基于不同降水年型渭北旱塬小麥–土壤系統(tǒng)氮素表觀平衡的氮肥用量研究

劉艷妮，馬 臣，于昕陽，梁 路，翟丙年*，王朝輝

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院, 陜西楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 陜西楊凌 712100）

氮素是限制小麥增產(chǎn)的主要因子[1]。在我國小麥生產(chǎn)中長期大量施用氮肥的現(xiàn)象非常普遍。作為我國西北重要的耕地資源，也是全國糧食產(chǎn)量提高潛力最大的區(qū)域之一，渭北旱塬地區(qū)過量施用氮肥的現(xiàn)象較為突出[2]，其中超過60%農(nóng)戶施氮偏高，施氮合理的僅占29.7%[3]。忽視土壤養(yǎng)分平衡而過量施用氮肥不僅不能提高小麥產(chǎn)量，還會造成土壤硝態(tài)氮大量殘留，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放增加，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境遭到破壞等一系列問題。因此，必須重視旱地農(nóng)田養(yǎng)分平衡和合理施肥。旱地土壤中的礦質(zhì)氮主要是硝態(tài)氮，0—100 cm土壤硝態(tài)氮受施氮量等因素影響，變化靈敏，適合作為土壤氮素供應(yīng)指標[4]。另外，小麥根系主要可吸收利用的分布范圍在0—100 cm[5]。目前已有學者根據(jù)養(yǎng)分歸還學說，建立了旱地小麥監(jiān)控施氮技術(shù)[6]。該技術(shù)基于土壤氮素投入和攜出平衡，以目標產(chǎn)量和收獲、播前0—100 cm土層硝態(tài)氮來確定氮肥用量。所用目標產(chǎn)量為當?shù)剞r(nóng)戶的多年冬小麥平均產(chǎn)量，而渭北旱塬是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域，降水較少，年降水量570 mm左右，且主要集中在夏季7―9月，自然降水量直接決定當?shù)匦←湲a(chǎn)量[7]，也在一定程度上決定了農(nóng)田水氮過程的變化[8]，因此該技術(shù)對于不同降水年型的產(chǎn)量和施肥量并不明確。此外，巨曉棠和谷保靜提出[9]，我國單季小麥氮素盈余量參考指標可設(shè)定為N 40 kg/hm2，既可以維持作物產(chǎn)量和土壤肥力，又可以將土壤氮素累積量保持在可承受范圍。這一指標已在華北平原地區(qū)驗證合理，而是否適用于渭北旱區(qū)？因此，本文通過陜西白水縣2011—2014年3年試驗結(jié)果，研究渭北旱塬3種降雨年型冬小麥–土壤氮庫的盈虧情況。以單季小麥氮素盈余量N 40 kg/hm2為參考指標，確定3種降水年型下推薦氮肥施用量，通過該推薦施氮量下的小麥產(chǎn)量、吸氮量和硝態(tài)氮殘留量加以驗證，并在此基礎(chǔ)上定量評價這一指標的合理性，為旱地農(nóng)田氮素管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2011年9月—2014年6月在陜西省渭南市白水縣 (北緯 109°58′，東經(jīng) 35°18′) 進行。供試土壤為黃綿土，pH 8.5，容重為1.25 g/cm3，2011年9月試驗開始前0—20 cm耕層土壤平均有機質(zhì)含量14.4 g/kg、全氮0.8 g/kg、速效氮3.7 mg/kg、速效磷9.2 mg/kg、速效鉀177.2 mg/kg。根據(jù)陜西省第二次土壤普查分級土壤養(yǎng)分含量分級指標[10](1～8級，數(shù)值越小代表養(yǎng)分含量越高)，各養(yǎng)分含量可分別達到5、5、8、6、2級，其中速效氮含量很低，速效磷含量較低，速效鉀含量較高，有機質(zhì)和全氮含量均為中等水平。

本試驗點海拔696 m，年平均氣溫11.4℃，年平均降水577 mm，降水年際變化較大，常年約60%自然降水集中于夏休閑期 (7—9月份)，為雨養(yǎng)農(nóng)田。本研究采用國內(nèi)較常用的降水年型劃分標準[11]，以小麥生育年[即休閑期 (7—9月份) + 生育期 (10 月份至次年 6 月份)] 降水量較年平均降水量增減在10%以內(nèi)為常態(tài)年，降水量減少在10%以上為干旱年，降水量增加10%以上為豐水年。2011年7月—2012年6月降水量為710.1 mm，高于年均降水量 23.1%，屬于豐水年；2012年7月—2013年6月降水量為391.4 mm，低于年均降水量 32.2%，屬于欠水年；2013年7月—2014年6月降水量為603.8 mm，高于年均降水量 4.6%，屬于平水年。氣象資料來源于西北農(nóng)林科技大學白水蘋果試驗站。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地種植作物為冬小麥，供試品種為晉麥47。2011年9月旋耕整地后機播第一季小麥，播量150 kg/hm2，行距20 cm。試驗設(shè)5個氮水平，施氮量分別為N 0、75、150、225、300 kg/hm2，分別以N0、N75、N150、N225、N300表示；各處理磷、鉀肥投入量一致，分別為P2O590 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2。試驗中所用氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。氮肥70%在播前撒施，30%在拔節(jié)期結(jié)合降水追施，磷、鉀肥均在播前一次撒施并翻入土中。重復4次，小區(qū)面積為60 m2(6 m × 10 m)。每年6月上旬收獲小麥，夏季免耕休閑，9月中下旬繼續(xù)采用上述設(shè)計播種冬小麥。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品采集 在試驗開始前 (2011年9月) 在整個試驗地采用“S”型選取10個點，采集0—20 cm土壤樣品，供土壤基礎(chǔ)肥力分析。每一生長季在冬小麥播前 (9月下旬) 和收獲期 (6月上旬) 每小區(qū)隨機選取3個點，采集各處理0—100 cm的土壤樣品(每20 cm為一層)，同一層的樣品剔除作物根系后混勻，密封帶回實驗室。土壤含水量用烘干法 (105℃下烘24 h) 測定；土壤硝態(tài)氮用1 mol/L KCl溶液浸提 (土水比為1∶10，振蕩1 h)—連續(xù)流動分析儀(AA3) 測定。

1.3.2 植物樣品采集 每一季小麥收獲時，在各試驗小區(qū)隨機選取3個1 m × 2 m代表性樣方，貼地表收割地上部分。同一小區(qū)的所有樣方樣品混合，晾曬，風干后稱量地上部生物量并脫粒計產(chǎn)。同時，在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3個1 m長的樣段，將每個樣段的小麥植株連根拔起，當場剪掉根系。同一小區(qū)各個樣段混合，作為該小區(qū)的一個植物分析樣品。將每個小區(qū)的地上部分植物樣品分為莖葉、籽粒和穎殼三部分，風干脫粒。各器官烘干粉碎后，用H2SO4–H2O2消解，半微量凱氏定氮法測定其中的全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植株地上部吸氮量 (kg/hm2) = 植株地上部含氮量 × 地上部生物量/1000

土壤硝態(tài)氮殘留量 (kg/hm2) =土層厚度 × 土壤容重 × 土壤硝態(tài)氮含量/10

養(yǎng)分投入僅包括化肥施入量帶入的養(yǎng)分含量，不考慮種子、降水、大氣沉降等帶入的養(yǎng)分。養(yǎng)分支出僅包括因作物收獲而帶出的養(yǎng)分，不考慮因淋洗、揮發(fā)和反消化造成的養(yǎng)分損失[12]。養(yǎng)分平衡采用表觀平衡法計算，即，氮素表觀盈余量 = 養(yǎng)分投入量—作物攜出量，盈余率 (%) = 氮素表觀盈余量/作物攜出量 × 100，正值表示盈余，負值表示虧缺。

數(shù)據(jù)和圖表處理采用Excel 2013 及SPSS (19.0)軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析檢驗所有5個處理間的差異顯著性。多重比較采用Duncan法，差異顯著性水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥用量對冬小麥產(chǎn)量的影響

2011—2014年3年冬小麥平均產(chǎn)量分別為5820、2316和4270 kg/hm2(表1)，不同降水年型冬小麥產(chǎn)量差異較大，總體呈現(xiàn)出豐水年 (2011—2012年)冬小麥產(chǎn)量 ＞ 平水年 (2013—2014 年) ＞ 欠水年(2012—2013年)。3年試驗結(jié)果表明，產(chǎn)量均隨施氮量呈先增加后降低的趨勢，當施氮量達到150 kg/hm2時，繼續(xù)增施氮肥并沒有顯著提升小麥產(chǎn)量，而當施氮量超過225 kg/hm2時，繼續(xù)施氮肥則會出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象。對3年產(chǎn)量進行回歸分析可知(n = 20)，冬小麥產(chǎn)量與氮肥用量之間呈現(xiàn)顯著拋物線關(guān)系 (P ＜ 0. 05)，由兩者的回歸方程 (2011—2012 年，y = ?0.0372x2+ 13.274x + 5085.7，r = 0.9509；2012—2013 年，y = ?0.0114 x2+ 5.482x + 1877.3，r = 0.9658；2013—2014 年，y = ?0.0207x2+ 7.5279x + 3839.4，r =0.9452，其中y為當季產(chǎn)量，x為施氮量) 計算可得，三年氮肥用量分別為178、240、182 kg/hm2時，產(chǎn)量即可達到最高值6269、2525、4523 kg/hm2，由此可見，合理的氮肥用量是小麥獲得高產(chǎn)的重要措施。與對照相比，各施肥處理在豐水年增產(chǎn)10.9%、21.5%、22.2%和9.7%，在欠水年增產(chǎn)12.6%、31.4%、32.8%和30.6%，在平水年為8.7%、15.8%、17.9%和8.1%，N150處理3年均獲得相對較高的增產(chǎn)率，繼續(xù)增施氮肥增產(chǎn)率有降低的趨勢，尤其是在豐水年和平水年N300處理的增產(chǎn)率更是低于N75處理。

表 1 2011—2014年不同處理冬小麥產(chǎn)量Table 1 Grain yields in different treatments from 2011 to 2014

2.2 不同氮肥用量對冬小麥–土壤體系中氮素平衡的影響

3種降水年型冬小麥地上部吸氮量與籽粒產(chǎn)量有相似的規(guī)律，豐水年冬小麥地上部吸氮量 ＞ 平水年 ＞欠水年 (表2)，施肥均顯著提高作物地上部吸氮量。與對照相比，豐水年施肥處理的地上部吸氮量增加34.8%，欠水年增加42.5%，平水年增加48.3%，各施肥處理在欠水年和平水年冬小麥地上部吸氮量增加效果要顯著優(yōu)于豐水年，且欠水年和平水年之間增加效果差異不顯著。隨著施氮量的增加，3年的氮素表觀盈余量均由負值逐步變?yōu)檎?，即土壤氮庫由虧損轉(zhuǎn)為盈余。3種降水年型氮素表觀盈余量有所差異，豐水年、欠水年和平水年所有處理的平均值分別為33.5、91.4和53.3 kg/hm2，總體呈現(xiàn)欠水年 ＞平水年 ＞ 豐水年。說明在渭北旱塬雨養(yǎng)農(nóng)田，土壤氮庫的平衡狀態(tài)受降雨影響較大。在相同施氮量水平下，降雨量越少，作物吸氮量越少，氮素表觀盈余量越多，反之，盈余量越少。不同氮水平處理間氮素平衡值達到顯著差異，其中N150、N225和N300這3個處理3年氮素攜出量均低于氮肥投入量，氮素出現(xiàn)明顯的盈余；N75 處理在欠水年表現(xiàn)為氮素盈余，而在豐水年和平水年發(fā)生虧缺；N0處理連續(xù)3年土壤氮素均發(fā)生虧缺。

將3年作物吸氮量與氮肥施入量進行回歸分析(n = 20) 發(fā)現(xiàn)，豐水年、欠水年和平水年施氮量分別為179、218和196 kg/hm2時，作物吸氮量達到理論最高值130.0、64.1和112.5 kg/hm2(表3)。豐水年(2011—2012年)，當施氮量為127 kg/hm2時，作物吸氮量與施氮量相等，氮素表觀盈余量為零；當施氮量超過127 kg/hm2，土壤氮庫處于盈余狀態(tài)，且氮素表觀盈余量隨施氮量的增加而增加；當施氮量不足127 kg/hm2，土壤氮庫處于虧損狀態(tài)，虧損量隨著施氮量的增加而降低。施氮過高或過低都會影響氮素表觀盈余量。在欠水年 (2012—2013年) 和平水年(2013—2014年) 施氮量分別為54 kg/hm2和103 kg/hm2時，氮素表觀盈余量為零，理論上土壤氮素達到平衡狀態(tài)，但這時會存在著土壤氮素肥力與產(chǎn)量降低的風險，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，推薦施肥量要高于這一數(shù)值。巨曉棠和谷保靜[9]提出我國單季小麥氮素表觀盈余量參考指標設(shè)定為N 40 kg/hm2，作物生長季的氮素輸入與輸出量能夠維持平衡，既可以維持作物產(chǎn)量和土壤肥力，又可以將硝態(tài)氮殘留量降低到可承受范圍。本試驗3種降水年型，在允許氮素盈余指標N 40 kg/hm2的情況下，根據(jù)表3不同年份作物吸氮量與施氮量之間的回歸方程，計算得出氮素投入量分別為170、99和150 kg/hm2，這一數(shù)值可考慮作為渭北旱區(qū)三種降水年型的推薦施肥量。

表 2 不同降水年型不同處理冬小麥–土壤體系中的氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of different treatments in winter wheat–soil system in different rainfall years

表 3 三年試驗冬小麥理論最高吸氮量與氮肥用量 (kg/hm2)Table 3 Maximum winter wheat N uptake and nitrogen fertilizer in the three tested years

2.3 不同氮肥用量對播前及收獲后100 cm土層硝態(tài)氮殘留量

本研究主要以0—100 cm土壤硝態(tài)氮累積量衡量土壤氮庫的平衡狀況。3年小麥收獲后1 m土層硝態(tài)氮殘留量均在N0和N75處理與播前相當 (表4)，當施氮量達到 150 kg/hm2時，收獲后土壤硝態(tài)氮殘留量略高于播前，而當施氮量超過150 kg/hm2時，收獲后土壤硝態(tài)氮殘留量顯著高于播前。收獲后土壤硝態(tài)氮主要殘留在0—40 cm，占0—100 cm土層硝態(tài)氮殘留量的50.8%～75.5%，且隨著年限的延長有減少的趨勢，3年平均值分別為63.8%、66.1%和53.6%。而40—100 cm土層硝態(tài)氮殘留占0—100 cm硝態(tài)氮殘留量的24.5%～49.2%，且從第一年的36.2%，增長到第三年的47.3%。說明殘留在土層中的硝態(tài)氮會隨著降水向下淋溶。不同施氮水平下，40—100 cm土壤剖面硝態(tài)氮累積量自上而下逐漸降低，且不同氮肥用量下，土壤剖面各層硝態(tài)氮殘留量的變化趨勢均表現(xiàn)為 N300 ＞ N225 ＞ N150 ＞ N75 ＞N0處理。

表 4 2011—2014年不同施氮量處理冬小麥播前及收獲后各土層土壤殘留量 (kg/hm2)Table 4 residues in different depth of soil before sowing and after harvest of winter wheat in different nitrogen application treatments in 2011–2014

表 4 2011—2014年不同施氮量處理冬小麥播前及收獲后各土層土壤殘留量 (kg/hm2)Table 4 residues in different depth of soil before sowing and after harvest of winter wheat in different nitrogen application treatments in 2011–2014

注（Note）：BS—Before sowing at soil depth of 0—100 cm; 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年內(nèi)處理間差異達 5% 顯著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments for the same year at the 0.05 level.

收獲后 After harvest 0—20 cm 20—40 cm 40—60 cm 60—80 cm 80—100 cm 合計Total 2011—2012(豐水年 Humid year)年份Year處理Treatment播前BS N0 59.9 a 7.2 d 6.0 e 4.4 d 3.7 b 3.7 b 25.0 e N75 59.9 a 17.3 d 14.9 d 9.6 d 6.3 b 5.7 b 53.7 d N150 59.9 a 31.3 c 23.1 c 13.7 c 11.2 a 10.2 a 89.5 c N225 59.9 a 61.5 b 35.8 b 19.1 b 11.6 a 11.0 a 139.0 b N300 59.9 a 87.1 a 50.6 a 23.5 a 11.3 a 9.8 a 182.3 a 2012—2013(欠水年 Dry year)N0 47.5 d 7.0 d 6.0 d 4.2 e 4.4 d 4.4 d 26.0 e N75 43.6 d 9.5 cd 16.9 d 10.2 d 7.9 cd 7.5 cd 52.0 d N150 75.8 c 32.1 c 39.5 c 22.6 c 14.8 c 13.1 c 122.0 c N225 148.1 b 45.3 b 81.5 b 48.5 b 39.0 b 24.0 b 228.3 b N300 320.8 a 93.7 a 146.6 a 82.1 a 69.7 a 61.5 a 453.6 a N0 36.5 d 6.7 d 10.2 d 3.9 c 1.2 c 1.3 c 23.4 e N75 40.9 d 18.9 d 19.0 d 11.9 c 9.0 bc 8.0 bc 69.3 d N150 90.8 c 50.0 bc 53.4 c 30.4 b 19.6 ab 15.0 b 174.9 c N225 116.4 b 96.3 b 74.1 b 32.8 b 15.2 b 11.5 b 229.9 b N300 190.8 a 131.0 a 113.7 a 51.3 a 28.6 a 23.0 a 347.5 a 2013—2014(平水年 Normal year)

在三種降雨年型，施氮量對收獲后100 cm土層硝態(tài)氮殘留量的影響不盡相同。N0 和N75 處理收獲后0—100 cm土層NO3–-N殘留量差異不大；N150處理土壤NO3–-N 殘留量呈現(xiàn)欠水年 ＞ 平水年 ＞ 豐水年，分別為174.9、122.0和89.5 kg/hm2；N225和N300處理隨著年限的延長而增加，與2011—2012年相比較，2012—2013年增長幅度為65.4%～90.6%，2013—2014年增長幅度為64.2%～148.8%。由此可見，大量施用氮肥是旱地農(nóng)田土壤硝態(tài)氮殘留的主要原因。從表4還可以看出，收獲后土壤硝態(tài)氮累積量均隨著施氮量的增加而顯著增加，進一步回歸分析表明，土壤硝態(tài)氮殘留量與施氮量呈極顯著地拋物線關(guān)系 (P ＜ 0.05)。兩者的回歸方程 (n = 20)：2011—2012年，y1= 0.0005x2+ 0.3698x + 24.049，R2= 0.9983；2012—2013年，y2= 0.0012x2+ 0.7249x +20.497，R2= 0.9893；2013—2014 年，y3= 0.0055x2?0.2814x + 32.209，R2= 0.9944。式中，y為當季硝態(tài)氮殘留量，x為施氮量。當施氮量超過N 150 kg/hm2，收獲后土壤硝態(tài)氮殘留量急劇增加，尤其是在定位試驗的第三年 (2013—2014年) 收獲后N300處理土壤硝態(tài)氮殘留量高達453.6 kg/hm2，大量殘留的硝態(tài)氮很容易通過淋洗、徑流、氨揮發(fā)或者是反硝化途徑損失，從而對環(huán)境造成巨大壓力。

2.4 渭北旱塬冬小麥氮素盈余指標下的產(chǎn)出與硝態(tài)氮累積

為了進一步驗證氮素表觀盈余指標40 kg/hm2在渭北旱區(qū)是否合理，本研究用盈余指標為40 kg/hm2的推薦施氮量下的小麥地上部吸氮量、籽粒產(chǎn)量和硝態(tài)氮殘留量加以驗證。當不同年份氮素表觀盈余指標為40 kg/hm2時，小麥吸氮量和產(chǎn)量與不同年份小麥理論最高吸氮量 (130、64和112.5 kg/hm2) 和最高產(chǎn)量 (6269、2525和 4523 kg/hm2) 接近 (表 5)。氮肥用量也有不同程度降低，相比理論最高吸氮量和產(chǎn)量的施肥量分別減少了4.7%、142%、21.3%和5.3%、120%、30.7%。這說明施氮量分別為170、99和150 kg/hm2時，不僅作物吸氮量和產(chǎn)量即可達到相對較高值，還能不同程度的減少氮肥用量。

表 5 土壤盈余量為0和40 kg/hm2時冬小麥氮素產(chǎn)出和土壤殘留量Table 5 N uptake of winter wheat and soil residue under the soil N surplus of 0 and 40 kg/hm2 in the Weibei rainfed areas

表 5 土壤盈余量為0和40 kg/hm2時冬小麥氮素產(chǎn)出和土壤殘留量Table 5 N uptake of winter wheat and soil residue under the soil N surplus of 0 and 40 kg/hm2 in the Weibei rainfed areas

注（Note）：表頭數(shù)字 0 和 40 表示氮素盈余指標 The digital of 0 and 40 in the up row mean the allowable N surplus in soil.

項目Item 2011—2012 2012—2013 2013—2014 0 40 0 40 0 40氮素投入量N input (kg/hm2) 127 170 54 99 103 150地上部吸氮量Aboveground uptake (kg/hm2) 127 130 54 59 103 110小麥籽粒產(chǎn)量Grain yield (kg/hm2) 6171 6267 2140 2309 4395 4502 0—100 cm NO3––N 累積量 NO3–-N surplus (kg/hm2) 79.1 101.4 63.1 104.2 61.6 113.7

歐美許多國家要求收獲后0—90 cm土體中硝態(tài)氮累積量低于N 90～100 kg/hm2[9]，本研究以N 90～100 kg/hm2作為作物收獲后0—100 cm硝態(tài)氮允許殘留指標。從表5可以看出，在旱地冬小麥年氮素盈余為 0 kg/hm2的情況下，3年冬小麥收獲后0—100 cm硝態(tài)氮累積量均較低，分別為79.1、63.1和61.6 kg/hm2，隨著年限的延長有逐漸減少的趨勢，在此施氮量下長期種植可能會導致土壤氮庫的耗竭。而當旱地冬小麥年氮素盈余指標提高到40 kg/hm2時，3年冬小麥收獲后1 m的硝態(tài)氮累積量分別為101.4、104.2和113.7 kg/hm2，仍基本符合作物收獲后硝態(tài)氮允許殘留指標 (N 90～100 kg/hm2)，且能保持土壤氮庫的基本穩(wěn)定。

3 討論

3.1 小麥產(chǎn)量

降水是渭北旱塬冬小麥產(chǎn)量的主要限制因素。連續(xù)3年的試驗產(chǎn)量分別為5820、2316和4270 kg/hm2，總體呈現(xiàn)出豐水年冬小麥產(chǎn)量 ＞ 平水年 ＞欠水年，這與高艷梅等[13]的研究結(jié)果一致。由于水分能夠促進土壤中養(yǎng)分元素的溶解，有利于作物吸收，促進根系伸展和作物生長，從而影響作物生長及干物質(zhì)累積。李強等[14]研究發(fā)現(xiàn)，如果不考慮降水和土壤養(yǎng)分供應(yīng)情況，盲目高量和過量施氮不僅不能增產(chǎn)，還可能導致減產(chǎn)。本研究也表明，當施氮量達到150 kg/hm2時，繼續(xù)增施氮肥并沒有顯著提升小麥產(chǎn)量，而當施氮量超過225 kg/hm2時，繼續(xù)施氮肥則會出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象。究其原因，一方面可能是由于旱地水分是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，過量施氮肥會使小麥苗期分蘗過多，營養(yǎng)生長過旺，加大對旱地土壤水分耗竭，進而影響有效分蘗數(shù)和小麥產(chǎn)量；另一方面，過量施氮使小麥貪青晚熟，形成不合理的群體結(jié)構(gòu)，通風透光差，導致冬小麥灌漿期旗葉光合速率、群體冠層光合速率和作物生長速率降低，使花后光合產(chǎn)物減少，引起產(chǎn)量下降[15-17]。這說明過量施用氮肥造成作物奢侈吸收的同時，并沒有產(chǎn)生真正的肥效。除降雨量外，產(chǎn)量還與光照、溫度、CO2濃度等有關(guān)，這些均在一定程度上影響小麥產(chǎn)量[18-19]。而不同地區(qū)、不同種植栽培技術(shù)、不同作物類型、不同生育時期等，作物生長發(fā)育狀況與氣候變化規(guī)律不盡相同，因此光溫資源對本文涉及作物的影響還需進一步研究探討。

3.2 土壤表觀氮平衡

植株吸氮量隨降水量和施氮量變化規(guī)律與產(chǎn)量相似。Koutroubas等[20]研究發(fā)現(xiàn)，收獲期小麥籽粒產(chǎn)量與植株地上部氮累積量有正相關(guān)關(guān)系，合理氮肥用量使作物吸氮量顯著增加。3種降水年型氮素表觀盈余量有所差異，總體呈現(xiàn)欠水年 ＞ 平水年 ＞ 豐水年。這說明在渭北旱塬雨養(yǎng)農(nóng)田降雨量越少，作物吸氮量越少，氮素表觀盈余量越多；反之，盈余量越少。黨廷輝和郝明德[21]在長武的長期定位試驗中也發(fā)現(xiàn)，豐水年和平水年應(yīng)增大氮素投入量，而在欠水年應(yīng)減少氮肥投入量，以避免氮素不足或盈余。劉瑞等[22]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥用量與土壤氮素表觀盈余量呈線性關(guān)系。這與本研究結(jié)果一致，隨著施氮量的增加，氮素表觀盈余量由負值到正值，即土壤氮庫由虧損轉(zhuǎn)為盈余，當3年施氮量分別為127、54和103 kg/hm2時，土壤氮庫達到平衡狀態(tài)，這與倪玉雪等[23]研究結(jié)果類似。但李鑫[24]認為，當施氮量為土壤氮庫平衡時的用量時，收獲后0—100 cm土壤無機氮殘留均低于播前。Brentrup等[25]分析英國洛桑小麥長期試驗資料也發(fā)現(xiàn)，當施氮量為96 kg/hm2時，作物氮素移出量基本等于施氮量，由于施氮量還需補充不可避免的氮素損失對投入氮的需求，所以這時仍存在著土壤氮肥力和產(chǎn)量降低風險；而當施氮量為192 kg/hm2時，作物移出氮量151 kg/hm2，作物生長季的氮素輸入和輸出量能夠保持平衡，土壤氮肥力和產(chǎn)量得以維持。在渭北旱塬單季作物–土壤體系中，我們以N 40 kg/hm2為氮素表觀盈余量參考指標，計算得出3年推薦施肥量分別為170、99和150 kg/hm2，在此施肥量下小麥的產(chǎn)量和對應(yīng)每年理論最高產(chǎn)量無顯著差異。并且3季冬小麥收獲后1 m土體硝態(tài)氮累積量平均為106.4 kg/hm2，這一數(shù)值也基本符合作物收獲后硝態(tài)氮允許殘留指標。這一結(jié)果一方面驗證了這一指標的合理性，另一方面希望根據(jù)這一指標為渭北旱塬推薦一個更加合理的氮肥施用量。

3.3 收獲期土壤硝態(tài)氮殘留

作物吸收的氮素主要來自土壤自身氮素和肥料氮[26]，并且在很大程度上依賴于土壤氮素，因此氮肥在土壤中的殘留是不可避免的，它是擴充土壤氮庫和提高土壤供氮能力的主要途徑。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量與土壤剖面硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關(guān)，這與其他學者的研究結(jié)果相一致[27]。當施氮超過150 kg/hm2時，收獲期硝態(tài)氮殘留量急劇增加，達139.0～453.6 kg/hm2。這可能是由于過量施氮降低了C/N比[28]，有利于微生物在有機質(zhì)分解過程中的養(yǎng)分釋放，促進土壤中有效氮的增加。此外，高施氮(N225和N300處理) 處理收獲期土壤硝態(tài)氮累積量逐年累加，與2011—2012年相比較，2012—2013年增長幅度為65.4%～90.6%，2013—2014年增長幅度為64.2%～148.8%。王平生等[29]在北方梯田旱地進行3 年定位試驗結(jié)果表明，連續(xù)多年施氮225 kg/hm2時，相應(yīng)的土壤剖面硝態(tài)氮年均累積量為52.3 kg/hm2；戴健等[30]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)施氮 7 年后，土壤剖面硝態(tài)氮累積量高達586.5 kg/hm2。收獲期土壤硝態(tài)氮主要殘留在0—40 cm，占0—100 cm硝態(tài)氮殘留量的50.0%～75.5%，且隨著年限的延長有減少的趨勢，3年平均值分別為63.8%、66.1%和53.6%，而40—100 cm土層硝態(tài)氮殘留從第一年的36.2%，增長到第三年的47.3%?？梢?，殘留在土壤中的硝態(tài)氮如不及時被作物吸收利用，在降水或灌水的作用下，會向土壤深層淋溶。在陜西楊凌連續(xù)4年田間試驗結(jié)果也表明，硝態(tài)氮年淋失量與年施氮量呈指數(shù)形式增加，4年平均淋失量為2.7～18.9 kg/hm2[31]。在加拿大地區(qū)525 mm降水使0—200 cm土壤中硝態(tài)氮含量由140 kg/hm2降至43 kg/hm2[32]。

基于土壤氮素平衡，通過從土壤氮素的輸入和攜出平衡計算氮肥用量，并以作物產(chǎn)量、吸氮量和收獲后0—100 cm土層硝態(tài)氮累積量加以驗證，可有效地控制氮肥投入，保證作物產(chǎn)量、培肥土壤、土壤0—100 cm硝態(tài)氮殘留量保持在安全域值內(nèi)(90～100 kg/hm2)。最后需要指出的是，本研究的結(jié)果僅僅是基于3個代表性降雨年型得到的結(jié)果，對于不同的豐水年、欠水年和平水年其結(jié)果是否適用還需要進一步的檢驗。由于本研究所述是單點試驗，試驗結(jié)果的代表性和說服力略顯單薄，一個地區(qū)農(nóng)田適宜氮肥用量的確定可能需要多年、甚至多點的田間試驗為基礎(chǔ)。所以本試驗小組于2014年9月在楊陵西北農(nóng)林科技大學試驗站布置相同試驗，后續(xù)研究結(jié)果還有待進一步驗證和探討。

4 結(jié)論

連續(xù)3年的定位試驗表明，產(chǎn)量和作物吸氮量隨著降水量增加而升高。同一季，產(chǎn)量和吸氮量均與施氮量之間呈現(xiàn)顯著拋物線關(guān)系。在考慮到維持作物產(chǎn)量和土壤肥力而允許氮素盈余N 40 kg/hm2的指標下，3種降水年型施氮量分別為170、99、150 kg/hm2，在該施氮量下的作物吸氮量和籽粒產(chǎn)量均與理論最高吸氮量和最高產(chǎn)量接近，這時收獲后土壤硝態(tài)氮累積量也能基本保持在安全閾值內(nèi) (N 90～100 kg/hm2)。綜合以上各因素，渭北旱區(qū)麥田在豐水年、欠水年和平水年推薦施氮量分別為170、99、150 kg/hm2。

[1]Chuan L M, He P, Pampolino M F, et al. Establishing a scientific basis for fertilizer recommendations for wheat in China: Yield response and agronomic efficiency[J]. Field Crops Research, 2013,140: 1–8.

[2]劉芬, 同延安, 王小英, 等. 渭北旱塬小麥施肥效果及肥料利用效率研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2013, 19(3): 552–558.Liu F, Tong Y A, Wang X Y, et al. Effects of N, P and K fertilization on wheat yield and fertilizer use efficiency in Weibei rainfed highland[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(3):552–558.

[3]趙護兵, 王朝輝, 高亞軍, 等. 陜西省農(nóng)戶小麥施肥調(diào)研評價[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2016, 22(1): 245–253.Zhao H B, Wang Z H, Gao Y J, et al. Investigation and evaluation of household wheat fertilizer application in Shaanxi Province[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1): 245–253.

[4]曹寒冰, 王朝輝, 師淵超, 等. 渭北旱地冬小麥監(jiān)控施氮技術(shù)的優(yōu)化[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47(19): 3826–3838.Cao H B, Wang Z H, Shi Y C, et al. Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on Weibei Dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014,47(19): 3826–3838.

[5]張愛平, 楊世琦, 楊淑靜, 等. 不同供氮水平對春小麥產(chǎn)量、氮肥利用率及氮平衡的影響[J]. 中國農(nóng)學通報, 2009, 25(17): 137–142.Zhang A P, Yang S Q, Yang S J, et al. Effect of nitrogen rates on yield of spring wheat, fertilizer nitrogen recovery and nitrogen balance[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(17):137–142.

[6]章孜亮, 劉金山, 王朝輝, 等. 基于土壤氮素平衡的旱地冬小麥監(jiān)控施氮[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2012, 18(6): 1387–1396.Zhang Z L, Liu J S, Wang Z H, et al. Nitrogen recommendation for dryland winter wheat by monitoring nitrate in 1 m soil and based on nitrogen balance[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2012,18(6): 1387–1396.

[7]薛澄, 王朝輝, 李富翠, 等. 渭北旱塬不同施肥與覆蓋栽培對冬小麥產(chǎn)量形成及土壤水分利用的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2011, 44(21):4395–4405.Xue C, Wang Z H, Li F C, et al. Effects of different fertilization and mulching cultivation methods on yield and soil water use of winter wheat on Weibei Dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011,44(21): 4395–4405.

[8]Sun H Y, Shen Y J, Yu Q, et al. Effect of precipitation change on water balance and WUE of the winter wheat-summer maize rotation in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2010,97(8): 1139–1145.

[9]巨曉棠, 谷保靜. 氮素管理的指標[J]. 土壤學報, 2017, 54(2):281–296.Ju X T, Gu B J. Indexes of Nitrogen Management[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(2): 281–296.

[10]趙業(yè)婷. 基于GIS的陜西省關(guān)中地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分空間特征及其變化研究[D]. 陜西楊凌: 西北農(nóng)林科技大學博士學位論文, 2015.Zhao Y T. Spatial characteristics and changes of soil nutrients cultivated land of Guanzhong Region in Shaanxi Province based on GIS[D]. Yangling, Shaanxi: PhD Dissertation of Northwest A&F University, 2015.

[11]郝明德, 來璐, 王改玲, 等. 黃土高原塬區(qū)旱地長期施肥對小麥產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2003, 14(11): 1893–1896.Hao M D, Lai L, Wang G L, et al. Effects of long-term fertilization on wheat yield on Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(11): 1893–1896.

[12]劉瑞, 戴相林, 鄭險峰, 等. 半旱地不同栽培模式及施氮下農(nóng)田土壤養(yǎng)分表觀平衡狀況研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2011, 17(4):934–941.Liu R, Dai X L, Zheng X F, et al. Net nutrient balance in soil under different cultivation pattern and nitrogen application rate in semiarid region[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(4):934–941.

[13]高艷梅, 孫敏, 高志強,等. 不同降水年型旱地小麥覆蓋對產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2015, 48(18): 3589–3599.Gao Y M, Sun M, Gao Z Q, et al. Effects of mulching on grain yield and water use efficiency of dryland wheat in different rainfall years[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(18): 3589–3599.

[14]李強, 王朝輝, 戴健, 等. 氮肥調(diào)控與地表覆蓋對旱地冬小麥氮素吸收及殘留淋失的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2013, 46(7): 1380–1389.Li Q, Wang Z H, D J, et al. Effects of nitrogen fertilizer regulation and soil surface mulching on nitrogen use by winter wheat and its residue and leaching in dryland soil[J]. Scientia Agricultura Sinica,2013, 46(7): 1380–1389.

[15]趙風華, 馬軍花, 歐陽竹. 過量施氮對冬小麥生產(chǎn)力的影響[J]. 植物生態(tài)學報, 2012, 36(10): 1075–1081.Zhao F H, Ma J H, Ou Y Z. Effects of excessive nitrogen supply on productivity of winter wheat[J]. Chinese Journal of Plant Ecology,2012, 36(10): 1075–1081.

[16]李娜, 張保軍, 張正茂, 等. 不同施氮量和播量對‘普冰151’干物質(zhì)積累特征及籽粒灌漿特性的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報, 2017, 26(5):693–701.Li N, Zhang B J, Zhang Z M, et al. Effects of different N application rate and seeding rate on dry matter accumulation and grain filling characteristics of ‘pubing 151’[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2017, 26(5): 693–701.

[17]Gao Y J, Li Y, Zhang J C, et al. Effects of mulch, N fertilizer, and plant density on wheat yield, wheat nitrogen uptake, and residual soil nitrate in a dryland area of China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 85(2): 109–121.

[18]張彩云. 氣候條件對內(nèi)蒙古西部黃河南岸小麥產(chǎn)量的影響——以達拉特旗為例[J]. 北方農(nóng)業(yè)學報, 2017, 45(4): 96–99.Zhang C Y. Influence of climatic condition on wheat yield in the south bank of the Yellow River of Western Inner Mongolia: A case study in Dalad Banner[J]. Journal of Northern Agriculture, 2017,45(4): 96–99.

[19]于顯楓, 張緒成. 高CO2濃度和遮蔭對小麥葉片光能利用特性及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2012, 20(7): 895–900.Yu X F, Zhang X C. Effects of elevated atmospheric CO2concentration and shading on leaf light utilization and yield of wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(7): 895–900.

[20]Koutroubas S D, Antoniadis V, Damalas C A, et al. Effect of organic manure on wheat grain yield, nutrient accumulation, and translocation[J]. Agronomy Journal, 2016, 108(2): 615–625.

[21]黨廷輝, 郝明德. 黃土塬區(qū)不同水分條件下冬小麥氮肥效應(yīng)與土壤氮素調(diào)節(jié)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2000, 33(4): 62–67.Dang Y H, Hao M D. The effect of nitrogen fertilizer under different moisture conditions and soil nitrogen adjustment in the Loss High Land[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2000, 33(4): 62–67.

[22]劉瑞, 戴相林, 周建斌, 等. 不同氮肥用量下冬小麥土壤剖面累積硝態(tài)氮及其與氮素表觀盈虧的關(guān)系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2011,17(6): 1335–1341.Liu R, Dai X L, Zhou J B, et al. Relationship between accumulated nitrate nitrogen in soil profiles and apparent nitrogen budget in winter wheat fields under nitrogen fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2011, 17(6): 1335–1341.

[23]倪玉雪, 尹興, 劉新宇, 等. 華北平原冬小麥季化肥氮去向及土壤氮庫盈虧定量化探索[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2013, 22(3): 392–397.Ni Y X, Yi X, Liu X Y, et al. Exploration of N fertilizer fate and quantitative soil nitrogen pool budget in growing season of winter wheat in north China plain[J]. Ecology and Environmental Sciences,2013, 22(3): 392–397.

[24]李鑫. 華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系中肥料氮去向及氮素氣態(tài)損失研究[D]. 河北保定: 河北農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文, 2007.Li X. Fate of fertilizer nitrogen and gaseous N loss in winter wheatsummer maize rotation system in north china plain[D]. Baoding,Hebei: MS Thesis of HeBei of Agricultural University, 2007.

[25]Brentrup F, Palliere C. Nitrogen use efficiency as an agroenvironmental indicator[A]. Proceeding of the OECD Workshop on agri-environmental indicators[C]. Leysin, Switzenand, 2010. 23–26.

[26]王西娜, 王朝輝, 李華, 等. 旱地土壤中殘留肥料氮的動向及作物有效性[J]. 土壤學報, 2016, 53(05): 1202–1212.Wang X N, Wang Z H, Li H, et al. Dynamics and availability to crops of residual fertilizer nitrogen in upland soil[J]. Acta Pedologica sinica, 2016, 53(05): 1202–1212.

[27]梁斌, 趙偉, 楊學云, 等. 小麥–玉米輪作體系下氮肥對長期不同施肥處理土壤氮含量及作物吸收的影響[J]. 土壤學報, 2012, 49(4):748–756.Liang B, Zhao W, Yang X Y, et al. Effects of N application on N content and N uptake by crops in soils under different long-term fertilization managements in wheat-maize rotation system[J]. Acta Pedologica sinica, 2012, 49(4): 748–756.

[28]高會議, 郭勝利, 劉文兆, 等. 施氮水平對黃土旱塬區(qū)麥田土壤呼吸變化的影響[J]. 環(huán)境科學, 2010, 31(2): 390–396.Gao H Y, Guo S L, Liu W Z, et al. Effects of nitrogen rates on soil respiration in winter wheat cropping system in semi-arid regions on Loess Plateau[J]. Environmental Science, 2010, 31(2): 390–396.

[29]王平生, 馬忠民, 韓宏, 等. 施氮量對北方梯田旱地玉米產(chǎn)量、氮素利用及土壤硝態(tài)氮含量的影響[J]. 土壤與作物, 2016, 5(3):150–158.Wang P S, Ma Z M, Han H , et al. Effects of nitrogen application rates on corn yield, nitrogen use efficiency and soil nitrate content in Northern Terraced Dry Land[J]. Soils and Crops, 2016, 5(3):150–158.

[30]戴健, 王朝輝, 李強, 等. 氮肥用量對旱地冬小麥產(chǎn)量及夏閑期土壤硝態(tài)氮變化的影響[J]. 土壤學報, 2013, 50(5): 956–965.Dai J, Wang Z H, Li Q, et al. Effect of nitrogen application rate on winter wheat yield and soil nitrate nitrogen during summer fallow season on dryland[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(5): 956–965.

[31]楊憲龍, 路永莉, 同延安, 等. 施氮和秸稈還田對小麥-玉米輪作農(nóng)田硝態(tài)氮淋溶的影響[J]. 土壤學報, 2013, 50(3): 564–573.Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, et al. Effects of application of nitrogen fertilizer and in corporation of straw on nitrate leaching farmland under wheat-maize[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(3): 564–573.

[32]He W, Yang J Y, Zhou W, et al. Sensitivity analysis of crop yields,soil water contents and nitrogen leaching to precipitation,management practices and soil hydraulic properties in semi-arid and humid regions of Canada using the DSSAT model[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2016, 106(2): 1–15.