陜西關中小麥-玉米輪作區協調作物產量和環境效應的農田適宜氮肥用量

楊憲龍，路永莉，同延安, *，馬海洋，陳毓君，丁 燕

(1. 西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100； 2. 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，楊凌 712100)

陜西關中小麥-玉米輪作區協調作物產量和環境效應的農田適宜氮肥用量

楊憲龍1, 2，路永莉1, 2，同延安1, 2, *，馬海洋1, 2，陳毓君1, 2，丁 燕1, 2

(1. 西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100； 2. 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，楊凌 712100)

為了確定陜西關中小麥-玉米輪作區兼顧作物產量和環境效應的農田適宜氮肥用量，通過玉米-小麥-玉米連續3季田間試驗研究了作物產量、氮肥利用效率、氮肥表觀損失和土壤氮素平衡等對施氮量的響應。結果表明，隨著氮肥用量的增加，不同年份作物產量和3 季作物累計產量均表現為先增加后降低的趨勢，而累計氮肥農學效率、氮肥表觀利用率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產力均表現為顯著的降低趨勢。土壤氮素平衡結果表明，隨著施氮量的增加，低量施氮時(小麥施N<150 kg/hm2，玉米施N<180 kg/hm2)，氮肥殘留顯著增加，表觀損失和損失率變化不明顯，而高量施氮時(小麥施N>150 kg/hm2，玉米施N>180 kg/hm2)，氮肥殘留變化不明顯，表觀損失和損失率卻顯著增加。回歸和相關分析顯示，礦質氮在土壤較深層次(100—200 cm 土層)大量累積是氮肥表觀損失的重要途徑之一。小麥施N 150 kg/hm2、玉米施N 180 kg/hm2時，作物即可獲得相對較高的產量和氮肥利用率，且能保持作物收獲前后土壤無機氮庫的基本穩定，同時也可將氮肥表觀損失降至較低水平。

小麥-玉米輪作體系; 適宜施氮量; 產量; 殘留; 表觀損失

氮肥投入已成為現代農業增產必不可少的措施之一[1- 3]。然而，大量研究表明[4- 8]，作物產量并不隨氮肥用量的增加而一直增加，當施氮量超過一定范圍后，產量不再增加甚至降低，而氮肥各種途徑的損失量卻顯著增加，進而造成資源浪費和氮素環境污染問題。可見，確定一個兼顧作物產量和環境效應的適宜氮肥用量意義重大。目前，圍繞農田適宜施氮量的問題國內外已開展了大量的研究[9- 13]。一些地廣人稀的西方發達國家可以通過降低氮肥用量，不惜犧牲部分產量來減輕氮肥施用對環境壓力。然而，這樣的措施對于當下人口與耕地矛盾日益突出的中國早已失去了借鑒意義。為保障我國糧食安全，在未來較長一段時間內將會繼續依靠大量化肥投入增加作物產量[1,3,14]。關于施氮與作物產量的關系，即氮肥農學效益問題，國內外已經形成了較為統一的認識。普遍認為，作物產量與施氮符合報酬遞減律，并嘗試利用二次拋物線、線性+平臺和二次式+平臺等模型[9,15]模擬作物產量隨施氮量的變化趨勢。對于氮肥的損失問題，國內外也開展了大量氨揮發[16- 17]、硝化-反硝化N2O排放[18- 19]和淋溶損失[16,20]等方面的研究，基本查明了主要農田生態系統中各損失途徑的數量、比例及其與氮肥用量的關系[21]。但這些研究多集中在華北平原小麥/玉米和南方水稻作物上。關中平原是陜西省乃至中國重要的小麥、玉米等糧食作物的生產基地，然而結合本地區氣候特征、土壤類型和種植制度等開展的適宜氮肥用量研究偏少，且多為單季試驗。鑒于此，本文通過玉米-小麥-玉米連續3季作物試驗，闡述了該地區作物產量對不同施氮水平的響應及其環境效應，旨在為當地農民氮肥優化管理提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2011年6月—2012年10月在陜西楊凌西北農林科技大學農作三站進行。試驗站地處關中平原西部，年均氣溫13℃，年均蒸發量993 mm，年均降水量550—650 mm，且多集中在7—9月份，無霜期184—216 d，屬暖溫帶半濕潤偏旱氣候。實行冬小麥-夏玉米輪作的一年兩熟制。第1季夏玉米于2011年6月16日播種，2011年10月13日收獲。第2季冬小麥于2011年10月16日播種，2012年6月8日收獲。第3季夏玉米于2012年6月10日播種，2012年10月12日收獲。供試土壤為當地典型土壤類型-塿土。試驗開始前測得耕層土壤基礎理化性狀為：有機質15.0 g/kg，全氮0.91 g/kg，速效磷4.5 mg/kg，速效鉀142.7 mg/kg。0—100 cm土體各層次(以20 cm計)的土壤容重分別為1.481、1.589、1.586、1.467和1.511 g/cm3，100 cm土層以下均以1.511 g/cm3計算。0—200 cm礦質氮(硝態氮和銨態氮之和)含量分別為43.2、31.7、23.6、25.3、31.7、30.4、24.9、20.2、22.8和25.4 kg/hm2。

1.2 試驗設計

試驗選取土壤肥力均一、灌溉便捷、區域代表性較強的田塊進行。按不同施氮梯度共設6個處理，3次重復，共計18個小區，小區面積5 m×6 m，田間完全隨機排列。各處理依次用代號N0、N1、N2、N3、N4和N5表示。小麥季各處理施氮量(以純N計)依次為0、113、150、188、225和300 kg/hm2，施磷量(以P2O5計)均為120 kg/hm2，不施鉀。玉米季施氮量各處理依次為0、135、180、225、270和360 kg/hm2，施磷量和施鉀量(以K2O計)各處理一致，分別為40 kg/hm2和120 kg/hm2。小麥、玉米品種分別為小偃22和鄭單958。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用普通過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥用氯化鉀(含K2O 60%)。小麥季磷肥和40%氮肥在播前一次性撒施，然后翻耕入土，另60%氮肥于返青后拔節前追施。玉米季磷、鉀肥在5葉期施入。氮肥分2次施，50%于5葉期施入，另50%于喇叭口期追施。灌溉、除草等其他田間管理措施參照當地農民習慣進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土樣采集與測定

1.3.2 植株樣品采集與測定

冬小麥收獲時，采收一定面積(5 m×3 m)的小麥樣品帶回，風干、脫粒，分籽粒和秸稈兩部分稱量其干重，然后以采樣面積折算生物量。夏玉米收獲時，所有小區分穗和秸稈兩部分全部收獲，分別稱量秸稈和穗鮮重。然后各小區隨機取20個玉米穗和部分秸稈帶回。風干后脫粒，然后稱量干重，以小區總鮮重折算生物量。小麥和玉米植株樣品的制備分籽粒和秸稈兩部分進行，將小麥和玉米樣品烘干、粉碎、混勻，然后用濃H2SO4-H2O2消解，采用凱氏定氮法測定籽粒和秸稈的氮含量。

1.4 數據計算與統計分析

試驗數據繪圖和統計分析分別采用Excel 2007和SAS 9.1軟件進行，多重比較采用Duncan法，差異顯著性水平P=0.05。分析過程所用的計算公式如下[6, 24- 25]：

累計氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區累計產量-對照區累計產量)/累計氮肥投入

累計氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區累計產量-對照區累計產量)/(施氮區累計吸氮量-對照區累計吸氮量)

累計氮肥表觀利用率(%)=(施氮區累計吸氮量-對照區累計吸氮量)/累計氮肥投入×100

累計氮肥吸收效率(kg/kg)=施氮區累計吸氮量/累計氮肥投入

累計氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮區累計產量/累計氮肥投入

殘留Nmin(以20 cm分層計算)(kg/hm2)=20×土壤容重×Nmin濃度/10

氮素表觀礦化量(kg/hm2)=對照區作物吸氮量+對照區收獲后殘留Nmin-對照區播前Nmin氮素表觀損失量(kg/hm2)=氮素總投入-作物氮素吸收-土壤殘留Nmin

氮肥表觀殘留率(%)=(施氮區土壤殘留Nmin-對照區土壤殘留Nmin)/施氮量×100

氮肥表觀損失率(%)=100-氮肥表觀利用率-氮肥表觀殘留率

2 結果

2.1 不同施氮水平對作物產量的影響

不同施氮水平對小麥-玉米輪作體系連續3季作物產量的影響如表1所示。結果表明，適量施氮可以顯著提高作物產量。隨著氮肥用量的增加，不同年份作物產量并不按比例相應增加，而是呈現報酬遞減的規律，甚至表現為先增加后降低的趨勢。由于2012年玉米種植適當增加了密度，由2011年約3300株/666.7m2(株距34 cm，行距60 cm)增加至約4000株/666.7m2(株距28 cm，行距60 cm)，各處理產量明顯高于2011年，但不同年份處理間玉米產量對施氮的響應規律是一致的。結合方差分析可知，小麥施N 150 kg/hm2、玉米施N 180 kg/hm2時(N2)，連續3.季作物均能獲得相對較高的產量(6729 kg/hm2、8518 kg/hm2和8218 kg/hm2)，較對照處理N0的增幅依次為6.3%、28.1%和17.7%(P<0.05)。施氮量過高或過低在一定程度上都會存在減產的風險。

表1 不同施氮水平對作物產量的影響 (2011—2012年)

同列數據后不同字母表示差異達5%顯著性水平

2.2 不同施氮水平對作物氮素吸收和利用的影響

不同施氮水平對玉米-小麥-玉米連續3季作物累計氮素吸收和利用的影響如表2所示。結果顯示，施氮能顯著提高作物地上部氮素吸收量，較對照處理N0的增幅為27.1%—36.2%(P<0.05)。隨著處理氮肥用量的增加，作物累計氮素吸收量呈先增加后降低的趨勢，N3最大，為757.8 kg/hm2，顯著高于N1(P<0.05)，其他施氮處理間差異不顯著。為了衡量與評價不同施氮水平對作物氮素吸收利用的影響，特選取5個國內外較為常用的評價指標，進行了3季作物的累計計算，公式見1.4。回歸分析顯示，隨著氮肥用量的增加，累計氮肥農學效率和氮肥表觀利用率呈顯著的線性降低趨勢，回歸方程依次為：y=-0.0083x+10.536(R2=0.9365*)和y=-0.0393x+55.819(R2=0.9845*)。但部分處理間差異不顯著，這可能與處理氮水平差異設置的大小有關。累計氮肥吸收效率和氮肥偏生產力同樣呈顯著的線性降低趨勢，回歸方程依次為：y=-0.0018x+2.3997(R2=0.9499*)和y=-0.0572x+76.607(R2=0.9228*)，且處理間差異達到了5%的顯著性水平。累計氮肥生理利用率變化不明顯。

表2 不同施氮水平對三季作物累計氮素吸收和利用的影響 (2011—2012年)

2.3 不同施氮水平對作物收獲期土壤剖面硝態氮分布和累積的影響

圖1 不同施氮水平對玉米收獲期0—200 cm土層硝態氮分布與累積的影響Fig.1 Effect of N fertilizer rate on nitrate distribution and accumulation in the 0—200 cm depth at maize harvest

2.4 不同施氮水平對土壤-作物系統氮素平衡的影響

土壤-作物系統0—100 cm土層的氮素表觀平衡(3季作物)如表3所示。氮素輸入項包括氮肥投入、試驗前0—100 cm 土層礦質氮殘留和有機氮的表觀礦化。氮素輸出項包括作物收獲攜出、試驗后0—100 cm 土層礦質氮殘留和氮素表觀損失。結果表明，3季作物累計氮素吸收量為556—758 kg/hm2，隨氮素輸入量增加，表現為先增加后降低趨勢，而礦質氮殘留、表觀損失和氮盈余卻顯著增加(P<0.05)。當忽略氮肥施用的激發效應時，根據對照處理3季作物的氮素累計吸收量(556 kg/hm2)和作物收獲前后0—100 cm 土層礦質氮殘留的凈變化(-90 kg/hm2)計算得3季作物土壤有機氮的表觀礦化量為466 kg/hm2。除肥料氮外，起始Nmin和礦化氮總和已高達622 kg/hm2，可占作物氮素吸收量的82.1%—111.8%。各處理氮肥表觀利用率的變幅為15.6%—39.3%，隨氮素投入量增加而顯著降低，氮素殘留在低量施氮時(N1、N2)顯著增加，在高量施氮時(N3、N4和N5)變化不明顯，而氮素表觀損失和損失率在低量施氮時變化不明顯，在高量施氮時卻顯著增加(P<0.05)。

2.5 氮肥與產量、氮肥與環境指標的多曲線分析

為了尋求協調作物高產和環境保護的適宜氮肥用量，現以3季作物的累計產量作為產量指標，以氮肥表觀損失和氮肥累計利用率作為環境指標進行多曲線分析(圖2)。結果表明，施氮處理作物累計產量介于22.3—23.5 t/hm2之間，顯著高于對照處理N0(P<0.05)，增幅為11.5%—17.5%。隨著氮肥用量的逐漸增大，作物累計產量表現為先增加后降低的趨勢，但施氮處理間差異不顯著。低量施氮時，N1和N2處理相比，二者累計產量分別為22.8 t/hm2和23.5 t/hm2，無顯著差別。二者氮肥表觀損失和表觀利用率分別為180 kg/hm2和226 kg/hm2、39.3%和37.3%，亦無顯著差別。土壤氮水平方面，N2處理試驗前后0—100 cm土層礦質氮累積量變化不明顯(156 kg/hm2和160 kg/hm2，表3)，能維持該土層土壤礦質氮儲量的基本穩定。然而，N1處理0—100 cm土層礦質氮累積量卻較試驗前減少了24.4%，礦質氮儲量出現了一定的虧損，試驗繼續下去可能會存在減產的風險。高量施氮時，與N2處理相比，N3、N4和N5處理氮肥投入量依次增加了25%、50%和100%，而作物累計產量差異均不顯著。同時，氮肥表觀損失分別增加了33%、83%和179%，氮肥表觀利用率降低了15%、33%和58%，0—100 cm土層礦質氮累積量也較試驗前明顯增加，分別為201 kg/hm2、226 kg/hm2和297 kg/hm2，這無疑增加了其潛在損失量。

表3 不同施氮水平對土壤-作物系統0—100 cm土層表觀氮素平衡的影響(3季作物)

圖2 作物累計產量、累計氮肥利用率、氮肥表觀損失與施氮量的關系Fig.2 Relationships among cumulative crop yield, cumulative N fertilizer use efficiency, apparent N loss, and N fertilizer rate圖中不同標記字母表示三級作物產量的差異達到了5%的顯著性水平

3 討論

化肥已成為現代農業重要的生產資料，其對糧食增產的貢獻率高達50%左右[2]，其中氮肥又起著舉足輕重的作用[22]。然而，在農田生產中，隨著氮肥用量的增加，作物產量并不是成比例增加，而是呈現報酬遞減的規律或不增加[7,23- 26]。本研究結論與此一致，連續3季大田試驗初步表明，適量施氮(小麥：150 kg N/hm2，玉米：180 kg N/hm2)時，不同年份作物均可獲得相對較高的產量，小麥為6729 kg/hm2，玉米為8368 kg/hm2(兩年平均)。當小麥季和玉米季的氮肥用量繼續增加時，作物產量不再增加，甚至有降低的趨勢。同時，3季作物累計產量隨施氮量的增加也表現出相同的規律。可見，單從作物產量方面來看，過量的氮肥投入是無益的。

氮肥利用率是評價氮肥施入土壤后被作物吸收利用效率的常用指標，但它受土壤性質、作物品種、氮肥種類、施氮量、施肥深度、肥料配比和土壤供肥能力等因素的綜合影響[27- 28]，變幅較大。考慮到小麥-玉米輪作體系作物對氮素吸收利用的轉移和疊加效應，選用5個國內外評價氮肥利用狀況的常用指標，計算了3季作物對氮肥的累計利用效率。結果顯示，除生理利用率變化不明顯外，其他4個指標均隨施氮量的增加呈顯著的線性降低趨勢(P<0.05)。本研究結果與雋英華等[24]、石玉和于振文[7]等的研究結果一致。由此說明，無論從氮素吸收、轉運和利用各個角度去衡量(各評價指標的本質含義)，其結論是一致的，即作物對氮肥的利用效率隨氮肥用量的增加而降低。

有研究顯示，土壤不同層次殘留硝態氮的作物有效性隨著土層深度增加而顯著降低[29]，小麥和玉米根系可以利用0—100 cm土層的硝態氮，而難以利用100 cm土層以下的硝態氮[30]。因此，本試驗將土壤-作物系統氮素表觀平衡定義到0—100 cm土層范圍內計算，即作物根系對養分的主要吸收區域。結果表明，隨著氮肥用量的增加，低量施氮時(N1、N2)，氮素殘留顯著增加，表觀損失和損失率變化不明顯。而在高量施氮時(N3、N4和N5)，殘留變化不明顯，而表觀損失和損失率卻顯著增加。N3、N4和N5處理的表觀損失率分別高達47.1%、54.1%和61.7%，這無疑增大了對環境的壓力。

本試驗條件下，2012年玉米收獲后100—200 cm土層內仍有大量礦質氮累積，施氮處理礦質氮累積量的變幅為83.5—259.2 kg/hm2。回歸分析顯示，該土層礦質氮累積量和氮肥用量密切相關，隨施氮量的增加呈指數形式快速增加(y=53.696e0.0016x,R2=0.9707*)。說明施氮量越高，礦質氮在該土層的累積量越大，累積量占施氮量的比例也越大。進一步，相關性分析表明，100—200 cm土層累積的礦質氮和氮肥表觀損失也表現出顯著的線性相關關系(y=2.8478x-125.56,R2=0.9663*)，占損失量的比例各處理高達41.2%—55.9%，說明礦質氮在土壤較深層次累積(100—200 cm)是氮肥表觀損失的重要途徑之一。因此，在一定程度上可將100—200 cm礦質氮殘留量作為衡量氮肥表觀損失程度的指標。因為這些氮素難以再被作物吸收利用[30]，其最終結果無疑是被多年的降雨淋洗至更深土層，或通過其他途徑損失。

最后需要指出的是，由于本研究作物種植僅經歷了玉米-小麥-玉米3季作物，且是單點試驗，試驗結果的代表性和說服力略顯單薄，一個地區農田適宜氮肥用量的確定可能需要多年、甚至多點的田間試驗為基礎，所以本試驗的結果還需后續研究進一步驗證和探討。

4 結論

在連續3季作物試驗結果的基礎上，綜合考慮不同施氮水平的產量效應和環境效應，小麥季施氮150 kg/hm2、玉米季施氮180 kg/hm2時，作物即能獲得相對較高的產量(小麥：6729 kg/hm2，玉米平均：8368 kg/hm2)和累計氮肥利用率(37.3%)，且能維持作物收獲前后0—100 cm土層土壤礦質氮庫的基本穩定，保證了作物增產的相對可持續性。同時，氮肥表觀損失和損失率也可將降至相對較低水平(表觀損失量226 kg/hm2，表觀損失率44.2%)。因此可初步作為陜西關中平原兼顧作物產量和環境效益的農田氮肥適宜用量。

致謝：同延安教授和陳毓君碩士對本研究給予幫助，特此致謝。

[1] Ma W Q, Zhang F S, Zhang W F. Fertilizer production and consumption and the resources, environment, food security and sustainable development in China. Resources Science, 2005, 27(3): 33- 40.

[2] Wang J Q, Ma W Q, Jiang R F, Zhang F S. Integrated soil nutrients management and China′s food security. Resources Science, 2008, 30(3): 415- 422.

[3] Zhu Z L, Jin J Y. Fertilizer use and food security in China. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 259- 273.

[4] Zhao C S, Hu C X, Huang W, Sun X C, Tan Q L, Di H J. A lysimeter study of nitrate leaching and optimum nitrogen application rates for intensively irrigated vegetable production systems in Central China. Journal of Soils and Sediments, 2010, 10(1): 9- 17.

[5] Wang Y C, Wang E L, Wang D L, Huang S M, Ma Y B, Smith C J, Wang L G. Crop productivity and nutrient use efficiency as affected by long-term fertilisation in North China Plain. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 86(1): 105- 119.

[6] Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, Lin W, Liang T. Effects of long-term N application and straw returning on N budget under wheat-maize rotation system. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1): 65- 73.

[7] Shi Y, Yu Z W. Effects of nitrogen fertilizer rate and ratio of base and topdressing on yield of wheat, content of soil nitrate and nitrogen balance. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(11): 3661- 3669.

[8] Tong Y A, Zhao Y, Zhao H B, Fan H Z. Effect of N rates on N uptake, transformation and the yield of winter wheat. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(1): 64- 69.

[9] Zhu Z L, Chen D L. Nitrogen fertilizer use in China-Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63(2/3): 117- 127.

[10] Neeteson J J, Wadman W P. Assessment of economically optimum application rates of fertilizer N on the basis of response curves. Fertilizer Research, 1987, 12(1): 37- 52.

[11] Neeteson J J. Development of nitrogen fertilizer recommendations for arable crops in the Netherlands in relation to nitrate leaching. Fertilizer Research, 1990, 26(1/3): 291- 298.

[12] Wang D J, Liu Q, Lin J H, Sun R J. Optimum nitrogen use and reduced nitrogen loss for production of rice and wheat in the Yangtze delta region. Environmental Geochemistry and Health, 2004, 26(2): 221- 227.

[13] Ju X T, Xing G X, Chen X P, Zhang S L, Zhang L J, Liu X J, Cui Z L, Yin B, Christie P, Zhu Z L, Zhang F S. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(9): 3041- 3046.

[14] Jin J Y, Li J K, Li S T. Chemical fertilizer and food security. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(5): 601- 609.

[15] Chen X P, Zhou J C, Wang X R, Zhang F S, Bao D J, Jia X H. Economic and environmental evaluation on models for describing crop yield response to nitrogen fertilizers at winter-wheat and summer-corn rotation system. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(3): 346- 354.

[16] Li Z X, Dong S T, Wang K J, Zhang J W, Liu P, Wang C Q, Liu C X.In-situstudy on influence of different fertilization strategies for summer maize on soil nitrogen leaching and volatilization. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6): 998- 1005.

[17] Banerjee B, Pathak H, Aggarwal P. Effects of dicyandiamide, farmyard manure and irrigation on crop yields and ammonia volatilization from an alluvial soil under a rice (OryzasativaL.)-wheat (TriticumaestivumL.) cropping system. Biology and Fertility of Soils, 2002, 36(3): 207- 214.

[18] Dong W X, Hu C S, Zhang Y M, Wu D M. Gross mineralization, nitrification and N2O emission under different tillage in the North China Plain. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 94(2/3): 237- 247.

[19] Nash P R, Motavalli P P, Nelson, K A. Nitrous oxide emissions from claypan soils due to nitrogen fertilizer source and tillage/fertilizer placement practices. Soil Science Society of America Journal, 2012, 76(3): 983- 993.

[20] Wang X Y, He M R, Liu Y H, Zhang H H, Li F, Hua F X, Meng S H. Interactive effects of irrigation and nitrogen fertilizer on nitrogen fertilizer recovery and nitrate-N movement across soil profile in a winter wheat field. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(2): 685- 694.

[21] Zhu Z L. Research on soil nitrogen in China. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 778- 783.

[22] Frink C R, Waggoner P E, Ausubel J H. Nitrogen fertilizer: retrospect and prospect. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(4): 1175- 1180.

[23] Wang Q, Li F R, Zhao L, Zhang E H, Shi S L, Zhao W Z, Song W X, Vance M M. Effects of irrigation and nitrogen application rates on nitrate nitrogen distribution and fertilizer nitrogen loss, wheat yield and nitrogen uptake on a recently reclaimed sandy farmland. Plant and Soil, 2010, 337(1/2): 325- 339.

[24] Juan Y H, Wang R, Sun W T, Xing Y H. Response of spring maize to nitrogen application in grain yield, nitrogen utilization and mineral nitrogen balance. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(3): 544- 551.

[25] Ye D J, Gao Q, He W T, He P. Effect of N application on N utilization and N balance in spring maize. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(3): 552- 558.

[26] Cui Z L, Zhang F S, Miao Y X, Sun Q P, Li F, Chen X P, Li J L, Ye Y L, Yang Z P, Zhang Q, Liu C S. Soil nitrate-N levels required for high yield maize production in the North China Plain. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2008, 82(2): 187- 196.

[27] Xu G H, Fan X R, Miller A J. Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annual Review of Plant Biology, 2012, 63(1): 153- 182.

[28] Ju X T, Zhang F S. Thinking about nitrogen recovery rate. Ecology and Environment, 2003, 12(2): 192- 197.

[29] Zhang L J, Ju X T, Zhang F S, Peng Z P. Movement and residual effect of labeled nitrate-N in different soil layers. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(9): 1964- 1972.

[30] Ju X T, Liu X J, Zhang F S. Study on effect of nitrogen fertilizer and nitrogen balance in winter wheat and summer maize rotation system. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(11): 1361- 1368.

參考文獻:

[1] 馬文奇, 張福鎖, 張衛鋒. 關乎我國資源、環境、糧食安全和可持續發展的化肥產業. 資源科學, 2005, 27(3): 33- 40.

[2] 王激清, 馬文奇, 江榮風, 張福鎖. 養分資源綜合管理與中國糧食安全. 資源科學, 2008, 30(3): 415- 422.

[3] 朱兆良, 金繼運. 保障我國糧食安全的肥料問題. 植物營養與肥料學報, 2013, 19(2): 259- 273.

[6] 楊憲龍, 路永莉, 同延安, 林文, 梁婷. 長期施氮和秸稈還田對小麥-玉米輪作體系土壤氮素平衡的影響. 植物營養與肥料學報, 2013, 19(1): 65- 73.

[7] 石玉, 于振文. 施氮量及底追比例對小麥產量、土壤硝態氮含量和氮平衡的影響. 生態學報, 2006, 26(11): 3661- 3669.

[8] 同延安, 趙營, 趙護兵, 樊紅柱. 施氮量對冬小麥氮素吸收、轉運及產量的影響. 植物營養與肥料學報, 2007, 13(1): 64- 69.

[14] 金繼運, 李家康, 李書田. 化肥與糧食安全. 植物營養與肥料學報, 2006, 12(5): 601- 609.

[15] 陳新平, 周金池, 王興仁, 張福鎖, 寶德俊, 賈曉紅. 小麥-玉米輪作制中氮肥效應模型的選擇—經濟和環境效益分析. 土壤學報, 2000, 37(3): 346- 354.

[16] 李宗新, 董樹亭, 王空軍, 張吉旺, 劉鵬, 王慶成, 劉春曉. 不同肥料運籌對夏玉米田間土壤氮素淋溶與揮發影響的原位研究. 植物營養與肥料學報, 2007, 13(6): 998- 1005.

[20] 王曉英, 賀明榮, 劉永環, 張洪華, 李飛, 華芳霞, 孟淑華. 水氮耦合對冬小麥氮肥吸收及土壤硝態氮殘留淋溶的影響. 生態學報, 2008, 28(2): 685- 694.

[21] 朱兆良. 中國土壤氮素研究. 土壤學報, 2008, 45(5): 778- 783.

[24] 雋英華, 汪仁, 孫文濤, 邢月華. 春玉米產量、氮素利用及礦質氮平衡對施氮的響應. 土壤學報, 2012, 49(3): 544- 551.

[25] 葉東靖, 高強, 何文天, 何萍. 施氮對春玉米氮素利用及農田氮素平衡的影響. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(3): 552- 558.

[28] 巨曉棠, 張福鎖. 關于氮肥利用率的思考. 生態環境, 2003, 12(2): 192- 197.

[29] 張麗娟, 巨曉棠, 張福鎖, 彭正萍. 土壤剖面不同層次標記硝態氮的運移及其后效. 中國農業科學, 2007, 40(9): 1964- 1972.

[30] 巨曉棠, 劉學軍, 張福鎖. 冬小麥與夏玉米輪作體系中氮肥效應及氮素平衡研究. 中國農業科學, 2002, 35(11): 1361- 1368.

Optimum-N application rate to maximize yield and protect the environment in a wheat-maize rotation system on the Guanzhong Plain, Shaanxi Province

YANG Xianlong1, 2, LU Yongli1, 2, TONG Yan′an1, 2,*, MA Haiyang1, 2, CHEN Yujun1, 2, DING Yan1, 2

1CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MOA.Yangling712100,China

The objective of this field study was to determine the N application rate which would both maximize yield and protect the environment in a wheat-maize rotation district of the Guanzhong Plain, Shaanxi Province. The study included six treatments replicated three times: N0 (no N application to either wheat or maize), N1 (113 kg N/hm2to wheat + 135 kg N/hm2to maize), N2 (150 kg N/hm2to wheat + 180 kg N/hm2to maize), N3 (188 kg N/hm2to wheat + 225 kg N/hm2to maize), N4 (225 kg N/hm2to wheat + 270 kg N/hm2to maize), and N5 (300 kg N/hm2to wheat + 360 kg N/hm2to maize). The study was conducted over 1.5 yr (maize-wheat-maize). The effects of N application rate on crop yield, N fertilizer use efficiency, apparent N loss, and N budget in the 0—100 cm depth were determined. The results showed that annual crop yield and cumulative crop yield both increased and then decreased as N application rate increased. In contrast, cumulative N agronomic efficiency, apparent N utilization, N uptake efficiency, and N partial productivity decreased significantly as N application rate increased. Calculation of the N budget in the 0—100 cm depth showed that residual mineral-N concentrations were significantly higher in the N2 treatment than in the N1 treatment, but apparent N loss and loss rates were nearly the same in the two treatments. In contrast, residual mineral-N concentrations were nearly the same in the N3, N4, and N5 treatments, but apparent N loss and loss rate increased significantly in the order N3

wheat-maize rotation system; optimal N rate; yield; mineral-N residual; apparent N loss

公益性行業(農業)科研專項(20100314); 高等學校學科創新引智計劃(B12007)

2013- 01- 28; 網絡出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301280182

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tongyanan@nwsuaf.edu.cn

楊憲龍，路永莉，同延安，馬海洋，陳毓君，丁燕.陜西關中小麥-玉米輪作區協調作物產量和環境效應的農田適宜氮肥用量.生態學報,2014,34(21):6115- 6123.

Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, Ma H Y, Chen Y J, Ding Y.Optimum-N application rate to maximize yield and protect the environment in a wheat-maize rotation system on the Guanzhong Plain, Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6115- 6123.