华北平原不同种植制度对粮食作物氮素利用和土壤氮库的影响

　　摘要：冬小麦-夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物的主要种植制度，存在氮肥利用率低、土壤氮素过量累积问题。为探索华北平原氮素高效利用的适宜种植制度，采用15N示踪技术，基于3a田间定位试验，对一年两熟冬小麦-夏玉米的常规水氮和优化水氮、两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米与冬小麦-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3种种植制度的作物产量、15N利用率、氮素去向和土壤氮库表观平衡进行研究。结果表明，两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量为32248.52kg/hm2，分别比一年两熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N利用率为33.36%，比一年一熟提高26.12%。3种种植制度的氮肥去向最高为土壤残留，其次为作物吸收和损失，两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高为151.82kg/hm2，土壤氮库表观盈余量为21.22kg/hm2，显著低于其他种植制度。综合分析，冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟在稳产高产和提高氮素利用率上具有可持续的潜力，是华北平原未来较为理想的种植制度。

　　关键词：作物；土壤；氮；种植制度；华北平原

　　0引言

　　20世纪70年代以来，华北平原为了增加粮食产量，种植制度主要为冬小麦-夏玉米一年两熟。该种植制度虽然有效缓解了人口增加带来的粮食短缺问题，同时也带来了严重的生态与环境危机[1]。其中，氮肥过量施用且利用效率低，平均氮素回收率仅为16%～18%，由此造成土壤氮素累积、地下及地表水质污染等问题尤为突出[2-3]。另外，华北平原在冬小麦生育期降水少，产量受降雨和灌溉限制较大。冬小麦-夏玉米轮作系统每年亩需水量800～900mm[4-5]，小麦季降水只能满足作物需水量的40%左右，70%左右的水分需要地下水供应，造成10a内地下水位平均下降10m。因此，探索水、氮素高效利用的种植制度是缓解华北平原生态环境问题的重要途径。

　　1材料与方法

　　1.1试验地概况

　　本试验于2010－2013年在河北省邯郸市农业大学曲周试验基地（36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E）进行。试验地位于河北省南部太行山东麓海河平原的黑龙港流域，曲周县地处东经之间，平均海拔39.6m，地下水埋深10～20m。该地区属温带半湿润大陆性季风气候，冬春季寒冷干燥，夏季温暖多雨，年平均气温13.4°C，全年无霜期约201d，2010―2013年年均降水量为490.9mm，主要集中于6—9月。供试土壤为潮褐土，土壤基本理化性质如表1所示。

　　1.2试验设计

　　1.2.1试验处理

　　试验共设5个处理，采用随机区组设计，4次重复，共20个小区，小区面积30m×60m，小区间保护行2m，区组间保护行5m。5个处理：1）冬小麦-夏玉米一年两熟常规的种植制度（ControlW-M），冬小麦播种前翻耕15～20cm，收获后打麦茬1～2遍贴茬播种夏玉米，一个轮作周期后继续种植一茬作物冬小麦，每季作物秸秆不还田，常规水肥管理；2）冬小麦-夏玉米一年两熟优化管理的种植制度（OptimizedW-M），冬小麦播种前翻耕15～20cm，收获后打麦茬1～2遍贴茬播种夏玉米，一个轮作周期后继续种植一茬作物冬小麦，每季作物秸秆还田，优化施肥，节水灌溉；3）冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟优化管理的种植制度（W-M-SM），春玉米收获后秸秆还田，翻耕15～20cm后种植冬小麦，冬小麦收获后打麦茬1～2遍贴茬播种夏玉米，每季作物均秸秆还田，优化水肥管理，一个轮作周期后继续种植一茬作物春玉米；4）冬小麦-夏大豆-春玉米两年三熟优化管理的种植制度（W-B-SM），春玉米收获后秸秆还田，翻耕15～20cm后种植冬小麦，冬小麦收获后打麦茬1～2遍贴茬播种夏大豆，每季作物均秸秆还田，优化水肥管理，一个轮作周期后继续种植一茬作物春玉米；5）春玉米一年一熟优化管理的种植制度（SM），一年种植一季作物春玉米，秸秆还田。每个处理经过一个轮作周期后，再继续种植下一季作物以研究氮肥后效。

　　1.2.2施肥与灌水

　　本试验中常规处理氮肥施用量通过各区域农户调查来确定，代表该地区农民平均习惯的施氮量；优化处理则根据测定土壤有机质含量来决定氮肥的施用量，同时以土壤有效氮含量作为参考。各处理的施肥量和灌水量如表3所示。冬小麦、夏玉米和夏大豆的磷、钾肥作为基肥，与氮肥一次性施入土壤；春玉米季磷、钾肥分别在播前和十叶期施用；夏大豆在初花期叶面喷施0.05%～0.1%钼酸铵溶液。

　　2结果与分析

　　2.1不同种植制度对作物产量及水氮利用效率的影响

　　不同种植制度在2a内的作物产量、氮肥偏生产力和灌溉水分生产率如表4所示。籽粒产量由高到低依次为W-M-SM、优化W-M、常规W-M、W-B-SM和SM。常规W-M的产量虽高于W-B-SM和SM，但氮肥偏生产力、15N利用效率及灌溉水分生产效率均为最低，其中氮肥偏生产力和15N利用效率显著低于其他处理；优化W-M的籽粒产量、氮肥偏生产力、15N利用率、灌溉水分生产率较常规W-M分别提高20.08%、103.83%、72.96%、8.24%。两年三熟制中的W-M-SM籽粒产量最高为32248.52kg/hm2，分别比一年两熟制和一年一熟制提高22.16%和52.88%；15N利用率为33.6%，比一年两熟制提高26.12%。两年三熟中W-B-SM的各项指标均低于W-M-SM，但氮肥偏生产力和灌溉水分生产率显著高于一年两熟。一年一熟的SM灌溉水利用效率最高，达210.94kg/m3，比其他2种种植制度提高1.09～4.11倍；15N利用率仅高于一年两熟常规水氮处理的56.76%，但产量却比其他处理降低2.6%～52.88%。

　　2.2不同种植制度对作物体内氮素转移量与贡献率的影响

　　不同种植制度下作物营养器官中的氮素向籽粒转移量如表6所示，3种制度下的各类作物的氮素转移量均表现出土壤氮显著高于肥料氮，冬小麦的土壤氮是肥料氮的1.43～2.72倍，夏玉米为1.23～2.30倍，春玉米为5.54～7.26倍，夏大豆为7.66倍，因此土壤残留氮对下茬作物的影响不可忽视。同一作物在不同种植制度中的氮转移量也有差异，冬小麦在两年三熟制中的转移量显著高于一年两熟制，W-M-SM的氮转移量为152.98kg/hm2，其中肥料氮43.07kg/hm2，土壤氮109.91kg/hm2；W-B-SM的氮转移量为152.23kg/hm2，其中肥料氮和土壤氮分别为54.29和97.94kg/hm2；夏玉米在不同种植制度中的氮转移量差异不显著，在常规W-M、优化W-M和W-M-SM中的氮转移总量分别为65.21、56.70和50.00kg/hm2；春玉米在W-M-SM、W-B-SM和SM中的氮转移总量分别为61.88、66.29和80.87kg/hm2，无显著差异；夏大豆的氮转移量有45.76kg/hm2来源于土壤氮，对肥料氮的吸收极少，这与自身固氮有关。

　　3讨论

　　3.1种植制度对产量的影响

　　许多学者对华北地区不同种植制度进行研究，提出调整种植结构、适水适地种植等观点，然而种植制度的改变显著影响了作物的产量。郑媛媛等[23]、王大鹏等[26]发现与一年两熟比较，两年三熟的产量下降16%～23.7%，一年一熟的产量下降了27%～51.2%。而Gao等[14,21]在2009―2013年的2个轮作周期研究发现，两年三熟与一年两熟传统处理的平均产量差异不显著，分别为23800和24000kg/hm2，但显著低于一年两熟优化处理的28600kg/hm2。本试验中，1个轮作季的产量表现为两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量最高，显著高于一年两熟的冬小麦-夏玉米传统处理，但与一年两熟的优化处理差异不显著。即使长期实行一种种植制度，对产量的影响也有差异。Gao等[21]与本研究中的试验地相同，在2009－2011年和2011－2013年2个轮作周期中，两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米的产量分别为21400和26200kg/hm2，小麦-玉米轮作中传统处理的产量分别为22600和25400kg/hm2，小麦-玉米优化处理中的产量分别为26300和30900kg/hm2，2种种植制度中的第二个轮作周期的平均产量均高于第一个轮作周期。

　　3.2种植制度对水、氮利用率的影响

　　提高作物对于灌溉水的利用率是弥补农业用水短缺的重要战略[29]，通过改变种植制度来降低耗水量，从而提高水分的利用率。华北平原的降雨量仅能满足一年两熟制下作物总耗水量的72.9%，小麦生育期降水仅能满足其需水量的25%～40%，亏缺的200～300mm水分主要依靠地下水灌溉维持较高的产量[30]。郭步庆等[31]将一年两熟制调整为两年三熟和一年一熟，能降低作物耗水24%～31%，总灌溉用水量降低63%，王大鹏等[26]也认为两年三熟能提高灌溉水利用效率58%～172%。本试验中，春玉米一年一熟制度的灌溉水分生产率最高为210.94kg/m3，其次为两年三熟制的W-M-SM为100.78kg/m3。

　　4结论

　　一年一熟的春玉米对灌溉水分生产率比其他种植制度提高1.09～4.11倍，15N利用率仅高于一年两熟常规水氮处理的56.76%，但产量却比其他处理降低2.6%～52.88%，该种植制度目前不具有种植优势；一年两熟是目前华北平原普遍的种植制度，其中优化水氮比常规水氮产量提高20.08%，15N利用率提高72.96%，土壤氮库盈余为93.64kg/hm2，该种植制度下降低水氮投入是优先考虑的措施；两年三熟制中的冬小麦-夏玉米-春玉米处理产量最高，灌溉水分生产率和15N利用率也处于较高水平，土壤氮库盈余为21.22kg/hm2，显著低于其他处理，仅少量硝态氮向下运移。基于粮食安全、资源节约和环境友好考虑，在保证小麦产量的前提下，冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟种植模式具有可持续发展潜力，是华北平原较为理想的种植制度。

　　[参考文献]

　　[1]CuiZhenling,ChenXinping,ZhangFusuo.Currentnitrogenmanagementstatusandmeasurestoimprovetheintensivewheat–maizesysteminChina[J].Ambio-AJournaloftheHumanEnvironment,2010,39:376-384.

　　[2]VanOortPAJ,WangGuiyan,VosJ,etal.TowardsgroundwaterneutralcroppingsystemsintheAlluvialFansoftheNorthChinaPlain[J].AgriculturalWaterManagement,2016,165:131-140.

　　[3]JuXiaotang,XingGuangxi,ChenXingping,etal.ReducingenvironmentalriskbyimprovingNmanagementinintensiveChineseagriculturalsystems[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2009,106(9):3041-3046.

　　吉艳芝1，徐明杰4，巨晓棠3，董娴娴5，张丽娟1,2※

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