全 文 ：第 25 卷第 11 期
2005 年 11 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 11
N ov. , 2005
旱地小麦不同栽培条件对土壤硝态氮残留的影响
高亚军1, 李　云1, 李生秀1, 强　秦2, 曹卫贤2, 刘文国2, 张建昌2, 党占平2, 刘金海2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌　712100; 2. 杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌　712100)
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (40201028) ; 国家自然科学基金重点资助项目 (30230230) ; 国家自然科学基金面上资助项目 (40471069) ;
西北农林科技大学 2003 年重点科研资助项目
收稿日期: 2005204219; 修订日期: 2005209207
作者简介: 高亚军 (1968～ ) , 男, 陕西省岐山县人, 博士, 副教授, 主要从事旱地农业、土壤2植物系统中的氮素行为研究. E2m ail: gaoyajun@ 263.
net; yajungao2001@yahoo. ca
Foundation item: N ational N atural Science Foundation of Ch ina (N o. 40201028, 30230230, 40471069) ; Key P ro ject of N o rthw est A &F
U niversity in 2003
Rece ived date: 2005204219; Accepted date: 2005209207
Biography: GAO Ya2Jun, Ph. D. , A ssociate p rofesso r, m ain ly engaged in dryland agricu ltu re and behavio r of n itrogen in the so il2p lan t system.
E2m ail: gaoyajun@ 263. net; yajungao2001@yahoo. ca
摘要: 在陕西渭北旱塬进行了 2a 田间试验, 研究不同栽培模式、施氮量和小麦种植密度对旱地硝态氮残留的影响。结果表明, 种
植小麦 2a 后 0～ 200 cm 土壤剖面中残留硝态氮 5816～ 28319 kgöhm 2, 数量可观, 短期内在渭北旱塬深厚的土壤中不会对地下
水造成威胁, 但夏季休闲期间容易下迁至作物无法吸收的土壤深度。与常规无覆盖模式相比, 地膜覆盖和垄沟种植显著提高了
作物对氮素的吸收, 但同时也增加了土壤 0～ 200 cm 的硝态氮残留, 这与地膜覆盖导致有机氮矿化增加有关; 秸秆覆盖对作物
氮素吸收和硝态氮残留均没有明显影响。施氮量低于 120 kgöhm 2 时, 各种栽培模式土壤剖面残留硝态氮的分布差异较小, 只有
地膜覆盖和垄沟种植处理在土壤表层有少量硝态氮累积; 施氮量为 240 kgöhm 2 时, 无覆盖和秸秆覆盖土壤 60～ 120 cm 深度都
有明显累积峰, 地膜覆盖和垄沟种植土壤残留硝态氮则在 60 cm 以上土层累积较多。小麦种植密度也影响了各种栽培模式土壤
硝态氮及其分布特点。垄沟种植条件下, 从土壤表层到 200 cm 的深层, 垄上土壤残留硝态氮均显著高于沟内土壤; 上层差异最
大, 随着土壤深度的增加其差异逐渐降低; 随着施氮量的增加, 这种差异显著增大; 随小麦种植密度的增加则显著降低。随着施
氮量增加, 小麦吸氮量和土壤中残留硝态氮量均显著提高; 施氮增加的残留硝态氮占施氮量的 013%～ 4416%。垄沟种植模式
施氮增加的残留硝态氮最多, 地膜覆盖处理次之, 垄沟种植处理垄上土壤增加量远远高于沟内土壤。施氮量提高 1 倍, 增加的残
留硝态氮量平均提高了 3 倍多。提高小麦种植密度, 施氮增加的残留硝态氮平均减小 1312 kgöhm 2。由于种植密度增加显著提
高了小麦对氮素的吸收, 因此硝态氮残留有降低的趋势。其中, 秸秆覆盖模式 80～ 140 cm 土层降低显著; 地膜覆盖条件下高密
与低密残留硝态氮的差异主要在深层; 垄沟模式中, 低密度种植硝态氮残留量在整个土壤剖面都高于高密度处理; 而无覆盖条
件下, 残留硝态氮则随种植密度的提高呈增加趋势。
关键词: 地膜覆盖; 垄沟种植; 秸秆覆盖; 施氮量; 小麦种植密度; 残留硝态氮; 旱地
文章编号: 100020933 (2005) 1122901210　中图分类号: S15316　文献标识码: A
Effects of d ifferen t whea t cult iva tion m ethods on res idua l n itra te n itrogen in
so il in dryland
GAO Ya2Jun1, L I Yun1, L I Sheng2X iu1, Q IAN G Q in2, CAO W ei2X ian2, L IU W en2Guo 2, ZHAN G J ian2
Chang2, DAN G Zhan2P ing2, L IU J in2H ai2　 (1. Colleg e of R esou rces and E nv ironm en t, N orthw est A &F U niversity , Y ang ling ,
S haanx i 712100, Ch ina; 2. Y ang ling V oca tiona l and T echn ica l Colleg e, Y ang ling , S haanx i 712100, Ch ina). A cta Ecolog ica S in ica , 2005, 25 (11) :
2901～ 2910.
Abstract: A large amoun t of fert ilizer N and the p roducts of o rgan ic N m ineralizat ion accum ulate in dryland so il p rofiles in the
fo rm of n itra te N. T h is n itra te has po ten tia l of leach ing even in sem i2arid and sem i2hum id area in N o rth Ch ina, resu lt ing in the
decrease of N fert ilizer u t ilizat ion efficiency and an increased risk of underground w ater po llu t ion. Effects of fert ilizat ion,
irrigat ion, crop type, cropp ing system and so il t illage on accum ulat ion of n itra te N in so il have been repo rted. How ever, less
effo rt has been focused on the effects of straw m ulch, p last ic film m ulch, o r a com binat ion of straw m ulch and p last ic film
m ulch on residual n itra te N in rainfed areas.
A field experim en t w as conducted fo r 2 years in W eibei H igh land of Shaanx i p rovince to invest igate the effects of differen t
cu lt ivat ion m ethods on residual n itra te n itrogen in b lack loessia l so il in w in ter w heat2fa llow system. Four cu lt ivat ion modu les
(no m ulch2NM , straw m ulch2SM , p last ic film m ulch2PFM and fu rrow p lan ting2FP) , th ree n itrogen fert ilizer rates (0～N 0,
120～N 120 and 240～N 240, N kgöhm 2) and tw o w heat densit ies (1802low density and 2252h igh density, seed rate kgöhm 2) w ere
studied. Fu rrow p lan ting (FP) w as the com binat ion of p last ic film m ulch and straw m ulch, w ith the ridge covered by p last ic
film , fu rrow covered by crop straw and w heat p lan ted in fu rrow s. It is a special cu lt ivat ion modu le in sem i2arid and sem i2hum id
area of N o rth Ch ina. So ils w ere samp led after w heat w as harvested in the second year, fo llow ed by m easu rem en t of so il n itra te
N.
　　A fter 2 years cropp ing, 5816 to 28319 kgöhm 2 residual NO -3 2N w ere found in 0～ 200 cm dep th of so il. T h is n itra te cou ld
no t be leached to underground w ater in a sho rt t im e because of the th ick layer of loessia l so il and low p recip ita t ion (582 mm ö
a) in th is area. How ever, they defin itely cou ld be leached below the m ax im um dep th of crop up take in loo se b lack loessia l so il
du ring rainy season as w ell as fallow season. PFM and FP increased N up take by w heat, compared to NM. Concu rren tly, they
increased the aaccum ulat ion of NO -3 2N in 0～ 200cm so il layer because of accelerated m ineralizat ion of o rgan ic N under h igher
so il temperatu re and w ater con ten t. SM had no sign ifican t impact on N up take by w heat and residual NO 32N in so il.
T he distribu t ion of residual n itra te N in so il p rofile among the fou r cu lt ivat ion modu les differed lit t le w hen less than 120
kgöhm 2 N fert ilizer w as app lied. In that case, on ly PFM and FP led to a sm all amoun t of n itra te N accum ulat ion in the su rface
layer of so il. W hen 240 kg N öhm 2 w as app lied, there w ere peak s of n itra te N accum ulat ion at the dep th of 60～ 120cm in so ils
of NM and SM w h ile n itra te N accum ulated in the upper layer (0～ 60cm ) of so il of PFM and FP. Increased w heat density
sligh t ly reduced residual n itra te N likely due to the increase of N up take by the h igher density w heat seeding rate.
FP caused a pecu liar m icro2landfo rm in field and resu lted in differen t ho rizon tal distribu t ion of n itra te N in so il. R esidual
n itra te N accum ulated in the ridge of so ilw as sign ifican tly h igher than that in the fu rrow th roughou t the p rofile. T he difference
of amoun t of n itra te N accum ulat ion in so il betw een the ridge and the fu rrow reduced w ith increased so il dep th, elevated
sign ifican tly w ith increased N fert ilizer app licat ion and decreased sign ifican tly w ith increased w heat density.
Bo th N up take by w heat and residualNO -3 2N w ere increased w ith the increase of N fert ilizer. Increase of residual n itra te N
in the 0～ 200 cm p rofile caused by N fert ilizer app licat ion (residual NO -3 2N of N 120 o r N 240 m inus that of N 0) accoun ted fo r
013%～ 4416% of fert ilizer N. FP had the h ighest increase of residual n itra te N caused by N fert ilizer app licat ion, fo llow ed by
PFM. T hat of ridge so il w as m uch greater than that of fu rrow so il fo r FP. T he increase of residual n itra te N of N 240 w as fou r
t im es as m uch as w ith N 120.
Key words: p last ic film m ulch; fu rrow p lan ting; straw m ulch; N fert ilizer rate; w heat density; so il residual n itra te N ; dryland
　　北方旱地土壤中施入的氮肥和有机氮矿化产物有相当一部分最终以矿质氮形式残留在土壤中[1, 2 ], 其中残留NO -3 2N 的累
积量平均占总矿质氮累积量的 75% 以上, 是土壤剖面中可浸取态矿质氮的主体[3 ]。目前我国不少地区存在过量施用氮肥的现
象[4 ] , 这一方面导致氮素以氨挥发和反硝化等形式的损失量增加, 另一方面使氮素在土壤中的残留累积愈加明显。如在杨凌渭
河三级阶地, 农田 0～ 400 cm 土壤剖面NO -3 2N 残留量可达 1000 kgöhm 2, 其中 50%～ 60% 分布在 200～ 400 cm 以下土层[5 ];
10 a果园土壤 0～ 400 cm 土壤NO -3 2N 残留量高达 3420 kgöhm 2, 15a 菜园土壤达 1365 kgöhm 2 [6 ]。累积在土体中的大量硝态氮
具有潜在的淋溶损失倾向, 既不利于氮肥利用率的提高, 而且可能引起地下水的污染[7, 8 ]。所以, 研究土壤氮素的残留及其影响
因素和残留氮的利用, 对提高氮肥利用率和控制氮素污染具有重要的科学价值和实践意义。施肥[9～ 11 ]、水分状况[12, 13 ]、作物种
类和轮作方式[13～ 15 ]以及耕作措施[13, 16, 17 ]对土壤氮素残留的影响已作了大量研究, 而不同栽培模式对土壤氮素残留的影响报道
甚少。以秸秆覆盖、地膜覆盖和垄沟种植等为主的覆盖栽培是北方旱地农田保墒增产的一项重要措施, 在陕西、山西、甘肃等地
被广泛应用: 秸秆覆盖具有蓄水保墒作用[18 ]; 地膜覆盖可显著提高土壤温度, 有效减少土壤水分的蒸发损失[19 ]; 垄沟种植模式
又称为膜际栽培, 是在地膜覆盖和秸秆覆盖基础上形成的, 采取平地起垄, 垄上覆膜、沟内覆草, 小麦种在沟内的方式, 旨在集成
后两种模式的优点, 改善土壤的水温条件[20 ]。不同覆盖种植条件下, 如何提高氮肥的利用效率成为大家关心的问题。本研究通
过设在渭北旱塬的小麦田间试验, 对不同栽培模式、施氮量和不同种植密度条件下作物的氮素吸收和土壤氮素的残留状况作一
探讨, 以期为旱地氮素的高效利用及覆盖栽培技术的优化提供依据。该试验为多年定位试验, 本文是对最初两年结果的总结。
2092　 生　态　学　报 25 卷
1　材料与方法
1. 1　试验设计
试验安排在渭北彬县小章实验基地, 属典型的黄土高原沟壑区, 地形平坦, 土层深厚, 海拔 1160m , 暖温带半干旱内陆性气
候, 年均温 913℃。光照充足, 热量略显短缺, 年均降水 58213 mm , 57% 集中在 7～ 9 月份。
供试土壤为黑垆土, 表土质地为中壤, pH 811, 耕层土壤有机质含量 1114 gökg, 碱解N 3812 m gökg, 有效磷 813 m gökg, 有
效钾 9616 m gökg, 土壤容重 1132 göcm 3。2002 年试验开始时前茬作物为大豆 (G ly cine m ax (L 1) M errill)。
本试验设 4 种栽培模式, 常规无覆盖模式 (常规种植)、地膜覆盖 (采用当地的平覆膜方式, 膜上穴播小麦)、秸秆覆盖 (小麦
行间覆盖麦草 4500 kgöhm 2)和垄沟模式 (垄上覆膜, 沟内种植 2 行小麦, 小麦行间覆草 1500 kgöhm 2, 垄宽: 沟宽 40 cm ∶20 cm ,
见图 1) ; 3 个施氮水平: 不施氮 (N 0)、每季小麦施氮 120 kgöhm 2 (N 120, 相当于当地平均的施氮水平)和 240 kgöhm 2 (N 240)。2 种
种植密度: 小麦播量 180 kgöhm 2 (低密, 相当于当地平均播量) 和 225 kgöhm 2 (高密)。田间排列采用裂区设计, 栽培模式为主
区, 施氮量为副区, 密度为副副区, 小区面积 15 m 2 (3 m ×5 m ) , 重复 3 次, 实行冬小麦2休闲种植方式。以过磷酸钙 (含 P 2O 5≥
16% )为肥底, 其施入量为 P2O 5105 kgöhm 2, 氮肥选用尿素 (含N 46% ) , 两种肥料在播种前均匀撒入相应小区, 翻入土壤耕层后
耙平。地膜覆盖采用穴播, 其它处理开沟条播, 播后即进行秸秆覆盖处理。
小麦供试品种为西农 1043, 每年于 9 月下旬播种, 第 2 年 6 月下旬收获。
图 1　垄沟种植示意图
F ig. 1　Furrow p lan ting
1. 2　测定项目与方法
冬小麦收获后分别在各处理的小麦行间采集土样 (垄沟种
植模式小区同时采集垄上土壤样品, 采样位置见图 1) , 取样深度
为 0～ 200 cm , 每 20 cm 为 1 层, 每区取 2 个点混合。鲜土取回后
立即将样品充分混合, 烘干法测定土壤含水量, 剩余土样风干后
过 1 mm 筛, 称取 5 g 土壤, 加入 50 m l 1mo löL 的 KCL 浸提, 震
荡 60 m in, 过滤后在- 4℃冰箱中保存, 用连续流动分析仪测定
土壤硝态氮。土壤硝态氮绝对累积量 (kgöhm 2) = 土层厚度 (cm )
×土壤容重 (göcm 3)×土壤硝态氮浓度 (m gökg) ö10。
2　结果与讨论
2. 1　不同栽培条件对小麦吸氮量的影响
研究结果表明 (表 1) , 不同栽培模式对小麦吸氮量有显著影响。地膜覆盖和垄沟种植的小麦吸氮量均显著高于无覆盖处
理, 分别比无覆盖处理增加 1518% 和 1318% , 表明地膜覆盖和垄沟种植显著促进了作物对氮素的吸收; 地膜覆盖和垄沟种植两
种方式的效果无显著差异; 地膜覆盖处理的小麦吸氮量显著高于秸秆覆盖; 与常规种植模式相比, 秸秆覆盖对作物氮素吸收没
有显著的影响。
表 1　不同栽培条件下的小麦吸 N 量 (两年总和, kgöhm 2)
Table 1　N uptake by wheat in two years(kgöhm 2)
施氮量
N fertilizer
(kgöhm 2) 种植密度W heat density(kgöhm 2) 栽培模式W heat cu lt ivation modules常规种植N o m ulch 秸秆覆盖Straw m ulch 地膜覆盖 P lasticfilm m ulch 垄沟种植Furrow p lan ting
0 180 19417±4813 15419±2318 22119±5210 19312±1811
0 225 19916±4711 20513±5513 23917±2910 22114±2013
120 180 23116±3811 29418±7517 28513±3512 28010±4510
120 225 28414±2218 25916±3610 30016±6813 32216±1415
240 180 28419±7011 27811±3810 33915±4215 30114±2113
240 225 27619±4818 32615±5814 31619±3111 35713±5713
各模式的平均值A verage of each cult ivation module 24513 c 25312 bc 28410 a 27913 ab
　　数据为平均值±标准差 (n= 3) ; 具有相同字母标记的数字间无显著差异 (邓肯法) D ata are m ean±SE (n= 3) ; data sharing the sam e letters
are no t sign ifican tly differen t (p > 0105, D uncan)
　　施氮量由 0 增加到 240 kgöhm 2, 小麦吸氮量显著提高: 施氮量 120 kgöhm 2 比不施氮处理吸氮量增加 4218% (低密) 和
3418% (高密) , 施氮量 240 kgöhm 2 比 120 kgöhm 2 处理吸氮量增加 1013% (低密)和 915% (高密) , 种植密度较低时由于提高施
氮量而增加的吸氮量较多。
种植密度增加显著提高小麦吸氮量: 不施氮肥时高密比低密吸氮量增加 1313% , 施氮 120 kgöhm 2 时高密比低密增加
309211 期 高亚军　等: 旱地小麦不同栽培条件对土壤硝态氮残留的影响 　
619% , 施氮 240 kgöhm 2 时高密比低密增加 611% , 施氮量越高, 由于提高种植密度而增加的吸氮量越少。
2. 2　土壤中残留硝态氮的累积量
种植小麦 2a 后, 0～ 200 cm 土壤中残留硝态氮数量可观 (表 2) , 这是半干旱半湿润地区农田生态系统不可忽视的土壤氮
库, 如何利用这一资源值得深入研究。土壤硝态氮分布空间变异很大, 各处理土壤硝态氮累积量变异系数平均为 3516% , 最大
可达 9118%。统计分析显示 3 个重复之间差异显著, 表明区组设置成功控制了土壤肥力本身的变异。
种植小麦两年后, 0～ 200 cm 土壤剖面中残留硝态氮 5816～ 28319 kgöhm 2, 虽然平均 6217% 主要集中在 0～ 100 cm 土层,
但渭北旱塬质地疏松的黑垆土不仅有利于作物根系的下扎, 同时也有利于降水的下渗。7～ 9 月份不仅是当地的雨季 (全年 57%
的降水量集中在这一时期) , 也是土地休闲的时节, 因此, 小麦收获后土壤剖面大量的残留硝态氮有很强的淋溶潜力[21 ] , 虽然由
于本地区土层深厚, 地下水埋深达 50～ 60 m , 硝态氮进入地下水的可能性不大, 但可能迁移至作物根系无法吸收的土壤深
层[21, 22 ] , 最终成为氮素的直接损失途径。因此, 应予以高度重视。
表 2　土壤 0～ 200cm 残留硝态氮 (kgöhm 2)
Table 2　Residual n itrate N in 0～ 200 cm so il (kgöhm 2)
施氮量
N fertilizer
(kgöhm 2) 种植密度W heat density(kgöhm 2) 栽 培 模 式W heat cu lt ivation modules常规种植N o m ulch 秸秆覆盖Straw m ulch 地膜覆盖 P lasticfilm m ulch 垄沟种植Furrow p lan ting 垄上R idge offurrow treatm ent 沟内 Furrow offurrow treatm ent
0 180 6412±1514 8613±7112 10213±3416 6919±3219 8414±3510 5618±3013
0 225 7219±2414 5816±3011 9510±3518 6017±2217 7219±1514 4814±2415
120 180 7416±2717 8516±1210 15618±5214 13018±12011 19717±14917 6319±1513
120 225 7713±3618 8117±519 11818±916 8916±5018 12510±5010 5411±1315
240 180 11012±5312 20711±3511 18615±4913 28319±22819 48214±11214 8514±1018
240 225 21115±8712 12610±5012 18417±10810 16916±10114 25811±2212 8111±4113
各模式的平均值A verage of each
cult ivation module
10118c 10716bc 14017a 13411ab 20312 6510
　　数据为平均值±标准差 (n= 3) ; 具有相同字母标记的数字间无显著差异 (邓肯法)D ata are m ean±SE (n= 3) ; data sharing the sam e letters
are no t sign ifican tly differen t (p > 0105, D uncan)
2. 3　栽培模式对土壤中残留硝态氮及其分布的影响
栽培措施改变了作物生长的微环境, 因而也会影响土壤中氮的残留, 但这方面的研究比较少。本研究结果表明, 地膜覆盖土
壤的残留硝态氮显著高于常规无覆盖和秸秆覆盖, 与垄沟种植处理的差异不明显; 垄沟种植残留硝态氮量显著高于常规无覆盖
处理, 与秸秆覆盖处理的差异未达到显著水平; 秸秆覆盖与常规无覆盖处理差异不显著。地膜覆盖处理土壤残留硝态氮高于无
覆盖处理, 这与汪景宽[23 ]和党廷辉[24 ]的研究结果一致, 但李世清等[25 ]认为, 地膜覆盖对土壤剖面中残留硝态氮的影响与覆盖
时间长短有关: 覆盖 30d 或 60d 可使残留硝态氮量降低, 而全生育期覆膜显著增加了土壤残留硝态氮。地膜覆盖时土壤残留硝
态氮增加的原因只能有 3 个方面: 一是作物携出量降低, 二是通过其它途径的损失量降低, 三是土壤有机氮矿化加快。因为地膜
覆盖处理小麦吸氮量显著高于常规种植模式 (表 1) , 所以可以肯定的是, 作物对氮素吸收量的变化不是地膜覆盖时硝态氮残留
增加的原因。氮素损失途径主要涉及反硝化、氨挥发和生物固定: 有研究发现, 地膜覆盖使土壤中N 2O 的排放通量增加[26 ] , 很显
然氮素的反硝化损失增加了; 地膜覆盖条件下的氨挥发研究目前尚未见报道, 但由于地膜覆盖后土壤中氧气浓度降低[27 ] , 因此
铵态氮的硝化作用会受影响, 从而可能在一定程度上导致氨挥发量的增加; 另有研究指出, 地膜覆盖使土壤微生物体氮含量增
加[23 ] , 表明微生物对氮素的固定也较多。由此可见, 地膜覆盖条件下氮素通过其它途径的损失量比常规模式的可能更高。综上
所述, 地膜覆盖时残留硝态氮较多的原因只能是与土壤有机氮矿化有关。刘金城等[28 ]的研究表明, 地膜覆盖条件下的高温高湿
环境确实加速了有机物的分解, 所以, 长期实行地膜覆盖会不会导致土壤有机氮的耗竭需要引起重视, 此方面研究不多。垄沟种
植土壤残留硝态氮量高于无覆盖模式, 这与党廷辉的研究结果一致[29 ] , 由于垄沟种植处理的小麦吸氮量显著高于无覆盖处理
(表 1) , 因此其残留硝态氮的增加同样可能与土壤有机氮矿化加快有关。但垄沟种植与地膜覆盖的残留硝态氮量相当, 这又与
后者的结果不同, 矛盾产生的原因可能与垄沟种植的具体方法有差异相关 (比如垄宽与沟宽的比例不同) , 也可能与土样采集位
置有关 (在垄上采集还是在沟内采集)。
不同栽培模式土壤中残留硝态氮量及其分布受施氮量和种植密度的影响。
不施氮肥时 (图 2) , 地膜覆盖和垄沟种植处理土壤 40 cm 以上残留硝态氮较多, 40 cm 以下随深度增加硝态氮变化不大, 秸
秆覆盖和常规无覆盖从土壤表层到深层残留硝态氮量均无显著变化。不同栽培模式残留硝态氮只有在表层有明显差异: 地膜覆
盖处理最高, 秸秆覆盖处理最低, 其它两个处理相当。
4092　 生　态　学　报 25 卷
施氮 120 kgöhm 2 时 (图 2) , 地膜覆盖和垄沟种植处理在 40 cm 以上有明显累积, 而秸秆覆盖和常规无覆盖残留硝态氮在整
个剖面仍然没有明显的累积峰出现。地膜覆盖和垄沟种植硝态氮在表层显著高于秸秆覆盖和无覆盖处理, 地膜覆盖残留硝态氮
在 180 cm 以下稍高于其它 3 种模式, 在其余深度 4 种模式硝态氮累积量无明显差异。
图 2　不同栽培模式土壤剖面的硝态氮分布及其与施氮量的关系
F ig. 2　D istribu tion of residual NO -3 2N in the p rofile of so il under differen t w heat cu lt ivation modules and its relat ionsh ip to N rate
　　施氮 240 kgöhm 2 时 (图 2) , 不同栽培模式土壤残留硝态氮在剖面的差异更加显著。无覆盖和秸秆覆盖土壤中残留硝态氮
的剖面分布规律相似: 在 60～ 120 cm 深度都有一个明显的累积高峰, 0～ 60 cm 和 120 cm 以下硝态氮量随土壤深度变化都不
大。地膜覆盖和垄沟种植土壤残留硝态氮在 60 cm 以上土层累积较多, 60 cm 以下土层累积较少, 但地膜覆盖土壤残留硝态氮
量在 160 cm 以下则又出现随深度增加而增高的趋势。四种栽培模式 60 cm 以上土层残留硝态氮累积量大小依次为: 垄沟种植
> 地膜覆盖> 常规种植> 秸秆覆盖; 80～ 100 cm 土层正好相反: 秸秆覆盖> 常规种植> 垄沟种植> 地膜覆盖; 180 cm 以下土层
地膜覆盖处理的残留量著高于其它 3 种模式。
低密度种植条件下 (图 3) , 常规无覆盖和垄沟种植模式土壤残留硝态氮随深度增加而减少, 秸秆覆盖处理在 60～ 120 cm
深度都有一个明显的累积高峰, 0～ 60 cm 和 120 cm 以下硝态氮量随土壤深度变化都不大。地膜覆盖土壤残留硝态氮在 60 cm
以上和 160 cm 以下土层累积较多。地膜覆盖和垄沟种植处理残留硝态氮量在整个剖面均明显高于常规种植; 地膜覆盖处理硝
态氮累积量在 140 cm 以上土层高于垄沟种植, 160 cm 以下土层相反; 秸秆覆盖处理硝态氮累积量在 40 cm 以上土层低于其它
3 种模式, 在 80～ 120 cm 土层又高于其它 3 种模式。
高密度种植条件下 (图 3) , 地膜覆盖和垄沟种植模式土壤残留硝态氮在上层有较多累积, 下层随深度增加变化不大, 秸秆
覆盖和常规种植处理在 60～ 120 cm 深度都有一个明显的累积高峰, 0～ 60 cm 和 120 cm 以下硝态氮量随土壤深度变化都不
大。地膜覆盖和垄沟种植处理残留硝态氮量在整个剖面均明显高于常规种植; 地膜覆盖处理硝态氮累积量在 140 cm 以上土层
高于垄沟种植, 160 cm 以下土层相反; 秸秆覆盖处理硝态氮累积量在 40 cm 以上土层低于其它 3 种模式, 在 80～ 120 cm 土层又
高于其它 3 种模式。
2. 4　垄沟栽培模式条件下土壤中硝态氮的残留及其分布
垄沟种植模式又称为膜际栽培, 是在地膜覆盖和秸秆覆盖基础上形成的, 采取平地起垄, 垄上覆膜、沟内覆草, 小麦种在沟
内的方式, 旨在集成后两种模式的优点: 垄上覆膜既能提高土壤温度, 又能集水, 沟内覆盖秸秆具有增加降水入渗、减少水分蒸
发的作用 (图 1)。这种栽培方式形成了农田特殊的微地形, 因而会改变土壤中水分和养分的运移、分布及作物的吸收利用。
本研究结果表明, 垄沟种植使土壤中残留氮素在水平分布上产生显著差异: 从土壤表层到 200cm 的深层, 垄上土壤残留硝
态氮均显著高于沟内土壤; 上层差异最大, 随着土壤深度的增加其差异逐渐降低。随着施氮量的增加, 整个土壤剖面沟内硝态氮
残留量变化不大, 而垄上硝态氮量明显增加, 因而造成沟内与垄上硝态氮残留差异显著增大 (图 4) : 不施氮肥时, 0～ 200cm 垄
上土壤硝态氮累积量是沟内的 115 倍; 施氮 120 kgöhm 2 时, 垄上是沟内的 213～ 311 倍; 施氮 240 kgöhm 2 时, 垄上是沟内的 312
～ 517 倍 (表 1)。小麦种植密度的增加能显著降低垄上与沟内土壤剖面残留硝态氮量的差异 (图 5)。
　　垄上与沟内残留硝态氮量如此大的差异可能与本研究中较大的垄宽∶沟宽比和沟内较多的水分有关。垄沟种植模式中垄
宽与沟宽的比例在各地生产实践中各有不同[20, 30 ], 本研究中垄宽∶沟宽 40 cm ∶20 cm , 相邻两个种植沟间距较大, 因而可能造
509211 期 高亚军　等: 旱地小麦不同栽培条件对土壤硝态氮残留的影响 　
图 3　不同栽培模式土壤剖面的硝态氮分布及其与小麦种植密度的关系
F ig. 3　D istribu tion of residual NO -3 2N in the p rofile of so il under differen t w heat cu lt ivation modules and its relat ionsh ip to w heat density
图 4　垄沟模式垄上土壤与沟内土壤剖面的硝态氮分布及其与施氮量的关系
F ig. 4　D istribu tion of residual NO -3 2N in so il p rofile of ridge and furrow of furrow treatm ent and its relat ionsh ip to N rate
图 5　垄沟模式垄上土壤与沟内土壤剖面的硝态氮分布及其与小麦种植密度的关系
F ig. 5　D istribu tion of residual NO -3 2N in so il p rofile of ridge and furrow of furrow treatm ent and its relat ionsh ip to w heat density
6092　 生　态　学　报 25 卷
成小麦根系没有向垄上部分充分伸展, 而是趋于向沟内深层伸展, 最终导致对土壤不同空间氮素的消耗产生严重不平衡。另一
方面, 由于垄的集水作用, 从小麦拔节期一直到收获后, 沟内土壤剖面含水量总是明显高于垄上土壤 (图 6) , 这可能导致小麦对
垄上土壤硝态氮的吸收要逊于对沟内土壤硝态氮的吸收。
图 6　垄沟模式不同生育时期垄上土壤与沟内土壤剖面的水分状况
(2003～ 2004 年)
F ig. 6　W ater conten t in so il p rofile of ridge and furrow fo r furrow
treatm ent during differen t stages of w heat grow th from 2003 to 2004
2. 5　施氮量对土壤中残留硝态氮及其分布的影响
土壤中残留硝态氮量随着施氮量的增加而提高: N 0 处理 0
～ 200 cm 土壤平均硝态氮累积量为 7612 kgöhm 2, N 120处理平均
10119 kgöhm 2, 但两者差异并未达到显著水平 (邓肯法) , N 240处
理平均为 18419 kgöhm 2, 高于N 0和N 120, 其差异达到显著水平
(邓肯法)。
　　由于施用氮肥而增加的残留硝态氮为 017～ 21410 kgöhm 2,
平均占两年施氮量的 1617% (013%～ 4416% ) (表 3)。其中垄沟
种植模式增加得最多, 平均占施氮量的 2612% , 地膜覆盖处理次
之, 平均占施氮量的 1712% , 常规无覆盖和秸秆覆盖处理的平均
增加量相差不大。垄沟种植处理垄上土壤的硝态氮增加量远远
高于沟内土壤, 前者是后者的 517～ 1612 倍。小麦种植密度增
加, 由于施用氮肥而增加的硝态氮累积量平均减小 1312
kgöhm 2。每个小麦生长季施氮 120 kgöhm 2 的土壤中残留硝态氮
增加 017～ 6019 kgöhm 2, 施氮 240 kgöhm 2 的土壤中残留硝态氮
增加 4519～ 21410 kgöhm 2, 施氮量提高了 1 倍, 而增加的残留硝
态氮量平均提高了 3 倍多。
随着施氮量的增加, 0～ 200 cm 土壤整个剖面残留硝态氮量
均显著增加, 施氮量从 120 kgöhm 2 提高到 240 kgöhm 2 时硝态氮
残留量的增加幅度更大, 后者残留硝态氮量最高是前者的 217 倍, 而且差异主要在 140 cm 以上土层中 (图 7)。
表 3　由于施用氮肥而增加的残留硝态氮占施氮量的百分比
Table 3　Percen tage of increase of residual n itrate N caused by appl ication of N fertil izer in N fertil izer
施氮量
N fertilizer
(kgöhm 2) 种植密度W heat density(kgöhm 2) 栽培模式W heat cu lt ivation modules常规种植 (% )N o m ulch 秸秆覆盖 (% )Straw m ulch 地膜覆盖 (% )P lastic
film m ulch
垄沟种植 (% )
Furrow p lan ting
垄上 (% )
R idge of
furrow treatm ent
沟内 (% )
Furrow of
furrow treatm ent
120 180 413 013 2217 2514 4718 219
120 225 119 916 919 1211 2117 214
240 180 916 2512 1715 4416 8312 610
240 225 2819 1410 1817 2217 3816 618
各模式的平均值 A verage of
each cult ivation module (% ) 1112 1211 1712 2612 4718 415
　　干旱半干旱地区农田系统中硝态氮的残留主要原因在于氮肥的过量施用和降水量较低, 后一个原因主要影响了作物对氮
素的吸收。本研究与其它许多研究均表明[3, 6, 10 ] , 随着施氮量的增加, 土壤剖面残留的硝态氮显著增加, 尤其是施氮量为 240
kgöhm 2时残留硝态氮量显著高于不施氮肥和施氮 120 kgöhm 2。N 120相当于渭北旱塬当地平均的施氮水平, 而N 240相当于高氮水
平, 目前陕西省的很多地区小麦生长季施氮量已经接近此水平[31 ]。有研究认为北京地区每年施氮量超过 225 kgöhm 2 时即会引
起地下水潜在的硝态氮污染[32 ]。因此, 硝态氮在土壤中的大量残留将不可避免, 对灌区来说同时存在硝态氮淋溶污染的风险。
由此可见, 控制氮肥用量对提高氮肥利用效率和环境保护具有极其重要的意义。但施氮 240 kgöhm 2 时小麦吸氮量显著高于施
氮 120 kgöhm 2 (表 1) , 表明高量氮肥仍然是取得高产的主要途径。因此, 选择适宜的施氮量需要我们在安全、高效和高产之间找
到一个平衡点。
2. 6　小麦种植密度对土壤中残留硝态氮及其分布的影响
小麦种植密度较低时 0～ 200 cm 土壤硝态氮累积量平均为 12919 kgöhm 2, 密度较高时平均为 11212 kgöhm 2, 即种植密度
增加有降低硝态氮残留量的趋势, 这可能主要与小麦对氮素吸收增加有关 (表 1)。不同种植模式条件下密度对硝态氮残留的作
用有差异: 随着种植密度增加, 有覆盖的 3 个处理残留硝态氮量降低 114～ 11413 kgöhm 2 (表 1) , 其中秸秆覆盖模式 80～ 140 cm
709211 期 高亚军　等: 旱地小麦不同栽培条件对土壤硝态氮残留的影响 　
图 7　不同施氮量处理土壤剖面的硝态氮分布
F ig. 7　D istribu tion of residual NO -3 2N in the so il p rofile under
differen t N rates
土层降低显著 (图 8) , 地膜覆盖条件下高密与低密残留硝态氮的
差异主要在深层, 垄沟模式中, 低密度种植硝态氮残留量在整个
土壤剖面都高于高密度处理, 无覆盖条件下, 60 cm 以下土层残
留硝态氮则随小麦种植密度的提高呈增加趋势。
3　结论
　　 (1) 种植小麦 2a 后, 0～ 200 cm 土壤中残留硝态氮 5816～
28319 kgöhm 2, 数量可观, 其中 6217% 集中在 0～ 100 cm 土层,
是旱地不可忽视的土壤氮库, 同时有迁移出作物可吸收土壤深
度的风险。
(2) 与常规无覆盖模式相比, 地膜覆盖和垄沟种植显著提高
了作物对氮素的吸收, 但同时也增加了土壤 0～ 200 cm 的硝态
氮残留, 这与地膜覆盖导致有机氮矿化增加有关; 秸秆覆盖对作
物氮素吸收和硝态氮残留均没有明显影响。
(3) 施氮量低于 120 kgöhm 2 时, 各种栽培模式土壤剖面硝
态氮的分布差异较小, 只有地膜覆盖和垄沟种植处理在土壤表
层有少量的硝态氮累积; 施氮量为 240 kgöhm 2 时, 无覆盖和秸
秆覆盖土壤 60～ 120 cm 深度都有一个明显的硝态氮累积高峰, 地膜覆盖和垄沟种植土壤残留硝态氮则在 60 cm 以上土层累积
较多。随着施氮量的增加, 不同栽培模式土壤剖面残留硝态氮的差异越来越大。小麦种植密度也影响了各种栽培模式土壤硝态
氮及其分布特点。
图 8　不同种植密度土壤剖面的氮素分布
F ig. 8　D istribu tion of residual N in the so il p rofile under differen t w heat density levels
(4) 垄沟种植形成了农田特殊的微地形, 使土壤中残留氮素在水平分布上产生显著差异: 从土壤表层到 200cm 的深层, 垄
上土壤残留硝态氮均显著高于沟内土壤; 上层差异最大, 随着土壤深度的增加其差异逐渐降低; 随着施氮量的增加, 这种差异显
著增大; 小麦种植密度的增加能显著降低垄上与沟内土壤剖面残留硝态氮量的差异。
(5)随着施氮量增加, 小麦吸氮量和土壤中残留硝态氮量均显著提高。施氮增加的残留硝态氮占施氮量的 013%～ 4416%。
其中垄沟种植模式增加得最多, 平均占施氮量的 2612% , 地膜覆盖处理次之, 平均占施氮量的 1712% , 垄沟种植处理垄上土壤
的硝态氮增加量远远高于沟内土壤。小麦种植密度增加, 由于施用氮肥而增加的硝态氮累积量平均减小 1312 kgöhm 2。施氮量
提高 1 倍, 而增加的残留硝态氮量平均提高了 3 倍多。
(6)由于种植密度增加显著提高了小麦对氮素的吸收, 因此硝态氮残留有降低的趋势。其中, 秸秆覆盖模式 80～ 140 cm 土
层降低显著; 地膜覆盖条件下高密与低密残留硝态氮的差异主要在深层; 垄沟模式中, 低密度种植硝态氮残留量在整个土壤剖
面都高于高密度处理; 而无覆盖条件下, 残留硝态氮则随种植密度的提高呈增加趋势。在覆盖条件下适当提高小麦播量有利于
8092　 生　态　学　报 25 卷
提高氮肥的利用效率。
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