周年施氮对冬小麦-夏大豆轮作产量及土壤氮素含量的影响

房彦飞 符小文 徐文修 刘 文 黄红梅 张 娜 杜孝敬 张永杰

(1新疆农业大学农学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2伊宁县农业技术推广中心，新疆 伊犁 835100)

自工业革命以来，氮肥在农业上的大量使用不仅为全球48%的人口提供所需蛋白质，而且为保障粮食安全，尤其是农业大国对氮肥的依赖性越来越大[1-2]。我国是化肥使用大国，自1978年以来，化肥用量不断增加，至2010年，我国化肥消费量已达到5 500 万t，占世界化肥总消费量的34%，其中氮肥约为3 200 万t，但我国主要农作物氮肥平均利用率仅为34.4%，远低于发达国家的50%～70%[3-6]。有研究指出，我国过量施用氮肥现象普遍，农田氮肥实际施用量远高于作物推荐量，过量施氮面积达到20%[7-8]，尤其在多熟种植生产中，存在一年两季作物比一年一季作物潜在施肥量多的现象，使农田氮素处于大量盈余状态，不仅未使作物产量不断增加，反而容易造成土壤深层硝态氮(NO3--N)积累，导致土壤NO3--N 富集所造成的环境污染等问题日趋严重[9-10]。为此，进一步探究施氮对周年土壤氮素含量的影响已成为当前非常迫切的任务。

目前，国内外针对施氮对作物产量及土壤无机氮的影响已做了大量研究。研究表明，低施氮量会降低土壤肥力，过高施氮量会增加土壤氮素残留，而适宜的施氮量不仅可以获得高产，还能维持土壤无机氮平衡[11]。施氮量与土壤中NO3--N 含量并非线性相关关系[12]，仅当施氮量超过作物的需氮量，才会显著提高土壤中的NO3--N 积累量[13-14]。张毅等[15]研究发现，施氮量主要显著影响0 ～20 cm 土层土壤NO3--N含量，但对不同土层间土壤铵态氮(NH4＋-N)含量均无显著影响，且施氮量过高反而会降低产量。赵靓等[16]研究表明，当玉米施氮量高于300 kg·hm-2时会显著增加土壤无机氮积累量，表现为富集现象。另有研究表明，前茬小麦收获后土壤中残留较多的氮素可供后茬玉米吸收利用[17]；在稻-烟轮作体系中，烟烤生长季氮肥的优化施用应充分考虑前茬作物水稻收获后的土壤残留无机氮量，才能极大地提高肥料利用率[18]。但目前在新疆绿洲灌溉农业区域的麦-豆轮作中关于周年施氮对土壤氮素含量的问题鲜有研究。因此，本研究以冬小麦复播夏大豆为研究对象，探明周年施氮组合对两季作物产量及土壤无机氮含量、残留量的影响，旨在为麦-豆轮作体系周年合理施氮提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验区概况

供试材料为当地主栽品种新冬41、黑河45 号，于2017—2018 连续两年在北疆伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园内进行。该区位于伊犁河谷中部，地理坐标在81°13′40″～82°42′20″E、43°35′10″～44°29′30″N 之间，冬春温暖湿润，夏秋干燥较热，昼夜温差大，属于中温带干旱型内陆山地气候，全年日平均气温稳定≥10℃的日数为180 ～190 d，积温为3 400℃左右，年平均温度10℃；光照条件充裕，年平均日照时数为2 900 h 左右，全年太阳总辐射量为134.5 kcal·cm2；年均降水量362.8 mm，年均蒸发量为1 621 mm；无霜期163 d，试验地土壤类型为沙壤土。两年0～40 cm 土层土壤基础理化性质如表1 所示。

表1 土壤0～40 cm 基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil 0～40 cm

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区试验设计，设置主区冬小麦季4 个施氮水平(纯氮):0(N0)、104(N1)、173(N2)、242 kg·hm-2(N3)，随机分布于冬小麦试验地，小区面积17 m×4.5 m；冬小麦收获后复播大豆，副区为夏大豆季3 个施氮水平(纯氮):0(S0)、69(S1)、138 kg·hm-2(S2)，每副区面积为5 m×4.5 m，每个处理3次重复，共计36 个小区。

冬小麦分别于2016年10月15日、2017年10月18日播种，2017年7月4日、2018年6月30日收获，采用15 cm 等行距播种，播种量为300 kg·hm-2。复播大豆分别于2017年7月6日、2018年7月2日播种，2017年10月16日、2018年10月11日收获，采用30 cm 等行距播种，种植密度为52.5 万株·hm-2。冬小麦播种前各处理结合翻地施入施氮量的40%以及204 kg·hm-2重过磷酸钙(P2O2)做基肥，并在拔节期和抽穗期各按施氮量的30%随水追施氮肥；冬小麦收获后至夏大豆播种期间未施任何肥料，夏大豆季氮肥以追肥的形式在复播大豆始花期一次性随水滴施。为防止小区间的肥料相互渗漏，小区间均设1 m 的隔离带。两季作物灌溉方式均为滴灌，冬小麦全生育期共灌水4 次，共计3 750 m3·hm-2，夏大豆全生育期共灌水8次，共计4 200 m3·hm-2。各小区灌水追肥由水表及施肥罐装置控制，毛管铺设方式:冬小麦1 管4 行、夏大豆1 管2 行，其他田间栽培措施同当地常规。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集 分别于2017年、2018年冬小麦、夏大豆收获时，在各小区选择3 个采样点，用土钻采集0～20、20～40、40～60、60 ～80、80 ～100 cm 土层的土样。将同一深度的3 个重复土样充分混合均匀带回实验室用于测定土壤NO3--N 和NH4＋-N 含量。

1.3.2 土壤NO3--N 及NH4＋-N 测定 称5 g 鲜样，用25 mL 1 mol·L-1KCl 溶液浸提，振荡30 min，过滤后采用紫外分光光度计法[19]测定土壤NO3--N 含量；称5 g 鲜样，用25 mL 2 mol·L-1KCl 溶液浸提，振荡30 min，过滤后采用靛酚蓝比色法[20]测定土壤NH4＋-N含量。并根据公式计算土壤NO3--N、NH4＋-N 和无机氮残留量:

1.3.3 产量测定 分别于2017年7月4日、2018年6月30日冬小麦成熟期，在各处理选取长势均一的1.2 m2样方进行实收，计算每个处理的产量。

分别于2017年10月16日、2018年10月11日夏大豆成熟期，在各小区选取长势均一的2.4 m2样方进行实收，计算每个处理的产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理及作图，采用SPSS 19.0 软件进行方差分析，多重比较采用Duncan 法。

2 结果与分析

2.1 周年施氮量对冬小麦、夏大豆收获后土壤NO3--N 含量的影响

2.1.1 施氮量对冬小麦收获后土壤NO3--N 含量的影响 不同年度在冬小麦收获后土壤0 ～100 cm 土层NO3--N 含量如图1 所示，麦季施氮显著增加了土壤0～100 cm 土层NO3--N 的含量(P＜0.05)，并随着施氮量的增加而增加，N1、N2、N3 平均分别较未施氮处理(N0)增加了49.22%、78.25%和119.62%。进一步分析可知，各处理土壤NO3--N 含量均在20 ～40 cm 土层达到最高，且不同施氮水平中N3 土壤NO3--N 含量最高，两年平均为14.65 mg·kg-1，平均分别较N0、N1、N2 增加了92.86%、44.69%和17.03%，不同土层各处理基本均呈显著差异(P＜0.05)。此外，其他土层土壤NO3--N 含量两年变化趋势基本一致，波动较小，说明麦季施氮主要影响20～40 cm 土层的土壤NO3--N 含量，且施氮量越多土壤NO3--N 含量越高，可供冬小麦直接吸收利用的氮素越充裕。

图1 施氮量对冬小麦收获后各土层土壤NO3--N 含量的影响Fig.1 Effects of nitrogen application rate on soil NO3--N content of soil layer after winter wheat harvest

2.1.2 周年施氮对夏大豆收获后土壤NO3--N 含量的影响 在冬小麦各处理水平下，2017—2018年夏大豆各处理的土壤NO3--N 含量均随着土层深度的增加呈“增-降-增-降”M 型变化趋势，其中各处理的NO3--N 含量均以20～40 cm 土层最高，其与冬小麦收获时NO3--N 含量最高的土层深度相同，60 ～100 cm 土层各处理NO3--N 含量变化总体相对波动较小。比较冬小麦不同施氮处理对夏大豆土壤NO3--N 含量的影响可知(图2)，在夏大豆各施氮处理(S0、S1、S2)下，壤0～100 cm 土层土壤NO3--N 含量均随着麦季施氮量的增加而不断增加，至麦季N3 达到最高，其中N3S0 土壤NO3--N 含量平均分别较N0S0、N1S0、N2S0 增加56.08%、34.95% 和17.62%，N3S1 分别较 N0S1、N1S1、N2S1 增加71.18%、44.76%和22.46%，N3S2 分别较N0S2、 N1S2、 N2S2 增 加65.09%、 37.54% 和20.13%，且大豆季同一施氮水平下麦季不同处理间差异显著(P＜0.05)，说明前茬麦季施氮对后茬大豆土壤NO3--N 含量具有后效作用，且在大豆季S1 施氮水平下麦季施氮量越多土壤NO3--N 含量的增幅越大。进一步分析夏大豆施氮量对土壤NO3--N 含量的影响可知，在冬小麦各处理下土壤0 ～100 cm 土层NO3--N含量随着大豆季施氮量的增加而增加，均至S2 达到最大值，且麦季同一施氮水平下大豆季各处理间基本达到显著差异(P＜0.05)，进一步表明夏大豆土壤NO3--N 含量受麦季和大豆季施氮量的共同影响。

图2 周年施氮对夏大豆收获后各土层土壤NO3--N 含量的影响Fig.2 Effects of nitrogen application rate in winter wheat-summer soybean system on soil NO3--N content of soil layer after summer soybean harvest

图3 施氮量对冬小麦收获后各土层土壤NH4＋-N 含量的影响Fig.3 Effects of nitrogen application rate on soil NH4＋-N content of soil layer after winter wheat harvest

2.2 周年施氮量对冬小麦、夏大豆收获后土壤NH4＋-N 含量的影响

2.2.1 施氮量对冬小麦收获后土壤NH4＋-N 含量的影响 由图3 可知，麦季施氮同样增加了冬小麦收获后土壤0 ～100 cm 土层的土壤NH4＋-N 含量，均随着土层深度的增加呈先增后降至平缓的变化趋势，且各处理土壤NH4＋-N 含量均表现为随着施氮量的增加而增加，N3、N2、N1 土壤0～100 cm 土层平均NH4＋-N 含量分别较N0 增加51.29%、41.65%和24.05%，且0 ～40 cm 土层各处理间差异显著(P＜0.05)。进一步分析可知，冬小麦各处理土壤NH4＋-N 含量均在20 ～40 cm 土层达到最高，其中不同施氮水平中N3 最高，两年平均为4.26 mg·kg-1，较其他处理平均增加了8.46%～69.95%，且不同层次土壤各处理均呈显著差异(P＜0.05)；其次土壤-N 含量较高的是0 ～20 cm 土层(除2017年N0、N1 处理)，N3 土壤NH4＋-N含量两年平均达到最高为4.07 mg·kg-1，较其他处理平均增加了13.92%～95.76%，且不同层次土壤各处理大部分达到显著性差异(P＜0.05)。此外，40 ～60 cm 土层除N0 处理在NH4＋-N 含量较上一土层有增加的趋势(2017年)，其他处理均降低，且40 ～100 cm 土层土壤NH4＋-N 含量变化波动较小，平均波动范围在2.44～3.22 mg·kg-1之间。

2.2.2 周年施氮对夏大豆收获后土壤NH4＋-N 含量的影响 由图4 可知，夏大豆收获后，各处理0 ～100 cm 土层土壤NH4＋-N 含量呈现与土壤NO3--N 基本一致的“M”型变化趋势，且均在20 ～40 cm 土层达到最大值。通过分析冬小麦不同处理对夏大豆不施氮条件下土壤NH4＋-N 含量的影响可知，土壤0 ～100 cm土层土壤NH4＋-N 含量总体随着麦季施氮量的增加而增加，至麦季N3S0 达到最高，两年平均分别较N0S0、N1S0、N2S0 显著增加24.77%、13.82%和9.49%(P＜0.05)，表明冬小麦施氮越高，后茬大豆土壤中NH4＋-N 含量也越高，其后效作用也越明显。进一步分析冬小麦不施氮条件下对夏大豆各施氮处理0 ～100 cm 土层土壤NH4＋-N 含量的影响可知，夏大豆施氮越高土壤NH4＋-N 含量也越高，其中夏大豆季施氮量最高的N0S2 土壤NH4＋-N 含量两年平均分别较N0S0、N0S1显著增加29.46%和12.56%(P＜0.05)，说明夏大豆当季施肥可显著增加土壤NH4＋-N 含量。可见，夏大豆土壤NH4＋-N 含量受麦季和大豆季施氮量的共同影响，且大豆季土壤NH4＋-N 含量与施氮量成正比。

图4 周年施氮对夏大豆收获后各土层土壤NH4＋-N 含量的影响Fig.4 Effects of nitrogen application rate in winter wheat-summer soybean system on soil NH4＋-N content of soil layer after summer soybean harvest

2.3 周年施氮量对冬小麦、夏大豆收获后土壤无机氮残留的影响

2.3.1 施氮量对冬小麦收获后土壤无机氮残留的影响 由图5 可知，冬小麦收获后土壤0 ～100 cm 土层中无机氮残留量随施氮量的增加而增加，且NO3--N的残留量远大于NH4＋-N 的残留量。其中两年N1、N2、N3 的无机氮残留量较N0 平均分别增加了41.35%、66.89%和98.28%。其中N0、N1、N2、N3 的NO3--N 残留量平均分别占其总无机氮残留量的68.65%、72.49%、73.37%和76.07%，说明土壤中的无机氮主要以NO3--N 的形式存在，且施氮量越高，NO3--N 残留量的比例越大。

图5 施氮量对冬小麦收获后土壤无机氮残留量的影响Fig.5 Effects of nitrogen application rate on Soil inorganic nitrogen residue of soil layer after winter wheat harvest

2.3.2 周年施氮量对夏大豆收获后土壤无机氮残留的影响 由图6 可知，两年中在大豆季各施氮处理下，0～100 cm 土层土壤总无机氮残留量均随前茬麦季施氮量的增加而增加，且土壤NO3--N 残留量远大于NH4＋-N 残留量。且大豆季土壤总无机氮残留量整体随着麦季、大豆季施氮量的增高均呈增加趋势，并于N3S2 达到最大值，两年平均为258.36 kg·hm-2。表明前茬麦季施氮量对夏大豆收获后土壤无机氮具有残留效应，前茬施氮量越高，残留量越大，加之复播作物又增加了施肥次数，致使多熟种植体制的周年总施氮量增加，更容易引起因化肥过量而导致土壤潜在的污染问题。

2.4 周年施氮对冬小麦、夏大豆产量及周年总产量的影响

施氮量不仅影响土壤无机氮含量的变化，也对作物的产量有明显影响。由表2 可知，各处理冬小麦产量随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，并在N2达到最大值，两年平均为7 828.64 kg·hm-2，分别较N0、N1、N3 增加35.45%、16.77%、6.26%。

由表2 可知，在夏大豆季不施氮条件下，夏大豆产量随着麦季施氮量的增加而不断上升，产量最高的N3S0 较N0S0、N1S0、N2S0 平均依次增加37.00%、26.51%和10.47%，而周年总产量随着麦季施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，在N2S0 达到最高，较N0S0、N1S0、N2S0 平均依次增加了32.46%、16.21%和1.92%。进一步分析在麦季不施氮条件下，大豆季不同施氮水平对夏大豆产量及周年总产量的影响可知，夏大豆产量及周年总产量的两年均值均随着大豆季施氮量的增加均表现为不断上升的趋势，至S2 达到最大值，其中，夏大豆产量平均分别较S0、S1 增加24.41%、5.20%，周年总产量平均分别增加6.38%和1.53%。由双因素方差分析可知，前茬麦季与后茬大豆季施氮量之间的交互作用对夏大豆产量及周年产量均有显著影响(P＜0.01)，可见，夏大豆产量及周年总产量受前茬小麦和当季大豆施氮量的共同影响。

表2 周年施氮对麦-豆产量及周年总产量的影响Table 2 Effect of annual nitrogen application on wheat-bean yield and annual total yield

图6 周年施氮对夏大豆收获后土壤无机氮残留的影响Fig.6 Effects of nitrogen application rate in winter wheat-summer soybean system on soil inorganic nitrogen residue of soil layer after summer soybean harvest

进一步分析，在麦季不同施氮水平下，由大豆季施氮量对产量的影响可知，麦季不施氮时，夏大豆施氮可增加产量，其中N0S2 两年平均产量最高；而在麦季低(N1)、中氮(N2)条件下，夏大豆产量总体随着当季施氮量增加呈先增加后降低的趋势，其中N2S1 两年大豆平均产量最高，为2 988.93 kg·hm-2；而在麦季高氮(N3)条件下，大豆季增施氮肥导致产量降低。两年周年总产量表现为在麦季不施(N0)或低氮(N1)水平下，大豆季增施氮肥有利于周年总产量的增加，但各处理间差异基本不显著；麦季N2 条件下，周年总产量随着大豆季施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，并于N2S1 达到最高；而麦季N3 条件下，大豆季增施氮肥均会导致周年总产量的降低。说明周年施氮量过高或过低组合均不利于作物产量及周年总产量的增加。因此，综合两季作物不同施氮组合下周年产量的影响得出，在麦季施氮173 kg·hm-2(N2)，大豆季施氮69 kg·hm-2(S1)时，周年总产量平均达到最高，为10 817.50 kg·hm-2。

3 讨论

土壤中的无机氮可供作物直接吸收利用，尤其在旱地土壤中，无机氮以NO3--N 为主且变化较大，其丰缺程度可反映土壤供氮水平的情况[20]。适宜的土壤供氮量是保障作物生长的关键，若土壤中的氮素超过作物对氮素吸收利用，将增加土壤氮素损失风险[21]。有研究认为，土壤中的NO3--N 含量与施氮量直接相关，且土壤NO3--N 含量随施氮量的增加而提高，长期大量施氮会造成NO3--N 的积累并向下层快速移动[22-23]。赵靓等[16]研究认为，土壤NO3--N 主要残留在0～60 cm 土层，其残留量与施氮量呈指数关系，施氮量高于225 kg·hm-2时，土壤NO3--N 残留量迅速增加；而NH4＋-N 含量受施氮量影响较小，主要残留在0～20 cm 土层，其残留量与施氮量呈线性关系。本研究结果与之相似，麦季氮素具有显著的后效作用，前茬麦季施氮能显著增加冬小麦收获后0 ～100 cm 土层土壤NO3--N 及NH4＋-N 含量，而在前茬麦季的基础上大豆季再施氮进一步增加了土壤NO3--N 及NH4＋-N 含量；麦季及大豆季无机氮的残留量也均随着施氮量的增加而增加，并且施氮量越大无机氮的残留量越高。而有些研究认为，过量施氮可使土壤NO3--N 在土层更深处积累[24-26]，这与本研究的结果不同，本研究结果表明，施氮主要影响0～60 cm 土层的土壤无机氮含量，并于20～40 cm 土层深度达到最大值，这可能与本试验是滴灌条件有关。有研究证实土壤剖面中NO3--N 的分布特征在一定程度上能表征地下水NO3--N 污染的水平[27]，而且土壤水分特征和溶质运移深度有直接关系，土壤灌水量增加，硝态氮的淋洗量和迁移深度均显著增加，盈余的NO3--N 向地下水渗透[28-30]，而本试验在滴灌条件下较普通漫灌条件下灌水量少，土层越深水分下渗越少，导致较少的无机氮向深层土壤中运移，也大大降低了无机氮向深层积累淋溶的风险。在冬小麦-夏大豆周年轮作体系中，一年多熟制意味着农田周年氮肥投入量增加，同时其土壤中无机氮的残留也会随之增加，而对于本身具有固氮作用的大豆来说，氮肥的过量施入不仅会加大无机氮的残留，可能还会影响夏大豆自身的固氮能力及固氮量，造成氮肥利用率过低、肥料浪费等问题。因此，在对一年两季作物施肥问题上，要充分考虑前茬土壤氮素对后茬作物土壤氮素的累积效应，以降低对土壤环境的污染，避免氮肥的浪费及损失。

氮肥在农业生产中对作物产量有明显影响。大量研究表明，作物产量随着施氮量的增加呈先升高后降低的趋势[31-33]。王佳锐等[34]研究表明，大豆能充分利用前作小麦的施氮后效，前茬小麦施氮量为120 kg·hm-2时，大豆产量可达到最高。山楠[35]对小麦-玉米周年生产的研究发现，每季作物施用量均为150 kg·hm-2时可以获得最高周年产量，但若继续增加施氮量作物产量将不再增加。本研究结果与之相似，前茬麦季施氮有利于当季作物产量的提高，当前茬麦季施氮水平越低，夏大豆当季再施氮增产作用越明显，但施氮过高均会使产量降低。本研究结果表明，当前茬麦季施氮量为173 kg·hm-2，大豆季施氮量为69 kg·hm-2时，能够促进冬小麦及夏大豆产量的提高，同时两季作物周年产量达到最高，为10 817.50 kg·hm-2。说明无论是单季作物还是一年两熟作物，适宜的施氮量能使作物最大程度地实现对土壤无机氮的吸收利用，且均会有一定的施氮量阈值能够保证产量的最大化，超过施氮量阈值对产量均无促进作用，其在具有固氮特性的麦后复播大豆上同样适用。

4 结论

本研究结果表明，在冬小麦-夏大豆轮作体系下，施氮主要影响冬小麦和夏大豆0 ～60 cm 土层土壤无机氮含量，且麦季施氮量越高，当季土壤无机氮含量及残留量也越高；冬小麦施氮对夏大豆土壤具有氮肥残留效应，麦季施氮量越高，土壤氮素残留量越高，且大豆季进一步施氮加剧了无机氮的残留。由于冬小麦与夏大豆施氮量的交互作用对夏大豆产量及周年总产量具有显著影响，因此适宜的周年施氮量组合有利于两季作物产量的增加，施氮量过高或过低反而使麦豆产量及周年总产量下降。综合考虑，当麦季施氮量为173 kg·hm-2，夏大豆当季施氮量为69 kg·hm-2时，即可满足冬小麦、夏大豆对土壤氮素的需求并有利于作物产量的提高。本研究对一年两季作物施氮问题尤其是具有固氮特性的夏大豆进行了土壤氮素含量及残留量的初步研究，但有关夏大豆本身的固氮水平及其对土壤氮素及大豆产量的影响还有待进一步深入研究。