華北平原麥-玉年際輪作的土壤氮磷鉀分布及淋洗研究

趙影星 宋 彤，2 陳源泉 王 彪 劉 晴 隋 鵬*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.淄博市數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展中心，山東 淄博 255000)

華北平原作為我國三大糧食主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)作物的播種面積和糧食產(chǎn)量約占全國的31%和36%[1]。華北平原麥-玉生產(chǎn)區(qū)主要為冬小麥-夏玉米(麥-玉)復(fù)種連作種植模式，多年過度單一的種植制度導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤礦質(zhì)營養(yǎng)被片面地消耗，作物產(chǎn)量品質(zhì)下降，土壤結(jié)構(gòu)不良[2]。由于不同作物對養(yǎng)分存在專一性或者選擇性吸收，多年的復(fù)種連作容易造成土壤養(yǎng)分的不均衡變化[3]，加上生產(chǎn)施肥管理方式不科學(xué)，導(dǎo)致某種營養(yǎng)元素過度消耗或重度積累，這將降低作物抗性，造成作物因缺乏某種營養(yǎng)元素而影響正常生長，不僅造成作物的產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣，而且養(yǎng)分過度失衡會導(dǎo)致絕收[4-6]。2016年的中央一號文件[7]提到，鼓勵(lì)利用輪作、休耕、退耕和替代種植等多種方式，對地下水漏斗區(qū)、重金屬污染區(qū)和生態(tài)嚴(yán)重退化地區(qū)等進(jìn)行綜合治理。2020年中央一號文件[8]也提到要穩(wěn)定糧食產(chǎn)量，推進(jìn)農(nóng)藥化肥減量行動，穩(wěn)步推進(jìn)農(nóng)用耕地土壤污染管控和修復(fù)再利用。因此，對土壤養(yǎng)分分布和淋洗狀況的研究有助于了解不同種植模式農(nóng)田土壤養(yǎng)分的發(fā)展趨勢，促進(jìn)農(nóng)田土壤的健康可持續(xù)發(fā)展。

不同作物的生物學(xué)特性、形態(tài)特征(如株高、葉長和根系分布等)不同，因而作物對土壤養(yǎng)分的消耗時(shí)期、消耗種類、消耗量和吸收利用效率也不同。合理布局不同營養(yǎng)生態(tài)位作物，使其生長發(fā)育得以互補(bǔ)，可以使光、熱、水、氣和土等各種營養(yǎng)元素得到充分利用，使作物均衡利用土壤中的各種養(yǎng)分[9]。不同種屬的作物對養(yǎng)分存在著專性與選擇性吸收，谷類作物，例如水稻，玉米和小麥等，可以吸收較多的氮，磷和硅，但吸收的鈣較少；豆類作物對氮和鈣存在偏性消耗，但對硅吸收量較小；油菜、蕎麥和燕麥等作物可以吸收與利用較多的難溶性磷，而小麥、玉米和棉花等作物吸收難溶性磷的能力較弱[10]。已有研究表明，實(shí)行作物輪作有利于土壤養(yǎng)分均衡利用，提高土壤肥力和養(yǎng)分資源利用率，實(shí)現(xiàn)糧食高產(chǎn)[11-14]。作物輪作對環(huán)境有多重影響，通過減少徑流和土壤侵蝕來維持和改善地表水質(zhì)量，通過減少養(yǎng)分淋失來改善地下水質(zhì)量，以及通過影響土壤微生物群落來保持土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力[15]。輪作充分利用作物-土壤的協(xié)同關(guān)系，可以減少土壤病蟲害，改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，提高土壤肥力，有助于提高土地利用效率和產(chǎn)量，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益[12,16]。

目前，在關(guān)于輪作模式下的土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律的研究中，輪作模式主要有以稻麥輪作，大棚蔬菜-水稻輪作為代表的水旱輪作和以其他作物+麥-玉輪作為代表的旱地輪作[17-18];同時(shí)氮的養(yǎng)分遷移主要以硝態(tài)氮的淋溶研究為主[19]。氮是作物生產(chǎn)中最重要的元素之一[20]，然而由于氮肥利用效率低，部分氮肥施入土壤后主要通過淋溶和徑流流失到環(huán)境中，這是世界范圍內(nèi)作物集約生產(chǎn)區(qū)域都存在的問題[21]。土壤養(yǎng)分淋洗是指土壤中的養(yǎng)分經(jīng)溶解、擴(kuò)散和移動，最后隨下滲水排出土體的全部過程，土壤溶液被喻為“土體的血液循環(huán)”，土壤溶液中的養(yǎng)分濃度比土體中有效養(yǎng)分含量更能反映土壤養(yǎng)分的新動態(tài)[22]。在西班牙的東北部，種植黑麥草、飼用油菜和黑燕麥3種填閑作物，可以防止養(yǎng)分向環(huán)境中淋失，是一種農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的措施[23]。Liang等[24]通過對加拿大愛德華王子島省夏洛特頓市的馬鈴薯→大豆→大麥輪作模式研究發(fā)現(xiàn)，輪作可以提高馬鈴薯產(chǎn)量，同時(shí)減少氮的淋失。在巴基斯坦開展稻→麥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮淋失量在水稻生長過程中高于小麥，同時(shí)在當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的基礎(chǔ)上提高15%的施氮量，可以減少氮損失并提高作物產(chǎn)量[25]。對法國北部地區(qū)11種種植制度的3年檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮素淋失的2個(gè)主要交互驅(qū)動因子是作物種植序列和土壤狀況，因此為了提高種植制度的氮素利用效率，采用包括土壤淋溶敏感性在內(nèi)的多準(zhǔn)則方法進(jìn)行種植制度間的對比[26]。綜上，對多樣化輪作模式的土壤養(yǎng)分分布和淋洗狀況進(jìn)行系統(tǒng)的研究，不僅為農(nóng)田土壤的健康可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)，也可為篩選適合的新型輪作種植模式提供重要的理論依據(jù)。

在全球范圍內(nèi)，以有限的農(nóng)業(yè)資源滿足日益增長的糧食需求是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)[27-28]。華北平原小麥和玉米產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)量的75%和31%[29]，因此構(gòu)建基于麥-玉的新型年際間輪作種植模式尤為重要，一方面保證國家對于小麥和玉米的需求，同時(shí)改善區(qū)域性的土壤質(zhì)量問題[30]。對基于麥-玉的多樣化輪作模式土壤養(yǎng)分分布和淋洗狀況研究目前鮮見報(bào)道。本研究基于農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡的前提，2016—2019年構(gòu)建春玉米→麥-玉、冬小麥→麥-玉、春花生→麥-玉、冬小麥-夏花生→麥-玉和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉5種2年輪作模式，利用滲漏池和陶瓷杯提取的方法，測定輪作模式的土壤養(yǎng)分分布和淋洗狀況，旨在對新型輪作模式進(jìn)行評價(jià)，以期為該區(qū)域篩選合理的水肥運(yùn)籌的輪作模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本研究于2016年10月—2019年10月在河北省滄州市吳橋縣中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站(37°41′ N，116°37′ E)開展，該區(qū)地處黑龍港流域中部，暖溫帶季風(fēng)氣候，試驗(yàn)期間年均降雨量594.9 mm，其中2018年降雨量最多，達(dá)到了813.6 mm，年均氣溫12.9 ℃，年日照時(shí)間為2 568.6 h。0～20 cm土質(zhì)為壤質(zhì)黏潮土，容重為1.40 g/cm3，pH 8.13，有機(jī)碳為4.82 g/kg，全氮為0.78 g/kg，有效磷為19.11 mg/kg，速效鉀為156.69 mg/kg。試驗(yàn)期間月均溫和降雨量，見圖1。

圖1 2016—2019年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站的月均溫和月降雨量Fig.1 The monthly average temperature and precipitation from 2016 to 2019 in Wuqiao Experimental Station,China Agricultural University

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以冬小麥-夏玉米復(fù)種連作(麥-玉復(fù)種模式)為對照，一方面考慮到華北平原冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量保障，另一方面在作物適用性的基礎(chǔ)上考慮到糧食作物、油料作物、飼料作物的需求和搭配，設(shè)置春玉米→麥-玉(春玉米模式)、冬小麥→麥-玉(冬小麥模式)、春花生→麥-玉(春花生模式)、冬小麥-夏花生→麥-玉(冬小麥-夏花生模式)和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉(馬鈴薯-青貯玉米模式)5種2年輪作模式。在3年輪作試驗(yàn)期間，2016-10—2017-09為多種作物種植季，定義為2017輪作年；2017-10—2018-09均為冬小麥-夏玉米種植季，定義為2018麥-玉年；2018-10—2019-09為多種作物種植季，定義為2019輪作年。不同模式作物種植順序，見圖2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)輪作模式設(shè)置3次重復(fù)，一共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為2 m×2 m=4.0 m2。田間管理依據(jù)大田生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行，各作物具體田間管理措施基于不同作物的特性和需求，見表1。夏玉米、春玉米、青貯玉米氮肥的底肥∶拔節(jié)追肥比為1∶1，馬鈴薯氮肥的底肥∶結(jié)薯期追肥比為4∶6，冬小麥氮肥的底肥∶拔節(jié)追肥比為6∶4，磷肥和鉀肥均于播種時(shí)一次性施入。作物收獲后，除青貯玉米秸稈用做家畜飼料外，其余作物秸稈均碾碎后還田。

圖2 不同種植模式的作物種植順序Fig.2 The order of crop rotation

表1 不同作物田間管理措施Table 1 The management of different crops

各小區(qū)之間用混凝土修筑的滲漏池隔開，滲漏池底部及側(cè)面進(jìn)行防水處理。底部為斜面，鋪30 cm 粗砂防止土壤顆粒隨水流失。斜面最低處設(shè)排水口，通過PVC管連接到接水容器內(nèi)。在滲漏池側(cè)部修筑約2.2 m高的地下監(jiān)測室用于滲漏水監(jiān)測與取樣。于2019年4月在距土壤表面50，70，120和170 cm處安裝陶瓷杯提取器，在210 cm處連接滲漏桶接取滲漏水。待土體穩(wěn)定3個(gè)月后開始采集陶土管水樣，采樣時(shí)間為每次灌溉、施肥和較大降水后的1、3、5和7 d，之后每周測1次。定期收集滲漏桶中的滲漏水，并采用量筒測定淋失水量，搖勻后采集水樣冷凍保存，以3個(gè)重復(fù)的平均值作為該處理的時(shí)段滲漏水量。

1.2.2測定指標(biāo)

1)土壤、土壤溶液及滲漏水收集

2016年10月開始采集0～20和>20～50 cm土壤用做測定初始樣品；在2017和2018年秋季作物收獲后，采集0～20 cm土壤樣品；2019年秋季作物收獲后，分層采集0～20和>20～50 cm土壤樣品，其中一部分置于-20 ℃保存，一部分置于陰涼干燥處自然風(fēng)干。陶瓷杯提取器取樣時(shí)間為每次灌溉、施肥和較大降雨后的1、3、5和7 d，之后每周測1次。每次采樣時(shí)，手動壓力大約-7 MPa，24 h后收集土壤溶液。根據(jù)灌溉和降雨不定期收集滲漏桶中的滲漏水，采用量筒測定滲漏水量并冷凍保存，作為該處理時(shí)段的滲漏水量。2019年選取具有代表性的5個(gè)時(shí)間(08-03、08-13、08-19、09-02和10-03)，用陶瓷杯提取器采集水樣。

2)養(yǎng)分指標(biāo)測定

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮：土壤樣品使用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，稱出約10 g的新鮮土壤樣品，在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，計(jì)算土壤的含水量。另稱取10 g鮮土，加入50.00 mL、0.01 mol/L CaCl2溶液，在搖床上振蕩30 min，轉(zhuǎn)速為180 r/min。靜置5 min后，用定性濾紙將上清液過濾，取適當(dāng)濾液放入10 mL的離心管中，使用連續(xù)流動分析儀測定，并計(jì)算銨態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度。無機(jī)氮包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和極少量的亞硝態(tài)氮，本研究將銨態(tài)氮和硝態(tài)氮記為無機(jī)氮。

土壤有效磷：土壤樣品使用0.5 mol/L NaHCO3浸提，采用鉬銻抗比色法測定[31]。

水樣中總磷：采用流動分析儀測定[32]。

速效鉀：土壤樣品使用l mol/L CH3COONH4浸提，采用火焰光度法測定[33]。

水樣中總鉀：采用火焰光度計(jì)測定[34]。

養(yǎng)分淋失量，kg/hm2：養(yǎng)分淋失量=210 cm處土壤溶液養(yǎng)分質(zhì)量濃度×通過210 cm界面的土壤水通量。

3)氣象數(shù)據(jù)

來源于河北省吳橋縣氣象局。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016處理和繪圖，用SPSS 25.0系統(tǒng)軟件進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式土壤養(yǎng)分變化動態(tài)

由表2可知，經(jīng)過3年的輪作種植，冬小麥模式和春玉米模式土壤無機(jī)氮含量均顯著高于對照，且冬小麥模式土壤無機(jī)氮含量最高。冬小麥模式和春玉米模式的0～20 cm土層無機(jī)氮含量比對照模式約高出2.8和1.4倍，>20～50 cm土層無機(jī)氮含量比對照高出2.6和0.7倍。0～50 cm土層有效磷含量較高的模式有冬小麥模式、春花生模式和冬小麥-夏花生模式。冬小麥模式的0～20 cm土層速效鉀含量顯著高于其他5種種植模式且高于初始值，馬鈴薯-青貯玉米模式和春花生模式的土壤速效鉀含量最低。因?yàn)轳R鈴薯是喜鉀作物且青貯玉米不還田，所以馬鈴薯-青貯玉米模式土壤速效鉀含量下降最劇烈。綜上所述，冬小麥模式表層土壤無機(jī)氮、有效磷和速效鉀含量較高，冬小麥-夏花生模式與對照相似，馬鈴薯-青貯玉米模式最差。

2.2 不同輪作模式不同土層土壤溶液養(yǎng)分狀況

由表3可知，2019-08—10月不同輪作模式0～50 cm土壤溶液無機(jī)氮濃度隨著時(shí)間的延長逐漸降低，于10月份稍有上升。麥-玉復(fù)種模式的土壤溶液無機(jī)氮濃度顯著高于其他5種模式，這主要是因?yàn)樵撃Ｊ娇偸┓柿枯^高(810 kg/hm2)；冬小麥-夏花生模式、春花生模式和冬小麥模式在0～70與0～120 cm無機(jī)氮濃度較高，可能因?yàn)樵摰貐^(qū)6—9月份降雨較多，養(yǎng)分隨水向下淋洗。6種輪作模式在0～120和0～170 cm的土壤溶液無機(jī)氮濃度波動幅度不大，冬小麥-夏花生模式在這兩個(gè)層次的土壤溶液中無機(jī)氮濃度最高。

表3 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土層土壤溶液無機(jī)氮濃度Table 3 Soil solution inorganic nitrogen concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

由表4可知，不同層次的土壤溶液總磷濃度無顯著變化，0～50、0～70、0～120和0～170 cm各處理土壤溶液中總磷平均濃度分別在7.48～15.74，6.56～12.59，5.90～11.33和7.54～9.52 mg/L，其中0～170 cm處總磷濃度波動幅度最小，說明深層土壤溶液的總磷濃度受農(nóng)田表層的影響較小。春花生模式的0～70 cm土壤溶液總磷和總鉀含量較高(表5)，有利于滿足春花生對于養(yǎng)分的需求；冬小麥-夏花生模式和麥-玉復(fù)種模式0～120 cm左右的土壤溶液總磷含量較高，冬小麥-夏花生模式和春玉米模式在0～120 cm土壤溶液總鉀濃度較高，原因可能是玉米和花生根系主要集中在0～40 cm土層中，因此可能引起地下水的污染。各模式0～170 cm處的土壤溶液總鉀濃度基本相似，差異范圍在1.34～5.80 mg/L。

表4 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和170 cm土層土壤溶液總磷濃度Table 4 Soil solution total phosphorus concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

表5 不同輪作種植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土層土壤溶液總鉀濃度Table 5 Soil solution total potassium concentrations in 0-50,0-70,0-120,0-170 cm soil layer under different rotation patterns mg/L

2.3 不同輪作模式土壤水分滲漏量與養(yǎng)分淋失量

由表6可知，2018-10—2019-10土壤水分滲漏主要發(fā)生在一年當(dāng)中的8—10月，且隨著時(shí)間的延長，各模式土壤水分滲漏量均逐漸減少。不同輪作模式間，冬小麥模式的水分滲漏量均較高，這主要是因?yàn)樵谟昙荆撃Ｊ酵恋靥幱谛莞麪顟B(tài)，沒有強(qiáng)大的作物根系固持水分。在2018-10-08，水分滲漏量增大，這是因?yàn)榉N植冬小麥前灌溉底墑水75 mm，而其他模式的水分滲漏量并無顯著變化，春花生模式由于周年灌溉量較小，因此水分滲漏量較小。

6種輪作種植模式不同時(shí)段的土壤養(yǎng)分淋失量損失主要發(fā)生在一年當(dāng)中的8—10月。由表7可知，冬小麥模式全年總無機(jī)氮淋失量為3.12 kg/hm2，分別比麥-玉復(fù)種模式、春玉米模式、馬鈴薯-青貯玉米模式、冬小麥-夏花生模式和春花生模式高1.92、1.50、1.53、1.41和2.58 kg/hm2，春花生模式無機(jī)氮淋失量最低。冬小麥模式雨季無根系固持水分導(dǎo)致其養(yǎng)分滲漏量較大，土壤滲漏液無機(jī)氮平均濃度為16.12 mg/L，盡管低于我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)20.00 mg/L，但仍存在污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。田間土壤總磷的累計(jì)淋失量在0.38～1.44 kg/hm2，春花生模式的總磷淋失量較低，一方面是因?yàn)槭┝追柿孔钚。硪环矫媸窃撃Ｊ焦喔攘啃。譂B漏量小(表6)。冬小麥模式和冬小麥-夏花生模式在各時(shí)段的土壤總磷淋失量均較高，分別占當(dāng)年磷肥施用量的1.28%和0.40%，盡管其淋失總量較小，二者的平均濃度卻分別達(dá)到8.000和9.000 mg/L，超過了引發(fā)水體富營養(yǎng)化的0.020～0.035 mg/L濃度。總鉀淋失量相對于無機(jī)氮和有效磷較大，累計(jì)淋失量在2.07～7.66 kg/hm2，這主要是因?yàn)闈B漏液中總鉀含量較高。冬小麥模式的總鉀淋失量均高于其余幾種模式，其全年總鉀淋失量占當(dāng)年施肥量的3.40%。冬小麥模式因雨季無作物根系固持水分，水分滲漏量最大，同時(shí)土壤養(yǎng)分含量高，造成無機(jī)氮、總磷和總鉀淋失量較高；春花生模式由于周年灌溉量低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分淋失量小。

表7 不同輪作種植模式不同時(shí)段的養(yǎng)分淋失量Table 7 Nutrient leaching loss at different time in different rotation cropping patterns kg/hm2

3 討 論

3.1 輪作模式對土壤肥力的影響

在土壤養(yǎng)分分布中，冬小麥→麥-玉模式和春玉米→麥-玉模式的土壤無機(jī)氮含量顯著優(yōu)于麥-玉復(fù)種模式；春花生→麥-玉模式和冬小麥→麥-玉模式0～50 cm土壤有效磷含量下降幅度最小，各模式均應(yīng)適當(dāng)加大磷肥投入；冬小麥→麥-玉模式，冬小麥-夏花生→麥-玉模式和麥-玉復(fù)種模式的土壤速效鉀含量較高，馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式的土壤速效鉀含量較低，應(yīng)適當(dāng)加大鉀肥投入。結(jié)合養(yǎng)分管理情況，冬小麥→麥-玉模式更有利于保持表層土壤健康，春玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式次之。土壤肥力受不同輪作種植模式影響，在河北省石家莊市欒城區(qū)中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站開展了不同的輪作模式土壤養(yǎng)分分析試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)麥-玉模式和棉花連作模式對土壤中氮、磷、鉀的消耗量最高，土壤退化情況最嚴(yán)重，糧-棉-薯模式和糧-花生模式有利于土壤養(yǎng)分良性發(fā)展[35]。陳丹梅等[36]針對烤煙、油菜、玉米、苕子和水稻作物進(jìn)行輪作模式研究發(fā)現(xiàn)，烤煙-油菜-玉米和烤煙-油菜-水稻輪作模式的土壤有效氮含量在基礎(chǔ)地力水平上提高了10%～32%，土壤有效磷含量比基礎(chǔ)地力增加1倍以上。呂毅等[37]研究也發(fā)現(xiàn)小麥-小蔥輪作模式提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，小麥-馬鈴薯輪作可提高土壤速效氮、有效磷及微量元素的含量。因此，改變?nèi)A北平原長期的冬小麥-夏玉米(麥-玉)復(fù)種連作種植模式，探索新型輪作模式對提高土壤肥力、保持養(yǎng)分平衡顯得尤為重要[11]。

3.2 輪作模式對土壤養(yǎng)分淋洗的影響

本研究發(fā)現(xiàn)春花生→麥-玉模式0～70 cm土壤溶液總磷和總鉀濃度較高，有利于滿足作物對于養(yǎng)分的需求；冬小麥-夏花生→麥-玉模式100 cm土層以下的土壤溶液無機(jī)氮、總磷和總鉀濃度均較高，加大了地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。冬小麥→麥-玉模式因雨季無作物根系固持水分，同時(shí)土壤養(yǎng)分含量高，造成養(yǎng)分淋失量較高；春花生→麥-玉模式由于周年灌溉量低，水分滲漏量小，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分淋失量小。在不同作物輪作時(shí)，部分輪作模式可以減少土壤養(yǎng)分下滲，提高肥料利用率，減少對環(huán)境的污染。氮素淋溶主要發(fā)生在非生長季節(jié)，不同輪作作物表現(xiàn)出不同的淋溶模式[24]。張喜英[38]研究發(fā)現(xiàn)，0～120和0～170 cm的土壤溶液無機(jī)氮濃度波動幅度不大，是因?yàn)橥寥廊芤褐袩o機(jī)氮含量與根系吸收利用密切相關(guān)，而作物根系主要分布在0～100 cm土層，作物對無機(jī)氮的消耗較小導(dǎo)致對100 cm以下土層中的無機(jī)氮含量影響不大。本研究中各輪作模式無機(jī)氮淋失量與降雨量成正相關(guān)，如果長期無降雨和灌溉，隨著暴曬程度加劇，作物蒸騰作用旺盛，土壤含水量下降，無機(jī)氮的淋失量會越來越少。減少作物輪作系統(tǒng)硝酸鹽淋失的一個(gè)常見策略是在時(shí)間和空間上平衡氮供應(yīng)和作物需求，實(shí)施這一策略的一種方法是將綠肥納入輪作制度，在輪作期吸收氮，在經(jīng)濟(jì)作物期的生長季釋放氮[39]。本研究得到田間土壤總磷的淋失量較為微弱，累計(jì)淋失量在0.38～1.44 kg/hm2。這主要是因?yàn)榱姿乜梢栽谕寥廊芤褐蟹磻?yīng)生成其他礦物質(zhì)，并且下層土壤有較強(qiáng)的吸附磷素的能力，所以磷在土壤中的擴(kuò)散移動極弱[40]。因此，輪換種植不同的作物可以減少土壤養(yǎng)分下滲，減少對環(huán)境的污染。由于填閑作物能夠有效地保留土壤礦質(zhì)氮和磷以及重金屬，從而減少淋洗和徑流損失，因此可以使用填閑作物來減少2種主栽作物之間的養(yǎng)分損失。已有研究發(fā)現(xiàn)，淺根性作物成熟收獲之后，輪換種植一些根系分布較深的作物，可以更好地利用表層土壤中淋洗轉(zhuǎn)移到深層土壤中的營養(yǎng)元素，而且在水分虧缺地區(qū)能夠合理利用深層地下水[38-39]。同時(shí)，隨著下茬深根性作物的生長發(fā)育，深層土壤中的營養(yǎng)元素不斷地被吸收利用，并被土壤表層存在的大量根系固定，從而供淺根性作物吸收利用[41]。

從試驗(yàn)?zāi)晗奚蟻砜矗捎诒狙芯繗v時(shí)較短，且每年的氣候不同，因此僅靠一年的土壤溶液養(yǎng)分結(jié)果很難反映不同年型下的養(yǎng)分淋洗狀況，所以應(yīng)繼續(xù)開展多年的試驗(yàn)并獲得更可靠的試驗(yàn)結(jié)果。另，本試驗(yàn)利用滲漏池和陶瓷杯提取器設(shè)備測定了土壤溶液養(yǎng)分含量和養(yǎng)分淋失量，但對于其產(chǎn)生差異的機(jī)制尚不清晰，可以通過觀察和測定各輪作模式作物根系形態(tài)、生物量指標(biāo)及土壤孔隙度等進(jìn)行深入研究。

4 結(jié) 論

華北平原地區(qū)傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米(麥-玉)復(fù)種連作種植模式帶來的土壤蓄水保肥能力下降，地力消耗不均衡等一系列問題導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的失衡。本研究主要從減少投入，培肥地力的角度對構(gòu)建的新型輪作模式進(jìn)行評價(jià)，以麥-玉復(fù)種模式為對照，構(gòu)建春玉米→麥-玉、冬小麥→麥-玉、春花生→麥-玉、冬小麥-夏花生→麥-玉和馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉5種新型輪作模式，利用滲漏池和陶瓷杯提取器，對輪作周期內(nèi)土壤養(yǎng)分和深層土壤淋洗情況進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)與對照模式相比，冬小麥→麥-玉模式表層土壤養(yǎng)分含量較高，最有利于保持土壤肥力，春玉米→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式次之，冬小麥-夏花生→麥-玉模式與對照差異不顯著，馬鈴薯-青貯玉米→麥-玉模式最差。春花生→麥-玉模式的0～70 cm 土壤溶液總磷和總鉀濃度較高，有利于滿足作物對于養(yǎng)分的需求；冬小麥-夏花生→麥-玉模式100 cm土層以下土壤溶液中無機(jī)氮、總磷和總鉀濃度均較高，存在地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，從養(yǎng)地、減投的角度考慮，在華北平原冬小麥→麥-玉模式和春花生→麥-玉模式培肥地力效果最好。