本研究针对京郊地区冬小麦-夏玉米轮作系统中氮素损失严重的问题,于2012年至2013年在北京市农林科学院温室和北京市房山区农业科学院农业面源污染试验站分别布置盆栽试验和原位土柱定位试验,采用15N示踪技术研究氮素去向及损失途径,研究冬小麦-夏玉米轮作系统中氨挥发损失、N20排放损失和氮素淋溶损失。主要结果如下：
1.通过15N示踪对氮肥在土壤／作物体系中去向的结果表明,氮肥用量在22～266mg/kg范围内,玉米生物量在5600～10030mg/kg之间,氮肥的作物回收率、土壤残留率和损失率分别在11.83%-67.6%、21.01%-39.32%、11.39%～48.85%之间,其中施肥量为N88mg/kg,其作物回收率67.6%,土壤残留率21.0%,损失率11.4%。与N22、44、66mg/kg施肥水平处理相比,植株对15N肥料回收率分别提高了55.8、19.4、28.1个百分点,15N肥料在土壤中残留率分别减少了18.3、11.7、12.7个百分点。15N肥料的损失率分别降低了37.4、7.7、15.4个百分点；与N111、133、177、222、266mg/kg施肥水平处理相比,培养玉米生长期间施肥量为N88mg/kg时,植株对15N肥料回收率分别提高了9.2、12.7、19.5、26.6、28.0个百分点,15N肥料在土壤中的残留率分别减少了7.5、4.2、14.9、17.8、5.1个百分点,15N肥料在培养玉米生长期间的损失率分别降低了9.2、12.7、19.5、26.6、28.0个百分点。氮素供应不足和过量严重影响着作物产量和氮肥的利用率,因此,施肥量为N88mg/kg,较为科学合理的施肥量。2.氨挥发是氮素主要损失途径之一。该试验条件下,冬小麦-夏玉米轮作体系中农田土壤氨挥发损失主要发生在氮肥施用后的13天内。不同施氮水平处理间的氨挥发量随着施氮量的增加而升高。冬小麦季,不同施氮处理氨挥发量变化幅度为3.01～21.20kg/hm2,其中冬前基肥时期土壤氨挥发量高于返青追肥时期；夏玉米季,氨挥发量变化幅度为4.75～37.12kg/hm2,其中氮肥追施后的氨挥发量高于氮肥基施后。N3处理,即氮肥施用量为N150kg/hm2时,冬小麦季和夏玉米季氨挥发总量分别为9.46和15.21kg/hm。通过二次曲线的模拟得出,在京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系当农田土壤氮肥施用量为N150kg/hm2时,挥发损失率最小,作物产量最高。当氮肥施用量超过N150kg/hm2时,氮肥通过氨挥发带来的损失不容忽视。3.在京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系中农田土壤N20排放通量表现出明显的季节性和日变化规律。冬小麦季N20排放量为0.32～2.34kg/hm2;夏玉米季1.09-15.65kg/hm2。整个轮作周期,小麦季各处理N20排放损失率为0.37%-0.51%；玉米季2.52%-3.64%。由于夏玉米季平均气温高于冬小麦季,因此夏玉米季氮肥施入农田土壤后,土壤N20排放通量高于小麦季。4.京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系中增加施用氮肥量,明显增加了农田土壤硝态氮含量,硝态氮易发生氮素淋洗。通过对淋溶液的测定,冬小麦季,在各个处理水平下,N淋洗量为1.74～4.10kg/hm2;在玉米季,N淋洗量为0.66～9.76kg/hm2。
5.在冬小麦-夏玉米轮作体系中,作物的产量随着氮肥施用量的增加而增加。本研究中氮肥用量在0-400kg/hm2,小麦产量在5045.78～6346.20kg/hm2范围内,玉米产量在7311.6～10389.60kg/hm2范围内。其中氮肥施用量为N150kg/hm2时,冬小麦和夏玉米的产量最高,分别为6346.20kg/hm2和10389.60kg/hm2。可见,整个冬小麦和夏玉米生长季,施用氮肥可以显著提高小麦和玉米的产量,当超过作物对氮素的阈值时(150kg/hm2),作物产量随着施氮量的升高而降低。
综上所述,京郊地区基于冬小麦-夏玉米轮作体系阶段,合理优化氮肥施用量有利于作物氮素吸收,提高氮肥利用率,降低肥料氮素在施入农田后各个机制的损失,同时能够保证当地粮食作物的产量,是较理想的提高氮肥利用率减少环境负担的农业措施。京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系农田土壤最理想的氮肥施用量为N150kg/hm2。
