夏玉米輪作試驗(yàn)高肥力土壤供氮能力研究

夏玉米輪作試驗(yàn)高肥力土壤供氮能力研究

冬季小麥和夏季玉米輪作是中國(guó)北方一年兩熟地區(qū)的主要輪作方式。該地區(qū)水資源高、利用率低、損失大是普遍現(xiàn)象。200多點(diǎn)調(diào)查表明,北京郊區(qū)每季冬小麥和夏玉米平均施氮量分別為309kg/hm2和256kg/hm2,整個(gè)輪作周期達(dá)到565kg/hm2。最近研究表明,北京市冬小麥不同田塊適宜氮肥用量變幅很大,其中80%的田塊低于200kg/hm2,僅有20%的田塊適宜施氮量在201～242kg/hm2之間,由此看來過量施氮問題十分嚴(yán)重。部分地區(qū)因過量施用氮肥而引起的環(huán)境問題已受到關(guān)注。氮肥的優(yōu)化管理需要建立在對(duì)土壤供氮能力了解的基礎(chǔ)上。1960—1997年間北京郊區(qū)糧田土壤養(yǎng)分除土壤速效鉀略有下降外,其它均呈上升趨勢(shì),其中有機(jī)質(zhì)和全氮分別增加了34.7%和32.3%,這說明多年施用化肥和有機(jī)肥提高了土壤肥力。從近年來在華北平原和關(guān)中地區(qū)進(jìn)行的一些田間試驗(yàn)的結(jié)果來看,不施氮肥的小麥和玉米產(chǎn)量較20世紀(jì)80年代有很大的提高,這從另一個(gè)方面證明目前小麥/玉米輪作體系的土壤供氮能力已有很大提高,并部分解釋了為什么氮肥用量可以在農(nóng)民習(xí)慣用量的基礎(chǔ)上大幅度降低但并未降低作物產(chǎn)量。目前已有的一些結(jié)果反映了在一個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)由于土壤供氮能力較高,可以較大幅度地降低氮肥的施用量。但是這樣的狀況能維持多長(zhǎng)時(shí)段,則需對(duì)土壤供氮能力進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)段的研究。從1999年開始,我們?cè)诒本┦羞M(jìn)行了冬小麥/夏玉米輪作條件下土壤供氮能力及其對(duì)優(yōu)化施氮影響的連續(xù)監(jiān)測(cè)和研究。本文報(bào)道的是前3年3個(gè)輪作周期6季作物的連續(xù)觀測(cè)結(jié)果。1材料和方法1.1試驗(yàn)結(jié)果及基礎(chǔ)冬小麥/夏玉米輪作田間試驗(yàn)于1999年開始在北京海淀區(qū)東北旺鄉(xiāng)進(jìn)行。冬小麥品種為京冬8號(hào),夏玉米品種為京墾114。供試土壤為石灰性潮土,質(zhì)地為壤土,土壤容重0—30cm為1.33g/cm3,30—60和60—90cm為1.45g/cm3;pH值8.0;陽離子交換量為11.1cmol/kg;有機(jī)質(zhì)21.4g/kg;全N、全P、全K分別為1.18、1.08、18.6g/kg;土壤有效P(Olsen-P)34.4mg/kg;有效K(NH4OAc-K)145mg/kg,根據(jù)北京市糧田土壤肥力分級(jí)指標(biāo),屬高肥力土壤。試驗(yàn)包括氮肥、灌溉和秸稈3個(gè)因素,共18個(gè)處理。本文僅報(bào)道在優(yōu)化灌溉和秸稈不還田情況下3個(gè)氮肥處理的研究結(jié)果,即:1)不施氮肥(CK),2)傳統(tǒng)施氮(CN),3)優(yōu)化施氮(ON)3個(gè)處理,每處理重復(fù)4次,小區(qū)面積為20m×15m=300m2。不施氮肥處理從試驗(yàn)開始一直不施用氮肥;傳統(tǒng)施氮是在對(duì)華北平原有代表性的中等產(chǎn)量地區(qū)農(nóng)戶施肥調(diào)查的基礎(chǔ)上確定的,即氮肥總量為每季300kg/hm2,冬小麥基追比1∶1,基肥為碳酸氫銨,播前撒施后翻耕,追肥為尿素,拔節(jié)期撒施后灌水。夏玉米分2次追施,三葉期用碳酸氫銨,用量為N100kg/hm2,十葉期用尿素,用量為N200kg/hm2,施肥方式為開溝條施、雨前撒施或撒施后隨即灌水;優(yōu)化施氮是根據(jù)一定目標(biāo)產(chǎn)量和冬小麥、夏玉米在不同生育階段的氮素需求規(guī)律來確定不同階段所需氮素供應(yīng)量(根層土壤無機(jī)氮+肥料氮)。在不同階段(小麥:播前,返青和拔節(jié)期;玉米:播前,三葉和十葉展期)施氮量均根據(jù)相應(yīng)根層的土壤無機(jī)氮測(cè)定結(jié)果來確定,并根據(jù)植株硝酸鹽測(cè)試和作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行微調(diào)。各小區(qū)均施等量的磷鉀肥,在冬小麥播種前作為基肥一次施入。在1999/2000生長(zhǎng)季磷、鉀肥用量分別為P79kg/hm2、K75kg/hm2,從第二個(gè)輪作周期開始,施P55kg/hm2,不施用鉀肥。灌水量和時(shí)間由TDR監(jiān)測(cè)的土壤水分含量確定,每4d測(cè)定一次水分含量,通過灌溉保持土壤水分維持在植物有效水(田間持水量-萎蔫含水量)的45%～80%,灌溉方式為噴灌。冬小麥于10月中旬播種,次年6月中旬收獲,接著免耕直播夏玉米,于10月初收獲;冬小麥行距為15cm,播種量為187kg/hm2,夏玉米行距為70cm,留苗60000株/hm2。1.2土壤含水量測(cè)定方法土壤無機(jī)氮(Nmin):每季作物播前和收獲后均采集土壤樣品,每小區(qū)取5鉆,取樣深度分為0—30、30—60、60—90cm。樣品取回后立即過5mm篩,充分混勻,稱取12g,加入100mL0.01mol/LCaCl2浸提液,振蕩60min,用定量濾紙過濾后用流動(dòng)分析儀(TRAACS-2000)測(cè)定NH+4-N和NO-3-N。同時(shí)用烘干法測(cè)定土壤含水量。植株含N量:在冬小麥和夏玉米收獲期分秸稈和子粒取樣,樣品烘干粉碎后,用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮法測(cè)定含N量。在冬小麥、夏玉米收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)分別取9m2和39.2m2樣方(夏玉米季不施氮區(qū)取16.8m2),脫粒后烘干測(cè)產(chǎn),產(chǎn)量以65℃烘干后的子粒干重表示。相對(duì)產(chǎn)量=不施氮處理產(chǎn)量(或優(yōu)化施氮處理產(chǎn)量)/傳統(tǒng)施氮處理產(chǎn)量×100%相對(duì)吸氮量=不施氮處理吸氮量(或優(yōu)化施氮處理吸氮量)/傳統(tǒng)施氮處理吸氮量×100%氮素表觀礦化量以不施氮肥小區(qū)來計(jì)算,即:氮素表觀礦化量=整個(gè)生長(zhǎng)季作物吸氮量+收獲后0—90cm土壤Nmin-播前0—90cm土壤Nmin。2結(jié)果與分析2.1不施氮處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響表1表明,不施氮處理的總吸氮量存在逐年下降的趨勢(shì),但連續(xù)3年吸氮量均超過120kg/hm2,表現(xiàn)出較高的土壤供氮能力。其中,冬小麥季吸氮量呈明顯地逐年降低趨勢(shì),夏玉米季則相對(duì)穩(wěn)定。供試土壤3個(gè)輪作周期總表觀礦化量保持在120kg/hm2以上的較高水平,其中,在冬小麥季土壤氮素表觀礦化量從第2年開始明顯降低,與冬小麥季相比,夏玉米季氮素表觀礦化量較高,這與2種作物在其生長(zhǎng)季節(jié)不同的水、熱條件有關(guān)。不施氮處理的作物產(chǎn)量明顯受到土壤供氮能力的影響,冬小麥季的產(chǎn)量逐年降低,而夏玉米季產(chǎn)量雖有波動(dòng),但較為穩(wěn)定,輪作周期的總產(chǎn)量受小麥產(chǎn)量影響而呈下降趨勢(shì),第3年的下降尤其明顯。由于高肥力土壤具有較強(qiáng)的供氮能力,不施氮處理可以在較長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)保持較高的相對(duì)產(chǎn)量。其中,夏玉米季連續(xù)3年的相對(duì)產(chǎn)量均在60%～80%之間,而冬小麥季前2年保持在60%～80%之間,第3年降至46%。不施氮處理相對(duì)吸氮量的結(jié)果與相對(duì)產(chǎn)量的結(jié)果趨勢(shì)相同(圖1)。2.2作物產(chǎn)量和吸氮量的年度差異表2結(jié)果表明,優(yōu)化施氮處理的氮肥用量與土壤供氮能力(不施氮處理的吸氮量)和土壤氮素表觀礦化量呈明顯的負(fù)相關(guān)性。冬小麥、夏玉米的優(yōu)化施氮量呈逐年升高的趨勢(shì),但在連續(xù)3個(gè)輪作中,每季施氮量均不超過100kg/hm2。3個(gè)輪作周期中,優(yōu)化施氮處理在冬小麥季的子粒產(chǎn)量(干重)在4.2～5.6t/hm2之間,夏玉米季在5.0～6.7t/hm2之間,輪作周期總產(chǎn)量年度間差異不大,在9.7～11.2t/hm2之間。3年中冬小麥季吸氮量在123～162kg/hm2之間,夏玉米季變幅不大,在109～122kg/hm2之間,總吸氮量在239～284kg/hm2之間。作物產(chǎn)量和吸氮量的年度變異主要是由于年度間氣候變化的影響所致。如,2000/2001年冬小麥在子粒灌漿期遭遇干熱風(fēng),因此產(chǎn)量較低,未達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量。在冬小麥季和夏玉米季,優(yōu)化施氮處理的相對(duì)產(chǎn)量各年度間均相差不大,都在100%左右;而相對(duì)吸氮量均在89%以上(圖2)。說明優(yōu)化施氮處理在充分考慮了土壤供氮能力的基礎(chǔ)上,盡管每季作物的施氮量均低于100kg/hm2(不到傳統(tǒng)施氮處理的1/3),但仍可滿足冬小麥夏玉米輪作周期的氮素需求且達(dá)到傳統(tǒng)施氮處理相同的產(chǎn)量。2.3傳統(tǒng)施肥處理,導(dǎo)致土地污染比較不施氮、優(yōu)化施氮和傳統(tǒng)施氮處理在每季作物收獲后土壤無機(jī)氮?dú)埩袅靠芍?圖3),傳統(tǒng)施氮處理由于盲目地過量投入氮肥,造成收獲后土壤中高量的無機(jī)氮積累。而優(yōu)化施氮處理由于充分考慮了土壤供氮能力,施氮量比較合理,因此沒有引起土壤無機(jī)氮的大量積累,這對(duì)減少氮肥損失、保護(hù)地下水和大氣環(huán)境是十分重要的。3輪作周期土壤中土壤氮素的分布情況有研究表明,土壤對(duì)水稻和小麥等主要作物的供氮量一般為34.5～126kg/hm2,作物高產(chǎn)對(duì)土壤氮素供應(yīng)的依賴性在45%～83%之間,這是在單季作物上獲得的結(jié)果。在低肥力土壤上長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明,旱地冬小麥氮素的自然供給能力為26.7～27.5kg/hm2,平均為27.2kg/hm2。比較來看,本試驗(yàn)由于供試土壤在過去二、三十年間長(zhǎng)期使用化肥和有機(jī)肥培肥,土壤在連續(xù)3個(gè)輪作周期中表現(xiàn)出了較高的持續(xù)供氮能力,不施氮處理在冬小麥季的相對(duì)產(chǎn)量保持在46%～76%,夏玉米季為69%～81%,輪作周期中土壤氮素的表觀礦化量為125～184kg/hm2,而供氮能力為123～190kg/hm2。這一結(jié)果說明,至少在部分肥力較高的土壤上,在進(jìn)行氮肥管理時(shí)應(yīng)充分考慮土壤的供氮能力,以避免過量施氮。土壤供氮能力在很大程度上取決于土壤中易礦化有機(jī)物質(zhì)的含量。長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)表明,長(zhǎng)期不施肥處理(N,P,K均不施用)會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低,初期下降快些,之后遞減速率變慢,并漸進(jìn)于一個(gè)相應(yīng)較低的平衡水平。不施有機(jī)肥土壤的供氮能力主要來自作物殘茬和根系的有機(jī)氮礦化以及土壤腐殖質(zhì)中有機(jī)氮的緩慢分解,其量將維持在較低水平。但上述結(jié)果大多是在較低肥力的土壤上獲得的。本試驗(yàn)中,盡管供試土壤保持了較高的供氮能力,但在連續(xù)3個(gè)輪作周期中土壤供氮能力已開始隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降。為進(jìn)一步做好氮肥的優(yōu)化管理,更長(zhǎng)時(shí)段的連續(xù)觀測(cè)和研究是必要的。影響土壤氮素礦化的最重要的環(huán)境因子是土壤溫度和濕度,一般溫度的影響強(qiáng)于濕度,二者有明顯的正交互作用。本研究結(jié)果表明,在冬小麥/夏玉米輪作體系中,夏玉米季由于水熱條件較好,故土壤氮礦化量較多,而在冬小麥季,土壤氮礦化量相對(duì)較