韋廣源 ,譚軍利,2** ,李 紅 ,馬 波,2 ,王月梅 ,田海梅 ,王西娜

(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 銀川 750021;2. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心/寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心 銀川 750021;3. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021)

引黃灌區(qū)光熱資源豐富,是寧夏的糧食主產(chǎn)區(qū)。近年來(lái),該地區(qū)春小麥(Triticum aestivum)水肥管理水平大幅度提升,但仍存在盲目施肥的現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查,2018-2019 年氮肥投入過(guò)量的農(nóng)戶高達(dá)97.1%[1]。過(guò)量施用氮肥增加了土壤氮?dú)埩袅?尤其是深層礦質(zhì)氮大量累積,是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源之一。春小麥?zhǔn)斋@后,7 月中旬至9 月份正值引黃河灌區(qū)雨季,降雨量占全年降雨量的40%。如果土地休閑裸露,大量殘留氮被淋溶到深層土壤或以其他途徑損失掉,同時(shí)雨水資源也會(huì)以蒸發(fā)的形式白白損失。張學(xué)軍等[2]研究表明,寧夏春小麥常規(guī)水肥管理下氮淋失量可達(dá)36.1 kg·hm-2。這不僅降低了水氮利用效率,還引起土壤、地下水及大氣的環(huán)境污染等問(wèn)題[3-4]。

引種填閑作物是降低硝態(tài)氮淋溶、提高水氮利用效率和控制水土污染的一個(gè)重要手段[5]。大量研究表明[6-7],填閑作物可以減少氮素淋溶,其途徑是通過(guò)吸收前茬作物土壤中殘留的硝態(tài)氮,從而減少農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。與休耕相比,十字花科(Brassicaceae)和禾本科(Poaceae)的填閑作物分別減少75%和52%的硝酸鹽淋溶量[10]。在寧夏引黃灌區(qū)設(shè)施菜田,填閑作物可以對(duì)0～20 cm 土層土壤殘留硝態(tài)氮進(jìn)行生物固定,阻控了40～120 cm 土壤硝態(tài)氮向深層土壤淋洗[11]。

但填閑作物的水分效應(yīng)仍存爭(zhēng)議。有試驗(yàn)結(jié)果表明[12-13],種植填閑作物對(duì)土壤水分以及下一季糧食作物的水分利用影響較小,甚至在一定程度上提高表層土壤含水量[14]。但黃土高原南部的研究表明[15],在冬小麥播前,在平水和干旱年輪作不同綠肥均顯著降低 0～200 cm 土壤含水量,降幅分別為10.1%和15.7%[6]。

寧夏引黃灌區(qū)小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種油菜(Brassica napus)既可以當(dāng)作綠肥還田又是良好的飼料。寧夏引黃灌區(qū)麥后復(fù)種油菜的研究主要集中于施肥處理對(duì)油菜產(chǎn)量、品質(zhì)以及養(yǎng)分吸收的影響[16-17],而油菜對(duì)春小麥茬土壤殘留氮素及夏秋降水的利用還少見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)田間定位試驗(yàn)研究了不同水氮管理措施下小麥茬殘留氮素對(duì)麥后復(fù)種油菜產(chǎn)量、氮素吸收量的影響,探明復(fù)種油菜對(duì)殘留礦質(zhì)氮和土壤水分的利用規(guī)律,以及油菜翻壓對(duì)土壤礦質(zhì)氮分布的影響,為引黃灌區(qū)春小麥-油菜復(fù)種體系水氮管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于寧夏永寧縣望洪鎮(zhèn)寧夏大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(106°10′E,38°19′N,海拔1117 m)。研究區(qū)月降水量如圖1 所示,年降水量180～200 mm,年均氣溫8.5 ℃,無(wú)霜期140～160 d,降雨量相對(duì)較少,屬于溫帶干旱氣候。7-10 月份油菜種植期間降雨量67.2 mm,平均氣溫19 ℃,最高氣溫28.3 ℃,最低氣溫4.8 ℃。供試土壤類型主要為灌淤土。研究區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1 所示。春小麥于2021 年3 月5 日播種,7 月15 日收獲,小麥?zhǔn)斋@后,種植油菜,油菜于10 月15 日收獲,收獲時(shí)即將油菜翻壓還田。油菜品種為‘華油雜62’。

表1 供試土壤0～100 cm 基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties in 0-100 cm layer of the tested soil

圖1 2021 年研究區(qū)月降水量Fig.1 Monthly precipitation in the study area in 2021

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥季試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2 所示,本試驗(yàn)為二因素裂區(qū)設(shè)計(jì),灌水處理作為主區(qū),設(shè)3 個(gè)水平: 常規(guī)灌溉(400 mm,WC)、節(jié)水20% (320 mm,W1)和節(jié)水40%(240 mm,W2)。施肥處理作為副區(qū),設(shè)置3 個(gè)水平:常規(guī)施氮(270 kg·hm-2,NC)、減量施氮 25% (202.5 kg·hm-2,NJ)和不施氮(0 kg·hm-2,N0)。試驗(yàn)共9 個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3 次,小區(qū)總數(shù)為27 個(gè),小區(qū)面積24 m×3 m。試驗(yàn)區(qū)周圍南北設(shè)6.5 m 保護(hù)行,東設(shè)6 m 保護(hù)行,西設(shè)3 m 保護(hù)行。為避免小區(qū)間水和肥遷移造成影響,主區(qū)之間設(shè)0.4 m 隔離道,副區(qū)之間設(shè)0.4 m 隔離道,在主區(qū)間埋設(shè)隔離帶(塑料薄膜)。

表2 不同處理小麥季試驗(yàn)施氮量和灌溉定額Table 2 Nitrogen application levels and irrigation regimes of different treatments for spring wheat

春小麥分別于2021 年4 月20 日、5 月6 日、5月21 日、6 月3 日、6 月18 日灌水,全生育期內(nèi)等量灌水5 次,肥料按分配比例實(shí)施微噴帶水肥一體化隨水一同施入,具體操作見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]。油菜15 cm 等行距播種,播種量為13.5 kg·hm-2。油菜茬不再施用肥料,分別于2021 年7 月20 日、8 月3 日、8 月18 日和9 月3 日進(jìn)行等量灌水,灌水定額均為25 mm。春小麥與油菜灌水均采用噴灌帶噴灌,水源為地下水。其他管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

地上部干物質(zhì)量: 油菜成熟期每個(gè)小區(qū)采集單行1 m 長(zhǎng)的油菜地上部分,置于烘箱中105 ℃殺青30 min,之后75 ℃恒溫烘干。烘干后稱重計(jì)算單位面積地上部干物質(zhì)量。

植株全氮含量: 取上述烘干樣品粉碎后,采用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮法測(cè)定植株全氮含量。

土壤礦質(zhì)氮含量: 于第一季春小麥?zhǔn)斋@后、油菜收獲后以及下一季春小麥播前用土鉆分層采集各試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm 土壤樣品,0～20 cm、20～40 cm 土層各試驗(yàn)小區(qū)取兩個(gè)點(diǎn)采集,其余土層各試驗(yàn)小區(qū)取一個(gè)點(diǎn)。土樣風(fēng)干后碾細(xì)過(guò)1 mm 篩,用1 mol·L-1的KCl 溶液浸提,采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定浸提液硝態(tài)氮含量,用靛酚藍(lán)法測(cè)定浸提液銨態(tài)氮含量。以每20 cm 為1 個(gè)層次計(jì)算0～100 cm 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮積累量。

土壤體積含水量: 于2021 年7 月9 日小麥?zhǔn)斋@后(油菜播前)、10 月16 日油菜收獲后、2022 年3 月3日(下一季小麥播前)用TDR 測(cè)定0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土層土壤體積含水量。根據(jù)測(cè)定的體積含水量,計(jì)算0～100 cm土壤貯水量。TDR 型號(hào)為Trime PICO IPH2 (德國(guó)IMKO公司)。

1.4 計(jì)算公式

式中: ET1-2為階段耗水量,mm;i為土壤層次;n為土壤層次總數(shù);γi為第i層土壤容重,g·cm-3;Hi為第i層土壤的厚度,cm;Wi1和Wi2分別為第i層土壤在時(shí)段初、末的含水率;M為時(shí)段內(nèi)的灌水量,mm;P為時(shí)段內(nèi)的降水量,mm;K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量,mm;F為深層滲漏量,mm。本研究區(qū)域的地下水埋深大于2.5 m,故地下水補(bǔ)給量和深層滲漏量視為0。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2013 處理數(shù)據(jù)。采用SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析及多重比較(LSD),表中數(shù)據(jù)為3 個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理春小麥?zhǔn)斋@后0～100 cm 土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅?/h3>

由表3 可知,施氮處理顯著提高春小麥?zhǔn)斋@后0～100 cm 的土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅?P＜0.05),灌溉處理無(wú)顯著影響。常規(guī)施氮(NC)處理 0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮最高,顯著高于減氮處理(NJ)和不施氮(N0)處理(P＜0.05),為227.26～278.07 kg·hm-2,較NJ 與N0分別提高15.6%～24.6%和37.7%～87.5%。常規(guī)施氮和減氮處理均為常規(guī)灌溉(WC)處理下土壤礦質(zhì)態(tài)氮?dú)埩袅孔罡?但不同灌溉處理間無(wú)顯著差異。此外,土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅恐饕植荚?～40 cm,以NCWC處理的土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅孔罡?為148.8 kg·hm-2,占0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮53.5%,顯著高于NJWC和N0WC 處理(P＜0.05),分別較NJWC 和N0WC 處理提高43.9%和108.0%,說(shuō)明春小麥茬常規(guī)施氮處理下土壤表層(0～40 cm)有大量礦質(zhì)態(tài)氮?dú)埩簟?/p>

表3 不同施氮量和灌溉定額處理下春小麥?zhǔn)斋@后0～100 cm 土壤礦質(zhì)氮?dú)埩袅縏able 3 Residual mineral nitrogen contents in 0-100 cm soil layer after spring wheat harvesting with different treatments of nitrogen application and irrigation kg·hm-2

2.2 春小麥茬水氮處理對(duì)后茬油菜產(chǎn)量和氮素吸收量的影響

2.2.1 油菜產(chǎn)量

由圖2 方差分析可知,春小麥茬施氮量對(duì)油菜產(chǎn)量有極顯著(P＜0.01)影響;灌水對(duì)油菜產(chǎn)量有顯著(P＜0.05)影響;灌水施氮互作對(duì)油菜產(chǎn)量無(wú)顯著影響。在常規(guī)灌水和節(jié)水(W1,W2)條件下,油菜產(chǎn)量均以常規(guī)施氮量最高,其中NCW1 處理油菜產(chǎn)量最高,達(dá)6641 kg·hm-2,顯著高于NJW1 和N0W1 處理(P＜0.05),分別較NJW1 和N0W1 處理提高11.8%和43.5%。這是因?yàn)榇盒←湶鐨埩舻耐寥赖V質(zhì)氮顯著提高了油菜的產(chǎn)量。各施氮處理不同灌溉定額間雖無(wú)顯著差異,但在減氮處理下,常規(guī)灌水和節(jié)水20% (W1)處理油菜產(chǎn)量要明顯高于節(jié)水40% (W2)處理,較節(jié)水40%處理分別提高11.3%～14.1%。

圖2 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理下油菜的產(chǎn)量Fig.2 Yield of succession oilseed rape under different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat

2.2.2 累積氮素吸收量

由圖3 可知,春小麥茬施氮量和灌溉定額對(duì)油菜累積氮素吸收量均有極顯著影響(P＜0.01)。油菜氮素吸收量隨春小麥茬施氮量增加而增加,且處理間差異顯著(P＜0.05)。在同一灌溉水平下NC 處理的氮素吸收量較NJ 和N0 處理的分別提高14.8%和58.8%。相同施氮水平下不同灌溉處理的氮素吸收量之間存在顯著差異(P＜0.05),各施氮處理均在WC處理有最大值,所有處理中氮素吸收量最高為NCWC 處理,達(dá)25.7 kg·hm-2,顯著高于NCW1 與NCW2 處理(P＜0.05),較NCW1 與NCW2 處理分別提高9.7%和10.2%。

2.3 春小麥茬水氮處理對(duì)后茬油菜季0～100 cm 土層土壤貯水量的影響

由圖4 可知,油菜播種前,0～100 cm 土層土壤貯水量表現(xiàn)為春小麥茬WC 和W1 處理較W2 處理土壤貯水量提高16～29 mm,但同一施氮水平下各灌水處理間無(wú)顯著差異。與油菜播前相比,復(fù)種油菜后W2 處理0～100 cm 土層土壤貯水量變化最明顯,油菜播種前,W2 處理0～100 cm 土層土壤貯水量分別為186 mm、165 mm 和178 mm,經(jīng)過(guò)復(fù)種油菜后土壤貯水量與播前相比分別增加26 mm、42 mm 和53 mm,且土壤貯水量增加量隨春小麥茬施氮量增加而減少(圖4a,4b)。WC 處理下,除NC 土壤貯水量下降外,其他處理略有增加,不同施氮處理之間無(wú)顯著差異。W1 處理下,施氮量對(duì)土壤貯水量影響較小,且無(wú)顯著差異。下一季春小麥播前(圖4c),WC 和W1 處理下不同施氮處理0～100 cm 土層土壤貯水量無(wú)顯著差異,W2 處理下,N0 處理0～100 cm 土層土壤貯水量顯著高于NC 和NJ 處理(P＜0.05),較NC 和NJ 處理分別提高25.5 mm 和36.9 mm。說(shuō)明施氮處理一定程度增加了土壤水分的消耗。下一季小麥播前,土壤貯水量最高的為N0W2 處理,為239 mm,較油菜播種前增加61 mm,NCWC 處理變化最小,較播前僅增加5 mm。

圖4 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理下油菜的0～100 cm 土層土壤水分分布(a、b、c 分別為油菜播前、油菜收獲和下一季春小麥播前)Fig.4 Soil water distribution in 0-100 cm soil layer of succession oilseed rape under different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat (a,b and c are before oilseed rape sowing,oilseed rape harvest and before the next spring wheat sowing,respectively)

2.4 小麥茬水氮處理對(duì)后茬油菜0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮分布的影響

如圖5 所示,NC 處理的礦質(zhì)氮變化較明顯,且變化集中在表層0～20 cm 土層。油菜播種前(圖5a),小麥茬NC、NJ 和N0 處理0～40 cm 土層礦質(zhì)氮累積量分別為115.4～148.8 kg·hm-2、88.2～103.6 kg·hm-2和71.5～79.9 kg·hm-2,分別占0～100 cm 土層礦質(zhì)氮累積量50%～54%、46%～51%和46%～48%,表現(xiàn)為礦質(zhì)氮大量盈余,0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮含量隨著土層深度增加而降低。油菜收獲時(shí)(圖5b),NC 和NJ施氮處理的0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮有不同程度降低,其中0～40 cm 土層NC 和NJ 處理的土壤礦質(zhì)氮分別下降20.8～62.7 kg·hm-2和2.6～30.2 kg·hm-2。WC處理下,施氮處理的0～40 cm 土層土壤礦質(zhì)氮累積量分別下降62.6 kg·hm-2和30.2 kg·hm-2;W1 處理下分別下降47.1 kg·hm-2和18.6 kg·hm-2;W2 處理下分別下降20.8 kg·hm-2和2.6 kg·hm-2。這說(shuō)明礦質(zhì)氮減少量與小麥茬灌溉定額呈正比。

圖5 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理下油菜的0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮分布(a、b、c 分別為油菜播前、油菜收獲和下一季春小麥播前)Fig.5 Soil mineral nitrogen distribution in 0-100 cm soil layer of succession oilseed rape under different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat (a,b and c are before oilseed rape sowing,oilseed rape harvest and before the next spring wheat sowing,respectively)

油菜翻壓還田后(圖5c),0～100 cm 土層土壤礦質(zhì)氮明顯增加,增加量為86.1～171.8 kg·hm-2,其中0～40 cm 土層增加最多。NC、NJ 和N0 處理土壤礦質(zhì)氮分別增加85.5～121.8 kg·hm-2、74.3～98.1 kg·hm-2和56.7～71.1 kg·hm-2,增加量與施氮量呈正比關(guān)系。但同一施氮水平下灌水定額之間無(wú)顯著差異。

2.5 春小麥茬水氮處理對(duì)油菜水分利用效率的影響

由表4 可知,春小麥茬施氮量和灌溉定額對(duì)后茬油菜全生育期總耗水量均有極顯著(P＜0.01)影響,灌溉定額與施氮量的互作也達(dá)顯著水平(P＜0.05)。在春小麥茬相同施氮量,WC 和W1 處理的油菜耗水量顯著高于W2 處理,而WC 和W1 之間無(wú)顯著差異。NC、NJ 和N0 處理下,WC 與W1 的耗水量較W2 的分別提高24.6%～26.5%、23.3%～28.6%和29.4%～31.9%。

表4 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理對(duì)油菜水分利用效率的影響Table 4 Effects of different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat on water use efficiency of the succession oilseed rape

春小麥茬施氮對(duì)油菜灌溉水利用效率有極顯著(P＜0.01)影響,灌溉和施氮灌溉互作對(duì)油菜灌溉水利用效率有顯著(P＜0.05)影響。N0 處理下,春小麥茬不同灌溉處理下油菜灌溉水利用效率無(wú)顯著差異;NC 處理下,灌溉水利用效率最高的為W1 處理,較W2 處理提高了11.6%;NJ 處理下,灌溉水利用效率最高為W1 處理,較W2 處理提高17.14%。在同一灌溉水平下,NC 和NJ 處理的灌溉水利用效率顯著高于N0 處理(P＜0.05),灌水利用效率最高的為NCW1處理,為5.95 kg·m-3。

春小麥茬灌溉定額和施氮量對(duì)油菜水分利用效率有極顯著(P＜0.01)影響,兩者互作對(duì)油菜水分利用效率沒(méi)有顯著影響,水分利用效率最高的為NCW2 處理,為4.10 kg·m-3。在同一施氮處理下,油菜在不同灌溉處理下的水分利用效率表現(xiàn)為,隨著灌溉量的增加水分利用效率呈下降的趨勢(shì),在NC和NJ 處理,均在W2 處理下有最高的水分利用效率,在WC 處理下最低;此外,施氮處理水分利用效率顯著高于不施氮處理(P＜0.05),NC 和NJ 處理的水分利用效率分別較N0 處理提高16.4%～46.7%和27.4%～55.3%。春小麥茬施氮量對(duì)油菜降水生產(chǎn)效率有極顯著(P＜0.01)的影響,灌溉定額對(duì)油菜降水生產(chǎn)效率有顯著(P＜0.05)的影響,兩者互作對(duì)油菜降水生產(chǎn)效率沒(méi)有顯著的影響。油菜降水生產(chǎn)效率最高的為NCW1 處理,為124.87 kg·mm-1,NC 和NJ 處理下降水生產(chǎn)效率顯著高于N0 處理(P＜0.05),較N0 處理分別提高25.1%～43.5%和9.6%～28.4%。在NJ 處理下,WC 和W1 處理降水生產(chǎn)效率高于W2 處理,較W2 處理提高11.3%～14.1%,但各灌水處理間無(wú)顯著差異。

2.6 春小麥-油菜復(fù)種體系氮素平衡及氮素利用效率

由表5 可知,春小麥季相同施氮量下,油菜氮素吸收量隨春小麥季灌溉定額的增加而增加,灌溉定額之間存在顯著差異(P＜0.05)。相同灌溉定額下,油菜氮素吸收量與小麥季施氮量呈正比,施氮水平間存在顯著差異(P＜0.05)。NC 和NJ 處理下,W2 處理的氮素殘留量為197.75 kg·hm-2和189.16 kg·hm-2,顯著高于WC 和W1 處理(P＜0.05)。N0 處理下,灌溉定額處理間氮素殘留量無(wú)顯著差異。土壤的表觀損失量隨春小麥季施氮量的增加而增加。NC 處理下,氮素表觀損失量隨灌溉定額的增大而增加,WC 處理的氮素表觀損失量最大,為70.43 kg·hm-2。

表5 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理對(duì)后茬油菜土壤氮素平衡的影響Table 5 Effects of different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat on soil nitrogen balance of the succession oilseed rape kg·hm-2

由表6 可知,春小麥季殘留的氮素仍有2.64%～3.40%可以被下季油菜所吸收利用,不同水氮處理間油菜殘留氮素利用率沒(méi)有顯著差異。充分考慮氮肥的后效后,小麥季水氮處理氮肥的累積利用率為38.72%～89.82%,處理間有顯著差異(P＜0.05),其中以NJW1 處理的氮肥累積利用率最大,為89.82%,較常規(guī)施氮處理NC 提高33.6%～51.1%。

表6 春小麥茬不同施氮量和灌溉定額處理對(duì)氮肥利用率及殘留氮利用率的影響Table 6 Effects of different treatments of nitrogen application and irrigation of spring wheat on nitrogen utilization and residual nitrogen utilization of the succession oilseed rape %

3 討論

3.1 春小麥茬水氮處理對(duì)填閑作物產(chǎn)量及氮素吸收的影響

小麥茬氮肥具有一定的后效,能夠提高氮肥的實(shí)際利用率,氮肥的后效隨施氮量的增加而增大,這與國(guó)內(nèi)許多研究一致[27-28]。在本試驗(yàn)條件下,后茬綠肥作物油菜的產(chǎn)量與氮素吸收量均在春小麥茬高氮處理時(shí)有最大值,且春小麥茬高灌水量處理也能提高油菜產(chǎn)量和氮素吸收量,這可能是春小麥茬高灌水量處理為油菜保持較高的土壤水分,更有利于油菜的生長(zhǎng)。與當(dāng)季氮肥利用率相比,后續(xù)單季作物對(duì)土壤殘留化肥氮的回收利用率普遍較低。王盈盈等[29]在長(zhǎng)期不施氮的水稻-小麥輪作農(nóng)田的試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)季小麥?zhǔn)斋@后,第2 季水稻(Oryza sativa)、第3 季小麥和第4 季水稻對(duì)殘留的回收率平均分別僅為3.1%、0.8%和2.1%;卜容燕等[19]在水稻-油菜輪作條件下,水稻季氮肥在油菜季的利用率為2.9%～4.7%,與本試驗(yàn)結(jié)果相近。在本試驗(yàn)結(jié)果下,節(jié)水20%處理下的殘留氮肥利用率較低,這可能與春小麥茬節(jié)水20%處理氮素利用率較高,導(dǎo)致殘留在土壤中的氮素較少有關(guān)。本試驗(yàn)處理下,油菜播前節(jié)水20%處理的初始礦質(zhì)氮顯著低于常規(guī)灌水處理。后季作物氮肥回收率低的原因可能是隨時(shí)間推移,大部分殘留氮肥逐漸被固持在土壤有機(jī)氮庫(kù),不易礦化為速效氮被作物利用[30]。且本試驗(yàn)的氮肥殘留利用率只考慮了油菜地上部的氮素吸收,這在一定程度上低估了作物對(duì)肥料的利用率。王西娜等[26]對(duì)連續(xù)4 年開(kāi)展冬小麥-夏玉米(Zea mays)輪作的農(nóng)田研究發(fā)現(xiàn),后季作物累積氮肥回收率約為14.6%～18.1%,化肥氮的累積利用率可高達(dá)50%。本試驗(yàn)只進(jìn)行了一年,所以對(duì)油菜的累積氮肥回收率還需進(jìn)一步研究。

3.2 復(fù)種油菜對(duì)春小麥茬殘留氮素分布及氮素平衡的影響

在寧夏引黃灌區(qū)的小麥種植體系中,往往大水大肥,造成大量的礦質(zhì)氮在土壤中累積,再加上大量的灌溉和夏季的強(qiáng)降雨,很容易向土壤深層和地下水淋失,如何有效控制礦質(zhì)氮的淋失是當(dāng)前寧夏引黃灌區(qū)小麥種植體系中需要盡快解決的問(wèn)題。巨昇容等[31]的研究表明,在設(shè)施蔬菜休閑期,種植填閑作物顯著減少了表層(0～20 cm)土壤的硝態(tài)氮含量;閔炬等[32]的研究表明,在設(shè)施菜地揭棚休閑期,種植填閑作物可以有效降低0～10 cm 土壤中硝態(tài)氮含量,減少礦質(zhì)氮淋溶。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在降雨量較小,且降雨主要集中在夏季的寧夏引黃灌區(qū),復(fù)種油菜明顯降低土壤礦質(zhì)氮數(shù)量,油菜收獲后高氮處理0～40 cm 表層土壤礦質(zhì)氮數(shù)量下降明顯,降幅達(dá)43%,起到了減少礦質(zhì)氮淋溶的作用,這可能與油菜根系分布有關(guān),這與前人的研究結(jié)果相似;且本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤礦質(zhì)氮的下降幅度隨春小麥茬施氮量的減少而減少,這可能是與土壤中礦質(zhì)態(tài)數(shù)量影響了油菜對(duì)氮素的固持有關(guān)。而油菜對(duì)土壤礦質(zhì)氮的固持也與春小麥茬灌溉量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,春小麥茬高灌水量處理下,油菜對(duì)土壤礦質(zhì)態(tài)的固持效果最好,說(shuō)明春小麥茬高灌水量使土壤保持了較高的土壤水分,促進(jìn)了油菜的生長(zhǎng),使油菜對(duì)土壤礦質(zhì)氮的固持起到更好的效果。

油菜翻壓、分解后,還可將自身的氮元素歸還土壤,培肥土壤。李富翠等[33]研究發(fā)現(xiàn),種植綠肥處理表層(0～20 cm)土壤硝態(tài)氮較播前顯著增加,提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。本研究表明,油菜還田當(dāng)年就有顯著增加表層土壤硝態(tài)氮含量的趨勢(shì),油菜翻壓還田后,0～40 cm 土層土壤礦質(zhì)氮含量明顯提高,且礦質(zhì)氮的增幅與春小麥茬施氮量呈正比,可能與春小麥茬高氮處理的油菜吸氮量較高有關(guān)。此外,有研究結(jié)果表明[34-35],冬季土壤凍融有利于土壤中礦質(zhì)氮的增加。所以本試驗(yàn)油菜翻壓還田后土壤礦質(zhì)氮的提升是綠肥還田礦化和12 月份至翌年3 月份冬季土壤凍融交替促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化共同作用的結(jié)果。

本試驗(yàn)從氮素平衡角度出發(fā),研究油菜投入氮與作物總吸收氮,土壤氮素的總殘留和損失之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨春小麥茬施氮量增加油菜氮素表觀損失量增加。劉學(xué)軍等[36]研究表明表觀損失量隨施氮量的增加而急劇增加,復(fù)種油菜試驗(yàn)并未施氮,但起始礦質(zhì)氮含量表現(xiàn)為高氮處理顯著大于減氮處理和不施氮處理,因此可能導(dǎo)致了小麥茬高氮處理在油菜季表觀損失量較大。本試驗(yàn)氮素表觀損失量同樣隨春小麥茬灌水量增加而增加,可能是春小麥茬高灌水處理導(dǎo)致了土壤氮素向土壤深層淋溶累積,這一部分氮素在油菜茬灌水以及夏季降雨影響下進(jìn)一步向下淋溶,造成了氮素淋移。

3.3 春小麥茬水氮處理對(duì)復(fù)種油菜土壤水分分布及利用的影響

寧夏引黃灌區(qū)降雨主要集中在夏季,嘗試種植填閑作物提高休閑期水分利用效率是否可行,還存在一定爭(zhēng)議。填閑作物生長(zhǎng)一方面會(huì)消耗土壤水分;另一方面則可以通過(guò)遮蔭抑蒸降低水分損失,并通過(guò)改良土壤物理結(jié)構(gòu)來(lái)促進(jìn)水分有效存貯。種植填閑作物后下一季作物播種前的土壤水分狀況與常規(guī)處理的接近,即不會(huì)大幅增加水分消耗而影響下一季作物的水分供應(yīng)[9]。而鄧建強(qiáng)等[37]發(fā)現(xiàn)引種飼用油菜顯著降低了小麥播前土壤貯水量。本文認(rèn)為種植綠肥作物消耗了夏季降水,油菜收獲后較播前各處理土壤貯水量均有不同的變化;高氮處理的油菜土壤貯水量變化最小,原因是高氮處理促進(jìn)了油菜的生長(zhǎng)和水分消耗,導(dǎo)致土壤貯水量變化不大,甚至有較播前出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。不施氮處理土壤貯水量較播前的增加61 mm。由于本試驗(yàn)沒(méi)有設(shè)置裸地對(duì)照,無(wú)法判斷復(fù)種油菜對(duì)下一季春小麥播前土壤貯水量的影響。但是引黃灌區(qū)有冬灌的習(xí)慣,油菜季消耗的水分可以通過(guò)冬灌補(bǔ)充。甚至通過(guò)消耗夏秋雨季的降水為土壤容納冬灌水分提供空間,減少冬灌水分的深層滲漏。與不施氮處理相比,春小麥茬施氮處理顯著提高了油菜的水分利用效率和灌溉水利用效率及降水生產(chǎn)效率,說(shuō)明氮肥后效對(duì)后茬作物水分利用效率和灌溉水利用效率及降水生產(chǎn)效率也有顯著的影響。而在施氮處理下,春小麥茬節(jié)水20%處理油菜的水分利用效率和灌溉水利用效率及降水生產(chǎn)效率較高。水分利用效率隨著灌溉定額的增加,呈“先升后降”的趨勢(shì)[38],這可能說(shuō)明春小麥茬節(jié)水20%處理對(duì)提高油菜水分利用效率和灌溉水利用效率及降水生產(chǎn)效率有同樣的積極作用。由于這僅為一年的試驗(yàn)結(jié)果,還需更長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。

4 結(jié)論

1)在本試驗(yàn)條件下,春小麥茬氮肥處理顯著提高了后茬油菜產(chǎn)量,其中常規(guī)施氮處理油菜產(chǎn)量達(dá)5937～6641 kg·hm-2;同時(shí)常規(guī)施氮提高了油菜殘留氮肥利用率,但減氮處理提高了春小麥-油菜復(fù)種體系的累積氮素利用率。

2)油菜水分利用效率與灌溉水利用效率隨春小麥茬氮肥施用量增加而提高,后茬油菜灌溉水利用效率提高1.07～1.80 kg·hm-2;水分利用效率提高0.22～1.36 kg·hm-2,降水生產(chǎn)效率提高8.5～37.9 kg·mm-1。春小麥茬節(jié)水20%處理提高了油菜灌溉水利用效率與水分利用效率及降水生產(chǎn)效率。

3)復(fù)種油菜減少了施氮處理上層土壤礦質(zhì)氮?dú)埩?收獲后常規(guī)施氮處理0～40 cm 土層土壤礦質(zhì)氮累積量較播前下降18%～42%;而油菜翻壓還田經(jīng)過(guò)冬季凍融后顯著提高了上層土壤礦質(zhì)氮累積量,且礦質(zhì)氮累積量的增幅與小麥茬施氮量呈正比。