全 文 ：减量施氮对玉米鄄大豆套作体系土壤氮素
残留和氮肥损失的影响*
刘小明1 摇 雍太文1**摇 刘文钰1 摇 苏本营1 摇 宋摇 春1,2 摇 杨摇 峰1 摇 王小春1 摇 杨文钰1
( 1四川农业大学农学院农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 成都 611130; 2四川农业大学资源环境学院生态环境研
究所, 成都 611130)
摘摇 要摇 通过田间试验,研究了玉米单作、大豆单作、玉米鄄大豆套作 3 种种植模式和不施氮、
减量施氮(180 kg N·hm-2)、常量施氮(240 kg N·hm-2)3 种施氮水平对玉米和大豆植株氮
素吸收、土壤氮素残留和氮肥损失的影响.结果表明: 玉米鄄大豆套作体系下,施氮提高了玉米
土壤中残留的 NO3 - 鄄N、NH4 + 鄄N 含量,但在大豆土壤中则降低.与单作相比,玉米套作的土壤
氮素残留量增加,氮肥损失量降低,大豆套作的土壤氮素残留量和氮肥损失量均降低.减量施
氮处理下,玉米鄄大豆套作系统的氮肥残留率、损失率和氨挥发损失率分别比玉米单作低
17郾 7% 、21. 5%和 0. 4% ,比大豆单作高 2. 0% 、19. 8%和 0. 1% .与常量施氮相比,减量施氮降
低了玉米鄄大豆套作系统的氮肥残留量、残留率、损失量和损失率,同时还降低了由氨挥发所引
起的氮肥损失,其中氮肥残留率、损失率和氨挥发损失率分别降低 12. 0% 、15. 4%和 1. 2% .
关键词摇 玉米鄄大豆套作摇 减量施氮摇 氮素残留摇 氮肥损失摇 氨挥发
*国家自然科学基金项目(31271669,31201169)和国家公益性行业(农业)科研专项(201203096)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yongtaiwen@ sicau. edu. cn
2014鄄02鄄28 收稿,2014鄄05鄄19 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)08-2267-08摇 中图分类号摇 S147. 3, S181摇 文献标识码摇 A
Effect of reduced N application on soil N residue and N loss in maize鄄soybean relay strip in鄄
tercropping system. LIU Xiao鄄ming1, YONG Tai鄄wen1, LIU Wen鄄yu1, SU Ben鄄ying1, SONG
Chun1,2, YANG Feng1, WANG Xiao鄄chun1, YANG Wen鄄yu1 ( 1Ministry of Agriculture Key Labora鄄
tory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation in Southwest, College of Agronomy, Sichuan Agri鄄
cultural University, Chengdu 611130, China; 2 Institute of Ecological and Environmental Sciences,
College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(8): 2267-2274.
Abstract: A field experiment was conducted in 2012, including three planting pattern (maize鄄
soybean relay strip intercropping, mono鄄cultured maize and soybean) and three nitrogen application
level [0 kg N·hm-2, 180 kg N·hm-2( reduced N) and 240 kg N·hm-2(normal N)]. Fields
were assigned to different treatments in a randomized block design with three replicates. The objec鄄
tive of this work was to analyze the effects of planting patterns and nitrogen application rates on plant
N uptake, soil N residue and N loss. After fertilization applications, NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N levels in鄄
creased in the soil of intercropped maize but decreased in the soil of intercropped soybean. Com鄄
pared with mono鄄crops, the soil N residue and loss of intercropped soybean were reduced, while
those of intercropped maize were increased and decreased, respectively. With the reduced rate of N
application, N residue rate, N loss rate and ammonia volatilization loss rate of the maize鄄soybean
intercropping relay strip system were decreased by 17. 7% , 21. 5% and 0. 4% compared to mono鄄
cultured maize, but increased by 2. 0% , 19. 8% and 0. 1% compared to mono鄄cultured soybean,
respectively. Likewise, the reduced N application resulted in reductions in N residue, N loss, and
the N loss via ammonia volatilization in the maize鄄soybean relay strip intercropping system compared
with the conventional rate of N application adopted by local farmers, and the N residue rate, N loss
rate and ammonia volatilization loss rate reduced by 12. 0% , 15. 4% and 1. 2% , respectively.
Key words: maize鄄soybean relay strip intercropping system; reduced N application; N residue; N
loss; ammonia volatilization.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 8 月摇 第 25 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2014, 25(8): 2267-2274
摇 摇 施用氮肥是农业生产中提高作物产量的重要措
施之一.我国氮肥使用量逐年增加,且利用效率较
低,主要粮食作物仅为 26% ~ 28% ,而一些国家和
地区可达到 40%以上.大量的氮肥施用不仅投入产
出率低、带来巨大的经济损失,而且会造成严重的生
态环境问题,例如,温室效应、农业面源污染等.减量
施氮正是在这种背景下发展起来的一种高效施肥方
式,即在保证作物产量稳定的前提下,尽量减少氮肥
的投入量,以提高氮肥的利用效率,降低环境污
染[1-4] .关于减量施氮理论前人已经作了大量研究,
而且在小麦[1]、玉米[2]、水稻[3]、大豆[4]等粮油作物
中取得了大量成果. 如:刘学军等[1]研究了减量施
氮对冬小麦鄄夏玉米种植体系中小麦氮素利用的影
响,结果表明,与原有高量施氮处理相比,在冬小麦
季减半施氮未引起产量和吸氮量的显著变化. 邹晓
锦等[2]通过田间试验研究了不同土壤氮素供应水
平对玉米籽粒产量和氮素平衡的影响,结果发现,与
农民习惯施肥相比,氮肥减量 10%和 20%处理的玉
米产量并没有降低,而氮肥利用效率则显著增加.
间作、套种作为一种提高资源利用效率,增加粮
食总产和保护生态环境的有效种植方式,对于维持
农业可持续发展和保障国家粮食供需平衡具有重要
的作用.其中,禾本科作物与豆科作物的间套作种
植,具有显著的间套效应. Nielsen 等[5]研究豌豆和
大麦间作表明,氮资源的利用效率间作比单作提高
了 30% ~40% .雍太文等[6]研究小麦 /玉米 /大豆套
作表明,玉米植株15N 当季吸收量和回收率较单作
均提高 25. 2% .玉米鄄大豆套作是西南地区近几年发
展起来的新型种植模式,自推广以来,发展迅速,在
四川乃至整个西南地区都取得了良好的经济、社会
和生态效益.但是生产中作物施肥仍按传统的玉米鄄
甘薯套作模式,或以玉米、大豆单季作物独立施用,
施肥总量大,技术复杂,肥料利用效率低,损失严重.
雍太文等[6-8]对玉米鄄大豆套作对作物吸收土壤氮
素的影响及其机理进行了大量研究,但多数都集中
在传统施肥的基础上进行,关于减量施氮条件下,玉
米鄄大豆套作模式中作物的氮素吸收利用、土壤氮素
残留和氮肥损失状况等方面研究尚未见报道.因此,
本研究在单、套作模式下,研究了不同施氮水平对玉
米和大豆植株氮素吸收、土壤氮素残留和氮肥损失
的影响,旨在探明减量施氮条件下玉米鄄大豆带状套
作模式的氮肥残留和损失状况,以期为该模式施肥
技术的优化提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验地点和试验材料
试验于 2012 年 3—10 月在四川省现代粮食产
业(仁寿)示范基地进行.土壤基础肥力:pH值 6. 8,
有机质 17. 26 g·kg-1,全 N 0. 90 g·kg-1,全 P 0郾 50
g·kg-1, 全 K 14郾 28 g · kg-1, 碱 解 氮 77郾 35
mg·kg-1,速效磷 22. 83 mg·kg-1,速效钾 196郾 63
mg·kg-1 .供试玉米品种为“川单 418冶,由四川农业
大学玉米研究所提供;大豆品种为“南豆 12冶,由四
川省南充市农业科学研究所提供.
1郾 2摇 试验设计
采用二因素裂区设计,主区为种植模式(图 1),
分别为玉米单作(P1)、大豆单作(P2)、玉米鄄大豆套
作(P3),副区为玉米大豆施氮总量,分别为不施氮
(对照,N0)、减量施氮(N1, 180 kg N·hm-2,根据当
地玉米施氮量确定)、常量施氮 (N2, 240 kg N·
hm-2,根据当地玉米与大豆的总施氮量确定),且玉
米大豆施氮比为 3 颐 1,共 9 个处理,重复 3 次.每个
处理连续种 3 带,带长 6 m、带宽 2 m,小区面积
36 m2 .玉米单作和大豆单作采用等行距种植,玉米
行距 100 cm、大豆行距 50 cm,玉米、大豆穴距
19 cm,穴留 1 株;玉米鄄大豆套作采用宽窄行种植,
玉米宽行 160 cm,窄行 40 cm,玉米宽行内种 2 行大
豆,大豆行距40 cm,玉米与大豆间距60 cm,玉米、
图 1摇 不同种植模式及土壤采集点示意图
Fig. 1摇 Diagrammatic sketch of different planting patterns and soil sampling points.
P1: 玉米单作 Maize monoculture; P2: 大豆单作 Soybean monoculture; P3: 玉米鄄大豆套作 Maize鄄soybean relay strip intercropping. 下同 The same
below. 荫土样采集点 Soil sampling points.
8622 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
大豆穴距 19 cm,玉米穴留 1 株,每公顷 5. 25 万株,
大豆穴留 2 株,每公顷 10. 5 万株.各作物保证在单、
套作方式下,单位土地面积的种植密度和施肥水平
一致.玉米氮肥分两次施用,即底肥和大喇叭口期追
肥,大豆氮肥一次性施用.玉米单作和大豆单作按传
统株间穴施方式施肥. 玉米鄄大豆套作体系按玉米、
大豆一体化施肥方式,玉米底肥统一按 72 kg N·
hm-2实施,底肥采用株间穴施;玉米大喇叭口期追肥
则与大豆磷钾肥混合一起同时施用,在玉米、大豆之
间,距玉米 25 cm处开沟施肥,各作物氮肥施用方式
及施用量见表 1;单、套作玉米及单作大豆的磷钾肥
随底肥施用,每公顷玉米施用量为 P2O5 105 kg、K2O
112郾 5 kg,每公顷大豆施用量为 P2O5 63 kg、K2O
52郾 5 kg.玉米 4 月 5 日播种,8 月 2 日收获;大豆 6
月 15 日播种,10 月 26 日收获.
1郾 3摇 测定内容与方法
1郾 3郾 1 植株样品的采集与测定摇 于成熟期采集各作
物的植株样品. 玉米、大豆套作与单作取样方法相
同,每小区选长势一致的样段随机取两段,每段取对
称 2 行的连续 2 穴,玉米单、套作均为 8 株,大豆单
作 8 株、套作 16 株.将植株样品按地上茎叶、籽粒和
地下根系分开,均在 105 益下杀青 30 min 后,继续
在 75 益烘至恒量,测定干物质量;样品粉碎后过 60
目筛,采用凯氏定氮法[9]测定总 N含量.
1郾 3郾 2 土壤样品的采集与测定摇 各作物收获时用土
钻分带分层采集土壤样品(0 ~ 20 cm和 20 ~ 40 cm,
图 1).单作玉米土壤样品(P1)和单作大豆土壤样品
(P2)分别为垂直玉米行或大豆行 0 cm、距玉米行间
25 cm、距大豆行间 25 cm,共 3 个采样点;玉米鄄大豆
套作处理(P3)下玉米土壤样品和大豆土壤样品分
别为垂直玉米行或大豆行距窄行0 cm、20 cm,距宽
表 1摇 不同种植模式的氮肥施用量
Table 1摇 N application rates under different planting pat鄄
terns (kg·hm-2)
种植模式
Planting
pattern
施氮处理
N application
treatment
施氮总量
Total N
application rate
底肥
Base
fertilizer
追肥
Top
fertilizer
P1 N1 135 72 63
N2 180 72 108
P2 N1 45 45 0
N2 60 60 0
P3 N1 180 72 108
N2 240 72 168
P1: 玉米单作 Maize monoculture; P2: 大豆单作 Soybean monoculture;
P3: 玉米鄄大豆套作 Maize鄄soybean relay strip intercropping; N1: 减量
施氮 Reduced N application; N2:常量施氮 Conventional N application.
下同 The same below.
行 20 cm、40 cm,共 4 个采样点.将采集样品制备成
混合样,按四分法取 50 g 土,将风干土研磨粉碎过
60 目筛后,测定 NO3 - 鄄N、NH4 + 鄄N 含量. 另称取 10 g
风干土样,加入 1 mol·L-1的 KCl溶液 100 mL,于恒
温气浴摇床在 120 r·min-1振荡 60 min 后过滤,将
浸提液保存在 4 益冰箱中. 一周内利用 INTEGRAL
Future连续流动分析仪(ALLI鄄ANCE 公司,法国)测
定土壤 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N含量[10] .
1郾 3郾 3 土壤氨挥发的测定 摇 参照王朝辉等[11]的研
究,采用密闭法测定土壤氨挥发量.从玉米或大豆施
肥或追肥次日早上开始安装氨捕获装置,该装置由
聚氯乙烯硬质塑料制成一面敞开的正方体捕获箱,
规格为 20 cm伊20 cm伊20 cm.将捕获箱扣置于地面,
箱内放 1 个装有 20 mL 2%硼酸溶液的培养皿,用铁
丝支架架起,使培养皿底部与地面保持 8 cm左右的
距离.取样时间为 8:00—10:00.开始一周每 1 天取
1 次样,随后每 2 ~ 3 d取 l次样.以后取样间隔时间
随监测的氨挥发量而定,可以延长至 1 周,直到挥发
量接近对照组为止,遇降雨时取样时间顺延.在各小
区随机放置 1 个捕获装置.取样时,将培养皿中的回
收液迅速倒入预先准备好的塑料瓶中,用蒸馏水润
洗培养皿 2 ~ 3 次,将润洗液也倒入塑料瓶中,最后
将回收液密闭保存,带回实验室及时测定.然后将培
养皿再次润洗后,将 20 mL 2%的硼酸溶液加入培养
皿中,变动摆放位置后,将装置重新放好,开始下一
次氨吸收过程.
1郾 3郾 4 相关计算公式摇 NO3 - 鄄N累积量(kg·hm-2)=
土层厚度(cm)伊土壤容重(g·cm-3) 伊NO3 - 鄄N 含量
(mg·kg-1干土) / 10;NH4 + 鄄N 累积量(kg·hm-2)=
土层厚度(cm)伊土壤容重(g·cm-3) 伊NH4 + 鄄N 含量
(mg·kg-1干土) / 10;氮肥表观残留量(kg·hm-2)=
施氮区 NO3 - 鄄N累积量(kg·hm-2)+施氮区 NH4 + 鄄N
累积量 ( kg · hm-2 ) -不施氮区 NO3 - 鄄N 累积量
(kg·hm-2)-不施氮区 NH4 + 鄄N累积量(kg·hm-2);
氮肥表观损失量(kg·hm-2)=施氮量-吸氮量-残留
量;玉米套作的氮肥表观利用(残留)率(%)= [施氮
区玉米吸氮(残留)量-不施氮区玉米吸氮(残留)
量] /玉米施氮量伊100%;大豆套作的氮肥表观利用
(残留)率(%)= [施氮区大豆吸氮(残留)量-不施氮
区大豆吸氮(残留)量] /大豆施氮量伊100%;玉米鄄大
豆系统的氮肥表观利用(残留)率(%)= [施氮区玉
米与大豆总吸氮(残留)量-不施氮区玉米与大豆总
吸氮(残留)量] /玉米与大豆总施氮量伊100% .
96228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘小明等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系土壤氮素残留和氮肥损失的影响摇 摇 摇 摇 摇
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 软件进行数据整理,
采用 DPS 7. 05 软件对试验数据进行方差分析和显
著性测验(LSD法,琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同处理植株氮素吸收
由表 2 可知,与单作相比,玉米套作的吸氮量略
有降低,而大豆则提高 18. 6% ;玉米鄄大豆套作系统
的吸氮量最高,比玉米和大豆单作分别高 113%和
115% .植株的吸氮量随施氮量的增加呈先增加后降
低的趋势,以减量施氮处理最高,其中玉米套作、大
豆套作和玉米鄄大豆套作系统比不施氮处理分别高
19. 6% 、58. 7%和 39. 1% ,比常量施氮处理分别高
15. 0% 、11. 2%和 12. 8% .从氮肥表观利用率来看,
各施氮处理下均表现为单作<套作,减量施氮处理
下,玉米套作比单作提高 6. 3% ,大豆套作比单作提
高 28. 6% ;玉米鄄大豆套作系统的周年氮肥表观利用
率在常量施氮处理下高于玉米和大豆单作,而减量施
氮处理下则表现为大豆单作>玉米鄄大豆套作系统>玉
米单作,其中,玉米鄄大豆套作系统比大豆单作降低
21. 8% ,比玉米单作提高 39. 2% .与常量施氮相比,
减量施氮提高了作物的氮肥表观利用率,其中玉米
套作、大豆套作和玉米鄄大豆套作系统分别提高
14郾 0% 、18. 8%和 27. 4% .
2郾 2摇 不同处理土壤无机 N残留
2郾 2郾 1 土壤 NO3 - 鄄N 含量 摇 与单作相比,玉米套作
0 ~ 20、20 ~ 40 cm的土壤 NO3 - 鄄N含量显著提高,比
单作高 10. 9% 、15. 1% ,而大豆则降低 35. 1% 、
5郾 7% (表 3). 对于玉米,单作、套作模式下 0 ~ 20、
20 ~ 40 cm土壤 NO3 - 鄄N 含量随施氮量的增加呈增
加趋势,其中套作模式下,减量施氮比不施氮处理高
30. 3% 、26. 2% .对于大豆,施氮提高了单作模式下
0 ~ 20、20 ~ 40 cm土壤 NO3 - 鄄N含量,而套作模式下
则降低,以常量施氮处理最低,比不施氮处理低
8郾 3% 、19. 5% .
2郾 2郾 2 土壤 NH4 + 鄄N 含量 摇 0 ~ 20、20 ~ 40 cm 土壤
NH4 + 鄄N含量在玉米套作和单作间差异不显著,而大
豆套作比单作显著提高 41. 5% 、25. 7% (表 4). 与
不施氮处理相比,施氮提高了玉米土壤 NH4 + 鄄N 含
量,而大豆则呈降低趋势. 对于玉米,0 ~ 20 cm 土
层,单作、套作模式下随施氮量的增加呈增加趋势;
20 ~ 40 cm土层,单作模式下随施氮量的增加而增
加,套作模式下以减量施氮处理最高,比不施氮处理
高 6. 4% .对于大豆,单作、套作模式下施氮处理间
以减量施氮最低,其中套作模式下,减量施氮处理
0 ~ 20、20 ~ 40 cm 土壤 NH4 + 鄄N 含量比不施氮处理
低 14. 5% 、23. 3% .
表 2摇 玉米鄄大豆套作系统的吸氮量及氮肥表观利用率
Table 2摇 N uptake and N apparent utilization rate in maize鄄soybean relay strip intercropping system
施 N水平
N applica鄄
tion rate
吸氮量 N uptake (kg·hm-2)
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
氮肥表观利用率 N apparent utilization rate (% )
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
N0 124. 02b 114. 51b 119. 56b 113. 81c 228. 32c - - - - -
N1 138. 03a 136. 97a 151. 67a 180. 63a 317. 59a 10. 4 16. 6 71. 4 100 49. 6
N2 126. 94b 119. 16b 113. 95b 162. 50b 281. 66b 1. 6 2. 6 0 81. 2 22. 2
平均 Mean 129. 66a 123. 55a 128. 39b 152. 31a 275. 86 6. 0 9. 6 35. 2 90. 6 35. 9
同列不同小写字母表示差异显著(P<0. 05); 同行不同小写字母表示 P3与 P1(或 P2)差异显著(P<0. 05) Different letters within the same column
meant significant difference at 0. 05 level and different letters within the same row meant significant difference between P3 and P1(or P2) at 0. 05 level.
下同 The same below. “-冶:不施氮处理下无氮肥表观利用率 There existed no N apparent utilization rate under no N application treatment.
表 3摇 施 N水平和种植模式对玉米、大豆土壤 NO3 - 鄄N含量的影响
Table 3 摇 Effects of different N application rates and planting patterns on soil NO3 - 鄄N content of maize and soybean
(mg·kg-1)
施 N水平
N application
rate
玉米 Maize
0 ~ 20 cm
P1 P3
20 ~ 40 cm
P1 P3
大豆 Soybean
0 ~ 20 cm
P2 P3
20 ~ 40 cm
P2 P3
N0 41. 19b 42. 79b 32. 18a 31. 54b 58. 77b 42. 83a 34. 33b 37. 20a
N1 49. 15a 55. 77a 34. 85a 39. 80a 64. 67a 42. 25a 37. 33a 35. 97a
N2 52. 38a 59. 71a 36. 33a 47. 61a 68. 20a 39. 26a 37. 68a 29. 93b
平均 Mean 47. 57b 52. 76a 34. 45b 39. 65a 63. 88a 41. 45b 36. 45a 34. 37a
0722 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 4摇 施 N水平和种植模式对玉米、大豆土壤 NH4 + 鄄N含量的影响
Table 4 摇 Effect of different N application rates and planting patterns on soil NH4 + 鄄N content of maize and soybean
(mg·kg-1)
施 N水平
N application
rate
玉米 Maize
0 ~ 20 cm
P1 P3
20 ~ 40 cm
P1 P3
大豆 Soybean
0 ~ 20 cm
P2 P3
20 ~ 40 cm
P2 P3
N0 24. 49a 25. 18a 22. 02b 25. 28a 20. 05a 30. 04a 25. 60a 31. 08a
N1 25. 57a 25. 33a 24. 80a 26. 90a 18. 91a 25. 68a 19. 43b 23. 85b
N2 27. 16a 26. 96a 26. 23a 26. 18a 21. 19a 29. 35a 22. 27ab 29. 67a
平均 Mean 25. 74a 25. 82a 24. 35a 26. 12a 20. 05a 28. 36a 22. 43b 28. 20a
2郾 3摇 不同处理氮肥表观残留
由表 5 可知,与单作相比,玉米套作的土壤氮肥
残留量显著提高,比单作高 49. 0% ,而大豆则降低
100% ,玉米鄄大豆套作系统的周年土壤氮肥残留量
比玉米单作低 22. 7% ,比大豆单作高 133. 4% .与常
量施氮相比,减量施氮处理下玉米单作、大豆单作及
玉米鄄大豆套作系统的土壤氮肥残留量分别降低
34. 8% 、85. 0%及 63. 2% .从氮肥表观残留率来看,
对于玉米,单作<套作;对于大豆,单作>套作,其中
减量施氮处理下,玉米套作比单作提高 13. 2% ,而
大豆套作则降低 9. 6% . 玉米鄄大豆套作系统的周年
氮肥表观残留率在常量施氮处理下表现为玉米鄄大
豆套作系统<玉米单作<大豆单作,而减量施氮处理
下则为玉米单作>玉米鄄大豆套作系统>大豆单作,其
中玉米鄄大豆套作系统比玉米单作降低 17. 7% ,比大
豆单作提高 2. 0% .与常量施氮相比,减量施氮降低
了各作物的氮肥表观残留率,其中玉米套作和玉米鄄
大豆套作系统分别降低 8. 5%和 12% .
2郾 4摇 不同处理氮肥表观损失
由表 6 可知,与单作相比,玉米和大豆套作处理
的氮肥表观损失量降低,比玉米和大豆单作分别低
27. 9%和 71. 6% ;玉米鄄大豆套作系统的周年氮肥表
观损失量表现为玉米单作>玉米鄄大豆系统>大豆单
作,其中玉米鄄大豆套作系统比玉米单作低 18. 7% .
与常量施氮相比,减量施氮显著降低了作物的氮肥
表观损失量,其中玉米套作、大豆套作和玉米鄄大豆
系统分别降低 33. 9% 、100%和 46. 3% .氮肥表观损
失率与氮肥表观损失量规律一致.套作后玉米、大豆
的氮肥表观损失率也降低,玉米套作比单作降低
30. 1% ,大豆套作比单作降低 73. 5% .玉米鄄大豆系
统的氮肥表观损失率低于玉米单作,而高于大豆单
作,其中减量施氮处理下,玉米鄄大豆系统比玉米单
作降低 21. 5% ,比大豆单作提高 19. 8% . 与常量施
氮相比,减量施氮降低了作物的氮肥表观损失率,其
中玉米套作、大豆套作和玉米鄄大豆系统分别降低
5. 5% 、18. 9%和 15. 4% .
2郾 5摇 不同处理土壤氨挥发损失
由图 2 可知,玉米鄄大豆套作系统的氨挥发累积
表 5摇 不同处理的氮肥残留量及表观残留率
Table 5摇 N residue and N apparent residual rate in different treatments
施 N水平
N application
rate
氮肥残留量 N residue (kg·hm-2)
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
氮肥表观残留率 N apparent residual rate (% )
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
N1 39. 43a 57. 23b 4. 31b 0a摇 20. 76b 29. 2 42. 4 9. 6 0 11. 5
N2 60. 50a 91. 67a 28. 78a 0a 56. 47a 33. 6 50. 9 48. 0 0 23. 5
平均 Mean 49. 97b 74. 45a 16. 55a 0a 38. 62 31. 4 46. 7 28. 8 0 17. 5
表 6摇 不同处理的氮肥损失量及表观损失率
Table 6摇 N loss and N apparent loss rate in different treatments
施 N水平
N application
rate
氮肥损失量 N loss (kg·hm-2)
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
氮肥表观损失率 N apparent loss rate (% )
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄大豆系统
Maize鄄soybean
system
N1 81. 56b 55. 31b 8. 58b 0a 69. 96b 60. 4 41. 0 19. 1 0 38. 9
N2 116. 58a 83. 68a 31. 23a 11. 31a 130. 19a 64. 8 46. 5 52. 0 18. 9 54. 2
平均 Mean 99. 07a 69. 49a 19. 91a 5. 66a 80. 59 62. 6 43. 7 35. 6 9. 4 46. 6
17228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘小明等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系土壤氮素残留和氮肥损失的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 施 N水平和种植模式对氨挥发累积量和氨挥发损失
率的影响
Fig. 2摇 Effects of different N application rates and planting pat鄄
terns on accumulated amount and loss rate of ammonia volatiliza鄄
tion.
量与玉米单作差异不明显,但显著高于大豆单作.各
种植模式下的氨挥发累积量均随施氮量的增加而增
加,与常量施氮相比,减量施氮处理下玉米单作、玉
米鄄大豆套作系统的氨挥发累积量显著降低 41. 7%
和 44. 6% .进一步分析氨挥发损失率可知,各施氮
处理下均表现为玉米单作>玉米鄄大豆套作系统>大
豆单作,其中减量施氮处理下玉米鄄大豆套作系统比
玉米单作低 0. 4% ,比大豆单作高 0. 1% ;与常量施
氮相比,减量施氮显著降低了玉米单作、玉米鄄大豆
套作系统的氨挥发损失率,分别降低 1. 3% 和
1郾 2% .
3摇 讨摇 摇 论
禾本科与豆科作物的间套作,由于豆科作物的
生物固氮作用和作物间的氮素转移作用,促进了作
物对氮素的吸收利用,使间套作系统的氮素吸收量
较单作显著提高,如小麦鄄蚕豆[12]、小麦鄄大豆[13]、玉
米鄄大豆[14]、水稻鄄花生[15]、苜蓿鄄玉米[16]等间套作系
统.雍太文等[7]在前期研究中也发现,玉米鄄大豆套
作中的大豆替代了传统玉米鄄甘薯套作中的甘薯,改
变了作物间的作用关系和作物的生态地位,与单作
相比,套作体系下玉米的吸氮量及氮肥利用率显著
提高,而大豆则降低,尤其是大豆的氮肥利用率降低
51. 5% [6],不利于提高玉米鄄大豆套作系统的氮肥吸
收利用效率.本研究中,与单作相比,玉米鄄大豆套作
系统中玉米的吸氮量虽然呈降低趋势,但大豆的吸
氮量显著提高,玉米和大豆的氮肥表观利用率均显
著提高;玉米鄄大豆套作系统的吸氮总量和氮肥表观
利用率以减量施氮处理最高,其氮肥表观利用率比
常量施氮处理提高了 27. 4% .发生这种变化的原因
可能是整合施肥时间、优化施肥距离以及降低施肥
量之后,玉米鄄大豆套作减量一体化施氮不仅能够满
足玉米对氮肥的需求,而且促进了大豆的生物固氮,
使系统的氮素吸收能力增加,从而提高了氮肥的利
用效率,但有关减量一体化施氮促进玉米鄄大豆套作
体系下大豆生物固氮的作用机理以及系统氮素循环
特征还有待进一步研究.
作物收获后,残留的氮素主要集中在土壤表
层[17],可以维持土壤肥力,但残留过高则向深层移
动和积累[18],增加氮肥损失的风险,污染环境.施肥
对土壤氮素残留有显著影响. 韦剑锋等[19]研究表
明,随氮肥施用水平的提高,甘蔗地肥料氮素残留量
及残留率显著增加,而氮肥利用率显著下降.蔡红光
等[20]研究表明,中量施氮处理的土壤氮素残留量显
著低于高量施氮处理,对环境威胁较小. 本研究中,
与常量施氮相比,玉米鄄大豆套作系统减量施氮处理
的氮肥表观残留率降低了 12% ,与前人研究结果一
致[19-20] .本研究还发现,与单作相比,玉米套作的土
壤残留无机氮含量增加,而大豆套作则呈降低趋势,
且减量施氮处理大豆土壤残留无机氮含量低于不施
氮处理,其原因可能有两个方面:一方面,雍太文
等[6]在前期研究中表明,小麦鄄玉米鄄大豆套作中,大
豆通过氮素转移作用向玉米转移的氮素显著高于玉
米向大豆转移的氮素,使土壤无机氮向玉米根系附
近转移,促进了玉米对氮素的吸收,从而降低了大豆
根系附近的无机氮含量;另一方面,套作大豆远离根
区施肥和降低施氮量后,吸氮量较单作显著增加,说
明减量一体化施氮不仅刺激了大豆根瘤固氮,而且
增强其吸收土壤氮以满足自身生长,使玉米鄄大豆套
作系统的吸氮总量显著增加.
施入土壤中的氮肥在被作物吸收利用的同时,
也通过一些途径损失掉,降低氮肥损失可以提高氮
肥利用效率.氮肥损失主要包括 3 条途径,即硝态氮
淋洗、氨挥发和硝化鄄反硝化作用.众多研究表明,间
套种植或减量施氮能够降低氮肥的硝态氮淋洗作用
和硝化鄄反硝化作用带来的 N2O 损失. 冯兆忠等[21]
2722 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
对农田 NO3 - 鄄N 淋失量的研究表明,不同农田间表
现为小麦地>白菜地>玉米地>葵花地>小麦鄄玉米套
作地;俞映倞等[22]对稻田土壤氮素渗漏的研究发
现,氮素施用量减少 33% ,地下水体的总氮浓度降
低 36. 9% ~49. 0% ;邹国元等[23]对夏玉米生长期氮
素硝化鄄反硝化作用的研究表明,表层 15 cm土壤的
氮素反硝化值随施氮量的增加而增加;Dyer 等[24]对
玉米鄄大豆间作体系温室气体排放的研究发现,N2O
的排放量在单作与间作之间表现为玉米单作>大豆
单作>玉米鄄大豆间作. 氨挥发是旱地土壤氮肥损失
的重要途径.巨晓棠等[25]和王朝辉等[26]对冬小麦 /
夏玉米轮作体系氨挥发损失的研究表明,氨挥发损
失率占氮肥投入的 2. 1% ~ 9. 5% ,且氨挥发累积量
和损失率均随施氮量的增加而增加.高文伟等[27]研
究也表明,过量施氮会增加土壤氨挥发,增加氮肥损
失,而适量施氮土壤氨挥发较低. 本研究也表明,与
常量施氮相比,减量施氮处理的氨挥发损失量和损
失率显著降低,且玉米鄄大豆套作的氨挥发损失率显
著低于玉米单作,与前人研究结果一致[25-27] .另外,
从氮肥的表观损失量和损失率来看,与单作相比,玉
米套作和大豆套作的氮肥损失量和损失率均明显下
降;与常量施氮相比,玉米鄄大豆套作系统减量施氮
处理的氮肥表观损失率也降低 15郾 4% .说明玉米鄄大
豆套作系统减量一体化施氮能够通过降低氮肥的氨
挥发等途径来降低氮肥损失,以提高氮肥的吸收
利用.
玉米鄄大豆套作系统中,作物的氮素来源包括 3
个方面:土壤氮素、外源氮肥和生物固氮,其中,大豆
根瘤固氮量占总氮吸收量的 50% ~ 60% .正是由于
大豆的生物固氮作用,增加了系统的氮素来源,对施
入土壤中氮肥的表观利用、残留和损失都有一定的
掩盖作用.本研究未对大豆的根瘤固氮特性和生物
固氮能力进行测定,还需进一步研究.
4摇 结摇 摇 论
玉米鄄大豆套作相对于单作虽然降低了玉米的
吸氮量,增加了氮肥残留量、残留率,但氮肥表观利
用率增加,氮肥损失量、损失率降低;套作后大豆的
吸氮量、氮肥表观利用率显著增加,氮肥残留量、残
留率、损失量和损失率降低.减量施氮显著提高了玉
米鄄大豆套作系统的总吸氮量和氮肥表观利用率,降
低了氮肥残留量、残留率、损失量和损失率.玉米鄄大
豆套作减量一体化施肥促进了氮肥的吸收利用,降
低了氮肥的残留和损失,减少了氨挥发,是一种科学
的施肥方式.
参考文献
[1]摇 Liu X鄄J (刘学军), Ju X鄄T (巨晓棠), Zhang F鄄S (张
福锁). Effect of reduced N application on N utilization
and balance in winter wheat summer maize cropping sys鄄
tem. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2004, 15(3): 458-462 (in Chinese)
[2]摇 Zou X鄄J (邹晓锦), Zhang X (张摇 鑫), An J鄄W (安
景文). Effect of reducing and postponing of N applica鄄
tion on yield, plant N uptake, utilization and N balance
in maize. Soil and Fertilizer Sciences in China (中国土
壤与肥料), 2011(6): 25-29 (in Chinese)
[3]摇 Zhao D (赵摇 冬), Yan T鄄M (颜廷梅), Qiao J (乔摇
俊), et al. Change of different nitrogen forms in surface
water of rice field and reduction of nitrogen fertilizer ap鄄
plication in rice season. Ecology and Environmental Sci鄄
ences (生态环境学报), 2011, 20(4): 743-749 ( in
Chinese)
[4]摇 Yang W鄄T (杨文亭), Li Z鄄X (李志贤), Shu L (舒摇
磊), et al. Effect of sugarcane / / soybean intercropping
and reduced nitrogen rates on sugarcane yield, plant and
soil nitrogen. Acta Ecologica Sinica (生态学报 ),
2011, 31(20): 6108-6115 (in Chinese)
[5]摇 Nielsen HH, Gooding M, Ambus P. Pea鄄barley inter鄄
cropping for efficient symbiotic N2 鄄fixation, soil N ac鄄
quisition and use of other nutrients in European organic
cropping systems. Field Crops Research, 2009, 113:
64-71
[6]摇 Yong T鄄W (雍太文), Yang W鄄Y (杨文钰), Ren W鄄J
(任万军), et al. Analysis of the nitrogen transfer, ni鄄
trogen uptake and utilization in the two relay鄄planting
systems. Scientia Agricultura Sinica (中国农业科学),
2009, 42(9): 3170-3178 (in Chinese)
[7]摇 Yong T鄄W (雍太文), Yang W鄄Y (杨文钰), Wang X鄄
C (王小春), et al. Nitrogen uptake and utilization and
interspecies reciprocity in the two relay鄄planting sys鄄
tems. Journal of Sichuan Agricultural University (四川
农业大学学报), 2009, 27 (2): 167 - 172 ( in Chi鄄
nese)
[8]摇 Yong T鄄W (雍太文), Yang W鄄Y (杨文钰), Xiang D鄄
B (向达兵), et al. Effects of different planting modes
on soil nitrogen transformation and related enzyme activi鄄
ties. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2011, 22(12): 3227-3235 (in Chinese)
[9]摇 Bao S鄄D (鲍士旦). Analysis Methods for Soil and
Agrochemistry. Beijing: China Agriculture Press, 2000:
301-320 (in Chinese)
[10]摇 Zhang J鄄E (章家恩). Normal Methods and Technique
of Ecological Experiment. Beijing: China Chemical In鄄
dustry Press, 2007: 232-271 (in Chinese)
[11]摇 Wang Z鄄H (王朝辉), Liu X鄄J (刘学军), Ju X鄄T (巨
晓棠), et al. Field in situ determination of ammonia
volatilization from soil: Venting method. Plant Nutrition
and Fertilizer Science (植物营养与肥料学报), 2002,
8(2): 205-209 (in Chinese)
37228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘小明等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系土壤氮素残留和氮肥损失的影响摇 摇 摇 摇 摇
[12]摇 Xiao YB, Li L, Zhang FS. Effect of root contact on in鄄
terspecific competition and N transfer between wheat and
fababean using direct and indirect 15N techniques. Plant
and Soil, 2004, 262: 45-54
[13] 摇 Li L, Sun JH, Zhang FS. Wheat / maize or wheat / soy鄄
bean strip intercropping. I. Yield advantage and inter鄄
specific interactions on nutrients. Field Crops Research,
2001, 71: 123-137
[14]摇 Li S鄄M (李少明), Zhao P (赵摇 平), Fan M鄄P (范茂
攀), et al. Nitrogen uptake and utilization in intercrop鄄
ping system of maize and soybean. Journal of Yunnan
Agricultural University (云南农业大学学报), 2004,
19(5): 527-574 (in Chinese)
[15]摇 Shen QR, Zhu GX. Bi鄄directional nitrogen transfer in an
intercropping system of peanut with rice cultivated in
aerobic soil. Biology and Fertility of Soils, 2004, 40:
81-87
[16] 摇 Zhang GG, Yang ZB, Dong ST. Interspecific competi鄄
tiveness affects the total biomass yield in an alfalfa and
corn intercropping system. Field Crops Research, 2011,
124: 66-73
[17]摇 Han Y鄄L (韩燕来), Ge D鄄J (葛东杰), Wang Q (汪
强), et al. Effect of N fertilizer rate on fate of labeled
nitrogen and winter wheat yield on different soil fertility
fields in Chao soil area in North Henan. Journal of Soil
and Water Conservation (水土保持学报), 2007, 21
(5): 151-154 (in Chinese)
[18]摇 Wang D (王摇 东), Yu Z鄄W (于振文), Yu W鄄M (于
文明), et al. Effects of nitrogen application level on
soil nitrate accumulation and ammonia volatilization in
high yielding wheat field. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2006, 17(9): 1593-1598
(in Chinese)
[19]摇 Wei J鄄F (韦剑锋), Wei D鄄P (韦冬萍), Chen C鄄J
(陈超君), et al. Effects of nitrogen fertilizer levels on
nitrogen utilization and residue in sugarcane鄄planted
soil. Chinese Journal of Soil Science (土壤通报),
2013, 44(1): 168-172 (in Chinese)
[20]摇 Cai H鄄G (蔡红光), Mi G鄄H (米国华), Chen F鄄J (陈
范骏), et al. Characteristics of nitrogen mineralization
and residual in the soil and nitrogen balance in the con鄄
tinuous spring maize cultivation system in Northeast Chi鄄
na. Plant Nutrition and Fertilizer Science (植物营养与
肥料学报), 2010, 16(5): 1144-1152 (in Chinese)
[21]摇 Feng Z鄄Z (冯兆忠), Wang X鄄K (王效科), Feng Z鄄W
(冯宗炜), et al. Influence of autumn irrigation on soil
N leaching loss of different farm lands in Hetao Irrigation
district, China. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2003, 10(23): 2027-2032 (in Chinese)
[22]摇 Yu Y鄄L (俞映倞), Xue L鄄H (薛利红), Yang L鄄Z
(杨林章). Effects of nitrogen management on nitrogen
leaching of paddy soil in Taihu Lake region. Acta Pedo鄄
logica Sinica (土壤学报), 2011, 48 (5): 988 -995
(in Chinese)
[23] 摇 Zou G鄄Y (邹国元), Zhang F鄄S (张福锁), Li X鄄H
(李新慧). Study on nitrification鄄denitrification of soil
nitrogen in summer maize season. Agricultural Research
in the Arid Areas (干旱地区农业研究), 2002, 20
(1): 30-34 (in Chinese)
[24]摇 Dyer L, Oelbermann M, Echarte L. Soil carbon dioxide
and nitrous oxide emissions during the growing season
from temperate maize鄄soybean intercrops. Journal of
Plant Nutrition and Soil Science, 2012, 175: 394-400
[25]摇 Ju X鄄T (巨晓棠), Liu X鄄J (刘学军), Zou G鄄Y (邹
国元), et al. Evaluation of nitrogen loss way in winter
wheat and summer maize rotation system. Scientia Agri鄄
cultura Sinica (中国农业科学), 2002, 35 ( 12 ):
1493-1499 (in Chinese)
[26]摇 Wang Z鄄H (王朝辉), Liu X鄄J (刘学军), Ju X鄄T (巨
晓棠), et al. In situ determination of ammonia volatili鄄
zation from wheat鄄maize rotation system field in North
China. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2002, 22
(3): 359-365 (in Chinese)
[27]摇 Gao W鄄W (高文伟), Huang W (黄 摇 炜), Jia H鄄T
(贾宏涛), et al. Preliminary study on the impact of ni鄄
trogen fertilizer application at the growth stage on ammo鄄
nia volatilization of maize soil system. Journal of Maize
Sciences (玉米科学), 2009, 17 (4): 112 - 114 ( in
Chinese)
作者简介摇 刘小明,男,1987 年生,硕士研究生.主要从事作
物高产技术与理论研究. E鄄mail: liuxiaomingsicau@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
4722 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷