施氮量對半濕潤區小麥-玉米輪作系統土壤氮的影響

2021-05-20 02:58:12郭倩倩朱云鵬黨亞愛

麥類作物學報 2021年2期

郭倩倩，朱云鵬，王霖，黨亞愛

(西北農林科技大學理學院/西北農林科技大學水土保持研究所/ 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

施用氮肥是提高作物產量和品質的重要措施之一[1]，但長期過量施用氮肥，不僅會造成小麥減產和籽粒品質下降[2]，導致氮肥利用率和肥料增產效益降低[3]，而且會對生態環境構成潛在威脅，直接影響農田系統的可持續利用。研究發現，連續30年的甜菜-小麥輪作試驗中，每季施氮量為120 kg·hm-2時，大約12%～15%氮殘留在土壤中，8%～12%氮淋溶損失，5%～12%的氮素可能以氣體的形式進入大氣[4]。礦質氮(硝態氮和銨態氮)是作物根系吸收氮的主要形式，過量施用氮肥可導致硝態氮在小麥根區以下土層無效積累，對生態環境產生負面影響[5]。在小麥連作田中，每年施用氮肥180 kg·hm-2，15年后，100～180 cm土層硝態氮累積量達到601 kg·hm-2；硝態氮受降水或者灌溉影響會不斷下移，可滲入400 cm土層以下[6]，最后淋溶到地下水，污染地下水質[7]。因此，合理施氮對作物高產及生態環境的可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試點概況

田間定位試驗位于陜西省楊陵區的下川口村(北緯34°16′8″，東經108°04′25″，海拔460 m)，該區域屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，年平均氣溫為12.9 ℃，年均降雨量640 mm，約60%的降雨集中在7月-10月份。試驗區主要耕作方式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤為塿土，試驗田為土墊旱耕人為土，0～20 cm耕層土壤容重1.3 g·cm-3，pH 8.1，有機碳含量11.76 g·kg-1，總氮含量1.13 g·kg-1，總磷含量1.06 g·kg-1，總鉀含量19.66 g·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗于2016年6月-2018年5月夏玉米-冬小麥生長季進行。試驗期間的氣溫、降水、施肥及土壤樣品采集時間如圖1所示。

試驗設置不同施氮量處理，分別為每季作物施氮0 kg·hm-2(N0)、100 kg·hm-2(N100)、200 kg·hm-2(N200)、300 kg·hm-2(N300)和400 kg·hm-2(N400)，小區面積125 m2(10 m × 12.5 m) 。3個重復，共15個小區。夏玉米分別于2016年6月和2017年6月播種，品種為先玉335(Xianyu 335)，種植密度為75 000 株·hm-2；40%氮肥在三葉期施用，十葉期追施60%氮肥，磷肥(P2O560 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 90 kg·hm-2)于播種前作為基肥一次性施入；同年9月收獲后將秸稈機械還田混入土壤。冬小麥分別于2016年10月和2017年10月播種，品種為西農979(Xinong 979)，播種量為300 kg·hm-2；氮肥、磷肥(P2O590 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 60 kg·hm-2)均于播種前作為基肥一次性施入；次年6月收獲后將秸稈機械還田混入土壤。試驗均以CO(NH2)2作為氮源，Ca(H2PO4)2·H2O作為磷肥，K2SO4作為鉀肥。

1.3 測定項目和方法

分別在冬小麥返青期、拔節期、開花期、成熟期和夏玉米播前(PT)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、成熟期(R6)采集土壤樣品。每個小區使用直徑為4 cm的螺旋鉆隨機鉆取0～200 cm土樣，每20 cm一層；用環刀法采集原狀土樣，用于測定土壤容重。

土壤硝態氮和銨態氮含量測定：稱取5.00 g新鮮土壤，加入1 mol·L-1KCl 溶液50 mL(水土比10∶1)，在搖床內250 r·min-1震蕩 30 min，用定性分析濾紙過濾，濾液用AA3連續流動分析儀(Auto Analyzer-Ⅲ，德國，SEAL公司)測定硝態氮和銨態氮含量。土壤全氮含量(TN)的測定采用半微量凱氏法[11]，按下列公式計算相關指標。

土壤全氮儲量= 土壤全氮含量×土壤容重×土層深度×100；

土壤硝態氮或銨態氮儲量= 土層深度×土壤容重×土壤硝態氮或銨態氮含量×0.1。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel作圖，用SPSS 23.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量對0～60 cm土層土壤全氮儲量的影響

由表1可以看出，不同施氮量對相同土層土壤全氮儲量影響均不顯著，但對0～60 cm土壤全氮儲量的增量有顯著影響，土壤全氮儲量增量隨施氮量增加而增加，除了N300和N400處理間0～60 cm土壤全氮儲量增量差異不顯著外，其余氮處理間0～60 cm土壤全氮儲量增量間差異均達到顯著水平(P<0.05)。與試驗前土壤全氮儲量相比，兩年田間試驗后，N0和N100處理的0～60 cm土層土壤全氮儲量分別減少180(3.52%)和245(4.75%)kg·hm-2；N200、N300和N400處理土壤全氮儲量分別增加288(6.08%)、627 (12.58%)和709(14.89%) kg·hm-2。

向上的箭頭表示采樣時間，向下的箭頭表示施肥時間。

2.2 施氮量對0～200 cm土層土壤硝態氮分布和儲量的影響

表1 不同施氮量對土壤全氮儲量的影響Table 2 Effect of different nitrogen amount on soil total nitrogen stock kg·hm-2

圖2 2016年夏玉米各生育期施氮量對不同土層含量影響Fig.2 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of summer maize in 2016

圖3 2017年冬小麥各生育期施氮量對不同土層含量影響Fig.3 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of winter wheat in 2017

圖4 2017年夏玉米各生育期施氮量對不同土層含量影響Fig.4 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of summer maize in 2017

圖5 2018年冬小麥各生育期施氮量對不同土層含量影響Fig.5 Effect of nitrogen application on content in different soil layers at different growth stages of winter wheat in 2018

相同生育期圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖7 冬小麥和夏玉米各生育期儲量分布 amount in 100-200 cm soil layer at each growth stage of winter wheat and summer maize

圖8 冬小麥夏玉米各生育期0～200 cm 土層儲量分布 amount in 0-200 cm soil layer at each growth stage of winter wheat and summer maize

圖9 冬小麥夏玉米各生育期施氮量對不同土層含量影響Fig.9 Effects of nitrogen application on in different soil layers during different growth stages of winter wheat and summer maize

圖10 冬小麥夏玉米各生育期儲量分布 amount in each growth period of winter wheat and summer maize

2.3 施氮量對0～200 cm土壤銨態氮分布和儲量的影響

3 討論

3.1 施氮量對土壤全氮儲量的影響

土壤氮儲量可以準確反映施肥措施對土壤氮素積累的影響[12]，Mazzoncini等[13]通過15年長期定位試驗發現，小麥-玉米輪作體系中不施氮(N0)、低施氮(N1)、中施氮(N2)、高施氮(N3)處理的0～30 cm土層土壤全氮儲量增量分別為-0.68×103、-0.50×103、0.48×103、0.74×103kg·hm-2。在不施用有機肥的情況下，施用氮肥、磷肥可顯著降低土壤全氮儲量；施用有機肥的情況下，氮磷肥均施土壤全氮儲量增加量最大[14]。Tong等[15]研究發現，N、P、K無機肥配合高量有機肥處理的耕層土壤全氮含量最高。本研究在秸稈全部機械還田(12 500～27 272 kg·hm-2·a-1)的條件下，與試驗前(2016年6月)相比，試驗結束后(2018年6月小麥收獲后) 0～60 cm土層N0和N100處理的土壤全氮儲量負增加，N200、N300和N400處理的土壤全氮呈正增加；和N0相比較，N100處理0～60 cm土層土壤全氮儲量略有下降，N200、N300和N400處理均顯著增加，其增量分別為468、807和889 kg·hm-2。其中秸稈是土壤全氮儲量增加的主要原因，僅施用氮肥對土壤全氮含量沒有顯著影響[12]，適量的施氮能顯著提高秸稈量，增加土壤有機氮的儲量，減少氮以氣態形式排放和鹽形式流失，從而增加土壤全氮含量和儲量[16-17]。因此，秸稈還田配施一定量的氮肥，可以顯著增加土壤全氮儲量。