施氮量对潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷淋溶的影响*

骆晓声，寇长林**，王小非，李太魁，王洪媛

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所 郑州 450002； 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京100081)

氮是所有植物生命过程的必须元素，对提高作物产量和品质起着关键作用[1]。土壤硝态氮是作物利用的主要氮源之一，然而，因硝态氮不容易被土壤吸附固定，容易随水发生移动，造成农田氮肥的硝态氮淋溶损失，成为农田氮肥损失的主要途径之一[2-3]。硝态氮淋溶损失造成水体富营养化，水质恶化，威胁人体健康[4]。消减硝态氮淋溶及其向水体的迁移成为全球关注的课题[5-6]。一些发达国家采取了一些措施用于降低硝态氮的污染，如欧洲1991年开始推行的硝酸盐法案，通过在硝酸盐脆弱区限制化肥氮和有机肥氮的农田施用，期望达到降低硝态氮环境污染的风险[7-8]。磷同样是作物生长必须的大量元素，随着磷肥在农田的大量施用，磷的环境问题凸显，农田磷的输出是形成农业面源污染的重要因素[9-10]。

农田氮淋溶以硝态氮淋溶为主，受土壤类型、气候及农田管理的影响[11]。潮土是华北地区主要的土壤类型，冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)轮作是本区域农田主要种植方式之一，高强度的集约化种植，氮肥投入是保持作物产量和经济效益的方式之一。然而，长期过量施氮导致土壤硝态氮残留较高，淋溶风险加剧，污染水体环境并威胁人体健康[12-13]。当前华北地下水硝酸盐含量超标形势严峻。环渤海7 省(市)的调查结果表明，地下水硝态氮含量平均值为11.9 mg·L−1，约34.1%的地下水超过WHO 制定饮用水的标准[14]。对北京南部及河北325 个浅层地下水调查结果显示，地下水硝酸盐超标率为18%[15]。Yang 等[16]在关中地区5年的试验结果表明，不同施氮量土壤硝态氮淋溶量有较大差异，传统施氮造成高的土壤硝态氮残留及硝态氮淋溶，考虑到低硝态氮残留、高氮肥利用效率，建议冬小麦推荐施氮 150 kg·hm−2，夏玉米推荐施肥180 kg·hm−2。Ju 等[17]在北方冬小麦-夏玉米轮作农田的研究表明，农户习惯施氮情况下冬小麦季和夏玉米季硝态氮淋溶量分别为7 kg·hm−2和27 kg·hm−2；由于研究方法的局限性，定量农田硝态氮的真实淋溶量还有待进一步研究。磷的淋溶是潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田面源污染形成的因素之一，然而，本区域冬小麦-夏玉米轮作农田磷的直接淋溶损失量并不太清楚。田间渗漏池法是定量北方农田氮磷淋溶损失的有效方法，在农田面源污染监测中获得了广泛应用[18-19]。通过田间渗漏池方法研究施氮量对潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷淋溶的影响，对于精确本区域氮磷淋溶损失数据，开展区域农田氮肥管理推荐及改善地下水环境质量有重要意义。

本研究选取河南省潮土区典型冬小麦-夏玉米轮作农田，通过田间渗漏池法研究不同施氮量下，冬小麦-夏玉米轮作农田土壤淋溶液产流及氮磷浓度动态变化规律，结合土壤硝态氮残留和作物产量，阐明潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷淋溶特征及其影响因素，为潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮肥优化管理及面源污染防控提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2016—2018年在河南省新乡市原阳县祝楼乡的河南现代农业研究开发基地进行。试验区农作物以冬小麦-夏玉米轮作为主，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14 ℃，年平均降雨量约600 mm。试验地土壤类型为潮土，土壤基础养分指标为： 有机质10.9 g·kg−1，全氮0.63 g·kg−1，全磷0.75 g·kg−1，硝态氮7.5 mg·kg−1，速效磷23.6 mg·kg−1，pH 8.85。

1.2 试验设计

试验设置3 个处理，分别为： 传统施氮(CON)，代表本区域农户常规施氮情况； 优化施氮(OPT)，代表本区域较为合理的施氮量； 优化再减氮处理(OPTJ)，在优化施氮基础上继续降低施氮量。每个处理3 次重复，小区面积40 m2。种植模式为冬小麦-夏玉米轮作。小麦品种为‘郑麦369’，玉米品种为‘德单5 号’。不同处理小麦季和玉米季氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)总施用量如表1 所示，氮、磷、钾肥分别为尿素、磷酸一铵和氯化钾。小麦和玉米季的氮肥均分为基肥和追肥施用，基追比为4∶6，追肥日期为小麦及玉米的拔节期。磷钾肥均作为基肥施用。2017年和2018年冬小麦种植日期均为10月中旬，收获日期均为6月上旬。2017年和2018年夏玉米种植日期均为6月上旬，收获日期均为10月上旬。冬小麦生长期间，在2017年和2018年3月配合追肥灌溉1 次。2017年玉米季基肥及追肥均结合灌溉施肥。2018年玉米季基肥降雨时撒施，追肥结合灌溉撒施。2017年度共灌溉3 次，分别为小麦季追肥时1次，玉米季基肥和追肥时各1 次。2018年度灌溉2次，分别为小麦季追肥时1 次，玉米季追肥时1 次。灌溉方式为畦灌。2018年玉米季灌溉量40 mm，其他时间灌溉量均为60 mm。

1.3 样品采集及测定

采用田间渗漏池法采集90 cm 深度土壤淋溶液。渗漏池的监测面积为1.2 m2，渗漏池深0.9 m。田间渗漏池的结构及采集淋溶液的方法参见秦雪超等[18]的描述。渗漏池建设于2014年10月，每个试验小区安装1 个渗漏池。监测点安装雨量器，收集记录大气降雨，2017年度降雨量386.8 mm，2018年度降雨量554.4 mm，试验区降雨量及灌溉量如图1 所示。灌溉后及强降雨后采集淋溶液样品并对样品进行编号，冷冻保存待测。2017年度淋溶液收集于3月28日、7月5日、8月10日和9月21日，2018年淋溶液收集于3月29日、7月27日、8月20日和9月29日。淋溶水硝态氮含量采用连续流动分析仪(BRAN+LUEBBE AA3)测定，总磷(TP)采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定。

表1 不同施肥处理冬小麦和夏玉米季氮磷钾肥总施用量Table 1 Total application rates of nitrogen，phosphorus and potassium fertilizers of different fertilization treatments for winter wheat and summer maize seasons kg·hm−2

冬小麦和夏玉米成熟后，收获每个小区小麦、玉米植株(小麦收获3.6 m2，玉米收获9.6 m2)，采用脱粒机脱粒，晒干后称重计算不同处理产量。2017年10月小麦基肥前(玉米收获后)及2018年3月中旬小麦追肥前，按30 cm 一个层次采集90 cm土壤样品，分析土壤硝态氮含量。土壤硝态氮采用0.01 mol·L−1KCl 溶液浸提，流动分析仪测定。土壤0～30 cm、30～60 cm 和60～90 cm 土壤容重分别为1.50 g·cm−3、1.53 g·cm−3和1.53 g·cm−3。

农田硝态氮和总磷的表观淋失系数和氮肥偏生产力的计算方法如下：

硝态氮和总磷淋失量的计算采用下列公示：

式中： F 为淋失量(kg·hm−2)，n 为地下淋溶次数，Vi为第i 次产流的水量(L)，Ci为第i 次产流的硝态氮或总磷质量浓度(mg·L−1)，S 为监测单元面积(1.2 m2)，f 为由监测单元转换成公顷的换算系数。

1.4 数据处理与分析

用Sigmaplot 12.0 作图，SPSS 13.0 检验数据显著性，不同处理之间进行数据显著性检验比较，不同小写字母之间表示差异达显著水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理冬小麦-夏玉米作物产量及氮肥偏生产力

2017年度不同处理小麦和玉米产量均无显著差异。小麦产量OPTJ 处理最高，CON 处理次之，OPT 处理最低； 玉米产量顺序为： OPT>OPTJ>CON(表2)。2018年度，小麦季不同处理产量顺序为OPT>CON>OPTJ，玉米季产量顺序与小麦季相同。两年4季作物不同处理间产量虽然没有显著差异，但整体来看，OPT 处理的产量表现较好，从2017年玉米季开始，OPT 产量一直保持最高，CON 处理产量低于OPT 处理。随着种植季的增加，2018年度，OPTJ 处理小麦和玉米的产量呈降低趋势，小麦季和玉米季比CON 处理降低8.1%和2.0%。说明CON 处理高的施氮量并不能使小麦和玉米获得最高产量，OPT 处理施氮量保持了小麦和玉米的高产，而OPTJ 处理在低土壤供氮条件下不能满足作物长期高产的需要。2017年小麦季CON、OPT 和OPTJ 处理氮肥偏生产力分别为23.1 kg·kg−1、31.9 kg·kg−1和54.8 kg·kg−1，玉米季氮肥偏生产力为27.3～61.4 kg·kg−1。2018年度，小麦季和玉米季氮肥偏生产力均比2017年度有所提高，小麦季和玉米季分别提高15.0%和4.2%。4 个作物季，OPTJ 处理氮肥偏生产力显著高于OPT 和CON，OPT 显著高于CON。

表2 2017年和2018年不同处理冬小麦-夏玉米产量及氮肥偏生产力Table 2 Yields and average nitrogen partial factor productivities under different fertilization treatments for winter wheat and summer maize in 2017 and 2018

2.2 不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作周期土壤淋溶液淋溶量

图2 为2017年和2018年两个冬小麦-夏玉米轮作周期不同处理90 cm 深度土壤淋溶液总量。2017年CON、OPT 和OPTJ 处理的淋溶量为88.0～102.5 mm，3 个处理间无显著差异，OPT 处理淋溶量最少。2018年不同处理淋溶量为79.0～91.8 mm，不同处理淋溶量顺序为 OPTJ>OPT>CON，不同处理之间无显著差异。2017年度CON、OPT 和OPTJ 处理淋溶液量均高于2018年的淋溶量。

2.3 不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作周期土壤淋溶液硝态氮浓度

2017年收集到淋溶液样品4 次(图3)。第1 次淋溶液产流于小麦季追施氮肥期，淋溶液硝态氮浓度较高，不同处理硝态氮浓度为 13.2～112.8 mg·L−1，CON 处理硝态氮浓度显著高于OPT 和OPTJ 处理。2017年度玉米季收集到淋溶液3 次，CON 处理土壤淋溶液浓度均显著高于OPTJ 处理。整个监测年度OPT 和OPTJ 处理4 次淋溶液硝态氮平均浓度比CON 处理分别降低55.2%和79.9%。

2018年度收集到淋溶液4 次，春季小麦追肥灌溉后采集1 次，其余3 次均为玉米季采集。本年度土壤淋溶液硝态氮浓度以玉米季第1 次采集到的淋溶液浓度最高，3 个处理硝态氮浓度为55.5～208.7 mg·L−1。CON 处理土壤淋溶液硝态氮浓度均显著高于OPTJ 处理。2018年度CON、OPT、OPTJ 处理淋溶液硝态氮平均浓度分别为92.9 mg·L−1、44.1 mg·L−1和21.1 mg·L−1。不同施氮量条件下，土壤淋溶液浓度差别较大，OPT 和OPTJ 处理淋溶液浓度明显降低。

2018年淋溶液硝态氮浓度整体高于2017年，2018年CON、OPT 和OPTJ 处理淋溶液硝态氮平均浓度分别比2017年高76.9%、86.5%和116.5%。

2.4 不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作土壤淋溶液硝态氮淋溶量及表观淋失系数

2017年CON、OPT 和OPTJ 3 个处理淋溶液硝态氮淋溶量为10.0～53.8 kg·hm−2(表3)。与CON 处理相比，OPT 和OPTJ 处理硝态氮淋溶量分别降低60.4%和81.4%(P<0.05)。2018年3 个处理淋溶液硝态氮淋溶量为18.0～78.9 kg·hm−2。与CON 处理相比，OPT 和OPTJ 处理淋溶液硝态氮淋溶量分别降低53.5%和77.2%(P<0.05)。两个监测年度，CON、OPT 和OPTJ 处理淋溶液硝态氮平均淋溶量分别为66.4 kg·hm−2、29.0 kg·hm−2和14.0 kg·hm−2。在3 种施氮模式下，OPT 和OPTJ 处理淋溶液硝态氮淋溶量大幅度降低。在优化施氮基础上再减氮(OPTJ 处理)硝态氮淋溶进一步降低。

2017年和2018年，CON、OPT 和OPTJ 处理硝态氮表观淋失系数分别为3.5%～8.3%和6.3%～12.2%，3 个处理两年平均值分别为10.3%、6.2%、4.9%。随着施氮量的增加，硝态氮表观淋失系数显著增加。土壤淋溶液硝态氮淋溶量有明显的年度差异，2018年不同处理硝态氮平均淋溶量比2017年高57.0%，淋失系数平均高60.9%。

2.5 不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作土壤硝态氮残留特征

表4 为2018年小麦季基肥前及追肥前不同处理0～90 cm 土壤硝态氮残留量。施用基肥前，3 个处理0～90 cm 土壤硝态氮残留量为115.0～400.3 kg·hm−2。追肥前，3个处理0～90 cm土壤硝态氮残留量为102.3～271.9 kg·hm−2。小麦追肥前，各处理土壤硝态氮残留均比小麦基肥前有所降低。两个时期土壤硝态氮残留变幅以CON处理最高，其次为OPT处理，OPTJ处理变化较小。

表3 2017年和2018年不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作农田硝态氮淋溶量及表观淋失系数Table 3 Nitrate nitrogen leaching amounts and apparent nitrate nitrogen leaching loss coefficients under different fertilization treatments for winter wheat-summer maize rotation system in 2017 and 2018

2018年小麦基肥前，CON 处理3 层土壤硝态氮残留均较高。OPT 处理0～30 cm 土壤硝态氮残留与CON 没有显著差异，30～90 cm 土壤硝态氮残留显著降低(P<0.05)。OPTJ 处理0～90 cm 土壤硝态氮残留均显著低于CON 处理，同时低于OPT 处理。OPT和OPTJ 处理土壤硝态氮残留比CON 处理平均降低34.0%和71.3%。2018年小麦追肥前，3 个处理0～90 cm 土壤硝态氮残留特征与小麦基肥前相似，CON 处理在90 cm 土层均高于OPT 和OPTJ 处理，OPTJ 处理90 cm 土壤硝态氮残留最低。

表4 试验期不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作农田根层土壤硝态氮残留特征Table 4 Residue nitrate nitrogen in root zone soil under different fertilization treatments for winter wheat-summer maize rotation system during sampling period kg·hm−2

2.6 不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作土壤总磷淋溶量

两个监测年度，不同处理土壤淋溶液总磷浓度为0.04～0.10 mg·L−1，不同处理间无显著差异(表5)。2017年度不同处理总磷淋溶量为0.07～0.12 kg·hm−2，2018年度总磷淋溶量为0.03～0.04 kg·hm−2，不同处理间无显著差异。2017年总磷淋溶量高于2018年。两个年度CON、OPT 和OPTJ 处理总磷平均淋溶量分别为0.06 kg·hm−2、0.06 kg·hm−2和0.08 kg·hm−2，表观淋失系数为0.04%、0.04%和0.05%。

表5 2017年和2018年不同施肥处理冬小麦-夏玉米轮作农田土壤淋溶液总磷浓度及淋溶量Table 5 Leachate concentrations and leaching amount of total phosphorus under different fertilization treatments for winter wheat-summer maize rotation system in 2017 and 2018

3 讨论

与中国北方其他地区冬小麦-夏玉米农田硝态氮淋溶相比，本研究硝态氮淋溶量较大。如陕西关中地区农户习惯施氮(小麦季190 kg·hm−2，玉米季280 kg·hm−2)和优化施氮(小麦季150 kg·hm−2，玉米季 180 kg·hm−2)硝态氮平均淋溶量分别为 15.8 kg·hm−2和10.1 kg·hm−2[20]。山东冬小麦在施氮量180 kg·hm−2条件下，硝态氮淋溶量7.3～14.0 kg·hm−2[21]。河北正定黄褐土冬小麦-夏玉米轮作农田传统施氮(小麦季300 kg·hm−2，玉米季225 kg·hm−2)硝态氮年均淋溶量约12.5 kg·hm−2[18]。本研究优化施氮(冬小麦季225 kg·hm−2、夏玉米季240 kg·hm−2)处理硝态氮淋溶量与巨晓棠等[22]研究结果相近。试验结果存在差异一方面是监测方法的差别，另一方面，不同的气候及土壤类型也可能产生不同的试验结果。本试验区域离黄河较近，土壤砂质含量大，保肥能力差，可能是硝态氮淋溶量高的原因之一。本研究冬小麦-夏玉米轮作农田硝态氮淋溶对施氮量较为敏感，OPTJ、OPT、CON 处理随着施氮量的增加，硝态氮淋溶量不断增加，硝态氮的平均表观淋失系数从4.9%增加到10.3%。两年的试验结果硝态氮淋溶量和施氮量呈现较好的指数关系： y=3.8e0.0044x(R2=0.86； P<0.01)。这与通过大数据总结的农田硝态氮淋溶量与施氮量的关系较为一致，农田硝态氮的淋失系数随着施氮量的增加而动态增加[23]。OPT 处理和 OPTJ 处理硝态氮淋溶量大幅降低，分别比CON 处理降低56.3%和78.9%。

施氮量对农田硝态氮淋溶有较大影响，农田水分输入与硝态氮的淋溶也密切相关[24]。华北潮土农田主要位于半湿润区，农田水分输入包括自然降雨和灌溉。冬小麦种植季降雨量一般较少，春季追肥期通常灌溉1 次，如果降雨量较少，小麦播种前后或小麦生长后期可能会进行灌溉。夏玉米季大气降雨较多，由降雨导致的淋溶风险较大，加之施肥灌溉，两个年度均发生3 次淋溶事件。2017年度灌溉量较多，收集的淋溶水量高于2018年，2018年降雨量多且夏玉米季大雨发生4 次，2018年淋溶液硝态氮淋溶量比2017年高57.0%，说明潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田硝态氮的淋溶主要受淋溶液量及淋溶液硝态氮浓度影响，强降雨对硝态氮的淋溶具有较大的促进作用，2018年第2 次淋溶液为强降雨施肥后采集，淋溶液硝态氮浓度在监测期最高。王仕琴等[15]研究发现，极端降雨使地下水硝酸盐浓度上升1～7 倍。2018年高的淋溶液硝态氮浓度是本年度硝态氮淋溶量高于2017年的主要原因。通过CON、OPT 和OPTJ 处理两次根层土壤硝态氮残留结果可知，CON 处理土壤硝态氮残留量较高，OPT 和OPTJ处理硝态氮残留量平均比CON 降低36.5%和67.7%，3 个处理土壤硝态氮残留平均值与两个年度土壤淋溶液硝态氮淋溶量平均值存在较好的指数关系：y=6.7e0.0068x(R2=0.9，P<0.01)。高施氮量条件下，造成潮土土壤硝态氮残留较高，将造成极大的淋溶风险。这与通过大数据分析得到的研究结果即土壤硝态氮淋溶与土壤硝态氮残留呈较好的线性相关具有一致性[25]。陕西关中地区的研究也表明，冬小麦-夏玉米轮作农田土壤硝态氮残留与根层硝态氮淋溶存在较好的指数关系[26]。潮土区冬小麦-夏玉米轮作模式下，总磷的淋溶风险较低，不同处理土壤淋溶液总磷浓度为 0.04～0.10 mg·L−1，总磷平均淋溶量为0.06～0.08 kg·hm−2，这与习斌等[27]在华北玉米农田研究的磷淋溶量0.04～0.10 kg·hm−2结果接近。值得注意的是，与硝态氮淋溶量2018年高于2017年不同，总磷淋溶量 2017年(0.07～0.12 kg·hm−2)高于2018年(0.03～0.04 kg·hm−2)，原因可能是2017年灌溉次数多，淹水漫灌有可能会短期内造成土壤厌氧或者兼性厌氧环境，微生物代谢大量无机酸类小分子，促进土壤中磷的溶解，并随淋溶水向下迁移。

不同施氮量的作物产量效应及土壤氮损失评价是潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮肥优化推荐的基础[28-29]。本研究发现，传统施氮量冬小麦-夏玉米作物产量并未达最高。OPT 处理土壤硝态氮淋溶量较低，小麦季和玉米季产量均表现较好。OPTJ 处理在OPT 基础上继续减少了施氮量，土壤硝态氮淋溶风险最小，氮肥偏生产力最高，然而作物产量却有所降低。所以本区域潮土OPT 处理施氮量应该是较为合理的施氮量。综合相关研究，OPT 施氮量与Chen等[30]推荐的小麦季氮肥施用量220 kg·hm−2及玉米季推荐施氮量256 kg·hm−2较为接近。巨晓棠[31]研究表明，冬小麦-夏玉米轮作产量水平为 8000～10 000 kg·hm−2时，小麦推荐施氮量224～280 kg·hm−2，玉米推荐施氮量184～230 kg·hm−2。本研究冬小麦-夏玉米轮作产量7000～11 000 kg·hm−2，OPT 处理小麦季施氮量225 kg·hm−2，玉米季施氮量240 kg·hm−2，与上述推荐值较为接近。由于OPT 处理和OPTJ 处理施氮量还有一定的梯度，小麦季及玉米季施氮量可能还有一定的优化空间。潮土区农田施肥管理受自然因素的影响较大，有必要对由气象因素，如旱涝等，导致的氮磷淋溶特征进行长期观察和研究。

4 结论

本研究区域常规施氮下冬小麦-夏玉米轮作农田的硝态氮淋溶风险较高[可达66.4 kg(N)·hm−2]，总磷淋溶风险较低(0.06 kg·hm−2)。优化施氮能够在不影响作物产量的情况下，显著降低56.3%的硝态氮淋溶。然而，过量减施氮肥虽然会大大降低硝态氮淋溶(降低78.9%)，但也会带来一定的减产风险。可见，优化施氮量(小麦季施氮225 kg·hm−2和玉米季施氮240 kg·hm−2)是本研究区域冬小麦-夏玉米轮作较为合理的施氮量。值得注意的是，由于本研究区域地处黄河沿岸，砂质含量较高，导致硝态氮淋溶量整体较高，无法反映潮土区的整体硝态氮淋溶特征，建议在潮土区进行多点试验以更好地评估潮土区旱地大田作物的硝态氮淋溶特征。