不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布及农田氮素平衡的影响

屈佳伟 高聚林 于晓芳 王志刚 胡树平 孙继颖 苏治军谢 岷 青格尔



不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布及农田氮素平衡的影响

屈佳伟 高聚林*于晓芳 王志刚 胡树平 孙继颖 苏治军谢 岷 青格尔

内蒙古农业大学, 内蒙古呼和浩特 010019

阐明不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布及农田氮素平衡的影响, 是挖掘品种氮素高效利用的生物学潜力, 提高氮素供应与作物需求的匹配度, 进而提高氮肥利用效率的重要途径。本研究以氮高效玉米品种郑单958、金山27和氮低效玉米品种蒙农2133、内单314、四单19为材料, 在不同施氮量下(0、300和450 kg hm–2), 系统研究了不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布、农田氮素平衡的影响, 并分析了植株氮积累量与土壤硝态氮累积量的关系。结果表明, 不同施氮水平下, 氮高效品种的产量、氮素吸收效率、氮肥利用率都显著高于氮低效品种; 相关分析表明植株氮素积累量与土壤硝态氮累积量呈显著负相关。从土壤硝态氮时空分布来看, 随生育进程, 土壤硝态氮含量最大土层逐渐下移, 下移速率不受品种氮效率影响, 其年际间差异与降雨量差异显著相关; 但吐丝后氮高效品种的60~100 cm土壤剖面内硝态氮含量显著低于氮低效品种, 差异达显著水平; 收获后土壤硝态氮残留量则表现为氮低效品种显著高于氮高效品种, 且随施氮量的增加显著增加。从农田氮素平衡来看, 品种的氮效率显著影响农田土壤氮素残留及表观损失, 氮低效品种的农田氮素表观损失是氮高效品种的2.2倍(300 kg hm–2)和1.5倍(450 kg hm–2), 且年际间差异较大。因此, 不同氮效率品种通过对氮素的差异性吸收显著影响农田氮素平衡。选用氮高效品种可显著降低土壤中硝态氮残留和表观损失, 降低氮素淋溶风险, 是提高氮肥利用率的有效途径。

玉米; 品种; 氮效率; 土壤硝态氮; 农田氮素表观平衡

我国作物生产中氮肥的当季利用率仅为30%~ 35%, 高产地区更低, 而损失率高达45%~50%[1]。农田条件下, 大约70%的氮素通过硝酸盐淋洗、土壤反硝化和氨挥发淋失到地下水、河流或损失到空气中[2]。因此, 要想实现农业可持续发展和粮食安全目标, 迫切需要在高产的前提下大幅度提高氮肥利用率, 进而降低氮素损失带来的环境污染问题。氮肥利用率的高低取决于氮肥管理技术的优化与作物品种对氮素的吸收利用能力。就氮素的吸收过程而言, 根系大小及分布是决定作物吸氮量的一个重要因素[3]。氮高效玉米品种具有强大的根系, 且侧根发达, 能耐受高浓度硝酸盐的抑制作用, 并对局部硝酸盐刺激很敏感, 向肥性强[4]。在氮素供应充足的条件下, 根系长度和表面积增大, 有利于减少氮素在深层土壤的累积和不必要的损失[5]; 在氮素供应不足的条件下, 促进玉米根的伸长, 根系变长, 这一特性有利于扩展整体根系所占据的空间, 从而提高土壤中氮素的空间有效性[3,6]。因此, 无论在低氮还是高氮条件下, 氮高效品种吸氮量都显著高于氮低效品种。刘建安等[7]研究表明应用氮累积量较高的玉米基因型可显著减少施用氮肥在土壤中的残留率。

氮肥利用率除与作物的吸氮量有关外, 还与施氮量、施氮时期、降雨与灌溉、土壤的矿化量、作物种类和种植制度有关[8-10]。大量研究表明[11-14], 硝态氮淋失量和施氮量呈线性正相关。石玉等[15]研究表明小麦施氮量为168 kg hm–2, 底肥追肥比例为1∶2的处理在100~200 cm土层未出现硝态氮的明显累积, 氮素表观损失量最少。张经廷等[16]研究表明夏玉米施入氮肥对冬小麦有很强的有效性, 减少收获后硝态氮残留, 提高氮肥利用效率。

前人大多通过调整施氮量、施氮时期及栽培模式提高氮肥的利用率, 从品种吸收特性出发的研究较少。本研究从作物自身考虑, 利用不同氮效率玉米品种对氮素吸收的差异, 研究其对土壤硝态氮时空分布、土壤剖面硝态氮的累积及氮肥利用率的影响, 以期利用氮高效品种的生物学潜能提高肥料利用率, 达到减耗环保的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

内蒙古包头市土默特右旗内蒙古农业大学玉米中心试验基地(北纬40.57°, 东经110.52°)的不同田块, 前茬均为玉米。供试土壤为沙壤土, 2012年和2013年0~40 cm土层分别含有机质27.3 g kg–1、25.5 g kg–1, 碱解氮40.5 mg kg–1、21.2 mg kg–1, 速效磷20.2 mg kg–1、26.7 mg kg–1, 速效钾114.7 mg kg–1、120.4 mg kg–1, pH值分别为7.5和7.8。主要气象信息如图1所示, 2012年8月平均降雨量较高, 为87.1 mm, 2013年9月平均降雨量119.8 mm, 较2012年明显偏高。

1.2 试验材料

氮高效品种(HNE)郑单958 (ZD958)、金山27 (JS27); 氮低效品种(LNE)内单314 (ND314)、蒙农2133 (MN2133)、四单19 (SD19)。依据本研究团队崔超等[17]和崔文芳等[18]2010年以来的田间试验验证结果, 并结合前人报道[19-20]评价品种的氮效率。

1.3 试验设计

分别于2012年4月25日和2013年4月27日播种, 采用裂区设计, 以品种为主区, 施氮量为副区, 设0 N (不施氮)、300N (纯氮300 kg hm–2)和450N (纯氮450 kg hm–2) 3个氮肥处理, 对各处理按3∶7分别于拔节期、大喇叭口期追施尿素(含N 46%)。于播种前将P2O590 kg hm–2(磷酸二铵, 含N 18%、P2O546%)、K2O 45 kg hm–2(硫酸钾, 含K2O 50%)作基肥一次性旋耕入土, 旋耕深度为15 cm, 种植密度为8.25万株 hm–2, 每处理3次重复,行距50 cm, 株距24 cm, 每小区25行, 其中15行为取样区、10行为测产区。全生育期间灌水4次, 分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后20 d, 采用畦田漫灌的方法, 每次灌水量均为75 mm。生育期内严格控制杂草及防治病虫害, 收获期分别为2012年10月2日和2013年10月5日。

图1 2012年和2013年玉米全生育期日降雨量、日平均气温和太阳辐射

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤取样方法 于玉米播种前、收获后及各生育时期(大喇叭口期、吐丝期、乳熟期、成熟期), 在取样区用土钻分层取土样(0~100 cm土样, 每20 cm为一层), 每小区采用对角线法于行间取5钻混匀,用四分法取1/4土样带回实验室放入4℃冰箱, 用于测定土壤硝态氮含量和土壤氨态氮含量。其中大喇叭口期(追肥前)和吐丝期采用Monolith法[21]取样, 选择典型植株, 挖取1/2株距和以植株为中心两侧各1/2行距的植株根系, 挖取的土体长50 cm, 宽12 cm, 深度80 cm, 从上至下取10 cm×10 cm×12 cm的小土块, 并以空间坐标的方式标记, 从每一土块取下50 g左右的根际土混匀带回实验室, 用以测定每一空间坐标的土壤硝态氮含量。

1.4.2 测定指标 取5 g新鲜土壤, 用2 mol L–1氯化钾溶液浸提, 过滤后采用德国产AA3型连续流动分析仪测定土壤硝态氮(氨态氮)含量, 并同时测定土壤含水量。

于播前和收获后采用环刀法测定0~100 cm每20 cm一层的土壤容重。

于大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)在每小区连续取3株, 分为茎秆、叶片和叶鞘、苞叶和穗轴、籽粒, 测定鲜重后以105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 测定样品干重。之后粉碎样品, 采用半微量凯氏定氮法测定各器官全氮含量并折算植株含氮量。

测量10行测产区的实际面积, 计数10行内株数、穗数, 连续取20穗计数每穗粒数, 待籽粒风干后测定千粒重和籽粒含水量, 并计算产量。

1.5 相关计算公式

单株氮素积累量(g) = 植株含氮量(g kg–1)×单株干物质量(kg)

土壤剖面中各土层矿化氮累积量(Nmin, kg hm–2)[22]=×b××10–1

式中,为土层厚度(cm);b为土壤容重(gcm–3);为土壤中矿化氮含量(mg kg–1), 剖面矿化氮累积量为各个层次的矿化氮累积量之和。

氮素吸收效率(NUPE)[23](kg kg–1) = 氮素积累量/供氮量(包括播种前0~100 cm土体内无机氮含量和施入的氮量)

氮肥利用率(NRE)[24](%) = (施氮区植株吸氮量-无氮区植株吸氮量)×100/施氮量

氮肥农学效率(NAE)[23](kg kg–1) = (施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

土壤氮素农田平衡计算方法:

本试验没有考虑降水输入的氮素, 根据不施氮处理作物吸氮量与试验前后土壤矿化态氮累积量(Nmin)的净变化估计作物生长期间土壤矿化氮[25], 不考虑氮肥激发效应, 假定施氮处理土壤氮矿化量与不施氮处理相同。生育期土壤氮素净矿化量=不施氮处理作物吸氮量+不施氮处理土壤残留Nmin-不施氮处理土壤起始Nmin。根据氮平衡模型即根据氮素输入输出平衡的原理计算氮的表观损失[26]。生育期土壤氮素表观损失=生育期施氮量+土壤起始Nmin+土壤氮素净矿化量-作物携出量-收获后土壤残留Nmin。

1.6 数据统计

采用Microsoft Excel 2003统计分析数据, 采用SPSS17.0分析两年一点的数据方差, 采用SigmaPlot 12.0和Surfer 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮效率玉米品种产量及氮肥利用率

表1所示, 产量在各施氮量条件下都表现为氮高效品种显著高于氮低效品种, 氮高效品种郑单958和氮低效品种蒙农2133和四单19的0 N处理与300N处理差异显著, 300N和450N处理差异不显著; 金山27和内单314随施氮量的增加产量显著增加。氮素吸收效率在不同氮效率品种间差异显著(<0.01), 氮高效品种显著高于氮低效品种, 0 N处理显著高于300N和450N处理, 随施氮量的增加, 两品种氮素吸收效率下降。氮肥利用率表现为氮高效品种显著高于氮低效品种, 随施氮量的增加, 除氮高效品种金山27差异显著外, 其他品种差异不显著; 氮肥农学效率氮高效品种与氮低效品种表现不一致, 郑单958在300N显著高于450N处理, 金山27、内单314和蒙农2133的450N显著高于300N处理, 说明对氮肥的响应存在明显差异。

表1 不同氮效率玉米品种产量、氮素吸收效率和氮肥利用率

**表示在0.01水平上差异显著, *表示在0.05水平上差异显著, ns表示差异在0.05水平上不显著, 每列数据后跟不同字母表示在0.05水平上差异显著。0N、300N、450N分别表示不施氮、施纯氮300 kg hm–2和450 kg hm–2。

** means significance at<0.01; * means significance at<0.05; ns, not significant (=0.05). Means within each column followed by different letters are significantly different (<0.05) by the ANOVA protected least significant difference (LSD) test. 0 N, 300N, 450N mean no nitrogen, 300 kg hm–2nitrogen, and 450 kg hm–2nitrogen respectively. NUpE: nitrogen uptake efficiency; NRE: nitrogen recovery efficiency; NAE: nitrogen agronomy efficiency.

2.2 不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布的影响

2.2.1 土壤硝态氮的空间分布 图2为2012年大喇叭口期氮高效品种郑单958 (上)和氮低效品种内单314 (下)土壤硝态氮含量等高线图, 能够较直观地反映氮素的空间分布。大口期追肥前, 0 N处理硝态氮主要集中在40~80 cm土层, 由于300N和450N条件下拔节期追施过氮肥, 硝态氮主要集中在0~20 cm土层, 随土层深度增加逐渐降低, 且在各土层氮低效品种土壤硝态氮含量都高于氮高效品种。

图2 2012年大喇叭口期不同氮效率玉米品种土壤硝态氮含量的空间分布

X轴零点代表植株位置, 左右两边坐标表示与植株的距离, 最大值(25)表示1/2行距, Y轴表示土层深度, 每一个数据都对应一个空间坐标的小土块的土壤硝态氮含量, 颜色越深说明土壤硝态氮含量越大。处理同表1。

Zero of X axis represents plant location, left and right sides of zero represent distance from the plant, and the maximum (25) distance is at 1/2 row spacing, Y axis represents soil depth, each datum corresponds to a small space coordinate clod of soil nitrate content, the deeper the color the greater the content of soil nitrate. Treatment described as in Table 1.

如图3所示, 2012年吐丝期不同氮效率品种各施氮处理土壤硝态氮下移, 0 N处理, 硝态氮下移10 cm左右, 施氮条件下, 氮高效品种表层富集的硝态氮下移20 cm左右, 主要集中在20~40 cm土层, 氮低效品种也相应下移, 但土壤硝态氮主要集中在0~40 cm土层, 且硝态氮含量较氮高效品种大, 说明低氮处理下, 硝态氮下移的速度较慢, 高氮处理下, 硝态氮下移速度较快, 氮高效品种对氮素的吸收较大。

2.2.2 土壤硝态氮的时空运移 2012年吐丝期各处理土壤硝态氮含量随土层深度的增加呈单峰曲线变化, 0 N处理, 60~100 cm土层2个氮高效品种土壤硝态氮含量显著低于2个氮低效品种, 随施氮量的增加, 0~60 cm土层土壤硝态氮含量显著增加, 土壤硝态氮含量的峰值出现在20~40 cm土层, 不同氮效率品种土壤硝态氮含量差异不显著(图4)。随生育进程, 土壤硝态氮含量的峰值逐渐下移。乳熟期, 0 N处理土壤硝态氮含量峰值出现在80~100 cm土层, 在60~100 cm土层2个氮高效品种土壤硝态氮含量显著低于2个氮低效品种, 随施氮量的增加, 土壤硝态氮含量的峰值出现在40~60 cm土层; 且在300N处理下,这一土层2个氮高效品种显著低于2个氮低效品种; 450N处理下, 60~100 cm土层氮高效品种显著低于氮低效品种。成熟期0 N处理土壤硝态氮含量最大值出现在80~100 cm, 60~100 cm土层2个氮高效品种显著低于2个氮低效品种; 随施氮量的增加, 土壤硝态氮含量最大值出现在60~80 cm土层, 450N处理下, 60~ 100 cm土层2个氮高效品种显著低于2个氮低效品种。

图3 2012年吐丝期不同氮效率玉米品种土壤硝态氮含量的空间分布

缩写同表1; 坐标轴说明同图2。

Treatments are the same as those described in Table 1; description of coordinate axis corresponds with that given in Fig. 2.

图4 2012年吐丝期(上)、乳熟期(中)、成熟期(下)土壤硝态氮含量的时空变化

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2013年土壤硝态氮含量的时空分布与2012年趋势相同, 吐丝期随土层深度的增加呈单峰曲线变化, 土壤硝态氮含量的最大值在0 N条件下和施氮量条件下分别出现在60~80 cm土层和20~40 cm土层, 且不同氮效率品种间差异不显著(图5)。乳熟期, 0 N处理, 氮高效品种最大值在80~100 cm土层, 氮低效品种最大值在60~80 cm土层; 施氮条件下, 土壤硝态氮含量的峰值在60~80 cm土层, 与2012年有差异, 氮高效品种在20~80 cm土层显著低于氮低效品种; 成熟期, 土壤硝态氮含量的峰值都下移到80~100 cm土层; 施氮条件下, 60~100 cm土层, 氮高效品种显著低于氮低效品种。

图5 2013年吐丝期(上)、乳熟期(中)、成熟期(下)土壤硝态氮含量的时空变化

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.3 收获后土壤硝态氮累积量的空间分布

收获后各处理土壤硝态氮累积量随施氮量的增加而增加(图6), 0 N处理0~100 cm土层硝态氮积累总量表现为氮高效品种显著低于氮低效品种, 80~100 cm土层硝态氮累积量最大, 氮低效品种高于氮高效品种, 随施氮量的增加, 2012年0~100 cm土壤硝态氮累积量表现为氮高效品种显著低于氮低效品种, 60~80 cm土层硝态氮累积量最大, 同类型品种间差异不显著, 2013年80~100 cm土层硝态氮累积量最大, 施氮处理下, 氮低效品种四单19显著高于内单314。

2.4 植株氮素积累量与土壤硝态氮累积量的关系

如图7所示, 0~100 cm土层土壤硝态氮的累积量随生育进程逐渐降低, 大喇叭口期至吐丝期降低的幅度较大, 乳熟至成熟期趋于平稳, 氮高效品种土壤硝态氮累积量低于氮低效品种, 在不同施氮量下表现趋势一致; 植株氮素积累量随生育进程呈上升的趋势, 乳熟至成熟期氮素吸收量较小, 曲线趋于平缓, 氮高效品种的氮素积累量显著高于氮低效品种, 说明土壤硝态氮累积量与氮素积累量具有很好相关性, 相关分析表明二者呈显著负相关(图8), 因此, 选择氮高效的品种对于减少土壤硝态氮积累十分重要。

图6 不同氮效率玉米品种收获后土壤硝态氮累积量(2012年和2013年)

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.5 土壤氮素的农田表观平衡

本试验条件下, 春玉米整个生育期0~100 cm各土层土壤氨态氮含量较低, 氨态氮累积量品种间差异不显著(图9), 因此评价土壤矿质氮时忽略氨态氮的影响, 只计算硝态氮的贡献[26]。在氮素平衡计算中, 将土壤Nmin所在层次定义为0~100 cm深度, 即作物根系吸收养分的主要层次。由表2可知, 2012年氮高效品种(HNE)数据来源于2个氮高效品种(郑单958和金山27)数据的平均值, 氮低效品种(LNE)数据来源于两个氮低效品种(蒙农2133和内单314)数据的平均值, 2013年氮高效品种(HNE)是郑单958, 氮低效品种(LNE)数据是两个氮低效品种(内单314和四单19)数据的平均值。从播种到成熟期, 氮素输入项中, 起始Nmin2012年较高, 氮素的矿化量全生育期也显著高于2013年, 品种间差异不显著, 主要受土壤含水量和温度影响。氮输出中氮高效品种吸收的氮素显著高于氮低效品种(< 0.01), 随施氮量的增加, 氮素吸收量显著增加。土壤硝态氮残留随施氮量的增加逐渐增加, 300N和450N条件下, 土壤硝态氮残留量差异不显著, 表观损失差异显著, 300N处理下, 氮低效品种的表观损失是氮高效品种的2.89倍和1.52倍(2012年和2013年), 450N处理下, 氮低效品种是氮高效品种的1.56倍和1.45倍(2012年和2013年), 氮素的盈余随施氮量的增加逐渐增加, 在各施氮量下, 氮低效品种显著高于氮高效品种。

3 讨论

在不同施氮量下, 不同氮效率品种对氮素吸收和利用的能力不同。李文娟等[27]研究表明在N0和N180两个供氮量下, 氮高效品种氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力都显著高于氮低效品种。王冬梅[28]研究表明氮高效品种先玉335的氮素利用效率、氮素生理效率、氮素农学效率和氮肥偏生产力均高于氮低效品种四单19。本研究在不同施氮量下, 氮高效品种的氮素吸收效率、氮肥利用率都显著高于氮低效品种, 这与前人研究结果一致, 但是, 氮农学效率在不同施氮量下表现不一致, 氮高效品种郑单958在300N处理下, 显著高于其他品种, 氮低效品种内单314在450N处理下显著高于其他品种,这可能是不同品种对氮肥的响应存在差异所致, 郑单958对中低氮响应较强, 内单314对高氮响应较强, 但并不影响郑单958在高氮条件下的氮素的吸收。Mackay和Barber[29]研究表明对氮素强响应型玉米杂交种在高氮条件下生长更快, 是由于其根系生长更强, 氮素吸收更多。本研究在450N条件下, 郑单958的氮素积累量显著高于内单314。因此, 在品种选择上, 应选择对中低氮响应较强的氮高效品种, 充分发挥其在各个施氮量下的吸收潜力。

图7 不同氮效率品种土壤硝态氮累积量与植株氮素积累量的变化(2012年和2013年)

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

图8 土壤硝态氮累积量与植株氮素积累量的相关性分析

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

图9 不同氮效率玉米品种收获后土壤氨态氮累积量(2012年和2013年)

缩写同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

表2 土壤氮素农田表观平衡

每列数字后跟不同字母表示在0.05水平上差异显著。2012年HNE表示氮高效品种, 数据来源于郑单958和金山27数据的平均值, LNE表示氮低效品种, 数据来源于蒙农2133和内单314的数据的平均值; 2013年HNE数据是郑单958 的数据, LNE数据来源于内单314和四单19的数据的平均值。缩写同表1。

Means within each column followed by different letters are significantly different (< 0.05) by the ANOVA protected least significant difference (LSD) test. In 2012, HNE means high nitrogen efficiency variety, its data from mean value of ZD958 and JS27. LNE means low nitrogen efficiency variety, its data from mean value of MN2133 and ND314. In 2013, HNE was ZD958, LNE’s data from mean value of ND314 and SD19. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

氮高效玉米品种的高效吸收与根系的作用密不可分, 作物的根系通过吸收作用将浅层土壤中的水分、养分截留下来, 降低了水分渗漏和土壤溶液中硝态氮的浓度, 减少了随水分运移的硝态氮总量, 同时下扎的根系像泵一样把下层土壤中累积的硝态氮提取出来[30]。Wiesler等[31]认为, 成熟时玉米杂交种地上部氮累积量与深土层的根长密度呈正相关。马存金等[20]研究表明, 氮高效玉米品种郑单958根系总量大, 深层土壤根系多, 根系活力高, 氮素吸收能力强, 施氮条件下优势更加明显。前人大量研究表明氮高效玉米品种的根系分布特征是根系下扎能力强, 生长后期分布较深, 根系活力强有利于截获土壤中随水下移的硝态氮, 氮素积累总量高, 氮素转移率、贡献率和氮素利用效率都较强[32]。因此, 氮高效玉米品种对土壤硝态氮的时空分布及残留具有一定的影响。本研究表明, 大喇叭口期至吐丝期, 是营养生长和生殖生长旺盛的阶段, 氮高效品种氮素吸收量显著高于氮低效品种(图7), 且降雨量较小(图1), 土壤硝态氮下移缓慢, 不施氮处理下移10 cm, 施氮处理下移20 cm (图2和图3), 氮高效品种的各土层的土壤硝态氮含量低于氮低效品种。吐丝至成熟期, 土壤硝态氮含量在60~100 cm土层中, 氮高效品种显著低于氮低效品种, 氮高效品种这种深根吸收特性与Wiesler等研究结果一致, 他认为增加30 cm以下土层中的根量(根长密度), 可以显著降低硝酸盐向深层的淋失损失。米国华等[33]认为, 在开花后, 氮高效品种充分利用前期建成的根系, 高效吸收土壤中的矿化氮, 减少了叶片中氮素的输出, 维持了叶片较高的光合效率, 为籽粒灌浆提供碳水化合物。本研究表明吐丝后植株氮素积累量显著增加, 且氮高效品种显著高于氮低效品种(图7), 因此, 吐丝后下层土壤硝态氮含量出现显著的差异。在施氮的条件下, 两年的土壤硝态氮含量的运移规律存在差异, 主要是由于2013年9月(乳熟期)降雨量119.8 mm较2012年55.1 mm明显偏高(图1), 前人研究表明NO3-N在土壤深层的累积与降水量或灌溉量有很强的正相关[34-35], 同时乳熟期根系衰老速度加快, 根系对于氮素的吸收也降低, 所以在降雨量较大的时期氮素下移的距离较大, 土壤硝态氮在深层积累的较多, 而低氮条件下外界环境对于土壤硝态氮影响较小。

氮素平衡被认为是最主要的农田环境指示器, 可以提供氮素损失到空气中或淋溶到地下的潜在信息[36-37]。氮素损失到环境中破坏生物多样性、水资源和空气的质量[38]。周顺利等[39]对农田氮素的表观平衡研究表明土壤氮损失是盈余氮素的一个主要去向, 而硝态氮淋洗是夏玉米生育期间土壤氮素损失的一个重要途径。淮贺举等[40]研究表明, 0~300 kg hm–2的不同施氮量下, 土壤无机氮残留量在81~195 kg hm–2之间, 表观损失在0~137 kg hm–2之间, 氮素盈余是81~323 kg hm–2。叶东靖等[24]研究表明过量施氮导致硝态氮在土壤中大量累积, 不同施氮量下东北春玉米土体残留的无机氮变化在93~202 kg hm–2之间, 氮素盈余变化在93.2~347 kg hm–2之间, 各施氮处理中以N 180和N 240处理氮素输入和氮素输出基本保持平衡。本研究表明, 2012年土壤硝态氮的残留量在159.96~429.03 kg hm–2之间变化, 2013年土壤硝态氮残留在96.35~201.3 kg hm–2之间变化, 氮高效品种显著低于氮低效品种, 年际间存在显著的差异, 氮素的盈余表现为450N条件下氮低效品种最高, 达到了564.44 kg hm–2(2012年)和447.11 kg hm–2(2013年), 与前人研究相比明显增加, 说明氮肥的过量投入导致氮素的盈余显著增加。氮素的盈余包括土壤无机氮的残留和氮素的表观损失, 表观损失又包括氮素的挥发和淋失损失, 受温度和降雨量影响较大, 因此年际间差异较大, 在各施氮量下, 氮低效品种土壤硝态氮的残留和氮素表观损失显著高于氮高效品种, 说明在同等地力和气象条件下, 品种对氮素吸收的差异是影响氮素盈余的主要因素, 同时, 在实际生产过程中还应优化氮肥施用量, 进而提高氮肥的利用率。

4 结论

在不同施氮量下, 氮高效玉米品种氮素吸收效率、氮肥利用率、植株氮素吸收量显著高于氮低效品种, 在中低氮条件下, 氮高效玉米品种郑单958对氮肥的响应较强, 同时不影响其在高氮条件下氮素的吸收。因此, 选用在中低氮下响应较强的氮高效品种是提高氮肥利用率的有效途径。

不同氮效率玉米品种氮素的吸收显著影响土壤硝态氮时空分布, 土壤硝态氮累积量与植株氮素积累量呈显著负相关。低氮条件下, 在各生育时期氮高效品种土壤硝态氮含量显著低于氮低效品种, 高氮条件下, 吐丝后氮高效玉米品种60 cm以下土层土壤硝态氮含量显著降低, 有利于延缓氮素向深层土壤的淋洗。

在土壤氮素的农田平衡关系中, 氮素的盈余包括氮素的表观损失和土壤氮素的残留, 其中氮素的表观损失受外界环境影响较大, 年际间有差异; 土壤氮素的残留随氮素投入量的增加而增加, 但同等土壤及气象条件下, 品种对氮素吸收的差异是影响土壤氮素残留和表观损失的主要因素。因此, 选用氮高效品种同时优化施肥管理对于提高氮肥利用率起关键作用。

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Effects of Maize Varieties with Different Nitrogen Efficiencies on Temporal and Spatial Distribution of Soil Nitrate and Field Nitrogen Balance

QU Jia-Wei, GAO Ju-Lin*, YU Xiao-Fang, WANG Zhi-Gang, HU Shu-Ping, SUN Ji-Ying, SU Zhi-Jun, XIE Min, and QING Ge-Er

Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

Studying effects caused by maize varieties with different nitrogen efficiencies on nitrate content in soil and nitrogen balance in filed is quite important for excavating high nitrogen efficiency biological potential of maize varieties, coordinating nitrate supply with plant requirement, and improving the nitrogen utilization efficiency. In this study, high nitrogen efficiency maize varieties ZD958, JS27 and low nitrogen efficiency maize varieties MN2133, ND314, and SD19 were separately used to systematically study the effects on nitrate spatial and temporal distribution in soil and nitrogen balance, as well as relationship between plant nitrogen uptake and soil nitrate accumulation. Compared with low nitrogen efficiency maize varieties, the high nitrogen efficiency varieties had higher yield, higher nitrogen absorption and use efficiency in all the nitrogen treatments (0, 300, and 450 kg ha–1). According to the correlation analysis, significant negative correlation was shown between the plant nitrogen accumulation and nitrate accumulation in soil. The temporal and the spatial distribution of nitrate in soil were also analyzed, showing that the soil layer with maximum nitrate content moved toward lower gradually in the process of maize growth. The move rate of the soil layer was independent of maize varieties, but largely correlated with the precipitation. However, after silking stage the nitrate content in 60–100 centimeter layer of soil was significantly lower in high nitrogen efficiency varieties than in low nitrogen efficiency varieties. After harvest, the nitrate residual in soil was significantly higher in low nitrogen efficiency varieties compared with high nitrogen efficiency varieties. Moreover, the nitrate residual amount was largely increased with increasing nitrate application. In the aspect of nitrate balance, the nitrogen efficiency of maize significantly affected filed nitrate residue and apparent lost. The apparent nitrate lost in field in low nitrogen efficiency varieties was 2.2 (300 kg ha–1) and 1.5 times (450 kg ha–1) as high as that in high nitrogen efficiency varieties, and had much more difference among different years. Therefore, different nitrogen efficiency varieties affected N-balance in filed via nitrate absorption. Choosing high nitrogen efficiency varieties can decrease nitrate content in soil, apparent lost in field, and nitrogen leaching risk, which is an effective way to improve nitrogen utilization efficiency.

maize;variety; nitrogen efficiency; soil nitrate; field nitrogen apparent balance

2017-05-03;

2018-01-08;

2018-01-30.

10.3724/SP.J.1006.2018.00737

本研究由国家自然科学基金项目(31260300), 国家科技支撑计划项目(2013BAD07B04), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-02-63), 华北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站(25204120)和国家重点研发计划项目(2017YFD0300800)资助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of China (31260300), the National Science and Technology Project of Food Production of China (2013BAD07B04), the China Agriculture Research System (CARS-02-63), the Experimental Station of Crop Cultivation Scientific Observation in North China Loess Plateau (25204120), and the National Key Research and Development Project (2017YFD0300800).

高聚林, E-mail: nmgaojulin@163.com

E-mail: nmqujiawei@163.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180129.1624.006.html