我国典型农田玉米氮肥利用率对土壤肥力提升的响应与机制

Application of nitrogen fertilizer is the main measure to maintain high and stable yield for crop production. But it resulted in lower nitrogen use efficiency (NUE) and serious environmental problems with excessive application rate of nitrogen fertilizer. It was an urgent task to improve NUE in China. Researches from our group have shown that the relationship between NUE of maize and soil fertility follows non-linear increasing tendency, but corresponding mechanisms is still not clear yet. This project, based on the long-term field experiments of three typical soil types in China (Black soil, Fluvo-aquite soil, and Loess soil), collects soil samples with great difference in soil fertility, and carry out the 15N tracer pot experiment with maize and incubation experiment to determine the relationship between NUE of maize and soil fertility, and the relationship of soil nitrogen and mineralizable nitrogen. The soft X-ray absorption nitrogen K-edge structure in synthrotron radiation was used to estimate the structure of organic nitrogen under different soil fertility, to determine the difference of soil nitrogen availability under different soil fertility levels and its mechanisms. We also use structural equation model with factors of soil fertility, such as soil organic matter, pH and so on, to assess their direct and indirect effect on NUE. The results would rich the knowledge on the relationship of soil nitrogen availability and soil fertility, and provide theoretical basis for nitrogen availability and increasing nitrogen use efficiency.

施用氮肥是维持作物高产稳产最常用的措施，但过量施用氮肥造成氮肥利用率低，并引发严重的环境污染问题。因此，提高氮肥利用率一直是农业生产长期关注的热点。申请者课题组通过我国农田大量长期定位试验发现，玉米氮肥利用率随土壤肥力提升呈非线性增加，但响应关系的机制尚不清楚。为此，本项目以我国3种典型农田土壤（黑土、潮土和塿土）长期定位试验为基础，采集肥力水平差异较大的土壤，结合15N同位素示踪盆栽试验和室内培养试验，探明土壤肥力与玉米氮肥利用率及土壤氮供应量的定量关系；利用同步辐射软X射线近边吸收光谱技术，分析土壤肥力提升情况下，有机氮官能团的变化，揭示不同土壤肥力氮供应量的差异机制；采用结构方程模型，量化土壤肥力因素对玉米氮肥利用率的影响及相对贡献率，最终阐明氮肥利用率对土壤肥力提升的响应机制。研究结果理论上将丰富土壤供氮与肥力关系的知识，实践上为氮肥高效施用技术提供理论依据。

土壤肥力水平是决定氮肥利用率的基本因素。为了优化肥料管理，确定土壤肥力提高对NUE以及氮去向的影响十分必要。了解作物生长季节的土壤氮矿化潜力（N0）和氮的可用性是优化施氮管理的前提。本研究分别选取我国东北黑土、华北潮土和西北塿土5个不同肥力水平的土壤，通过不同温度（15，25和35°C）的培养实验估计这些土壤的N0和氮释放动态；并进行15N示踪的、5个不同施氮梯度的田间盆栽试验，分析不同肥力土壤不同施氮水平下玉米氮肥利用率和氮素去向。培养实验结果表明，与极低肥力土相比，中高肥力土在各培养温度下累积的矿化氮分别增加了48~136%、8~61%和24~59%。在非常高肥力土壤中获得了最高的N0值，在三个不同温度下分别为96.90，115.31和121.33 mg / kg。土壤氮素矿化动态和玉米在生长季的氮素吸收动态在时间上高度一致，但土壤氮素供应不能满足玉米生长需求；土壤肥力越高，对额外添加氮肥要求越低。田间盆栽试验结果表明，不同肥力土壤上第一季玉米平均NUE为36-56%，第二季玉米对残留15N-尿素的利用率为0.1-0.2%。不同肥力土壤中保留的氮为10~28%，流失到水和大气中的氮值为29~39%。与低肥力土壤相比，高肥力土壤的NUE提高了20~45%，氮素损失降低了1~6%，较高的土壤肥力对应于较高的NUE和较低的氮素损失。基于不同肥力水平土壤中玉米、氮素和NUE的累积矿化氮吸收，我们建议制定不同的施肥策略，研究区内当地习惯施氮量对于低肥力土壤是合理的，但土壤肥力提高后，应减少约50%的氮肥或者减少50-65 kg N/ha。分析本研究中3个区域的作物氮肥利用率，土壤肥力和气候条件是两个主要影响因素，贡献率分别为55%和32.2%，施氮量和作物类型的贡献率较低，分别为8.3%和4.6%。因此，对于低肥力土壤，应考虑通过有机肥的施用来提高其综合生产能力，进而提高其作物氮肥利用率；对于高肥力土壤，可以考虑适当减少化学氮肥的施用量，以提高氮肥利用率，减少氮素损失造成的环境问题。总之，本项目以试验研究和数据分析相结合，为不同肥力土壤氮肥利用率的差异及优化施肥管理措施提供了理论依据和数据支撑。