• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

潮土小麦–玉米轮作体系氮肥用量阈值及土壤硝态氮年际变化

唐继伟 林治安 李娟 袁亮 徐久凯 田昌玉 温延臣 赵秉强

引用本文:
Citation:

潮土小麦–玉米轮作体系氮肥用量阈值及土壤硝态氮年际变化

    作者简介: 唐继伟E-mail:tangjiwei@caas.cn;
    通讯作者: 赵秉强, E-mail:zhaobingqiang@caas.cn
  • 基金项目: “十三·五”国家重点研发计划项目(2016YFD0200402);国家小麦产业体系德州综合试验站项目(CARS-03-2-25)。

Optimal nitrogen rate and the down movement of soil nitrate nitrogen in wheat-maize rotation system in fluvo-aquic soil

    Corresponding author: ZHAO Bing-qiang, E-mail:zhaobingqiang@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  合理施氮是粮食高产、稳产的重要保证。研究不同施氮水平下作物产量的可持续指数以及土壤硝态氮年际迁移特征,对指导黄淮海地区冬小麦–玉米轮作体系下农田氮肥的合理施用具有重要意义。  【方法】  长期定位试验始建于2006年,设置10个施氮水平:0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2。测定冬小麦和夏玉米产量及土壤剖面 (0—200 cm) 硝态氮含量的年际变化特征。  【结果】  施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量,施肥年限以及施肥年限与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著影响。施N 0~240 kg/hm2的处理,小麦、玉米产量随施氮量的增加逐渐增加;施N 300~600 kg/hm2的处理作物产量基本稳定,处理间差异不显著 (P > 0.05)。施氮能显著提高冬小麦产量的可持续性指数 (P < 0.05),但对夏玉米产量的可持续指数影响较小。随着施氮量增加,土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势,且施N量低于300 kg/hm2时,0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平,施氮量超过300 kg/hm2后,土壤硝态氮含量显著增加。另外,随着试验年限的延长,土壤硝态氮累积峰逐渐下移,2008、2011和2017年土壤硝态氮含量峰值分别在40—60 cm、80—120 cm和80—160 cm。  【结论】  黄淮海盐化潮土区,冬小麦–夏玉米轮作制度下氮合理用量在冬小麦上的阈值为240 kg/hm2、在夏玉米上的阈值为180 kg/hm2,在此氮肥用量下,长期施肥既可保证作物 (小麦、玉米) 稳产,又不会显著增加土壤硝态氮残留及向下迁移。
  • 图 1  不同施氮水平土壤剖面0—200 cm土壤硝态氮分布 (2008、2011和2017年)

    Figure 1.  NO3-N distribution in 0–200 cm soil depths under different nitrogen rates in 2008, 2011 and 2017

    表 1  长期定位试验土壤基本理化性状

    Table 1.  Soil physico-chemical properties under long-term fertilization regimes

    土层 (cm)
    Soil layer
    电导率 (μS/cm)
    EC
    pH容重 (g/cm3)
    Bulk density
    有机碳 (g/kg)
    SOC
    硝态氮 (mg/kg)
    NO3-N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    0—20158.78.41.439.010.216.3108.6
    20—40266.08.51.385.416.26.569.9
    40—60529.08.21.357.939.03.653.4
    60—80469.08.31.397.522.54.255.0
    80—100328.08.51.345.713.94.540.9
    100—120212.08.71.325.22.54.142.0
    120—140205.08.71.324.72.23.940.8
    140—160212.08.71.364.903.942.4
    160—180237.08.71.375.505.039.3
    180—200212.08.91.418.604.736.4
    下载: 导出CSV

    表 2  2006—2013 年不同施氮水平下小麦、玉米平均产量及产量可持续指数

    Table 2.  Average yield and sustainable yield index (SYI) of winter wheat and summer maize affected by nitrogen rate during 2006‒2013

    处理
    Treatment
    小麦 Winter wheat夏玉米 Summer maize
    产量 (t/hm2)
    Yield
    产量变异系数 (%)
    CV for yield
    可持续性指数
    SYI
    产量 (t/hm2)
    Yield
    产量变异系数 (%)
    CV for yield
    可持续性指数
    SYI
    N03.07 d42.90.305.96 c14.10.74
    N605.14 c12.100.717.97 b11.50.75
    N1206.30 b7.080.858.41 a14.50.72
    N1806.55 b7.150.858.67 a14.00.71
    N2406.72 ab6.670.878.68 a15.30.69
    N3006.84 a7.630.868.85 a17.90.67
    N3606.62 b7.120.878.63 a16.20.68
    N4206.66 b7.180.888.49 a20.10.63
    N5006.52 b8.360.868.51 a20.20.61
    N6006.65 b12.060.768.40 a15.00.69
    LSD (0.05)0.5380.0660.7370.063
    LSD (0.01)0.7340.0901.0050.086
    ANOVA (P > F)
    施氮量 N rate (N)< 0.0001< 0.0001
    试验年限 Year (Y)< 0.0001< 0.0001
    N × Y< 0.0001< 0.0001
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at 5% level. CV—Coefficient of variation; SYI—Sustainable yield index.
    下载: 导出CSV
  • [1] 巨晓棠, 谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 783–795. Ju X T, Gu B J. Status, problems and trends of nitrogen fertilizer application in farmland in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2014, 20(4): 783–795. doi:  10.11674/zwyf.2014.0401
    [2] 蔡祖聪, 颜晓元, 朱兆良. 立足于解决高投入条件下的氮污染问题[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(1): 1–6. Cai Z C, Yan X Y, Zhu Z L. Solving the problem of nitrogen pollution under high input conditions[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2014, 20(1): 1–6. doi:  10.11674/zwyf.2014.0101
    [3] Tilman D, Fargione J, Wolff B G, et al. Forecasting agriculturally driven global environmental change[J]. Science, 2001, 292(5515): 281–284. doi:  10.1126/science.1057544
    [4] 于飞, 施卫明. 近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析[J]. 土壤学报, 2015, 52(6): 1311–1324. Yu F, Shi W M. Analysis on the utilization rate of nitrogen fertilizer in the main food crops in mainland China in the past 10 years[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(6): 1311–1324.
    [5] 马文奇, 毛达如, 张福锁. 山东省粮食作物施肥状况评价[J]. 土壤通报, 1999, 30(5): 17–20. Ma W Q, Mao D R, Zhang F S. Evaluation on the fertilization in Shandong province in China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1999, 30(5): 17–20.
    [6] 唐慎欣. 小麦-玉米种植体系中养分资源利用规律及平衡研究[D]. 山东泰安: 山东农业大学硕士学位论文, 2012.

    Tang S X. Study on soil nutrient resource and nutrient balance of wheat-maize rotation[D]. Tai'an, Shandong: MS Thesis of Shangdong Agricultural University, 2012.
    [7] 巨晓棠, 张福锁. 中国北方土壤硝态氮的累积及其对环境的影响[J]. 生态环境, 2003, (1): 24–28. Ju X T, Zhang F S. Nitrate accumulation and its implication to environment in north China[J]. Ecology and Environment, 2003, (1): 24–28.
    [8] 朱兆良. 中国土壤氮素研究[J]. 土壤学报, 2008, 45(5): 778–783. Zhu Z L. Research on soil nitrogen in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 778–783. doi:  10.3321/j.issn:0564-3929.2008.05.003
    [9] Zhu Z L, Chen D L. Nitrogen fertilizer use in China–Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63: 117–127. doi:  10.1023/A:1021107026067
    [10] 李娟, 长期不同施肥制度土壤微生物学特性及其季节变化[D]. 北京: 中国农业科学院博士论文, 2008.

    Li Juan. Studies on soil microbial properties and their seasonal variations of different long-term fertilization regimes[D]. Beijing: PhD dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2008.
    [11] 林治安, 赵秉强, 袁亮, 等. 长期定位施肥对土壤养分与作物产量的影响[J]. 中国农业科学, 2009, 42(8): 2809–2819. Lin Z A, Zhao B Q, Yuan L, et al. Effects of organic manure and fertilizers long-term located application on soil fertility and crop yield[J]. Scientia Agricultura Sinica,, 2009, 42(8): 2809–2819. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2009.08.021
    [12] 陈欢, 曹承富, 孔令聪, 等. 长期施肥下淮北砂姜黑土区小麦产量稳定性研究[J]. 中国农业科学, 2014, 47(13): 2580–2590. Chen H, Cao C F, Kong L C, et al. Study on wheat yield stability in Huaibei lime concretion black soil area based on long-term fertilization experiment[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(13): 2580–2590. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2014.13.010
    [13] 孙克刚, 李锦辉, 姚健, 等. 不同施肥处理对作物产量及土体NO3-N累积的长期定位试验[J]. 中国土壤与肥料, 1999, (6): 18–20. Sun K G, Li J H, Yao J, et al. Long-term localization experiment of NO3-N accumulation in soil and crop yield under different fertilization treatments[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 1999, (6): 18–20. doi:  10.3969/j.issn.1673-6257.1999.06.005
    [14] 杨军, 陈新平, 张福锁, 等. 应用长期定位试验研究化肥施用的能量效率[J]. 中国农业大学学报, 2003, 8(3): 31–36. Yang J, Chen X P, Zhang F S. Effect of mineral fertilizer application on energy efficiency in a long-term experiment[J]. Journal of China Agricultural University, 2003, 8(3): 31–36. doi:  10.3321/j.issn:1007-4333.2003.03.008
    [15] 张玉铭, 张佳宝, 胡春胜. 水肥耦合对华北高产农区小麦–玉米产量和土壤硝态氮淋失风险的影响[J]. 中国农业生态学报, 2011, 19(3): 532–539. Zhang Y M, Zhang J B, Hu C S. Effect of fertilization and irrigation on wheat-maize yield and soil nitrate nitrogen leaching in high yield agricultural region in North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(3): 532–539. doi:  10.3724/SP.J.1011.2011.00532
    [16] 李瑞奇, 李雁鸣, 何建兴. 施氮量对冬小麦氮素利用和产量的影响[J]. 麦类作物学报, 2011, 31(2): 270–275. Li R Q, Li Y M, He J X. Effect of nitrogen application rate on nitrogen utilization and grain yield of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2011, 31(2): 270–275.
    [17] 冯波, 孔令安, 张宜. 施氮量对垄作小麦氮肥利用率和土壤硝态氮含量的影响[J]. 作物学报, 2012, 38(6): 1107–1114. Feng B, Kong L A, Zhang B. Effect of nitrogen application level on nitrogen use efficiency in wheat and soil nitrate-N content under bed planting condition[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(6): 1107–1114.
    [18] 孟维伟, 王东, 于振文. 施氮量对小麦氮代谢相关酶活性和子粒蛋白质品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(1): 10–17. Meng W W, Wang D, Yu Z W. Effects of nitrogen fertilization on activities of nitrogen metabolism related enzymes and grain protein quality of wheat[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2012, 18(1): 10–17. doi:  10.11674/zwyf.2012.11065
    [19] 温延臣, 李海燕, 袁亮, 等. 长期定位施肥对潮土剖面养分分布的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(21): 4460–4469. Wen Y C, Li H Y, Yuan L, et al. Effect of long-term fertilization on nutrient distribution of fluvo-aquic soil profile[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(21): 4460–4469. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.014
    [20] 樊军, 郝明德, 党廷辉. 旱地长期定位施肥对土壤剖面硝态氮分布与累积的影响[J]. 生态与环境, 2000, 9(1): 23–26. Fan J, Hao M D, Dang T H. Distribution and accumulation of NO3--N in soil profile of long-term located fertilizer experiment[J]. Soil and Environmental Sciences, 2000, 9(1): 23–26. doi:  10.3969/j.issn.1674-5906.2000.01.006
    [21] 薛晓辉, 郝明德. 小麦氮磷肥长期配施对土壤硝态氮淋溶的影响[J]. 中国农业科学, 2009, 42(3): 918–925. Xue X H, Hao M D. Nitrate-N leaching in 23-year winter wheat field combined with application of nitrogen and phosphorus[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(3): 918–925. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2009.03.021
  • [1] 聂兆君秦世玉刘红恩赵鹏吴香婷高巍李畅张雯雯睢福庆 . 氮锌配施对冬小麦产量及土壤氮素转化相关酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(3): 431-441. doi: 10.11674/zwyf.19207
    [2] 翟明振胡恒宇宁堂原张海依徐琳尹晓燕 . 盐碱地玉米产量及土壤硝态氮对深松耕作和秸秆还田的响应. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(1): 64-73. doi: 10.11674/zwyf.19026
    [3] 张平良郭天文刘晓伟李书田曾骏谭雪莲董博 . 密度和施氮量互作对全膜双垄沟播玉米产量、氮素和水分利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(4): 579-590. doi: 10.11674/zwyf.18128
    [4] 任佰朝范霞董树亭刘鹏赵斌张吉旺 . 种植密度和施氮量对不同株高夏玉米产量和氮素利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(2): 269-277. doi: 10.11674/zwyf.16127
    [5] 董强吴得峰党廷辉郭胜利 . 黄土高原南部不同减氮模式对春玉米产量及土壤硝态氮残留的影响. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(4): 856-863. doi: 10.11674/zwyf.16484
    [6] 蒋耿民李援农*周乾 . 不同揭膜时期和施氮量对陕西关中地区夏玉米生理生长、产量及水分利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(5): 1065-1072. doi: 10.11674/zwyf.2013.0505
    [7] 隽英华汪仁孙文涛邢月华 . 基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(5): 1248-1256. doi: 10.11674/zwyf.2013.0526
    [8] 徐凤娇赵广才田奇卓常旭虹杨玉双王德梅刘鑫 . 施氮量对不同品质类型小麦产量和加工品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(2): 300-306. doi: 10.11674/zwyf.2012.11069
    [9] 曹胜彪张吉旺董树亭刘鹏赵斌杨今胜 . 施氮量和种植密度对高产夏玉米产量和氮素利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(6): 1343-1353. doi: 10.11674/zwyf.2012.12135
    [10] 曹小闯吴良欢陈贤友韩科峰 . 氨基酸部分替代硝态氮对小白菜产量、品质及根际分泌物的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(3): 699-705. doi: 10.11674/zwyf.2012.11366
    [11] 吕鹏张吉旺刘伟杨今胜苏凯刘鹏董树亭李登海 . 施氮量对超高产夏玉米产量及氮素吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(4): 852-860. doi: 10.11674/zwyf.2011.0468
    [12] 张宏周建斌刘瑞张鹏郑险峰李生秀 . 不同栽培模式及施氮对半旱地冬小麦/夏玉米氮素累积、分配及氮肥利用率的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 1-8. doi: 10.11674/zwyf.2011.0101
    [13] . 施氮量对杂交棉光合生理特性及产量、品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(5): 1183-1189. doi: 10.11674/zwyf.2010.0519
    [14] 孙虎李尚霞王月福王铭伦 . 施氮量对不同花生品种积累氮素来源和产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 153-157. doi: 10.11674/zwyf.2010.0122
    [15] 蒋会利温晓霞廖允成 . 施氮量对冬小麦产量的影响及土壤硝态氮运转特性. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 237-241. doi: 10.11674/zwyf.2010.0136
    [16] 钱银飞张洪程李杰吴文革郭振华陈烨张强戴其根霍中洋许轲 . 施氮量对机插杂交粳稻徐优403产量品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(3): 522-528. doi: 10.11674/zwyf.2009.0305
    [17] 易镇邪王璞屠乃美 . 夏播玉米根系分布与含氮量对氮肥类型与施氮量的响应 . 植物营养与肥料学报, 2009, 15(1): 91-98. doi: 10.11674/zwyf.2009.0113
    [18] 赵俊晔于振文李延奇王雪 . 施氮量对土壤无机氮分布和微生物量氮含量及小麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(4): 466-472. doi: 10.11674/zwyf.2006.0402
    [19] 林琪侯立白韩伟 . 不同肥力土壤下施氮量对小麦子粒产量和品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(6): 561-567. doi: 10.11674/zwyf.2004.0601
    [20] 叶优良包兴国宋建兰孙建好李隆张福锁李庆江周丽莉 . 长期施用不同肥料对小麦玉米间作产量、氮吸收利用和土壤硝态氮累积的影响. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(2): 113-119. doi: 10.11674/zwyf.2004.0201
  • 加载中
图(1)表(2)
计量
  • 文章访问数:  89
  • HTML全文浏览量:  50
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-09
  • 网络出版日期:  2021-01-21
  • 刊出日期:  2020-12-25

潮土小麦–玉米轮作体系氮肥用量阈值及土壤硝态氮年际变化

    作者简介:唐继伟E-mail:tangjiwei@caas.cn
    通讯作者: 赵秉强, zhaobingqiang@caas.cn
  • 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 基金项目: “十三·五”国家重点研发计划项目(2016YFD0200402);国家小麦产业体系德州综合试验站项目(CARS-03-2-25)。
  • 摘要:   【目的】  合理施氮是粮食高产、稳产的重要保证。研究不同施氮水平下作物产量的可持续指数以及土壤硝态氮年际迁移特征,对指导黄淮海地区冬小麦–玉米轮作体系下农田氮肥的合理施用具有重要意义。  【方法】  长期定位试验始建于2006年,设置10个施氮水平:0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2。测定冬小麦和夏玉米产量及土壤剖面 (0—200 cm) 硝态氮含量的年际变化特征。  【结果】  施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量,施肥年限以及施肥年限与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著影响。施N 0~240 kg/hm2的处理,小麦、玉米产量随施氮量的增加逐渐增加;施N 300~600 kg/hm2的处理作物产量基本稳定,处理间差异不显著 (P > 0.05)。施氮能显著提高冬小麦产量的可持续性指数 (P < 0.05),但对夏玉米产量的可持续指数影响较小。随着施氮量增加,土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势,且施N量低于300 kg/hm2时,0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平,施氮量超过300 kg/hm2后,土壤硝态氮含量显著增加。另外,随着试验年限的延长,土壤硝态氮累积峰逐渐下移,2008、2011和2017年土壤硝态氮含量峰值分别在40—60 cm、80—120 cm和80—160 cm。  【结论】  黄淮海盐化潮土区,冬小麦–夏玉米轮作制度下氮合理用量在冬小麦上的阈值为240 kg/hm2、在夏玉米上的阈值为180 kg/hm2,在此氮肥用量下,长期施肥既可保证作物 (小麦、玉米) 稳产,又不会显著增加土壤硝态氮残留及向下迁移。

    English Abstract

    • 氮肥在我国农业生产中发挥了重要作用,特别是在作物生产和品质形成中起着关键作用[1]。我国氮肥 (纯氮) 施用量从1978年至2008年增加了3.58倍,平均每年增加约7.8 × 105 t[2],而世界氮肥需求量预计到2050年将从目前的1亿吨增长到2.36亿吨[3],21世纪初我国农田氮素投入总量为34.22 × 106 t,农田氮素支出总量为31.57 × 106 t,农田氮素处于盈余状态,盈余总量为2.65 × 106 t[4]。随着氮肥长期过量投入,其负面效应也逐渐凸现出来,过量施氮不仅会造成氮素资源浪费、降低氮素的利用效率,而且会造成土壤理化性状恶化、污染农业环境。如何在保证粮食高产优质前提下降低氮肥投入、减少农业对环境的污染,实现农业由资源消耗型向资源高效型转变,是目前我国实现“化肥零增长”及农业可持续发展的重大科学问题。合理施用氮肥特别是化学氮肥是当今世界作物生产中获得较高目标产量的关键措施[1]。因此,研究不同施氮量对粮食主产区黄淮海地区主要粮食作物小麦–玉米产量及环境的影响在农业生产中的意义重大。

      黄淮海平原是我国重要的粮食生产基地,2011年小麦玉米的播种面积分别占全国总播种面积的47.3%和23.5%,小麦和玉米产量占全国总产量的56.1%和28.5%。本地区冬小麦–夏玉米轮作体系下氮肥施用一直是研究热点。1999年马文奇等[5]对山东省1046个农户施肥调查结果显示,小麦季化肥氮用量平均为N 280 kg/hm2,玉米季为208.5 kg/hm2;2012年唐慎欣[6]通过458份调查样本数发现,山东省小麦平均施N量为253 kg/hm2,但施N量超过250 kg/hm2的样本数占52.4%,玉米平均施氮量为N 243 kg /hm2,超过250 kg/hm2的样本数为44.9%。在我国集约化农业区,大田作物氮肥的年施用量已达到N 450~600 kg/hm2[7]。农田过量氮肥施用导致的土壤、地下水、大气等环境问题日益显现[8-9]。虽然氮肥用量对小麦、玉米产量及硝态氮淋溶研究很多,但研究时间大多为1~3年,且由于施氮量处理较少 (包括不施肥在内,一般只有5个水平),研究的最高施氮量大多不超过360 kg/hm2,不能说明长期高施氮量对作物产量及环境的影响。

      因此,在黄淮海平原,研究长期不同施氮量对作物产量、产量可持续性指数以及土壤硝态氮迁移的影响,可以为该区域的氮素管理提供科学依据,以实现该地区小麦、玉米生产的高产高效和环境安全。

      • 长期定位试验始于2006年10月,位于山东省德州市陵县佟家寨村 (北纬37º20′,东经116º38′),为中国农业科学院德州实验站陵县试验基地所在地。该区位于黄淮海平原中心地带,为黄淮海平原的典型农业带,海拔21.36 m,属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区,四季分明,日照时数长,光照强度大。试验区域种植体系为一年两熟、冬小麦–夏玉米轮作,土壤类型为盐化潮土,盐渍化学类型以硫酸盐–氯化物盐土为主,土壤质地为轻壤土,土壤基本理化性状见表1

        表 1  长期定位试验土壤基本理化性状

        Table 1.  Soil physico-chemical properties under long-term fertilization regimes

        土层 (cm)
        Soil layer
        电导率 (μS/cm)
        EC
        pH容重 (g/cm3)
        Bulk density
        有机碳 (g/kg)
        SOC
        硝态氮 (mg/kg)
        NO3-N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        0—20158.78.41.439.010.216.3108.6
        20—40266.08.51.385.416.26.569.9
        40—60529.08.21.357.939.03.653.4
        60—80469.08.31.397.522.54.255.0
        80—100328.08.51.345.713.94.540.9
        100—120212.08.71.325.22.54.142.0
        120—140205.08.71.324.72.23.940.8
        140—160212.08.71.364.903.942.4
        160—180237.08.71.375.505.039.3
        180—200212.08.91.418.604.736.4
      • 冬小麦和夏玉米均设10个施N水平:0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2,分别记作N0、N60、N120、N180、N240、N300、N360、N420、N500和N600处理,各处理随机区组设计,3次重复,小区面积为25 m2。冬小麦每年10月上、中旬播种,次年6月上、中旬收获,全生育期为220~250天;夏玉米于冬小麦收获后播种,当年10月上、中旬收获。冬小麦、夏玉米各处理60%的氮肥和全部磷、钾肥做基肥,余下的40%氮肥冬小麦在拔节期,夏玉米在大喇叭口期追施。供试化肥为尿素 (N 46.4%)、磷酸二铵 (N 18%、P2O5 46%) 和硫酸钾 (K2O 50%)。冬小麦、夏玉米每季作物收获后,作物秸秆均不还田。田间管理同当地常规栽培模式。

      • 每年小麦、玉米收获时,除去保护行,按小区实收产量计算产量。产量可持续性指数 (SYI)[10]

        $ {\rm{SYI = }}\left( {{\rm{Yield - STD}}} \right){\rm{/Yiel}}{{\rm{d}}_{{\rm{max}}}} $

        式中,Yield为作物的平均产量;STD为作物产量的标准差;Yieldmax为作物的最高产量。

        在2008、2011及2017年玉米收获后,用2米土钻原位采集0—200 cm土壤剖面样品,土壤样品取出后土层间隔20 cm分别保存。取相当于10.0 g干重的新鲜土样于150 mL塑料瓶中,加入100 mL 1 mol/L KCl溶液,震荡60 min,用定量分析滤纸过滤后,用双通道流动分析仪 (FOSS TECATOR,FIAstar 5000) 测定土壤硝态氮含量。

      • 测定数据采用SAS软件进行施肥量、年份及二者之间的双因素方差统计分析及最小二插值法差异性分析 (LSD,P < 0.05),利用Microsoft Excel 2003进行数据处理及作图。

      • 在黄淮海平原盐化潮土区,施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系的作物产量,年份、年份与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著影响 (P < 0.01)。

        表2显示,2006~2013年7季小麦平均产量由N0处理的3.07 t/hm2显著提高到N300处理的6.84 t/hm2,但N240与N300处理间差异不显著,当施氮量超过300 kg/hm2时,小麦产量明显降低,N360、N420、N500、N600处理间产量无显著差异,与N240处理也无显著差异。N0处理小麦产量的变异系数为42.9%,显著高于施氮处理的6.67%~12.1%。N0处理7季玉米的平均产量为5.96 t/hm2,施用氮肥则显著提高了玉米产量,N300处理产量达到最高,为8.85 t/hm2,但是与施氮量 ≥ 120 kg/hm2的其他施氮处理无显著性差异 (P < 0.05)。不论是否施氮,玉米产量的波动性均不高,10个处理的玉米产量变异系数在11.5%~20.0%之间。

        表 2  2006—2013 年不同施氮水平下小麦、玉米平均产量及产量可持续指数

        Table 2.  Average yield and sustainable yield index (SYI) of winter wheat and summer maize affected by nitrogen rate during 2006‒2013

        处理
        Treatment
        小麦 Winter wheat夏玉米 Summer maize
        产量 (t/hm2)
        Yield
        产量变异系数 (%)
        CV for yield
        可持续性指数
        SYI
        产量 (t/hm2)
        Yield
        产量变异系数 (%)
        CV for yield
        可持续性指数
        SYI
        N03.07 d42.90.305.96 c14.10.74
        N605.14 c12.100.717.97 b11.50.75
        N1206.30 b7.080.858.41 a14.50.72
        N1806.55 b7.150.858.67 a14.00.71
        N2406.72 ab6.670.878.68 a15.30.69
        N3006.84 a7.630.868.85 a17.90.67
        N3606.62 b7.120.878.63 a16.20.68
        N4206.66 b7.180.888.49 a20.10.63
        N5006.52 b8.360.868.51 a20.20.61
        N6006.65 b12.060.768.40 a15.00.69
        LSD (0.05)0.5380.0660.7370.063
        LSD (0.01)0.7340.0901.0050.086
        ANOVA (P > F)
        施氮量 N rate (N)< 0.0001< 0.0001
        试验年限 Year (Y)< 0.0001< 0.0001
        N × Y< 0.0001< 0.0001
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at 5% level. CV—Coefficient of variation; SYI—Sustainable yield index.

        可持续性产量指数越高,作物产量越稳定。表2显示,施氮对冬小麦产量的可持续性指数高于对夏玉米的影响。N0处理小麦产量的可持续性指数仅为0.30,N60处理提高到0.71,N420处理最高 (为0.88),N600略有降低 (为0.76)。玉米产量的可持续性指数基本维持在0.70左右,这可能与夏玉米生育期间温度高、降水量大,土壤养分有效性高,产量可持续性对氮肥的响应较小有关。

      • 图1表明,施用化学氮肥可显著提高作物收获后土壤硝态氮残留量,且随着施氮量增加,土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势。2008年10月,N0~N300处理0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平,< 50 mg/kg;而N360~N600处理在0—120 cm土层的硝态氮含量显著增加到低氮处理的4.27~8.70倍,而在120—200 cm土层不同处理间硝态氮含量差异较小。2011年10月玉米收获后,除N60处理外,其他施氮处理的0—200 cm土壤硝态氮含量均显著高于N0处理,且随着施氮量增加,硝态氮含量逐渐增加。与2008年结果相似,施N量低于300 kg/hm2的处理硝态氮含量随土层加深变化不明显,当施N量为300 kg/hm2 (N300处理) 时,40—140 cm土层硝态氮含量为0—200 cm土层总硝态氮含量的64.87%;当施N量大于300 kg/hm2时,土壤硝态氮含量显著增加,且随土层深度的增加呈现先升高后降低的趋势。历年硝态氮平均值结果显示,随着施氮年份的增加,土壤硝态氮平均值逐年增加。2017年与2008、2011年相比,当施N量小于240 kg/hm2时,各土层平均硝态氮含量差异不明显,而当施氮量大于300 kg/hm2时各土层的硝态氮平均含量增加了约1~2倍。另外,随着试验年限的延长,土壤硝态氮含量峰值有所下移,2008、2011和2017年分别在40—60 cm、80—120 cm和80—160 cm之间 (图1)。

        图  1  不同施氮水平土壤剖面0—200 cm土壤硝态氮分布 (2008、2011和2017年)

        Figure 1.  NO3-N distribution in 0–200 cm soil depths under different nitrogen rates in 2008, 2011 and 2017

        在160—200 cm土层,2008年10月份施氮处理的硝态氮含量平均为27.14 mg/kg,N500处理为35 mg/kg;2011年10月份,施氮处理的土层硝态氮含量平均为37.91 mg/kg,N500处理的增加到72.4 mg/kg,约为2008年的2倍;到2017年10月份,施氮处理的平均值为43.05 mg/kg,N500处理的值达到82.88 mg/kg,是2008年同层次土壤硝态氮含量的2.37倍。这表明随着施肥年限的增加,各处理土壤硝态氮含量平均值呈逐渐增加趋势。

      • 长期定位施肥人为定向培育了不同的土壤肥力条件,对于研究长期施肥对土壤中环境的变化以及作物生产力等方面的研究具有重大的意义[10-11],利用长期定位试验研究不同施肥模式下作物产量稳定性的差异,能克服气候年变化等不稳定因素造成的影响[12]。本研究表明,施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量,年份间、年份与施肥间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著的影响。在施N 0~300 kg/hm2范围内,小麦产量随施氮量的增加逐渐增加,而当超过300 kg/hm2后,产量显著降低,而处理间产量没有显著差异。除施N量过低的N60处理外,施氮均可显著提高玉米产量,但各施氮量之间差异不显著 (P > 0.05)。施氮可显著降低小麦和玉米产量的变异系数,提高产量的可持续指数 (表2)。孙克刚等[13]在褐土区的19年长期定位试验结果表明,氮磷或氮磷钾化肥以适宜用量和比例配合施用可使小麦、玉米高产、稳产,产量变异系数小。说明不施肥条件下作物的抗逆性较差,产量容易造成大幅波动,而施肥则可有效降低产量变异系数、提高产量可持续性指数值,进而降低环境、生物与人为因素等对产量的影响[14]

        总体而言,根据黄淮海地区小麦产量对施氮量的响应可以看出,虽然该地区不同地方地力条件有差异,但小麦的施N阈值均约在200~240 kg/hm2之间。如张玉铭等[15]于2008~2010期间在黄淮海平原中南部的研究显示,施氮量为220 kg/hm2时小麦产量最高;李瑞奇等[16]于2008~2009年在河北省藁城市和清苑县的研究表明,施氮量在240 kg/hm2时小麦穗数、穗粒数达到最高;冯波等[17]于2008~2010年在山东淄博的结果表明,施氮量在264 kg/hm2时,小麦的生物产量和籽粒产量最高,平作和垄作均表现如此;孟维伟等[18] 于2003~2004年在山东龙口的试验表明,施N 276 kg/hm2时小麦公顷穗数和穗粒数最多,显著提高了籽粒产量。本试验中,虽然小麦的最高产量的施氮量为300 kg/hm2,但是其与240 kg/hm2的产量差异不显著。

        NO3--N是农田较为活跃的氮素形态,农田土壤硝态氮淋洗是氮肥损失的重要途径之一,是导致地下水硝酸盐污染的重要原因[8]。Zhu等[9]研究发现,不同年份和试验条件下化肥氮的淋失率的变幅很大,约在1%~19%,平均为2%。硝态氮淋失受施氮量、灌溉、降水、温度等多种因素的影响。大量研究表明,随施氮量增加,各土层NO3-N含量显著增加,施氮量增加使NO3-N淋洗损失的可能增大[16, 19]。本研究发现,在黄淮海地区随着施氮量增加,土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势,且施N量低于300 kg/hm2时,0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平,当超过300 kg/hm2时土壤硝态氮含量显著增加,且随着施肥年限的增加而增加。当连续施氮500 kg/hm2 11年后,0—200 cm土体硝态氮含量的平均值为79.5 mg/kg,是N240处理的平均值的6.57倍,是当地长期施N 180~225 kg/hm2的土体硝态氮含量 (21.1 mg/kg)[19]的3.77倍。本试验还表明,随着定位试验的进行,土壤硝态氮含量峰值所处的土层逐渐下降,由2008年的60 cm,逐渐下降到2011年的100 cm,直至2017年的120 cm左右。樊军等[20]也发现,施氮过量时硝态氮在140 cm土层附近累积。薛晓辉和郝明德[21]报道,小麦连续施用N 180 kg/ (hm2·yr) 23年后,已经在100—120 cm和240—260 cm出现了两个硝态氮累积峰。如果在地下水位较低的华北地区,硝态氮可能大量进入地下水中,造成不可挽回的环境损害。

        本研究中,长期定位施肥11年后,该地区冬小麦在施肥量240 kg/hm2、夏玉米在施肥量120 kg/hm2产量不再增加;在施肥量为240 kg/hm2时,冬小麦–夏玉米轮作体系土壤剖面硝态氮含量差异不显著。因此,综合考虑作物养分吸收率及土壤培肥等因素,氮肥施用阈值分别为冬小麦240 kg/hm2、夏玉米180 kg/hm2

      • 在黄淮海平原潮土区,施氮肥显著提高冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量,施肥年限、施肥年限与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著的影响 (P < 0.01)。小麦–玉米轮作体系下,维持小麦玉米高产稳产的氮肥施用阈值为每季小麦施N 240 kg/hm2、玉米180 kg/hm2。在此氮肥用量阈值下,长期施肥不会显著增加土壤硝态氮的残留和向下的迁移与聚集。

    参考文献 (21)

    目录

      /

      返回文章
      返回