小麥/玉米輪作模式下氮肥運籌對土壤氮素殘留及下茬作物的影響

王 平，殷復偉，李平海，閆保羅，宗 燕，李 芳，劉翔攀，侯 瑋

（1泰安市農業科學研究院，山東泰安 271000；2泰安市農技站，山東泰安 271000）

0 引言

黃淮海地區是中國典型的小麥/玉米一年兩熟種植區，周年輪作的種植模式被廣泛應用。山東省作為該地區主要的農業大省，廣泛采用冬小麥-夏玉米輪作的作物種植方式。2017年，山東省小麥種植面積408.387×104hm2占全國總播種面積的17.84%，玉米400.01×104hm2占全國總播種面積的9.43%；小麥總產2495.11×104t占全國小麥總產的19.50%，玉米總產2662.2×104t占全國玉米總產的10.28%。冬小麥-夏玉米輪作種植體系對國家糧食安全具有重要的戰略意義[1-2]。

前人研究表明，在小麥/玉米輪作種植區為實現高產，農田氮肥周年平均用量高達545 kg/hm2，超出了作物對氮素的平均需求量311 kg/hm2，也遠遠超過全國氮肥平均用量378 kg/hm2[3-4]。氮肥過量施用，作物產量并未隨著施氮量的增加而增加，而是呈現出先升高后降低的趨勢，氮肥利用率僅16%～22%，低于30%～41%的全國平均水平[5-8]。大量氮肥通過各種途徑損失，平均每年大約有180 kg/hm2的氮通過氨揮發、硝化與反硝化等途徑損失在環境中[9]。同時，大量氮素以硝態氮的形式累積在土壤中，這部分氮素如果不能被作物吸收利用，就會隨著降雨、灌溉等過程向深層土壤遷移，這既造成資源浪費又引起了一系列嚴重的環境污染問題，生態、經濟效益極差[10-11]。前人針對氮肥利用效率展開了大量研究，但是就氮肥運籌對不同類型土壤條件的氮素殘留及其對下茬作物的影響研究較少，為進一步明確不同類型土壤氮素殘留特點及其對后茬作物的影響。本研究在砂壤土和砂姜黑土兩種土壤類型條件下，以生產常用的小麥/玉米品種為材料，研究不同氮肥運籌對小麥、玉米收獲后殘留氮素在各土層分配及其對下茬作物的影響，通過合理的氮肥措施提高土壤殘留氮素被下茬作物的再利用能力，降低殘留氮素向下層的淋失積累，實現氮素周年高效利用，對實現高效、生態種植具有重要的實踐價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年10月—2018年10月在泰安市泰山區泰安市農業科學研究院試驗農場和泰安市肥城良種繁殖農場進行。玉米品種為‘鄭單958’，小麥品種為‘濟麥22’。

1.2 試驗設計

試驗分別在小麥、玉米季設氮肥用量和運籌試驗，對成熟期土壤殘留氮素在各土層的分布及其對下茬作物的影響進行研究。

（1）小麥季氮肥用量和運籌對土壤氮素殘留及其對下茬玉米的影響。在小麥季設置4個氮肥處理，T1（不施氮肥）、T2（240 kg/hm2，底肥1/2+拔節肥1/2）、T3（240 kg/hm2，底肥1/3+拔節肥1/3+開花肥1/3）、T4（240 kg/hm2，底肥1/3+拔節肥1/3+孕穗肥1/3），小區面積10 m×12 m=120 m2；在小麥收獲后4個氮肥處理一半小區面積在玉米季不施肥(T1-N0、T2-N0、T3-N0、T4-N0)，一半正常施肥，施肥量 350 kg/hm2(T1-N350、T2-N350、T3-N350、T4-N350)，小區面積5 m×12 m=60 m2。其他管理同一般大田。

（2）玉米季氮肥用量和運籌對土壤氮素殘留及其對下茬小麥的影響。在玉米季設置4個氮肥處理，TⅠ（不施氮肥）、TⅡ（350 kg/hm2，底肥1/2+大喇叭口期1/2）、TⅢ（350 kg/hm2，拔節期1/3+大喇叭口期1/3+ 灌漿期1/3）、TⅣ（350 kg/hm2，大喇叭口期1/3+開花肥1/3+灌漿期1/3），小區面積10 m×12 m=120 m2；在玉米收獲后4個氮肥處理一半小區面積在玉米季不施肥(TⅠ-N0、TⅡ-N0、TⅢ-N0、TⅣ-N0)，一半正常施肥，施肥量240 kg/hm2(TⅠ-N240、TⅡ-N240、TⅢ-N240、TⅣ-N240)，小區面積5m×12m=60m2。其他管理同一般大田。

1.3 測定指標

（1）小麥產量及其構成因素。于小麥成熟期，在各小區內選取植株長勢均勻，面積為2 m×2 m=4 m2的樣地，剪下所有小麥穗，人工脫粒，風干后用于測定籽粒產量（折12%水分）。選取其中有代表性的麥穗30個進行考種。產量計算公式如(1)所示。

（2）玉米產量及其構成因素。于玉米成熟期，在各小區內選取植株長勢均勻，面積為2.4 m×3 m=7.2 m2的樣地，收獲所有果穗，風干后脫粒，測定籽粒產量（折14%水分）。選取其中有代表性的果穗10個進行考種。產量計算公式如(2)所示。

（3）土壤殘留氮素。在成熟期每小區選取3處具有代表性的試驗點，用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm保存一層，各層土壤混勻后置于-20℃保存。稱取10 g新鮮土樣，用50 mL 1 mol/L的KCl浸提，振蕩60 min，然后過濾，制成浸提液。用AA3連續流動分析儀(SFA CFAFIABRAN+LUEBBE III)測定土壤硝態氮含量。

1.4 數據分析

用DPS(Date Processing System，V7.05)統計軟件分析數據，用Office Excel 2007繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 小麥季氮肥運籌對小麥產量及成熟期土壤氮素殘留的影響

2.1.1 小麥產量極其構成因素 由表1中可以看出，隨著氮肥的施用，小麥千粒重、穗粒數和產量均顯著提高。不同氮肥處理間比較發現，隨著追氮時間的后移以及追氮比例的增加，千粒重呈逐漸增加的趨勢，穗粒數則呈現先升高后降低的趨勢，以T3處理最高，產量表現存在年際間差異，2015—2016年泰山區試驗點和2016—2017年肥城試驗點表現為T2處理最高，2016—2017年泰山區試驗點表現為T4處理最高。分析認為，隨追氮時期的后移對穗粒數和千粒重的促進作用顯著，但對產量的影響存在年際差異。

表1 氮肥運籌對小麥產量及其構成因素的影響

2.1.2 成熟期土壤氮素殘留 由圖1中可以看出，施用氮肥顯著提高了收獲后各層土壤氮素殘留量，提高了0.69～2倍。不同施氮處理間比較發現，不同年份間均表現為T4＞T3＞T2，可見，延遲追氮時期提高了在1～100 cm土層的氮素殘留量，而且提高了在上層土壤中的分配比例。不同試驗點比較發現，肥城試驗點土壤氮素殘留量遠大于泰山區試驗點。可見，砂姜黑土地保肥能力強于砂壤土。

圖1 小麥成熟期土壤殘留氮素的變化

2.2 小麥季土壤殘留氮素對下茬玉米的影響

2.2.1 玉米產量極其構成因素 由表2中可以看出，追氮處理的玉米穗粒數、千粒重、穗數和產量均顯著高于不施氮處理。不同施氮處理間比較發現，小麥季延緩追氮時期能在一定程度上提高下茬玉米的穗數、穗粒數和產量，但對千粒重影響不顯著。不同施氮處理間比較發現，穗粒數、千粒重、穗數和產量各處理間差異不顯著。不同試驗點比較發現，不追氮處理肥城試驗點的穗粒數和穗數高于泰山區試驗點，而千粒重和產量表現為泰山區試驗點高于肥城試驗點。說明，小麥季殘留氮素對下茬玉米具有一定影響，但是玉米季施肥很大程度上抵消了小麥季土壤氮素殘留的影響；砂姜黑土保肥能力強，在少施氮肥的情況具有較高產量，而施用相同的氮肥用量其增產效果要低于砂壤土。

表2 小麥季氮肥運籌對下茬玉米產量及其構成因素的影響

2.2.2 成熟期土壤氮素殘留 由圖2中可以看出，玉米季施肥處理土壤氮素殘留量顯著高于不追氮處理。分析玉米收獲后土壤殘留氮素量發現，各處理間差異不顯著。不同試驗點比較發現，肥城試驗點的各土層氮素殘留量顯著高于泰山區試驗點。說明，經過玉米一季的吸收及淋失，小麥季的不同追氮處理的土壤氮素殘留量無差異，砂姜黑土的氮素保持能力顯著高于砂壤土。

圖2 玉米收獲土壤殘留氮素情況

2.3 玉米氮肥運籌對玉米產量及成熟期土壤氮素殘留的影響

2.3.1 玉米產量及其構成因素 由表3中可以看出，施用氮肥顯著提高玉米的穗粒數、千粒重、穗數和產量。隨著追氮時期的延遲，穗粒數、千粒重、穗數和產量均呈現升高的趨勢。各試驗點的穗粒數和穗數表現為隨追氮時期的后移而逐步增加，而千粒重和產量則呈現先升高后降低的變化趨勢，泰山區試驗點以TⅢ處理最高，肥城試驗點以TⅡ處理最高。分析認為，追氮時間太晚容易造成貪青晚熟，收獲期延遲，在收獲時籽粒含水量增加，千粒重降低，進而影響產量；不同土壤類型的適宜時期不同，砂姜黑土更適合早追肥。

表3 氮肥運籌對玉米產量及其構成因素的影響

2.3.2 成熟期土壤氮素殘留 由圖3中可以看出，施氮處理間顯著提高了土壤氮素殘留量，提高了0.9～1.24倍。不同施氮處理間比較發現，不同年份間均表現為T4＞T3＞T2，可見，延遲追氮時期提高了土壤氮素殘留量，而且加大了在上層土壤的分配比例。不同試驗點比較發現，肥城試驗點土壤氮素殘留量遠大于泰山區試驗點。可見，砂姜黑土地保肥能力強于砂壤土。

圖3 玉米收獲后土壤氮素殘留情況

2.4 玉米季土壤殘留氮素對下茬小麥的影響

2.4.1 小麥產量及其構成 由表4中可以看出，追氮處理的小麥穗粒數、千粒重和產量均顯著高于不施氮處理。不同施氮處理間比較發現，穗粒數、千粒重和產量各處理間差異不顯著。小麥季不施氮條件下，玉米季殘留氮素能在一定程度上提高下茬小麥的穗粒數和產量，但對千粒重影響不顯著。不同試驗點比較發現，不追氮處理肥城試驗點的穗粒數高于泰山區試驗點，而千粒重和產量則表現為泰山區試驗點高于肥城試驗點。說明，玉米季殘留氮素對下茬小麥具有一定影響，但是小麥季施肥降低了土壤氮素殘留的影響；砂姜黑土保肥能力強，在少施氮肥的情況具有較高產量，而施用相同的氮肥用量其增產效果要低于砂壤土。

表4 玉米季氮肥運籌對小麥產量及構成因素的影響

2.4.2 成熟期土壤氮素殘留 由圖4中可以看出，小麥季施肥處理土壤氮素殘留量顯著高于不追氮處理。分別比較追氮和不追氮肥的各處理間小麥收獲后土壤殘留氮素量發現，各處理間差異不顯著。不同試驗點比較發現，肥城試驗點的各土層氮素殘留量顯著高于泰山區試驗點。說明，經過小麥一季的吸收及淋失，玉米季的土壤氮素殘留量無差異，砂姜黑土的氮素保持能力顯著高于砂姜黑土。

圖4 小麥收獲土壤殘留氮素情況

3 結論

追施氮肥提高了小麥、玉米產量，也提高了土壤氮素殘留量，隨追氮時期的后移，土壤氮素殘留量增加，特別是在上層土壤中的殘留；相比于砂壤土，砂姜黑土的氮素殘留量更高，具有更好的保肥能力，但是對氮肥的敏感性較低。

4 討論

化肥的使用，特別是氮肥在提高糧食產量過程中發揮著巨大的作用。前人的大量研究表明，適量施氮可以優化玉米生理特性，調節玉米群體構成，提高物質的生產、利用效率，是高產高效的保障[12-13]。在小麥/玉米輪作模式中，小麥/玉米的最佳氮肥施用量分別為200～226 kg/hm2和112.3～205 kg/hm2[14-15]。過量施用氮肥則會導致氮肥利用效率降低，既造成資源的浪費又對環境產生威脅。Ju等[16]采用15N同位素示蹤的方法研究發現，施氮量的增加提高土壤肥料氮殘留，施氮量為120、360 kg N/hm2時，分別有25.6%～44.7%和20.7%～38.2%肥料氮殘留在0～100 cm土層中。在本試驗條件下，施用氮肥對小麥、玉米產量均有顯著的提高，隨追氮時期的后移穗粒數和千粒重等產量構成因素均不同程度的提高。施用氮肥提高產量的同時，提高了小麥、玉米收獲后土壤氮素殘留量。在本試驗條件下，隨著追氮時間的延遲土壤氮素殘留量提高，特別是提高了殘留氮素在上層土壤中的分配比例。這與前人研究結果一致，氮肥后移可以提高小麥產量和氮肥利用率，田間氮肥表觀損失主要來源于基肥，但中后期追肥比例過大卻會增加收獲后土壤無機氮的殘留[17]。

土壤殘留氮肥對后茬作物有較強的有效性，其對下茬作物的殘效與施氮量呈顯著線性正相關[18-20]。Bhogal等[21]認為，在施氮 40～200 kg/hm2的條件下，后茬作物的氮肥利用率是8%～20%。本研究發現，在不施用氮肥的情況，前茬作物殘留氮素對后季小麥、玉米的產量及其構成因素有一定的促進作用，但是在后季作物正常施用氮肥的情況下，前季作物殘留氮素的影響不顯著。

大量研究表明，土壤類型的變異會引起土壤氮素礦化、作物產量及氮素吸收量、礦質氮殘留量和氮素損失等方面的差異。受有機質含量和質地等因素的影響，砂壤土的氮素表觀損失量明顯高于黏土[22-25]。本研究結果表明，砂姜黑土試驗地塊的氮素殘留量大于砂壤土，且上層土壤殘留比例較高。與前人研究結果一致，土壤類型對作物收獲后土壤無機氮殘留量有顯著影響，其中黏土對無機氮的吸附能力較強，會導致殘留較高[22]。本試驗條件下，在后茬作物不追氮素的情況下，砂姜黑土種植作物產量下降幅度較小，遠高于砂壤土，在后茬作物追氮的情況下，砂壤土產量提高幅度顯著高于砂姜黑土。可見，砂姜黑土的保肥能力強，但是對外源施肥反應比較遲鈍，而砂壤土保肥能力較弱，施用氮肥對作物生長具有顯著的提高效果。