全 文 ：麦玉两熟高产农田生态系统氮素的合理调控 3
以山东省桓台县冬小麦套种夏玉米系统为例
张新明 3 3 　(华南农业大学资源环境学院 ,广州 510642)
吴文良　李　季　赵桂慎　(中国农业大学资源环境学院 ,北京 100094)
【摘要】　探讨了麦玉两熟高产农田生态系统中化肥氮与有机肥之间的交互作用 ,并提出了安全合理的施 N 量.
种植制度为冬小麦套种夏玉米 ,试验处理设氮肥 (尿素) 4 个水平、有机肥 (鸡粪) 3 个水平 ;采用了裂区试验设
计 ,以有机肥为主区 ,氮肥为副区. 结果表明在供试条件下 ,化肥氮与有机肥之间有显著的负交互作用 ;建议
300kg·hm - 2作为供试条件下冬小麦套种夏玉米高产农田生态系统全年安全合理施 N 量.
关键词 　冬小麦 　夏玉米 　高产农田生态系统 　氮素 　合理调控
Rational N regulation in wheat/ corn high2yield farm ecosystem Taking winter wheat2summer corn system in Heng2
tai county of Shandong Province as an example. Zhang Xinming ( College of Resources and Envi ronmental Sciences ,
South China A gricultural U niversity , Guangz hou 510642) , Wu Wenliang , Li Ji , Zhao Guishen ( College of Re2
sources and Envi ronmental Sciences , China A gricultural U niversity , Beijing 100094) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,
10 (3) :297～300.
This paper deals with the interaction between chemical N and organic fertilizers in high2yield wheat/ corn farmland e2
cosystem , and developed a safe and rational N application rate. The typical cropping system is winter wheat inter2
cropped with summer corn. In the field experiment , four rates of urea and three levels of poultry manure were applied
and split2plot experiment design was used , in which the manure treatments were placed as the main plots and the urea
treatments as sub2plots. Phosphate and potassium fertilizers were same for all plots. The result shows that the interac2
tion between chemical nitrogen fertilizer and poultry manure is significantly negative , and the safe and rational N appli2
cation rate in high2yield winter wheat2summer corn system was 300kg·hm - 2yr - 1 and 150kg·hm - 2 , respectively.
Key words 　Winter wheat , Summer corn , High2yield farm ecosystem , Nitrogen , Rational regulation.
　　3 国家自然科学基金重点资助项目 (39630070) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 02 - 08 收稿 ,1999 - 05 - 04 接受.
1 　引 　　言
　　我国经济的发展、人口的增加、非农业占地面积的
扩大和膳食结构的不断改善 ,加剧了人口2耕地2粮食
之间的矛盾. 因此提高单位面积粮食产量是我国解决
粮食供求矛盾的根本出路. 从 80 年代末 ,我国大江南
北相继出现了各种模式的吨粮田 ,这无疑对缓解我国
人增地减的矛盾起到了极大的作用. 吨粮田是以“高投
入、高产出、高效益、高效率”为特征的[3 ] ,但是吨粮田
的可持续问题、它对土壤生态环境的影响问题、粮食的
质量安全问题等 ,一直受到人们的关注 ,在某些方面还
存在争论. 继桓台县唐山镇自 1989 年建成第一个吨粮
镇后 ,该县又于 1990 年建成了长江以北“第一吨粮
县”,全县全年平均产量达 15300kg·hm - 2 [2 ] ,受到全
国各地的关注. 本文旨在提出兼顾产量效益、经济效益
和生态效益的安全合理的施 N 量 ,为桓台县高产农田
生态系统的氮肥合理调控提供理论依据. 这将对华北
相似生态条件下的高产农田生态系统的管理具有指导
意义.
2 　研究地区自然条件与方法
2. 1 　自然条件
　　桓台县地处黄河下游鲁北平原的南缘 ,地势平坦 ,属北温
带大陆季风气候区. 该地区四季分明 ,气候温和 ,光能资源丰
富 ,降雨量不匀 ,冬春干旱 ,夏季多雨 ,晚秋又旱. 历年平均气温
12. 4 ℃,平均降水量为 603. 9mm. 无霜期 198d ,初霜日 10 月 11
日 ,终霜日 4 月 29 日. 桓台县的土壤母质主要是山前冲积物和
黄河冲积物. 试验地土壤有机质含量平均 16. 7g·kg - 1 ,土壤全
N 平均 1. 02g·kg - 1 ,有效磷 ( P) 18. 5mg·kg - 1 ,有效钾 ( K) 146. 8
mg·kg - 1 ,缓效钾 ( K) 913. 1mg·kg - 1 ,耕层土壤质地为中壤.
2. 2 　田间试验方案
2. 1 . 1 冬小麦 　1)试验处理 :设化肥氮 4 个水平 ,有机肥 3 个水
平 ,具体如表 1 和表 2 所示. 2) 田间排列 :采用裂区试验设计 ,
以有机肥处理做为主处理 ,以氮肥处理作为副处理. 主处理重
复 3 次 ,分别置于 3 块相邻的试验地 ,副处理在主处理内随机
排列. 小区面积为 33. 33m2 . 3) 供试品种 :鲁麦 23 ,播种量为
127. 5kg·hm - 2 ,播种日期 1996 年 10 月 2 日. 基本苗 2. 515 ×
应 用 生 态 学 报 　1999 年 6 月 　第 10 卷 　第 3 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 1999 ,10 (3)∶297～300
106 株·hm - 2 . 每个小区使用相同的磷肥和钾肥水平 ,磷肥和钾
肥分别用过磷酸钙 ( 158. 5kgP2O5 ·hm - 2 ) 和氯化钾 ( 140. 2
kgK2O·hm - 2)为供试肥料 ,并与有机肥在冬小麦播前随氮肥基
肥一次施入. 其它管理措施与大田相同. 灌水次数为 5 次 ,灌水
时间依次为 : 1996 年 10 月 2 日、11 月 15 日 ,1997 年 3 月 30
日、4 月 25 日、5 月 8 日 ,每次浇透为止. 收获日期分别在 1997
年 6 月 9 日和 6 月 10 日. 每个小区以 3m2 面积计产.
表 1 　氮肥(尿素)处理
Table 1 Nitrogen fertilizer( urea) treatments( kgN hm - 2)
氮肥
Nitrogen fertilizer
N0
0
N1
150
N2
210
N3
300
基肥 Basal dressing(30 %) 0 45 63 90
冬灌肥 Winter top2dressing(30 %) 0 45 63 90
起身2拔节肥 0 60 84 120
Reviving2Jointing top2dressing(40 %)
表 2 　有机肥(鸡粪)处理
Table 2 Organic fertilizer( poultry manure) treatments
有机肥
Organic fertilizer (kg·hm - 2)
M0
0
M1
4770
M2
9540
全 N Total N (kgN hm - 2) 0 61. 5 123
全 P Total P(kgP2O5 hm - 2) 0 110. 4 220. 8
全 K Total K(kg K2O hm - 2) 0 113. 2 226. 4
2. 2 . 2 夏玉米 　田间布置与冬小麦季相同. 化肥用尿素 ,处理
水平同冬小麦 ,分别在 1997 年 6 月 18 日 (苗期) 、1997 年 7 月
24 日 (大喇叭口期)施肥 ;苗期占玉米施 N 量的 40 % ,大喇叭口
期占 60 %. 有机肥 (鸡粪)仅用于小麦季. 灌水日期同施肥日期.
磷肥用量是冬小麦季的 1/ 2 ,钾肥用量与冬小麦季的相同 ,磷肥
和钾肥在苗期一次施入. 每个处理均施用复合微肥 (仅含 Zn、
Mn 等微肥) 30kg·hm - 2 . 玉米品种用鲁玉 10 号 ,播量 52. 5kg·
hm - 2 ,株数 92655 株·hm - 2 . 套种夏玉米日期为 1997 年 5 月 30
日. 收获期分别在 1997 年 9 月 14 日和 9 月 16 日 ,每个小区以
4. 5m2 面积计产.
2. 3 　采样
2. 3 . 1 基础土样 　在冬小麦播种施肥前 ,采取 0～20cm 土层的
基础土样及处理 M0N1 、M0N1 、M1N0 、M2N0 、M2N3 的 0～30、30
～60 和 60～90cm 3 个土层的硝态氮供试土样.
2. 3 . 2 玉米收获土样 　分别采取了处理 M0N0 、M0N1 、M1N0 、
M2N0 、M2N3 的 0～30、30～60 和 60～90cm 3 个土层的硝态氮
供试土样.
2. 3 . 3 植株样 　于 1997 年冬小麦收获时采取了小麦秸秆与籽
粒 ;于夏玉米收获期采取了玉米秸秆和籽粒.
1) Winkleman , G. E. 1991. Methodes manual. Support Services Laboratory ,
Research Station , Swift Current , Sask. Canada (内部交流材料) .
2. 4 　样品分析
2. 4 . 1 基础土样和冬小麦夏玉米收获土样 (0～20cm) 　分析项
目有土壤质地、有机质、全氮、有效磷、有效钾、缓效钾. 分析方
法参照文献[6 ] .
2. 4 . 2 硝态氮供试土样 　硝态氮测定利用自动分析仪测定
(Winkleman , 1991) 1) .
2. 4 . 3 植株样测定 　植株全 N 的测定方法参照文献[6 ] .
2. 5 　数据处理与统计
　　采用 EXCEL 和 SAS软件.
3 　结果与讨论
3 . 1 　化肥氮与有机氮之间的交互作用
　　通过对冬小麦和夏玉米总产与化肥、有机肥进行
回归分析得出如下回归方程 :
Y t = 13329 + 0 . 0975 X1 + 6 . 57 X2 - 0 . 00034 X1 X2
　　- 0. 0069 X22 + 7 . 01 ×10 - 7 X12
　　R2 = 0 . 258 ( n = 36 ,Ρ= 0 . 1) (1)
其中 , Y t 为冬小麦和夏玉米总产 (kg·hm - 2) ; X1 为有
机肥用量 (干重) (本研究用鸡粪 ,kg·hm - 2) .
　　X2 = 全年化肥氮施用量 ; R2 为决定系数 ;Ρ为显
著水平.
　　由方程 (1) 可知 ,有机肥和化肥同总产关系达到
0. 1 显著水平 ,两者对总产变异的贡献率为 25. 8 % ,这
主要是由于供试土壤的基础肥力高的缘故. 通过对回
归系数 T 检验表明 , X1 、X12 的回归系数均未达到
0. 05显著水平 ;而 X2 回归系数达到 0. 01 显著水准 ;
X1 X2 、X22 的回归系数都达到0. 05的显著水准 ,而且
X1 X2 的回归系数为负值 ,说明化肥氮与有机肥之间
在供试条件下存在显著的负交互作用 (这里指化肥氮
和有机氮总增产量小于单因子增产量之和) . 这一结果
不同于朱洪勋等[4 ]的研究结果. 在他们的研究中 ,有
机肥同化肥氮的交互作用为正 ,究其原因可能是他们
供试土壤的有机质为 8g·kg - 1 ,比桓台试验地的土壤
肥力 (有机质 16. 7g·kg - 1) 低的缘故 ,因为据黄德明
等[8 ]研究结果 ,当肥力高时 ,有机肥同化肥的交互作
用为负值.
3 . 2 　全年最高产量施氮量的确定
　　经方差分析表明 ,施用氮肥处理的产量均显著高
于对照产量 ( Y tM 0 N 0) ,但施氮区的产量之间无显著差
异. 表 3 列出了多重比较结果. 其产量趋势为 Y t420 >
Y t300 > Y t600 > Y t0. 回归分析表明 ,化肥氮对冬小麦
和夏玉米总产变异的贡献率为 70. 6 %.
　　Y t = 12794 + 12 . 06 X2 - 0 . 01506 X22
　　R2 = 0 . 706 3 3 ( n = 36 , P = 0. 05) (2)
　　边际分析得出全年最高产量 ( Y tmax) 的施肥量为
400. 4kg·hm - 2 , Y tmax = 15208kg·hm - 2 . 但是达到最高
产量的施 N 量为边际产量等于零的施 N 量 ,在经济上
不合理 ,因此在供试条件下 ,400. 4kg·hm - 2不是兼顾
产量、经济效益和生态效益的施 N 量.
892 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
表 3 　化肥氮的总产差异显著性分析
Table 3 Signif icance of difference among total yield of winter wheat and
summer corn with different chemical nitrogen rates
处理 Treatment (kg·hm - 2)
(M0N0)
0
(M0N3)
600
(M0N1)
300
(M0N2)
420
平均产量 ( Yt) 12823 14543 14857 15441
Average yield (kg·hm - 2)
差异显著性 B A A A
Significant difference
注 :具相同字母的产量之间无显著差异 ,下同.
3 . 3 　氮素处理组合对土壤剖面硝态氮积累的影响
　　国内外许多研究表明 ,广大农区浅层地下水中的
硝酸 盐 的 提 高 同 大 量 施 用 氮 肥 以 及 灌 溉 有
关[1 ,5 ,7 ,10～12 ] .因此 ,合理施用氮素肥料 ,减少土壤剖
面中硝酸盐的积累是高产农田生态系统得以可持续发
展的重要措施之一. 据 Bundy 等[9 ]报道 ,设 0～30cm
土层土壤重4. 48 ×106kg·hm - 2 ,1mgN·kg - 1则相当于
4. 48 kgN·hm - 2 . 表4就是根据Bundy文章中提供的
表 4 　不同氮素处理组合对 0～90cm土层硝态氮积累的影响( kg·hm - 2)
Table 4 Effect of nitrogen2containing fertilizer treatments on nitrate accumulation in 0～90cm soil prof ile( 1996. 9. 29～1997. 9. 17)
处理
Treat2
ment
小麦播前
Prior to sowing winter wheat
0～30cm 30～60cm 60～90cm
玉米收后
After cutting summer corn
0～30cm 30～60cm 60～90cm
小麦播前
Prior to sowing
winter wheat
0～90cm
玉米收后
After cutting
summer corn
0～90cm
M0N0 44. 8 13. 6 6. 7 9. 9 7. 6 11. 2 65. 1 28. 7
M0N1 30 5. 4 8. 5 22. 4 32. 7 24. 6 43. 9 79. 7
M1N0 40. 3 13. 9 4. 9 16. 6 9. 9 8. 1 59. 1 34. 6
M2N0 21. 1 4 4. 9 17. 5 7. 2 5. 8 30 30. 5
M2N3 35. 4 13 6. 7 74. 8 43 150 55. 1 267. 8
注 :M0N0 :0 ,M0N1 :300 kg·hm - 2·yr - 1 ,M1N0 :61. 5 ,M2N0 :123 ,M2N3 :723 kg·hm - 2·yr - 1. 下同 The same below.
表 5 　不同氮素处理组合对夏玉米收获后 0～90cm 土层硝态氮相对积
累的影响( kg·hm - 2)
Table 5 Effect of nitrogen2containing fertilizer treatments on relative ni2
trate accumulation compared with nitrate prior to sowing wheat in 0～
90cm soil prof ile after cutting summer corn
处理
Treatment 0～30cm 30～60cm 60～90cm 30～90cm 0～90cm
M0N0 - 34. 9 - 6 4. 5 - 1. 5 - 36. 4
M0N1 - 7. 6 27. 3 16. 1 43. 4 35. 8
M1N0 - 23. 7 - 4 3. 2 - 0. 8 - 24. 5
M2N0 - 3. 6 3. 2 0. 9 4. 1 0. 5
M2N3 39. 4 30 143. 3 173. 3 212. 7
系数计算的 . 表5是根据表4计算的夏玉米收获后0
～90cm 土层内土壤硝态氮的相对积累状况 (相对于冬
小麦播前) .
　　夏玉米收获后 0～90cm 土壤剖面层硝态氮相对
积累状况如表 4 和表 5 所示 ,M0N0 和 M1N0 处理的 0
～90cm 土层内的硝态氮含量均比冬小麦播前低 ,分别
降低了 36. 4 和 24. 5kg·hm - 2 ,M2N0 处理同播前相比
基本保持平衡 ,而 M0N1 处理的 0～90cm 土层的硝态
氮较冬小麦播前提高了 35. 8kg·hm - 2 ,达到 79. 7kg·
hm - 2 . 具体表现为 0～30cm 土层硝态氮略有降低 ,而
30～90cm 土层硝态氮总量增加. M0N1 处理的全年作
物 (冬小麦和夏玉米) 回收了肥料氮 104. 6kg·hm - 2 ,
占施入总 N 量的 34. 9 % ,加上 0～90cm 土层残留的
35. 8kg·hm - 2 ,两者合计 140. 4kg·hm - 2 ,占施入总 N
量 (300kg·hm - 2·a - 1) 的 46. 8 % ,约 159. 6kg·hm - 2的
N 素进入了土壤有机氮库、气态损失或淋洗出了 0～
90cm 土层而到达更深的层次. M2N3 处理 0～90cm 土
层硝态氮较播前增加了 212. 7kg·hm - 2 ,达到267. 8kg
·hm - 2 ,其中 0～30cm 土层硝态氮较播前增加了39. 4
kg·hm - 2 ,30～90cm 土层硝态氮较播前增加了173. 3
kg·hm - 2 (达到 193. 0kg·hm - 2) . M2N3 处理全年回收
肥料氮 128. 9kg·hm - 2 ,加上 0～90cm 土层残留的 N
素 212. 7kg·hm - 2 ,合计 341. 6kg·hm - 2 ,占施入土壤
总 N 量的 47. 2 % ,约有 53 %的肥料氮进入土壤有机
氮库、气态损失或进入到 90cm 以下的土层中.
1)资料来自桓台县水利局.
　　那么 ,积累于土壤中的硝态氮是否会对地下水造
成污染呢 ? 据桓台县水利局自 1982～1997 年地下水
埋深观测1) ,从 1 月至 3 月 ,地下水埋深一直下降 ,至 3
月达到最低点 ,而后地下水埋深增加 ,7 月达到最高
点 ,之后又下降至 9 月的 9. 31m ,直到 12 月地下水埋
深起伏不明显. 就全县地下水平均埋深而言 ,从 7 月到
来年 3 月为地下水补给期 ,特别是每年从 8 月至 9 月
为降雨集中月份1) . 由于在桓台县地下水主要补给区
主要是农田 ,如果农田中残留大量硝态氮 ,必然使地下
水硝态氮相应提高 ,特别是玉米生长季残留大量的硝
态氮将威胁更大.
3 . 4 　全年安全合理施 N 量的确定
　　由以上分析可以看出 ,M2N3 处理很可能会对地
下水造成污染. 从全年产量的比较而言 ,M2N3 处理的
产量分别是 M0N1 、M1N0 和 M2N0 处理产量的
99. 9 %、106 %、101 % ,而其 N 素总量分别是后三者的
2. 41、11. 8、5. 9 倍 ,因此 M2N3 处理既不经济 ,也不安
全. 就化肥氮处理而言 ,M0N1 处理 (300kg·hm - 2·a - 1)
60～90cm 土层的硝态氮在玉米收获后虽达到 5. 5mg·
kg - 1 ,但是低于国家地下水的卫生标准 ( 10mgN ·
L - 1) [6 ] ,因此 M0N1 处理是比较安全的. 根据氮肥肥
料效应方程 ( 2 ) 可以得到 M0N1 产量为 15057kg·
9923 期 　　　　　　　　　　　　　张新明等 :麦玉两熟高产农田生态系统氮素的合理调控 　　　　　　
hm - 2 ,相当于该试验全年最高产量的 99 % ;而 M0N1
处理的施 N 量比最高产量施氮量减少25. 1 %. M0N1
处理的 N 素年利用率为 37. 6 % ,较全年最高产量施 N
量 (400. 4kg·hm - 2)的年利用率高22. 5 %. 因此可以认
为 300kg·hm - 2是在供试条件下 ,兼顾产量、经济和生
态效益的全年安全合理的施 N 量 ,冬小麦季和夏玉米
季的安全合理施 N 量均为 150kg·hm - 2 . 根据方程 (3)
可以得到冬小麦季安全合理施 N 量的 N 素利用率为
43. 2 %. 至于桓台县域水平上的安全合理施 N 量 ,应
在高中低土壤肥力水平的土壤上进行试验 ,并结合更
深土壤层次的硝态氮积累状况以及浅层地下水中硝态
氮的状况才能最终确定.
4 　结 　　论
4 . 1 　在供试土壤条件下 ,有机肥与化肥氮之间有显著
的负交互作用.
4 . 2 　在不施用有机肥的条件下 ,化肥氮对冬小麦和夏
玉米全年总产变异的贡献率达 70. 6 % ,全年达到最高
产量的施 N 量为 400. 4kg·hm - 2 . 化肥氮对冬小麦地
上部吸 N 量变异的贡献率是 81. 4 % ,最高吸 N 量
(256. 4kg·hm - 2)的施 N 量为 208. 8kg·hm - 2 ;化肥氮
对全年地上部吸 N 量变异的贡献率是 88. 79 % ,全年
最高吸 N 量 (430. 7kg·hm - 2) 的施 N 量为 424. 3kg·
hm - 2 .
4 . 3 　在供试土壤条件下 ,可以将 300kg·hm - 2初步定
为全年兼顾产量、经济和生态三大效益的安全合理施
N 量 ,冬小麦季和夏玉米季的安全合理施 N 量均为
150kg·hm - 2 .
致谢 　中国农业大学资源环境学院的辛德惠院士 (作者的博士
导师)和华南农业大学资源环境学院的李华兴教授对本文给予
指正 ,特表谢意.
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作者简介 　张新明 ,男 ,34 ,讲师 ,博士 ,研究方向为土壤肥力及
土壤化学. 已发表论文 5 篇 ,曾参加河北省中加合作项目以及
国家自然科学基金项目. 现在华南农业大学资源环境学院作博
士后 ,指导教师是骆世明教授和李华兴教授. E2mail : huaxli @
scau. edu. cn
003 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷