夏玉米轮作试验高肥力土壤供氮能力研究

夏玉米轮作试验高肥力土壤供氮能力研究

冬季小麦和夏季玉米轮作是中国北方一年两熟地区的主要轮作方式。该地区水资源高、利用率低、损失大是普遍现象。200多点调查表明,北京郊区每季冬小麦和夏玉米平均施氮量分别为309kg/hm2和256kg/hm2,整个轮作周期达到565kg/hm2。最近研究表明,北京市冬小麦不同田块适宜氮肥用量变幅很大,其中80%的田块低于200kg/hm2,仅有20%的田块适宜施氮量在201～242kg/hm2之间,由此看来过量施氮问题十分严重。部分地区因过量施用氮肥而引起的环境问题已受到关注。氮肥的优化管理需要建立在对土壤供氮能力了解的基础上。1960—1997年间北京郊区粮田土壤养分除土壤速效钾略有下降外,其它均呈上升趋势,其中有机质和全氮分别增加了34.7%和32.3%,这说明多年施用化肥和有机肥提高了土壤肥力。从近年来在华北平原和关中地区进行的一些田间试验的结果来看,不施氮肥的小麦和玉米产量较20世纪80年代有很大的提高,这从另一个方面证明目前小麦/玉米轮作体系的土壤供氮能力已有很大提高,并部分解释了为什么氮肥用量可以在农民习惯用量的基础上大幅度降低但并未降低作物产量。目前已有的一些结果反映了在一个作物生长季内由于土壤供氮能力较高,可以较大幅度地降低氮肥的施用量。但是这样的状况能维持多长时段,则需对土壤供氮能力进行较长时段的研究。从1999年开始,我们在北京市进行了冬小麦/夏玉米轮作条件下土壤供氮能力及其对优化施氮影响的连续监测和研究。本文报道的是前3年3个轮作周期6季作物的连续观测结果。1材料和方法1.1试验结果及基础冬小麦/夏玉米轮作田间试验于1999年开始在北京海淀区东北旺乡进行。冬小麦品种为京冬8号,夏玉米品种为京垦114。供试土壤为石灰性潮土,质地为壤土,土壤容重0—30cm为1.33g/cm3,30—60和60—90cm为1.45g/cm3;pH值8.0;阳离子交换量为11.1cmol/kg;有机质21.4g/kg;全N、全P、全K分别为1.18、1.08、18.6g/kg;土壤有效P(Olsen-P)34.4mg/kg;有效K(NH4OAc-K)145mg/kg,根据北京市粮田土壤肥力分级指标,属高肥力土壤。试验包括氮肥、灌溉和秸秆3个因素,共18个处理。本文仅报道在优化灌溉和秸秆不还田情况下3个氮肥处理的研究结果,即:1)不施氮肥(CK),2)传统施氮(CN),3)优化施氮(ON)3个处理,每处理重复4次,小区面积为20m×15m=300m2。不施氮肥处理从试验开始一直不施用氮肥;传统施氮是在对华北平原有代表性的中等产量地区农户施肥调查的基础上确定的,即氮肥总量为每季300kg/hm2,冬小麦基追比1∶1,基肥为碳酸氢铵,播前撒施后翻耕,追肥为尿素,拔节期撒施后灌水。夏玉米分2次追施,三叶期用碳酸氢铵,用量为N100kg/hm2,十叶期用尿素,用量为N200kg/hm2,施肥方式为开沟条施、雨前撒施或撒施后随即灌水;优化施氮是根据一定目标产量和冬小麦、夏玉米在不同生育阶段的氮素需求规律来确定不同阶段所需氮素供应量(根层土壤无机氮+肥料氮)。在不同阶段(小麦:播前,返青和拔节期;玉米:播前,三叶和十叶展期)施氮量均根据相应根层的土壤无机氮测定结果来确定,并根据植株硝酸盐测试和作物生长状况进行微调。各小区均施等量的磷钾肥,在冬小麦播种前作为基肥一次施入。在1999/2000生长季磷、钾肥用量分别为P79kg/hm2、K75kg/hm2,从第二个轮作周期开始,施P55kg/hm2,不施用钾肥。灌水量和时间由TDR监测的土壤水分含量确定,每4d测定一次水分含量,通过灌溉保持土壤水分维持在植物有效水(田间持水量-萎蔫含水量)的45%～80%,灌溉方式为喷灌。冬小麦于10月中旬播种,次年6月中旬收获,接着免耕直播夏玉米,于10月初收获;冬小麦行距为15cm,播种量为187kg/hm2,夏玉米行距为70cm,留苗60000株/hm2。1.2土壤含水量测定方法土壤无机氮(Nmin):每季作物播前和收获后均采集土壤样品,每小区取5钻,取样深度分为0—30、30—60、60—90cm。样品取回后立即过5mm筛,充分混匀,称取12g,加入100mL0.01mol/LCaCl2浸提液,振荡60min,用定量滤纸过滤后用流动分析仪(TRAACS-2000)测定NH+4-N和NO-3-N。同时用烘干法测定土壤含水量。植株含N量:在冬小麦和夏玉米收获期分秸秆和子粒取样,样品烘干粉碎后,用H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定含N量。在冬小麦、夏玉米收获时每个小区分别取9m2和39.2m2样方(夏玉米季不施氮区取16.8m2),脱粒后烘干测产,产量以65℃烘干后的子粒干重表示。相对产量=不施氮处理产量(或优化施氮处理产量)/传统施氮处理产量×100%相对吸氮量=不施氮处理吸氮量(或优化施氮处理吸氮量)/传统施氮处理吸氮量×100%氮素表观矿化量以不施氮肥小区来计算,即:氮素表观矿化量=整个生长季作物吸氮量+收获后0—90cm土壤Nmin-播前0—90cm土壤Nmin。2结果与分析2.1不施氮处理对作物产量的影响表1表明,不施氮处理的总吸氮量存在逐年下降的趋势,但连续3年吸氮量均超过120kg/hm2,表现出较高的土壤供氮能力。其中,冬小麦季吸氮量呈明显地逐年降低趋势,夏玉米季则相对稳定。供试土壤3个轮作周期总表观矿化量保持在120kg/hm2以上的较高水平,其中,在冬小麦季土壤氮素表观矿化量从第2年开始明显降低,与冬小麦季相比,夏玉米季氮素表观矿化量较高,这与2种作物在其生长季节不同的水、热条件有关。不施氮处理的作物产量明显受到土壤供氮能力的影响,冬小麦季的产量逐年降低,而夏玉米季产量虽有波动,但较为稳定,轮作周期的总产量受小麦产量影响而呈下降趋势,第3年的下降尤其明显。由于高肥力土壤具有较强的供氮能力,不施氮处理可以在较长的时段内保持较高的相对产量。其中,夏玉米季连续3年的相对产量均在60%～80%之间,而冬小麦季前2年保持在60%～80%之间,第3年降至46%。不施氮处理相对吸氮量的结果与相对产量的结果趋势相同(图1)。2.2作物产量和吸氮量的年度差异表2结果表明,优化施氮处理的氮肥用量与土壤供氮能力(不施氮处理的吸氮量)和土壤氮素表观矿化量呈明显的负相关性。冬小麦、夏玉米的优化施氮量呈逐年升高的趋势,但在连续3个轮作中,每季施氮量均不超过100kg/hm2。3个轮作周期中,优化施氮处理在冬小麦季的子粒产量(干重)在4.2～5.6t/hm2之间,夏玉米季在5.0～6.7t/hm2之间,轮作周期总产量年度间差异不大,在9.7～11.2t/hm2之间。3年中冬小麦季吸氮量在123～162kg/hm2之间,夏玉米季变幅不大,在109～122kg/hm2之间,总吸氮量在239～284kg/hm2之间。作物产量和吸氮量的年度变异主要是由于年度间气候变化的影响所致。如,2000/2001年冬小麦在子粒灌浆期遭遇干热风,因此产量较低,未达到目标产量。在冬小麦季和夏玉米季,优化施氮处理的相对产量各年度间均相差不大,都在100%左右;而相对吸氮量均在89%以上(图2)。说明优化施氮处理在充分考虑了土壤供氮能力的基础上,尽管每季作物的施氮量均低于100kg/hm2(不到传统施氮处理的1/3),但仍可满足冬小麦夏玉米轮作周期的氮素需求且达到传统施氮处理相同的产量。2.3传统施肥处理,导致土地污染比较不施氮、优化施氮和传统施氮处理在每季作物收获后土壤无机氮残留量可知(图3),传统施氮处理由于盲目地过量投入氮肥,造成收获后土壤中高量的无机氮积累。而优化施氮处理由于充分考虑了土壤供氮能力,施氮量比较合理,因此没有引起土壤无机氮的大量积累,这对减少氮肥损失、保护地下水和大气环境是十分重要的。3轮作周期土壤中土壤氮素的分布情况有研究表明,土壤对水稻和小麦等主要作物的供氮量一般为34.5～126kg/hm2,作物高产对土壤氮素供应的依赖性在45%～83%之间,这是在单季作物上获得的结果。在低肥力土壤上长期试验结果表明,旱地冬小麦氮素的自然供给能力为26.7～27.5kg/hm2,平均为27.2kg/hm2。比较来看,本试验由于供试土壤在过去二、三十年间长期使用化肥和有机肥培肥,土壤在连续3个轮作周期中表现出了较高的持续供氮能力,不施氮处理在冬小麦季的相对产量保持在46%～76%,夏玉米季为69%～81%,轮作周期中土壤氮素的表观矿化量为125～184kg/hm2,而供氮能力为123～190kg/hm2。这一结果说明,至少在部分肥力较高的土壤上,在进行氮肥管理时应充分考虑土壤的供氮能力,以避免过量施氮。土壤供氮能力在很大程度上取决于土壤中易矿化有机物质的含量。长期肥料定位试验表明,长期不施肥处理(N,P,K均不施用)会导致土壤有机质含量降低,初期下降快些,之后递减速率变慢,并渐进于一个相应较低的平衡水平。不施有机肥土壤的供氮能力主要来自作物残茬和根系的有机氮矿化以及土壤腐殖质中有机氮的缓慢分解,其量将维持在较低水平。但上述结果大多是在较低肥力的土壤上获得的。本试验中,尽管供试土壤保持了较高的供氮能力,但在连续3个轮作周期中土壤供氮能力已开始随时间延长而下降。为进一步做好氮肥的优化管理,更长时段的连续观测和研究是必要的。影响土壤氮素矿化的最重要的环境因子是土壤温度和湿度,一般温度的影响强于湿度,二者有明显的正交互作用。本研究结果表明,在冬小麦/夏玉米轮作体系中,夏玉米季由于水热条件较好,故土壤氮矿化量较多,而在冬小麦季,土壤氮矿化量相对较