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

吉艳芝，徐明杰，巨晓棠，董娴娴，张丽娟,2

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

吉艳芝1，徐明杰4，巨晓棠3，董娴娴5，张丽娟1,2※

（1. 河北农业大学资源与环境科学学院，保定 071000；2. 河北农业大学邸洪杰土壤与环境实验室，保定 071000；3. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 4. 迁安京安大华检测站，迁安 064400；5. 河北华清环境科技集团股份有限公司，石家庄 050011）

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3 a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32 248.52 kg/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151.82 kg/hm2，土壤氮库表观盈余量为21.22 kg/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。

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800～900 mm[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10 a内地下水位平均下降10 m。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。

氮素是作物生长必需的营养元素之一，施氮对提高作物产量具有重要作用，但是施氮过多易造成利用率低、氮素在土壤中过量累积等问题。任思洋等[6]、武良等[7]和赵亚南等[8]通过分析2005－2014 年华北平原氮肥投入发现，冬小麦和夏玉米的施氮量平均为226和240.33 kg/hm2，氮素的平均盈余分别为 165和138.32 kg/hm2，导致作物的氮素利用率在28%～41%之间[9-11]，与一些发达国家和地区40%～60%的氮素利用率存在一定差距[12]。改变一年两熟的种植制度能够减少氮肥投入，提高肥料氮素利用率，降低土壤氮素残留。Meng等[13]和Gao等[14]等研究发现，与一年两熟种植制度相比，两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米能够减少56%～59%的氮肥用量，同时降低土壤中20%～30%的硝态氮累积，刘明等[15]和颜晓元等[16]发现两年三熟和一年一熟的氮肥利用效率分别上升32.9%和98.8%，氮肥利用率提高到42.3%。氮肥利用率要综合考虑一个轮作周期，当前研究多考虑肥料氮当季利用率，当季肥料对下茬或下下茬的贡献率并未涉及，而Ju等[17]和董娴娴等[18]研究发现夏玉米季残留的肥料氮有13.7%～21.4%被后茬冬小麦吸收，Wu等[19]和刘新宇[20]认为冬小麦季残留肥料氮有9.75%被夏玉米利用。改变种植制度也减少了灌水量，不同种植制度间的耗水量和灌水量存在显著差异。Gao等[21]研究得出一年一熟春玉米的耗水量仅为一年两熟的39%；陶志强等[22]的试验中，一年一熟的灌水量为1 125 mm，比一年两熟节水3 375 mm；郑媛媛等[23]研究得出两年三熟的春玉米-冬小麦-夏玉米轮作比一年两熟耗水量降低504.3 mm，水分利用效率提高了4.8%。

目前研究多侧重于华北平原种植制度的氮素施用量和当季作物利用率方面的研究，基于适时调整水、氮用量的前提下，综合比较不同种植制度的氮素转化、去向及后效的研究较少。本研究以曲周为代表的华北平原为研究对象，应用15N示踪技术，分析不同种植制度对作物产量、水、氮利用率的影响，解析作物花后氮素转移规律，追踪分析氮肥在一个轮作周期内的去向及其对后茬作物的影响，为探寻适合该地区资源利用现状和环境友好发展的种植制度及农业可持续发展提供科学理论依据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2010－2013年在河北省邯郸市中国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39.6 m，地下水埋深10～20 m。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 ℃，全年无霜期约201 d，2010―2013年年均降水量为490.9 mm，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。

表1 试验地土壤基本理化性质

注：砂粒粒径≥0.02~2.00 mm，粉粒粒径≥0.002~0.02 mm，黏粒粒径<0.002 mm。

Note: Grain size of sand ≥0.02-2.00 mm, particle size ≥0.002-0.02 mm and clay particle size <0.002 mm.

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30 m×60 m，小区间保护行2 m，区组间保护行5 m。5个处理：1）冬小麦-夏玉米一年两熟常规的种植制度（Control W-M），冬小麦播种前翻耕15～20 cm，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（Optimized W-M），冬小麦播种前翻耕15～20 cm，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15～20 cm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15～20 cm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。

供试作物冬小麦（winter wheat，W）品种为良星99，夏玉米（summer maize，M）品种为郑单958，春玉米（spring maize，S）品种为登海605，夏大豆（summer soybean，B）品种为冀豆六号。播种量、播种日期及收获日期如表2所示。

表2 2010－2013年不同种植制度种植方案

注：常规W-M为一年两熟制冬小麦-夏玉米常规水肥处理，优化W-M为一年两熟制冬小麦-夏玉米优化水肥处理，W-M-SM 为两年三熟制的冬小麦-夏玉米-春玉米，W-B-SM为两年三熟制的冬小麦-夏大豆-春玉米，SM为一年一熟制的春玉米；W代表冬小麦，M代表夏玉米，S代表春玉米，B代表夏大豆。下同。

Note: Control W-M represents double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and fertilizer management treatment, Optimized W-M represents double cropping a year of winter wheat-summer maize optimized water and nitrogen management, W-M-SM represents three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize, W-B-SM represents three cropping systems in two years of winter wheat-summer soybean-spring maize, SM represents one crop per year of spring maize; W is winter wheat, M is summer maize, S is spring maize, and B is summer soybean. The same below.

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。

表3 不同种制度的施肥量和灌水量

1.2.3 微区布置

在小区内设置15N微区，微区用长l m，宽l m，高0.4 m的铁皮框包围。小区整地后，将铁皮框放到微区所在位置，外围垂直挖出0.35 m，将铁皮框套入土中，使其周围与土壤紧贴，铁皮框上方露出地表0.05 m，微区间的距离为0.5 m。每季作物设置2个微区，一个作为开花期破坏性取样，一个作为收获取样并留作后效取样。

采用丰度为5.22%的15N标记尿素（含氮率为46%），播种前在微区内取出1 kg左右的表土，过5 mm筛，与做基肥的标记尿素和磷钾肥混匀，并均匀撒施到微区，翻耕后播种；追肥时将标记尿素溶解于水中，用喷壶将溶液均匀喷洒到微区。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

土壤样品：播种前采集试验地0～90 cm土层的土壤样品，间隔30 cm，测定土壤基本理化性质。作物花期及成熟期，在微区采集0～100 cm土壤，测定铵态氮、硝态氮、全氮含量及15N丰度。后作收获时采集15N微区0～200 cm土壤样品，测定各土层中铵态氮、硝态氮、全氮含量及15N丰度。

植物样品：在作物花期和收获时，分别采集15N微区的植株地上部分，用于测定植株和籽粒的全氮含量和15N丰度。植株沿地面全部割下，籽粒、秸秆分别风干称重，65 ℃下烘干后再称重。

1.3.2 样品测定

土壤铵态氮和硝态氮的测定：新鲜土壤混匀过5 mm土壤筛，称取20 g于200 mL塑料瓶中，加入1 mol/L KCl浸提剂100 ml，振荡1 h后过滤，滤液用连续流动分析仪TRACCS2000测定。

土壤和植物样品全氮的测定：土壤经5%的高锰酸钾及还原铁粉还原消煮，按常规凯氏法定氮；植物样品采用H2SO4-H2O2法消煮后，按常规凯氏法定氮。

土壤和植物样品15N丰度的测定：风干后的土壤样品和烘干后的植物样品粉碎过0.15 mm筛，混匀后采用四分法获得所需样品量，采用稳定同位素质谱仪DeltaPlusXP进行测定15N丰度。

土壤水分含量采用烘干法测定。

1.4 水分、氮素相关指标及计算方法

灌溉水分生产率（Irrigation Water Productivity，IWP，kg/m3）为单位灌溉水量所获得的作物籽粒产量，其计算如式（1）所示

IWP=Y/I（1）

式中为单位面积产量，kg/hm2；I为单位面积灌水量，m3/hm2。

氮肥偏生产力（Nitrogen Partial Factor Productivity，PFPN，kg/kg）为单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量，其计算如式（2）所示

PFPN=/（2）

式中为作物籽粒产量，kg/hm2；为化肥纯氮投入量，kg/hm2。

氮素转运量（N，kg/hm2）为植株处于盛花期地上部各器官的吸氮量与成熟期地上部各器官中吸氮量的差值，其计算如式（3）所示

N=fup−mup（3）

式中fup为开花期植物地上部各器官的吸氮量，kg/hm2；mup为成熟期植物地上部各器官的吸氮量，kg/hm2。

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氮素贡献率（N，%）为植株氮素转运量占籽粒吸氮量的百分比，其计算如式（4）所示

N=N/N（4）

式中N为籽粒吸氮量，kg/hm2。

植物吸收的氮素来源于肥料和土壤2个途径，肥料氮（pf，kg/hm2）为指植物从肥料中摄取的氮量，土壤氮（ps，kg/hm2）为植物从土壤中摄取的氮量，计算如式（5）和式（6）所示：

Npf=N·dff（5）

ps=N·Ndfs（6）

式中N为植物吸收的氮量，kg/hm2；dff为植物从肥料中摄取氮量的百分数，%，其为植物样品中的15N原子百分超与氮肥中的15N原子百分超比值的百分数，植株的15N原子百分超为测定的植株各器官的15N丰度与自然丰度之差，土壤中的15N原子百分超为测定的土壤各层的15N丰度与自然丰度之差，该试验肥料15N丰度为5.22%，自然丰度为0.37%；dfs为植物从土壤中摄取氮的百分数（1-dff），%。

15N利用率（，%）为植物从肥料中摄取的氮量占施氮量的百分数，计算如式（7）所示：

=pf/N·100 （7）

式中N施入纯氮的总量，kg/hm2。

施入土壤中的肥料氮有3个去向，分别为植物吸收的氮量（N，kg/hm2）、土壤残留的氮量（N，kg/hm2）和损失的氮量（N，kg/hm2），计算如式（8）和式（9）所示：

N=N·Ndfs（8）

N=N−N−N（9）

1.5 数据分析方法

试验数据的记录、整理、计算与绘图在 EXCEL2016 中进行，采用SPSS 20.0的ANOVA程序包中Compare means进行方差分析及LSD检验。

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2 a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32 248.52 kg/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210.94 kg/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%。

表4 不同种植制度下的作物产量和水、氮利用效率比较

注：不同小写字母表示不同种植制度间在0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in different cropping systems at 0.05 level.

单季作物水、氮投入量及产量由表5可知，作物在不同种植制度中的施氮量不同，其产量也随着施氮量的增加而降低，这符合肥料报酬递减律。华北平原的冬小麦、夏玉米和春玉米的推荐施氮量为122、145[24]和140 kg/hm2[25]，超过推荐量后的产量会随着施氮量的增加而降低。冬小麦在两年三熟制中的产量、氮肥偏生产力、15N利用率和灌溉水分生产率均显著高于一年两熟；在两年三熟的W-M-SM制度中，除15N利用率外，其他指标显著高于W-B-SM；在一年两熟制中，优化W-M处理的产量、氮肥偏生产力、15N利用率和灌溉水分生产率均显著高于常规W-M处理。夏玉米与冬小麦基本一致，在两年三熟制中的各指标均显著高于一年两熟制，一年两熟制的优化W-M处理各指标均出现高于常规W-M处理的趋势。春玉米在两年三熟和一年一熟制度下的产量、氮肥偏生产力、15N利用率灌溉水分生产率差异不显著。夏大豆产量较低，但其氮肥的偏生产力最高，达到了110.93 kg/kg。

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152.98 kg/hm2，其中肥料氮43.07 kg/hm2，土壤氮109.91 kg/hm2；W-B-SM的氮转移量为152.23 kg/hm2，其中肥料氮和土壤氮分别为54.29和97.94 kg/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50.00 kg/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80.87 kg/hm2，无显著差异；夏大豆的氮转移量有45.76 kg/hm2来源于土壤氮，对肥料氮的吸收极少，这与自身固氮有关。

表5 单季作物的产量和水、氮利用效率比较

注：不同小写字母表示同一作物在不同种植制度间 0.05 水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level.

表6 不同种植制度和作物对氮转移量的影响

注：不同小写字母表示同一氮素来源中同一作物在不同种植制度间0.05水平上差异显著。下同。

Note: Different lowercase letters indicate that significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level in same nitrogen source. The same below.

土壤氮和肥料氮在不同种植制度中对籽粒的贡献率如表7所示，在一年两熟制中，冬小麦的氮贡献率表现为常规 W-M高于优化 W-M，主要是肥料氮的贡献率高；夏玉米的氮贡献率没有显著差异，因此在一年两熟制中，减少氮肥投入是可行的降低氮素损失的措施。两年三熟制中，春玉米为第一季作物，氮的贡献率差异不大，以土壤氮贡献为主；第二季冬小麦的土壤氮贡献率差异不显著，肥料氮差异显著，W-B-SM和W-M-SM的肥料氮贡献率分别为24.34%和34.53%；第三季夏玉米的肥料氮贡献率为15.50%，显著高于夏大豆的1.94%。小麦花后各营养器官向籽粒中转移的氮素总量显著高于玉米和大豆，其对籽粒氮素的贡献率达到70%以上，在两年三熟制的贡献率均大于一年两熟制；夏玉米两年三熟下各器官向籽粒转移的氮素低于一年两熟，贡献率较常规 W-M和优化 W-M分别低40.02%和23.27%，达到显著水平；夏大豆花后氮素的转移量与玉米相当，但对籽粒的贡献率仅有16.80%，显著低于其他作物；春玉米在一年一熟制度下的氮素转移量及贡献率均高于两年三熟制。

表7 不同种植制度对氮素贡献率的影响

2.3 不同种植制度对化肥氮去向的影响

由图1可知，不同种植制度下，一个轮作周期后的氮肥去向均表现为土壤残留最高，其次是作物吸收和损失。常规 W-M的作物吸收、土壤残留和损失的比例约为2:6:2，其土壤残留量高达348.44 kg/hm2，显著高于其他处理，作物吸收和损失分别为104.09和97.46 kg/hm2。优化 W-M 的作物吸收、土壤残留和损失分别为108.59、144.10和71.31 kg/hm2，土壤残留氮量显著低于常规W-M处理，说明优化水肥能显著降低土壤氮素累积。优化 W-M、W-M-SM和W-B-SM的总施氮量不同，但氮肥去向比例均约为3:5:2；W-M-SM的作物吸收氮量最高为151.82 kg/hm2，土壤残留为204.65 kg/hm2，稍高于优化 W-M和W-B-SM处理，损失氮量最高为98.65 kg/hm2，但与常规W-M处理差异不显著。一年两熟和两年三熟下损失氮素量没有明显差异。一年一熟春玉米的氮素去向比例为3:6:1，氮肥损失仅为14.20 kg/hm2，显著低于其他种植制度。

2.4 不同种植制度对土壤无机氮库的影响

一个轮作周期后采集0～200 cm土壤，测定其15N原子百分超（图2a）与硝态氮含量（图2b）。200 cm土体内均检测到标记15N，肥料氮发生了明显淋洗。常规 W-M的原子百分超与硝态氮含量随土壤深度先增加后降低，在>40～60 cm出现了最大峰值为71.96 mg/kg，显著高于其他处理（<0.05）。优化 W-M表层土壤原子百分超与硝态氮含量（55.17 mg/kg）最高，随土壤深度逐渐降低，90 cm处达到低值。夏玉米和夏大豆收获后，W-M-SM和W-B-SM土层中15N含量均为表层（0～20 cm）最高，其他土层间差异不明显；W-M-SM处理在0～20 cm表层的硝态氮含量最高，>100~120 cm处出现累积峰，峰值为13.66 mg/kg；W/B-SM的土壤硝态氮于>140～160 cm处出现累积峰，峰值为13.72 mg/kg。SM处理的15N原子百分超随土层深度呈波浪型降低；各土层硝态氮含量较小，在6.40～10.59 mg/kg 之间波动，未出现明显累积峰。

注：不同小写字母表示同一作物在不同种植制度间0.05水平上差异显著。

土壤氮库表观盈亏状况如表8所示。0～100 cm土壤氮素总平衡（表观盈亏）＝肥料氮在0～100 cm土体残留＋干湿沉降带入氮＋灌溉水带入氮－作物吸收氮[20]。如果总平衡是正值，则表示经过一季作物种植后，土壤根区氮素盈余；如果为负值，则表示亏缺。常规W-M中的土壤氮库盈余量高达252.61 kg/hm2，显著高于其他处理，小麦季的氮素盈余占到了总盈余量的70%。优化W-M的土壤氮库盈余为93.64 kg/hm2，小麦季的盈余量仅有1.27 kg/hm2，说明水、氮减施对氮库平衡效果非常明显。W-M-SM的土壤氮库盈余为21.22 kg/hm2，显著低于其他处理；冬小麦收获后土壤氮库亏缺48.79 kg/hm2，与春玉米季的盈余量无显著差异。W-B-SM的土壤氮库盈余量为69.07 kg/hm2，其中冬小麦季氮素基本达到收支平衡，盈余量为1.21 kg/hm2，夏大豆季则亏缺12.50 kg/hm2。两年三熟制和一年一熟制的土壤氮库盈余量均低于一年两熟制，其中以W-M-SM中的盈余量最低。冬小麦在优化 W-M和W-B-SM中的氮库基本收支平衡，在常规 W-M中为大量盈余，而在W-M-SM中又表现出亏缺；W-M-SM中的夏玉米氮素盈余显著低于一年一熟制；春玉米的盈余量在W-B-SM中显著高于其他2个种植制度。

图2 不同种植制度下土壤全氮原子百分超和硝态氮含量的分布

2.5 不同种植制度对氮肥后效的影响

一个轮作周期后继续种植一季农作物，后茬作物对残留在土壤中的15N肥料的吸收利用如表9所示。一年两熟制的后茬作物为冬小麦，2个处理的生物量差异不显著，优化W-M处理的秸秆和籽粒的15N利用率显著高于常规W-M；2个处理的籽粒产量显著低于两年三熟和一年一熟的后茬春玉米，但常规W-M和优化W-M中冬小麦的籽粒对于残留15N的吸收量显著高于两年三熟的春玉米，分别为13.19和24.38 kg/hm2。两年三熟制中的春玉米生物量差异不显著，W-M-SM的15N利用率显著高于W-B-SM，但2个处理的15N利用率均低于一年一熟的春玉米。一年一熟春玉米籽粒产量最高，且对于土壤残留15N的吸收量相对较高，为27.77 kg/hm2，15N利用率高达6.49%，显著高于其他处理。优化W-M中的冬小麦的15N利用率为7.09%，与一年一熟春玉米无显著差异，显著高于一年两熟常规W-M处理与两年三熟的春玉米。

表8 一个轮作周期后土壤氮库表观盈亏

注：轮作周期是指一个轮作周期内所有作物的总和；不同小写字母表示同一作物在不同种植制度间的0.05水平上差异显著。

Note: Rotation cycle is the sum of all crops in a rotation cycle. Different lowercase letters indicate significant difference in same crop in different cropping systems at 0.05 level.

表9 不同种植制度对后茬作物生物量和氮素利用率的影响

注：不同小写字母表示后茬作物在不同种植制度间的0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in succeeding crops under different cropping systems at 0.05 level.

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23 800和24 000 kg/hm2，但显著低于一年两熟优化处理的28 600 kg/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21 400和26 200 kg/hm2，小麦-玉米轮作中传统处理的产量分别为22 600和25 400 kg/hm2，小麦-玉米优化处理中的产量分别为26 300和30 900 kg/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。

研究发现华北平原小麦和玉米的产量潜力存在显著差异，玉米的产量潜力在14 000 kg/hm2，目前玉米产量仅实现了产量潜力的41.5%[27]，冬小麦产量潜力为8 000～9 000 kg/hm2，小麦产量实现了产量潜力的62%～71%[28]，玉米具有更高的生产潜力，而两年三熟制中有两季玉米，是具有产量潜力的种植制度。从单季作物看，不同种植制度中的同一作物的产量差异也较大，W-M-SM中的冬小麦、夏玉米和春玉米产量均高于其他种植制度，分别为8 092.75、13 296.87和10 858.90 kg/hm2；第2个轮作周期的第一季作物产量表现为两年三熟显著高于一年两熟，W-M-SM的后茬作物为春玉米，产量为11 359.97 kg/hm2，比一年两熟的冬小麦高4 855.74～6 962.42 kg/hm2。除了种植制度中不同前茬作物的影响外，施氮量也是一个重要因素，施氮量与作物产量呈现先线性后直线的关系，即在低施氮量时产量会随着施氮量的增加而增加，当施氮量达到一定阈值后产量不再增加，呈直线关系；而施氮量进一步增加，会导致作物营养生长增加，而产量降低。

目前华北平原两年三熟的种植制度并没有过长的试验数据，其对未来产量的提升需要进一步验证。但地下水资源的短缺，已成为制约华北平原农业发展的重要因素，可持续发展农业已不再是高投入-高产出的模式，两年三熟制将会成为替代目前种植制度的一个趋势，但需要挖掘其产量潜力。

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200～300 mm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210.94 kg/m3，其次为两年三熟制的W-M-SM为100.78 kg/m3。

当前中国农田的氮素利用率仅为25%，而氮肥的广泛应用是导致利用率低的重要因素[32]。随施氮量的增加，土壤残留量及损失量均增加，但作物吸收量增加到一定值就不再增加，一般为施氮量的30%左右[33]，从而降低氮肥利用率。因此，合理控制氮肥用量是提高氮肥利用率的关键。王大鹏等[26]研究发现冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟比冬小麦-夏玉米一年两熟的氮肥用量降低75%，氮肥偏生产力则提高了211%，这主要是由于春玉米参与轮作，单季需氮量要小于冬小麦和夏玉米两季的需氮量，同时春玉米可以充分利用降雨，具有实现零灌溉的潜力，进而减少土壤中氮的淋洗损失，提高氮肥利用率。本研究以两年种植期限分析，一年两熟的常规W-M和水肥优化W-M的氮素投入量分别为1 100和648 kg/hm2，两年三熟的W-M-SM和W-B-SM氮素投入量分别为455和361 kg/hm2，一年一熟制春玉米氮素投入量为300 kg/hm2，作物总产量由高到低依次为W-M-SM、优化 W-M、常规 W-M、W-B-SM、SM，两年三熟制的W-M-SM高达32 248.52 kg/hm2，W-M-SM的氮肥偏生产力显著高于其他处理。

基于水氮资源的节约利用角度考虑，两年三熟和一年一熟种植制度能降低水、氮资源投入，可以作为华北平原的较佳种植模式。

3.3 种植制度对土壤氮库的影响

当施氮量超过作物需求量时，氮库盈余急剧增加，与施氮量之间呈线性极显著正相关[34]。张经廷等[35]和汪新颖等[36]发现华北平原一年两熟的夏玉米收获后，化肥氮在0～100 cm土壤残留率为27.58%～57.56%，残留量为66.29～138.32 kg/hm2，本试验中夏玉米在优化W-M和常规 W-M的土壤残留氮量分别为89.66和140.46 kg/hm2，与华北平原现有研究结果基本一致。潘家荣等[37]对北京地区一年两熟中的冬小麦进行优化水氮和传统水氮研究发现，0~90 cm土壤残留的氮量分别为25.92和72.60 kg/hm2；倪玉雪等[38]通过分析河北、山东和北京等地区的冬小麦季试验数据发现，优化施氮处理和传统施氮处理下100 cm土体残留的硝态氮分别为40.2～92.2和15.3～182.3 kg/hm2；本试验中常规W-M、优化W-M、W-M-SM、W-M-B中的冬小麦季施氮量分别为300、139、162.4和176.6 kg/hm2，0～100 cm土壤残留氮量分别为54.44、207.98、51.91和62.89 kg/hm2；该试验结果与倪玉雪等[38]的结果基本一致，但比潘家荣等[37]的残留量要高，主要与施氮量、播前土壤氮残留、灌水量和土壤质地等因素有关。土壤残留量随施氮量和播前土壤氮素残留量的增加而增加，潘家荣等[37]的研究中，传统和优化的施肥量分别为300和85 kg/hm2，播前90 cm土体残留氮为115.8和42.5 kg/hm2，本试验的施氮量为139～300 kg/hm2，播前100 cm土体残留氮为280.67 kg/hm2，显著高于潘家荣等[37]的结果；土壤氮素残留量也会随灌水量的增加而降低，且土壤质地偏砂，会造成土壤残留氮的下移。潘家荣等[37]试验中的灌水和降水总量为397～487 mm，加之土壤质地为砂壤土，容易造成土壤中的硝态氮淋出90 cm土体，而本试验的灌水和降水总量245～350 mm，土壤质地为壤土。所以，本试验土壤残留氮量高于潘家荣等[37]的研究结果。

前茬作物收获后的肥料氮残留量越高，后茬作物收获后的残留量也越高。刘新宇[20]研究发现，与前茬作物收获后相比，15N残留向下运移了70 cm；陈淑峰等[39]认为硝态氮的淋洗和深层土壤的累积多发生在炎热多雨的玉米季，优化水氮比常规水氮的氮素淋失量下降60%，淋失率下降50%左右。本试验一个轮作结束后0～200 cm标记15N运移峰已达180 cm土层，土壤氮素的高累积造成了15N向下运移；常规 W-M处理原子百分超在40～100 cm出现了明显的累积，显著高于其他处理，高施氮量导致高残留；两年三熟和一年一熟的15N原子百分超除表层外，通体处于较低水平。因此本试验中一年两熟土壤表层硝态氮含量高于两年三熟和一年一熟，作物对于氮素的有效利用低于其他2种制度，易发生硝态氮的淋洗。

考虑到环境友好，一年两熟的常规模式高投入、高污染风险的种植方式在未来不可持续，两年三熟和一年两熟种植制度是较好的轮作模式[40]。

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93.64 kg/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21.22 kg /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。

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Effects of different cropping systems on food crop nitrogen utilization and soil nitrogen pool in North China Plain

Ji Yanzhi1, Xu Mingjie4, Ju Xiaotang3, Dong Xianxian5, Zhang Lijuan1,2※

(1.071000,;2.071000;3.100193;4.064400;5.050011,)

Water and fertilizer utilization efficiency are subject to the planting system. Winter wheat-summer maize double cropping is an important rotation system mainly practiced in the North China Plain, low fertilizer-nitrogen use efficiency and excessive accumulation of soil nitrogen in the rotation system. A three-year field experiment was conducted from October 2010 to October 2013 in North China Plain. To explore the suitable planting system for efficient utilization of nitrogen in north China plain, the15N tracer technology was used as a quantitative method to study the crop yield,15N utilization rate, nitrogen destination and soil nitrogen pool apparent equilibrium under the three planting system of double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional and optimized water and nitrogen management, three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize rotation or winter wheat-summer soybean-spring maize rotation, and one crop per year of spring maize. The results showed that the yield of three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize-spring maize was 32 248.52 kg/hm2, which was 22.16% and 52.88% higher than that of two crops and one crop in one year. The utilization rate of15N was 33.36%, which was 26.12% higher than that of one harvest a year. The contribution rate and transference of nitrogen in a two-year triple cropping system was greater than double cropping, the amount of nitrogen transfer of four crops was showed that soil nitrogen higher than that of fertilizer nitrogen. The highest rate of nitrogen fertilizer in the three cropping systems was soil residue, followed by crop absorption and loss, the ratio of crop absorption, soil residue and loss in double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was about 2:6:2, the ratio in a crop per year of spring maize treatment was 3: 6:1, and the ratio in others treatments was about 3:5:2. The maximum amount of nitrogen absorption of winter wheat-summer maize-spring maize was 151.82 kg/hm2, which was significantly higher than the other two planting systems. Soil nitrogen residue in double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was 348.44 kg/hm2. It was the highest level in all of the systems. The15N abundance of double-crop rotation system appeared the maximum peak at 0-60 cm, the nitrate nitrogen content was 71.96 mg/kg, and the15N abundance of other cropping systems was small from top to bottom; the apparent surplus of soil nitrogen pool of double cropping a year of winter wheat-summer maize with traditional water and nitrogen treatment was 252.61 kg/hm2, and the apparent surplus of soil nitrogen pool of wheat-summer maize-spring maize rotation system was the lowest, only 21.22 kg /hm2. The yield of spring maize as a succeeding crop was 4 855.74-6 962.42kg/hm2higher than that in summer maize after a rotation period. Therefore, the comprehensive analysis showed the three cropping systems in two years of winter wheat-summer maize and spring maize had the potential of sustainability in the stable yield and high yield, and the improvement of nitrogen utilization rate, which would be an ideal planting system for the north China plain in the future.

crop; soils; nitrogen; cropping system; North China Plain

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2020-03-19

2020-05-11

国家重点研发计划项目（2017YFD0300905）

吉艳芝，博士，副教授，主要从事土壤养分循环与土壤环境方面的研究。Email：jiyanzhi@hebau.edu.cn

张丽娟，博士，教授，博士生导师，主要从事土壤养分循环与植物营养方面的研究。Email：ljzh_2001@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.010

S158.3

A

1002-6819(2020)-19-0086-11