華北平原不同種植制度對(duì)糧食作物氮素利用和土壤氮庫的影響

　　摘要：冬小麥-夏玉米一年兩熟是華北平原糧食作物的主要種植制度，存在氮肥利用率低、土壤氮素過量累積問題。為探索華北平原氮素高效利用的適宜種植制度，采用15N示蹤技術(shù)，基于3a田間定位試驗(yàn)，對(duì)一年兩熟冬小麥-夏玉米的常規(guī)水氮和優(yōu)化水氮、兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米與冬小麥-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3種種植制度的作物產(chǎn)量、15N利用率、氮素去向和土壤氮庫表觀平衡進(jìn)行研究。結(jié)果表明，兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產(chǎn)量為32248.52kg/hm2，分別比一年兩熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.36%，比一年一熟提高26.12%。3種種植制度的氮肥去向最高為土壤殘留，其次為作物吸收和損失，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高為151.82kg/hm2，土壤氮庫表觀盈余量為21.22kg/hm2，顯著低于其他種植制度。綜合分析，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟在穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和提高氮素利用率上具有可持續(xù)的潛力，是華北平原未來較為理想的種植制度。

　　關(guān)鍵詞：作物；土壤；氮；種植制度；華北平原

　　0引言

　　20世紀(jì)70年代以來，華北平原為了增加糧食產(chǎn)量，種植制度主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟。該種植制度雖然有效緩解了人口增加帶來的糧食短缺問題，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)與環(huán)境危機(jī)[1]。其中，氮肥過量施用且利用效率低，平均氮素回收率僅為16%～18%，由此造成土壤氮素累積、地下及地表水質(zhì)污染等問題尤為突出[2-3]。另外，華北平原在冬小麥生育期降水少，產(chǎn)量受降雨和灌溉限制較大。冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)每年畝需水量800～900mm[4-5]，小麥季降水只能滿足作物需水量的40%左右，70%左右的水分需要地下水供應(yīng)，造成10a內(nèi)地下水位平均下降10m。因此，探索水、氮素高效利用的種植制度是緩解華北平原生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)地概況

　　本試驗(yàn)于2010－2013年在河北省邯鄲市農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗(yàn)基地（36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E）進(jìn)行。試驗(yàn)地位于河北省南部太行山東麓海河平原的黑龍港流域，曲周縣地處東經(jīng)之間，平均海拔39.6m，地下水埋深10～20m。該地區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬春季寒冷干燥，夏季溫暖多雨，年平均氣溫13.4°C，全年無霜期約201d，2010―2013年年均降水量為490.9mm，主要集中于6—9月。供試土壤為潮褐土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1.2.1試驗(yàn)處理

　　試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積30m×60m，小區(qū)間保護(hù)行2m，區(qū)組間保護(hù)行5m。5個(gè)處理：1）冬小麥-夏玉米一年兩熟常規(guī)的種植制度（ControlW-M），冬小麥播種前翻耕15～20cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈不還田，常規(guī)水肥管理；2）冬小麥-夏玉米一年兩熟優(yōu)化管理的種植制度（OptimizedW-M），冬小麥播種前翻耕15～20cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈還田，優(yōu)化施肥，節(jié)水灌溉；3）冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟優(yōu)化管理的種植制度（W-M-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20cm后種植冬小麥，冬小麥?zhǔn)斋@后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，每季作物均秸稈還田，優(yōu)化水肥管理，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物春玉米；4）冬小麥-夏大豆-春玉米兩年三熟優(yōu)化管理的種植制度（W-B-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20cm后種植冬小麥，冬小麥?zhǔn)斋@后打麥茬1～2遍貼茬播種夏大豆，每季作物均秸稈還田，優(yōu)化水肥管理，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物春玉米；5）春玉米一年一熟優(yōu)化管理的種植制度（SM），一年種植一季作物春玉米，秸稈還田。每個(gè)處理經(jīng)過一個(gè)輪作周期后，再繼續(xù)種植下一季作物以研究氮肥后效。

　　1.2.2施肥與灌水

　　本試驗(yàn)中常規(guī)處理氮肥施用量通過各區(qū)域農(nóng)戶調(diào)查來確定，代表該地區(qū)農(nóng)民平均習(xí)慣的施氮量；優(yōu)化處理則根據(jù)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量來決定氮肥的施用量，同時(shí)以土壤有效氮含量作為參考。各處理的施肥量和灌水量如表3所示。冬小麥、夏玉米和夏大豆的磷、鉀肥作為基肥，與氮肥一次性施入土壤；春玉米季磷、鉀肥分別在播前和十葉期施用；夏大豆在初花期葉面噴施0.05%～0.1%鉬酸銨溶液。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同種植制度對(duì)作物產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

　　不同種植制度在2a內(nèi)的作物產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水分生產(chǎn)率如表4所示。籽粒產(chǎn)量由高到低依次為W-M-SM、優(yōu)化W-M、常規(guī)W-M、W-B-SM和SM。常規(guī)W-M的產(chǎn)量雖高于W-B-SM和SM，但氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用效率及灌溉水分生產(chǎn)效率均為最低，其中氮肥偏生產(chǎn)力和15N利用效率顯著低于其他處理；優(yōu)化W-M的籽粒產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用率、灌溉水分生產(chǎn)率較常規(guī)W-M分別提高20.08%、103.83%、72.96%、8.24%。兩年三熟制中的W-M-SM籽粒產(chǎn)量最高為32248.52kg/hm2，分別比一年兩熟制和一年一熟制提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.6%，比一年兩熟制提高26.12%。兩年三熟中W-B-SM的各項(xiàng)指標(biāo)均低于W-M-SM，但氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水分生產(chǎn)率顯著高于一年兩熟。一年一熟的SM灌溉水利用效率最高，達(dá)210.94kg/m3，比其他2種種植制度提高1.09～4.11倍；15N利用率僅高于一年兩熟常規(guī)水氮處理的56.76%，但產(chǎn)量卻比其他處理降低2.6%～52.88%。

　　2.2不同種植制度對(duì)作物體內(nèi)氮素轉(zhuǎn)移量與貢獻(xiàn)率的影響

　　不同種植制度下作物營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒轉(zhuǎn)移量如表6所示，3種制度下的各類作物的氮素轉(zhuǎn)移量均表現(xiàn)出土壤氮顯著高于肥料氮，冬小麥的土壤氮是肥料氮的1.43～2.72倍，夏玉米為1.23～2.30倍，春玉米為5.54～7.26倍，夏大豆為7.66倍，因此土壤殘留氮對(duì)下茬作物的影響不可忽視。同一作物在不同種植制度中的氮轉(zhuǎn)移量也有差異，冬小麥在兩年三熟制中的轉(zhuǎn)移量顯著高于一年兩熟制，W-M-SM的氮轉(zhuǎn)移量為152.98kg/hm2，其中肥料氮43.07kg/hm2，土壤氮109.91kg/hm2；W-B-SM的氮轉(zhuǎn)移量為152.23kg/hm2，其中肥料氮和土壤氮分別為54.29和97.94kg/hm2；夏玉米在不同種植制度中的氮轉(zhuǎn)移量差異不顯著，在常規(guī)W-M、優(yōu)化W-M和W-M-SM中的氮轉(zhuǎn)移總量分別為65.21、56.70和50.00kg/hm2；春玉米在W-M-SM、W-B-SM和SM中的氮轉(zhuǎn)移總量分別為61.88、66.29和80.87kg/hm2，無顯著差異；夏大豆的氮轉(zhuǎn)移量有45.76kg/hm2來源于土壤氮，對(duì)肥料氮的吸收極少，這與自身固氮有關(guān)。

　　3討論

　　3.1種植制度對(duì)產(chǎn)量的影響

　　許多學(xué)者對(duì)華北地區(qū)不同種植制度進(jìn)行研究，提出調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、適水適地種植等觀點(diǎn)，然而種植制度的改變顯著影響了作物的產(chǎn)量。鄭媛媛等[23]、王大鵬等[26]發(fā)現(xiàn)與一年兩熟比較，兩年三熟的產(chǎn)量下降16%～23.7%，一年一熟的產(chǎn)量下降了27%～51.2%。而Gao等[14,21]在2009―2013年的2個(gè)輪作周期研究發(fā)現(xiàn)，兩年三熟與一年兩熟傳統(tǒng)處理的平均產(chǎn)量差異不顯著，分別為23800和24000kg/hm2，但顯著低于一年兩熟優(yōu)化處理的28600kg/hm2。本試驗(yàn)中，1個(gè)輪作季的產(chǎn)量表現(xiàn)為兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產(chǎn)量最高，顯著高于一年兩熟的冬小麥-夏玉米傳統(tǒng)處理，但與一年兩熟的優(yōu)化處理差異不顯著。即使長期實(shí)行一種種植制度，對(duì)產(chǎn)量的影響也有差異。Gao等[21]與本研究中的試驗(yàn)地相同，在2009－2011年和2011－2013年2個(gè)輪作周期中，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的產(chǎn)量分別為21400和26200kg/hm2，小麥-玉米輪作中傳統(tǒng)處理的產(chǎn)量分別為22600和25400kg/hm2，小麥-玉米優(yōu)化處理中的產(chǎn)量分別為26300和30900kg/hm2，2種種植制度中的第二個(gè)輪作周期的平均產(chǎn)量均高于第一個(gè)輪作周期。

　　3.2種植制度對(duì)水、氮利用率的影響

　　提高作物對(duì)于灌溉水的利用率是彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)用水短缺的重要戰(zhàn)略[29]，通過改變種植制度來降低耗水量，從而提高水分的利用率。華北平原的降雨量僅能滿足一年兩熟制下作物總耗水量的72.9%，小麥生育期降水僅能滿足其需水量的25%～40%，虧缺的200～300mm水分主要依靠地下水灌溉維持較高的產(chǎn)量[30]。郭步慶等[31]將一年兩熟制調(diào)整為兩年三熟和一年一熟，能降低作物耗水24%～31%，總灌溉用水量降低63%，王大鵬等[26]也認(rèn)為兩年三熟能提高灌溉水利用效率58%～172%。本試驗(yàn)中，春玉米一年一熟制度的灌溉水分生產(chǎn)率最高為210.94kg/m3，其次為兩年三熟制的W-M-SM為100.78kg/m3。

　　4結(jié)論

　　一年一熟的春玉米對(duì)灌溉水分生產(chǎn)率比其他種植制度提高1.09～4.11倍，15N利用率僅高于一年兩熟常規(guī)水氮處理的56.76%，但產(chǎn)量卻比其他處理降低2.6%～52.88%，該種植制度目前不具有種植優(yōu)勢(shì)；一年兩熟是目前華北平原普遍的種植制度，其中優(yōu)化水氮比常規(guī)水氮產(chǎn)量提高20.08%，15N利用率提高72.96%，土壤氮庫盈余為93.64kg/hm2，該種植制度下降低水氮投入是優(yōu)先考慮的措施；兩年三熟制中的冬小麥-夏玉米-春玉米處理產(chǎn)量最高，灌溉水分生產(chǎn)率和15N利用率也處于較高水平，土壤氮庫盈余為21.22kg/hm2，顯著低于其他處理，僅少量硝態(tài)氮向下運(yùn)移?；诩Z食安全、資源節(jié)約和環(huán)境友好考慮，在保證小麥產(chǎn)量的前提下，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟種植模式具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，是華北平原較為理想的種植制度。

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　　吉艷芝1，徐明杰4，巨曉棠3，董嫻嫻5，張麗娟1,2※

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