小麥輪作體系中氮素?fù)p失途徑的研究

小麥輪作體系中氮素?fù)p失途徑的研究

當(dāng)?shù)头柿线M(jìn)入土壤收獲系統(tǒng)后，基本目標(biāo)是三個方面。其中之一是被收獲的。其次，土壤剖面上殘留著有機(jī)氮（nmin）或有機(jī)結(jié)合的形式。第三，以不同的方式失去它。肥料氮的損失途徑主要有:氨揮發(fā),硝化-反硝化,淋洗到根層以下或發(fā)生徑流損失。朱兆良等總結(jié)了國內(nèi)782個田間試驗(yàn)結(jié)果表明,我國主要農(nóng)作物水稻及麥類對氮肥的利用率平均只有28%～41%。在水稻生產(chǎn)體系中,氮肥的損失率約60%。對我國旱作生產(chǎn)中氮肥的損失程度,由于積累的資料不夠,尚難作出確切的估計(jì),粗略地看,其值可能在45%左右。這些結(jié)果絕大多數(shù)是在施氮量不高的條件下得出的(一般每公頃施氮量不超過150kgN)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,我國單位播種面積的施氮量迅速上升,東部和城郊經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)每季作物的每公頃施氮量在250kg以上。因此,氮肥的利用率會更低,損失量會相應(yīng)增加。近年來的研究表明,北京郊區(qū)主要作物的氮肥當(dāng)季利用率僅為16%～22%,這就意味著農(nóng)用氮肥絕大部分發(fā)生了損失,這些損失的氮素對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。本文在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了冬小麥/夏玉米輪作體系中氮素的損失途徑,為制定相應(yīng)的阻控措施,減少氮肥對環(huán)境的污染提供依據(jù)。1材料和方法1.1m-3ph,ho試驗(yàn)位于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園試驗(yàn)農(nóng)場和海淀區(qū)東北旺農(nóng)場(以下簡稱科學(xué)園和東北旺)?？茖W(xué)園土壤為壤質(zhì)草甸褐土,基本理化性質(zhì)為:容重1.32g·cm-3,pH(H2O)為8.2,有機(jī)質(zhì)26.7g·kg-1,全氮1.43g·kg-1,有效磷(Olsen法)41.9mg·kg-1,速效鉀(NH4OAc法)95.5mg·kg-1。東北旺為粉砂壤質(zhì)潮土:容重1.34g·cm-3,pH(H2O)為8.0,有機(jī)質(zhì)22.4g·kg-1,全氮1.18g·kg-1,有效磷(Olsen法)34.4mg·kg-1,速效鉀(NH4OAc法)145.0mg·kg-1。1.1.1保水材料的施肥與除草科學(xué)園的施氮處理為連續(xù)每季每公頃施氮0、120、240和360kg,每季作物240kgN相當(dāng)于北京地區(qū)農(nóng)戶常規(guī)施氮水平。在冬小麥季,氮肥的1/2作基肥于播前撒施后翻入土中,1/2拔節(jié)期撒施后灌水。磷肥(P2O5)作基肥于播前施入(每公頃60kg),冬小麥品種為農(nóng)大518,于10月上旬播種,6月上旬收獲。冬小麥?zhǔn)斋@后,免耕播種夏玉米。夏玉米季氮肥的1/2在三葉期開溝條施,1/2在十葉期雨前撒施,磷肥(60kgP2O5)、鉀肥(60kgK2O)也在三葉期開溝條施,夏玉米品種為農(nóng)大80,于6月中旬播種,9月下旬收獲。氮肥為尿素,磷肥為重過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀。小區(qū)面積126m2(21m×6m),重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列。1.1.2耕作方式及施肥量東北旺試驗(yàn)設(shè)3個灌溉水平,2種秸稈利用方式,3個施氮水平,采用完全方案共18個處理,4次重復(fù),72個處理區(qū),小區(qū)面積為300m2,隨機(jī)排列。試驗(yàn)因子和處理內(nèi)容如下:(I)灌溉方式:限量灌溉。噴灌,在農(nóng)民習(xí)慣的基礎(chǔ)上減少灌水量和灌水次數(shù),作為對照水平;常規(guī)灌溉。畦灌,按照農(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行灌溉;優(yōu)化灌溉。噴灌,根據(jù)TDR土壤水分監(jiān)測結(jié)果,當(dāng)主要根系活動層土壤含水量低于作物有效土壤含水量(田間持水量～萎蔫含水量)的45%時(shí),灌溉至土壤有效含水量的80%。(II)耕作方式:秸桿還田。冬小麥、夏玉米秸稈全部還田。冬小麥秸稈采用覆蓋方式,夏玉米秸稈先切碎后翻入土壤;秸稈不還田。冬小麥、夏玉米秸稈全部不還田。(III)施氮方式:不施氮肥;常規(guī)施氮。代表華北地區(qū)農(nóng)民生產(chǎn)習(xí)慣的施肥方式和施肥量(每季每公頃300kgN);分期動態(tài)優(yōu)化施氮:根據(jù)不同時(shí)期作物需氮量,土壤Nmin(土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮之和)測試結(jié)果確定施氮量。1999年夏玉米的施氮量為每公頃110kg(其中60kg在三葉期開溝條施,50kg在十葉期雨前靠行條施)。1999/2000年冬小麥不施基肥,于返青和拔節(jié)期每公頃施78kg(撒施后立即灌水)。2000年夏玉米在三葉期施氮量為每公頃37kg,開溝條施,不施追肥。磷肥和鉀肥只在冬小麥季作基肥撒施后深耕。1999/2000年冬小麥播前每公頃施P2O5180kg,K2O90kg。2000/2001年冬小麥播前施P2O5126kg,不施鉀肥。冬小麥品種為京冬8,夏玉米品種為京墾114。冬小麥?zhǔn)斋@后,免耕播種夏玉米。磷肥為重過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀。1.2施氮量及施氮量殘留率氮肥表觀利用率(%)=施氮區(qū)作物吸氮量?不施氮區(qū)作物吸氮量施氮量×100氮肥表觀利用率(%)=施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量施氮量×100氮肥表觀殘留率(%)=施氮區(qū)殘留氮?不施氮區(qū)殘留氮施氮量×100氮肥表觀殘留率(%)=施氮區(qū)殘留氮-不施氮區(qū)殘留氮施氮量×100氮肥表觀損失率(%)=100-氮肥利用率-氮肥殘留率2結(jié)果2.1優(yōu)化施氮對產(chǎn)品利用的影響從表1可以看出,隨施氮量的增加氮肥利用率顯著下降,而氮肥的損失率和土壤殘留率有升高的趨勢。當(dāng)每公頃施氮量≥240kg時(shí),高達(dá)80%以上的氮肥未被作物吸收利用,其中占施肥量38%以上的氮肥損失出土壤-作物體系?？梢?氮肥過量施用會造成大量損失,也會帶來嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。就1999年夏玉米來說,由于施氮的增產(chǎn)作用不大,所以氮肥的利用率很低,損失量很大。整體而言,優(yōu)化施氮的氮肥利用率比常規(guī)施氮高,損失量和損失率顯著低于常規(guī)施氮。常規(guī)施氮處理中62%的肥料氮以各種形式損失,僅6%的肥料氮被作物利用。3個施氮處理收獲后的殘留Nmin分別為每公頃62、158和105kg,不施氮處理比播前(85kgN)稍有減少,兩個施氮處理分別比播前增加了73和20kg。從2000年夏玉米的試驗(yàn)結(jié)果來看,常規(guī)施氮處理的氮肥利用率為8%,基本相當(dāng)于北京地區(qū)大田生產(chǎn)的氮肥利用率。優(yōu)化施氮處理的氮肥利用率為44%,比常規(guī)施氮高出36%。由于常規(guī)施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于優(yōu)化施氮,作物對氮肥的利用量二者差異不大。常規(guī)施氮的氮肥殘留率為50%,損失率為42%,而優(yōu)化施氮相應(yīng)為67%和很少。這就說明常規(guī)施氮約有一半的肥料殘留在0～90cm土壤中,以氣體損失或淋洗損失的氮素為每公頃125kg。而優(yōu)化施氮沒有被作物利用的氮素幾乎都?xì)埩粼?～90cm土壤中,氣體損失很少。從收獲后90～200cm土層累積的NO3-N來看,一季不施氮肥處理為每公頃102kg,常規(guī)施氮為255kg,優(yōu)化施氮為100kg。常規(guī)施氮比一季不施氮處理多累積153kg,常規(guī)施氮的氮肥損失主要以NO3--N的形式在底層土壤中累積。常規(guī)施氮在0～90cm土層三季每公頃累積了500kg的Nmin,優(yōu)化施氮比三季前稍有累積?？偟膩砜?2000年夏玉米的氮肥利用率與1999年夏玉米相當(dāng),但殘留率升高,損失率降低(表2)。從1999/2000年冬小麥的試驗(yàn)結(jié)果來看,常規(guī)施氮處理在限水、常規(guī)、優(yōu)化灌溉條件下的氮肥利用率分別為10.6%、18.7%和15.4%,基本相當(dāng)于北京地區(qū)大田生產(chǎn)的氮肥利用率(表3)。優(yōu)化施氮處理相應(yīng)的氮肥利用率分別為38.1%、44.0%和55.0%,其中優(yōu)化施肥、優(yōu)化灌溉處理的氮肥利用率達(dá)到了55%,最高的處理達(dá)到了62%。由此可見,華北地區(qū)氮肥利用率低的主要原因是水分和氮素管理不當(dāng)。由于優(yōu)化施肥的施氮量低,氮肥利用率高,氮肥收獲后在土壤中的殘留和損失很少,達(dá)到了高產(chǎn)持續(xù)農(nóng)業(yè)的要求。常規(guī)施氮處理收獲后0～90cm土壤每公頃累積了310～407kgN的Nmin,這些累積的氮素對環(huán)境造成了威脅。常規(guī)施氮條件下氮素輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮素輸出,沒有被作物利用的氮素絕大部分以Nmin的方式儲存在0～90cm土壤中。優(yōu)化施氮處理氮素輸入稍高于輸出,從而使收獲后0～90cm土壤中累積的Nmin比播前稍有降低。在冬小麥季兩種施氮處理都沒有明顯的氣體損失。從三季試驗(yàn)可以看出,在施入少量氮肥的優(yōu)化條件下,即可得到和常規(guī)施氮相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。氮肥利用率得以大幅度提高,沒有被作物利用的氮素絕大部分在土壤中殘留,氣體和淋洗損失很少。在常規(guī)施氮投入大量氮肥的條件下,氮肥利用率很低,在夏玉米干旱年份,沒有被作物利用的氮素少部分在0～90cm土壤中殘留,大部分以氣體形式損失。在夏玉米的濕潤年份,沒有被作物利用的氮素一部分在0～90cm土壤中殘留,一部分在90～200cm土壤中殘留,以氣體損失的量很少。在冬小麥季,沒有被作物利用的氮素絕大部分在0～90cm土壤中殘留。冬小麥的氮肥利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夏玉米,在夏玉米上施入氮肥的增產(chǎn)效果較差。2.2化肥和氨揮發(fā)氨揮發(fā)損失一直被認(rèn)為是北方石灰性土壤氮素?fù)p失的重要途徑,但是,氨揮發(fā)損失量與銨態(tài)氮肥或酰胺態(tài)氮肥的施用方式有很大的關(guān)系。在北京地區(qū)進(jìn)行的研究表明,表施尿素其氨揮發(fā)損失量可以達(dá)到氮肥施用量的45%～73%;施肥結(jié)合灌水時(shí)損失量可以降低至2%～8%;深施或施肥后覆土損失量僅為施氮量的5%以下。在本試驗(yàn)中,如果將碳酸氫銨或尿素態(tài)氮肥施入土壤或施肥后結(jié)合灌水,氮肥以氣態(tài)損失的數(shù)量并不大,較嚴(yán)重的氣體損失只發(fā)生在1999年干旱的氣候條件下。這一點(diǎn)與Cai等的研究結(jié)果相似,他們認(rèn)為,在當(dāng)前施肥制度下(碳銨作基肥于播種時(shí)深施,尿素作追肥于分蘗-拔節(jié)期撒施后灌水),氮素總損失較低,氨揮發(fā)沒有預(yù)想的那么嚴(yán)重,它并不是氮肥的主要損失途徑。為了比較不同施氮量通過氨揮發(fā)損失的多少,筆者在科學(xué)園試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種簡單的半開放性的氨揮發(fā)原位測定裝置,該裝置在實(shí)驗(yàn)室對氨的回收率可達(dá)98%以上。用該裝置對科學(xué)園1998/1999年冬小麥/夏玉米輪作體系中土壤氨揮發(fā)損失的測定結(jié)果表明,以尿素作氮源將肥料混入0～10cm土壤的條件下,冬小麥/夏玉米輪作體系中氨揮發(fā)的累積損失量分別為每公頃12.8(N0)、22.0(N120)、33.0(N240)和64.5kgN(N360)。如果以N0處理為本底,減去本底的氨揮發(fā)損失量,則氮肥的氨揮發(fā)損失率依次為3.8%(N120)、4.2%(N240)和7.2%(N360)。盡管試驗(yàn)土壤屬于典型的石灰性土壤,pH達(dá)8以上,但只要將氮肥混入土壤或在施肥后立即灌水,氮肥的氨揮發(fā)損失并不嚴(yán)重(表4)。2.3冬小麥成熟期對玉米養(yǎng)分含量的影響國內(nèi)對冬小麥生長季反硝化損失量的直接測定數(shù)據(jù)不多,李亞星用乙炔抑制法在北京測得的冬小麥地土壤中的反硝化損失量僅占施入氮的1%。筆者用乙炔抑制-土柱法測定的數(shù)值每公頃小于1kgN,氮的硝化-反硝化損失率僅為0.21%～0.26%或痕量。張玉銘等在河北測定的冬小麥生長期間硝化-反硝化損失氮量為每公頃1.02～4.13kgN,造成的肥料氮損失率為0.29%～0.79%。這些數(shù)據(jù)初步說明,冬小麥生長期氮的硝化-反硝化損失是較低的。夏玉米生育期溫度、水分狀況較好,是我國北方旱地土壤反硝化氮素?fù)p失的主要時(shí)期。筆者通過兩年的田間原位(乙炔抑制-土柱培養(yǎng)法)測定結(jié)果表明,玉米施肥后兩周內(nèi)是反硝化作用的高峰期。從玉米全生育期來看,又以喇叭口期追肥后損失氮量最高,損失量因年份而異(表5),但總損失量每公頃僅有1～14kg,相當(dāng)于當(dāng)季施氮量的1%～5%。東北旺潮土上冬小麥/夏玉米輪作體系中反硝化損失的數(shù)量與草甸褐土接近(數(shù)據(jù)未列出)。在河北測定的夏玉米生育期氮肥的反硝化損失量每公頃為0.82～6.36kg,反硝化損失率為0.66%～3.28%。蔡貴信等在河南封丘潮土上測得的反硝化損失氮量較高(個人通訊,1999),在每公頃總施氮量為275kg的情況下,不施氮處理反硝化損失氮量為18.5kg·ha-1,表施處理為41.0kg·ha-1,施肥后灌水(苗肥)+深施(喇叭口肥)處理為24.1kg·ha-1。同樣發(fā)現(xiàn)喇叭口期是玉米生育期反硝化損失的關(guān)鍵期,但反硝化損失率也低于1%。通過以上分析,就本試驗(yàn)結(jié)果來看,在北京冬小麥/夏玉米輪作體系中,氮素的氣體損失不超過總施氮量的10%,考慮到輪作體系中38%以上的表觀總損失,可以判斷氮肥的主要損失途徑是淋洗出0～100cm(或0～90cm)土體,在下層土壤中累積或進(jìn)入地下水。2.4土壤硝態(tài)氮含量的季節(jié)和月際變化動態(tài)在每季冬小麥和夏玉米收獲后,筆者均采取了0～200cm或0～300cm的土壤剖面樣品,其NO3--N的累積量如表6。整體而言,除了1999年夏玉米季以外,其它季節(jié)氮素的表觀損失量均相當(dāng)于100～200cm(或90～200cm)土體或200～300cm土體中累積的NO3--N量,2個點(diǎn)的結(jié)果相似。科學(xué)園試驗(yàn)1998/1999冬小麥/夏玉米輪作中硝態(tài)氮淋洗出2m土體的數(shù)量很少,土壤硝態(tài)氮主要在100～200cm土體中累積,200～300cm土體中的NO3--N各個處理之間差別不大。進(jìn)入第二個輪作周期,土壤剖面中硝態(tài)氮的累積繼續(xù)增加,第二季冬小麥?zhǔn)斋@后100～200cm土體硝態(tài)氮增加很大,至第二季夏玉米收獲時(shí),在高量施氮處理(N240和N360)區(qū)200～300cm土體中也出現(xiàn)較高的硝態(tài)氮累積。結(jié)合氮平衡的結(jié)果,可以認(rèn)為,在冬小麥/夏玉米輪作中氮素表觀損失的數(shù)量與相應(yīng)施氮處理試驗(yàn)前后100～300cm土體中硝態(tài)氮的增量較為接近?？紤]到氮素氣體損失的數(shù)量遠(yuǎn)不能解釋氮盈余中表觀損失的數(shù)量,由此可以推斷,硝態(tài)氮下移至100～300cm或更深的土層可能是冬小麥/夏玉米輪作體系中氮肥的主要損失途徑。東北旺土壤90～200cm剖面中硝態(tài)氮的分布動態(tài)也進(jìn)一步證實(shí)傳統(tǒng)施肥條件下硝態(tài)氮在90cm以下土