基于文獻(xiàn)分析的氮肥用量對(duì)小麥玉米輪作體系硝態(tài)氮淋溶的影響*

肖廣敏,茹淑華,孫世友,趙歐亞,侯利敏,王 策,王 凌,劉 蕾,張國(guó)印

(河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心 石家莊 050051)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料的施用在農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中具有不可替代的作用。氮肥是農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中的主要氮素來源,在作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升中起著關(guān)鍵作用,合理施用氮肥是獲得較高產(chǎn)量的關(guān)鍵。但在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中往往存在嚴(yán)重的過量施肥現(xiàn)象。自20世紀(jì)80年代改革開放以來我國(guó)氮肥投入快速增長(zhǎng)。根據(jù)《2020年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》,自1980年至2019年我國(guó)氮肥使用量從934.2萬t增加到1930.2萬t,增長(zhǎng)了106.6%。全國(guó)耕地平均氮肥施用量為240 kg·hm,單位種植面積施氮量遠(yuǎn)高于非洲和歐美等地區(qū),是全球氮高投入地區(qū)之一。有學(xué)者分析了國(guó)內(nèi)N示蹤試驗(yàn)資料,認(rèn)為我國(guó)現(xiàn)有農(nóng)田管理水平的氮肥有效率在 50%～60%,損失率在40%～50%。氮肥施入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)除了可以被農(nóng)作物吸收利用外,還能夠以土壤殘留、氨揮發(fā)、淋溶和硝化-反硝化等多種途徑損失到環(huán)境中。氮的淋溶損失是指土壤中的氮素在水分投入(灌溉、降水)之后隨土壤水分運(yùn)動(dòng)向下直至進(jìn)入到作物根區(qū)無法到達(dá)的區(qū)域,最終不能被作物吸收所導(dǎo)致的損失。由于硝態(tài)氮離子自身帶有負(fù)電荷,在土壤中會(huì)與帶有同樣電荷的土壤膠體互相排斥,所以氮素主要以硝態(tài)氮的形式發(fā)生淋溶。研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)地下水中超過50%的氮來自農(nóng)田氮素淋溶,氮素通過淋溶進(jìn)入自然界水循環(huán)會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化,硝酸鹽在水體中也會(huì)通過反硝化作用釋放出NO,成為重要的溫室氣體間接排放源。

為了降低氮素淋溶導(dǎo)致的水污染問題,歐盟制定硝酸鹽法案(Nitrate Directive)和水法案(Water Framework Directive),通過規(guī)范農(nóng)田水氮施用量和施用方式提高水氮利用效率,減少氮淋溶。目前針對(duì)硝酸鹽淋溶開展了大量研究,結(jié)果表明氮素淋溶量與氮素施用量之間存在正相關(guān)關(guān)系,隨著施氮量增加硝態(tài)氮淋溶量也顯著增加。研究發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)冬小麥()的氮素施用量如果保持在90～170 kg(N)·hm的范圍內(nèi)硝酸鹽淋溶損失極低,當(dāng)施氮肥量達(dá)240 kg(N)·hm時(shí),硝酸鹽向深層土壤積累并進(jìn)入地下水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加。水分在土壤剖面中的垂直移動(dòng)是氮素淋溶的重要影響因素,硝酸鹽淋失量與水分投入呈正相關(guān)關(guān)系。在我國(guó)北方由于玉米()生長(zhǎng)處于夏季多雨期且生長(zhǎng)時(shí)間較短,集中的降雨、灌溉極大地增加了氮素淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。小麥、玉米是我國(guó)重要的糧食作物,2019年小麥和玉米的播種面積分別為2.37×10hm和4.13×10hm,占糧食播種面積的20.4%和35.6%,冬小麥-夏玉米輪作是我國(guó)北方最常見的種植制度,針對(duì)北方冬小麥-夏玉米輪作體系開展氮淋溶研究具有重要意義。目前,針對(duì)冬小麥、夏玉米氮淋溶的文獻(xiàn)分析研究在篩選數(shù)據(jù)時(shí)大量采用間接計(jì)算方法得到的氮淋溶數(shù)據(jù),由于間接計(jì)算數(shù)據(jù)存在較大誤差,不能較好地定量施氮量對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的影響。為了明確冬小麥-夏玉米輪作體系氮肥施用量與硝態(tài)氮淋溶的關(guān)系及不同監(jiān)測(cè)方法對(duì)氮素淋溶量的影響,本研究收集了1980年以來中國(guó)北方地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系的氮淋溶田間試驗(yàn),對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集、錄入和整合分析,研究化肥施氮量對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的影響,并對(duì)不同硝態(tài)氮淋溶測(cè)定方法進(jìn)行比較分析,為冬小麥-夏玉米輪作體系氮肥合理施用和減少硝態(tài)氮淋溶損失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)收集

本研究通過對(duì)中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)和Web of Science核心合集英文數(shù)據(jù)庫(WoS) 1980年以來公開發(fā)表的有關(guān)冬小麥-夏玉米輪作體系硝態(tài)氮淋溶的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索并從中獲取施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和氮淋溶采集方法等相關(guān)數(shù)據(jù)。采用的文獻(xiàn)主要來源為數(shù)據(jù)庫收錄的期刊上發(fā)表的文獻(xiàn)以及碩博學(xué)位論文。中國(guó)知網(wǎng)通過主題詞“冬小麥” “夏玉米” “氮淋溶”

“硝態(tài)氮淋溶”進(jìn)行檢索,WoS通過主題詞“winter wheat” “summer maize” “nitrogen leaching” “ nitrate nitrogen leaching”進(jìn)行檢索。從檢索出的文獻(xiàn)中進(jìn)行篩選,從中提取本研究所需要的數(shù)據(jù)。本研究所篩選文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)滿足以下條件: 1)試驗(yàn)為田間試驗(yàn); 2)種植制度為冬小麥-夏玉米輪作; 3)測(cè)定氮淋溶所用方法為滲漏計(jì)法或溶液提取器法,其他方法不在本次研究范圍之內(nèi); 4)田間試驗(yàn)所用肥料為化學(xué)氮肥,排除施用有機(jī)肥和緩控釋肥等其他類型肥料的數(shù)據(jù); 5)只選取農(nóng)民常規(guī)農(nóng)田管理措施處理的數(shù)據(jù),排除特殊處理(例如滴灌噴灌、深耕、壟作覆膜等農(nóng)田管理措施); 6)試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)或3個(gè)以上重復(fù)。

經(jīng)過篩選本研究共收集和使用文獻(xiàn) 22篇(中文20篇,英文2篇),收集到冬小麥硝態(tài)氮淋溶數(shù)據(jù)52個(gè)、夏玉米硝態(tài)氮淋溶數(shù)據(jù)65個(gè),其中采用滲漏計(jì)測(cè)定硝態(tài)氮的文獻(xiàn)有13篇,采用溶液提取器測(cè)定硝態(tài)氮的文獻(xiàn)有9篇。硝態(tài)氮淋溶觀測(cè)數(shù)據(jù)共117個(gè),其中采用滲漏計(jì)測(cè)定硝態(tài)氮淋溶量的觀測(cè)數(shù)據(jù)為64個(gè),采用溶液提取器測(cè)定硝態(tài)氮淋溶量的觀測(cè)數(shù)據(jù)為53個(gè)。根據(jù)冬小麥-夏玉米輪作體系推薦施氮量將數(shù)據(jù)分為兩組,即施氮量≤200 kg·hm和施氮量＞200 kg·hm。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行回歸方程的擬合與作圖,運(yùn)用SPSS 20進(jìn)行回歸分析和T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)冬小麥硝態(tài)氮淋溶的影響

冬小麥?zhǔn)┑?、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率的分布如圖1所示。冬小麥季(樣本數(shù)=52)化肥施氮量范圍為0～400 kg·hm,平均施氮量為(218±102)kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量為0.4～32.0 kg·hm,平均硝態(tài)氮淋溶量為(8.8±7.9) kg·hm; 硝態(tài)氮淋溶率為0.4%～8.0%,平均為(3.5±2.1)%。施氮量≤200 kg·hm處理(=28)平均施氮量為(151±44) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量為(3.8±3.5) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(2.5±1.7)%。施氮量＞200 kg·hm的處理(=24)平均施氮量 為(309±57) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量為(14.5±7.9)kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(4.5±2.0)%。冬小麥?zhǔn)┑颗c硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系如圖2所示。對(duì)冬小麥季化肥施氮量與相應(yīng)的硝態(tài)氮淋溶量用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)二者符合指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(擬合方程為=0.4633e),且二者的相關(guān)性達(dá)顯著水平(＜0.01)。從擬合方程推算出,當(dāng)施氮量達(dá)到200 kg·hm時(shí)小麥季硝態(tài)氮淋溶量為4.1 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為2.1%,當(dāng)施氮量達(dá)400 kg·hm時(shí)小麥季硝態(tài)氮淋溶量為36.3 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為9.1%。當(dāng)施氮量從0 kg·hm增加到200 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm其淋溶量?jī)H增加3.6 kg·hm; 而當(dāng)施氮量從200 kg·hm增加到400 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm其淋溶量增加了32.2 kg·hm。當(dāng)冬小麥?zhǔn)┑繛?～200 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量隨化肥施氮量的增加而緩慢增加,施氮量超過200 kg·hm后,硝態(tài)氮淋溶量隨化肥施氮量的增加而迅速增加。

圖1 冬小麥季施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率Fig.1 Nitrogen fertilization rate,nitrate N leaching amount and leaching rate of nitrate N in winter wheat season

圖2 冬小麥?zhǔn)┑颗c硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系Fig.2 Relationship between nitrate N leaching amount and N fertilization rate in winter wheat season

2.2 不同施氮量對(duì)夏玉米硝態(tài)氮淋溶的影響

夏玉米施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率分布如圖3所示。玉米季(樣本數(shù)=65)化肥施氮量范圍為0～525 kg·hm,平均施氮量為(190±110)kg·hm; 施氮肥處理硝態(tài)氮淋溶量范圍為0.9～57.6 kg·hm,平均硝態(tài)氮淋溶量為(13.9±12.3) kg·hm; 硝態(tài)氮淋溶率范圍為0.3%～13.2%,平均為(6.4±3.2)%。施氮量≤200 kg·hm處理(=37)平均施氮量為(118±62) kg·hm,平均硝態(tài)氮淋溶量為(6.5±5.2)kg·hm,平均占化肥施氮量比例為(4.9±2.9)%。施氮量＞200 kg·hm處理(=28)平均施氮量為(283±84)kg·hm,平均硝態(tài)氮淋溶量為(23.4±11.9) kg·hm,平均占化肥施氮量比例為(8.1±2.6)%。玉米施氮量與硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系如圖4所示。玉米季施氮量和硝態(tài)氮淋溶量關(guān)系與小麥季具有相同的變化趨勢(shì),對(duì)夏玉米季化肥施氮量與相應(yīng)的硝態(tài)氮淋溶量用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)二者符合指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(擬合方程為=1.1011e),且二者的相關(guān)性達(dá)顯著水平(＜0.01)。從擬合方程推算出,當(dāng)施氮量達(dá)200 kg·hm時(shí)玉米季硝態(tài)氮淋溶量為8.6 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為4.3%; 當(dāng)施氮量達(dá)400 kg·hm時(shí)玉米季硝態(tài)氮淋溶量為67.8 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為17.0%。當(dāng)施氮量從0 kg·hm增加到200 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,其淋溶量?jī)H增加7.5 kg·hm;而當(dāng)施氮量從200 kg·hm增加到400 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,其淋溶量增加了59.2 kg·hm。當(dāng)玉米施氮量為0～200 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量隨化肥施氮量的增加而緩慢增加,玉米季施氮量超過200 kg·hm后,硝態(tài)氮淋溶量隨化肥施氮量的增加而迅速增加。

圖3 夏玉米施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率Fig.3 Nitrogen fertilization rate,nitrate N leaching amount and leaching rate in summer maize season

圖4 夏玉米季施氮量與硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系Fig.4 Relationship between nitrate N leaching amount and N fertilization rate in summer maize season

2.3 不同監(jiān)測(cè)方法對(duì)冬小麥夏玉米硝態(tài)氮淋溶的影響

小麥季滲漏計(jì)法的化肥施氮量和硝態(tài)氮淋溶量較溶液提取器法分布更為集中,硝態(tài)氮淋溶率分布接近,其平均施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率均低于溶液提取器法(圖5)。小麥季滲漏計(jì)法的平均施氮 量為(184±77) kg·hm,測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量為(5.7±5.0) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(2.9±2.0)%; 溶液提取器法平均施氮量為(242±112) kg·hm,測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量為(10.9±9.0) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(3.8±2.1)%。滲漏計(jì)法比溶液提取器法平均施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別低24.0%、47.7%和23.7%。對(duì)小麥季滲漏計(jì)法和溶液提取器法的化肥施氮量和硝態(tài)氮淋溶量進(jìn)行擬合(圖6),發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量均隨著化肥施氮量的增加顯著增加,兩種方法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量與化肥施氮量之間呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(滲漏計(jì)法:=0.2448e,＜0.01; 溶液提取器法:=0.6108e,＜0.01)。從擬合方程推算出,當(dāng)施氮量達(dá)200 kg·hm時(shí),小麥季采用滲漏計(jì)法和溶液提取器法硝態(tài)氮淋溶量均為4.3 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為2.2%; 當(dāng)施氮量達(dá)400 kg·hm時(shí),小麥季硝態(tài)氮淋溶量分別為74.6 kg·hm和30.8 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率分別為18.7%和7.7%。當(dāng)施氮量從0 kg·hm增加到200 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,滲漏計(jì)法和溶液提取器法硝態(tài)氮淋溶量分別增加4.1 kg·hm和3.7 kg·hm; 而當(dāng)施氮量從200 kg·hm增加到400 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量分別增加70.3 kg·hm和26.5 kg·hm。在施氮量低于200 kg·hm情況下,兩種方法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量結(jié)果接近; 但是隨著施氮量的增高,滲漏計(jì)法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量增長(zhǎng)速度更快。

圖5 不同監(jiān)測(cè)方法的冬小麥?zhǔn)┑?、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率Fig.5 Nitrogen fertilization rate,nitrate N leaching amount and leaching rate under determined with different methods in winter wheat season

圖6 冬小麥不同監(jiān)測(cè)方法施氮量與硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系Fig.6 Relationship between nitrate N leaching amount determined with different methods and N fertilization rate in winter wheat season

玉米季兩種方法的化肥施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分布接近,滲漏計(jì)法平均施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率均高于溶液提取器法(圖7)。玉米季滲漏計(jì)法的平均施氮量為(212±120) kg·hm,測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量為(17.0±12.7) kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(6.8±2.8)%; 溶液提取器法平均施氮量為(146±82) kg·hm,測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量為(8.9±7.6)kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率為(4.9±3.2)%。滲漏計(jì)法的施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別比溶液提取器法高45.2%、91.0%和38.8%。對(duì)兩種方法測(cè)得的玉米季化肥施氮量和硝態(tài)氮淋溶量進(jìn)行擬合(圖8)發(fā)現(xiàn),硝態(tài)氮淋溶量與化肥施氮量之間呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系(滲漏計(jì)法:=1.0284e,＜0.01; 溶液提取器法:=0.972e,＜0.01)。從擬合方程推算出,當(dāng)施氮量達(dá)200 kg·hm時(shí)玉米季采用滲漏計(jì)法和溶液提取器法硝態(tài)氮淋溶量分別為7.9 kg·hm和8.8 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率分別為4.0%和4.4%。當(dāng)施氮量達(dá)400 kg·hm時(shí),玉米季硝態(tài)氮淋溶量分別為60.6 kg·hm和79.2 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶率分別為15.2%和19.8%。當(dāng)施氮量從0 kg·hm增加到200 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,滲漏計(jì)法和溶液提取器法硝態(tài)氮淋溶量分別增加6.9 kg·hm和7.8 kg·hm; 而當(dāng)施氮量從200 kg·hm增加到400 kg·hm,硝態(tài)氮投入量增加200 kg·hm,硝態(tài)氮淋溶量分別增加52.7 kg·hm和70.4 kg·hm。當(dāng)施氮量低于200 kg·hm時(shí),采用2種方法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量差異不大,但是隨著施氮量的增高,溶液提取器法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量增長(zhǎng)速度更快。

圖7 不同監(jiān)測(cè)方法夏玉米季施氮量、硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶率Fig.7 Nitrogen fertilization rate,nitrate N leaching amount and leaching rate determined with different methods in summer maize season

圖8 不同監(jiān)測(cè)方法夏玉米施氮量與硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系Fig.8 Relationship between nitrate N leaching amount determined with different methods and N fertilization rate in summer maize season

3 討論與結(jié)論

3.1 施氮量對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的影響

本研究表明隨著化肥施氮量的增加,冬小麥和夏玉米的硝態(tài)氮淋溶量也隨之增加,這一研究結(jié)果與駱曉聲等和李楨等隨著施氮量的增加硝態(tài)氮淋溶量顯著增加的研究結(jié)果一致。我們的研究結(jié)果表明冬小麥和夏玉米硝態(tài)氮淋溶量和化肥施氮量之間存在指數(shù)關(guān)系,當(dāng)施用化肥氮維持在較低水平時(shí)硝態(tài)氮的淋溶量較低(小麥季＜200 kg·hm、玉米季＜180 kg·hm),而當(dāng)化肥氮施用量超過這一數(shù)值后硝態(tài)氮的淋溶量會(huì)快速增長(zhǎng),我們的這一研究結(jié)果與Cui等的研究結(jié)果一致。雖然施氮量與硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系與前人結(jié)果一致。但是,本研究的冬小麥、夏玉米硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率均顯著低于他人的研究結(jié)果。王桂良的研究表明: 小麥季平均施氮量為202 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量為18.7 kg·hm,氮素淋溶損失率為8.6%; 玉米季平均施氮量210 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量為47.6 kg·hm,氮素淋溶損失率為20.8%。本研究表明,小麥季平均施氮量218 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量為8.8 kg·hm,氮素淋溶損失率為3.5%,玉米季平均施氮量190 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量為13.9 kg·hm,氮素淋溶損失率為6.4%,在施氮量相差較小的情況下,硝態(tài)氮淋溶量和硝態(tài)氮淋溶損失率均顯著低于王桂良的研究。這主要是由于對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)篩選的標(biāo)準(zhǔn)不同,本研究選擇的硝態(tài)氮淋溶量數(shù)據(jù)全部為田間實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù),王桂良的研究中選擇的部分?jǐn)?shù)據(jù)(小麥季37%,玉米季30%)通過氮素平衡法計(jì)算間接得到。而Wang等和Quemada等的研究表明,采用氮素平衡法計(jì)算得到的硝態(tài)氮淋溶量較其他方法偏高,采用氮素平衡法得到的硝態(tài)氮淋溶數(shù)據(jù)不適合作為文獻(xiàn)分析使用的數(shù)據(jù)。對(duì)于同種作物同種監(jiān)測(cè)方法和施氮量情況下硝態(tài)氮淋溶量往往也存在差異,這是由于硝態(tài)氮淋溶除受施氮量影響外,還受降雨、土壤類型等自然條件的影響,降雨較多和土壤沙粒含量較高的地區(qū)硝態(tài)氮淋溶量高于其他地區(qū)。小麥季施氮量和硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系擬合效果較好;而在玉米季當(dāng)施氮量超過300 kg·hm時(shí),由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較少導(dǎo)致玉米季施氮量和硝態(tài)氮淋溶量的關(guān)系擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差距較大。

3.2 作物種類對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)在冬小麥?zhǔn)┑扛哂谙挠衩椎那闆r下,冬小麥硝態(tài)氮淋溶量遠(yuǎn)低于夏玉米。夏玉米平均施氮量190 kg·hm比冬小麥平均施氮量低12.8%,硝態(tài)氮淋溶量13.9 kg·hm比小麥高58.9%,硝態(tài)氮淋溶率6.4%則比小麥高82.9%。這一研究結(jié)果與牛新勝等和Huang等玉米季比小麥季更容易發(fā)生氮淋溶的研究結(jié)果一致。這是由于本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多來自華北平原地區(qū)田間定位試驗(yàn),華北地區(qū)氮素淋溶具有明顯的季節(jié)性差異。這種季節(jié)性差異與土壤水分含量具有直接關(guān)系,華北平原氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,降雨分布不均,其中約80%的降雨集中于玉米生長(zhǎng)的6—10月。在小麥季雖然施肥后灌水會(huì)造成土壤硝態(tài)氮含量升高,但是由于缺乏降雨,土壤含水量較低,不易發(fā)生氮素淋溶。玉米季生長(zhǎng)周期較短,頻繁的強(qiáng)降雨事件導(dǎo)致土壤含水量長(zhǎng)期處于較高的狀態(tài),從而使土壤氮素具有較大的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。因此,減少冬小麥-夏玉米輪作體系的硝態(tài)氮淋溶需重點(diǎn)關(guān)注玉米季的硝態(tài)氮淋溶。

3.3 不同監(jiān)測(cè)方法對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的影響

本研究中小麥季采用滲漏計(jì)法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率顯著低于溶液提取器法,而玉米季結(jié)果相反。不同作物季滲漏計(jì)法和溶液提取器法的施氮量不同是造成這一現(xiàn)象的主要原因,小麥季滲漏計(jì)法的施氮量(184±77) kg·hm低于溶液提取器法施氮量(242±112) kg·hm,而玉米季滲漏計(jì)法的施氮量(212±120) kg·hm高于溶液提取器法施氮量(146±82) kg·hm。選擇施氮量接近的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),小麥季當(dāng)滲漏計(jì)法施氮量為217 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別為7.7 kg·hm和3.5%,溶液提取器法施氮量為212 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別為8.0 kg·hm和3.8%; 玉米季當(dāng)滲漏計(jì)法施氮量為174 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別為9.8 kg·hm和5.6%,溶液提取器法施氮量為176 kg·hm時(shí),硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別為11.8 kg·hm和6.7%。小麥季和玉米季當(dāng)施氮量接近時(shí),使用兩種不同方法測(cè)得的硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率沒有顯著差異。當(dāng)施氮量＜200 kg·hm時(shí)兩種方法擬合方程對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的擬合結(jié)果接近。隨著施氮量的增加,小麥季滲漏計(jì)法和玉米季溶液提取器法的擬合方程對(duì)硝態(tài)氮淋溶量的擬合結(jié)果顯著高于另一種方法,這主要是由于高施氮量的數(shù)據(jù)較少,導(dǎo)致方程在對(duì)高施氮量進(jìn)行擬合時(shí)存在較大誤差。

在一定深度的土層安裝已知面積的滲漏計(jì),每隔固定時(shí)間收集滲漏計(jì)中的淋溶液,并測(cè)定淋溶液體積和淋溶液硝態(tài)氮濃度,已知淋溶液體積和淋溶液濃度兩者相乘可以計(jì)算出這段時(shí)間土壤硝態(tài)氮的淋溶量。滲漏計(jì)法能直接測(cè)定土壤淋溶液的硝態(tài)氮濃度及淋溶液體積,收集面積足夠大,土壤中的優(yōu)先流問題不突出,能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。但是該方法在實(shí)際使用過程中存在邊際效應(yīng)。在系統(tǒng)底部的土壤-空氣邊界存在表面張力會(huì)影響土壤液體的滲漏過程。當(dāng)土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的水壓可以克服表面張力產(chǎn)生的影響; 但是當(dāng)土壤水分含量低時(shí),由于張力阻礙使土壤淋溶液不易向下運(yùn)動(dòng)。土壤溶液提取器是利用負(fù)壓原理的微型土壤溶液采樣器,它是一種定點(diǎn)定位連續(xù)采集土壤溶液動(dòng)態(tài)的儀器。用溶液提取器收集土壤淋溶液測(cè)定土壤淋溶液中的養(yǎng)分濃度,然后通過間接計(jì)算得到淋溶液體積,利用淋溶液養(yǎng)分濃度和體積的乘積得到養(yǎng)分淋溶量。這一方法對(duì)原狀土的擾動(dòng)較小,但是只能測(cè)定淋溶液中的硝態(tài)氮濃度,淋溶液的體積只能通過間接估算得到。目前計(jì)算淋溶液體積主要有3種方法: 第一,可以根據(jù)蒸發(fā)量、灌溉量、降雨量等通過水分平衡估算出淋溶液體積。第二,可以在溶液提取器埋設(shè)深度的上下10 cm處安裝張力計(jì),測(cè)定該深度的土水勢(shì),然后再根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算得到淋溶液體積; 第三,利用土壤-水分模型根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)和水分投入量模擬得到淋溶液體積。計(jì)算淋溶液體積所需數(shù)據(jù)量大,淋溶液體積計(jì)算復(fù)雜,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘哕浖g接估算得出; 而且溶液提取器只有在土壤含水量高的條件下,才能順利提取出土壤溶液。由于田間氮淋溶受外界影響較大,監(jiān)測(cè)具有較大難度,滲漏計(jì)法和溶液提取器法是目前采用較為廣泛且被認(rèn)可的氮淋溶監(jiān)測(cè)方法。

3.4 結(jié)論

綜上所述化肥氮施用量是影響冬小麥-夏玉米輪作體系硝態(tài)氮淋溶的主要因素,硝態(tài)氮淋溶量隨化肥施氮量的增加呈指數(shù)函數(shù)形式增加。當(dāng)小麥季施氮量超過200 kg·hm、玉米季超過180 kg·hm時(shí)硝態(tài)氮淋溶量會(huì)顯著增加。小麥季平均施氮量為218 kg·hm,玉米季平均施氮量為190 kg·hm,施氮量沒有顯著差異,但是小麥季硝態(tài)氮淋溶量和淋溶率分別為8.8 kg·hm和3.5%,顯著低于玉米季(13.9 kg·hm和6.4%)。玉米季比小麥季具有更大的硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)。滲漏計(jì)法和溶液提取器法監(jiān)測(cè)的硝態(tài)氮淋溶量與化肥施氮量之間也存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系,隨著化肥施氮量的增加,兩種方法監(jiān)測(cè)得到的硝態(tài)氮淋溶量也顯著增加。在化肥施氮量接近的情況下,滲漏計(jì)法和溶液提取器法對(duì)硝態(tài)氮淋溶的監(jiān)測(cè)效果沒有顯著差異,兩種方法都可以較好地應(yīng)用于田間硝態(tài)氮淋溶監(jiān)測(cè)。