伊英杰，韓坤，趙斌，劉國利，林佃旭，陳國強(qiáng)，任昊，張吉旺，任佰朝，劉鵬

長(zhǎng)期不同施肥措施冬小麥-夏玉米輪作體系周年氨揮發(fā)損失的差異

伊英杰1，韓坤1，趙斌1，劉國利2，林佃旭2，陳國強(qiáng)2，任昊1，張吉旺1，任佰朝1，劉鵬1

1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2無棣縣小泊頭鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東無棣 251911

【目的】基于定位試驗(yàn)平臺(tái)，比較長(zhǎng)期不同施肥處理下小麥-玉米輪作體系周年土壤氮素氨揮發(fā)損失的差異，為降低氨揮發(fā)損失、提高氮肥利用率提供理論依據(jù)?！痉椒ā?019—2021年，依托山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黃淮海玉米技術(shù)創(chuàng)新中心定位試驗(yàn)平臺(tái)，以冬小麥品種石麥15和夏玉米品種鄭單958為試驗(yàn)材料，以不施氮肥為對(duì)照（CK），采用有機(jī)肥（腐熟牛糞M）和無機(jī)氮肥（U）兩種氮肥類型，設(shè)置兩個(gè)施氮量分別為380 kgN·hm-2（M1、U1、U2M2）和190 kgN·hm-2（U2、M2），試驗(yàn)共計(jì)6個(gè)處理，其中氮肥在兩季作物間的分配是小麥47.4%、玉米52.6%。采用通氣法比較各處理土壤氨揮發(fā)速率、累積損失量、籽粒產(chǎn)量及氮肥利用效率的差異?！窘Y(jié)果】?jī)蓚€(gè)種植周期內(nèi)不同施肥處理均顯著影響土壤氨揮發(fā)。各處理施肥后氨揮發(fā)損失速率變化趨勢(shì)基本一致，小麥和玉米兩季的土壤氨揮發(fā)均主要發(fā)生在施肥后0—7 d，之后處理間的差異逐漸變小。小麥玉米輪作體系周年氨揮發(fā)損失量可達(dá)8.6—79.4 kgN·hm-2，以U1處理最高，達(dá)到79.4 kgN·hm-2，其氨揮發(fā)損失量較U2、U2M2、M1、M2和CK分別增加18.5%、111.7%、162.3%、20.5%和825.7%，表明高施氮量增加土壤氨揮發(fā)損失量，無機(jī)氮肥較有機(jī)肥增加氨揮發(fā)損失量。U2M2、M1和M2處理的氨揮發(fā)損失率比U1處理降低80.9%、61.3%、24.8%，表明有機(jī)氮肥與無機(jī)氮肥配施或單施有機(jī)氮肥可顯著降低氨揮發(fā)損失。周年籽粒產(chǎn)量以U2M2處理最高，達(dá)到24 621.8 kg·hm-2，較U1、U2、M1、M2分別增產(chǎn)10.1%、24.7%、11.7%和32.7%。U2M2處理周年氮肥利用率達(dá)52.6%，較U1、U2、M1和M2處理分別提高11.3%、4.1%、13.4%和10.7%。U2M2處理降低了氨揮發(fā)損失、同步提高了產(chǎn)量和氮肥利用率，是冬小麥玉米周年輪作的理想施肥策略?！窘Y(jié)論】施用有機(jī)肥可以顯著降低小麥玉米輪作體系的周年氨揮發(fā)損失量，提高周年籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率?？紤]到有機(jī)肥源及施用便捷性可將有機(jī)無機(jī)配施作為當(dāng)前小麥玉米輪作生產(chǎn)體系降低氨揮發(fā)損失、提高氮肥利用效率的主要施肥方式。

有機(jī)肥；無機(jī)氮肥；冬小麥-夏玉米輪作體系；周年；氨揮發(fā)

0 引言

【研究意義】小麥、玉米是我國重要的糧食作物。黃淮海地區(qū)冬小麥、夏玉米播種面積分別占全國播種面積的38%和28%，總產(chǎn)量分別占全國的50%和30%左右，對(duì)保障國家糧食安全具有重要意義[1-2]。當(dāng)前，黃淮海小麥玉米輪作體系的主要增產(chǎn)措施是增加肥料施用量，小麥季和玉米季氮肥投入量分別達(dá)到300和250—350 kg·hm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過作物需求量[3]，不僅導(dǎo)致大量氮素通過揮發(fā)、徑流、滲漏等途徑損失掉，氮肥利用效率僅有29.1%—39.0%，而且加重了面源污染[4-5]。其中，氨揮發(fā)是土壤氮損失的重要途徑之一[6]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氨揮發(fā)損失約占施氮量的15%[7-9]，氨揮發(fā)損失率可達(dá)22%—32%[10]。氨揮發(fā)后形成的細(xì)微顆粒物，可以通過大氣干濕沉淀引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，作為第二污染源再次破壞環(huán)境[11-13]。如何減少氨揮發(fā)損失，提高氮肥料利用率，促進(jìn)小麥玉米的可持續(xù)發(fā)展，是亟需解決的關(guān)鍵問題。【前人研究進(jìn)展】前人研究表明氨揮發(fā)量因肥料類型和用量而異。施用尿素可增加農(nóng)田氨揮發(fā)損失[14]，施用有機(jī)肥可降低氨揮發(fā)損失[15]。氨揮發(fā)損失量隨施氮量的增加而增加，通過優(yōu)化施肥（當(dāng)?shù)刈罡弋a(chǎn)量配方施肥）可使氨揮發(fā)損失量減少0.9—4.9 kg·hm-2[7]。同時(shí)，氨揮發(fā)損失也受作物類型影響，玉米季氨揮發(fā)量遠(yuǎn)高于小麥季，氨揮發(fā)量為20.4 kg·hm-2，損失率為6.2%；小麥季氨揮發(fā)量為12.0 kg·hm-2，損失率為3.8%[16-17]。冬小麥夏大豆周年氨揮發(fā)損失總量可達(dá)到22.2—48.5 kg·hm-2，相當(dāng)于周年施氮量的6.9%—8.1%[18]。【本研究切入點(diǎn)】前人針對(duì)小麥或玉米單季作物不同施肥處理對(duì)氨揮發(fā)損失進(jìn)行了大量的研究，研究表明小麥季氨揮發(fā)損失量為45.1 kg·hm-2，玉米季氨揮發(fā)損失量為80.1 kg·hm-2[19]；與單施化肥相比，50%的豬糞替代化肥，可以減少玉米季氨揮發(fā)量的52.9%[20]，有機(jī)無機(jī)配施或平衡施用肥料可顯著降低小麥季氨揮發(fā)損失[21-22]。但上述研究大多基于短期試驗(yàn)，相對(duì)于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)氨揮發(fā)損失的研究相對(duì)較少。有機(jī)肥施入土壤腐殖質(zhì)化后會(huì)發(fā)生一系列生物過程，對(duì)氮素轉(zhuǎn)化利用產(chǎn)生顯著影響[23]，因此有必要基于定位試驗(yàn)平臺(tái)研究長(zhǎng)期不同施肥處理下小麥-玉米輪作體系氨揮發(fā)周年損失的差異?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過定位試驗(yàn)平臺(tái)，比較長(zhǎng)期不同氮肥類型及用量下小麥玉米周年生產(chǎn)系統(tǒng)氨揮發(fā)損失量的差異，為優(yōu)化肥料施用、提高小麥玉米周年生產(chǎn)系統(tǒng)的氮肥利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2021年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黃淮海玉米技術(shù)創(chuàng)新中心大型水肥滲漏研究池（36°09′N，117°09′E）進(jìn)行。試驗(yàn)平臺(tái)位于山東省中部，年平均氣溫、降雨量分別為12.8℃和702 mm，無霜期195 d。種植制度是冬小麥-夏玉米輪作一年兩熟生產(chǎn)。

該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)始于2009年，每個(gè)小區(qū)為獨(dú)立單元的水肥滲漏池，池子的長(zhǎng)度、寬度和深度分別為2.5 m、2.5 m和2.0 m，所用土壤取自附近的農(nóng)田，按每10.0 cm挖取一層，逆序回填入各個(gè)滲漏池。每年根據(jù)長(zhǎng)期統(tǒng)一的試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行水肥管理，2019年小麥播種前0—20 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 2019—2021年小麥播種前0—20 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)

U1：高施氮量單施尿素；U2：低施氮量單施尿素；M1：高施氮量單施有機(jī)肥；M2：低施氮量單施有機(jī)肥；U2M2：有機(jī)肥和尿素1﹕1配施；CK：不施肥對(duì)照。同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。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 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為小麥品種石麥15和玉米品種鄭單958。試驗(yàn)以不施氮肥為對(duì)照（CK），采用有機(jī)肥（腐熟牛糞M）和無機(jī)氮肥（U）兩種氮肥類型，設(shè)置兩個(gè)施氮量分別為380 kg N·hm-2（M1、U1、U2M2）和190 kg N·hm-2（U2、M2），試驗(yàn)共計(jì)6個(gè)處理，其中氮肥在兩季作物間的分配是小麥47.4%、玉米52.6%。各處理磷、鉀素施用量相同，有機(jī)肥中磷鉀含量不足部分用磷、鉀肥補(bǔ)足，超過磷鉀水平的以有機(jī)肥中的具體供應(yīng)量為準(zhǔn)。磷肥采用過磷酸鈣（含P2O5量為12%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O量為50%）。將有機(jī)肥、50%的尿素和全部磷、鉀肥（養(yǎng)分含量和用量見表2和表3）作為基肥于播種前一次性撒施后深翻入土；剩余50%的尿素作追肥于小麥季拔節(jié)期和玉米季大喇叭口期施入。小麥季于播種期、越冬期、拔節(jié)期、開花期和灌漿期灌水；玉米季于播種期、拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、開花期、灌漿期和乳熟期灌水，每個(gè)生育時(shí)期內(nèi)等量灌溉。

表2 2019—2021年有機(jī)肥料含水量及養(yǎng)分含量

表3 2019—2021年各處理養(yǎng)分用量

冬小麥種植密度為180萬基本苗/hm2，夏玉米種植密度為52 500株/hm2。冬小麥和夏玉米播種日期分別是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；收獲日期分別是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。小麥玉米生長(zhǎng)期的降水、氣溫和日照時(shí)數(shù)見圖1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤樣品測(cè)定 冬小麥播種前用直徑5 cm的土鉆，在每個(gè)滲漏池中采用對(duì)角線法采集5個(gè)點(diǎn)0—20 cm的土壤樣品以測(cè)定基礎(chǔ)地力。用干燥法測(cè)定土壤含水量，用pH計(jì)測(cè)定pH。土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定參考鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》[24]。

1.3.2 土壤氨揮發(fā)測(cè)定 采用通氣法測(cè)定土壤揮發(fā)的氨氣[25]。施肥后把氨揮發(fā)裝置放置于每個(gè)池子的中間和兩側(cè)位置，一個(gè)池子放置3個(gè)塑料管，24 h后取出塑料管內(nèi)的下層海綿，分別裝入1 000 mL塑料瓶中，加入500 mL的1 mol·L-1KCl 溶液，振蕩1 h后用普通定性濾紙過濾，過濾后放入10 mL離心管中，然后測(cè)定銨態(tài)氮含量。施肥后的第1周每天采樣1次；第2—3周每隔2—3 d采樣1次，之后采樣間隔延長(zhǎng)到7 d，直到監(jiān)測(cè)不到氨揮發(fā)為止。

氨揮發(fā)計(jì)算公式：NH3-N (kg N·hm-2·d-1)=[M/(A×D)]×10-2，式中，M為通氣法單個(gè)裝置平均每次測(cè)定的氨量（NH3-N，mg）；A為捕獲裝置的截面積（m）；D為每次測(cè)定的捕獲時(shí)間（d）；

氨揮發(fā)積累量計(jì)算公式：氨揮發(fā)累積量=Σ（氨揮發(fā)率×每次收集的時(shí)間）；

氨揮發(fā)損失率計(jì)算公式：氨揮發(fā)損失率=（施肥處理氨的累積量-不施肥處理氨的累積量）/施氮量×100%。

1.3.3 干物質(zhì)積累與分配 于成熟期（R6）取樣，小麥季分為莖稈（含穗軸）、葉片（含穎殼）和籽粒三部分；玉米季分為莖稈（含雄穗）、葉片（含苞葉）、穗軸和籽粒四部分。取樣后的樣品經(jīng)105℃殺青30 min后，在80℃烘箱內(nèi)烘干，稱量各部分干物質(zhì)重量，粉碎后過100目篩保存，用于測(cè)定植株全氮含量。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 各處理于成熟期收獲測(cè)產(chǎn)，小麥季收獲每個(gè)小區(qū)中部1 m2，同時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致、有代表性的30個(gè)單莖，進(jìn)行考種。玉米季的各小區(qū)收獲中間3行，選取30個(gè)果穗測(cè)定穗數(shù)、穗粒數(shù)和所取籽粒樣品的千粒重，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

圖1 小麥玉米生育期間降水量、氣溫和日照時(shí)數(shù)

1.3.5 氮素相關(guān)指標(biāo) 成熟期各器官干物質(zhì)分配比例（%）=成熟期器官干物質(zhì)積累量/成熟期全株干物質(zhì)積累量；

氮肥收獲指數(shù)（NHI）=籽粒氮積累總量/植株氮素積累總量；

周年氮素收獲指數(shù)=小麥季氮肥收獲指數(shù)×47.4%+玉米季氮肥收獲指數(shù)×52.6%；

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

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

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS Statistics 19數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)，并用Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥措施的土壤氨揮發(fā)速率

由圖2可知，冬小麥和夏玉米季施肥后不同處理間的氨揮發(fā)速率存在顯著差異。其中，施用基肥后冬小麥季氨揮發(fā)速率快速增加，之后隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)；夏玉米季氨揮發(fā)速率呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢(shì)。施用基肥后7 d之內(nèi)氨揮發(fā)速率差異顯著，7 d之后差異逐漸縮小。全部施用有機(jī)肥的M1和M2處理施用基肥25 d后氨揮發(fā)速率維持在較低水平，與CK間無顯著差異。兩年均以U1處理氨揮發(fā)速率最高，第1年冬小麥和夏玉米季最大氨揮發(fā)速率分別為2.9、3.1 kg·hm-2·d-1；第2年冬小麥和夏玉米季最大氨揮發(fā)速率分別為2.7、3.2 kg·hm-2·d-1。

與施用基肥后的氨揮發(fā)規(guī)律不同，兩年內(nèi)小麥和玉米均在追肥當(dāng)天氨揮發(fā)速率最高，之后呈現(xiàn)逐步降低并趨于平緩的趨勢(shì)。其中U1處理追肥后氨揮發(fā)速率最高，第1年冬小麥和夏玉米季最大揮發(fā)速率分別為2.2、3.8 kg·hm-2·d-1；第2年冬小麥和夏玉米季最大揮發(fā)速率分別為2.9、4.2 kg·hm-2·d-1，夏玉米季氨揮發(fā)速率顯著高于小麥季。追肥后，兩年內(nèi)各施肥處理間氨揮發(fā)速率均表現(xiàn)為：U1＞U2＞U2M2＞M1＞M2＞CK，有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可以有效降低氨揮發(fā)速率。

A：2019年冬小麥?zhǔn)┯没?；B：2020年冬小麥追肥；C：2020年夏玉米施用基肥；D：2020年夏玉米追肥；E：2020年冬小麥?zhǔn)┯没剩籉：2021年冬小麥追肥；G：2021年夏玉米施用基肥；H：2021年夏玉米追肥

2.2 不同施肥措施的累積氨揮發(fā)量和氨揮發(fā)損失率

各處理的冬小麥和夏玉米累積氨揮發(fā)量變化規(guī)律兩個(gè)年度基本一致（表4）。U1處理累積氨揮發(fā)損失最高，冬小麥季施用基肥后，U1處理氨揮發(fā)損失量為15.9 kg N·hm-2，較M1、M2的累積氨揮發(fā)量分別增加7.3%—26.5%。追肥后，U1、U2和U2M2處理累積氨揮發(fā)量分別為14.9、13.4和12.3 kg N·hm-2，U1、U2處理累積氨揮發(fā)量是U2M2處理的1.2和1.1倍。玉米季施用基肥后，與冬小麥季類似，同樣以U1處理氨揮發(fā)損失量最高，為22.6 kg N·hm-2。追肥后U1、U2和U2M2處理累積量分別為26.1、22.1和19.6 kg N·hm-2，U1、U2處理氨揮發(fā)累積量是U2M2處理的1.3和1.1倍。

冬小麥季施用基肥后，U2處理的氨揮發(fā)損失率高達(dá)21.6%，是M1、M2和U2M2處理的3.4、2.3和2.9倍；追肥后U2處理較U2M2處理同樣表現(xiàn)出較高的氨揮發(fā)損失率，U2處理氨的揮發(fā)損失率是U2M2處理的1.1倍。施用基肥后夏玉米季同樣為U2處理氨的揮發(fā)損失率最高，其損失率為30.4%，是M1、M2和U2M2處理的3.6、2.3和2.7倍；追肥后，U1和U2處理氨揮發(fā)損失率進(jìn)一步加劇，U2處理氨揮發(fā)損失率是U2M2處理的1.1倍。

年份和處理對(duì)周年土壤氨揮發(fā)影響顯著，小麥玉米輪作周年生產(chǎn)體系內(nèi)不同施肥處理的氨揮發(fā)損失量均呈現(xiàn)U1＞U2＞U2M2＞M1＞M2＞CK的趨勢(shì)，變化范圍為8.6—79.4 kg N·hm-2，以U1處理氨揮發(fā)損失量最高，達(dá)到79.4 kg N·hm-2，較U2M2、M1、M2處理和CK分別增加20.5%、111.7%、162.3%和825.7%。氮肥損失率則表現(xiàn)為U2＞U1＞U2M2＞M2＞M1＞CK的趨勢(shì)，范圍是7.6%—30.8%（表4）。從周年生產(chǎn)體系看，M1、M2和U2M2處理氨揮發(fā)損失率整體低于U1、U2處理，U1處理周年氨揮發(fā)損失率為18.6%，是M1、M2和U2M2處理的2.4、1.6和1.2倍，U2處理周年氨揮發(fā)損失率最高為30.8%，是M1、M2和U2M2處理的4.0、2.7和2.0倍。小麥玉米兩季的結(jié)果均表明施用基肥后的氨揮發(fā)降損潛力要大于追肥后的，玉米季的降損潛力大于小麥季。

2.3 不同施肥措施對(duì)周年干物質(zhì)積累與籽粒產(chǎn)量的影響

不同施肥處理顯著影響周年成熟期植株不同器官干物質(zhì)積累量及分配比例（表5）。周年內(nèi)籽粒干物質(zhì)積累量均以U2M2處理最高，U2M2、U1和M1處理籽粒干物質(zhì)積累量分別較CK提高76.8%—416.4%、91.1%—382.4%和104.5%—513.1%。U2M2和M1處理籽粒干物質(zhì)積累量較U1處理增加6.0%—18.7%和8.1%—34.9%。有機(jī)無機(jī)配施或單施有機(jī)肥處理較單施尿素處理和不施肥處理顯著增加干物質(zhì)積累，尤其是提高籽粒干物質(zhì)積累量效果更顯著。

兩年數(shù)據(jù)表明，施用氮肥較不施氮肥可顯著提高周年籽粒產(chǎn)量（表6）。兩個(gè)年度內(nèi)籽粒產(chǎn)量均以U2M2處理最高，分別為23 940.03和25 303.64 kg·hm-2。第1年U2M2處理產(chǎn)量分別較U1、U2、M1和M2處理提高11.8%、26.3%、13.2%和35.1%；第2年U2M2處理產(chǎn)量分別較U1、U2、M1和M2處理提高8.6%、23.2%、10.3%和30.5%。從周年生產(chǎn)體系的平均籽粒產(chǎn)量看，U1、U2、M1、M2和U2M2處理產(chǎn)量分別較CK提高78.8%、57.8%、76.2%、48.3%和96.8%。高施氮量與低施氮量相比周年籽粒產(chǎn)量更高。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，U1、M1和U2M2處理均有較高的穗數(shù)和穗粒數(shù)，而千粒重差異不顯著，施用有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施處理均可顯著增加周年產(chǎn)量。

2.4 不同施肥措施對(duì)周年氮肥利用率的影響

施用氮肥可以顯著提高籽粒吸氮量和地上部總吸氮量（表7）。兩個(gè)周年平均來看，與CK相比，施用氮肥后小麥季和玉米季的籽粒吸氮量分別增加67.0—146.2 kg·hm-2、38.3—112.3 kg·hm-2；地上部總吸氮量分別增加66.6%—81.8%、40.3%—65.0%。兩個(gè)年度內(nèi)U2M2處理籽粒吸氮量較U1、U2、M1和M2處理分別提高19.0%、56.5%、19.6%和71.7%；地上部總吸氮量較U1、U2、M1和M2處理分別提高18.5%、62.8%、22.6%和75.4%。U1、M1處理籽粒吸氮量和地上部總吸氮量顯著高于U2、M2處理。兩個(gè)年度體系內(nèi)氮素收獲指數(shù)均表現(xiàn)為CK＞U2＞M1＞M2＞U1＞U2M2，各施肥處理間差異不顯著。周年平均肥料利用率以U2M2處理最高，達(dá)52.6%，較U1、U2、M1和M2處理分別增加11.3%、4.1%、13.4%和10.7%。綜上，施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可顯著增加小麥和玉米對(duì)氮素的吸收和利用，提高氮肥利用效率。

表4 不同施肥處理土壤氨揮發(fā)累積量、損失率及其占施氮量的百分比

**和***分別表示在0.01和0.001水平上差異顯著

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

表5 不同施肥處理不同器官干物質(zhì)積累量及其比例

表6 不同施肥措施對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

3.1 長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)周年氨揮發(fā)的影響

氨揮發(fā)是氮損失的主要途徑，其影響因素主要有肥料類型[26]和施氮量[27]。在本研究中，施用基肥后，高施氮量單施尿素（U1）、有機(jī)肥（M1）和有機(jī)無機(jī)配施處理（U2M2）氨揮發(fā)速率相繼達(dá)到峰值。主要是由于施用的尿素會(huì)迅速在土壤中水解為NH4+，NH4+濃度的增加促進(jìn)了氨排放[28]；有機(jī)無機(jī)配施促進(jìn)了微生物活動(dòng)，促進(jìn)氨的揮發(fā)速率[29]。氨揮發(fā)持續(xù)在施肥后1周左右[30]，之后氨揮發(fā)變化趨勢(shì)不明顯[31-33]。有機(jī)肥和尿素1﹕1配施（U2M2）較高施氮量單施尿素（U1）的氨揮發(fā)速率低，可能是由于有機(jī)肥與化肥配施使土壤微生物數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)，有利于銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，NH4+濃度降低，從而降低氨揮發(fā)量[31]，加速氮肥在土壤中的吸收利用。氮施用量與氨的揮發(fā)量呈正相關(guān)關(guān)系[34]，一般來說，隨著氮施用量的增加，土壤氨的揮發(fā)率增加[35]。氮用量不同，氨揮發(fā)損失量隨著施氮量的增加而顯著上升[36]。本試驗(yàn)中，隨著施氮量的增加，不同施肥處理中氨揮發(fā)累積損失量增大，損失率減少。兩個(gè)周年體系內(nèi)氨揮發(fā)損失在施用氮量相同的條件下（U1和U2），施用基肥后其損失量低于追肥期，氮肥利用效率更高[37]；夏玉米季氨揮發(fā)損失量高于冬小麥季，占氨揮發(fā)總量的58%—62%。因此，施用基肥的氨揮發(fā)降損潛力要大于追肥，玉米季的降損潛力大于小麥季。

3.2 長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)周年籽粒產(chǎn)量的影響

合理施肥可以通過提高植株籽粒干物質(zhì)積累量進(jìn)而增加籽粒產(chǎn)量，有機(jī)無機(jī)肥料配施或單施有機(jī)肥對(duì)提高氮肥吸收利用、增加作物產(chǎn)量具有重要意義[38]。有機(jī)肥作為基肥施用時(shí)，有利于構(gòu)建合理的小麥群體結(jié)構(gòu)，提高小麥群體發(fā)育質(zhì)量，增加植株干物質(zhì)積累量。氮肥施用量增加，小麥籽粒產(chǎn)量、成熟期干物質(zhì)積累量均呈增加的趨勢(shì)；同時(shí)隨施氮量的增加單位面積穗數(shù)增加更顯著，而千粒重變化不明顯[39]。化肥與牛糞配施可提高玉米產(chǎn)量21.1%，增加籽粒產(chǎn)量幅度達(dá)1.9%—46.4%[40-41]。根據(jù)本研究的結(jié)果，小麥玉米周年輪作體系內(nèi)植株干物質(zhì)積累量均以U2M2處理最高，比其他處理干物質(zhì)積累量提高幅度為11.4%—149.5%。同時(shí)有機(jī)無機(jī)配施顯著提高了周年作物籽粒產(chǎn)量，不同施肥措施間以有機(jī)無機(jī)配施產(chǎn)量最高，有機(jī)無機(jī)配施較單施尿素、有機(jī)肥和不施肥處理分別增產(chǎn)8.6%—26.3%、10.3%—35.1%和96.8%。這是由于有機(jī)無機(jī)配施可以促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng)，更好地調(diào)節(jié)土壤氮素的釋放，改善土壤供氮能力，延緩小麥玉米器官衰老，使粒重增加[42-43]，因此有機(jī)無機(jī)配施產(chǎn)量最高。此外，本研究中2021年不同施肥處理間周年籽粒產(chǎn)量更高，可能是由于小麥和玉米生育期間降水量大，氣溫較為適宜，更有利于作物生長(zhǎng)，從而進(jìn)一步提高籽粒產(chǎn)量。

3.3 長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)周年氮肥利用率的影響

有機(jī)無機(jī)配施明顯提高氮肥利用率（34.9%），高于化肥處理（33.2%）和有機(jī)肥處理（28%）[44-45]。本研究中，尿素與牛糞配施提高了周年氮的利用率，與單施無機(jī)肥料相比，尿素與牛糞配施的氮肥利用率較單施無機(jī)肥料提高了4.1%—11.3%。主要由于有機(jī)肥和化肥的配合，增加土壤微生物數(shù)量，增強(qiáng)土壤酶活性，更有利于有機(jī)肥礦化和化肥水解，從而提高氮肥利用效率[46]。同時(shí)，施用氮肥可以顯著提高籽粒吸氮量和地上部總吸氮量，與單施尿素相比，有機(jī)氮肥和無機(jī)氮肥配施或單施有機(jī)氮肥的提高效果更為顯著，分別增加19.0%—71.7%和18.5%—75.4%。主要原因是有機(jī)無機(jī)配施或單施有機(jī)肥料增加了表層土壤氮素養(yǎng)分含量，降低了田間氨揮發(fā)損失，增強(qiáng)了周年作物對(duì)氮肥的吸收能力，籽粒氮素積累量的增加促進(jìn)了氮肥利用效率的提高。氨揮發(fā)是黃淮海地區(qū)主要的氮損失方式之一，減少氨揮發(fā)損失是提高氮肥料利用效率的有效方法之一。通過進(jìn)一步對(duì)氮素在小麥和玉米兩季作物間的統(tǒng)籌分配以降低氨揮發(fā)損失進(jìn)行深入研究，為提高氮肥利用效率提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，在小麥玉米生育周期內(nèi)，總施氮量分別為180 kg N·hm-2和200 kg N·hm-2條件下，各處理間土壤氨揮發(fā)損失較大，土壤氨揮發(fā)損失率可達(dá)7.6%—30.6%，是黃淮海區(qū)域小麥-玉米輪作田土壤氮素?fù)p失最主要的方式之一。有機(jī)氮肥和無機(jī)氮肥1﹕1配施或者單施有機(jī)氮肥可以明顯增加周年籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率，顯著降低氨揮發(fā)損失。在本試驗(yàn)條件下，綜合考慮冬小麥和夏玉米周年高產(chǎn)和氮肥的高效利用，尿素和有機(jī)肥料1﹕1配施或者單施有機(jī)肥料可以作為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

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.23.003

2021-12-19；

2022-04-14

山東省玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（SDAIT02-08）、國家自然科學(xué)基金（31771713）

伊英杰，E-mail：805813883@qq.com。通信作者劉鵬，E-mail：liup@sdau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）