基于15N同位素示踪盐渍化农田向日葵氮素利用规律

乔 天， 刘 霞， 杨 威， 高宏远

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

河套灌区作为我国向日葵的主产区，其土壤盐渍化问题严重，盐碱地占总耕地面积的45%左右。较高的盐分使土壤中养分难以被直接利用，并导致作物吸氮能力减弱。氮肥对向日葵生长产生的肥效最为明显，它能够缓解盐分对作物生长带来的不利影响，补充土壤对作物养分供给上的亏缺。然而氮素的有效性在不同水平盐分土壤中存在差异，当盐分水平较低时，增施氮肥可明显促进作物生长；盐分含量较高时，盲目增施氮肥会导致浪费，增加了氮素的潜在淋洗损失，可能造成地下水污染，加重土壤发生次生盐渍化风降并降低了氮肥利用率；其次，作物种类、土壤性质、施肥量及方法也是影响氮肥利用效率的因素。对于向日葵作物，其施氮量存在一定范围，超出合理施氮量氮肥利用率则会受到抑制。故针对灌区中度盐渍化农田合理施用氮肥展开研究具有实际意义。

氮素是植物生长发育的必须营养元素之一，是叶绿素和多种有机物的成分，可以促进发育，为作物的高产增收奠定基础，因而氮肥施用是当前生产条件下保障河套灌区向日葵高产的重要措施。前人研究大多集中于施氮对向日葵水分利用特点、冠层生长与辐射利用规律、产量与品质等方面，而针对不同施氮水平下农田中氮肥施用后迁移转化途径及作物吸收可利用氮素来源比例的研究相对较少。同位素示踪技术不仅能区分作物吸收的土壤氮与肥料氮，真实地反映作物对当季甚至上季氮肥的吸收利用状况，明确氮素来源，还可计算肥料氮在土壤中的残留与分布状况。目前多数研究主要采用差值法计算作物氮肥利用率，通过土壤中硝态氮含量来评价作物收获后的氮素残留状况，鲜有研究利用氮同位素示踪技术研究盐渍化农田向日葵收获后土壤中肥料氮利用与残留问题。

本研究针对河套灌区中度盐渍化农田，采用N同位素示踪技术，以向日葵为试材，系统分析土壤-向日葵作物体系中肥料氮素的归趋问题，探究不同施氮水平对向日葵不同来源氮素吸收、土壤中肥料氮残留和氮素去向的影响，以期为该地区农田推荐适宜的施氮量提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年6—9月在河套灌区中部五原县联星村(107°35′70″E，40°46′30″N)进行，该地区属于典型的温带大陆性季风气候。全年日照时间平均3 230.9 h，年降水量227.4 mm，月分配极不均，主要集中夏季7—9月，年际变化也较大。年平均蒸发量为2 039.2 mm，是降水量的9.0倍。试验地土壤质地见表1。土壤盐分含量为3.3 g/kg，碱化度为14.6%，有机质含量为9.3 g/kg，全氮含量为0.8 g/kg，碱解氮含量为44.4 mg/kg，速效磷含量为14.1 mg/kg，速效钾含量为184.3 mg/kg，属于肥力不足的中度盐碱化土壤。

表1 试验地土壤粒径及质地

1.2 试验设计

试验设计4个施氮水平，记为N0、N1、N2、N3，对应大田施氮量(按纯N计)分别为0，150，225，300 kg/hm。于田间设置N试验微区，每个微区面积为1.5 m，将未封底的铁皮从微区四周挖沟嵌套进去，地下部分埋深100 cm，地上部分10 cm(避免标记尿素的水平向流失以及污染)。供试向日葵品种为NWS6901型食葵，具有耐盐碱、抗病等特点。于2019年6月22日播种，9月27日收获，生育期约为96天。参考当地向日葵种植方式，行距60 cm，株距50 cm，播种前施入底肥磷肥(PO)和钾肥(KO)，施用量分别为108.4，86.8 kg/hm，施用的N标记尿素丰度为10.18%(含氮46.0%)，由上海化工研究院生产，作为追肥施用。每个处理设3个重复，为避免受到铁皮边界的影响，播种后每个微区定苗3株，并于现蕾期在向日葵根区土壤结合头水追施N标记尿素，施肥方式为穴施，灌溉方式采用畦灌，灌水量为900 m/hm。其他管理措施与当地农田相一致。

1.3 测定项目与方法

于向日葵完熟期收取各处理植株，并将其分解为根、营养器官(茎、叶、盘)、籽部分，分装在牛皮纸信封中，测定样品鲜重，将称重后的植株样品置于干燥箱中105 ℃杀青30 min，再恒温80 ℃烘干8 h至质量恒定，称量并测得植株各部分干物质量，最后将植株各部位均剪取一部分均匀混合，在研钵中粉碎后过0.5 mm筛后装入样品袋中备用。

作物收获后对微区内0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土层钻取土样，采用氯化钾溶液提取—分光光度计法测定土壤NO-N、NH-N含量。其余土样风干过筛与植物样一起送往内蒙古农业大学草原与资源环境学院，使用德国Elementar公司生产的Isoprime100稳定同位素质谱仪连接元素分析仪(Vario Isotope Select)测定植物各器官及土壤的全氮含量(TN)和稳定氮同位素值(δN)。

1.4 指标计算

相关指标计算公式为：

(1)

式中：Ndff为植株氮素来源于肥料的比例(%);为植株样品中的N丰度(%);为标记肥料中的N丰度(%);为同位素自然丰度，0.366 3%。

(2)

式中：Ndfs为土壤氮素来自肥料的比例(%);为土壤样品中的N丰度(%)。

=×

(3)

式中：为各器官吸氮量(g/plant);为各器官干物质量(g);为各器官全氮含量(g/kg)。

=×Ndff

(4)

式中：为各器官对肥料氮的吸收量(g/plant)。

=-

(5)

式中：为各器官对土壤氮的吸收量(g/plant)。

(6)

式中：NDR为肥料氮贡献率(%)。

(7)

式中：NDR为土壤氮贡献率(%)。

=××Ndfs

(8)

式中：为土壤中肥料氮残留量(g);为土壤干重(g);为土壤全氮量(g/kg)。

(9)

式中：NUE为氮肥利用率(%);TFN为氮肥施用总量(g)。

(10)

式中：NRF为氮肥残留率(%)。

NLR=1-NUE-NRF

(11)

式中：NLR为氮肥损失率(%)。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理，采用SPSS 20.0软件进行不同处理的单因素方差分析，差异显著性检验用LSD法，显著性水平=0.05，用Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 向日葵干物质积累量及分配差异

由表2可知，向日葵单株干物质量在N2施氮水平下较N0、N1显著增加31.7%，13.9%(<0.05)，在N3施氮条件下较N2高出1.6%(>0.05)。葵籽干物质量在N1、N2、N3施氮水平下差异达显著水平，较不施氮处理增加14.4%，22.2%，24.0%。相较于N0水平，施氮后的向日葵根系、营养器官干物质量也呈现出不同程度的增加，增幅平均为35.7%，28.6%。随施氮量的增加，根和营养器官生物量分配率逐渐增加，而籽的生物量分配率与之相反，呈现出缓慢降低的趋势，降幅约为2.4%。从上述结果可以看出，施氮可以显著促进向日葵根系的生长发育，从而有利于吸收更多的氮素并通过营养器官输送到葵籽中，以促进产量的形成，施氮量为N2水平时可满足向日葵作物生长需求，对向日葵植株生长的促进作用最为显著。

表2 向日葵干物质积累及分配差异

2.2 向日葵吸氮及分配差异

由图1可知，N2、N3施氮水平下向日葵整株吸氮量较N0分别显著增加38.7%，55.4%，较N1分别显著增加26.3%，41.5%，N3较N2增加12.1%(>0.05)。与N0相比，N1、N2、N3下的根系吸氮量分别增加了22.5%，112.1%，135.2%；营养器官吸氮量分别增加了12.3%，46.7%，69.4%；籽粒吸氮量分别增加了5.4%，20.2%，30.0%。不同施氮水平下向日葵营养器官和籽粒的氮素分配率未表现出明显差异(表3)，在N2、N3 2种施氮水平下，根系的氮素分配率较N0显著增加，增加范围为3.6%～3.8%。说明施氮增加各器官对氮素的吸收量，对根系产生的作用最为显著。

注：图柱上方不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。下同。图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 单位:%

施氮水平由N1增至N3(图2)，向日葵根系对肥料氮和土壤氮的吸收比例分别增加113.4%，7.9%；营养器官和葵籽对肥料氮的吸收比例分别增加49.0%，18.0%，对土壤氮的吸收比例降低幅度分别为1.8%，13.7%。3种施氮水平下肥料氮及土壤氮对整株向日葵氮素吸收的贡献比例平均分别为15.1%，84.9%。N2、N3施氮水平下肥料氮对整株作物的贡献比例较N1分别显著增加35.7%，40.5%，而土壤氮的贡献比例较N1分别显著降低4.3%，5.2%，土壤氮及肥料氮对整株向日葵的贡献比例在N2、N3施氮水平下无显著性差异。以上结果表明，增施氮肥可以提高各器官对氮素的吸收，以满足植株生长所需的氮素营养，施氮对根系吸氮的促进作用最为显著。向日葵当季吸收氮素主要源于土壤氮，增施氮肥至N2水平可以促进肥料氮对向日葵氮素吸收的贡献比例，继续增施氮肥促进效果不显著。

图2 不同施氮水平下不同来源氮素贡献比例

2.3 土壤中肥料氮残留量

由图3可知，向日葵收获后，在3种施氮水平下，0—20 cm土层肥料氮残留所占比例分别为48.3%，47.2%，46.7%，20—40 cm土层肥料氮残留所占比例分别为27.5%，27.1%，26.9%，40—60 cm土层肥料氮残留所占比例分别为16.6%，16.3%，16.1%，各土层残留肥料氮所占比例均呈现随施氮量增加而减小趋势，60—100 cm土层累积残留比例分别为8.5%，9.3%，10.3%。在土壤垂直剖面上，土壤中肥料氮残留量表现为随土层深度增加而递减趋势，残留肥料氮主要集中在0—20 cm土层。0—100 cm土层肥料氮总残留量在不同施氮水平下呈现出显著差异，总体表现为N3>N2>N1，N2施氮水平下肥料氮残留总量较N1增加36.5%，N3水平下肥料氮残留总量较N2增加42.0%。由图4可知，各处理0—100 cm土壤NO-N含量为6.3～21.6 mg/kg，NH-N含量为1.0～9.8 mg/kg，相同处理各土层NH-N含量明显低于NO-N，肥料氮主要是以NO-N形态残留于土壤中。综上，较高施氮使肥料氮残留增加的同时，也提高了深层土壤中(60—100 cm)肥料氮残留的比例。

图3 不同施氮水平下肥料氮残留量

图4 不同施氮水平下肥料氮残留形态

2.4 氮肥利用、残留及损失规律

由图5可知，向日葵植株对肥料氮的利用率表现为N2>N3>N1，N2施氮水平下氮肥利用率较N3、N1分别高出22.7%，14.6%，各处理间差异均达显著性水平，受施氮水平影响较大。土壤中氮肥残留率整体呈现出随施氮水平增加而减小的趋势，其中N2施氮水平下土壤氮肥残留率最低，为32.3%，较N1、N3施氮水平分别减少8.5%，8.6%，存在显著差异。氮肥损失率在各施氮水平间不存在显著性差异，说明氮肥损失所占比例受施氮水平的影响较小。3种施氮水平下氮肥利用率、氮肥残留率、氮肥损失率平均分别为24.6%，33.7%，41.7%，肥料氮素去向规律均表现为氮肥损失率>氮肥残留率>氮肥利用率。说明本试验条件不同施氮条件下肥料氮素去向均以损失为主，N2施氮水平在提高氮肥利用率的同时，相对减少了土壤中氮肥氮的残留。

图5 不同施氮水平下氮肥氮利用率、残留率及损失率

3 讨 论

3.1 不同施氮水平对向日葵干物质量及氮素吸收利用影响

本试验中，施氮水平由N1增至N2时，向日葵干物质量和吸氮量的增加比例最大，产生的促进作用最显著，而N2、N3种施氮水平之间差异不显著，表明施氮量达一定水平后，继续增施氮肥对向日葵吸收氮素和生长的促进作用并不明显，可能是因为高氮肥供应显著抑制根系固氮的酶活性，并导致植物氮素吸收及生物量不再进一步增加。前人针对不同施氮水平及基追施比例下植株吸收氮素来源进行研究，均得出土壤氮素对植株生长发育的贡献率高于肥料氮的结果，本研究也得出相似结论，不同氮素来源对向日葵植株的贡献比例表现为土壤氮>肥料氮，说明施氮水平如何不同，土壤氮都是向日葵氮素养分的主要来源。孙昭安等在对冬小麦氮素吸收的研究中得出的结论是施氮量与化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献比例呈显著正相关，而与土壤氮贡献比例呈显著负相关。本研究中，肥料氮贡献比例是随施氮量增加呈现递增趋势，土壤氮贡献比例与之相反，也进一步表明，增施氮肥可提高肥料氮在作物中的运输量和分配效率。除向日葵根系外，向日葵营养器官和葵籽对土壤氮的吸收比例随施氮量的增加而增加，可能是因为土壤中氮素可以在植株根系内直接被同化利用的缘故，但是这种作用对向日葵地上部器官产生的效果不明显。

3.2 不同施氮水平下土壤中氮素残留

残留肥料氮在提高土壤肥力方面发挥重要作用，但同时也增加了氮素损失风险。有研究表明，土壤氮素的残留可以提高对土壤全氮、矿质态氮含量及土壤氮库的补充，能被后一季作物继续吸收利用。张怀志等对比分析得出，微喷灌常规和减施氮肥条件下0—20 cm土层肥料氮残留量分别占土壤肥料氮总残留量的88.9%和87.9%，本研究中肥料氮残留主要集中在0—20 cm土层，与Zhong等研究结果相类似，但0—20 cm土层肥料N仅占总残留量的约47.4%，与前人研究结果存在较大差异的原因也可能是施氮方式、施氮水平以及作物种类不同引起的。以上结果表明，土壤盐分不影响肥料氮在土壤中残留的主要深度，但使部分残留氮肥向下运移，且随施氮量增加，0—60 cm土层肥料氮残留所占比例减小，60—100 cm土层肥料氮残留比例升高，在8.5%～10.3%，增施氮肥进一步增加残留氮肥在深层土壤中淋洗的风险。一般认为，增加施氮量提高了下层土壤肥料氮的积累量，加大了向根系外淋洗的风险。

3.3 不同施氮水平下肥料氮素去向

本试验向日葵-土壤系统中，氮肥迁移量总体表现为损失率>残留率>利用率，与戴香良等研究花生肥料氮素去向为利用率>残留率>损失率的结果有所不同，因为不同作物之间对氮肥吸收利用的能力存在较大差异，也可能是试验区干旱及盐碱土壤使铵态氮的挥发量大而导致损失率较高，还有待于深入分析干旱盐渍化农田土壤盐分对氮素迁移规律的影响。在最佳经济施氮量下，内蒙古中西部氮肥利用率平均为34.7%，随施氮量的增加氮肥吸收利用率和损失率也增加，土壤中氮肥残留率减小。本试验得出的结果与之略有不同，3种施氮量水平下氮肥利用率分别为22.3%，27.4%，23.9%，土壤残留率先减小后增加，但总体呈现下降趋势，分别为35.1%，32.3%，33.8%。一方面是因为氮肥利用率在实际生产中会受到土壤肥力的影响而导致差异；另一方面，是因为土壤盐分离子会抑制作物对氮素的吸收利用，从而成为氮素循环利用的关键制约因素之一。随施氮量增加氮肥损失率减少，存在气候因子带来的影响，还可能与高氮投入时通过挥发等途径损失有关，因而后续研究把控不同施氮水平条件下的气体挥发损失的占比大小尤为重要。

4 结 论

(1)不同施氮量条件下向日葵氮素吸收量差异显著。225 kg/hm施氮量在满足向日葵作物生长同时，较不施氮处理显著增加了38.7%的氮素吸收量，继续增施氮肥对作物吸氮量无明显促进作用。

(2)向日葵吸收的氮素中，84.9%来源于土壤氮，15.1%来源于肥料氮，增施氮肥至225 kg/hm时使肥料氮的贡献比例较150 kg/hm水平增加35.7%，继续施氮促进效果不显著。

(3)1 m土层中肥料氮总残留量随施氮量增加而增加，约47.4%的残留肥料氮分布在0—20 cm土层，较高的施氮水平会加大肥料氮在深层(60—100 cm)土壤中残留的风险。

(4)不同施氮水平肥料氮去向总体表现为损失率>残留率>利用率。N2施氮水平下氮肥利用率较N3、N1分别显著高出22.7%，14.6%；氮肥残留率较N1、N3分别减少8.5%，8.6%；氮肥损失率在各施氮水平下无显著差异。

针对中度盐渍化农田，225 kg/hm施氮水平下肥料氮利用率为27.4%，氮肥残留率为32.3%，肥料损失率为40.3%。在提高氮肥利用率的同时降低了土壤中氮肥残留率和损失率，可兼顾作物生长及减少环境污染的要求，是较为适宜的施氮量。