化肥氮減量配施生物炭和菜籽餅對玉米-白菜養分吸收、氮素利用及產量的影響

陳云梅，趙 歡，肖厚軍，謝婷婷，胡 崗，秦 松

（1.貴州省農業科學院土壤肥料研究所/農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；2.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550006）

據《貴州統計年鑒2020》數據顯示，2019年貴州玉米的播種面積達53.1萬hm2，僅次于水稻，是貴州第二大糧食作物［1］，同時，隨著近幾年農業產業結構調整力度的加大，貴州蔬菜的種植面積在逐年增加（由2017年的125.3萬hm2增加到2019年的143.6萬hm2）［1］，玉米-白菜輪作會成為旱地的一種主要種植模式，然而，目前玉米和白菜生產上普遍存在大量偏施化肥、有機肥投入偏少的現象［2］。在貴州亞熱帶氣候及典型的喀斯特黃壤山區條件下，施肥量過大會使養分淋失、肥料利用率下降，導致土壤板結、酸化、碳氮比失衡，引發土傳病害和環境污染［3-7］等問題。因此，于貴州黃壤區探討化肥氮減量配施有機物料（生物炭和菜籽餅）對玉米-白菜輪作增產增效作用有重要意義。

貴州是中國油菜的主產區之一，其油菜產量位居全國第六［8］，菜籽餅粕是本省的重要資源，但絕大多數未被利用或作為有機廢棄物直接進入環境，造成環境負擔，因此，充分合理利用菜籽餅粕對貴州農業生產發展和資源節約具有重要意義。諸多報道顯示，腐熟的菜籽餅恰當施用，是一種速效性、養分全面的有機肥料［9-11］。生物炭作為集肥料、吸附劑和改良劑于一體的新型材料，在改土培肥、土壤養分固持、作物增產提質及土傳病害防控［12-13］等方面的研究逐漸增多。在烤煙栽培上生物炭、菜籽餅單施，生物炭和菜籽餅混施的效果已有較多報道，如生物炭750 kg·hm-2+菜籽餅750 kg·hm-2比例下煙葉品質最佳，生物炭與菜籽餅配施顯著降低了煙葉煙堿含量，提高了煙葉鉀含量，協調了煙葉化學成分［14］；余其昌等［15］指出，常規施肥基礎上增施生物炭750 kg·hm-2+菜籽餅1500 kg·hm-2有利于提高烤煙經濟效益，改善煙葉品質；在植煙土壤理化生性狀改善、烤煙增產和提質方面，生物炭與菜籽餅均有利于提高植煙土壤礦質養分含量及酶活性，且以混合施用效果更顯著［16］，但在化學氮肥減量條件下，生物炭和菜籽餅配施對玉米-白菜產量、養分吸收、氮素利用等方面的研究鮮見報道。

因此，本研究通過盆栽試驗，以玉米-白菜為供試作物，在化肥氮減量20%的情況下，探究生物炭和菜籽餅配施對玉米-白菜輪作干物質、養分吸收、氮素利用及產量的影響，旨在探討生物炭和菜籽餅配施替代部分氮肥的在貴州黃壤的可行性，為玉米-白菜輪作模式高效施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年2～11月在貴州省土壤肥料研究所試驗基地（26°29′43″ N，106°39′39″ E）進行。供試黃壤取自貴州省土壤肥料研究所試驗基地，置于通風處自然風干，過5 mm篩，每盆裝土25 kg，其基本理化性質：pH值7.25，有機質10.59 g·kg-1，堿解氮77.80 mg·kg-1，有效磷5.68 mg·kg-1，速效鉀38.04 mg·kg-1。供試化肥：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O 50%），均購自本地經銷商。供試生物炭：玉米秸稈450℃炭化所制，pH值7.95、有機碳含量47.36%，N、P2O5和K2O的含量分別為0.80%、0.19%和4.75%，自制而來；供試菜籽餅有機肥購自本地經銷商，N、P2O5和K2O的含量分別為4.60%、2.48%和1.49%。供試作物為玉米（遵義5071）、白菜（秋綠75），二者采用輪作模式。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理：不施肥（CK）、常規化肥（CF）、化肥氮減量20%配施生物炭（RF+B）、化肥氮減量20%配施菜籽餅（RF+O）、化肥氮減量20%配施生物炭和菜籽餅（RF+BO），化肥氮減量處理均在常規處理化肥氮的基礎上減氮20%。盛土容器為圓形塑料盆缽，其口徑、底徑和高度分別為38、30和40.5 cm，每盆裝土25 kg。玉米季和白菜季的CK處理均不施肥，（1）玉米季：CF處理的氮、磷、鉀肥用量均按照每千克土 N 0.15 g、P2O50.15 g 和 K2O 0.15 g 施用，即每盆N、P2O5和K2O用量均為3.75 g，減氮配施處理（RF+B、RF+O和RF+BO）的施氮量在玉米季CF處理施氮量的基礎上減少20%，每盆N施用量減少20%、P2O5和K2O用量相同，即每盆N、P2O5和K2O用量分別為3.00、3.75和3.75 g；（2）白菜季：CF處理的氮、磷、鉀肥用量按每千克土N 0.25 g、P2O50.15 g和K2O 0.15 g施用，即每盆N 6.25 g，P2O5和K2O均為3.75 g。生物炭按每千克土20 g添加，具體參照2%土重［17-18］換算而來，即每盆500 g（玉米種植前與供試土混勻裝盆作基肥一次性施入，白菜季不添加）；菜籽餅按每千克土0.67 g添加（參考余其昌等［15］田間菜籽餅施用量1500 kg·hm-2折算而來），即每盆16.75 g。每個處理設置5盆重復，每盆移栽玉米和白菜幼苗株數相同，均為1株，每個處理共計5株，其中氮肥基追比均為4∶2∶4，移栽前菜籽餅、磷肥和鉀肥均與土充分混勻作基肥一次性施入，具體施肥量見表1。玉米季施肥時間：2020年3月12日移栽并施基肥，2020年4月10日第1次追肥，2020年5月26日第2次追肥；白菜季施肥時間：2020年8月25日移栽并施基肥，2020年9月14日第1次追肥，2020年10月6日第2次追肥。其他管理參照當地玉米-白菜種植管理措施。

表1 不同施肥處理氮磷鉀施用量 （g·盆-1）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤基本理化性質

pH值按水土比2.5∶1（pH計法）測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮采用堿解擴散-標準酸滴定法測定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測定［19］。

1.3.2 玉米和白菜養分含量

分別于玉米和白菜收獲期采集植株樣品，玉米分為葉、莖、籽粒和根4個部分，白菜分為地上部和根2個部分。將玉米葉、莖、籽粒和根以及白菜地上部和根置于烘箱，105℃殺青 30 min，70℃ 烘干至恒重后稱其干重并粉碎，樣品均采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮儀測定植株氮含量，采用釩鉬黃比色法測定磷含量，采用火焰光度法測定鉀含量。具體參照鮑士旦［19］的《土壤農化分析》。

1.4 參數計算與統計分析

玉米氮（磷、鉀）素吸收量（g·株-1）= 葉干物質量×葉氮（磷、鉀）含量+莖干物質量×莖氮（磷、鉀）含量+籽粒干物質量×籽粒氮（磷、鉀）含量+根干物質量×根氮（磷、鉀）含量；

白菜氮（磷、鉀）素吸收量（g·株-1）=地上部干物質量×地上部氮（磷、鉀）含量+根干物質量×根部氮（磷、鉀）含量；

氮素利用效率計算公式［20-21］如下：

氮肥農學效率（kg·kg-1）=（Y-Y0）/F

氮肥偏生產力（kg·kg-1）=Y/F

氮肥表觀利用率（%）=（N-N0）/F×100

氮肥貢獻率（%）=（Y-Y0）/F×100

式中，Y和Y0分別為施氮和CK處理獲得的作物產量（玉米：籽粒產量，白菜：經濟產量），N和N0分別為施氮和CK處理總吸氮量，F為施氮量。

試驗數據均采用Excel 2016進行計算處理，利用SPSS 19.0進行統計分析，差異顯著性用LSD（P＜0.05）和Duncan檢驗法進行多重比較，并采用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米-白菜氮素吸收的影響

從圖1可以看出，RF+BO處理的氮素吸收量均顯著高于CK、CF、RF+B和RF+O處理，且RF+O處理的氮素吸收量均高于CF處理。玉米季，RF+BO、RF+O和RF+B處理的氮素吸收量比CF處理分別增加了27.59%、0.94%和9.87%；白菜季，RF+BO和RF+O處理的氮素吸收量比CF處理分別增加了26.64%和15.93%。化肥氮減量20%條件下，各配施處理間的氮素相比，RF+BO處理的氮素吸收量最高，相較于RF+B與RF+O處理，玉米季分別增加了19.66%和26.90%，白菜季分別增加了33.98%和12.47%。

圖1 不同處理玉米和白菜氮素吸收量

2.2 不同施肥處理對玉米-白菜磷素吸收的影響

從圖2可以看出，RF+BO處理的磷素吸收量均顯著高于CK、CF、RF+B和RF+O處理。玉米季，RF+BO和RF+O處理的磷素吸收量比CF處理分別增加了37.21%和3.57%，差異達顯著水平；白菜季，RF+BO和RF+O處理的磷素吸收量比CF處理分別增加了35.56%和29.27%，差異達顯著水平；玉米季，RF+B處理的磷素吸收量比CF處理增加了15.63%，差異達顯著水平；白菜季，RF+B處理的磷素吸收量較CF處理無明顯差異。化肥氮減量20%條件下，各配施處理間的磷素相比，RF+BO處理的磷素吸收量最高，相較于RF+B和RF+O，玉米季分別增加了25.58%和32.56%，白菜季分別增加了35.56%和8.89%，差異均達顯著水平。

圖2 不同處理玉米和白菜磷素吸收量

2.3 不同施肥處理對玉米-白菜鉀素吸收的影響

從圖3可以看出，RF+BO處理的鉀素吸收量均顯著高于CK、CF、RF+B和RF+O處理。玉米季，RF+BO和RF+B處理的鉀素吸收量比CF處理分別增加了30.34%和12.81%，差異達顯著水平；白菜季，RF+BO和RF+O處理的鉀素吸收量比CF處理分別增加了33.44%和18.25%，差異達顯著水平；白菜季，RF+B處理的鉀素吸收量較CF處理無明顯差異。化肥氮減量20%條件下，各配施處理間的鉀素相比，RF+BO處理的鉀素吸收量最高，相較于RF+B和RF+O，玉米季分別增加20.11%和34.29%，白菜季分別增加了34.06%和18.58%，差異均達顯著水平。

圖3 不同處理玉米和白菜鉀素吸收量

2.4 不同施肥處理對玉米-白菜氮素利用率的影響

從表2可以看出，RF+BO處理的氮素利用效率均顯著高于CF處理，玉米季，RF+BO處理的氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率比CF處理分別提高了1.64%、9.88%、8.36%和26.21%；白菜季，RF+BO處理的氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率分別比CF處理提高了2.99%、35.70%、33.71%和31.78%。RF+B處理的氮素利用效率高于CF處理，玉米季，RF+B處理的氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率比CF分別提高了0.37%、21.83%、21.54%和24.57%；白菜季，氮肥農學效率、偏生產力和表觀利用率比CF分別提高了6.69%、8.21%和7.53%。白菜季，RF+O處理的氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率較CF處理分別增加0.66%、13.80%、13.23%和21.11%，差異達顯著水平。此外，RF+BO處理的氮素利用效率也高于RF+B和RF+O處理；RF+BO處理的氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率和RF+O處理相比，玉米季分別提高了1.88%、11.77%、10.04%和30.38%，白菜季分別提高了2.35%、25.40%、23.60%和13.53%，差異均達顯著水平；RF+BO處理的白菜季氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率相比RF+B處理分別提高了4.57%、31.09%、27.78%和26.22%，差異均達顯著水平。

表2 不同施肥處理對玉米-白菜氮素利用效率的影響

2.5 不同處理對玉米-白菜產量的影響

由圖4可知，RF+BO處理對玉米和白菜產量有顯著影響。與CF處理相比，RF+B處理對玉米產量影響不顯著，但白菜產量明顯降低。RF+O處理玉米和白菜產量較CF處理差異不顯著。各處理中RF+BO處理玉米和白菜產量均最大，分別達226.43和898.40 g·株-1，較CF處理玉米和白菜分別增產9.72%和39.26%，差異達顯著水平。

3 討論

圖4 不同處理對玉米-白菜產量的影響

有機肥能明顯改善玉米植株生長，提高玉米養分吸收量［22］。前人研究表明，減化肥配施綠肥有利于春玉米地上部養分的吸收和利用［23］。諸多學者指出，減施部分化肥配施綠肥翻壓能夠提高水稻養分吸收量和產量［24-26］；還有學者指出，有機無機肥配施有利于提高作物的養分吸收量［27-29］。本研究顯示，輪作玉米-白菜體系下，化肥氮減量20%條件下，3種配施方式與常規化肥相比，配施生物炭可提高玉米氮、磷和鉀養分吸收量，配施菜籽餅可提高白菜氮、磷和鉀養分吸收量，僅生物炭和菜籽餅混施處理下玉米和白菜植株氮、磷和鉀養分的吸收量同時明顯提高，且效果最佳，這說明減氮下生物炭和菜籽餅混施存在協同促進作用，其原因可能與生物炭不僅能有效調節土壤碳氮比，還能吸附土壤溶液中的銨態氮和硝態氮，從而減少淋溶損失［16］有關。

提高化肥利用效率是作物增產的一項重要措施。施用有機肥可促進滴灌棉田氮素轉化，提高氮素肥力［30］，有機無機配施能夠提高肥料利用率，可適當降低化肥用量［31］。要文倩等［32］指出，有機肥與化肥配施可有效改善土壤養分平衡狀況，提高作物對養分的吸收和積累，促進植株養分向生殖器官中的轉移和分配，提高肥料利用率。還有學者指出，有機肥氮替代部分化肥氮處理均增加了棉花氮肥表觀利用率、偏生產力、農學效率和氮肥貢獻率［33］。本研究結果顯示，化肥氮減量20%配施生物炭和菜籽餅能同時顯著提高玉米和白菜當季氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率，且提升效果最佳，說明化肥氮減量20%配施生物炭和菜籽餅有利于養分持續供應，促進養分吸收和利用，減少了其進入環境的量。這可能是因為生物炭和菜籽餅混施有利于促進土壤養分釋放與保持，減少養分損失，促進玉米和白菜對氮、磷、鉀肥的吸收和利用，從而提高化肥利用率。

化肥配施有機肥對作物生長及增產有積極效應［34-35］。有研究表明，與常規氮肥相比，常規氮肥+10 t·hm-2生物炭、減氮30%+10 t·hm-2生物炭均顯著增加水稻產量，增幅達9.9%～11.9%，但二者間差異不顯著［36］。本研究中，與常規化肥比，化肥氮減量配施生物炭玉米產量提高1.98%，白菜明顯減產，其原因可能與玉米、白菜自身需肥特性不同有關，也可能與土壤類型及基礎肥力有關。化肥氮減量配施菜籽餅處理較常規化肥處理白菜產量提高6.40%，這可能與化學氮肥配施腐熟菜籽餅可明顯提高土壤堿解氮含量，促進作物盛長期氮素的運輸和轉移有關［11］。另外，化肥氮減量配施生物炭和菜籽餅處理與常規化肥處理相比，玉米和白菜分別增產9.72%和39.26%，主要原因在于生物炭和菜籽餅配施時，能加速菜籽餅腐解，釋放大量的養分［37-38］，且菜籽餅腐解釋放的養分能被生物炭吸附，從而明顯促進玉米和白菜性狀的形成及增產。

4 結論

化肥氮減量20%條件下，配施生物炭和菜籽餅處理對玉米和白菜的影響效果總體均優于單一施用生物炭、單一施用菜籽餅及常規化肥。化肥氮減量20%配施生物炭和菜籽餅顯著提高了玉米和白菜的干物質量，有效促進氮、磷、鉀的吸收量，有效提高白菜當季氮肥貢獻率、農學效率、偏生產力和表觀利用率，玉米和白菜均顯著增產。綜上，化學氮減量20%配施生物炭和菜籽餅可以為貴州黃壤區玉米-白菜的化肥減量增效施肥技術提供理論依據。