不同灌溉方式下有機物料投入對土壤碳氮的影響

崔全紅

(陜西地建酒店管理有限責任公司，陜西 西安 710075)

引言

土壤是農業生產的基礎，是人類賴以生存的基石，也是人類食品與生態環境安全的有力保障。隨著人口的增加和耕地的減少，我國糧食安全、資源消耗和環境保護之間的矛盾日益突出。土壤不斷退化、土壤結構破壞、土壤肥力下降、土壤污染嚴重，并出現土壤鹽堿化、土壤酸化和土壤沙化等生態環境問題，均對我國食物安全、生態環境安全等帶來巨大隱患。化肥是農田生態系統人為投入量最大的農化產品。目前，我國用占世界8%的耕地施用了占世界30%以上的化肥，生產了占世界20%的糧食，化肥作為糧食增產的決定性因素在糧食生產中發揮了舉足輕重的作用。近二十年來，我國化肥施用量高速增長，但糧食產量增加卻很滯后，同時生態環境平衡也遭到巨大威脅。世界發達國家化肥利用率平均50%～60%，其中氮素為50%～70%。在干旱半干旱農業區，無論是雨養農業還是灌溉農業，養分是影響糧食生產的關鍵性因子之一，藏糧于土的首要問題就是要培肥土壤、提高肥料利用率。因此合理施肥是增加作物產量的關鍵。目前在相同的土壤類型和作物體系下，不同有機物料(生物有機肥、秸稈和生物炭)投入效應的比較研究相對較少，尤其是在陜西關中塿土區雨養和灌溉條件下不同有機物料投入對土壤碳氮的影響研究很少，而且有關生物炭田間效應的研究較為缺乏。本研究利用田間試驗探討了不同有機物料配施化肥對土壤碳氮含量和肥料利用率的影響，為選擇更好的塿土區土壤培肥方式提供科學理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在陜西省楊凌國家農業高新技術產業示范區西北農林科技大學教育部旱區農業水土工程重點實驗室灌溉試驗站(E108°24′，N34°20′)，海拔521m，屬于暖溫帶季風半濕潤氣候區，全年無霜期221d，降水多集中在7—10月，年降雨量600～680mm。供試土壤為土墊旱耕人為土，中壤質。耕層土壤養分含量：有機碳8.14g·kg-1，全氮0.95g·kg-1，全磷0.83g·kg-1，全鉀20.42g·kg-1，速效磷20.91mg·kg-1，速效鉀134mg·kg-1。土壤pH 8.20，土壤容重為1.37g·cm-3。

1.2 試驗設計與管理

試驗于2019年10月開始，共設雨養和灌溉2種水分條件，每種條件下6個處理，每個處理3次重復，隨機排列，一共36個小區，小區面積10m2。作物體系為冬小麥(“小偃22”)—夏玉米(“秦龍11”)輪作，1a 2熟。冬小麥行距30cm，夏玉米行距60cm，株距40cm。氮磷(NP)代表氮磷化肥，冬小麥施肥量：基肥120kg·hm-2N和100kg·hm-2P2O5，拔節期追肥為30kg·hm-2N(氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣)；夏玉米施肥量：基肥225kg·hm-2N加90kg·hm-2P2O5(氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨)。供試生物有機肥為西安紫瑞生物科技有限公司的佳禾家旺生物有機肥，主要技術指標：有效活菌數(CFU)≥0.2億·g-1；有機碳(以干基計)≥40%；水分≤30%。秸稈為粉碎小麥秸稈(5mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供，由小麥秸稈550℃下無氧熱解產生，主要成分：灰分為46.7%，pH為10.25，過5mm篩備用。各有機物料均在2013—2014年冬小麥—夏玉米播前施入，之后停止施入有機物料，以觀后效。為準確計算純碳氮的輸入量，經測定，生物有機肥、秸稈、生物炭的實際全C含量分別為18.8%、37.8%和49.0%，全N含量分別為1.60%、0.76%和1.07%，C/N比分別為11.7、50.0和46.0。灌溉試驗小區使用滴灌。冬小麥—夏玉米輪作田間試驗處理設置見表1，作物種植記錄見表2。

表2 作物種植記錄

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與測定項目

分別于試驗開始前和冬小麥收獲后采集土壤樣品。按照S形路線和“隨機”多點混合原則，每個小區的樣點數為6～8點，深度為0～20cm耕作層，四分法取混合樣l～2kg。樣品帶回室內去雜、過2mm篩后分成2份，其中1份鮮樣保存于4℃冰箱中供土壤微生物碳(SMBC)和土壤微生物氮(SMBN)測定用；另1份風干后磨碎過篩供土壤有機碳(SOC)和土壤全氮(TN)、土壤速效磷和速效鉀測定。0～200cm剖面新鮮土壤樣品：每20cm為1層，每小區10個分析樣品，用于測定土壤有機碳和全氮含量。

1.3.2 樣品測定方法

生物有機肥、秸稈和生物炭的元素組成采用意大利Costech公司生產的ECS4024型元素分析儀(Elemental combustion system)測定。SOC采用K2Cr2O4容量法測定；土壤植物的TN采用凱氏定氮法測定。

2 結果與分析

2.1 雨養條件下有機物料投入對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳(SOC)是土壤肥力的重要指標，直接影響土壤的理化性質以及微生物學性質。雨養條件下有機物料投入對土壤有機碳含量的影響見表3。第1茬冬小麥收獲后各處理SOC含量在8.80～13.00g·kg-1，除SNP處理外其它有機物料投入均顯著大于CK(P<0.05)，其中B2NP、B1NP、MNP處理的SOC含量相對于NP分別顯著提高了35.7%、19.1%和11.5%(P<0.05)。夏玉米收獲后SOC提升趨勢同第1茬冬小麥收獲后，且各處理SOC含量在8.84～16.62g·kg-1，B2NP、B1NP、MNP相對于NP分別顯著提高了80.5%、36.8%和21.8%(P<0.05)。第2茬冬小麥收獲后SOC含量B2NP、B1NP處理相對于NP分別顯著提高了22.8%和46.9%(P<0.05)，其它處理間差異不顯著。夏玉米收獲后SOC含量較第1茬冬小麥收獲后均有所提高，其中SNP、B2NP分別顯著提高了13.6%和27.9%(P<0.05)。第2茬冬小麥收獲后SOC含量相對于夏玉米收獲后又有顯著下降的趨勢，但相對于第1茬冬小麥收獲后差異不大，這是由于前2茬作物播種前各有機物料投入均施入不同量的有機物料，第2茬冬小麥播前停止施入有機物料，各有機物料處理SOC含量有下降趨勢。

表3 雨養條件下不同有機物料處理的SOC含量及動態變化

連續3茬作物種植后，各有機物料投入中，B2NP和B1NP處理的SOC含量增量最多，SNP次之，MNP最少，這和投入的3種有機物料—生物有機肥、秸稈、生物炭的實際全C含量(分別為18.8%、37.8%和49.0%)相關。第1茬冬小麥和夏玉米收獲后，SOC含量MNP與SNP處理相比差異不顯著，這可能是由于秸稈的C/N比(50.0)大，不易被腐解。馬永良等研究表明，雨養條件下土壤1a后秸稈分解率為81.44%～86.8%；張曉雨等研究表明，小麥秸稈翻埋還田分解率在第16周達33%～35%，第36周達80%以上。

2.2 灌溉條件下有機物料投入對土壤有機碳含量的影響

灌溉條件下有機物料投入對SOC含量的影響見表4。第1茬冬小麥收獲后SOC含量相對于NP都有所提高，其中B2NP、B1NP分別顯著提高了35.3%和31.4%(P<0.05)。夏玉米收獲后SOC相對于第1茬冬小麥收獲后有提高趨勢，但差異不顯著，且各施肥處理SOC含量趨勢同第1茬冬小麥收獲后，其中B2NP、B1NP處理SOC含量相對于NP分別顯著提高了73.6%和41.9%(P<0.05)。第2茬冬小麥收獲后SOC含量趨勢同夏玉米收獲后，相對于NP，B2NP、B1NP處理SOC顯著提高了44.6%和20.8%(P<0.05)。第2茬冬小麥收獲后SNP處理SOC含量較低，可能是秸稈C/N比較大，腐解較慢。武繼承等研究結果也表明，冬小麥、夏玉米周年收獲后的土壤有效態養分和有機碳含量總體上呈下降趨勢，特別是速效磷和有機碳整體下降。灌溉條件下3茬作物連續種植后SOC含量的動態變化是先增后減，但差異不顯著，且生物炭處理停止施入后SOC含量維持穩定。這主要是因為生物炭在土壤中極為穩定，可長期將碳固定于土壤，是固碳的潛力載體。相對于雨養條件下，灌溉條件下SOC含量各有機物料投入均高于對應雨養條件下。

表4 灌溉條件下有機物料投入的SOC含量及其動態變化

2.3 雨養條件下有機物料投入對土壤全氮含量的影響

雨養條件下有機物料投入對土壤全氮(TN)含量的影響及其動態變化見圖1。雨養條件下第1茬冬小麥收獲后各施肥處理土壤TN含量的增量在0.05～0.13g·kg-1，各處理間差異不顯著。夏玉米收獲后土壤TN含量各處理相對于第1茬冬小麥收獲后有提高趨勢，各有機物料投入處理相對于NP的增量在0.08～0.27g·kg-1，其中B2NP的土壤TN含量相對于第1茬冬小麥收獲后顯著提高22%，其它處理差異均未達到顯著水平(P>0.05)。第2茬冬小麥收獲后土壤TN含量各處理間差異不顯著，但B2NP的土壤TN含量相對于前茬夏玉米收獲后顯著降低了0.1g·kg-1(P<0.05)。3茬作物連續種植后，各有機物料投入土壤TN含量均有所增加，增量分別為0.19g·kg-1、0.09g·kg-1、0.14g·kg-1和0.12g·kg-1，這與3種有機物料—生物有機肥、秸稈和生物炭的全N含量(分別為1.60%、0.76%和1.07%)密切相關。這與前人研究有機物料投入對土壤TN含量影響的結果一致。

圖1 雨養條件下不同有機物料投入的土壤TN含量

相對于NP和CK處理，有機物料投入可提高土壤TN含量，但差異并不顯著，這與前人的研究結果一致。夏玉米收獲后土壤TN含量與CK處理相比，NP處理的略低但差異不顯著，這可能是由于NP處理的籽粒產量(4440.67kg·hm-2)及地上部吸氮量(137.42kg·hm-2)均顯著大于CK處理的籽粒產量(3688.34kg·hm-2)和地上部吸氮量(82.87kg·hm-2)。

2.4 灌溉條件下有機物料投入對土壤全氮含量的影響

灌溉條件下有機物料投入對土壤TN含量的影響及其動態變化見圖2。第1茬冬小麥收獲后土壤TN含量各有機物料投入均顯著大于CK，其中B2NP相對于NP顯著提高了21%(P<0.05)，其它3個處理相對于NP有所提高，但差異不顯著。夏玉米收獲后土壤TN含量相對于前茬冬小麥收獲后有升高趨勢，但差異不顯著，該季各有機物料投入土壤TN含量相對于NP均有所提高，其中SNP、B1NP顯著大于NP處理(P<0.05)。第2茬冬小麥收獲后土壤TN含量相對于前茬夏玉米收獲后進一步提高，但差異未達到顯著水平，且各處理中B2NP相對于NP顯著提高22%(P<0.05)。連續種植3茬作物季節間土壤TN含量差異不顯著。相對于雨養條件下，灌溉條件下土壤TN含量各有機物料投入均高于雨養條件下的對應處理。王凌等研究表明，適量水分有利于提高土壤有機碳含量，提高微生物活性。

圖2 灌溉條件下有機物料投入的土壤全氮含量

2.5 雨養條件下有機物料投入對土壤C/N(SOC/TN)比的影響

雨養條件下有機物料投入對土壤C/N比的影響及其動態變化見表5。第1茬冬小麥收獲后各施肥處理土壤C/N比在9.97～13.04，除了SNP差異不顯著外，其它處理均顯著大于NP。夏玉米收獲后土壤C/N比在9.20～13.67，各處理相對于NP平均提高了1.1個單位，其中B2NP顯著提高了41.1%(P<0.05)，其它處理間差異不顯著(P>0.05)。第2茬冬小麥收獲后土壤C/N比在8.07～11.52，B2NP、B1NP顯著大于NP(P<0.05)，但相對于前2茬有降低趨勢。

表5 雨養條件下有機物料投入土壤C/N比及其動態變化

B2NP和B1NP處理土壤C/N比顯著高于NP處理，這與生物炭的全碳投入量最多相一致。第2茬冬小麥收獲后土壤C/N比趨勢同前茬，但有下降趨勢，主要是因為試驗從第2茬冬小麥開始停止了有機物料的投入，故使得各處理SOC含量下降。

2.6 灌溉條件下有機物料投入對土壤C/N(SOC/TN)比的影響

灌溉條件下有機物料投入對C/N比的影響及其動態變化見表6。第1茬冬小麥收獲后土壤C/N比在9.33～11.22，各處理間差異不顯著。夏玉米收獲后土壤C/N比在9.17～14.72，只有B2NP顯著大于NP，并顯著提高47%(P<0.05)。相對于前茬冬小麥收獲后，夏玉米收獲后土壤C/N比有升高趨勢。第2茬冬小麥收獲后土壤C/N比同樣是B2NP顯著大于NP，并顯著提高18%(P<0.05)。相對于前2輪作物，第2茬冬小麥收獲后土壤C/N比CK和SNP處理逐季下降，并達到顯著水平。這可能是因為秸稈在土壤中的腐解期限大約為8個月，到第2茬冬小麥收獲后，第1年所施入的秸稈可能已被腐解完全。相對于雨養條件下，灌溉條件下各處理土壤C/N比均高于對應雨養條件下的處理。Abro等研究表明，隨著土壤相對含水量的增高，CO2-C的釋放速率和累積釋放量逐漸增大，適量灌溉條件下可以促進秸稈高效腐熟。

表6 灌溉條件下有機物料投入的土壤C/N及其動態變化

3 結論

不同有機物料投入均可提高土壤有機碳含量。3茬作物后，雨養和灌溉條件下土壤有機碳含量均呈現B2NP>B1NP>SNP>MNP>NP>CK的趨勢，增加幅度與有機物料全碳含量有關。與NP相比，B2NP土壤有機碳含量3茬作物收獲期分別平均顯著提高35.5%、77.1%和44.6%；B1NP分別顯著提高20.1%、39.4%和21.1%，說明生物炭投入可持續提高土壤肥力；SNP經過1a腐解后可使土壤有機碳顯著提高18.9%，但停止施入秸稈則土壤有機碳含量下降；MNP對當季作物的土壤有機碳有提升作用，停施后效果微弱。不同有機物料投入對土壤全氮含量有較小提升，3茬作物收獲后提升0.09～0.19g·kg-1，趨勢同有機碳。相對而言，灌溉條件下更有利于提高土壤有機碳和全氮含量，但差異不顯著。因此，在關中地區施用生物炭可以持續提高土壤有機碳和全氮含量，對培肥土壤效果顯著。生物炭可緩慢提高土壤全氮含量，其提升幅度與各有機物料的全氮含量有關。