氮肥用量和配施硝化抑制劑對柴達木枸杞產量及氮素吸收利用的影響

盧九斤,盛海彥,華明秀,聶易豐,高亞軍,許米聰,魏嬌嬌

(1.青海大學 農牧學院,西寧 810016;2.金華市農業技術推廣與種子管理中心,浙江金華321000;3.青海大學,省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室,西寧 810016;4.西北農林科技大學 資源環境學院,陜西楊凌 712100)

柴達木盆地地處高原,日照時間長,當地生產的枸杞(LyciumbarbarumL.)品質好,經濟效益高[1-2]。近15 a來,該地區枸杞種植面積已達4萬hm2。但枸杞生產中施肥缺少科學的理論依據,農戶為保證高產穩產,盲目投入大量氮肥,形成“高投入、高產出”的生產現狀[3-4],這導致枸杞產量雖有所提高,但造成資源的極大浪費及一系列環境污染問題[5-7]。在保證枸杞不減產的前提下,通過合理施氮技術提高氮肥利用率(NUE),追求經濟與生態效益“共贏”,已成為當地枸杞生產關注的重點問題[8]。在土壤-植物系統中氮素的去向主要有作物吸收、收獲后土壤殘留以及通過硝化、反硝化作用,徑流或淋失等途徑損失至大氣或水體中[9-10]。硝化抑制劑可抑制土壤的硝化作用,降低N2O排放,減少氮素損失[11]。孫海軍等[12]研究發現,增施硝化抑制劑顯著提高小麥的NUE和產量。Tian等[13]研究表明,尿素中添加硝化抑制劑可顯著降低氮素的氣體(氨氣和N2O等)損失,進而提高氮肥利用率。段顏靜[14]在蘋果上的研究結果顯示,減少適宜氮肥用量且配施硝化抑制劑改善了果樹的生長狀況,提高NUE。適宜的氮肥用量及配施2-氯-6-三氯甲基吡啶等硝化抑制劑改善植株氮素利用和提高產量在水稻、馬鈴薯等作物中均有大量報道[15-18],但目前缺乏對柴達木枸杞土壤-植物系統氮素平衡的研究。為此,本研究擬通過施用不同量氮肥并配施2-氯-6-三氯甲基吡啶,探討其對柴達木枸杞產量、氮素吸收和利用的影響,以期為柴達木地區枸杞科學施氮和提質增效提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019和2020年在青海省海西州都蘭縣諾木洪農場(36°25′ N,96°20′ E)進行。該地區屬高原大陸性氣候,海拔2 760 m,年均溫-4 ℃,年均降水量約56 mm。土壤類型為灰棕漠土,質地為砂壤土,0～20 cm土層土壤理化性質為:有機質19.51 g/kg,全氮1.43 g/kg,全磷3.05 g/kg,全鉀23.13 g/kg,堿解氮69.76 mg/kg,速效磷82.56 mg/kg,速效鉀210.80 mg/kg,pH 8.49。0～100 cm土層(每20 cm為一層)土壤體積質量分別為1.54、1.52、1.52、1.46、1.47 g/cm3。

1.2 試驗材料

供試枸杞為樹齡10 a的‘寧杞1號’;氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為重過磷酸鈣(含P2O546%),均為云天化集團生產;商品有機肥(有機質≥45%,N+P2O5+K2O≥5%)由青海恩澤農業技術有限公司生產;供試硝化抑制劑為2-氯-6-三氯甲基吡啶(含量70.0%),由浙江奧復托化工有限公司生產。

1.3 試驗設計

田間試驗設置8個處理,每處理重復3次。施氮量分別為施用純氮667、400、267、133、 0 kg/hm2,處理代碼分別為N667、N400、N267、N133、CK,其中667 kg/hm2為當地農民習慣施氮量。在N400、N267和N133施氮量基礎上,分別配施濃度為純氮量0.5%的2-氯-6-三氯甲基吡啶2.00、 1.33、0.67 kg/hm2,處理代碼分別為N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67。采用隨機區組設計,每小區面積39 m2,枸杞種植株行距為1.5 m×2 m,每小區13株。各處理施用商品有機肥1 667 kg/hm2,P2O5333 kg/hm2,均為農民習慣施用量。2019年5月19日和2020年5月14日在枸杞樹行間距根30 cm處挖深度20 cm,長、寬均為25 cm的2個施肥坑(面積約1.25 m2),施入全部商品有機肥、重過磷酸鈣、50%的尿素和50%的2-氯-6-三氯甲基吡啶;2019年6月30日和2020年7月5日在枸杞樹株間距根30 cm處也挖相同規格的2個施肥坑,施入當年剩余的50%尿素和50% 2-氯-6-三氯甲基吡啶。每次施肥前將每株樹的尿素和2-氯-6-三氯甲基吡啶提前稱于同一塑料袋中,混合均勻后撒入施肥坑。其他田間管理與農民習慣一致。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 植物樣品測定 2019年7月30日、8月19日、9月15日和2020年8月4日、8月26日、9月19日采摘各小區提前選取的3株枸杞樹上的全部果實,鮮果晾干后測定干果質量[19]。2019年和2020年枸杞收獲后對標記的枸杞樹進行破壞性取樣,采集距主干半徑1 m、深0～1 m范圍內所有的根。枸杞樹整株解析為根、主莖、枝條、葉片,收集后稱量各器官鮮質量,105 ℃殺青30 min, 70 ℃烘干至恒質量并稱量[20]。將植株各器官粉碎后過0.25 mm篩,采用GB 5009.5-2016方法[21]測定植株各器官的全氮含量。

1.5 數據處理與計算

采用SPSS 25.0軟件統計并分析數據。采用Duncan’s法進行方差分析和多重比較(P< 0.05),利用Origin 8.0軟件作圖。圖表中數據為“平均值±標準差”。計算公式參考魯艷紅等[7]、耿建梅等[23]、唐文雪等[24]和周麗平等[25]的研究結果。

植株吸氮量(kg/hm2)=植株各器官干質量(kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

氮肥偏生產力(NPFP,kg/kg)=單位面積產量/單位面積施氮量

果實吸氮量(kg/hm2)=枸杞果實干質量 (kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

土壤硝態氮累積量(kg/hm2)=∑土層厚度(cm)×土壤體積質量(g/cm3)×土壤硝態氮含量(mg/kg)/10

土壤銨態氮累積量(kg/hm2)=∑土層厚度(cm)×土壤體積質量(g/cm3)×土壤銨態氮含量(mg/kg)/10

土壤礦化氮量(kg/hm2)=不施氮區植株吸氮量+不施氮區土壤殘留無機氮量-不施氮區土壤起始無機氮量

氮素表觀損失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤起始無機氮量+土壤礦化氮量)-(植株吸氮量+收獲后土壤殘留無機氮量)

土壤起始無機氮量、土壤礦化氮量和土壤殘留無機氮量均按0～100 cm土層深度計算。前期試驗結果顯示,商品有機肥中無機氮含量和礦化率均為2.0%,據此計算,則有機肥中提供的礦質氮約0.7 kg/hm2。

2 結果與分析

2.1 氮肥用量和配施硝化抑制劑對枸杞產量的影響

枸杞產量隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(表1)。由肥料效應方程可知,施氮量為445及554 kg/hm2時枸杞產量最高,分別為7 582 kg/hm2、8 055 kg/hm2(圖1)。配施硝化抑制劑可有效提高枸杞產量。2019年N400I2.00、N267I1.33處理的枸杞產量較N400、N267處理分別增加 5.8%、5.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理枸杞產量較N400、N267、N133處理增加 1.3%～5.6%。兩年N400I2.00處理的枸杞產量最高,較農民習慣施氮處理N667提高9.3%及 6.7%;兩年N267I1.33處理的枸杞產量較N667處理分別增加500 kg/hm2及146 kg/hm2。

圖1 施氮量與枸杞產量的關系Fig.1 Relationship between N fertilizer application rate and wolfberry yield

表1 不同氮肥用量和配施硝化抑制劑處理后的枸杞產量及氮肥利用效率Table 1 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on wolfberry yield and N fertilizer use efficiency

2.2 氮肥用量和配施硝化抑制劑對枸杞氮素吸收和利用的影響

2.2.1 氮肥偏生產力 氮肥偏生產力隨施氮量的增加而降低,氮肥配施硝化抑制劑可提高氮肥偏生產力。2019年N400I2.00、N267I1.33處理的氮肥偏生產力較N400、N267處理分別增加1.1 kg/kg、1.3 kg/kg;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮肥偏生產力較N400、N267、N133處理分別提高1.2 kg/kg、1.3 kg/kg、0.7 kg/kg。N400I2.00及N267I1.33處理的氮肥偏生產力均顯著高于N667處理,較N667處理顯著提高78.2%～ 389.8%(表1)。

2.2.2 植株吸氮量 增施氮肥較空白處理顯著提高枸杞植株吸氮量,硝化抑制劑的施用有利于枸杞植株吸氮量的提高。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的植株吸氮量較N400、N267、N133處理增加8.1%～11.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的植株吸氮量較N400、N267、N133處理分別增加4.5%、21.5%和 27.2%。N400I2.00處理的植株吸氮量最高,分別為485.0 kg/hm2、 504.3 kg/hm2,較N667處理顯著增加11.9%、9.7%(表1)。

2.2.3 果實吸氮量 氮肥配施硝化抑制劑可提高果實吸氮量(圖2)。N400I2.00處理兩年的果實吸氮量最高,分別為151.0 kg/hm2、154.0 kg/hm2,較N400處理提高6.2%、12.5%;兩年N267I1.33處理的果實吸氮量與N267處理均無顯著差異;2019年和2020年N133I0.67處理果實吸氮量較N133處理分別提高7.9%、9.9%。與農民習慣施氮量N667處理相比,N400I2.00處理的果實吸氮量提高18.5%和12.8%。

不同字母表示同一年不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.3 氮肥用量和配施硝化抑制劑對枸杞收獲后土壤無機氮累積量的影響

枸杞收獲后土壤無機氮累積量隨施氮量的降低逐漸下降,且隨土層深度的增加呈先增后減的趨勢(圖3)。2019年不同處理0～100 cm土壤無機氮累積量在60～80 cm土層最高;2020年土壤無機氮累積量均在40～60 cm土層最高。添加硝化抑制劑對0～100 cm土壤無機氮累積量無顯著影響,但較未添加硝化抑制劑的處理顯著提高 0～40 cm土層土壤無機氮累積量。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理0～20 cm 土層土壤無機氮累積量較N400、N267、N133處理分別提高35.4%、35.6%和28.7%,N400I2.00、N267I1.33處理20～40 cm土壤無機氮累積量較N400、N267處理增加9.0～10.9 kg/hm2。2020年N400I2.00處理0～20 cm及20～40 cm土層土壤無機氮累積量較N400處理分別增加9.5 kg/hm2和16.1 kg/hm2。兩年N667處理0～100 cm土層土壤無機氮累積量最高,分別為754.9 kg/hm2和758.0 kg/hm2。兩年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理 0～100 cm土壤無機氮累積量較N667處理降低20.9%～46.2%。

圖3 不同處理收獲后0～100 cm土層土壤無機氮累積量Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on soil inorganic nitrogen accumulation in 0-100 cm layer after harvest.

2.4 氮肥用量和配施硝化抑制劑對枸杞生育期內土壤-植物系統氮素平衡的影響

根據氮輸入與氮輸出平衡模型計算枸杞全生育期內氮素平衡狀況(表2)。氮輸入方式中氮肥占氮輸入的16.6%～47.8%和16.4%～47.5%;土壤起始無機氮量分別為342 kg/hm2、394 kg/hm2,占氮輸入量的24.0%～45.1%和 27.4%～51.2%;土壤礦化氮量分別為402 kg/hm2和360 kg/hm2,占氮輸入量的28.2%～ 53.0%和25.1%～46.8%。氮輸出項以植株吸收和土壤殘留無機氮量為主,其中植株吸收分別占氮輸出量的30.4%～52.4%和32.0%～ 51.8%。兩年的氮素表觀損失量與施氮量均呈極顯著正相關,決定系數分別為0.999和0.995(圖4)。配施硝化抑制劑可有效降低氮素表觀損失量,2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮素表觀損失量較N400、N267、N133處理分別降低31.5%、 39.6%和27.3%,2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮素表觀損失量較N400、N267、N133處理降低36.2%～48.9%。兩年N667處理的氮素表觀損失量最高,分別為239 kg/hm2、219 kg/hm2,較N400I2.00、N267I1.33處理增加149～191 kg/hm2。

圖4 施氮量與氮素表觀損失量的關系Fig.4 Relationship between N fertilizer application rate and N apparent loss

表2 枸杞園土壤-植株系統氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of plant-soil system in wolfberry orchards

3 討 論

3.1 氮肥用量和配施硝化抑制劑對枸杞產量及氮肥利用率的影響

氮素的過量投入導致植株NUE降低,也不利于枸杞生物產量的增加[26]。本研究顯示,過量施氮時植株吸氮量和增產率降低,表明過量的氮肥會降低植株吸氮量和枸杞產量。在寧夏葉用枸杞養分需求規律的研究中發現,32.7 kg/hm2的施氮量可獲得最高的葉用枸杞生物產量,過量投入氮肥時呈緩慢下降趨勢[27]。本試驗中施氮量為400 kg/hm2時,枸杞產量、吸氮量及增產率均最高,可能是由于過量施氮改變了適宜生物生存的土壤C/N,從而降低根際土壤微生物活性,影響樹體吸收養分[28],進而表現為植株吸氮量及產量的降低。本研究表明隨施氮量的增加氮素偏生產力持續降低,這與侯云鵬等[29]的研究一致。李月梅等[30]的研究結果表明,柴達木枸杞每生產100 kg枸杞干果需N 11.2 kg,本試驗農民習慣施氮量處理的年均產量為7 200、7 933 kg/hm2,理論所需氮素806.4、888.5 kg/hm2,但農民習慣施氮量處理氮素總輸入高達1 411.7 kg/hm2、 1 421.7 kg/hm2,表明柴達木地區枸杞種植施氮量過高,只需補充適量的外源氮肥即可滿足枸杞全生育期氮素需求[25],枸杞生產減氮潛力較大。

配施硝化抑制劑可降低氮肥損失,改善植株氮素吸收,進而提高產量和氮肥利用率[31-32]。前人[33]研究表明,硝化抑制劑在石灰性土壤上具有明顯的硝化抑制劑效果。本試驗結果顯示施氮量為267～400 kg/hm2時,配施硝化抑制劑處理的枸杞產量和植株吸氮量均高于未配施硝化抑制劑的處理,與孫志梅等[34]的研究結果一致,可能是由于硝化抑制劑可抑制氨氧化細菌的活性[35],在尿素水解成銨態氮后抑制其向硝態氮轉化,降低氮素的淋溶損失,提高氮肥利用率,最終表現為枸杞產量和植株吸氮量的提高[36]。說明施氮量為267～400 kg/hm2同時添加濃度為純氮量0.5%的硝化抑制劑可滿足枸杞生長對氮素的需求并保持較高產量。

3.2 氮肥用量和配施硝化抑制劑對柴達木枸杞園植株-土壤系統氮素平衡的影響

本試驗的回歸分析表明,氮素表觀損失量與施氮量呈極顯著正相關,與吳瓊等[37]的研究結果一致。說明農民習慣施氮量不利于提高枸杞產量和氮素利用效率,反而顯著提高枸杞園的氮素表觀損失量。前人研究表明過量施氮可能會提高土壤酸度,影響土壤微生物活性,同時極易產生硝酸鹽淋溶導致的地下水污染等問題[38-40]。在農民習慣施氮量的基礎上減少40%～60%的氮肥用量,既能降低氮素表觀損失量及環境污染風險,又能維持較高的枸杞產量。本研究結果顯示,N施用267～400 kg/hm2的基礎上添加硝化抑制劑顯著降低氮素表觀損失量,主要是由于硝化抑制劑增加枸杞收獲后土壤殘留無機氮量,延緩銨態氮轉化為硝態氮,使得土壤氮素在枸杞生育期內由于硝態氮產生的淋溶作用及硝化反硝化過程的損失降低,進而提高植株吸氮量,降低氮素損失[41]。本試驗在計算枸杞-土壤系統氮素平衡中,未測定土壤氮素淋失量、氧化亞氮排放和氨揮發損失量等氮素損失形式,可能導致計算的氮素表觀損失量偏低。同時外源氮肥的補充如大氣沉降氮帶來的激發效應也未考慮在內,這些有待進一步的試驗研究來完善。

4 結 論

在農民習慣施氮量的基礎上減少40%～60%施氮量并配施硝化抑制劑可保證較高的枸杞產量及植株氮素吸收量。相同施氮量配施硝化抑制劑可顯著提高枸杞植株吸氮量,降低氮素表觀損失量。在當前生產條件下,以施氮量267～400 kg/hm2同時配施1.33～2.00 kg/hm2的2-氯-6-三氯甲基吡啶為青海省柴達木地區枸杞生產的適宜施氮組合。