小麦/玉米轮作模式下氮肥运筹对土壤氮素残留及下茬作物的影响

王 平，殷复伟，李平海，闫保罗，宗 燕，李 芳，刘翔攀，侯 玮

（1泰安市农业科学研究院，山东泰安 271000；2泰安市农技站，山东泰安 271000）

0 引言

黄淮海地区是中国典型的小麦/玉米一年两熟种植区，周年轮作的种植模式被广泛应用。山东省作为该地区主要的农业大省，广泛采用冬小麦-夏玉米轮作的作物种植方式。2017年，山东省小麦种植面积408.387×104hm2占全国总播种面积的17.84%，玉米400.01×104hm2占全国总播种面积的9.43%；小麦总产2495.11×104t占全国小麦总产的19.50%，玉米总产2662.2×104t占全国玉米总产的10.28%。冬小麦-夏玉米轮作种植体系对国家粮食安全具有重要的战略意义[1-2]。

前人研究表明，在小麦/玉米轮作种植区为实现高产，农田氮肥周年平均用量高达545 kg/hm2，超出了作物对氮素的平均需求量311 kg/hm2，也远远超过全国氮肥平均用量378 kg/hm2[3-4]。氮肥过量施用，作物产量并未随着施氮量的增加而增加，而是呈现出先升高后降低的趋势，氮肥利用率仅16%～22%，低于30%～41%的全国平均水平[5-8]。大量氮肥通过各种途径损失，平均每年大约有180 kg/hm2的氮通过氨挥发、硝化与反硝化等途径损失在环境中[9]。同时，大量氮素以硝态氮的形式累积在土壤中，这部分氮素如果不能被作物吸收利用，就会随着降雨、灌溉等过程向深层土壤迁移，这既造成资源浪费又引起了一系列严重的环境污染问题，生态、经济效益极差[10-11]。前人针对氮肥利用效率展开了大量研究，但是就氮肥运筹对不同类型土壤条件的氮素残留及其对下茬作物的影响研究较少，为进一步明确不同类型土壤氮素残留特点及其对后茬作物的影响。本研究在砂壤土和砂姜黑土两种土壤类型条件下，以生产常用的小麦/玉米品种为材料，研究不同氮肥运筹对小麦、玉米收获后残留氮素在各土层分配及其对下茬作物的影响，通过合理的氮肥措施提高土壤残留氮素被下茬作物的再利用能力，降低残留氮素向下层的淋失积累，实现氮素周年高效利用，对实现高效、生态种植具有重要的实践价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年10月—2018年10月在泰安市泰山区泰安市农业科学研究院试验农场和泰安市肥城良种繁殖农场进行。玉米品种为‘郑单958’，小麦品种为‘济麦22’。

1.2 试验设计

试验分别在小麦、玉米季设氮肥用量和运筹试验，对成熟期土壤残留氮素在各土层的分布及其对下茬作物的影响进行研究。

（1）小麦季氮肥用量和运筹对土壤氮素残留及其对下茬玉米的影响。在小麦季设置4个氮肥处理，T1（不施氮肥）、T2（240 kg/hm2，底肥1/2+拔节肥1/2）、T3（240 kg/hm2，底肥1/3+拔节肥1/3+开花肥1/3）、T4（240 kg/hm2，底肥1/3+拔节肥1/3+孕穗肥1/3），小区面积10 m×12 m=120 m2；在小麦收获后4个氮肥处理一半小区面积在玉米季不施肥(T1-N0、T2-N0、T3-N0、T4-N0)，一半正常施肥，施肥量 350 kg/hm2(T1-N350、T2-N350、T3-N350、T4-N350)，小区面积5 m×12 m=60 m2。其他管理同一般大田。

（2）玉米季氮肥用量和运筹对土壤氮素残留及其对下茬小麦的影响。在玉米季设置4个氮肥处理，TⅠ（不施氮肥）、TⅡ（350 kg/hm2，底肥1/2+大喇叭口期1/2）、TⅢ（350 kg/hm2，拔节期1/3+大喇叭口期1/3+ 灌浆期1/3）、TⅣ（350 kg/hm2，大喇叭口期1/3+开花肥1/3+灌浆期1/3），小区面积10 m×12 m=120 m2；在玉米收获后4个氮肥处理一半小区面积在玉米季不施肥(TⅠ-N0、TⅡ-N0、TⅢ-N0、TⅣ-N0)，一半正常施肥，施肥量240 kg/hm2(TⅠ-N240、TⅡ-N240、TⅢ-N240、TⅣ-N240)，小区面积5m×12m=60m2。其他管理同一般大田。

1.3 测定指标

（1）小麦产量及其构成因素。于小麦成熟期，在各小区内选取植株长势均匀，面积为2 m×2 m=4 m2的样地，剪下所有小麦穗，人工脱粒，风干后用于测定籽粒产量（折12%水分）。选取其中有代表性的麦穗30个进行考种。产量计算公式如(1)所示。

（2）玉米产量及其构成因素。于玉米成熟期，在各小区内选取植株长势均匀，面积为2.4 m×3 m=7.2 m2的样地，收获所有果穗，风干后脱粒，测定籽粒产量（折14%水分）。选取其中有代表性的果穗10个进行考种。产量计算公式如(2)所示。

（3）土壤残留氮素。在成熟期每小区选取3处具有代表性的试验点，用土钻取0～100 cm土层土样，每20 cm保存一层，各层土壤混匀后置于-20℃保存。称取10 g新鲜土样，用50 mL 1 mol/L的KCl浸提，振荡60 min，然后过滤，制成浸提液。用AA3连续流动分析仪(SFA CFAFIABRAN+LUEBBE III)测定土壤硝态氮含量。

1.4 数据分析

用DPS(Date Processing System，V7.05)统计软件分析数据，用Office Excel 2007绘制图表。

2 结果与分析

2.1 小麦季氮肥运筹对小麦产量及成熟期土壤氮素残留的影响

2.1.1 小麦产量极其构成因素 由表1中可以看出，随着氮肥的施用，小麦千粒重、穗粒数和产量均显著提高。不同氮肥处理间比较发现，随着追氮时间的后移以及追氮比例的增加，千粒重呈逐渐增加的趋势，穗粒数则呈现先升高后降低的趋势，以T3处理最高，产量表现存在年际间差异，2015—2016年泰山区试验点和2016—2017年肥城试验点表现为T2处理最高，2016—2017年泰山区试验点表现为T4处理最高。分析认为，随追氮时期的后移对穗粒数和千粒重的促进作用显著，但对产量的影响存在年际差异。

表1 氮肥运筹对小麦产量及其构成因素的影响

2.1.2 成熟期土壤氮素残留 由图1中可以看出，施用氮肥显著提高了收获后各层土壤氮素残留量，提高了0.69～2倍。不同施氮处理间比较发现，不同年份间均表现为T4＞T3＞T2，可见，延迟追氮时期提高了在1～100 cm土层的氮素残留量，而且提高了在上层土壤中的分配比例。不同试验点比较发现，肥城试验点土壤氮素残留量远大于泰山区试验点。可见，砂姜黑土地保肥能力强于砂壤土。

图1 小麦成熟期土壤残留氮素的变化

2.2 小麦季土壤残留氮素对下茬玉米的影响

2.2.1 玉米产量极其构成因素 由表2中可以看出，追氮处理的玉米穗粒数、千粒重、穗数和产量均显著高于不施氮处理。不同施氮处理间比较发现，小麦季延缓追氮时期能在一定程度上提高下茬玉米的穗数、穗粒数和产量，但对千粒重影响不显著。不同施氮处理间比较发现，穗粒数、千粒重、穗数和产量各处理间差异不显著。不同试验点比较发现，不追氮处理肥城试验点的穗粒数和穗数高于泰山区试验点，而千粒重和产量表现为泰山区试验点高于肥城试验点。说明，小麦季残留氮素对下茬玉米具有一定影响，但是玉米季施肥很大程度上抵消了小麦季土壤氮素残留的影响；砂姜黑土保肥能力强，在少施氮肥的情况具有较高产量，而施用相同的氮肥用量其增产效果要低于砂壤土。

表2 小麦季氮肥运筹对下茬玉米产量及其构成因素的影响

2.2.2 成熟期土壤氮素残留 由图2中可以看出，玉米季施肥处理土壤氮素残留量显著高于不追氮处理。分析玉米收获后土壤残留氮素量发现，各处理间差异不显著。不同试验点比较发现，肥城试验点的各土层氮素残留量显著高于泰山区试验点。说明，经过玉米一季的吸收及淋失，小麦季的不同追氮处理的土壤氮素残留量无差异，砂姜黑土的氮素保持能力显著高于砂壤土。

图2 玉米收获土壤残留氮素情况

2.3 玉米氮肥运筹对玉米产量及成熟期土壤氮素残留的影响

2.3.1 玉米产量及其构成因素 由表3中可以看出，施用氮肥显著提高玉米的穗粒数、千粒重、穗数和产量。随着追氮时期的延迟，穗粒数、千粒重、穗数和产量均呈现升高的趋势。各试验点的穗粒数和穗数表现为随追氮时期的后移而逐步增加，而千粒重和产量则呈现先升高后降低的变化趋势，泰山区试验点以TⅢ处理最高，肥城试验点以TⅡ处理最高。分析认为，追氮时间太晚容易造成贪青晚熟，收获期延迟，在收获时籽粒含水量增加，千粒重降低，进而影响产量；不同土壤类型的适宜时期不同，砂姜黑土更适合早追肥。

表3 氮肥运筹对玉米产量及其构成因素的影响

2.3.2 成熟期土壤氮素残留 由图3中可以看出，施氮处理间显著提高了土壤氮素残留量，提高了0.9～1.24倍。不同施氮处理间比较发现，不同年份间均表现为T4＞T3＞T2，可见，延迟追氮时期提高了土壤氮素残留量，而且加大了在上层土壤的分配比例。不同试验点比较发现，肥城试验点土壤氮素残留量远大于泰山区试验点。可见，砂姜黑土地保肥能力强于砂壤土。

图3 玉米收获后土壤氮素残留情况

2.4 玉米季土壤残留氮素对下茬小麦的影响

2.4.1 小麦产量及其构成 由表4中可以看出，追氮处理的小麦穗粒数、千粒重和产量均显著高于不施氮处理。不同施氮处理间比较发现，穗粒数、千粒重和产量各处理间差异不显著。小麦季不施氮条件下，玉米季残留氮素能在一定程度上提高下茬小麦的穗粒数和产量，但对千粒重影响不显著。不同试验点比较发现，不追氮处理肥城试验点的穗粒数高于泰山区试验点，而千粒重和产量则表现为泰山区试验点高于肥城试验点。说明，玉米季残留氮素对下茬小麦具有一定影响，但是小麦季施肥降低了土壤氮素残留的影响；砂姜黑土保肥能力强，在少施氮肥的情况具有较高产量，而施用相同的氮肥用量其增产效果要低于砂壤土。

表4 玉米季氮肥运筹对小麦产量及构成因素的影响

2.4.2 成熟期土壤氮素残留 由图4中可以看出，小麦季施肥处理土壤氮素残留量显著高于不追氮处理。分别比较追氮和不追氮肥的各处理间小麦收获后土壤残留氮素量发现，各处理间差异不显著。不同试验点比较发现，肥城试验点的各土层氮素残留量显著高于泰山区试验点。说明，经过小麦一季的吸收及淋失，玉米季的土壤氮素残留量无差异，砂姜黑土的氮素保持能力显著高于砂姜黑土。

图4 小麦收获土壤残留氮素情况

3 结论

追施氮肥提高了小麦、玉米产量，也提高了土壤氮素残留量，随追氮时期的后移，土壤氮素残留量增加，特别是在上层土壤中的残留；相比于砂壤土，砂姜黑土的氮素残留量更高，具有更好的保肥能力，但是对氮肥的敏感性较低。

4 讨论

化肥的使用，特别是氮肥在提高粮食产量过程中发挥着巨大的作用。前人的大量研究表明，适量施氮可以优化玉米生理特性，调节玉米群体构成，提高物质的生产、利用效率，是高产高效的保障[12-13]。在小麦/玉米轮作模式中，小麦/玉米的最佳氮肥施用量分别为200～226 kg/hm2和112.3～205 kg/hm2[14-15]。过量施用氮肥则会导致氮肥利用效率降低，既造成资源的浪费又对环境产生威胁。Ju等[16]采用15N同位素示踪的方法研究发现，施氮量的增加提高土壤肥料氮残留，施氮量为120、360 kg N/hm2时，分别有25.6%～44.7%和20.7%～38.2%肥料氮残留在0～100 cm土层中。在本试验条件下，施用氮肥对小麦、玉米产量均有显著的提高，随追氮时期的后移穗粒数和千粒重等产量构成因素均不同程度的提高。施用氮肥提高产量的同时，提高了小麦、玉米收获后土壤氮素残留量。在本试验条件下，随着追氮时间的延迟土壤氮素残留量提高，特别是提高了残留氮素在上层土壤中的分配比例。这与前人研究结果一致，氮肥后移可以提高小麦产量和氮肥利用率，田间氮肥表观损失主要来源于基肥，但中后期追肥比例过大却会增加收获后土壤无机氮的残留[17]。

土壤残留氮肥对后茬作物有较强的有效性，其对下茬作物的残效与施氮量呈显著线性正相关[18-20]。Bhogal等[21]认为，在施氮 40～200 kg/hm2的条件下，后茬作物的氮肥利用率是8%～20%。本研究发现，在不施用氮肥的情况，前茬作物残留氮素对后季小麦、玉米的产量及其构成因素有一定的促进作用，但是在后季作物正常施用氮肥的情况下，前季作物残留氮素的影响不显著。

大量研究表明，土壤类型的变异会引起土壤氮素矿化、作物产量及氮素吸收量、矿质氮残留量和氮素损失等方面的差异。受有机质含量和质地等因素的影响，砂壤土的氮素表观损失量明显高于黏土[22-25]。本研究结果表明，砂姜黑土试验地块的氮素残留量大于砂壤土，且上层土壤残留比例较高。与前人研究结果一致，土壤类型对作物收获后土壤无机氮残留量有显著影响，其中黏土对无机氮的吸附能力较强，会导致残留较高[22]。本试验条件下，在后茬作物不追氮素的情况下，砂姜黑土种植作物产量下降幅度较小，远高于砂壤土，在后茬作物追氮的情况下，砂壤土产量提高幅度显著高于砂姜黑土。可见，砂姜黑土的保肥能力强，但是对外源施肥反应比较迟钝，而砂壤土保肥能力较弱，施用氮肥对作物生长具有显著的提高效果。