長期定位施肥對土壤氮素礦化與作物產量的影響

南鎮武,梁 斌,陳延玲,劉樹堂,劉錦濤

(青島農業大學 資源與環境學院,山東 青島 266109)

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長期定位施肥對土壤氮素礦化與作物產量的影響

南鎮武,梁 斌,陳延玲,劉樹堂,劉錦濤

(青島農業大學 資源與環境學院,山東 青島 266109)

揭示長期施用有機肥及配施氮肥對非石灰性潮土氮素礦化特性的影響,探索其與作物產量間的關系。以始于1978年的萊陽長期定位施肥試驗為基礎,采用田間原位-離子交換樹脂法(ISC-IERB)研究了長期定位施肥對土壤氮素礦化特性的影響,并對其與產量進行了相關分析。結果表明:長期施用有機肥及其配施氮肥可顯著提高非石灰性潮土全氮、礦質氮、凈氮礦化量、冬小麥或夏玉米吸氮量和產量,且在同一有機肥(氮肥)水平下,均隨氮肥(有機肥)投入量的增加呈增加趨勢,其中高量有機肥配施高量氮肥(M2N2)處理的增加幅度最高,冬小麥、夏玉米產量分別為6 803,11 935 kg/hm2;長期施肥使夏玉米季土壤氮凈礦化量、凈氮礦化率明顯大于冬小麥季,施肥處理(M1、M1N1、M1N2、M2、M2N1、M2N2)的增幅分別為7.1%-62.7%,16.2%-76.0%;相關分析表明,冬小麥-夏玉米產量與當季冬小麥、夏玉米播前土壤全氮、礦質氮含量、氮凈礦化量均存在極顯著相關性,但與氮素表觀淋失量相關不顯著。研究表明,施用有機肥、氮肥是提高土壤供氮潛力、作物產量的有效手段,作物與季節是影響土壤氮素礦化的重要因素。

長期定位施肥;土壤氮素;氮素礦化;作物產量

長期定位施肥試驗是采取既“長期”又“定位”的特殊研究方式,定向培育了具有時間長期性、氣候重復性、地理定位性、歷史代表性等顯著優點的農田生態系統,是發現重大科學問題、開展重要科學研究的關鍵性平臺[2,17],故利用長期定位施肥研究土壤氮素礦化問題具有不可比擬的優勢。因此,本試驗以膠東半島非石灰性潮土為例,基于1978年開始的萊陽長期定位施肥試驗,通過田間原位-陰陽離子交換樹脂法(In-situSoil Core and Ion Exchange Resin Bag,ISC-IERB)進行的氮素礦化試驗,探究長期施用有機肥及配施氮肥對非石灰性潮土氮素礦化的影響,研究氮素礦化與冬小麥-夏玉米產量之間的關系,旨在為該地區農田生態系統中土壤氮素養分庫的持續發展、非石灰性潮土培肥及實現作物增產提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗設于山東省萊陽市青島農業大學(原萊陽農學院)萊陽長期定位施肥試驗基地,地處東經120.7°,北緯36.9°,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,1月平均氣溫-4.2 ℃,8月平均氣溫為24.9 ℃,年均氣溫11.2 ℃,無霜期209～243 d,年降雨量約780 mm,年蒸發量約2 000 mm,降雨多集中于6-9月,雨熱同期。

1.2 試驗設計

本長期定位試驗于1978年始設有機肥配施氮肥試驗9個處理,1984年增設化肥試驗3個處理,共12個處理,各3次重復,隨機排列,計36個小區,每個小區面積33.3 m2,小區間用1.0 m玻璃鋼板隔開,互不滲漏且能獨立排灌。試驗地實行冬小麥-夏玉米輪作,每年2作,其中冬小麥品種1978-1992年為輻63,1993-2002年為9214,2003年至今為煙優361;夏玉米品種1978-1996年為魯玉4號,1997年至今為魯玉16號。長期定位試驗施用有機肥為豬圈糞,豬圈糞全氮含量為2～3 g/kg、全磷含量為0.5～2 g/kg、有機質含量為20～50 g/kg;氮肥為尿素,低量每年施用276 kg/hm2、高量每年施用276 kg/hm2;磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀。有機肥、磷肥、鉀肥全部作基肥,于冬小麥播種前施入土壤;氮肥作冬小麥種肥及起身期、拔節期追肥和夏玉米拔節期、大喇叭口期追肥。冬小麥種肥中低量氮肥每年施用尿素22.5 kg/hm2,高量氮肥每年施用尿素45 kg/hm2。

本試驗在37年長期定位施肥試驗基礎上,于2014年10月-2015年10月分別在冬小麥、夏玉米播種時布置田間原位氮素礦化試驗,選取有機肥及配施氮肥7個試驗處理(表1),每個處理3次重復。礦化裝置是由內置1個樹脂袋(陰、陽離子交換樹脂各25.0 g)和1個蛭石袋的PVC管組成(圖1),在土壤底部放2層濾紙,濾紙之間放離子交換樹脂袋,不種植作物。分別在冬小麥、夏玉米收獲時期取出裝置并檢測其中土壤及離子交換樹脂袋內礦質氮含量,同時測裝置附近耕層土壤的養分含量作背景值。

表1 試驗處理施肥量

圖1 田間氮素礦化裝置

1.3 測定項目及方法

1.4 數據計算及統計分析

作物吸氮量根據收獲后作物各部位氮素含量計算;作物產量通過小區產量換算。土壤礦質氮、凈氮礦化量、土壤凈氮礦化率、土壤氮素表觀淋失量通過以下公式計算:

土壤礦質氮(Mineral nitrogen,mg/kg)=土壤硝態氮含量+土壤銨態氮含量;

土壤凈氮礦化量(Net nitrogen mineralization,mg/kg)=培養后土壤中礦質氮量+培養后離子交換樹脂袋中礦質氮量-培養前土壤中礦質氮量;

土壤凈氮礦化率(Rate of net nitrogen mineralization,%)=土壤凈氮礦化量/土壤全氮量×100%;

耕層土壤氮素表觀淋失量(Nitrogen apparent leaching amount,kg/hm2)=(培養后離子交換樹脂袋中礦質氮量+培養后土壤中礦質氮量)-(作物吸氮量+作物種植區域土壤礦質氮量)。

試驗數據運用SPSS 19.0等軟件進行統計分析;表中數據為平均值±標準差(n=3)。

2 結果與分析

2.1 長期定位施肥對土壤氮素礦化的影響

2.1.1 長期定位施肥對土壤全氮和礦質氮的影響 在冬小麥或夏玉米播種前,長期施用有機肥及其配施氮肥使不同處理土壤全氮和礦質氮含量的趨勢基本一致(表2),長期不施肥處理土壤全氮和礦質氮含量在2季均最低。與CK相比,M1使土壤全氮在冬小麥和夏玉米種植前分別顯著增加92.6%和90.2%,使礦質氮分別顯著增加119.0%和261.8%;M2較M1土壤全氮分別顯著增加51.9%和50.5%,礦質氮含量顯著增加64.5%和64.3%。同一有機肥水平(M1或M2)下，與單施有機肥相比，配施氮肥使土壤全氮和礦質氮含量均顯著增加,冬小麥播種前增幅分別為22.2%～66.3%和49.2%～102.4%,夏玉米播種前增幅分別為22.6%～64.9%和11.1%～44.8%。在同一有機肥(氮肥)水平下,土壤全氮及礦質氮含量均隨氮肥(有機肥)投入量的增加而增加。相同處理不同時期相比,夏玉米種植前土壤全氮含量比冬小麥播種前全氮含量降低5.1%～7.8%;且長期不施肥(CK)土壤礦質氮含量降低12.4%,但長期施肥處理(M1、M1N1、M1N2、M2、M2N1、M2N2)土壤礦質氮含量增加幅度不同。

表2 長期定位施肥對土壤全氮和礦質氮的影響

注:同列不同字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。表3-4同。

Note:Different letters indicate significant differences atP<0.05.The same as Tab.3-4.

2.1.2 長期有機肥及配施氮肥對土壤氮素凈礦化的影響 長期施用有機肥及配施氮肥對土壤氮素凈礦化的影響如表3所示,長期不施肥在冬小麥季和夏玉米季凈氮礦化量均最低。與CK相比,M1使土壤凈氮礦化量在冬小麥季和夏玉米季分別顯著增加250.4%和114.7%,M2又較M1分別顯著增加56.3%和26.8%;與單施有機肥(M1或M2)相比,M2N2在冬小麥、夏玉米2季凈氮礦化量均最高。冬小麥季長期施肥處理凈氮礦化率比長期不施肥CK顯著增加43.2%～88.4%,而夏玉米季長期施肥處理凈氮礦化率與CK相比增減不同;且在冬小麥季M1和M2凈氮礦化率差異不顯著且顯著高于其他處理,而在夏玉米季M1凈氮礦化率顯著高于M2。在同一有機肥(氮肥)水平下,土壤凈氮礦化量隨氮肥(有機肥)投入量的增加呈增加趨勢,而凈氮礦化率則呈下降趨勢。相同處理不同時期相比,長期不施肥(CK)夏玉米季凈氮礦化量比冬小麥季增加115.5%,長期施肥處理(M1、M1N1、M1N2、M2、M2N1、M2N2)則增加7.1%～62.7%;長期不施肥夏玉米季凈氮礦化率比冬小麥季增加128.4%,長期施肥處理則增加16.2%～76.0%。

表3 長期定位施肥對土壤凈氮礦化的影響

2.1.3 長期有機肥及配施氮肥對土壤氮素表觀淋失的影響 長期定位施肥對0～20 cm土層氮素表觀淋失量的影響如表4所示。長期不施肥使0～20 cm土層土壤氮素表觀淋失量在兩季作物中均為負值;與CK相比,長期施肥處理使土壤氮素表觀淋失量顯著增加。同一有機肥水平下,冬小麥季氮素表觀淋失量差異不顯著,且高量有機肥處理(M2、M2N1、M2N2)比低量有機肥處理(M1、M1N1、M1N2)氮素表觀淋失量顯著增加143.3%～358.0%;夏玉米季有機肥配施低量氮肥處理(M1N1、M2N1)氮素表觀淋失量差異不顯著,但M1、M1N2較M1N1氮素表觀淋失量顯著降低,M2、M2N2較M2N1則顯著增加。

表4 長期定位施肥對土壤氮素表觀淋失的影響(0～20 cm)

2.2 長期定位施肥對作物產量的影響

長期定位施肥對冬小麥、夏玉米產量的影響如圖2所示,不同施肥處理使冬小麥、夏玉米產量變化趨勢一致。長期不施肥冬小麥、夏玉米產量均最低,M1較CK產量分別顯著增加215.2%和226.9%;M2又較M1產量分別顯著增加27.5%和17.9%,但M1N1產量與M2差異不顯著;M2N1、M2N2產量較M2分別顯著增加21.5%～28.6%和30.9%～36.4%,但M1N2產量與M2N1、M2N2差異不顯著;M2N2產量均最高,分別為6 803，11 935 kg/hm2。

不同字母分別表示冬小麥、夏玉米產量在0.05

為明確氮素礦化與當季冬小麥-夏玉米產量之間的關系,進行相關性分析(表5)。結果表明,冬小麥、夏玉米產量與當季冬小麥、夏玉米播種前土壤全氮、礦質氮含量及凈氮礦化量均存在極顯著相關性;但產量與當季氮素表觀淋失量相關不顯著。

表5 氮素礦化與作物產量的相關性

注:*.P<0.05；**.P<0.01。

3 討論與結論

3.1 討論

本試驗條件下,經過連續37年有機肥及配施氮肥及冬小麥-夏玉米輪作,施肥處理比長期不施肥土壤全氮和礦質氮含量不同程度的增加,其中高量有機肥配施高量氮肥土壤全氮近4倍于長期不施肥,土壤礦質氮含量則近7倍于長期不施肥。這可能是因為有機無機肥料的不斷投入,導致土壤氮素積累,土壤全氮增加,而土壤礦質氮又與土壤全氮有關[2,17,19]。投入土壤的有機肥料中富含有機質,使土壤中有機態氮量增加,土壤供氮容量增大,而在冬小麥、夏玉米生長過程中,由于作物根際效應及微生物活動促進了有機態氮礦化,礦質氮含量相對增加[17,19]。

長期不施肥土壤氮素凈礦化量較低,這可能與長期不施肥處理中礦質氮的來源有限相關,其主要來源包括原始土壤中有機態氮的礦化;大氣中氮素沉降后,被冬小麥或夏玉米吸收并固定的含氮物質；通過根系等殘留在土壤中的氮素[9,20]。本試驗中,長期不施肥處理氮素表觀(0～20 cm耕層)淋失量為負值,這可能與冬小麥和夏玉米根系的豐富度有關。冬小麥、夏玉米根系在土壤中能夠延伸至1～2 m的深度,能夠吸收耕層之下的部分氮素,且PVC管只布置于耕層土壤,不受氮素橫向遷移的影響。

不同施肥處理中土壤氮素礦化量、礦化率不同,且冬小麥季土壤氮素礦化量明顯小于夏玉米季。這與肥料種類、施肥量、溫度、濕度(水分)等密切相關,因為溫度、濕度(水分)是影響土壤氮素礦化的重要因子,且土壤氮素礦化也受肥料類型及其投入量的影響[4-5]。萊陽地區夏玉米季溫度明顯高于冬小麥季,且夏季雨熱同期,因此夏玉米季土壤礦化量、礦化率明顯高于冬小麥季。已有研究表明,隨著溫度的增加,土壤礦化量及礦化勢增加[11-13,21]。此外,有機氮素凈礦化量也與土壤團聚體結構、有機質、pH值等理化性狀有關[4-5],長期不同施肥對試驗土壤理化性狀產生了不同影響[2,17],這也與Hubbard等[21]的研究結果相一致。另外,在土壤中氮素大量積累、礦質氮含量相對增加的條件下,也相應地增加了淋失氮源[8,22]。土壤氮素淋失也與降雨、灌溉、施肥量及作物種類等有關,降雨及灌溉能夠加速氮素的淋失,而施肥又是土壤氮素的主要來源[1,4-5]。本試驗中,有機肥及氮肥投入量不同,致使土壤全氮含量不同,淋失氮源存在差異,因此,土壤氮素表觀淋失量產生差異。此外,冬小麥、夏玉米對氮素的吸收因作物種類不同存在的差異,也可能是土壤氮素礦化及表觀淋失出現差異的原因。這與Matsumoto等[1]、Zhang等[23]的研究結果基本一致。

在本試驗條件下,隨著有機肥氮肥投入量的增加,冬小麥、夏玉米產量明顯增加。其中,高量有機肥配施高量氮肥處理中冬小麥、夏玉米產量均是長期不施肥的5倍多。Zhang等[24]、Liu等[25]也認為有機肥和化肥配施是提高作物產量的有效手段。有機肥中各類養分含量豐富,且對氮磷鉀等元素的供應相對平衡,長期施用有機肥又促使土壤養分積累,使作物生長旺盛,提高了作物產量[2,26]。長期施肥對提高作物產量有較好的后效性;同時也有利于作物對土壤養分的吸收,提高肥料利用效率[26-27];但隨著施肥時間的持續,長期施用氮肥增產作用呈下降趨勢,而有機無機配施及秸稈還田則呈逐年遞增趨勢[27-28]。

總之,在農田生態系統中,土壤氮素礦化、淋失過程極其復雜,受到多種因素影響,且各因素間關系復雜,欲較系統的了解非石灰性潮土原位氮素礦化特性仍需繼續探索;其與作物產量之間的關系也有待于進一步研究。

3.2 結論

在非石灰性潮土上,連續37年施用有機肥及配施氮肥使土壤全氮、礦質氮、凈氮礦化量明顯提高,并且在同一有機肥(氮肥)水平下,隨氮肥(有機肥)投入量的增加呈增加趨勢。長期有機肥及配施氮肥使夏玉米季土壤凈氮礦化量、凈氮礦化率明顯大于冬小麥季,氮素表觀淋失在冬小麥-夏玉米輪作下也存在較大差異,可見,種植作物和季節影響土壤氮素的礦化及淋失。本試驗中,高量有機肥配施高量氮肥使土壤全氮、礦質氮含量、凈氮礦化量增加幅度最大,可見,施用有機肥、增施氮肥是提高土壤供氮潛力、促進作物養分吸收的有效手段。另外,連續37年施用有機肥及配施氮肥對冬小麥、夏玉米產量影響的變化趨勢基本一致,其中高量有機肥配施高量氮肥冬小麥、夏玉米產量最高,分別為6 803,11 935 kg/hm2;冬小麥、夏玉米產量與當季作物播前土壤全氮、礦質氮含量及凈氮礦化量均存在極顯著相關性,與土壤氮素表觀淋失量相關不顯著。

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Effect of Long-term Fertilization on Soil Nitrogen Mineralization and Crop Yield

NAN Zhenwu,LIANG Bin,CHEN Yanling,LIU Shutang,LIU Jintao

(College of Resources and Environment,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

The objective of the test is to reveal the effects of long-term manure and its combination with nitrogen fertilizer on nitrogen mineralization of non-calcareousfluvo-aquicsoil,and exploring the relationship between crop yield and mineralization.Based on the long-term fertilization test in Laiyang,Shandong Province,which was started in 1978,the effect of long-term fertilization on nitrogen mineralization was studied by ISC-IERB(In-situSoil Core and Ion Exchange Resin Bag),and the correlation analysis between the crop yield and the mineralization was carried out.Long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer could significantly increase the non-calcareous soil total nitrogen,mineral nitrogen,net nitrogen mineralization,nitrogen uptake and yield of winter wheat or summer maize,and in the same manure(or nitrogen fertilizer) level,the increase of the amount of nitrogen fertilizer(or manure) was increased,among these,the increase of M2N2(combined application of high amount of manure and high amount nitrogen fertilizer) was the highest,and the yield of winter wheat and summer maize respectively were 6 803,11 935 kg/ha;long-term fertilization in summer maize season soil nitrogen net mineralization,net nitrogen mineralization rate was significantly greater than the winter wheat season,the increase of fertilization treatment were 7.1%-62.7%,16.2%-76.0%;the correlation analysis showed that the yield of winter wheat and summer maize and pre sowing soil total nitrogen,mineral nitrogen content,net mineralization of nitrogen was significantly relativity,but not significantly relativity with nitrogen leaching amount.Application of organic manure and nitrogen fertilizer is an effective means to increase the potential of soil nitrogen supply,plant and season is an important factor to affect the mineralization of soil nitrogen.

Long-term fertilization;Soil nitrogen;Nitrogen mineralization;Crop yield

2017-07-15

山東省現代農業產業技術體系建設經費項目(SDAIT-01-022-06);魯東丘陵區小麥玉米水肥自然資源高效利用綜合技術集成與示范研究項目(2013BAD07B06-03);公益性行業(農業)科研專項(201203030)

南鎮武(1991-),男,山東安丘人,碩士,主要從事植物營養與施肥技術研究。

劉樹堂(1962-),男,山東安丘人,教授,博士,主要從事植物營養與施肥技術研究。

S158;S143.1

A

1000-7091(2016)05-0146-06

10.7668/hbnxb.2016.05.022