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Effect of cultivation pattern and nitrogen application rate on soil fertility and nitrate accumulation under maize-wheat rotation system

不同栽培模式及施氮对玉米-小麦轮作体系土壤肥力及硝态氮累积的影响



全 文 :中国生态农业学报 2010年 7月 第 18卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2010, 18(4): 693−697


* 国家“十一五”科技支撑计划课题“西北干旱区高效施肥关键技术研究与示范”(2008BADA4B09)资助
** 通讯作者, E-mail: jbzhou@nwsuaf.edu.cn
张宏(1983~), 男, 硕士, 主要从事植物营养与环境方面研究。E-mail: zhanghong0311@126.com
收稿日期: 2009-08-17 接受日期: 2009-11-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00693
不同栽培模式及施氮对玉米−小麦轮作体系
土壤肥力及硝态氮累积的影响*
张 宏 周建斌** 王春阳 董 放 李凤娟
(西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100)
摘 要 以在陕西关中土垫旱耕人为土区进行的连续 6 年定位试验为对象, 研究了长期覆盖栽培及施氮量对
玉米−小麦轮作体系下土壤有机质、全氮及土壤剖面硝态氮残留量和分布的影响。结果表明, 不同栽培模式对
土壤有机质和全氮含量的影响为覆草>垄沟>常规>节水, 其中覆草模式影响达显著水平。增施氮肥不同程度地
提高了土壤有机质和全氮含量。经过 12 季玉米−小麦的轮作, 不同栽培模式 0~200 cm 土壤剖面硝态氮残留量
为垄沟>节水>覆草>常规, 垄沟和节水栽培模式与常规栽培硝态氮累积量差异达显著水平。随种植年限和施氮
量增加, 0~200 cm 土壤中硝态氮累积量明显增加, 施 240 kg·hm−2 N (N240)处理 0~200 cm 土壤硝态氮累积量
显著高于施 120 kg·hm−2 N (N120)处理。不同施氮量下硝态氮在 0~200 cm 土壤剖面的分布存在差异, 与不施
氮(N0)和 N120 处理相比, N240 处理下各栽培模式在 120 cm 以下的土壤硝态氮含量随深度增加而显著增加。
关键词 栽培模式 施氮量 玉米-小麦轮作 硝态氮残留 土壤剖面
中图分类号: S344.13; S275; S143.1; S157 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)04-0693-05
Effect of cultivation pattern and nitrogen application rate on soil fertility
and nitrate accumulation under maize-wheat rotation system
ZHANG Hong, ZHOU Jian-Bin, WANG Chun-Yang, DONG Fang, LI Feng-Juan
(College of Resources and Environmental Sciences, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)
Abstract A field experiment was conducted in Guanzhong of Shaanxi Province to study the effects of long-term cultivation patters
and fertilization on organic matter, total soil nitrogen, and the quantity and distribution of nitrate N in soil profile under maize-wheat
rotation system. The results indicate that the order of effect of the different cultivation patterns on soil organic matter and total nitro-
gen contents is: straw mulching > furrow planting > conventional cultivation > water-saving cultivation. Straw mulching has the most
significant effect on soil organic matter and total nitrogen contents. Nitrogen application significantly influences soil organic matter
and total nitrogen. After 6 years of maize-wheat rotation cropping, the order of residual nitrate N in the 0~200 cm soil profile under
different cultivation patterns is: furrow planting > water-saving cultivation > straw mulching > conventional cultivation. There are
significant differences in nitrate N accumulation among furrow planting, water-saving cultivation and the conventional cultivation.
Nitrate N accumulation in the 0~200 cm soil profile increases with longer cultivation periods and increasing nitrogen application
rates. Accumulated nitrate N under 240 kg(N)·hm−2 (N240) treatment is significantly higher than that under 120 kg(N)·hm−2 (N120)
treatment. The pattern of nitrate N distribution across the soil profiles differs with differing nitrogen application rate. Under N240
treatment, nitrate N content below the 120 cm soil depth increases with soil depth.
Key words Cultivation pattern, Nitrogen fertilization rate, Maize-wheat rotation system, Residual nitrate N, Soil profile
(Received Aug. 17, 2009; accepted Nov. 13, 2009)
随着工农业生产的发展, 我国北方地区水资源
日趋紧缺。改变传统大水大肥的生产习惯, 走资源
高效利用的途径, 是这一地区农业发展的趋势。发
展旱作技术, 在充分利用自然降水的基础上进行少
694 中国生态农业学报 2010 第 18卷


量水补充灌溉的半旱地农业将成为这一地区的主要
选择之一[1]。
旱地栽培中采用的覆盖栽培有效地将降雨蓄积
在土壤中[2−7], 可起到明显的增产作用[8−10], 且能够
提高土壤肥力[11−14]和改善土壤环境。垄沟栽培技术
集成了覆膜栽培和覆草栽培模式的优点, 改善了土
壤水温条件[15]。土壤硝态氮含量与生态环境紧密联
系[16]。一些研究表明, 过量施用氮肥是导致硝态氮
在土壤中淋溶损失进而产生环境问题的主要原
因[17−18]。关于施肥、水分及栽培措施等对土壤残留
硝态氮累积的影响, 国内外已有大量研究[19−21]。但
应该看到, 多数或以有灌溉保证的高产农田为研究
对象, 或以旱地短期覆盖试验为研究对象, 而对于
半旱地长期不同栽培模式和施用氮肥对夏玉米−冬
小麦轮作体系下土壤肥力及残留硝态氮在土壤剖面
中的累积动态和分布等的研究报道较少。为此, 在
陕西关中地区以夏玉米−冬小麦轮作长期定位试验
为对象, 研究了有限灌溉与覆盖栽培相结合模式(半
旱地栽培)对土壤有机质和全氮含量、土壤剖面残留
硝态氮数量动态变化及分布的影响, 旨在为评价长
期覆盖栽培及施氮肥对土壤肥力和残留硝态氮的影
响提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
田间试验于 2003年 6月~2009年 6月在西北农
林科技大学农作一站进行。该地位于渭河三级阶地,
东经 108°04′07″, 北纬 34°17′56″, 海拔 523 m。年平
均气温 13 ℃, 极端最高气温 42 ℃, 极端最低气温
−19.4 ℃。年平均降水量 600~650 mm, 分布不均,
主要集中在 7~9 月(占年降水量的 60%~65%), 冬春
季易发生旱情, 年均蒸发量 1 400 mm, 属于半湿润
易旱地区。供试土壤为 土, 系统分类为土垫旱耕人
为土。耕层土壤质地属粉砂质黏壤土, 试验开始前,
表层 0~20 cm土壤有机质含量 15.22 g·kg−1, 全氮
0.67 g·kg−1, 硝态氮 13.5 mg·kg−1, 铵态氮 1.9
mg·kg−1, 速效磷 17.2 mg·kg−1, 速效钾 169.4
mg·kg−1, pH 8.25。
1.2 田间试验设计与管理
田间试验设栽培模式和氮肥两个因素, 采用裂
区设计。栽培模式为主因素, 分别为常规、节水、
覆草和垄沟 4 种方式。其中覆草模式于小麦或玉米
播种出苗后在作物行间覆盖麦草(2008 年开始小麦
种植期间覆盖玉米秸秆 , 玉米种植期间覆盖麦草),
用量均为 4 500 kg·hm−2; 垄沟模式采用垄上覆膜、
沟内覆草的方式, 垄沟比为 30 cm∶30 cm, 覆草量
为 2 250 kg·hm−2。氮肥为副因素, 每季作物用量分
别为 0、120 kg(N)·hm−2和 240 kg(N)·hm−2, 分别
用 N0、N120和 N240表示。小区面积 18 m2 (4 m×4.5
m), 重复 4次。试验实施时, 留出 1个常规栽培模式
不施肥处理 , 不种植任何作物 , 并定期清除杂草 ,
代表休闲小区。小麦品种为“小偃 22”, 玉米品种
为“陕单 902”(2008年开始为“郑单 958”)。
实行夏玉米−冬小麦轮作种植方式, 一年两熟。
小麦生长期间 , 常规模式在小麦越冬期进行冬灌 ,
灌水量为 40 mm, 其余 3 种模式均不进行冬灌。玉
米生长期间, 常规模式指采用当地习惯灌水的方法,
灌水数量和时间与当地大田相近, 2003 年玉米生长
期间由于降雨量丰富(750 mm), 所有栽培模式均未
灌溉; 2004年以后, 常规模式的灌水量为 45 mm, 其
余 3 种栽培模式的灌水量为常规模式的一半。磷肥
作为底肥, 用量为 80 kg(P2O5)·hm−2, 除试验开始时
(2003 年 6 月)施于玉米茬外, 其他年份均施于小麦
茬。氮肥选用尿素(含 N 46%)。磷肥和尿素在小麦播
种前均匀撒入相应小区, 翻入土壤耕层后耙平; 在
玉米种植期间, 氮肥分期施用, 其中苗期和拔节期
追肥分别占总施氮量的 1/3和 2/3, 穴施。
1.3 取样和分析方法
在每季玉米和小麦收获后采集 0~200 cm 土壤
剖面土样(每 20 cm 1 层)。用烘干法测土壤含水量;
称取 5.00 g新鲜土样, 加入 50 mL 1 mol·L−1的 KCl
浸提, 振荡 60 min, 过滤后在−4 ℃冰箱保存, 用连
续流动分析仪(BRAN+LUEBBE)测定土壤硝态氮含
量; 将表层土壤风干, 过 0.25 mm筛, 用丘林法测有
机质含量, 半微量凯氏法测定全氮含量。
1.4 数据处理
试验数据采用 Excel处理, 采用 SAS V8软件的
裂区分析方法进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同栽培模式及施氮量对耕层土壤有机质和
全氮含量的影响
由表 1可以看出, 经过 5年的种植, 除节水栽培
模式外, 其他栽培模式和各施氮量下表层土壤有机
质和全氮含量均较试验开始前 (2003 年 , 有机质
15.22 g·kg−1, 全氮 0.67 g·kg−1)有不同程度增加。
不同栽培模式相比, 土壤有机质和全氮含量大小为
覆草>垄沟>常规>节水, 其中覆草模式土壤有机质
和全氮含量分别较常规模式增加 2.665 g·kg−1 和
0.127 g·kg−1, 均达显著水平; 垄沟模式表层土壤有
机质和全氮含量与常规模式的差异未达显著水平。
第 4期 张 宏等: 不同栽培模式及施氮对玉米−小麦轮作体系土壤肥力及硝态氮累积的影响 695


表 1 不同处理下 0~20 cm土层土壤有机质和全氮含量(2008年 10月)
Tab. 1 Contents of organic matter and total N in 0~20 cm soil under different treatments (Oct. 2008) g·kg−1
处理
Treatment
有机质
Organic matter
全氮
Total N
常规 Conventional 15.450b 0.988b
覆草 Straw mulching 18.115a 1.115a
垄沟 Furrow planting 16.757ab 1.018b
栽培模式
Cultivation pattern
节水 Water-saving 15.112b 0.953b
0 15.767B 0.97B
120 16.485AB 1.033A
施氮量
N fertilizer rate [kg(N)·hm−2]
240 16.824A 1.053A
同列数据后不同小、大写字母分别表示栽培模式、施氮量不同处理间差异达 5%显著水平。Different small and capital letters in the same
column mean significant difference at 5% level among different treatments of cultivation pattern and fertilizer rate, respectively.

与 N0处理相比, N120和 N240处理均不同程度
地提高了土壤有机质含量, 其中 N240 处理土壤有
机质含量的增加达显著水平; N120 和 N240 处理也
较 N0处理显著提高了土壤全氮含量。
2.2 不同栽培模式对土壤残留硝态氮累积量的影响
从表 2 可以看出, 不同栽培模式对土壤硝态氮
累积量影响不同。第 6季(2006年 6月)作物收获后,
0~100 cm 土壤硝态氮累积量为节水>常规>覆草>垄
沟, 100~200 cm土壤硝态氮累积量为节水>垄沟>覆
草>常规; 不同栽培模式下, 0~200 cm土壤剖面硝态
氮残留量的差异均未达显著水平。第 8季(2007年 6
月)和第 12季(2009年 6月)作物收获后, 不同栽培模
式下 0~200 cm土壤中硝态氮累积量分别为垄沟>节
水>常规>覆草、垄沟>节水>覆草>常规; 0~200 cm土
壤剖面硝态氮累积量第 8 季垄沟和节水模式显著高
于覆草和常规栽培模式; 第 12季垄沟模式显著高于
覆草和常规栽培模式, 而节水模式显著高于常规栽
培模式。
随着种植年限的增加, 0~200 cm土壤剖面硝态
氮的累积量呈增加趋势。从第 6季收获到第 12季收
获, 0~100 cm和 100~200 cm土壤中硝态氮的累积量
明显增加, 其中以垄沟和节水模式土壤剖面硝态氮
的累积速率最快, 0~200 cm土壤中硝态氮累积速率
分别为 118.2 kg·hm−2·a−1和 55.9 kg·hm−2·a−1。
经过 6年夏玉米−冬小麦连续种植(第 12季作物收获
后), 0~200 cm土壤中残留的硝态氮累积量已经达到
相当可观的数量, 其中垄沟栽培的硝态氮累积量最
高, 是常规模式的 2.3 倍, 差异达显著水平; 其次
是节水模式, 比常规高出 203.3 kg·hm−2; 与常规
模式相比 , 覆草模式也增加了土壤残留硝态氮累
积量。
2.3 不同施氮量对土壤残留硝态氮累积量的影响
从表 3可以看出, 0~200 cm土壤剖面残留硝态
氮累积量随施氮量增加而明显增加 , N240 处理
0~100 cm和 100~200 cm土壤中残留硝态氮累积量
均显著高于 N0 和 N120 处理的相应土层。经过 12
季作物的种植 , N240 处理土壤硝态氮残留量达到
914.2 kg·hm−2, 是 N120处理残留硝态氮量的 6倍。
随着种植年限的增加, 不同施肥处理 0~200 cm
土壤中硝态氮累积量的变化有所不同。从第 6 季作
物收获后到第 12季作物收获后, N0和 N120处理下
0~200 cm土壤中硝态氮累积量呈先增加后减少的趋
势, 这可能与第 8季作物生长季节降雨量偏少(174.7
mm)有关; 而 N240 处理 0~200 cm土壤硝态氮累积
量一直呈明显的增加趋势。从第 6 季作物收获后到
第 12季作物收获后, N120处理和N240处理的 0~200
cm 土壤残留硝态氮累积量的增加速率分别为 16.1
kg·hm−2·a−1和 154.7 kg·hm−2·a−1。

表 2 不同栽培模式下不同时期土壤硝态氮的残留量
Tab. 2 Residual nitrate N in soils under different cultivation patterns at different times kg·hm−2
第 6季作物收获后(2006年 6月)
After harvest of the 6th crop (June 2006)
第 8季作物收获后(2007年 6月)
After harvest of the 8th crop (June 2007)
第 12季作物收获后(2009年 6月)
After harvest of the12th crop (June 2009)
栽培模式
Cultivation
pattern 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm
常规 Conventional 111.1ab 70.5a 181.6a 110.5b 93.3b 203.8b 112.3b 114.7a 227.0c
节水 Water-saving 148.3a 114.4a 262.7a 177.8a 170.4a 348.2a 206.8ab 223.5a 430.3ab
覆草 Straw mulching 70.8ab 90.9a 161.7a 111.9b 89.4b 201.4b 168.4b 144.1a 312.5bc
垄沟 Furrow planting 53.4b 110.6a 164.0a 202.3a 161.2a 363.5a 341.3a 177.3a 518.6a
同列数据后不同字母表示处理间差异达 5%显著水平。下同。Different letters in the same column mean significant difference at 5% level. The
same below.
696 中国生态农业学报 2010 第 18卷


表 3 不同施氮量下不同时期土壤硝态氮残留量
Tab. 3 Residual nitrate N in soils under different N fertilizer rates at different times kg·hm−2
第 6季作物收获后(2006年 6月)
After harvest of the 6th crop (June 2006)
第 8季作物收获后(2007年 6月)
After harvest of the 8th crop (June 2007)
第 12季作物收获后(2009年 6月)
After harvest of the12th crop (June 2009)
施氮量
N fertilizer rate
[kg(N)·hm−2] 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm 0~100 cm 100~200 cm 0~200 cm
0 17.7b 11.9b 29.6b 41.8c 27.5b 69.3c 41.0b 15.0b 56.1c
120 48.7b 49.0b 97.7b 98.7b 57.6b 156.3b 113.5b 32.5b 146.0b
240 221.3a 228.9a 450.2a 311.3a 300.7a 612.1a 467.1a 447.2a 914.2a

2.4 不同栽培模式及施氮量对残留硝态氮在土壤
剖面分布的影响
经过 6 年的种植, 由于施氮量不同, 各栽培模
式下土壤剖面残留硝态氮分布数量也不相同(图 1)。
N0处理下休闲、覆草、节水和垄沟栽培模式 0~40 cm
土层硝态氮残留量比常规模式高, 垄沟和节水模式
显著高于常规模式; 60 cm以下垄沟和节水模式硝态
氮残留量高于其他两种栽培模式。与常规栽培模式
相比, 休闲处理 0~200 cm土壤残留硝态氮累积量增
加, 这与休闲处理未种植作物有关。N120 处理下,
垄沟和节水模式在 0~40 cm有 1个明显的硝态氮累
积, 垄沟和节水模式在 0~120 cm土壤剖面硝态氮残
留量高于常规和覆草。N240处理下, 垄沟模式 0~40
cm土壤剖面硝态氮残留量显著高于其他 3种栽培模
式; 节水模式 140 cm以下残留硝态氮数量最高。
相同模式下, 与 N0和 N120处理相比, N240处
理 0~200 cm 各土层硝态氮残留量均最高。N0 和
N120 处理在 120 cm以下土壤剖面硝态氮残留量相
对一致, 变化不大; 而 N240 处理硝态氮残留量在
120 cm以下随深度增加而增加, 在 160 cm左右出现
硝态氮的累积峰, 说明过量施用氮肥导致硝态氮在
100~200 cm土壤剖面显著累积。


图 1 不同栽培模式及不同施氮量下 0~200 cm土壤剖面硝态氮残留量(2009年 6月)
Fig. 1 Residual nitrate N in 0~200 cm soil profiles under different cultivation patterns and nitrogen fertilizer rates (June 2009)

3 讨论
本研究发现, 与常规栽培模式相比, 连续 5 年
覆草和垄沟栽培模式显著增加了 0~20 cm土层有机
质和全氮含量。这与国内外多数研究结果一致。
Martyn等[22]研究表明, 18年长期秸秆还田土壤全氮
比常规栽培增加 10%。王玉坤等[23]研究发现, 小麦
秸秆连续覆盖 2年后, 土壤有机质增加 1.4 g·kg−1,
全氮增加 0.2 g·kg−1。在黄土高原地区连续 2 年覆
草 6 000 kg·hm−2后, 0~20 cm土层的有机质含量为
14.75~15.67 g·kg−1; 连续覆盖 3年后, 有机质含量
增加到 16.18 g·kg−1[24]。覆草和垄沟栽培提高土壤
有机质及全氮含量, 主要与两种栽培模式通过秸秆
补充养分及秸秆覆盖有效防止由于地表径流和地下
水径流造成的肥土流失有关。增施氮肥也提高了表
层土壤有机质和全氮含量, 这与施氮肥促使作物生
长繁茂, 根茬、秸秆等残留量增多有关[25]。
本研究发现, N240处理在 0~100 cm和 100~200
cm 土壤剖面的硝态氮累积量显著高于 N120 和 N0
处理。高亚军等 [26]研究也发现 , 施氮量为 240
kg·hm−2 的土壤硝态氮残留量远高于施氮量 120
kg·hm−2 处理。张树兰等[27]研究发现, 当施氮量超
过 260 kg·hm−2时, 土壤硝态氮累积量随施氮量的
增加而显著增加。可见控制氮肥施用量是减少硝态
第 4期 张 宏等: 不同栽培模式及施氮对玉米−小麦轮作体系土壤肥力及硝态氮累积的影响 697


氮在土壤中累积的主要措施。
与王春阳等 [28]对同一试验第 5 季作物收获后
0~200 cm土壤剖面累积硝态氮量及分布相比, 本试
验中, 第 12季作物收获后土壤剖面下层硝态氮累积
量不仅显著增加, 且累积峰有向下迁移的趋势。一
些研究[29−30]认为, 黄土区冬小麦约有 95%的根系分
布在 160 cm 以上土层。多数学者认为, 冬小麦主要
利用 100 cm 以上土体中的氮素。因此, 淋溶至 160
cm 以下土层的硝态氮, 可能难以为作物根系吸收
利用, 这不仅造成肥料资源的浪费, 同时也会污染
环境。
本研究同时表明, 同一氮肥用量下不同栽培模
式对 0~200 cm 土壤剖面累积硝态氮量及分布会产
生不同的影响。垄沟栽培 0~200 cm土壤硝态氮残留
量显著高于节水、覆草和常规栽培模式。高亚军等[20]
在渭北旱塬彬县的研究也表明, 在旱地一年 1 熟的
种植方式下, 与常规无覆盖模式相比, 垄沟种植和
地膜覆盖增加了土壤 0~200 cm 的硝态氮残留量 ,
秸秆覆盖对作物氮素吸收和硝态氮残留均无明显影
响。可见, 硝态氮的淋失不仅与施入土壤的氮素数
量有关系, 而且与影响土壤水分状况的栽培模式有
密切的关系。因此, 有必要进一步深入研究不同栽
培模式对土壤水分、温度和作物氮素吸收的效应 ,
进而揭示不同栽培模式下土壤氮素矿化、吸收和迁
移过程与硝态氮在土壤剖面的累积与分布的关系。
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