长期不同施氮量下冬小麦-夏玉米复种系统土壤硝态氮累积和淋洗特征

冬小麦夏玉米是华北平原主要的粮食作物,其集约化的农业种植体系虽然普遍实现了粮食的高产,但氮肥常年大量施用会造成土壤深层硝态氮累积、淋洗等问题.本文以河北清苑冬小麦-夏玉米复种体系为研究对象,设置不同施氮量(N₀、N₁₀₀、N₁₈₀、N₂₅₅、N₃₃₀,分别表示施氮0、100、180、255、330 kg·hm^-2),于2010-2016年开展6个周期定位试验,研究不同施氮量对土壤硝态氮累积和淋洗的影响.结果表明: 在12季冬小麦和夏玉米收获期各处理产量存在显著差异,土壤硝态氮含量表现为冬小麦季累积、夏玉米季淋洗的特点,且90和180 cm土层硝态氮累积量均表现为 N₃₃₀>N₂₅₅>N₁₈₀>N₁₀₀>N₀.从土壤剖面分布看,硝态氮可淋洗至990 cm的深层土壤中,且出现6个累积峰,同时土壤硝态氮累积峰随施氮量增加而下移,N₃₃₀处理累积峰最深在840 cm处.从各土层累积量的分配看,5个处理0～90 cm硝态氮累积量占比在10%左右,大部分都在90 cm以下,不能被植物利用.可见,夏玉米季硝态氮淋洗严重,施氮量越高,土壤硝态氮残留量越大,向土壤深层淋洗量也越多,由此带来的对地下水的污染风险应该引起重视.从产量与硝态氮累积情况来看,N₁₈₀为最优处理.     

施氮量对夏玉米籽粒灌浆特性和营养品质的影响

合理施氮可显著提高夏玉米籽粒灌浆速率,增加产量,改善品质.本试验以登海518(DH518)和郑单958(ZD958)为供试材料,大田条件下设置不施氮(N₀)、少量施氮(N₁,129kg N·hm^-2)、适量施氮(N₂,184.5 kg N·hm^-2)和过量施氮(N₃,300 kg N·hm^-2)4个施氮量处理,研究施氮量对夏玉米籽粒灌浆特性和籽粒品质的影响.结果表明:不施氮处理玉米的籽粒灌浆受抑制,粒重减小,产量显著降低;随着施氮量增加,两品种的籽粒平均灌浆速率增加,粒重和产量显著增加,N₁处理较N₀增产16.4%～57.2%,N₂处理较N₀增产35.8%～65.1%.N₀处理的籽粒粗蛋白、可溶性糖和总淀粉含量及支链/直链淀粉(支/直)降低,粗脂肪含量增加;DH518品种N₂处理较N₀、N₁处理的粗蛋白、可溶性糖和总淀粉含量分别增加32.5%、6.5%,19.9%、9.5%和8.9%、5.2%,且支/直升高;ZD958品种N₂处理较N₀、N₁处理的粗蛋白、可溶性糖和总淀粉含量分别增加16.9%、7.8%,30.5%、14.8%和11.5%、5.7%,支/直升高;两品种N₂处理的粗脂肪含量较N₀和N₁降低4.8%～12.3%.但是,过量施氮(N₃)较N₂处理夏玉米产量降低,籽粒品质下降.可见,合理施氮可促进夏玉米籽粒灌浆,增加粒重,提高产量,改善品质.     

水氮互作对固定道垄作栽培春小麦根系生长及产量的影响

为探讨固定道小麦栽培方式下适宜的水氮组合,以低水1200 (W₁)、中水2400 (W₂)、高水3600 m³·hm^-2 (W₃)为主处理,0 (N₀)、低氮90(N₁)、中氮180 (N₂)、高氮270 kg·hm^-2 (N₃)为副处理,采用裂区设计,对固定道垄作栽培方式下水氮互作对春小麦根系生长及产量的影响进行了研究.结果表明:水氮互作能显著影响春小麦根干质量密度(RWD),RWD随着小麦生育期的进程表现为先增大后减小的趋势,在灌浆期达最大;RWD对施氮量的响应取决于灌溉量,在W₁下,RWD在N₁处理下最大,在W₂下,RWD随着施氮量的增加在N₂处理下最大,在W₃下,RWD随着施氮量的增加在N₃ 处理下最大;不同灌溉处理下RWD表现为W₂>W₃>W₁;施氮与灌水显著影响RWD,表现为灌水>氮肥>水氮互作,在W₂N₂处理下最大.根冠比随着灌水量与施氮量的增加逐渐减小,在W₁N₀处理下根冠比最大;85%以上的小麦根系分布于0～40 cm土层,产量与0～40 cm土层RWD呈显著抛物线回归关系,与40～60 cm土层RWD呈显著线性正回归关系.W₂灌溉条件可以促进小麦根系向中下层(40～60 cm)分布;灌水施氮能显著影响春小麦籽粒产量与生物产量,生物产量随着施氮量和灌水量的增加而增加,籽粒产量在W₂N₂最大;灌水生产力随灌水量的增加逐渐降低,氮肥农学利用率随施氮量的增加而减小.因此,在固定道垄作栽培方式下,施肥量与灌水量控制在N₂ (180 kg·hm^-2)与W₂(2400 m³·hm^-2)条件下有利于促进根系生长,进而提高春小麦籽粒产量及水氮利用效率,是河西灌区固定道小麦栽培方式下适宜的水氮组合.     

小麦与蚕豆间作系统施氮对蚕豆赤斑病发生和冠层微气候的影响

通过田间小区试验,设N₀(0 kg·hm^-2)、N₁(45 kg·hm^-2)、N₂(90 kg·hm^-2)、N₃(135 kg·hm^-2)4个施氮水平,研究不同施氮水平下小麦与蚕豆间作对蚕豆赤斑病发生和冠层微气候的影响,探讨间作系统氮肥调控下冠层微气候变化及其与蚕豆赤斑病发生的关系.结果表明: 施氮提高了蚕豆单、间作种植模式下蚕豆赤斑病发病盛期的病情指数,增幅27.2%～58.0%,增加了病情进展曲线下面积(AUDPC),增幅15.0%～101.8%,N₃水平下赤斑病病情指数和AUDPC最高.施氮使蚕豆冠层温度降低0.2～1.1 ℃,冠层透光率降低1.7%～29.7%,冠层相对湿度增加0.5%～28.7%.与单作相比,间作蚕豆赤斑病病情指数显著降低36.3%～48.1%,AUDPC显著降低44.0%～53.6%,冠层温度和透光率分别提高2.1%～8.7%和12.0%～53.8%,相对湿度降低11.6%～31.6%.相关分析表明,冠层温度和透光率与赤斑病病情指数呈显著负相关,而湿度与病情指数呈显著正相关.表明高氮恶化了冠层微气候环境,加重了蚕豆赤斑病的发生和危害,而间作对蚕豆冠层微气候的改善是控制蚕豆赤斑病发展的重要原因.     

施氮量对测墒补灌小麦冠层不同层次光截获和干物质分布的影响

以大穗型小麦品种‘山农23’为材料,在大田拔节期和开花期土壤相对含水量分别补灌至70%和65%的条件下,设置4个施氮水平0 (N₀)、180 (N₁)、240 (N₂)和300 kg·hm^-2 (N₃),研究施氮量对小麦冠层不同层次光合有效辐射(PAR)截获和干物质分布的影响.结果表明: N₂处理开花期群体总茎数、开花后10、20和30 d的叶面积指数、开花后20 d冠层上层和中层及冠层总的PAR截获率和截获量显著高于N₀和N₁,施氮量增加至N₃,上述指标无显著增加.N₂处理成熟期各层次营养器官干物质积累量显著高于N₀和N₁,籽粒干物质积累量和植株总干物质积累量比N₀分别高36.7%和35.4%,比N₁分别高9.5%和10.2%,与N₃处理无显著差异.各层次营养器官干物质积累量、籽粒干物质积累量和植株总干物质积累量与上层和中层PAR截获率呈显著正相关,与下层PAR截获率无显著相关;各层次营养器官干物质积累量与籽粒干物质积累量均呈显著正相关.施氮量为240 kg·hm^-2的N₂处理是本试验条件下的最优处理.     

水肥互作对滴灌玉米氮素吸收、水氮利用效率及产量的影响

优化水、氮供应是实现作物高产与水肥资源高效利用的有效途径.本文研究了田间试验条件下,水(4500、6750、9000 m³·hm^-2)、氮(0、225、330、435、540 kg·hm^-2)互作对高密度(≥105000 株·hm^-2)滴灌玉米干物质积累、氮素吸收及产量的影响.结果表明: 玉米干物质积累与吸氮量均随灌溉和施氮水平的增加明显升高,当施氮量大于435 kg·hm^-2和灌溉量大于9000 m³·hm^-2时则呈减少趋势.完熟期玉米干物质积累对灌水的响应表现为W₆₇₅₀(36359 kg·hm^-2)>W₉₀₀₀(35077 kg·hm^-2)>W₄₅₀₀(33451 kg·hm^-2),施氮对玉米吸氮量的变化表现为N₄₃₅(459.9 kg·hm^-2)>N₅₄₀(458.1 kg·hm^-2)>N₃₃₀(416.3 kg·hm^-2)>N₂₂₅(351.3 kg·hm^-2),N₄₃₅比N₃₃₀、N₂₂₀分别升高9.1%、32.7%,N₅₄₀比N₄₃₅降低0.6%.在施氮量0～435 kg·hm^-2范围内,玉米最大氮素吸收速率随施氮量增加而升高,在施氮量为435 kg·hm^-2时达最大(6.57 kg·hm^-2·d^-1).灌水与施氮均可显著增加玉米产量、穗粒数和穗粒质量,二者有明显的正交互作用,且以氮为主效应.在施氮0～435 kg·hm^-2范围内,氮肥利用率随施氮量的增加而升高,此后反而降低;灌溉水分生产率随施氮量升高而增加,随灌水量增加而明显下降,灌溉定额为4500～6750 m³·hm^-2时,灌溉水分生产率可达2.57～3.80 kg·m^-3.玉米最高产量18072 kg·hm^-2的施氮量为567.0 kg·hm^-2.最佳经济施氮量为427.9～467.7 kg N·hm^-2时,玉米产量在17109～17138 kg·hm^-2,氮素偏生产力和氮肥利用率分别达122 kg N·hm^-2和45.0%.水氮一体化施肥可实现滴灌玉米高产协同水、氮利用效率的共同提高.     

长江流域稻麦轮作条件下冬小麦适宜施氮量

为推动长江流域稻茬冬小麦氮肥的合理施用,研究了施氮量(0、120、210、300 kg·hm^-2,分别表示为N₀、N₁、N₂、N₃)对土壤硝态氮含量、土壤-植株系统氮素平衡和产量的影响。结果表明: 土壤剖面的硝态氮含量随施氮量的增加而增加,至拔节期,不同施氮处理的硝态氮均显著运移至60 cm土层。拔节后追施氮肥显著提高了N₁、N₂处理0～40 cm土层和N₃处理0～60 cm土层的硝态氮含量;而成熟期的硝态氮主要积累于0～40 cm土层。氮素平衡分析表明,氮素吸收、残留、损失因小麦不同生育阶段而异,越冬至拔节期是氮素表观损失的主要时期;小麦全生育期植株的氮素积累量、无机氮残留量和土壤氮素表观损失量均随施氮量的增加而显著增加。通过环境经济学的Coase原理和边际收益综合分析,稻茬小麦兼顾生产、生态和经济效益的适宜氮肥用量为250 kg·hm^-2,基肥与拔节肥的比例为5∶5,相应获得的籽粒产量为6840 kg·hm^-2。     

限水减氮对关中平原冬小麦氮素利用和氮素表观平衡的影响

研究限水减氮对冬小麦产量、氮素利用率和氮素表观平衡的影响,探讨限水减氮管理模式在关中平原冬小麦生产中的可行性,可为实现关中平原灌区冬小麦生产的稳产高效和环境友好发展提供科学依据。本研究于2017—2018和2018—2019年连续2年在陕西杨凌地区进行小麦田间裂区试验,灌水量为主处理,设置两个灌溉水平,1200 m³·hm^-2(常规灌溉,在越冬期和拔节期灌溉, W₂)和600 m³·hm^-2(限水灌溉,仅在越冬期灌溉, W₁);施氮量为副处理,设置4个施氮水平,300 kg·hm^-2(关中地区常规施氮量,N₃₀₀)、225 kg·hm^-2(减量施氮25%,N₂₂₅)、150 kg·hm^-2(减量施氮50%,N₁₅₀)和0 kg·hm^-2(不施氮,N₀),分析冬小麦产量、氮素利用效率、收获后土壤硝态氮积累量和氮素表观平衡。结果表明: 限水减氮能显著增加冬小麦植株和籽粒氮素含量,提升产量和氮素携出量,提高氮素利用效率、氮素收获指数、氮肥表观利用率和氮肥农学效率,减少硝态氮的淋失,降低氮素盈余量,维持氮素平衡。2017—2019年在W₁N₁₅₀处理基础上增加了灌溉量和施氮量,冬小麦产量和氮素携出量不会显著增加。2017—2018年和2018—2019年,与W₂N₃₀₀相比,W₁N₁₅₀同时期植株氮素含量分别提高0.1%～25.5%和14.0%～31.6%,籽粒氮素含量分别提高0.1%和4.6%。氮素利用效率、氮素收获指数、氮肥表观利用率和氮肥农学效率平均提高95.3%、4.2%、81.7%和33.0%,氮素盈余量分别减少97.2%和95.1%,有效减少了土壤硝态氮的淋失。综合各项指标,越冬期灌溉600 m³·hm^-2配合施氮量150 kg·hm^-2的限水减氮组合能够保证关中平原冬小麦高产、高效和环境友好发展。     

水氮耦合对旱地胡麻产量形成与花后氮素积累转运的影响

为明确旱地胡麻在有限灌水条件下的最佳水氮耦合管理模式,采用完全随机裂区试验设计,以灌水(I₀: 0 m³·hm^-2; I₁₂₀₀: 1200 m³·hm^-2; I₁₈₀₀: 1800 m³·hm^-2)为主区,施氮量(N₀: 0 kg·hm^-2; N₆₀₀: 60 kg·hm^-2; N₁₂₀: 120 kg·hm^-2)为副区,测定胡麻不同生育阶段氮素积累量、花后氮素转运特征、产量和氮肥利用率。结果表明: 不同水氮处理对旱地胡麻不同生育时期各器官氮素吸收、积累及产量的耦合效应不同。不灌水条件下,施氮有利于胡麻花期和成熟期茎秆对氮素的吸收,不同灌水水平下N₁₂₀均抑制了茎秆对氮的吸收;I₁₂₀₀水平下,花期叶片氮含量随施氮量的增加先升高后下降,N₆₀较N₀和N₁₂₀高11.0%和28.9%;I₁₈₀₀水平下,施氮提高了成熟期胡麻叶片中氮含量,N₆₀和N₁₂₀较N₀高39.7%和26.9%。水氮对胡麻阶段氮素积累量影响的耦合效应主要表现在现蕾期以后,同一灌水水平下,N₆₀促进了胡麻现蕾期以后各阶段氮素积累量,而N₁₂₀具有抑制作用。施氮分别提高了I₁₂₀₀和I₁₈₀₀水平下叶片和茎秆氮素转运率和贡献率。灌水1800 m³·hm^-2、施氮60 kg·hm^-2显著增加了胡麻单株有效蒴果数和籽粒产量(6.6%~22.8%),是试验区比较适宜的水氮耦合管理模式。     

减量施氮对大棚黄瓜产量和品质的影响

利用在东部沿海丘陵区玻璃大棚中的长期定位试验,设置农民习惯施氮(N₁, 800 kg·hm^-2)、氮减量25%(N₂, 600 kg·hm^-2)、氮减量50%(N₃, 400 kg ·hm^-2)、不施肥(CK)4种不同化肥施氮水平和施有机肥(ON, 400 kg N·hm^-2)处理,研究了不同施氮量对黄瓜产量及品质的影响.结果表明: 与农民习惯施氮相比,施氮量减少50%能保证黄瓜的果实产量,并大幅提高经济效益.不同处理黄瓜果实硝酸盐含量范围在94.2～136.1 mg·kg^-1,均未超过我国蔬菜卫生安全标准,不同施肥处理比CK增加了18.1%～44.5%,其中N₃处理下增加幅度最小.施用化肥降低了黄瓜果实中Vc、可溶性糖和可溶性蛋白含量,在施氮量600 kg·hm^-2处理中最低.不同施氮处理在短期内改变土壤pH等理化性质,然而在过量施肥条件下黄瓜产量、经济效益与土壤性质无显著相关性.因此,在东部沿海丘陵区的大棚生产条件下,氮肥施用量减少50%可以保证黄瓜产量和果实品质.     

氮肥减施与配施有机肥对冬小麦土壤线虫群落结构的影响

土壤线虫是指示土壤健康的典型生物之一,为了揭示氮肥减施对土壤健康的影响,以冬小麦土壤为对象,研究了氮肥减施和配施有机肥对拔节期冬小麦土壤线虫群落结构的影响。共设置了6个施肥处理:CF(315 kg N·hm^-2,常规施肥量)、N₂₄₀(240 kg N·hm^-2)、N₂₁₀(210 kg N·hm^-2)、N₁₈₀(180 kg N·hm^-2)、F₁₅₀(180 kg N·hm^-2+150 kg·hm^-2黄腐酸)、F₂₂₅(180 kg N·hm^-2+225 kg·hm^-2黄腐酸)。结果表明: 1)氮肥减施会降低土壤线虫数量,降幅为15.3%～68.5%;2)各处理均以原杆属为优势属(19.6%～50.4%)。氮肥减施提高了食真菌类、植食类和捕食/杂食类线虫的丰度,食细菌类线虫的丰度先降低后升高。配施有机肥后,食细菌类和食真菌类线虫的丰度降低,植食类和捕食/杂食类线虫丰度升高;3)N₂₄₀和F₂₂₅处理分别使线虫多样性指数H提高了48.1%和58.5%。N₂₄₀处理线虫成熟度指数MI最高(1.95)。N₁₈₀处理线虫结构指数SI最低(43.33),配施有机肥的F₂₂₅线虫结构指数SI达到62.72,但线虫富集指数EI最低(80.82)。说明减施氮肥并配施有机肥可以提高土壤线虫的多样性,使食物网向复杂稳定方向发展,对农田土壤生态系统有积极意义。     

测墒补灌条件下施氮量对小麦开花后13C同化物积累量和水氮利用效率的影响

为探究黄淮冬麦区测墒补灌节水条件下协同提高小麦产量和水氮利用效率的氮肥管理措施,以小麦品种‘烟农1212'为材料,在拔节期和开花期将各处理0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至70%条件下,设置3个施氮水平,即150(N₁)、210(N₂)和270 kg·hm^-2(黄淮冬麦区常规施氮量,N₃),研究施氮量对小麦开花后旗叶光合特性、¹³C同化物积累与转运及水氮利用效率的影响。结果表明: N₂和N₃处理开花后14～35 d旗叶光合能力显著高于N₁处理,N₂与N₃处理间差异不显著。¹³C同位素示踪结果显示,N₂处理开花后营养器官¹³C同化物转运量比N₁和N₃处理分别高12.1%和7.1%,成熟期¹³C同化物在籽粒中的分配量比N₁和N₃处理分别高10.1%和5.3%。施氮量亦调节了小麦不同生育阶段的耗水量、耗水模系数和总耗水量,小麦全生育期耗水量表现为N₂与N₃处理无显著差异,但均显著高于N₁处理,N₂处理拔节至成熟期阶段耗水量和耗水模系数均较高。N₂处理水分利用效率比N₃和N₁处理分别高7.5%和4.8%,籽粒产量比N₃和N₁处理分别高4.7%和10.9%,氮肥偏生产力比N₃处理高34.6%。综合考虑小麦籽粒产量和水氮利用效率,施氮量为210 kg·hm^-2处理为研究区测墒补灌节水条件下的最佳施氮量。     

不同降水年型下长期施肥的小麦产量效应

合理施用氮磷化肥是提高小麦产量的主要措施之一.用二元二次回归方程探讨不同降水年型下的氮磷优化用量,为黄土旱塬小麦施肥提供依据.结果表明: 不同降水年型小麦最高产量所需要的氮磷肥用量不同,平水年小麦最高产量4229 kg·hm^-2时的氮用量为172 kg·hm^-2、磷用量164 kg·hm^-2;丰水年最高产量4896 kg·hm^-2时,施氮量较平水年多2%,为175 kg·hm^-2,施磷量较平水年少约1%,为162 kg·hm^-2;干旱年施氮磷量较平水年少约16%和5%,当施氮磷量超出这个用量时,小麦产量开始呈下降趋势.不同降水年型最佳经济施肥量不同,平水年最佳经济施氮量为161 kg·hm^-2、施磷量为151 kg·hm^-2;而干旱年的最佳氮、磷量为135、143 kg·hm^-2;丰水年最佳经济氮、磷量分别较平水年多约3%和1%,为167、153 kg·hm^-2.最佳经济氮磷施用量比最高产量氮磷施用量低6%~8%.实际生产中建议氮磷减少10%的用量,提高肥料利用率,获得最大经济效益.     

微喷灌水氮一体化对冬小麦生长发育和水肥利用效率的影响

在等灌水量和施氮量下,探索小麦-玉米一年两熟轮作区玉米秸秆还田后冬小麦生育期微喷灌水氮一体化模式对冬小麦生长发育和水肥利用效率的影响。2016—2018年通过2年田间大区试验,在生育期设6种微喷灌水氮一体化模式,其中,灌水设W₁(越冬水+拔节水+灌浆水,各灌600 m³·hm^-2)、W₂(越冬水+返青水+拔节水+灌浆水,各灌450 m³·hm^-2)和W₃(越冬水、拔节水各灌600 m³·hm^-2,返青水、灌浆水各灌300 m³·hm^-2)3种模式;施氮设N₁(基施氮60%+随拔节水追氮40%)和N₂(基施氮60%+随拔节水追氮30%+随灌浆水追氮10%)2种模式,以W₁下不施肥为对照(CK),共7个处理,调查群体动态、灌浆期干物质积累转移和成熟期养分积累规律。结果表明: 1)越冬水灌水量由450 m³·hm^-2增至600 m³·hm^-2,有利于越冬期植株总茎数和成穗数的增加而增产,灌返青水拔节期总茎数增加,对成穗数影响较小;拔节期施氮越多,单株茎数增加越多,但成穗数降低。2)生育期灌4水(W₂和W₃),配合拔节期和灌浆期分次水氮一体化(N₂),有利于灌浆期总干物质积累、穗粒数和千粒重增加而增产。3)灌4水处理比灌3水处理生育期耗水量和氮、磷、钾素吸收量增加,水肥利用效率提高。灌4水处理(W₂和W₃)中N₂的生育期耗水量低于N₁,氮、磷、钾素吸收量高于N₁,灌水和氮磷钾利用率显著提高,以W₃N₂效果最好。因此,W₃N₂处理,即玉米秸秆还田后播种冬小麦,微喷灌生育期灌4水,越冬水和拔节水灌水量增加到600 m³·hm^-2,配合拔节水和灌浆水追施氮肥,使冬小麦成穗数和千粒重增加而增产,且水肥利用效率最高,是山西南部冬小麦微喷灌水肥一体化高产高效最佳水氮管理模式。