2017, Vol. 23 
doi: 
2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101;
3. 延安大学生命科学学院，陕西延安 716000;
4. 四川农业大学资源环境学院，成都 611130
2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;
3. School of Life Sciences, Yan’an University, Yan’an Shaanxi 716000, China;
4. College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
东北是我国玉米主产区之一，种植面积和总产量均占到全国的 30% 左右，对我国粮食安全起着非常重要的作用[1]。玉米是对氮素敏感且需氮量较多的高产作物，合理施用氮肥是增加玉米产量、提高氮肥利用率的重要措施。但长期以来，东北地区氮肥多采用一次性基施，基本不施缓控释肥，且为了追求高产而过量施用氮肥的问题十分突出，直接导致氮肥利用率降低和环境污染风险的增加[2]。同时，虽然东北地区有机肥资源丰富，但资源利用率低，玉米几乎不施有机肥[3]，由此逐渐造成土壤物理性质退化，土壤耕作、保水、保肥性能降低，使玉米植株吸收氮素养分受阻，直接影响玉米产量的长期稳定提高[4]。因此，科学合理的施肥是保证黑土区春玉米高产、氮肥高效利用、环境生态安全和土壤肥力可持续的重要措施。
关于提高东北春玉米产量、氮素利用率及减少环境风险的施肥方式研究较多，如长期有机无机配施试验结果表明，等氮量条件下，猪粪或秸秆配施化肥氮能显著提高玉米产量及氮肥利用率[5]，猪粪、牛粪或秸秆与化肥配施能有效提高春玉米农田基础地力产量和基础地力贡献率，增加有机物料投入是黑土区农田基础地力培育的最佳施肥措施[6]。但以往有机无机配施多是畜禽粪便有机肥或秸秆与化肥单独配施，而秸秆和畜禽粪便有机肥与化肥配施的多年定位研究较少。近年来，秸秆炭化后的生物炭逐渐成为一种新型有机肥，国内外研究表明，生物炭与适量的氮肥配施可提高氮肥利用率[7]、减少 N2O 气体的排放[8]，说明生物炭与氮肥之间存在互补或协同效应，但这些研究多应用于水田，且多是室内培养试验，而在东北春玉米种植区将生物炭、畜禽粪便有机肥、秸秆这三种有机肥与化肥配施的多年田间定位研究鲜有报道。另外，由于缓释氮肥能够根据作物的需肥规律释放养分，在东北春玉米上的应用报道也很多[9]，但等氮量条件下，速效氮和缓释氮与有机肥 (畜禽粪便、秸秆、生物炭) 配合施用对氮素养分利用和土壤综合肥力评价研究尚无报道。
基于此，本研究以东北春玉米典型种植区黑龙江省为研究基地，采用连续 3 年的田间定位试验，研究不同氮素形态 (速效氮、缓效氮和有机氮) 配施生物炭对春玉米产量、氮素利用效率、N2O 排放及土壤肥效的影响，以期为进一步实现氮素养分的持续高效利用和土壤肥力的可持续提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验点位于黑龙江省哈尔滨市民主乡黑龙江省农业科学院现代农业科技示范园区，东经 126°48′55.64″～126°51′26.50″，北纬 45°49′44.33″～45°51′01.60″，海拔 130～150 m，属于寒温带大陆季风气候，年平均气温 3.6℃，年降水量为 486.4～543.6 mm；高于 10℃ 年积温为 2600～2800℃，全年无霜期 135 天；年平均风速 4.1 m/s。土壤类型为黑土，质地为砂砾 13%、粉粒 63%、粘粒 24%，黑土层厚度为 25～40 cm，粘土层厚度为 30～35 m。试验前供试土壤有机质含量为 28.70 g/kg，全量氮、磷、钾含量分别为 1.14、0.39、2.95 g/kg，速效氮、磷、钾含量分别为 85.19、30.00、185.98 mg/kg，pH 6.85。
1.2 试验设计试验区种植制度为一年一熟春玉米，供试作物为当地主栽品种龙单 42 号。试验从 2013 年 5 月开始，到 2015 年 10 月连续种植了三季春玉米。试验在施用相同磷、钾肥的基础上，设 4 个处理，分别为：1) 50% 玉米秸秆 (N0)；2) 100% 速效氮 165 kg/hm2 (N1)；3) 60% 速效氮 + 20% 有机肥氮 + 20% 缓释氮，共 165 kg/hm2 (N2)；4) N2 + 生物炭，生物炭量相当于 50% 玉米秸秆 (N3)。每个处理重复 4 次，区组随机排列，小区面积为 60 m2。
速效氮肥为尿素，按照基肥、大喇叭口期比例 2∶1 施入；缓释氮肥为缓释包膜尿素 (含氮量为 41.8%)，由中国科学院南京土壤研究所提供；有机肥为商品有机肥 (水分含量 30.1%、有机质 47.8%、N 1.86%、P2O5 3.11%、K2O 0.85%)，有机肥由江苏田娘农业科技有限公司提供，替代量参考前期研究结果[1]；磷肥为重过磷酸钙；钾肥为氯化钾；玉米秸秆平均 N、P2O5、K2O 含量分别 0.70%、0.11% 和 1.42%；生物炭添加量为 2 t/hm2 (相当于 50% 玉米秸秆量)。缓释氮肥、有机肥、磷肥、钾肥玉米秸秆和生物炭均基施，具体肥料施用量如表 1 所示。
| 表1 各处理肥料施用量 (kg/hm2) Table 1 Amounts of fertilzers applied in the treatments |
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生物炭由黑龙江省农业科学院提供，是由玉米秸秆在 500℃ 厌氧条件下热解而成的高度芳香化产物，其性质较为稳定，且含有一定的养分。参照《土壤农化分析》[10]和《木炭和木炭试验方法》[11]分析，其有机碳含量为 77%，全量氮、磷、钾含量为 6.10、5.17、22.8 g/kg，阳离子交换量为 9.98 cmol(+)/kg，灰分含量为 13.3%。
1.4 样品采集与测试成熟期采集 0—20 cm 耕层土壤样品，每个小区采5个点将土壤混合，按四分法分取，风干研磨，用于土壤基本理化性状指标的测定。成熟期测定植株和籽粒氮素养分含量，各小区测定玉米产量。
土壤 pH 采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮采用开氏消煮—半微量滴定法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用 NH4F–HCl 浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定；植物样全氮采用 H2SO4–H2O2 消煮后凯氏定氮法测定[10]。
土壤 N2O 气体测定：2014 年采用静态箱/气相色谱法测定土壤 N2O 的排放通量[12]。施基肥及追肥后从第二天起每天采集一次，连续采集 7 天左右，随后一周采一次。
温室气体通量计算公式为：
| $F = k \times \frac{V}{A} \times \frac{M}{{V_0}} \times \frac{{T_0}}{T} \times \frac{P}{{P_0}} \times \frac{{dc}}{{dt}}$ |
其中: F 为气体排放通量 [C 或 N mg/(m2·h)]；k 为量纲换算系数；V 为气室体积；A 为底座面积；M 为目标气体摩尔质量；V0 为标准状况下目标气体的摩尔体积；T0 为标准状况下绝对气温；T 为箱内温度；P 为箱内气压；P0 为标准状况下绝对气压；dc/dt 为采样期间箱内温室气体浓度变化速率。
1.5 计算公式产量可持续性指数 (sustainable yield index, SYI)[13]：
| $SYI = \left( {\bar Y - {\sigma _{n - 1}}} \right)/{Y_{\max }}$ |
其中：
肥料氮利用率 = (收获期施氮区地上部总吸氮量 – 收获期不施氮区地上部总吸氮量)/肥料氮施用量 × 100%
内梅罗指数法计算土壤综合肥力[14]：
| $IFI = \sqrt {\frac{{{{\left( {IF{I_{i{\text{平均}}}}} \right)}^2} + {{\left( {IF{I_{i{\text{最小}}}}} \right)}^2}}}{2}} \times \left( {\frac{{n - 1}}{n}} \right)$ |
式中：IFI 为土壤综合肥力；IFIi平均 与 IFIi最小 分别为土壤各属性分肥力均值与最小值；n 为评价指标个数。本研究选取 2013～2015 年田间定位试验连续监测的土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH 值等 6 个指标作为参评的化学指标，反映土壤肥力状况。
灰色关联度分析：本研究对 N0、N1、N2 和 N3 这 4 个处理进行综合评价。首先是评价指标的确定，2013 年以产量、化肥氮利用率这 2 个指标来评价氮素农学效应，以土壤全氮、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、pH 这 6 个指标来评价土壤肥力效应；2014 年在 2013 年评价指标基础上增加了 N2O 排放量来评价环境效应；2015 年评价指标与 2013 年评价指标相同。灰色关联度分析参考韦泽秀[15]。
1.6 数据统计分析试验结果采用 SAS 9.1 统计分析软件进行方差分析和相关分析，不同处理间采用最小显著差数法 (LSD 法) 进行差异显著性检验 (P < 0.05)，采用 Excel 和 SigmaPlot 10.0 制图。
2 结果与分析 2.1 产量与氮素利用率由图 1 可知，2013 年玉米产量 N1、N2 和 N3 处理分别比 N0 处理显著增产 35.1%、39.7% 和 39.4% (P < 0.05)；N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增产 3.4% 和 3.2%。2014 年玉米产量 N1、N2 和 N3 处理分别比 N0 处理显著增产 72.6%、75.9% 和 83.2% (P < 0.05)，施氮处理增产量比 2013 年相应处理产量提高了 50% 左右；N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增产 1.9% 和 6.1%。2015 年玉米产量 N1、N2 和 N3 处理分别比 N0 处理显著增产 85.5%、91.4% 和 130.0% (P < 0.05)；N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增产 3.2% 和 24.0%，其中 N3 处理显著增产 (P < 0.05)。从 3 年的平均产量来看，施氮处理分别显著增加了 62.7%、67.7% 和 80.1% (P < 0.05)，表明氮肥对玉米增产效果显著；N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增产 3.0% 和 10.7%。从 3 年施氮处理产量较对照处理的增产率来看，N3 处理有逐年增加的趋势，说明氮肥结合有机替代和缓控释及生物炭的施肥方式对玉米持续稳产具有重要作用。N0、N1、N2和N3 处理的产量可持续性指数 (SYI) 分别为 0.6、0.8、0.8 和 0.9，N3 处理玉米 SYI 值最高，说明产量可持续性更好。
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图1
不同施肥处理对玉米产量的影响
Fig. 1
Effect of different N fertilizer treatments on maize yields
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农田肥料利用率的计算是建立在试验开始前各小区的土壤肥力均一的基础上进行的，然而，连续多季或多年的不同施氮操作已造成处理小区间土壤肥力水平差异悬殊。因此，利用常规差减法按年度计算多年定位试验的氮肥利用率存在一定的不合理性，所以，本文引入累计氮肥利用率的概念和算法[16]，它是指一段时间内作物累计从土壤中吸收的来自肥料的氮量与累积施入土壤中的肥料氮量的比值，它可以消除年际间的差异，时间越长，肥料利用效率越稳定，更能准确说明肥料利用的真实情况。本研究计算累计化肥氮利用率。
2013 年玉米当季化学氮肥利用率结果表明 (表 2)，N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增加了 8.4% 和 12.7%；2014 年玉米累计化肥利用率 N2 和 N3 处理分别比 N1 处理增加了 10.2% 和 15.5%；2015 年玉米累计化肥氮利用率 N2 和 N3 处理比 N1 处理显著增加了 8.4% 和 12.7% (P < 0.05)。结果表明，随着处理时间的延长，N1 处理玉米累计化肥氮利用率呈现先增加后减小的趋势，N2 和 N3 处理呈现逐年增加的趋势，且 N3 处理增加幅度大于 N2 处理，说明 N3 处理氮肥的后效更加明显。
| 表2 不同处理化肥氮的累积吸收量和累计利用率 Table 2 Cumulative chemical N uptakes and use efficiencies of maize under different treatments |
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春玉米种植期 N2O 气体排放规律在不同处理条件下基本一致 (图 2)，排放通量范围在 –57～292 μg/(m2·h)，N0～N3 处理平均排放通量分别为 167、56、50 和 25 μg/(m2·h)。施入基肥后一周内各处理 N2O 的排放通量均较低，从播种后第 16 天开始，N1 和 N2 处理的 N2O 排放通量迅速升高，并在播种后 23 到 44 天之间出现一个明显的排放峰值，在此时期内，N1 和 N2 处理的 N2O 最大排放通量分别为 173 和 292 μg/(m2·h)，而此时期内 N0 和 N3 处理的 N2O 最大排放通量仅为 43 和 81 μg/(m2·h)。播种后 44 天以后，各处理 N2O 的排放通量逐渐降低，到 7 月 1 日追肥后 (播种后 62 天) 再次升高，并出现一个小的排放峰，在 7 月 6 日达到峰值，同第一个排放峰的规律一致，此时期 N1 和 N2 处理的 N2O 最大排放通量为 71 和 61 μg/(m2·h)，而 N3 处理排放通量仅为 5.4 μg/(m2·h)。
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| 图2 不同施肥处理对东北春玉米农田 N2O 排放通量的影响 Fig. 2 Effect of different N fertilizer treatments on N2O emission flux of spring maize field |
施入基肥后一周内 N2O 的累积排放量由高到低依次为 N1 > N2 > N3 > N0 (表 3)。与 N1 处理相比，N2 和 N3 处理 N2O 累积排放量分别降低了 4.6% 和 55.8%，其中 N3 处理差异达显著水平 (P < 0.05)。追肥后一周内 N2O 的累积排放量范围在 9.2～68.8 g/hm2，各处理 N2O 累积排放量由高到低依次为 N1 > N2 > N3 > N0，与 N1 处理相比，N2 和 N3 处理 N2O 累积排放量分别显著降低了 54.5% 和 70.0% (P < 0.05)。玉米全生育期内 N2O 排放总量范围在 420.3～1397.0 g/hm2，由高到低依次为 N2 > N1 > N3 > N0，N3 处理 N2O 排放总量比 N1 和 N2 处理分别显著降低了 53.2% 和 56.7% (P < 0.05)。
| 表3 不同处理施肥后 7 天以及玉米整个生育期农田 N2O 排放量 (g/hm2) Table 3 Cumulative N2O emissions in 7 days after fertilization and during the whole growing stage of maize under different treatments |
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应用修正的内梅罗指数计算了 3 年不同施肥处理下土壤的综合肥力 (图 3)，发现 IFI 值均在 2.0 以下。不同施肥处理 IFI 值由高到低依次为 N3 > N2 = N1 > N0，N0 处理分别较 N1、N2 和 N3 处理显著降低了 5.2%、5.2% 和 11.6% (P < 0.05)，施氮处理间 IFI 值没有显著差异。
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图3
不同施肥处理下土壤综合肥力指数 (内梅罗指数法)
Fig. 3
IFI under different N fertilizer treatments (Nemoro index method)
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由表 4 分析可知，2013 年 N1、N2 和 N3 处理灰色关联度分别为 0.7533、0.8618 和 0.8535，N2 处理在氮素农学效应和土壤肥力综合效应评价中最优，N3 处理与 N2 处理关联度相近，N1 处理关联度值最小。2014 年 N1、N2 和 N3 处理灰色关联度分别为 0.8433、0.8443 和 0.9981，N3 处理在氮素农学效应、土壤肥力综合效应和环境效应综合评价中最优，N2 和 N1 处理关联度相近。2015 年综合评价结果为 N3 > N2 > N1，说明 N3 处理在氮素农学效应和土壤肥力综合评价中最优。
| 表4 2013～2015 年不同施肥处理综合评价的关联度及关联序 Table 4 Correlation degrees and rank of comprehensive evaluation of different fertilizer treatments in 2013–2015 |
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氮素是影响植物生长发育及产量的重要营养元素。本研究结果表明，氮素对玉米产量形成起着至关重要的作用，N0 处理 (不施化肥氮，秸秆还田) 玉米产量显著低于施氮处理，其原因可能由于氮素不足加速穗叶叶绿素含量下降进程，使叶片提早衰老[17]，衰老过快会影响物质转运和光合作用，最终影响产量的形成[18]。我们的研究结果证实，2013 年春玉米抽雄期 SPAD 值含量最高，其次是灌浆期，与抽雄期比较，N1、N2 和 N3 处理 SPAD 值灌浆期与之较为接近，而 N0 处理在灌浆期显著减少 (P < 0.05)(数据未列出)。科学合理的氮素施用是春玉米获得高产和提高氮素利用率的重要途径。连续三年定位试验研究发现，不同形态氮素配施 (N2 和 N3 处理)，作物平均产量较只施化肥氮 (N1 处理) 分别提高了 3.0% 和 10.7%，其原因可能是：1) 缓释肥提高了玉米产量构成因素的穗粗和穗长，2014 年 N2 处理穗长和穗粗分别增加 11.0% 和 2.4%，N3 处理分别增加了 12.9% 和 3.6%[19]，这与冯爱青等[20]的研究结果相似。2) 畜禽粪便有机肥和生物炭这些富含碳的有机物施入土壤后，为土壤微生物提供了大量能源物质，促进了土壤微生物生物量氮的增加，2013 年和 2014 年 N2 和 N3 处理土壤微生物量氮分别比 N1 处理增加 12.5% 和 18.9%、0.7% 和 6.7%[19]，有利于土壤氮的协调供应，从而提高了氮素利用效率。另外，研究结果还发现，N3 处理较 N2 处理玉米产量和累积氮素利用率随着试验时间的延长而出现显著提高，很显然，生物炭添加起到了关键作用，可能有以下三方面原因：一是养分增加，尤其是碳的增加，导致玉米产量显著增加；二是生物炭提高了土壤微生物量碳含量，2013 年和 2014 年 N3 处理土壤微生物量碳含量比 N2 处理分别增加了 13.5% 和 26.9%，其中在 2014 年达到显著水平 (P < 0.05)[21]。有研究表明，土壤微生物量碳与土壤全氮、碱解氮之间均呈显著正相关关系[22–23]，我们前期的研究结果也证实，添加生物炭后土壤微生物量碳与碱解氮之间存在显著正相关关系[21]；三是生物炭中含有大量的钾，增加了土壤中可交换性钾，使产量增加，N3 处理 2013 年和 2014 年土壤速效钾分别比 N2 处理增加了 8.7% 和 6.7%[21]。
3.2 施肥方式对土壤 N2O 排放的影响农田土壤是大气中 N2O 的最主要释放源，氮肥施用对农田土壤 N2O 的排放有明显的促进作用[24]，旱作农业生产中氮肥的变化直接影响着土壤 N2O 排放通量[25]。本研究结果表明，产生 N2O 排放的主要因素是施氮肥，不施氮处理 N2O 的排放量显著低于施氮处理 (P < 0.05)。施氮处理 N2O 累积排放量由高到低依次为 N2 > N1 > N3，N2 处理 N2O 累积排放量略高于 N1 处理，说明畜禽有机肥的施用为土壤中带入大量易溶性有机物，增加了土壤中反硝化细菌的反应底物，且缓释氮肥延长了氮素的释放周期，因而有机替代结合缓释肥对土壤 N2O 排放的促进作用要高于纯施化肥氮处理。有研究发现，猪粪替代 50% 化肥氮处理 N2O 累计排放量比化肥氮处理显著提高 119.23%[26]，农田施用有机肥会促进 N2O 的排放，且对 N2O 排放的影响明显大于秸秆覆盖、免耕、秸秆深施等农业管理措施[27]，主要是通过调节土壤 C/N 影响土壤微生物活性直接或间接影响 N2O 排放[28]。N3 处理由于在 N2 处理基础上添加了生物炭，造成土壤 N2O 累积排放量显著降低 (P < 0.05)。关于生物炭减少 N2O 排放的报道较多，Spokas 和 Reicosky[29]对 16 种不同生物炭进行试验表明，15 种生物炭抑制 N2O 排放。李飞跃和汪建飞[30]对近年来生物炭对土壤 N2O 排放的相关文献进行归纳，发现生物炭施入土壤后能够抑制或减少 N2O 的排放，他们对我国 5 种典型土壤 (红壤、黄绵土、黑土、水稻土和潮土) 研究表明，350℃ 和 500℃ 制备的生物炭均对黑土土壤 N2O 排放起到了抑制作用。本研究试验中的生物炭是在 500℃ 制备，同样也显著降低了土壤 N2O 的排放。生物炭抑制 N2O 排放的可能机制有以下两个方面：一是生物炭较高的 C/N 抑制了土壤矿化氮的量，降低了土壤的硝化与反硝化作用[31]；二是生物炭施入土壤后，由于其具备多孔隙的特性，因此能够改善土壤的通气状况，抑制了土壤的反硝化细菌的活性，从而减少了 N2O 的排放[32]。
3.3 施肥方式对土壤综合肥力的影响土壤肥力质量评价是土壤质量评价的核心内容[33]。评价指标及其权重构成了土壤肥力综合评价指标体系，因物理性质相对稳定和生物性质变化太快等原因常不被选为土壤肥力评价指标，而土壤养分是土壤肥力的核心部分，所以生产中常用氮、磷、钾、有机质等养分来综合衡量土壤肥力高低[14]。本试验结果表明，3 年土壤综合肥力指数施氮处理间没有显著差异。可见，40% 化肥氮被 20% 有机氮和 20% 缓释氮替代，土壤综合肥力指标相近。有机无机配施能够增加松结态、稳结态、紧结态腐殖质的总量，进而增加了土壤有机质含量[34]。同时，有机无机配施能够有效提高土壤全磷、无机磷、有机磷含量，改善供磷水平[35]。N3 处理在 N2 基础上添加了生物炭，土壤综合肥力指数比 N2 提高了 5.9%，说明生物炭添加对土壤综合肥力的提升具有重要作用，可能是生物炭有助于土壤腐殖质的形成，提高土壤有机质含量[36]，还可提高土壤碳氮比，促进土壤微生物的活性，促进土壤有机氮、有机磷的矿化，从而提高了土壤速效氮、磷的含量[37]。
4 结论与 N1 处理相比，N3 处理能够有效提高玉米产量，增产率在 1.9%～13.5%，玉米 SYI 值最高，产量可持续性更好；累计氮肥利用率随着时间延长逐渐增加，氮肥后效明显；能够显著降低土壤 N2O 的排放；土壤综合肥力指数最高；农学、土壤肥力和环境效应综合评价最优。因此，利用化肥氮总量控制、生物炭添加和适量有机和缓释氮肥替代的氮素形态优化配施，可协同实现东北春玉米持续稳产、氮素养分持续高效利用和土壤肥力的可持续。
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