小麦/玉米/大豆周年套作体系的氮肥效应研究

摘要

本研究以“小麦/玉米/大豆”周年套作体系为研究对象，针对生产中氮肥用量不断增加，氮肥利用率低的现状，通过2011、2012连续两年田间定位试验，研究了“小麦/玉米/大豆”套作体系在不同氮用量下（小麦，0、60、120、180、240kg·hm-2，记为WN1、WN2、WN3、WN4、WN5;玉米，0、97.5、195、292.5、390 kg·hm-2，记为MN1、MN2、 MN3、MN4、MN5;大豆SN1、SN2、SN3、 SN4、SN5;体系依次记为N1、N2、N3、N4、 N5)各植株生长动态、养分吸收、分配以及耕层土壤无机氮的含量差异进行研究，以期为“小麦/玉米/大豆”周年体系作物生产合理施用氮肥初步提出建议，对指导当地农业生产合理施肥、提高肥料利用率、减少环境污染等有一定的理论指导和实践意义。主要的研究结果如下:
　　(1)施氮有利于小麦分蘖和花后同化物输入籽粒，随施氮量增加先增加后降低，至WN4分蘖数和花后同化物输入籽粒量最大，分别为2.3和8389 kg·hm-2，WN4输入籽粒量对籽粒的贡献率为91.6％，与WN3无显著差异;在一定范围内小麦和玉米株高随施氮量增加而增加，施氮超过WN3（120 kg·hm-2）、MN3(195 kg·hm-2)无显著差异;小麦和玉米的干物质积累量、干物质积累速率以及玉米叶面积指数、叶面积积累速率、群体光合势、净同化率均随施氮量增加而增加，超过WN3或MN3则增加不显著;干物质的生产具有明显的边行优势，边行小麦变异系数大于内行，受到的扰动程度（种内和种间）最大，对外界环境的敏感度大于内行，且施氮量越多边行优势越明显;土壤肥力和竞争强度的双重作用使得大豆从SN1～SN5株高、干物质积累和积累速率先降低后升高再降低。
　　(2)施氮显著增加了小麦、玉米的产量，WN3～WN5之间无显著差异;小麦施氮处理较不施氮处理增长幅度为21.4％～111.9％，以WN3处理最大为8317 kg·hm-2;玉米施氮处理产量为不施氮的2.83～3.82倍，MN3产量为6619kg·hm-2。小麦边行产量显著大于内行产量，随着施氮量的增加，内、边行产量的差距也随之增加，边行比内行增产41.5～83.1％。适当的土壤肥力有利于大豆增产，大豆产量从SN1～SN5先降低后升高再降低，在SN4达最大，为1603 kg·hm-2。
　　(3)施氮有利于增加小麦、玉米各器官的氮含量和积累量，施氮达WN4(180kg·hm-2)或MN4(292.5 kg·hm-2)时，继续增加氮肥投入各器官氮含量和氮总积累量无显著变化;养分吸收和积累同样表现出边行优于内行，边行优势明显。大豆的氮含量和积累量先降低后升高再降低，SN4处理最大，SN4与SN5之间无显著差异。
　　(4)施氮降低了小麦籽粒和玉米各器官中的P2O5含量，却显著增加了小麦、玉米地上部总的P2O5积累量;籽粒P2O5含量WN1比施氮处理增加8.8～18.8％，MN1比施氮处理高出3.7％～26.5％，P2O5积累量W(M) N3～W(M) N5之间无显著差异;养分吸收和积累同样表现出边行高于内行，边行优势明显。适当的土壤残留氮素有利于大豆籽粒P2O5含量和积累量的增加，从SN1至SN5有增加的趋势，SN4、SN5之间无显著差异。
　　(5)施氮增加了小麦籽粒K2O含量和地上部总K2O积累量，K2O含量WN5比其他高出15.5％～38.9％，K2O积累量WN5比其他高出6.5～118.1％，WN4、WN5无显著差异;养分吸收和积累同样表现出边行优于内行，边行优势明显。施氮降低了玉米茎秆、叶片和籽粒的K2O含量，但增加了玉米K2O积累量;其中茎秆的K2O含量MN1比施氮处理高20.4％～57.5％，叶的K2O含量MN1比施氮处理高9.6～29.4％，籽粒的K2O含量MN1比施氮处理高出9.3％～34.6％;当施氮超过292.5 kg·hm-2时K2O的积累量不再显著增加。小麦收获后残留土壤中的氮使大豆K2O含量降低，SN1～SN5大豆K2O含量以SN1最高，处理之间呈先降低后升高的趋势，大豆K2O积累量也呈先降低后升高的趋势，K2O积累量SN1、SN4、SN5之间无显著差异，说明只要提供适当的磷、钾肥，大豆即便缺氮也能良好生长。
　　(6)施氮显著增加了小麦0～40 cm土层的无机氮含量，其中0～20 cm土层无机氮含量施氮比不施氮高6.8～27.4％，20～40 cm土层无机氮含量施氮比不施氮增加23.2～82.9％;玉米0～40 cm土层的无机氮含量在MN3最低，MN1、MN2和MN4、MN5为MN3的1.6～2.5倍，低氮处理和高氮处理均增加了0～40 cm土层的无机氮含量;玉米种植带从土壤表层至地下1m，无机氮含量逐渐降低，降水过多会导致深层土壤中无机氮含量升高并出现富集层(60～80 cm)。大豆0～40 cm土层无机氮含量SN1～SN5逐渐增加;“小麦-大豆”轮作种植带施氮若超过180 kg·hm-2，无机氮含量20～40 cm＞0～20 cm，有向下渗淋的风险。
　　(7)体系年收益以N4最大，为13936yuan·hm-2，产投比为2.12，比不施氮处理增产160.5％，N4和N5之间收益无显著差异。
　　(8)在不考虑降水、大气沉降和淋失等情况下，氮投入和吸收在N4处理基本达到平衡（氮肥表观平衡为-1 kg·hm-2），氮肥用量低于N4处理（382.5 kg·hm-2）则施氮不够，高于N4处理则施氮过多，浪费资源并造成环境污染;体系中高产处理(N3～N5)施磷量明显不足，N3、N4、N5磷肥表观平衡为-14.9～-38.0kg·hm-2;施氮处理(N2～N5)的钾肥表观平衡为-12.4～89.8 kg·hm-2，投入也不足。
　　(9)周年体系氮肥的表观利用率在N4最大，为56.2％;体系总产量N3、N4、N5无显著差异，N3、N4、N5的百公斤籽粒需肥(N、P2O5、K2O)量均在N3处理最低，体系氮肥利用率在施氮量处于N3～N4（255～382.5kg·hm-2）时较合理。
　　(10)综合考虑产量和养分吸收利用情况，该生产区域“小麦/玉米/大豆”体系周年氮肥推荐用量为255～382.5 kg·hm-2，对于单种作物而言，推荐施氮量小麦为120～180 kg·hm-2，玉米为195～292.5 kg·hm-2。高产处理(N3～N5)明显出现磷（体系用量120 kg·hm-2）、钾（体系用量150 kg·hm-2）肥的不足，应做适当补充;另“小麦/玉米/大豆”套作体系中，玉米为主要产值作物，其次是小麦、大豆，而大豆的产投比最高（平均为3.5），小麦各理均表现出氮肥投入量＜吸收量，而玉米在N3处理就表现出氮肥投入量＞吸收量，因此建议在确保玉米不减产的前提下，体系中氮肥的总投入量应向小麦和大豆转移，即适当增加小麦的施氮量，大豆由之前的不施氮改为施适量的氮。

目录

声明

论文说明

摘要

1 前言

2 研究现状综述

2．1 间套作的概念

2．1．2 间套作的分布和模式

2．1．3 间套作对作物产量、品质的影响

2．1．4 间套作优势的机理

2．2 “麦／玉／豆”间套体系的研究进展

2．2．1 “麦／玉／豆”间套体系

2．2．2 “麦／玉／豆’’体系下养分吸收的研究

2．3 氮肥施用效应的研究进展

2．3．1 我国氮肥的施用状况

2．3．2 施氮对作物产量的影响

2．3．3 施氮对土壤无机氮损失和累积的影响

3 研究内容

4 研究方法与技术路线

4．1 研究方法

4．2 技术路线

4．3 试验方案

4．3．1 试验地点

4．3．2 农场基本情况

4．3．3 试验材料

4．3．4 试验设计

4．3．5 试验实施

4．4 植株样品采集及测定

4．4．1 小麦

4．4．2 玉米

4．4．3 大豆

4．5 土壤样品采集和测定

4．6 样品分析指标及方法

4．7 数据处理

4．8 仪器设备

5 结果与分析

5．1 氮肥对体系作物生长动态的影响

5．1．1 小麦生长动态

5．1．2 玉米生长动态

5．1．3 大豆生长动态

5．2 氮肥对体系作物产量和产量构成的影响

5．2．1 小麦产量和产量构成

5．2．2 小麦内行、边行产量和产量构成

5．2．3 玉米产量和产量构成

5．2．4 大豆产量和产量构成

5．3 氮肥对体系作物养分吸收积累和分配的影响

5．3．1 氮素养分吸收积累和分配

5．3．2 磷素养分吸收积累和分配

5．3．3 钾素吸收积累和分配

5．4 氮肥对体系作物土壤无机氮变化的影响

5．4．1 小麦0～40cm土层土壤无机氮变化

5．4．2 玉米0～1m土层土壤无机氮变化

5．4．3 大豆0～40cm土层土壤无机氮变化

5．5 氮肥对体系周年产值、收益和养分利用效率的影响

5．5．1 体系年产值和年收益

5．5．2 体系中氮肥的表观平衡

5．5．4 体系中氮肥的利用率

5．5．5 体系中磷肥的表观平衡

5．5．6 体系中磷肥养分收获指数和偏生产力

5．5．7 体系中钾肥的表观平衡

5．5．8 体系中钾肥的养分收获指数和偏生产力

5．5．9 体系中各作物百公斤籽粒需肥量

5．5．10 体系的产值分配比

6 讨论

6．1 氮肥对体系中各作物干物质量积累的影响

6．2 施氮对体系中各作物氮素养分的吸收和转移的影响

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文