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东北棕壤长期不同施肥处理轮作大豆氮素吸收和土壤硝态氮特征

刘沥阳 华伟 张诗雨 彭启超 戴健 韩晓日

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东北棕壤长期不同施肥处理轮作大豆氮素吸收和土壤硝态氮特征

    作者简介: 刘沥阳 E-mail:981316103@qq.com;
    通讯作者: 戴健, E-mail:pzhdchx@126.com ; 韩晓日, E-mail:hanxiaori@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发项目“大豆及花生化肥农药减施技术集成研究与示范”(2018YFD0201001);国家自然科学基金项目(31471940)。

Nitrogen uptake of soybean and soil nitrate nitrogen under long-term rotation and different fertilization in a brown soil of northeast China

    Corresponding author: DAI Jian, E-mail:pzhdchx@126.com ;HAN Xiao-ri, E-mail:hanxiaori@163.com
  • 摘要: 【目的】在玉米–玉米–大豆轮作体系下,基于棕壤肥料长期定位试验,研究不同施肥处理对东北地区大豆生物量、产量、各部位吸氮量及收获期土壤0―100 cm硝态氮累积的影响,为该地区合理施肥提供理论依据和科学指导。【方法】棕壤肥料长期定位田间试验始于1979年,包括不施肥 (CK)、单施氮肥 (N)、氮磷钾肥配施 (NPK)、低量厩肥 (M1) 及其与化肥配施 (M1N和M1NPK)、高量厩肥 (M2) 及其与化肥配施 (M2N和M2NPK) 9个处理。厩肥为猪厩肥,1992年后大豆季不施猪厩肥,仅在玉米季相关处理中施用。39年后,调查分析了大豆生物量、产量、氮素吸收利用及大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮累积特征。【结果】高量、低量厩肥配施化肥处理大豆生物量、产量、总吸氮量及各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,其中,M1NPK处理大豆生物量、产量和总吸氮量最高,分别为9107、2979和314.2 kg/hm2,较其他处理分别提高了6.1%~133.6%、23.9%~232.5%和11.7%~359.4%。施肥提高了大豆氮收获指数,但氮素生理效率降低。NPK和M1NPK处理的氮素收获指数最高,均为63.5%,而氮素生理效率较CK分别降低了30.6%和28.1%。大豆收获期各处理土壤硝态氮累积量随土层深度的增加而降低。与播前相比,大豆收获期单施氮肥处理的0―100 cm土层硝态氮积累量显著增加,NPK处理变化不显著,M1、M1N和M1NPK处理显著降低。低量厩肥配施化肥处理收获期0―100 cm土壤硝态氮积累量远低于高量厩肥配施化肥处理,较播前平均降低了79.2%。所有处理中,土壤硝态氮积累量以M1NPK处理最低,比其他处理平均降低了58.2%。【结论】在东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系下,玉米季低量厩肥 (13.5 t/hm2) 与氮磷钾化肥配合施用时,大豆季仅施氮磷钾化肥既可提高大豆生物量、产量,促进氮素吸收,同时还可降低大豆收获期土壤硝态氮累积量,降低环境风险,是该轮作体系较为合理的施肥方式。
  • 图 1  2017年不同施肥条件下大豆生物量和籽粒产量

    Figure 1.  Soybean biomass and grain yield under different fertilization managements in 2017

    表 1  长期不同施肥条件下大豆对氮素的吸收利用

    Table 1.  N uptake and utilization of soybean under different fertilization managements

    处理
    Treatment
    吸氮量 N uptake (kg/hm2)氮收获指数 (%)
    N harvest index
    氮素生理效率 (kg/kg)
    N physiological efficieny
    茎叶
    Stem and leaf
    荚皮
    Shell
    籽粒
    Grain
    合计
    Total
    CK8.0 ± 1.1 d23.3 ± 1.0 b37.1 ± 3.0 c68.4 ± 4.9 d54.2 ± 0.9 d13.1 ± 0.1 a
    N17.2 ± 1.3 c31.2 ± 0.9 b66.7 ± 4.7 c115.1 ± 6.5 d57.9 ± 1.2 bcd8.7 ± 0.2 ef
    NPK30.8 ± 0.9 b57.6 ± 1.4 a154.7 ± 11.3 b243.1 ± 12.0 bc63.5 ± 1.7 a9.1 ± 0.2 ef
    M122.7 ± 2.1 c58.9 ± 11.2 a131.7 ± 4.6 b213.4 ± 17.7 c62.2 ± 2.8 ab11.0 ± 0.5 b
    M1N33.5 ± 2.4 b61.4 ± 8.8 a147.2 ± 22.0 b242.1 ± 33.0 bc60.6 ± 0.7 bc10.0 ± 0.1 cd
    M1NPK41.2 ± 2.7 a73.3 ± 7.6 a199.6 ± 19.1 a314.2 ± 28.4 a63.5 ± 1.0 a9.4 ± 0.3 de
    M222.3 ± 2.0 c58.1 ± 5.2 a126.3 ± 14.5 b206.7 ± 21.7 c61.0 ± 0.6 bc10.2 ± 0.1 bc
    M2N30.8 ± 0.8 b58.4 ± 4.8 a129.9 ± 8.0 b219.1 ± 13.5 c59.3 ± 0.1 bc9.3 ± 0.2 de
    M2NPK43.3 ± 1.9 a78.4 ± 8.5 a159.6 ± 6.8 b281.3 ± 11.2 ab56.8 ± 2.6 cd8.3 ± 0.3 f
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 2  长期不同施肥处理大豆播前、收获期0―100 cm土层硝态氮累积

    Table 2.  Nitrate N accumulation in 0–100 cm soil layers before seeding and at harvest of soybean under different fertilization treatments

    时期
    Stage
    处理
    Treatment
    土层Soil layer (cm)合计 Total
    (kg/hm2)
    0—2020—4040—6060—8080—100
    播前
    Before seeding
    CK23.4 ± 2.6 e10.6 ± 0.9 d3.3 ± 1.0 d3.0 ± 0.9 c4.9 ± 0.5 d45.0 ± 3.1 e
    N27.9 ± 6.1 e20.9 ± 3.6 cd20.3 ± 6.6 cd22.3 ± 9.5 b7.9 ± 0.6 cd99.3 ± 20.0 cde
    NPK22.0 ± 3.2 e18.2 ± 3.4 cd7.8 ± 3.1 d4.6 ± 2.6 c5.2 ± 2.0 cd57.9 ± 6.9 de
    M161.9 ± 4.6 d34.3 ± 1.9 bcd16.6 ± 0.2 cd19.9 ± 1.2 bc2.6 ± 0.4 d135.2 ± 5.5 bcd
    M1N86.5 ± 2.3 cd28.1 ± 8.7 bcd30.7 ± 8.8 c19.9 ± 3.1 bc8.4 ± 0.8 cd173.5 ± 2.4 bc
    M1NPK64.8 ± 1.5 d42.1 ± 3.2 bc33.3 ± 10.1 c25.5 ± 6.9 b21.5 ± 9.2 c187.2 ± 25.5 b
    M296.2 ± 24.0 bc53.6 ± 9.9 b29.2 ± 8.8 c25.9 ± 5.4 b13.6 ± 5.9 cd218.5 ± 53.1 b
    M2N128.2 ± 9.4 a82.5 ± 17.6 a53.0 ± 8.8 b65.0 ± 15.3 a66.5 ± 8.9 a395.3 ± 49.1 a
    M2NPK119.6 ± 9.8 ab105.6 ± 7.5 a86.7 ± 1.8 a53.0 ± 3.7 a49.7 ± 4.5 b414.6 ± 8.8 a
    收获期
    Harvest
    CK32.1 ± 1.6 b11.9 ± 1.4 d14.7 ± 6.6 b7.7 ± 3.5 bcd5.7 ± 2.0 cd72.1 ± 10.3 c
    N42.3 ± 9.5 ab15.2 ± 2.4 c37.3 ± 12.6 a30.7 ± 7.9 a31.7 ± 5.4 a157.2 ± 20.3 a
    NPK20.2 ± 4.7 c16.4 ± 1.5 c8.1 ± 1.7 b5.0 ± 0.8 cd4.1 ± 0.5 cd53.7 ± 2.8 cd
    M116.8 ± 0.7 c6.9 ± 0.2 e7.6 ± 1.9 b1.1 ± 0.1 d0.4 ± 0.2 d32.9 ± 1.8 d
    M1N17.7 ± 3.6 c3.5 ± 0.4 f6.9 ± 0.2 b0.5 ± 0.1 d0.6 ± 0.1 d29.2 ± 4.4 d
    M1NPK14.1 ± 0.7 c6.5 ± 0.3 ef16.2 ± 0.5 b0.7 ± 0.1 d2.3 ± 0.2 cd39.7 ± 0.8 d
    M242.6 ± 2.3 a28.1 ± 1.3 b15.8 ± 0.5 b11.2 ± 0.2 bc7.1 ± 1.0 c104.8 ± 2.8 b
    M2N42.9 ± 3.3 ab28.9 ± 0.7 b13.9 ± 0.1 b14.9 ± 0.3 b14.9 ± 1.3 b115.6 ± 4.4 b
    M2NPK42.9 ± 1.9 ab42.4 ± 0.8 a49.3 ± 3.9 a13.0 ± 0.3 bc16.3 ± 0.4 b163.8 ± 5.1 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示同一时期不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments for the same stage at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-14
  • 网络出版日期:  2020-01-11
  • 刊出日期:  2020-01-01

东北棕壤长期不同施肥处理轮作大豆氮素吸收和土壤硝态氮特征

    作者简介:刘沥阳 E-mail:981316103@qq.com
    通讯作者: 戴健, pzhdchx@126.com
    通讯作者: 韩晓日, hanxiaori@163.com
  • 沈阳农业大学土地与环境学院/农业部东北玉米营养与施肥科学观测实验站/土肥资源高效利用国家工程实验室,辽宁沈阳 110866
  • 基金项目: 国家重点研发项目“大豆及花生化肥农药减施技术集成研究与示范”(2018YFD0201001);国家自然科学基金项目(31471940)。
  • 摘要: 【目的】在玉米–玉米–大豆轮作体系下,基于棕壤肥料长期定位试验,研究不同施肥处理对东北地区大豆生物量、产量、各部位吸氮量及收获期土壤0―100 cm硝态氮累积的影响,为该地区合理施肥提供理论依据和科学指导。【方法】棕壤肥料长期定位田间试验始于1979年,包括不施肥 (CK)、单施氮肥 (N)、氮磷钾肥配施 (NPK)、低量厩肥 (M1) 及其与化肥配施 (M1N和M1NPK)、高量厩肥 (M2) 及其与化肥配施 (M2N和M2NPK) 9个处理。厩肥为猪厩肥,1992年后大豆季不施猪厩肥,仅在玉米季相关处理中施用。39年后,调查分析了大豆生物量、产量、氮素吸收利用及大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮累积特征。【结果】高量、低量厩肥配施化肥处理大豆生物量、产量、总吸氮量及各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,其中,M1NPK处理大豆生物量、产量和总吸氮量最高,分别为9107、2979和314.2 kg/hm2,较其他处理分别提高了6.1%~133.6%、23.9%~232.5%和11.7%~359.4%。施肥提高了大豆氮收获指数,但氮素生理效率降低。NPK和M1NPK处理的氮素收获指数最高,均为63.5%,而氮素生理效率较CK分别降低了30.6%和28.1%。大豆收获期各处理土壤硝态氮累积量随土层深度的增加而降低。与播前相比,大豆收获期单施氮肥处理的0―100 cm土层硝态氮积累量显著增加,NPK处理变化不显著,M1、M1N和M1NPK处理显著降低。低量厩肥配施化肥处理收获期0―100 cm土壤硝态氮积累量远低于高量厩肥配施化肥处理,较播前平均降低了79.2%。所有处理中,土壤硝态氮积累量以M1NPK处理最低,比其他处理平均降低了58.2%。【结论】在东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系下,玉米季低量厩肥 (13.5 t/hm2) 与氮磷钾化肥配合施用时,大豆季仅施氮磷钾化肥既可提高大豆生物量、产量,促进氮素吸收,同时还可降低大豆收获期土壤硝态氮累积量,降低环境风险,是该轮作体系较为合理的施肥方式。

    English Abstract

    • 氮素是作物生长必需的大量营养元素,施用氮肥是提高作物产量和品质的重要措施。然而,过量施用氮肥不仅不能提高作物产量,还会造成土壤矿质氮特别是硝态氮的大量残留[1]。在河北吴桥的研究发现,施氮90~270 kg/hm2,0―200 cm土体均有明显的硝态氮残留累积,且随氮肥施用量的增加而增加,40―60 cm土层土壤硝态氮增加显著[2],增加了硝态氮随水分向下淋溶[3]、污染地下水的风险[4]

      施肥是促进作物生长、提高产量的主要农业措施之一。关于不同施肥对作物产量的影响,国内外学者已进行了大量研究。70多个长期定位施肥试验发现,单施氮磷肥处理作物的平均产量与不施肥对照差异不显著。氮肥的肥效较高,而磷、钾肥肥效在不同地区和作物间差异较大,只有氮磷钾化肥配施才能保证作物高产和稳产[5]。有机肥含有丰富的有机质和各种养分,不仅可直接为作物提供养分,还可活化土壤潜在养分、增强土壤生物学活性,改善理化特性[6],培肥土壤,提升土壤质量[7]。大量研究均表明,化肥与有机肥配施对作物的增产效应好于单施化肥或有机肥,可显著提高大豆产量[8-9]。长期施用有机肥可增加土壤各土层全氮含量[10],增加被大团聚体保护的不稳定性碳氮含量,提高养分持续供应能力[11-12]。有机肥和无机肥配施可提高作物产量[13],促进氮素吸收[14],提高水肥利用效率[15-16],还可改善土壤理化性质[17],降低肥料氮以矿质态氮形式的淋溶损失[18]。宋北光等[19]研究表明,有机肥 (300 kg/hm2) 与无机肥配施处理下,大豆氮素转运率均有所提高。在旱地鴥土上,冬小麦–大豆轮作条件下,长期有机肥配施氮磷钾化肥处理可显著降低土壤硝酸盐淋失,减缓硝态氮在土壤累积[20]。巨晓棠等[21]研究发现施用氮肥和有机肥能够显著增加土壤有机氮含量。玉米–大豆轮作条件下,有机无机肥配施显著提高了土壤有机质、矿质氮和微生物量氮含量[22]

      大豆是重要的油料和蛋白质作物,其产量到2050年需提高80%才能满足人类需求[23],东北地区大豆种植面积和产量均占全国的34%左右,玉米–大豆轮作是该地区重要的轮作措施,持续稳定地提高玉米–大豆轮作体系生产力对我国粮食安全至关重要。农业生产中,通过调控氮肥施用提高作物产量与氮素利用率的研究已有很多;同时,围绕玉米、小麦开展土壤硝态氮累积变化的研究也不少。然而,在东北地区玉米–大豆轮作体系中,不同肥料配施对大豆季氮素吸收利用和收获期土壤硝态氮累积变化特征影响的研究还不多。因此,基于东北地区39年的典型棕壤肥料长期定位田间试验,研究了玉米–玉米–大豆轮作体系中,长期不同施肥处理对大豆产量、氮素吸收及0―100 cm土壤硝态氮累积特征的影响,为东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系中大豆的合理施肥提供科学指导。

      • 试验地在沈阳农业大学棕壤肥料长期定位试验站 (始于1979年),位于沈阳市东陵沈阳农业大学后山科研基地 (北纬40°48′,东经123°33′)。该地处于松辽平原南部中心地带,属于温带湿润–半湿润季风气候,年均气温7.0℃~8.1℃,年降雨量574~684 mm,年蒸发量1436 mm,无霜期140~180天,5—9月份平均气温20.7℃,适于玉米、大豆等大多数农作物生长,全生育期130~150天,春季降雨少,6—8月份降水较充沛。土壤为发育在黄土性母质上的壤质棕壤 (湿润淋溶土)。1979年试验开始前土壤理化性质为:pH 6.50、有机质15.9 g/kg、全氮0.80 g/kg、全磷0.38 g/kg、全钾21.1 g/kg、碱解氮106 mg/kg、有效磷6.50 mg/kg、速效钾97.9 mg/kg。

      • 田间定位试验小区面积160 m2 (16 m × 10 m),种植模式为玉米–玉米–大豆轮作。本研究选取其中9个处理,具体为:不施肥 (CK)、单施氮肥 (N)、氮磷钾肥配施 (NPK)、低量厩肥 (M1) 及其与化肥配施 (M1N和M1NPK)、高量厩肥 (M2) 及其与化肥配施 (M2N和M2NPK)。试验用氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾,有机肥施用猪厩肥,其有机质平均含量为120 g/kg,全氮为5.6 g/kg。施肥量具体为:大豆季施氮肥 (N) 30 kg/hm2、磷肥 (P2O5) 90 kg/hm2、钾肥 (K2O) 90 kg/hm2;玉米季施氮肥 (N) 120 kg/hm2、磷肥 (P2O5) 60 kg/hm2、钾肥 (K2O) 60 kg/hm2、低量厩肥为13.5 t/hm2、高量厩肥为27 t/hm2。因前期大豆季长期施用厩肥处理大豆产量有降低趋势,从1992年起,玉米季正常施用厩肥,而在大豆季各有机肥处理中不再施用厩肥,化肥正常施用。所有肥料均在播种前作为基肥一次性撒施,翻耕后与0―20 cm耕层土壤混匀。

        2017年供试大豆品种为‘辽豆15’。垄宽60 cm,株距11 cm。试验于2017年5月6日施肥、8日播种,10月7日收获。大豆整个生育期无灌溉,采取常规田间管理,与当地农户一致,收获后,清理干净秸秆,休闲。

      • 在2017年大豆播前 (4月23日) 和收获期 (10月20日) 分别采集0―100 cm土壤样品,以每20 cm为一个土层采集,随机采集2点,同层样品剔除作物根系后混匀作为一个分析样品,密封并带回实验室,4℃保存待测。土壤矿质氮采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提 (土液质量比为1∶10),振荡1 h,过滤后用连续流动分析仪 (AA3) 测定浸提液中的硝态氮和铵态氮含量。0―100 cm各土层土壤硝态氮累积量由相应土层土壤容重与对应的硝态氮含量计算。

        在2017年大豆收获期 (10月7日) 采集植物样品。每个小区随机选取3个计产区,每个计产区选取2条垄,收割2 m,风干计产。同时,在计产区以外每个小区随机取5点采集植株样品,每点采集1株,采取对角线5点取样法,样点离地头2 m以上。调查生物性状 (株高、节数、分枝数、荚数等) 后,人工脱粒,分粒、荚、茎叶3个部位,分别取部分样品在105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重,烘干样品粉碎后混匀。粉碎植株样品全氮含量采用浓H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定。

      • 土壤硝态氮累积 (kg/hm2) = 土层厚度 (cm) × 土壤容重 (g/cm3) × 土壤矿质氮含量 (mg/kg)/10

        氮收获指数 (%) = 籽粒氮积累总量 (kg/hm2)/地上部吸氮量 (kg/hm2) × 100

        氮素生理效率 (kg/kg) = 植株产量 (kg/hm2)/地上部吸氮量 (kg/hm2)

        用 Microsoft Excel 2013进行数据计算和图表处理,SPSS 22.0统计软件进行方差分析和显著性分析 (P < 0.05)。

      • 图1表明,在大豆收获期,各处理大豆生物量、产量变化趋势相同,较高的生物量带来较高的产量。单施化肥处理中,NPK处理大豆生物量和籽粒产量较高,分别为6963和2214 kg/hm2,显著高于CK和N处理,其中,CK和N处理间差异不显著。与CK和单施氮肥比较,长期配施厩肥各处理大豆生物量、籽粒产量显著提高;与CK相比,M1、M1N和M1NPK处理大豆生物量、籽粒产量分别增加了100.0%~133.6%和160.0%~232.5%(P < 0.05);M2、M2N和M2NPK处理大豆生物量、籽粒产量较CK分别提高了87.5%~120.0%和126.0%~162.0%,差异也达显著水平。低量、高量厩肥配施化肥各处理,以M1NPK处理的生物量和籽粒产量最高,分别为9107和2979 kg/hm2;M2NPK处理的生物量为8587 kg/hm2,与M1NPK处理差异不显著,但籽粒产量 (2345 kg/hm2) 显著低于M1NPK处理。可见,玉米季长期配施适量厩肥有助于大豆生长,可以提高后茬大豆籽粒产量,长期投入高量厩肥并不利于大豆籽粒产量的提高。

        图  1  2017年不同施肥条件下大豆生物量和籽粒产量

        Figure 1.  Soybean biomass and grain yield under different fertilization managements in 2017

      • 施肥显著影响大豆的氮素吸收 (表1)。不同施肥条件下,大豆各部位吸氮量总体表现为籽粒 > 荚皮 >茎叶,氮磷钾化肥处理或化肥配施厩肥处理大豆各部位吸氮量显著高于单施氮肥和不施肥对照处理。长期厩肥配施化肥条件下,大豆植株总吸氮量显著高于N和CK处理,其中M1NPK处理大豆总吸氮量最高为314.2 kg/hm2,显著高于M1N处理,较其他处理增加了11.7%~359.4%;M2NPK处理大豆总吸氮量为281.3 kg/hm2,显著高于M2N处理,与M1NPK处理差异不显著。施肥提高了大豆氮收获指数,且NPK和M1NPK处理的氮收获指数最高,均为63.5%,明显高于其他处理。施肥条件下大豆氮素生理效率降低,由CK处理的13.1 kg/kg降低到NPK处理的9.1 kg/kg,M1NPK处理的9.4 kg/kg和M2NPK处理的8.3 kg/kg。可见,大豆季不施用厩肥,玉米季适量厩肥配施氮磷钾化肥条件下大豆吸氮量和氮收获指数均显著提高。

        表 1  长期不同施肥条件下大豆对氮素的吸收利用

        Table 1.  N uptake and utilization of soybean under different fertilization managements

        处理
        Treatment
        吸氮量 N uptake (kg/hm2)氮收获指数 (%)
        N harvest index
        氮素生理效率 (kg/kg)
        N physiological efficieny
        茎叶
        Stem and leaf
        荚皮
        Shell
        籽粒
        Grain
        合计
        Total
        CK8.0 ± 1.1 d23.3 ± 1.0 b37.1 ± 3.0 c68.4 ± 4.9 d54.2 ± 0.9 d13.1 ± 0.1 a
        N17.2 ± 1.3 c31.2 ± 0.9 b66.7 ± 4.7 c115.1 ± 6.5 d57.9 ± 1.2 bcd8.7 ± 0.2 ef
        NPK30.8 ± 0.9 b57.6 ± 1.4 a154.7 ± 11.3 b243.1 ± 12.0 bc63.5 ± 1.7 a9.1 ± 0.2 ef
        M122.7 ± 2.1 c58.9 ± 11.2 a131.7 ± 4.6 b213.4 ± 17.7 c62.2 ± 2.8 ab11.0 ± 0.5 b
        M1N33.5 ± 2.4 b61.4 ± 8.8 a147.2 ± 22.0 b242.1 ± 33.0 bc60.6 ± 0.7 bc10.0 ± 0.1 cd
        M1NPK41.2 ± 2.7 a73.3 ± 7.6 a199.6 ± 19.1 a314.2 ± 28.4 a63.5 ± 1.0 a9.4 ± 0.3 de
        M222.3 ± 2.0 c58.1 ± 5.2 a126.3 ± 14.5 b206.7 ± 21.7 c61.0 ± 0.6 bc10.2 ± 0.1 bc
        M2N30.8 ± 0.8 b58.4 ± 4.8 a129.9 ± 8.0 b219.1 ± 13.5 c59.3 ± 0.1 bc9.3 ± 0.2 de
        M2NPK43.3 ± 1.9 a78.4 ± 8.5 a159.6 ± 6.8 b281.3 ± 11.2 ab56.8 ± 2.6 cd8.3 ± 0.3 f
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • 大豆播前和收获期各处理土壤硝态氮贮量随土层增加均呈递减趋势 (表2)。CK处理大豆播前和收获期0―100 cm土壤硝态氮累积量分别为45.0和72.1 kg/hm2,收获期较播前增加了60.1%;N处理分别为99.3和157.2 kg/hm2,且各土层硝态氮累积量均较高,收获期较播前增加了58.3%;NPK处理播前和收获期0―100 cm土壤硝态氮累积量分别为57.9和53.7 kg/hm2,变化不大。单施氮肥处理收获期0―40 cm土层土壤硝态氮累积量高于CK处理,与NPK处理持平,40―100 cm土层显著高于CK和NPK处理。低量厩肥条件下,大豆收获期土壤0―100 cm硝态氮累积量显著低于播前,M1处理大豆播前和收获期0―100 cm土壤硝态氮总累积量分别为135.2和32.9 kg/hm2,收获期较播前降低了75.7%,M1N和M1NPK处理分别为173.5和29.2 kg/hm2、187.2和39.7 kg/hm2,较播前分别降低了83.2%和78.8%。低量厩肥各处理硝态氮主要累积在0―60 cm土层,60―100 cm土层硝态氮累积量较低,各土层处理间差异不显著。高量厩肥各处理大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮累积量显著低于播前,M2、M2N和M2NPK处理收获期0―100 cm土壤硝态氮累积量分别为104.8、115.6和163.8 kg/hm2,与播前相比分别降低了52.0%、70.8%和60.5%,且各土层硝态氮累积量高于单施化肥和低量厩肥处理。高量厩肥处理土壤0―100 cm各土层硝态氮贮量均较高,以M2NPK最为显著。低量厩肥与化肥配施降低了大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮总累积量,显著低于单施氮肥和高量厩肥各处理,与NPK处理差异不大。

        表 2  长期不同施肥处理大豆播前、收获期0―100 cm土层硝态氮累积

        Table 2.  Nitrate N accumulation in 0–100 cm soil layers before seeding and at harvest of soybean under different fertilization treatments

        时期
        Stage
        处理
        Treatment
        土层Soil layer (cm)合计 Total
        (kg/hm2)
        0—2020—4040—6060—8080—100
        播前
        Before seeding
        CK23.4 ± 2.6 e10.6 ± 0.9 d3.3 ± 1.0 d3.0 ± 0.9 c4.9 ± 0.5 d45.0 ± 3.1 e
        N27.9 ± 6.1 e20.9 ± 3.6 cd20.3 ± 6.6 cd22.3 ± 9.5 b7.9 ± 0.6 cd99.3 ± 20.0 cde
        NPK22.0 ± 3.2 e18.2 ± 3.4 cd7.8 ± 3.1 d4.6 ± 2.6 c5.2 ± 2.0 cd57.9 ± 6.9 de
        M161.9 ± 4.6 d34.3 ± 1.9 bcd16.6 ± 0.2 cd19.9 ± 1.2 bc2.6 ± 0.4 d135.2 ± 5.5 bcd
        M1N86.5 ± 2.3 cd28.1 ± 8.7 bcd30.7 ± 8.8 c19.9 ± 3.1 bc8.4 ± 0.8 cd173.5 ± 2.4 bc
        M1NPK64.8 ± 1.5 d42.1 ± 3.2 bc33.3 ± 10.1 c25.5 ± 6.9 b21.5 ± 9.2 c187.2 ± 25.5 b
        M296.2 ± 24.0 bc53.6 ± 9.9 b29.2 ± 8.8 c25.9 ± 5.4 b13.6 ± 5.9 cd218.5 ± 53.1 b
        M2N128.2 ± 9.4 a82.5 ± 17.6 a53.0 ± 8.8 b65.0 ± 15.3 a66.5 ± 8.9 a395.3 ± 49.1 a
        M2NPK119.6 ± 9.8 ab105.6 ± 7.5 a86.7 ± 1.8 a53.0 ± 3.7 a49.7 ± 4.5 b414.6 ± 8.8 a
        收获期
        Harvest
        CK32.1 ± 1.6 b11.9 ± 1.4 d14.7 ± 6.6 b7.7 ± 3.5 bcd5.7 ± 2.0 cd72.1 ± 10.3 c
        N42.3 ± 9.5 ab15.2 ± 2.4 c37.3 ± 12.6 a30.7 ± 7.9 a31.7 ± 5.4 a157.2 ± 20.3 a
        NPK20.2 ± 4.7 c16.4 ± 1.5 c8.1 ± 1.7 b5.0 ± 0.8 cd4.1 ± 0.5 cd53.7 ± 2.8 cd
        M116.8 ± 0.7 c6.9 ± 0.2 e7.6 ± 1.9 b1.1 ± 0.1 d0.4 ± 0.2 d32.9 ± 1.8 d
        M1N17.7 ± 3.6 c3.5 ± 0.4 f6.9 ± 0.2 b0.5 ± 0.1 d0.6 ± 0.1 d29.2 ± 4.4 d
        M1NPK14.1 ± 0.7 c6.5 ± 0.3 ef16.2 ± 0.5 b0.7 ± 0.1 d2.3 ± 0.2 cd39.7 ± 0.8 d
        M242.6 ± 2.3 a28.1 ± 1.3 b15.8 ± 0.5 b11.2 ± 0.2 bc7.1 ± 1.0 c104.8 ± 2.8 b
        M2N42.9 ± 3.3 ab28.9 ± 0.7 b13.9 ± 0.1 b14.9 ± 0.3 b14.9 ± 1.3 b115.6 ± 4.4 b
        M2NPK42.9 ± 1.9 ab42.4 ± 0.8 a49.3 ± 3.9 a13.0 ± 0.3 bc16.3 ± 0.4 b163.8 ± 5.1 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示同一时期不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different lowercase letters in a column indicate significant difference among treatments for the same stage at the 0.05 level.
      • 大豆是我国主要的粮食及经济作物,也是高固氮作物,在培肥地力和维护农田氮素平衡中具有重要作用。有机无机肥配施是农业生产中常用的施肥方式之一。大量研究表明,在施用化肥的基础上配施有机肥能够促进作物增产稳产[24],提高水分、养分的吸收[25],改善土壤物理、化学、生物学性质,提高土壤肥力,改良土壤团粒结构和田间蓄水量,增强土壤的抗旱能力[26-27]。有机肥与氮磷钾化肥配施能促进大豆茎、叶、豆荚等生长[28],提高大豆植株氮素积累量及氮素利用率[29]。也有长期肥料试验发现,有机肥对大豆的增产效应和化肥没有差异[30]。本研究中,大豆季虽不施有机肥 (猪厩肥),但玉米季高量、低量厩肥配施化肥处理下,大豆生物量、产量、总吸氮量和各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,这主要和玉米季长期施用有机肥改善土壤理化性质、促进土壤营养元素平衡、提高土壤氮素水平 (表2),能够为作物生长提供充足氮素养分有关。低量厩肥区各处理大豆生物量和产量高于高量厩肥区和化肥区各处理,其中M1NPK处理生物量和产量最高,分别高于其他处理6.1%~133.6%和23.9%~232.5%;M2NPK处理产量提高幅度和NPK处理类似,但生物量显著增加。可见,高量有机肥与化肥配施促进了大豆地上部生长,但高量有机肥导致大豆奢侈吸收,早期养分和水分过度消耗,后期水分胁迫影响干物质累积与同化物向籽粒的转移[31]。田艳洪等[32]在黑龙江省白浆土上的研究也发现,不同用量有机肥及其与化肥配施处理对大豆植株生长和产量具有不同影响,其中有机肥 (15 t/hm2) 配施50%常规施肥处理相对较好,其产量较常规施肥增加显著,提高了2.6%。因此,玉米季适量猪厩肥配施氮磷钾化肥,大豆季施用氮磷钾化肥有利于大豆干物质累积与转移,提高产量,效果较好。

        氮素是作物生长发育必需的大量元素之一,是土壤肥力中最活跃的因素,也是决定作物生长、发育、产量和品质形成的最关键元素。研究结果表明,施肥显著提高了大豆各部位吸氮量。化肥区、低量厩肥区、高量厩肥区大豆平均总吸氮量分别为142.2、256.6和235.7 kg/hm2,其中M1NPK处理大豆总吸氮量最高,与其他处理相比增加了11.7%~359.4%,这主要是由于玉米季长期施用猪厩肥可培肥土壤,对大豆季植株吸收肥料氮有一定的促进作用,均衡施肥的效果更突出。此外,大豆生长过程中氮素发生转移,到收获期籽粒含氮量达到峰值,各施肥处理中大豆各部位吸氮量总体趋势为:籽粒 > 荚皮 > 茎叶。王凤仙等研究发现,长期施用氮肥可改善大豆的生长状况,提高干物质积累量,改善大豆产量构成因子[33],显著提高各部位氮素含量[34]。大豆植株氮素含量与施氮量、土壤肥力、配施肥料种类及含量等因素有关。适当地补充氮素,大豆生物量、单株荚数和粒数均有所增加,而过量施用氮肥大豆产量增加不显著,同时限制了大豆的固氮能力[33]。渭北旱塬冬小麦研究发现,有机无机肥配施处理作物氮素吸收量显著高于单施化肥处理[35]。施肥显著影响大豆对氮素的利用,大豆氮肥利用效率和氮肥表观利用效率均随施氮量的增加而逐渐降低[36]。本研究中,施肥提高了大豆的氮收获指数,以NPK和M1NPK处理最高,均为63.5%。施肥条件下大豆氮素生理效率降低,与CK处理比较,NPK、M1NPK和M2NPK处理分别降低了30.6%、28.1%和36.3%。可见,大豆季不施厩肥,玉米季适量厩肥配施氮磷钾化肥条件下大豆吸氮量和氮收获指数均显著提高,氮素生理效率降低。

      • 硝态氮是旱地农田氮素的主要形态,其移动性较强,在降雨条件下极易随水流失。作物收获期,土壤累积的残留氮绝大部分以NO3-N形态存在[37],累积的硝态氮如不及时被作物吸收利用,容易向下移动造成土壤深层硝态氮累积或进入浅层地下水造成污染。于昕阳等[35]在黄土高原的研究表明,0―200 cm土壤硝态氮累积量随施氮量增加显著增加,氮肥用量越高硝态氮累积量增加的幅度越大。长期有机无机肥配施可促使土壤有效固定更多的硝态氮,从而减少肥料氮以矿质态氮形态的淋溶损失。渭北旱塬雨养条件下,收获期有机无机肥配施处理土壤硝态氮累积残留量显著高于单施化肥处理,增加幅度为13.8%~37.2%[38],施氮量大于150 kg/hm2时显著加剧了0―200 cm土壤硝态氮累积,加大硝态氮淋溶风险[39]。可见,长期大量施肥会造成土壤中硝态氮大量累积,同时促进硝态氮向土壤深层移动,增加氮素损失。本试验中,单施氮肥处理下,大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮较播前显著增加,且各个土层累积量较播前增加;NPK处理下,大豆播前和收获期土壤0―100 cm硝态氮累积量变化不大,这主要是由于氮磷钾化肥配施下大豆长势较好,吸氮量高,收获期残留量少,降低了硝态氮损失。施用厩肥明显影响土壤硝态氮的累积特征,厩肥和化肥配施处理大豆收获期土壤硝态氮累积量较播前降低,且低量厩肥处理各土层硝态氮累积量显著低于单施氮肥处理。与高量厩肥各处理相比,低量厩肥各处理大豆收获期土壤硝态氮含量低于播前的趋势更加显著,平均降低了79.2%;大豆收获期,M1NPK处理0―100 cm土壤硝态氮贮量显著低于各高量厩肥处理,平均降低58.2%。M2NPK处理大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮贮量与N处理差异不显著,但显著高于其他处理。与南镇武等[40]研究类似,有机无机肥配施处理可显著增加收获期土壤硝态氮残留量,且随着有机肥用量的增加呈显著增加的趋势。因此,大豆季不施厩肥,玉米季适量厩肥配施氮磷钾化肥条件下大豆收获期土壤各层硝态氮贮量降低,0―100 cm土壤硝态氮贮量显著降低,可降低硝态氮淋溶损失。

      • 长期施肥棕壤玉米–玉米–大豆轮作体系中,厩肥与化肥配施处理大豆生物量、产量、总吸氮量及各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,且以M1NPK处理最高。M1NPK处理大豆生物量、产量和总吸氮量分别高于其他处理6.1%~133.6%、23.9%~232.5%和11.7%~359.4%。不同施肥措施明显影响0―100 cm土壤硝态氮累积特征,适量厩肥配施化肥可降低大豆收获期土壤0―100 cm硝态氮累积量。与高量厩肥各处理相比,低量厩肥各处理大豆收获期土壤硝态氮含量低于播前的趋势更加明显,平均降低了 79.2%;在大豆收获期,M1NPK 处理 0―100 cm 土壤硝态氮贮量显著低于各高量厩肥处理,平均降低 58.2%。综上可见,在东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系中,玉米季低量厩肥 (13.5 t/hm2) 配施氮磷钾化肥,大豆季仅施用氮磷钾化肥既可提高大豆生物量、产量,促进其氮素吸收,还可降低大豆收获期土壤硝态氮累积量,减少环境风险,是该轮作体系较为合理的施肥方式。

    参考文献 (40)

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