華北平原麥-玉年際輪作的土壤氮磷鉀分布及淋洗研究

趙影星 宋 彤，2 陳源泉 王 彪 劉 晴 隋 鵬*

(1.中國農業大學 農學院，北京 100193；2.淄博市數字農業農村發展中心，山東 淄博 255000)

華北平原作為我國三大糧食主產區之一，農作物的播種面積和糧食產量約占全國的31%和36%[1]。華北平原麥-玉生產區主要為冬小麥-夏玉米(麥-玉)復種連作種植模式，多年過度單一的種植制度導致當地農田土壤礦質營養被片面地消耗，作物產量品質下降，土壤結構不良[2]。由于不同作物對養分存在專一性或者選擇性吸收，多年的復種連作容易造成土壤養分的不均衡變化[3]，加上生產施肥管理方式不科學，導致某種營養元素過度消耗或重度積累，這將降低作物抗性，造成作物因缺乏某種營養元素而影響正常生長，不僅造成作物的產量降低、品質變劣，而且養分過度失衡會導致絕收[4-6]。2016年的中央一號文件[7]提到，鼓勵利用輪作、休耕、退耕和替代種植等多種方式，對地下水漏斗區、重金屬污染區和生態嚴重退化地區等進行綜合治理。2020年中央一號文件[8]也提到要穩定糧食產量，推進農藥化肥減量行動，穩步推進農用耕地土壤污染管控和修復再利用。因此，對土壤養分分布和淋洗狀況的研究有助于了解不同種植模式農田土壤養分的發展趨勢，促進農田土壤的健康可持續發展。

不同作物的生物學特性、形態特征(如株高、葉長和根系分布等)不同，因而作物對土壤養分的消耗時期、消耗種類、消耗量和吸收利用效率也不同。合理布局不同營養生態位作物，使其生長發育得以互補，可以使光、熱、水、氣和土等各種營養元素得到充分利用，使作物均衡利用土壤中的各種養分[9]。不同種屬的作物對養分存在著專性與選擇性吸收，谷類作物，例如水稻，玉米和小麥等，可以吸收較多的氮，磷和硅，但吸收的鈣較少；豆類作物對氮和鈣存在偏性消耗，但對硅吸收量較小；油菜、蕎麥和燕麥等作物可以吸收與利用較多的難溶性磷，而小麥、玉米和棉花等作物吸收難溶性磷的能力較弱[10]。已有研究表明，實行作物輪作有利于土壤養分均衡利用，提高土壤肥力和養分資源利用率，實現糧食高產[11-14]。作物輪作對環境有多重影響，通過減少徑流和土壤侵蝕來維持和改善地表水質量，通過減少養分淋失來改善地下水質量，以及通過影響土壤微生物群落來保持土壤質量和土壤生產力[15]。輪作充分利用作物-土壤的協同關系，可以減少土壤病蟲害，改善土壤的物理和化學性質，提高土壤肥力，有助于提高土地利用效率和產量，具有較高的生態和經濟效益[12,16]。

目前，在關于輪作模式下的土壤養分遷移規律的研究中，輪作模式主要有以稻麥輪作，大棚蔬菜-水稻輪作為代表的水旱輪作和以其他作物+麥-玉輪作為代表的旱地輪作[17-18];同時氮的養分遷移主要以硝態氮的淋溶研究為主[19]。氮是作物生產中最重要的元素之一[20]，然而由于氮肥利用效率低，部分氮肥施入土壤后主要通過淋溶和徑流流失到環境中，這是世界范圍內作物集約生產區域都存在的問題[21]。土壤養分淋洗是指土壤中的養分經溶解、擴散和移動，最后隨下滲水排出土體的全部過程，土壤溶液被喻為“土體的血液循環”，土壤溶液中的養分濃度比土體中有效養分含量更能反映土壤養分的新動態[22]。在西班牙的東北部，種植黑麥草、飼用油菜和黑燕麥3種填閑作物，可以防止養分向環境中淋失，是一種農田可持續發展的措施[23]。Liang等[24]通過對加拿大愛德華王子島省夏洛特頓市的馬鈴薯→大豆→大麥輪作模式研究發現，輪作可以提高馬鈴薯產量，同時減少氮的淋失。在巴基斯坦開展稻→麥輪作試驗發現，硝態氮淋失量在水稻生長過程中高于小麥，同時在當地推薦施肥量的基礎上提高15%的施氮量，可以減少氮損失并提高作物產量[25]。對法國北部地區11種種植制度的3年檢測結果發現，氮素淋失的2個主要交互驅動因子是作物種植序列和土壤狀況，因此為了提高種植制度的氮素利用效率，采用包括土壤淋溶敏感性在內的多準則方法進行種植制度間的對比[26]。綜上，對多樣化輪作模式的土壤養分分布和淋洗狀況進行系統的研究，不僅為農田土壤的健康可持續發展提供理論基礎，也可為篩選適合的新型輪作種植模式提供重要的理論依據。

在全球范圍內，以有限的農業資源滿足日益增長的糧食需求是一項重大挑戰[27-28]。華北平原小麥和玉米產量分別占全國總產量的75%和31%[29]，因此構建基于麥-玉的新型年際間輪作種植模式尤為重要，一方面保證國家對于小麥和玉米的需求，同時改善區域性的土壤質量問題[30]。對基于麥-玉的多樣化輪作模式土壤養分分布和淋洗狀況研究目前鮮見報道。本研究基于農田土壤養分平衡的前提，2016—2019年構建春玉米→麥-玉、冬小麥→麥-玉、春花生→麥-玉、冬小麥-夏花生→麥-玉和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉5種2年輪作模式，利用滲漏池和陶瓷杯提取的方法，測定輪作模式的土壤養分分布和淋洗狀況，旨在對新型輪作模式進行評價，以期為該區域篩選合理的水肥運籌的輪作模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

本研究于2016年10月—2019年10月在河北省滄州市吳橋縣中國農業大學吳橋實驗站(37°41′ N，116°37′ E)開展，該區地處黑龍港流域中部，暖溫帶季風氣候，試驗期間年均降雨量594.9 mm，其中2018年降雨量最多，達到了813.6 mm，年均氣溫12.9 ℃，年日照時間為2 568.6 h。0～20 cm土質為壤質黏潮土，容重為1.40 g/cm3，pH 8.13，有機碳為4.82 g/kg，全氮為0.78 g/kg，有效磷為19.11 mg/kg，速效鉀為156.69 mg/kg。試驗期間月均溫和降雨量，見圖1。

圖1 2016—2019年中國農業大學吳橋實驗站的月均溫和月降雨量Fig.1 The monthly average temperature and precipitation from 2016 to 2019 in Wuqiao Experimental Station,China Agricultural University

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計

試驗以冬小麥-夏玉米復種連作(麥-玉復種模式)為對照，一方面考慮到華北平原冬小麥和夏玉米的產量保障，另一方面在作物適用性的基礎上考慮到糧食作物、油料作物、飼料作物的需求和搭配，設置春玉米→麥-玉(春玉米模式)、冬小麥→麥-玉(冬小麥模式)、春花生→麥-玉(春花生模式)、冬小麥-夏花生→麥-玉(冬小麥-夏花生模式)和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉(馬鈴薯-青貯玉米模式)5種2年輪作模式。在3年輪作試驗期間，2016-10—2017-09為多種作物種植季，定義為2017輪作年；2017-10—2018-09均為冬小麥-夏玉米種植季，定義為2018麥-玉年；2018-10—2019-09為多種作物種植季，定義為2019輪作年。不同模式作物種植順序，見圖2。試驗采用隨機區組設計，每個輪作模式設置3次重復，一共18個小區，每個小區的面積為2 m×2 m=4.0 m2。田間管理依據大田生產規范進行，各作物具體田間管理措施基于不同作物的特性和需求，見表1。夏玉米、春玉米、青貯玉米氮肥的底肥∶拔節追肥比為1∶1，馬鈴薯氮肥的底肥∶結薯期追肥比為4∶6，冬小麥氮肥的底肥∶拔節追肥比為6∶4，磷肥和鉀肥均于播種時一次性施入。作物收獲后，除青貯玉米秸稈用做家畜飼料外，其余作物秸稈均碾碎后還田。

圖2 不同種植模式的作物種植順序Fig.2 The order of crop rotation

表1 不同作物田間管理措施Table 1 The management of different crops

各小區之間用混凝土修筑的滲漏池隔開，滲漏池底部及側面進行防水處理。底部為斜面，鋪30 cm 粗砂防止土壤顆粒隨水流失。斜面最低處設排水口，通過PVC管連接到接水容器內。在滲漏池側部修筑約2.2 m高的地下監測室用于滲漏水監測與取樣。于2019年4月在距土壤表面50，70，120和170 cm處安裝陶瓷杯提取器，在210 cm處連接滲漏桶接取滲漏水。待土體穩定3個月后開始采集陶土管水樣，采樣時間為每次灌溉、施肥和較大降水后的1、3、5和7 d，之后每周測1次。定期收集滲漏桶中的滲漏水，并采用量筒測定淋失水量，搖勻后采集水樣冷凍保存，以3個重復的平均值作為該處理的時段滲漏水量。

1.2.2測定指標

1)土壤、土壤溶液及滲漏水收集

2016年10月開始采集0～20和>20～50 cm土壤用做測定初始樣品；在2017和2018年秋季作物收獲后，采集0～20 cm土壤樣品；2019年秋季作物收獲后，分層采集0～20和>20～50 cm土壤樣品，其中一部分置于-20 ℃保存，一部分置于陰涼干燥處自然風干。陶瓷杯提取器取樣時間為每次灌溉、施肥和較大降雨后的1、3、5和7 d，之后每周測1次。每次采樣時，手動壓力大約-7 MPa，24 h后收集土壤溶液。根據灌溉和降雨不定期收集滲漏桶中的滲漏水，采用量筒測定滲漏水量并冷凍保存，作為該處理時段的滲漏水量。2019年選取具有代表性的5個時間(08-03、08-13、08-19、09-02和10-03)，用陶瓷杯提取器采集水樣。

2)養分指標測定

銨態氮和硝態氮：土壤樣品使用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，稱出約10 g的新鮮土壤樣品，在105 ℃的烘箱內烘干至恒重，計算土壤的含水量。另稱取10 g鮮土，加入50.00 mL、0.01 mol/L CaCl2溶液，在搖床上振蕩30 min，轉速為180 r/min。靜置5 min后，用定性濾紙將上清液過濾，取適當濾液放入10 mL的離心管中，使用連續流動分析儀測定，并計算銨態氮與硝態氮濃度。無機氮包括銨態氮、硝態氮和極少量的亞硝態氮，本研究將銨態氮和硝態氮記為無機氮。

土壤有效磷：土壤樣品使用0.5 mol/L NaHCO3浸提，采用鉬銻抗比色法測定[31]。

水樣中總磷：采用流動分析儀測定[32]。

速效鉀：土壤樣品使用l mol/L CH3COONH4浸提，采用火焰光度法測定[33]。

水樣中總鉀：采用火焰光度計測定[34]。

養分淋失量，kg/hm2：養分淋失量=210 cm處土壤溶液養分質量濃度×通過210 cm界面的土壤水通量。

3)氣象數據

來源于河北省吳橋縣氣象局。

1.3 統計分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016處理和繪圖，用SPSS 25.0系統軟件進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式土壤養分變化動態

由表2可知，經過3年的輪作種植，冬小麥模式和春玉米模式土壤無機氮含量均顯著高于對照，且冬小麥模式土壤無機氮含量最高。冬小麥模式和春玉米模式的0～20 cm土層無機氮含量比對照模式約高出2.8和1.4倍，>20～50 cm土層無機氮含量比對照高出2.6和0.7倍。0～50 cm土層有效磷含量較高的模式有冬小麥模式、春花生模式和冬小麥-夏花生模式。冬小麥模式的0～20 cm土層速效鉀含量顯著高于其他5種種植模式且高于初始值，馬鈴薯-青貯玉米模式和春花生模式的土壤速效鉀含量最低。因為馬鈴薯是喜鉀作物且青貯玉米不還田，所以馬鈴薯-青貯玉米模式土壤速效鉀含量下降最劇烈。綜上所述，冬小麥模式表層土壤無機氮、有效磷和速效鉀含量較高，冬小麥-夏花生模式與對照相似，馬鈴薯-青貯玉米模式最差。

2.2 不同輪作模式不同土層土壤溶液養分狀況

由表3可知，2019-08—10月不同輪作模式0～50 cm土壤溶液無機氮濃度隨著時間的延長逐漸降低，于10月份稍有上升。麥-玉復種模式的土壤溶液無機氮濃度顯著高于其他5種模式，這主要是因為該模式總施肥量較高(810 kg/hm2)；冬小麥-夏花生模式、春花生模式和冬小麥模式在0～70與0～120 cm無機氮濃度較高，可能因為該地區6—9月份降雨較多，養分隨水向下淋洗。6種輪作模式在0～120和0～170 cm的土壤溶液無機氮濃度波動幅度不大，冬小麥-夏花生模式在這兩個層次的土壤溶液中無機氮濃度最高。

表3 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土層土壤溶液無機氮濃度Table 3 Soil solution inorganic nitrogen concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

由表4可知，不同層次的土壤溶液總磷濃度無顯著變化，0～50、0～70、0～120和0～170 cm各處理土壤溶液中總磷平均濃度分別在7.48～15.74，6.56～12.59，5.90～11.33和7.54～9.52 mg/L，其中0～170 cm處總磷濃度波動幅度最小，說明深層土壤溶液的總磷濃度受農田表層的影響較小。春花生模式的0～70 cm土壤溶液總磷和總鉀含量較高(表5)，有利于滿足春花生對于養分的需求；冬小麥-夏花生模式和麥-玉復種模式0～120 cm左右的土壤溶液總磷含量較高，冬小麥-夏花生模式和春玉米模式在0～120 cm土壤溶液總鉀濃度較高，原因可能是玉米和花生根系主要集中在0～40 cm土層中，因此可能引起地下水的污染。各模式0～170 cm處的土壤溶液總鉀濃度基本相似，差異范圍在1.34～5.80 mg/L。

表4 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和170 cm土層土壤溶液總磷濃度Table 4 Soil solution total phosphorus concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

表5 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土層土壤溶液總鉀濃度Table 5 Soil solution total potassium concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

2.3 不同輪作模式土壤水分滲漏量與養分淋失量

由表6可知，2018-10—2019-10土壤水分滲漏主要發生在一年當中的8—10月，且隨著時間的延長，各模式土壤水分滲漏量均逐漸減少。不同輪作模式間，冬小麥模式的水分滲漏量均較高，這主要是因為在雨季，該模式土地處于休耕狀態，沒有強大的作物根系固持水分。在2018-10-08，水分滲漏量增大，這是因為種植冬小麥前灌溉底墑水75 mm，而其他模式的水分滲漏量并無顯著變化，春花生模式由于周年灌溉量較小，因此水分滲漏量較小。

6種輪作種植模式不同時段的土壤養分淋失量損失主要發生在一年當中的8—10月。由表7可知，冬小麥模式全年總無機氮淋失量為3.12 kg/hm2，分別比麥-玉復種模式、春玉米模式、馬鈴薯-青貯玉米模式、冬小麥-夏花生模式和春花生模式高1.92、1.50、1.53、1.41和2.58 kg/hm2，春花生模式無機氮淋失量最低。冬小麥模式雨季無根系固持水分導致其養分滲漏量較大，土壤滲漏液無機氮平均濃度為16.12 mg/L，盡管低于我國生活飲用水衛生標準20.00 mg/L，但仍存在污染地下水的風險。田間土壤總磷的累計淋失量在0.38～1.44 kg/hm2，春花生模式的總磷淋失量較低，一方面是因為施磷肥量最小，另一方面是該模式灌溉量小，水分滲漏量小(表6)。冬小麥模式和冬小麥-夏花生模式在各時段的土壤總磷淋失量均較高，分別占當年磷肥施用量的1.28%和0.40%，盡管其淋失總量較小，二者的平均濃度卻分別達到8.000和9.000 mg/L，超過了引發水體富營養化的0.020～0.035 mg/L濃度。總鉀淋失量相對于無機氮和有效磷較大，累計淋失量在2.07～7.66 kg/hm2，這主要是因為滲漏液中總鉀含量較高。冬小麥模式的總鉀淋失量均高于其余幾種模式，其全年總鉀淋失量占當年施肥量的3.40%。冬小麥模式因雨季無作物根系固持水分，水分滲漏量最大，同時土壤養分含量高，造成無機氮、總磷和總鉀淋失量較高；春花生模式由于周年灌溉量低，導致土壤養分淋失量小。

表7 不同輪作種植模式不同時段的養分淋失量Table 7 Nutrient leaching loss at different time in different rotation cropping patterns kg/hm2

3 討 論

3.1 輪作模式對土壤肥力的影響

在土壤養分分布中，冬小麥→麥-玉模式和春玉米→麥-玉模式的土壤無機氮含量顯著優于麥-玉復種模式；春花生→麥-玉模式和冬小麥→麥-玉模式0～50 cm土壤有效磷含量下降幅度最小，各模式均應適當加大磷肥投入；冬小麥→麥-玉模式，冬小麥-夏花生→麥-玉模式和麥-玉復種模式的土壤速效鉀含量較高，馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式的土壤速效鉀含量較低，應適當加大鉀肥投入。結合養分管理情況，冬小麥→麥-玉模式更有利于保持表層土壤健康，春玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式次之。土壤肥力受不同輪作種植模式影響，在河北省石家莊市欒城區中國科學院欒城農業生態系統試驗站開展了不同的輪作模式土壤養分分析試驗，結果發現麥-玉模式和棉花連作模式對土壤中氮、磷、鉀的消耗量最高，土壤退化情況最嚴重，糧-棉-薯模式和糧-花生模式有利于土壤養分良性發展[35]。陳丹梅等[36]針對烤煙、油菜、玉米、苕子和水稻作物進行輪作模式研究發現，烤煙-油菜-玉米和烤煙-油菜-水稻輪作模式的土壤有效氮含量在基礎地力水平上提高了10%～32%，土壤有效磷含量比基礎地力增加1倍以上。呂毅等[37]研究也發現小麥-小蔥輪作模式提高了土壤有機質含量，小麥-馬鈴薯輪作可提高土壤速效氮、有效磷及微量元素的含量。因此，改變華北平原長期的冬小麥-夏玉米(麥-玉)復種連作種植模式，探索新型輪作模式對提高土壤肥力、保持養分平衡顯得尤為重要[11]。

3.2 輪作模式對土壤養分淋洗的影響

本研究發現春花生→麥-玉模式0～70 cm土壤溶液總磷和總鉀濃度較高，有利于滿足作物對于養分的需求；冬小麥-夏花生→麥-玉模式100 cm土層以下的土壤溶液無機氮、總磷和總鉀濃度均較高，加大了地下水污染的風險。冬小麥→麥-玉模式因雨季無作物根系固持水分，同時土壤養分含量高，造成養分淋失量較高；春花生→麥-玉模式由于周年灌溉量低，水分滲漏量小，導致土壤養分淋失量小。在不同作物輪作時，部分輪作模式可以減少土壤養分下滲，提高肥料利用率，減少對環境的污染。氮素淋溶主要發生在非生長季節，不同輪作作物表現出不同的淋溶模式[24]。張喜英[38]研究發現，0～120和0～170 cm的土壤溶液無機氮濃度波動幅度不大，是因為土壤溶液中無機氮含量與根系吸收利用密切相關，而作物根系主要分布在0～100 cm土層，作物對無機氮的消耗較小導致對100 cm以下土層中的無機氮含量影響不大。本研究中各輪作模式無機氮淋失量與降雨量成正相關，如果長期無降雨和灌溉，隨著暴曬程度加劇，作物蒸騰作用旺盛，土壤含水量下降，無機氮的淋失量會越來越少。減少作物輪作系統硝酸鹽淋失的一個常見策略是在時間和空間上平衡氮供應和作物需求，實施這一策略的一種方法是將綠肥納入輪作制度，在輪作期吸收氮，在經濟作物期的生長季釋放氮[39]。本研究得到田間土壤總磷的淋失量較為微弱，累計淋失量在0.38～1.44 kg/hm2。這主要是因為磷素可以在土壤溶液中反應生成其他礦物質，并且下層土壤有較強的吸附磷素的能力，所以磷在土壤中的擴散移動極弱[40]。因此，輪換種植不同的作物可以減少土壤養分下滲，減少對環境的污染。由于填閑作物能夠有效地保留土壤礦質氮和磷以及重金屬，從而減少淋洗和徑流損失，因此可以使用填閑作物來減少2種主栽作物之間的養分損失。已有研究發現，淺根性作物成熟收獲之后，輪換種植一些根系分布較深的作物，可以更好地利用表層土壤中淋洗轉移到深層土壤中的營養元素，而且在水分虧缺地區能夠合理利用深層地下水[38-39]。同時，隨著下茬深根性作物的生長發育，深層土壤中的營養元素不斷地被吸收利用，并被土壤表層存在的大量根系固定，從而供淺根性作物吸收利用[41]。

從試驗年限上來看，由于本研究歷時較短，且每年的氣候不同，因此僅靠一年的土壤溶液養分結果很難反映不同年型下的養分淋洗狀況，所以應繼續開展多年的試驗并獲得更可靠的試驗結果。另，本試驗利用滲漏池和陶瓷杯提取器設備測定了土壤溶液養分含量和養分淋失量，但對于其產生差異的機制尚不清晰，可以通過觀察和測定各輪作模式作物根系形態、生物量指標及土壤孔隙度等進行深入研究。

4 結 論

華北平原地區傳統的冬小麥-夏玉米(麥-玉)復種連作種植模式帶來的土壤蓄水保肥能力下降，地力消耗不均衡等一系列問題導致農業生態系統的失衡。本研究主要從減少投入，培肥地力的角度對構建的新型輪作模式進行評價，以麥-玉復種模式為對照，構建春玉米→麥-玉、冬小麥→麥-玉、春花生→麥-玉、冬小麥-夏花生→麥-玉和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉5種新型輪作模式，利用滲漏池和陶瓷杯提取器，對輪作周期內土壤養分和深層土壤淋洗情況進行分析，研究發現與對照模式相比，冬小麥→麥-玉模式表層土壤養分含量較高，最有利于保持土壤肥力，春玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式次之，冬小麥-夏花生→麥-玉模式與對照差異不顯著，馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉模式最差。春花生→麥-玉模式的0～70 cm 土壤溶液總磷和總鉀濃度較高，有利于滿足作物對于養分的需求；冬小麥-夏花生→麥-玉模式100 cm土層以下土壤溶液中無機氮、總磷和總鉀濃度均較高，存在地下水污染的風險。

綜上所述，從養地、減投的角度考慮，在華北平原冬小麥→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式培肥地力效果最好。