施用氮肥是增加作物产量和改善作物品质的重 要措施之一^[1]。但是，当粮食产量达到一定水平，过量施 用氮肥不仅不能持续提高作物产量及经济效益，而且 还会引起资源的严重浪费，污染土壤、水体、大气生态 环境及降低生物多样性^{[2, 3, 4]}。因此，优化氮肥施用制度， 不仅能够满足作物所需的氮素营养，获得较高的氮肥 效益，而且必须使土壤矿质氮，特别是硝态氮残留量 保持在一定范围内，并确保土壤生态系统的氮素平衡。

春玉米是我国东北地区最重要的粮食作物之一， 在国家粮食安全中具有举足轻重的地位^[5]。增加水肥特 别是氮肥投入是该地区30 年来春玉米产量不断提高的重要措施。由于盲目追求高产，生产中氮肥施用过多 现象普遍存在，而且春玉米生长季高温多雨，土壤矿 化作用强烈，因此土壤氮素供应常常过量，在降雨或 灌溉条件下以硝态氮形式向土壤深层淋洗，造成地下 水的污染^{[1, 6, 7]}。近年来，有关氮肥施用对玉米氮素利用 及环境效应方面的研究多集中在华北夏玉米^{[8, 9, 10, 11]}和西 北春玉米^{[12, 13]}上，东北春玉米生长发育的温度、水热等 环境条件不同于夏玉米，针对东北春玉米氮素利用及 土壤矿质氮淋溶累积的系统研究报道不多。东北昌图 地区地处中温带亚湿润季风大陆性气候区，是我国北 方重要的春玉米生产带，合理施肥尤其是合理施氮对 于玉米高产高效具有重要意义，但近年来农户玉米氮 肥不合理施用问题严重，氮肥过量与不足施用同时存 在，直接导致氮肥利用率低下。为此，试验以东北昌图 地区广泛种植的春玉米为研究对象，研究施氮量对春 玉米产量、氮肥效率及土壤矿质氮时空分布的影响， 旨在为优化氮肥管理、减少春玉米农田土壤硝态氮淋 溶损失和降低环境污染提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于2010—2011 年在辽宁省昌图县老城镇 （42°46′33″N,123°57′39″E）进行，该区属于中温带 亚湿润季风大陆性气候，年均温度7.0 ℃，年均日照总 数为2 700 h，年均降雨量500~600 mm，无霜期148 d， ≥10 ℃有效积温3 200 ℃。供试土壤为中等肥力棕壤。 0~20 cm表层土壤的基础理化性质为：pH6.10、有机质 18.50 g·kg^-1、全氮1.23 g·kg^-1、全磷1.08 g·kg^-1、全钾 13.81 g·kg^-1、碱解氮114.00 mg·kg^-1、有效磷18.21 mg·kg^-1、速效钾156.00 mg·kg^-1。播种前0~120 cm 土 层的矿质氮含量见表 1。

表 1 试验前0~120 cm 土层矿质氮含量 Table 1 N_min content in 0~120 cmsoil layer before test

表选项

2010 年田间试验共设置6 个施氮水平：0、60、 120、180、240 kg N·hm^-2 和300 kg N·hm^-2，分别用N0、 N60、N120、N180、N240和N300表示，随机区组排列，3 次重复。各处理均施磷酸二铵（以P₂O₅计）97.5kg·hm^-2 （N0 处理用过磷酸钙代替），氯化钾（以K₂O 计）105.0 kg·hm^-2，全部以基肥形式施入；氮肥为尿素，其中 20%作基肥，40豫作拔节期追肥（6月28日），40%作大 喇叭口期追肥（7 月31 日）。试验小区面积为30 m² （5.6 m ×5.4 m）。供试玉米品种为郑单958，种植密度 为6.2×10⁴株·hm^-2。4 月23 日播种，9 月23 日收获。 2011 年与2010 年试验方案一致，试验区在同一田 块，但位于不同位置。 1.2 测定项目与方法

土壤样品自播种开始，每隔15 d取样1次，共取 样10 次（5 月8 日、5 月23 日（苗期）、6 月7 日、6 月 22 日、7 月7 日（拔节期）、7 月22 日（大喇叭口期）、8 月6 日（抽雄期）、8 月21 日、9 月5 日（灌浆期）、9 月 20日（成熟期））。每次采样时，采集每个小区0~120 cm 土层，每20 cm为一层。每小区随机采取3点，同层次 的土壤混合为1 个土样，装入自封袋中。带回实验室 将新鲜土壤混匀过2 mm 筛，经四分后，一部分用烘 干法测定土壤水分含量^[14]；一部分用于测定土壤矿质 氮含量^[14]，具体方法如下：称取10 g鲜土，用100 mL 2 mol·L^-1 KCl 溶液浸提，160 r·min^-1振荡1 h，过滤后将 滤液保存于-18 ℃冰箱中，采用连续流动分析仪 （AA3，德国布朗卢比公司）测定硝态氮和铵态氮含量。

收获时每个小区选取2 行玉米（约6.7 m²）测定 生物产量，然后选取整齐一致具有代表性的5 穗玉米 和3株秸秆带回实验室，考种测产；同时，按分茎、叶、 籽粒和穗轴测定其鲜质量。再分别剪碎，取一部分装 入信封烘干至恒重，并测定其干质量。样品烘干粉碎 过筛后（0.25 mm），用H₂SO₄-H₂O₂ 消解，采用半微量 开氏法测定全氮含量^[14]。 1.3 计算方法与数据分析

有关氮肥效率参数的计算方法^{[11, 15]}如下：

点击浏览公式

点击浏览公式

试验数据采用2 年试验平均值的形式表示，利用 软件Microsoft Excel 2003 和SPSS 11.5 进行数据处理 及统计分析。 2 结果与分析 2.1 春玉米产量性状及经济效益

随着施氮量增加，穗长和籽粒产量均先增加后降 低，而百粒重无规律性变化（表 2）。分析表明，施氮处理 与不施氮处理之间百粒重和籽粒产量存在差异显著， 而穗长差异不显著；施氮处理之间穗长差异不显著， 而百粒重和籽粒产量的差异显著性受施氮量制约； N240 处理百粒重显著高于其他施氮处理，N180 和 N240处理籽粒产量显著高于其他施氮处理。进一步 分析表明，春玉米籽粒产量与施氮量呈二次曲线关系 （图 1），当施氮量为209 kg N·hm^-2 时获得最高产量 10 847 kg·hm^-2，当施氮量为179 kg N·hm^-2时获得最 佳产量10 806 kg·hm^-2（利用d_{N(尿素态氮单价)} / d_{Y (玉米籽粒单价)} 求导数获得最佳产量^[16]，按尿素态氮5.20 Yuan·kg^-1， 玉米籽粒1.90 Yuan·kg^-1计）。从经济效益的角度看，施 氮明显提高了经济效益，但大小因施氮量而异，以 N240处理最高（16 051 Yuan·hm^-2），其次是N180 处 理（15 815 Yuan·hm^-2）。随着施氮量增加，产投比降 低，以N0 处理最高（11.14），N300 处理最低（5.89）。 综合分析施氮量对产量性状及经济效益的影响表明， 最佳施氮量在179~209 kg N·hm^-2之间。

表 2 不同施氮水平下春玉米产量性状及经济效益 Table 2 Yield characteristics and economic benefits of spring maize as affected by N application rate

表选项

图 1 籽粒产量与施氮量之间的关系拟合 Figure 1 Simulation of the relationship between grain yield and N application rate

图选项

不同施氮水平下春玉米的氮肥效率如表 3 所示。 随着施氮量增加，氮肥表观利用率先增加后降低，当施 氮量为180kg·hm^-2时，利用率达到最大，且与其他施氮 处理差异显著。氮肥农学利用率随着施氮量增加除 N120 处理外，其他施氮处理呈现降低趋势，说明氮肥 增产效益随施氮量增加而降低。氮肥生理利用率随施 氮量增加先增加后降低，当施氮量为180 kg·hm^-2 和 240 kg·hm^-2时，生理利用率达到最大，且两者之间差异不显著。氮素吸收效率和氮素偏生产力随着施氮量 增加均显著降低，两者均以N60 处理最大，分别为3.0 kg·kg^-1 N和163.0 kg·kg^-1 N。施用氮肥可显著降低氮收 获指数，以N0处理最大（68.5%），但当施氮量分别在 0~180 kg·hm^-2 和240~300 kg·hm^-2 之间时各施氮水 平间差异不显著。 2.3 土壤矿质氮时空分布特征 2.3.1 土壤铵态氮时空分布特征

本研究表明（试验结果未列出），除追施拔节肥（6 月28日）和大喇叭口肥（7月31日）后的拔节期和抽雄 期0~40 cm土层铵态氮含量较高外（4~27 mg·kg^-1），其 余生育时期各土层铵态氮含量均较低（<6mg·kg^-1），没有 表现出随施氮水平、生育时期和土层深度的规律性变 化；并且铵态氮容易被土壤颗粒吸附，植株吸收利用 的量较少，因此土壤矿质氮以硝态氮为主，铵态氮含 量相对于硝态氮可忽略不计。 2.3.2 土壤硝态氮时空分布特征

施氮明显影响春玉米土壤硝态氮的动态变化，其 含量高低和分布特征因生育时期和土层深度而异 （图 2）。纵观春玉米整个生育期而言，施氮处理0~60 cm 土层硝态氮含量呈现“上升—下降—上升—下降—稳 定”的变化趋势，而60~120 cm土层硝态氮含量则呈现 “上升—稳定”的变化趋势。各施氮处理均以0~40 cm 土层硝态氮含量最高，且随着土层加深整体呈波浪式 下降。

图 2 不同施氮水平下春玉米生长季土壤硝态氮含量动态变化 Figure 2 Dynamics of soil nitrate content during the growing stage of spring maize as affected by N application rate

图选项

当施氮量为60~240 kg·hm^-2时，苗期0~60 cm 土 层硝态氮含量较N0 处理明显增加，且增加幅度随着 施氮量增加而增大。由于追施氮肥，拔节期0~120 cm 土层硝态氮含量较苗期增加，且0~60 cm 增加幅度大 于60~120 cm。这表明从出苗到拔节期春玉米对氮需 求较小,外源投入氮肥和土壤本身氮素超出了作物生 长对氮的需求，多余的氮素主要富集在土壤上层。大 喇叭口期N180、N240 和N300 处理土壤硝态氮均有 向下层淋洗的趋势，在40~80 cm 处有明显的累积峰 出现。由于大喇叭口期追施氮肥，抽雄期N120、 N180、N240 和N300 处理0~40 cm 土层硝态氮含量 明显增加，以N300 处理最大；N240 和N300 处理的 硝态氮累积峰迁移到80~100 cm 处，说明过量施用的 氮肥以硝态氮形式由表层进入深层，增加了向深层土 壤迁移的风险。与抽雄期相比，灌浆期0~40 cm 土层 硝态氮含量迅速下降，这是由于，一方面，春玉米处于 生殖生长的关键时期，养分吸收急剧增加；另一方面， 部分硝态氮迁移到更深的土体中。

氮肥施用量与土壤硝态氮累积量密切相关，因此 土壤硝态氮的时空分布特征是表征硝态氮淋失风险 的重要指标^[17]。0~120 cm土层硝态氮累积量的动态变 化如图 3所示。从图 3 中可以看出，随着施氮量增加， 0~120 cm 土层硝态氮累积量显著增加，当施氮量超 过240 kg·hm^-2时，硝态氮累积量变化不大。随着生育 进程推进，0~120 cm 土层硝态氮累积量总体呈增加 趋势，但具体变化行为因施氮水平而异。与N180 相 比，N240 和N300 处理0~120 cm 土层硝态氮累积量 在整个生育期均有大幅度提高，增幅在18.2%~56.2% 之间，这是由于过量施用氮肥在土壤中的大量残余引 起的。较N240相比，N300 处理0~120 cm土层硝态氮 累积量在8 月6 日有一个更大幅度的增加，达到了 286.34 kg·hm^-2。

图 3 不同施氮水平下0~120 cm土层硝态氮累积量动态变化 Figure 3 Dynamics of nitrate accumulation in 0~120 cm soil layer as affected by N application rate

图选项

产量和土壤条件不同，合理的施氮量也有所差异^[18]。 研究表明，玉米产量随着施氮量增加呈二次抛物线趋 势^[19]；孙占祥等^[7]在辽宁清源县的研究表明，草甸土春 玉米的合理施氮量应控制在200 kg·hm^-2左右；王爽 等^[1]在黑龙江黑土上研究认为，春玉米的推荐施氮量 应控制在165 kg·hm^-2以内；但也有研究表明，由于高产、耐肥玉米品种的推广，过高的施氮量并不会立即 表现为倒伏和产量下降^[20]；施氮对玉米籽粒产量的增 产作用不大，氮肥利用率随着施氮量增加而降低^[10]。 本研究2 年的试验结果表明，施氮明显改善春玉米的 产量性状和经济效益。随着施氮量增加，春玉米籽粒产 量和经济效益均显著增加，当施氮量为180 kg·hm^-2时达到最大，分别为11 064.0 kg·hm^-2和15 815.8 Yuan· hm^-2，超过这个施氮量以后，春玉米的生长发育受到 抑制，因此产量和经济效益均显著下降。通过建立的 肥料效益函数求得春玉米最高产量施氮量为209 kg· hm^-2，最佳经济产量施氮量为179 kg·hm^-2，这与实际 最高产量的施氮量（180 kg·hm^-2）差异不大。因此，综 合考虑产量和经济效益，合理施氮量应在180kg·hm^-2 左右。由于本试验仅为2 年的试验结果，对土壤高残 留量氮条件下（播前矿质氮残留量154 kg·hm^-2）氮肥 的合理施用量及氮肥利用效率等尚需进一步验证。

氮肥效率是施氮量、作物产量和氮养分利用的综 合体现^[12]。氮肥表观利用率、氮肥农学利用率、氮肥生 理利用率和偏生产力是评价农田氮肥效率的4 个主 要指标，被国内外广泛使用^{[21, 22, 23]}。氮肥表观利用率反映 了作物对施入土壤中的肥料氮的回收效率，氮肥生理 利用率是作物地上部每吸收单位肥料中的氮所获得 的籽粒产量的增加量。本试验条件下的氮肥表观利用 率在19.8%~28.0%之间，低于全国平均氮肥利用率 （30%~51%）^[24]，这是由于玉米根系分布浅、土壤供氮 能力强和难以避免的氮素淋洗下渗引起的。随着施氮 量增加，氮肥表观利用率和氮肥生理利用率均显著增 加，当施氮量为180 kg·hm^-2时达到最大，分别为28.0豫 和9.3 kg·kg^-1 N，超过这个施氮量以后，氮肥表观利用 率和氮肥生理利用率均显著下降。氮肥农学利用率是 指单位施氮量所增加的作物籽粒产量，氮素偏生产力 是指单位投入的肥料氮所能产生的作物籽粒产量^[23]。 本试验条件下，氮肥农学利用率与氮肥表观利用率和 氮肥生理利用率的变化趋势正好相反，这是因为氮素 利用率不仅与氮肥品种有关，还受土壤条件、作物品 种、气候特征等因素的影响^[25]。氮素偏生产力、氮素吸 收效率和氮收获指数均随施氮量增加显著降低，说明 适宜的氮肥施用可促使作物吸收转移更多的氮素，提 高氮肥利用效率。本试验结果只能说明本季作物的氮 肥效率特征，其普遍的规律性还需要长期试验来验 证。 3.2 春玉米土壤矿质氮动态分布

本研究表明，除外源追施氮肥后的拔节期和抽雄 期0~40 cm土层外，其余生育时期0~120 cm土层铵态 氮含量均较低（<6 mg·kg^-1），因此土壤剖面中存在和 作物吸收利用矿质氮的主要形式为硝态氮，这与王西 娜等^[26]和戴铭宏等^[6]的研究结论相一致。高亚军等^[27] 研究认为，施氮是造成土壤中硝态氮累积的主要原因。 大量研究表明，土壤硝态氮含量及累积量均随着施氮 量增加而增加^{[12, 28]}。考虑到玉米根系的最大根深为1.2 m^[29]，玉米根重的95%分布在0~80 cm 土层^[9]，玉米根 区以下的土壤氮素很难被玉米吸收利用，故本研究将 0~120 cm 土层作为作物对养分的有效吸收层来评价 土壤硝态氮的动态变化特征。

随着施氮量增加，0~60 cm 土层硝态氮含量显著 增加，60 cm 以下土层无规律性变化；随着土层加深， 土壤硝态氮含量总体呈下降趋势，这与孙志梅等^[30]和 蔡红光等^[31]的研究结论相一致。已有研究表明，最佳 的氮肥管理方式是减少作物生长季末土壤中硝态氮 的残留量^[32]。在本研究中，收获期低氮不足（N60、N120）、 中氮适宜（N180）和高氮过量（N240、N300）3 个施氮 水平分别以60、80 cm 和100 cm 为界线，上层土壤硝 态氮含量均明显高于下层土壤。与低氮不足和中氮适 宜处理相比，高氮过量处理N240 和N300 在土壤剖 面中有明显硝态氮累积峰的出现，且随生育期推进累 积峰逐渐向下迁移，这也进一步佐证了低量施氮能增 加土壤硝态氮残留量，而高量施氮则加重了硝态氮淋 溶损失风险^{[31, 33]}。从春玉米播种到收获，N0处理0~120 cm土层硝态氮累积量一直呈波浪式增加，这和戴明 宏等^[6]在华北春玉米的试验结果正好相反。这是由于， 一方面，供试土壤的基础供氮能力较高，播种前0~ 120 cm 土层硝态氮残留累积量高达124 kg·hm^-2；另 一方面，此地区春玉米生长季高温多雨，土壤矿化作 用强烈，净矿化氮量达到141 kg·hm^-2[32]。可见，本试验 条件下，播前土壤残留氮和施氮是造成土壤硝态氮累 积的2个主要因子。研究表明，在满足春玉米氮素生理需求的前提下，适当降低施氮量是提高氮肥利用效 率的有效措施。如何通过栽培管理、新型肥料及施肥 新技术等措施进一步提高春玉米的氮肥利用效率有 待于进一步的研究。 4 结论

综合分析氮肥用量对春玉米产量及氮肥效率的 影响，并考虑土壤硝态氮时空分布带来的环境风险， 初步得到，本试验条件下春玉米适宜施氮量应维持在 179~209 kg·hm^-2之间。当然，氮肥最佳用量的确定还 应综合兼顾目标产量、作物需肥特性、土壤条件和周 围环境因素等因子，因此本研究得到的适宜施氮量必 须进一步进行田间示范验证，最终实现作物高产、资源 高效以及生态环境保护的统一。