何雪菲，黄 战，马泽跃，玉素甫江·玉素音，b，陈波浪，b，柴仲平，b

（新疆农业大学 a.草业与环境科学学院；b.新疆土壤与植物生态过程实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

氮素是植物营养需要量最大的矿质元素，对植物的器官构建、生理代谢、产量及品质的形成都起着重要作用[1]。谢海霞等[2]的研究结果表明，增施氮肥能够促进蛋白质和叶绿素的合成，提高光合速率，促进枝条生长，还可增加果树的呼吸作用强度，可将呼吸峰提前[3]。因此，不少农户秉着“高投入高产出高效益”的想法，盲目施入过量氮肥以求获得更高产量[4-5]。但是，施氮并非施入越多就越好，过量施氮不仅容易引起营养生长过旺，花芽分化延迟且数量减少，导致果树树冠郁闭而降低产量[6]，还会造成氮肥利用率下降、土壤生态和养分失衡以及环境污染等一系列问题的产生[7-8]。只有适量施氮，才能促进植株生长，提高肥料利用率，节约经营成本，保护生态环境[9]。 为此，原国家农业部早在2015年就颁发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，就氮肥而言，有效提高氮肥利用率是实现“化肥零增长”和环境上的“双减”（减少排放和减少污染）的关键措施之一[10]。

氮肥当季利用率能够体现出植株对氮素的吸收利用情况，在科研生产中常用差减法和示踪法来计算氮肥利用率[11]。差减法是根据施氮植株和未施氮植株氮素吸收量的差值与施氮量的比值来计算的，可反映施氮后植株体内氮素的实际增加情况[12]。15N 示踪法即用植物从肥料中吸收标记氮的百分数与植株吸氮量的乘积来计算植株吸收同位素标记肥料的量，可用于分析各植株在不同时期或环境下的氮素吸收利用差异，从而能准确地了解植物氮的营养特性[13]。由于差减法包含了植株吸收的土壤氮含量，所以用该方法计算的氮肥利用率一般高于以示踪法计算得出的值。李利[14]采用农学差减法对不同施氮量下马铃薯的氮素吸收利用情况进行了研究，结果发现，随着施氮量的增加氮素利用率却逐渐下降，在施氮量为 225 kg·hm-2时其氮素利用率最高；杨婷婷等[15]对6年生库尔勒香梨的研究结果表明，在施氮量为300 kg·hm-2时，树体对氮肥的利用率最高，达到23.39%；陈倩等[16]研究发现，7年生的矮化苹果植株在施氮量为200 kg·hm-2时其生物量最高，且果实品质最好，15N 的损失率最小，15N 肥料的利用率最大，为23.6%；戴良香等[17]采用15N 示踪法研究发现，花生对氮肥的利用率随着施氮量的增加呈先升高后降低的变化趋势，且在施氮量为90 kg·hm-2时达到最大，其对15N 肥料的利用效率为44.91%，花生对氮肥的利用率，在一定的施用量范围内，随着施氮量的增加而增加，但当施氮量达到一定水平时反而下降。

库尔勒香梨Pyrus brestschneideriRehd.作为新疆的地方特色产品，栽培面积不断扩大，到2020年 种植面积将稳定在3.33 万hm2左右[18]。在种植管理过程中，由于果农缺乏相关专业知识，重施氮肥促高产的现象仍普遍存在，但这种做法并不能促进植株对氮素的吸收利用，反而导致了氮肥利用率的降低，加大了梨园土壤化学肥料污染的程度，因此，需要合理施用氮肥来提高树体对氮肥的利用率，从而实现经济效益和生态效益的最大化。为此，本研究以库尔勒香梨为研究对象，分别采用农学差减法和15N 同位素示踪法来分析不同施氮量对库尔勒香梨各器官的氮素吸收积累特征、产量以及氮肥利用率的影响情况，以期为库尔勒香梨园的优化施肥，提高氮素吸收和利用效率，促进香梨产业优质高效发展提供理论依据和技术支撑。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

试验于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市南郊阿瓦提农场（41°40′28″N、86°07′12″E）进行。试验区的海拔为902 m，地属暖温带大陆性干旱气候区，年平均气温为10.5 ～ 11.8 ℃，年降雨量为50 ～55 mm，无霜期210 ～ 239 d，年平均相对湿度达到45.0%～50.3%，干燥度为39.6 ～63.3，主导风向为东北风。试验区的土壤为草甸土，其养分含量见表1。

表1 试验地土壤的主要养分含量Table 1 The main nutrient content of soil in the experimental site

1.2 材料与方法

以大田栽植的树龄为6 a 的库尔勒香梨为试材，株行距为2 m×4 m，随机选取36 株长势相近、无病虫害且结果正常的库尔勒香梨树进行挂牌标记。试验设不施氮（N0）、低氮（N1）、中氮（N2）和高氮（N3）共4 个处理，各处理的具体施氮量见表2。试验以单株为单位，每个施肥处理各选9 株 进行试验。尿素（含46%的N）施用量的60%在果树萌芽前用于基施（N0处理除外），剩余40%在膨果前期用于追施。在萌芽前期基施尿素时，N0、N1、N2、N3处 理分别施 入0、8、16、24 g/株的15N-尿素（上海化工研究院生产，丰度为10.14%）；重过磷酸钙（含46%的P2O5） 和硫酸钾（含51%的K2O），在萌芽期前一次性全部施入。采用环状沟施法，按比例均匀施肥，施肥后各处理均进行常规田间管理。

表2 不同处理的施肥量Table 2 Fertilizer application rate under different treatments kg

1.3 采样与测定

4 个处理的采样方法相同，均分别在库尔勒香梨年生育过程中的新梢旺长期、果实膨大期和果实成熟期进行整体挖掘和分器官解剖，每个时期每个处理均各取3 株。将样株分解为根、中心干、多年生枝、1年生枝、叶片和果实。样品收集完后称量各部分的鲜质量，在105 ℃的温度条件下杀青30 min，再在80 ℃的温度条件下烘干至恒量，并称量其干质量，分别取各器官干质量的1/4 进行粉碎过筛后测定其全氮含量和15N 丰度。采用凯氏定氮法测定全氮含量，用 ISOP RIME 100-PYROCUBE 质谱仪测定15N 丰度。以每株香梨的结果总数与其单果质量的乘积为单株产量，随后折算出每公顷的总产量。

1.4 统计方法及计算公式

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据处理和绘图，应用SPSS 20.0 软件进行单因素方差分析，采用Duncan 法进行差异显著性分析（α=0.05），图表中的数据均为（平均值±标准差）。

采用农学差减法[19]的计算公式为：

上式中：施肥区果树养分吸收量、缺素区果树养分吸收量和肥料使用量的计量单位均为kg·hm-2，肥料中的有效养分含量是指施用的氮肥（尿素）中含N 46%。

采用同位素15N 示踪法[1]的计算公式为：

上式中：氮积累量、15N 积累量和15N 施用量的计量单位均为g。植物从肥料中吸收标记氮的百分数能够反映植株器官对肥料15N 的吸收征调能力。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对库尔勒香梨树体干物质量的影响

不同施氮量处理下库尔勒香梨树体地下和地上部分的干物质量如图1 所示。由图1 可知，随着生育期的推进其地下部分干物质量的增幅均很小，N0、N1和N3处理的地下部分干物质量均表现为果实膨大期和成熟期的显著高于新梢旺长期的，N2处理的地下部分干物质量则表现为3 个生育期之间存在显著性差异；各处理地上部分的干物质量随着生育期的推进均表现出明显的增长趋势，且3 个生育期之间其地上部分的干物质量存在显著性差异。不同施氮量对各个生育期库尔勒香梨树体地上和地下部分的干物质量均有一定的影响。新梢旺长期，各处理树体地下部分的干物质量表现出N2＞N3＞N1＞N0的变化趋势，但各处理间地下部分的干物质量并无显著性差异；而各处理树体地上部分的干物质量则表现出N3＞N2＞N1＞N0的变化趋势，N3处理树体地上部分的干物质量（6 972.69 g）显著高于其他处理的。果实膨大期，各处理下树体地下和地上部分干物质量的增长规律同新梢旺长期的基本一致。至果实成熟期，地下部分的干物质量，仍以N2处理的为最大（3 054.79 g），较N0处理的地下部分干物质量增加了86.90 g；地上部分的干物质量，也以N2处理的为最大（12 567.67 g），比N0处理的地上部分干物质量增加了3 024.47 g。就整株树体而言，新梢旺长期和果实膨大期，整株树体的干物质量随施氮量的增加而提高；至果实成熟期，则表现为随施氮量的增加呈先升高后降低的变化趋势，N2处理的整株树体干物质量最高 （15 622.46 g），比不施氮处理的整株树体干物质量增加了3 111.37 g。

图 1 不同施氮量处理下库尔勒香梨在各生育期其地上和地下部分的生长状况Fig.1 Growth status of aboveground and underground parts of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.2 不同施氮量对库尔勒香梨各器官氮素净积累量的影响

不同施氮量处理下库尔勒香梨各器官氮素积累量的净增长量见表3。库尔勒香梨各器官的氮素净积累量随着施氮量的增加而呈动态变化趋势。新梢旺长期，除根以外其他器官的氮素净积累量随着施氮量的增加均增大，其中N2处理下根的氮素净积累量最高（4.35 g），但N2和N3处理间其氮素净积累量并无显著性差异；果实膨大期，随着施氮量的增加，各处理下除果实以外其他器官的氮素净积累量均增大，其中N3处理下除果实以外的其他器官的氮素净积累量均最大，而N2处理下果实中的氮素净积累量最高（17.24 g），此期树体当年新生器官（1年生枝、叶、果实）对氮素的吸收均明显增加，其中N2和N3处理下果实的氮素净积累量的增幅尤其明显地变大，但两者间并无显著性差异；至果实成熟期，施氮各处理除果实外其他器官的氮素净积累量均表现为N3＞N2＞ N1，而其果实中的氮素净积累量则表现为N2处理的显著高于N3处理的，表明适量施氮可以增强果实对氮的竞争力。

表3 不同施氮量处理下库尔勒香梨各器官的氮素净积累量†Table 3 Net nitrogen accumulation in various organs of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.3 不同施氮量对库尔勒香梨各器官15N 积累量的影响

不同施氮量处理下库尔勒香梨树各器官的15N积累量见表4。随着生育期的推进，不同施氮量处理下根的15N 积累量均表现出先升高后下降的变化趋势，而中心干、多年生枝、1年生枝、叶片和果实的15N 积累量均表现出逐渐升高的变化趋势。不同施氮处理对各器官的15N 积累量均有一定的影响。新梢旺长期，各器官的15N 积累量均表现为N3＞N2＞N1，不同施氮处理下除根以外其他器官的15N 积累量均存在显著性差异；果实膨大期，各器官的15N 积累规律同新梢旺长期的基本一致，此期新生器官（1年生枝、叶、果实）对15N 的积累较新梢旺长期有显著提高，表明在果实膨大期树体吸收的15N 量主要积累在新生器官中；至果实成熟期，除果实外其他器官的15N 积累量依旧表现为N3＞N2＞N1，而果实中的15N 积累量则在N2处理下达到最高值（0.48 g），并且显著高于其他处理的，此期果实对15N 量的积累较果实膨大期的增幅显著变大，表明在果实成熟期树体吸收的15N量主要积累在果实中。

2.4 不同施氮量对各个生育期库尔勒香梨产量的影响

不同施氮量处理下库尔勒香梨树在各个生育期的产量如图2 所示。随着生育期的推进，各施氮处理的香梨产量均逐渐增大。新梢旺长期，N2和N3处理的香梨产量均显著高于其他处理的；至果实膨大期和果实成熟期，随着施氮量的增加，各处理的香梨产量均表现出先升高后下降的变化趋势，不同施氮量处理的香梨产量由高到低依次为N2＞N3＞N1＞ N0，且各处理间香梨产量的差异显著。果实成熟期，N2处理的香梨产量最大，为15 915.25 kg·hm-2， 比N0处理的增加了9 847.33 kg·hm-2，且各施氮处理的均显著高于不施氮处理的，说明施氮能明显提高香梨产量，而N3处理的香梨产量比N2处理的减少了2 752.89 kg·hm-2，表明适量增施氮肥有利于香梨产量的提高，若氮肥施入量超过其适用量的范围后就会造成香梨减产。

表4 不同施氮量处理下库尔勒香梨在各生育期各器官的15N 积累量Table 4 15N accumulation in various organs of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

图 2 不同施氮量处理下库尔勒香梨树在各个生育期的产量Fig.2 The yield of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.5 库尔勒香梨施氮效应分析

不同施氮量处理下库尔勒香梨的氮肥效应见表5。由表5 可知，库尔勒香梨树体对氮的净积累量和15N 积累量随其生育期的推进和施氮量的增加均增加，各施氮处理的库尔勒香梨树在其各生育期的净积累量和15N 积累量均表现为N3＞N2＞ N1，且各施氮处理间其差异均显著。以农学差减法计算得到的氮肥利用率大于以同位素示踪法计算得到的值，但两者间的差异不大，且变化规律相同。新梢旺长期，分别以差减法和示踪法计算得到的氮肥利用率，均表现出随施氮量的增加而逐渐降低的变化趋势，且N1和N2处理的均显著高于N3处理的，此期不同施氮处理的氮肥养分效应同氮肥利用率基本一致，其中N1处理的均最高；果实膨大 期，分别以差减法和示踪法计算得到的氮肥利用率，N2处理的均最大，分别为18.10%和17.17%，其均显著高于N1和N3处理的，此期N2处理的氮肥养分效应达到最高，为25.51 kg·kg-1；至果实成熟 期，各施氮处理的分别以差减法和示踪法计算得到的氮肥利用率仍均表现为N2＞N1＞N3，且各施氮处理间氮肥利用率的差异显著，用差减法和示踪法计算得到的N2处理的氮肥利用率分别为20.99%和20.19%，此期各施氮处理的氮肥养分效应仍以N2处理的为最高（32.82 kg·kg-1）。

表5 不同施氮量处理下库尔勒香梨树的氮肥效应Table 5 Nitrogen fertilizer effect of Korla fragrant pear under different nitrogen application rates

3 结论与讨论

氮素是植物生长发育过程中必不可少的的营养元素之一，约占作物体干质量的0.3%～5.0%，是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素等的重要组成部分，因此氮素对植物的生长有着举足轻重的作用[20]。研究中发现，施肥当年库尔勒香梨树体对氮肥的利用大多体现在地上部分的生长上，而其地下部分的生长变化不是很明显。张永发等[21]在对橡胶树的研究中也发现，施氮对其地上部生长的促进作用较对其根系的促进作用更为明显。果实成熟期，库尔勒香梨树体的干物质量随着施氮量的增加而呈先升高后降低的变化趋势，这一结果表明，施入适量的氮肥有利于促进树体的生长，在高氮量的处理下，其生长反而受到抑制，其生物量减少，此结果与前人对栲树幼苗研究所得出的结果基本一致[22]。沙建川等[23]也发现，随着施氮量的增加，平邑甜茶幼树的生物量和根系生长均呈现出先上升后下降的变化趋势，说明适量的氮素供应才能促进树体的生长发育。施入适量的氮肥可以更好地协调植株根系与地上部的关系。研究结果表明，各施氮处理的库尔勒香梨树在其各生育期地下部分的干物质量均表现为N2处理的最高，说明适量施氮可促进其根系的生长，而过量施氮则会抑制其根系的生长，此结果与前人对玉米[24]和橡胶树[21]的研究结果均基本一致。

植株需要不断地从外界吸收营养元素来满足其正常生长的需要，研究中发现，不同生育期库尔勒香梨各器官对氮素的吸收积累能力不同，氮素的吸收积累量，叶片和果实内的较多，从新梢旺长期至果实成熟期，库尔勒香梨对氮素的积累，以叶片积累为主转变为以果实积累为主，这与前人研究所得运输到地上部的氮素分配随生长中心的转变而转移的结论一致[6]。杨婷婷等[15]和王前登等[25]在对库尔勒香梨的研究中都发现，树体对氮的吸收积累以当年新生器官为主，尤其是叶片和果实对氮素吸收和积累的贡献均较大。施氮可以促进树体对氮素的积累，研究结果表明，各施氮处理的香梨树体的氮素净积累量和15N 积累量在其各生育期均表现为N3＞N2＞N1，在果实成熟期，果实中的氮素积累则以N2处理的为最大。这与前人研究得出的小麦[26]和花生[17]对氮素吸收积累的规律基本一致。植株的氮素积累量随着施氮量的增加而提高，适量增施氮肥可以促进氮素向生殖器官的转运，而过量施氮却会使其促进作用减轻。氮素在作物增产中具有不可替代的重要作用，研究结果表明，各施氮处理的香梨产量均显著高于不施氮处理的，且随着生育期的推进和施氮量的增加，各施氮处理的香梨产量均呈先升高后下降的变化趋势，其中N2处理的香梨产量显著高于其他处理的，此结果与前人对南疆红富士苹果[27]、灰枣[28]的研究结果均一致，说明施用氮肥对作物产量具有显著的促进作用，但是当施用的氮量超过一定范围时，作物产量的增加就不显著甚至会减少。

氮肥的当季利用率是决定氮肥增产效果的主要因素，提高氮肥当季利用率的关键是确定适宜的氮肥用量和采用科学的施肥方法。研究中分别使用农学差减法和15N 同位素示踪法分析了不同施氮处理下库尔勒香梨树体在不同生育期对氮肥的利用率，结果发现，在果实膨大期和成熟期，库尔勒香梨树体对氮肥的利用率，随着施氮量的增加而呈先提高后下降的变化趋势，均以N2处理的为最高。此结果与李晶等[29]研究得出的矮化苹果氮素吸收利用规律一致，他们指出，适宜的施氮量能够促进树体当年和翌年的生长，并提高氮肥利用率。但是，与葛顺峰等[30]研究得出的随着施氮量的增加其氮肥利用率显著降低的结论不同，其原因可能与根系对氮的吸收能力有关，在适宜的用量范围内，施氮可以促进根系的生长，从而增大了根系的有效吸收面积，促进了根系对氮素的吸收，其氮素吸收利用率得以提高；当氮素吸收利用率达到最高值时，再增施氮肥就会抑制根系的生长，反而使其利用率降低。本研究用差减法和示踪法计算得到的果实成熟期施入适宜氮量的氮肥利用率分别达到20.99%和20.19%，低于苹果的氮肥利用率（25%～38%）[31-32]，这主要与试材的品种、树龄、养分需求、生长环境及管理方式等因素的差异有关。

施用氮肥对库尔勒香梨产量的形成和氮肥利用率的提高均有十分重要的作用，但不同的施肥方式及管理措施对树体生长、产量和品质也有很大的影响[33]。本研究仅对不同施氮量处理下库尔勒香梨的氮肥利用率进行了分析，就提高氮肥利用率来说考虑还不够充分，后续研究还应在施肥种类、施肥方式或田间管理等方面进行深入探讨。