全 文 ：旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其
与小麦产量的关系*
苗艳芳1**摇 李生秀2 摇 扶艳艳1 摇 王朝辉2 摇 徐晓峰1 摇 罗来超1
( 1河南科技大学农学院, 河南洛阳 471003; 2西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 在陕西永寿和河南洛阳分别进行了 11 处和 7 处小麦大田试验,设对照(不施氮)和
施氮(150 kg N·hm-2)2 个处理,测定了小麦生物量、籽粒产量及不同土层(0 ~ 20、20 ~ 40、
40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm)土壤铵态氮、硝态氮浓度.结果表明: 两地土壤铵态氮浓度均很
低,而硝态氮浓度较高,其中硝态氮数量占铵态氮、硝态氮总量的 91% ,在反映土壤供氮特性
方面与两者之和有完全一致趋势.不施氮情况下,永寿 0 ~ 40、0 ~ 60、0 ~ 80 和 0 ~ 100 cm土层
累积的硝态氮与小麦生物量和产量显著相关;而洛阳无显著相关关系.施氮后,永寿不同深度
土层累积的硝态氮与小麦生物量和产量的相关关系显著下降,而洛阳出现负相关;两地小麦
产量增量与 0 ~ 80 和 0 ~ 100 cm 土层累积的硝态氮显著或极显著相关. 小麦苗期主要依赖
0 ~ 20 cm土层硝态氮;返青期、拔节期分别利用 0 ~ 40 cm和 0 ~ 60 cm土层硝态氮,成熟期则
能利用0 ~ 100 cm土层累积硝态氮.小麦收获后对照土壤的铵态氮浓度与播前起始值无明显
差异,而硝态氮大幅下降.
关键词摇 小麦摇 硝态氮摇 铵态氮
文章编号摇 1001-9332(2014)04-1013-09摇 中图分类号摇 S143. 1, S158. 5摇 文献标识码摇 A
Characteristics of ammonium N and nitrate N accumulation in dryland soil in relation with
wheat yield. MlAO Yan鄄fang1, LI Sheng鄄xiu2, FU Yan鄄yan1, WANG Zhao鄄hui2, XU Xiao鄄feng1,
LUO Lai鄄chao1 ( 1School of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang
471003, Henan, China; 2College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University,
Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(4): 1013-1021.
Abstract: A total of eleven field trials in Yongshou, Shaanxi Province and seven in Luoyang,
Henan Province were conducted with two treatments (without N as control and with 150 kg N·
hm-2 addition). The wheat biomass and seed yield were determined, and so were the nitrate and
ammonium N concentrations in five layers (0-20, 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 cm) at each
trial site. Results showed that soil ammonium concentrations in the two provinces were very low
while nitrate N concentrations were relatively high. Soil nitrate N occupied 91% of the total mineral
N, and exhibited the same trend as the total mineral N in reflecting soil N supplying capacity.
Without N application, the cumulative nitrate N amounts in the 0-40, 0-60, 0-80 and 0-100 cm
layers in Yongshou were significantly correlated with wheat biomass and seed yield while no such
correlation existed in Luoyang. With N addition, the relations of cumulative nitrate N of the differ鄄
ent layers to wheat biomass and yield were greatly declined in Yongshou whereas those of Luoyang
were changed to be negative. The yield increases were significantly correlated with the amount of ni鄄
trate N accumulated in the 0-80 and 0-100 cm layers of the two sites under N addition. Wheat
mainly depended on nitrate N from the 0-20 cm layer at seedling stage, 0-40 cm at reviving, and
0-60 cm at elongation stages, and could utilize 0-100 cm nitrate N at maturity. After wheat har鄄
vest, the concentration of ammonium N was not significantly different from the initial value while
that of nitrate N greatly decreased.
Key words: wheat; NO3 - 鄄N; NH4 + 鄄N.
*国家自然科学基金项目(30971866)和洛阳市科技攻关项目(1203206B)资助.
**通讯作者. E鄄mail: myf2237@ 163. com
2013鄄05鄄02 收稿,2013鄄12鄄30 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 4 月摇 第 25 卷摇 第 4 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, Apr. 2014, 25(4): 1013-1021
摇 摇 全世界土壤普遍缺氮,化学氮肥在农业生产中
的应用有力地提高了作物产量,对氮肥反应特别强
烈的 3 大谷类作物(小麦、玉米和水稻)施氮效果更
为突出[1] .但随着氮肥用量的提高和不合理施用,
氮肥利用效率越来越低;残留在土壤中的活性氮对
地下水源和生态环境造成严重污染.
冬小麦吸收的氮素中,有 73% ~ 87% 来自土
壤[2] .因此,根据土壤供氮能力确定氮肥用量是提
高氮肥利用率和保护环境的根本途径. 自 20 世纪
60 年代以来,农业科学工作者一直重视土壤供氮能
力的研究;近数十年来,人们对环境问题的重视更促
进了这类研究的开展. 施氮量普遍增加导致了土壤
残留的矿质氮不断升高[3],测定土壤矿质氮浓度及
一定深度土壤的氮素累积量日益受到人们重视. 熟
知的测定 0 ~ 100 cm或 0 ~ 120 cm土层的铵态氮和
硝态氮浓度,并用其累积总量表征土壤可被作物利
用的氮素数量 ( Nmin )的方法就是这类方法的代
表[4-5] .一般情况下,在作物播前或作物生长期间无
淋失和反硝化严重发生地区,推荐施氮量应当基于
与氮肥有同等效果的土壤矿质氮浓度. Carter 等[6]
证明,可矿化氮与硝态氮结合起来可以更好地预测
施氮量. Stanford 等[7]研究表明,在降水量有限、作
物管理良好的条件下,土壤供氮能力与作物利用的
氮素可以根据残留矿质氮和受环境因素(温度和湿
度)影响的有机氮矿化量来更好预报. 测定硝态氮
并无技术困难,难点是采样深度和时间.胡田田和李
生秀[8-11]大量田间试验表明,表层土壤的硝态氮可
在一定程度上反映土壤的供氮能力,但相关系数不
高,预报不精确;0 ~ 80 或 0 ~ 100 cm 土壤剖面累积
的硝态氮可以提供满意的评价指标.
依靠天然降水维持农业生产的旱农地区(半干
旱和半湿润地区)约占我国国土面积的 43. 2% [12],
是我国农业生产的主要基地,也是未来农业发展的
前沿阵地.这一地区的特点是水分胁迫经常制约农
业生产.降水少的气候特点和地广人稀的社会人文
条件导致农田培肥不力,土壤有机质少,矿化的有机
氮数量有限;有限的降水也造成了残留的硝态氮在
土壤剖面中的累积.因此,研究土壤累积硝态氮的利
用一直受到人们重视,但土壤硝态氮在反映这类土
壤的供氮能力方面是否有普遍性? 硝态氮浓度和剖
面中累积的硝态氮量,哪一个能更好地反映土壤的
供氮水平? 在氮肥用量日益增加、作物产量不断提
高的条件下,过去得到的结论是否仍有意义? 如何
更好地利用旱地土壤累积的硝态氮确定氮肥用量及
施肥时期等问题急需进一步研究. 为了回答这些问
题,我们在陕西和河南同时进行了 18 处大田试验,
本文应用这些试验资料,分析土壤不同深度铵态氮
和硝态氮浓度及其累积量在反映旱地土壤供氮能力
方面的效果和作用,为科学定量施氮提供理论和技
术依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
大田试验分别在陕西永寿(代码 Y)11 个田块
和河南洛阳(代码 L)7 个田块的旱地土壤上实施.
永寿地处陕西渭北高原,属半湿润易旱地区,年均降
水量 601. 6 mm,年平均气温 10. 8 益, 年蒸发量
807郾 4 mm;主要作物为小麦,小麦收后休闲,一年一
熟;春播作物有玉米、糜谷. 试验选用不同肥力的小
麦连作田块,保证基础条件特别是土壤水分条件相
同,供试土壤均为黑垆土. 洛阳位于河南西部,年均
降雨量 610 mm,年均气温 14. 2 益,属小麦鄄玉米一
年两熟区,供试土壤为碳酸盐褐土和黄潮土.各试验
点土壤理化性质见表 1.
两省采用同一试验方案.试验共设 7 个处理,分
别为不施氮肥的对照和 2 种铵态氮肥及 2 种硝态氮
肥品种及组合的 6 个处理. 本文只比较对照和施氮
处理的各项指标,施氮处理均用 6 个处理的平均值,
这就大幅度增加了重复次数,提高了试验精度.施氮
处理的氮量均为 150 kg N·hm-2 .各处理均施用磷
肥(过磷酸钙),用量为 75 kg P2O5·hm-2 .田间采用
随机区组设计,3 次重复,小区面积 18 m2 .供试小麦
品种永寿为晋麦 4 号,由该县种子站提供;洛阳为焦
麦 668,由河南省温县农业科学院提供.永寿试验于
2009 年 9 月 25—29 日播种,2010 年 6 月 10—12 日
收获.洛阳于 2009 年 10 月 14—18 日播种,2010 年
6 月 7 日收获,播种量 150 kg·hm-2 .田间管理措施
与当地大田栽培一致. 小麦成熟后,按区收获,称取
全区鲜质量;并称取 5 kg 左右鲜样,晒干,称量,脱
粒,计算生物量及籽粒产量.
1郾 2摇 土壤样品采集与分析
土壤基本理化性质测定用小麦播前土样.分别
于 2009 年 9 月下旬(永寿)和 10 月中旬(洛阳),在
选好的试验地上随机选取 5 点,用土钻采集 0 ~
20 cm表层土壤,风干过筛,贮于玻璃瓶中备用.
土壤铵态氮和硝态氮测定分 2 次采样.小麦播
前在每个田块选好的 5 个样点上,分 5 层采集土样
( 0 ~ 100 cm),每层20 cm,用于测定不同土层中的
4101 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 1摇 田间试验田块耕层(0 ~ 20 cm)土壤基本理化性质
Table 1摇 Basic physical and chemical properties of cultivated soil layer (0-20 cm) for field experiments
土壤编号
Soil
No.
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
速效 P
Olsen鄄P
(mg·kg-1)
速效 K
Available K
(mg·kg-1)
铵态氮
Ammonium N
(mg·kg-1)
硝态氮
Nitrate N
(mg·kg-1)
质地
Texture
阳离子交换量
CEC
(cmol·kg-1)
pH
Y鄄1 8. 34 0. 868 10. 1 207 0. 1 4. 4 壤土 18. 4 8. 12
Y鄄2 9. 87 0. 726 12. 1 152 0. 5 4. 0 壤土 18. 9 8. 13
Y鄄3 9. 11 0. 676 8. 3 425 1. 2 4. 4 粉砂壤 16. 7 8. 08
Y鄄4 11. 68 0. 867 13. 3 258 0. 0 8. 0 壤土 18. 6 8. 20
Y鄄5 10. 71 0. 866 14. 0 182 1. 4 13. 1 壤土 18. 7 8. 10
Y鄄6 12. 25 0. 990 13. 1 258 0. 3 10. 0 壤土 19. 0 8. 12
Y鄄7 10. 24 0. 814 11. 7 200 0. 7 6. 7 粉砂壤 17. 8 8. 14
Y鄄8 9. 87 0. 761 6. 7 200 1. 8 7. 9 黏壤 19. 4 8. 14
Y鄄9 11. 13 0. 904 17. 3 332 3. 0 12. 9 壤土 18. 5 8. 13
Y鄄10 9. 16 0. 709 12. 6 134 1. 8 5. 5 粉砂壤 17. 6 8. 12
Y鄄11 10. 66 0. 409 16. 2 225 0. 2 6. 9 黏壤 19. 2 8. 16
L鄄1 10. 84 0. 712 10. 2 130 2. 4 13. 2 黏壤 17. 0 8. 18
L鄄2 13. 99 0. 985 8. 5 235 1. 1 15. 3 砂壤 19. 3 8. 01
L鄄3 13. 71 0. 978 12. 5 200 1. 8 28. 6 壤土 18. 1 8. 00
L鄄4 15. 03 1. 025 10. 0 170 2. 5 20. 9 壤土 19. 3 8. 02
L鄄5 12. 85 0. 964 10. 2 155 2. 5 18. 5 壤土 19. 2 8. 01
L鄄6 11. 58 0. 852 13. 3 157 3. 2 15. 9 黏壤 19. 0 8. 05
L鄄7 12. 48 0. 945 13. 3 204 2. 5 12. 6 黏壤 18. 1 8. 14
起始铵态氮和硝态氮.小麦收获后,在永寿 4 个试验
田块(Y鄄1,Y鄄4,Y鄄7,Y鄄10)的对照区,同样分 5 层采
集土样,测定残留的铵态氮和硝态氮,确定小麦对土
壤剖面中累积的这两种形态氮素的利用.
土壤全氮用凯氏法测定,土壤有机质采用重铬
酸钾氧化外加热法测定,有效磷用 Olsen 法测定,有
效钾用乙酸铵浸取火焰光度计测定. 土壤起始矿质
氮采用 KCl浸取鲜土样,滤液用连续流动分析仪测
定硝态氮[13]和铵态氮[14] .
1郾 3摇 小麦生育期地上部干物质测定
这一测定仅在洛阳试验区进行.冬小麦生长期
间,分别在越冬期﹑返青期﹑拔节期和成熟期,选取
各处理有代表性植株 10 株,在 105 益 下杀青
30 min,80 益烘干、称量,测定地上部生物量. 施氮
增产量用施氮处理的生物量平均值减去对照平均值
得到,以 kg·hm-2表示.
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 和 DPS 7. 0 分析软件
对试验数据进行统计分析,LSD法进行多重比较.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 旱地土壤不同土层铵态氮、硝态氮的分布特征
小麦播前土壤中的铵态氮浓度很低.永寿土样,
低者无法检出,最高也只有 3. 0 mg·kg-1;洛阳土
样,最小 0. 3 mg·kg-1,最大 3. 2 mg·kg-1 . 各层间
的铵态氮平均浓度差别不大(表 2),但一些层次间
的浓度有密切线性相关关系(表 3).
与铵态氮相反,播前土壤硝态氮浓度较高,由
0 ~ 20 cm 到 80 ~ 100 cm,平均浓度分别为 7. 2、
10郾 7、12. 5、13. 0 和 14. 0 mg·kg-1(表 2);相邻各土
层间有显著或极显著的线性相关(表 3). 洛阳 0 ~
20 cm到 80 ~ 100 cm 平均浓度分别为 17. 9、9. 7、
6郾 8、4. 7 和 4. 0 mg·kg-1;部分土层间的硝态氮浓
度也有密切的线性相关关系.显然,浓度逐层增加表
明硝态氮受到当季雨水淋溶,逐层降低则是一种自
然状况,未受当季降水影响.
2郾 2摇 不施氮小麦产量与播前土壤铵态氮和硝态氮
的关系
小麦生物产量是籽粒产量的基础,高的生物产
量一般伴随着高的籽粒产量. 因此小麦生物产量和
籽粒产量(表 4)是农业生产的目标,也是判别土壤
铵态氮和硝态氮浓度或数量能否反映土壤供氮能力
表 2摇 不同土层中铵态氮和硝态氮的浓度
Table 2摇 Ammonium N and nitrate N concentrations in dif鄄
ferent soil layers
地点
Site
氮素形态
N form
浓度 Concentration (mg·kg-1)
0 ~ 20 20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
永寿 NH4 + 鄄N 1. 0 1. 2 1. 4 1. 4 1. 2
Yongshou NO3 - 鄄N 7. 2 10. 7 12. 5 13. 0 14. 0
洛阳 NH4 + 鄄N 2. 3 1. 9 1. 7 1. 7 1. 9
Luoyang NO3 - 鄄N 17. 9 9. 7 6. 8 4. 7 4. 0
51014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 苗艳芳等: 旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其与小麦产量的关系摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 不同土层铵态氮浓度之间和硝态氮浓度之间的关系
Table 3摇 Relationships among ammonium N concentrations and among nitrate N concentrations in different soil layers (R2)
地点
Site
土 层
Soil layer
NH4 + 鄄N
20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
NO3 - 鄄N
20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
永寿1) 0 ~ 20 0. 0040 0. 0532 0. 0000 0. 0213 0. 5591** 0. 0482 0. 1132 0. 0939
Yongshou 20 ~ 40 0. 1233 0. 0102 0. 1934 0. 4395* 0. 2437 0. 0438
40 ~ 60 0. 1374 0. 0028 0. 6624** 0. 1457
60 ~ 80 0. 0021 0. 6429**
洛阳2) 0 ~ 20 0. 6444* 0. 2562 0. 6490* 0. 6070* 0. 4422 0. 3209 0. 4534 0. 8674*
Luoyang 20 ~ 40 0. 2272 0. 3582 0. 2366 0. 9239* 0. 3795 0. 2157
40 ~ 60 0. 5706* 0. 1804 0. 2868 0. 1436
60 ~ 80 0. 4748 0. 5889*
1)n=11, R20. 05 =0. 3624, R20. 01 =0. 540; 2)n=7, R20. 05 =0. 555. *P<0. 05;** P<0. 01. 下同 The same below.
的唯一准则. 可以推断,在其他条件相对一致情况
下,如果某一形态氮素的浓度或数量可以表征土壤
的供氮水平,则其浓度或数量高者,对照小麦的生物
和籽粒产量必高;它们之间必然有显著的正相关关
系.计算结果表明,各层铵态氮浓度与对照小麦生物
量和籽粒产量之间的决定系数很低,既无线性也无
非线性关系.
摇 摇 与铵态氮不同,永寿硝态氮浓度与对照小麦生
物产量和籽粒产量有一定的线性关系(表5) .这种
表 4摇 小麦平均产量和地上部生物量
Table 4 摇 Wheat average seed yield and aboveground bio鄄
mass (kg·hm-2)
地点
Site
对照 Control
产量
Yield
地上生物量
Aboveground
biomass
施氮 N addition
产量
Yield
地上生物量
Aboveground
biomass
永寿 Yongshou 3902 7975 4669 9596
洛阳 Luoyang 4319 10714 5091 12427
表 5摇 小麦籽粒产量和生物量与各层土壤硝态氮浓度的
关系
Table 5摇 Relationships of wheat seed yield and biomass and
nitrate N concentration in different soil layers (R2)
地点
Site
土层
Soil layer
(cm)
籽粒产量
Seed yield
对照
Control
施氮
N addition
生物产量
Aboveground biomass
对照
Control
施氮
N addition
永寿 0 ~ 20 0. 2756 0. 3783 0. 3318 0. 4231*
Yongshou 20 ~ 40 0. 5083* 0. 6177** 0. 5274* 0. 5803**
40 ~ 60 0. 5480** 0. 3299** 0. 4353* 0. 1904
60 ~ 80 0. 7127** 0. 3897** 0. 5882**0. 2307
80 ~ 100 0. 5586** 0. 3512** 0. 5407* 0. 2869
0 ~ 100 0. 8729** 0. 6224** 0. 7997**0. 4723**
洛阳 0 ~ 20 0. 1558 0. 7282** 0. 0143 0. 4077
Luoyang 20 ~ 40 0. 0202 0. 3450 0. 1114 0. 0011
40 ~ 60 0. 0061 0. 2066 0. 0997 0. 0040
60 ~ 80 0. 1049 0. 5676* 0. 1460 0. 0463
80 ~ 100 0. 2700 0. 7898** 0. 0006 0. 3739
0 ~ 100 0. 1297 0. 7197** 0. 0109 0. 1792
关系随土层加深而增大,60 ~ 80 cm 土层硝态氮浓
度与小麦生物量和籽粒产量的决定系数最高,可解
释 59%的生物产量变异和 71%的籽粒产量变异.洛
阳对照小麦生物产量和籽粒产量都与各层土壤硝态
氮浓度无显著线性关系. 两省小麦对土壤硝态氮浓
度反应的共同特征是:硝态氮浓度高的土层能提供
更多的氮素,对对照小麦产量贡献大.铵态氮与硝态
氮浓度之和在反映土壤供氮特性方面的效果与硝态
氮完全一致;决定系数虽有差异,但基本上都在误差
范围之内.各层土壤不同形态氮素的数量(即每公
顷每层土壤的绝对数量,以 kg N·hm-2表示)与浓
度有相同特点,与生物指标的关系也显示同一趋势.
摇 摇 对照小麦产量虽与一些土层的硝态氮或铵态氮
和硝态氮浓度之和有一定线性关系,但既不稳定,也
不能表征土壤总的供氮特性. 小麦吸收的氮素是其
根系所能触及的土层,不可能跨越某一土层而吸收
另一土层的养分;不同土层浓度与对照小麦的关系
不符合这种实际情况.另一方面,这一关系只有定性
意义.以永寿试验为例,对照平均籽粒产量为 3902
kg·hm-2,生物产量为 7975 kg·hm-2;根据籽粒含
N 2. 4% 、秸秆含 N 0. 3%的测定值计算,需要吸取
105郾 8 kg N,而根据硝态氮浓度计算,由上到下 5 个
土层的硝态氮平均数量只有 19. 0、26. 8、23. 3、33. 8
和 36. 3 kg·hm-2 .任何土层即使把铵态氮加上,都
不可能提供如此多的氮素.
同样,每一土层测定的硝态氮数量或铵态氮及
硝态氮数量之和虽是作物可以直接吸收利用的有效
氮素,但并不是小麦整个生育期能够利用的全部氮
素.研究表明,小麦根系入土深度可达 100 cm,旱地
小麦可以利用 0 ~ 80 cm 或 0 ~ 100 cm 深度的氮
素[12] .为了确定不同深度累积的硝态氮及铵态氮、
硝态氮总量对小麦产量的贡献,我们计算了不同土
壤深度,即 0 ~ 20 cm、0 ~ 40 cm、0 ~ 60 cm、0 ~ 80 cm
6101 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
图 1摇 永寿小麦籽粒产量与 0 ~ 20、0 ~ 40、0 ~ 60、0 ~ 80 及
0 ~ 100 cm土层硝态氮累积量的关系
Fig. 1摇 Relationships of wheat seed yield and cumulative nitrate
N in 0-20, 0-40, 0-60, 0-80 and 0-100 cm soil layers from
Yongshou County.
和 0 ~ 100 cm 累积的不同形态氮素的数量;拟合了
不同深度累积的硝态氮量与小麦籽粒产量的关系
(图 1).
图 1 显示,永寿土壤,0 ~ 20 cm 土层累积的硝
态氮与小麦产量无显著相关,但随着土层逐次加深,
即由 0 ~ 20 cm逐步加深到 0 ~ 40、0 ~ 60、0 ~ 80、0 ~
100 cm,硝态氮累积量与对照小麦产量呈显著或极
显著相关;土层越深,关系越密切. 0 ~ 100 cm 深度
累积的硝态氮可解释籽粒产量 87% 和生物产量
80%的变异.土壤的硝态氮数量占铵态氮、硝态氮总
量的 91% ,在反映土壤供氮特性方面与两者之和的
趋势完全一致.这表明,在其他条件(品种、耕作、前
作、土壤水分等)相对一致的情况下,这一深度土壤
所累积的硝态氮是决定小麦产量的主要因素.
以平均值计算,永寿不施氮小麦从土壤吸收的
氮素为 105. 8 kg·hm-2,5 层土壤累积的硝态氮平
均为 139. 2 kg·hm-2,累积的铵态氮、硝态氮总量平
均为 155. 3 kg·hm-2;吸收量占硝态氮累积量的
76% ,占铵态氮、硝态氮累积总量的 68% . 由此可
见,只要加强管理和合理利用,累积在土壤剖面中的
硝态氮并不一定是潜在污染源,而是可利用的养分
资源.与永寿情况不同,洛阳小麦后期受旱严重,不
施氮产量与硝态氮累积量或铵态氮、硝态氮累积总
量无显著相关.
2郾 3摇 施氮小麦产量与播前土壤铵态氮和硝态氮的
关系
采用上述同一过程计算了播前不同土层土壤铵
态氮、硝态氮浓度、数量与施氮小麦生物产量与籽粒
产量的关系.结果表明(表 5),各层土壤的铵态氮浓
度和数量与施氮小麦生物量和籽粒产量仍无关,且
洛阳出现不正常的负相关. 硝态氮浓度和数量虽与
施氮小麦生物量和籽粒产量有显著或极显著相关,
但永寿和洛阳有完全不同趋势:永寿呈显著正相关,
20 ~ 40 cm 土层的硝态氮浓度和数量可以解释籽粒
产量 62%和生物量 58%的变异;洛阳的产量趋势线
清楚地显示了其间的负相关趋势;0 ~ 20 cm 和
0 ~ 100 cm 土层的硝态氮浓度、数量与产量的决定
系数高达 0. 73 和 0. 79,与生物量为 0. 41 和 0. 37.
永寿施氮小麦生物量和产量与 0 ~ 20 cm、0 ~
40 cm、0 ~ 60 cm、0 ~ 80 cm 和 0 ~ 100 cm 土层累积
的硝态氮量均显著相关;0 ~ 100 cm 土层累积的硝
态氮量可对产量变异给出 62%的解释,0 ~ 40 cm和
0 ~ 100 cm土层累积量可对生物量变异给出 59%和
47%的解释.洛阳施氮小麦籽粒产量与不同深度土
71014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 苗艳芳等: 旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其与小麦产量的关系摇 摇 摇 摇 摇
层累积的硝态氮都呈显著负相关,理论上无法解释.
这些不正常的现象显然与氮肥的影响有关.
施氮对小麦产量的影响可以用标志着小麦对氮
肥反应程度的施氮增产量来表征.土壤供氮能力低,
则小麦对氮肥反应强烈,施氮增产量高;反之则低.
图 2 表明,小麦施氮增产量与累积的硝态氮和铵态
氮及硝态氮之和的关系取决于累积的土层深度. 永
寿土壤,0 ~ 20 cm、0 ~ 40 cm 和 0 ~ 60 cm 土层累积
的硝态氮与施氮增产量的相关性均不显著,而 0 ~
80 cm和 0 ~ 100 cm土层累积的硝态氮却与其高度
显著相关;0 ~ 100 cm 土层硝态氮累积量和二者之
和可对增产量变幅给出 75%的解释.随着硝态氮在
土壤剖面中累积量增加,增产量急剧下降. 铵态氮、
硝态氮累积总量与硝态氮趋势完全一致(图 2).
洛阳土壤累积的硝态氮同样与施氮增产量显著
相关. 0 ~ 80 cm土层累积的硝态氮可解释 64%的产
量和 68%的生物量变异. 与永寿不同的是,这种关
系不是随累积层次的加深而增大,而是从表层就显
著相关;随土层增加,决定系数虽有提高趋势,但变
幅不大. 原因在于洛阳的硝态氮主要累积在 0 ~
20 cm耕层,平均累积量为 43 kg·hm-2,占整个土壤
剖面累积量的 40. 5% .表层的硝态氮累积量对小麦
吸收氮素有重要贡献,表层加上其他土层的累积量
虽然影响作物吸氮量,但未改变这种趋势.
2郾 4摇 小麦不同生育期对各土层硝态氮的利用
在洛阳地区测定了不同生育期的小麦生物量
(表 6),分析了小麦生物量、施氮增产量与不同深度
土壤累积的硝态氮的关系(表 7).结果表明,作物对
氮素利用有生育阶段性,随着生育进程推进逐渐增
加对深层土壤氮素的利用. 越冬期主要利用 0 ~
20 cm土层氮素,生物量随此层硝态氮累积量增加而
上升,施氮增产量则随其增加而下降.返青、拔节期
图 2摇 永寿小麦施氮增产量与 0 ~ 100 cm土层硝态氮累积量
及铵态氮、硝态氮累积总量的关系
Fig. 2摇 Relationships of wheat yield increase amount by N addi鄄
tion and cumulative nitrate N and nitrate N plus ammonium N in
0-100 cm soil layer from Yongshou County.
间,小麦生物量分别与 0 ~ 40 和 0 ~ 60 cm土层硝态
氮累积量密切相关,而施氮增产量的决定系数或者
与这两个深度累积的硝态氮最高,或者随深度进一
步增加而再升高. 成熟期,小麦已可充分利用 0 ~
100 cm土层氮素,生物量和施氮增产量均与这一深
度硝态氮累积量的决定系数最高,也与这一深度的
铵态氮和硝态氮累积总量关系最密切.由此可见,作
物吸收土壤养分是一个渐进过程,不同生育期对不
同深度土层养分有不同利用程度.幼苗根系不发达,
只能利用浅层土壤养分;随着根系延伸,会逐步加深
对深层土壤养分的利用.
表 6摇 小麦不同生育期地上部生物量及施氮增产量
Table 6摇 Wheat aboveground biomass and aboveground biomass increase amount by N addition at different growth stages
(kg·hm-2)
土壤编号
Soil No.
越冬 Overwintering
对照
Control
施 N增产量
Increase by
N addition
返青 Reviving
对照
Control
施 N增产量
Increase by
N addition
拔节 Elongation
对照
Control
施 N增产量
Increase by
N addition
成熟 Maturity
对照
Control
施 N增产量
Increase by
N addition
L鄄1 840 493 1346 804 59. 7 2850 8056 1873
L鄄2 1023 306 1879 846 45. 0 3026 7700 2173
L鄄3 1549 157 2501 342 13. 7 3809 9836 700
L鄄4 961 400 2210 456 20. 6 3339 9446 525
L鄄5 1311 504 1900 793 41. 7 3654 8100 2058
L鄄6 1218 509 1502 688 45. 8 3171 7860 1918
L鄄7 982 587 1259 980 77. 8 2809 8824 2249
8101 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 7摇 小麦各生育期地上部生物量、氮肥增产量与不同深度硝态氮及铵态氮和硝态氮总量的关系
Table 7摇 Relationships of wheat biomass and biomass increase amount by N addition and cumulative nitrate N and nitrate N
plus ammonium N in different soil layers at different wheat growth stages (R2)
氮素形态
N form
项目摇 摇 摇
Item摇 摇 摇
土层
Soil layer
(cm)
小麦生育期 Wheat growth stage
越冬
Overwintering
返青
Reviving
拔节
Elongation
成熟
Maturity
NO3 - 鄄N 对照生物量 0 ~ 20 0. 5997* 0. 8616** 0. 7935* 0. 5518
Control biomass 0 ~ 40 0. 5454 0. 8731** 0. 8369** 0. 5403
0 ~ 60 0. 4585 0. 7954** 0. 8402** 0. 5020
0 ~ 80 0. 4328 0. 7367** 0. 7920** 0. 5514
0 ~ 100 0. 4745 0. 7514** 0. 7990** 0. 5815*
施 N增产量 0 ~ 20 0. 6403* 0. 8235** 0. 5214 0. 6607*
Biomass increase 0 ~ 40 0. 5133 0. 8451** 0. 5734* 0. 7095*
by N addition 0 ~ 60 0. 3196 0. 7565** 0. 6000* 0. 6771*
0 ~ 80 0. 2949 0. 8085** 0. 6110* 0. 7359*
0 ~ 100 0. 3545 0. 8472** 0. 6315* 0. 7511*
NH4 + 鄄N+ 对照生物量 0 ~ 20 0. 6261* 0. 8019** 0. 8088** 0. 5654*
NO3 - 鄄N Control biomass 0 ~ 40 0. 5724 0. 7267* 0. 8339** 0. 5076
0 ~ 60 0. 4125 0. 6015* 0. 7604* 0. 4831
0 ~ 80 0. 3581 0. 5090 0. 6587* 0. 5012
0 ~ 100 0. 4075 0. 5299 0. 6831* 0. 5198
施 N增产量 0 ~ 20 0. 5366 0. 8489** 0. 5646 0. 6808*
Biomass increase 0 ~ 40 0. 3533 0. 8339** 0. 6161* 0. 6760*
by N addition 0 ~ 60 0. 1841 0. 7589* 0. 6681* 0. 6760*
0 ~ 80 0. 1473 0. 7768** 0. 6300* 0. 7040*
0 ~ 100 0. 1920 0. 8107** 0. 6599* 0. 7101*
表 8摇 永寿 4 处小麦收获后不同土层残留的铵态氮、硝态氮浓度及数量
Table 8摇 Residual ammonium and nitrate N concentrations and amounts in different soil layers at four sites of Yongshou
County after wheat harvest
氮素形态
N form
土壤编号
Soil No.
浓度 Concentration (mg·kg-1)
0 ~ 20 20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
数量 Amount (kg·hm-2)
0 ~ 20 20 ~ 40 40 ~ 60 60 ~ 80 80 ~ 100
NH4 + 鄄N Y鄄1 0. 1 1. 8 1. 4 2. 1 1. 2 0. 3 4. 5 3. 5 5. 3 3. 0
Y鄄4 0. 4 0. 8 0. 1 0. 7 0. 3 1. 0 2. 0 0. 3 1. 8 0. 8
Y鄄7 1. 0 1. 2 3. 2 2. 1 0. 9 2. 5 3. 0 8. 0 5. 3 2. 3
Y鄄10 1. 8 1. 1 1. 0 1. 8 1. 7 4. 5 2. 8 2. 5 4. 5 4. 3
NO3 - 鄄N Y鄄1 2. 4 2. 8 5. 6 7. 0 4. 0 6. 0 7. 0 14. 6 18. 2 10. 4
Y鄄4 3. 8 8. 9 11. 0 9. 7 4. 4 9. 5 22. 3 28. 6 25. 3 11. 4
Y鄄7 3. 7 2. 4 3. 6 8. 4 9. 5 9. 3 6. 0 9. 4 21. 8 24. 7
Y鄄10 2. 4 6. 3 4. 8 6. 3 7. 4 6. 0 15. 8 12. 5 16. 4 19. 3
2郾 5摇 不施氮小麦收获后土壤硝态氮累积量的变化
土壤累积的硝态氮对小麦的贡献可由对照区小
麦吸氮量和收获后土壤残留的硝态氮确定. 小麦收
获后采集了永寿 4 个代表田块(Y鄄1,Y鄄4,Y鄄7,Y鄄
10)对照区的 5 层土壤,测定了其中残存的铵态氮
和硝态氮.结果表明,铵态氮量依然很小,与播前无
显著差异,而硝态氮量显著下降.这 4 个试验田块播
前 0 ~ 100 cm 土层累积的硝态氮分别为 105. 6、
217郾 2、141. 3 和 134. 6 kg·hm-2,收获后残存的硝
态氮分别为 56. 2、97. 1、71. 2 和 70. 0 kg·hm-2(表
8).而小麦吸收的氮素分别为 87. 6、127. 9、115. 3 和
114. 8 kg·hm-2 . 如果小麦吸收的氮素完全来自硝
态氮,则由起始硝态氮减去相应吸氮量后残留硝态
氮应分别为 18、89. 3、26 和 19. 8 kg·hm-2,但实际
上却是上述测定结果,比预期平均高 35 kg·hm-2 .
这表明小麦生长过程中土壤可矿化出一定氮素,这
部分增加的硝态氮就是矿化出来的有机氮.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 土壤累积的硝态氮利用对保护土壤生态环境
的意义
过多而不合理的氮肥投入会使硝态氮在土壤剖
面中大量累积[15] .这些累积的硝态氮如未及时被作
物吸收利用,会随降水或灌水逐渐向下层淋溶,最终
91014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 苗艳芳等: 旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其与小麦产量的关系摇 摇 摇 摇 摇
移出作物根区,污染地下水源.根系是植物吸收水分
和养分的主要器官,而土壤水分和养分供应又影响
根系在土壤中的空间分布(横向宽度、入土深度和
层间密度) [16-18],从而影响其对土壤水分和养分的
利用[19-22] . 土壤硝态氮对作物根系发育的影响[23]
和发达根系对土壤硝态氮的利用是广为关注的两个
方面[24] .小麦是一种根系发达的作物,其根系上层
多、下层少,呈现明显的 T 型分布;根系生长过程符
合 S型曲线,即前期较慢、中期快速持续增长、后期
减缓甚至出现负增长;入土深度可达 100 cm 左
右[25] .促进小麦生长期间对硝态氮的利用是减源增
效的有效措施. Noordwijk 等[26]和 Rowe 等[27]提出
了植物吸收土壤养分的“营养泵冶和“安全网冶假说,
认为植物均可通过其根系网络拦截来自土壤剖面浅
层的养分,而深根植物则可通过根系向下延伸,将下
层累积的养分“泵冶到上部,从而避免进一步向下迁
移.选择适宜的作物合理轮作或间作,“截获冶和“泵
吸冶土壤剖面中累积的硝态氮日益受到人们重
视[28-29] .李世清等[30]试验证明,与小麦相比,玉米
根系入土较浅;玉米之后种植小麦可以显著提高氮
肥利用率,也可以大幅度减少土壤剖面中硝态氮的
残留.本研究进一步证明,合理施用氮肥,促进小麦
根系充分吸收累积在土壤剖面中的硝态氮是保肥增
效、减少硝态氮环境污染的有效途径.
3郾 2摇 土壤可矿化氮在反映土壤供氮能力方面的
作用
作物生长期间既能利用土壤中原来存在的铵态
氮和硝态氮等矿质氮素,也能利用有机质矿化出来
的氮素,后者特称可矿化氮. Comfield[31]提出的用
1 mol·L-1 NaOH浸取碱解氮的方法在我国得到广
泛应用,但研究表明,在硝态氮浓度很高的土壤上,
任何方法测定的可矿化氮已不能反映土壤的供氮能
力[9-10] .本文应用平衡法估算了小麦生长期间的可
矿化氮,提供了另一测定思路. 平衡法测定结果表
明,可矿化氮素只有 35 kg·hm-2,远低于累积的硝
态氮数量,在硝态氮浓度高的土壤上已无重要意义.
3郾 3摇 土壤剖面累积的硝态氮与对照小麦产量关系
的不稳定性
本试验发现,永寿对照小麦产量与整个剖面累
积的硝态氮密切相关,而洛阳却无这种关系;但两地
土壤累积的硝态氮都与施氮增产量紧密相关. 两地
结果的差异可能与降水不同有关.试验当年,永寿土
壤贮水丰富,播种时,1 m深土层的土壤水分几乎处
在饱和状态;小麦播后又有较多的降水,由于小麦的
生长未受土壤水分限制,氮素供应成了对照小麦产
量的主要限制因子,不同土层的硝态氮均发挥了充
分作用.洛阳小麦前作消耗了夏季土壤较多贮水,播
种后降雨又较少,在小麦生长过程中,前期土壤尚可
供应较多水分,生物量的生长和氮肥的增产作用都
能表现出来,到了后期,小麦受到较严重干旱胁迫,
生物量虽受到影响,土壤硝态氮的影响趋势未变,而
籽粒产量却因水分缺乏表现出与硝态氮累积量不同
的变化趋势:生长越好的小麦,前期耗水越多,籽粒
受到的影响越大,使籽粒产量与生物量表现出不一
致的变化趋势.
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作者简介摇 苗艳芳,女,1956 年生,教授.主要从事植物营养
与施肥研究. E鄄mail: myf2237@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
12014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 苗艳芳等: 旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其与小麦产量的关系摇 摇 摇 摇 摇