全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
用15N 示踪法研究不同土壤水分
条件下小麦对氮的吸收利用
王百群　张　卫　余存祖
(中国科学院
水 利 部
水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室　杨陵　712100)
本研究结果表明 ,同一施氮量处理小麦地上生物量、茎叶产量和籽粒产量随土壤
水分含量的增加而提高 ,在同一土壤含水量下 ,这 3 种产量则随氮素肥料施用量的增
加而增加。小麦成熟后地上部吸收总氮量的方差分析显示出施氮处理和水分处理对
小麦吸氮量的影响达到显著水平 ,同一施氮处理小麦地上部吸氮总量随土壤含水量
的增加而增加 ,在 3 种土壤水分含量条件下 ,小麦的吸氮量均随施尿素氮肥量的增加
而提高。施尿素处理的土壤 A 值随土壤含水量的增加而降低 ;尿素与猪粪配施处理
的土壤 A 值则随土壤含水量的增加而增加。在相同施肥量下 ,尿素氮的利用率随土
壤含水量的增加而提高 ,当田间持水量分别为 50 %、70 %和 90 %时 ,小麦对土壤中氮
素利用率分别为 13130 %、27197 %和 32126 % ,尿素与猪粪配施处理在 3 种土壤水分
条件下的氮肥利用率分别为 19196 %、29190 %和 34139 %。说明在水分缺乏的情况
下 ,尿素氮的利用率受土壤水分条件的制约 ,土壤水分充足及无机氮肥与有机肥配施
可以提高氮肥的利用率。
关键词 :土壤水分 　小麦 　15N 示踪法 　氮肥利用率
此文于 1999 年 7 月 12 日收到。
中国科学院资源与生态环境研究重大项目 ( KZ9512B12211)和国家自然科学基金重大项目 (49890330)资助。在干旱半干旱地区 ,土壤水分和养分不足是限制作物产量的主要因素。土壤水分条件不仅对作物生长发育和养分吸收具有明显的影响[1 ] ,而且与土壤中养分的转化、移动及养分供给密切相关。因此 ,研究土壤水分和养分相互作用对于提高作物产量及水分和养分利用效率具有重要意义。氮是作物生长所必须的重要营养元素。在旱作条件下 ,通过施用氮肥可以提高作物的产量 ,但是氮肥的产量效应及氮肥的利用率高低主要取决于土壤水分条件。本试验应用15N 法研究不同土壤水分条件下小麦对氮素的吸收及氮肥利用率 ,为旱地土壤水肥管理提供依据。1 　材料和方法试验在本单位网室中进行。供试土样为土娄土 ,采自陕西杨陵张家岗农地 ,土壤有机质1311g/ kg ,全氮 1113g/ kg ,速效氮 8119mg/ kg ,速效磷 416mg/ kg。试验设 3 种土壤水分含量处理 : (1)低水 ,占田间持水量的 50 % ; (2)中水 ,占田间持水量的 70 % ; (3)高水 ,占田间持水量
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的 90 %。在每个土壤含水量处理中设 3 种氮肥处理 : (1) 对照 ; (2) 15N 标记尿素 ,氮施用量为
100mg/ kg 土 ; (3) 15N 标记尿素 + 猪粪 ,氮施用量为 50mg/ kg 土 ,猪粪中氮施用量为 200mg/ kg
土。15N 标记尿素的丰度为 11101 %。在每一施肥处理中 ,施用 Ca ( H2 PO4) 2·H2O 作为肥底 ,
P2O5 施用量为 100mg/ kg 土。称取过筛的供试风干土样 5kg ,将所用氮肥与土样混匀后 ,装于
直径 22cm ,高 20cm 的塑料盆中 ,重复 3 次。给每盆中加入一定的水量 ,使土壤含水量达到小
麦出苗所必需的最适土壤含水量 ,然后播种小麦。供试小麦为小偃 6 号 ,每盆留苗 5 株 ,自小
麦三叶期后 ,根据设计的土壤含水量 ,用称量法控制土壤含水量 ,直至小麦成熟收获。收获后
测定植株生物量和全氮。
小麦植株全氮的测定采用浓硫酸和双氧水联合消解 ,蒸馏法定氮。浓缩定氮后的蒸馏液 ,
制成15N 待测样品。
植株样品中15N 丰度 ,由本单位黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的 ZHT203
型质谱仪测定。
2 　结果与分析
211 　土壤水分含量和施氮量对小麦生物量的影响
小麦生长是一个动态过程 ,小麦的生理过程和生物量及经济产量与环境因素及其内在因
素有密切的关系。水分和养分是一切作物生长所必需的要素 ,二者对作物生长发育和产量有
显著的影响作用。根据试验结果 ,对不同水分和施氮条件下小麦的地上总生物量、茎叶产量和
籽粒产量进行方差分析 (表 1) ,结果表明 ,不同水分处理间和施氮处理间的小麦地上总生物
量、茎叶产量和籽粒产量差异达到显著水准。由图 1 可以看出 ,在同一施氮处理中 ,小麦地上
生物量、茎叶产量和籽粒产量随土壤含水量的增加而提高。在低水条件下 (占田间持水量的
50 %) ,小麦产量虽然随施尿素氮量的增加 ,产量有所增加 ,但增加的幅度较小 ,氮肥的增产作
用难以发挥。而在中水 (田间持水量的 70 %)和高水 (田间持水量的 90 %)条件下 ,随着施尿素
氮量的增加 ,产量增幅较大 ,氮肥的增产效应较明显。在土壤水分亏缺的情况下 ,小麦的生理
生长过程受到影响。叶片中的气孔部分或完全关闭 ,光合作用降低 ,另外 ,碳水化合物的运转
和氮代谢也受到影响 ,导致产量降低。而在土壤水分充足的条件下 ,施用氮肥可以促进小麦光
合作用及氮代谢正常进行 ,有利于积累干物质和提高产量。所以适宜的土壤水分状况是无机
氮肥发挥增产作用的重要保证。
表 1 　不同土壤水分含量和施氮处理小麦生物量的方差分析( F值)
Table 1 　Variance analysis of aboveground biomass ,yield of grain ,and yield of
stem in wheat with different t reatments( F values)
处　理
Treatment
变量　Dependent variable
地上生物量
Aboveground biomass
籽粒产量
Yield of grain
茎叶产量
Yield of stem
自由度
Degree of freedom
土壤水分含量处理
Soil water regime treatment 449168 3 3 388199 3 3 51919 3 3 2
施氮处理
Nitrogen treatment 23127 3 3 18175 3 3 1817 3 3 2
　　3 3 :处理达到 1 %的显著水平。
　　3 3 :Significant at the 1 % level.
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图 1 　土壤水分和施氮对小麦生物量的影响
Fig. 1 　Effect of soil water regimes and nit rogen rates on wheat biomass
11 对照 ; 21 15N 标记尿素 ; 31 15N 标记尿素 + 猪粪
11CK; 21 15N labeled urea ; 31 15N labeled urea + pig manure
212 　土壤水分含量和施氮量对小麦吸氮量的影响
小麦收获后 ,分别测定不同水分和施氮肥处理下 ,其茎叶和籽粒中的含氮量及15 N 的丰
度 ,从而求得小麦地上部吸收的总氮量以及吸收土壤和肥料中的氮量 (表 2) 。对不同处理小
麦吸收的总氮量和来自土壤和尿素中的氮进行方差分析表明 ,水分处理 ( F = 14185) 和施氮处
理 ( F = 17115)对小麦吸氮量影响非常明显 ,说明水分和施氮量与作物吸氮量密切相关。由表
1 还可看出 ,在同一水分条件下 ,小麦地上部吸氮总量和来自土壤和肥粒氮的总量表现为随施
尿素氮量的增加而增加。在低水条件下 (占田间持水量的 50 %) ,小麦吸氮量比对照增加的幅
表 2 　不同土壤水分含量和施氮处理对小麦吸氮量的影响
Table 2 　Effect of soil water regimes and fertilizer nit rogen rates on nit rogen uptake by wheat
土壤水分处理
Soil water treatment
施氮处理
Nitrogen rate treatment
Ⅰ
1 2 3
Ⅱ
1 2 3
Ⅲ
1 2 3
吸收土壤氮
N uptake from soil
(mg/ pot)
15019 11812 10514 19913 18511 24215 24419 20110 27316
吸收肥料氮
N uptake from fertilizer
(mg/ pot)
6615 4919 13918 7418 16113 8110
氮吸收总量
Total N uptake (mg/ pot) 15019 18417 15513 19913 32419 31713 24419 36213 35416
　注 :水分处理Ⅰ为土壤含水量占田间持水量的 50 % , Ⅱ为 70 % , Ⅲ为 90 %。施肥处理 1 为对照 , 2 为 15 N 标记尿素
(100mgN/ kg 土) ,3 为15N 标记尿素 (50mgN/ kg 土) + 猪粪 (200mgN/ kg) 。表 3 同。
　Note :Soil water regime treatment , Ⅰ:50 % of the field capacity , Ⅱ:70 % of the field capacity , Ⅲ:90 % of the field capacity.
Fertilizer nitrogen treatment ,1 :CK ,2 : 15N labeled urea (100mgN/ kg soil) ,3 : 15N labeled urea (50mgN/ kg soil) + pig ma2
nure (200mgN/ kg) . The same as in table 3
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度小 ,而在中水 (田间持水量的 70 %)和高水 (田间持水量的 90 %) 条件下 ,小麦吸氮量与对照
相比增加的幅度较大。一般作物对所需的营养元素的吸收 ,一方面与作物根系所占土壤空间
有关 ,另一方面与营养元素在土壤中的移动形式有关。作物根系发达可扩大与土壤接触的空
间 ,从而增加通过根系从根表面吸收营养元素的量。土壤中营养离子通过质流和扩散两种机
制向作物根部迁移[2 ] ,引起土壤中离子以质流方式移动的动力是作物的蒸腾作用。蒸腾使作
物吸收水分引起土壤水分向作物根部移动 ,溶于水中的养分离子随水分以质流的形式向根表
迁移。在根系截获和质流不能满足作物对营养物质的需要时 ,随着作物对养分离子的吸收 ,根
表面外土壤溶液中养分离子的浓度会降低 ,产生浓度梯度 ,引起养分离子向根部扩散。由此可
见 ,土壤水分是养分移动的重要介质。氮素在土壤中可以质流和扩散两种方式移动。土壤水
分不足对小麦吸收氮素的影响分为两个方面 ,水分不足限制作物根系生长 ,养分离子难以移
动 ,导致根系吸收养分离子的能力降低 ;土壤水分充足时 ,作物根系发达 ,蒸腾旺盛 ,施肥能增
加养分离子以质流或扩散方式向根系表面迁移 ,有利于作物吸收养分。因此 ,土壤水分状况和
施肥直接影响到作物对养分的吸收状况。
213 　土壤水分含量和施氮量对土壤供氮的影响
土壤水分条件与土壤中氮素的转化和供氮能力有密切的关系。通过计算 A 值可以表征
土壤的供氮性能。A 值是指在施氮条件下 ,在作物生长期间土壤所能提供的有效氮的总量。
A 值的计算方法为[3 ,4 ] : A = ( N s/ N f ) ×M
式中 , N s 为作物从土壤中吸收的氮量 ; N f 为作物从肥料中吸收的氮量 ; M 为氮肥的施用
量。
由表 3 可看出土壤水分条件及施肥方式对土壤 A 值的影响。在单施尿素的处理中 ,A 值
随土壤水分的增加而减小 ,表明在施氮肥的条件下 ,随着土壤含水量的提高 ,土壤供氮量减少。
而在尿素和猪粪配合施用的情况下 ,随土壤含水量的提高 A 值增加 ,土壤供氮量增加 ,说明土
壤水分含量提高可增加有机肥的供氮能力。
表 3 　不同土壤水分含量和施氮量对土壤 A值和氮肥利用率的影响
Table 3 　Impact of soil water regime and fertilizer nit rogen rate on the soil A values
and fertilizer nit rogen use efficiency
土壤水分处理
Soil water treatment
施氮处理
Nitrogen treatment
Ⅰ
2 3
Ⅱ
2 3
Ⅲ
2 3
A 值
A value (mg/ kg) 17717 10516 13214 16212 12416 16817
氮肥利用率
Nitrogen fertilizer use efficiency( %) 1313 2010 2719 2919 3213 3414
214 　土壤水分条件对氮肥利用率的影响
土壤水分条件与作物生长和养分吸收有关 ,从而影响作物对肥料的利用率。由表 3 可知 ,
在低水条件下 (占田间持水量的 50 %) ,单施尿素及尿素与猪粪配施的氮肥利用率仅分别为
1313 %和 2010 %。而在中水 (占田间持水量的 70 %) 和高水条件下 (占田间持水量的 90 %) ,
单施尿素的氮肥利用率分别为 2719 %和 3213 % ,分别比低水条件下的氮肥利用率提高
1416 %和 1910 % ,尿素与猪粪配施的氮肥利用率分别为 2919 %和 3414 % ,分别比低水条件下
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的氮肥利用率提高 919 %和 1414 %。两种施肥处理的氮肥利用率均随土壤含水量的增加而提
高。而且在 3 种土壤水分含量下 ,尿素与猪粪配施比单施尿素的氮肥利用率高 ,说明无机氮肥
和有机肥配施可提高氮肥利用率。
3 　讨 　论
土壤水分和养分条件与作物生长发育和生理过程有密切的关系。在土壤水分胁迫条件
下 ,土壤中养分离子移动受阻 ,作物生长和各种生理过程受到不同程度的抑制 ,作物根系生长
降低 ,叶片光合作用下降 ,氮肥的效应难以发挥 ,从而导致作物氮素吸收、氮肥利用率和作物产
量降低 ;而在土壤水分含量适宜的情况下 ,施用氮肥 ,一方面使作物蒸腾作用增强[5 ] ,有利于
作物吸收氮素和氮肥利用率的提高 ,另一方面使叶片光合作用提高 ,促进干物质累积 ,增加作
物产量。
无机氮肥与有机肥配施是一种重要的施肥方法 ,但这种施肥方法的肥料利用率与土壤水
分条件有关。由本试验可以看出 ,在土壤水分亏缺情况下 ,氮肥的利用率低 ,而在土壤水分较
充足的条件下 ,氮肥的利用率有所提高 ,而且高于单施氮肥的利用率。因此 ,保持良好的土壤
水分条件才能充分发挥无机肥与有机肥配施的作用。
在干旱半干旱地区 ,土壤水分不足是限制农业生产的主导因素。所以 ,在这一地区应用节
水技术、科学施肥、保持合理的水肥耦合关系是提高水肥资源利用率和作物产量的有效途径。
参 考 文 献
1 　Verasan V ,Ronald E ,Phillipps. Effects of soil water stress on growth and nutrient accumulation in corn. Agron. 1978 ,70 :613～
618
2 　鲁如坤 ,等. 土壤—植物营养学原理和施肥. 北京 :化学工业出版社 ,1998163～69
3 　张卫 ,等. 有机绿肥和无机化肥中的氮素在小麦—土壤系统中的转化与分配. 土地资源及生产力研究 ,北京 :科学技术文
献出版社 ,19911176～182
4 　中国农业科学院原子能利用所三室译. 作物和土壤示踪教程. 北京 :原子能出版社 ,19801130～132
5 　陈万金 ,等. 中国北方旱地农业综合治理发展与对策. 北京 :中国农业科技出版社 ,19941129～135
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NITROGEN UPTAKE AND FERTIL IZER NITROGEN USE EFFICIENCY OF WHEAT
UNDER DIFFERENT SOIL WATER CONDITIONS
Wang Baiqun 　Zhang Wei 　Yu Cunzu
( S tate Key L aboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the L oess Plateau , Instit ute of Soil and W ater Conservation ,
Chinese Academy of Sciences and Minist ry of W ater Resources , Yangli ng 　712100)
ABSTRACT
The pot experiment was conducted to study the effects of soil water regime and fertil izer ni2
trogen rate on the yields ,nitrogen uptake and fertil izer nitrogen util ization of wheat by using 15 N
tracer method. The results showed that the aboveground biomass , stem yield and grain yield in2
creased with the increase of soil moisture in the fertil izer nitrogen treatments. All the yield in2
creased with the increase of the fertil izer nitrogen rate in the soil water treatments. It was found
that both soil water regime and fertil izer nitrogen rate signif icantly influenced the amount of ni2
trogen uptake by wheat according to the variance analysis. The amount of nitrogen uptake in2
creased with the rise of the soil moisture in fertil izer nitrogen treatments and the amount also in2
creased with the increase of the urea nitrogen rate in the soil water regime. Soil water regimes
not only had an impact on nitrogen uptake but also had a close relationship with soil nitrogen
supply and fertil izer nitrogen use eff iciency. The soil A values decreased in urea treatment and
increased with the rise of the soil moisture in the combination treatment of urea with pig ma2
nure. The fertil izer nitrogen use eff iciency rose with the rise of the soil moisture in the same fer2
til izer nitrogen treatment. The fertil izer nitrogen use eff iciency of the urea treatment was
1313 %,2719 %and 3213 % in the soils with 50 %,70 %and 90 %of the f ield water capacity ,re2
spectively. The fertil izer nitrogen use eff iciency in the combination treatment of urea with pig
manure was 2010 %, 2919 %and 3414 % in the soils of above three levels , respectively. It was
concluded that the low soil moisture restricted urea nitrogen use eff iciency( UNUE) and the UN2
UE could be raised by combination treatment of urea with manure in the soil of enough mois2
ture.
Key words :Soil water , wheat , 15N tracer method , nit rogen use efficiency
763Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
1999 ,13 (6) :362～367