连续不同施氮对小麦-玉米轮作农田土壤理化性状的影响

安志超，黄玉芳，马晓晶，李 帅，师海彬，叶优良

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002； 2.陕西省渭南市农技推广中心，陕西渭南 715500)

连续不同施氮对小麦-玉米轮作农田土壤理化性状的影响

安志超1，黄玉芳1，马晓晶1，李 帅1，师海彬2，叶优良1

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002； 2.陕西省渭南市农技推广中心，陕西渭南 715500)

为明确施氮量对农田土壤理化形状的影响，以小麦-玉米轮作体系为研究对象，通过4年连续定位试验，比较了连续不同施氮处理对不同土层土壤理化指标的影响。结果表明，连续不同施氮处理对土壤有机质和全氮含量、碳氮比、土壤容重有显著影响，但对pH的影响较小。在0～30 cm土层，土壤有机质和全氮含量随施氮量的增加而增加，当施氮量为240 kg·hm-2时，有机质含量增加速率最快，当施氮量为360 kg·hm-2时，土壤全氮含量最高。在30～60 cm和60～90 cm土层，不同施氮处理对土壤有机质、全氮含量的影响降低。综合土壤碳氮比和容重等指标，本区域推荐施氮量为240 kg·hm-2。

小麦-玉米轮作；有机质；全氮；碳氮比；土壤容重；土壤pH

粮食安全是国家安全的重要组成部分，事关国计民生和社会政治稳定[1]。耕地是不可复制的农业自然资源，是粮食生产最重要的物质基础。随着经济发展和人口增长，我国资源与环境问题日益突出，农田生态环境问题对粮食安全的威胁也日益加深。化肥在促进我国粮食增产、农民增收和保障我国粮食安全的同时，其不合理的施用也造成了利用率低、流失率过高，导致农业生态环境遭到不同程度破坏[2]，如出现土壤酸化、土壤板结、土壤质量下降等问题。探索连续施肥对土壤理化性状的影响，对农田的可持续利用和区域资源环境与社会经济的可持续发展具有重要作用。

目前，影响农田土壤质量的因素主要有灌溉、耕作方式、轮作方式及化肥施用量等。国内外相关研究表明，长期单施化肥对土壤的理化性质具有一定的影响[3-4]，尤其是氮肥，能够显著改变土壤的pH值，导致土壤酸化和土壤板结，使耕地土壤退化，生产力降低[5-7]。目前，系统分析小麦-玉米轮作条件下连续不同施氮水平对农田土壤理化性状影响的研究尚不多见。本研究利用连续不同施氮定位试验，分析不同施氮量对耕层土壤有机质、全氮、碳氮比、土壤容重及土壤pH的影响，旨在探究小麦-玉米轮作体系下连续不同施氮水平对土壤理化性状的影响，为提高土壤质量和建立合理的氮素管理策略以及农田的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及试点概况

供试小麦品种为周麦16，玉米为中单909。供试肥料为尿素(含氮 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)。

试验田位于河南禹州市顺店镇康城村，气候属大陆性暖温带季风型。供试土壤为粘壤潮土，耕层土壤pH 7.8，有机质含量18.3 g·kg-1，全氮1.58 g·kg-1，速效磷20 mg·kg-1，速效钾142 mg·kg-1。0～30 cm土壤容重为1.45 g·cm-3。作物种植方式为小麦-玉米轮作，秸秆全部还田。

1.2 试验设计

试验从2011年9月开始，为不同氮肥用量定位试验。试验共设0、120、180、240、360 kg·hm-2五个施氮水平，分别用N0、N120、N180、N240、N360表示。小麦季和玉米季的施肥相同。小麦季氮肥1/2在小麦播前作基肥施入，1/2在小麦拔节期开沟追施；玉米季氮肥1/3在播种前施入，2/3在玉米大喇叭口期开沟追施。磷、钾肥全部基施，小麦、玉米季磷、钾肥用量均为P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。小区面积为48 m2，重复3次，随机区组排列。播前将肥料在每个小区均匀撒施，深翻入土。田间管理同当地大田，在播种后浇蒙头水，后期根据墒情灌溉，分别在小麦的越冬期和玉米3～5叶期进行化学除草，在小麦、玉米拔节期防治病虫害。

1.3 土壤样品采集与测定

试验开始前，在2011年9月采集基础土样，取样时间用T0表示。其余土壤样品采集于2012年9月以及2013、2014、2015年的6月和9月，按时间顺序分别用T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7表示。使用土钻采集0～90 cm土壤，每30 cm一层。于2015年9月玉米收获后第10天测定表层土壤(0～10 cm)的容重。土壤容重的测定用环刀法。土壤pH用电极法测定，水土比为2.5∶1。土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 19.0 进行数据计算与统计分析，采用OriginPro 2016绘图，用Duncan 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对土壤有机质含量的影响

由图1可以看出，不同施氮量下土壤有机质含量变化差异明显。在0～30 cm土层，从2011年9月到2015年9月，N0和N120处理土壤有机质含量整体呈下降趋势；施氮量为180和240 kg·hm-2时，土壤有机质含量呈上升趋势；当施氮量达到360 kg·hm-2时，土壤有机质含量增幅较小；T7时期不同施氮处理土壤有机质含量差异均达到显著水平(P<0.05)。在30～60 cm土层，N0、N120处理土壤有机质含量均呈下降趋势；N180处理土壤有机质含量基本保持不变；N240、N360处理土壤有机质含量呈上升趋势；T7时期，N0与N120差异不显著，N240与N360差异不显著(P<0.05)。在60～90 cm土层，N0处理的土壤有机质变化不大，其他处理的土壤有机质含量均下降；T7时期，N0处理土壤有机质含量显著高于N180、N240(P<0.05)。说明在小麦-玉米轮作体系中，一定施氮量可以提高0～60 cm土壤有机质含量。

0～30 cm土层土壤有机质含量与持续施氮时间具有一定的相关性(表1)。其中，N0、N120处理的有机质含量与持续施氮时间呈负相关，且相关性较高，相关系数分别为0.893 4和0.892 8；N180、N240处理土壤有机质含量与持续施氮时间呈正相关，即随着施氮时间的延长，0～30 cm土层土壤有机质含量逐渐上升；而N360处理土壤有机质含量与持续施氮时间相关性较低。在5个施氮水平下，N0处理的斜率绝对值较大，说明在连续不施氮肥条件下，土壤有机质含量下降速率最快。

2.2 不同施氮处理对土壤全氮含量的影响

2011-2015年，不同施氮处理土壤全氮含量变化趋势不一致(图2)。0～30 cm土层，N240处理土壤全氮在1.58～1.71 g·kg-1之间，变幅不大。N0、N120和N180处理土壤全氮含量均成下降趋势，其中N0处理土壤全氮含量下降幅度较大，达到0.93 g·kg-1。N360处理土壤全氮含量呈上升趋势，上升速率为0.18 g·kg-1·yr-1。T7时期不同施氮处理间土壤全氮含量差异均达到显著水平(P<0.05)。30～60 cm土层，N240、N360处理土壤全氮含量呈上升趋势，但上升幅度不大，其余3个处理均呈下降趋势；各处理土壤全氮含量在试验期前两年的变化速率较大，然后整体变化趋势平缓。60～90 cm土层，5个施氮处理的土壤全氮含量变化均不大，特别是N0处理，与0～30 cm土层土壤全氮含量与持续施氮时间也具有一定的相关性(表2)。其中，N0、N120、N180处理的土壤全氮含量与持续施氮时间呈负相关，相关系数分别为0.866 9、0.692 5和0.582 9；N240、N360处理土壤全氮含量与持续施氮时间T呈正相关，以N360处理的相关性最高(0.933 4)。在5个施氮水平下，N0处理的斜率绝对值最大，其次为N360处理，说明连续不施和连续施用360 kg·hm-2的氮肥，能够分别显著降低和提高0～30 cm土层土壤全氮含量。

图1 连续不同施氮处理对土壤有机质含量的影响

处理Treatment拟合方程RegressionequationR2N0Y=-0.0614X+17.8840.8934N120Y=-0.0373X+18.4000.8928N180Y=0.0630X+18.8080.5351N240Y=0.0730X+18.9470.4880N360Y=0.0036X+19.1130.0070

持续施氮时间是土壤采集时间距2011年9月的月份。下表同。

Continuous nitrogen application time is months from the beginning of September 2011 to the collecting time of soil sampling. The same in table 2.

0～30 cm和30～60 cm土层相比，无明显下降趋势。T7时期0～30 cm土壤全氮含量随着施氮量的增加而增加。其中，N0处理土壤全氮含量最低，为0.65 g·kg-1，显著低于其他施肥处理(P<0.05)；N360土壤全氮含量达到最高，含量为2.30 g·kg-1，而N120和N180处理土壤全氮含量无显著差异。

图2 连续不同施氮对土壤全氮含量的影响

处理Treatment拟合方程RegressionequationR2N0Y=-0.0209X+0.15820.8669N120Y=-0.0051X+1.53520.6925N180Y=-0.0053X+1.60810.5829N240Y=0.0019X+1.61090.5217N360Y=0.0145X+1.65120.9334

2.3 连续不同施氮处理对土壤C/N的影响

农田生态系统碳、氮循环是最基本的生态过程，影响作物产量和肥料利用率，是农业可持续发展的基础[8]。2015年9月测定不同施氮处理下土壤C/N发现(图3)，N0处理的土壤C/N最高，达13.65，显著高于其他施氮处理。N120与N240、N180与N240处理之间土壤C/N无显著差异；当施氮量达到360 kg·hm-2时土壤C/N为4.81，显著低于其他施氮处理。

2.4 连续不同施氮处理对土壤容重的影响

由图4可见，不同施氮处理对土壤容重的影响不同，以N0处理的土壤容重最高，为1.44 g·cm-3，其次为N120与N180处理，三者差异不显著。N240和N360处理的土壤容重最低，为1.30 g·cm-3。基本呈随着施氮量的增加容重降低趋势。

2.5 连续不同施氮处理对土壤pH的影响

由表3可见，0～30 cm土层不同施氮处理在T1～T7的7个时期pH值波动较大。在N0处理下，T5时期土壤pH值显著高于T2、T3、T4、T7。N120处理下，T5、T6时期土壤pH值显著高于其他5个时期。在N180处理下，T5、T6时期土壤pH值显著高于T1、T3时期。在N240处理下，T5、T6、T7时期的土壤pH值与T2、T3时期的pH值差异显著。在N360处理下，T5时期的土壤pH值与T1、T2、T3、T4时期的pH值差异显著。对同一时期的不同施氮处理分析发现，7个时期的不同施氮处理间土壤pH的差异均不显著(P<0.05)。

图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Different letters above bars mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same below.

图3连续不同施氮处理对土壤C/N的影响

Fig.3EffectofdifferentnitrogenapplicationtreatmentsonsoilC/N

图4 不同施氮处理的土壤容重变化

3 讨 论

土壤理化性状是评价土壤质量的重要指标，土壤质量取决于土壤的自然组成部分，主要与土壤的成土地理环境、母质等相关，也与人类的利用和管理方式有关，与化学性状相比，土壤物理性状指标相对较稳定，因此，通过农业活动改变土壤的物理性状较为缓慢。本试验结果表明，在冬小麦-夏玉米轮作体系下，连续不同施氮处理在一定程度上对土壤有机质、全氮、碳氮比和容重等有不同影响。其中，土壤有机质在一定范围内随着施氮量的增加而增加，施氮量过高不利于土壤有机质含量的累积，与赵亚丽等[9]的研究结果不同，这可能与田间管理措施、土壤类型和土壤原始有机质含量水平有关。在不同时期，土壤有机质含量呈波动上升或下降趋势。这可能是由于气候(气温和降雨)在很大程度上决定了作物生物产量和植物残体的分解过程，是土壤有机质的重要控制因子[10]，在小麦和玉米生育期内的气温、降雨因素以及小麦和玉米季秸秆还田量的不同导致了有机质含量的波动。与李欢欢等[11]的研究结果一致，本研究也证明了土壤全氮含量随着施氮量的增加而增加，但60～90 cm土层的全氮含量受施氮量的影响较小。这表明根系对60～90 cm土层养分的吸收力度较为弱小，与王志芬等[12]的研究相吻合。

表3 0～30 cm土层不同时期的土壤pH值Table 3 Soil pH in 0-30 cm soil layer at different periods

同行数据后不同字母表示不同时期差异显著(P<0.05)。

Different letters following data at same line mean significant difference among different time(P<0.05).

土壤容重是土壤的物理指标之一，反映了土壤的松紧状况，直接影响土壤通气性和植物根系的发育。土壤过松则植物根系不牢，保水能力差，漏风跑墒；土壤过紧则通气透水性差，易产生地面积水或地表径流，影响养分转化[13]。研究显示，高肥力土壤较低肥力土壤容重低0.3 g·cm-3[14]，这与本研究结果(随着施氮量的增加土壤容重降低)一致，说明施氮可以降低土壤容重，利于植物扎根，吸收养分。

土壤pH是决定农田土壤质量的重要特征参数之一，众多研究结果表明，连续施用化学氮肥可使农田耕层土壤pH下降，且随着施氮量的增加而降幅增加[5-6,15]。但是本研究发现，施氮量对土壤pH值的影响不大，且不同时期土壤pH值波动较大，这可能是由于一方面，土壤具有一定的缓冲性，农田土壤需要通过一定长的时间来对不同田间管理措施做出响应；另一方面，土壤pH的改变是由田间管理等多种因素造成的。

综上所述，氮肥的施用不仅仅要以产量和利用效率为基础，更要考虑氮肥对土壤质量的影响，统筹兼顾，在保证土壤质量的基础上实现高产高效。

[1] 肖 宇.新形势下我国粮食储备调控体系研究[D].长春:吉林财经大学,2013:1.

XIAO Y.Research on regulation system under the new situation of China's grain reserve [D].Cangchun:Jilin University of Finance and Economics,2013:1.

[2] 洪传春,刘某承,李文华.我国化肥投入面源污染控制政策评估[J].干旱区资源与环境,2015,29(4):1.

HONG C C,LIU M C,LI W H.Evaluation on the policies of non-point pollution control of chemical fertilizer in China [J].JournalofAridLandResourcesandEnvironment,2015,29(4):1.

[3] KAISER M,ELLERBROCK R H.Functional characterization of soil organic matter fraction different in solubility originating from a long-term field experiment [J].Geoderma,2005,127(3):199.

[4] 王慎强,李 欣,徐富安,等.长期施用化肥与有机肥对潮土土壤物理性质的影响[J].中国生态农业学报,2001,9(2):78.

WANG S Q,LI X,XU F A,etal.Effect of long-term use of organic manure and chemical fertilizers on fluvo-aquic soils physical quality [J].ChineseJournalofECO-Agriculture,2001,9(2):78.

[5] MALHI S S,NYBORG M,GODDARD T,etal.Long-term tillage,straw and N rate effects on some chemical properties in two contrasting soil types in Western Canada [J].NutrientCyclinginAgroecosystems,2011,90(1):136.

[6] SCHRODER J L,ZHANG H,GINMA K,etal.Soil acidification from long-term use of nitrogen fertilizers on winter wheat[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,2011,75(3):957.

[7] 张桂兰,宝德俊,王 英,等.长期施用化肥对作物产量和土壤性质的影响[J].土壤通报,1999(2):67.

ZHANG G L,BAO D J,WANG Y,etal.The effect of persistent application of chemical fertilizers on crop yields and soil properties [J].ChineseJournalofSoilScience,1999(2):67.

[8] 丛日环.小麦-玉米轮作体系长期施肥下农田土壤碳氮相互作用关系研究[D].北京:中国农业科学院,2012:1.

CONG R H.Soil carbon and nitrogen interactions in typical cropland under long-term fertilizations in the wheat-corn cropping systems [D].Beijing:Chinese Academy of Agricultural Sciences,2012:1.

[9] 赵亚丽,于淑婷,穆心愿,等.深耕加秸秆还田下施氮量对土壤碳氮比、玉米产量及氮效率的影响[J].河南农业科学,2016,45(10):52.

ZHAO Y L,YU S T,MU X Y,etal.Effects of nitrogen application rate on soil C/N,maize yield and nitrogen efficiency under condition of deep tillage and straw returning [J].JournalofHenanAgriculturalSciences,2016,45(10):52.

[10] GANUZA A,AIMENDROS G.Organic carbon storage in soils of the Basque County(Spain):The effect of climate,vegetation type and edaphic variables [J].BiologyandFertilityofSoils,2003,37(3):161.

[11] 李欢欢.施氮对高产小麦根层土壤碳氮变化、植株氮素吸收利用的影响[D].郑州:河南农业大学,2010:1.

LI H H.Effect of nitrogen application on carbon and nitrogen alteration in soil rhizosphere,nitrogen uptake and utilization of plant in high yielding wheat [D].Zhengzhou:Henan Agricultural University,2010:1.

[12] 王志芬,陈学留,余美炎,等.大田冬小麦根系吸收活力的空间分布及其变化动态的研究[J].作物学报,1998,24(3):359.

WANG Z F,CHEN X L,YU M Y,etal.Study on space distribution and dynamic changes of root absorption aetivities of field winter wheat [J].ActaAgronomicaSinica,1998,24(3):359.

[13] 葛顺峰,彭 玲,任饴华,等.秸秆和生物质炭对苹果园土壤容重、阳离子交换量和氮素利用的影响[J].中国农业科学,2014,47(2):371.

GE S F,PENG L,REN Y H,etal.Effect of straw and biochar on soil bulk density,cation exchange capacity and nitrogen absorption in apple orchard soil [J].ScientiaAgriculturaSinica,2014,47(2):371.

[14] 陈恩凤,周礼恺,邱凤琼,等.土壤肥力实质的研究[J].土壤学报,1985(2):116.

CHEN E F,ZHOU L K,QIU F Q,etal.Study on the essence of soil fertility [J].ActaPedologicaSinica,1985(2):116.

[15] ZHANG H M,WANG B R,XU M G,etal.Crop yield and soil responses to long-term fertilization on a red soil in southern China [J].Pedosphere,2009,19(2):205.

EffectofDifferentContinuousNitrogenApplicationonSoilPhysicochemicalPropertiesinWheat-MaizeRotationSystem

ANZhichao1,HUANGYufang1,MAXiaojing1,LIShuai1,SHIHaibin2,YEYouliang1

(1.Resources and Environmental Sciences,Henan Agricultural University,Zhengzhou,Henan 450002,China;2.Agriculture Technical Extension Centre,Weinan,Shaanxi 715500,China)

To discuss the effect of nitrogen application rate on soil quality,a 4-year continuous positioning test was conducted in wheat-maize rotation system,comparing the changes of soil physical and chemical indices in different soil layers under the continuous nitrogen application. The results indicated that different continuous nitrogen application rate had significant effect on soil organic matter,total nitrogen,C/N ratio and soil bulk density,while it had little effect on soil pH. In 0-30 cm soil layer,soil organic matter and total nitrogen content was increased with the increasing of nitrogen application rate. When the nitrogen application rate reached 240 kg·hm-2,soil organic matter content increased the fastest,and when the nitrogen application rate was 360 kg·hm-2,soil total nitrogen content was the highest. In 30-60 cm and 60-90 cm soil layers,the effects of different nitrogen treatments on soil organic matter and total nitrogen content were decreased. According to soil nitrogen and carbon ratio and bulk density,nitrogen fertilizer in this region is recommended as 240 kg·hm-2.

Wheat-Maize rotation; Soil organic matter; Total nitrogen; C/N ratio; Soil bulk density; Soil pH

时间：2017-11-14

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.014.html

2017-02-23

2017-06-20

国家自然科学基金项目(31471935)

E-mail：anzc1991@163.com

叶优良(E-mail：ylye2004@163.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1461-06