姚兆磊, 张立峰,2**, 刘玉华,2, 张继宗,2, 杜玉琼

轮作下华北寒旱区作物生产的氮磷养分效果分析*

姚兆磊1, 张立峰1,2**, 刘玉华1,2, 张继宗1,2, 杜玉琼1

(1. 河北农业大学农学院 保定 071000; 2. 农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站 张家口 076450)

明晰华北寒旱区主栽作物的氮、磷养分利用效果, 能够发挥作物生态适生性与养分高效性优势, 是作物充分利用区域自然-社会资源进行生产配置技术创新的理论依据。在河北省张北县砂质栗钙土农田, 采用交叉式种植方法, 设计了包括马铃薯、亚麻、谷子、莜麦、甜菜等5种作物的轮作试验, 研究在轮作条件下华北寒旱区主栽作物的养分利用效果。结果表明, 5种作物间生物产量相差1.17~2.34倍, 甜菜最高(10 291 kg·hm-2), 莜麦次之, 亚麻最低(4 393 kg·hm-2), 作物间产量差异性显著; 5种作物氮、磷携出量分别相差1.03~2.10倍、1.00~1.92倍, 甜菜氮素携出量最高(199 kg·hm-2), 莜麦磷素携出量最高(29 kg·hm-2), 亚麻氮、磷携出量均最低(分别为95 kg·hm-2、15 kg·hm-2); 氮、磷养分生物学效率分别在43.82~53.11 kg·kg-1、287.60~574.88 kg·kg-1, 其中甜菜氮、磷养分生物学效率最高; 5种作物氮、磷产投比变化在0.50~1.65、0.34~1.83, 莜麦氮、磷产投比最高。在华北寒旱区, 作物种类是引起作物产量、氮磷携出量及氮磷养分生物学效率差异的主要因素, 茬口对诸性状的影响不明显。甜菜是对氮、磷吸收高效利用的高产作物, 莜麦是对农田供给氮、磷高效利用的作物; 马铃薯作为甜菜的前茬、甜菜作为莜麦的前茬更有利于提高作物产量。

华北寒旱区; 养分利用效率; 养分产投比; 甜菜; 莜麦; 马铃薯; 亚麻; 谷子

随着经济及社会的发展, 现代农业在关注作物高产、优质的同时, 越来越关注对资源高效利用及生态环境的可持续发展。Davis等[1]通过模拟研究提出, 优化全球作物分布可减少对降水和灌溉水的消耗量, 可额外养活8.25亿人口, 且不会造成全球作物多样性的丧失。华北寒旱区气候冷凉低温、无霜期短、作物种类多样, 为典型的喜凉类作物雨养一熟区[2]。基于区域生境与栽培条件, 通过比较不同作物产量及养分利用效果差异, 对于选配适应性强、资源高效利用的作物结构, 促进区域作物节本增效生产具有重要作用。关于区域优势作物的分析, 有学者采用效率优势指数、规模优势指数、综合优势指数等指标[3-10], 提出了我国小麦()、玉米()、棉花(spp.)、水稻()等主要农作物的优势产区, 对降低生产成本, 推进农业持续发展提供了重要参照。基于作物品种间养分效果分析, 通过比较作物生物量、氮磷吸收与利用效率等差异, 筛选出了养分高效率品种[11-15]。王东等[16]采用聚类方法, 依据品种间氮、硫利用效率的差异, 筛分出氮低效硫低效、氮中效硫中效、氮高效硫高效等类型的冬小麦, 进一步提出氮素和硫素利用效率较高的小麦品种具有相对较低的植株含氮量和含硫量, 成为冬小麦氮素和硫素利用效率较高的生理原因。研究表明, 氮、磷素利用效率高的作物品种通常体内氮、磷素浓度低, 生物量大, 氮、磷素累积量较高, 具有“低投入、高产出”的特征[17-18]。于天一等[19]研究表明, 高产与磷高效花生()的主要特征是较高的干物质生产能力, 以及适当偏低的植株磷浓度和适中的磷累积量; 袁园园等[20]研究表明, 小麦品种间在产量和养分利用效率性状上差异明显,不同年份对小麦产量以及氮、磷、钾养分利用效率的影响较大; 何丹丹等[21]基于施氮和不施氮条件下各品种马铃薯()的平均产量, 将其分为双高效型、低氮高效型、高氮低效型和双低效型, 得出双高效型马铃薯在各生育期的干物质生产和氮素吸收能力强, 从而促进了氮效率提升和产量的形成。前人更多地通过比较同一作物不同品种间养分吸收与利用效率差异, 筛选出养分高效品种; 或是通过比较区域内不同作物的生产效率等指标, 筛选出适应性强的高产作物。然而优势作物的规模化连作生产, 势必影响作物产量, 相应养分的单一利用也会降低生物学效率[22-23]。本研究基于华北寒旱区作物类型多样特征, 设计在轮作条件下以区域传统主栽作物为供试材料, 通过轮作试验, 以生物产量、养分携出量及养分生物学效率等为指标, 评价轮作条件下不同作物的养分利用效果。明确轮作条件下华北寒旱区5种主栽作物的生物产量、氮磷养分吸收与转化效果差异, 揭示生物产量与氮磷养分携出量、氮磷生物学效率间的关系, 依此为选配区域适生性强、资源利用效率高的作物时空结构提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验背景

试验设在河北省张家口市张北县河北农业大学张北实验站。试验区海拔1 455 m, 年均温度3.9 ℃, 无霜期105 d左右, ≥10 ℃积温2 426.3℃, 年均降水量382.9 mm, 蒸发量1 693.0 mm, 春旱、夏旱几率为46%左右, 属于高寒半干旱生态类型区。试验年2016年全年降水量为486.5 mm, 2017年全年降水量为400.6 mm, 2018年全年降水量为325.2 mm。供试农田土壤类型为砂质栗钙土, 0~20 cm土层全氮含量为0.7 g·kg-1, 全磷含量为0.23 g·kg-1, 全钾含量为15.12 g·kg-1, 有机质含量为10.79 g·kg-1, 碱解氮含量为58.37 mg·kg-1, 有效磷含量为19.87 mg·kg-1, 速效钾含量为57.06 mg·kg-1。

1.2 试验材料

试验选择砂质栗钙土农田的5种主栽作物, 包括: 喜温作物饲用谷子(), 品种‘张杂谷’; 喜凉耐霜型根茎作物甜菜(), 品种‘KWH-6231’; 3种喜凉作物马铃薯、莜麦()和亚麻(), 马铃薯品种为‘小白花’, 莜麦品种为‘坝莜1号’, 亚麻品种为‘坝亚6号’。

1.3 试验设计

试验于2015年开始, 采用交叉式设计的种植方式(表1), 在2015年5种作物纵向依次种植的基础上, 2016年同样的5种作物依次横向种植。该交叉式种植方式, 形成20个倒茬小区与5个连作小区。2017的种植方式同2015年, 2018的种植方式同2016年。小区面积为80 m2, 试验区面积为2 000 m2。试验田雨养旱作生产。供试肥料为尿素(N≥46%)、磷酸二铵(N∶P2O5=18∶46), 各作物N、P养分施入量如表2所示, 表2中N、P养分的施入量是肥料中全N和全P的施入量。

表1 2015—2018年各试验小区不同作物的种植顺序

P: 马铃薯; F: 亚麻; M: 饲用谷子; O: 莜麦; B: 甜菜。P: potato (); F: flax (); M: millet (); O: oat (); B: beet ().

表2 2015—2018年各作物的每年N、P施入量

1.4 测定项目与方法

在收获期, 各种作物测定实际收获产量。同时采集作物样品, 其中马铃薯、甜菜的小区均进行5点取样, 每点取1株, 采集地上部与地下部; 莜麦、谷子、亚麻进行3点取样, 每点取2 m双行, 只采集地上部。然后对采集的样品烘干、粉样, 测定各作物不同部位的全氮、全磷含量。用以下公式[24-27]计算相关指标。

作物养分携出量(kg·hm-2)=作物产量(kg·hm-2)×作物养分含量(kg·kg-1) (1)

作物农田养分产投比=作物养分携出量(kg·hm-2)/农田养分施入量(kg·hm-2) (2)

作物养分生物学效率(kg·kg-1)=作物生物产量 (kg·hm-2)/作物养分携出量(kg·hm-2) (3)

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2010与SPSS分析整理。本试验以年际间作为重复, 通过运用LSD法和Duncan法进行多重比较, 处理间的差异显著性水平为<0.05[28]。

2 结果与分析

2.1 轮作下各作物的生物产量

试验在2015年创造前茬基础上, 2016年之后为年际间重复。分析2016—2018年不同前茬下各种作物的生物产量(表3)。与马铃薯连作相比, 各茬口的马铃薯平均产量均高于连作, 以莜麦茬马铃薯产量最高。统计分析表明, 不同前茬的马铃薯产量差异不显著。不同前茬莜麦平均产量与马铃薯相似, 轮作莜麦产量是连作的1.01~1.18倍, 以甜菜茬莜麦产量最高; 不同前茬莜麦产量之间无显著差异。

与连作亚麻相比, 甜菜茬亚麻的平均产量较低, 为连作的97.21%; 其他前茬亚麻的平均产量是连作的1.02~1.10倍。谷子产量的茬口效应与亚麻相似, 甜菜茬谷子平均产量为连作的99.71%, 其他前茬谷子的平均产量是连作谷子的1.05~1.30倍。分析表明亚麻、谷子的生物产量, 不同前茬处理间差异均不显著。连作甜菜较马铃薯茬甜菜减产24.47%, 且差异显著, 较其他3种前茬甜菜减产9.08%~16.86%, 但差异不显著。表明甜菜作物不宜连作, 马铃薯作为前茬有利于提高甜菜产量。

表3表明, 5种作物间生物产量相差1.17~2.34倍, CV达32.61%。统计分析表明, 甜菜与马铃薯、亚麻、谷子作物间产量差异达显著水平, 甜菜与莜麦作物间产量差异不显著; 莜麦与亚麻作物间产量差异达显著水平。结果表明在华北寒旱区, 由作物种类所引起的产量差异是决定作物生产效果的主要因素。

表3 2016—2018年不同前茬下各作物的生物产量

每种作物平均值后不同小写字母表示不同前茬同一作物生物产量差异显著(<0.05), “平均”列不同小写字母表示不同年份同一作物生物产量差异显著(<0.05), “平均”列不同大写字母表示5种作物间生物产量差异显著(<0.05)。Different lowercase letters in the “Average” line of each crop represent significant differences in the biological yield of the crop among different previous crops (< 0.05). Different lowercase letters in the “Average” column represent significant differences in the biological yield of the same crop among different years (< 0.05). Different capital letters in the “Average” column represent significant differences in the biological yield among five crops (< 0.05).

进一步分析不同年份对各作物产量的影响, 结果表明, 马铃薯、亚麻、谷子、莜麦产量年份间差异显著, 甜菜产量年份间差异不显著(表3)。表明雨养旱作背景下, 作物产量变异显著受年份资源环境的影响。5种作物表现高产或低产的年份不同, 莜麦、甜菜表现为2016年产量较高, 而同年马铃薯、谷子产量则较低; 马铃薯表现为2017年产量较高, 而同年亚麻、莜麦、甜菜产量则较低; 马铃薯、亚麻、谷子、甜菜表现为2018年产量较高, 而同年莜麦产量则较低, 说明同一资源环境年型对作物间生产的影响存在差异。

2.2 轮作下各作物的养分携出量

2016—2018年不同前茬条件下各作物的氮、磷养分携出量如表4所示。与不同前茬条件下生物产量效应相似, 不同前茬马铃薯的氮、磷携出量比连作分别高14~38 kg·hm-2、3~6 kg·hm-2, 以莜麦茬马铃薯携出量最高。除马铃薯茬莜麦磷携出量较连作莜麦减少3 kg·hm-2外, 其他茬口的莜麦氮、磷携出量分别比连作高11~31 kg·hm-2、1~3 kg·hm-2, 以甜菜茬莜麦携出量最多。统计分析表明, 不同前茬的马铃薯与莜麦的氮、磷携出量差异不显著。

与亚麻连作相比, 莜麦茬亚麻氮携出量增加24 kg·hm-2, 是连作亚麻的1.28倍, 差异显著; 马铃薯茬、谷子茬和甜菜茬亚麻氮携出量与连作之间差异不显著。4种前茬下亚麻磷携出量较连作增加1~ 4 kg·hm-2, 但彼此间差异不显著。

表4 2016—2018年不同前茬下各作物的氮(N)、磷(P)携出量

每种作物平均值后不同小写字母表示不同前茬同一作物养分携出量差异显著(<0.05), “平均”列不同大写字母表示5种作物间养分携出量差异显著(<0.05)。Different lowercase letters in the “Average” line of each crop represent significant differences in the nutrient uptake amounts of the crop among different previous crops (< 0.05). Different capital letters in the “Average” column represent significant differences in the nutrient uptake amounts among five crops (< 0.05).

与谷子连作相比, 马铃薯茬、亚麻茬谷子氮携出量分别较连作增加23~34 kg·hm-2, 磷携出量较连作均增加3 kg·hm-2; 莜麦茬、甜菜茬谷子氮、磷携出量分别比连作谷子低2~5 kg·hm-2、1~2 kg·hm-2。与甜菜连作相比, 不同前茬甜菜氮、磷的携出量分别比连作高3~56 kg·hm-2、2~6 kg·hm-2, 说明倒茬有利于甜菜对氮、磷养分的吸收。统计分析表明, 不同前茬的谷子与甜菜氮、磷的携出量差异均不显著。

由表4可见, 5种作物间氮携出量相差1.03~2.10倍, CV为25.41%; 统计分析表明, 甜菜与亚麻作物间氮携出量差异达显著水平; 甜菜与马铃薯、谷子、莜麦间氮携出量差异不显著。5种作物间磷携出量相差1.00~1.92倍, CV为23.85%; 统计分析表明, 莜麦与亚麻作物间磷携出量差异达显著水平, 莜麦与马铃薯、谷子、甜菜磷携出量差异不显著。结果表明在华北寒旱区, 由作物种类所引起的氮、磷携出量差异是决定作物养分生产效果的主要方面。

2.3 不同前茬下各作物养分生物学效率与养分产投比

2.3.1 氮素生物学效率与氮素产投比

如表5所示, 不同前茬对马铃薯、谷子、莜麦、甜菜4作物的氮素生物学效率与氮素产投比的影响均不显著。连作亚麻较其他前茬亚麻具有最高的氮素生物学效率和最低的氮素产投比, 不同前茬亚麻的氮素生物学效率较连作亚麻降低8.12%~13.88%,相应氮素产投比较连作亚麻提高8.46%~28.46%。统计分析表明, 不同前茬亚麻的氮素生物学效率无显著差异; 莜麦茬亚麻的氮素产投比显著高于连作亚麻, 其他前茬亚麻的氮素产投比与连作亚麻间无显著差异。

表5 2016—2018年不同前茬下各作物氮素平均生物学效率与产投比

每种作物平均值后不同小写字母表示不同前茬同一作物氮素生物学效率或氮素产投比差异显著(<0.05), “平均”列不同小写字母表示不同年份同一作物氮素生物学效率或氮素产投比差异显著(<0.05), “平均”列不同大写字母表示5种作物间氮素生物学效率或氮素产投比差异显著(<0.05)。Different lowercase letters in the “Average” line of each crop represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of nitrogen of the crop among different previous crops (< 0.05). Different lowercase letters in the “Average” column represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of nitrogen of the same crop among different years (< 0.05). Different capital letters in the “Average” column represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of nitrogen among five crops (< 0.05).

表5表明, 5种作物间的氮素平均生物学效率变化为43.82~53.11 kg·kg-1, 氮素产投比变化为0.50~1.65。统计分析表明, 甜菜、谷子与马铃薯、亚麻、莜麦作物间的氮素生物学效率差异达显著水平, 甜菜的氮素生物学效率最高; 甜菜与谷子、亚麻与莜麦作物间氮素生物学效率差异不显著。莜麦与马铃薯、亚麻、谷子、甜菜作物间的氮素产投比达显著水平, 莜麦的氮素产投比最高, 为1.65。结果表明, 作物种类对作物间氮素生物学效率与氮素产投比的影响显著, 5种作物中甜菜是对植株吸收的氮素高效利用的作物, 莜麦是对农田供给氮素高效利用的作物。

进一步分析年份对各作物氮素生物学效率的影响(表5)表明, 马铃薯、谷子、莜麦、甜菜的氮素生物学效率年份间差异显著, 表明雨养旱作背景下, 作物氮素生物学效率变异显著受年份资源环境影响。5种作物表现氮素高效或低效的年份不同, 马铃薯、莜麦表现为2016年氮素生物学效率较高, 而同年谷子、甜菜氮素生物学效率则较低; 马铃薯、谷子、甜菜表现为2017年氮素生物学效率较高, 而同年莜麦氮素生物学效率则较低; 谷子、莜麦、甜菜表现为2018年氮素生物学效率较高, 而同年马铃薯氮素生物学效率则较低, 说明同一资源环境年型对不同作物氮素利用的影响存在差异。

2.3.2 磷素生物学效率与磷素产投比

统计分析表明, 不同前茬对马铃薯、亚麻、谷子、甜菜的磷素平均生物学效率与磷素产投比的影响均不显著(表6)。马铃薯茬莜麦较其他茬口具有较高的磷素生物学效率和最低的磷素产投比, 谷子茬莜麦的磷素生物学效率比马铃薯茬莜麦显著降低14.41%, 相应磷素产投比较马铃薯茬莜麦提高27.63%。

5种作物间的磷素生物学效率变化为287.60~ 574.88 kg·kg-1, 磷素产投比变化为0.34~1.83。统计分析表明, 甜菜与马铃薯、亚麻、谷子、莜麦作物间的磷素生物学效率差异达显著水平, 甜菜的磷素生物学效率最高; 马铃薯、亚麻与莜麦作物间的磷素生物学效率差异不显著。莜麦与马铃薯、亚麻、谷子、甜菜作物间的磷素产投比差异达显著水平, 莜麦的磷素产投比最高; 马铃薯与甜菜作物间的磷素产投比无显著差异(表6)。

进一步分析年份对各作物磷素生物学效率的影响(表6)表明, 马铃薯、亚麻、谷子、甜菜磷素生物学效率年份间差异显著, 表明雨养旱作背景下, 作物磷素生物学效率变异显著受年份资源环境影响。与氮素的结果相似, 5种作物表现磷素高效或低效的年份不同, 表明同一资源环境年型对作物磷素利用的影响存在差异。

表6 2016—2018年不同前茬下各作物磷素平均生物学效率与产投比

续表6

每种作物平均值后不同小写字母表示不同前茬同一作物磷素生物学效率或磷素产投比差异显著(<0.05), “平均”列不同小写字母表示不同年份同一作物磷素生物学效率或磷素产投比差异显著(<0.05), “平均”列不同大写字母表示5种作物间磷素生物学效率或磷素产投比差异显著(<0.05)。Different lowercase letters in the “Average” line of each crop represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of phosphorus of the crop among different previous crops (< 0.05). Different lowercase letters in the “Average” column represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of phosphorus of the same crop among different years (< 0.05). Different capital letters in the “Average” column represent significant differences in the biological efficiency or output/input ratio of phosphorus among five crops (< 0.05).

2.4 不同作物生物产量与养分携出量、养分生物学效率间的关系

对表3-表6中各年份不同前茬同一作物的生物产量与其对应的养分携出量、养分生物学效率的15组数据, 进行作物产量与养分携出量、养分生物学效率间关系的统计学分析。结果如表7所示, 5种作物生物产量与氮、磷携出量均存在极显著的线性相关关系,分别为0.694~0.985、0.682~0.912, 说明作物养分的携出量随着生物产量的增加而增长。马铃薯的生物产量与氮素生物学效率之间呈显著负相关, 与磷素生物学效率间未达显著相关; 其他4种作物的生物产量与其氮、磷素生物学效率间均未达显著相关, 且不同作物的氮、磷素生物学效率的变异系数分别为8.40%~16.17%、14.19%~21.53%, 说明同一作物生物产量的变化与其养分生物学效率变化的关系较小, 而年份对于同一作物生物产量(表3)与其养分生物学效率(表5、表6)作用的不对称性, 成为影响两者间关系的重要因素。

3 讨论

提高农业资源的利用效率, 走资源高效、节约、可持续利用的道路, 已成为增强我国粮食有效供给能力的必然选择[29]。目前我国大部分地区的粮食生产是高投入、中产出、低资源效率[30], 只有少数地块能够实现高产和高效协调发展[31]。张福锁等[30]研究表明, 同时实现高产和高效的途径为在一定投入下尽量获得高产或者在高产条件下尽量减少投入, 如此方能充分发挥资源的效用。因此, 养分高效型作物的特征不仅应具有较高的形成生物学产量与养分携出量的能力, 而且应具有较高的养分利用效率, 包括养分生物学效率与农田养分产投比。

表7 不同作物生物产量与养分携出量、养分生物学效率间的关系

*与**分别表示在<0.05和<0.01水平差异显著。* and ** represent significant relationship at< 0.05 and< 0.01 levels, respectively.

养分生物学效率是以生产生物量为目标、以株体吸收的养分作为自然生物资源来衡量作物适产性的指标, 是“环境-收益”评价的生物学基础[32]。养分生物学效率是一个受物种影响的生物学性状[33]。比较作物间生物学效率的差异, 有助于区域生态特色性优势产业的选择。本试验研究表明, 华北寒旱区5种作物间生物产量、氮磷养分生物学效率差异显著, 以甜菜的生物产量、氮磷养分生物学效率最高, 由此应视甜菜为区域生态性优势作物, 这与刘敏娜等[34]、杨睿等[35]通过比较与分析不同品种间产量与氮素利用效率的差异, 来选择高产、高效作物品种的评价方法相一致。

农田养分产投比是以生产生物量为目标、以农田投入的养分作为社会经济资源来考虑的作物适产性指标, 是“成本-收益”评价的生产学基础。农田养分产投比是一个以物种生物学属性为基础, 受栽培管理影响的生产学性状, 比较作物间农田养分产投比的差异, 有助于区域社会特色性优势产业的选择[36]。本试验研究表明, 区域主栽作物间养分产投比差异显著, 莜麦在5种作物中的氮、磷养分产投比最高, 由此莜麦应作为华北寒旱区生产优势性作物[37], 这与王春晓等[38]将不同品种间氮肥利用率作为花生氮素高效品种鉴评依据的做法相一致。

对于作物产量与作物养分携出量、生物学效率间的关系, 徐晴等[39]、王永华等[40]研究表明, 不论施氮水平高低、小麦籽粒氮素携出量与籽粒产量呈显著正相关; 阳显斌等[41]研究表明, 小麦生物产量与植株磷携出量呈极显著正相关, 与磷素生物学效率无显著相关; 刘敏娜等[34]、王春晓等[38]研究表明, 花生、菠菜()的产量与氮素生物学效率均无显著相关; 王东等[16]研究表明, 冬小麦的生物产量与氮、硫生物学效率的相关性未达显著水平。本试验供试的5种作物生物产量与氮、磷养分携出量均表现为极显著的线性正相关, 与前人结果一致; 而生物产量与氮、磷养分生物学效率无显著相关, 则缘于养分生物学效率在作物种类间存在着显著差异。这为目标生态区兼具高产、养分高效率型作物种类的选择, 以及作物优势产业区的建设提供了理论依据。

4 结论

在华北寒旱区, 由作物种类所引起的产量、氮磷携出量差异及氮磷生物学效率变化是决定作物生产养分利用效果的主要方面, 茬口对诸性状的影响不明显。在马铃薯、亚麻、谷子、莜麦、甜菜5种作物中, 甜菜的生物产量、氮素携出量最高, 莜麦次之; 莜麦磷素携出量最高, 甜菜次之。甜菜的氮磷养分生物学效率最高, 莜麦的氮磷产投比最高。在华北寒旱区甜菜是一种高产、对植株吸收氮磷养分高效利用的作物, 莜麦是一种对农田供给氮磷养分高效利用的作物。马铃薯作为甜菜的前茬, 甜菜作为莜麦的前茬更有利于提高作物产量。

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Nutrient effect analysis of nitrogen and phosphorus in crop production in cold and arid region of North China under rotation cropping*

YAO Zhaolei1, ZHANG Lifeng1,2**, LIU Yuhua1,2, ZHANG Jizong1,2, DU Yuqiong1

(1. College of Agronomy, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China; 2. Zhangbei Agricultural Resources and Ecological Environment Key Field Research Station, Ministry of Agriculture, Zhangjiakou 076450, China)

To determine the nitrogen and phosphorus use efficiency of main crops in the cold and arid region of North China is the theoretical basis for innovating crop configuration technologies by exploiting the advantages of crop ecological adaptations and nutrient use efficiency to achieve the full utilization of regional natural and social resources. In the sandy chestnut soil farmland of Zhangbei County, Hebei Province, a rotation experiment with five crops, including potatoes, flax, millet, oat and sugar beets, was conducted in sandy chestnut soil by crossing plots design, to study the nutrient utilization effect of main crop in cold and arid region of North China. The results showed that the difference of biomass among five crops was 1.17-2.34 times, the highest was 10 290 kg·hm-2in beets, followed by oat, the lowest was 4 393 kg·hm-2in flax, and the yield difference among crops was significant. The differences in uptake of total nitrogen and total phosphorus in crops was 1.03-2.10 and 1.00-1.92 times respectively, the highest uptake of total nitrogen was 199 kg·hm-2in beets, and the maximum uptake of total phosphorus was 29 kg·hm-2in oat, and the lowest uptake of total nitrogen and total phosphorus was 95 kg×hm-2and 15 kg·hm-2in flax, respectively. The use efficiency of nitrogen and phosphorus was 43.82-53.11 kg·kg-1and 287.60-574.88 kg·kg-1, among which beet had the highest use efficiency of nitrogen and phosphorus nutrients. N, P input and output ratios of five crops changed between 0.50-1.65 and 0.34-1.83, the ratios of oat were the highest. In cold arid region of North China, the crop type is the main factor that causes difference of crop yield, nitrogen and phosphorus uptake and use efficiency, the effect of previous crop on soil characters was not obvious. Beet is a crop that can achieve high yield and N, P use efficiency, oat is a crop that can efficiently use nitrogen and phosphorus from soil. Potato followed by beet, and beet followed by oat were more possible to improve yield.

Cold and arid region of North China; Nutrient use efficiency; Input and output ratio of nutrient; Beet; Oat; Potato; Flax; Millet

, E-mail: zlf@hebau.edu.cn

Nov. 8, 2019;

10.13930/j.cnki.cjea.190789

姚兆磊, 张立峰, 刘玉华, 张继宗, 杜玉琼. 轮作下华北寒旱区作物生产的氮磷养分效果分析[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(5): 690-700

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S533

* 公益性行业(农业)科研专项(201503120)和河北省重点研发计划项目(18227004D)资助

张立峰, 主要从事农作制度与农业生态学研究。E-mail: zlf@hebau.edu.cn

姚兆磊, 主要从事作物生产制度研究。E-mail: 1273990544@qq.com

2019-11-08

2020-03-05

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503120) and the Key Research and Development Project of Hebei Province (18227004D).

Mar. 5, 2020