全 文 ：第 34 卷第 21 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.21
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(20100314); 高等学校学科创新引智计划(B12007)
收稿日期:2013鄄01鄄28; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: tongyanan@ nwsuaf.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201301280182
杨宪龙,路永莉,同延安,马海洋,陈毓君,丁燕.陕西关中小麦鄄玉米轮作区协调作物产量和环境效应的农田适宜氮肥用量.生态学报,2014,34
(21):6115鄄6123.
Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, Ma H Y, Chen Y J, Ding Y.Optimum鄄N application rate to maximize yield and protect the environment in a wheat鄄maize
rotation system on the Guanzhong Plain, Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6115鄄6123.
陕西关中小麦鄄玉米轮作区协调作物产量和
环境效应的农田适宜氮肥用量
杨宪龙1, 2,路永莉1, 2,同延安1, 2, *,马海洋1, 2,陈毓君1, 2,丁摇 燕1, 2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌摇 712100; 2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,杨凌摇 712100)
摘要:为了确定陕西关中小麦鄄玉米轮作区兼顾作物产量和环境效应的农田适宜氮肥用量,通过玉米鄄小麦鄄玉米连续 3季田间试
验研究了作物产量、氮肥利用效率、氮肥表观损失和土壤氮素平衡等对施氮量的响应。 结果表明,随着氮肥用量的增加,不同年
份作物产量和 3 季作物累计产量均表现为先增加后降低的趋势,而累计氮肥农学效率、氮肥表观利用率、氮肥吸收效率和氮肥
偏生产力均表现为显著的降低趋势。 土壤氮素平衡结果表明,随着施氮量的增加,低量施氮时(小麦施 N<150 kg / hm2,玉米施
N<180 kg / hm2 ),氮肥残留显著增加,表观损失和损失率变化不明显,而高量施氮时(小麦施 N> 150 kg / hm2,玉米施 N>
180 kg / hm2),氮肥残留变化不明显,表观损失和损失率却显著增加。 回归和相关分析显示,矿质氮在土壤较深层次(100—200
cm 土层)大量累积是氮肥表观损失的重要途径之一。 小麦施 N 150 kg / hm2、玉米施 N 180 kg / hm2时,作物即可获得相对较高的
产量和氮肥利用率,且能保持作物收获前后土壤无机氮库的基本稳定,同时也可将氮肥表观损失降至较低水平。
关键词:小麦鄄玉米轮作体系; 适宜施氮量; 产量; 残留; 表观损失
Optimum鄄N application rate to maximize yield and protect the environment in a
wheat鄄maize rotation system on the Guanzhong Plain, Shaanxi Province
YANG Xianlong1, 2, LU Yongli1, 2, TONG Yan忆an1, 2,*, MA Haiyang1, 2, CHEN Yujun1, 2, DING Yan1, 2
1 College of Resources and Environmental Science, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
2 Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri鄄environment in Northwest China, MOA. Yangling 712100, China
Abstract: The objective of this field study was to determine the N application rate which would both maximize yield and
protect the environment in a wheat鄄maize rotation district of the Guanzhong Plain, Shaanxi Province. The study included six
treatments replicated three times: N0 (no N application to either wheat or maize), N1 (113 kg N / hm2 to wheat + 135 kg
N / hm2 to maize), N2 (150 kg N / hm2 to wheat + 180 kg N / hm2 to maize), N3 (188 kg N / hm2 to wheat + 225 kg N / hm2
to maize), N4 (225 kg N / hm2 to wheat + 270 kg N / hm2 to maize), and N5 (300 kg N / hm2 to wheat + 360 kg N / hm2 to
maize) . The study was conducted over 1.5 yr (maize鄄wheat鄄maize) . The effects of N application rate on crop yield, N
fertilizer use efficiency, apparent N loss, and N budget in the 0—100 cm depth were determined. The results showed that
annual crop yield and cumulative crop yield both increased and then decreased as N application rate increased. In contrast,
cumulative N agronomic efficiency, apparent N utilization, N uptake efficiency, and N partial productivity decreased
significantly as N application rate increased. Calculation of the N budget in the 0—100 cm depth showed that residual
mineral鄄N concentrations were significantly higher in the N2 treatment than in the N1 treatment, but apparent N loss and
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loss rates were nearly the same in the two treatments. In contrast, residual mineral鄄N concentrations were nearly the same in
the N3, N4, and N5 treatments, but apparent N loss and loss rate increased significantly in the order N3
concentrations in the deep soil profile. This build鄄up contributed significantly to apparent N loss. In conclusion, the
application of 150 kg N / hm2 to wheat and 180 kg N / hm2 to maize resulted in relatively high yield and N use efficiency.
These application rates also maintained residual mineral鄄N concentrations and reduced apparent N losses.
Key Words: wheat鄄maize rotation system; optimal N rate; yield; mineral鄄N residual; apparent N loss
摇 摇 氮肥投入已成为现代农业增产必不可少的措施
之一[1鄄3]。 然而,大量研究表明[4鄄8],作物产量并不随
氮肥用量的增加而一直增加,当施氮量超过一定范
围后,产量不再增加甚至降低,而氮肥各种途径的损
失量却显著增加,进而造成资源浪费和氮素环境污
染问题。 可见,确定一个兼顾作物产量和环境效应
的适宜氮肥用量意义重大。 目前,围绕农田适宜施
氮量的问题国内外已开展了大量的研究[9鄄13]。 一些
地广人稀的西方发达国家可以通过降低氮肥用量,
不惜牺牲部分产量来减轻氮肥施用对环境压力。 然
而,这样的措施对于当下人口与耕地矛盾日益突出
的中国早已失去了借鉴意义。 为保障我国粮食安
全,在未来较长一段时间内将会继续依靠大量化肥
投入增加作物产量[1,3,14]。 关于施氮与作物产量的
关系,即氮肥农学效益问题,国内外已经形成了较为
统一的认识。 普遍认为,作物产量与施氮符合报酬
递减律,并尝试利用二次抛物线、线性+平台和二次
式+平台等模型[9,15]模拟作物产量随施氮量的变化
趋势。 对于氮肥的损失问题,国内外也开展了大量
氨挥发[16鄄17]、硝化鄄反硝化 N2O 排放[18鄄19]和淋溶损
失[16,20]等方面的研究,基本查明了主要农田生态系
统中各损失途径的数量、比例及其与氮肥用量的关
系[21]。 但这些研究多集中在华北平原小麦 /玉米和
南方水稻作物上。 关中平原是陕西省乃至中国重要
的小麦、玉米等粮食作物的生产基地,然而结合本地
区气候特征、土壤类型和种植制度等开展的适宜氮
肥用量研究偏少,且多为单季试验。 鉴于此,本文通
过玉米鄄小麦鄄玉米连续 3季作物试验,阐述了该地区
作物产量对不同施氮水平的响应及其环境效应,旨
在为当地农民氮肥优化管理提供一定理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
摇 摇 试验于 2011年 6月—2012年 10 月在陕西杨凌
西北农林科技大学农作三站进行。 试验站地处关中
平原西部,年均气温 13益,年均蒸发量 993 mm,年均
降水量 550—650 mm,且多集中在 7—9 月份,无霜
期 184—216 d,属暖温带半湿润偏旱气候。 实行冬
小麦鄄夏玉米轮作的一年两熟制。 第 1 季夏玉米于
2011年 6月 16日播种,2011年 10月 13日收获。 第
2季冬小麦于 2011 年 10 月 16 日播种,2012 年 6 月
8日收获。 第 3季夏玉米于 2012年 6 月 10 日播种,
2012年 10月 12日收获。 供试土壤为当地典型土壤
类型鄄塿土。 试验开始前测得耕层土壤基础理化性
状为:有机质 15.0 g / kg,全氮 0.91 g / kg,速效磷 4.5
mg / kg,速效钾 142.7 mg / kg。 0—100 cm土体各层次
(以 20 cm 计)的土壤容重分别为 1. 481、 1. 589、
1郾 586、1.467 和 1.511 g / cm3,100 cm 土层以下均以
1.511 g / cm3计算。 0—200 cm 矿质氮(硝态氮和铵
态氮之和)含量分别为 43.2、31.7、23.6、25.3、31.7、
30.4、24.9、20.2、22.8和 25.4 kg / hm2。
1.2摇 试验设计
试验选取土壤肥力均一、灌溉便捷、区域代表性
较强的田块进行。 按不同施氮梯度共设 6 个处理,3
次重复,共计 18个小区,小区面积 5 m伊6 m,田间完
全随机排列。 各处理依次用代号 N0、N1、N2、N3、N4
和 N5表示。 小麦季各处理施氮量(以纯 N 计)依次
为 0、113、150、188、225 和 300 kg / hm2,施磷量(以
P 2O5计)均为 120 kg / hm2,不施钾。 玉米季施氮量各
处理依次为 0、135、180、225、270 和 360 kg / hm2,施
磷量和施钾量(以 K2O 计)各处理一致,分别为 40
kg / hm2和 120 kg / hm2。 小麦、玉米品种分别为小偃
6116 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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22和郑单 958。 氮肥用尿素(含 N 46%),磷肥用普
通过磷酸钙(含 P 2O5 12%),钾肥用氯化钾(含 K2O
60%)。 小麦季磷肥和 40%氮肥在播前一次性撒施,
然后翻耕入土,另 60%氮肥于返青后拔节前追施。
玉米季磷、钾肥在 5 叶期施入。 氮肥分 2 次施,50%
于 5叶期施入,另 50%于喇叭口期追施。 灌溉、除草
等其他田间管理措施参照当地农民习惯进行。
1.3摇 样品采集与测定
1.3.1摇 土样采集与测定
试验开始前在保护行内挖 0—100 cm 土壤剖
面,采用环刀法测定每 20 cm 土层的土壤容重,并在
试验小区内部按“S冶形路线采集混合土样,测定基础
养分含量。 第 1 季和第 3 季玉米收获时,分 0—20
cm、20—40 cm、…、180—200 cm共 10个层次采集土
样。 各小区随机采集 5个点,按层次混匀,制成混合
样,然后立即带回实验室冷冻保藏(-20益)。 一周内
测定含水量、NO-3 鄄N 和 NH
+
4 鄄N。 含水量采用常规的
烘干法测定。 NO-3 鄄N 和 NH
+
4 鄄N 测试当天将土样混
匀后过 2 mm筛,用 0.01 mol / L CaCl2浸提,然后采用
cleverchem200间断化学分析仪测定。
1.3.2摇 植株样品采集与测定
冬小麦收获时,采收一定面积(5 m伊3 m)的小
麦样品带回,风干、脱粒,分籽粒和秸秆两部分称量
其干重,然后以采样面积折算生物量。 夏玉米收获
时,所有小区分穗和秸秆两部分全部收获,分别称量
秸秆和穗鲜重。 然后各小区随机取 20 个玉米穗和
部分秸秆带回。 风干后脱粒,然后称量干重,以小区
总鲜重折算生物量。 小麦和玉米植株样品的制备分
籽粒和秸秆两部分进行,将小麦和玉米样品烘干、粉
碎、混匀,然后用浓 H2SO4鄄H2O2消解,采用凯氏定氮
法测定籽粒和秸秆的氮含量。
1.4摇 数据计算与统计分析
试验数据绘图和统计分析分别采用 Excel 2007
和 SAS 9.1软件进行,多重比较采用 Duncan法,差异
显著性水平 P = 0. 05。 分析过程所用的计算公式
如下[6, 24鄄25]:
累计氮肥农学效率(kg / kg)= (施氮区累计产量-对
照区累计产量) /累计氮肥投入
累计氮肥生理利用率(kg / kg)= (施氮区累计产量-
对照区累计产量) / (施氮区累计吸氮量-对照
区累计吸氮量)
累计氮肥表观利用率(%)= (施氮区累计吸氮量-对
照区累计吸氮量) /累计氮肥投入伊100
累计氮肥吸收效率(kg / kg)= 施氮区累计吸氮量 /累
计氮肥投入
累计氮肥偏生产力(kg / kg)= 施氮区累计产量 /累计
氮肥投入
残留 Nmin(以 20 cm 分层计算) (kg / hm2)= 20伊土壤
容重伊Nmin浓度 / 10
氮素表观矿化量(kg / hm2)= 对照区作物吸氮量+对
照区收获后残留 Nmin-对照区播前 Nmin氮素表观
损失量(kg / hm2)=氮素总投入-作物氮素吸收-
土壤残留 Nmin
氮肥表观残留率(%)= (施氮区土壤残留 Nmin-对照
区土壤残留 Nmin) /施氮量伊100
氮肥表观损失率(%)= 100-氮肥表观利用率-氮肥
表观残留率
2摇 结果
2.1摇 不同施氮水平对作物产量的影响
不同施氮水平对小麦鄄玉米轮作体系连续 3 季
作物产量的影响如表 1 所示。 结果表明,适量施氮
可以显著提高作物产量。随着氮肥用量的增加,不
表 1摇 不同施氮水平对作物产量的影响 (2011—2012年)
Table 1摇 Effect of N fertilizer rate on grain yield in a maize鄄wheat鄄maize cropping season during 2011 and 2012
处理
Treatment
2011年玉米 Maize in 2011
产量
Yield / (kg / hm2)
增幅
Increase / %
2012年小麦 Wheat in 2012
产量
Yield / (kg / hm2)
增幅
Increase / %
2012年玉米 Maize in 2012
产量
Yield / (kg / hm2)
增幅
Increase / %
N0 6331依205.9 b — 6647依354.8 b — 6982依476.2 b —
N1 6610依125.1 ab 4.4 8239依260.4 a 23.9 7955依622.9 ab 13.9
N2 6729依271.0 a 6.3 8518依391.3 a 28.1 8218依280.0 a 17.7
N3 6867依259.2 a 8.5 8211依207.3 a 23.5 7687依841.3 ab 10.1
N4 7001依182.0 a 10.6 8165依340.1 a 22.8 7869依872.2 ab 12.7
N5 6694依147.7 ab 5.7 7982依516.3 a 20.1 7662依326.0 ab 9.8
摇 摇 同列数据后不同字母表示差异达 5%显著性水平
7116摇 21期 摇 摇 摇 杨宪龙摇 等:陕西关中小麦鄄玉米轮作区协调作物产量和环境效应的农田适宜氮肥用量 摇
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同年份作物产量并不按比例相应增加,而是呈现报
酬递减的规律,甚至表现为先增加后降低的趋势。
由于 2012 年玉米种植适当增加了密度,由 2011 年
约 3300株 / 666.7m2(株距 34 cm,行距 60 cm)增加至
约 4000株 / 666.7m2(株距 28 cm,行距 60 cm),各处
理产量明显高于 2011年,但不同年份处理间玉米产
量对施氮的响应规律是一致的。 结合方差分析可
知,小麦施 N 150 kg / hm2、玉米施 N 180 kg / hm2时
(N2),连续 3.季作物均能获得相对较高的产量
(6729 kg / hm2、8518 kg / hm2和 8218 kg / hm2),较对
照处理 N0的增幅依次为 6.3%、28.1%和 17.7%(P<
0.05)。 施氮量过高或过低在一定程度上都会存在
减产的风险。
2.2摇 不同施氮水平对作物氮素吸收和利用的影响
不同施氮水平对玉米鄄小麦鄄玉米连续 3 季作物
累计氮素吸收和利用的影响如表 2 所示。 结果显
示,施氮能显著提高作物地上部氮素吸收量,较对照
处理 N0 的增幅为 27.1%—36.2%(P<0.05)。 随着
处理氮肥用量的增加,作物累计氮素吸收量呈先增
加后降低的趋势,N3 最大,为 757.8 kg / hm2,显著高
于 N1(P<0.05),其他施氮处理间差异不显著。 为了
衡量与评价不同施氮水平对作物氮素吸收利用的影
响,特选取 5个国内外较为常用的评价指标,进行了
3季作物的累计计算,公式见 1.4。 回归分析显示,随
着氮肥用量的增加,累计氮肥农学效率和氮肥表观
利用率呈显著的线性降低趋势,回归方程依次为:y=
-0.0083x+10.536(R2 = 0.9365*)和 y = - 0.0393x+
55郾 819(R2 = 0.9845*)。 但部分处理间差异不显著,
这可能与处理氮水平差异设置的大小有关。 累计氮
肥吸收效率和氮肥偏生产力同样呈显著的线性降低
趋势,回归方程依次为:y = -0.0018x+2.3997(R2 =
0郾 9499*)和 y= -0.0572x+76.607(R2 = 0.9228*),且
处理间差异达到了 5%的显著性水平。 累计氮肥生
理利用率变化不明显。
表 2摇 不同施氮水平对三季作物累计氮素吸收和利用的影响 (2011—2012年)
Table 2摇 Effects of N fertilizer rate on cumulative N uptake and utilization in a maize鄄wheat鄄maize cropping season during 2011 and 2012
处理
Treatment
作物累计
氮素吸收
Cumulative N
uptake by crops /
(kg / hm2)
累计氮肥
农学效率
Cumulative N
agronomic
efficiency /
(kg / kg)
累计氮肥
生理利用率
Cumulative N
physiological
use efficiency /
(kg / kg)
累计氮肥
表观利用率
Cumulative N
apparent use
efficiency /
(%)
累计氮肥
吸收效率
Cumulative N
uptake efficiency /
(kg / kg)
累计氮肥
偏生产力
Cumulative N
partial productivity /
(kg / kg)
N0 556.3 c — — — — —
N1 707.0 b 7.4 a 18.9 a 39.3 a 1.8 a 59.5 a
N2 746.8 ab 6.9 ab 18.4 a 37.3 a 1.5 b 46.0 b
N3 757.8 a 4.4 abc 13.9 a 31.6 ab 1.2 c 35.7 c
N4 747.1 ab 4.0 bc 16.1 a 24.9 bc 1.0 d 30.1 d
N5 715.2 ab 2.3 c 15.0 a 15.6 c 0.7 e 21.9 e
2.3摇 不同施氮水平对作物收获期土壤剖面硝态氮
分布和累积的影响
2011年和 2012年玉米收获后土壤剖面 0—200
cm土层 NO-3 鄄N的累积与分布如图 1 所示。 由图可
知,随着土层深度的增加,2011 年各处理 NO-3 鄄N 累
积量均表现为先降低后增加的趋势。 0—20 cm土层
累积量较高,20—80 cm 土层累积量较低,80 cm 土
层以下累积量又逐渐增加,至 180—200 cm 土层仍
有大量 NO-3 鄄N累积。 同一土层内,NO
-
3 鄄N 累积量随
施氮量的增加而增加,但施氮处理间差异不显著,
100 cm土层以下施氮处理的 NO-3 鄄N 累积量显著高
于对照处理(P<0.05)。 经过连续两季作物的种植,
2012年玉米收获后,各处理 0—200 cm 土层 NO-3 鄄N
分布与累积较 2011 年变化明显。 随着剖面深度的
增加,NO-3 鄄N累积量呈先增加后降低的趋势,施氮处
理在 80—100 cm土层有一累积峰。 与 2011年相比,
N0和 N1处理 0—200 cm土层 NO-3 鄄N累积量分别降
低了 30.2 kg / hm2(20.0%)和 21.3 kg / hm2(9.6%),而
N2、N3、N4 和 N5 处理却依次增加了 51. 4 kg / hm2
(22. 0%)、 120. 5 kg / hm2 ( 49. 1%)、 168. 4 kg / hm2
(68郾 0%)和 268.3 kg / hm2(93.1%)。 除表层外,同一
土层内 NO-3 鄄N累积量处理间差异明显,处理施氮量
越大,相应 NO-3 鄄N累积量越大。
8116 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 1摇 不同施氮水平对玉米收获期 0—200 cm土层硝态氮分布与累积的影响
Fig.1摇 Effect of N fertilizer rate on nitrate distribution and accumulation in the 0—200 cm depth at maize harvest
2.4 摇 不同施氮水平对土壤鄄作物系统氮素平衡的
影响
土壤鄄作物系统 0—100 cm土层的氮素表观平衡
(3季作物)如表 3 所示。 氮素输入项包括氮肥投
入、试验前 0—100 cm 土层矿质氮残留和有机氮的
表观矿化。 氮素输出项包括作物收获携出、试验后
0—100 cm 土层矿质氮残留和氮素表观损失。 结果
表明,3季作物累计氮素吸收量为 556—758 kg / hm2,
随氮素输入量增加,表现为先增加后降低趋势,而矿
质氮残留、表观损失和氮盈余却显著增加 ( P <
0郾 05)。 当忽略氮肥施用的激发效应时,根据对照处
理 3季作物的氮素累计吸收量(556 kg / hm2)和作物
收获前后 0—100 cm 土层矿质氮残留的净变化(-90
kg / hm2)计算得 3 季作物土壤有机氮的表观矿化量
为 466 kg / hm2。 除肥料氮外,起始 Nmin和矿化氮总
和已高达 622 kg / hm2,可占作物氮素吸收量的
82郾 1%—111.8%。 各处理氮肥表观利用率的变幅为
15郾 6%—39.3%,随氮素投入量增加而显著降低,氮
素残留在低量施氮时(N1、N2)显著增加,在高量施
氮时(N3、N4和 N5)变化不明显,而氮素表观损失和
损失率在低量施氮时变化不明显,在高量施氮时却
显著增加(P<0.05)。
2.5摇 氮肥与产量、氮肥与环境指标的多曲线分析
为了寻求协调作物高产和环境保护的适宜氮肥
用量,现以 3季作物的累计产量作为产量指标,以氮
肥表观损失和氮肥累计利用率作为环境指标进行多
曲线分析(图 2)。 结果表明,施氮处理作物累计产
量介于 22.3—23.5 t / hm2之间,显著高于对照处理
N0(P<0.05),增幅为 11.5%—17.5%。 随着氮肥用
量的逐渐增大,作物累计产量表现为先增加后降低
的趋势,但施氮处理间差异不显著。 低量施氮时,N1
和 N2处理相比,二者累计产量分别为 22.8 t / hm2和
23.5 t / hm2,无显著差别。 二者氮肥表观损失和表观
利用率分别为 180 kg / hm2和 226 kg / hm2、39.3%和
37.3%,亦无显著差别。 土壤氮水平方面,N2 处理试
验前后 0—100 cm 土层矿质氮累积量变化不明显
9116摇 21期 摇 摇 摇 杨宪龙摇 等:陕西关中小麦鄄玉米轮作区协调作物产量和环境效应的农田适宜氮肥用量 摇
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(156 kg / hm2和 160 kg / hm2,表 3),能维持该土层土
壤矿质氮储量的基本稳定。 然而,N1 处理 0—100
cm土层矿质氮累积量却较试验前减少了 24.4%,矿
质氮储量出现了一定的亏损,试验继续下去可能会
存在减产的风险。 高量施氮时,与 N2 处理相比,
N3、N4和 N5处理氮肥投入量依次增加了 25%、50%
和 100%,而作物累计产量差异均不显著。 同时,氮
肥表观损失分别增加了 33%、83%和 179%,氮肥表
观利用率降低了 15%、33%和 58%,0—100 cm 土层
矿质氮累积量也较试验前明显增加,分别为 201 kg /
hm2、226 kg / hm2和 297 kg / hm2,这无疑增加了其潜
在损失量。
表 3摇 不同施氮水平对土壤鄄作物系统 0—100 cm土层表观氮素平衡的影响(3季作物)
Table 3摇 Effects of N fertilizer rate on the apparent N budget in the 0—100 cm soil depth
氮素各项收支
N budget
处理 Treatment
N0 N1 N2 N3 N4 N5
土壤氮输入 Soil N input / (kg / hm2)
1)肥料氮 Fertilizer N 0 383 510 638 765 1020
2)起始 Nmin Initial Nmin 156 156 156 156 156 156
3)矿化氮 Mineralized N 466 466 466 466 466 466
总输入(1+2+3) Total input 622 1005 1132 1260 1387 1642
土壤氮输出 Soil N output / (kg / hm2)
4)作物吸收 Crop uptake N 556 c 707 b 747 ab 758 a 747 ab 715 ab
5)残留 Nmin Residual Nmin 66 e 118 d 160 c 201 b 226 b 297 a
6)表观损失 Apparent loss N 0 e 180 d 226 d 301 c 414 b 630 a
氮盈余 N surplus (5+6) 66 f 298 e 385 d 502 c 640 b 927 a
氮肥表观利用率 Apparent N recovery by crop / % — 39.3 a 37.3 a 31.6 ab 24.9 bc 15.6 c
氮肥表观残留率 Apparent N remaining in soil / % — 13.7 b 18.4 ab 21.3 a 21.0 a 22.7 a
氮肥表观损失率 Apparent N loss ratio / % — 47.0 b 44.3 b 47.1 b 54.1 ab 61.7 a
图 2摇 作物累计产量、累计氮肥利用率、氮肥表观损失与施氮量的关系
Fig.2摇 Relationships among cumulative crop yield, cumulative N fertilizer use efficiency, apparent N loss, and N fertilizer rate
图中不同标记字母表示三级作物产量的差异达到了 5%的显著性水平
3摇 讨论
化肥已成为现代农业重要的生产资料,其对粮
食增产的贡献率高达 50%左右[2],其中氮肥又起着
举足轻重的作用[22]。 然而,在农田生产中,随着氮
肥用量的增加,作物产量并不是成比例增加,而是呈
现报酬递减的规律或不增加[7,23鄄26]。 本研究结论与
此一致,连续 3 季大田试验初步表明,适量施氮(小
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麦:150 kg N / hm2,玉米:180 kg N / hm2)时,不同年份
作物均可获得相对较高的产量,小麦为 6729 kg /
hm2,玉米为 8368 kg / hm2(两年平均)。 当小麦季和
玉米季的氮肥用量继续增加时,作物产量不再增加,
甚至有降低的趋势。 同时,3季作物累计产量随施氮
量的增加也表现出相同的规律。 可见,单从作物产
量方面来看,过量的氮肥投入是无益的。
氮肥利用率是评价氮肥施入土壤后被作物吸收
利用效率的常用指标,但它受土壤性质、作物品种、
氮肥种类、施氮量、施肥深度、肥料配比和土壤供肥
能力等因素的综合影响[27鄄28],变幅较大。 考虑到小
麦鄄玉米轮作体系作物对氮素吸收利用的转移和叠
加效应,选用 5 个国内外评价氮肥利用状况的常用
指标,计算了 3 季作物对氮肥的累计利用效率。 结
果显示,除生理利用率变化不明显外,其他 4 个指标
均随施氮量的增加呈显著的线性降低趋势 ( P <
0郾 05)。 本研究结果与隽英华等[24]、石玉和于振
文[7]等的研究结果一致。 由此说明,无论从氮素吸
收、转运和利用各个角度去衡量(各评价指标的本质
含义),其结论是一致的,即作物对氮肥的利用效率
随氮肥用量的增加而降低。
有研究显示,土壤不同层次残留硝态氮的作物
有效性随着土层深度增加而显著降低[29],小麦和玉
米根系可以利用 0—100 cm 土层的硝态氮,而难以
利用 100 cm土层以下的硝态氮[30]。 因此,本试验将
土壤鄄作物系统氮素表观平衡定义到 0—100 cm土层
范围内计算,即作物根系对养分的主要吸收区域。
结果表明,随着氮肥用量的增加,低量施氮时(N1、
N2),氮素残留显著增加,表观损失和损失率变化不
明显。 而在高量施氮时(N3、N4和 N5),残留变化不
明显,而表观损失和损失率却显著增加。 N3、N4 和
N5处理的表观损失率分别高达 47. 1%、54. 1%和
61郾 7%,这无疑增大了对环境的压力。
本试验条件下,2012 年玉米收获后 100—200
cm土层内仍有大量矿质氮累积,施氮处理矿质氮累
积量的变幅为 83.5—259.2 kg / hm2。 回归分析显示,
该土层矿质氮累积量和氮肥用量密切相关,随施氮
量的增加呈指数形式快速增加 ( y = 53. 696e0.0016x,
R2 = 0.9707*)。 说明施氮量越高,矿质氮在该土层
的累积量越大,累积量占施氮量的比例也越大。 进
一步,相关性分析表明,100—200 cm 土层累积的矿
质氮和氮肥表观损失也表现出显著的线性相关关系
(y= 2郾 8478x-125.56, R2 = 0.9663*),占损失量的比
例各处理高达 41.2%—55.9%,说明矿质氮在土壤较
深层次累积(100—200 cm)是氮肥表观损失的重要
途径之一。 因此,在一定程度上可将 100—200 cm
矿质氮残留量作为衡量氮肥表观损失程度的指标。
因为这些氮素难以再被作物吸收利用[30],其最终结
果无疑是被多年的降雨淋洗至更深土层,或通过其
他途径损失。
最后需要指出的是,由于本研究作物种植仅经
历了玉米鄄小麦鄄玉米 3 季作物,且是单点试验,试验
结果的代表性和说服力略显单薄,一个地区农田适
宜氮肥用量的确定可能需要多年、甚至多点的田间
试验为基础,所以本试验的结果还需后续研究进一
步验证和探讨。
4摇 结论
在连续 3季作物试验结果的基础上,综合考虑
不同施氮水平的产量效应和环境效应,小麦季施氮
150 kg / hm2、玉米季施氮 180 kg / hm2时,作物即能获
得相对较高的产量(小麦:6729 kg / hm2,玉米平均:
8368 kg / hm2)和累计氮肥利用率(37.3%),且能维持
作物收获前后 0—100 cm土层土壤矿质氮库的基本
稳定,保证了作物增产的相对可持续性。 同时,氮肥
表观损失和损失率也可将降至相对较低水平(表观
损失量 226 kg / hm2,表观损失率 44.2%)。 因此可初
步作为陕西关中平原兼顾作物产量和环境效益的农
田氮肥适宜用量。
致谢:同延安教授和陈毓君硕士对本研究给予帮助,
特此致谢。
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