性方面与两者之和的趋势完全一致.这表明,在其他条件(品种、耕作、前作、土壤水分等)相对一致的情况下,这一深度土壤所累积的硝态氮是决定小麦产量的主要因素.以平均值计算,永寿不施氮小麦从土壤吸收的氮素为105.8kg·hm－2,5层土壤累积的硝态氮平均为139.2kg·hm－2,累积的铵态氮、硝态氮总量平均为155.3kg·hm－2;吸收量占硝态氮累积量的76%,占铵态氮、硝态氮累积总量的68%.由此可见,只要加强管理和合理利用,累积在土壤剖面中的硝态氮并不一定是潜在污染源,而是可利用的养分资源.与永寿情况不同,洛阳小麦后期受旱严重,不施氮产量与硝态氮累积量或铵态氮、硝态氮累积总量无显著相关.2.3小麦生物量和量采用上述同一过程计算了播前不同土层土壤铵态氮、硝态氮浓度、数量与施氮小麦生物产量与籽粒产量的关系.结果表明(表5),各层土壤的铵态氮浓度和数量与施氮小麦生物量和籽粒产量仍无关,且洛阳出现不正常的负相关.硝态氮浓度和数量虽与施氮小麦生物量和籽粒产量有显著或极显著相关,但永寿和洛阳有完全不同趋势:永寿呈显著正相关,20~40cm土层的硝态氮浓度和数量可以解释籽粒产量62%和生物量58%的变异;洛阳的产量趋势线清楚地显示了其间的负相关趋势;0~20cm和0~100cm土层的硝态氮浓度、数量与产量的决定系数高达0.73和0.79,与生物量为0.41和0.37.永寿施氮小麦生物量和产量与0~20cm、0~40cm、0~60cm、0~80cm和0~100cm土层累积的硝态氮量均显著相关;0~100cm土层累积的硝态氮量可对产量变异给出62%的解释,0~40cm和0~100cm土层累积量可对生物量变异给出59%和47%的解释.洛阳施氮小麦籽粒产量与不同深度土层累积的硝态氮都呈显著负相关,理论上无法解释.这些不正常的现象显然与氮肥的影响有关.施氮对小麦产量的影响可以用标志着小麦对氮肥反应程度的施氮增产量来表征.土壤供氮能力低,则小麦对氮肥反应强烈,施氮增产量高;反之则低.图2表明,小麦施氮增产量与累积的硝态氮和铵态氮及硝态氮之和的关系取决于累积的土层深度.永寿土壤,0~20cm、0~40cm和0~60cm土层累积的硝态氮与施氮增产量的相关性均不显著,而0~80cm和0~100cm土层累积的硝态氮却与其高度显著相关;0~100cm土层硝态氮累积量和二者之和可对增产量变幅给出75%的解释.随着硝态氮在土壤剖面中累积量增加,增产量急剧下降.铵态氮、硝态氮累积总量与硝态氮趋势完全一致(图2).洛阳土壤累积的硝态氮同样与施氮增产量显著相关.0~80cm土层累积的硝态氮可解释64%的产量和68%的生物量变异.与永寿不同的是,这种关系不是随累积层次的加深而增大,而是从表层就显著相关;随土层增加,决定系数虽有提高趋势,但变幅不大.原因在于洛阳的硝态氮主要累积在0~20cm耕层,平均累积量为43kg·hm－2,占整个土壤剖面累积量的40.5%.表层的硝态氮累积量对小麦吸收氮素有重要贡献,表层加上其他土层的累积量虽然影响作物吸氮量,但未改变这种趋势.2.4小麦生物量和施氮增产量的关系在洛阳地区测定了不同生育期的小麦生物量(表6),分析了小麦生物量、施氮增产量与不同深度土壤累积的硝态氮的关系(表7).结果表明,作物对氮素利用有生育阶段性,随着生育进程推进逐渐增加对深层土壤氮素的利用.越冬期主要利用0~20cm土层氮素,生物量随此层硝态氮累积量增加而上升,施氮增产量则随其增加而下降.返青、拔节期间,小麦生物量分别与0~40和0~60cm土层硝态氮累积量密切相关,而施氮增产量的决定系数或者与这两个深度累积的硝态氮最高,或者随深度进一步增加而再升高.成熟期,小麦已可充分利用0~100cm土层氮素,生物量和施氮增产量均与这一深度硝态氮累积量的决定系数最高,也与这一深度的铵态氮和硝态氮累积总量关系最密切.由此可见,作物吸收土壤养分是一个渐进过程,不同生育期对不同深度土层养分有不同利用程度.幼苗根系不发达,只能利用浅层土壤养分;随着根系延伸,会逐步加深对深层土壤养分的利用.2.5小麦土壤氮素吸收特征土壤累积的硝态氮对小麦的贡献可由对照区小麦吸氮量和收获后土壤残留的硝态氮确定.小麦收获后采集了永寿4个代表田块(Y-1,Y-4,Y-7,Y-10)对照区的5层土壤,测定了其中残存的铵态氮和硝态氮.结果表明,铵态氮量依然很小,与播前无显著差异,而硝态氮量显著下降.这4个试验田块播前0~100cm土层累积的硝态氮分别为105.6、217.2、141.3和134.6kg·hm－2,收获后残存的硝态氮分别为56.2、97.1、71.2和70.0kg·hm－2(表8).而小麦吸收的氮素分别为87.6、127.9、115.3和114.8kg·hm－2.如果小麦吸收的氮素完全来自硝态氮,则由起始硝态氮减去相应吸氮量后残留硝态氮应分别为18、89.3、26和19.8kg·hm－2,但实际上却是上述测定结果,比预期平均高35kg·hm－2.这表明小麦生长过程中土壤可矿化出一定氮素,这部分增加的硝态氮就是矿化出来的有机氮.3讨论3.1小麦根系发育的影响过多而不合理的氮肥投入会使硝态氮在土壤剖面中大量累积［15］.这些累积的硝态氮如未及时被作物吸收利用,会随降水或灌水逐渐向下层淋溶,最终移出作物根区,污染地下水源.根系是植物吸收水分和养分的主要器官,而土壤水分和养分供应又影响根系在土壤中的空间分布(横向宽度、入土深度和层间密度)［16－18］,从而影响其对土壤水分和养分的利用［19－22］.土壤硝态氮对作物根系发育的影响［23］和发达根系对土壤硝态氮的利用是广为关注的两个方面［24］.小麦是一种根系发达的作物,其根系上层多、下层少,呈现明显的T型分布;根系生长过程符合S型曲线,即前期较慢、中期快速持续增长、后期减缓甚至出现负增长;入土深度可达100cm左右［25］.促进小麦生长期间对硝态氮的利用是减源增效的有效措施.Noordwijk等［26］和Rowe等［27］提出了植物吸收土壤养分的“营养泵”和“安全网”假说,认为植物均可通过其根系网络拦截来自土壤剖面浅层的养分,而深根植物则可通过根系向下延伸,将下层累积的养分“泵”到上部,从而避免进一步向下迁移.选择适宜的作物合理轮作或间作,“截获”和“泵吸”土壤剖面中累积的硝态氮日益受到人们重视［28－29］.李世清等［30］试验证明,