施氮量对半湿润区小麦-玉米轮作系统土壤氮的影响

郭倩倩，朱云鹏，王 霖，党亚爱

(西北农林科技大学理学院/西北农林科技大学水土保持研究所/ 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100)

施用氮肥是提高作物产量和品质的重要措施之一[1]，但长期过量施用氮肥，不仅会造成小麦减产和籽粒品质下降[2]，导致氮肥利用率和肥料增产效益降低[3]，而且会对生态环境构成潜在威胁，直接影响农田系统的可持续利用。研究发现，连续30年的甜菜-小麦轮作试验中，每季施氮量为120 kg·hm-2时，大约12%～15%氮残留在土壤中，8%～12%氮淋溶损失，5%～12%的氮素可能以气体的形式进入大气[4]。矿质氮(硝态氮和铵态氮)是作物根系吸收氮的主要形式，过量施用氮肥可导致硝态氮在小麦根区以下土层无效积累，对生态环境产生负面影响[5]。在小麦连作田中，每年施用氮肥180 kg·hm-2，15年后，100～180 cm土层硝态氮累积量达到601 kg·hm-2；硝态氮受降水或者灌溉影响会不断下移，可渗入400 cm土层以下[6]，最后淋溶到地下水，污染地下水质[7]。因此，合理施氮对作物高产及生态环境的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试点概况

田间定位试验位于陕西省杨陵区的下川口村(北纬34°16′8″，东经108°04′25″，海拔460 m)，该区域属于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温为12.9 ℃，年均降雨量640 mm，约60%的降雨集中在7月-10月份。试验区主要耕作方式为冬小麦-夏玉米轮作，土壤为塿土，试验田为土垫旱耕人为土，0～20 cm耕层土壤容重1.3 g·cm-3，pH 8.1，有机碳含量11.76 g·kg-1，总氮含量1.13 g·kg-1，总磷含量1.06 g·kg-1，总钾含量19.66 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2016年6月-2018年5月夏玉米-冬小麦生长季进行。试验期间的气温、降水、施肥及土壤样品采集时间如图1所示。

试验设置不同施氮量处理，分别为每季作物施氮0 kg·hm-2(N0)、100 kg·hm-2(N100)、200 kg·hm-2(N200)、300 kg·hm-2(N300)和400 kg·hm-2(N400)，小区面积125 m2(10 m × 12.5 m) 。3个重复，共15个小区。夏玉米分别于2016年6月和2017年6月播种，品种为先玉335(Xianyu 335)，种植密度为75 000 株·hm-2；40%氮肥在三叶期施用，十叶期追施60%氮肥，磷肥(P2O560 kg·hm-2)和钾肥(K2O 90 kg·hm-2)于播种前作为基肥一次性施入；同年9月收获后将秸秆机械还田混入土壤。冬小麦分别于2016年10月和2017年10月播种，品种为西农979(Xinong 979)，播种量为300 kg·hm-2；氮肥、磷肥(P2O590 kg·hm-2)和钾肥(K2O 60 kg·hm-2)均于播种前作为基肥一次性施入；次年6月收获后将秸秆机械还田混入土壤。试验均以CO(NH2)2作为氮源，Ca(H2PO4)2·H2O作为磷肥，K2SO4作为钾肥。

1.3 测定项目和方法

分别在冬小麦返青期、拔节期、开花期、成熟期和夏玉米播前(PT)、十叶期(V10)、吐丝期(R1)、成熟期(R6)采集土壤样品。每个小区使用直径为4 cm的螺旋钻随机钻取0～200 cm土样，每20 cm一层；用环刀法采集原状土样，用于测定土壤容重。

土壤硝态氮和铵态氮含量测定：称取5.00 g新鲜土壤，加入1 mol·L-1KCl 溶液50 mL(水土比10∶1)，在摇床内250 r·min-1震荡 30 min，用定性分析滤纸过滤，滤液用AA3连续流动分析仪(Auto Analyzer-Ⅲ，德国，SEAL公司)测定硝态氮和铵态氮含量。土壤全氮含量(TN)的测定采用半微量凯氏法[11]，按下列公式计算相关指标。

土壤全氮储量= 土壤全氮含量×土壤容重×土层深度×100；

土壤硝态氮或铵态氮储量= 土层深度×土壤容重×土壤硝态氮或铵态氮含量×0.1。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel作图，用SPSS 23.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对0～60 cm土层土壤全氮储量的 影响

由表1可以看出，不同施氮量对相同土层土壤全氮储量影响均不显著，但对0～60 cm土壤全氮储量的增量有显著影响，土壤全氮储量增量随施氮量增加而增加，除了N300和N400处理间0～60 cm土壤全氮储量增量差异不显著外，其余氮处理间0～60 cm土壤全氮储量增量间差异均达到显著水平(P<0.05)。与试验前土壤全氮储量相比，两年田间试验后，N0和N100处理的0～60 cm土层土壤全氮储量分别减少180(3.52%)和245(4.75%)kg·hm-2；N200、N300和N400处理土壤全氮储量分别增加288(6.08%)、627 (12.58%)和709(14.89%) kg·hm-2。

向上的箭头表示采样时间，向下的箭头表示施肥时间。

2.2 施氮量对0～200 cm土层土壤硝态氮分布和储量的影响

表1 不同施氮量对土壤全氮储量的影响Table 2 Effect of different nitrogen amount on soil total nitrogen stock kg·hm-2

图2 2016年夏玉米各生育期施氮量对不同土层含量影响Fig.2 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of summer maize in 2016

图3 2017年冬小麦各生育期施氮量对不同土层含量影响Fig.3 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of winter wheat in 2017

图4 2017年夏玉米各生育期施氮量对不同土层含量影响Fig.4 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of summer maize in 2017

图5 2018年冬小麦各生育期施氮量对不同土层含量影响Fig.5 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of winter wheat in 2018

相同生育期图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

图7 冬小麦和夏玉米各生育期储量分布 amount in 100-200 cm soil layer at each growth stage of winter wheat and summer maize

图8 冬小麦夏玉米各生育期0～200 cm 土层储量分布 amount in 0-200 cm soil layer at each growth stage of winter wheat and summer maize

图9 冬小麦夏玉米各生育期施氮量对不同土层含量影响Fig.9 Effects of nitrogen application on in different soil layers during different growth stages of winter wheat and summer maize

图10 冬小麦夏玉米各生育期储量分布 amount in each growth period of winter wheat and summer maize

2.3 施氮量对0～200 cm土壤铵态氮分布和储量的影响

3 讨 论

3.1 施氮量对土壤全氮储量的影响

土壤氮储量可以准确反映施肥措施对土壤氮素积累的影响[12]，Mazzoncini等[13]通过15年长期定位试验发现，小麦-玉米轮作体系中不施氮(N0)、低施氮(N1)、中施氮(N2)、高施氮(N3)处理的0～30 cm土层土壤全氮储量增量分别为-0.68×103、-0.50×103、0.48×103、0.74×103kg·hm-2。在不施用有机肥的情况下，施用氮肥、磷肥可显著降低土壤全氮储量；施用有机肥的情况下，氮磷肥均施土壤全氮储量增加量最大[14]。Tong等[15]研究发现，N、P、K无机肥配合高量有机肥处理的耕层土壤全氮含量最高。本研究在秸秆全部机械还田(12 500～27 272 kg·hm-2·a-1)的条件下，与试验前(2016年6月)相比，试验结束后(2018年6月小麦收获后) 0～60 cm土层N0和N100处理的土壤全氮储量负增加，N200、N300和N400处理的土壤全氮呈正增加；和N0相比较，N100处理0～60 cm土层土壤全氮储量略有下降，N200、N300和N400处理均显著增加，其增量分别为468、807和889 kg·hm-2。其中秸秆是土壤全氮储量增加的主要原因，仅施用氮肥对土壤全氮含量没有显著影响[12]，适量的施氮能显著提高秸秆量，增加土壤有机氮的储量，减少氮以气态形式排放和盐形式流失，从而增加土壤全氮含量和储量[16-17]。因此，秸秆还田配施一定量的氮肥，可以显著增加土壤全氮储量。

3.2 施氮量对0～200 cm土层硝态氮分布和储量的影响

3.3 施氮量对0～200 cm土壤剖面铵态氮分布和储量的影响