全 文 ：文章编号 :100028551 (2001) 0420207207
高肥力土壤冬小麦Π夏玉米轮作体系中
化肥氮去向研究
潘家荣2 　巨晓棠1 　刘学军1 　张福锁1 　毛达如1
(11 农业部植物营养学重点开放实验室 ,中国农业大学植物营养系　北京　100094 ;
21 中国农业科学院原子能利用研究所　北京　100094)
摘要 :冬小麦Π夏玉米轮作是华北平原主要的耕作方式之一。本研究通过田间15N 微区
试验 ,研究了高肥力土壤条件下冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮的去向。结果表
明 ,在每季施氮量 120～360kgΠhm2 条件下 ,冬小麦对化肥氮的吸收率为 2318 %～
4415 % ,夏玉米为 2615 %～5111 % ,整个轮作周期为 2810 %～5116 %。而后茬作物对
化肥氮的吸收量较少 ,低于施氮量的 10 %。当季化肥氮的土壤残留率约占施氮的
20 %～50 % ,轮作周期化肥氮的土壤残留率约占施氮的 30 %。当季和轮作周期化肥
氮的损失量和损失率 ,均随着施氮量的提高而显著升高。当施氮量分别为 240kgΠhm2
和 720kgΠhm2 时 ,整个轮作周期化肥氮的损失率分别为 1910 %和 4015 %。
关键词 :冬小麦Π夏玉米轮作 ;15N ;化肥氮 ;去向
收稿日期 :2001203202
基金项目 :国家自然科学基金倾斜项目 (39870479)和北京市自然科学基金重大项目 (6980001)资助
作者简介 :潘家荣 (1964～) ,男 ,广东省高州县 ,中国农业科学院原子能利用研究所副研究员 ,中国农业大学植物营养系
在职博士生 ,从事化肥氮去向研究
在我国华北平原一年两熟地区 ,冬小麦Π夏玉米是主要的轮作方式。该地区一般属于高投
入、高产出地区。在高水肥投入条件下 ,冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮的利用率低、损失量
大是存在的普遍问题。据调查 ,在北京地区 ,冬小麦季化肥氮的利用率仅为 25 %～30 % ,夏玉
米为 15 %～20 %[1 ] 。部分地区因大量施用氮肥而引起的地下水硝酸盐超标问题已受关注[2 ] 。
很多学者对华北平原当季冬小麦或当季夏玉米体系中化肥氮的去向已作了大量深入的研究 ,
朱兆良已经作了综述[3 ,4 ] 。但对整个冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮的去向还少有系统报
道 ,缺乏准确可靠的数据[6 ] 。在高肥力土壤的地区 ,氮肥的肥效不明显 ,利用率低 ,各种损失可
能对环境产生威胁。本研究选择北京地区高肥力土壤 ,通过田间15 N 微区试验 ,在常规灌溉和
磷钾供应充足的条件下研究冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮的去向 ,为确定华北平原冬小麦Π夏玉米轮作体系中氮肥用量和氮肥施用方法提供理论依据。
1 　材料与方法
111 　试验地概况
试验地位于中国农业大学西校区科学园内 ,北纬 39195 度、东经 11613 度 ,属华北平原北
702　核 农 学 报　2001 ,15 (4) :207～212Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
部山前冲积平原 ,为暖温带半湿润大陆季风气候区。年均气温 1115 ℃,平均降雨量 640mm ,主
要集中于夏季 (6～8 月) ,占 70 %。试验时期从 1998 年 10 月至 1999 年 10 月 ,属偏旱年份 ,1998
年 10 月 4 日至 1999 年 9 月 24 日整个轮作周期的降雨量为 329mm ,相当于常年降雨的 51 %。
其中冬小麦季降雨 135mm ,仅相当于常年降雨的 70 %。夏玉米季降雨 194mm ,相当于常年的
43 %。土壤类型为潮土 ,地下水埋深 12m。按北京地区肥力分级标准 ,该试验地属于高肥力土
壤 ,其土壤基本理化性状 :pH8125 ,有机质 2617gΠkg ,全氮 1143gΠkg ,碱解氮 4119mgΠkg ,速效磷
(01sen2p) 4119mgΠkg ,速效钾 (NH4OAc2K) 9515mgΠkg ,容重 1132gΠcm3 。
112 　试验处理
试验设 4 个氮水平 ,每季施氮量分别为 0、120、240、360kgΠhm2 。每季 240kgΠhm2 的施氮量
相当于北京地区推荐施氮量 ;360kgΠhm2 属过量水平 ;120kgΠhm2 是对推荐用量降低一半的水
平。磷肥施用量均为 60kg P2O5Πhm2 ,冬小麦不施钾肥 ,夏玉米施 K2O 60kgΠhm2 。轮作周期的氮
肥处理见表 1。
表 1 　轮作周期微区的施氮设计
Table 1 　N fertilization treatment for winter wheatΠsummer maize rotaton (kgNΠhm2 )
处理　编号
treatment code
冬小麦 winter wheat
施氮量
N applied
基肥
basal fertilizer
拔节肥
stem pushing
feritilizer
夏玉米 summer maize
施氮量
N applied
3 叶期
3 leaf stage
10 叶期
10 leaf stage
N0 0 0 0 0 0 0
N60 3 + 60 3 + 60 + 60 120 60 3 60 3 120 60 60
N60 + 60 + 60 3 + 60 3 120 60 60 120 60 3 60 3
N120 3 + 120 + 120 + 120 240 120 3 120 240 120 120
N120 + 120 3 + 120 + 120 240 120 120 3 240 120 120
N180 3 + 180 3 + 180 + 180 360 180 3 180 3 360 180 180
N180 + 180 + 180 3 + 180 3 360 180 180 360 180 3 180 3
　　3 . 施用标记氮肥　3 .Labeled N fertilizer applied
113 　微区设置
田间共设 12 个小区 ,小区面积为 6 ×21m2 ,每个小区内设两个15 N 微区 ,直径为 60cm。微
区内保持原状土 ,按微区形状挖开周围的土层 ,小心套上无底渡锌桶 ,埋深 100cm ,其上缘高出
土面 5cm。周围用相应层次的土回填 ,边回填 ,边镇压。然后用泥土填紧微区内边缘。
114 　施肥播种
氮肥为尿素和15 N2尿素 (15 N 丰度 91588 %) ,磷肥为重过磷酸钙 ,钾肥为硫酸钾。小区施
肥 :冬小麦基肥和夏玉米 3 叶期施肥均将磷肥和 1Π2 氮肥 (当季) 混入 0～10cm 土壤 ,冬小麦于
基肥施用后播种。冬小麦拔节期追肥和夏玉米 10 叶期均为撒施后灌水。微区施肥 :施肥时间
与小区相同 ,冬小麦基肥施用时 ,先将微区 0～10cm 土壤挖出 ,过筛 ,同肥料充分混匀后回填微
区。冬小麦追肥及夏玉米施肥均为先用少量水溶解氮肥 ,用小喷雾器均匀喷于微区表面 ,然后
用相应小区的灌水量喷洒。
冬小麦播前将试验地翻耕、平整 ,施肥后沟播。于冬小麦收获后播种夏玉米 ,免耕播种。
冬小麦品种为农大 518 ,夏玉米为农大 80 ,播量与当地相同。其它田间管理与当地相同。
115 　取样和测量
在作物收获期 ,对微区植株全部取样。小麦分茎叶、籽粒和颍壳 ,夏玉米分茎叶、籽粒和穗
802 核　农　学　报 15 卷
轴。各部位样品立即进行 105 ℃杀青 30min ,65 ℃下烘干、称重和粉碎后测定生物量、全氮和15 N
丰度。土壤按 0～20、20～40、40～60、60～80 和 80～100cm 分层采样后自然风干 ,测定全氮和
15N丰度。取样后 ,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 ,以防止上层15N 对下层的污染。植株和土壤样品全氮用凯氏法 ,
15N 丰度用质谱法测定。
116 　计算方法
氮肥在后茬的回收和土壤残留计算与当季相同。损失的计算如下 :
化肥氮在后茬的损失 ( %) =前茬土壤残留 ( %) - 后茬土壤残留 ( %) - 后茬作物回收 ( %)
轮作周期作物对化肥氮吸收量 (kgΠhm2 ) = 前茬作物吸收的化肥氮 Ndff (kgΠhm2 ) + 后茬作物吸
收的化肥氮 Ndff (kgΠhm2 ) + 后茬吸收前茬施用化肥氮 Ndff (kgΠhm2 )
轮作周期化肥氮的利用率 ( %) = 轮作周期作物对化肥氮的吸收量 (kgΠhm2 )轮作周期施氮量 (kgΠhm2 ) ×100
轮作周期化肥氮的残留量 (kgΠhm2 ) = 前茬施用化肥氮在后茬土壤各层氮 Ndff 之和 (kgΠhm2 )
+ 当季化肥氮在后茬土壤各层氮 Ndff 之和 (kgΠhm2 )
轮作周期化肥氮的土壤残留率 ( %) = 轮作周期化肥氮的残留量 (kgΠhm2 )轮作周期施氮量 (kgΠhm2 ) ×100
轮作周期化肥氮的损失率 ( %) = 100 - 轮作周期化肥氮的利用率 ( %) - 轮作周期化肥氮的土
壤残留率 ( %)
2 　结果与分析
211 　冬小麦Π夏玉米轮作体系中作物的吸氮量
表 2 结果表明 ,即使不施氮肥 ,一个轮作周期的作物吸氮量达到 235kgΠhm2 。但是 ,无论是
冬小麦当季、夏玉米当季 ,还是整个轮作周期 ,施氮处理的作物吸氮量均显著高于对照 ,说明即
使在高肥力下 ,施氮对作物吸氮量还有明显效应。在施氮量较低时 ,吸氮量随着施氮量的增加
而增加 ,但是随着施氮量的继续增加 ,吸氮量增加的幅度变小 ,到达一定施氮水平后 ,增加施氮
量 ,吸氮量并不升高 ,甚至有降低的趋势。
表 2 　冬小麦Π夏玉米轮作体系中作物的吸氮量
Table 2 　N uptake by crops during one winter wheatΠsummer maize rotation (kgΠhm2 )
每季施氮量
N applied
(kgΠhm2) 冬小麦季winter wheat season 夏玉米季summer maize season 整个轮作周期the whole rotation
0 11211 b 12314 c 23515 c
120 14812 a 16716 b 31512 b
240 15417 a 19918 a 35415 a
360 15512 a 18914 a 34416 a
212 　冬小麦Π夏玉米轮作体系中作物对土壤氮素的吸收
从表 3 可以看出 ,当季或轮作周期作物对化肥氮的吸收量 ,均随着施肥量增加而增加 ,但
是吸收率却随着施氮量的增加而降低。在北京地区的传统施氮量下 ( > 300kgΠhm2 ) ,整个轮作
周期的化肥氮吸收率仅为 28 %左右。而后茬作物对化肥氮的吸收量均低于施氮量的 10 %。
902　4 期 高肥力土壤冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮去向研究
说明作物对化肥氮的吸收 ,主要表现在当季作物吸收上 ,后茬作物对化肥氮的吸收明显减少。
表 3 　冬小麦Π夏玉米轮作体系中作物对化肥氮的吸收
Table 3 　Fertilizer N uptake by crops for winter wheatΠsimmer maize rotation
施氮量
N rates applied
(kgΠhm2) 施氮作物季节Crop seasons forapplication of 15N 当季current season 后茬net season 整个轮作周期The whole rotationkgΠhm2 % kgΠhm2 % kgΠhm2 %
120
240 3 3
360
冬小麦季
winter wheat season
53134
e
44145
b
9101
b
7151
a
123172
b
51155
a
夏玉米季
summer maize season
61135
d
51113
a
冬小麦季
Winter wheat season
73191
c
30179
c
13111
a
5146
a
冬小麦季
Winter wheat season
85181
B
23184
d
20168
a
5174
a
201176
a
28102b
夏玉米季
summer maize season
95127
a
26146
cd
　　3 施用标记尿素　3 3 计算值3 15N2urea applied , 3 3 From calculation
213 　冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮的土壤残留
试验结果表明 ,在冬小麦季 ,在低施氮量下 ,随着施氮量增加 ,化肥氮在 0～100cm 土壤中
的残留量显著增加。但施氮量增加至 360kgΠhm2 时 ,进入土壤的化肥氮量反而降低。而在夏
玉米季 ,即使施氮量达到 360kgΠhm2 ,化肥氮在土壤中的残留量还继续增加 (表 4) 。这可能是因
为试验年度偏干旱所致。但是对于化肥氮的残留率 ,没有发现随着施氮量变化而一致的变化
趋势。结果还表明 ,化肥氮在当季土壤中的残留量在后茬中也会因作物吸收和损失而相应减
少 ,减少的幅度一般较少。这是由于残留于土壤的化肥氮 ,主要通过土壤微生物的生物固定而
以有机氮形式存在 ,它们需经过再矿化才能变成土壤有效态氮。
表 4 　冬小麦Π夏玉米轮作中化肥氮的土壤残留
Table 6 　Soil residual nitrogen from fertilizer during winter wheatΠsummer maize rotation (0～100cm)
施氮量 3
N applied
(kgΠhm2) 施氮作物季节crop seasons for15N application 当季current season(kgΠhm2) ( %) 后茬next season(kgΠhm2) ( %) 整个轮作周期the whole rotation(kgΠhm2) ( %)
120
冬小麦季
winter wheat season
54130
d
45125
a
24131
b
20126
a
59124
b
24168
a
夏玉米季
summer maize season
34193
e
29111
b
240 3 3 冬小麦季
winter wheat season
122146
b
51103
a
41160
a
17173
ab
360
冬小麦季
winter wheat season
75126
c
20191
c
44126
a
12129
b
220108
a
30157
a
夏玉米季
summer maize season
175182
a
48183
a
　　3 施用标记尿素　3 3 计算值3 15N2urea applied , 3 3 From calculation
012 核　农　学　报 15 卷
215 　冬小麦Π夏玉米轮作周期化肥氮的损失
由于在微区中 ,肥料氮的径流可以忽略 ,则损失包括气态损失和淋溶出 100cm 的化肥氮
量。从表 5 看出 ,在当季和轮作周期 ,化肥氮的损失量和损失率均随着施氮量的增加而提高。
这与其它作者的结果是一致的[4 ] 。在高施氮量下 ,轮作周期化肥氮的损失率达 40150 %。说明
施氮过量是化肥氮损失的重要原因 ,适宜施氮量是提高化肥氮利用、减少损失的重要措施。
表 5 　冬小麦Π夏玉米轮作中化肥氮的损失
Table 5 　The apparent loss of fertilizer nitrogen for winter wheatΠsummer maize rotation
施氮量 3
N applied
(kgΠhm2) 施氮作物季节crop seasons for15N application 当季current season(kgΠhm2) ( %) 后茬next season(kgΠhm2) ( %) 整个轮作周期the whole rotation(kgΠhm2) ( %)
120
冬小麦季
winter wheat season
12136
e
10130
d
10140
b
9148
b
45156
b
18198
b
夏玉米季
summer maize season
23172
d
19177
c
240 3 3 冬小麦季
winter wheat season
43163
c
18118
c
47142
a
19177
a
360
冬小麦季
winter wheat season
198193
a
55126
a
3175
c
1104
c
291159
a
40150
a
夏玉米季
summer maize season
88191
b
24170
b
　　3 施用标记尿素　3 3 计算值3 15N2urea applied , 3 3 From calculation
3 　结 　语
11 即使在高肥力土壤中 ,施用氮肥也会使作物吸氮量增加。但达到一定施氮水平后 ,增
加施氮量 ,吸氮量并不升高 ,甚至有降低的趋势。
21 虽然作物对化肥氮的吸收 ,主要是当季作物的吸收。但是土壤残留氮有一定的后效 ,
研究整个轮作周期中化肥氮的去向 ,能更全面地评价化肥氮的行为。
31 在低施氮量下 ,作物对土壤氮的吸收未有显著变化。但随着施氮量升高 ,作物吸收土
壤氮量显著降低 ,即产生“负激发作用”。
41 对于当季和整个轮作周期 ,化肥氮的利用率随着施氮量的增加而显著降低。而损失率
则随着施氮量的增加而显著增加。说明施氮过量是化肥氮利用率低和损失率高的重要原因 ,
适量施氮是提高化肥氮利用率、降低损失的重要途径。
112　4 期 高肥力土壤冬小麦Π夏玉米轮作体系中化肥氮去向研究
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 ] 　张维理 ,等. 我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查. 植物营养与肥料学报 ,1995 ,1 (2) :80～87
[3 ] 　朱兆良. 农田生态系统中化肥氮的去向和管理 ,见 :朱兆良 ,等. 中国土壤氮素. 南京 :江苏科技出版社 ,1992 ,213～219
[4 ] 　朱兆良. 中国土壤的氮素肥力与农业中的氮素管理 ,见 :朱兆良. 中国土壤肥力. 南京 :江苏科技出版社 ,1996 ,213～219
[5 ] 　Rao A C S et al . The influence of added nitrogen interactions in estimation recovery efficiency of labeled nitrogen. Soil Sci Soc Am J .
1991 ,55 :1616 - 1621
[6 ] 　Wen Xianfang ,et al . Increasing wheat production while decreasing nitrogen losses from ammonium bicarbonate , International Atomic
Energy Agency ,IAEA2TECDOC21164 ,2000 ,177～190
FATE OF FERTILIZER N IN WINTER WHEATΠSUMMER MAIZE
ROTATION SYSTEM ON HIGH2FERTILITY SOIL
PAN Jia2rong2 　JU Xiao2tang1 　LIU Xue2jun1 　ZHANG Fu2suo1 　MAO Da2ru1
(11Department of Plant Nutrition , Chinese Agricutural University , Beijing 　100094 ;
21 The Institute for Applicationo f Atomic Energy , CAAS . 　100094)
ABSTRACT :A field trial with 15 N2microplots was conducted to study the fate of fertilizer N on
high2fertility soil for winter wheatΠsummer maize rotation system ,one of main cropping systems at
North China . The results showed that when 120～360kgΠhm2 of nitrogen applied , the recovery of
fertilizer nitrogen were 2310 %～4415 %for winter wheat ,2610 %～5111 %for summer maize and
2810 %～5116 %for one winter wheatΠsummer maize rotation , while less than 10 %of fertilizer ni2
trogen taken up by the next crop. The soil residual nitrogen from fertilizer was in 30 %～50 %for
current crop season and about 30 %at the end of one winter wheatΠsummer maize rotation. While
the loss of fertilizer nitrogen ,regardless in amount or in %of nitrogen applied , increased with the
N applied rate. For the whole rotation system , the cumulative loss of fertilizer nitrogen was only
18198 %at nitrogen applied rate of 240kgΠhm2 while 40150 % at nitrogen applied rate of 720kgΠ
hm2 . There was not signif icant difference in soil N uptake by crops between low N applied rate
treatments , but with the increase of Napplied rate N uptake by crops got lower , indicating that so2
called“negative added nitrogen interaction”occurred.
Key words :winter wheatΠsummer maize rotation ; 15N ; fertilizer N fate
212 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2001 ,15 (4) :207～212