摘要：冬小麥-夏玉米一年兩熟是華北平原糧食作物的主要種植制度，存在氮肥利用率低、土壤氮素過量累積問題。為探索華北平原氮素高效利用的適宜種植制度，采用15N示蹤技術，基于3a田間定位試驗，對一年兩熟冬小麥-夏玉米的常規水氮和優化水氮、兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米與冬小麥-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3種種植制度的作物產量、15N利用率、氮素去向和土壤氮庫表觀平衡進行研究。結果表明，兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產量為32248.52kg/hm2，分別比一年兩熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.36%，比一年一熟提高26.12%。3種種植制度的氮肥去向最高為土壤殘留，其次為作物吸收和損失，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高為151.82kg/hm2，土壤氮庫表觀盈余量為21.22kg/hm2，顯著低于其他種植制度。綜合分析，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟在穩產高產和提高氮素利用率上具有可持續的潛力，是華北平原未來較為理想的種植制度。

　　關鍵詞：作物；土壤；氮；種植制度；華北平原

　　0引言

　　20世紀70年代以來，華北平原為了增加糧食產量，種植制度主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟。該種植制度雖然有效緩解了人口增加帶來的糧食短缺問題，同時也帶來了嚴重的生態與環境危機[1]。其中，氮肥過量施用且利用效率低，平均氮素回收率僅為16%～18%，由此造成土壤氮素累積、地下及地表水質污染等問題尤為突出[2-3]。另外，華北平原在冬小麥生育期降水少，產量受降雨和灌溉限制較大。冬小麥-夏玉米輪作系統每年畝需水量800～900mm[4-5]，小麥季降水只能滿足作物需水量的40%左右，70%左右的水分需要地下水供應，造成10a內地下水位平均下降10m。因此，探索水、氮素高效利用的種植制度是緩解華北平原生態環境問題的重要途徑。

　　1材料與方法

　　1.1試驗地概況

　　本試驗于2010－2013年在河北省邯鄲市農業大學曲周試驗基地（36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E）進行。試驗地位于河北省南部太行山東麓海河平原的黑龍港流域，曲周縣地處東經之間，平均海拔39.6m，地下水埋深10～20m。該地區屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬春季寒冷干燥，夏季溫暖多雨，年平均氣溫13.4°C，全年無霜期約201d，2010―2013年年均降水量為490.9mm，主要集中于6—9月。供試土壤為潮褐土，土壤基本理化性質如表1所示。

　　1.2試驗設計

　　1.2.1試驗處理

　　試驗共設5個處理，采用隨機區組設計，4次重復，共20個小區，小區面積30m×60m，小區間保護行2m，區組間保護行5m。5個處理：1）冬小麥-夏玉米一年兩熟常規的種植制度（ControlW-M），冬小麥播種前翻耕15～20cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個輪作周期后繼續種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈不還田，常規水肥管理；2）冬小麥-夏玉米一年兩熟優化管理的種植制度（OptimizedW-M），冬小麥播種前翻耕15～20cm，收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，一個輪作周期后繼續種植一茬作物冬小麥，每季作物秸稈還田，優化施肥，節水灌溉；3）冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟優化管理的種植制度（W-M-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20cm后種植冬小麥，冬小麥收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏玉米，每季作物均秸稈還田，優化水肥管理，一個輪作周期后繼續種植一茬作物春玉米；4）冬小麥-夏大豆-春玉米兩年三熟優化管理的種植制度（W-B-SM），春玉米收獲后秸稈還田，翻耕15～20cm后種植冬小麥，冬小麥收獲后打麥茬1～2遍貼茬播種夏大豆，每季作物均秸稈還田，優化水肥管理，一個輪作周期后繼續種植一茬作物春玉米；5）春玉米一年一熟優化管理的種植制度（SM），一年種植一季作物春玉米，秸稈還田。每個處理經過一個輪作周期后，再繼續種植下一季作物以研究氮肥后效。

　　1.2.2施肥與灌水

　　本試驗中常規處理氮肥施用量通過各區域農戶調查來確定，代表該地區農民平均習慣的施氮量；優化處理則根據測定土壤有機質含量來決定氮肥的施用量，同時以土壤有效氮含量作為參考。各處理的施肥量和灌水量如表3所示。冬小麥、夏玉米和夏大豆的磷、鉀肥作為基肥，與氮肥一次性施入土壤；春玉米季磷、鉀肥分別在播前和十葉期施用；夏大豆在初花期葉面噴施0.05%～0.1%鉬酸銨溶液。

　　2結果與分析

　　2.1不同種植制度對作物產量及水氮利用效率的影響

　　不同種植制度在2a內的作物產量、氮肥偏生產力和灌溉水分生產率如表4所示。籽粒產量由高到低依次為W-M-SM、優化W-M、常規W-M、W-B-SM和SM。常規W-M的產量雖高于W-B-SM和SM，但氮肥偏生產力、15N利用效率及灌溉水分生產效率均為最低，其中氮肥偏生產力和15N利用效率顯著低于其他處理；優化W-M的籽粒產量、氮肥偏生產力、15N利用率、灌溉水分生產率較常規W-M分別提高20.08%、103.83%、72.96%、8.24%。兩年三熟制中的W-M-SM籽粒產量最高為32248.52kg/hm2，分別比一年兩熟制和一年一熟制提高22.16%和52.88%；15N利用率為33.6%，比一年兩熟制提高26.12%。兩年三熟中W-B-SM的各項指標均低于W-M-SM，但氮肥偏生產力和灌溉水分生產率顯著高于一年兩熟。一年一熟的SM灌溉水利用效率最高，達210.94kg/m3，比其他2種種植制度提高1.09～4.11倍；15N利用率僅高于一年兩熟常規水氮處理的56.76%，但產量卻比其他處理降低2.6%～52.88%。

　　2.2不同種植制度對作物體內氮素轉移量與貢獻率的影響

　　不同種植制度下作物營養器官中的氮素向籽粒轉移量如表6所示，3種制度下的各類作物的氮素轉移量均表現出土壤氮顯著高于肥料氮，冬小麥的土壤氮是肥料氮的1.43～2.72倍，夏玉米為1.23～2.30倍，春玉米為5.54～7.26倍，夏大豆為7.66倍，因此土壤殘留氮對下茬作物的影響不可忽視。同一作物在不同種植制度中的氮轉移量也有差異，冬小麥在兩年三熟制中的轉移量顯著高于一年兩熟制，W-M-SM的氮轉移量為152.98kg/hm2，其中肥料氮43.07kg/hm2，土壤氮109.91kg/hm2；W-B-SM的氮轉移量為152.23kg/hm2，其中肥料氮和土壤氮分別為54.29和97.94kg/hm2；夏玉米在不同種植制度中的氮轉移量差異不顯著，在常規W-M、優化W-M和W-M-SM中的氮轉移總量分別為65.21、56.70和50.00kg/hm2；春玉米在W-M-SM、W-B-SM和SM中的氮轉移總量分別為61.88、66.29和80.87kg/hm2，無顯著差異；夏大豆的氮轉移量有45.76kg/hm2來源于土壤氮，對肥料氮的吸收極少，這與自身固氮有關。

　　3討論

　　3.1種植制度對產量的影響

　　許多學者對華北地區不同種植制度進行研究，提出調整種植結構、適水適地種植等觀點，然而種植制度的改變顯著影響了作物的產量。鄭媛媛等[23]、王大鵬等[26]發現與一年兩熟比較，兩年三熟的產量下降16%～23.7%，一年一熟的產量下降了27%～51.2%。而Gao等[14,21]在2009―2013年的2個輪作周期研究發現，兩年三熟與一年兩熟傳統處理的平均產量差異不顯著，分別為23800和24000kg/hm2，但顯著低于一年兩熟優化處理的28600kg/hm2。本試驗中，1個輪作季的產量表現為兩年三熟的冬小麥-夏玉米-春玉米產量最高，顯著高于一年兩熟的冬小麥-夏玉米傳統處理，但與一年兩熟的優化處理差異不顯著。即使長期實行一種種植制度，對產量的影響也有差異。Gao等[21]與本研究中的試驗地相同，在2009－2011年和2011－2013年2個輪作周期中，兩年三熟冬小麥-夏玉米-春玉米的產量分別為21400和26200kg/hm2，小麥-玉米輪作中傳統處理的產量分別為22600和25400kg/hm2，小麥-玉米優化處理中的產量分別為26300和30900kg/hm2，2種種植制度中的第二個輪作周期的平均產量均高于第一個輪作周期。

　　3.2種植制度對水、氮利用率的影響

　　提高作物對于灌溉水的利用率是彌補農業用水短缺的重要倡議[29]，通過改變種植制度來降低耗水量，從而提高水分的利用率。華北平原的降雨量僅能滿足一年兩熟制下作物總耗水量的72.9%，小麥生育期降水僅能滿足其需水量的25%～40%，虧缺的200～300mm水分主要依靠地下水灌溉維持較高的產量[30]。郭步慶等[31]將一年兩熟制調整為兩年三熟和一年一熟，能降低作物耗水24%～31%，總灌溉用水量降低63%，王大鵬等[26]也認為兩年三熟能提高灌溉水利用效率58%～172%。本試驗中，春玉米一年一熟制度的灌溉水分生產率最高為210.94kg/m3，其次為兩年三熟制的W-M-SM為100.78kg/m3。

　　4結論

　　一年一熟的春玉米對灌溉水分生產率比其他種植制度提高1.09～4.11倍，15N利用率僅高于一年兩熟常規水氮處理的56.76%，但產量卻比其他處理降低2.6%～52.88%，該種植制度目前不具有種植優勢；一年兩熟是目前華北平原普遍的種植制度，其中優化水氮比常規水氮產量提高20.08%，15N利用率提高72.96%，土壤氮庫盈余為93.64kg/hm2，該種植制度下降低水氮投入是優先考慮的措施；兩年三熟制中的冬小麥-夏玉米-春玉米處理產量最高，灌溉水分生產率和15N利用率也處于較高水平，土壤氮庫盈余為21.22kg/hm2，顯著低于其他處理，僅少量硝態氮向下運移。基于糧食安全、資源節約和環境友好考慮，在保證小麥產量的前提下，冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟種植模式具有可持續發展潛力，是華北平原較為理想的種植制度。

　　[參考文獻]

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　　[3]JuXiaotang,XingGuangxi,ChenXingping,etal.ReducingenvironmentalriskbyimprovingNmanagementinintensiveChineseagriculturalsystems[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2009,106(9):3041-3046.

　　吉艷芝1，徐明杰4，巨曉棠3，董嫻嫻5，張麗娟1,2※