華北平原不同種植制度對(duì)糧食作物氮素利用和土壤氮庫的影響

吉艷芝，徐明杰，巨曉棠，董嫻嫻，張麗娟,2

華北平原不同種植制度對(duì)糧食作物氮素利用和土壤氮庫的影響

吉艷芝1，徐明杰4，巨曉棠3，董嫻嫻5，張麗娟1,2※

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，保定 071000；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)邸洪杰土壤與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，保定 071000；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 4. 遷安京安大華檢測(cè)站，遷安 064400；5. 河北華清環(huán)境科技集團(tuán)股份有限公司，石家莊 050011）

冬小麥-夏玉米一年兩熟是華北平原糧食作物的主要種植制度，存在氮肥利用率低、土壤氮素過量累積問題。為探索華北平原氮素高效利用的適宜種植制度，采用15N示蹤技術(shù)，基于3 a田間定位試驗(yàn)，對(duì)一年兩熟冬小麥-夏玉米的常規(guī)水氮和優(yōu)化水氮、兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米與冬小麥-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3種種植制度的作物產(chǎn)量、15N利用率、氮素去向和土壤氮庫表觀平衡進(jìn)行研究。結(jié)果表明，兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產(chǎn)量為32 248.52 kg/hm2，分別比一年兩熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.36%，比一年一熟提高26.12%。 3種種植制度的氮肥去向最高為土壤殘留，其次為作物吸收和損失，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高為151.82 kg/hm2，土壤氮庫表觀盈余量為21.22 kg/hm2，顯著低于其他種植制度。綜合分析，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟在穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和提高氮素利用率上具有可持續(xù)的潛力，是華北平原未來較為理想的種植制度。

作物；土壤；氮；種植制度；華北平原

0 引 言

20世紀(jì)70年代以來，華北平原為了增加糧食產(chǎn)量，種植制度主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟。該種植制度雖然有效緩解了人口增加帶來的糧食短缺問題，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)與環(huán)境危機(jī)[1]。其中，氮肥過量施用且利用效率低，平均氮素回收率僅為16%～18%，由此造成土壤氮素累積、地下及地表水質(zhì)污染等問題尤為突出[2-3]。另外，華北平原在冬小麥生育期降水少，產(chǎn)量受降雨和灌溉限制較大。冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)每年畝需水量800～900 mm[4-5]，小麥季降水只能滿足作物需水量的40%左右，70%左右的水分需要地下水供應(yīng)，造成10 a內(nèi)地下水位平均下降10 m。因此，探索水、氮素高效利用的種植制度是緩解華北平原生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑。

氮素是作物生長必需的營養(yǎng)元素之一，施氮對(duì)提高作物產(chǎn)量具有重要作用，但是施氮過多易造成利用率低、氮素在土壤中過量累積等問題。任思洋等[6]、武良等[7]和趙亞南等[8]通過分析2005－2014 年華北平原氮肥投入發(fā)現(xiàn)，冬小麥和夏玉米的施氮量平均為226和240.33 kg/hm2，氮素的平均盈余分別為 165和138.32 kg/hm2，導(dǎo)致作物的氮素利用率在28%～41%之間[9-11]，與一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)40%～60%的氮素利用率存在一定差距[12]。改變一年兩熟的種植制度能夠減少氮肥投入，提高肥料氮素利用率，降低土壤氮素殘留。Meng等[13]和Gao等[14]等研究發(fā)現(xiàn)，與一年兩熟種植制度相比，兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米能夠減少56%～59%的氮肥用量，同時(shí)降低土壤中20%～30%的硝態(tài)氮累積，劉明等[15]和顏曉元等[16]發(fā)現(xiàn)兩年三熟和一年一熟的氮肥利用效率分別上升32.9%和98.8%，氮肥利用率提高到42.3%。氮肥利用率要綜合考慮一個(gè)輪作周期，當(dāng)前研究多考慮肥料氮當(dāng)季利用率，當(dāng)季肥料對(duì)下茬或下下茬的貢獻(xiàn)率并未涉及，而Ju等[17]和董嫻嫻等[18]研究發(fā)現(xiàn)夏玉米季殘留的肥料氮有13.7%～21.4%被后茬冬小麥吸收，Wu等[19]和劉新宇[20]認(rèn)為冬小麥季殘留肥料氮有9.75%被夏玉米利用。改變種植制度也減少了灌水量，不同種植制度間的耗水量和灌水量存在顯著差異。Gao等[21]研究得出一年一熟春玉米的耗水量僅為一年兩熟的39%；陶志強(qiáng)等[22]的試驗(yàn)中，一年一熟的灌水量為1 125 mm，比一年兩熟節(jié)水3 375 mm；鄭媛媛等[23]研究得出兩年三熟的春玉米-冬小麥-夏玉米輪作比一年兩熟耗水量降低504.3 mm，水分利用效率提高了4.8%。

目前研究多側(cè)重于華北平原種植制度的氮素施用量和當(dāng)季作物利用率方面的研究，基于適時(shí)調(diào)整水、氮用量的前提下，綜合比較不同種植制度的氮素轉(zhuǎn)化、去向及后效的研究較少。本研究以曲周為代表的華北平原為研究對(duì)象，應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，分析不同種植制度對(duì)作物產(chǎn)量、水、氮利用率的影響，解析作物花后氮素轉(zhuǎn)移規(guī)律，追蹤分析氮肥在一個(gè)輪作周期內(nèi)的去向及其對(duì)后茬作物的影響，為探尋適合該地區(qū)資源利用現(xiàn)狀和環(huán)境友好發(fā)展的種植制度及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2010－2013年在河北省邯鄲市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗(yàn)基地（36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E）進(jìn)行。試驗(yàn)地位于河北省南部太行山東麓海河平原的黑龍港流域，曲周縣地處東經(jīng)之間，平均海拔39.6 m，地下水埋深10～20 m。該地區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬春季寒冷干燥，夏季溫暖多雨，年平均氣溫13.4 ℃，全年無霜期約201 d，2010―2013年年均降水量為490.9 mm，主要集中于6—9月。供試土壤為潮褐土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)

注：砂粒粒徑≥0.02~2.00 mm，粉粒粒徑≥0.002~0.02 mm，黏粒粒徑<0.002 mm。

Note: Grain size of sand ≥0.02-2.00 mm, particle size ≥0.002-0.02 mm and clay particle size <0.002 mm.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積30 m×60 m，小區(qū)間保護(hù)行2 m，區(qū)組間保護(hù)行5 m。5個(gè)處理：1）冬小麥-夏玉米一年兩熟常規(guī)的種植制度（Control W-M），冬小麥播種前翻耕15～20 cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈不還田，常規(guī)水肥管理；2）冬小麥-夏玉米一年兩熟優(yōu)化管理的種植制度（Optimized W-M），冬小麥播種前翻耕15～20 cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈還田，優(yōu)化施肥，節(jié)水灌溉；3）冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟優(yōu)化管理的種植制度（W-M-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20 cm后種植冬小麥，冬小麥?zhǔn)斋@后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，每季作物均秸稈還田，優(yōu)化水肥管理，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物春玉米；4）冬小麥-夏大豆-春玉米兩年三熟優(yōu)化管理的種植制度（W-B-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20 cm后種植冬小麥，冬小麥?zhǔn)斋@后打麥茬1～2遍貼茬播種夏大豆，每季作物均秸稈還田，優(yōu)化水肥管理，一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一茬作物春玉米；5）春玉米一年一熟優(yōu)化管理的種植制度（SM），一年種植一季作物春玉米，秸稈還田。每個(gè)處理經(jīng)過一個(gè)輪作周期后，再繼續(xù)種植下一季作物以研究氮肥后效。

供試作物冬小麥（winter wheat，W）品種為良星99，夏玉米（summer maize，M）品種為鄭單958，春玉米（spring maize，S）品種為登海605，夏大豆（summer soybean，B）品種為冀豆六號(hào)。播種量、播種日期及收獲日期如表2所示。

表2 2010－2013年不同種植制度種植方案

注：常規(guī)W-M為一年兩熟制冬小麥-夏玉米常規(guī)水肥處理，優(yōu)化W-M為一年兩熟制冬小麥-夏玉米優(yōu)化水肥處理，W-M-SM 為兩年三熟制的冬小麥-夏玉米-春玉米，W-B-SM為兩年三熟制的冬小麥-夏大豆-春玉米，SM為一年一熟制的春玉米；W代表冬小麥，M代表夏玉米，S代表春玉米，B代表夏大豆。下同。

Note: Control W-M represents double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and fertilizer management treatment, Optimized W-M represents double cropping a year of winter wheat-summer maize optimized water and nitrogen management, W-M-SM represents three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize, W-B-SM represents three cropping systems in two years of winter wheat-summer soybean-spring maize, SM represents one crop per year of spring maize; W is winter wheat, M is summer maize, S is spring maize, and B is summer soybean. The same below.

1.2.2 施肥與灌水

本試驗(yàn)中常規(guī)處理氮肥施用量通過各區(qū)域農(nóng)戶調(diào)查來確定，代表該地區(qū)農(nóng)民平均習(xí)慣的施氮量；優(yōu)化處理則根據(jù)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量來決定氮肥的施用量，同時(shí)以土壤有效氮含量作為參考。各處理的施肥量和灌水量如表3所示。冬小麥、夏玉米和夏大豆的磷、鉀肥作為基肥，與氮肥一次性施入土壤；春玉米季磷、鉀肥分別在播前和十葉期施用；夏大豆在初花期葉面噴施0.05%～0.1%鉬酸銨溶液。

表3 不同種制度的施肥量和灌水量

1.2.3 微區(qū)布置

在小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N微區(qū)，微區(qū)用長l m，寬l m，高0.4 m的鐵皮框包圍。小區(qū)整地后，將鐵皮框放到微區(qū)所在位置，外圍垂直挖出0.35 m，將鐵皮框套入土中，使其周圍與土壤緊貼，鐵皮框上方露出地表0.05 m，微區(qū)間的距離為0.5 m。每季作物設(shè)置2個(gè)微區(qū)，一個(gè)作為開花期破壞性取樣，一個(gè)作為收獲取樣并留作后效取樣。

采用豐度為5.22%的15N標(biāo)記尿素（含氮率為46%），播種前在微區(qū)內(nèi)取出1 kg左右的表土，過5 mm篩，與做基肥的標(biāo)記尿素和磷鉀肥混勻，并均勻撒施到微區(qū)，翻耕后播種；追肥時(shí)將標(biāo)記尿素溶解于水中，用噴壺將溶液均勻噴灑到微區(qū)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集

土壤樣品：播種前采集試驗(yàn)地0～90 cm土層的土壤樣品，間隔30 cm，測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。作物花期及成熟期，在微區(qū)采集0～100 cm土壤，測(cè)定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮含量及15N豐度。后作收獲時(shí)采集15N微區(qū)0～200 cm土壤樣品，測(cè)定各土層中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮含量及15N豐度。

植物樣品：在作物花期和收獲時(shí)，分別采集15N微區(qū)的植株地上部分，用于測(cè)定植株和籽粒的全氮含量和15N豐度。植株沿地面全部割下，籽粒、秸稈分別風(fēng)干稱重，65 ℃下烘干后再稱重。

1.3.2 樣品測(cè)定

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定：新鮮土壤混勻過5 mm土壤篩，稱取20 g于200 mL塑料瓶中，加入1 mol/L KCl浸提劑100 ml，振蕩1 h后過濾，濾液用連續(xù)流動(dòng)分析儀TRACCS2000測(cè)定。

土壤和植物樣品全氮的測(cè)定：土壤經(jīng)5%的高錳酸鉀及還原鐵粉還原消煮，按常規(guī)凱氏法定氮；植物樣品采用H2SO4-H2O2法消煮后，按常規(guī)凱氏法定氮。

土壤和植物樣品15N豐度的測(cè)定：風(fēng)干后的土壤樣品和烘干后的植物樣品粉碎過0.15 mm篩，混勻后采用四分法獲得所需樣品量，采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀DeltaPlusXP進(jìn)行測(cè)定15N豐度。

土壤水分含量采用烘干法測(cè)定。

1.4 水分、氮素相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算方法

灌溉水分生產(chǎn)率（Irrigation Water Productivity，IWP，kg/m3）為單位灌溉水量所獲得的作物籽粒產(chǎn)量，其計(jì)算如式（1）所示

IWP=Y/I（1）

式中為單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；I為單位面積灌水量，m3/hm2。

氮肥偏生產(chǎn)力（Nitrogen Partial Factor Productivity，PFPN，kg/kg）為單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，其計(jì)算如式（2）所示

PFPN=/（2）

式中為作物籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；為化肥純氮投入量，kg/hm2。

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量（N，kg/hm2）為植株處于盛花期地上部各器官的吸氮量與成熟期地上部各器官中吸氮量的差值，其計(jì)算如式（3）所示

N=fup?mup（3）

式中fup為開花期植物地上部各器官的吸氮量，kg/hm2；mup為成熟期植物地上部各器官的吸氮量，kg/hm2。

一本實(shí)際走訪動(dòng)物園的趣味“測(cè)量之書”，量測(cè)的不只是數(shù)據(jù)，更是樂趣。從生活日常開始的故事，開啟孩子的好奇心，從尋常小事中出發(fā)，體會(huì)單純，自然散發(fā)趣味的故事原味。

氮素貢獻(xiàn)率（N，%）為植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量占籽粒吸氮量的百分比，其計(jì)算如式（4）所示

N=N/N（4）

式中N為籽粒吸氮量，kg/hm2。

植物吸收的氮素來源于肥料和土壤2個(gè)途徑，肥料氮（pf，kg/hm2）為指植物從肥料中攝取的氮量，土壤氮（ps，kg/hm2）為植物從土壤中攝取的氮量，計(jì)算如式（5）和式（6）所示：

Npf=N·dff（5）

ps=N·Ndfs（6）

式中N為植物吸收的氮量，kg/hm2；dff為植物從肥料中攝取氮量的百分?jǐn)?shù)，%，其為植物樣品中的15N原子百分超與氮肥中的15N原子百分超比值的百分?jǐn)?shù)，植株的15N原子百分超為測(cè)定的植株各器官的15N豐度與自然豐度之差，土壤中的15N原子百分超為測(cè)定的土壤各層的15N豐度與自然豐度之差，該試驗(yàn)肥料15N豐度為5.22%，自然豐度為0.37%；dfs為植物從土壤中攝取氮的百分?jǐn)?shù)（1-dff），%。

15N利用率（，%）為植物從肥料中攝取的氮量占施氮量的百分?jǐn)?shù)，計(jì)算如式（7）所示：

=pf/N·100 （7）

式中N施入純氮的總量，kg/hm2。

施入土壤中的肥料氮有3個(gè)去向，分別為植物吸收的氮量（N，kg/hm2）、土壤殘留的氮量（N，kg/hm2）和損失的氮量（N，kg/hm2），計(jì)算如式（8）和式（9）所示：

N=N·Ndfs（8）

N=N?N?N（9）

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、整理、計(jì)算與繪圖在 EXCEL2016 中進(jìn)行，采用SPSS 20.0的ANOVA程序包中Compare means進(jìn)行方差分析及LSD檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植制度對(duì)作物產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

不同種植制度在2 a內(nèi)的作物產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水分生產(chǎn)率如表4所示。籽粒產(chǎn)量由高到低依次為W-M-SM、優(yōu)化W-M、常規(guī)W-M、W-B-SM和SM。常規(guī)W-M的產(chǎn)量雖高于W-B-SM和SM，但氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用效率及灌溉水分生產(chǎn)效率均為最低，其中氮肥偏生產(chǎn)力和15N利用效率顯著低于其他處理；優(yōu)化W-M的籽粒產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用率、灌溉水分生產(chǎn)率較常規(guī)W-M分別提高20.08%、103.83%、72.96%、8.24%。兩年三熟制中的W-M-SM籽粒產(chǎn)量最高為32 248.52 kg/hm2，分別比一年兩熟制和一年一熟制提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.6%，比一年兩熟制提高26.12%。兩年三熟中W-B-SM的各項(xiàng)指標(biāo)均低于W-M-SM，但氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水分生產(chǎn)率顯著高于一年兩熟。一年一熟的SM灌溉水利用效率最高，達(dá)210.94 kg/m3，比其他2種種植制度提高1.09～4.11倍；15N利用率僅高于一年兩熟常規(guī)水氮處理的56.76%，但產(chǎn)量卻比其他處理降低2.6%～52.88%。

表4 不同種植制度下的作物產(chǎn)量和水、氮利用效率比較

注：不同小寫字母表示不同種植制度間在0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in different cropping systems at 0.05 level.

單季作物水、氮投入量及產(chǎn)量由表5可知，作物在不同種植制度中的施氮量不同，其產(chǎn)量也隨著施氮量的增加而降低，這符合肥料報(bào)酬遞減律。華北平原的冬小麥、夏玉米和春玉米的推薦施氮量為122、145[24]和140 kg/hm2[25]，超過推薦量后的產(chǎn)量會(huì)隨著施氮量的增加而降低。冬小麥在兩年三熟制中的產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用率和灌溉水分生產(chǎn)率均顯著高于一年兩熟；在兩年三熟的W-M-SM制度中，除15N利用率外，其他指標(biāo)顯著高于W-B-SM；在一年兩熟制中，優(yōu)化W-M處理的產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用率和灌溉水分生產(chǎn)率均顯著高于常規(guī)W-M處理。夏玉米與冬小麥基本一致，在兩年三熟制中的各指標(biāo)均顯著高于一年兩熟制，一年兩熟制的優(yōu)化W-M處理各指標(biāo)均出現(xiàn)高于常規(guī)W-M處理的趨勢(shì)。春玉米在兩年三熟和一年一熟制度下的產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、15N利用率灌溉水分生產(chǎn)率差異不顯著。夏大豆產(chǎn)量較低，但其氮肥的偏生產(chǎn)力最高，達(dá)到了110.93 kg/kg。

2.2 不同種植制度對(duì)作物體內(nèi)氮素轉(zhuǎn)移量與貢獻(xiàn)率的影響

不同種植制度下作物營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒轉(zhuǎn)移量如表6所示，3種制度下的各類作物的氮素轉(zhuǎn)移量均表現(xiàn)出土壤氮顯著高于肥料氮，冬小麥的土壤氮是肥料氮的1.43～2.72倍，夏玉米為1.23～2.30倍，春玉米為5.54～7.26倍，夏大豆為7.66倍，因此土壤殘留氮對(duì)下茬作物的影響不可忽視。同一作物在不同種植制度中的氮轉(zhuǎn)移量也有差異，冬小麥在兩年三熟制中的轉(zhuǎn)移量顯著高于一年兩熟制，W-M-SM的氮轉(zhuǎn)移量為152.98 kg/hm2，其中肥料氮43.07 kg/hm2，土壤氮109.91 kg/hm2；W-B-SM的氮轉(zhuǎn)移量為152.23 kg/hm2，其中肥料氮和土壤氮分別為54.29和97.94 kg/hm2；夏玉米在不同種植制度中的氮轉(zhuǎn)移量差異不顯著，在常規(guī) W-M、優(yōu)化W-M和W-M-SM中的氮轉(zhuǎn)移總量分別為65.21、56.70和50.00 kg/hm2；春玉米在W-M-SM、W-B-SM和SM中的氮轉(zhuǎn)移總量分別為61.88、66.29和80.87 kg/hm2，無顯著差異；夏大豆的氮轉(zhuǎn)移量有45.76 kg/hm2來源于土壤氮，對(duì)肥料氮的吸收極少，這與自身固氮有關(guān)。

表5 單季作物的產(chǎn)量和水、氮利用效率比較

注：不同小寫字母表示同一作物在不同種植制度間 0.05 水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level.

表6 不同種植制度和作物對(duì)氮轉(zhuǎn)移量的影響

注：不同小寫字母表示同一氮素來源中同一作物在不同種植制度間0.05水平上差異顯著。下同。

Note: Different lowercase letters indicate that significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level in same nitrogen source. The same below.

土壤氮和肥料氮在不同種植制度中對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率如表7所示，在一年兩熟制中，冬小麥的氮貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為常規(guī) W-M高于優(yōu)化 W-M，主要是肥料氮的貢獻(xiàn)率高；夏玉米的氮貢獻(xiàn)率沒有顯著差異，因此在一年兩熟制中，減少氮肥投入是可行的降低氮素?fù)p失的措施。兩年三熟制中，春玉米為第一季作物，氮的貢獻(xiàn)率差異不大，以土壤氮貢獻(xiàn)為主；第二季冬小麥的土壤氮貢獻(xiàn)率差異不顯著，肥料氮差異顯著，W-B-SM和W-M-SM的肥料氮貢獻(xiàn)率分別為24.34%和34.53%；第三季夏玉米的肥料氮貢獻(xiàn)率為15.50%，顯著高于夏大豆的1.94%。小麥花后各營養(yǎng)器官向籽粒中轉(zhuǎn)移的氮素總量顯著高于玉米和大豆，其對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率達(dá)到70%以上，在兩年三熟制的貢獻(xiàn)率均大于一年兩熟制；夏玉米兩年三熟下各器官向籽粒轉(zhuǎn)移的氮素低于一年兩熟，貢獻(xiàn)率較常規(guī) W-M和優(yōu)化 W-M分別低40.02%和23.27%，達(dá)到顯著水平；夏大豆花后氮素的轉(zhuǎn)移量與玉米相當(dāng)，但對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率僅有16.80%，顯著低于其他作物；春玉米在一年一熟制度下的氮素轉(zhuǎn)移量及貢獻(xiàn)率均高于兩年三熟制。

表7 不同種植制度對(duì)氮素貢獻(xiàn)率的影響

2.3 不同種植制度對(duì)化肥氮去向的影響

由圖1可知，不同種植制度下，一個(gè)輪作周期后的氮肥去向均表現(xiàn)為土壤殘留最高，其次是作物吸收和損失。常規(guī) W-M的作物吸收、土壤殘留和損失的比例約為2:6:2，其土壤殘留量高達(dá)348.44 kg/hm2，顯著高于其他處理，作物吸收和損失分別為104.09和97.46 kg/hm2。優(yōu)化 W-M 的作物吸收、土壤殘留和損失分別為108.59、144.10和71.31 kg/hm2，土壤殘留氮量顯著低于常規(guī)W-M處理，說明優(yōu)化水肥能顯著降低土壤氮素累積。優(yōu)化 W-M、W-M-SM和W-B-SM的總施氮量不同，但氮肥去向比例均約為3:5:2；W-M-SM的作物吸收氮量最高為151.82 kg/hm2，土壤殘留為204.65 kg/hm2，稍高于優(yōu)化 W-M和W-B-SM處理，損失氮量最高為98.65 kg/hm2，但與常規(guī)W-M處理差異不顯著。一年兩熟和兩年三熟下?lián)p失氮素量沒有明顯差異。一年一熟春玉米的氮素去向比例為3:6:1，氮肥損失僅為14.20 kg/hm2，顯著低于其他種植制度。

2.4 不同種植制度對(duì)土壤無機(jī)氮庫的影響

一個(gè)輪作周期后采集0～200 cm土壤，測(cè)定其15N原子百分超（圖2a）與硝態(tài)氮含量（圖2b）。200 cm土體內(nèi)均檢測(cè)到標(biāo)記15N，肥料氮發(fā)生了明顯淋洗。常規(guī) W-M的原子百分超與硝態(tài)氮含量隨土壤深度先增加后降低，在>40～60 cm出現(xiàn)了最大峰值為71.96 mg/kg，顯著高于其他處理（<0.05）。優(yōu)化 W-M表層土壤原子百分超與硝態(tài)氮含量（55.17 mg/kg）最高，隨土壤深度逐漸降低，90 cm處達(dá)到低值。夏玉米和夏大豆收獲后，W-M-SM和W-B-SM土層中15N含量均為表層（0～20 cm）最高，其他土層間差異不明顯；W-M-SM處理在0～20 cm表層的硝態(tài)氮含量最高，>100~120 cm處出現(xiàn)累積峰，峰值為13.66 mg/kg；W/B-SM的土壤硝態(tài)氮于>140～160 cm處出現(xiàn)累積峰，峰值為13.72 mg/kg。SM處理的15N原子百分超隨土層深度呈波浪型降低；各土層硝態(tài)氮含量較小，在6.40～10.59 mg/kg 之間波動(dòng)，未出現(xiàn)明顯累積峰。

注：不同小寫字母表示同一作物在不同種植制度間0.05水平上差異顯著。

土壤氮庫表觀盈虧狀況如表8所示。0～100 cm土壤氮素總平衡（表觀盈虧）＝肥料氮在0～100 cm土體殘留＋干濕沉降帶入氮＋灌溉水帶入氮－作物吸收氮[20]。如果總平衡是正值，則表示經(jīng)過一季作物種植后，土壤根區(qū)氮素盈余；如果為負(fù)值，則表示虧缺。常規(guī)W-M中的土壤氮庫盈余量高達(dá)252.61 kg/hm2，顯著高于其他處理，小麥季的氮素盈余占到了總盈余量的70%。優(yōu)化W-M的土壤氮庫盈余為93.64 kg/hm2，小麥季的盈余量僅有1.27 kg/hm2，說明水、氮減施對(duì)氮庫平衡效果非常明顯。W-M-SM的土壤氮庫盈余為21.22 kg/hm2，顯著低于其他處理；冬小麥?zhǔn)斋@后土壤氮庫虧缺48.79 kg/hm2，與春玉米季的盈余量無顯著差異。W-B-SM的土壤氮庫盈余量為69.07 kg/hm2，其中冬小麥季氮素基本達(dá)到收支平衡，盈余量為1.21 kg/hm2，夏大豆季則虧缺12.50 kg/hm2。兩年三熟制和一年一熟制的土壤氮庫盈余量均低于一年兩熟制，其中以W-M-SM中的盈余量最低。冬小麥在優(yōu)化 W-M和W-B-SM中的氮庫基本收支平衡，在常規(guī) W-M中為大量盈余，而在W-M-SM中又表現(xiàn)出虧缺；W-M-SM中的夏玉米氮素盈余顯著低于一年一熟制；春玉米的盈余量在W-B-SM中顯著高于其他2個(gè)種植制度。

圖2 不同種植制度下土壤全氮原子百分超和硝態(tài)氮含量的分布

2.5 不同種植制度對(duì)氮肥后效的影響

一個(gè)輪作周期后繼續(xù)種植一季農(nóng)作物，后茬作物對(duì)殘留在土壤中的15N肥料的吸收利用如表9所示。一年兩熟制的后茬作物為冬小麥，2個(gè)處理的生物量差異不顯著，優(yōu)化W-M處理的秸稈和籽粒的15N利用率顯著高于常規(guī)W-M；2個(gè)處理的籽粒產(chǎn)量顯著低于兩年三熟和一年一熟的后茬春玉米，但常規(guī)W-M和優(yōu)化W-M中冬小麥的籽粒對(duì)于殘留15N的吸收量顯著高于兩年三熟的春玉米，分別為13.19和24.38 kg/hm2。兩年三熟制中的春玉米生物量差異不顯著，W-M-SM的15N利用率顯著高于W-B-SM，但2個(gè)處理的15N利用率均低于一年一熟的春玉米。一年一熟春玉米籽粒產(chǎn)量最高，且對(duì)于土壤殘留15N的吸收量相對(duì)較高，為27.77 kg/hm2，15N利用率高達(dá)6.49%，顯著高于其他處理。優(yōu)化W-M中的冬小麥的15N利用率為7.09%，與一年一熟春玉米無顯著差異，顯著高于一年兩熟常規(guī)W-M處理與兩年三熟的春玉米。

表8 一個(gè)輪作周期后土壤氮庫表觀盈虧

注：輪作周期是指一個(gè)輪作周期內(nèi)所有作物的總和；不同小寫字母表示同一作物在不同種植制度間的0.05水平上差異顯著。

Note: Rotation cycle is the sum of all crops in a rotation cycle. Different lowercase letters indicate significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level.

表9 不同種植制度對(duì)后茬作物生物量和氮素利用率的影響

注：不同小寫字母表示后茬作物在不同種植制度間的0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in succeeding crops under different cropping systems at 0.05 level.

3 討 論

3.1 種植制度對(duì)產(chǎn)量的影響

許多學(xué)者對(duì)華北地區(qū)不同種植制度進(jìn)行研究，提出調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、適水適地種植等觀點(diǎn)，然而種植制度的改變顯著影響了作物的產(chǎn)量。鄭媛媛等[23]、王大鵬等[26]發(fā)現(xiàn)與一年兩熟比較，兩年三熟的產(chǎn)量下降16%～23.7%，一年一熟的產(chǎn)量下降了27%～51.2%。而Gao等[14,21]在2009―2013年的2個(gè)輪作周期研究發(fā)現(xiàn)，兩年三熟與一年兩熟傳統(tǒng)處理的平均產(chǎn)量差異不顯著，分別為23 800和24 000 kg/hm2，但顯著低于一年兩熟優(yōu)化處理的28 600 kg/hm2。本試驗(yàn)中，1個(gè)輪作季的產(chǎn)量表現(xiàn)為兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產(chǎn)量最高，顯著高于一年兩熟的冬小麥-夏玉米傳統(tǒng)處理，但與一年兩熟的優(yōu)化處理差異不顯著。即使長期實(shí)行一種種植制度，對(duì)產(chǎn)量的影響也有差異。Gao等[21]與本研究中的試驗(yàn)地相同，在2009－2011年和2011－2013年2個(gè)輪作周期中，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的產(chǎn)量分別為21 400和26 200 kg/hm2，小麥-玉米輪作中傳統(tǒng)處理的產(chǎn)量分別為22 600和25 400 kg/hm2，小麥-玉米優(yōu)化處理中的產(chǎn)量分別為26 300和30 900 kg/hm2，2種種植制度中的第二個(gè)輪作周期的平均產(chǎn)量均高于第一個(gè)輪作周期。

研究發(fā)現(xiàn)華北平原小麥和玉米的產(chǎn)量潛力存在顯著差異，玉米的產(chǎn)量潛力在14 000 kg/hm2，目前玉米產(chǎn)量僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量潛力的41.5%[27]，冬小麥產(chǎn)量潛力為8 000～9 000 kg/hm2，小麥產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量潛力的62%～71%[28]，玉米具有更高的生產(chǎn)潛力，而兩年三熟制中有兩季玉米，是具有產(chǎn)量潛力的種植制度。從單季作物看，不同種植制度中的同一作物的產(chǎn)量差異也較大，W-M-SM中的冬小麥、夏玉米和春玉米產(chǎn)量均高于其他種植制度，分別為8 092.75、13 296.87和10 858.90 kg/hm2；第2個(gè)輪作周期的第一季作物產(chǎn)量表現(xiàn)為兩年三熟顯著高于一年兩熟，W-M-SM的后茬作物為春玉米，產(chǎn)量為11 359.97 kg/hm2，比一年兩熟的冬小麥高4 855.74～6 962.42 kg/hm2。除了種植制度中不同前茬作物的影響外，施氮量也是一個(gè)重要因素，施氮量與作物產(chǎn)量呈現(xiàn)先線性后直線的關(guān)系，即在低施氮量時(shí)產(chǎn)量會(huì)隨著施氮量的增加而增加，當(dāng)施氮量達(dá)到一定閾值后產(chǎn)量不再增加，呈直線關(guān)系；而施氮量進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致作物營養(yǎng)生長增加，而產(chǎn)量降低。

目前華北平原兩年三熟的種植制度并沒有過長的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其對(duì)未來產(chǎn)量的提升需要進(jìn)一步驗(yàn)證。但地下水資源的短缺，已成為制約華北平原農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)已不再是高投入-高產(chǎn)出的模式，兩年三熟制將會(huì)成為替代目前種植制度的一個(gè)趨勢(shì)，但需要挖掘其產(chǎn)量潛力。

3.2 種植制度對(duì)水、氮利用率的影響

提高作物對(duì)于灌溉水的利用率是彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)用水短缺的重要戰(zhàn)略[29]，通過改變種植制度來降低耗水量，從而提高水分的利用率。華北平原的降雨量僅能滿足一年兩熟制下作物總耗水量的72.9%，小麥生育期降水僅能滿足其需水量的25%～40%，虧缺的200～300 mm水分主要依靠地下水灌溉維持較高的產(chǎn)量[30]。郭步慶等[31]將一年兩熟制調(diào)整為兩年三熟和一年一熟，能降低作物耗水 24%～31%，總灌溉用水量降低63%，王大鵬等[26]也認(rèn)為兩年三熟能提高灌溉水利用效率 58%～172%。本試驗(yàn)中，春玉米一年一熟制度的灌溉水分生產(chǎn)率最高為210.94 kg/m3，其次為兩年三熟制的W-M-SM為100.78 kg/m3。

當(dāng)前中國農(nóng)田的氮素利用率僅為25%，而氮肥的廣泛應(yīng)用是導(dǎo)致利用率低的重要因素[32]。隨施氮量的增加，土壤殘留量及損失量均增加，但作物吸收量增加到一定值就不再增加，一般為施氮量的30%左右[33]，從而降低氮肥利用率。因此，合理控制氮肥用量是提高氮肥利用率的關(guān)鍵。王大鵬等[26]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟比冬小麥-夏玉米一年兩熟的氮肥用量降低75%，氮肥偏生產(chǎn)力則提高了211%，這主要是由于春玉米參與輪作，單季需氮量要小于冬小麥和夏玉米兩季的需氮量，同時(shí)春玉米可以充分利用降雨，具有實(shí)現(xiàn)零灌溉的潛力，進(jìn)而減少土壤中氮的淋洗損失，提高氮肥利用率。本研究以兩年種植期限分析，一年兩熟的常規(guī)W-M和水肥優(yōu)化W-M的氮素投入量分別為1 100和648 kg/hm2，兩年三熟的W-M-SM和W-B-SM氮素投入量分別為455和361 kg/hm2，一年一熟制春玉米氮素投入量為300 kg/hm2，作物總產(chǎn)量由高到低依次為W-M-SM、優(yōu)化 W-M、常規(guī) W-M、W-B-SM、SM，兩年三熟制的W-M-SM高達(dá)32 248.52 kg/hm2，W-M-SM的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于其他處理。

基于水氮資源的節(jié)約利用角度考慮，兩年三熟和一年一熟種植制度能降低水、氮資源投入，可以作為華北平原的較佳種植模式。

3.3 種植制度對(duì)土壤氮庫的影響

當(dāng)施氮量超過作物需求量時(shí)，氮庫盈余急劇增加，與施氮量之間呈線性極顯著正相關(guān)[34]。張經(jīng)廷等[35]和汪新穎等[36]發(fā)現(xiàn)華北平原一年兩熟的夏玉米收獲后，化肥氮在0～100 cm土壤殘留率為27.58%～57.56%，殘留量為66.29～138.32 kg/hm2，本試驗(yàn)中夏玉米在優(yōu)化W-M和常規(guī) W-M的土壤殘留氮量分別為89.66和140.46 kg/hm2，與華北平原現(xiàn)有研究結(jié)果基本一致。潘家榮等[37]對(duì)北京地區(qū)一年兩熟中的冬小麥進(jìn)行優(yōu)化水氮和傳統(tǒng)水氮研究發(fā)現(xiàn)，0~90 cm土壤殘留的氮量分別為25.92和72.60 kg/hm2；倪玉雪等[38]通過分析河北、山東和北京等地區(qū)的冬小麥季試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化施氮處理和傳統(tǒng)施氮處理下100 cm土體殘留的硝態(tài)氮分別為40.2～92.2和15.3～182.3 kg/hm2；本試驗(yàn)中常規(guī)W-M、優(yōu)化W-M、W-M-SM、W-M-B中的冬小麥季施氮量分別為300、139、162.4和176.6 kg/hm2，0～100 cm土壤殘留氮量分別為54.44、207.98、51.91和62.89 kg/hm2；該試驗(yàn)結(jié)果與倪玉雪等[38]的結(jié)果基本一致，但比潘家榮等[37]的殘留量要高，主要與施氮量、播前土壤氮?dú)埩?、灌水量和土壤質(zhì)地等因素有關(guān)。土壤殘留量隨施氮量和播前土壤氮素殘留量的增加而增加，潘家榮等[37]的研究中，傳統(tǒng)和優(yōu)化的施肥量分別為300和85 kg/hm2，播前90 cm土體殘留氮為115.8和42.5 kg/hm2，本試驗(yàn)的施氮量為139～300 kg/hm2，播前100 cm土體殘留氮為280.67 kg/hm2，顯著高于潘家榮等[37]的結(jié)果；土壤氮素殘留量也會(huì)隨灌水量的增加而降低，且土壤質(zhì)地偏砂，會(huì)造成土壤殘留氮的下移。潘家榮等[37]試驗(yàn)中的灌水和降水總量為397～487 mm，加之土壤質(zhì)地為砂壤土，容易造成土壤中的硝態(tài)氮淋出90 cm土體，而本試驗(yàn)的灌水和降水總量245～350 mm，土壤質(zhì)地為壤土。所以，本試驗(yàn)土壤殘留氮量高于潘家榮等[37]的研究結(jié)果。

前茬作物收獲后的肥料氮?dú)埩袅吭礁?，后茬作物收獲后的殘留量也越高。劉新宇[20]研究發(fā)現(xiàn)，與前茬作物收獲后相比，15N殘留向下運(yùn)移了70 cm；陳淑峰等[39]認(rèn)為硝態(tài)氮的淋洗和深層土壤的累積多發(fā)生在炎熱多雨的玉米季，優(yōu)化水氮比常規(guī)水氮的氮素淋失量下降60%，淋失率下降50%左右。本試驗(yàn)一個(gè)輪作結(jié)束后0～200 cm標(biāo)記15N運(yùn)移峰已達(dá)180 cm土層，土壤氮素的高累積造成了15N向下運(yùn)移；常規(guī) W-M處理原子百分超在40～100 cm出現(xiàn)了明顯的累積，顯著高于其他處理，高施氮量導(dǎo)致高殘留；兩年三熟和一年一熟的15N原子百分超除表層外，通體處于較低水平。因此本試驗(yàn)中一年兩熟土壤表層硝態(tài)氮含量高于兩年三熟和一年一熟，作物對(duì)于氮素的有效利用低于其他2種制度，易發(fā)生硝態(tài)氮的淋洗。

考慮到環(huán)境友好，一年兩熟的常規(guī)模式高投入、高污染風(fēng)險(xiǎn)的種植方式在未來不可持續(xù)，兩年三熟和一年兩熟種植制度是較好的輪作模式[40]。

4 結(jié) 論

一年一熟的春玉米對(duì)灌溉水分生產(chǎn)率比其他種植制度提高1.09～4.11倍，15N利用率僅高于一年兩熟常規(guī)水氮處理的56.76%，但產(chǎn)量卻比其他處理降低2.6%～52.88%，該種植制度目前不具有種植優(yōu)勢(shì)；一年兩熟是目前華北平原普遍的種植制度，其中優(yōu)化水氮比常規(guī)水氮產(chǎn)量提高20.08%，15N利用率提高72.96%，土壤氮庫盈余為93.64 kg/hm2，該種植制度下降低水氮投入是優(yōu)先考慮的措施；兩年三熟制中的冬小麥-夏玉米-春玉米處理產(chǎn)量最高，灌溉水分生產(chǎn)率和15N利用率也處于較高水平，土壤氮庫盈余為21.22 kg /hm2，顯著低于其他處理，僅少量硝態(tài)氮向下運(yùn)移?；诩Z食安全、資源節(jié)約和環(huán)境友好考慮，在保證小麥產(chǎn)量的前提下，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟種植模式具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ侨A北平原較為理想的種植制度。

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Effects of different cropping systems on food crop nitrogen utilization and soil nitrogen pool in North China Plain

Ji Yanzhi1, Xu Mingjie4, Ju Xiaotang3, Dong Xianxian5, Zhang Lijuan1,2※

(1.071000,;2.071000;3.100193;4.064400;5.050011,)

Water and fertilizer utilization efficiency are subject to the planting system. Winter wheat-summer maize double cropping is an important rotation system mainly practiced in the North China Plain, low fertilizer-nitrogen use efficiency and excessive accumulation of soil nitrogen in the rotation system. A three-year field experiment was conducted from October 2010 to October 2013 in North China Plain. To explore the suitable planting system for efficient utilization of nitrogen in north China plain, the15N tracer technology was used as a quantitative method to study the crop yield,15N utilization rate, nitrogen destination and soil nitrogen pool apparent equilibrium under the three planting system of double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional and optimized water and nitrogen management, three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize rotation or winter wheat-summer soybean-spring maize rotation, and one crop per year of spring maize. The results showed that the yield of three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize was 32 248.52 kg/hm2, which was 22.16% and 52.88% higher than that of two crops and one crop in one year. The utilization rate of15N was 33.36%, which was 26.12% higher than that of one harvest a year. The contribution rate and transference of nitrogen in a two-year triple cropping system was greater than double cropping, the amount of nitrogen transfer of four crops was showed that soil nitrogen higher than that of fertilizer nitrogen. The highest rate of nitrogen fertilizer in the three cropping systems was soil residue, followed by crop absorption and loss, the ratio of crop absorption, soil residue and loss in double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was about 2:6:2, the ratio in a crop per year of spring maize treatment was 3: 6:1, and the ratio in others treatments was about 3:5:2. The maximum amount of nitrogen absorption of winter wheat-summer maize-spring maize was 151.82 kg/hm2, which was significantly higher than the other two planting systems. Soil nitrogen residue in double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was 348.44 kg/hm2. It was the highest level in all of the systems. The15N abundance of double-crop rotation system appeared the maximum peak at 0-60 cm, the nitrate nitrogen content was 71.96 mg/kg, and the15N abundance of other cropping systems was small from top to bottom; the apparent surplus of soil nitrogen pool of double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was 252.61 kg/hm2, and the apparent surplus of soil nitrogen pool of wheat-summer maize-spring maize rotation system was the lowest, only 21.22 kg /hm2. The yield of spring maize as a succeeding crop was 4 855.74-6 962.42kg/hm2higher than that in summer maize after a rotation period. Therefore, the comprehensive analysis showed the three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize and spring maize had the potential of sustainability in the stable yield and high yield, and the improvement of nitrogen utilization rate, which would be an ideal planting system for the north China plain in the future.

crop; soils; nitrogen; cropping system; North China Plain

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Ji Yanzhi, Xu Mingjie, Ju Xiaotang, et al. Effects of different cropping systems on food crop nitrogen utilization and soil nitrogen pool in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 86-96. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.010 http://www.tcsae.org

2020-03-19

2020-05-11

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0300905）

吉艷芝，博士，副教授，主要從事土壤養(yǎng)分循環(huán)與土壤環(huán)境方面的研究。Email：jiyanzhi@hebau.edu.cn

張麗娟，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤養(yǎng)分循環(huán)與植物營養(yǎng)方面的研究。Email：ljzh_2001@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.010

S158.3

A

1002-6819(2020)-19-0086-11