施肥措施对旱地小麦产量与土壤硝态氮残留的影响

李 超，谢英荷，李廷亮，黄 涛，柳玉凤，窦 露

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

施入北方旱地土壤中的氮肥和有机氮矿化产物，大部分以矿质氮的形态残留在土壤中[1-2]，硝态氮是旱地土壤矿质氮和作物吸收的主要氮素形态，在土壤剖面可浸取态矿质氮中其比率最大，硝态氮残留量平均占总矿质氮累积量的75%以上[3]。因此，氮肥在旱作麦区的应用受到了广泛重视。目前，我国不少地区存在氮肥投入过量的现象[4]，过量施用氮肥不仅没有提高作物产量，而且还易造成土壤硝态氮的大量残留，对环境造成污染[5]。大量研究表明[6-7]，长期施用氮肥，土壤硝态氮残留主要累积在0～100 cm土层，且随时间增加而不断增加；当施氮过量时，来源于当季施用氮肥的残留也随之提高，但是施氮提高旱地小麦产量效应下降。由氮肥所产生的肥料效应和环境效应越来越引起人们的高度重视，前人对旱作作物土壤硝态氮残留的研究多集中在不同的氮肥用量水平上，而对同一氮肥用量水平上不同施肥措施的研究较少。

本研究通过晋南旱地冬小麦区的田间试验，对不同施肥措施下旱地小麦的产量及其土壤氮素的残留状况进行探讨，旨在为获得小麦的高产、肥料的高效利用和环境友好型施肥提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验基地设在山西洪洞县刘家垣镇东梁村，为长期定位的旱作麦田区。该区海拔为1 160 m，属于旱塬丘陵地带，地形平坦，土层厚10 m以上，为暖温带大陆性季风气候，年平均日照时数2 419 h左右，年均气温12℃，有效积温 3 326.9℃，无霜期180～210 d；小麦生育期的降雨量为146.7 mm，年平均降雨量为500 mm左右，其中，7—9月的降水量占到全年降水量的60%以上；试验地土壤为石灰性褐土，pH值为7.84，表土质地为中壤，耕层土壤有机质含量为14.49 g/kg，有效磷为12.29 mg/kg，有效钾为200.43 mg/kg，阳离子交换量（CEC）为20.11 cmol/kg。

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，小区面积126～416 m2，共设4个处理，4次重复，具体试验方案列于表1。处理1为农户施肥（参照当地农户经验施肥）；处理2为测控施肥，依据1 m土壤硝态氮监控施肥，采用磷、钾恒量施肥原则；处理3为有机肥无机肥配施，有机肥为鸡粪，养分含量为N 1.36%，P2O52.71%，K2O 1.63%；处理4为菌肥无机肥配施，菌肥为山西农业大学资源环境学院课题组自制，其中，菌体包括固氮菌、磷细菌。处理2，3，4遵循N，P，K等养分量施肥，偏差养分利用尿素（含N 46.2%）、过磷酸钙（含P2O516%）、氯化钾（含K2O 60%）补齐，各处理均设置空白对照。试验于2016年10月8日播种，种植方式利用现代农机进行垄膜沟播，播量为 150 kg/hm2。

表1 旱地冬小麦施肥试验方案

1.3 测定项目及方法

土样采集分别在冬小麦播前和收获后各处理的小麦行间进行，取样深度为0～200 cm，每20 cm为一层。硝态氮含量采用连续流动氮分析仪测定。

1.4 数据分析

试验数据运用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行数据处理和统计分析，采用Duncan新复极差法（α＝0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施肥措施对晋南旱地冬小麦产量及其构成因素的影响

从表2可以看出，菌肥无机肥配施较其他处理增产效果明显，生物产量和经济产量均最高，分别达到13 637.60，6 062.57 kg/hm2；菌肥无机肥配施下的经济产量较农户施肥、测控施肥和有机肥无机肥配施这3种施肥措施分别提高了29.7%，10.6%和3.1%；菌肥无机肥配施与有机肥无机肥配施2种施肥措施间经济产量差异不显著，但较另2种处理显著提高。不同处理之间，穗粒数变异系数最大（8.23%），千粒质量变异系数最小（3.96%），穗数变异系数居中（6.87%）。有机肥无机肥配施与菌肥无机肥配施的穗数显著高于测控施肥与农户施肥（P＜0.05），4个处理之间穗粒数、千粒质量间无显著差异；有机肥无机肥配施与菌肥无机肥配施的经济产量也显著高于其他2个处理，且产量与穗数呈极显著正相关（r＝0.999 6），说明穗数对旱地冬小麦产量调控效应较大。

表2 不同施肥措施下冬小麦的产量及其构成因素

2.2 不同施肥措施对晋南旱地冬小麦土壤硝态氮剖面残留分布的影响

从图1可以看出，小麦收获后各处理的0～200 cm土壤剖面NO3-N残留量，较播前均有不同程度的积累，呈现增加的趋势，并且土壤硝态氮残留量均随着土层的加深呈下降趋势。在小麦收获期各施肥措施下土壤的硝态氮在不同土层中的分布特征大体相同，农户施肥处理的土壤硝态氮残留量显著高于其他处理，在0～100 cm土层，农户施肥措施收获与播前硝态氮残留差异也比较明显。本试验条件下，土壤硝态氮残留主要分布在0～80 cm土层，而80～200 cm土层硝态氮残留量相对较少，这主要是由于当季施肥、土壤氮素矿化、作物生长吸收及降水等多种因素的综合作用。

2.3 不同施肥措施对晋南旱地冬小麦土壤硝态氮当季残留量的影响

由图2可知，在冬小麦收获期，土壤硝态氮当季残留主要分布在0～100 cm土层，其中，农户施肥、测控施肥、有机肥无机肥配施、菌肥无机肥配施下土壤硝态氮当季残留量分别为83.58，67.52，43.05，37.19 kg/hm2，占 0～200 cm当季硝态氮残留的58%～69%。0～100 cm土层土壤硝态氮当季残留量各处理间差异显著，其中，农户施肥当季残留量最大，比测控施肥、有机肥无机肥配施及其菌肥无机肥配施措施下的当季硝态氮残留分别高出了19%，48%和55%；而100～200 cm土层的当季硝态氮残留量，农户施肥与测控施肥显著高于有机肥无机肥配施和菌肥无机肥配施，但是二者之间差异却不显著，这一结果表明，有机肥无机肥配施和菌肥无机肥配施均能显著减少一定土层中氮的残留，促进氮的吸收利用。肥料用量及种类是影响土壤硝态氮残留的重要因素，李廷亮等[8]研究表明，土壤硝态氮残留随施氮量的增加而增加，孙波等[9]研究表明，配施有机肥与单施化肥相比，配施有机肥能够有效降低土壤中硝态氮的残留量，并且能够减少作物根区外土壤硝态氮的残留量。

2.4 不同施肥措施对晋南旱地冬小麦肥料残留的影响

来源于当季肥料的硝态氮残留由施肥处理与空白对照之间当季残留量的差值求得，主要是由于施入土壤的氮肥、大气干湿沉降和土壤有机氮矿化是当季硝态氮残留的来源，而不施氮空白对照的当季残留量来源中没有氮肥施入[10]。从图3-a可以看出，各施肥措施下，不同处理间0～200 cm土层肥料残留量差异显著，有机肥无机肥配施与菌肥无机肥配施可显著降低土壤中肥料的残留量；由图3-b可知，各施肥措施间的肥料残留率也存在显著差异，其中，测控施肥、有机肥无机肥配施、菌肥无机配施的肥料残留率均显著低于农户施肥措施，这3个处理分别比农户施肥降低了12%，36%和49%。由此可见，造成土壤当季硝态氮大量残留的原因是氮肥的施用，而施用有机肥及菌肥，消耗了土壤氮素，使得当季施入的氮素能够被小麦充分利用，降低了土壤中的肥料残留。上述结果表明，施氮量一定的情况下，施用有机肥与菌肥，能够提高作物对当季施入氮肥的利用率，能够显著降低收获期土壤当季肥料氮的残留。

3 结论与讨论

提高旱地小麦产量的重要措施之一就是增施氮肥，但需要控制用量，过量施用氮肥不仅造成肥料浪费和硝态氮的残留，而且严重影响其增产效应。过量氮肥的投入改变了硝态氮在土壤中的分布，增加了土壤硝态氮残留，而且降低了氮素的利用率[11]。淮贺举等[12]研究结果表明，随着氮肥用量的增长，收获后土壤剖面硝态氮累积量也随之变大，并且土壤硝态氮在0～180 cm土层范围内随施氮量增多而增长，二者呈明显的正相关关系。袁新民等[13]研究表明，N肥单施可能会增加N素的淋溶，这与本研究的结果一致。本试验由当季作物冬小麦生长造成的土壤硝态氮残留主要分布在0～100 cm土层范围内，基于此，旱作小麦区应适量施用无机肥，从而减少土壤的硝态氮残留，提高肥料的利用率。

配施有机肥菌肥显著提高了作物的经济产量与生物产量，降低了土壤中硝态氮的残留及其当季残留，提高了肥料利用率。N肥与P，K肥配合施用或N，P，K与有机肥配合施用可显著降低土壤中NO3-N的累积[14]。黄绍敏等[15]试验表明，在0～100 cm土层不同施肥处理中硝态氮含量大小顺序为N肥单施（N）＞N，K肥配施（NK）＞N，P肥配施（NP）＞N，P，K肥配施（NPK）＞N，P，K肥与秸秆配施（SNPK）＞N，P，K肥与有机肥配施（MNPK）。蒋小芳等[16]研究表明，在施氮量相同的条件下，与单施化肥相比，有机肥无机肥配施能够提高作物的氮肥利用效率和氮素生产效率。岳丽[17]研究表明，菌肥无机肥配施能显著减少一定土层中硝态氮的残留，有利于氮的吸收，这与本研究结果一致。本研究表明，不同施肥处理中土壤硝态氮当季残留量大小顺序为农户施肥＞测控施肥＞有机肥无机肥配施＞菌肥无机肥配施。当作物的生长周期中需肥量增加时，如果土壤中的能源物质不足以维持微生物的生命活动，作物就会吸收被固持在大量死亡微生物体内这部分氮素来补给生长；而有机肥无机肥配施及其菌肥无机肥配施提高了氮肥利用率，可能是由于有机肥、菌肥改善了土壤理化性质，增加了土壤团聚化程度，提高了微生物活性，更多的氮被固定在微生物体内，被微生物利用，从而降低了前期存在于土壤中过量无机氮的挥发损失[18-20]。因此，有机肥、菌肥与无机肥配施措施是实现冬小麦养分资源高效利用和促进环境友好施肥的重要途径之一。

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