全 文 ：成垄压实施肥对氮素运移及氮肥利用率的影响 3
赵允格 3 3 　邵明安　张兴昌
(中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 ,杨凌 712100)
【摘要】　黄土高原地区夏玉米生长正逢雨季 ,是 N 素淋溶的主要时期 ,为此提出氮肥施用的成垄压实法.
通过连续两年的田间小区试验 ,研究了夏玉米生长期成垄压实施肥方式下夏玉米产量和氮肥利用率 ,以及
土壤 NO3 - 2N 迁移规律 ,并结合室内模拟实验探讨了该施肥法的影响因素. 结果表明 ,在供水量接近研究
区同期多年平均降雨量 (370mm)的年份 ,平地施肥条件下 ,NO -3 2N 可被淋溶至 90cm 以下的土层 ;而成垄
压实施肥可明显减少施肥区 NO -3 2N 随入渗水分向土壤深层迁移 ,至 60cm 以下土层 , 土壤 NO -3 2N 含量
小于 10 mg·kg - 1 , NO -3 2N 主要累积于近地表 20～40cm 土层 ,该土层土壤 NO -3 2N 含量约为 80～90mg·
kg - 1 .成垄压实施肥法局部存在的大容重障碍层对作物生长发育无影响. 在 240. 0 kgN·hm - 2施氮量条件
下 ,成垄压实较平地施肥没有显著提高玉米生物产量和经济产量 ,但却能极显著地增加作物吸氮量 ,使氮
肥利用率提高 9 %左右. 成垄压实施肥条件下 ,障碍层容重对 NO -3 2N 迁移影响明显 ,随障碍层容重的增
加 ,NO -3 2N 迁移深度减小. 大田条件下 ,垄坡度对 NO -3 2N 迁移影响不明显.
关键词 　成垄压实施肥法 　NO3 - 2N 迁移 　氮肥利用率
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 01 - 0068 - 05 　中图分类号 　143. 1 　文献标识码 　A
Impact of localized compaction and ridge fertilization on f ield nitrate transport and nitrate use eff iciency.
ZHAO Yunge , SHAO Ming’an , ZHAN G Xingchang ( S tate Key L aboratory of Soil Erosion and Dryland
Farming on the L oess Plateau , Institute of Soil and W ater Conservation , Chinese Academy of Sciences , Yan2
gling 712100 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (1) :68～72.
The primary season of nitrate leaching in the Loess Plateau region is the monsoon ,which is caused by heavy rain2
fall during the growth season of corn ( Zea m ays L . ) . Nitrate leaching to groundwater is an increasing concern in
agriculture ,and is one of the major nitrogen losing ways in dryland farming system. Localized compaction and
ridge fertilization is a method for nitrogen fertilizer application ,by which ,less fertilizer leaching would occur. The
NO3 - 2N transport in soil profile ,corn yields and nitrogen use efficiency under localized compaction and ridge fer2
tilization were investigated through two years field study. The factors that affect NO3 - 2N transport under local2
ized compaction and ridge fertilization were studied ,combined with simulated experiment . The results showed
that NO3 - 2N was leached to below 90cm in plat fertilization in the year of about 370mm rainfall ,a mean precipi2
tation during the season ,while the NO3 - 2N leakage of the fertilizer zone was reduced by localized compaction and
ridge fertilization ,as a result that the NO3 - 2N concentration below 60cm was less than 10mg·kg - 1 ,and NO3 - 2
N accumulated in 20～40cm with a concentration 80～90 mg·kg - 1 . There was no significant difference in yield
between application methods with 240. 0kgN·hm - 2 . However ,the absorbed amount of nitrogen was improved
significantly by localized compaction and ridge fertilization ,and the nitrogen use efficiency was increased by 9 %.
The bulk density of the barriers had an evident effect on NO3 - 2N transport under localized compaction and ridge
fertilization ,but the effect of ridge slope was insignificant .
Key words 　Localized compaction and ridge fertilization method ,Nitrate transport ,Nitrogen use efficiency.3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G2000018605) 、国家自然科学
基金项目 (40301028)和西北农林科技大学科研专项.3 3 通讯联系人.
2002 - 03 - 15 收稿 ,2002 - 09 - 17 接受.
1 　引 　　言
N 素化肥在农业生产中发挥着重要的作用 ,由
于施肥方法或农业管理措施不当 ,导致氮素以 N H3
挥发、NO3 - 2N 淋溶及反硝化等途径损失 ,严重影响
了氮肥利用率. 由施肥引起的土壤和水资源的污染
问题也引起了广泛的关注 ,并展开大量研究 ,取得了
有价值的结论[2～4 ,6 ,8 ] . 另一方面 ,对如何防止土壤、
水环境氮素污染也进行了研究[1 ,5 ,9 ] ,从理论和实践
上提出了许多防治措施[12 ,13 ,15 ,16 ] ,如平衡施肥、控
制施肥量、采用新剂型肥料、控制灌水量以及采用节
水灌溉等. 但这些措施或因为技术适用性不强 ,或需
要特殊的设备以及成本过高等问题 ,在实践中还有
许多问题有待于进一步解决. 近年来 ,随着农业集约
化程度的提高 ,化肥用量迅速增加 ,通过不同途径损
失的氮量进一步增加 ,有效防止 NO3 - 2N 向深层土
应 用 生 态 学 报 　2004 年 1 月 　第 15 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Jan. 2004 ,15 (1)∶68～72
壤的迁移和累积 ,对提高氮肥利用率和防止地下水
污染具有重要意义[11 ] . 在黄土高原地区 ,夏玉米生
长正逢雨季 ,是氮素淋溶的主要季节[7 ] . 为此 ,根据
阻水层理论结合垄作提出成垄压实施肥法. 该施肥
法具体操作为 ,氮肥条施后覆土并压实 ,然后在施肥
区起垄. 本研究通过连续两年的田间小区试验 ,研究
了夏玉米生长期该施肥条件下土壤中 NO3 - 2N 迁
移分布规律及其对作物产量和氮肥利用率的影响 ,
为提高氮肥利用率及保护地下水资源免受污染提供
理论依据.
2 　材料与方法
211 　试验设计
田间小区试验于 2000 年和 2001 年进行 ,小区设在中国
科学院水土保持研究所的试验场内的不同地块上. 供试土壤
为土娄土 (旱耕土垫人为土) ,其基本理化性状见表 1. 小区面
积 :2000 年 15 m2 ,2001 年 7 m2 ;供试玉米品种分别为高农 1
号和屯玉 1 号 ;种植密度分别为 48000 和 46000 株·hm - 2 .
2000 年试验设 CK1 (平地施肥) ,CK2 (起垄不压实 ,土壤容重
为 1. 11 g·cm - 3) ,以及成垄压实施肥 ,其中成垄压实施肥又
设两种压实度 ,分别为 1. 27 和 1. 39 g·cm - 3 (以压实后的土
壤容重衡量) ;3 个垄坡度 ( 20°、30°、40°) ;组成完全方案 ,重
复 3 次 ,在田间随机排列. 氮肥为尿素 ,施氮量为 240. 0 kg·
hm - 2 . 2000 年氮肥采用追肥的方式手工模拟机具施肥法施
入 ,2001 年氮肥采用相同方法作为基肥施入. 其它田间管理
按常规进行. 视降水情况进行少量补充灌溉 ,保证玉米正常
生长. 2001 年试验在 2000 年试验和模拟试验的基础上设
CK1、CK2 (同上 ,土壤容重为 1. 22 g·cm - 3) 及成垄压实施肥
(压实后土壤容重为 1. 44 g·cm - 3 ,垄坡度取 30°) 3 个处理 ,
重复 3 次.
表 1 　供试土壤基本理化性状
Table 1 Physical and chemical properties of studied soil
项目
Item
含量
Content
项目
Item
含量
Content
NO -3 2N 4. 89 有机质 11. 80
(mg·kg - 1) O. M. (g·kg - 1)
NH +4 2N 3. 74 p H 8. 2
(mg·kg - 1)
速效磷 Olsen2P 11. 20 2000 年降雨量 322. 64
(mg·kg - 1) Precipitation in 2000 3 (mm)
全磷 0. 78 2001 降雨量 369. 31
Total P (g·kg - 1) Precipitation in 2001 3 (mm)
注 :两年试验期内总降雨量 (包括少量的补充灌水量 ) Total precipitation in
study periods (including irrigation ) .
212 　样品采集及测定方法
　　基础样于施肥前用土钻分层多点采取 ,取样深度为
100cm ,每 10cm 一层. 收获后 ,在与垄走向垂直的方向上挖
剖面 ,剖面深度为 100cm ,宽 90cm. 在剖面上网格法取样 (网
格大小 10cm ×10cm) . NO -3 2N 含量测定用新鲜土样 ,2mol·
L - 1 KCl 5∶1 液土比浸提 ,双波长紫外比色法测定 [10 ] .
3 　结果与分析
311 　成垄压实施肥对 NO -3 2N 迁移的影响
　　农田系统中 ,水分供应及土壤水分状况是影响
土壤氮素状况及其去向的重要因子. 有资料表明 ,
NO -3 2N 在土壤中的迁移深度与降水量有密切关系 ,
在降雨或灌水量较少时 ,NO -3 2N 在土壤中的迁移深
度一般不超过玉米根系分布范围 ,而当降雨较多或
一次性大量灌溉时 ,土壤中的 NO -3 2N 被淋溶至根
系分布层以下[8 ] . 试验期间降雨量 (包括补充灌溉
水量)见表 1 ,降雨分布状况如图 1 所示. 2000 年生
育期内降水量较少 ,加上少量补充灌溉水量 ,2000
年试验期地面供水量仅有 322. 64mm ,仍小于试验
区同期多年平均降雨量 (约 360～370mm) . 因此 ,
2000 年试验结束后 ,平地、垄沟及成垄压实施肥条
件下土壤 NO -3 2N 的迁移深度均不大 (图 2) . 无论是
平地施肥 ,还是垄沟施肥或成垄压实施肥 ,由于受施
肥影响 , NO -3 2N 在剖面上的分布表现为以一含量
高峰为中心向外围呈扩散状分布 ,其深度均未超出
根系分布层. 但成垄压实施肥条件下 NO -3 2N 集中
分布 0～ 30cm 土层内 ,明显小于平地施肥 ( 0～
65cm)及垄沟施肥 (0～45cm) ,而且成垄压实施肥条
件下 NO -3 2N 的累积峰也较平地和垄沟施肥浅. 成
垄压实施肥 NO -3 2N 在水平方向上的分布与平地、
垄沟施肥无明显差异.
图 1 　两年试验期内降雨量分布
Fig. 1 Precipitation distribution within two study periods.
　　2001 年试验期内降雨量大于 2000 年 ,而且主
要集中于夏玉米生育末期 ,加上少量补充灌水量 ,
2001 年试验期内地面供水量为 369. 31mm ,与同期
多年平均降雨量相当. 2001 年试验结束后土壤
NO -3 2N 剖面分布见图 3. 成垄压实和垄沟施肥
NO -3 2N 在剖面上的分布与前一年类似 ,以一高峰为
中心向外围呈扩散式分布 ,其中心位于近地表 20～
40cm 处 ,中心 NO -3 2N 浓度高达 80～90 mg·kg - 1
土 ,NO -3 2N 在垂直方向上迁移深度较前一年大 ,50
961 期 　　　　　　　　　　　赵允格等 :成垄压实施肥对氮素运移及氮肥利用率的影响 　　　　　　　　
～60cm 土层土壤 NO -3 2N 含量仍可达到 10mg·
kg - 1土 ,这显然与 2001 年试验后期降雨较多有关.
平地条件下 ,0～20cm 土层土壤 NO -3 2N 含量小于
8mg·kg - 1土 ,在 30～80cm 土层范围内 NO -3 2N 几
乎呈均匀状态分布且浓度较低 ,NO -3 2N 在垂直方向
上的迁移深度明显大于成垄压实和垄沟施肥 ,直至
80～90cm 深的土层 ,土壤 NO -3 2N 浓度仍为 15 mg·
kg - 1土.
　　由此可见 ,在干旱半干旱地区夏玉米生长期间 ,
如果降雨量较小 ,即使平地施肥 ,收获后土壤中残留
NO -3 2N 的分布未超出根区 ;而在降雨较多时 ,平地
条件 NO -3 2N 随入渗水分向深层土壤作整体迁移 ,
表层土壤 (0～20cm) NO -3 2N 浓度很低 ,而成垄压实 施肥因其施肥区有一水分运动的障碍层 ,减少了穿过施肥区的入渗水量 ,从而可减少施肥区 NO -3 2N随入渗水分向下层土壤迁移累积. 吕殿青等[8 ]根据不同深度渗漏池的渗漏试验结果指出 ,NO3 - 2N 的淋溶量与土壤深度呈指数关系 ,即土壤上层 NO3 - 2N 淋溶量很大 ,而下层很少. 因此 ,有效防止施肥区NO -3 2N 随入渗水分向深层土壤的迁移 ,对防止NO -3 2N 的淋溶具有重要的实际意义. 资料表明 ,69. 2 %和 79. 5 %以上的玉米根系分布在近地表20cm 和 40cm 土层中[6 ] ,因此 ,成垄压实施肥条件下 NO -3 2N 在土壤剖面呈上高下低的分布状态 ,与作物根系在土壤中的分布状态较为一致 ,利于作物吸收 ,这对提高氮肥利用率 ,保护地下水资源具有重要意义.
图 2 　2000 年不同施肥条件下 NO -3 2N 剖面分布 (mg·kg - 1)
Fig. 2 NO3 - 2N distribution in profile under different fertilization methods in 2000.
a)成垄压实 Localized compaction and ridge ,b)垄沟 Ridge ,c)平地 Flat .
图 3 　2001 年不同施肥条件下 NO -3 2N 剖面分布 (mg·kg - 1)
Fig. 3 NO3 - 2N distribution in profile under different fertilization methods in 2001.
a)垄沟 Ridge ,b)成垄压实 Localized compaction and ridge ,c)平地 Flat .
07 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
312 　不同施肥方式对作物氮肥利用率及产量影响
　　氮肥施用的成垄压实法是通过施肥区的大容重
障碍层 ,减少施肥区 NO -3 2N 向深层土壤迁移. 连续
两年小区试验表明 ,这一局部的高容重土层 ,对作物
生长发育无显著影响. 2 年试验结束后成垄压实、垄
沟及平地施肥条件夏玉米生物学产量及籽粒产量如
表 2 所示. 成垄压实施肥及垄沟施肥条件下玉米的
生物产量和经济产量均高于平地施肥 ,成垄压实施
肥条件下籽粒产量较平地施肥高出 10 %左右. 不同
施肥方式下作物氮肥利用率见表3 . 成垄压实施肥
表 2 　不同施肥方式对夏玉米产量的影响
Table 2 Effect of fertilization methods on corn yield ( kg·hm - 2)
施肥方式
Fertilization
methods
2000 年
生物产
量1)
籽粒产
量2)
较平地增
产 ( %) 3)
2001 年
生物
产量
籽粒
产量
较平地
增产 ( %)
成垄压实 Localized 11353 7262 10. 31 15262 9199 9. 07
compaction and ridge
垄沟施肥 Ridge 10264 6862 4. 23 14212 89663 6. 31
平地施肥 Flat 9563 6584 - 13576 8435 -
1) Yield ,2) Grain ,3) Yield increase for comparing with flat ( %) .
表 3 　不同施肥方式下氮肥利用率及土壤硝态氮残留量
Table 3 Nitrogen use eff iciency and cumulative nitrate in prof ile under
different fertilization methods
施肥方式
Fertilization
methods
2000年氮
肥利用率
NUE 3
in 2000 ( %)
2000年 NO -3 2N累积量
Cumulative NO -3 2N in
2000 (kg·hm - 2)
0～20cm 0～40cm
2001年 NO -3 2N累积量
Cumulative NO -3 2N in
2001 (kg·hm - 2)
0～20cm 0～40cm
成垄压实 Localized 19. 87Aa 41. 36 64. 22 46. 41 141. 72
compaction and ridge
垄沟施肥 Ridge 14. 23b 31. 21 62. 51 24. 97 109. 89
平地施肥 Flat 10. 73B 14. 13 59. 68 8. 03 54. 213 NUE为差减法所计算的氮肥利用率 NUE was calculated using subtraction method.
条件下氮肥利用率约为平地施肥的 2 倍 ,二者差异
极显著. 成垄压实施肥条件下氮肥利用率也显著高
于垄沟施肥的氮肥利用率. 此外 ,成垄压实施肥条件
下近地表 0～20 和 0～40cm 土层 NO -3 2N 的累积量
远大于平地施肥 (表 2) ,表明成垄压实施肥在不降
低作物产量的情况下能有效阻滞施肥区 NO -3 2N 向
深层土壤的迁移和累积 ,增加作物对氮素的吸收量 ,
提高了氮肥利用率.
313 　垄坡度和紧实度障碍层对硝态氮运移的影响
　　土壤水分状况是影响 NO -3 2N 在土壤中迁移分
布的重要因素之一. 成垄压实条件下不同垄的坡度
和不同压实密度的障碍层对施肥区土壤水分的运动
及分布的影响不同 ,从而导致 NO -3 2N 的迁移分布
亦有所不同. 2000 年小区试验表明 ,不同垄坡度对
NO -3 2N 迁移分布略有影响 ,但差异不大 ,与本研究
室内模拟试验结果一致. 在大田情况下 ,影响 NO -3 2
N 迁移的因素较多 ,特别是土壤裂隙、虫孔、根系死
亡后遗留的大孔隙等 ,使 NO -3 2N 以优势流的形式
在土体中迁移. 因此 ,在施肥区通过压实形成的水分
运动障碍层对 NO -3 2N 迁移影响较为明显 ,随障碍
层压实度的增加 ,NO -3 2N 迁移深度有减小的趋势
(图 4) . 结合本研究的模拟实验 ,可确定在质地较为
粘重的土娄土地区 ,成垄压实施肥法的技术指标可
确定为垄坡 30°,障碍层容重 1. 40 g·cm - 3左右.
图 4 　不同压实障碍层成垄压实施肥 NO3 - 2N 剖面分布 (mg·kg - 1)
Fig. 4 NO3 - 2N distribution under different compaction and ridge fertilization.
a)不压实 No compaction (1. 11 g·cm - 3) ,b)轻压 Light compaction (1. 27 g·cm - 3) ,c)重压 Heavy compaction (1. 39 g·cm - 3) .
4 　讨 　　论
　　成垄压实施肥是根据阻水层理论结合垄沟耕作
而产生的一种新的氮肥施用方法 ,该施肥法通过在
施肥区压实形成一个水分运动障碍层并在其上起
垄 ,从而减少了穿过施肥区的入渗水量而减少上层
土壤 NO -3 2N 随入渗水分向深层土壤迁移累积 ,同
时 ,该施肥法满足了氮肥深施的要求 ,可减少氮肥以
氨形式挥发损失. 两年田间试验表明 ,该施肥法较原
平地施肥能有效阻滞 NO -3 2N 向深层土壤迁移和累
积 ,而成垄压实条件下施肥区局部存在的大容重障
碍层对夏玉米生长发育及产量无显著影响. 与平地
171 期 　　　　　　　　　　　赵允格等 :成垄压实施肥对氮素运移及氮肥利用率的影响 　　　　　　　　
和垄沟施肥相比 ,成垄压实施肥可显著提高氮肥利
用率.
　　在黄土高原干旱半干旱雨养农业区降雨量较小
的年份 ,土壤 NO -3 2N 迁移深度很难超出作物根系
分布深度 ,而当降雨量较大时 ,平地条件下 NO -3 2N
随入渗水分作整体迁移 ,NO -3 2N 在剖面深层累积.
在黄土高原地区 ,土层深厚 ,短期降雨一般不会将
NO -3 2N 淋溶至根层以下 ,但由于长期的积累效应 ,
NO -3 2N 会被逐渐淋溶出根系分布层 ,进而至地下水
层.有研究指出 ,该区旱地农田 NO -3 2N 一般累积在
180～200cm 的土层 ,而灌溉农田土壤 NO -3 2N 的累
积峰出现于地下 360～400cm 的土层[14 ] ,这不仅是
对氮肥资源的一种浪费 ,而且对地下水资源构成潜
在威胁. 因此 ,在黄土高原地区 ,特别是在灌区探索
并推行成垄压实施肥法具有重要的实际意义. 为此 ,
加强成垄压实施肥法配套机具的研制是实施该施肥
法关键.
　　在施氮量 240. 0 kg·hm - 2 (陕西关中平均施氮
量)条件下 ,尽管成垄压实施肥法不能显著提高夏玉
米产量 ,然而收获后 ,成垄压实施肥条件下 NO -3 2N
以 80～90mg·kg - 1的浓度残留于 20～40cm 土层 ,
显著高于平地 ( (5 mg·kg - 1) . 另一方面 ,这些残留
于土壤中的 NO -3 2N 对地下水仍是一种潜在的威
胁. 因此 ,必须通过减小施 N 量而减少收获后土壤
中 NO -3 2N 残留量 ; 而且对于不同质地的土壤 ,
NO -3 2N 迁移方式、速度不同 ,所以对不同的土壤 ,可
通过调节压实层容重而达到“根2水2N”耦合协同的
关系 ,从而提高水肥利用率 ,降低农业生产成本 ,减
小对环境的威胁.
　　通过田间小区试验 ,并结合本研究的室内模拟
实验 ,结果表明 ,成垄压实施肥条件下 ,不同垄坡度
对 NO -3 2N 迁移影响较小 ,而不同压实的障碍层对
NO -3 2N 迁移的影响则较为显著. 在试验区 ,实施成
垄压实施肥法关键在于设置容重 1. 40 g·cm - 3左右
的障碍层 ,垄坡度的因影响不显著 ,可取 30°.
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作者简介 　赵允格 ,女 ,1971 年生 ,博士研究生 ,主要从事土
壤溶质运移方面的研究工作.
27 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷