有機肥氮替代化肥氮對鹽堿地玉米氮素利用率及土壤理化指標的影響

李 磊,司海麗,朱志明,紀立東

(1.寧夏農林科學院 農業資源與環境研究所,銀川 750002;2.寧夏農技推廣總站,銀川 750001)

隨著中國農業結構的轉型,草畜業逐漸成為農業發展的重點產業之一。寧夏地處西北內陸,近年來,依托北部引黃灌區糧草輪作、中部旱作人工草地和南部優質牧草資源優勢,著力打造全區奶牛、肉牛養殖產業。據2018年統計年鑒,該區年產生畜禽糞污2 363萬t,有機肥原料充足。在寧夏銀北鹽堿地區,主要作物產量低下,種植戶傾向于不施有機肥而投入過量的氮肥來增加產能,這就導致氮肥利用率逐年降低,同時造成有機肥資源浪費和土壤結構惡化。因此,通過優化化肥使用量和調整施肥結構,改變農民長期過量施用化學氮肥的傳統觀念顯得十分必要。

有機肥還田是保障糧食安全的重要措施之一,其與無機肥配合施用對土壤與作物的影響效果受替代比例不同而存在差異[1-2]。溫延臣等[3]研究表明,有機肥配施化肥在一定程度上能有效協調養分平衡供應關系,滿足作物生長發育需要;蔡澤江等[4]研究表明,有機肥與化肥配施能明顯促進玉米產量穩定增長;謝軍等[5]研究表明,有機肥替代50%化肥處理下,玉米生物產量與經濟產量顯著增加,同時,該處理促進了氮素的穩定吸收與轉運,氮素利用率也明顯提升;祝英等[6]研究認為,有機肥替代30%化肥顯著提高土壤養分含量;楊明等[7]通過結合田間與盆栽試驗表明,有機肥替代化肥處理下土壤pH顯著降低,土壤鹽基離子組分發生顯著變化,有機質、全氮含量顯著 增加。

綜上可知,有機肥替代化肥技術已經成為化肥零增長行之有效的措施,且在不同肥力水平的土壤上替代比例存在明顯差別。本文主要在寧夏銀北灌區土壤較為貧瘠的鹽堿區開展不同有機肥替代化肥比例試驗,分析不同有機肥氮替代化肥氮比例下對玉米生產力及氮素利用率的影響,探討土壤養分及團聚體變化,揭示最佳替代比例,以期為銀北鹽堿地區玉米種植建立合理的施肥模式和提高養分利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

表1 土壤基本物理性質Table 1 Basic physical properties of soil

表2 0～30 cm土層土壤基本化學性質Table 2 Basic chemical properties at 0-30 cm soil layer

1.2 試驗設計

試驗基于常規施肥(N:450 kg·hm-2,P2O5:150 kg·hm-2,K2O:75 kg·hm-2;脫硫石膏4 500 kg·hm-2),有機肥選用奶牛糞有機肥,其干基條件下,全氮1.95%、全磷1.12%、全鉀1.01%、有機碳32.25%、電導率3.35 mS·cm-1、pH 7.42。該試驗采用隨機區組設計,按照等氮量原則(由于奶牛糞有機肥磷鉀素礦化分解效率極低,本試驗不考慮有機肥磷鉀因素影響),設置不同有機肥氮和化肥氮供應比例,共設計6個處理,見表3。

表3 試驗設計Table 3 Test design

有機肥來源于腐熟奶牛糞有機肥,氮肥為尿素(N:46%),磷肥為磷酸一銨(N:12%;P2O5:61%),鉀肥為硫酸鉀(K2O:50%)。所有奶牛糞有機肥、脫硫石膏、化肥磷、鉀肥全部一次性基肥,含有化肥的處理, 60%化肥氮基施, 40%化肥氮在玉米拔節期、灌漿期隨黃河水灌溉分2次追施。

1.3 測定項目及方法

1.3.2 土壤團聚體測定 2021年9月采集玉米田間0～30 cm土壤團聚體,用鐵鍬挖開土層剖面,用鐵鏟沿剖面垂直切入,剝去接觸面變形的土壤,均勻取內部土壤1 kg放入鐵盒帶回實驗室。采用干篩法測定土壤機械穩定性團聚體含量;濕篩法測定土壤水穩性團聚體含量。

1.3.3 玉米生長指標測定 每個處理選10株用標簽標記,分別在出苗后30 d、60 d、90 d測定玉米生理株高、莖粗、葉綠素歸一化指數(SPAD),其中,株高用卷尺測定;莖粗用游標卡尺測定;葉片葉綠素測定選用倒3葉中部,采用SPAD-502測定。

1.3.4 玉米產量測定 于玉米收獲期按小區實收測定玉米生物產量與籽粒產量,其中籽粒產量折14%入庫水分計算所得[3]。

1.3.5 玉米干物質及氮素測定 玉米收獲時,選取標記植株,測定鮮質量,然后帶回實驗室將根、籽粒與秸稈分開,105 ℃殺青30 min后,60 ℃烘干后測定干質量,計算玉米籽粒和秸稈的含水量。然后按根、籽粒、莖+葉+穗軸不同營養器官分開,采用H2SO4-H2O2消煮法測定植株全氮含量[10]。根據所獲得的不同處理下植株干質量與各器官全氮含量,求得植株氮素積累量。

1.4 相關指標計算

堿化度(ESP) =(交換性鈉/陽離子交換 量)×100%

團聚體參數: >0.25 mm團聚體百分含量(R>0.25)、土壤團聚體破壞率(PAD)、土壤團聚體的平均質量直徑(MWD)的計算公式如下:

R>0.25=M0.25/MT

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

氮素利用率:植株氮素積累量(kg·hm-2)=(單株籽粒干質量×籽粒含氮量+單株根干質 量×根含氮量+單株莖葉軸干質量×莖葉軸含氮量)×每公頃有效株數;氮收獲指數 NHI=籽粒吸氮量/植株氮素積累量;肥料氮偏生產力(NPFP,kg·kg-1)=施氮區籽粒產量/施氮量;肥料氮生理利用率(NPE,kg·kg-1)=(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/(施氮區地上部總吸氮量-不施氮地上部總吸氮量);氮肥農學效率(NAE,kg·kg-1) = (施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量) /施氮量。式中,施氮量既包括化肥氮也包括有機肥氮[11-13]。

1.5 數據分析與處理

采用Excel 2003對試驗數據進行整理,采用SPSS 25.0軟件描述統計特征值、進行數據分析,用方差分析(ANOVA)和最小顯著性檢驗(LSD)做數據差異顯著性檢驗(P<0.05,n=5)。

2 結果與分析

2.1 有機肥氮替代化肥氮對玉米生長發育的影響

與CK0處理相比,施肥處理均能顯著增加玉米株高、莖粗及SPAD。不同比例有機肥氮替代對玉米株高存在顯著性差異。苗后30 d,有機肥替代處理效果明顯,其中F4處理下效果最佳,相比F1顯著增加39.58%;苗后60 d發現,F1處理開始顯著增加株高,相比F2、F3、F4處理分別顯著增加19.92%、33.89%、17.41%;苗后90 d,F5處理與F1處理間無顯著性差異,二者處理相比F2處理顯著增加12.47%、11.83%。各處理對苗后30 d與苗后60 d玉米莖粗無顯著性影響,苗后90 d,F1與F5處理顯著增加玉米莖粗,而F3與F4處理下莖粗相比CK0處理有所降低,但無顯著性。苗后30 d,F1、F3、F4、F5處理中SPAD相比CK0處理分別顯著提高7.80%、10.53%、8.82%、11.53%;在苗后60 d中,各處理SPAD值分別為F1>F2>F5>F4>F3>CK。且較CK0處理依次分別提高5.70%、5.43%、4.70%、 2.86%、2.80%;在苗后90 d,F2處理較F1、F3處理顯著提高9.02%、4.62%,另外F4和F5處理分別較F1顯著提高5.14%、6.83%,同時較F3處理提高0.90%、2.51%,F3處理較F1處理提高4.20%(表4)。

表4 有機肥氮替代化肥氮處理下玉米生長發育Table 4 Maize growth and development under substitute of chemical N with organic N

2.2 有機肥氮替代化肥氮對玉米不同器官氮素積累的影響

植株氮素總積累量在各處理下存在顯著性差異,依次為F5>F1>F2>F3>F4>CK0,F5處理相比F1、F2、F13、F4處理分別增加26.02%、31.01%、42.39%、57.32%;F1與F2處理間無顯著性差異,F3與F4處理相比F1、F2處理顯著降低;說明,隨著有機肥替代比例降低,植株氮素總積累量表現為先減少后急劇增加趨勢。各器官氮素積累量表現為籽粒氮素積累量在各器官氮素分配比例中占主要地位,其次為莖+葉+穗軸,而根部氮素含量最低。F5處理顯著增加各器官氮素積累量,相比F1、F2處理,籽粒氮素積累量顯著增加24.44%、32.91%,莖+葉+穗軸氮素積累量顯著增加30.66%、25.96%,而根部氮素含量在F5與F1處理下相差不大,二者處理間無顯著性差異(表5)。

表5 有機肥氮替代化肥氮玉米氮素積累量Table 5 N accumulation in maize under substitute of chemical N with organic N

2.3 有機肥氮替代化肥氮對玉米產量及經濟效益的影響

有機肥替代對籽粒及生物產量影響較大,籽粒產量在F5處理下最大,其次為F1處理,二者處理間無顯著性差異;F5處理顯著提高生物產量,相比F1、F4處理分別增加12.46%、7.21%;綜合經濟產值與投入計算所得凈收益F5處理最大,其次為F1處理,二者處理幾乎一致,但F1處理下投入相比F5略低,從而產投比屬F1處理最大,其次為F5處理(表6)。

表6 有機肥氮替代化肥氮的產量及經濟效益Table 6 Yield and economic benefit under substitute of chemical N with organic N

2.4 有機肥氮替代化肥氮對氮肥利用率的影響

有機肥替代對玉米氮素利用率影響較大,氮素收獲指數在各施肥措施下無顯著性差異;氮素生理利用率在F4處理下最大,相比F3、F5處理增加12.02%、13.33%,相比F1、F2顯著增加74.77%、30.67%;F5處理顯著增加氮素偏生產力,其次為F1處理,二者處理間無顯著性差異,顯著高于F2、F3、F4處理;氮素農學效率與氮素偏生產力變化趨勢相一致,屬F5處理下最大,相比F1處理提高0.35%,相比F2、F3、F4處理分別顯著提高1.93%、2.09%、2.99%(表7)。

表7 有機肥氮替代化肥氮的氮素利用率Table 7 Effect of substitute of chemical N with organic N on N use efficiency

2.5 有機肥氮替代化肥氮對土壤養分的影響

收獲后土壤養分測定結果如表8所示,相比CK0處理,施肥處理均能明顯增加耕層土壤全氮含量,但相比常規施肥,有機肥替代處理對其影響不顯著;土壤有效磷含量在F1處理下最大,其次為F5處理,二者相比CK0處理顯著增加 89.60%、83.50%。F5處理明顯提高土壤速效鉀含量,相比F1處理增加39.22%,此外,F2處理能明顯提高土壤有機質含量,相比CK0、F1處理分別顯著增加13.86%、11.05%;相比CK0處理,施肥措施均能降低土壤pH,但各處理間無顯著性差異,其中,F2處理降幅最大,為0.37,其次為F4處理。各處理土壤全鹽影響無顯著性,其中,F1處理相比CK0處理全鹽增加9.63%,F5相比CK0、F1處理全鹽含量分別降低11.38%、 19.16%。

表8 有機肥氮替代化肥氮0～30 cm土壤養分Table 8 0-30 cm soil nutrients under substitute of chemical N with organic N

2.6 有機肥氮替代化肥氮對土壤團聚體參數的影響

通過干篩與濕篩獲得>0.25 mm的大團聚體含量,結果如表9所示。干篩條件下,F1處理相比其他處理顯著增加大團聚體含量,而F5處理相比CK0處理顯著降低大團聚體含量;濕篩條件下,各處理下大團聚體含量無顯著性差異,其中,F2處理增加大團聚體含量效果最佳;而F1處理下大團聚體含量最低,相比CK0處理減少 12.12%。平均質量直徑是評價土壤團聚體穩定性的重要指標,干篩條件下,F2、F3處理顯著增加團聚體平均質量直徑,相比CK0分別增加 20.99%、18.23%。濕篩條件下,F1處理下平均質量直徑最低,相比CK0降低19.05%,而F2提高該土層水穩性團聚體平均質量直徑,其他處理也相比CK0處理有所提高。F1處理下PAD最高,其次是CK0處理,而其他處理均有所降低,其中F2、F5處理相比F1處理顯著降低土壤PAD。

表9 有機肥氮替代化肥氮土壤團聚體參數Table 9 Soil aggregate parameters under substitute of chemical N with organic N

2.7 產量與植株氮素積累量及土壤理化指標的關系

由表10相關性分析可知,籽粒產量與生物產量分別與植株氮素積累量(TPN)呈極顯著、顯著正相關,而與土壤理化指標關系發現,籽粒產量與生物產量與土壤全氮(TN)間存在顯著正相關,而籽粒產量與團聚體破壞率(PAD)間存在顯著負相關關系,與濕篩條件下團聚體平均質量直徑[W(MWD)]、大團聚體含量[W(R>0.25)]間存在顯著正相關關系。

表10 產量與植株氮素積累量及土壤理化指標的關系Table 10 Relationship between yield and plant nitrogen accumulation,soil physical and chemical indexes

3 討 論

玉米長勢、產量是反映施肥效果最直接的表達。熊波等[14]通過研究有機肥替代不同比例化肥在青貯玉米上建立田間試驗發現,有機肥替代不同比例化肥會降低青貯玉米株高、SPAD值,但差異性不顯著;陳倩等[15]研究認為,有機肥替代化肥比例在12.5%～37.5%下玉米籽粒產量及生物產量均表現最佳;Hisanya等[16]和于天一等[17]研究也證實有機無機配施能明顯增加作物產量。本試驗認為,有機替代不同比例化肥會降低玉米株高,但會增加葉片SPAD值,這與熊波等[14]的研究結果有所出入,分析可能原因是采集過程所選葉片位置不同導致,具體原因可在次年試驗進一步探討。本試驗產量在有機替代20%化肥處理下最高,這與前人研究結果基本一致。

氮肥利用率低一直是中國農業生產中最突出的問題,如何提高氮肥利用率便成為眾多研究者的關注重點方向之一[18]。Dobermann[19]常用氮素生理利用率、氮素農學效率、氮素偏生產力來評價氮肥利用率,其研究認為氮素生理利用率在 30～60 kg·kg-1、氮素農學效率在10～30 kg·kg-1、氮素偏生產力在40～70 kg·kg-1較為適宜。本研究發現,所有處理下氮素偏生產力均不在適宜范圍,而氮素農學效率除了F5處理外,其他處理也不在適宜范圍。分析可能原因為該地區土壤基礎肥力低下或者該地區鹽堿并重,該地區全氮含量低于0.5 g·kg-1,處于極缺乏水平,同時,pH超過8.5,鹽分達到中鹽中平 (3～6 g·kg-1),對產量的提升形成抑制作用。

謝軍等[5]通過8 a在西南紫色土上進行有機肥氮替代化肥氮定位試驗認為,替代比例為50%處理促進了玉米對氮素的吸收和向籽粒的轉運,提高了地上部氮素積累量;楊旸等[20]在河套灌區研究也表明50%有機無機氮肥配比能提高玉米植株氮素積累量,并不會影響當季氮肥利用率;而本試驗發現,有機肥氮替代20%化肥氮處理下玉米植株氮素積累量最高,這與前人研究相一致,都證明了有機無機配施模式會增加氮素利用率。只是本試驗施用有機肥時間較短,無法在短時間培肥地力,所以有機替代率僅為20%。

有機無機肥配施是合理利用資源、保證產量穩定、增強土壤肥力最重要的途徑,也是實現農業健康發展的重要措施[21]。高洪軍等[22]在吉林黑土地區建立有機替代化肥試驗,結果發現,常規供氮165 kg·hm-2條件下時,以農家肥替代30%化肥氮素可增加土壤供氮能力;周曉芬等[23]通過盆栽試驗研究發現,有機肥替代化肥會增加土壤速效鉀含量;王伯仁等[24]通過對紅壤旱地連續 13 a定位監測研究發現,有機肥替代化肥會增加土壤有機質與有效磷含量。本試驗結果表明,相比常規施肥,有機肥氮替代20%化肥氮對土壤全氮有增加效果,而其他替代比例均會降低土壤全氮含量,但差異性不顯著;同時,有機替代化肥處理均能增加土壤有機質、速效鉀含量,但降低有效磷含量,這與王伯仁等[24]的研究結果有所不同,分析可能原因是有機肥中有效磷分解緩慢,或者是在堿性土壤上被固定的緣故。本試驗也發現,有機肥替代化肥對土壤全鹽與pH有降低趨勢,這對于鹽堿地改良利用有良好效果。

土壤團聚體的平均質量直徑(MWD) 與大團聚體含量(R>0.25)是評價土壤團聚體穩定性的重要指標,其值越大表示團聚體穩定性越強。團聚體破壞率(PAD)能直觀表現土壤團聚體的穩定性,它解釋了土壤團聚體受水力機械破壞而導致分散程度的大小,其值越小代表土壤結構越穩定[25]。周蕓等[26]研究認為有機肥氮替代化肥氮比例超過20%均會增加土壤水穩性團聚體大團聚體含量、MWD,同時降低PAD;榮勤雷等[27]在河北省設施菜田研究表明配施 25%豬糞對土壤團聚體的影響不顯著,配施比例達50%才能顯著提高水穩性團聚體 MWD;本試驗研究結果也證實了這一點,在濕篩條件下,有機肥氮替代不同化肥氮處理均能明顯增加大團聚體含量與平均質量直徑,且替代比例越高,增幅越大,同時,土壤團聚體破壞率在有機替代化肥處理下有降低趨勢,替代比例在100%處理下濕篩條件下大團聚體含量與MWD最高,而土壤破壞率最低,這與當年高量有機肥投入有關,有機肥礦化速率慢,腐殖化程度低,會增加濕篩條件下耕層土壤大團聚體含量,表現出土壤結構較為穩定。但隨著有機質不斷礦化,大團聚體含量也會發生變化,土壤結構穩定性仍會發生變化,這在以后的工作中仍需關注。

4 結 論

在銀北鹽堿地土壤低肥力條件下,基于常規施氮量,有機肥氮替代20%化肥氮在穩收益的前提下,可顯著增加氮素利用率、氮素偏生產力以及氮素農學效率。同時,可明顯增加速效鉀含量,此外,對土壤全鹽含量也產生一定抑制作用,且降低土壤破壞率,增強土壤結構穩定性。由于試驗年限較短,單年試驗數據未能完全表征有機替代優勢,本試驗將長久定位,繼續探討土壤肥力變化。