不同水肥管理配施腐解劑對小麥秸稈腐解及養分釋放的影響

劉 蕊,霍俊豪,寧 露,鄒曉霞

(青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室,山東青島 266109)

中國是世界第一秸稈大國,秸稈總量占全球的17.3%[1],現年產量已突破9億t[2]。農作物秸稈作為一類生物資源,含有豐富的氮磷鉀元素。秸稈還田能通過釋放養分等提高土壤肥力[3]。但目前秸稈還田仍存在一些問題,如秸稈未能及時有效腐解、易造成土壤病害增加、作物產量下降等[4]。因此,采取有效措施縮短秸稈腐解時間,提高腐解效率,對促進秸稈資源循環利用、提高農業生產效益具有積極意義。

關于不同田間管理措施下還田秸稈腐解率的研究已有些報道。在北方旱作小麥生產過程中,旋耕還田可加快秸稈腐解和養分的釋放[5];添加劑可直接影響還田秸稈的腐解程度,秸稈還田深度則通過影響土壤含水量改變秸稈腐解率[6]。隨著對秸稈腐解率研究的不斷深入,人們對秸稈腐解過程的養分釋放規律也有了新的認識。如,秸稈還田會增加耕層土壤有機碳和全氮含量[7],秸稈養分釋放率表現為鉀>磷>碳>氮;通過尼龍網袋法研究發現,不同水氮條件下冬小麥和夏玉米秸稈的腐解均呈現前期快、后期慢的特點,玉米秸稈腐解比小麥秸稈快,添加適量氮素更有利于秸稈的腐解[8]。

綜上所述,秸稈還田方式、土壤耕作方式、外源添加劑等均會對作物秸稈腐解和養分釋放產生影響,但這些研究多針對單一管理措施展開,鮮有關于水、肥、秸稈綜合管理措施的報道。本試驗設置不同的水肥管理配施秸稈腐解劑,研究各處理下小麥秸稈腐解率和養分(氮、磷、鉀)釋放規律,深入分析水、肥秸稈綜合管理對小麥秸稈腐解的影響,探究適宜的水肥及秸稈管理措施,以期為提高秸稈利用效率、促進農業綠色生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020年在山東省萊陽市團旺鎮(120°58′E,36°75′N)試驗基地進行。該區域屬溫帶季風氣候氣候,年平均降水量為800 mm,年平均氣溫 11.2 ℃,年平均相對濕度73%,年平均日照時數為 2 996 h,平均無霜期173 d。供試土壤為棕壤土,試驗前0～20 cm土層土壤有機含量9.24 g·kg-1,速效氮含量104.76 mg·kg-1,速效磷含量37.13 mg·kg-1,速效鉀含量227.94 mg·kg-1,pH值5.80。

供試玉米品種為鄭單958;供試復合肥為金正大牌復合肥(N-P2O5-K2O:15-15- 15),尿素為金正大牌尿素(N:46%);供試增效復混肥(N-P2O5-K2O:22-8-10)由山東糧源生物科技有限公司生產,供試穩定尿素(N:45%)由河北冀衡賽瑞化工有限公司生產;供試液體尿素(N:30%),主成分為改性尿素硝酸銨溶液[9]。供試腐解劑由廣州市微元生物科技有限公司生產,有效活菌數≥200×108cfu·g-1,主要成分為粗纖維降解菌,施用量為12.75 kg·hm-2。

1.2 試驗設計

試驗以農民常規水肥管理(漫灌+常規復合肥)+秸稈還田為對照(CK),按水肥管理方式及有無腐解劑添加設5個處理,分別為常規水肥管理+秸稈還田+腐解劑(CKD)、滴灌+緩控釋肥(增效復混肥+穩定尿素)+秸稈還田(SS)、滴灌+緩控釋肥+秸稈還田+腐解劑(SSD)、水肥一體(增效復混肥+液體尿素)+秸稈還田(SF)、水肥一體+秸稈還田+腐解劑(SFD)。各處理施肥種類及施肥量見表1。

表1 各處理施肥種類、施肥量與秸稈處理方式

采用埋袋法研究小麥秸稈腐解情況。前茬小麥(品種為煙農24)收獲后采集秸稈樣品,一部分帶回實驗室測定秸稈初始養分含量,一部分剪成5～10 cm長的小段,稱取20 g(烘干重)后裝入尼龍網袋中,填埋進10 cm深土層中,灌溉泥漿水,使填埋秸稈與土壤充分接觸,每處理4次重復,每個小區隨機埋入24袋秸稈(6次取樣量)。田間小麥收獲后秸稈粉碎,全量覆蓋還田。玉米采用寬窄行種植,小行距45 cm,大行距80 cm,株距 25 cm采用滴灌方式,進行節水灌溉及水肥一體管理,1管2行,滴管鋪設在小行距間。于玉米大喇叭口期追肥、灌溉,各處理灌水量為每公頃300 m3,玉米在6月28日整地,7月2日播種,10月23日 收獲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 秸稈樣品采集與測定

于玉米苗期(S1)、拔節期(S2)、大喇叭口期(S3)、吐絲期(S4)、灌漿期(S5)和成熟期(S6)分別進行小麥秸稈取樣,每個小區每次隨機取樣4袋,帶回實驗室進行小麥秸稈殘留率和養分釋放的測定。秸稈經磨樣后過0.1 mm篩,經H2SO4-H2O2法消煮后,用等離子體發射光譜(美國,OPTMA8000DV)測定全磷、全鉀含量,用AA3流動分析儀測定全氮含量。

計算秸稈質量殘留率(Rsr)、養分釋放率(R)秸稈養分帶入量(N):

Rsr=Mt/M0×100%;

R=(M0×C0-Mt×Ct)/(M0×C0)×100%;

N=M×mi×Ri。

式中,M0為秸稈原始干重(g),Mt為腐解td后的秸稈干重(g),t為腐解時間(d),C0為秸稈原始養分含量,Ct為腐解時間為t時秸稈養分的含量,M為秸稈還田量(kg·hm-2),mi為秸稈養分含量(mg·g-1),Ri為養分釋放率(%),i代表氮、磷和鉀養分。

1.3.2 土壤樣品采集與測定

玉米收獲后,每小區隨機選取5個樣點,采集0～20 cm土層土壤樣品,帶回實驗室,去除石塊、根系等雜質,在室內自然風干,過1 mm和0.25 mm篩,用于測定土壤速效養分含量,其中堿解氮含量用擴散吸收法測定;速效磷含量采用碳酸氫鈉提取-銻抗比色法測定;速效鉀含量用 1 mol·L-1乙酸銨浸提,火焰光度法測定[10]。

1.3.3 玉米產量測定

每小區避開邊行,隨機選取2行5 m長的樣方收取所有果穗,稱重(kg),并從中選取具有代表性的15個果穗裝入尼龍網袋,帶回實驗室風干、考種,測定穗重、穗粒數、穗粒重,計算出籽率;利用PM-8188-A谷物水分測量儀(測定范圍在6%～40%,誤差≤±0.5%)測定籽粒含水率。玉米產量=取樣產量×出籽率×(1-含水率)× 10 000/取樣面積。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel 2013進行數據整理,Origin進行圖表制作,采用DPS 17.05數據處理系統LSD法對不同處理間秸稈殘留率、養分釋放率和帶入量、土壤速效養分以及玉米產量差異在0.05水平上進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同管理措施下小麥秸稈腐解特征

由圖1可知,在整個采樣時期,各處理的小麥秸稈殘留率均表現為前期變化快、后期變化慢的特點。不同處理間秸稈質量殘留率自玉米拔節期開始呈現明顯差異,整個玉米生育期總體以SSD處理的小麥秸稈殘留率最低。未添加腐解劑的CK、SS、SF處理秸稈質量殘留率總體高于相同水肥管理下對應的添加腐解劑處理(CKD、SSD、SFD)。在成熟期,CK、CKD、SS、SSD、SF和SFD處理下秸稈質量殘留率分別為54.9%、52.8%、57.3%、52.8%、61.1%和56.7%。其中,SS處理與SSD處理、SF處理與SFD處理間差異均達顯著水平。這表明小麥秸稈腐解呈先快后慢的特點,水肥優化條件下施用秸稈腐解劑能顯著促進小麥秸稈腐解。

S1:苗期;S2:拔節期;S3:大喇叭口期;S4:吐絲期;S5:灌漿期;S6:成熟期。不同小寫字母表示同一秸稈處理下不同水肥管理間差異顯著(P<0.05);不同大寫字母表示同一水肥處理下不同秸稈管理間差異顯著(P<0.05)。圖2、圖3、圖4同。

2.2 不同管理措施下小麥秸稈養分釋放特征

2.2.1 不同管理措施下小麥秸稈養分釋放率

整個玉米生育期小麥秸稈氮、磷、鉀養分釋放均呈先快后慢的特點。到成熟期,氮素、磷素、鉀素釋放率皆以CKD處理最高,分別為84.8%、82.7%和91.5%,除氮素釋放率與SFD處理無明顯差異外,CKD處理小麥養分釋放率均與其他處理差異顯著(圖2、圖3和圖4)。此外,添加腐解劑的CKD、SSD、SFD處理的養分釋放率總體上高于相同水肥管理下未添加腐解劑處理(CK、SS、SF)。除大喇叭口期和吐絲期外,CKD處理的氮素、磷素和鉀素釋放率在其余時期均顯著高于CK,成熟期增幅分別為5.6、2.8和5.0個百分點;除拔節期外,SSD處理的氮素釋放率整個生育期較SS處理增加了5.5～14.6個百分點,差異顯著;鉀素釋放率則在整個生育期均顯著高于SS處理,增幅為4.5～11.9個百分點;磷素釋放率在拔節期到成熟期顯著高于SS處理,增幅為5.0～12.6個百分點;整個生育期中,SFD處理氮素和磷素釋放率均高于SF處理,增幅分別為 7.4～20.2和6.0～15.7個百分點,差異均顯著,表明添加腐解劑可有效促進小麥秸稈養分釋放。

圖3 不同處理下小麥秸稈磷素釋放率

圖4 不同處理下小麥秸稈鉀素釋放率

整體上看,相同秸稈還田條件下,常規水肥管理的小麥秸稈養分釋放率略高于緩控釋肥和水肥一體管理。無腐解劑添加時,SF處理的氮素和磷素釋放率在整個生育期均顯著低于CK,至成熟期分別降低了8.1和5.5個百分點;除苗期外,SS處理的氮素、磷素、鉀素釋放率也低于CK,在成熟期分別降低了6.0、5.3、4.7個百分點,差異顯著;添加腐解劑時,CKD的鉀素釋放率在整個生育期均顯著高于SFD處理,增幅為5.3～19.1個百分點,除吐絲期外其余各時期則顯著高于SSD處理;在大喇叭口期至成熟期,CKD處理的磷素釋放率也顯著高于SSD和SFD處理,表明常規水肥管理較緩控釋肥和水肥一體更利于促進小麥秸稈養分釋放。

2.2.2 不同管理措施下小麥秸稈養分帶入量

不同處理間CKD處理的秸稈氮素和鉀素(K2O)帶入量最高,分別為66.9和81.9 kg·hm-2, SFD處理的磷素(P2O5)帶入量最高,為24.1 kg·hm-2,均與其他處理差異顯著。相同水肥管理下,添加腐解劑的CKD、SSD、SFD處理養分帶入量均顯著高于對應的未添加腐解劑處理(CK、SS和SF),CKD處理氮素、磷素、鉀素帶入量較CK分別增加了19.0%、 14.6%、 18.2%;SSD處理較SS處理分別增加了8.6%、 25.4%、31.2%;SFD處理較SF處理分別增加了62.1%、55.8%、9.6%,表明添加腐解劑可有效促進小麥秸稈腐解,提高養分投入。相同秸稈還田條件下,CK的氮素、磷素、鉀素帶入量均顯著高于SS和SF處理,增幅分別為12.1%、12.2%、25.2%和44.9%、17.6%、7.7%;CKD處理的氮素、鉀素帶入量均高于SSD和SFD處理,增幅分別為22.8%、9.3%和6.4%、12.6%;SFD處理磷素帶入量則較CKD和SSD處理增加了12.0%和18.4%,差異均達顯著水平,表明常規水肥管理和水肥一體管理配施腐解劑皆有利于提高小麥秸稈腐解養分投入。

不同小寫字母表示不同水肥和秸稈還田管理間差異顯著(P<0.05)。圖6和圖7同。

圖6 不同處理下小麥秸稈磷素帶入量

圖7 不同處理下小麥秸稈鉀素帶入量

2.3 不同管理對土壤速效養分的影響

在玉米收獲期,CK的土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量最高,分別為62.7、60.9 和154.9 mg·kg-1,其中除速效氮含量與SSD處理差異不顯著外,土壤速效磷和速效鉀含量均顯著高于其他處理(表3)。在相同水肥優化管理下,添加腐解劑處理的土壤速效鉀含量與未添加腐解劑處理差異均不顯著,但其速效氮和速效磷含量均顯著高于未添加腐解劑處理,其中SSD處理較SS處理分別提高了27.9%和42.9%,SFD處理較SF處理分別提高了19.5%和25.8%,表明水肥優化配施秸稈腐解劑可有效提高土壤速效氮、磷含量。未添加腐解劑的處理中,CK的土壤速效養分含量均顯著高于SS和SF處理;添加腐解劑的處理中,SSD處理的速效氮含量較CKD和SFD處理顯著提升了10.6%和13.7%;SFD處理的速效鉀含量較CKD和SSD處理均顯著提升了23.8%。

表2 不同處理下土壤速效養分

表3 不同處理下玉米產量及其相關性狀

2.4 不同管理對玉米產量及其相關性狀的影響

CKD的玉米產量最高,為10 387.9 kg·hm-2,其次為SFD和SF處理,三者較CK分別提升了41.5%、31.0%和30.5%,差異均達顯著水平;SS和SSD處理的玉米產量與CK差異不顯著(表4)。相同水肥管理下,添加腐解劑的CKD處理在穗重、穗粒重和穗粒數上均高于未添加腐解劑的CK,較之分別提升了23.2%、 23.1%、12.3%,SFD處理與SF處理、SSD處理與SS處理在穗重、穗粒重和穗粒數上差異均不顯著。未添加腐解劑的處理在穗重、穗粒數、穗粒重上差異均不顯著;添加腐解劑時,CKD處理的穗重和玉米產量較SSD處理提升了11.5%和 8.0%,較SFD處理提升了28.2%和40.3%,差異均達顯著水平,表明常規水肥和水肥一體管理配施秸稈腐解劑均有利于提高玉米產量。

3 討 論

秸稈還田作為當今世界上普遍重視的一項培肥地力的增產措施,在降低秸稈焚燒造成大氣污染的同時還有增肥增產作用[5-6]。通過還田秸稈的腐解可以提高土壤養分含量、改善土壤的物理性質,對發展綠色農業有積極意義[11-13]。水分和肥料是影響作物產量的兩大決定性因素,對秸稈腐解也有較大影響,不同的施肥管理措施會對秸稈腐解產生不同的影響。研究表明,在水分有限條件下,秸稈腐解與土壤水分含量成正比,在充分灌水或水分較高時,土壤通透性及溫度降低,秸稈的腐解率下降[14];氮肥與秸稈腐解劑配施有助于提高土壤微生物群落多樣性,促進秸稈腐解和養分釋放[15]。本研究中,在不同水肥管理措施下,秸稈腐解率存在明顯差異,相比CK,水肥優化配施腐解劑更利于小麥秸稈的腐解,這可能是由于適當的水肥管理增強了土壤微生物多樣性,促進了秸稈的腐解[16]。另外,小麥秸稈在土壤中的腐解表現出先快后慢的特點,與馬琳等[8]的研究結果一致,可能是由于腐解前期秸稈中存有大量易降解的物質和碳源,而腐解后期微生物活性降低,使腐解速率減緩[17-18]。秸稈腐解劑的添加均促進了小麥秸稈的腐解,這與秸稈腐解劑富含大量有益復合菌,增加土壤微生物群落多樣性和生物活性有關[19],因此生產上可適度增施秸稈腐解劑以有效促進秸稈腐解和養分的釋放。

不同水肥管理方式對小麥秸稈養分釋放的影響存在明顯差異。本研究表明,秸稈腐解劑在顯著促進小麥秸稈腐解的同時,也提高了秸稈養分釋放和帶入量。各處理均以全鉀的釋放率和帶入量最高,其次是磷,最后是氮。這可能是由于鉀素在小麥秸稈中以水溶態存在,且易溶于水[20],因此鉀素釋放量更大。而水肥一體管理相較于其他處理更有利于全磷釋放和帶入,這是因為磷素在秸稈中有60%以上以離子形態存在[21],此種形態的磷素搭配液體肥更容易釋放。有研究表明,小麥秸稈的氮素釋放率在作物生長后期會呈負增長趨勢[22],但在本試驗中,氮素釋放率僅表現為減緩,并未出現負增長,不同研究結果出現差異的原因還有待于進一步探究。

本研究還發現,不同水肥管理下土壤速效養分和作物產量存在明顯差異。水肥優化管理下,配施腐解劑的SSD和SFD處理土壤速效氮和速效磷含量均高于秸稈直接還田處理,表明腐解劑的施用能增加土壤速效氮、磷含量。薩如拉等[23]也認為,秸稈旋耕還田配施腐熟劑能有效提高土壤速效氮含量。盆缽試驗也表明,小麥秸稈還田配施腐熟劑,可不同程度增加土壤速效磷及速效鉀含量[24]。此外,添加腐解劑的CKD處理的玉米穗重、粒重、產量均顯著高于無腐解劑的CK處理。邱燕等[25]的研究結果也顯示,常規施肥管理下,秸稈全量還田配施腐熟劑能提高小麥-玉米輪作體系的作物產量。但本研究中相同水肥優化管理下有無腐解劑處理間玉米產量差異不顯著。霍俊豪等[26]通過試驗發現,水肥一體管理下配施腐解劑對玉米產量影響均不顯著,但緩控釋肥管理下配施腐解劑能顯著提高玉米產量。可見,常規管理配施腐解劑有助于作物產量的提升,但不同水肥優化管理措施配施腐解劑對作物產量的影響并不一致,生產上在應用水肥優化措施時需根據實際情況確定是否配施腐解劑。

4 結 論

不同管理措施下,小麥秸稈腐解和養分釋放均呈現先快后慢的特點;相比秸稈直接還田,配施秸稈腐解劑能有效促進小麥秸稈腐解和養分釋放,在相同水肥優化管理下,添加腐解劑更利于提高土壤速效氮磷含量。此外,與CK相比,添加腐解劑和水肥一體管理均能增加玉米產量。其中,以緩控釋肥配施秸稈腐解劑處理的小麥秸稈腐解率最高,常規水肥管理配施秸稈腐解劑的小麥秸稈氮鉀養分釋放和玉米產量最高,水肥一體配施秸稈腐解劑的秸稈磷素帶入量最高。