長(zhǎng)期應(yīng)用養(yǎng)分專家管理模式提高小麥玉米輪作氮肥利用率及土壤有機(jī)碳固存

黃少輝，楊軍芳，楊云馬，姜 蓉，何 萍，賈良良

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051)

小麥玉米輪作是華北地區(qū)主要輪作體系，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要作用，在此輪作體系中存在化肥用量不合理(尤其是氮肥)、氮肥利用率低、土壤肥力低等諸多問(wèn)題[1]。有研究指出，該輪作體系農(nóng)戶年氮肥用量可達(dá)550～600 kg/hm2，遠(yuǎn)高于作物氮素需求量，氮肥利用率不足30%，過(guò)高的氮肥施用和較低的氮肥利用率已引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、活性氮排放等一系列環(huán)境問(wèn)題[1-4]。土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，其保護(hù)和固存對(duì)提升農(nóng)田土壤肥力、維持作物生產(chǎn)力有重要作用[5]。合理施肥和優(yōu)化管理可提高農(nóng)田碳投入，增加有機(jī)碳固存效率，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量水平[6]。秸稈還田與根系殘留是農(nóng)田碳投入的主要來(lái)源，可經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)和生物過(guò)程，最終轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，提高土壤肥力[5,7]。優(yōu)化作物養(yǎng)分管理，在提高氮肥利用率的同時(shí)增加有機(jī)碳固存是當(dāng)前麥玉輪作體系急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

養(yǎng)分專家(Nutrient Expert, NE)是基于作物養(yǎng)分需求的管理系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)以4R養(yǎng)分管理策略來(lái)推薦施肥和管理養(yǎng)分，可以在維持或增加作物產(chǎn)量的同時(shí)降低施肥對(duì)環(huán)境的影響，已在玉米、小麥和水稻生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[9-11]。NE養(yǎng)分管理系統(tǒng)除了對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分的管理模式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，還提倡與其他農(nóng)藝措施相結(jié)合，形成綜合管理模式，如使用改進(jìn)的作物品種、增加作物種植密度等，從而以最小的資源環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)足夠的糧食，并獲得足夠的經(jīng)濟(jì)效益[4,12]。以NE為基礎(chǔ)的農(nóng)田綜合管理模式已有報(bào)道[3,13]，但在小麥玉米輪作系統(tǒng)中對(duì)氮肥利用和碳固存的長(zhǎng)期效應(yīng)研究較少，尤其是其對(duì)土壤碳固存的效果鮮有報(bào)道。本研究以養(yǎng)分專家管理長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究不同管理模式下作物產(chǎn)量、氮肥利用率和有機(jī)碳固存差異，評(píng)價(jià)養(yǎng)分專家管理在小麥玉米輪作系統(tǒng)中的適應(yīng)性，為提高小麥玉米輪作體系氮肥利用率、增加土壤有機(jī)碳含量水平、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

河北省小麥玉米輪作養(yǎng)分專家管理長(zhǎng)期定位試驗(yàn)位于河北省石家莊市鹿泉區(qū)大河試驗(yàn)站(東經(jīng)114°29′，北緯38°07′)，該地區(qū)土壤類(lèi)型以潮土為主，屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量300～600 mm，年平均氣溫14.3 ℃，無(wú)霜期約為198 d。一年兩熟，主要種植模式為小麥玉米輪作。試驗(yàn)開(kāi)始于2009年，初始0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量9.51 g/kg，全氮1.14 g/kg，硝態(tài)氮27.9 mg/kg，有效磷13.6 mg/kg，速效鉀96.6 mg/kg，pH 值7.1。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為2種不同的管理模式，即養(yǎng)分專家管理(NE)和農(nóng)民習(xí)慣管理(Famers′ Practices，F(xiàn)P)，副處理為施用氮肥和不施氮肥(0N)，共4個(gè)處理分別為NE-0N、FP-0N、NE和FP，每個(gè)處理重復(fù)4次，共計(jì)16個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積45 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。其中FP管理根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的施肥習(xí)慣進(jìn)行養(yǎng)分管理，具體施肥量如表1所示。玉米季，磷、鉀肥全部用作基肥，氮肥基追肥比為1∶1，基肥在播種時(shí)施入，追肥在大喇叭期追施。玉米品種為鄭單958，密度為60 000株/hm2；小麥季，磷、鉀肥全部基施，氮肥基追比為1∶1，基肥在播種前隨整地施入，追肥在拔節(jié)期施用，小麥品種為邢麥6號(hào)。NE管理養(yǎng)分管理根據(jù)養(yǎng)分專家管理系統(tǒng)推薦進(jìn)行管理，肥料用量如表1所示，除小麥氮肥基追比調(diào)為1∶2外，其余養(yǎng)分管理方式與FP相同。NE管理在2013-2018年選用產(chǎn)量潛力更大的玉米品種先玉335[14]，并使種植密度增加為75 000株/hm2，即NE管理使用養(yǎng)分專家系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)分管理，同時(shí)選用產(chǎn)量潛力更高的品種，并提高了種植密度，形成了一個(gè)優(yōu)化的綜合管理模式。NE和FP管理的小麥和玉米秸稈全部還田。NE-0N與FP-0N處理除不施用氮肥外，其余管理措施與各自管理模式相同。

表1 2009-2018年養(yǎng)分專家管理與農(nóng)民習(xí)慣管理肥料施用量Tab.1 Fertilizer application rates in NE and FP managements from 2009 to 2018

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

試驗(yàn)收獲時(shí)各小區(qū)單獨(dú)測(cè)產(chǎn)，玉米收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)取2行樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干后測(cè)定玉米籽粒產(chǎn)量(含水量14%)。小麥?zhǔn)斋@時(shí)在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3個(gè)面積為1 m2樣方，將穗部帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干后脫粒，測(cè)定小麥籽粒產(chǎn)量(折算籽粒含水量13%)。同時(shí)，在測(cè)產(chǎn)時(shí)，每個(gè)小區(qū)玉米隨機(jī)取5棵植株，小麥取1 m雙行植物樣品，帶回試驗(yàn)室烘干后粉碎，測(cè)定養(yǎng)分含量及籽秸比，再根據(jù)產(chǎn)量計(jì)算秸稈生物量和養(yǎng)分吸收量。2009，2018年玉米收獲后(10月初)在各小區(qū)按之字形采集0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土壤樣品，各個(gè)小區(qū)每層土壤取10個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)混合樣，帶回試驗(yàn)室。樣品于室內(nèi)風(fēng)干、磨碎、過(guò)0.25 mm篩，進(jìn)行測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.2.1 氮肥利用率 氮素累積回收率、氮素農(nóng)學(xué)效率和氮素偏生產(chǎn)力計(jì)算公式如下：

AREN= (Nuptake-n-Nuptake-0) /Nrate×100%

①

AEN= (Yg-n-Yg-0) /Nrate

②

PFPN=Yg-n/Nrate

③

式中：AREN、AEN、PFPN分別為氮素累積回收率(Accumulated recovery efficiency of N，%)、氮素農(nóng)學(xué)效率(Agronomic efficiency of N，kg/kg)和氮素偏生產(chǎn)力(Partial factor productivity of N，kg/kg)；Nuptake-n和Nuptake-0分別為施氮和無(wú)氮處理的地上部氮素吸收量(kg/hm2)；Nrate為施氮量(kg/hm2)；Yg-n和Yg-0分別為施氮和無(wú)氮處理的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)。

1.2.2 有機(jī)碳儲(chǔ)量、固碳速率和固碳效率 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、有機(jī)碳的固碳速率和固碳效率計(jì)算如下[15-16]：

SOCstock=(SOCi×BD×Hi)× 0.1

④

ΔSOCstock=SOCstock-n-SOCstock-0

⑤

SOCSR=ΔSOCstock/n

⑥

SOCSE=ΔSOCstock/(Cinput-n-Cinput-0)

⑦

式中：SOCstock為特定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；SOCi為第i層土壤的有機(jī)碳含量(g/kg)；BD為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)，0.1為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；SOCstock-n、SOCstock-0和ΔSOC分別為施氮處理有機(jī)碳儲(chǔ)量、無(wú)氮處理有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量(t/hm2)；Cinput-n和Cinput-0分別為施氮和無(wú)氮有機(jī)碳輸入量(t/hm2)；n為有機(jī)碳投入的累積年份(a)；SOCSR和SOCSE分別代表土壤固碳速率(t/(hm2·a))和固碳效率(%)。

1.2.3 累積碳投入量 本試驗(yàn)外源碳輸入主要來(lái)自作物根系與秸稈還田。有機(jī)碳投入計(jì)算公式如下：

Cinput=((Yg+Ys)×R×Dr+Ys)×Ccrop/1 000

⑧

其中，Yg為作物籽粒干質(zhì)量(kg/hm2)，Ys是秸稈干質(zhì)量(kg/hm2)。R為作物根系碳占地上部碳的比例，根據(jù)文獻(xiàn)小麥與玉米的R分別為30%，26%[17]；Dr為作物根系生物量平均分布在0～20 cm土層的比例，本研究中所用的小麥和玉米Dr分別為75.3%，85.0%[18]。Ccrop為小麥或玉米地上部分含碳量(g/kg)，小麥和玉米平均烘干基有機(jī)碳含量分別為399，427 g/kg[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析。不同管理模式間(NE-0N對(duì)比FP-0N，NE對(duì)比FP)采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

不同處理間產(chǎn)量如圖1所示，不同管理模式間玉米、小麥籽粒產(chǎn)量差異均不顯著，2個(gè)管理模式中施氮處理籽粒產(chǎn)量均高于不施氮處理。NE處理玉米籽粒產(chǎn)量平均為7.42 t/hm2(6.01～8.62 t/hm2)，NE-0N處理玉米籽粒產(chǎn)量平均為5.82 t/hm2(3.88～7.38 t/hm2)，F(xiàn)P處理玉米籽粒產(chǎn)量平均為7.09 t/hm2(6.01～8.46 t/hm2)，F(xiàn)P-0N處理籽粒產(chǎn)量平均為5.64 t/hm2(3.95～6.51 t/hm2)，NE處理和FP處理產(chǎn)量差異不顯著，NE-0N和FP-0N處理產(chǎn)量差異也不顯著。0N處理玉米產(chǎn)量隨不施肥年限的增長(zhǎng)籽粒產(chǎn)量減幅不大。NE處理和FP處理平均小麥籽粒產(chǎn)量分別為6.98 (6.22～7.88 t/hm2)，7.11 t/hm2(5.81～8.10 t/hm2)，NE-0N和FP-0N處理平均小麥籽粒產(chǎn)量分別為4.40(2.75～5.76 t/hm2)，4.51 t/hm2(3.38～5.86 t/hm2)，NE處理與FP處理、NE-0N與FP-0N處理之間的差異均不顯著，且0N處理小麥產(chǎn)量隨不施肥年限的延長(zhǎng)逐漸降低。與FP處理相比，NE處理玉米籽粒產(chǎn)量增加4.7%，小麥籽粒產(chǎn)量降低1.8%，但差異均不顯著。NE管理模式可維持小麥玉米輪作系統(tǒng)生產(chǎn)力。

2.2 氮肥利用率

不同管理模式下玉米小麥氮素利用率如表2，3所示，氮素累積回收率隨年份增加而增高，玉米NE處理平均為36.1%，F(xiàn)P處理平均為28.7%，NE處理氮素累積回收率較FP處理增加7.4百分點(diǎn)；小麥NE處理平均為37.8%，F(xiàn)P處理為29.8%，NE處理氮素累積回收率較FP處理增加8.0百分點(diǎn)，且NE和FP差異顯著。氮素農(nóng)學(xué)效率中，玉米NE處理平均為8.8 kg/kg，F(xiàn)P處理為6.3 kg/kg，NE處理較FP處理的氮素農(nóng)學(xué)效率提高39.7%；小麥NE處理和FP處理平均分別為14.7，11.4 kg/kg，NE較FP增長(zhǎng)28.9%。氮素偏生產(chǎn)力中，玉米NE處理和FP處理分別為40.7，31.7 kg/kg，小麥分別為40.9，30.8 kg/kg，與FP相比，NE處理玉米和小麥氮素偏生產(chǎn)力分別增長(zhǎng)28.4%，32.8%，差異均顯著。NE優(yōu)化管理可顯著提高小麥玉米輪作體系氮肥利用效率。

表2 2009-2018年不同管理模式下玉米氮素利用率Tab.2 Nitrogen use efficiencies of maize under different managements in 2009-2018

表3 2009-2018年不同管理模式下小麥氮素利用率Tab.3 Nitrogen use efficiencies of wheat under different managements in 2009-2018

2.3 土壤有機(jī)碳含量

隨生長(zhǎng)年份的增加，各處理土壤有機(jī)碳含量均有所增長(zhǎng)(表4)。從0～20 cm土層有機(jī)碳含量來(lái)看，2009年各處理之間相差不大，0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土層NE處理與FP處理差異不顯著(分別相差-2.5%，-1.9%，1.3%)。2018年各土層有機(jī)碳含量中，0～5 cm，5～10 cm土層NE和FP處理、NE-0N和FP-0N處理間的差異均不顯著，10～20 cm土層NE-0N和FP-0N處理間差異不顯著，NE和FP處理間差異顯著。有機(jī)質(zhì)含量年增長(zhǎng)速率在0.03～0.34 g/(kg·a) ，NE處理5～10 cm，10～20 cm土層的增長(zhǎng)速率顯著高于PE處理，較FP處理，分別高68.8%，126.7%，而0～5 cm土層兩者間差異不顯著(NE處理僅高7.7%)?？梢?jiàn)，長(zhǎng)期NE管理可提高表層土壤有機(jī)碳含量。

表4 0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量與有機(jī)碳年增長(zhǎng)速率Tab.4 SOC contents and annual increase rates in 0-20 cm soil layer

2.4 有機(jī)碳儲(chǔ)量與固碳速率

0～20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量如圖2所示，2009年各處理有機(jī)碳儲(chǔ)量在23.8～26.2 t/hm2，處理間差異不顯著，2018年各處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在29.6～34.3 t/hm2(表5)，NE處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高。在3個(gè)不同土層中，各處理10～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)最快，其中NE處理增加最多，為5.3 t/hm2，占0～20 cm土層總有機(jī)碳儲(chǔ)量的15.4%。

2009-2018年0～20 cm土層累積碳投入量在53.3～78.1 t/hm2，施氮處理高于0N處理，對(duì)應(yīng)的年均碳投入量在5.9～8.7 t/(hm2·a)，NE處理和FP處理較各自不施氮處理分別增加45.0%，44.1%，NE處理和FP處理年均碳投入無(wú)顯著差異(僅相差2.3%)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增量在5.2～12.2 t/hm2，其中NE處理最高，較FP處理高100%，2個(gè)處理間差異顯著，各處理相應(yīng)的固碳速率在0.64～1.35 t/(hm2·a)，NE處理顯著高于FP處理。長(zhǎng)期NE管理可顯著提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，增加固碳速率。

表5 0～20 cm土層碳投入量與固碳速率Tab.5 Carbon input and SOC sequestration rate in 0-20 cm soil layer

2.5 固碳效率

投入單位碳時(shí)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化量即為土壤固碳效率。如圖3所示，隨累積碳投入量變化量的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化量也逐漸增加，NE管理模式中累積碳投入量與有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，符合線性方程y=0.186x+0.102，該方程斜率為NE管理模式下土壤對(duì)碳投入的固碳效率，為18.6%。同理，F(xiàn)P管理下的固碳效率為0.4%，且2個(gè)變化量間的線性關(guān)系不顯著。NE管理可提高土壤的固碳效率。

3 討論與結(jié)論

3.1 長(zhǎng)期養(yǎng)分專家管理能夠提高氮肥利用率

氮肥回收率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力可有效反應(yīng)氮肥利用率[1]。本研究中，與FP相比，NE管理可提高氮肥累積回收率7.4～8.0百分點(diǎn)，提高農(nóng)學(xué)效率28.9%～39.7%，提高偏生產(chǎn)力28.4%～32.8%，NE管理氮肥利用率明顯提高。NE養(yǎng)分管理模式是根據(jù)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)、作物產(chǎn)量反應(yīng)和作物養(yǎng)分平衡來(lái)進(jìn)行養(yǎng)分管理，并采用4R養(yǎng)分管理理念(采用合適的肥料品種、合適的肥料用量、合適的時(shí)間、施用在合適的位置)和最佳栽培管理措施等綜合方案。NE處理降低了氮肥施用23%，提高了養(yǎng)分間的協(xié)同效應(yīng)，養(yǎng)分供應(yīng)和作物養(yǎng)分需求更同步[8]。蘇瑞光等[20]、賈良良等[21]在小麥玉米輪作體系中的研究也指出，采用NE系統(tǒng)管理養(yǎng)分可提高氮素利用率20%以上。除養(yǎng)分管理措施外，本研究采用的NE管理綜合了品種、密度等農(nóng)藝措施形成了綜合管理模式，可以獲得更高的農(nóng)學(xué)環(huán)境效益。Chen等[4]也報(bào)道了一種綜合土壤作物系統(tǒng)管理(ISSM)，其將最佳作物管理措施(播種日期、品種和密度)與土壤管理措施相結(jié)合，可大幅提高產(chǎn)量和養(yǎng)分效率。本研究進(jìn)一步證實(shí)，長(zhǎng)期綜合NE管理可提高氮肥利用效率。

3.2 長(zhǎng)期養(yǎng)分專家管理可以提高土壤固碳效率

秸稈還田直接增加了碳投入，其可轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，提高農(nóng)田有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量，改善土壤質(zhì)量[5,22]。合理的養(yǎng)分管理可加速還田的秸稈碳向有機(jī)碳轉(zhuǎn)換，提高土壤固碳速率和效率[16,23]。本研究中的NE管理模式固碳速率和固碳效率分別為1.35 t/(hm2·a)和18.6%，顯著高于FP處理的0.68 t/(hm2·a)和0.4%。NE管理在養(yǎng)分投入配比的合理性，更有利于有機(jī)碳固持，高偉等[24]對(duì)32 a華北潮土定位試驗(yàn)的研究也表明，平衡施用化肥可增加有機(jī)碳29.0%。FP管理與NE管理相比，氮肥投入量較高，過(guò)高的氮肥投入可引起激發(fā)效應(yīng)，微生物活性升高，呼吸作用增強(qiáng)引起碳的過(guò)多消耗[25]，從而可能減少碳固存。此外，NE管理玉米種植密度高于FP管理，根茬碳投入較高，根茬碳固存效率高于地上部秸稈。有研究指出新形成的SOC源于根系碳的比例高于源于秸稈碳30%左右[26]。本研究中，NE管理秸稈碳投入為78.1 t/hm2，固碳效率為18.6%，魏猛等[27]的研究也指出在累積碳投入小于83 t/hm2時(shí)，土壤固碳效率為18.3%，與本研究結(jié)果相近。本試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期NE管理有助于土壤有機(jī)碳的固存。

3.3 養(yǎng)分專家管理在小麥玉米輪作體系中應(yīng)用前景較為廣闊

從2015年開(kāi)始，我國(guó)實(shí)施“到2020年化肥零增長(zhǎng)”戰(zhàn)略，在不減少產(chǎn)量的情況下，逐漸降低化肥用量，提高肥料利用率。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要提升養(yǎng)分管理水平，同時(shí)將更多優(yōu)化的農(nóng)藝措施綜合應(yīng)用，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥土壤。養(yǎng)分專家管理(NE)在降低氮肥23%的情況下，維持了作物產(chǎn)量不降低，提高氮肥利用率20%以上，同時(shí)可有效增加土壤有機(jī)碳固存。在小麥玉米輪作系統(tǒng)中應(yīng)用養(yǎng)分專家管理模式是實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)的有效技術(shù)途徑，可助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。