基于15N同位素示蹤鹽漬化農田向日葵氮素利用規律

喬 天， 劉 霞， 楊 威， 高宏遠

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

河套灌區作為我國向日葵的主產區，其土壤鹽漬化問題嚴重，鹽堿地占總耕地面積的45%左右。較高的鹽分使土壤中養分難以被直接利用，并導致作物吸氮能力減弱。氮肥對向日葵生長產生的肥效最為明顯，它能夠緩解鹽分對作物生長帶來的不利影響，補充土壤對作物養分供給上的虧缺。然而氮素的有效性在不同水平鹽分土壤中存在差異，當鹽分水平較低時，增施氮肥可明顯促進作物生長；鹽分含量較高時，盲目增施氮肥會導致浪費，增加了氮素的潛在淋洗損失，可能造成地下水污染，加重土壤發生次生鹽漬化風降并降低了氮肥利用率；其次，作物種類、土壤性質、施肥量及方法也是影響氮肥利用效率的因素。對于向日葵作物，其施氮量存在一定范圍，超出合理施氮量氮肥利用率則會受到抑制。故針對灌區中度鹽漬化農田合理施用氮肥展開研究具有實際意義。

氮素是植物生長發育的必須營養元素之一，是葉綠素和多種有機物的成分，可以促進發育，為作物的高產增收奠定基礎，因而氮肥施用是當前生產條件下保障河套灌區向日葵高產的重要措施。前人研究大多集中于施氮對向日葵水分利用特點、冠層生長與輻射利用規律、產量與品質等方面，而針對不同施氮水平下農田中氮肥施用后遷移轉化途徑及作物吸收可利用氮素來源比例的研究相對較少。同位素示蹤技術不僅能區分作物吸收的土壤氮與肥料氮，真實地反映作物對當季甚至上季氮肥的吸收利用狀況，明確氮素來源，還可計算肥料氮在土壤中的殘留與分布狀況。目前多數研究主要采用差值法計算作物氮肥利用率，通過土壤中硝態氮含量來評價作物收獲后的氮素殘留狀況，鮮有研究利用氮同位素示蹤技術研究鹽漬化農田向日葵收獲后土壤中肥料氮利用與殘留問題。

本研究針對河套灌區中度鹽漬化農田，采用N同位素示蹤技術，以向日葵為試材，系統分析土壤-向日葵作物體系中肥料氮素的歸趨問題，探究不同施氮水平對向日葵不同來源氮素吸收、土壤中肥料氮殘留和氮素去向的影響，以期為該地區農田推薦適宜的施氮量提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年6—9月在河套灌區中部五原縣聯星村(107°35′70″E，40°46′30″N)進行，該地區屬于典型的溫帶大陸性季風氣候。全年日照時間平均3 230.9 h，年降水量227.4 mm，月分配極不均，主要集中夏季7—9月，年際變化也較大。年平均蒸發量為2 039.2 mm，是降水量的9.0倍。試驗地土壤質地見表1。土壤鹽分含量為3.3 g/kg，堿化度為14.6%，有機質含量為9.3 g/kg，全氮含量為0.8 g/kg，堿解氮含量為44.4 mg/kg，速效磷含量為14.1 mg/kg，速效鉀含量為184.3 mg/kg，屬于肥力不足的中度鹽堿化土壤。

表1 試驗地土壤粒徑及質地

1.2 試驗設計

試驗設計4個施氮水平，記為N0、N1、N2、N3，對應大田施氮量(按純N計)分別為0，150，225，300 kg/hm。于田間設置N試驗微區，每個微區面積為1.5 m，將未封底的鐵皮從微區四周挖溝嵌套進去，地下部分埋深100 cm，地上部分10 cm(避免標記尿素的水平向流失以及污染)。供試向日葵品種為NWS6901型食葵，具有耐鹽堿、抗病等特點。于2019年6月22日播種，9月27日收獲，生育期約為96天。參考當地向日葵種植方式，行距60 cm，株距50 cm，播種前施入底肥磷肥(PO)和鉀肥(KO)，施用量分別為108.4，86.8 kg/hm，施用的N標記尿素豐度為10.18%(含氮46.0%)，由上?；ぱ芯吭荷a，作為追肥施用。每個處理設3個重復，為避免受到鐵皮邊界的影響，播種后每個微區定苗3株，并于現蕾期在向日葵根區土壤結合頭水追施N標記尿素，施肥方式為穴施，灌溉方式采用畦灌，灌水量為900 m/hm。其他管理措施與當地農田相一致。

1.3 測定項目與方法

于向日葵完熟期收取各處理植株，并將其分解為根、營養器官(莖、葉、盤)、籽部分，分裝在牛皮紙信封中，測定樣品鮮重，將稱重后的植株樣品置于干燥箱中105 ℃殺青30 min，再恒溫80 ℃烘干8 h至質量恒定，稱量并測得植株各部分干物質量，最后將植株各部位均剪取一部分均勻混合，在研缽中粉碎后過0.5 mm篩后裝入樣品袋中備用。

作物收獲后對微區內0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層鉆取土樣，采用氯化鉀溶液提取—分光光度計法測定土壤NO-N、NH-N含量。其余土樣風干過篩與植物樣一起送往內蒙古農業大學草原與資源環境學院，使用德國Elementar公司生產的Isoprime100穩定同位素質譜儀連接元素分析儀(Vario Isotope Select)測定植物各器官及土壤的全氮含量(TN)和穩定氮同位素值(δN)。

1.4 指標計算

相關指標計算公式為：

(1)

式中：Ndff為植株氮素來源于肥料的比例(%);為植株樣品中的N豐度(%);為標記肥料中的N豐度(%);為同位素自然豐度，0.366 3%。

(2)

式中：Ndfs為土壤氮素來自肥料的比例(%);為土壤樣品中的N豐度(%)。

=×

(3)

式中：為各器官吸氮量(g/plant);為各器官干物質量(g);為各器官全氮含量(g/kg)。

=×Ndff

(4)

式中：為各器官對肥料氮的吸收量(g/plant)。

=-

(5)

式中：為各器官對土壤氮的吸收量(g/plant)。

(6)

式中：NDR為肥料氮貢獻率(%)。

(7)

式中：NDR為土壤氮貢獻率(%)。

=××Ndfs

(8)

式中：為土壤中肥料氮殘留量(g);為土壤干重(g);為土壤全氮量(g/kg)。

(9)

式中：NUE為氮肥利用率(%);TFN為氮肥施用總量(g)。

(10)

式中：NRF為氮肥殘留率(%)。

NLR=1-NUE-NRF

(11)

式中：NLR為氮肥損失率(%)。

1.5 數據處理

使用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理，采用SPSS 20.0軟件進行不同處理的單因素方差分析，差異顯著性檢驗用LSD法，顯著性水平=0.05，用Origin 2019b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 向日葵干物質積累量及分配差異

由表2可知，向日葵單株干物質量在N2施氮水平下較N0、N1顯著增加31.7%，13.9%(<0.05)，在N3施氮條件下較N2高出1.6%(>0.05)?？迅晌镔|量在N1、N2、N3施氮水平下差異達顯著水平，較不施氮處理增加14.4%，22.2%，24.0%。相較于N0水平，施氮后的向日葵根系、營養器官干物質量也呈現出不同程度的增加，增幅平均為35.7%，28.6%。隨施氮量的增加，根和營養器官生物量分配率逐漸增加，而籽的生物量分配率與之相反，呈現出緩慢降低的趨勢，降幅約為2.4%。從上述結果可以看出，施氮可以顯著促進向日葵根系的生長發育，從而有利于吸收更多的氮素并通過營養器官輸送到葵籽中，以促進產量的形成，施氮量為N2水平時可滿足向日葵作物生長需求，對向日葵植株生長的促進作用最為顯著。

表2 向日葵干物質積累及分配差異

2.2 向日葵吸氮及分配差異

由圖1可知，N2、N3施氮水平下向日葵整株吸氮量較N0分別顯著增加38.7%，55.4%，較N1分別顯著增加26.3%，41.5%，N3較N2增加12.1%(>0.05)。與N0相比，N1、N2、N3下的根系吸氮量分別增加了22.5%，112.1%，135.2%；營養器官吸氮量分別增加了12.3%，46.7%，69.4%；籽粒吸氮量分別增加了5.4%，20.2%，30.0%。不同施氮水平下向日葵營養器官和籽粒的氮素分配率未表現出明顯差異(表3)，在N2、N3 2種施氮水平下，根系的氮素分配率較N0顯著增加，增加范圍為3.6%～3.8%。說明施氮增加各器官對氮素的吸收量，對根系產生的作用最為顯著。

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同施氮水平下向日葵吸氮量

表3 不同施氮水平下氮素分配率 單位:%

施氮水平由N1增至N3(圖2)，向日葵根系對肥料氮和土壤氮的吸收比例分別增加113.4%，7.9%；營養器官和葵籽對肥料氮的吸收比例分別增加49.0%，18.0%，對土壤氮的吸收比例降低幅度分別為1.8%，13.7%。3種施氮水平下肥料氮及土壤氮對整株向日葵氮素吸收的貢獻比例平均分別為15.1%，84.9%。N2、N3施氮水平下肥料氮對整株作物的貢獻比例較N1分別顯著增加35.7%，40.5%，而土壤氮的貢獻比例較N1分別顯著降低4.3%，5.2%，土壤氮及肥料氮對整株向日葵的貢獻比例在N2、N3施氮水平下無顯著性差異。以上結果表明，增施氮肥可以提高各器官對氮素的吸收，以滿足植株生長所需的氮素營養，施氮對根系吸氮的促進作用最為顯著。向日葵當季吸收氮素主要源于土壤氮，增施氮肥至N2水平可以促進肥料氮對向日葵氮素吸收的貢獻比例，繼續增施氮肥促進效果不顯著。

圖2 不同施氮水平下不同來源氮素貢獻比例

2.3 土壤中肥料氮殘留量

由圖3可知，向日葵收獲后，在3種施氮水平下，0—20 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為48.3%，47.2%，46.7%，20—40 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為27.5%，27.1%，26.9%，40—60 cm土層肥料氮殘留所占比例分別為16.6%，16.3%，16.1%，各土層殘留肥料氮所占比例均呈現隨施氮量增加而減小趨勢，60—100 cm土層累積殘留比例分別為8.5%，9.3%，10.3%。在土壤垂直剖面上，土壤中肥料氮殘留量表現為隨土層深度增加而遞減趨勢，殘留肥料氮主要集中在0—20 cm土層。0—100 cm土層肥料氮總殘留量在不同施氮水平下呈現出顯著差異，總體表現為N3>N2>N1，N2施氮水平下肥料氮殘留總量較N1增加36.5%，N3水平下肥料氮殘留總量較N2增加42.0%。由圖4可知，各處理0—100 cm土壤NO-N含量為6.3～21.6 mg/kg，NH-N含量為1.0～9.8 mg/kg，相同處理各土層NH-N含量明顯低于NO-N，肥料氮主要是以NO-N形態殘留于土壤中。綜上，較高施氮使肥料氮殘留增加的同時，也提高了深層土壤中(60—100 cm)肥料氮殘留的比例。

圖3 不同施氮水平下肥料氮殘留量

圖4 不同施氮水平下肥料氮殘留形態

2.4 氮肥利用、殘留及損失規律

由圖5可知，向日葵植株對肥料氮的利用率表現為N2>N3>N1，N2施氮水平下氮肥利用率較N3、N1分別高出22.7%，14.6%，各處理間差異均達顯著性水平，受施氮水平影響較大。土壤中氮肥殘留率整體呈現出隨施氮水平增加而減小的趨勢，其中N2施氮水平下土壤氮肥殘留率最低，為32.3%，較N1、N3施氮水平分別減少8.5%，8.6%，存在顯著差異。氮肥損失率在各施氮水平間不存在顯著性差異，說明氮肥損失所占比例受施氮水平的影響較小。3種施氮水平下氮肥利用率、氮肥殘留率、氮肥損失率平均分別為24.6%，33.7%，41.7%，肥料氮素去向規律均表現為氮肥損失率>氮肥殘留率>氮肥利用率。說明本試驗條件不同施氮條件下肥料氮素去向均以損失為主，N2施氮水平在提高氮肥利用率的同時，相對減少了土壤中氮肥氮的殘留。

圖5 不同施氮水平下氮肥氮利用率、殘留率及損失率

3 討 論

3.1 不同施氮水平對向日葵干物質量及氮素吸收利用影響

本試驗中，施氮水平由N1增至N2時，向日葵干物質量和吸氮量的增加比例最大，產生的促進作用最顯著，而N2、N3種施氮水平之間差異不顯著，表明施氮量達一定水平后，繼續增施氮肥對向日葵吸收氮素和生長的促進作用并不明顯，可能是因為高氮肥供應顯著抑制根系固氮的酶活性，并導致植物氮素吸收及生物量不再進一步增加。前人針對不同施氮水平及基追施比例下植株吸收氮素來源進行研究，均得出土壤氮素對植株生長發育的貢獻率高于肥料氮的結果，本研究也得出相似結論，不同氮素來源對向日葵植株的貢獻比例表現為土壤氮>肥料氮，說明施氮水平如何不同，土壤氮都是向日葵氮素養分的主要來源。孫昭安等在對冬小麥氮素吸收的研究中得出的結論是施氮量與化肥氮對冬小麥氮素吸收的貢獻比例呈顯著正相關，而與土壤氮貢獻比例呈顯著負相關。本研究中，肥料氮貢獻比例是隨施氮量增加呈現遞增趨勢，土壤氮貢獻比例與之相反，也進一步表明，增施氮肥可提高肥料氮在作物中的運輸量和分配效率。除向日葵根系外，向日葵營養器官和葵籽對土壤氮的吸收比例隨施氮量的增加而增加，可能是因為土壤中氮素可以在植株根系內直接被同化利用的緣故，但是這種作用對向日葵地上部器官產生的效果不明顯。

3.2 不同施氮水平下土壤中氮素殘留

殘留肥料氮在提高土壤肥力方面發揮重要作用，但同時也增加了氮素損失風險。有研究表明，土壤氮素的殘留可以提高對土壤全氮、礦質態氮含量及土壤氮庫的補充，能被后一季作物繼續吸收利用。張懷志等對比分析得出，微噴灌常規和減施氮肥條件下0—20 cm土層肥料氮殘留量分別占土壤肥料氮總殘留量的88.9%和87.9%，本研究中肥料氮殘留主要集中在0—20 cm土層，與Zhong等研究結果相類似，但0—20 cm土層肥料N僅占總殘留量的約47.4%，與前人研究結果存在較大差異的原因也可能是施氮方式、施氮水平以及作物種類不同引起的。以上結果表明，土壤鹽分不影響肥料氮在土壤中殘留的主要深度，但使部分殘留氮肥向下運移，且隨施氮量增加，0—60 cm土層肥料氮殘留所占比例減小，60—100 cm土層肥料氮殘留比例升高，在8.5%～10.3%，增施氮肥進一步增加殘留氮肥在深層土壤中淋洗的風險。一般認為，增加施氮量提高了下層土壤肥料氮的積累量，加大了向根系外淋洗的風險。

3.3 不同施氮水平下肥料氮素去向

本試驗向日葵-土壤系統中，氮肥遷移量總體表現為損失率>殘留率>利用率，與戴香良等研究花生肥料氮素去向為利用率>殘留率>損失率的結果有所不同，因為不同作物之間對氮肥吸收利用的能力存在較大差異，也可能是試驗區干旱及鹽堿土壤使銨態氮的揮發量大而導致損失率較高，還有待于深入分析干旱鹽漬化農田土壤鹽分對氮素遷移規律的影響。在最佳經濟施氮量下，內蒙古中西部氮肥利用率平均為34.7%，隨施氮量的增加氮肥吸收利用率和損失率也增加，土壤中氮肥殘留率減小。本試驗得出的結果與之略有不同，3種施氮量水平下氮肥利用率分別為22.3%，27.4%，23.9%，土壤殘留率先減小后增加，但總體呈現下降趨勢，分別為35.1%，32.3%，33.8%。一方面是因為氮肥利用率在實際生產中會受到土壤肥力的影響而導致差異；另一方面，是因為土壤鹽分離子會抑制作物對氮素的吸收利用，從而成為氮素循環利用的關鍵制約因素之一。隨施氮量增加氮肥損失率減少，存在氣候因子帶來的影響，還可能與高氮投入時通過揮發等途徑損失有關，因而后續研究把控不同施氮水平條件下的氣體揮發損失的占比大小尤為重要。

4 結 論

(1)不同施氮量條件下向日葵氮素吸收量差異顯著。225 kg/hm施氮量在滿足向日葵作物生長同時，較不施氮處理顯著增加了38.7%的氮素吸收量，繼續增施氮肥對作物吸氮量無明顯促進作用。

(2)向日葵吸收的氮素中，84.9%來源于土壤氮，15.1%來源于肥料氮，增施氮肥至225 kg/hm時使肥料氮的貢獻比例較150 kg/hm水平增加35.7%，繼續施氮促進效果不顯著。

(3)1 m土層中肥料氮總殘留量隨施氮量增加而增加，約47.4%的殘留肥料氮分布在0—20 cm土層，較高的施氮水平會加大肥料氮在深層(60—100 cm)土壤中殘留的風險。

(4)不同施氮水平肥料氮去向總體表現為損失率>殘留率>利用率。N2施氮水平下氮肥利用率較N3、N1分別顯著高出22.7%，14.6%；氮肥殘留率較N1、N3分別減少8.5%，8.6%；氮肥損失率在各施氮水平下無顯著差異。

針對中度鹽漬化農田，225 kg/hm施氮水平下肥料氮利用率為27.4%，氮肥殘留率為32.3%，肥料損失率為40.3%。在提高氮肥利用率的同時降低了土壤中氮肥殘留率和損失率，可兼顧作物生長及減少環境污染的要求，是較為適宜的施氮量。