全 文 ：　文章编号 :100028551 (2002) 0620397206
高肥力土壤冬小麦生长季肥料氮的去向研究
Ⅰ. 冬小麦生长季肥料氮的去向
巨晓棠1 　潘家荣1 ,2 　刘学军1 　陈新平1 　张福锁1 　毛达如1
(11 中国农业大学植物营养系 ,农业部植物营养与养分循环重点实验室 ,教育部植物2土壤相互作用
重点实验室 ,北京　100094 ; 21 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094)
摘 　要 :用15N 示踪微区试验研究了常规灌溉和磷钾供应充足的条件下 ,冬小麦生育期
肥料氮的去向。结果表明 ,冬小麦对肥料氮的吸收随施氮量的增加而显著增加 ,收获
期冬小麦吸收肥料氮占总吸氮量的比例 45 % ,吸收土壤氮占 55 %。氮肥在整个作物2土壤体系中的回收率随施氮量的增加而显著减少 ,损失量增加。施氮量为 120kgNΠ
hm2 时 ,氮肥的损失率只有 9 % ,在作物中的回收率为 45 % ,在 0～100cm 土壤中的残
留率为 45 % ;施氮量为 360kgNΠhm2 时 ,氮肥的损失率为 55 % ,在作物中的回收率为
23 % ,在 0～100cm 土壤中的回收率为 21 %。残留肥料氮以 NH42N 存在的数量很少 ,
以 NO32N 存在的数量随施氮量的增加而显著升高 ,低量施氮时以有机结合态存在的
数量远远高于前两种形态 ,但在高量施氮条件下 ,以有机结合态存在的比例与 NO32N
相当。肥料氮在 0～100cm 土壤各层次中均有残留 ,随着深度的增加 ,残留量减少。
从整体上看 ,肥料氮在收获时往下移动超出 100cm 土体 。
关键词 :冬小麦 ;氮肥去向 ;15N 示踪技术 ;高肥力土壤 ;氮肥利用率
收稿日期 :2000208228
基金项目 :国家自然科学基金面上项目 (01270787) ,十五国家科技攻关重大专项 (2002BA516A02) ,国家重点基础研究发
展规划项目 ( G1999 11807)资助
作者简介 :巨晓棠 , (1965～) ,男 ,陕西白水人 ,博士 ,中国农业大学副教授 ,从事氮素转化与去向方面的研究
北方冬小麦Π夏玉米轮作地区一般都属于高投入、高产出地区 ,水肥的管理是轮作体系中
取得高产的关键所在。而氮肥利用率低、损失量大是这一体系中存在的普遍问题。以北京地
区为例 ,冬小麦上氮肥的利用率仅 25 %～30 %[1 ] 。氮肥利用率低主要有两方面的原因 :一是部
分地区的氮肥用量过高 ;二是其它农艺措施没有优化 ,氮肥的增产作用没有得到充分发挥。这
两个问题可以通过推荐施肥技术和优化灌溉技术得到改善。只有正确了解施入氮素在土壤2
作物体系中的行为 ,才能制定出相应的管理措施。
本研究选择了北京地区高肥力土壤 ,通过田间小区和15 N 微区试验 ,在常规灌溉和磷钾供
应充足的条件下 ,查明氮素在冬小麦生长季的去向 ,以期为提高氮肥利用率、减少氮肥损失提
供依据。
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1 　材料和方法
111 　试验设计
试验于 1998～2000 年在中国农业大学西校区科学园进行。田间小区试验设 4 个氮水平 ,
每季施氮量分别为 0、120、240、360kgNΠhm2 。每季作物 240kgNΠhm2 的施氮量相当于北京地区常
规施氮量。在每个小区中央设置 2 个微区 ,其中一个微区在冬小麦生长期施入15 N2尿素 (丰度
为 91588 %) ,在夏玉米生长期施入普通尿素 ,以研究氮肥在冬小麦生长期的去向和在夏玉米
生长期的后效 ;另一个微区在冬小麦生长期施入普通尿素 ,在夏玉米生长期施入15 N2尿素 ,以
研究夏玉米生长期氮肥的去向。两个微区经过一季冬小麦Π夏玉米轮作后 ,下一个轮作季继续
和田间小区一样 ,施入普通尿素 ,以研究氮肥在这两种情况下的后效。施肥量和施肥时期和相
应小区相同。
微区直径 016m 高 110m 的无底镀锌铁皮圆筒。收获上茬玉米后喷灌 75mm 水 ,地稍干后
深耕 20cm ,耙平 ,划小区 ,后埋设微区。其方法是 :先将微区桶置于所在位置 ,将微区周围小心
挖开 ,套进土拄中 ,与微区紧贴 ,顶端距地面 5cm。施肥同相应小区 ,即氮肥一半于播前基施 ,
另一半于拔节期追施。磷肥 1 次基施 (重过磷酸钙 ,60kgP2O5Πhm2 ) 。基肥施入方法为 :先将微
区 0～15cm 土壤挖出 ,过 5mm 筛 ,把15N2尿素和磷肥于土壤充分混合后装回微区。播种量同大
田试验。追肥时 ,先将肥料溶于水中 ,均匀洒于微区 ,再浇入和大田追肥后同样量的水
(75mm) 。
112 　取样方法
收获后按 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm 分层采集土壤样品。先用洗干净的沙
子填充取样孔 ,压实 ,待到距地面 15cm 处时 ,用直径稍大于取样孔的 20cm 木棍打入孔中 ,防止
上层15N 对下层的污染。植株取地上部 ,分茎秆、籽粒和颖壳分析含氮量和15N 丰度。
113 　测定方法
11311 　土壤 NO32N、NH42N 的测定 　新鲜土样过筛后 ,用 2molΠL kCi 按 1∶5 的水土比浸提 ,过
滤 ,滤液冷冻保存。用 MgO 法和 Devarda 合金分别蒸馏和测定待测液中 NH42N 和 NO32N[2 ] ,将
吸收液酸化 ,浓缩至 3ml ,用 Mat2250 质谱仪 (河北省农林科学院理化所)测样品的15N 丰度。
11312 　土壤全氮的测定 　将开氏法定氮后的吸收液酸化浓缩至 3ml ,15N 丰度分析方法同上。
11313 　植物全氮的测定 　将开氏法定氮后的吸收液酸化浓缩至 3ml ,15N 丰度分析方法同上。
114 　计算方法
%Ndff (NH42N) = (土壤中 NH4 - N 的15 N 原子百分超Π肥料的15 N 原子百分超) ×100 %Ndff
(NO32N) = (土壤中NO3 - N 的15N 原子百分超Π肥料的15N 原子百分超) ×100 ;土壤中来自15N 尿
素的 NH42N 含量 Ndff = 土壤中 NH42N 含量 ×%Ndff (NH42N) ;土壤中来自15 N 尿素的 NO32N 含
量 Ndff = 土壤中 NO32N 含量 ×%Ndff (NO32N) ;土壤各层全氮 %Ndff = (土壤中各层全氮的15 N
原子百分超Π肥料的15N 原子百分超) ×100 ;土壤各层全氮来自15 N 尿素含量 Ndff = 土壤各层全
氮含量 ×土壤各层全氮 %Ndff ;氮肥残留率 ( %) = (土壤 NdffΠ施氮量) ×100 ;作物的 %Ndff =
(作物中的15N 原子百分超Π肥料的15 N 原子百分超) ×100 ;作物 Ndff = 作物 %Ndff ×作物吸氮
量 ;作物 Ndfs = 作物吸氮量2作物 Ndff ;作物氮肥回收率 ( %) = (作物 NdffΠ施氮量) ×100 ;土壤
实际矿化量 = 作物 Ndfs + 土壤残留 Nmin2土壤初始 Nmin。
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2 　结果与讨论
211 　冬小麦对肥料氮的吸收
冬小麦微区试验的籽粒产量、总生物量、总吸氮量对氮肥的反应不明显 ,施氮处理与不施
氮处理达到 5 %的显著水准 ,但施氮处理之间的差异不显著 (表 1) 。冬小麦对肥料氮的吸收各
处理之间具有显著差异 ,随施氮量的增加 ,对肥料氮的吸收增加 ,对土壤氮的吸收相应减少。
冬小麦对氮肥的回收率各处理之间有显著的差异。随施氮量的增加 ,回收率显著减少。在高
量施肥的条件下 ,氮肥的当季利用率相当低 ,主要是由于过量施氮造成。从作物吸收的肥料氮
占总吸氮量的百分比可以看出 ,3 个施氮水平平均约为 45 % ,吸收的土壤氮约占 55 %。随施氮
量的上升 ,作物吸收肥料氮所占的百分数增加 ;吸收土壤氮所占的比例下降。
表 1 　冬小麦收获期对肥料氮的吸收
Tabel 1 　Uptake of fertilizer nitrogen by winter wheat at harvest
处理
treatment
干物重
dry matter (kgΠhm2) 吸氮量N uptake (kg NΠhm2) Ndff(kg NΠhm2) 作物回收率recovery( %) Ndfs(kg NΠhm2) NdffΠ吸氮量NdffΠN uptake ( %) NdfsΠ吸氮量NdfsΠN uptake ( %)
籽粒 grain
N0 4680b 64. 9b 64. 9
N120 6145a 106. 4a 36. 4b 30. 3a 70. 0 35. 3 64. 7
N240 5217a 97. 6a 47. 1a 19. 6b 50. 5 48. 2 51. 8
N360 5428a 96. 9a 51. 3a 14. 2b 45. 6 53. 4 46. 6
地上部总生物量 total upground biomass
N0 12804b 9217b 92. 7
N120 16350a 158. 2a 54. 4b 45. 3a 103. 8 35. 1 64. 9
N240 14299a 158. 2a 72. 1a 30. 0b 86. 1 45. 6 54. 4
N360 14568a 158. 3a 83. 7a 23. 2b 74. 7 53. 0 47. 0
212 　冬小麦生长期肥料氮的去向
肥料进入土壤2作物体系后 ,主要有 3 种去向 :被作物吸收、在土壤中残留、以各种途径损
失。从表 2 可以看出 ,施氮量高时 ,残留量增大 ,残留率减少。氮肥在整个作物2土壤体系中的
回收率随施氮量的增加而显著减少 ,损失率和损失量增加。施氮量为 120kgNΠhm2 时 ,氮肥的
损失率为 914 % ,在作物中的回收率为 4513 % ,在 0～100cm 土壤中的回收率为 4513 % ;施氮量
为 360kgNΠhm2 时 ,氮肥的损失率为 5519 % ,在作物中的回收率为 2312 % ,在 0～100cm 土壤中
的回收率为 2019 %。说明高量施氮的氮肥大部分损失。当施氮量超过 240kgNΠhm2 时 ,一半的
氮肥发生损失。
表 2 　冬小麦收获期肥料氮的去向
Tabel 2 　The fate of fertilizer nitrogen after harvest of winter wheat
处理
treatment
作物吸收
uptake
(kgNΠhm2) 作物回收率recovery bycrops( %) 0～100cm土壤残留soil residual(kgNΠhm2) 土壤残留率soil residual( %) 作物2土壤回收recovery bycrop2soil(kgNΠhm2) 作物2土壤回收率recovery bycrop2soil( %) 损失量loss amount(kgNΠhm2) 损失率loss rate ( %)
N120 54. 4 45. 3 54. 3 45. 3 108. 7 90. 6 11. 3 9. 4
N240 72. 1 30. 0 57. 7 24. 0 129. 8 54. 1 110. 2 45. 9
N360 83. 7 23. 2 75. 3 20. 9 159. 0 44. 1 201. 2 55. 9
·993·　6 期 高肥力土壤冬小麦生长季肥料氮的去向研究
213 　土壤氮素的矿化
采用15N 技术能将土壤中来自于肥料的 Nmin 和来自于土壤有机氮矿化的 Nmin 区分开 ,所
以用微区的结果可以计算出土壤的实际矿化量。两个施氮水平的土壤氮素矿化均比 CK高 ,
但低量施肥的矿化量比高量施肥时高 ,是由于低氮处理时植物吸收的土壤氮 (103kgNΠhm2 ) 显
著高于高氮处理 (74kgNΠhm2 ) ,说明低氮处理存在着显著的正激发效应。各处理在冬小麦期间
的矿化量平均为 60kgNΠhm2 ,约占吸氮量的 40 %。
表 3 　用15 N方法计算的土壤氮素矿化量
Tabel 3 　Soil nitrogen mineralization calculated by 15N method (kg NΠhm2 )
处理
treatment
作物 Ndfs
crop Ndfs
起始 Nmin
initial Nmin
残留 nmin
Soil residual Nmin
矿化量
mineralization
N0 92. 7 83. 9 37. 4 46. 2
N120 103. 8 76. 1 50. 9 78. 6
N360 74. 7 83. 7 64. 1 55. 1
214 　残留肥料氮在土壤中的存在形态
收获后土壤中的残留肥料氮主要有 3 种形态 :即 NH42N、NO32N 和有机结合态氮。对田间
试验各处理收获后固定态铵的测定表明 ,肥料氮以固定态铵形式残留的数量很少。肥料氮以
NH42N 形式存在的数量在收获期不到施氮量的 1 %(表 4) ,而以 NO32N 形式存在的数量随施氮
量的增加而升高 ,说明在高量施氮的条件下 ,肥料氮以 NO32N 的形态残留比例提高。肥料氮
以有机结合态存在的数量远远高于前两种形态 ,是土壤残留肥料氮的主要形态。土壤有机物
质对无机肥料氮的固定是有一定限度的 ,施入的无机氮超过了这个限度 ,肥料氮即以 NO32N
形式残留。这部分 NO3 - N 很容易淋失。
表 4 　残留肥料氮的形态
Tabel 4 　The forms of residual fertilizer nitrogen
处理
treatment
总 Ndff total2Ndff NH42Ndff NO32Ndff 有机 Ndff organic2Ndff
(kgNΠhm2) ( %) (kgNΠhm2) ( %) (kgNΠhm2) ( %) (kgNΠhm2) ( %)
收获期 at harvest
N120 54. 3 45. 2 0. 4 0. 3 0. 4 0. 3 53. 5 44. 6
N240 57. 7 24. 0 1. 6 0. 6 19. 2 8. 0 36. 9 15. 4
N360 75. 3 20. 9 2. 6 0. 7 43. 0 11. 9 34. 9 9. 7
215 　残留肥料氮在土壤剖面中的分布
表 5 表明 ,肥料氮在 0～100cm 土壤层中均有残留 ,随着深度的增加 ,残留量有所减少 ,表
层的残留量最高 ,且随施肥量的增加而升高 ,至收获期肥料氮至少移动到 100cm 以下。说明在
北方高肥力土壤上 ,在常规灌溉的条件下 ,冬小麦季的肥料氮有可能淋溶到 100cm 以下。
216 　差减法与15N 法计算的氮肥回收率比较
本研究即设有田间小区试验 ,又设有15N 微区试验 ,因此得到 3 个氮肥回收率 :通过田间小
区用差减法计算的回收率、通过微区试验用差减法计算的回收率、通过作物吸收的肥料15 N 直
接计算的回收率。从表 6 微区试验除施氮量为 120kgNΠhm2 时 ,差减法结果比15 N 法显著高外 ,
其它施氮处理均接近 ,且差减法的结果比15N 法稍微偏低。产生这种现象的主要原因是 :在低
·004· 核　农　学　报 16 卷
氮量条件下 ,由于显著的激发效应而使作物吸收了较多的土壤氮 ,而在高氮量的条件下 ,尽管
也存在激发效应 ,但作物并没有吸收较多的土壤氮。大田差减法和微区差减法计算的结果比
较 ,大田的回收率显著低于微区的回收率 ,尤其是在低量施氮的情况下 ,这是由于微区的精细
管理和作物根系受到限制的结果。
表 5 　残留肥料氮在土壤中的分布
Tabel 5 　Distribution of fertilizer residual ntrogen in soil profile
土壤层次
soil profile
(cm)
N120 N240 N360
残留肥料氮
fertilizer residual
N(kgNΠhm2) 占施氮量%of applied( %) 残留肥料氮fertilizer residualN(kg NΠhm2) 占施氮量% of applied( %) 残留肥料氮fertilizer residualN(kg NΠhm2) 占施氮量%of applied ( %)
0～20 19. 7 16. 4 21. 8 18. 2 44. 0 12. 2
20～40 7. 5 6. 2 10. 3 8. 6 12. 2 3. 4
40～60 7. 4 6. 2 9. 4 7. 9 7. 8 2. 2
60～80 9. 5 7. 9 8. 9 7. 4 7. 0 1. 9
80～100 10. 2 8. 5 7. 3 6. 1 4. 4 1. 2
总计 sum 54. 3 45. 2 57. 7 42. 0 75. 3 20. 9
表 6 　差减法与15 N法计算氮肥回收率的比较
Tabel 6 　The comparison of fertilizer nitrogen reconveries calculated by difference
method and 15N method
施氮量
N rate (kgNΠhm2) 差减法回收率 (大田)recovery by difference method(plots) ( %) 差减法回收率 (微区)recovery by difference method(microplots) ( %) 15N 回收率 (微区)recovery by isotopic method(microplots) ( %)
120 34. 3 50. 4 42. 5
240 22. 5 27. 3 28. 9
360 15. 5 18. 9 22. 8
3 　小 　结
冬小麦对肥料氮的吸收随施氮量的增加而显著增加 ,收获期冬小麦的总氮来自肥料氮占
45 % ,土壤氮占 55 %。氮肥在整个作物2土壤体系中的回收率随施氮量的增加而显著减少 ,损
失量增加。施氮量为 120kgNΠhm2 时 ,氮肥的损失率只有 9 % ,在作物中的回收率为 45 % ,在 0
～100cm 土壤中的残留率为 45 % ;施氮量为 360kgNΠhm2 时 ,氮肥的损失率为 55 % ,在作物中的
回收率为 23 % ,在 0～100cm 土壤中的回收率为 21 %。说明在高施氮条件下 ,没有被作物吸收
的氮肥大部分以各种形式损失出土壤2作物体系。施氮量为 120kgNΠhm2 和施氮量为 360kgNΠ
hm2 时的土壤氮素矿化量均比 CK处理高 ,但低氮处理的激发效应比高氮处理强 ,是由于低氮
处理时作物吸收的土壤氮显著高于高氮处理。残留肥料氮以 NH42N 存在的数量很少 ,以 NO32
N 存在的形态随施氮量的增加而显著升高 ,低量施氮时以有机结合态存在的数量高于前两种
形态 ,但在高量施氮条件下 ,以有机结合态存在的比例与 NO32N 相当。肥料氮在 0～100cm 土
·104·　6 期 高肥力土壤冬小麦生长季肥料氮的去向研究
壤层次中均有残留 ,深度增加 ,残留量减少。从整体上看 ,肥料氮在收获时至少移出 100cm 土
体。
在低氮量条件下 ,由于显著的激发效应而使作物吸收了较多的土壤氮 ;在高量施氮条件
下 ,尽管也存在激发效应 ,作物并没有吸收较多的土壤氮。因此 ,微区试验在 120kgNΠhm2 施氮
量时 ,差减法计算的回收率显著高于15N 法 ,在其他施氮水平下接近。大田用差减法计算的回
收率显著低于微区用差减法计算的结果 ,是由于微区的精细管理和作物根系受限于微区的结
果。
参考文献 :
[ 1 ] 　李新慧. 京郊粮田土壤氮肥损失机制与提高氮肥利用率技术研究 ,北京土壤学会简讯 ,1999 , (2) :5
[ 2 ] 　Bremner J M ,Keeney D R. Determination and isotope2ratio analysis of diffferent forms of nitrogen in soil :3. Exchangeable ammonium ,
nitrate and nitrite by extraction2distallation methods. Soil Sci Soc Amer Proc ,1966 ,30 :557～562
THE FATE OF NITROGEN FERTILIZE IN WINTER WHEAT GROWTH SEASON UNDER
HIGH SOIL FERTILITY CONDITION
JU Xiao2tang1 　PAN Jia2rong1 ,2 　LIU Xue2jun1 　CHEN Xin2ping1 　ZHANG Fu2suo1 　MAO Da2ru1
(11 Department of Plant Nutrition , China Agricultural University , Key Laboratory of Plant Nutrition , MOA ,Laboratory of
plant2soil interactions , MOE , Beijing 　100094 ; 21 Inst for Application of Atomic Energy , CAAS , Beijing 　100094)
ABSTRACT :The fate of N fertilizer in winter wheat growth season was studied by 15 N mcro2plot
experiment under the conditions of conventional irrigation , adequate phosphorus and potassium
supply. The results showed that the uptake of N by winter wheat sharply increased with the in2
crease of nitrogen fertilizer rate. About 45 % of total N uptake came from fertilizer N while the
other 55 % of total uptake from soil nitrogen at harvest. The recovery of fertilizer N in soil2crop
system sharply decreased with nitrogen fertilizer rate meanwhile loss rate increased respectively.
When N rate is 120 kg NΠha( low N input) ,4513 %of fertilizer N was utilized by plant ,4513 %re2
mained in 0～100cm soil layer and only 914 %not recovered by plant or in 0～100cm soil layer.
However , when N rate was 360kgNΠha( high N input) ,2312 % was utilized by plant ,2019 %rema2
ined in 0～100cm soil layer and 5519 % lost from plant2soil system. Organic combining form was
the main residual form of fertilizer N, NH42N form occupied a small percentage of total residual
fertilizer N,and NO32N form increased rapidly with N rate. Traced fertilizer N was found in all 0
～20 ,20～40 , 40～60 , 60～80 and 80～100cm soil layers , showing the movement of fertilizer N
was at least below 100cm soil depth in winter wheat growth season.
Key words :winter wheat ;fate of N fertilizer ;15N trace ;high fertility soil ;recovery of nitrogen fertilizer
·204· Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2002 ,16 (6) :397～402