全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 042280206
用15N 标记肥料研究旱地冬小麦
氮肥利用率与去向
党廷辉1 　蔡贵信2 　郭胜利1 　郝明德1 　王百群1
(11 中国科学院 水利部 水土保持研究所　陕西 杨凌　712100 ;
21 中国科学院南京土壤研究所　江苏 南京　210008)
摘 　要 :在黄土旱塬 2 年的田间试验表明 ,在特殊干旱年里小麦施氮肥增产仍很显著 ,
但氮肥效果受到明显抑制 ,施氮处理间小麦产量差异不显著。播种前土壤水分含量
对旱作小麦产量有决定性作用。15N 微区试验表明 ,尿素作基肥混施入耕层后 ,小麦
当年利用率为 3616 %～3814 % ,土壤残留率为 2912 %～3316 %。氮肥的后效显示 ,土
壤残留的氮素可被第 2 茬小麦部分利用 ,占施氮量的 211 %～218 % ,相当于 0～40cm
土壤残留氮的 617 %～817 %。土壤残留的氮素主要集中在 0～40cm 土层中 ,土壤剖
面中残留氮随土壤深度增加而减少。膜间种植对小麦产量、氮肥利用率在试验年里
没有显示作用 ,但大大增加了氮肥在土壤中的残留率。
关键词 : 氮肥利用率 ; 15N 标记肥料 ; 旱地
收稿日期 :2001209229
作者简介 :党廷辉 (1964～) ,男 ,陕西户县人 ,副研究员 ,在职博士 ,从事土壤作物养分循环与调控研究。
氮肥的大量应用促进了作物产量大幅度提高 ,但由于利用率低带来了严重的环境问题[1 ] 。
因此 ,对农田系统中氮肥的去向研究受到国内外学者的关注[2～10 ] 。国内在南方稻田和华北、东
北小麦、玉米等有灌溉的作物上的相关研究很多[4 ] ,但在黄土旱塬冬小麦作物上研究甚少。黑
垆土是黄土高原塬区普遍分布的土壤类型 ,冬小麦是南部塬区主要的粮食作物 ,至今关于黑垆
土 - 冬小麦中氮肥去向的研究还未见报道。为此 ,我们在陕西省长武县的黑垆土上应用15N 示
踪法研究了尿素施入土壤后的去向 ,同时研究了覆膜栽培对氮素去向的影响。
1 　材料与方法
111 　试验区概况
试验布置在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站 ,为陕甘交界处陕西长武县境内的
塬地 ,北纬 35°12′,东经 107°40′,海拔 1200m。年日照 2226h ,年均气温 911 ℃,年 ≥0 ℃的积温
3029 ℃,年均降水 584mm ,无霜期 171d ,属大陆季风型半湿润易旱气候区。农业生产全部依赖
降雨 ,属典型的旱作农业区 ,1 年 1 熟 ,冬小麦是主要作物。土壤为黑垆土 ,耕层 0～20cm ,含有
机质 1016gΠkg、全氮 018gΠkg、碱解氮 6716mgΠkg、速效磷 1414mgΠkg 及速效钾 14519mgΠkg ,容重
113gΠcm3 ,田间持水量 2616 % ,凋萎湿度 11 % , < 0101mm 物理性粘粒 3710 % ,pH814。
082　 核 农 学 报　2003 ,17 (4) :280～285Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
112 　试验设计和方法
研究包括 2 个试验 ,各设 4 个处理 ,拉丁方设计。小区面积 6m ×7m。所有肥料 ,包括氮
肥、磷肥、有机肥都作基肥播前撒施到土壤表面 ,然后用铁锨翻入深度 15～20cm。
氮肥试验设 4 个处理 :CK、N1 、N2 、N1M。CK不施氮 ;N1 施尿素 100 (1998) 或 60 (1999) kgNΠ
hm2 ;N2 施尿素 150 (1998) 或 100 (1999) kgNΠhm2 ;M 代表有机肥 (含 N 01347 % ,P2O5 01299 %) ;
N1M 施尿素 100kgNΠhm2 、有机肥 50kgNΠhm2 (1998) 或尿素 60kgNΠhm2 、有机肥 40kgNΠhm2 (1999) 。
各处理均以磷肥 (重过磷酸钙)为底 ,P2O5∶N2 = 1∶2。
地膜栽培试验设 4 个处理 :W、WM1 、WM2 和 WT。W :常规栽培 (行距 20cm) ;WM1 :膜际栽
培 (起垅覆膜宽 30cm ,膜间距 60cm ,膜间种麦 4 行 ,行距 15cm) ;WM2 :膜下栽培 (起垅覆膜宽
60cm ,膜间距 30cm ,膜上种麦 4 行 ,行距 15cm) ;WT:少耕留高茬覆盖 (休闲期免耕高留茬 ,并麦
杆覆盖 ,行距 20cm) 。4 个处理每年均按 N2 处理施肥 ,肥料用量相同。
15N 微区试验设在对应小区中。1998 年15N 肥料试验安排在处理 N1 、N2 和 N1M 中 ,研究不
同施氮方式下氮肥去向。微区面积 014m ×015m。微区框用白铁皮制成 ,高 016m ,无底。将微
区框埋入土中 55cm ,露出地面 5cm。埋设时 ,力求不破坏框中土壤。1999 年继续研究氮肥后
效。1999 年15 N 肥料试验安排在处理 W、WM1 中 ,研究覆膜对氮肥去向的影响。不用微区框 ,
将标记肥料直接施用到划定的微区中 ,W 处理微区面积 112m ×112m ,WM1 处理微区面积 112m
×019m。小区和微区的施肥、播种等管理措施同大田一致。供试冬小麦为当地主栽品种 89-
134。播种量 180kgΠhm2 ,种子用包衣剂处理。标记尿素的15 N 丰度分别为 7106 % (1998) 和
4198 %(1999) 。
113 　小区和15 N微区的收获、采样与分析
小区收获时 ,将每个小区靠近中间的 8 行或全区全部收获。风干、脱粒后分别称籽粒和秸
杆重 ,然后换算成单位面积产量。有框微区15N 采样时 ,植物样是将微区内表层土壤松动 ,将小
麦连同根系整株拔出 ,把粒、茎叶和根分离分别装入不同的纸袋。土样第 1 年采集时 ,依次取
出 0～10、10～20cm 全部土壤 ,称重。混匀后用四分法取出分析用土样 ,测定土壤水分。20～
40cm用土钻采集 5 点土样 ,混匀后供分析和测定土壤水分。第 2 年土样仅采集处理 N2 ,0～
20cm 用土钻采集 4 点代表样 ,20cm 以下用土钻仅取 1 钻各层土壤样品。
无框微区中15N 采样时 ,样品仅采集中心部分 ,处理 W 取样面积 014m ×014m ,处理 WM1 取
样面积 014m ×013m。植物样采集同上。土样采集时 ,0～20cm 取出全部土壤 ,充分混合后取
出分析样 ;20～40cm 用土钻采集 4 点样 ;40～70cm 和 70～100cm 用土钻采集 2 点样 ;100～130、
130～160 和 160～200cm 用土钻仅采集 1 点样。
植物样 (根、茎、粒)于 70 ℃烘干称重后磨细。土样经风干磨细后过 100 目筛。土壤和植物
样品均由国际原子能机构 ( IAEA)统一分析全氮和15N 百分超。
2 　结果与分析
211 　氮肥的产量效应
两年试验结果表明 (表 1) ,施氮的 3 个处理的产量显著高于对照 ,对照 (CK) 产量平均为
211019kgΠhm2 ,处理 N1 、N2 和 N1M 的平均产量分别为 322719、317718 和 326319kgΠhm2 ,分别比对
182　4 期 用15N 标记肥料研究旱地冬小麦氮肥利用率与去向
照增产 5219 % ,5015 %和 5416 %。施氮增产显著 ,但施氮处理之间产量差异不显著。从两年产
量对比来看 ,1999～2000 年度产量均比 1998～1999 年度低很多 ,一方面与第 2 年降低肥料用
量有关 ,另一方面与土壤商情、气候差异有关。当肥料用量一致时 ,CK处理 2000 年产量比
1999 年产量低 4719 % ,施氮 100kgΠhm2 时 ,2000 年 (N2 ) 比 1999 年 (N1 ) 低 3412 %。第 2 年小麦
产量低的主要原因是播种前土壤水分含量较低。测定结果显示 (表 2) ,1999 年播种时 0～3m
土壤有效水仅为 71mm ,比 1998 年 0～3m 土壤有效水 282mm 低 7418 %。另外 ,第 2 年小麦拔节
～灌浆期 (3～5 月)降水很少 (仅 67mm) ,比第 1 年同期低 5516 %。表明旱地冬小麦产量很大
程度上取决于播前土壤水分的储量 ,但生长关键期降水也很重要。
表 1 　氮肥对小麦增产的效果
Table 1 　Effect of N fertilizer on wheat yield
处理
treat2
ment
1998～1999 1999～2000 平均 average
产量
grain yield
(kgΠhm2) 增产increase( %) 生产力指数producti2vity index(kgΠkg) 产量grain yield(kgΠhm2) 增产increase( %) 生产力指数producti2vity index(kgΠkg) 产量grain yield(kgΠhm2) 增产increase( %) 生产力指数producti2vity index(kgΠkg)
CK 277418b 144710b 211019
N1 398614a 4317 1211 246914a 7017 1710 322719 5219 1410
N2 373316a 3416 614 262210a 8112 1118 317718 5015 815
N1M 429910a 5419 1012 222817a 5410 718 326319 5416 912
　　注 :用新复极差法检查 ;同一列中字母相同者其差异未达到 5 %显著水准。
　　Note :The difference between the figures followed by the same letters is not significant at 5 % level by Duncan’s multiple2range test .
表 2 　1998 年与 1999 年小麦播种时土壤水分比较
Table 2 　Comparison of soil water content at sowing in 1998 and 1999
土层深度
soil depth
(m)
土壤含水量
soil water content
(cm3/ cm3)
土壤 3m 贮水
soil water storage
(mm)
土壤 3m 有效贮水
available soil water storage
(mm) 3
1998 1999 1998 1999 1998 1999
0～1 0. 251 0. 155 251 155 108 12
1～2 0. 258 0. 172 258 172 115 29
2～3 0. 203 0. 173 203 173 60 30
0～3 0. 237 0. 167 711 500 282 71
　　注 : 3 由土壤含水量减去永久萎蔫点计算 (01129cm3/ cm3) 。
　　Note : 3 Calculated after soil water content minus permanent wilting point (01129cm3/ cm3) .
212 　小麦覆盖栽培的增产效果
两年的试验结果表明 (表 3) ,小麦薄膜覆盖 (膜间 MW1 和膜下 WM2 )或秸杆覆盖 (WT) 3 种
种植方式都没有表现增产效果。处理间未达显著差异。覆盖是旱作降低土壤水分蒸发、增加
水分入渗的一项管理措施 ,但由于薄膜覆盖的 2 种处理比传统栽培播种密度低 10 %～15 %(见
试验设计部分) ,它们的增产效果很难从单产上反映出来。秸秆覆盖 (WT) 在第 1 年没有实施 ,
其处理方式与常规栽培 (W)完全一样 ,因而二者产量水平相当 ;第 2 年休闲期实施覆盖后 ,处
理 W 播前土壤水分状况有所改善 ,因此其产量有一定提高 (增产 1216 %) 。然而 ,覆盖对旱作
产量效应在短期内很难给出肯定性的结论。通常干旱严重时 ,覆盖效果受到限制。试验两年
里降水偏少 ,而且分布也有异常 ,属特殊干旱年份 ,限制了覆盖的增产效应。因此 ,小麦覆盖栽
培效果应该在更长的时间、并经历不同气候条件下进行研究 ,才能做出科学结论。
282 核　农　学　报 17 卷
表 3 　覆盖对小麦产量的作用
Table 3 　Effect of mulching on wheat yield
处理
treatment
1998～1999 1999～2000 平均 average
产量
grain yield
(kgΠhm2) 增产increase( %) 产量grain yield(kgΠhm2) 增产increase( %) 产量grain yield(kgΠhm2) 增产increase( %)
W 4207. 8a 2604. 2a 3406. 0a
WM1 4562. 5a 8. 4 2839. 7a 9. 0 3701. 1a 8. 7
WM2 3995. 1a - 5. 1 2718. 4a 4. 4 3356. 8a - 1. 4
WT 4246. 9a 0. 9 2933. 6a 12. 6 3590. 3a 5. 4
213 　氮肥利用率的15 N示踪研究
21311 　氮肥去向与残效 　1998～1999 年度对旱塬冬小麦尿素作基肥混施进行了同位素示踪
研究 (表 4) 。用新复极差法统计结果表明 ,低氮用量 (N1 ) 、化学氮肥与有机肥配施 (N1M) 以及
高氮用量 (N2 ) 3 个处理之间 ,氮肥被作物吸收利用率 ,肥料氮在土壤中的残留率以及亏缺都没
有显著差异。但结果似乎有这样的趋势 ,随着化肥用量增大肥料利用率降低而亏缺增多 ;化肥
与有机肥配施时其利用率略降低而土壤残留略增加。
表 4 　标记尿素氮的去向(占施氮量的 %)
Table 4 　Fate of labeled urea N( % of applied N)
处理
treatment
小麦吸收
plant recovery
( %)
土壤残留
recovery in soil (0～40cm)
( %)
总回收
total recovery
( %)
亏缺
defect
( %)
N1 38. 4a 31. 8a 70. 2a 29. 8
N1M 36. 9a 33. 6a 70. 5a 29. 5
N2 36. 6a 29. 2a 65. 8a 34. 2
利用 1998～1999 年氮肥试验15 N 微区 ,进一步研究了氮肥的后效 (表 5) 。Shi 等[3 ] 研究了
硫酸铵的残效 ,认为第 2 季作物水稻利用土壤 0～20cm 残留氮的 20 % ,比本试验结果明显要
高。他解释在白浆化水稻土很高的氮素残效是由于新固定态铵的含量较高 ,而这种氮素形态
对作物的有效性比生物固定态氮还高[2 ] 。
表 5 　第 2 季作物利用土壤残留氮的比率
Table 5 　Recovery of residual N by crop of the second cropping season
处理
treatment
占施氮量比率
% of applied N
占残留氮比率
% of N remained in soil (0～40cm)
占残留氮比率
% of N remained in soil (0～20cm)
N1 2. 5 ±013 3 810 ±110 913 ±112
N1M 218 ±012 817 ±018 1011 ±019
N2 211 ±0104 617 ±011 719 ±012
　　注 :表中数值分别表示 4 个重复平均值与标准差。　Note :Mean ±standard error of four replications.
试验在研究第 2 年作物氮肥残效的同时 ,对 N2 处理土壤剖面 0～200cm 残留氮也进行了
观测 ,以了解第 2 年土壤残留氮的分布与下移状况。由结果 (图 1) 知 ,第 2 年土壤中的残留氮
仍然主要集中在 0～20cm ,没有向下大量移动。这与本年度降水少有关。但在 20～200cm 内
382　4 期 用15N 标记肥料研究旱地冬小麦氮肥利用率与去向
依然检测到少量15N 的存在 ,而且随土壤深度的增加而迅速减少。土壤下层15N 的存在 ,预计主
要是作物根系吸收养分再分布引起的 ,但不可否认与土钻采样上下层交叉污染有关。
21312 　覆膜对氮肥去向的影响 　1999～2000 年度标记了小麦覆膜栽培下氮肥的去向。表 6
显示 ,当用传统方法 ( W) 种植时小麦氮肥的利用率为 4218 % ,土壤残留 (0～100cm) 率为
4411 % ,总回收率达到 8619 % ,亏缺率为 1311 %。当采取膜间种植 (WM1 )时 ,对应的数据表明 ,
膜间种植大大的增加了氮肥在土壤中的残留率。但地膜种植对氮肥利用率没有明显作用。这
与地膜对产量的作用是相似的。用15N 示踪技术对土壤残留率和总的回收率的估计结果可能
偏高。应该指出是 ,采集 20～40、40～70 和 70～100cm 深度土壤15 N 样品仅用土钻钻取了 4 点
样 ,致使代表性上可能存在一定误差。同时 ,土钻深层取土时 ,上下层的交叉污染不可忽视。
表 6 　覆盖栽培下氮肥去向(占施氮量的 %)
Table 6 　Fate of labeled urea N under mulching and ridge planting( % of applied N)
处理
treatment
小麦吸收
plant recovery
( %)
土壤残留
recovery in soil (0～100cm)
( %)
总回收
total recovery
( %)
亏缺
defect
( %)
W 42. 8 ±0. 9 3 44. 1 ±1. 7 86. 9 ±0. 9 13. 1
WM1 39. 3 ±1. 8 60. 3 ±7. 2 99. 6 ±5. 8 0. 4
　　从同一试验地施用 100kgΠhm2 氮并采用传统方法栽培时第 2 年结果与第 1 年示踪结果比
较 (表 7) ,氮肥利用率 2000 年比 1999 年稍微高一点 ,而在 0～40cm 土壤残留率 2000 年比 1999
年高的多。这可能由于 2000 年更干旱 ,氮素损失减少 ,同时与采样误差有关。
图 2 表明 ,当尿素作基肥施用时 ,土壤残留的氮素主要集中在 0～40cm 土层中 (施用氮 40
～58 %) ,土壤残留氮随土壤深度增加而迅速减少。仅有施氮量的 3 %～4 %残留在 40～100cm
深度 ,1 %残留在 100～200cm 深度。图 2 同时表明 ,膜间栽培 (WM1 )与传统栽培 (W)相比 ,土壤
残留氮的差异主要表现在 0～40cm。WM1 比 W 有更多的土壤残留氮存在于 0～40cm ,以 20～
40cm 残留比例最多 ,这可能与地膜改善水分入渗而增加了氮素下移有关。
图 1 　处理 N2 土壤残留氮的剖面中的分布
Fig. 1 　Residual N remaining in different
depth of soil in treatment N2
图 2 　传统栽培与地膜栽培不同土壤
深度15N 含量比较
Fig. 2 　Comparison of 15N recovery in different
soil depth by conventional (W) and
mulching planting(WM1 ) treatments
482 核　农　学　报 17 卷
表 7 　传统栽培时 1999 年与 2000 年15 N回收率比较
Table 7 　Comparison of 15N recovery in conventional treatment between 1999 and 2000
试验年
year
植物利用
N recovery in plant
( %)
土壤残留
N recovery in soil (0～40cm)
( %)
总回收
total recovery
( %)
1999 38. 4 ±2. 9 31. 1 ±2. 1 69. 5 ±2. 9
2000 42. 8 ±0. 9 39. 8 ±1. 4 82. 6 ±0. 6
　　注 :表中数值分别表示 4 个重复平均值与标准差。　Note : Mean ±standard error of the mean of four replicates.
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STUDY ON NITROGEN EFFICIENCIES OF DRY LAND WHEAT BY
15 N LABELED FERTILIZER
DANG Ting2hui1 　CAI Gui2xin2 　GUO Sheng2li1 　HAO Ming2de1
(1. Institute of Soil and Water Conservation , Chinese Academy of Sciences
and Ministry of Water Resources , Yangling , Shanxi prov. 　712100 ;
21 Institute of Soil Sciences , Chinese Academy of Sciences , Najing , Jiangsu prov. 　210008)
Abstract :A wheat field experiment was conducted on Heilu soil in the south of Loess Plateau ,
Changwu county , Shanxi Province. Efficiency of nitrogen fertilizer was studied by using 15 N la2
beled fertilizer. The results showed that the effect of yield increasing was obvious but not eventual
diferences among N treatments in special drought years were found. Wheat yield depend greatly
on soil water before sowing. 15 N study showed that plant recoveries were in the range of 3616 %～
3814 %; N remained in 0～40cm soil ranged in 2912 %～3316 %. Remained N may be partly used
by second crop in 211 %～218 % of applied N or in 617 %～817 % of 0～40 remained N, rema2
ined N in soil profile decreased greatly with increase of soil depth. Mulching and ridge planting
had no effect on crop yield and NUE but increased the rate of remained N.
Key words :N use efficiency; 15N labeled fertilizer ; dry land wheat
582Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (4) :280～285