华北平原麦-玉年际轮作的土壤氮磷钾分布及淋洗研究

赵影星 宋 彤，2 陈源泉 王 彪 刘 晴 隋 鹏*

(1.中国农业大学 农学院，北京 100193；2.淄博市数字农业农村发展中心，山东 淄博 255000)

华北平原作为我国三大粮食主产区之一，农作物的播种面积和粮食产量约占全国的31%和36%[1]。华北平原麦-玉生产区主要为冬小麦-夏玉米(麦-玉)复种连作种植模式，多年过度单一的种植制度导致当地农田土壤矿质营养被片面地消耗，作物产量品质下降，土壤结构不良[2]。由于不同作物对养分存在专一性或者选择性吸收，多年的复种连作容易造成土壤养分的不均衡变化[3]，加上生产施肥管理方式不科学，导致某种营养元素过度消耗或重度积累，这将降低作物抗性，造成作物因缺乏某种营养元素而影响正常生长，不仅造成作物的产量降低、品质变劣，而且养分过度失衡会导致绝收[4-6]。2016年的中央一号文件[7]提到，鼓励利用轮作、休耕、退耕和替代种植等多种方式，对地下水漏斗区、重金属污染区和生态严重退化地区等进行综合治理。2020年中央一号文件[8]也提到要稳定粮食产量，推进农药化肥减量行动，稳步推进农用耕地土壤污染管控和修复再利用。因此，对土壤养分分布和淋洗状况的研究有助于了解不同种植模式农田土壤养分的发展趋势，促进农田土壤的健康可持续发展。

不同作物的生物学特性、形态特征(如株高、叶长和根系分布等)不同，因而作物对土壤养分的消耗时期、消耗种类、消耗量和吸收利用效率也不同。合理布局不同营养生态位作物，使其生长发育得以互补，可以使光、热、水、气和土等各种营养元素得到充分利用，使作物均衡利用土壤中的各种养分[9]。不同种属的作物对养分存在着专性与选择性吸收，谷类作物，例如水稻，玉米和小麦等，可以吸收较多的氮，磷和硅，但吸收的钙较少；豆类作物对氮和钙存在偏性消耗，但对硅吸收量较小；油菜、荞麦和燕麦等作物可以吸收与利用较多的难溶性磷，而小麦、玉米和棉花等作物吸收难溶性磷的能力较弱[10]。已有研究表明，实行作物轮作有利于土壤养分均衡利用，提高土壤肥力和养分资源利用率，实现粮食高产[11-14]。作物轮作对环境有多重影响，通过减少径流和土壤侵蚀来维持和改善地表水质量，通过减少养分淋失来改善地下水质量，以及通过影响土壤微生物群落来保持土壤质量和土壤生产力[15]。轮作充分利用作物-土壤的协同关系，可以减少土壤病虫害，改善土壤的物理和化学性质，提高土壤肥力，有助于提高土地利用效率和产量，具有较高的生态和经济效益[12,16]。

目前，在关于轮作模式下的土壤养分迁移规律的研究中，轮作模式主要有以稻麦轮作，大棚蔬菜-水稻轮作为代表的水旱轮作和以其他作物+麦-玉轮作为代表的旱地轮作[17-18];同时氮的养分迁移主要以硝态氮的淋溶研究为主[19]。氮是作物生产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过淋溶和径流流失到环境中，这是世界范围内作物集约生产区域都存在的问题[21]。土壤养分淋洗是指土壤中的养分经溶解、扩散和移动，最后随下渗水排出土体的全部过程，土壤溶液被喻为“土体的血液循环”，土壤溶液中的养分浓度比土体中有效养分含量更能反映土壤养分的新动态[22]。在西班牙的东北部，种植黑麦草、饲用油菜和黑燕麦3种填闲作物，可以防止养分向环境中淋失，是一种农田可持续发展的措施[23]。Liang等[24]通过对加拿大爱德华王子岛省夏洛特顿市的马铃薯→大豆→大麦轮作模式研究发现，轮作可以提高马铃薯产量，同时减少氮的淋失。在巴基斯坦开展稻→麦轮作试验发现，硝态氮淋失量在水稻生长过程中高于小麦，同时在当地推荐施肥量的基础上提高15%的施氮量，可以减少氮损失并提高作物产量[25]。对法国北部地区11种种植制度的3年检测结果发现，氮素淋失的2个主要交互驱动因子是作物种植序列和土壤状况，因此为了提高种植制度的氮素利用效率，采用包括土壤淋溶敏感性在内的多准则方法进行种植制度间的对比[26]。综上，对多样化轮作模式的土壤养分分布和淋洗状况进行系统的研究，不仅为农田土壤的健康可持续发展提供理论基础，也可为筛选适合的新型轮作种植模式提供重要的理论依据。

在全球范围内，以有限的农业资源满足日益增长的粮食需求是一项重大挑战[27-28]。华北平原小麦和玉米产量分别占全国总产量的75%和31%[29]，因此构建基于麦-玉的新型年际间轮作种植模式尤为重要，一方面保证国家对于小麦和玉米的需求，同时改善区域性的土壤质量问题[30]。对基于麦-玉的多样化轮作模式土壤养分分布和淋洗状况研究目前鲜见报道。本研究基于农田土壤养分平衡的前提，2016—2019年构建春玉米→麦-玉、冬小麦→麦-玉、春花生→麦-玉、冬小麦-夏花生→麦-玉和马铃薯-青贮玉米→麦-玉5种2年轮作模式，利用渗漏池和陶瓷杯提取的方法，测定轮作模式的土壤养分分布和淋洗状况，旨在对新型轮作模式进行评价，以期为该区域筛选合理的水肥运筹的轮作模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本研究于2016年10月—2019年10月在河北省沧州市吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°41′ N，116°37′ E)开展，该区地处黑龙港流域中部，暖温带季风气候，试验期间年均降雨量594.9 mm，其中2018年降雨量最多，达到了813.6 mm，年均气温12.9 ℃，年日照时间为2 568.6 h。0～20 cm土质为壤质黏潮土，容重为1.40 g/cm3，pH 8.13，有机碳为4.82 g/kg，全氮为0.78 g/kg，有效磷为19.11 mg/kg，速效钾为156.69 mg/kg。试验期间月均温和降雨量，见图1。

图1 2016—2019年中国农业大学吴桥实验站的月均温和月降雨量Fig.1 The monthly average temperature and precipitation from 2016 to 2019 in Wuqiao Experimental Station,China Agricultural University

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

试验以冬小麦-夏玉米复种连作(麦-玉复种模式)为对照，一方面考虑到华北平原冬小麦和夏玉米的产量保障，另一方面在作物适用性的基础上考虑到粮食作物、油料作物、饲料作物的需求和搭配，设置春玉米→麦-玉(春玉米模式)、冬小麦→麦-玉(冬小麦模式)、春花生→麦-玉(春花生模式)、冬小麦-夏花生→麦-玉(冬小麦-夏花生模式)和马铃薯-青贮玉米→麦-玉(马铃薯-青贮玉米模式)5种2年轮作模式。在3年轮作试验期间，2016-10—2017-09为多种作物种植季，定义为2017轮作年；2017-10—2018-09均为冬小麦-夏玉米种植季，定义为2018麦-玉年；2018-10—2019-09为多种作物种植季，定义为2019轮作年。不同模式作物种植顺序，见图2。试验采用随机区组设计，每个轮作模式设置3次重复，一共18个小区，每个小区的面积为2 m×2 m=4.0 m2。田间管理依据大田生产规范进行，各作物具体田间管理措施基于不同作物的特性和需求，见表1。夏玉米、春玉米、青贮玉米氮肥的底肥∶拔节追肥比为1∶1，马铃薯氮肥的底肥∶结薯期追肥比为4∶6，冬小麦氮肥的底肥∶拔节追肥比为6∶4，磷肥和钾肥均于播种时一次性施入。作物收获后，除青贮玉米秸秆用做家畜饲料外，其余作物秸秆均碾碎后还田。

图2 不同种植模式的作物种植顺序Fig.2 The order of crop rotation

表1 不同作物田间管理措施Table 1 The management of different crops

各小区之间用混凝土修筑的渗漏池隔开，渗漏池底部及侧面进行防水处理。底部为斜面，铺30 cm 粗砂防止土壤颗粒随水流失。斜面最低处设排水口，通过PVC管连接到接水容器内。在渗漏池侧部修筑约2.2 m高的地下监测室用于渗漏水监测与取样。于2019年4月在距土壤表面50，70，120和170 cm处安装陶瓷杯提取器，在210 cm处连接渗漏桶接取渗漏水。待土体稳定3个月后开始采集陶土管水样，采样时间为每次灌溉、施肥和较大降水后的1、3、5和7 d，之后每周测1次。定期收集渗漏桶中的渗漏水，并采用量筒测定淋失水量，摇匀后采集水样冷冻保存，以3个重复的平均值作为该处理的时段渗漏水量。

1.2.2测定指标

1)土壤、土壤溶液及渗漏水收集

2016年10月开始采集0～20和>20～50 cm土壤用做测定初始样品；在2017和2018年秋季作物收获后，采集0～20 cm土壤样品；2019年秋季作物收获后，分层采集0～20和>20～50 cm土壤样品，其中一部分置于-20 ℃保存，一部分置于阴凉干燥处自然风干。陶瓷杯提取器取样时间为每次灌溉、施肥和较大降雨后的1、3、5和7 d，之后每周测1次。每次采样时，手动压力大约-7 MPa，24 h后收集土壤溶液。根据灌溉和降雨不定期收集渗漏桶中的渗漏水，采用量筒测定渗漏水量并冷冻保存，作为该处理时段的渗漏水量。2019年选取具有代表性的5个时间(08-03、08-13、08-19、09-02和10-03)，用陶瓷杯提取器采集水样。

2)养分指标测定

铵态氮和硝态氮：土壤样品使用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提，称出约10 g的新鲜土壤样品，在105 ℃的烘箱内烘干至恒重，计算土壤的含水量。另称取10 g鲜土，加入50.00 mL、0.01 mol/L CaCl2溶液，在摇床上振荡30 min，转速为180 r/min。静置5 min后，用定性滤纸将上清液过滤，取适当滤液放入10 mL的离心管中，使用连续流动分析仪测定，并计算铵态氮与硝态氮浓度。无机氮包括铵态氮、硝态氮和极少量的亚硝态氮，本研究将铵态氮和硝态氮记为无机氮。

土壤有效磷：土壤样品使用0.5 mol/L NaHCO3浸提，采用钼锑抗比色法测定[31]。

水样中总磷：采用流动分析仪测定[32]。

速效钾：土壤样品使用l mol/L CH3COONH4浸提，采用火焰光度法测定[33]。

水样中总钾：采用火焰光度计测定[34]。

养分淋失量，kg/hm2：养分淋失量=210 cm处土壤溶液养分质量浓度×通过210 cm界面的土壤水通量。

3)气象数据

来源于河北省吴桥县气象局。

1.3 统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016处理和绘图，用SPSS 25.0系统软件进行显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式土壤养分变化动态

由表2可知，经过3年的轮作种植，冬小麦模式和春玉米模式土壤无机氮含量均显著高于对照，且冬小麦模式土壤无机氮含量最高。冬小麦模式和春玉米模式的0～20 cm土层无机氮含量比对照模式约高出2.8和1.4倍，>20～50 cm土层无机氮含量比对照高出2.6和0.7倍。0～50 cm土层有效磷含量较高的模式有冬小麦模式、春花生模式和冬小麦-夏花生模式。冬小麦模式的0～20 cm土层速效钾含量显著高于其他5种种植模式且高于初始值，马铃薯-青贮玉米模式和春花生模式的土壤速效钾含量最低。因为马铃薯是喜钾作物且青贮玉米不还田，所以马铃薯-青贮玉米模式土壤速效钾含量下降最剧烈。综上所述，冬小麦模式表层土壤无机氮、有效磷和速效钾含量较高，冬小麦-夏花生模式与对照相似，马铃薯-青贮玉米模式最差。

2.2 不同轮作模式不同土层土壤溶液养分状况

由表3可知，2019-08—10月不同轮作模式0～50 cm土壤溶液无机氮浓度随着时间的延长逐渐降低，于10月份稍有上升。麦-玉复种模式的土壤溶液无机氮浓度显著高于其他5种模式，这主要是因为该模式总施肥量较高(810 kg/hm2)；冬小麦-夏花生模式、春花生模式和冬小麦模式在0～70与0～120 cm无机氮浓度较高，可能因为该地区6—9月份降雨较多，养分随水向下淋洗。6种轮作模式在0～120和0～170 cm的土壤溶液无机氮浓度波动幅度不大，冬小麦-夏花生模式在这两个层次的土壤溶液中无机氮浓度最高。

表3 不同轮作种植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土层土壤溶液无机氮浓度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，不同层次的土壤溶液总磷浓度无显著变化，0～50、0～70、0～120和0～170 cm各处理土壤溶液中总磷平均浓度分别在7.48～15.74，6.56～12.59，5.90～11.33和7.54～9.52 mg/L，其中0～170 cm处总磷浓度波动幅度最小，说明深层土壤溶液的总磷浓度受农田表层的影响较小。春花生模式的0～70 cm土壤溶液总磷和总钾含量较高(表5)，有利于满足春花生对于养分的需求；冬小麦-夏花生模式和麦-玉复种模式0～120 cm左右的土壤溶液总磷含量较高，冬小麦-夏花生模式和春玉米模式在0～120 cm土壤溶液总钾浓度较高，原因可能是玉米和花生根系主要集中在0～40 cm土层中，因此可能引起地下水的污染。各模式0～170 cm处的土壤溶液总钾浓度基本相似，差异范围在1.34～5.80 mg/L。

表4 不同轮作种植模式0～50,0～70,0～120和170 cm土层土壤溶液总磷浓度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 不同轮作种植模式0～50,0～70,0～120和0～170 cm土层土壤溶液总钾浓度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 不同轮作模式土壤水分渗漏量与养分淋失量

由表6可知，2018-10—2019-10土壤水分渗漏主要发生在一年当中的8—10月，且随着时间的延长，各模式土壤水分渗漏量均逐渐减少。不同轮作模式间，冬小麦模式的水分渗漏量均较高，这主要是因为在雨季，该模式土地处于休耕状态，没有强大的作物根系固持水分。在2018-10-08，水分渗漏量增大，这是因为种植冬小麦前灌溉底墒水75 mm，而其他模式的水分渗漏量并无显著变化，春花生模式由于周年灌溉量较小，因此水分渗漏量较小。

6种轮作种植模式不同时段的土壤养分淋失量损失主要发生在一年当中的8—10月。由表7可知，冬小麦模式全年总无机氮淋失量为3.12 kg/hm2，分别比麦-玉复种模式、春玉米模式、马铃薯-青贮玉米模式、冬小麦-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，春花生模式无机氮淋失量最低。冬小麦模式雨季无根系固持水分导致其养分渗漏量较大，土壤渗漏液无机氮平均浓度为16.12 mg/L，尽管低于我国生活饮用水卫生标准20.00 mg/L，但仍存在污染地下水的风险。田间土壤总磷的累计淋失量在0.38～1.44 kg/hm2，春花生模式的总磷淋失量较低，一方面是因为施磷肥量最小，另一方面是该模式灌溉量小，水分渗漏量小(表6)。冬小麦模式和冬小麦-夏花生模式在各时段的土壤总磷淋失量均较高，分别占当年磷肥施用量的1.28%和0.40%，尽管其淋失总量较小，二者的平均浓度却分别达到8.000和9.000 mg/L，超过了引发水体富营养化的0.020～0.035 mg/L浓度。总钾淋失量相对于无机氮和有效磷较大，累计淋失量在2.07～7.66 kg/hm2，这主要是因为渗漏液中总钾含量较高。冬小麦模式的总钾淋失量均高于其余几种模式，其全年总钾淋失量占当年施肥量的3.40%。冬小麦模式因雨季无作物根系固持水分，水分渗漏量最大，同时土壤养分含量高，造成无机氮、总磷和总钾淋失量较高；春花生模式由于周年灌溉量低，导致土壤养分淋失量小。

表7 不同轮作种植模式不同时段的养分淋失量Table 7 Nutrient leaching loss at different time in different rotation cropping patterns kg/hm2

3 讨 论

3.1 轮作模式对土壤肥力的影响

在土壤养分分布中，冬小麦→麦-玉模式和春玉米→麦-玉模式的土壤无机氮含量显著优于麦-玉复种模式；春花生→麦-玉模式和冬小麦→麦-玉模式0～50 cm土壤有效磷含量下降幅度最小，各模式均应适当加大磷肥投入；冬小麦→麦-玉模式，冬小麦-夏花生→麦-玉模式和麦-玉复种模式的土壤速效钾含量较高，马铃薯-青贮玉米→麦-玉模式和春花生→麦-玉模式的土壤速效钾含量较低，应适当加大钾肥投入。结合养分管理情况，冬小麦→麦-玉模式更有利于保持表层土壤健康，春玉米→麦-玉模式和春花生→麦-玉模式次之。土壤肥力受不同轮作种植模式影响，在河北省石家庄市栾城区中国科学院栾城农业生态系统试验站开展了不同的轮作模式土壤养分分析试验，结果发现麦-玉模式和棉花连作模式对土壤中氮、磷、钾的消耗量最高，土壤退化情况最严重，粮-棉-薯模式和粮-花生模式有利于土壤养分良性发展[35]。陈丹梅等[36]针对烤烟、油菜、玉米、苕子和水稻作物进行轮作模式研究发现，烤烟-油菜-玉米和烤烟-油菜-水稻轮作模式的土壤有效氮含量在基础地力水平上提高了10%～32%，土壤有效磷含量比基础地力增加1倍以上。吕毅等[37]研究也发现小麦-小葱轮作模式提高了土壤有机质含量，小麦-马铃薯轮作可提高土壤速效氮、有效磷及微量元素的含量。因此，改变华北平原长期的冬小麦-夏玉米(麦-玉)复种连作种植模式，探索新型轮作模式对提高土壤肥力、保持养分平衡显得尤为重要[11]。

3.2 轮作模式对土壤养分淋洗的影响

本研究发现春花生→麦-玉模式0～70 cm土壤溶液总磷和总钾浓度较高，有利于满足作物对于养分的需求；冬小麦-夏花生→麦-玉模式100 cm土层以下的土壤溶液无机氮、总磷和总钾浓度均较高，加大了地下水污染的风险。冬小麦→麦-玉模式因雨季无作物根系固持水分，同时土壤养分含量高，造成养分淋失量较高；春花生→麦-玉模式由于周年灌溉量低，水分渗漏量小，导致土壤养分淋失量小。在不同作物轮作时，部分轮作模式可以减少土壤养分下渗，提高肥料利用率，减少对环境的污染。氮素淋溶主要发生在非生长季节，不同轮作作物表现出不同的淋溶模式[24]。张喜英[38]研究发现，0～120和0～170 cm的土壤溶液无机氮浓度波动幅度不大，是因为土壤溶液中无机氮含量与根系吸收利用密切相关，而作物根系主要分布在0～100 cm土层，作物对无机氮的消耗较小导致对100 cm以下土层中的无机氮含量影响不大。本研究中各轮作模式无机氮淋失量与降雨量成正相关，如果长期无降雨和灌溉，随着暴晒程度加剧，作物蒸腾作用旺盛，土壤含水量下降，无机氮的淋失量会越来越少。减少作物轮作系统硝酸盐淋失的一个常见策略是在时间和空间上平衡氮供应和作物需求，实施这一策略的一种方法是将绿肥纳入轮作制度，在轮作期吸收氮，在经济作物期的生长季释放氮[39]。本研究得到田间土壤总磷的淋失量较为微弱，累计淋失量在0.38～1.44 kg/hm2。这主要是因为磷素可以在土壤溶液中反应生成其他矿物质，并且下层土壤有较强的吸附磷素的能力，所以磷在土壤中的扩散移动极弱[40]。因此，轮换种植不同的作物可以减少土壤养分下渗，减少对环境的污染。由于填闲作物能够有效地保留土壤矿质氮和磷以及重金属，从而减少淋洗和径流损失，因此可以使用填闲作物来减少2种主栽作物之间的养分损失。已有研究发现，浅根性作物成熟收获之后，轮换种植一些根系分布较深的作物，可以更好地利用表层土壤中淋洗转移到深层土壤中的营养元素，而且在水分亏缺地区能够合理利用深层地下水[38-39]。同时，随着下茬深根性作物的生长发育，深层土壤中的营养元素不断地被吸收利用，并被土壤表层存在的大量根系固定，从而供浅根性作物吸收利用[41]。

从试验年限上来看，由于本研究历时较短，且每年的气候不同，因此仅靠一年的土壤溶液养分结果很难反映不同年型下的养分淋洗状况，所以应继续开展多年的试验并获得更可靠的试验结果。另，本试验利用渗漏池和陶瓷杯提取器设备测定了土壤溶液养分含量和养分淋失量，但对于其产生差异的机制尚不清晰，可以通过观察和测定各轮作模式作物根系形态、生物量指标及土壤孔隙度等进行深入研究。

4 结 论

华北平原地区传统的冬小麦-夏玉米(麦-玉)复种连作种植模式带来的土壤蓄水保肥能力下降，地力消耗不均衡等一系列问题导致农业生态系统的失衡。本研究主要从减少投入，培肥地力的角度对构建的新型轮作模式进行评价，以麦-玉复种模式为对照，构建春玉米→麦-玉、冬小麦→麦-玉、春花生→麦-玉、冬小麦-夏花生→麦-玉和马铃薯-青贮玉米→麦-玉5种新型轮作模式，利用渗漏池和陶瓷杯提取器，对轮作周期内土壤养分和深层土壤淋洗情况进行分析，研究发现与对照模式相比，冬小麦→麦-玉模式表层土壤养分含量较高，最有利于保持土壤肥力，春玉米→麦-玉模式和春花生→麦-玉模式次之，冬小麦-夏花生→麦-玉模式与对照差异不显著，马铃薯-青贮玉米→麦-玉模式最差。春花生→麦-玉模式的0～70 cm 土壤溶液总磷和总钾浓度较高，有利于满足作物对于养分的需求；冬小麦-夏花生→麦-玉模式100 cm土层以下土壤溶液中无机氮、总磷和总钾浓度均较高，存在地下水污染的风险。

综上所述，从养地、减投的角度考虑，在华北平原冬小麦→麦-玉模式和春花生→麦-玉模式培肥地力效果最好。