冬小麦—夏玉米轮作体系下土壤-累积及氮平衡研究

·　在冬小麦-夏玉米轮作体系下，了解土壤中NO₃^--N累积与氮的平衡，可以科学有效地指导施肥。

赵营⁽¹⁾　同延安⁽²⁾

对冬小麦—夏玉米轮作体系下土壤NO₃^--N累积及氮平衡研究结果表明，无论是夏玉米季还是冬小麦季，施氮都会造成0～60 cm土层NO₃^--N大量残留，而残留的NO₃^--N很容易淋溶到根层以下，或通过硝化—反硝化作用损失掉。施氮量、播前土壤无机氮（Nmin）和生育期内的氮素矿化量在氮素输入项中均起着重要作用，总输入量随着氮肥施用量的增加而显著增加。在氮素输出项中，作物携出量并不随输入量的增加有显著的变化，从而导致施氮量很高时氮素残留量也很高。经过一个轮作周期后，两季作物土壤总矿化氮高达227.0 kg/hm²，不施氮处理，两季作物的吸氮量依然可达246.2 kg/hm²，其他施氮处理的吸氮量在324.2 kg/hm²～333.9 kg/hm²。氮素总残留量和表观损失量都随总施氮量的增加而增加。夏玉米季、冬小麦季或是整个轮作体系下，氮肥的表观利用率都是随施氮量的增加而降低的。冬小麦季和轮作体系下氮肥的表观残留率都是随施氮量的增加而增加的，而夏玉米季以N₂₅₀处理为最高。冬小麦季氮肥的表观损失率比夏玉米季要低，整个轮作体系下，51％～65％的氮肥通过各种途径损失掉了。从氮平衡的角度考虑，孟家寨试验地冬小麦—夏玉米轮作体系下，两季作物氮肥的总用量应控制在200 kg/hm²左右。

氮肥在农业生产中具有不可替代的作用。我国从20世纪70年代开始大量施用氮肥，作物产量不断增加。但近年来，作物产量并未随着施氮量的增加而增加，而是保持在稳定的水平。从1989年到2002年的14年间，我国的化肥用量增加了84％，而粮食产量只增加了12％；我国水稻和小麦等禾谷类作物的氮肥利用率只有28％～41％，大部分氮素以不同途径损失掉了。肥料氮的损失途径主要有：氨挥发、硝化—反硝化和硝态氮淋洗。有研究证明，氨挥发虽然一直被认为是北方石灰性土壤氮素损失的重要途径，但是损失量不大，氮肥深施或施后覆土或施肥结合灌水，可将损失量控制在8％以下。冬小麦生长期间通过硝化—反硝化途径造成的氮素损失不超过1％，即使在夏玉米生长期间的反硝化损失也不到5％。硝态氮淋洗是土壤氮素的主要损失途径，又是引起地下水污染的主要原因。施氮量是影响硝态氮在土壤剖面中分布的主要因素，未被作物吸收利用而残留在土壤中的硝态氮越多，向下淋洗的可能就越大。西欧发达国家从20世纪80年代以来，开始全面推广应用土壤无机氮测试推荐施用氮肥，实现了氮肥施用的定量化，该方法充分考虑了土壤自身的供氮水平和作物的氮素需求量，分阶段施肥，有助于减少氮素损失，提高氮肥的利用率。因此，在冬小麦—夏玉米轮作体系下，了解和掌握硝态氮在土体中的分布，可以有效地指导施肥。另外，综合研究氮肥的产量效应、氮肥利用率及土壤—作物体系的氮素平衡，是评价氮肥合理施用与否的关键。

一、材料与方法

（一）试验地概况

田间试验于2004年6月～2005年6月在两个不同肥力的土壤上进行，分别为陕西省扶风县揉谷乡新集村的高肥力田块和杨凌区五泉镇孟家寨村的中低肥力田块。两地都处于暖温带半湿润气候区，年降雨量为550～650 mm，且降水多集中在7～9月份。供试土壤为塿土，新集试验地0～30 cm土壤有机质平均含量为12.7 g/kg，全氮、速效磷、速效钾分别为140 mg/kg、24.4 mg/kg、146.9 mg/kg；孟家寨0～30 cm土壤有机质平均含量为1230 mg/kg，全氮、速效磷、速效钾分别为0.96 mg/kg、15.9 mg/kg、138.8 mg/kg。

（二）试验设计与供试材料

新集试验地供试玉米品种为农大108，种植密度4.8万株/hm²，于2004年6月7日播种，9月28日收获。试验设4个施氮水平，分别是N₀（CK₁）、N₁₂₅、N₂₅₀和N₃₇₅。N₂₅₀处理的施肥量是根据玉米目标产量9000 kg/hm²时，作物所需消耗的N、P、K养分而确定的。N₁₂₅和N₃₇₅处理的施氮量分别是N₂₅₀的50％和150％，各处理的磷、钾肥用量都相同，折合纯磷45 kg/hm²、纯钾216 kg/hm²。氮磷钾肥品种分别为46％尿素、12％普通过磷酸钙和60％氯化钾。各处理1/3的氮肥和全部的磷钾肥追施在玉米7叶展期，2/3的氮肥在大喇叭口期追施。孟家寨试验地夏玉米以沈单10号为供试作物，种植密度为5万株/hm²，于2004年6月9日播种，9月29日收获。试验设4个处理，分别是N₀（CK₁）、N₁₂₅（50％Opt.）、N₂₅₀（Opt.）和N₃₇₅（150％ Opt.），其中对照不施用氮肥。各处理施肥量与施肥方式同新集试验地。

新集小麦试验以小偃22为供试品种，基本苗数为345株/m²，于2004年10月7日播种，2005年6月4日收获。试验设4个处理，分别是N₀（CK₂）、N₁₀₅、N₂₁₀和N₃₁₅。氮肥品种为46％的普通尿素，N₂₁₀处理的总施氮量为210 kg/hm²，播前施基肥150 kg/hm²，在小麦拔节期追施60 kg/hm²。N₁₀₅和N₃₁₅处理分别以N₂₁₀处理的50％和150％确定，基肥用量分别为75 kg/hm²、225 kg/hm²，拔节期各追施30 kg/hm²、90 kg/hm²。磷钾肥用量都相同，在冬小麦播种前，以折合纯磷42 kg/hm²（16％过磷酸钙）、纯钾173 kg/hm²（60％氯化钾）全部作基肥施入。

孟家寨试验地供试小麦品种也为小偃22，于2004年10月8日播种，行距16 cm，每小区57行，2005年6月7日收获。试验设4个施氮处理，分别是N₀（CK₂）、N₇₅（50％Opt.）、N₁₅₀（Opt.）和N₂₂₅（150％Opt.）。氮肥品种为46％的普通尿素，各处理的总施氮量分别为75 kg/hm²、150 kg/hm²和225 kg/hm²，都全部用作基肥。各处理磷钾肥用量都相同，在冬小麦播种前，以折合磷42 kg/hm²（16％过磷酸钙）、钾173 kg/hm²（60％氯化钾）全部作基肥施入。

在夏玉米播种后，为确保出苗率，每小区灌水75 mm一次；当季作物生长期间，降水总量为252 mm，约占全年降水量的40％。冬小麦整个小麦生育期间未灌水。田间管理同当地大田。

新集试验地每个小区面积6 m×5.6 m=33.6 m²，重复4次；孟家寨小区面积8.8 m×5.7 m=50.16 m²，重复3次，都采用随机区组排列。

（三）测定项目与方法

分别在冬小麦—夏玉米的播种前与收获后按每20 cm一层采集0～200 cm深度的土样，夏玉米播种前采3个混合样测定，玉米和小麦收获后每小区采集3个土壤剖面，相同层次混合。将新鲜土样立即带回实验室分析，用1 mol的氯化钾按水土比4∶1浸提，Tector 5020流动注射分析仪测定NO₃^--N含量（石灰性土壤中的氮素主要以NO₃^--N形态存在，NH₄⁺-N在此忽略不计），并根据各层土壤容重将单位换算成kg/hm²。

（四）相关计算公式

以下是有关氮肥利用率和氮平衡的概念与计算方法。降水和灌溉水的氮输入量不大，在此文中不计入。氮素的矿化是根据不施氮区作物吸氮量与试验前后土壤无机氮的净变化来加以估计的，不考虑氮肥的激发效应，假定施肥处理的土壤氮矿化量与不施氮区相同。氮肥利用率是指施入的氮肥被当季作物吸收利用的百分率，其计算公式为：

氮肥利用率（％）＝（施氮区吸氮量－不施氮区吸氮量）/施氮量×100（公式1）

根据氮素输入输出平衡的原理计算出氮素表观损失为：

氮表观损失＝(氮肥输入+土壤初始无机氮)－(作物吸收+土壤残留无机氮)　（公式2）

根据氮肥在土壤中的残留量与不施氮区无机氮残留量计算出氮肥表观残留率：

氮肥表观残留率（％）＝（施氮区残留量－不施氮区残留量）/施氮量×100（公式3）

相应的表观损失率可表示为：

氮肥表观损失率（％）＝100－氮肥利用率－氮肥的表观残留率　　　　　　（公式4）

土壤硝态氮绝对累积量是根据土壤容重计算而来:

NO₃^--N累积量（kg/hm²）＝土层厚度（cm）×土壤容重（g/cm³）×NO₃^--N浓度

（mg/kg）/10　　　　　　　　　　　　　　　　（公式5）

二、结果与分析

（一）新集冬小麦—夏玉米轮作下0～200 cm土层NO₃^--N含量的变化

氮肥施入土壤后，除被作物吸收利用及以各种途径损失外，大部分以无机氮的形态残留于土壤剖面中，其中NO₃^--N是无机氮的主要存在形态。图1是新集冬小麦—夏玉米轮作前后0～200 cm土壤剖面NO₃^--N含量的变化。CK₁和CK₂是夏玉米季和冬小麦季不施氮的两个对照。根据施氮量高低，把新集试验地的N₁₂₅和N₁₀₅定义为低氮处理，N₂₅₀和N₂₁₀定义为中氮处理，N₃₇₅和N₃₁₅定义为高氮处理。

夏玉米播种前，120 cm以下各层硝态氮含量极高，在13 mg/kg～15 mg/kg，玉米收获后含量迅速降低到1 mg/kg～3 mg/kg。夏玉米对于该层NO₃^--N利用很少，极有可能在当季强降水的作用下淋洗到200 cm以下。施用氮肥后，NO₃^--N累积主要在0～60 cm的表层，且其含量随施氮量的增加而增加。由于作物的吸收利用，对照处理表层NO₃^--N含量明显降低，而高氮处理在表层却累积了大量的NO₃^--N。0～140 cm剖面，随深度的增加，NO₃^--N含量呈降低趋势，140 cm以下又有增大的趋势。各个剖面层次，高氮处理的NO₃^--N含量都高于其他施氮处理。

冬小麦季，由于连续两季作物不施氮，对照处理0～200 cm土壤剖面的NO₃^--N含量明显地降低，20 cm以下含量不到1 mg/kg。中氮或高氮处理下，0～60 cm的NO₃^--N含量持续增加，中氮处理从6.98 mg/kg增加到9.17 mg/kg，高氮处理从10.26 mg/kg增至23.83 mg/kg。说明中、高氮处理下，作物对肥料氮的利用很低，未被当季作物利用的肥料氮以无机氮的形态（NO₃^--N）在表层大量残留。小麦收获后，60 cm以下各施氮处理不同剖面NO₃^--N含量都低于小麦播前，这可能是作物吸收利用或NO₃^--N下移造成的。

图1　施氮对冬小麦—夏玉米轮作体系下0～200 cm土层NO₃^--N含量的影响（新集试验区）

（二）孟家寨冬小麦—夏玉米轮作下0～200 cm土层NO₃^--N含量的变化

孟家寨冬小麦—夏玉米轮作前后0～200 cm土壤剖面含量的变化如图2示。将N₁₂₅和N₇₅定义为低氮处理，N₂₅₀和N₁₅₀为中氮处理，N₃₇₅和N₂₂₅为高氮处理。

夏玉米季，施氮可显著增加0～100 cm剖面土壤NO₃^--N的含量，随深度的增加NO₃^--N含量呈降低趋势；100 cm以下各层，不同处理NO₃^--N含量又呈增加趋势。由于作物的吸收利用，不施氮处理表层NO₃^--N含量明显降低。各施氮处理的NO₃^--N累积主要在0～60 cm剖面范围，而NO₃^--N累积峰在20～60 cm，各施氮处理出现的层次有差异。N₁₂₅处理最高值在40～60 cm，N₂₅₀和N₃₇₅处理的NO₃^--N累积峰主要在20～40 cm，含量分别达20.1 mg/kg和16.0 mg/kg。在表层，中氮处理最容易造成NO₃^--N累积，其次是高氮处理，然后是低氮处理。土壤剖面NO₃^--N累积越多，向深层淋洗的可能也就越大。

冬小麦季结果表明，一个轮作周期后，对照处理0～200 cm土壤剖面的NO₃^--N含量也有所降低。中、高氮处理下0～60 cm的NO₃^--N含量并没有持续增加，经过小麦季，其含量明显降低，低氮处理下NO₃^--N含量降低更为明显。这与小麦季减量施氮有很大的关系。相对于小麦播前，60 cm以下各施氮处理不同剖面NO₃^--N含量都有不同程度的降低。

整个轮作体系下，中、高量施氮都会造成表层NO₃^--N大量残留，而残留的NO₃^--N很容易淋溶到根层以下或通过硝化-反硝化作用损失掉。有研究表明，NO₃^--N下移至100～300 cm或更深的土层可能是冬小麦—夏玉米轮作体系中氮肥的主要损失途径。

图2　施氮对冬小麦—夏玉米轮作体系下0～200 cm土层NO₃^--N含量的影响（孟家寨试验区）

（三）冬小麦—夏玉米轮作中土壤—作物体系中氮平衡

根据氮输入、输出平衡原理，计算出了孟家寨试验地冬小麦—夏玉米轮作下土壤-作物体系中的氮素表观平衡状况（表1）。在氮平衡计算中，将土壤Nmin的累积量定义在0～200 cm深度范围，即作物根系可能的分布范围。

夏玉米全生育期土壤氮素的矿化量（包括土壤氮素净矿化和环境带入氮素）与播前残留的硝态氮量之和达174 kg/hm²，土壤自身供氮量就可以满足该产量水平下作物对氮素的需求，这也进一步解释了增氮不增产的原因。玉米收获后氮平衡计算结果表明，随着施氮量的增加，氮素的表观损失量增加。各施氮处理的无机氮残留量在121 kg/hm²～221 kg/hm²，其中N₂₅₀的残留量最高，其次是N₃₇₅和N₂₅₅处理。冬小麦季的氮素矿化量依然高达115.2 kg/hm²，与麦播前起始的无机氮之和高达175.0 kg/hm²～335.8 kg/hm²，远远地超过了小麦季作物携走量的131.8 kg/hm²～187.3 kg/hm²。小麦收获后土壤无机氮残留量随施氮量的增加而增加，相对于麦播前，残留量都明显减少（N₂₂₅处理除外），而表观损失却比较高。这可能是大量残留的硝态氮极易通过淋洗或硝化—反硝化途径损失出土壤—作物体系造成的。

经过一个轮作周期后，两季作物土壤矿化氮高达227.0 kg/hm²，不施氮处理两季作物的吸氮量依然可达246.2 kg/hm²，其他施氮处理的吸氮量在324.2 kg/hm²～ 333.9 kg/hm²。氮素总残留量和表观损失量随总施氮量的增加而增加，最高残留和损失量是150％Opt.处理，分别达207.2 kg/hm²和351.2 kg/hm²，分别是50％Opt.处理的3.4倍，Opt.处理的2.2倍和3.4倍。

表1　不同施肥处理下冬小麦—夏玉米轮作体系的氮素表观平衡（0～200 cm）

为了更好地了解轮作体系下氮肥的表观去向，根据表1土壤硝态氮残留量可以计算出氮肥的残留率，然后再由氮肥利用率和氮肥残留率计算出相应的表观损失率（表2所示）。结果表明，夏玉米季、冬小麦季或是整个轮作体系下，氮肥的表观利用率都是随施氮量的增加而降低的。单季作物冬小麦的氮肥利用率要高于夏玉米，最高是小麦季N₇₅处理的66.4％，最低是夏玉米季N₃₇₅处理，利用率只有9.2％。一个轮作周期，50％Opt、Opt、150％Opt的氮肥表观利用率分别为39.0％、21.9％、14.1％。冬小麦季和轮作体系下氮肥的表观残留率都是随施氮量的增加而增加，而夏玉米季N₂₅₀处理的残留率比较高，达64.3％。冬小麦季N₂₂₅处理有72.9％的氮肥残留在0～200 cm土体内，很有可能在下一个玉米季通过硝酸盐淋洗或硝化—反硝化损失掉。一个轮作周期后，氮肥的表观残留率只有9.2％～27.3％。冬小麦季氮肥的表观损失率比夏玉米季要低，在夏玉米季，施氮量越高，表观损失率也越高。整个轮作体系下，51％～65％的氮肥通过各种途径损失掉了，施氮量高，表观损失率就高。因此，在该地冬小麦—夏玉米轮作体系下，两季作物氮肥的总用量应控制在200 kg/hm²。

表2　不同施肥处理下冬小麦—夏玉米轮作体系的氮肥表观去向

三、讨论

夏玉米季，由于作物吸收利用，不施氮处理表层NO₃^--N含量明显降低。而施用氮肥后，NO₃^--N累积主要在0～60 cm的表层，累积高峰各有差异。新集试验地，NO₃^--N含量在0～20 cm最高，随深度增加而降低；孟家寨试验地，N₁₂₅处理最高值在40～60 cm，N₂₅₀和N₃₇₅处理的NO₃^--N累积峰主要在20～40 cm。0～200 cm土壤剖面内，随土层深度的增加，NO₃^--N含量总体呈降低趋势。

冬小麦季，由于连续两季不施氮肥，0～200 cm剖面的NO₃^--N含量显著降低。新集小麦，中、高氮处理下，0～60 cm的NO₃^--N含量持续增加，而孟家寨小麦并没有增加，反而有所降低。小麦收获后，两试验地60 cm以下各施氮处理不同剖面NO₃^--N含量都有不同程度的降低，这可能是作物吸收利用或NO₃^--N下移造成的。无论夏玉米或冬小麦季，过量施氮都会造成表层NO₃^--N大量残留，Richter等研究表明，在高肥力土壤上利用土壤无机氮（Nmin）测试可适当降低氮肥用量并不引起产量的明显变化。这种建立在土壤Nmin基础上的氮肥施用技术被西欧特别是德国广泛运用于农业生产中，取得良好的节氮效果。可见，土壤剖面中的Nmin或NO₃^--N与肥料N可以等效，关键是如何避免土壤中累积的NO₃^--N淋洗出作物根系吸收层或通过硝化—反硝化损失掉。

施氮量、播前Nmin和生育期内的氮素矿化量在氮素输入项中均起着重要作用，总输入量随着氮肥施用量的增加而显著增加。在氮素输出项中，作物携出量并不随输入量的增加有显著的变化，从而导致施氮量很高时氮素盈余量也很高，本试验也有类似的结果。土壤氮素矿化量在年际间和作物间的变异很大，夏玉米季一般高于冬小麦季，从而导致夏玉米季施用氮肥的增产作用不明显。而本试验夏玉米全生育期土壤氮素的矿化量为111.8 kg/hm²，冬小麦季的氮素矿化量依然高达115.2 kg/hm²，这很有可能是土壤基础肥力很高，或者是环境带入的氮比较高造成的，具体原因尚不清楚。夏玉米季，各施氮处理的硝态氮残留量在121 kg/hm²～221 kg/hm²，其中N₂₅₀的残留量最高，其次是N₃₇₅和N₂₅₅处理。玉米氮素的表观损失量随着施氮量的增加而增加。小麦收获后土壤无机氮残留量随施氮量的增加而增加，相对于麦播前，残留量都明显减少（N₂₂₅处理除外），而表观损失量却比较高。经过一个轮作周期后，两季作物土壤总矿化氮高达227.0 kg/hm²，不施氮处理两季作物的吸氮量依然可达246.2 kg/hm²，其他施氮处理的吸氮量在324.2 kg/hm²～333.9 kg/hm²。氮素总残留量和表观损失量都随总施氮量的增加而增加。

夏玉米季、冬小麦季或是整个轮作体系下，氮肥的表观利用率都是随施氮量的增加而增加。冬小麦季和轮作体系下氮肥的表观残留率都是随施氮量的增加而增加，而夏玉米季N₂₅₀处理的残留率比较高，达64.3％。一个轮作周期后，氮肥的表观残留率只有9.2％～27.3％。冬小麦季氮肥的表观损失率比夏玉米季要低，在夏玉米季，施氮量越高，表观损失率也越高。整个轮作体系下，51％～65％的氮肥通过各种途径损失掉了，施氮量高，表观损失率就高。因此，孟家寨试验地冬小麦—夏玉米轮作体系下，两季作物氮肥的总用量应控制在200 kg/hm²左右。

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【注释】

(1)宁夏农林科学院农业资源与环境研究所

(2)西北农林科技大学资源环境学院