氮肥減量及秸稈替代過量氮肥下冬小麥/夏玉米輪作體系氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)研究*

楊曉梅，尹昌斌※，李貴春，南云不二男

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京　100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京　100081； 3.日本國際農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)研究中心，日本筑波　305-8686)

*資助項(xiàng)目：國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目“山地丘陵區(qū)空心村整治關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(2014BAL01B03)

?

·中日合作項(xiàng)目——“北方農(nóng)業(yè)循環(huán)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評價(jià)”專欄·

氮肥減量及秸稈替代過量氮肥下冬小麥/夏玉米輪作體系氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)研究*

楊曉梅1，尹昌斌1※，李貴春2，南云不二男3

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081； 3.日本國際農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)研究中心，日本筑波305-8686)

針對過量施用氮肥和地下水硝酸鹽超標(biāo)的現(xiàn)狀，探索減量施氮、秸稈替代過量氮肥下土壤氮素的淋失風(fēng)險(xiǎn)，以期為降低氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。通過在河北省徐水縣進(jìn)行連續(xù)4年的冬小麥—夏玉米輪作體系田間定位試驗(yàn)，分析耕作(少耕和常規(guī)耕作)、施氮量(無機(jī)氮0、200和300 kg/hm2)和秸稈(還田、不還田)等措施對作物收獲后土壤無機(jī)氮累積、土壤—作物體系氮平衡狀況以及冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，小麥?zhǔn)斋@后，過量施氮處理0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于其它處理，高達(dá)221 kg/hm2，過高的土壤殘留硝態(tài)氮增加玉米高溫多雨季氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)。3年氮平衡累積量比較顯示，過量施氮、少耕/常規(guī)耕作減量施氮秸稈還田3處理的氮平衡值無顯著性差異，以少耕減量施氮秸稈還田最低，為236 kg/hm2，過量施氮處理最高，為281 kg/hm2，三者均顯著高于少耕/常規(guī)耕作減量施氮秸稈不還田處理。冬小麥—夏玉米輪作體系氮平衡值與0～100 cm土層的土壤無機(jī)氮、土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關(guān)，說明氮素大量盈余會(huì)導(dǎo)致0～100 cm土壤剖面無機(jī)氮大量累積，尤其是硝態(tài)氮大量累積。少耕和常規(guī)耕作減量施氮秸稈還田處理的冬小麥、夏玉米產(chǎn)量與過量施氮無顯著差異。綜合考慮土壤無機(jī)氮累積量、氮平衡值和作物產(chǎn)量，少耕或者常規(guī)耕作下，可以利用秸稈氮替代過量無機(jī)氮，降低氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)。

冬小麥夏玉米氮平衡硝態(tài)氮累積產(chǎn)量淋洗風(fēng)險(xiǎn)

0　引言

從20世紀(jì)70年代初期以來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥投入，尤其是氮肥投入，迅速增加，到2014年，全國化肥投入量(折純量)為5 996萬t，氮肥投入量(折純量)為2 393萬t。一是由于相比牛糞等有機(jī)肥提供緩效養(yǎng)分，化肥為作物提供速效養(yǎng)分，能迅速提高作物產(chǎn)量，如王祖力、肖海峰(2008)分析化肥施用與糧食產(chǎn)量增長的關(guān)系發(fā)現(xiàn)， 1978～2006年間化肥投入對糧食產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率達(dá)56.81%，認(rèn)為化肥是糧食生產(chǎn)投入要素中貢獻(xiàn)最大的要素[1]； 二是改革開放帶來的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力機(jī)會(huì)成本增加，畜禽糞便等有機(jī)肥施用操作復(fù)雜、勞動(dòng)力投入多，化肥投入逐漸替代有機(jī)肥投入； 三是國家制定并實(shí)行了一系列的惠農(nóng)富農(nóng)強(qiáng)農(nóng)的農(nóng)業(yè)直接補(bǔ)貼政策來保障國家糧食安全，一定程度地刺激了農(nóng)民加大化學(xué)品投入的積極性[2]。盡管作物正常生長發(fā)育依賴于充足的養(yǎng)分，但是氮肥過量施用會(huì)降低氮肥利用率，造成土壤—作物系統(tǒng)氮素盈余，并主要?dú)埩粼谕寥乐衃3]，導(dǎo)致氮素累積與淋洗，進(jìn)一步增加地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，這些問題得到人們越來越多地關(guān)注[4-5]，尤其是冬小麥—夏玉米體系中氮淋洗損失主要發(fā)生在雨季夏玉米生長期間[6]。華北地區(qū)是中國玉米和小麥重要的生產(chǎn)基地，為中國提供42%的玉米產(chǎn)量和79%的小麥產(chǎn)量[7]。然而，華北糧食高產(chǎn)區(qū)每年氮肥施用量通常超過500 kg/hm2，單季作物的氮肥施用量超過300 kg/hm2的農(nóng)田也到處可見[8]，極大地超過當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)所需氮量，不可避免地降低氮素利用效率，增加氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致華北農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽含量超過飲用水限制標(biāo)準(zhǔn)的比例達(dá)50%[9]。從中國的糧食生產(chǎn)和環(huán)境承載力兩方面考慮，朱兆良推薦單季施氮量控制在150～180 kg/hm2作為氮肥合理施用量，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增減[10]。由此可見，單季過量施氮量較推薦施氮量一般至少高出100 kg/hm2。因此，研究設(shè)立兩個(gè)假設(shè)：一是減去過量無機(jī)氮，二是利用秸稈氮替代過量無機(jī)氮，探查氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)及對作物產(chǎn)量的影響。

土壤—作物系統(tǒng)氮平衡狀況與生態(tài)環(huán)境安全緊密相關(guān)，氮平衡通常用來評估耕地的氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)[11]，而氮盈余(投入氮—作物輸出氮)可用來衡量該系統(tǒng)的氮平衡值[3]。然而，目前多數(shù)研究集中在氮素施用量對冬小麥—夏玉米輪作體系的氮平衡和作物產(chǎn)量的影響研究，很少評估秸稈氮替代過量無機(jī)氮對冬小麥—夏玉米輪作體系氮平衡的影響。文章以河北省冬小麥—夏玉米輪作體系為研究對象，研究少耕、常規(guī)耕作下減量施氮或秸稈替代過量氮肥對氮平衡、冬小麥和夏玉米收獲后無機(jī)氮累積及作物產(chǎn)量的影響，以期為減少氮肥施用和降低氮素淋洗的可能性提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2011年10月至2015年9月在河北省徐水縣(37.8°N， 114.7°E)開展，耕作制度為冬小麥—夏玉米輪作。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，平均海拔50.1 m，年平均氣溫12℃，最高月份(7月)為28.9℃，最低月份(1月)為-7.5℃。該地區(qū)年平均降水量500.5 mm， 70%以上的降水量主要集中在6～9月。供試土壤為潮褐土，質(zhì)地為輕壤土。試驗(yàn)開始前土壤耕層0～20 cm pH 值7.5，有機(jī)碳含量11.5 g/kg，全氮1.1g/kg，銨態(tài)氮5.9 mg/kg，硝態(tài)氮14.3 mg/kg，速效磷17.1 mg/kg，速效鉀134.3 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1表示耕作措施、施氮量、秸稈還田為試驗(yàn)的3個(gè)因素，試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，面積為4 m×5 m， 3 次重復(fù)。試驗(yàn)開始前，小區(qū)四周用防水塑料布隔開，埋深1 m。少耕(MT)處理土壤不進(jìn)行任何翻耕、犁耙，在地表10cm深度挖溝播種小麥，常規(guī)耕作(FT)小麥地進(jìn)行土壤翻耕，作業(yè)深度為20 cm，隨后整地、播種小麥。小麥季不施氮肥(N 0)、減量施氮(N 200)、過量施氮(N 300)處理施純氮分別為0、200、300 kg/hm2。玉米季各處理等量施氮，施純氮 100 kg/hm2。秸稈不還田處理將夏玉米秸稈全部移出試驗(yàn)地，秸稈還田處理在2011年和2012年從玉米秸稈出售商購買玉米秸稈還田，還田秸稈含氮量為100 kg/hm2， 2013年和2014年采用試驗(yàn)區(qū)玉米秸稈原地還田，玉米秸稈均為粉碎至3～4 cm 左右的小段，少耕處理秸稈還田為小麥播種后平鋪到地表，常規(guī)耕作秸稈還田為旋耕機(jī)旋耕整地令玉米秸稈與土壤充分混合還田。小麥生長期間按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌溉時(shí)間進(jìn)行定量灌溉，平均每次灌溉量約為50 mm，根據(jù)實(shí)際情況而定。玉米生長期間主要靠天然降雨。供試小麥品種為保麥9號， 2011年各小區(qū)小麥播種量為275 kg/hm2， 2012～2014年均為300 kg/hm2。供試玉米品種為蘇老三，各小區(qū)玉米定植6行，每行20株，共120株玉米。無機(jī)肥為“撒可富”復(fù)合肥(N： P： K/18： 22： 6)，減量施氮區(qū)的底肥為純氮、五氧化二磷、氧化鉀130、159 和43 kg/hm2，冬小麥返青期追施尿素(N： 46%)為純氮 70 kg/hm2； 過量施氮區(qū)的底肥為純氮、五氧化二磷、氧化鉀150、159 和43 kg/hm2，冬小麥返青期追施尿素(N： 46%)為純氮150 kg/hm2。

表1　試驗(yàn)因素和因素水平

1.耕作措施 少耕MT耕作土壤不進(jìn)行任何翻耕、犁耙,在地表10cm深度挖溝播種小麥 常規(guī)耕作FT翻耕土地播種小麥2.無機(jī)氮施用量 不施氮肥N0 施用200kg/hm2N200(減量施氮) 施用300kg/hm2N300(過量施氮)3.秸稈施用 秸稈不還田-R 秸稈還田+R(2011年和2012年從玉米秸稈出售商購買玉米秸稈為小麥田進(jìn)行秸稈還田,還田秸稈含純氮100kg/hm2,2013年和2014年采用試驗(yàn)區(qū)玉米秸稈原地還田,還田秸稈含氮量以實(shí)際原地還田秸稈含氮量計(jì)算)4.玉米生長期間施肥管理玉米種植期間各處理施用等量氮肥(純氮100kg/hm2)且小麥秸稈就地還田5.小麥生長期間管理以2011～2012年小麥季施氮量(化肥氮+秸稈氮)為例(kg/hm2) MTN0+R100少耕不施氮秸稈還田 FTN0+R100常規(guī)耕作不施氮秸稈還田 MTN200+R300少耕減量施氮秸稈還田(其中,秸稈氮100kg/hm2) MTN200-R200少耕減量施氮秸稈不還田 FTN200+R300常規(guī)耕作減量施氮秸稈還田 FTN200-R200常規(guī)耕作減量施氮秸稈不還田 FTN300-R300常規(guī)耕作過量施氮秸稈不還田 注:秸稈氮為還田秸稈所含氮量

1.3樣品采集與測定

1.4計(jì)算公式

氮平衡值=投入氮(無機(jī)氮、秸稈氮)-作物(籽粒、秸稈)攜出氮

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用 Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制圖表，利用 SPSS 19.0 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果

2.1無機(jī)氮累積

2.1.1硝態(tài)氮累積

2.1.2銨態(tài)氮累積

圖2A表明，小麥?zhǔn)斋@后，F(xiàn)T N 300-R處理在40～80cm土層土壤NH4+-N累積量高于其它處理，其余各層受施肥影響較小，與其它處理相近。玉米收獲后(圖2B)，除不施肥兩處理，其它處理在0～100cm土層土壤NH4+-N累積量差異較小，總累積量為FT N 300-R處理最高。

圖1　2015年6月冬小麥?zhǔn)斋@后(A)和2015年10月夏玉米收獲后(B)0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量

圖2　2015年6月冬小麥?zhǔn)斋@后(A)和2015年10月夏玉米收獲后(B)0～100 cm土層土壤銨態(tài)氮累積量

2.2氮平衡值

表2　2012～2015年冬小麥—夏玉米輪作體系土壤氮素平衡狀況分析

處理小麥季氮投入量(kg/hm2)小麥季氮輸出量(kg/hm2)玉米季氮投入量(kg/hm2)玉米季氮輸出量(kg/hm2)氮平衡值(kg/hm2)無機(jī)氮秸稈氮籽粒秸稈無機(jī)氮秸稈氮籽粒秸稈MTN0+R02121774830048191162-18cFTN0+R02201824730047192173-26cMTN200+R600263433115300115259234236aMTN200-R600038911630011622021081bFTN200+R600269413105300105254243260aFTN200-R6000364103300103216206114bFTN300-R9000438121300121244237281a 注:數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

從2011年10月開展試驗(yàn)，為降低過去施肥對試驗(yàn)可能產(chǎn)生的影響，該文從2012年10月小麥播種期開始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。表2 可看出除少耕和常規(guī)耕作不施氮秸稈還田(MT N 0+R 和 FT N 0+R)處理氮平衡值為負(fù)值，其它處理均為正值，說明僅施用秸稈作為肥料不足以提供作物生長所需氮素。3年氮素總平衡值為 FT N 300-R>FT N 200+R>MT N 200+R>FT N 200-R>MT N 200-R。MT N 200-R 處理氮平衡值僅為81 kg/hm2，顯著低于 FT N 300-R 處理的281 kg/hm2。同樣地，F(xiàn)T N 200-R 處理氮平衡值為114 kg/hm2顯著低于FT N 300-R處理。MT N 200+R 和 FT N 200+R 處理的氮平衡值同 FT N 300-R 處理無顯著性差異，說明過量施用氮肥和以秸稈還田替代過量氮肥均可增加冬小麥—夏玉米輪作體系氮素盈余。

2.3氮平衡值與土壤無機(jī)氮和硝態(tài)氮累積量的關(guān)系

圖3　氮平衡值與0～100cm土壤剖面無機(jī)氮和硝態(tài)氮累積量的關(guān)系

表3　2012～2015年冬小麥產(chǎn)量 kg/hm2

表4　2013～2015年夏玉米產(chǎn)量　kg/hm2

2.4小麥產(chǎn)量

表3可見， 2012～2013年，F(xiàn)T N 300-R，MT N 200+R，F(xiàn)T N 200+R，MT N 200-R和FT N 200-R 5個(gè)處理的小麥產(chǎn)量無顯著性差異。2013～2014年，F(xiàn)T N 200-R處理小麥產(chǎn)量顯著低于MT N 200+R、FT N 200+R，與FT N 300-R無顯著性差異。2014～2015年，F(xiàn)T N 300-R處理小麥產(chǎn)量顯著高于MT N 200-R和FT N 200-R，但與MT N 200+R，F(xiàn)T N 200+R無顯著性差異。3年小麥產(chǎn)量表明過量施氮秸稈不還田和減量施氮秸稈還田冬小麥產(chǎn)量沒有顯著性差異，說明少耕和常規(guī)耕作措施下，減少施用化肥氮，利用秸稈氮替代過量化肥氮可以維持冬小麥高產(chǎn)。

2.5玉米產(chǎn)量

玉米季各處理施氮量均為純N 100 kg/hm2。盡管玉米季施肥量一致，但2013～2015年3年玉米產(chǎn)量均為小麥季不施肥秸稈還田MT N 0+R 和FT N 0+R處理最低，說明前茬小麥季的施肥措施會(huì)持續(xù)影響后茬玉米生長。圖2A、圖3A中得出小麥季過量施肥處理FT N 300-R在玉米播種前土壤殘留無機(jī)氮累積量高于其它處理，在施肥一致下，其玉米產(chǎn)量與MT N 200+R、FT N 200+R、MT N 200-R和FT N 200-R處理卻無顯著性差異，這可能是由于玉米季施純氮 100 kg/hm2足夠滿足玉米生長需要，且FT N 200+R和MT N 200+R分別在2014年、2015年取得最高產(chǎn)量，可能是前茬小麥季玉米秸稈還田經(jīng)小麥和玉米兩季分解提供氮素。

3　討論

(3)2012～2013年和2013～2014年，過量施氮小麥產(chǎn)量與少耕、常規(guī)耕作減量施氮秸稈不還田處理無顯著性差異，而2014～2015年過量施氮小麥產(chǎn)量顯著高于少耕、常規(guī)耕作減量施氮秸稈不還田處理。但與少耕、常規(guī)耕作減量施氮秸稈還田處理相比， 2012～2015年，三者小麥、玉米產(chǎn)量均無顯著性差異，說明利用秸稈氮替代過量無機(jī)氮即可減少氮肥施用量又可使冬小麥—夏玉米輪作體系維持高產(chǎn)，這可能是相對于單施氮肥，秸稈還田減少氮素?fù)p失[18]、為土壤微生物提供充足的碳源，在配施氮肥情況下，有效地協(xié)調(diào)土壤氮素的固持與供應(yīng)狀態(tài)[19]，實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。

4　結(jié)論

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EFFECTS OF REDUCING NITROGEN APPLICATION AND REPLACING PART OF NITROGEN FERTILIZER BY CROP RESIDUE ON NITROGEN LEACHING IN WINTER WHEAT -SUMMER CORN SYSTEM

Yang Xiaomei1，Yin Changbin1※，Li Guichun2，Chien Hsiaoping3，Nagumo Fujio3

(1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China;3.Japan International Research Center for Agricultural Sciences，Tsukuba 305-8686，Japan)

There is a growing concern about excessive nitrogen and excessive level of nitrate in groundwater in China. A four-year study in Xushui, Hebei, China was conducted in a winter wheat and summer corn cropping system to compare the effects of soil tillage (minimum tillage without ploughing, full tillage), application of cornstalk residue (none -R, turning back +R) and three N rates (0, 200 and 300 kg N /hm2as mineral nitrogen) applied to winter wheat on the yield of wheat and subsequent corn, the N balance and the inorganic N accumulation, and then to investigate the possibility of the residue replacing some rate of mineral N in case of N leaching . Moreover, the same rate of mineral N (100 kg/hm2) was applied to all plots for the corn. The results showed that the soil nitrate nitrogen accumulation (221 kg/hm2) in full tillage with 300 kg N /hm2(FT N300 -R) after wheat harvest was significantly higher than that in the other treatments, the excess nitrogen may increase the risk of nitrogen leaching. The three-year nitrogen balance value in the millage tillage or full tillage with 200 kg N /hm2and residue turning back (MT N200 +R, FT N200 +R) were not significant.Furthermore, there was significantly positive relationship between nitrogen balance value and nitrate nitrogen accumulated in 0-100cm soil profile, itmeant the greater the N balance value, the more the amount of nitrate nitrogen accumulated. In addition, the yields of wheat and corn in MT N200 +R and FT N200 +R were not significantly different with those in FT N300 -R. It indicatedthat using residue nitrogen as part of mineral nitrogen in the treatment of reducing the rate of nitrogen (200 kg N /hm2) could not only maintain the crop yield and reduce N balance value, but also significantly reduce nitrate nitrogen accumulation after wheat harvest, and hence reduce the risk of N leaching.

winter wheat； summer corn； nitrogen balance； nitrate nitrogen accumulation； yield； N leaching risk

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160717

2016-04-10

楊曉梅(1988—)，女，山東榮成人，博士生。研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理?！ㄓ嵶髡撸阂?1968-)，男，安徽桐城人，博士、研究員、博士生導(dǎo)師。研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理、農(nóng)業(yè)區(qū)域發(fā)展、農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。Email：yinchangbin@caas.cn

*資助項(xiàng)目：國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目“山地丘陵區(qū)空心村整治關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(2014BAL01B03)

S512.1+1; S513; S157

A

1005-9121[2016]07-0116-07