減氮配施炭基肥對棉田土壤養分、氮素利用率及產量的影響

張云舒，唐光木，蒲勝海，徐萬里，張計峰

(新疆農業科學院 土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

隨著化肥在農業生產中的廣泛應用，中國已成為世界上最大的化肥消費國家[1]。統計表明，中國農作物化肥施用量已經從1980年的1269.4萬t到2018年的5653.4萬t，增長了3.5倍[2]。化肥的過量施用帶來了諸多環境問題，迫切需要開發新型高效肥料來實現農業可持續發展。生物炭是由植物生物質在完全或部分缺氧下熱解產生的一類高度芳香化固態物質。生物炭可以快速增加土壤有機質含量、改善土壤理化性狀、降低肥料損失等[3-4]。同時，生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，在短時間內不易分解，可以長時間保持穩定[5]。

近年來，為了解決生物炭在運輸和施用上不便的問題，將生物炭作為載體，與肥料混合制成炭基肥，符合當前國家提出的化肥“零增加”的發展方向，越來越受到研究者的關注[6-8]。炭基肥是利用生物炭與其他化肥混合制成的長效肥料，一方面生物炭延長了肥料養分的釋放期，另一方面彌補了生物炭養分不足的缺陷。研究炭基肥在棉花上的應用效果符合國家倡導的減施化肥的發展目標。楊勁鋒等[9]研究表明，施用炭基緩釋肥可以顯著提高土壤氮磷鉀養分含量和花生產量。陳懿等[10]研究表明，與常規肥比較，施用炭基肥可以顯著提升土壤pH、有效磷和速效鉀含量，顯著增加土壤細菌、放線菌和真菌數量。康日峰等[11]研究表明，生物炭基肥料可顯著提高土壤中有機質含量，并隨著輔料中生物炭添加量的增加而增加，還增加了土壤中堿解氮和有效磷養分的含量。

目前，基于棉花秸稈生物炭的炭基肥應用研究主要集中在對土壤微生物、土壤物理性質和作物產量提升方面。本研究立足于新疆主要棉區，從炭基肥對氮素養分高效利用角度開展試驗，于2018年在新疆石河子121團炮臺鎮土壤改良試驗站進行，通過田間小區試驗，在減施氮肥條件下施用炭基肥，研究施用棉花炭基肥對棉花土壤養分和產量的影響，為炭基肥在棉花上的應用效果提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗從2017年11月底開始，2018年12月結束，試驗地點為新疆生產建設兵團121團炮臺土壤改良試驗站，該站位于新疆準格爾盆地南緣(44°48′53″ N，85°34′50″ E)，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.5～8.2 ℃，年日照2 318～ 2 732 h，無霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸發量1 000～1 500 mm。土壤為灌耕風沙土，土壤質地為砂土，砂粒、粉砂粒和粘粒含量分別為74.92%、16.00%和9.08%，土壤0～40 cm基本理化性質見表1。

1.2 試驗材料的制備

棉花秸稈炭：2017年棉花采收后，將棉花秸稈收集粉碎成8～12 cm，用THⅠ-Ⅱ-B環保型炭化爐，在缺氧環境下炭化，炭化溫度350～ 450 ℃，秸稈炭化出爐自然降溫后，粉碎。棉花秸稈炭炭化后養分特性為：pH 10.19，有機碳 336.50 g/kg，速效氮45.3 mg/kg，速效磷1931.6 mg/kg，速效鉀48 800 mg/kg、陽離子代換量(CEC) 13.91 cmol/kg。

表1 0～40 cm供試土壤養分狀況Table 1 Nutrient status of 0-40 cm soil

棉花炭基肥：將粉碎后的棉桿炭(20目)、石膏(>100目)、膨潤土(>100目)與尿素、三料磷肥、硫酸鋅和硼酸充分混合，調節含水量至25%，擠壓造粒。棉花炭基肥產品各組分含量分別為：棉桿炭20%、石膏8.1%、膨潤土8%、尿素 26.1%、三料磷肥34.8%、硫酸鋅1.5%、硼酸 1.5%。

1.3 試驗設計

采用寬膜機采棉配置，棉花品種為‘魯棉42’，平均行距38 cm，株距10 cm。田間小區面積69 m2。試驗設不施氮肥(T1)、減氮施肥(T2)、施炭基肥(T3)、常規施肥(T4)4個處理，每處理3次重復，隨機排列。所用氮肥為尿素[w(N)=46%]，磷肥用三料磷肥([w(P2O5)=46%]，鉀肥用硫酸鉀[w(K2O)=51%]。各處理磷鉀肥施用量相同，T1不施氮肥，T2氮肥用量為常規用量的85%，T3氮肥用量為常規用量的85%，T4氮肥施用量同常規，具體物料用量見表2。氮肥30%基施，70%滴灌追施，磷肥全部基施，鉀肥全部滴灌追施。

表2 不同處理施肥量Table 2 Fertilizer application rates of different treatments kg/hm2

1.4 樣品采集與測定方法

2017-10-20棉花采收后，每小區采用五點法取樣，采集0～20、20～40 cm土樣，樣品采集后充分混合并去除植物殘體及其他雜物，放置于實驗室通風處陰干過篩，測定土壤養分含量。根據棉花膜寬選取樣段，調查采樣段內株數、單株結鈴數，采取50朵棉花，稱取質量，得出單鈴質量。理論產量=每公頃株數×單株結鈴數×單鈴質量。

土壤基本理化性質測定：參考文獻[12]，全氮采用凱氏定氮法，有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法，速效鉀采用 1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法。

氮素利用效率計算：氮吸收量=單位面積干物質累積量×植株氮含量；氮素利用率=(施氮肥區作物吸收氮量-缺素區作物吸收氮量)/(氮肥施用量×氮肥中氮素含量)×100%；氮肥產量貢獻率=(施氮肥區作物產量-缺氮素區作物產量)/施氮肥區作物產量×100%。

1.5 數據處理

采用Execl 2007對試驗數據整理，采用DPS 7.05進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 減氮配施炭基肥對土壤全氮和有機質的 影響

由表3可知，棉田施氮可顯著提高棉田土壤中總氮含量，與T1處理相比，T2、T3、T4處理 0～20 cm土壤中全氮含量分別提高9.3%、 20.9%和11.6%，T4和T2處理土壤中全氮含量無顯著差異。20～40 cm與0～20 cm土壤全氮含量變化趨勢相同,T3處理較T1、T2和T4處理土壤中全氮含量分別增加0.11、0.06和0.04 g/kg。T2、T4處理對土壤有機質影響較小，而T3處理土壤有機質含量較其他處理顯著增加，其中0～20 cm土壤有機質含量提高0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有機質含量提高0.22～ 0.30 g/kg。

表3 不同施肥處理不同土層土壤全氮和有機質含量Table 3 Total nitrogen and organic matter contents in different soil depth under different treatments g/kg

2.2 減氮配施炭基肥對土壤速效養分的影響

試驗前0～20 cm和20～40 cm土壤堿解氮含量分別為34.5 mg/kg和25.9 mg/kg。由表4可知，與試驗前相比，T1處理0～20 cm和20～40 cm土壤堿解氮含量分別下降了11.0%和 18.1%；T2處理0～20 cm耕層土壤堿解氮含量增加，但20～40 cm土壤堿解氮含量降低；T3處理土壤堿解氮含量均顯著高于其他處理，與直接減氮處理T2相比，0～20 cm土壤中堿解氮含量增加12.9 mg/kg。T3處理土壤中速效磷含量顯著低于T1、T2和T4處理。土壤中速效鉀含量各處理間沒有達到顯著性差異。

表4 不同施肥處理不同土層土壤速效養分含量Table 4 Contents of available nutrients in different soil depth under different treatments mg/kg

2.3 減氮配施炭基肥對棉花產量及產量構成的影響

不同施肥處理對棉花產量和產量構成影響不同。由表5可以看出，產量表現為T3>T4> T2>T1，與不施氮T1處理相比，T2、T3和T4處理棉花產量分別增加1 535.9、1 814.7和1 701.3 kg/hm2。T3較T4處理產量提高2.0%(P> 0.05)，同等施氮量下，T3較T2處理顯著提高 5.2%。施肥處理下T2、T3和T4處理棉花單株結鈴數沒有差異，均顯著高于T1處理。棉花單鈴質量為T3>T4>T2>T1，與產量變化趨勢相同。綜合棉花產量和產量構成指標，表明炭基肥T3處理對棉花產量總體表現較好。

表5 不同施肥處理棉花產量及產量構成Table 5 Cotton yield and yield component under different fertilization treatments

2.4 減氮配施炭基肥對氮肥利用效率的影響

通過氮素投入量、氮素吸收量、產量以及干物質累積量分析棉花氮素利用率和氮肥產量貢獻率發現(表6)，T3處理棉田氮吸收量最高，氮素利用率為55.1%，氮肥產量貢獻率為31.9%，其次為T4(43.2%)和T2處理(43.4%)。可見通過炭基肥方式能夠達到增加田間產出，提高滴灌棉田氮素利用效率的目標。

表6 不同施肥處理氮素貢獻率Table 6 Nitrogen contribution rate of different fertilization treatments

3 討 論

3.1 減氮配施炭基肥對棉田土壤養分含量的影響

本研究在新疆北疆重要棉花產區開展，該區土壤以灌耕風沙土為主，水肥保持能力弱，依據試驗開展前對土壤基本養分含量測定結果，試驗區土壤普遍貧瘠。因此提高棉田土壤養分含量和利用效率對于保持和提升該區棉花產量至關重要。前人研究結果發現，施肥方式能夠顯著影響棉田土壤中養分含量和養分利用效率[13-17]，新疆北疆棉區實際生產中也存在著氮肥投入量與棉花氮素吸收不匹配，氮肥利用效率不高的問題。本試驗從改變氮素投入方式減少氮肥投入角度進行研究，結果表明在當前棉花施肥量基礎上直接減少氮肥對土壤中全氮和有機質含量影響較小，而對土壤中速效養分含量顯著。通過炭基肥方式進行氮肥減施處理，增加了棉田土壤速效氮含量，但土壤中速效磷含量下降，速效鉀變化不顯著。

3.2 減氮配施炭基肥對棉花產量結構的影響

利用生物炭等有機物料與氮肥結合方式對大田進行肥料投入是提高作物產量的方式之一，彭銀等[18]比較了炭基肥和炭醋肥對土壤養分的影響發現炭基肥和炭醋肥對氮的釋放具有緩釋作用，但炭基肥效果更好。時正倫等[19]利用盆栽試驗研究了生物炭基肥對喀斯特石灰土速效養分的影響，其結果顯示施用生物炭基肥可顯著增加土壤有機質(13.5%～103.9%)和速效養分含量，進而提高作物產量。這與本研究在新疆灌耕風沙土上的研究結果相同。本研究中同等施肥量條件下，炭基肥施肥方式(T3)下棉花產量較T2處理產量顯著提高5.2%，通過分析棉花產量結構，主要是因為T3處理下增加了單鈴質量，而處理間單株結鈴數變化較小。

3.3 減氮配施炭基肥對氮素利用效率的影響

氮素是新疆棉花產量的主要限制因子[20]，提高氮素利用效率能夠有效增加棉花產量，實現化肥減施的目的。胡迎春等[21]研究表明，通過控釋氮肥和尿素相結合的氮肥投入方式提高了玉米產量和氮素利用效率。本研究基于棉桿炭的炭基肥處理下(T3)與常規施肥方式(T4)360 kg/hm2的施肥量相比，棉花氮素累積量顯著增加，氮素利用率由43.2%提高至55.1%。結合炭基肥處理(T3)0～20 cm土壤中速效氮含量(59.9 mg/kg)和20～40 cm速效氮含量(35.3 mg/kg)，說明T3施肥方式能保持棉田土壤速效氮養分較高的強度和容量，這與鄧松華等[22]在玉米上進行的大田試驗趨勢相同。由于生物炭普遍呈堿性，pH值較高，施入炭基肥對新疆棉田pH的影響在本研究中沒有體現，且生物炭或炭基肥對沙土土壤結構的影響等需要在后期的研究中跟蹤監測[23]。

4 結 論

與傳統施肥相比，在覆膜滴灌棉田施用炭基肥后0～20 cm土壤有機質含量提升0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有機質含量提升0.22～ 0.30 g/kg。0～20 cm土壤速效氮的含量較直接減氮處理增加12.9 mg/kg。采用炭基肥減氮施肥方式能夠保持棉花產量相對穩定，產量較常規施肥量提高2.0%，與直接減施氮肥相比產量提高5.2%。綜合分析氮素利用效率、炭基肥減氮處理方式棉田氮素利用率達到55.1%，常規施肥模式氮素利用率為43.2%，顯著提高了氮肥利用效率。因此，通過炭基肥進行棉田施肥可以作為新疆北疆棉區化肥減施的施肥措施。