全 文 ：中国生态农业学报 2011年 9月 第 19卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2011, 19(5): 997−1003 30年研究与示范回顾


* 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZXX2-YW-Q02-02)和国家自然科学基金委员会 NSFC-DFG(中德)合作与交流项目资助
胡春胜(1965~), 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事农田生态系统碳氮循环研究。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn
收稿日期: 2011-05-12 接受日期: 2011-06-20
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00997
华北山前平原农田生态系统氮通量与调控*
胡春胜 董文旭 张玉铭 程一松 李晓欣 杨莉琳
(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)
摘 要 针对华北太行山前平原冬小麦−夏玉米轮作农田, 研究农田常规施肥[400 kg(N)·hm−2·a−1]条件下作物
氮素吸收与损失通量过程, 并根据各氮素输出通量特征开展管理调控。研究结果表明, 全年小麦−玉米轮作农
田系统氮输入总量为 561~580 kg(N)·hm−2, 输出量 468~494 kg(N)·hm−2, 两季作物总盈余 86~93 kg(N)·hm−2, 其
中有机氮为 24~36 kg·hm−2。氨挥发和 NO3−-N 淋溶损失是该区域农田氮素损失的主要途径, 是氮肥利用率低
的重要原因。平均每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为 60 kg(N)·hm−2, NO3−-N 淋溶损失量为 47~84
kg(N)·hm−2, 两者占施肥总量的 30%。每年因硝化−反硝化过程造成的肥料损失很小, 仅为 5.0~8.7 kg(N)·hm−2。
通过施肥后适时灌水、合理调控灌水时间与用量, 以及利用秸秆还田与肥料混合施用等管理措施可改善氮素
的迁移和转化规律, 有效减少氨挥发和 NO3−-N淋溶损失, 并结合缓/控释肥与精准施肥技术, 充分利用土壤本
身矿质氮素, 可有效提高养分利用效率和作物产量, 改善农田生态环境与促进农业持续和谐发展。
关键词 华北山前平原 农田生态系统 小麦−玉米轮作 氮通量 氮素损失 灌溉 施肥 氮肥利用效率
中图分类号: S19 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)05-0997-07
Nitrogen flux and its manipulation in the cropland
ecosystem of the North China Plain
HU Chun-Sheng, DONG Wen-Xu, ZHANG Yu-Ming, CHENG Yi-Song, LI Xiao-Xin, YANG Li-Lin
(Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,
Shijiazhuang 050022, China)
Abstract The North China Plain (NCP) is one of the areas of intensive cereal production in China, producing large winter wheat
and summer maize. A critical challenge facing the agro-production sector of the NCP, however, includes over-application of chemical
fertilizers, excessive soil nutrient accumulation and declining nutrient use efficiency. This study investigated relationship between
nitrogen (N) flux and crop nutrient uptake/loss processes under conventional fertilization at 400 kg(N)·hm−2·a−1 in the winter
wheat/summer maize crop rotation system in the piedmont region of NCP. The management practices of the fields were adjusted on
the basis of the characteristics of N output fluxes. The results showed that in the region, a total N input of 561~580 kg·hm−2 and out-
put of 468~494 kg·hm−2 resulted in a N surplus of 86~93 kg·hm−2 per year. Organic N load in the study area was 24~36 kg·hm−2. N
loss via ammonia volatilization and NO3−-N leaching was 60 kg·hm−2 and 47~84 kg·hm−2 per year, respectively, collectively ac-
counting for 30% of applied N fertilizer in the region. N loss via nitrification-denitrification was only 5.0~8.7 kg·hm−2 per year, ac-
counting for 1%~2% of applied N fertilizer. Ammonia volatilization and NO3−-N leaching were the main modes of N loss, and there-
fore the main drivers of lower N fertilizer utilization rate in the study area. Appropriate management practices such as adjustments of
the rates and time of N fertilization and irrigation were important for decreasing ammonia volatilization, NO3−-N accumulation in
deep soil profile and therefore the mitigation of NO3−-N loss in the region. Amendments with wheat/corn straw changed the rates of
N transformation and migration in the soil, which also resulted in low NH3 loss and NO3−-N leaching. Analysis of precision fertiliza-
tion via NO3−-N or hyper-spectra information feature also showed that the main indices of N loss were the amount of soil available
nutrient and crop nutrient content. This laid the basis for efficient fertilizer application in the study area. Control-release fertilizer and
precision fertilization techniques improved crop nutrient uptake, which in turn increased N use efficiency. An integrated fertilizer
utilization technique for sustainable environmental and agricultural development in the piedmont region of NCP was possible.
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Key words Piedmont region of North China Plain, Cropland ecosystem, Wheat/corn crop rotation, Nitrogen flux, Nitrogen
loss, Irrigation, Fertilization, Nutrient use efficiency
(Received May 12, 2011; accepted Jun. 20, 2011)
华北是我国主要粮食产区, 太行山前平原又是
华北平原农业生产的高产区。冬小麦−夏玉米轮作是
该区主要的粮食种植体系, 农民为追求高产过量施
用氮肥的现象普遍存在。据调查, 该区氮肥年平均
用量已超过 400 kg(N)·hm−2, 有些高产田块已超过
500 kg(N)·hm−2。过量施肥已经造成明显的环境问题,
20世纪 90年代初张维理等[1]调查发现农业施肥造成
华北地区地下水硝酸盐污染现象; 而刘宏斌等 [2]的
研究表明 , 北京冬小麦−夏玉米轮作粮田浅层地下
水 NO3−平均含量为 18 mg·L−1, 超标率已达 55%。当
前不合理的农田施肥管理措施已经严重影响到本区
域的农业经济和生态环境的可持续发展。近年来 ,
针对华北地区冬小麦−夏玉米轮作体系在农田氮素
来源与去向等各个方面已经开展了大量的研究工作,
但多集中在对单个或几个通量过程的机理、参数及
影响因素的研究 [3−5], 鲜见田间实际条件下同时同
地监测土壤−作物体系中氮素各个转化过程及去向的
定量试验数据[6−7]。因此需要具有针对性综合调控管理
措施, 总体改善氮素循环过程并提高肥料利用率。
本文以华北太行山前平原高产农区冬小麦−夏
玉米轮作农田为研究对象, 结合长期肥料试验与当
地常规农田, 对农田生态系统中作物氮素的吸收、
氨挥发、NO3−-N 淋溶损失、氮素硝化−反硝化损失
等氮通量进行田间原位监测, 综合评价该区域农田
生态系统氮素的平衡状况, 为定量评价农田氮素不
同损失途径的相对重要性提供依据, 并根据当地实
际状况, 提出降低氮素损失、提高肥料利用率的合
理调控措施。
1 材料与方法
1.1 试验地概况及试验设计
试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站
(简称栾城试验站)进行, 种植制度为冬小麦−夏玉米
轮作。该站位于华北太行山前平原, 北纬 37°53′, 东
经 114°41′, 海拔高度 50.1 m, 属中国东部暖温带半
湿润季风气候, 年平均气温 12.2 ℃ , 年降雨量平均
536.8 mm, 主要集中在 7、8、9月, 雨热同期, 年无
霜期 200 d 左右。土壤类型为潮褐土。耕层土壤有
机质含量 12~13 g·kg−1, 全氮 0.8~0.9 g·kg−1, pH 为
7.6~8.0, 土壤黏粒含量 45~47 g·kg−1, 阳离子交换量
11~11.5 g·kg−1。
试验地为 NPK循环与平衡长期定位试验地, 选
择传统施肥处理, 即每年氮肥施用量 400 kg(N)·hm−2。
氮肥品种为尿素 , 小麦季与玉米季各施入 200
kg(N)·hm−2。小麦季分为基肥和追肥两次施用, 每次
施肥为全生育期用量的 1/2, 基肥于小麦播种前撒施
然后旋耕播种, 追肥于拔节期撒施并立即灌溉。玉
米季肥料于拔节期 1 次施入, 施肥方法为撒施立即
灌溉。磷肥用量为 65 kg(P)·hm−2, 品种为过磷酸钙,
在小麦播种时 1次施入。
调控试验选择周围农户农田, 为保证数据可比
性, 调控试验年份除控制要求外, 其他管理措施与
NPK循环与平衡长期定位试验地管理措施相同。具
体试验设置如下:
不同灌溉水平试验: 设限制灌溉、优化灌溉和
传统灌溉 3 个处理, 每个处理设 3 次重复, 随机排
列。限制灌溉处理小麦季不进行灌水, 玉米季为保
证出苗灌溉 1 水; 优化灌溉处理小麦季灌溉 2~3 水,
玉米季按需灌溉; 传统灌溉处理小麦季灌溉 4~5 水,
玉米季按需灌溉。灌溉方式采用地面畦灌, 每次灌
溉量 75 mm。
不同秸秆还田试验: 试验于 2001 年开始, 根据
冬小麦播种时的玉米秸秆还田方式, 设置无秸秆还
田翻耕(CK)和秸秆还田翻耕(F)。不同秸秆还田方式
的肥料投入和灌水量保持一致 , 灌溉方式为喷灌 ,
充分灌溉¸ 每次灌溉量 40 mm。
室内培养试验: ①施肥后不同浇水方式对氨挥
发的影响。试验目的为土壤初始水分以及施肥后不
同时间间隔浇水对氨挥发的影响。设置 10%、15%、
25% 3 个土壤初始水分, 每个初始水分下又分为不
浇水(CK)和在施肥后第 1 d、第 2 d、第 3 d浇水, 组
成完全方案。共 12个处理, 3次重复。肥料表施 0.55
g尿素于 400 g土中, 相当于 150 kg·hm−2。其中, 除
不浇水处理外, 其他处理根据浇水后保持土壤水分
含量相同, 进行差额浇水。然后将装好土样的培养
皿放入氨气吸收装置内测定氨挥发量, 每天更换海
绵, 直到氨挥发速率降到背景值。②不同秸秆添加
物对氨挥发的影响。设尿素、尿素+小麦秸秆、尿素
+玉米秸秆 3个处理, 3次重复, 分别用 UH、WH和
CH表示。尿素施用量为每个培养皿 0.53 g, 相当于
大田 100 kg·hm−2用量, 小麦秸秆和玉米秸秆用量分
别为每个培养皿 30 g, 相当于大田 6 000 kg·hm−2的
施用量 , 浇水量分别为 10 mL, 使土壤含水量为
27.5%。试验开始时将尿素、小麦秸秆以及玉米秸秆
第 5期 胡春胜等: 华北山前平原农田生态系统氮通量与调控 999


粉碎后与粉碎风干土壤完全混匀 , 装入培养皿中 ,
水量一次性浇足。其他操作同上试验。该试验于 2004
年 4月进行。
1.2 氮素循环中各转化或迁移过程通量的测定
干湿沉降: 在栾城试验站气象观测站设置干湿
沉降收集器, 在每次降水发生时, 收集降水并测降
水量, 样品放入 150 mL塑料瓶中, 密封−18 ℃冷冻
以备分析, 沉降总量根据降雨中全氮浓度与降雨量
乘积并加和得出。灌溉输入氮量: 测定灌溉水全氮
量并记录灌溉水量, 计算同干湿沉降。
氮矿化: 采用土壤原位培养的方法, 即用田间
不施肥区无机氮的变化和植物的实际吸氮量计算土
壤的实际矿化量[8]。
作物吸收: 作物收获时每个监测点收获 3 m2样
方进行籽粒和秸秆测产, 并分析其氮素含量以获得
秸秆还田氮量和籽粒携出氮量。
氨挥发: 采用不干扰自然气象条件的微气象学
梯度扩散法, 每次施肥后连续测定 10~20 d[9]; 调控
试验中氨挥发采用动态式箱法[10], 以比较不同措施
下氨挥发差异。
硝化−反硝化损失: 采用乙炔抑制−原状土柱培
育法[11], 每次施肥、灌水后连续测定 10 d, 之后每周
测定 1次。
NO3−-N淋失: 通过采集剖面土壤溶液并分析其
NO3−-N 含量, 结合水量平衡法计算出土壤水分渗漏
量和 NO3−-N 淋失量[12−13]。如果土壤含水量太低、
不能抽取出土壤溶液时 , 用土钻取土测定 NO3−含
量。一般认为本区域小麦−玉米轮作农田作物根系主
要集中在 0~180 cm土体中[14], 因此设定 180 cm处
为计算土壤水分和 NO3−-N渗漏损失的下边界。华北
地区水资源紧缺, 土壤含水量较低, 降雨一般不会
引起地表径流, 径流氮损失在此不予考虑。
1.3 精准施肥推荐指标测定
叶片氮素含量和叶绿素含量测量。采集植物样
品, 用压汁钳反复挤压出汁, 将挤出的组织汁液浓
度稀释为原来的 1/2 左右。将重氮化偶合比色试纸
条插入待测液中, 反应约 7 s, 取出后插入反射仪中
比色, 直接读出浓度。叶绿素用 80%的丙酮提取, 用
分光光度计比色测定叶绿素含量。采集同一测量小
区的叶片, 测量鲜叶重量, 同时测量样本区的植株
密度, 从而计算出单位面积的鲜叶生物量。叶片叶
绿素密度等于叶绿素含量与单位面积鲜叶生物量的
乘积。
光谱测量。用美国分析光谱仪器公司(Analytical
Spectral Devices, ASD 公司 )生产的 ASD Field-
SpecHandHeld (TM)(UV/VNIR)野外光谱仪测定作
物冠层反射光谱特征。可在 325~1 075 nm波长范围
内进行连续测量, 光谱分辨率为 3.5 nm, 波段数 512,
视场角度 7.5°。测量时选择晴朗无风的天气 , 在
11:00~14:00 之间观测, 每个样区观测 5 次, 取平均
值代表光谱反射率值。
1.4 数据处理
本研究数据处理采用 Excel方法和 SPSS 11.0的
ANOVA程序对调控措施下不同处理间氨挥发、土壤
NO3−-N含量和累积量进行方差分析和 LSD检验。
2 结果与分析
2.1 小麦−玉米农田系统氮循环过程各通量
农田氮循环过程中输入项包括肥料氮、秸秆还
田返还土壤中的氮、大气沉降所带入的氮和灌溉水
引入的氮。如图 1 所示, 除施用化肥氮以外, 秸秆
还田是农田氮素输入的另一重要途径, 每年通过秸
秆还田归还农田的氮素总量为 104~119 kg·hm−2, 其
中每年通过小麦秸秆归还农田 32 kg·hm−2, 通过玉
米秸秆归还农田 72~87 kg·hm−2。大气氮沉降包括干
沉降和湿沉降两种。由于测定条件所限, 本研究只
测定带有胶体颗粒的雨水中混合沉降, 氮干沉降未
计算在此内。全年通过降水带入农田的氮素为
40~53 kg·hm−2。本区域属暖温带半湿润半干旱季风
气候区, 雨量季节性分配不均, 小麦生长期间干旱
少雨, 通过降水带入农田的氮素较少; 玉米生长期
间正值高温多雨季节, 通过降雨带入农田的氮素量
多于小麦季。
含有一定量硝酸盐的灌溉水也是农田氮素输入
的途径之一。全年随灌溉水输入农田的氮素量平均
为 17.1~18.2 kg·hm−2。灌溉水中氮素浓度一般为
2.57~5.11 mg·L−1, 小麦、玉米生长期间灌溉量分别
为 335~346 mm和 120~137 mm。由于本区域小麦生
长期间降水少, 灌溉用水明显多于玉米季, 由此输
入的氮量亦高于玉米季。
矿化是土壤有机氮经土壤微生物活动释放出矿质
氮的过程, 也是作物吸收无机氮素的重要来源。小麦−
玉米轮作周期全年氮净矿化量 80.5 kg·hm−2。土壤氮素
的净矿化通量存在着较高的时空变异性。在作物收获
后秸秆还田刺激土壤微生物活动, 其总量迅速增加 ,
仅靠分解秸秆中的氮难以满足自身需要, 必须摄取
土壤中速效氮转化为微生物体的有机氮, 土壤氮素
的净矿化速率为负值, 即土壤矿质氮被固定。随着
秸秆逐步被分解, 净矿化速率逐渐转为正值, 其中
全年高温多雨的 7、8月份土壤氮素的净矿化速率最
高, 达到 0.88 kg·hm−2, 土壤中有机态氮逐渐被矿化
释放为作物所吸收利用。
1000 中国生态农业学报 2011 第 19卷




图 1 华北山前平原农田生态系统氮循环通量示意图 (单位: kg·hm−2·a−1)
Fig. 1 Nitrogen flux in cropland ecosystem in the pediment of North China Plain (Unit: kg·hm−2·a−1)

作物收获氮素输出。每年通过小麦收获输出的
氮素量为 162~177 kg·hm−2, 其中籽实收获输出
130~145 kg·hm−2; 每年通过玉米收获输出的氮素量
为 179~198 kg·hm−2, 其中籽实收获输出 102~106
kg·hm−2。
农田氮素损失。氨挥发是本区域农田氮素损失
的重要途径之一, 全年通过氨挥发损失的氮素量为
60 kg·hm−2, 占肥料施入量的 16%。氨挥发损失主要
发生在施肥后 2 周的短期时间内。小麦底肥氨挥发
损失量最低, 仅为 1.17 kg(N)·hm−2, 占当季肥料施
入量的 1%; 小麦追肥时氨挥发损失量为 17.1
kg(N)·hm−2, 占当季肥料施入量的 17%。玉米生长期
间氨挥发损失量最高, 达 41.8 kg(N)·hm−2, 占当季
肥料施入量的 21%。
NO3−-N 淋溶损失是本区域氮素损失的另一重
要途径。全年通过淋溶损失氮素量为 47~60.7
kg·hm−2, 基本占肥料施入量的 12%~15%。硝态氮的
淋溶损失取决于降水(或灌溉)引起的深层土壤水分
渗漏量和渗漏液中NO3−-N的浓度, 由于不同年型降
雨量/灌溉量的不同, 水分渗漏量不同, 淋溶损失亦
存在明显的年际和季节性差异, 一般发生在高温多
雨的玉米生长季节。
反硝化损失在氮素损失中所占比例最小, 每年
通过硝化−反硝化损失掉的氮素为 5.0~8.7 kg·hm−2,
仅占氮素施用量的 1%~2%, 虽然硝化−反硝化过程
不是氮素损失的重要途径, 但由此引起的 N2O 排放
对环境的效应不容忽视[15]。
2.2 氮循环中各通量之间的平衡特征
在全年化肥氮投入为 400 kg·hm−2情境下, 全年
小麦−玉米轮作农田系统氮素输入总量为 561~580
kg·hm−2, 输出 468~494 kg·hm−2, 两季作物总的氮素
平衡处于盈余状态, 盈余量为 86~93 kg·hm−2。由于
系统内存在有机到无机的矿化过程, 前文中表明系
统全年投入秸秆有机氮 104~119 kg·hm−2, 而净矿化
量为 80 kg·hm−2, 故系统中每年有机氮净增量为
24~36 kg·hm−2, 无机氮净增量 55~62 kg·hm−2。说明
当前氮素投入情况下 , 小麦−玉米轮作农田系统氮
循环基本处于良性状态, 盈余氮素补充了土壤氮库
特别是有机氮库, 培肥了土壤地力。但是, 逐渐累积
的无机氮如果不能被作物吸收或转化为有机氮, 则
对环境存在潜在威胁。另外, 系统中每年以氨挥发、
淋失或反硝化形式向外界环境输出氮素量为
115~126 kg·hm−2, 占施肥总量的 30%以上, 已经造
成一定的资源浪费和环境污染问题。针对当前施肥
第 5期 胡春胜等: 华北山前平原农田生态系统氮通量与调控 1001


与管理措施有必要进行合理调控, 使氮素施用既能
满足作物生长的总量需求, 又能维持和提高土壤肥
力; 同时维持良好的生态效益, 提高养分资源利用
效率。
3 提高氮肥利用率, 减少农田氮损失的调控
措施
3.1 精量准确施肥
充分利用作物对土壤中矿质氮的竞争吸收能力,
选择恰当施肥时期和适宜的氮肥施用量。2005~2007
年在栾城试验站进行精准施肥试验, 根据土壤养分
状况确定作物基肥用量, 而根据作物不同时期养分
丰缺状况确定追肥用量以及追肥时间[16]。在华北地
区 NO3−-N 是氮素的主要存在形态且占土壤无机氮
的 80%~90%, 并与作物产量和吸氮量之间存在密切
相关关系, 因此选择NO3−-N作为诊断指标推荐基肥
施用量。首先通过大量调查, 建立土壤 NO3−-N含量
与冬小麦产量之间定量关系, 并对土壤进行养分分
级, 施肥之前测定土壤 NO3−-N含量, 依此差额补充
施肥。以小麦为例 , 当表土 NO3−-N 含量低于 10
mg·kg−1 时, 推荐施氮量为 40~55 kg(N)·hm−2, 随含
量增加减少施肥量, 当含量高于 40 mg·kg−1时, 可以
不施用基肥。
由于植物自身组织直接反映了植株养分满足程
度和土壤中该元素的供应水平, 依此可作为作物推
荐追肥快速诊断方法。以植株硝酸盐含量作为诊断
指标 , 研究其分布变化特征与施肥和产量的关系 ,
结果发现, 玉米叶脉的 NO3−浓度与施氮量和产量有
显著相关关系[16]。如图 2 所示, 随着氮肥施用量的
增加, 玉米叶脉 NO3−含量明显增加, 但当 NO3−含量
达到一定浓度后产量基本不再增加。因此, 实际追
肥时应根据 NO3−含量与目标产量之间的定量关系,
精量施肥提高作物的氮肥经济利用效率。值得注意
的是有些情况下植物组织养分浓度并不与其满足程
度呈正相关(稀释效应), 而是与作物不同组织部位、
生长阶段、环境因子及其他元素含量有关。因此进
行植株养分诊断施肥时必须首先明确采样时间和部
位, 才能获得准确结果。
除直接测定植株硝酸盐含量之外, 2004~2006年
开展了利用高光谱遥感法作为植物营养快速诊断方
法, 指导推荐施肥试验[17]。由于叶片含氮量和叶绿
素之间的变化趋势相似, 所以可以通过遥感测定叶
绿素来监测植株氮素营养状况。利用光谱仪进行大
田小麦观测发现, 叶绿素密度、叶绿素含量和叶面
积指数均可用高光谱遥感特征曲线中包含的近红外
反射峰值、绿峰和红端位移等信息和参量来模拟 ,
在孕穗期可得到 R2>0.78 的线性方程, 且用叶绿素
密度作为特征参量效果更好, 在抽穗和孕穗期均有
很好的相关性。



图 2 夏玉米叶脉 NO3−测定值与施氮量及相对产量的关系
Fig. 2 Relationship between nitrate concentration in corn vein
and rates of applied N fertilizer, relative yield

3.2 缓/控释肥促进作物吸收提高肥料利用效率
缓/控释肥可以避免土壤中过量矿质氮的积累,
以减少各转化过程中向外界迁移和扩散, 提高肥料
利用效率。2007年以涂层尿素、树脂包衣缓释肥、
硫包衣缓释肥和普通尿素为供试肥料, 进行缓/控肥
试验, 结果如表 1。对同种肥料而言, 传统用量氨挥
发损失量高于适宜用量 ; 在相同肥料用量情况下 ,
普通尿素氨挥发损失量及肥料损失率最高, 缓/控释
肥料氨挥发量自大而小的顺序为 : 硫包衣尿素>涂
层尿素>树脂包衣尿素。研究结果表明, 新型肥料极
大地降低了肥料的氨挥发损失。
3.3 合理水肥措施阻控氮素损失
土壤中硝酸盐的积累与下渗的水流是硝酸盐淋
洗进入地下水必须具备的条件。优化水肥管理, 使
肥料与灌溉的分配与作物生理需求同步, 是防止和

表 1 施用不同包衣肥料后土壤氨挥发损失
Table 1 Soil nitrogen loss through ammonia volatilization under different coated fertilizers
项目
Item
氮肥用量
Applied N fertilizer (kg·hm−2)
树脂包衣尿素
Resin-coat urea
硫包衣尿素
S-coat urea
涂层尿素
Coat-urea
普通尿素
Urea
氨挥发 Ammonia volatilization [kg(N)·hm−2] 1.9 2.8 2.1 11.9
肥料损失率 Loss rate of N fertilizer (%)
126

1.5 2.2 1.7 9.4
氨挥发 Ammonia volatilization [kg(N)·hm−2] 2.8 4.3 3.8 22.0
肥料损失率 Loss rate of N fertilizer (%)
250

1.1 1.7 1.5 9.0
1002 中国生态农业学报 2011 第 19卷


减轻氮素淋失的有效手段。根据小麦和玉米需水规
律, 2003~2005年测定了 3个不同灌水量处理下NO3−
的累积变化, 结果见表 2[18]。在 0~400 cm土体中限
制灌溉和优化灌溉处理累积的 NO3−显著高于传统
灌溉处理; 从剖面分配比例看, 限制灌溉和优化灌
溉 0~200 cm占 0~400 cm土层总累积比例也明显大
于传统灌溉处理, 说明传统过量灌溉已导致大量硝
酸盐淋洗出作物吸收层, 难以被作物吸收利用。而
在本区域已有研究表明, 适度干旱促进作物根系的
下扎, 提高对深层土壤水分和养分的吸收比例。适
当减少灌水次数和灌水量, 水分和养分以及产量利
用效率均明显提高。
针对氨挥发损失, 进行了水分与浇水时间的调
控试验[19]。浇水显著降低氨挥发量, 在土壤初始水
分含量为 20%和 25%时, 施肥后立即浇水处理氨挥
发量分别为 23 kg·hm−2和 25 kg·hm−2, 比相应 CK处
理减少 57%和 40%。从浇水时间看, 总的趋势是随
着浇水时间的拖后, 氨挥发损失逐渐增大。当水分
含量为 10%时, 第 1 d浇水比第 2 d和第 3 d浇水氨
挥发损失量减少 6.8 kg·hm−2和 10.7 kg·hm−2, 但随着
土壤初始水分的增加 , 浇水处理之间差异越来越
小。这一结果对氮素损失综合调控具有重要意义 ,
即在玉米季, 尽量选择低土壤水分含量时施肥, 并
立即浇水; 而在较高水分条件下施肥时, 可以适当
延迟浇水时间, 避免肥料的大量淋洗损失, 综合提
高肥料利用率。

表 2 不同灌溉措施下土体 NO3−剖面累积与分布比例
Table 2 Accumulation of nitrate and its ratio along soil profile under different irrigation treatments
0~200 cm 200~400 cm 0~400 cm
灌溉措施
Irrigation treatment
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
占 0~400 cm比例
Ratio to total in
0~400 cm (%)
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
占 0~400 cm比例
Ratio to total in
0~400 cm ( %)
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
限制灌溉 Limited irrigation 1 100a 75.2 363ab 24.8 1 463a
优化灌溉 Opium irrigation 451b 48.0 488a 52.0 939b
传统灌溉 Traditional irrigation 202c 40.0 302b 60.0 504c
同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05) Different small letters in the same column mean significant difference (P < 0.05).

3.4 秸秆还田改善土壤碳氮转化过程
作物秸秆和肥料混施于土壤中, 可改变氮素的有
机与无机形态的转化过程, 使之符合作物的吸氮规律,
从而达到降低氮素向外界迁移提高氮肥利用率的目的。
2004 年进行了秸秆施用对施肥初期土壤氮素含
量和氨挥发损失影响的小区试验[20]。结果表明, 施用
秸秆可显著改变尿素的水解以及氨挥发过程。与单施
化肥相比, 小麦或玉米秸秆混合配施化肥增加了石灰
性土壤的尿素水解速率, 缩短了尿素的氨挥发时间,
并可显著减少氨挥发损失。单施尿素的累积氨挥发损
失量占尿素施用量的 7.2%~9.7%, 而小麦或玉米秸秆
配施尿素的累积氨挥发损失量分别占尿素施用量的
1.1%~2.1% 和 2.2%~7.2%。因此, 为了减少农田氨挥
发损失, 在施用尿素时应充分考虑土壤水分状况和秸
秆生物利用性对氨挥发的影响。
施用秸秆也显著影响 NH4+的硝化过程。从图 3可
以看出[18], NO3−浓度在施肥后 10 d之内基本保持上升
状态, 说明 NH4+-N 经硝化作用迅速转化为 NO3−-N。
添加小麦秸秆(WH)和玉米秸秆(CH)处理中的 NO3−浓
度明显低于相对应仅施尿素处理(UH)。特别是在施肥
第 5 d之后, 施用秸秆处理强烈抑制了土壤 NO3−的升
高。其中小麦秸秆抑制 NO3−的升高效果优于玉米秸秆,
主要由于小麦秸秆的 C/N比大于玉米秸秆。


图 3 秸秆与肥料混施后土壤中 NO3−含量变化
Fig. 3 Dynamics of nitrate concentration in soil amended by
the mixture of straw and fertilizer
UH: 尿素处理 Urea treatment; WH: 尿素+小麦秸秆处理 Urea and
wheat straw treatment; CH: 尿素+玉米秸秆处理 Urea and corn straw treatment.

为验证施用秸秆对氮素淋失影响的田间实际效
应, 2007 年在大田条件下测定了不同秸秆处理下土
壤剖面 NO3−的累积变化, 结果见表 3。在 0~400 cm
土体中秸秆还田处理 NO3−累积量略高于无秸秆处
理(CK); 从剖面分配比例看, 秸秆还田处理 0~200
cm占 0~400 cm土层总累积比例也明显大于无秸秆
处理。说明秸秆还田促进了前期无机化肥向有机氮
的转化, 且后期又缓慢释放为无机氮, 减缓了集中
的水肥过程对 NO3−向深层土体的淋失。
第 5期 胡春胜等: 华北山前平原农田生态系统氮通量与调控 1003


表 3 不同秸秆还田措施下土体 NO3−剖面累积与分布比例
Table 3 Accumulation of nitrate and its ratio along soil profile under different straw treatments
0~200 cm 200~400 cm 0~400 cm
还田措施
Straw treatment
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
占 0~400cm比例
Ratio to total in
0~400 cm (%)
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
占 0~400 cm比例
Ratio to total in
0~400 cm (%)
NO3−累积量
Accumulated nitrate
(kg·hm−2)
对照 CK 450 50 447 55 905
秸秆还田 Returned straw 506 55 419 45 925

4 结论
华北太行山前平原冬小麦−夏玉米轮作农田区,
除施用化肥 400 kg(N)·hm−2·a−1(农田常规施肥)以外,
秸秆还田是氮素补充的最重要途径, 每年通过秸秆
归还农田的氮素总量为 104~119 kg·hm−2; 其次为氮
沉降, 全年混合沉降氮素为 40~53 kg·hm−2; 随灌溉
水输入农田的氮素量最少(17.1~18.2 kg·hm−2)。全年
农田系统氮素输入总量为 561~580 kg·hm−2。
氨挥发和 NO3−-N 淋溶损失是本区域农田氮素
损失的主要途径, 平均每年因氨挥发而造成的肥料
氮损失量为 60 kg(N)·hm−2, NO3−-N 淋溶损失量为
47~84 kg(N)·hm−2, 两者占施肥总量的 26%~30%。每
年因硝化−反硝化过程造成的肥料损失很小, 仅为
5.0~8.7 kg(N)·hm−2。综合作物吸收与氮素损失输出
量 468~494 kg(N)·hm−2, 系 统 年 盈 余 86~93
kg(N)·hm−2。而土壤有机氮净矿化量为 80 kg·hm−2,
故系统中每年有机氮净增量为 24~36 kg·hm−2, 无机
氮净增量 55~62 kg·hm−2, 盈余氮素补充了有机氮库,
培肥了土壤地力。
过量累积的无机氮对环境造成潜在威胁, 需对
当前施肥措施进行调控。通过采用作物播种前测定
土壤肥力确定合理基肥用量, 作物生育期测定植株
内 NO3−含量选择合理追肥时期和用量, 可以减少矿
质氮过量累积。通过包衣尿素调整肥料释放与作物
需求关系, 可以减少氮素损失促进作物吸收利用。
改善氮素的转化与迁移过程, 可有效减少氨挥发和
NO3−-N 淋溶损失, 提高肥料利用率。因此, 在当前
施肥情况下, 通过综合以上施肥与农田管理调控措
施 , 具有进一步减少肥料用量提高利用率的空间 ,
从而改善农田氮素循环, 促进农田生态环境与作物
持续生产的共同发展。
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