連續不同施氮對小麥-玉米輪作農田土壤理化性狀的影響

安志超，黃玉芳，馬曉晶，李 帥，師海彬，葉優良

(1.河南農業大學資源與環境學院，河南鄭州 450002； 2.陜西省渭南市農技推廣中心，陜西渭南 715500)

連續不同施氮對小麥-玉米輪作農田土壤理化性狀的影響

安志超1，黃玉芳1，馬曉晶1，李 帥1，師海彬2，葉優良1

(1.河南農業大學資源與環境學院，河南鄭州 450002； 2.陜西省渭南市農技推廣中心，陜西渭南 715500)

為明確施氮量對農田土壤理化形狀的影響，以小麥-玉米輪作體系為研究對象，通過4年連續定位試驗，比較了連續不同施氮處理對不同土層土壤理化指標的影響。結果表明，連續不同施氮處理對土壤有機質和全氮含量、碳氮比、土壤容重有顯著影響，但對pH的影響較小。在0～30 cm土層，土壤有機質和全氮含量隨施氮量的增加而增加，當施氮量為240 kg·hm-2時，有機質含量增加速率最快，當施氮量為360 kg·hm-2時，土壤全氮含量最高。在30～60 cm和60～90 cm土層，不同施氮處理對土壤有機質、全氮含量的影響降低。綜合土壤碳氮比和容重等指標，本區域推薦施氮量為240 kg·hm-2。

小麥-玉米輪作；有機質；全氮；碳氮比；土壤容重；土壤pH

糧食安全是國家安全的重要組成部分，事關國計民生和社會政治穩定[1]。耕地是不可復制的農業自然資源，是糧食生產最重要的物質基礎。隨著經濟發展和人口增長，我國資源與環境問題日益突出，農田生態環境問題對糧食安全的威脅也日益加深。化肥在促進我國糧食增產、農民增收和保障我國糧食安全的同時，其不合理的施用也造成了利用率低、流失率過高，導致農業生態環境遭到不同程度破壞[2]，如出現土壤酸化、土壤板結、土壤質量下降等問題。探索連續施肥對土壤理化性狀的影響，對農田的可持續利用和區域資源環境與社會經濟的可持續發展具有重要作用。

目前，影響農田土壤質量的因素主要有灌溉、耕作方式、輪作方式及化肥施用量等。國內外相關研究表明，長期單施化肥對土壤的理化性質具有一定的影響[3-4]，尤其是氮肥，能夠顯著改變土壤的pH值，導致土壤酸化和土壤板結，使耕地土壤退化，生產力降低[5-7]。目前，系統分析小麥-玉米輪作條件下連續不同施氮水平對農田土壤理化性狀影響的研究尚不多見。本研究利用連續不同施氮定位試驗，分析不同施氮量對耕層土壤有機質、全氮、碳氮比、土壤容重及土壤pH的影響，旨在探究小麥-玉米輪作體系下連續不同施氮水平對土壤理化性狀的影響，為提高土壤質量和建立合理的氮素管理策略以及農田的可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試點概況

供試小麥品種為周麥16，玉米為中單909。供試肥料為尿素(含氮 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)。

試驗田位于河南禹州市順店鎮康城村，氣候屬大陸性暖溫帶季風型。供試土壤為粘壤潮土，耕層土壤pH 7.8，有機質含量18.3 g·kg-1，全氮1.58 g·kg-1，速效磷20 mg·kg-1，速效鉀142 mg·kg-1。0～30 cm土壤容重為1.45 g·cm-3。作物種植方式為小麥-玉米輪作，秸稈全部還田。

1.2 試驗設計

試驗從2011年9月開始，為不同氮肥用量定位試驗。試驗共設0、120、180、240、360 kg·hm-2五個施氮水平，分別用N0、N120、N180、N240、N360表示。小麥季和玉米季的施肥相同。小麥季氮肥1/2在小麥播前作基肥施入，1/2在小麥拔節期開溝追施；玉米季氮肥1/3在播種前施入，2/3在玉米大喇叭口期開溝追施。磷、鉀肥全部基施，小麥、玉米季磷、鉀肥用量均為P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。小區面積為48 m2，重復3次，隨機區組排列。播前將肥料在每個小區均勻撒施，深翻入土。田間管理同當地大田，在播種后澆蒙頭水，后期根據墑情灌溉，分別在小麥的越冬期和玉米3～5葉期進行化學除草，在小麥、玉米拔節期防治病蟲害。

1.3 土壤樣品采集與測定

試驗開始前，在2011年9月采集基礎土樣，取樣時間用T0表示。其余土壤樣品采集于2012年9月以及2013、2014、2015年的6月和9月，按時間順序分別用T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7表示。使用土鉆采集0～90 cm土壤，每30 cm一層。于2015年9月玉米收獲后第10天測定表層土壤(0～10 cm)的容重。土壤容重的測定用環刀法。土壤pH用電極法測定，水土比為2.5∶1。土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2010 和SPSS 19.0 進行數據計算與統計分析，采用OriginPro 2016繪圖，用Duncan 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理對土壤有機質含量的影響

由圖1可以看出，不同施氮量下土壤有機質含量變化差異明顯。在0～30 cm土層，從2011年9月到2015年9月，N0和N120處理土壤有機質含量整體呈下降趨勢；施氮量為180和240 kg·hm-2時，土壤有機質含量呈上升趨勢；當施氮量達到360 kg·hm-2時，土壤有機質含量增幅較小；T7時期不同施氮處理土壤有機質含量差異均達到顯著水平(P<0.05)。在30～60 cm土層，N0、N120處理土壤有機質含量均呈下降趨勢；N180處理土壤有機質含量基本保持不變；N240、N360處理土壤有機質含量呈上升趨勢；T7時期，N0與N120差異不顯著，N240與N360差異不顯著(P<0.05)。在60～90 cm土層，N0處理的土壤有機質變化不大，其他處理的土壤有機質含量均下降；T7時期，N0處理土壤有機質含量顯著高于N180、N240(P<0.05)。說明在小麥-玉米輪作體系中，一定施氮量可以提高0～60 cm土壤有機質含量。

0～30 cm土層土壤有機質含量與持續施氮時間具有一定的相關性(表1)。其中，N0、N120處理的有機質含量與持續施氮時間呈負相關，且相關性較高，相關系數分別為0.893 4和0.892 8；N180、N240處理土壤有機質含量與持續施氮時間呈正相關，即隨著施氮時間的延長，0～30 cm土層土壤有機質含量逐漸上升；而N360處理土壤有機質含量與持續施氮時間相關性較低。在5個施氮水平下，N0處理的斜率絕對值較大，說明在連續不施氮肥條件下，土壤有機質含量下降速率最快。

2.2 不同施氮處理對土壤全氮含量的影響

2011-2015年，不同施氮處理土壤全氮含量變化趨勢不一致(圖2)。0～30 cm土層，N240處理土壤全氮在1.58～1.71 g·kg-1之間，變幅不大。N0、N120和N180處理土壤全氮含量均成下降趨勢，其中N0處理土壤全氮含量下降幅度較大，達到0.93 g·kg-1。N360處理土壤全氮含量呈上升趨勢，上升速率為0.18 g·kg-1·yr-1。T7時期不同施氮處理間土壤全氮含量差異均達到顯著水平(P<0.05)。30～60 cm土層，N240、N360處理土壤全氮含量呈上升趨勢，但上升幅度不大，其余3個處理均呈下降趨勢；各處理土壤全氮含量在試驗期前兩年的變化速率較大，然后整體變化趨勢平緩。60～90 cm土層，5個施氮處理的土壤全氮含量變化均不大，特別是N0處理，與0～30 cm土層土壤全氮含量與持續施氮時間也具有一定的相關性(表2)。其中，N0、N120、N180處理的土壤全氮含量與持續施氮時間呈負相關，相關系數分別為0.866 9、0.692 5和0.582 9；N240、N360處理土壤全氮含量與持續施氮時間T呈正相關，以N360處理的相關性最高(0.933 4)。在5個施氮水平下，N0處理的斜率絕對值最大，其次為N360處理，說明連續不施和連續施用360 kg·hm-2的氮肥，能夠分別顯著降低和提高0～30 cm土層土壤全氮含量。

圖1 連續不同施氮處理對土壤有機質含量的影響

處理Treatment擬合方程RegressionequationR2N0Y=-0.0614X+17.8840.8934N120Y=-0.0373X+18.4000.8928N180Y=0.0630X+18.8080.5351N240Y=0.0730X+18.9470.4880N360Y=0.0036X+19.1130.0070

持續施氮時間是土壤采集時間距2011年9月的月份。下表同。

Continuous nitrogen application time is months from the beginning of September 2011 to the collecting time of soil sampling. The same in table 2.

0～30 cm和30～60 cm土層相比，無明顯下降趨勢。T7時期0～30 cm土壤全氮含量隨著施氮量的增加而增加。其中，N0處理土壤全氮含量最低，為0.65 g·kg-1，顯著低于其他施肥處理(P<0.05)；N360土壤全氮含量達到最高，含量為2.30 g·kg-1，而N120和N180處理土壤全氮含量無顯著差異。

圖2 連續不同施氮對土壤全氮含量的影響

處理Treatment擬合方程RegressionequationR2N0Y=-0.0209X+0.15820.8669N120Y=-0.0051X+1.53520.6925N180Y=-0.0053X+1.60810.5829N240Y=0.0019X+1.61090.5217N360Y=0.0145X+1.65120.9334

2.3 連續不同施氮處理對土壤C/N的影響

農田生態系統碳、氮循環是最基本的生態過程，影響作物產量和肥料利用率，是農業可持續發展的基礎[8]。2015年9月測定不同施氮處理下土壤C/N發現(圖3)，N0處理的土壤C/N最高，達13.65，顯著高于其他施氮處理。N120與N240、N180與N240處理之間土壤C/N無顯著差異；當施氮量達到360 kg·hm-2時土壤C/N為4.81，顯著低于其他施氮處理。

2.4 連續不同施氮處理對土壤容重的影響

由圖4可見，不同施氮處理對土壤容重的影響不同，以N0處理的土壤容重最高，為1.44 g·cm-3，其次為N120與N180處理，三者差異不顯著。N240和N360處理的土壤容重最低，為1.30 g·cm-3。基本呈隨著施氮量的增加容重降低趨勢。

2.5 連續不同施氮處理對土壤pH的影響

由表3可見，0～30 cm土層不同施氮處理在T1～T7的7個時期pH值波動較大。在N0處理下，T5時期土壤pH值顯著高于T2、T3、T4、T7。N120處理下，T5、T6時期土壤pH值顯著高于其他5個時期。在N180處理下，T5、T6時期土壤pH值顯著高于T1、T3時期。在N240處理下，T5、T6、T7時期的土壤pH值與T2、T3時期的pH值差異顯著。在N360處理下，T5時期的土壤pH值與T1、T2、T3、T4時期的pH值差異顯著。對同一時期的不同施氮處理分析發現，7個時期的不同施氮處理間土壤pH的差異均不顯著(P<0.05)。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters above bars mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same below.

圖3連續不同施氮處理對土壤C/N的影響

Fig.3EffectofdifferentnitrogenapplicationtreatmentsonsoilC/N

圖4 不同施氮處理的土壤容重變化

3 討 論

土壤理化性狀是評價土壤質量的重要指標，土壤質量取決于土壤的自然組成部分，主要與土壤的成土地理環境、母質等相關，也與人類的利用和管理方式有關，與化學性狀相比，土壤物理性狀指標相對較穩定，因此，通過農業活動改變土壤的物理性狀較為緩慢。本試驗結果表明，在冬小麥-夏玉米輪作體系下，連續不同施氮處理在一定程度上對土壤有機質、全氮、碳氮比和容重等有不同影響。其中，土壤有機質在一定范圍內隨著施氮量的增加而增加，施氮量過高不利于土壤有機質含量的累積，與趙亞麗等[9]的研究結果不同，這可能與田間管理措施、土壤類型和土壤原始有機質含量水平有關。在不同時期，土壤有機質含量呈波動上升或下降趨勢。這可能是由于氣候(氣溫和降雨)在很大程度上決定了作物生物產量和植物殘體的分解過程，是土壤有機質的重要控制因子[10]，在小麥和玉米生育期內的氣溫、降雨因素以及小麥和玉米季秸稈還田量的不同導致了有機質含量的波動。與李歡歡等[11]的研究結果一致，本研究也證明了土壤全氮含量隨著施氮量的增加而增加，但60～90 cm土層的全氮含量受施氮量的影響較小。這表明根系對60～90 cm土層養分的吸收力度較為弱小，與王志芬等[12]的研究相吻合。

表3 0～30 cm土層不同時期的土壤pH值Table 3 Soil pH in 0-30 cm soil layer at different periods

同行數據后不同字母表示不同時期差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data at same line mean significant difference among different time(P<0.05).

土壤容重是土壤的物理指標之一，反映了土壤的松緊狀況，直接影響土壤通氣性和植物根系的發育。土壤過松則植物根系不牢，保水能力差，漏風跑墑；土壤過緊則通氣透水性差，易產生地面積水或地表徑流，影響養分轉化[13]。研究顯示，高肥力土壤較低肥力土壤容重低0.3 g·cm-3[14]，這與本研究結果(隨著施氮量的增加土壤容重降低)一致，說明施氮可以降低土壤容重，利于植物扎根，吸收養分。

土壤pH是決定農田土壤質量的重要特征參數之一，眾多研究結果表明，連續施用化學氮肥可使農田耕層土壤pH下降，且隨著施氮量的增加而降幅增加[5-6,15]。但是本研究發現，施氮量對土壤pH值的影響不大，且不同時期土壤pH值波動較大，這可能是由于一方面，土壤具有一定的緩沖性，農田土壤需要通過一定長的時間來對不同田間管理措施做出響應；另一方面，土壤pH的改變是由田間管理等多種因素造成的。

綜上所述，氮肥的施用不僅僅要以產量和利用效率為基礎，更要考慮氮肥對土壤質量的影響，統籌兼顧，在保證土壤質量的基礎上實現高產高效。

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EffectofDifferentContinuousNitrogenApplicationonSoilPhysicochemicalPropertiesinWheat-MaizeRotationSystem

ANZhichao1,HUANGYufang1,MAXiaojing1,LIShuai1,SHIHaibin2,YEYouliang1

(1.Resources and Environmental Sciences,Henan Agricultural University,Zhengzhou,Henan 450002,China;2.Agriculture Technical Extension Centre,Weinan,Shaanxi 715500,China)

To discuss the effect of nitrogen application rate on soil quality,a 4-year continuous positioning test was conducted in wheat-maize rotation system,comparing the changes of soil physical and chemical indices in different soil layers under the continuous nitrogen application. The results indicated that different continuous nitrogen application rate had significant effect on soil organic matter,total nitrogen,C/N ratio and soil bulk density,while it had little effect on soil pH. In 0-30 cm soil layer,soil organic matter and total nitrogen content was increased with the increasing of nitrogen application rate. When the nitrogen application rate reached 240 kg·hm-2,soil organic matter content increased the fastest,and when the nitrogen application rate was 360 kg·hm-2,soil total nitrogen content was the highest. In 30-60 cm and 60-90 cm soil layers,the effects of different nitrogen treatments on soil organic matter and total nitrogen content were decreased. According to soil nitrogen and carbon ratio and bulk density,nitrogen fertilizer in this region is recommended as 240 kg·hm-2.

Wheat-Maize rotation; Soil organic matter; Total nitrogen; C/N ratio; Soil bulk density; Soil pH

時間：2017-11-14

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.014.html

2017-02-23

2017-06-20

國家自然科學基金項目(31471935)

E-mail：anzc1991@163.com

葉優良(E-mail：ylye2004@163.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1461-06