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第 1Sj巷 第 4期
1 9 g j年 1 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
0 ’
V0l 1S．No．4
Dec．．1 9 9 5
海河流域作物一土壤系统中作物氮的输出 ，
堡 蒋高明 韩荣庄 高雷明S_t f J
(中国科学院植 物研究 所 ，北京 ．100044)
脯 要 本文研究了海河癍域地区作物一土壤系统中作物氮素的{自出归还量及土壤库存量。结果指出；不
同作物氟的}茸出量和归还量差异租大．15种作物中以备子的输出量最大 ．每年选 ll51kg／hm ，水稻和蔌
麦最低．每年辅出约 l和 6 2kg／hm ．氯的归还量也以答子最高．达 6g 73kg／hm 向日葵最 低，其
2 74kg／hm · ．大都丹作物都是输出量高于归还量。两者的比值不同作物有显著差异 ．大豆、棉花 、菩于
氮的{旨出量分剐为归还量的 21、20、17倍，其隶作物输出量一般为归还量的 z一6倍 ．说明本区作物一土壤
系统精出的氮素鞍多．归还的氰素较少。奉区耕作土氮的平均库存量为 1749．43kg／hm ·a， 种植马铃
薯、白菜、高粱的土壤的氮库存量较高，分别为 3037．5、2027．0、2317．5kglhm Ⅱl，J、壹土、芝廓土氯的库
存量控低．只 l192 5kgl hm 不同作物土壤氯的库存量帮高于作物的输出量，土壤氰的库存量为作物
输出量的 8倍。但作物从土壤中吸收的有敬氯是有限的．必需通过施肥补充土壤固怍物带走、氮挥发、淋
生等被损失的氯．根据上述研究结果 ．提出维持本区怍物 土壤系境氮素的平衡的意见，为本区合理利用
氮 肥 ．提 高氯 肥利用率和 作物 产量程供 依据 ．
美麓词c海河瘴域．氮．辅出量．库存量，作物一土壤系煎：
● _- 。 _- _● 。一，· _· 一 ●- _ __ __ — 。一 ——
彝 是主要的生命元素之一．它在生物地球化学循环中起着重要作用，国内外对陆地生态系
统有关营养元素循环方面的工作以氮素循环研究得较透彻，而陆地生态系统中又以农田生态
系统的氮素循环研究得较多。从一个流域的角度来研究氮素的输出、归还量和土壤的库存量的
工作还未见报道。海河流域是华北平原人类活动最频繁，农业集约程度较高的地区，研究氮素
在本区作物 土壤系统中的生物循环就显得更为重要。从理论上可揭示该流域作物 土壤系统
氮生物循环的规律，实践上对该区土地合理利用．合理施肥、用地养地等提供依据。
1 研 究方法
在海河流域范围内，根据不同植被、土壤类型结台不同的地貌类型和不同水平调查选点，
在生长盛期和成熟期调查生长状况，测定生物量，同时采集作物、土壤样品，作物按根、茎、叶、
果实 ，风干后粉碎；土壤按 。一10cm，10-一20cm 两层 ，风干后过筛，磨碎，用靛粉蓝比色法测定
植物 舍氮量 。
2 海河流域作物中氮素的输出、归还和吸收的数量特点
2．1 不同种类作物氮的输出量
农田生态系统中氮的输出途径很多，主要有氮挥发、硝化和反硝化作用，淋失和流失、生物
产品输出等 ，作物收获物的输出在农 田生态系统中起着较重要作用 。作物输出的氯量与其生
物量和作物体氮素含量有直接关系，它相当于生物量乘以元素百分含量，从表 1看 出，不同作
物氮素的输出量有很大差异，】5种作物中以谷子输出量最大。每年输出氮 】15]kg，bm ，水稻
和莜麦最低，每年只输出氮 31和 6．2kg／hm 。不同作物输出量的大小顺序如下 ：粮食作物 谷
收稿 目期 ：1994 0 23，修改稿 收到 日期 ：1994 11 04
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生 态 学 报 L5卷
子>自薯>玉米>高粱>小麦>水稻>莜麦；经济作物 棉花>花生>芝麻>大豆>向 日葵 ；
蔬菜类 白菜>马铃薯>油菜(表 1)。不同作物类型的输 出量(平均值)以蔬菜类>粮食作物
>经济作物。
2．2 不同作物氮的归还量
作物的归还量是指作物根系所含元素总量，在农田生态系统中作物根茬是归还在土壤中
有机质的重要来源。归还量的计算是根系生物量乘以根部氮素含量。从表 1看出：不同作物氮
的归还量差异很大 ，l1种作物的归还量以谷子最高，每年归还氮达 68．7kg／hm ，向日葵最低，
每年只归还氮约 3kg／hm。，不同作物氮归还量的大小顺序是：粮食作物 谷子>高粱>·玉米>
水稻>小麦>莜麦；经济作物 棉花>芝麻>大豆>向日葵
2．3 不同作物对氮素的吸收量 ’
农田生态系统的生物循环以作物的“吸收量=输出量+归还量 来表示。从表 1可以看 出．
本区主要作物氮的吸收量以谷子最高 ，每年吸收氮约 1000kg／hm。，水稻的吸收量较少 ，每年可
吸收氮约 44kg／hm ；经济作物以棉花吸收量最高，每年可吸收氮约 300kg／hm。，其次为芝麻和
大豆；蔬菜中油菜吸收量每年约 60kg／hm。(表 1)。与北京地区的碳酸盐褐土同种作物对氮的
吸收量比较，海河流域的玉米、小麦、高粱每年吸收的氮比北京地区偏低，但基本上同届一个数
量级(表 2)。
表 1 海河流域不同作物氮的输出量 归还量和吸收量 (kg／hm ·a)
Tn e 1 The nitrogen output．revert and absorption蛐 ouⅡt af different craps in Haihe B9 n
( )内齄值映少果实部分 ，描字偏低．
Note．The figures in braskets afe ahit smaller than the actual 0ne because the Output and absorption a咖 nt。f the fruit
⋯ 0t included。
· *由千在调查研究过程中束能将降术、蓖肥、 先、谰落物损失普贷料擅集在内．故 嗳收量 比实际嗳收的{皇低
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4期 黄银晓等 ；海河流域作物一土壤系统中作物氮的输出
除豆科植物可 通过根瘤菌的共生固氮作用直接从空气中吸收N：外，大部分植物都必
需从土壤中吸收无机氮：”。植物主要吸收铵和硝酸根形式的氮，施入铵态氮后，在土壤中很快
成为 NO ，因此，NO；是旱地作物主要的氮来源： ，海河流域地区农 田化肥以施尿素和碳酸
氢铵为主，作物吸收的氮也是以 NO 形式为主。
衰 2 海河流域与北京地区不同作物氮吸收量
Table 2 The cm partslen ef absorption of differen!
crops In Halhe Basiu aad BeiJiog areak
的氮素较步。
2．4 不同作物输出量与归还量的比值
不同作物的输出量与归还量比值也有
显著差异，从表 1看出，大部分作物都是输
出量高于归还量，如大豆、棉花 、谷子输出
量分别为归还量的 2l、20、l7倍，其余作物
一 般输出量都为归还量的 2—6倍左右。这
说明本 区农 田生态系统中作物收获带走的
氮素较多，而通过作物根部归还在土壤库
衰 3 毒河流域耕作土壤氮库存量和作物氮的输出量(kg／hm。·a)
fable 3 The nitrogen r e：Bmoun~in cultured soil and output amount of plant in Haihe Basin
*指种 植答于 的土 壤(下 同】
"The soil that D1anted mill {the⋯ t below)
3 海河流域作物 土壤系统的氮及其平衡状况
影响本区作物一土壤系统氮素循环和平衡的因素很多。氮的输出、输入与生物链有密切关
系，一切影响生物活动的因子如土壤水分、温度、pH值 、有机质等都不同程度地影响着氮素平
衡，而不同土壤类型的水分、有机质含量等差别都较大，因此，不同土壤氮素转化的条件不 同，
作物对氮素的吸收利用量各异。
从表 3可看出海河流域作物一土壤系统中氮生物循环的一些特点。海河流域耕作土平均氮
的库存量为 1749．43kg／hm a。由于不同的轮作制度种植的作物不同，土壤施肥、灌溉等条件
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也差别较大，作物吸收氮素的要求也有别 ，造成种植不同作物的土壤库存量的差异，以种植马
铃薯、白菜、高粱的土壤氮的库存量较高，分别为 3037．5，2027．0，2317．5kg／hm ·a-，、麦土、
芝麻土氮的库存量较低 ，只有 1102．5和 1192．5kg／hm a，种植其他作物的土壤，氮的库存量
在 1400— 1900kg／hm ·a左右 。
从表 3还可看出，本区不同作物的土壤氮的库存量都大大高于作物的输出量 ，氮的库存量
为作物输出量的 8倍左右。但这并不说明土壤中氮素能满足作物营养的需要，因为植物从土壤
吸收的氮主要为无机氮，以 NO；和交换性的 NO 为主要形式，而土壤中无机氮一般仅占总
氮 l0 左右 ，其余 90 为有机态的氮、NO 和 NO+常常只占全氮的 1 左右 ，非交换性的
NH 不易被植物所吸收 ，因此 ，土壤总氮中能被作物吸收的氮是有限的。
此外，从本区农田氮素输入途径来看，生物固氮、干、湿沉降输入到农田生态系统的氮，数
量相对的比麓有机肥和化肥输入的氮量少一些。据报道 ，自生固氮产生的固氮量不高，N量
不超过 30kg／hm a；共生圈氮 ，像花生这样的豆科植物，固氮量为 50kg／hm ·a。 。通过雨水
输入的氮就更少．陆地上硝酸盐的雨水沉积氮量一般为 0．5 3kg／hm a，铵盐为 0．5—5kg／
hm ·a。我国太湖地区降雨氮输入为 12-25kg／hm ·a“ ，而本区降雨量低于太湖地区，通过
降水输入的也不会太多 。从本区麓肥水平看，化肥平均每年每亩麓 48 8Okg，土杂肥每年每亩
施 1500-2000kg(1987)，与张家 口地区坝下各县和黄土高原地区相比属中等水平，平均每亩
耕地施入 N肥约 32kg ”
另外 ，作物 土壤系统输出的氮化合物中，除植物收获带走较大量的氮外，还可通过氮的挥
发、硝化 、反硝化作用，淋失、流失等途径消耗土壤库的氮。据测定 ‘，本区廊坊地区施用的尿
素，可通过氮挥发损失的氮达 l4 36 。本区土壤 pH值为 7—8，属碱性土，氨的挥发损失
量也较大，特别是在土壤含水量低于饱和水量时。可见，本区土壤中氮的损失，氨挥发是主要途
径 硝化和反硝化作用可损失一部分氮。一般在土壤中无机氮有 l0％一l 5 ，由反硝化作用而
损失，淋失和流失也损耗 一部分 氮，特别是植物吸收的主要是 NO ，而氮化合物 中，NO 、
NH+和有机氮易淋失，这些对作物利用土壤库中有效氮都是不利的。
本区不同作物的含氮量一般为 2 3％，只有少数作物达 4％ “，大多数作物含氮量偏
低，说 明本区作物一土壤系统 中作物所需的有效氮是不足的 ，必需通过麓肥补充土壤因作物收
获、氨挥发、淋失等造成氮素的损失。
5 对海河流域氮素平衡的几点意见
5．1 本区土地大部分开垦为农地，农田生态系统氮素平衡对提高土地肥力，发挥生产潜力是
重要的一环。而合理施用是补充土壤氮素不足 ，维持氮素平衡的主要途径 ，要做到科学麓肥 ．首
先要提高本区使用有机肥的数量和质量，根据作物对肥料的适应特性 ，一般植物都能吸收
NO 和 NH ，施用 NO 比 NH：较安垒，NH 可使根系急剧酸化，但有些作物对 NH 较敏
感，只少量供应可明显改善作物生长状况 ，因此，最好多种绿肥，充分利用现有资源 ，做到秸
杆还田。
5．2 施氮肥要适量。根据不同土壤 、作物的需要和不同的环境条件 ，选用化肥的种类和用量。
· 阵冠雄等，揭土与潮土氮索转化与土壤水分关系的研究．1989，中国科学院沈阳应用生态研究所。
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4期 黄银晓等；海河流域作物一土壤系统中作物氮的输出 431
一 般在生长 良好的全生育期吸收的总氮量可作为估计作物最适宜氮肥施用量的指标。 ，本区
缺氮的瘠薄土壤上，施用氮肥的量应高于作物吸收的总氨量。施用氮肥与土壤含水量有很大关
系，含水量不同，氮肥的最佳使用量不同，作物产量也各异，尤其在干旱、半干旱地区的条件下t
水分是氮肥效应的限制因素 ，玉米在土壤水分最佳的情况下用 80kg／hm 氮产量最高，而在
水分较好的情况下用 200kg／hm 氮产量最高。
s．3 提 高氮肥利用率，也是本区氮素平衡的重要环节 ，据报道 ，目前氮肥利用率一般只
30 一50 左右 ，而氨挥发是本区氮肥损失的主要途径之一，因此 ，要缓解化肥释放氨的速度，
提高土壤对NH (NH．)的吸附，可以减少NH 的挥发。本区施用尿素较普遍，它可被植物直接
吸收，可被土壤中尿酶转化为 NO．一N，比NO 吸收速率低。”，可施用长效尿素和碳酸氢氨
等 ，抑制硝化作用，可提高 N肥利用率。
参 考 文 献
Clark F E and Rosswal[T(eds)Terrestrial Nitrogen Cycles Processes．ecosystem s~rageties and management impact．
￡cot．B ．(stockholm) 1981，33
Hargreaves K J and Fowler D The exchange of tr— nittogen g~ses between terrestrial~osystems and the atmosphere．
Report Institute of Terrestriat Ecology，199O一1991，37— 4O
M J．{矗里赛尔主编 夏荣基等译 农业生志系统中矿质养分的循环 北京 农韭出版社 ，l981．220-222
刘元昌 ．橡琪 江苏省太期地区莽分平衡状况切探 生态学杂志，1984．1(3) 12一l6
王方辅．上海郁区农田生态系坑养升循环与施肥 生志学杂志．1985，20(6) 26—28
睾祖平 ．农田生态系统中氰素循环的研究概况．生态学进展，1988．5<11t 22l一228
阵佐忠 t黄蔷华 北京地区耕地碳醇盐褐土不同农怍物氨厦褒分元素生钫循环的比较研究．植物生态学与地植钫学丛
刊 ．1982，26I(3) l2O一129
史瑞和等编著．植物营养原理 ．南京；江苏科学拄术 出版牡 1989，2l7—268
王长跃等 黄土高原水土保持林区遥感练台研究．北京t中国科学技术出版社，l990．144一l60 -
虞献平等 生态与环境遥感研究．北京：科学 出版社．1990．3o6一ul
黄银硗，林舜华苷 海河流域地区植物 土壤氯、碾的音量特征．生态学报．1994，14(31；225—23{
K．蒙格尔，E A．克尔克贝．张宜鲁译 植物营养原理．北京；农业出艟杜 ，l98 ，300—945
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432 生 态 学 报 l5卷
A STUDY 0N N 0UTPUT IN CR0P—S0IL SYSTEM IN ttAIttE BASIN
Huang Yinxiao Lin Shunhua Han Rongzhuang Jiang Gaoming Gao Leming
Institute of Botany．Ckinese Academy of Science*，Beijing，China 100044)
This paper discusses the nitrogen output and revert amount in plant soil system in Haihe
Basin．The results show that the nitrogen output and revert amount of different crops are ev—
idently different．Among the fifteen crops．Panicum miliaceum has the highest N output， 。
which，is 11 51 kg／hm ·a．while Orvzd atival and Arena nuda are lower，which are 31 and
6．2kg／hm ·a．The N revert amount in Paniceum milliceurn is also the highest，which is
68．73 kg／hm ·a，while the N revert．amount in Helianthus a~nUUS is the lowest，which is
only about 2．74 kg／hm ·a．In most of the crops，the N output amount is higher than the
revert amount． The proportion of them is significantly different in diferent crops． The N
output amount in soybeen，cotton and millet is 21．20，17 times higher than the revert amount
respectively．In the other crops．the brr．er is 2 6 timse higher than the latter．This shows
that the N output is rilore than the N revert in the crop—soil system in Halhe Valley．The av
erage N reserve in the eultivated soils of this area is 1749．43 kg／hm ·a．The soils in which
potatoes．cotton and sorghum are planted have higher N reserve，which are 3037．5kg／hm。’
a。2027．5kg／hm。·a and 2317．5kg／hm ·a respectively．But the soils in which wheat and
sesarJle are planted have lower N reserve，which is only 1192．5kgN／hm ·a．W e can see
clearly that the N reserves in different soils are higher than the N outputs of the crops plant—
ed and the former is about 8 times of the latter．However．the available nitrogen which crops
can absorb from the soil is lim ited，because nitrogen may volatilize or be carried away by the
crops and water runoff．So we must supplement nitrogen by applying fertilizer．According to
the above mentioned resu its， a suggestion for the maintaining of the N balance in Haihe
Basin Was put forward which wilI provide a scientific basis for US to apply N fertilizer ratio—
nally，making a fuller use of jt．and thus raise crop production． _
Key words：Haihe Basin，output amount，reserve amount nitrogen，crop—soil system
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