施肥措施對旱地小麥產量與土壤硝態氮殘留的影響

李 超，謝英荷，李廷亮，黃 濤，柳玉鳳，竇 露

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷 030801）

施入北方旱地土壤中的氮肥和有機氮礦化產物，大部分以礦質氮的形態殘留在土壤中[1-2]，硝態氮是旱地土壤礦質氮和作物吸收的主要氮素形態，在土壤剖面可浸取態礦質氮中其比率最大，硝態氮殘留量平均占總礦質氮累積量的75%以上[3]。因此，氮肥在旱作麥區的應用受到了廣泛重視。目前，我國不少地區存在氮肥投入過量的現象[4]，過量施用氮肥不僅沒有提高作物產量，而且還易造成土壤硝態氮的大量殘留，對環境造成污染[5]。大量研究表明[6-7]，長期施用氮肥，土壤硝態氮殘留主要累積在0～100 cm土層，且隨時間增加而不斷增加；當施氮過量時，來源于當季施用氮肥的殘留也隨之提高，但是施氮提高旱地小麥產量效應下降。由氮肥所產生的肥料效應和環境效應越來越引起人們的高度重視，前人對旱作作物土壤硝態氮殘留的研究多集中在不同的氮肥用量水平上，而對同一氮肥用量水平上不同施肥措施的研究較少。

本研究通過晉南旱地冬小麥區的田間試驗，對不同施肥措施下旱地小麥的產量及其土壤氮素的殘留狀況進行探討，旨在為獲得小麥的高產、肥料的高效利用和環境友好型施肥提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗基地設在山西洪洞縣劉家垣鎮東梁村，為長期定位的旱作麥田區。該區海拔為1 160 m，屬于旱塬丘陵地帶，地形平坦，土層厚10 m以上，為暖溫帶大陸性季風氣候，年平均日照時數2 419 h左右，年均氣溫12℃，有效積溫 3 326.9℃，無霜期180～210 d；小麥生育期的降雨量為146.7 mm，年平均降雨量為500 mm左右，其中，7—9月的降水量占到全年降水量的60%以上；試驗地土壤為石灰性褐土，pH值為7.84，表土質地為中壤，耕層土壤有機質含量為14.49 g/kg，有效磷為12.29 mg/kg，有效鉀為200.43 mg/kg，陽離子交換量（CEC）為20.11 cmol/kg。

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，小區面積126～416 m2，共設4個處理，4次重復，具體試驗方案列于表1。處理1為農戶施肥（參照當地農戶經驗施肥）；處理2為測控施肥，依據1 m土壤硝態氮監控施肥，采用磷、鉀恒量施肥原則；處理3為有機肥無機肥配施，有機肥為雞糞，養分含量為N 1.36%，P2O52.71%，K2O 1.63%；處理4為菌肥無機肥配施，菌肥為山西農業大學資源環境學院課題組自制，其中，菌體包括固氮菌、磷細菌。處理2，3，4遵循N，P，K等養分量施肥，偏差養分利用尿素（含N 46.2%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、氯化鉀（含K2O 60%）補齊，各處理均設置空白對照。試驗于2016年10月8日播種，種植方式利用現代農機進行壟膜溝播，播量為 150 kg/hm2。

表1 旱地冬小麥施肥試驗方案

1.3 測定項目及方法

土樣采集分別在冬小麥播前和收獲后各處理的小麥行間進行，取樣深度為0～200 cm，每20 cm為一層。硝態氮含量采用連續流動氮分析儀測定。

1.4 數據分析

試驗數據運用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行數據處理和統計分析，采用Duncan新復極差法（α＝0.05）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 施肥措施對晉南旱地冬小麥產量及其構成因素的影響

從表2可以看出，菌肥無機肥配施較其他處理增產效果明顯，生物產量和經濟產量均最高，分別達到13 637.60，6 062.57 kg/hm2；菌肥無機肥配施下的經濟產量較農戶施肥、測控施肥和有機肥無機肥配施這3種施肥措施分別提高了29.7%，10.6%和3.1%；菌肥無機肥配施與有機肥無機肥配施2種施肥措施間經濟產量差異不顯著，但較另2種處理顯著提高。不同處理之間，穗粒數變異系數最大（8.23%），千粒質量變異系數最小（3.96%），穗數變異系數居中（6.87%）。有機肥無機肥配施與菌肥無機肥配施的穗數顯著高于測控施肥與農戶施肥（P＜0.05），4個處理之間穗粒數、千粒質量間無顯著差異；有機肥無機肥配施與菌肥無機肥配施的經濟產量也顯著高于其他2個處理，且產量與穗數呈極顯著正相關（r＝0.999 6），說明穗數對旱地冬小麥產量調控效應較大。

表2 不同施肥措施下冬小麥的產量及其構成因素

2.2 不同施肥措施對晉南旱地冬小麥土壤硝態氮剖面殘留分布的影響

從圖1可以看出，小麥收獲后各處理的0～200 cm土壤剖面NO3-N殘留量，較播前均有不同程度的積累，呈現增加的趨勢，并且土壤硝態氮殘留量均隨著土層的加深呈下降趨勢。在小麥收獲期各施肥措施下土壤的硝態氮在不同土層中的分布特征大體相同，農戶施肥處理的土壤硝態氮殘留量顯著高于其他處理，在0～100 cm土層，農戶施肥措施收獲與播前硝態氮殘留差異也比較明顯。本試驗條件下，土壤硝態氮殘留主要分布在0～80 cm土層，而80～200 cm土層硝態氮殘留量相對較少，這主要是由于當季施肥、土壤氮素礦化、作物生長吸收及降水等多種因素的綜合作用。

2.3 不同施肥措施對晉南旱地冬小麥土壤硝態氮當季殘留量的影響

由圖2可知，在冬小麥收獲期，土壤硝態氮當季殘留主要分布在0～100 cm土層，其中，農戶施肥、測控施肥、有機肥無機肥配施、菌肥無機肥配施下土壤硝態氮當季殘留量分別為83.58，67.52，43.05，37.19 kg/hm2，占 0～200 cm當季硝態氮殘留的58%～69%。0～100 cm土層土壤硝態氮當季殘留量各處理間差異顯著，其中，農戶施肥當季殘留量最大，比測控施肥、有機肥無機肥配施及其菌肥無機肥配施措施下的當季硝態氮殘留分別高出了19%，48%和55%；而100～200 cm土層的當季硝態氮殘留量，農戶施肥與測控施肥顯著高于有機肥無機肥配施和菌肥無機肥配施，但是二者之間差異卻不顯著，這一結果表明，有機肥無機肥配施和菌肥無機肥配施均能顯著減少一定土層中氮的殘留，促進氮的吸收利用。肥料用量及種類是影響土壤硝態氮殘留的重要因素，李廷亮等[8]研究表明，土壤硝態氮殘留隨施氮量的增加而增加，孫波等[9]研究表明，配施有機肥與單施化肥相比，配施有機肥能夠有效降低土壤中硝態氮的殘留量，并且能夠減少作物根區外土壤硝態氮的殘留量。

2.4 不同施肥措施對晉南旱地冬小麥肥料殘留的影響

來源于當季肥料的硝態氮殘留由施肥處理與空白對照之間當季殘留量的差值求得，主要是由于施入土壤的氮肥、大氣干濕沉降和土壤有機氮礦化是當季硝態氮殘留的來源，而不施氮空白對照的當季殘留量來源中沒有氮肥施入[10]。從圖3-a可以看出，各施肥措施下，不同處理間0～200 cm土層肥料殘留量差異顯著，有機肥無機肥配施與菌肥無機肥配施可顯著降低土壤中肥料的殘留量；由圖3-b可知，各施肥措施間的肥料殘留率也存在顯著差異，其中，測控施肥、有機肥無機肥配施、菌肥無機配施的肥料殘留率均顯著低于農戶施肥措施，這3個處理分別比農戶施肥降低了12%，36%和49%。由此可見，造成土壤當季硝態氮大量殘留的原因是氮肥的施用，而施用有機肥及菌肥，消耗了土壤氮素，使得當季施入的氮素能夠被小麥充分利用，降低了土壤中的肥料殘留。上述結果表明，施氮量一定的情況下，施用有機肥與菌肥，能夠提高作物對當季施入氮肥的利用率，能夠顯著降低收獲期土壤當季肥料氮的殘留。

3 結論與討論

提高旱地小麥產量的重要措施之一就是增施氮肥，但需要控制用量，過量施用氮肥不僅造成肥料浪費和硝態氮的殘留，而且嚴重影響其增產效應。過量氮肥的投入改變了硝態氮在土壤中的分布，增加了土壤硝態氮殘留，而且降低了氮素的利用率[11]。淮賀舉等[12]研究結果表明，隨著氮肥用量的增長，收獲后土壤剖面硝態氮累積量也隨之變大，并且土壤硝態氮在0～180 cm土層范圍內隨施氮量增多而增長，二者呈明顯的正相關關系。袁新民等[13]研究表明，N肥單施可能會增加N素的淋溶，這與本研究的結果一致。本試驗由當季作物冬小麥生長造成的土壤硝態氮殘留主要分布在0～100 cm土層范圍內，基于此，旱作小麥區應適量施用無機肥，從而減少土壤的硝態氮殘留，提高肥料的利用率。

配施有機肥菌肥顯著提高了作物的經濟產量與生物產量，降低了土壤中硝態氮的殘留及其當季殘留，提高了肥料利用率。N肥與P，K肥配合施用或N，P，K與有機肥配合施用可顯著降低土壤中NO3-N的累積[14]。黃紹敏等[15]試驗表明，在0～100 cm土層不同施肥處理中硝態氮含量大小順序為N肥單施（N）＞N，K肥配施（NK）＞N，P肥配施（NP）＞N，P，K肥配施（NPK）＞N，P，K肥與秸稈配施（SNPK）＞N，P，K肥與有機肥配施（MNPK）。蔣小芳等[16]研究表明，在施氮量相同的條件下，與單施化肥相比，有機肥無機肥配施能夠提高作物的氮肥利用效率和氮素生產效率。岳麗[17]研究表明，菌肥無機肥配施能顯著減少一定土層中硝態氮的殘留，有利于氮的吸收，這與本研究結果一致。本研究表明，不同施肥處理中土壤硝態氮當季殘留量大小順序為農戶施肥＞測控施肥＞有機肥無機肥配施＞菌肥無機肥配施。當作物的生長周期中需肥量增加時，如果土壤中的能源物質不足以維持微生物的生命活動，作物就會吸收被固持在大量死亡微生物體內這部分氮素來補給生長；而有機肥無機肥配施及其菌肥無機肥配施提高了氮肥利用率，可能是由于有機肥、菌肥改善了土壤理化性質，增加了土壤團聚化程度，提高了微生物活性，更多的氮被固定在微生物體內，被微生物利用，從而降低了前期存在于土壤中過量無機氮的揮發損失[18-20]。因此，有機肥、菌肥與無機肥配施措施是實現冬小麥養分資源高效利用和促進環境友好施肥的重要途徑之一。

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