生物炭與氮肥施入對夏玉米農田氮素淋失與利用的影響

沈 揚, 龐桂斌, 薛建文, 蘇學偉, 董文旭, 王 昕, 徐征和

(1.濟南大學 水利與環境學院, 山東 濟南 250022; 2.桓臺縣水利事業服務中心, 山東 淄博 255020;3.中國科學院遺傳與發育生物學研究所 農業資源研究中心, 河北 石家莊 050022; 4. 山東省水利科學研究院, 山東 濟南 250014)

本文中選擇夏玉米作為試驗對象,在華北平原典型灌區開展夏玉米種植試驗,分析不同生物炭、氮肥施入量對夏玉米農田氮素淋失與利用以及產量的影響,合理提升玉米綜合生產能力[12],以期為農田大水大肥管理下提高氮肥利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年在位于山東省濟南市長清區的山東省灌溉試驗中心站進行。當地屬暖溫帶半濕潤季風氣候,夏季降水較多[13]。該試驗站土壤類型為黏土,玉米為一年一熟,前茬作物為冬小麥。試驗區0～60 cm土層土壤基本理化性質見表1。夏玉米種植期間試驗區具體氣溫、 降水情況見圖1。

圖1 2020年試驗區夏玉米生育期內氣溫、降雨變化

表1 試驗區土壤基本物理性質

試驗站內建有帶有地下廊道的21個測坑,測坑尺寸為2.0 m×3.33 m(寬度×長度),每個測坑之間都有深度為2.0 m的襯砌墻,上覆遮雨棚,下設廊道,且在廊道下100 cm深度上設取水口,可定期收集氮淋溶液,用于分析氮的遷移規律;同時每個測坑中都埋設長度為100 cm的聚乙烯管,用于測定不同深度的土壤含水率。試驗區概化圖如圖2所示。

圖2 試驗站概化圖

1.2 試驗設計

試驗只在苗期進行灌水,采用微噴灌方式定量灌溉,灌水量為67.5 mm,利用水表計量灌溉水量。

試驗共設置氮肥施入量和生物炭施入量2個因素。氮肥施入量設置150、 200 kg/hm22個水平,分別記為N1、 N2,將磷肥(75 kg/hm2)和鉀肥(128 kg/hm2)施入測坑,基肥和拔節期追肥各占50%。

以木柴為燒制生物炭的原材料,生物炭比表面積為91.0 m2/g,鉀元素質量比為9.19×103mg/kg,磷元素質量分數為0.14%,pH為7.80。生物炭施入量設置0、 20、 40 t/hm23個水平,分別記為C0、 C1、 C2,生物炭施入后耙入土壤。生物炭和氮、 磷、 鉀肥分別單獨翻施。

采用當地主要種植的玉米品種“鄭單958”為供試作物,于2020年6月23日播種,采用人工點播的方式,種植密度每公頃59 970株,于2020年10月4日收獲。試驗處理方案以及夏玉米生育期的劃分分別見表2、 3。

表2 夏玉米種植試驗處理方案

表3 夏玉米生育期劃分

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率

在土壤深度為20、 40、 60、 80、 100 cm處安裝中子探針來實時監測夏玉米全生育期土壤含水率變化。計算各土層的體積含水率。

1.3.2 土壤硝態氮、氨態氮含量

1.3.4 產量

夏玉米生育期末,在每個測坑中選取連續10株玉米,進行考種測產。測定產量因素(穗長、穗行數、穗粒數),放通風處自然風干,待風干后,用電子天平秤取籽粒百粒重以及樣方產量。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤含水率的影響

不同處理方案的土壤含水率變化如圖3所示。 從圖中可以看出, 土壤含水率變化較大的土層深度是0～60 cm, 而其他深度土層變化不明顯; 80 cm以下的土層含水率較高, 可能是地下水或是水分遷移造成的。 隨著時間的增加,土壤表層水分不斷蒸發和向下遷移, 因此各處理方案的土壤剖面的含水率均隨土層深度的增加而增加。

夏玉米苗期(播種后0～22 d)受降雨等因素的影響,土壤含水率整體水平偏高。氮肥施入水平相同時,方案N1C2的表層土壤含水率較方案N1C0、 N1C1的分別增加4.85%、 1.35%,方案N2C2的較方案N2C0、 N2C1的分別增加4.17%、 1.69%,說明施用生物炭使土壤表層水分增加,并且保持的水分會隨著生物炭施入量的增加而增加,與魏永霞等[14]得出的結論一致。對比生物炭施入量相同的處理方案發現,方案N2C1的表層土壤含水率較方案N1C1的降低0.77%～2.61%,方案N2C2較方案N1C2的降低0.57%～0.9%。增加氮肥施入量會使得表層以下的土壤含水率降低, 這是由氮肥促進夏玉米對土壤水分的吸收而造成的。 夏玉米拔節-抽雄期(播種后23～55 d)方案N2C2的土壤含水率為21.05%～30.14%, 明顯高于其他處理方案的, 表明高炭處理能提高土壤的持水能力。 夏玉米開花-灌漿期(播種后56～78 d)0～20 cm土層生物炭施入處理的土壤含水率明顯高于無炭處理的,方案N1C0的土壤含水率較方案N1C1、 N1C2的分別降低了1.36%、 3.1%,方案N2C0的較方案N2C1、 N2C2分別降低0.87%、 2.5%, 但是不同氮肥施入量之間處理的土壤含水率變化不明顯。 而在20～40 cm土層,方案N1C2的土壤含水率為25.36%, 明顯高于其他方案的, 主要原因是方案N1C2在夏玉米拔節期進行了灌溉。 生物炭施用水平相同時, 大用量施肥會促進夏玉米對土壤水分的吸收, 但方案N1C2所施加的氮肥較少, 也同樣導致土壤含水率較高。 由于夏玉米乳熟-成熟期(播種后79～104 d)受降雨量少、 溫度高因素的影響, 土壤含水率較上一個時期降低, 因此說明生物炭可以提高土壤持水能力[15]。

2.2 生物炭對土壤中氮素分布的影響

2.3 生物炭對土壤氮素淋失的影響

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對照組。圖6 不同處理方案淋失液中硝態氮含量的動態變化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對照組。圖7 不同處理方案淋失液中硝態氮總淋失量

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對照組。圖8 不同處理方案淋失液中氨態氮含量的動態變化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對照組。圖9 不同處理方案淋失液中氨態氮總淋失量

2.4 生物炭對夏玉米產量及氮肥利用效率的影響

2.4.1 生物炭對夏玉米產量及其構成因素的影響

表4為對不同處理方案的夏玉米的室內考種結果。 可以看出, 與對照組相比, 不同處理方案的夏玉米穗粒數增加50.47%～90.41%, 百粒重增加33.77%～45.67%, 產量增加4 909.43～8 289.94 kg/hm2, 說明施加一定量的氮肥和生物炭對夏玉米產量及其構成因素有促進作用。在低肥水平下,方案N1C1和N1C2的夏玉米穗粒數明顯比方案N1C0的多,分別增加0.92%和18.14%;在高肥水平下,方案N2C1、 N2C2的夏玉米穗粒數分別比方案N2C0的增加17.39%、 13.45%,表明施用生物炭有利于夏玉米穗粒數的發育[19]。夏玉米產量由高到低排序的處理方案是N2C2、 N2C1、 N1C2、 N1C1、 N2C0、 N1C0、 對照組,表明玉米產量隨著生物炭施加量的增加而增加。

表4 生物炭對夏玉米產量及產量構成因素的影響

2.4.2 生物炭對氮肥利用效率的影響

不同處理方案氮肥利用效率顯著性分析結果見表5。 由表可以看出, 氮肥施入水平相同時, 隨著生物炭施入量的增加, 夏玉米的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力指數逐漸增大, 方案N1C2的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力指數較方案N1C0、 N1C1的分別增加11.15、 8.99 kg/kg, 方案N2C2的較方案N2C0、 N2C1分別增加15.07、 7.54 kg/kg,表明生物炭的施加促進夏玉米對氮肥的吸收。 對比所有試驗數據, 方案N1C2的氮肥農學利用率、 氮肥偏生產力數值最大, 分別達到43.88、 66.94 kg/kg;而方案N1C0的氮肥農學利用率、 氮肥偏生產力較方案N2C0的分別大6.35、 12.12 kg/kg; 同樣, 方案N1C1、 N1C2的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力分別比方案N2C1、 N2C2的大, 說明生物炭施用水平相同時, 低氮更能提高氮肥的利用率, 兩者配施能夠更好地促進夏玉米對氮肥的吸收, 從而提高玉米產量。

表5 不同處理方案氮肥利用效率顯著性分析

3 討論

4 結論

本文中通過研究在不同生物炭、氮肥施入條件下試驗區土壤含水率變化特征、氮素遷移轉化規律以及夏玉米產量及其構成因素,得到如下結論:

3)生物炭施用能夠提高作物的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力,還可以增加夏玉米產量,且玉米產量與生物炭施入量呈正相關,此外,氮肥減施也能增加夏玉米的產量,其中方案N2C2的產量最高。