不同農藝培肥措施對小麥生長和土壤肥力的影響

吳其洋,張達勝,李成峰,徐召文,楊善偉,王家嘉,盧碧云,施六林,李錄久*

(1.合肥天秤檢測科技有限公司,安徽合肥 231200；2.肥西縣農業農村局,安徽肥西 231200;3.安徽農業大學,安徽合肥 230036；4.安徽科海項目管理有限公司,安徽肥西 231200；5.安徽省農業科學院土壤肥料研究所,安徽合肥 230031；6.安徽省農業科學院工程研究所,安徽合肥 230031)

砂姜黑土是我國黃淮海平原三大中低產土壤類型之一,全國總面積4.0×106hm2,主要分布于安徽、河南、山東和江蘇等省,其中安徽省砂姜黑土面積最大,達1.65×106hm2,占全國砂姜黑土總面積的41.5%[1]。砂姜黑土黏粒含量高,黏土礦物中2∶1型的蒙脫石比例較大,質地黏重,耕作性狀差,有效養分含量低、瘠薄,保肥和供肥能力均較弱,同時土壤剖面中存在碳酸鈣和鐵錳氧化物凝結而成的堅硬砂姜結核,土體構型不良,存在多種障礙因素和限制因子,作物產量較低,是安徽省面積最大的中低產土壤類型[2-5]。

宿州市位于安徽省東北部,埇橋區是宿州市唯一的市轄區,總面積2 868 km2,處于我國黃淮海平原南部、淮北平原的東北端,以平原為主,北部兼有丘陵崗地。埇橋區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區,光照充足,雨熱同季,雨量中等,光熱水資源豐富。土壤類型主要是砂姜黑土,占全區土壤總面積的80%以上。然而,由于土壤肥力低下,光熱水資源沒有得到充分的利用,土地生產潛力得不到高效發揮,小麥、玉米等主要糧食作物單位面積產量仍較低,與高產省份高產地區還有很大差距。

當前,我國農村實行以家庭為中心的集體土地承包責任制,土地所有權歸村集體所有,農戶享有承包權。雖然各地加快了土地流轉的步伐,流轉面積不斷增加,但農戶自行耕種現象仍然普遍存在,每戶種植的面積大多遠低于1 hm2,農田環境臟亂、灌溉排水系統不健全也不配套,部分可耕地高差大,高低不平,單個田塊面積過小,不適合機械耕作種植,抗災能力低下。這些問題嚴重制約了農業高產高效。建設高標準農田能提升農田等級,提高耕地質量及農業裝備水平,擴大耕地面積,增加糧食產量,提高農民收益,對保障我國糧食安全、提升現有耕地資源的利用效率和土地產出率、改善農村面貌都具有重要意義。根據規劃,2022年我國將新建約6.68×106hm2高標準農田,年底將形成約6.67×107hm2高標準農田[5]。

高標準農田建設重點涉及8個方面內容,包括田塊整治、灌溉和排水、田間道路、農田防護和生態環境保護、農田輸配電、土壤改良、科技服務、管護利用。項目建設過程中,進行了全面的土地平整機械操作,局部打破了犁底層,破壞了土壤耕作層,導致土壤肥力下降。土壤質量和肥力水平關系到土地生產能力,決定糧食產量[6-8]。因此,需要開展土壤改良和培肥工作,提升土壤質量,厚沃耕層,這是高標準農田建設的重要環節。

宿州市埇橋區2021年高標準農田建設項目總面積約0.93萬hm2,涉及大店、解集等8個鄉鎮和北楊寨行管區,于當年9月開工建設。為了確保項目區農田等級有所提升、耕地質量得到提高,需要同步實施土壤改良工程。研究表明,農作物秸稈直接還田、增施有機肥和氮肥優化運籌管理等技術措施,能夠明顯改善土壤物理性狀,撫育、改良和培肥土壤[9-12]。筆者探討不同農藝培肥措施對高標準建設農田土壤肥力性狀和小麥生長發育的影響,為高標準農田建設土壤改良工程提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤試驗在安徽省宿州市埇橋區北楊寨行管區、解集鎮2個鎮(區)同時進行,供試土壤為普通砂姜黑土,肥力中等,灌溉條件良好。2021年秋季小麥播種前,采集耕作層0～20 cm土壤樣品,采用標準分析方法測定,養分狀況見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1秸稈生物強化還田技術。試驗設在北楊寨行管區大張村,在施用等量氮磷鉀化肥N-P2O5-K2O 為200-90-90 kg/hm2的基礎上進行,設置3個處理：①對照S0,無秸稈還田,只施等量化肥；②S1,化肥+秸稈,實施作物秸稈生物強化直接還田,玉米干秸稈施用量5 000 kg/hm2+ 75 kg/hm2高效秸稈腐熟生物菌劑,并增施尿素調節秸稈的C/N至25∶1；③FP1,周邊田塊農民習慣施肥和管理。所施用的肥料為氮磷鉀含量15-15-15總養分45%的普通復合肥和尿素。小區面積300.0 m2,3次重復,完全隨機區組排列。肥料施用方法,70%的氮肥和全部磷鉀肥作基肥,一次性施用；剩下的30%氮肥作追肥,于第二年3月小麥拔節期追施。玉米秸稈先機械粉碎,再均勻撒施于小區后機械翻埋于15 cm土壤內。供試小麥品種為泛麥8號,2021年10月下旬播種,2022年6月初收獲。其他栽培管理措施如病蟲草害防治同當地一般大田小麥。

1.2.2精制有機肥改良培肥土壤技術。試驗設在解集鎮磊博農機專業合作社,在等量氮磷鉀化肥N- P2O5- K2O 施用量180-90-90 kg/hm2的基礎上進行,設置3個處理：①M0對照,不施有機肥,只施等量的NPK化肥；②M1(有機肥料),在氮磷鉀基礎上,施用精制商品有機肥1 500 kg/hm2。所用肥料為氮磷鉀含量15-15-15總養分45%的復合肥和尿素,商品有機肥有機質含量40%、氮磷鉀總含量5%；③FP2,周邊小麥田農民習慣施肥和管理。小區面積300.0 m2,3次重復,完全隨機區組排列。肥料施用方法,70%的氮肥和全部磷鉀肥、有機肥作基肥,一次性施用；剩下的30%氮肥作追肥,于第二年3月小麥拔節期追施。供試小麥品種為煙農22,2021年10月下旬機械播種,2022年6月初收獲。其他各種栽培管理措施,同當地農民大田小麥。

1.2.3小麥氮肥優化運籌管理技術。與上述有機肥試驗設在同一地塊,在等量氮磷鉀化肥基礎上進行,N- P2O5- K2O 施用量180-90-90 kg/hm2。氮肥的基肥施用比例均為70%,小麥拔節期和孕穗期肥料的優化運籌百分比例,設置3個處理：①N30-0即30-0的比例；②N20-10即20-10的比例；③N10-20即10-20的比例。所施用的肥料為氮磷鉀含量15-15-15總養分45%的復合肥和尿素。小區面積300.0 m2,3次重復,完全隨機區組排列。肥料施用方法,70%的氮肥和全部磷鉀肥作基肥；剩下的30%氮肥作追肥,于第二年3月上中旬和4月中下旬小麥拔節期、孕穗期按設計方案追施。供試小麥品種為當地主推的煙農22號,2021年10月下旬播種,2022年6月初收獲。其他栽培管理措施如病蟲草害綜合防治,同當地農民一般大田小麥。

1.3 樣品采集與分析小麥成熟期,每小區采集代表性的小麥植株樣品20株,帶回室內考種,考察項目包括穗粒數和千粒重等指標。適時收獲試驗小區的小麥,脫粒晾曬和計產。同時采集各試驗小區和農民常規施肥田塊耕作層的土壤樣品,分析pH、有機質、有效氮磷鉀含量。土壤基本性狀采用常規法測定,參照《土壤農化分析》[12]進行。pH應用玻璃電極法測定；土壤有機質采用H2SO4-K2CrO7氧化法測定；全氮用開氏半微量定氮法測定,堿解氮用擴散法測定,有效磷采用氟化銨-稀鹽酸浸提(酸性土)-鉬藍比色法測定,速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度計法分析。

1.4 數據分析采用Excel和SPSS軟件進行處理和統計分析,秸稈還田試驗采用t檢驗,有機肥及氮肥優化試驗應用最小差異顯著法LSD法進行差異顯著性檢驗和顯著性比較。

表1 供試土壤的基本農化性狀

2 結果與分析

2.1 不同農藝措施對小麥生長發育的影響從表2可以看出,淮北平原砂姜黑土地區,高標準農田建設項目區,在施用氮磷鉀化肥的基礎上,實施“適量的玉米秸稈+高效生物腐解菌劑”秸稈生物強化直接還田、增施有機肥料,對后季小麥生長發育具有明顯的促進作用。與各自的對照——無秸稈還田的S0和不施有機肥的M0相比,秸稈還田處理S1和增施有機肥處理M1,小麥穗長增加,結實小穗數和總小穗數增多,不孕小穗數減少,穗粒數和千粒重增長,經濟性狀改善,為籽粒產量的提高奠定了基礎。小麥拔節期和孕穗期,實施適宜的氮肥追肥比例優化管理,也有相似的作用,與N30-0相比,N20-10和 N10-20處理小麥產量也明顯提高。

表2 不同農藝措施對小麥產量及其構成性狀的影響

2.2 不同農藝措施對小麥籽粒產量的影響由表2可知,宿州市埇橋區2021年高標準農田項目建設區砂姜黑土地,在施用氮磷鉀化肥的基礎上,實施適量的“玉米秸稈+高效生物腐解菌劑”的秸稈生物強化直接還田、增施有機肥,能有效促進后季小麥生長發育,提高籽粒產量。與各自的對照——無秸稈還田的S0和不施有機肥的M0相比,秸稈生物強化還田處理S1和增施1 500 kg/hm2商品有機肥處理M1,小麥籽粒產量相應增加438和411 kg/hm2,增產率分別為5.89%和5.62%,增產效應較為明顯,但未達顯著水平(P>0.05)。小麥拔節期和孕穗期,實施適宜的氮肥追肥比例優化運籌管理,對籽粒產量也有明顯影響,與N30-0相比,N20-10和 N10-20處理小麥產量分別提高591和390 kg/hm2,相應增產7.65%和5.05%,增產效應也較明顯,但同樣未達顯著水平(P>0.05)。小麥孕穗期追施氮肥的2個處理,N20-10優于 N10-20處理,表明后期過多追施氮肥對小麥生長發育也不利。與當地農民習慣施肥FP1和FP2相比,S1、N20-10處理小麥產量分別提高6.45%和11.82%,增產幅度更大。

2.3 不同農藝措施對對土壤肥力性狀的影響

2.3.1秸稈還田對土壤肥力性狀的影響。從表3可以看出,在高標準農田建成區域——淮北砂姜黑土地區,在氮磷鉀化肥配施的基礎上,實施秸稈生物強化直接還田,能有效提高下季作物收獲期土壤有機質及有效氮磷鉀養分含量,提升pH,減緩土壤酸化現象,提高土壤肥力。與無秸稈的對照S0相比,實施5 000 kg/hm2干玉米秸稈+75 kg/hm2高效秸稈腐解生物菌劑還田的處理S1,小麥收獲后,土壤pH升高了0.18,土壤酸化得到了一定程度的遏制。土壤有機質從27.53 g/kg 提高到32.79 g/kg,相對提高19.11%,達極顯著水平(P<0.01)。實施秸稈生物強化還田后,土壤有效磷和速效鉀含量也有較大程度的提高,提升幅度分別為31.21%和13.35%,均達極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。土壤堿解氮含量也有所升高,相對增加7.37%,增長較明顯,但未達顯著水平(P>0.05)。與周邊農民習慣施肥FP1處理相比,土壤有機質、有效磷和速效鉀含量均明顯提高,pH和堿解氮含量提高幅度更大。

表3 不同農藝措施對土壤肥力性狀的影響

2.3.2增施有機肥對土壤肥力性狀的影響。由表3可知,與秸稈生物強化還田相似,在高標準農田建設區,增施有機肥也能有效提高土壤有機質及有效氮磷鉀養分含量,改良和培肥土壤。與對照M0相比,在施用適量氮磷鉀化肥的基礎上,增施1 500 kg/hm2商品有機肥,土壤pH由4.98提高到5.23,提升0.25,幅度超過秸稈還田,從低于5的酸性土壤向弱酸性土壤方向轉變,土壤酸化趨勢得到明顯緩解。土壤有機質含量,增施有機肥的M1處理較不施有機肥的對照M0提高16.02%,雖然達顯著水平,但提升幅度低于秸稈還田處理。土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量,增施有機肥的M1處理較對照M0均顯著升高,增加率分別為15.68%、13.37%和14.73%,均達顯著水平(P<0.05)。這說明在施氮磷鉀化肥的基礎上,增施有機肥料,像秸稈生物強化直接還田一樣,對高標準農田建設項目區土壤有良好的培肥效果。與周邊未實施有機-無機肥料配合施肥的對照——農民習慣施肥處理相比,增施有機肥后,土壤pH、有機質、有效磷和速效鉀含量提高的幅度更大,培肥效果更明顯。

2.3.3氮肥優化管理對土壤肥力性狀的影響。從表3可以看出,高標準農田建設項目工程完工后,種植當地的主要農作物小麥,在春季實施小麥氮肥優化運籌管理,對土壤肥力性狀也有明顯的影響,但與秸稈直接還田和增施有機肥處理不同。與常規的一次性追肥N30-0相比,實施2次追肥的氮肥運籌方式,對土壤肥力性狀有不同的影響,其中分蘗期-孕穗期氮肥追肥百分比20-10的N20-10處理,小麥收獲期,土壤pH升高0.24,土壤有效磷和速效鉀含量相應提高1.71%和3.17%,土壤酸化程度降低,有效磷、鉀含量有所提高,但差異不顯著。與此同時,土壤有機質及堿解氮含量下降7.96%和6.01%,雖然未達顯著水平(P>0.05),但降低幅度較大,其原因可能是優化氮肥運籌促進了小麥的生長發育,提高產量需要吸收較多的氮素,增加了土壤有機質的分解量。小麥孕穗期追肥量加大的處理N10-20,表現則完全不同,與對照N30-0相比,土壤pH不升反降,酸化程度加劇,土壤堿解氮含量大幅度升高,說明后期施用大量氮肥可能沒有被充分吸收利用,殘留于土壤并加劇土壤酸化程度。這一過程有助于溶解土壤難溶性磷和鉀,提高土壤有效磷和鉀含量；抑制土壤微生物活動,土壤有機質含量也會有所提高。這表明實施不同比例的小麥氮肥追肥運籌對土壤肥力性狀的影響存在明顯差異,培肥土壤的效果有限,遠達不到秸稈生物強化直接還田及增施有機肥的效果。

3 結論與討論

增施有機肥、秸稈還田和氮肥運籌管理對小麥生長和土壤肥力的影響已有很多報道[6-11,13-15]。研究表明,增施有機肥、適量的秸稈還田、適宜氮肥運籌管理能有效促進作物生長發育,提高籽粒產量,提升土壤有機質及氮磷鉀等有效養分含量[11,13-15]。楊志臣等[11]研究表明,直接施用作物秸稈與施用腐熟有機肥對土壤的培肥效果基本相同,對土壤理化性質有很大改善作用。勞秀榮等[14]指出,長期秸稈還田并配施適量的化肥、優化氮肥運籌是培肥地力、提高產量的有效措施之一,土壤有機質積累量、速效氮磷鉀的生物有效性等指標與秸稈還田量呈極顯著正相關。該研究結果表明,實施玉米秸稈生物強化直接還田、增施有機肥、氮肥追肥優化管理,對后季小麥生長發育有明顯的促進作用,與各自的對照相比,秸稈生物強化還田、增施有機肥和氮肥追肥優化管理N20-10分別增產5.89%、5.62%和7.65%,較農民習慣施肥提升6.45%、3.91%和11.82%；土壤pH升高0.18～0.25,酸化程度減輕；土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別提高16.02%～19.11%、7.37%～15.68%、13.37%～31.21%和 13.35%～14.73%,與朱利群等[13]的研究結果相似。總體上,2021年宿州市高標準農田項目建設區,土壤肥力提升,初步實現了高標準農田項目建設中厚沃土壤耕作層的目標。