全 文 ：第 25卷第 8期
2005年 8月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.8
Aug.,2005
节水栽培冬小麦对下层土壤残留氮素的利用
吴永成1,2,周顺利1,王志敏1*,张 霞1
(1.中国农业大学农学与生物技术学院,北京 100094;2.四川农业大学农学院,雅安 625014)
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30300212);国家 863计划资助项目(2002AA2Z4021-1)
收稿日期:2004-11-26;修订日期:2005-04-26
作者简介:吴永成(1973～),男,四川人,博士生,讲师,主要从事作物生理生态研究.E-mail:ycwu2002@163.com
*通讯作者 Authorforcorrespondence.E-mail:zhimin206@263.net
Foundationitem:theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.30300212)andNational863Program(No.2002AA2Z4021-1)
Receiveddate:2004-11-26;Accepteddate:2005-04-26
Biography:WUYong-Cheng,Ph.D.candidate,mainlyengagedincropecophysiology.
摘要:为了进一步明确华北地区冬小麦-夏玉米种植体系周年氮肥利用效率及其影响因素与机制,试验在大田和原状土柱条件
下进行了深层土壤放置15N标记氮肥试验,重点研究节水栽培冬小麦对夏玉米生育期淋洗到下层土壤的氮素利用能力。试验结
果表明,大田条件下冬小麦根系空间分布与夏玉米存在明显差异,冬前苗期根系下扎深度可达 1.0m,开花期最大根深已经超过
2.0m。而且,小麦节水栽培(春季不灌水、春季灌 2次水)相对于传统充分灌水模式(春季灌 4次水)明显提高了根群中的下层根
系比例。大田春不灌水和春灌 2水条件下,冬小麦对于 100～200cm深层土壤放置的15N标记氮肥均能吸收利用。土柱条件下
15N标记氮肥试验进一步验证了春灌 2水条件下小麦对深层土壤氮素的吸收作用,并表明植株对 100～110cm、120～130cm、140
～150cm各层土壤标记15N的回收率分别为 16.26%、7.33%和 4.38%。研究表明,节水栽培促进冬小麦根系深扎,较多的深层
根系增强了小麦对深层土壤氮素的吸收和利用能力,有利于截获夏玉米季淋溶到下层土体的肥料氮,从而可减少肥料氮损失。
关键词:小麦;根系;节水栽培;氮素利用
文章编号:1000-0933(2005)08-1869-06 中图分类号:S512.1,Q958 文献标识码:A
Residualsubsoilnitrogenutilizationunderwater-savingcultivationinwinter
wheat
WUYong-Cheng1,2,ZHOUShun-Li1,WANGZhi-Min1*,ZHANGXia1 (1.AgronomyandBiotechnologyCollegeof
ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China;2.AgronomyCollegeofSichuanAgriculturalUniversity,Yaan625014,China).Acta
EcologicaSinica,2005,25(8):1869～1873.
Abstract:Inordertoidentifythesubsoilnitrogencaptureabilityofwinterwheatunderwatersavingcultivation,experiments
wereconductedinthefieldandundisturbedsoilcolumnsrespectivelywith15N-labelednitrogenplacementindeepsoillayer.
Thefieldsitewasdividedintoplotsat5×6m2size.Fertilizersincluding157.5kgN/hm2,138.5kgP2O5/hm2,113kgK2O/hm2
and30kgZnSO4/hm2wereappliedasbasalfertilizerbeforesowing.Threeirrigationtreatmentsinspringseason(w0:no-
irrigation,w2:twotimesirrigation,andw4:fourtimesirrigation)wereestablishedandreplicatedthreetimesinarandomized
blockdesign.Infield,15N-labelednitrogenfertilizerwasinjectedintodifferentsoillayerthroughpolyvinylchloride(PVC)
tubeswitha2-cmdiameterbeforesowingforw2treatmentand5daysbeforeanthesisforw0treatmentrespectively,andinsoil
column,15N-labelednitrogenfertilizerwasinjectedintothesoilat100～110cmor120～130cmor140～150cmdepth48days
aftersowing.Rootssampleswereobtainedfrom alfieldplotsat3growthstages[seedlingbeforewinter,anthesisand
harvest]in20cmincrementstoadepthof200cm.Plantsamplesofwinterwheatinfieldandsoilcolumnweretakenatharvest
stage.Theatomof15Nabundanceinwheatgrainwasanalyzedbymassspectrometry.Inthefield,significantdifferenceexisted
inspatialrootdistributionbetweenwinterwheatandsummermaize.Therootdepthofwinterwheatcouldreach1.0m at
seedlingstageandexceed2.0matanthesisstage.Comparedwithtraditionalcultivation(w4treatment)inwinterwheat,water-
savingcultivation(w0orw2treatment)significantlyincreasedtheweightpercentageofrootweightatdeepsoil,whichcould
explainwhy15N-labelednitrogenplacedindeepsoilcouldbeabsorbedunderw2treatmentorw0treatmentcondition.
===================================================================
Inthe
undisturbedsoilcolumn,wheatcouldalsocapture15N-labelednitrogenindeepsoil.Recoveryratesof15N-labelednitrogenin
100～110cm,120～130cm,and140～150cmsoillayerswere16.26%、7.33% and4.38% respectively.Theresultssuggested
thatunderwater-savingcultivationrootingdepthofwinterwheatwasincreased,andmorerootsinsubsoilcouldimprovedthe
abilityofcapturingandusingsoilnutrient(especialysubsoilresidualnitrogenfromfertilizerofsummermaize),whichisvery
importantfortheimprovementofnitrogenfertilizeruseefficiencyinwinterwheat-summermaizeproductionsystem.
Keywords:wheat;roots;water-savingcultivation;nitrogenutilization
农田肥料氮(硝态氮)向土壤深层的淋溶是氮肥利用率低、地下水污染的一个重要原因,近年来已引起国内外广泛关
注[1～5]。研究表明[1,6],在我国华北冬小麦-夏玉米一年两熟地区,由于汛期降水这一不可控因素的影响,在夏玉米生长季节存在
明显的硝态氮淋溶,而且施氮量越多,淋溶损失量越大。并认为,在控制玉米氮肥用量前提下,充分利用已经发生淋洗并残留在
根区以下深层土壤中的硝态氮,对于提高农田系统氮素利用率和防止地下水污染具有重要意义[6]。在河北沧州地区经过多年研
究建立了"冬小麦节水高产技术体系"[7],实践应用中发现,采用节水栽培技术,小麦氮肥施用量可以明显减少,氮肥利用效率则
可明显提高[8]。在节水栽培下,小麦深层根系比例明显增加,对深层土壤水的利用能力明显增强[7]。由此,在冬小麦-夏玉米一年
两作体系中,冬小麦节水栽培可能强化了吸收利用夏玉米季淋溶到深层土壤中残留氮素的机制,这也可能是节水栽培小麦节省
氮肥用量的一个重要原因。为验证这一设想,在大田栽培和原状土柱模拟栽培条件下,利用15N同位素示踪技术,考察了节水栽
培小麦对下层土壤氮素的再利用能力。
1 材料与方法
试验于 2003～2004年在河北省吴桥县中国农业大学实验站进行。试验区属海河平原黑龙港流域中部,暖温带季风气候,海
拔 14～22m,历年平均全年降水量 562mm,主要分布在 6～8月份。试验地土壤为冲积型盐化潮土,壤质底粘,地下水位 7～9m,
2m土体有效贮水 420m3。耕作层土壤pH值 8.12,有机质含量 11.2g/kg,全氮 0.8g/kg,速效磷 18.2mg/kg,速效钾76.8mg/kg,
土壤肥力中等。试验地连续 5a为冬小麦-夏玉米一年两熟制,冬小麦前茬夏玉米施氮量 180kg/hm2(在播后与九叶展期分施)。
小麦品种为石家庄 8号,在播种前浇足底墒水(灌水量 75mm左右)基础上,设置 3种水分处理,包括 2种节水灌溉处理:春不灌
水、春灌 2水(拔节水+开花水,灌水额 75mm/次)和常规灌溉处理:春灌 4水(起身水+孕穗水+开花水+灌浆水,灌水额
75mm/次),分别以 w0、w2、w4表示(下同)。各处理均按节水省肥推荐施肥量[8](尿素 225kg/hm2、磷二铵 300kg/hm2、硫酸钾
225kg/hm2、硫酸锌 22.5kg/hm2和有机肥 7500kg/hm2)在播种前一次性底施。生育期内降雨量 109.50mm(图 1)。
图 1 冬小麦生育期降雨量
Fig.1 Rainfalinwinterwheatgrowthperiod
1.1 大田小麦根系生长与空间分布测定
根系取样分别在冬前苗期、开花期和成熟期进行,用直径
8cm的根钻在小麦行分层(每 20cm为 1层,深 2m)取土,每个水
分处理取 6钻为 1个重复,3次重复。冲洗出的鲜根用吸水纸吸
去表面水分并称量鲜重后,放入烘箱 60～80℃烘干。
1.2 大田深层土壤15N标记吸收试验
试验设置在大田春灌 2水区和春不灌水区,按 Menezes[9]的
方法进行深层土壤放置15N标记氮肥处理。15N放置方法是:在春
灌 2水区播种后顺小麦播种行用土钻打孔到不同土壤深度(分
别为 100、120、140、160、180和 200cm),利用直径 2cm的 PVC
管把15N标记 Ca(NO3)2(含氮 17.07%,15N丰度 5.42%)放置到相应土层中,回填土壤以恢复原状。在春不灌水区,于开花前 5d
(4月 25日)在小麦行上同样进行深层土壤放置15N标记 Ca(NO3)2。15N肥料放置位置如图 2所示,重复 3次。各处理区分别在
小麦拔节、开花和成熟收获期,分层取土(按每 20cm为 1层,深 2m)测定土壤水分含量,土壤含水率(%)动态见图 3。
成熟收获期分别对每个处理取植株样(15N放置两孔中间的植株、孔边植株分开取样),按叶片、茎鞘、颖壳和籽粒分开后烘
干粉碎,测定籽粒样品15N丰度。15N丰度采用 ZHT-03质谱计分析测定。
1.3 土柱深层土壤15N标记吸收试验
试验所用原状土柱的制作如下:先从试验区大田依层次(每 20cm为一层,深 2m)取土,在土柱实验区挖好的土坑中把油毡
卷裹在直径 36cm的特制圆铁皮筒内,直立好后分别按大田各层次土壤容重装土,装好土柱后充分灌水使其自然沉实,备用。设
置 3个层次15N处理,A处理:深度 100～110cm;B处理:深度 120～130cm;C处理:深度 140～150cm,3次重复。各处理在冬前
苗期(播种后 48d)利用土钻打孔和直径 2cm的 PVC管,把 1.2g(NH4)2SO4肥料(含氮 21.2%,15N丰度 24.0%)用少量蒸馏水
配制成溶液后注入该层土壤中,填埋好土柱周围土壤以恢复原状。播前浇底墒水(灌水量 11.44L/柱),春灌 2水处理(拔节水+
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图 2 大田深层土壤放置15N同位素示意图
Fig.2 Sketchmapof15N-isotopeplacementindeepsoillayerof
field
开花水,灌水量合计 10.8L/柱)。基肥用量同前。在土柱里按要求
均匀点播 20粒,播种深度 3～5cm左右,三叶期定苗 15株/柱,5
月 29日成熟收获。
2 结果与分析
2.1 大田小麦根系生长与空间分布
大田生长条件下,冬小麦根系动态测定表明,小麦越冬前根
系下扎深度已达 1.0m,开花期最大根深已经超过 2.0m。根系生
物量也在开花期达到最大,成熟期根量明显下降。大田小麦各生
育时期不同水分处理条件下,根系干重在土体中的空间分布特
征均呈现出随着土壤深度增加而减少的趋势(图 4)。
图 3 大田条件下小麦 w0、w2和 w4处理不同生育时期的土壤含水率
Fig.3 Fieldsoilwatercontentofw0、w2andw4treatmentsatdifferentgrowthstageinwheat
图4 冬小麦w0、w2和w4处理收获期根系干重的2m土体空间分布
Fig.4 Spatialdistributionofrootdryweightofwinterwheatunder
w0、w2andw4treatmentsin2msoilbodyatharveststage
大田小麦成熟收获期,春灌 2水处理和春不灌水处理各土
层根系干重占 2m土体根量的百分比例与春灌 4水处理比较,在
80cm以上土壤中相对低些,但下层土壤中的比例则明显增高,
春不灌水处理、春灌 2水处理和春灌 4水处理 1.0m以下土壤中
根干重所占百分比例分别为 11.57%、11.05%、6.05%。因此,小
麦节水栽培相对于传统的充足水分栽培模式在一定程度上促进
了根系下扎,提高了根群中下层根系比例。
2.2 大田小麦对深层土壤放置的15N标记氮肥的吸收
成熟收获期的籽粒15N同位素丰度测定结果表明,大田春不
浇水和春浇 2水条件下,冬小麦均能够吸收利用不同深层土壤
放置的15N肥料氮。把植株样品中15N丰度与天然丰度的差值记
作样品的15N原子百分超(以 A%15NE表示,下同)。小麦籽粒
A%15NE总体上表现出,随放置 15N肥料的土壤深度(120～
200cm)增加而降低的趋势(图 5)。
2.3 土柱小麦对深层土壤放置的15N标记氮肥吸收
节水省肥栽培条件下,土柱小麦对放置在深层土壤中的肥料15N能够吸收利用(表 1),在植株各器官15N积累量中籽粒占有
最大的15N吸收量。小麦植株对土壤深度 100～110cm、120～130cm、140～150cm不同层次放置的肥料15N的回收率(%)分别为
16.26%、7.33%和 4.387%,即随着土壤深度增加,15N回收率呈下降趋势。
3 讨论
小麦根系的生长、空间分布和土壤水分密切相关[8,10,11]。本试验结果表明,小麦根系可深达 2.0m以下,在节水灌溉处理下
(春不灌水、春灌 2水),1.0m以下深层根系占总根量的比例(%)明显大于常规灌溉处理(春灌 4水),这进一步证明,土壤适度
水分亏缺可以促进小麦根系下扎并增加下层根系比例[8,11]。而在节水栽培体系中,适当增加基本苗,增加了根群中初生根数目,
17818期 吴永成 等:节水栽培冬小麦对下层土壤残留氮素的利用
更有利于深层根系的扩大[12,13]。节水栽培小麦在生长后期上层土壤处于干旱状态下,可依靠深层根系吸收深层土壤水分来维
持生长,深层根系比例增加,可提高小麦对深层土壤水分的利用能力[7,8],同时也提高了小麦对下层土壤养分(如氮素)的吸收利
用能力。本试验结果表明,大田春灌 2水和春不灌水条件下冬小麦对土壤深层不同部位(100～200cm)放置的15N肥料氮均有明
显的吸收和利用。同时,通过土柱模拟试验进一步验证了节水栽培小麦对深层氮的利用能力。Menezes等也曾表明,谷子通过
下扎较深的根系可吸收利用 1.0～1.2m层次土壤中的15N肥料氮[9]。值得注意的是,本试验大田春不灌水区后期 0～80cm土层
处于持续的严重水分亏缺状态(图 3),但植株仍吸收了 1m以下土层中的15N,很好地证明了深根系功能的重要性。深层根系对
深层土壤水肥资源的利用能力对于节水栽培小麦的高产、高效有着重要的生理意义。
图 5 大田 w0区(A)和 w2区(B)深层土壤放置15N肥料处理下小麦收获期籽粒15N原子百分超(A%15NE)
Fig.5 Atom% 15Nexcessofwheatgrainunderthefieldtreatmentofw0(A)andw2(B)deepsoil15Nfertilizerplacementatharvest
stage
表 1 土柱小麦对深层土壤放置的15N标记氮肥的吸收
Table1 Wheatgrowthinsoilcolumnabsorb15N-labelednitrogenfertilizerplacedindeepsoillayer
处理
Treatment
植株器官
Plantorgans
15N原子百分超
Atom% 15Nexcess
15N积累量 (mg)
15Naccumulation
15N回收率(%)
15Nrecoveryrate
A(100～110cmdeepsoildeposited15N) 叶片 Leaf 0.327±0.020 0.417±0.062 0.81
颖壳 Glume 0.360±0.018 0.585±0.085 1.13
茎鞘 Stem 0.380±0.026 0.915±0.064 1.77
籽粒 Grain 0.459±0.031 6.495±0.756 12.55
合计 Total 8.410±0.710 16.26
B(120～130cmdeepsoildeposited15N) 叶片 Leaf 0.173±0.013 0.295±0.087 0.57
颖壳 Glume 0.201±0.011 0.287±0.015 0.55
茎鞘 Stem 0.201±0.009 0.472±0.038 0.91
籽粒 Grain 0.244±0.013 2.738±0.567 5.29
合计 Total 3.790±0.672 7.33
C(140～150cmdeepsoildeposited15N) 叶片 Leaf 0.084±0.006 0.087±0.005 0.17
颖壳 Glume 0.109±0.005 0.130±0.007 0.25
茎鞘 Stem 0.078±0.003 0.145±0.011 0.28
籽粒 Grain 0.132±0.003 1.904± 0.073 3.68
合计 Total 2.270±0.088 4.38
不仅如此,节水栽培小麦较强的深层土壤水肥利用能力在冬小麦-夏玉米一年两熟种植体系中还具有其特殊的生态意义。
有研究提出,农林(间作)系统中林木植物具有的深根系能够截获、吸收 1年生农田作物根区以下的土壤养分,通过类似"泵"的
抽提(pumpingup)作用把吸收的深层土壤养分转移到植株地上部或土壤表层[14,15]。也有报道提出,树木或灌丛植物的深根系
在 1年生作物根区以下充当着如同"安全网"(safetynet)的作用,拦截并吸收农田作物发生淋洗而损失的养分[16,17]。"养分泵"
或"安全网"假说,形象地说明了深根系植物的根系在浅根系植(作)物根区以下所发挥的截获、吸收利用下层土壤养分和防止
土壤养分继续向下淋洗损失的作用机制。因此,这样一种机制同样可存在于华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟轮作体系中。冬小
麦、夏玉米生长季节不同,水热等气候条件不同,根系空间分布也存在明显差异,必然影响到两季土壤水氮的动态和利用。已有
报道表明[6],夏玉米根系分布浅、生育期内雨水多、土壤供氮强度大等因素造成了夏玉米氮肥利用率低,生育期内土壤硝态氮会
发生淋溶下移,并在下层土壤中残留积累,且施氮量越多,残留氮累积也越多。如果后茬冬小麦采用常规的高额灌溉方式,这些
残留的硝态氮有可能会在小麦季进一步下渗,同时,由于麦收后 2m土体仍有大量土壤水未被利用,腾出的土壤水库空库容小,
容纳不下夏季多余的降水,会进一步加剧汛期水、氮的淋溶,迫使土壤残留硝态氮淋失到地下水中,造成对地下水的污染。小麦
节水栽培,一方面由于减少灌溉,充分利用土壤水,麦收后腾出的土壤水库空库容大,能更多地接纳汛期多余的降水,进而更好
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地截留夏季未被利用的硝态氮于 2m土体,减少或避免了水肥的进一步渗漏损失[7];另一方面,由于较多的根系深扎于 1m以
下,1～2m深层根系比例较大,较多的土壤养分被利用,特别是下层根系的"抽吸"作用,能将残留于下层土体中的氮素进行再利
用,不仅可减少小麦季氮肥施用量,而且减少了玉米季投入的肥料氮损失,可提高周年肥料利用率。如此一年两作,周而复始,伏
雨春用,"玉"肥"麦"用,构成了动态的水肥高效利用时空体系。因此,从冬小麦-夏玉米一年两作体系出发,实行冬小麦节水栽
培,利用节水小麦深层根系的"养分泵"或"安全网"功能,对于提高两作农田系统水氮利用效率,防止土壤硝酸盐淋洗对地下水
污染具有重要生态意义。
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