夏玉米輪作試驗高肥力土壤供氮能力研究

夏玉米輪作試驗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、損失大是普遍現象。200多點調查表明,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,整個輪作周期達到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)境問題已受到關注。氮肥的優(yōu)化管理需要建立在對土壤供氮能力了解的基礎上。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,其中有機質和全氮分別增加了34.7%和32.3%,這說明多年施用化肥和有機肥提高了土壤肥力。從近年來在華北平原和關中地區(qū)進行的一些田間試驗的結果來看,不施氮肥的小麥和玉米產量較20世紀80年代有很大的提高,這從另一個方面證明目前小麥/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民習慣用量的基礎上大幅度降低但并未降低作物產量。目前已有的一些結果反映了在一個作物生長季內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時段,則需對土壤供氮能力進行較長時段的研究。從1999年開始,我們在北京市進行了冬小麥/夏玉米輪作條件下土壤供氮能力及其對優(yōu)化施氮影響的連續(xù)監(jiān)測和研究。本文報道的是前3年3個輪作周期6季作物的連續(xù)觀測結果。1材料和方法1.1試驗結果及基礎冬小麥/夏玉米輪作田間試驗于1999年開始在北京海淀區(qū)東北旺鄉(xiāng)進行。冬小麥品種為京冬8號,夏玉米品種為京墾114。供試土壤為石灰性潮土,質地為壤土,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;有機質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,根據北京市糧田土壤肥力分級指標,屬高肥力土壤。試驗包括氮肥、灌溉和秸稈3個因素,共18個處理。本文僅報道在優(yōu)化灌溉和秸稈不還田情況下3個氮肥處理的研究結果,即:1)不施氮肥(CK),2)傳統施氮(CN),3)優(yōu)化施氮(ON)3個處理,每處理重復4次,小區(qū)面積為20m×15m=300m2。不施氮肥處理從試驗開始一直不施用氮肥;傳統施氮是在對華北平原有代表性的中等產量地區(qū)農戶施肥調查的基礎上確定的,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)化施氮是根據一定目標產量和冬小麥、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量(根層土壤無機氮+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)施氮量均根據相應根層的土壤無機氮測定結果來確定,并根據植株硝酸鹽測試和作物生長狀況進行微調。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生長季磷、鉀肥用量分別為P79kg/hm2、K75kg/hm2,從第二個輪作周期開始,施P55kg/hm2,不施用鉀肥。灌水量和時間由TDR監(jiān)測的土壤水分含量確定,每4d測定一次水分含量,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土壤含水量測定方法土壤無機氮(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分析儀(TRAACS-2000)測定NH+4-N和NO-3-N。同時用烘干法測定土壤含水量。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,凱氏定氮法測定含N量。在冬小麥、夏玉米收獲時每個小區(qū)分別取9m2和39.2m2樣方(夏玉米季不施氮區(qū)取16.8m2),脫粒后烘干測產,產量以65℃烘干后的子粒干重表示。相對產量=不施氮處理產量(或優(yōu)化施氮處理產量)/傳統施氮處理產量×100%相對吸氮量=不施氮處理吸氮量(或優(yōu)化施氮處理吸氮量)/傳統施氮處理吸氮量×100%氮素表觀礦化量以不施氮肥小區(qū)來計算,即:氮素表觀礦化量=整個生長季作物吸氮量+收獲后0—90cm土壤Nmin-播前0—90cm土壤Nmin。2結果與分析2.1不施氮處理對作物產量的影響表1表明,不施氮處理的總吸氮量存在逐年下降的趨勢,但連續(xù)3年吸氮量均超過120kg/hm2,表現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,夏玉米季則相對穩(wěn)定。供試土壤3個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種作物在其生長季節(jié)不同的水、熱條件有關。不施氮處理的作物產量明顯受到土壤供氮能力的影響,冬小麥季的產量逐年降低,而夏玉米季產量雖有波動,但較為穩(wěn)定,輪作周期的總產量受小麥產量影響而呈下降趨勢,第3年的下降尤其明顯。由于高肥力土壤具有較強的供氮能力,不施氮處理可以在較長的時段內保持較高的相對產量。其中,夏玉米季連續(xù)3年的相對產量均在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%。不施氮處理相對吸氮量的結果與相對產量的結果趨勢相同(圖1)。2.2作物產量和吸氮量的年度差異表2結果表明,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相關性。冬小麥、夏玉米的優(yōu)化施氮量呈逐年升高的趨勢,但在連續(xù)3個輪作中,每季施氮量均不超過100kg/hm2。3個輪作周期中,優(yōu)化施氮處理在冬小麥季的子粒產量(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,因此產量較低,未達到目標產量。在冬小麥季和夏玉米季,優(yōu)化施氮處理的相對產量各年度間均相差不大,都在100%左右;而相對吸氮量均在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上,盡管每季作物的施氮量均低于100kg/hm2(不到傳統施氮處理的1/3),但仍可滿足冬小麥夏玉米輪作周期的氮素需求且達到傳統施氮處理相同的產量。2.3傳統施肥處理,導致土地污染比較不施氮、優(yōu)化施氮和傳統施氮處理在每季作物收獲后土壤無機氮殘留量可知(圖3),傳統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氮的大量積累,這對減少氮肥損失、保護地下水和大氣環(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,作物高產對土壤氮素供應的依賴性在45%～83%之間,這是在單季作物上獲得的結果。在低肥力土壤上長期試驗結果表明,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,本試驗由于供試土壤在過去二、三十年間長期使用化肥和有機肥培肥,土壤在連續(xù)3個輪作周期中表現出了較高的持續(xù)供氮能力,不施氮處理在冬小麥季的相對產量保持在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。這一結果說明,至少在部分肥力較高的土壤上,在進行氮肥管理時應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物質的含量。長期肥料定位試驗表明,長期不施肥處理(N,P,K均不施用)會導致土壤有機質含量降低,初期下降快些,之后遞減速率變慢,并漸進于一個相應較低的平衡水平。不施有機肥土壤的供氮能力主要來自作物殘茬和根系的有機氮礦化以及土壤腐殖質中有機氮的緩慢分解,其量將維持在較低水平。但上述結果大多是在較低肥力的土壤上獲得的。本試驗中,盡管供試土壤保持了較高的供氮能力,但在連續(xù)3個輪作周期中土壤供氮能力已開始隨時間延長而下降。為進一步做好氮肥的優(yōu)化管理,更長時段的連續(xù)觀測和研究是必要的。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,一般溫度的影響強于濕度,二者有明顯的正交互作用。本研究結果表明,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,土壤氮礦化量相對較