长期不同施肥措施冬小麦-夏玉米轮作体系周年氨挥发损失的差异

2022-02-02伊英杰韩坤赵斌刘国利林佃旭陈国强任昊张吉旺任佰朝刘鹏

中国农业科学 2022年23期

伊英杰，韩坤，赵斌，刘国利，林佃旭，陈国强，任昊，张吉旺，任佰朝，刘鹏

伊英杰1，韩坤1，赵斌1，刘国利2，林佃旭2，陈国强2，任昊1，张吉旺1，任佰朝1，刘鹏1

1山东农业大学农学院/作物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2无棣县小泊头镇农业综合服务中心，山东无棣 251911

【目的】基于定位试验平台，比较长期不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系周年土壤氮素氨挥发损失的差异，为降低氨挥发损失、提高氮肥利用率提供理论依据。【方法】2019—2021年，依托山东农业大学黄淮海玉米技术创新中心定位试验平台，以冬小麦品种石麦15和夏玉米品种郑单958为试验材料，以不施氮肥为对照（CK），采用有机肥（腐熟牛粪M）和无机氮肥（U）两种氮肥类型，设置两个施氮量分别为380 kgN·hm-2（M1、U1、U2M2）和190 kgN·hm-2（U2、M2），试验共计6个处理，其中氮肥在两季作物间的分配是小麦47.4%、玉米52.6%。采用通气法比较各处理土壤氨挥发速率、累积损失量、籽粒产量及氮肥利用效率的差异。【结果】两个种植周期内不同施肥处理均显著影响土壤氨挥发。各处理施肥后氨挥发损失速率变化趋势基本一致，小麦和玉米两季的土壤氨挥发均主要发生在施肥后0—7 d，之后处理间的差异逐渐变小。小麦玉米轮作体系周年氨挥发损失量可达8.6—79.4 kgN·hm-2，以U1处理最高，达到79.4 kgN·hm-2，其氨挥发损失量较U2、U2M2、M1、M2和CK分别增加18.5%、111.7%、162.3%、20.5%和825.7%，表明高施氮量增加土壤氨挥发损失量，无机氮肥较有机肥增加氨挥发损失量。U2M2、M1和M2处理的氨挥发损失率比U1处理降低80.9%、61.3%、24.8%，表明有机氮肥与无机氮肥配施或单施有机氮肥可显著降低氨挥发损失。周年籽粒产量以U2M2处理最高，达到24 621.8 kg·hm-2，较U1、U2、M1、M2分别增产10.1%、24.7%、11.7%和32.7%。U2M2处理周年氮肥利用率达52.6%，较U1、U2、M1和M2处理分别提高11.3%、4.1%、13.4%和10.7%。U2M2处理降低了氨挥发损失、同步提高了产量和氮肥利用率，是冬小麦玉米周年轮作的理想施肥策略。【结论】施用有机肥可以显著降低小麦玉米轮作体系的周年氨挥发损失量，提高周年籽粒产量和氮肥利用效率。考虑到有机肥源及施用便捷性可将有机无机配施作为当前小麦玉米轮作生产体系降低氨挥发损失、提高氮肥利用效率的主要施肥方式。

有机肥；无机氮肥；冬小麦-夏玉米轮作体系；周年；氨挥发

0 引言

【研究意义】小麦、玉米是我国重要的粮食作物。黄淮海地区冬小麦、夏玉米播种面积分别占全国播种面积的38%和28%，总产量分别占全国的50%和30%左右，对保障国家粮食安全具有重要意义[1-2]。当前，黄淮海小麦玉米轮作体系的主要增产措施是增加肥料施用量，小麦季和玉米季氮肥投入量分别达到300和250—350 kg·hm-2，远远超过作物需求量[3]，不仅导致大量氮素通过挥发、径流、渗漏等途径损失掉，氮肥利用效率仅有29.1%—39.0%，而且加重了面源污染[4-5]。其中，氨挥发是土壤氮损失的重要途径之一[6]。农田生态系统氨挥发损失约占施氮量的15%[7-9]，氨挥发损失率可达22%—32%[10]。氨挥发后形成的细微颗粒物，可以通过大气干湿沉淀引起水体富营养化，作为第二污染源再次破坏环境[11-13]。如何减少氨挥发损失，提高氮肥料利用率，促进小麦玉米的可持续发展，是亟需解决的关键问题。【前人研究进展】前人研究表明氨挥发量因肥料类型和用量而异。施用尿素可增加农田氨挥发损失[14]，施用有机肥可降低氨挥发损失[15]。氨挥发损失量随施氮量的增加而增加，通过优化施肥（当地最高产量配方施肥）可使氨挥发损失量减少0.9—4.9 kg·hm-2[7]。同时，氨挥发损失也受作物类型影响，玉米季氨挥发量远高于小麦季，氨挥发量为20.4 kg·hm-2，损失率为6.2%；小麦季氨挥发量为12.0 kg·hm-2，损失率为3.8%[16-17]。冬小麦夏大豆周年氨挥发损失总量可达到22.2—48.5 kg·hm-2，相当于周年施氮量的6.9%—8.1%[18]。【本研究切入点】前人针对小麦或玉米单季作物不同施肥处理对氨挥发损失进行了大量的研究，研究表明小麦季氨挥发损失量为45.1 kg·hm-2，玉米季氨挥发损失量为80.1 kg·hm-2[19]；与单施化肥相比，50%的猪粪替代化肥，可以减少玉米季氨挥发量的52.9%[20]，有机无机配施或平衡施用肥料可显著降低小麦季氨挥发损失[21-22]。但上述研究大多基于短期试验，相对于长期定位试验平台对氨挥发损失的研究相对较少。有机肥施入土壤腐殖质化后会发生一系列生物过程，对氮素转化利用产生显著影响[23]，因此有必要基于定位试验平台研究长期不同施肥处理下小麦-玉米轮作体系氨挥发周年损失的差异。【拟解决的关键问题】本研究通过定位试验平台，比较长期不同氮肥类型及用量下小麦玉米周年生产系统氨挥发损失量的差异，为优化肥料施用、提高小麦玉米周年生产系统的氮肥利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2021年在山东农业大学黄淮海玉米技术创新中心大型水肥渗漏研究池（36°09′N，117°09′E）进行。试验平台位于山东省中部，年平均气温、降雨量分别为12.8℃和702 mm，无霜期195 d。种植制度是冬小麦-夏玉米轮作一年两熟生产。

该长期定位试验平台始于2009年，每个小区为独立单元的水肥渗漏池，池子的长度、宽度和深度分别为2.5 m、2.5 m和2.0 m，所用土壤取自附近的农田，按每10.0 cm挖取一层，逆序回填入各个渗漏池。每年根据长期统一的试验设计进行水肥管理，2019年小麦播种前0—20 cm土层土壤化学性质如表1所示。

表1 2019—2021年小麦播种前0—20 cm土层土壤化学性质

U1：高施氮量单施尿素；U2：低施氮量单施尿素；M1：高施氮量单施有机肥；M2：低施氮量单施有机肥；U2M2：有机肥和尿素1﹕1配施；CK：不施肥对照。同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同

U1: single application of urea at high nitrogen application rate; U2: single application of urea at low nitrogen application rate; M1: single application of organic fertilizer at high nitrogen application rate; M2: single application of organic fertilizer at low nitrogen application rate; U2M2: organic fertilizer and urea 1﹕1 combined application; CK: control without fertilization. Different letters within the same column are significantly different at 0.05 level. The same as below

1.2 试验设计

试验材料为小麦品种石麦15和玉米品种郑单958。试验以不施氮肥为对照（CK），采用有机肥（腐熟牛粪M）和无机氮肥（U）两种氮肥类型，设置两个施氮量分别为380 kg N·hm-2（M1、U1、U2M2）和190 kg N·hm-2（U2、M2），试验共计6个处理，其中氮肥在两季作物间的分配是小麦47.4%、玉米52.6%。各处理磷、钾素施用量相同，有机肥中磷钾含量不足部分用磷、钾肥补足，超过磷钾水平的以有机肥中的具体供应量为准。磷肥采用过磷酸钙（含P2O5量为12%），钾肥为硫酸钾（含K2O量为50%）。将有机肥、50%的尿素和全部磷、钾肥（养分含量和用量见表2和表3）作为基肥于播种前一次性撒施后深翻入土；剩余50%的尿素作追肥于小麦季拔节期和玉米季大喇叭口期施入。小麦季于播种期、越冬期、拔节期、开花期和灌浆期灌水；玉米季于播种期、拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期、开花期、灌浆期和乳熟期灌水，每个生育时期内等量灌溉。

表2 2019—2021年有机肥料含水量及养分含量

表3 2019—2021年各处理养分用量

冬小麦种植密度为180万基本苗/hm2，夏玉米种植密度为52 500株/hm2。冬小麦和夏玉米播种日期分别是2019年10月8日和2020年6月5日，2020年10月7日和2021年6月6日；收获日期分别是2020年5月28日和2020年9月20日，2021年5月31日和2021年9月18日。小麦玉米生长期的降水、气温和日照时数见图1。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤样品测定冬小麦播种前用直径5 cm的土钻，在每个渗漏池中采用对角线法采集5个点0—20 cm的土壤样品以测定基础地力。用干燥法测定土壤含水量，用pH计测定pH。土壤养分含量的测定参考鲍士旦主编的《土壤农化分析》[24]。

1.3.2 土壤氨挥发测定采用通气法测定土壤挥发的氨气[25]。施肥后把氨挥发装置放置于每个池子的中间和两侧位置，一个池子放置3个塑料管，24 h后取出塑料管内的下层海绵，分别装入1 000 mL塑料瓶中，加入500 mL的1 mol·L-1KCl 溶液，振荡1 h后用普通定性滤纸过滤，过滤后放入10 mL离心管中，然后测定铵态氮含量。施肥后的第1周每天采样1次；第2—3周每隔2—3 d采样1次，之后采样间隔延长到7 d，直到监测不到氨挥发为止。

氨挥发计算公式：NH3-N (kg N·hm-2·d-1)=[M/(A×D)]×10-2，式中，M为通气法单个装置平均每次测定的氨量（NH3-N，mg）；A为捕获装置的截面积（m）；D为每次测定的捕获时间（d）；

氨挥发积累量计算公式：氨挥发累积量=Σ（氨挥发率×每次收集的时间）；

氨挥发损失率计算公式：氨挥发损失率=（施肥处理氨的累积量-不施肥处理氨的累积量）/施氮量×100%。

1.3.3 干物质积累与分配于成熟期（R6）取样，小麦季分为茎秆（含穗轴）、叶片（含颖壳）和籽粒三部分；玉米季分为茎秆（含雄穗）、叶片（含苞叶）、穗轴和籽粒四部分。取样后的样品经105℃杀青30 min后，在80℃烘箱内烘干，称量各部分干物质重量，粉碎后过100目筛保存，用于测定植株全氮含量。

1.3.4 产量及产量构成因素各处理于成熟期收获测产，小麦季收获每个小区中部1 m2，同时选取长势均匀一致、有代表性的30个单茎，进行考种。玉米季的各小区收获中间3行，选取30个果穗测定穗数、穗粒数和所取籽粒样品的千粒重，计算籽粒产量。

图1 小麦玉米生育期间降水量、气温和日照时数

1.3.5 氮素相关指标成熟期各器官干物质分配比例（%）=成熟期器官干物质积累量/成熟期全株干物质积累量；

氮肥收获指数（NHI）=籽粒氮积累总量/植株氮素积累总量；

周年氮素收获指数=小麦季氮肥收获指数×47.4%+玉米季氮肥收获指数×52.6%；

氮肥利用效率（NUE）=（施氮区植株地上部吸氮量-不施氮区植株地上部吸氮量）/施氮量×100%；

周年氮肥利用率=小麦季氮肥利用效率×47.4%+玉米季氮肥利用效率×52.6%。

1.4 数据处理和统计分析

数据采用Excel 2010和SPSS Statistics 19数据处理系统进行统计分析和差异显著性检验，并用Sigmaplot 12.5作图。

2 结果

2.1 不同施肥措施的土壤氨挥发速率

由图2可知，冬小麦和夏玉米季施肥后不同处理间的氨挥发速率存在显著差异。其中，施用基肥后冬小麦季氨挥发速率快速增加，之后随时间的延长呈现缓慢降低的趋势；夏玉米季氨挥发速率呈现先升高后缓慢下降的趋势。施用基肥后7 d之内氨挥发速率差异显著，7 d之后差异逐渐缩小。全部施用有机肥的M1和M2处理施用基肥25 d后氨挥发速率维持在较低水平，与CK间无显著差异。两年均以U1处理氨挥发速率最高，第1年冬小麦和夏玉米季最大氨挥发速率分别为2.9、3.1 kg·hm-2·d-1；第2年冬小麦和夏玉米季最大氨挥发速率分别为2.7、3.2 kg·hm-2·d-1。

与施用基肥后的氨挥发规律不同，两年内小麦和玉米均在追肥当天氨挥发速率最高，之后呈现逐步降低并趋于平缓的趋势。其中U1处理追肥后氨挥发速率最高，第1年冬小麦和夏玉米季最大挥发速率分别为2.2、3.8 kg·hm-2·d-1；第2年冬小麦和夏玉米季最大挥发速率分别为2.9、4.2 kg·hm-2·d-1，夏玉米季氨挥发速率显著高于小麦季。追肥后，两年内各施肥处理间氨挥发速率均表现为：U1＞U2＞U2M2＞M1＞M2＞CK，有机肥或有机无机配施可以有效降低氨挥发速率。

A：2019年冬小麦施用基肥；B：2020年冬小麦追肥；C：2020年夏玉米施用基肥；D：2020年夏玉米追肥；E：2020年冬小麦施用基肥；F：2021年冬小麦追肥；G：2021年夏玉米施用基肥；H：2021年夏玉米追肥

2.2 不同施肥措施的累积氨挥发量和氨挥发损失率

各处理的冬小麦和夏玉米累积氨挥发量变化规律两个年度基本一致（表4）。U1处理累积氨挥发损失最高，冬小麦季施用基肥后，U1处理氨挥发损失量为15.9 kg N·hm-2，较M1、M2的累积氨挥发量分别增加7.3%—26.5%。追肥后，U1、U2和U2M2处理累积氨挥发量分别为14.9、13.4和12.3 kg N·hm-2，U1、U2处理累积氨挥发量是U2M2处理的1.2和1.1倍。玉米季施用基肥后，与冬小麦季类似，同样以U1处理氨挥发损失量最高，为22.6 kg N·hm-2。追肥后U1、U2和U2M2处理累积量分别为26.1、22.1和19.6 kg N·hm-2，U1、U2处理氨挥发累积量是U2M2处理的1.3和1.1倍。

冬小麦季施用基肥后，U2处理的氨挥发损失率高达21.6%，是M1、M2和U2M2处理的3.4、2.3和2.9倍；追肥后U2处理较U2M2处理同样表现出较高的氨挥发损失率，U2处理氨的挥发损失率是U2M2处理的1.1倍。施用基肥后夏玉米季同样为U2处理氨的挥发损失率最高，其损失率为30.4%，是M1、M2和U2M2处理的3.6、2.3和2.7倍；追肥后，U1和U2处理氨挥发损失率进一步加剧，U2处理氨挥发损失率是U2M2处理的1.1倍。

年份和处理对周年土壤氨挥发影响显著，小麦玉米轮作周年生产体系内不同施肥处理的氨挥发损失量均呈现U1＞U2＞U2M2＞M1＞M2＞CK的趋势，变化范围为8.6—79.4 kg N·hm-2，以U1处理氨挥发损失量最高，达到79.4 kg N·hm-2，较U2M2、M1、M2处理和CK分别增加20.5%、111.7%、162.3%和825.7%。氮肥损失率则表现为U2＞U1＞U2M2＞M2＞M1＞CK的趋势，范围是7.6%—30.8%（表4）。从周年生产体系看，M1、M2和U2M2处理氨挥发损失率整体低于U1、U2处理，U1处理周年氨挥发损失率为18.6%，是M1、M2和U2M2处理的2.4、1.6和1.2倍，U2处理周年氨挥发损失率最高为30.8%，是M1、M2和U2M2处理的4.0、2.7和2.0倍。小麦玉米两季的结果均表明施用基肥后的氨挥发降损潜力要大于追肥后的，玉米季的降损潜力大于小麦季。

2.3 不同施肥措施对周年干物质积累与籽粒产量的影响

不同施肥处理显著影响周年成熟期植株不同器官干物质积累量及分配比例（表5）。周年内籽粒干物质积累量均以U2M2处理最高，U2M2、U1和M1处理籽粒干物质积累量分别较CK提高76.8%—416.4%、91.1%—382.4%和104.5%—513.1%。U2M2和M1处理籽粒干物质积累量较U1处理增加6.0%—18.7%和8.1%—34.9%。有机无机配施或单施有机肥处理较单施尿素处理和不施肥处理显著增加干物质积累，尤其是提高籽粒干物质积累量效果更显著。

两年数据表明，施用氮肥较不施氮肥可显著提高周年籽粒产量（表6）。两个年度内籽粒产量均以U2M2处理最高，分别为23 940.03和25 303.64 kg·hm-2。第1年U2M2处理产量分别较U1、U2、M1和M2处理提高11.8%、26.3%、13.2%和35.1%；第2年U2M2处理产量分别较U1、U2、M1和M2处理提高8.6%、23.2%、10.3%和30.5%。从周年生产体系的平均籽粒产量看，U1、U2、M1、M2和U2M2处理产量分别较CK提高78.8%、57.8%、76.2%、48.3%和96.8%。高施氮量与低施氮量相比周年籽粒产量更高。从产量构成因素看，U1、M1和U2M2处理均有较高的穗数和穗粒数，而千粒重差异不显著，施用有机肥和有机无机配施处理均可显著增加周年产量。

2.4 不同施肥措施对周年氮肥利用率的影响

施用氮肥可以显著提高籽粒吸氮量和地上部总吸氮量（表7）。两个周年平均来看，与CK相比，施用氮肥后小麦季和玉米季的籽粒吸氮量分别增加67.0—146.2 kg·hm-2、38.3—112.3 kg·hm-2；地上部总吸氮量分别增加66.6%—81.8%、40.3%—65.0%。两个年度内U2M2处理籽粒吸氮量较U1、U2、M1和M2处理分别提高19.0%、56.5%、19.6%和71.7%；地上部总吸氮量较U1、U2、M1和M2处理分别提高18.5%、62.8%、22.6%和75.4%。U1、M1处理籽粒吸氮量和地上部总吸氮量显著高于U2、M2处理。两个年度体系内氮素收获指数均表现为CK＞U2＞M1＞M2＞U1＞U2M2，各施肥处理间差异不显著。周年平均肥料利用率以U2M2处理最高，达52.6%，较U1、U2、M1和M2处理分别增加11.3%、4.1%、13.4%和10.7%。综上，施用有机肥或有机无机配施可显著增加小麦和玉米对氮素的吸收和利用，提高氮肥利用效率。

表4 不同施肥处理土壤氨挥发累积量、损失率及其占施氮量的百分比

**和***分别表示在0.01和0.001水平上差异显著

** and *** represent significant differences at 0.01 and 0.001 levels respectively

表5 不同施肥处理不同器官干物质积累量及其比例

表6 不同施肥措施对小麦、玉米产量的影响

3 讨论

3.1 长期不同施肥措施对周年氨挥发的影响

氨挥发是氮损失的主要途径，其影响因素主要有肥料类型[26]和施氮量[27]。在本研究中，施用基肥后，高施氮量单施尿素（U1）、有机肥（M1）和有机无机配施处理（U2M2）氨挥发速率相继达到峰值。主要是由于施用的尿素会迅速在土壤中水解为NH4+，NH4+浓度的增加促进了氨排放[28]；有机无机配施促进了微生物活动，促进氨的挥发速率[29]。氨挥发持续在施肥后1周左右[30]，之后氨挥发变化趋势不明显[31-33]。有机肥和尿素1﹕1配施（U2M2）较高施氮量单施尿素（U1）的氨挥发速率低，可能是由于有机肥与化肥配施使土壤微生物数量整体呈上升趋势，有利于铵态氮向硝态氮转化，NH4+浓度降低，从而降低氨挥发量[31]，加速氮肥在土壤中的吸收利用。氮施用量与氨的挥发量呈正相关关系[34]，一般来说，随着氮施用量的增加，土壤氨的挥发率增加[35]。氮用量不同，氨挥发损失量随着施氮量的增加而显著上升[36]。本试验中，随着施氮量的增加，不同施肥处理中氨挥发累积损失量增大，损失率减少。两个周年体系内氨挥发损失在施用氮量相同的条件下（U1和U2），施用基肥后其损失量低于追肥期，氮肥利用效率更高[37]；夏玉米季氨挥发损失量高于冬小麦季，占氨挥发总量的58%—62%。因此，施用基肥的氨挥发降损潜力要大于追肥，玉米季的降损潜力大于小麦季。

3.2 长期不同施肥措施对周年籽粒产量的影响

合理施肥可以通过提高植株籽粒干物质积累量进而增加籽粒产量，有机无机肥料配施或单施有机肥对提高氮肥吸收利用、增加作物产量具有重要意义[38]。有机肥作为基肥施用时，有利于构建合理的小麦群体结构，提高小麦群体发育质量，增加植株干物质积累量。氮肥施用量增加，小麦籽粒产量、成熟期干物质积累量均呈增加的趋势；同时随施氮量的增加单位面积穗数增加更显著，而千粒重变化不明显[39]。化肥与牛粪配施可提高玉米产量21.1%，增加籽粒产量幅度达1.9%—46.4%[40-41]。根据本研究的结果，小麦玉米周年轮作体系内植株干物质积累量均以U2M2处理最高，比其他处理干物质积累量提高幅度为11.4%—149.5%。同时有机无机配施显著提高了周年作物籽粒产量，不同施肥措施间以有机无机配施产量最高，有机无机配施较单施尿素、有机肥和不施肥处理分别增产8.6%—26.3%、10.3%—35.1%和96.8%。这是由于有机无机配施可以促进土壤中微生物的活动，更好地调节土壤氮素的释放，改善土壤供氮能力，延缓小麦玉米器官衰老，使粒重增加[42-43]，因此有机无机配施产量最高。此外，本研究中2021年不同施肥处理间周年籽粒产量更高，可能是由于小麦和玉米生育期间降水量大，气温较为适宜，更有利于作物生长，从而进一步提高籽粒产量。

3.3 长期不同施肥措施对周年氮肥利用率的影响

有机无机配施明显提高氮肥利用率（34.9%），高于化肥处理（33.2%）和有机肥处理（28%）[44-45]。本研究中，尿素与牛粪配施提高了周年氮的利用率，与单施无机肥料相比，尿素与牛粪配施的氮肥利用率较单施无机肥料提高了4.1%—11.3%。主要由于有机肥和化肥的配合，增加土壤微生物数量，增强土壤酶活性，更有利于有机肥矿化和化肥水解，从而提高氮肥利用效率[46]。同时，施用氮肥可以显著提高籽粒吸氮量和地上部总吸氮量，与单施尿素相比，有机氮肥和无机氮肥配施或单施有机氮肥的提高效果更为显著，分别增加19.0%—71.7%和18.5%—75.4%。主要原因是有机无机配施或单施有机肥料增加了表层土壤氮素养分含量，降低了田间氨挥发损失，增强了周年作物对氮肥的吸收能力，籽粒氮素积累量的增加促进了氮肥利用效率的提高。氨挥发是黄淮海地区主要的氮损失方式之一，减少氨挥发损失是提高氮肥料利用效率的有效方法之一。通过进一步对氮素在小麦和玉米两季作物间的统筹分配以降低氨挥发损失进行深入研究，为提高氮肥利用效率提供理论依据。

4 结论

通过长期定位试验，在小麦玉米生育周期内，总施氮量分别为180 kg N·hm-2和200 kg N·hm-2条件下，各处理间土壤氨挥发损失较大，土壤氨挥发损失率可达7.6%—30.6%，是黄淮海区域小麦-玉米轮作田土壤氮素损失最主要的方式之一。有机氮肥和无机氮肥1﹕1配施或者单施有机氮肥可以明显增加周年籽粒产量和氮肥利用效率，显著降低氨挥发损失。在本试验条件下，综合考虑冬小麦和夏玉米周年高产和氮肥的高效利用，尿素和有机肥料1﹕1配施或者单施有机肥料可以作为有效提高氮肥利用效率的施肥方式。

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The Comparison of Ammonia Volatilization Loss in Winter Wheat- Summer Maize Rotation System with Long-Term Different Fertilization Measures

YI Yingjie1, HAN Kun1, ZHAO Bin1, LIU Guoli2, LIN Dianxu2, CHEN Guoqiang2, REN Hao1, ZHANG Jiwang1, REN Baizhao1, LIU Peng1

1College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Science, Taian 271018, Shandong;2Comprehensive Agricultural Service Center of Xiaobotou Town, Wudi County, Wudi 251911, Shandong

【Objective】Based on a long-term positioning test platform, the differences of annual ammonia volatilization loss of soil nitrogen in wheat-maize rotation system under different fertilization treatments were compared, aimed to provide a theoretical basis for reducing nitrogen volatilization loss and improving fertilizer use efficiency.【Method】From 2019 to 2021, the winter wheat variety Shimai 15 and summer maize variety Zhengdan 958 were used as experimental materials in this study. With no nitrogen fertilizer applied as the control (CK), the two kinds of nitrogen fertilizer types (organic manure: M; urea: U) and two N application rates (380 kgN·hm-2: M1, U1, U2M2, and 190 kgN·hm-2: U2, M2) were set, and the distribution of N fertilizer between two crops was 47.4% for wheat and 52.6% for maize. The venting method was used to compare the differences in annual ammonia volatilization rate, cumulative loss, grain yield, and nitrogen use efficiency in a wheat-maize rotation system under different fertilization treatments.【Result】Different fertilization treatments significantly affected soil ammonia volatilization in the two growing seasons. The soil ammonia volatilization mainly occurred 0-7 days after fertilization during the annual year in the wheat and maize crops, and the difference between the treatments gradually became smaller. The annual ammonia volatilization loss ranged from 8.6 to 79.4 kgN·hm-2. The highest ammonia volatilization loss was 79.4 kgN·hm-2under U1 treatment, which was 18.5%, 111.7%, 162.3%, 20.5%, and 825.7% higher than that under U2, U2M2, M1, M2, and CK, respectively. The high nitrogen application rate increased soil ammonia volatilization loss, and the loss of inorganic nitrogen fertilizers was greater than that of organic fertilizers. The annual nitrogen fertilizer ammonia volatilization loss rate under U2M2, M1, and M2 treatment was 80.9%, 40.8%, and 61.3% lower than that under U1, respectively. It was indicated that the organic and inorganic fertilizers combined application or single organic fertilizers application could significantly reduce ammonia volatilization losses. The annual grain yield under U2M2 treatment was the highest, which was 24 621.8 kg·hm-2, and was 10.1%, 24.7%, 11.7%, and 32.7% higher than that under U1, U2, M1, and M2, respectively. The annual nitrogen utilization efficiency under U2M2 treatment was 52.6%, which was 11.3%, 4.1%, 13.4%, and 10.7% higher than that under U1, U2, M1, and M2, respectively. U2M2 treatment reduced the ammonia volatilization loss and simultaneously increased the grain yield and nitrogen use efficiency, which was an ideal fertilization strategy for the annual rotation of winter wheat and maize.【Conclusion】The application of organic fertilizer could significantly reduce the annual ammonia volatilization loss of the wheat-maize rotation system, and increase the annual grain yield and nitrogen fertilizer use efficiency. Considering the source of organic fertilizer and the convenience of application, the organic and inorganic fertilizers combined application could be used as the main fertilization method to reduce the loss of ammonia volatilization and to improve the efficiency of nitrogen fertilizer use efficiency in wheat-maize rotation production system.

organic fertilizer; inorganic nitrogen fertilizer; winter wheat-summer maize rotation system; annual; ammonia volatilization