秸稈還田配施穩定性氮肥對麥玉輪作水氮利用的影響

趙政鑫 王曉云 李府陽 王 銳 田雅潔 蔡煥杰

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院, 陜西楊凌 712100;2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院, 陜西楊凌 712100)

0 引言

由于過量施用化肥、肥料利用率低等原因造成環境惡化的問題已成為農業可持續發展的重大隱患[1]。我國秸稈年產量約為7億多噸[2],隨著農業的發展,秸稈產量出現過剩的情況,不合理的秸稈處理造成資源浪費的同時還會污染環境[3],推動秸稈資源化綜合利用可對農業生產起到提質增效的作用。適量施氮會促進作物生長且提高氮肥利用效率,施氮量超過作物需求時不僅會降低產量,且使得作物更易染病蟲害,降低作物抵抗自然災害的能力,同時由于土壤氨揮發、土壤氮素殘留等氮素損失會降低氮肥利用效率和氮收獲指數[4-6]。因此,科學合理地利用秸稈并尋找合理的田間施肥措施,提高資源利用效率,實現農業生產高產高效是可持續性農業發展的重要途徑。

秸稈還田是保護性耕作的核心措施之一,不僅能提高土壤固碳能力還對土壤具有保墑調溫作用[7]。有研究表明,由于秸稈分解會產生作物生長所需的氮、磷、鉀等營養元素,秸稈還田會提高作物產量4.02%～10.57%,提高水分利用效率2.87%～12.25%[8],另外,由于秸稈含有豐富的纖維素,腐解后會改善土壤結構,提高養分循環利用率,增加土壤養分,豐富土壤微生物群落種類[9]。LI等[10]研究表明較常規尿素減量20%施用穩定性氮肥不會顯著影響玉米產量且可顯著提高氮肥利用率,XU等[11]研究表明秸稈還田配施氮肥會促進小麥對養分的吸收進而提高氮肥偏生產力。穩定性氮肥是一種新型緩控釋肥料,通過在尿素中添加脲酶抑制劑和硝化抑制劑減少氮素損失提高氮素利用率[12]。QIAO等[13]研究表明,肥料中添加硝化抑制劑可減少N2O排放和氮素淋溶,可顯著增加產量并提高經濟效益。彭玉凈等[14]研究表明,添加脲酶抑制劑會降低土壤氨揮發量53%。王宜倫等[15]研究表明,夏玉米一次基施緩控釋肥料可以滿足作物生長后期對氮素的需求,是實現簡化栽培的重要技術措施。

近年來對于秸稈還田配施氮肥的研究主要集中于秸稈還田配施尿素,關于秸稈還田配施穩定性氮肥對作物生長和水氮利用的研究較少,且秸稈還田對作物生長及水氮利用的影響與當地氣候條件、耕作制度、土壤質地等因素有關,對于秸稈還田配施穩定性氮肥在關中地區麥玉輪作制度下應用的研究較為缺乏。本文以關中地區冬小麥-夏玉米為研究對象,以不施肥無秸稈還田為對照,探究秸稈還田配施減量穩定性氮肥對麥玉輪作體系產量、地上部生物量、土壤氨揮發、土壤硝態氮殘留及水氮利用效率的影響,以明確秸稈還田與減量施用穩定性氮肥對冬小麥-夏玉米生長及水氮利用的綜合影響,為關中地區麥玉輪作種植體系提供合理的施肥措施,并為關中地區農業生產提質增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2020年6月—2021年6月在西北農林科技大學教育部旱區農業水土工程重點實驗室節水灌溉試驗站(34°17′ N,108°04′ E,海拔521 m)進行。該區屬典型的暖溫帶半濕潤季風氣候,年均無霜期210 d,日照時數2 164 h,年平均氣溫12.9℃,多年平均降水量550 mm。供試土壤類型為塿土,pH值7.8,0～20 cm耕層有機質含量(質量比)14.48 g/kg,容重1.40 g/cm3,有效磷含量13.67 mg/kg,有效鉀含量183.20 mg/kg。試驗期間氣象資料如圖1所示。

圖1 試驗期間試驗區日最高溫、最低溫與降水量分布Fig.1 Daily maximum and minimum temperature and precipitation distribution in test area during test period

1.2 田間試驗設計

試驗采用完全隨機組合設計,試驗因素為施氮和秸稈還田模式。施氮包括施用常規尿素F1(冬小麥施氮量為200 kg/hm2,夏玉米施氮量為270 kg/hm2)、減量施用穩定性氮肥F2(冬小麥施氮量為150 kg/hm2,夏玉米施氮量為180 kg/hm2),其中穩定性氮肥中硝化抑制劑效率為0.06,脲酶抑制劑效率為0.25;秸稈還田模式設置兩個水平,包括秸稈不還田(N)和秸稈全量還田(S),設置秸稈不還田且不施氮處理作為對照。其中,F1尿素施氮量參考當地農民常規施氮量,F2穩定性氮肥施氮量參考前人研究中推薦施氮量[16]。穩定性氮肥在種前一次性施入,尿素在種前以基肥形式施入總施氮量的60%,施肥方式為均勻撒播后進行人工翻耕,以追肥形式在小麥拔節期、玉米拔節期施入余下40%。如表1所示,試驗共5個處理,重復3次,共15小區,小區面積為12 m2。秸稈還田方式為秸稈粉碎覆蓋還田,夏玉米季還田秸稈為小麥秸稈,冬小麥季還田秸稈為玉米秸稈。夏玉米品種為鄭單958,種植密度為6×104株/hm2,播種時間為2020年6月19日,追肥時間為2020年7月26日,收獲時間為2020年9月30日;冬小麥品種為小偃22,播種密度為165 kg/hm2,越冬前以漫灌的方式灌水30 mm,保證冬小麥順利過冬,播種時間為2020年10月19日,追肥時間為2021年3月14日,收獲時間為2021年6月3日。全生育期病蟲防治與田間除草管理與當地農戶相同。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

1.3 測定項目與方法

1.3.1產量

夏玉米成熟期時,在各處理小區隨機選取10株玉米穗,自然風干后脫粒稱量,同時測定其含水率,并折算每公頃產量(含水率14%)。冬小麥成熟時,在各處理小區選取1 m2長勢均勻的小麥,自然風干后脫粒稱量,同時測定其含水率,并折算每公頃產量(含水率14%)。

1.3.2地上部生物量

玉米生長成熟期在各處理試驗小區內隨機選取3株玉米,貼地面采集玉米地上部分,將樣品莖、葉、果分部分裝袋,置于干燥箱內105℃殺青30 min,之后75℃干燥至質量恒定,稱取干質量,并折算每公頃生物量。在小麥生長成熟期在各處理試驗小區內選取0.06 m2長勢均勻的小麥,將樣品莖、葉、果分部分裝袋,置于干燥箱內105℃殺青30 min,之后75℃干燥至質量恒定,稱取干質量,并折算每公頃生物量。

1.3.3土壤NH3揮發量

土壤NH3揮發量采用通氣法進行測定[17],測定頻率為施肥后第1周每天取樣1次,之后視測量結果每3 d取樣1次,后期可延長到7 d取樣1次直至揮發量很低停止取樣。取樣結束后將收集的海綿立即裝入裝有300 mL濃度為1 mol/L氯化鉀溶液的塑料瓶內進行振蕩提取,用AA3型流動分析儀(Seal,德國)測定浸提液中的銨態氮含量。

氨揮發累積量計算公式為

(1)

式中CAE——氨揮發累積量,kg/hm2

Mi——單個裝置第i次收集的氨量,mg

A——收集裝置的橫截面積,取0.017 7 m2

n——收集次數

其中0.01為轉換系數,0.99為捕獲裝置的回收率。

1.3.4土壤含水率

在夏玉米和冬小麥各生育期測定土壤含水率,若出現降雨,適當提前或延后。使用土鉆取0～100 cm土層土樣,每10 cm裝入一個鋁盒稱量濕質量,放入干燥箱105℃干燥至質量恒定稱量干質量,每個小區取3個重復,計算土壤含水率。

1.3.5土壤硝態氮含量

1.3.6植株全氮含量

將干燥后的植物樣品粉碎,過0.5 mm篩,用濃H2SO4-H2O2消煮,用AA3型流動分析儀測定植株各部分氮素含量。

1.4 數據計算與分析

1.4.1水分利用效率計算

采用水量平衡公式[18]計算冬小麥、夏玉米全生育期蒸發蒸騰量(ET),計算公式為

ET=ΔW+P0+I+K-D

(2)

式中ET——作物蒸發蒸騰量,mm

ΔW——土壤含水量變化量,mm

P0——有效降水量,mm

I——灌水量,mm

K——地下水補給量,mm

D——深層滲漏量,mm

本研究中地下水較深,故K=0;1 m以下土層水分含量基本保持穩定,故D可視為0;在夏玉米生長季未灌水,故I=0;在冬小麥生長季灌水30 mm,故I=30 mm。因此式(2)可簡化為

ET=ΔW+P0+I

(3)

水分利用效率(Water use efficiency, WUE)計算式為

WUE=Y/ET

(4)

式中Y——產量,kg/hm2

1.4.2氮素利用效率相關指標計算

氮肥偏生產力(NPFP,kg/kg)、氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)、氮肥農學利用率(AEN,kg/kg)、氮肥回收效率(NER,kg/kg)、氮收獲指數(NHI, %)計算公式參考文獻[19-20]。

1.4.3數據分析

采用Excel 2010 進行數據整理和誤差計算;使用SPSS 22.0進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較,多重比較采用最小顯著性差異法(LSD);使用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田與施氮對麥玉輪作產量和成熟期地上部生物量的影響

圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同)為不同處理夏玉米和冬小麥產量。在相同施肥措施下,產量均表現為有秸稈還田處理高于無秸稈還田處理,夏玉米產量增幅為5.80%～9.06%,冬小麥產量增幅為2.24%～14.37%。在夏玉米季,SF1處理產量最高,為9 579.75 kg/hm2,較其它有施肥的處理高1.54%～9.06%,但其與SF2和NF2處理產量無顯著性差異(P>0.05);在冬小麥季,SF2處理產量最高,為6 704.93 kg/hm2,較其它有施肥的處理高2.30%～14.37%,但其與SF1和NF1處理產量無顯著性差異(P>0.05)。圖3為不同處理夏玉米和冬小麥的地上部生物量累積量。在相同施肥措施下,地上部生物量均表現為有秸稈還田處理高于無秸稈還田處理,夏玉米地上部生物量增幅為4.21%～4.62%,冬小麥地上部生物量增幅為2.76%～16.02%。如圖3a所示,在夏玉米季,SF2處理地上部生物量最高,為15 503.00 kg/hm2,較其它有施肥的處理高0.15%～4.79%,莖和葉的生物量均表現為有施肥措施的各處理顯著高于NF0處理(P<0.05);如圖3b所示,在冬小麥季,SF2處理的地上部生物量最高,為14 652.80 kg/hm2,較其它有施肥的處理高5.77%～16.02%,葉生物量表現為有施肥措施的各處理顯著高于NF0處理(P<0.05),且有施肥措施的各處理之間無顯著性差異。以上結果表明,秸稈還田會提高作物產量和地上部生物量,在適當條件下,減量施用穩定性氮肥不會降低作物產量和地上部生物量。

圖2 不同處理夏玉米和冬小麥產量Fig.2 Yields of maize and winter wheat with different treatments

圖3 不同處理夏玉米和冬小麥地上部生物量Fig.3 Aboveground biomass of different treatments of summer maize and winter wheat

2.2 秸稈還田與施氮對麥玉輪作土壤氨揮發的影響

圖4為夏玉米與冬小麥全生育期土壤氨揮發累積量。由圖4a可知,夏玉米施入基肥后各處理的土壤氨揮發累積量動態變化呈現相同趨勢,即第1周上升較快,之后逐漸趨于穩定,且施用尿素的各處理在拔節期追肥后的土壤氨揮發累積量也呈現相同的變化趨勢。由于施用尿素的處理有追肥措施,因此在追肥后SF1和NF1處理的土壤氨揮發累積量快速上升。在夏玉米季,施用相同氮肥種類的各處理中均表現出有秸稈還田處理的土壤氨揮發累積量高于無秸稈還田的各處理。在相同的秸稈還田模式下,全生育期施用穩定性氮肥的SF2和NF2處理的土壤氨揮發累積量較施用尿素的SF1和NF1處理低50.18%和59.32%。冬小麥全生育期土壤氨揮發累積量動態變化趨勢與夏玉米基本一致,秸稈還田條件下的SF1和SF2處理土壤氨揮發累積量分別高于秸稈不還田條件下的NF1和NF2處理9.19%和24.1%,全生育期施用穩定性氮肥的SF2和NF2處理的土壤氨揮發累積量較施用尿素的SF1和NF1處理低68.21%和73.43%。

圖4 夏玉米與冬小麥全生育期土壤氨揮發累積量Fig.4 Cumulative ammonia emission from soil during whole growth period of summer maize and winter wheat

2.3 秸稈還田與施氮對土壤含水率的影響

圖5(圖中*表示差異顯著(P<0.05),下同)為夏玉米各處理不同生育期0～100 cm土壤含水率。秸稈還田會顯著提高夏玉米苗期0～20 cm土壤含水率及拔節期、吐絲期、灌漿期、成熟期0～10 cm土壤含水率,對于其它土層土壤含水率無顯著影響。在苗期,相同施肥措施下,秸稈還田會顯著提高0～10 cm和10～20 cm土壤含水率21.38%～21.76%和5.71%～7.58%;在拔節期,秸稈還田會顯著提高0～10 cm土壤含水率13.42%～14.03%,在吐絲期、灌漿期和成熟期相應提高10.24%～15.63%、20.99%～21.74%和6.29%～6.96%。如圖6所示,秸稈還田會顯著提高冬小麥苗期0～30 cm土壤含水率、越冬期和拔節期0～20 cm土壤含水率及成熟期0～10 cm土壤含水率,對于其它土層土壤含水率無顯著性影響。在苗期,與無秸稈還田相比,秸稈還田條件下,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土壤含水率分別提高14.61%～15.35%、10.31%～12.91%和8.50%～9.69%;在越冬期,秸稈還田條件下,0～10 cm和10～20 cm土壤含水率較無秸稈還田分別提高17.11%～25.06%和5.95%～9.36%,在拔節期,相應提高12.13%～13.61%和7.23%～8.00%;在成熟期,秸稈還田顯著提高0～10 cm土壤含水率6.80%～9.60%。秸稈還田顯著提高冬小麥和夏玉米淺層土壤含水率,由于秸稈逐漸分解,秸稈還田對土壤含水率的提升程度在夏玉米和冬小麥季均呈現隨生育期進程逐漸減弱的趨勢。

圖5 夏玉米各處理不同生育期0～100 cm土壤含水率Fig.5 0～100 cm soil water content of different summer maize treatments at different growth stages

圖6 冬小麥各處理不同生育期0～100 cm土壤含水率Fig.6 0～100 cm soil water content of different winter wheat treatments at different growth stages

2.4 秸稈還田與施氮對收獲期土壤殘留的影響

圖7 夏玉米與冬小麥收獲期0～100 cm土壤硝態氮殘留量Fig.7 Residual amount of in soil from 0～100 cm at harvest time of summer maize and winter wheat

2.5 秸稈還田與施氮對麥玉輪作水氮利用效率的影響

秸稈還田與施氮對麥玉輪作水氮利用效率的影響如表2所示。秸稈還田與施氮及二者互作對麥玉輪作體系水氮利用效率有顯著性影響。在相同施肥條件下,有秸稈還田處理的水分利用效率較無秸稈還田的處理在夏玉米季和冬小麥季分別高 4.55%～7.85%和7.36%～9.73%。較NF0處理,施氮會提高夏玉米季水分利用效率20.89%～31.01%、提高冬小麥季水分利用效率62.59%～78.42%。夏玉米季和冬小麥季水分利用效率的方差分析結果類似,即秸稈還田和施氮均會顯著提高水分利用效率,但在兩季中,秸稈還田配施常規尿素(SF1處理)與秸稈還田配施減量穩定性氮肥(SF2處理)的水分利用效率均無顯著性差異。

表2 秸稈還田與施氮對麥玉輪作水氮利用的影響Tab.2 Effects of straw returning and nitrogen application on water and nitrogen utilization in wheat and maize rotation

方差分析表明,秸稈還田、施氮及二者交互對夏玉米和冬小麥季的氮肥偏生產力(NPFP)和氮肥農學利用率(AEN)均有顯著性影響。在相同施肥條件下,有秸稈還田處理的NPFP和AEN較無秸稈還田的處理在夏玉米和冬小麥季分別提高5.79%～12.08%、25.22%～41.43%和2.25%～14.38%、4.33%～30.35%;在相同秸稈還田條件下,減量施用穩定性氮肥處理的NPFP和AEN較施用常規尿素的處理在兩季分別提高43.75%～52.29%、42.01%～60.39%和21.93%～36.41%、11.37%～39.14%。減量施用穩定性氮肥在夏玉米和冬小麥季均表現會顯著提升氮素吸收效率(NUPE)和氮肥回收效率(NER)。在夏玉米季,減量施用穩定性氮肥較施用常規尿素會提高NUPE 62.07%～66.67%,提高NER 52.50%～72.73%;在冬小麥季,減量施用穩定性氮肥較施用常規尿素會提高NUPE 50.67%～53.85%,提高NER 60.00%～64.15%。各處理的氮收獲指數在兩季中均無顯著性差異。以上結果表明,秸稈還田會顯著提高氮肥偏生產力和氮肥農學利用率,施用穩定性氮肥通過提高氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥農學利用率和氮肥回收效率實現氮肥高效利用。

3 討論

3.1 秸稈還田與施氮對作物產量及地上部生物量的影響

秸稈還田與施氮對作物產量及成熟期地上部生物量具有顯著影響。有研究表明,在一定范圍內,作物產量與施氮量呈正相關關系,但施氮量超過作物生長所需的量時,施氮會抑制作物生長[21]。秸稈還田可以改善土壤耕層結構,提高土壤肥力及酶活性[22],進而提高作物產量及干物質量。呂宏菲等[23]研究表明,秸稈還田配施氮肥可顯著提高玉米產量及地上部生物量,胡迎春等[24]研究表明,施用緩釋氮肥可以提高作物干物質累積。本研究結果表明,與不施肥且無秸稈還田處理相比,秸稈還田配施氮肥可顯著提高夏玉米和冬小麥產量28.03%～39.63%和90.10%～112.52%,提高夏玉米和冬小麥成熟期地上部生物量27.88%～34.00%和78.96%～107.64%。秸稈還田配施減量穩定性氮肥(SF2處理)與秸稈還田配施常規尿素(SF1處理)的夏玉米及冬小麥產量和地上部生物量均無顯著性差異,這與趙歡等[25]研究結果一致,說明秸稈還田配施減量穩定性氮肥不會降低作物產量和生物量。

3.2 秸稈還田與施氮對土壤氨揮發及土壤硝態氮殘留的影響

3.3 秸稈還田與施氮對水氮利用效率的影響

秸稈還田對田間土壤起到保墑的作用,會促進作物根系生長,以覆蓋和翻耕的方式還田可分別提高水分利用效率12.25%和11.78%[36]。秸稈腐解后,秸稈中的纖維素等物質會轉換成腐殖質,改善土壤結構,增加土壤養分,豐富土壤中微生物群落種類,促進作物生長,提高養分循環利用率[37]。有研究表明,由于秸稈分解釋放氮素,提高了土壤供氮能力,進而秸稈還田會顯著提高植株氮素積累和氮肥偏生產力[38]。在一定的施氮量范圍內,作物產量與施氮量呈線性增長的趨勢,因此提高水分利用效率。氮肥經緩釋化處理后會顯著提高作物氮素利用效率,有研究表明,施用緩控釋氮肥較施用尿素會提高玉米氮肥利用效率2.26%～12.69%[39],施用等量的緩釋氮肥較施用尿素顯著提高玉米氮素積累量[40],這是由于處理后的氮肥釋放過程可適應作物對養分的需求,減少氨揮發、氮素淋溶等損失,進而提高氮肥利用效率。本研究結果同樣體現出秸稈還田會顯著提高氮肥偏生產力和氮肥農學利用率,施用穩定性氮肥通過提高氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥農學利用率和氮肥回收效率促進氮肥利用,且秸稈還田與施用穩定性氮肥的交互作用會顯著提高氮肥偏生產力和氮肥農學利用率。

4 結論

(1)秸稈還田會顯著提高麥玉輪作體系淺層土壤含水率、水分利用效率、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率。

(3)綜合考慮認為,秸稈還田配施180 kg/hm2穩定性氮肥和秸稈還田配施150 kg/hm2穩定性氮肥是關中地區夏玉米和冬小麥實現高產高效的合理施肥措施,適合在干旱及半干旱地區冬小麥-夏玉米輪作模式下推廣使用。