氮肥深施對旱作覆膜農田土壤養分含量及春玉米產量的影響

高 飛,任亮奇,崔增團,郭世乾,鄭 杰,葉 旭,王鈺皓,張 鵬

(1.甘肅省耕地質量建設保護總站,甘肅 蘭州 730020;2.西北農林科技大學農學院,陜西 楊凌 712100;3.農業農村部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

玉米是我國重要的糧食、飼料和工業原料作物,在西北旱作農業地區廣泛種植,玉米高產穩產是保障我國糧食安全的重要措施之一[1]。近年來我國人口快速增長的同時農業耕地面積不斷縮減,實現作物單位面積增產已成為農業可持續發展的必然途徑[2-3]。干旱缺水和土壤瘠薄是限制西北干旱地區農業發展的重要因素[4]。地膜覆蓋能有效提升土壤蓄水保墑能力,是目前應用最廣泛的種植方式,很大程度上緩解了旱區農業缺水問題[5]。傳統肥料投入方式粗放,導致肥料利用效率較低。因此改變現有施肥方式,提高作物養分吸收能力和肥料利用效率,是目前旱作覆膜農田實現化肥減量增效的重要措施。

化肥的推廣使用極大地提高了土壤肥力和糧食產量,已成為農業生態系統中不可或缺的物質輸入資源[6]。有研究表明,土壤氮素含量及其分布對作物生長有非常重要的影響,在旱地農業生產中表現更為明顯[7]。施用氮肥是直接提高土壤氮素含量的重要方式,但氮肥施用過淺會造成其在農田耕層分布不均勻,易揮發損失;氮肥施用過深又會導致氮素隨降水遷移到更深層土壤中,產生淋溶現象,無法被作物高效吸收利用[8]。可見,改進施肥技術及調整施肥深度以降低氮肥損失率在提高氮肥的吸收利用效率方面具有很大的潛力[9]。Wu等[7]研究指出,氮肥適當深施能防止其揮發和淋溶,同時可增強土壤對銨態氮和硝態氮的吸附,減少流失,還能降低硝化和反硝化作用造成的損失。此外,氮肥適當深施可以通過改善深層根系生長環境和提高農田養分利用效率,促進玉米深層根系的生長[10]。在西北旱作地區,播種時一次性淺層(距地表10～15 cm)基施化肥是玉米種植最常采用的施肥方式[11]。因此,可通過調整氮肥施用深度調控農田養分的合理分布和玉米對光熱、水土資源的高效利用,合理深施有望成為西北旱作地區玉米增產增效的重要技術手段。

目前關于提高農田養分利用效率的研究主要集中在施肥種類、施肥量等方面,且多以研究南方水田為主,針對北方旱作農田的研究則以半濕潤易旱區居多[12-13],關于西北旱區不同施肥深度對作物水肥利用方面的研究相對較少。因此本研究在甘肅定西開展不同施肥深度定位試驗,研究氮肥施用深度對農田養分含量、春玉米水氮利用效率及產量的影響,明確氮肥深施后土壤養分分布及其與玉米生長的耦合特征,為優化該區春玉米施肥方式、提高產量和實現農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021—2022年在甘肅省定西市安定區旱作節水農業示范園(35°47′N,104°31′E,海拔1 822 m)進行。該地區屬于典型的大陸性季風氣候,年平均降雨量370 mm,其中70%的降雨集中在6—9月(圖1);年平均氣溫為7.1℃,年平均日照時數2 500.2 h,年蒸發量1 478.5 mm,無霜期140～162 d。試驗田為旱平地,土壤質地為黑壚土,中低等肥力水平,前茬作物為玉米,試驗地0～20 cm土層土壤基礎理化性質見表1。

表1 試驗地播前土壤基礎理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil foundation before sowing in the test site

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計,在雙壟溝覆膜種植方式下設置3個氮肥施用深度:帶狀施于地下5(D5)、15 cm(D15)和25 cm(D25),以不施氮處理(N0)為對照,共4個處理。每個小區面積120 m2(15 m×8 m),設3次重復。供試玉米品種為‘先玉335’,播種密度為75 000株·hm-2,各處理行距分別為70 cm(大行)和50 cm(小行),株距均為23 cm,各年份玉米均于4月初播種,9月底收獲。

試驗前5 d進行整地施肥,用深松機(1S-220,農哈哈,河北,中國)將土壤深松至40 cm深度后,用旋耕機將磷肥均勻旋耕混合于土壤0～30 cm土層,采用人工分層施肥機將全部氮肥按處理分別條施入不同深度土層,進行機械起壟覆膜。各氮肥施用深度處理氮肥施用量(以純N計)均為225 kg·hm-2,各處理磷肥(P2O5)施用量均為120 kg·hm-2,氮肥和磷肥分別為尿素(N≥46.4%,陜西陜化化肥股份有限公司)和過磷酸鈣(P2O5≥12%,云南云天化股份有限公司),所有肥料均為基施,生育期內不進行追肥和灌溉,其他田間管理與當地農戶保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤取樣 2022年玉米收獲后次日,在各小區內用直徑為5 cm的土鉆按“S”型5點取土法進行取樣,取樣深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層,同小區取樣點土樣同層混合,作為1次重復(約500 g),每個小區重復3次,樣品剔除石塊及動植物殘體等雜質后,放在陰涼通風處自然風干,再粉碎、過篩,備測土壤養分。

1.3.2 土壤養分測算 土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮(TN)采用凱氏定氮法,堿解氮(AN)采用堿解擴散法,速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法,速效鉀(AK)采用火焰光度法測定;并利用土壤有機碳和全氮的比值計算土壤C/N。

1.3.3 土壤貯水量計算 在玉米播前和收獲后每隔20 cm土層取一個土樣,采用烘干法測定0～200 cm土層土壤含水量,取樣位置為大、小壟間及玉米株間3個位置,取平均值,并用公式(1)進行播前和收獲后貯水量(Soil water storage,SWC,mm)的計算:

SWC=h×p×b×10

(1)

式中,h為土層深度(cm),p為土壤容重(g·cm-3),b為土壤水分重量百分數。

1.3.4 農田全生育期耗水量計算 根據作物播前和收獲后土壤貯水量計算全生育期耗水量(Evapotranspiration,ET,mm):

ET=W1-W2+P

(2)

式中,W1為播前土壤貯水量(mm),W2為收獲期土壤貯水量(mm),P為生育期降水量(mm)。

1.3.5 作物水分利用效率計算 結合農田生育期耗水量、作物經濟產量計算作物水分利用效率(Water use efficiency,WUE,kg·mm-1·hm-2):

WUE=Ygrain/ET

(3)

式中,Ygrain為作物籽粒產量(kg·hm-2),ET為農田耗水量(mm)。

1.3.6 干物質積累量、產量測定 分別于玉米播后30、45、65、85、105、135 d和160 d在各小區隨機選取5株玉米進行干物質積累量的測定;收獲期,每個小區選取4行有代表性的玉米,每行隨機收獲10株進行單株生物量的測定。玉米穗自然風干(籽粒含水量≤14%)后進行單株籽粒產量(穗行數、行粒數和百粒重)的測定,將單株籽粒產量和生物量分別折算為公頃經濟產量和生物產量。

1.3.7 收獲指數計算 根據生物產量和經濟產量計算作物收獲指數(Harvest index,HI):

HI=Ygrain/Ybiomass

(4)

式中,Ygrain為作物籽粒產量(kg·hm-2),Ybiomass為作物生物產量(kg·hm-2)。

1.3.8 氮肥利用效率、氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力計算 根據作物收獲后土壤氮肥吸收量計算氮肥利用效率(Nitrogen use efficiency,NUE,kg·kg-1):

NUE=100%×(NF-N0)/FN

(5)

式中,NF表示施氮處理氮吸收量(kg·hm-2),N0表示不施氮處理氮吸收量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

根據作物產量及施氮量計算氮肥農學利用效率(Nitrogen agronomic efficiency,NAE,kg·kg-1):

NAE=100%×(GYNF-GYN0)/FN

(6)

式中,GYNF表示施氮處理經濟產量(kg·hm-2),GYN0表示不施氮處理經濟產量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

根據施氮處理作物產量和施氮量計算氮肥偏生產力(Nitrogen partial productivity,NPP,kg·kg-1):

NPP=GYNF/FN

(7)

式中,GYNF表示施氮處理經濟產量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

1.4 數據分析

采用Excel 2020進行數據處理,Origin 2022進行繪圖,SPSS 23.0軟件進行顯著性差異分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)和相關性分析等。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤有機碳、全氮及C/N的影響

連續2年氮肥深施后,各處理0～40 cm土層土壤SOC含量隨土層深度的增加逐漸減小(圖2),各處理大小均表現為D25>D15>D5>N0。在不同土層,各施肥深度處理間差異有所不同,除0～10 cm土層,D25在其余土層土壤SOC含量均顯著高于D5處理,平均提高15.12%(P<0.05);D15處理僅在10～20 cm和30～40 cm土層分別較D5顯著(P<0.05)提高8.29%和15.82%;D25在各土層均略高于D15處理,但兩者之間差異不顯著。

注:圖中誤差棒為標準誤差,柱上不同字母表示相同測定指標處理間差異顯著(P<0.05),下圖同。Note: The error bar in the figure is the standard error, and different letters on the column indicate significant differences among treatments with the same index (P<0.05). The same as the following figure.圖2 不同施肥深度處理0～40 cm土層土壤有機碳、全氮含量及C/N(2022年)Fig.2 Soil organic carbon, total nitrogen and C/N in 0～40 cm soil depth under different fertilization depth treatments (2022)

各處理TN含量均隨著土層的加深逐漸減小。各施肥深度處理間差異隨土層加深逐漸增大,0～10 cm土層,D5處理TN含量顯著(P<0.05)高于D25和D15處理,分別提高1.31%和1.53%;10～20 cm土層,D15處理最高,分別較D25和D5提高1.88%和2.71%(P<0.05);隨著土層加深,20～30 cm土層和30～40 cm土層,TN含量均表現為D25>D15>D5,D25較D5分別顯著提高4.46%和4.02%(P<0.05)。

與SOC變化趨勢類似,各施肥深度處理間土壤C/N在各土層均表現為D25>D15>D5,除0～10 cm土層外,D25和D15處理在其余土層均顯著(P<0.05)高于D5處理,分別平均提高11.98%和8.87%;D25處理30～40 cm土層土壤C/N較D15顯著提高4.60%(P<0.05),其余土層兩處理間無顯著差異。

2.2 不同處理對土壤速效養分的影響

2022年玉米收獲后,各施肥處理0～40 cm土層土壤堿解氮含量隨著土層的加深逐漸降低(圖3)。施肥深度對土壤堿解氮的影響在不同土層有所不同,表層(0～10 cm)施肥深度處理表現為D5>D15>D25,隨著土層加深,在20～40 cm土層則表現為D25>D15>D5,且D25處理在20～30 cm土層較D15和D5分別顯著提高5.67%和3.21%(P<0.05),其余土層各處理間均無顯著差異。

注:AN表示堿解氮,AP表示速效磷,AK表示速效鉀。Note: AN stands for alkali hydrolyzed nitrogen, AP stands for available phosphorus, and AK stands for available potassium.圖3 不同施肥深度處理0～40 cm土層土壤速效養分含量(2022年)Fig.3 Available nutrient content in 0～40 cm soil depth under different fertilization depth treatments (2022)

各處理土壤速效磷含量隨土層深度增加顯著降低,深層(20～40 cm)較表層(0～20 cm)降幅達60.72%～74.90%。各施肥深度對土壤速效磷含量的影響有所不同,隨著土層加深,處理間差異逐漸增大,在20～40 cm土層,D25和D15處理均顯著(P<0.05)高于D5,分別平均提高30.49%和19.88%。

玉米收獲后各處理速效鉀含量基本維持在85.00～148.07 mg·kg-1,且隨著土層加深逐漸降低(圖3)。同堿解氮和速效磷相比,施肥深度對土壤速效鉀影響較大,10～40 cm土層均表現為D25>D15>D5,10～40 cm各土層,D25較D15分別提高4.26%、23.88%(P<0.05)和10.89%(P<0.05),D25較D5分別顯著提高21.45%、27.94%和18.29%(P<0.05),D15處理僅在10～20 cm土層較D5顯著提高16.48%(P<0.05)。

2.3 不同處理對玉米干物質積累量的影響

玉米各處理干物質積累量均隨生育進程的推進呈“增大-降低-增大-降低”的雙波峰趨勢(圖4)。在玉米生育前期(0～65 d),各施肥深度處理均表現為D5>D15>D25;隨著生育進程的推進,D25處理逐漸增大,播后105 d～收獲,D25處理干物質積累量均高于D15和D5處理,且差異逐漸增大。播后105 d,D25較D15和D5分別提高5.20%和22.48%(P<0.05),播后135 d分別提高7.07%和25.16%(P<0.05),收獲期(播后160 d)分別提高7.32%和28.27%(P<0.05);D15較D5平均顯著提高17.61%(P<0.05),說明適當增加施肥深度有利于提高玉米生育期干物質積累量。

注:圖中誤差棒為標準誤差,柱中不同字母表示相同時間處理間差異顯著(P<0.05)。Note: The error bar in the figure is the standard error, and different letters in the column indicate significant differences among treatments with the same number of days after sowing(P<0.05).圖4 不同施肥深度處理玉米干物質積累量動態變化(2022年)Fig.4 Dynamic changes of dry matter accumulation of maize under different fertilization depth treatments (2022)

2.4 不同處理對玉米生物產量、經濟產量及收獲指數的影響

如圖5所示,施肥深度對2個年份春玉米產量均有顯著影響,且隨著施肥深度的增加各處理生物產量和經濟產量逐漸增大,表現為D25>D15>D5>N0。由表2可知,D25處理較D15和D5處理生物產量2021年分別顯著(P<0.05)提高6.42%和27.20%,2022年分別顯著(P<0.05)提高7.21%和23.38%;D25處理2021年經濟產量較D15和D5分別顯著(P<0.05)提高8.92%和34.93%,2022年分別顯著(P<0.05)提高7.61%和29.83%;各年份D15處理產量也顯著高于D5,說明肥料適當深施有利于提高春玉米產量。

表2 不同施肥深度處理下的玉米產量及收獲指數Table 2 Maize yield and harvest index under different fertilization depth

注:圖中誤差棒為標準誤差,箱體中線、上/下限和寬度分別代表中位數,上/下四分位數和數據波動程度,陰影部分代表95%置信區間。**表示極顯著水平(P<0.01),下同。Note: The error bar in the figure is the standard error(P<0.05),The center line, upper and lower limits, and width of the box represent the median, upper and lower quartiles, and the degree of data fluctuation, respectively. The shaded part represents the 95% confidence interval. ** indicates extremely significant level (P<0.01). The same below.圖5 施肥深度與玉米經濟產量、生物產量的相關關系Fig.5 Correlation between fertilization depth and maize grain and biomass yield

與產量變化趨勢類似,2個年份各處理收獲指數均隨施肥深度的增加逐漸增大(表2),D25分別較D15和D5平均提高1.31%和8.02%(P<0.05),D25與D15間在各年份均無顯著差異。

2.5 不同處理對玉米收獲期貯水量、生育期耗水量及水分利用效率的影響

不同施肥深度對玉米收獲后農田土壤水分含量均有一定影響,各年份玉米收獲期土壤貯水量均隨施肥深度的增加逐漸降低(表3),D25和D15分別較D5處理平均顯著(P<0.05)降低12.34%和10.33%,D25僅較D15平均降低1.82%,兩者之間無顯著差異。

生育期耗水量與貯水量變化趨勢相反(表3),隨著施肥深度的增加,各年份玉米生育期耗水量均逐漸增大(圖6),表現為D25>D15>D5>N0,其中D25和D15處理均顯著高于D5(P<0.05),2021和2022年分別平均提高17.41%和14.12%,D25和D15處理間在各年份均無顯著差異。

圖6 施肥深度與作物生育期耗水量和水分利用效率的相關關系Fig.6 Correlation between fertilization depth and water use efficiency and soil water consumption during growth period

2個試驗年份各處理水分利用效率均隨施肥深度的增加而逐漸增大(圖6),其中2021年D25處理均顯著高于D15和D5(P<0.05),分別提高7.02%和13.89%,2022年D25處理較D5顯著(P<0.05)提高12.19%,較D15提高4.63%;D15與D5處理間在各年份均無顯著差異。

2.6 不同處理對氮肥利用效率、氮肥農學利用效率及氮肥偏生產力的影響

不同施肥深度對玉米的氮肥利用效率影響有所不同,隨著施肥深度的增加,各年份氮肥利用效率均逐漸增加(表4),表現為D25>D15>D5,其中2021年D25較D15和D5分別顯著(P<0.05)提高25.66%和143.25%,2022年分別顯著(P<0.05)提高26.37%和149.43%。與D5相比,D15兩年平均顯著提高95.48%(P<0.05)。

表4 不同施肥深度處理下的玉米氮肥利用效率、氮肥農學利用效率及氮肥偏生產力Table 4 Nitrogen use efficiency, agronomic nitrogen use efficiency and nitrogen partial productivity of maize under different fertilization depth

與氮肥利用效率變化趨勢相似,增加氮肥施用深度可以顯著提高氮肥農學利用效率,表現為D25>D15>D5(表4),且2個試驗年份均以D25處理最高。D25處理2021年分別較D15和D5顯著(P<0.05)提高23.07%和111.96%,2022年分別顯著(P<0.05)提高24.95%和147.65%。

由表4可知,各年份氮肥偏生產力均隨施肥深度的增加逐漸增大,表現為D25>D15>D5,2個試驗年份D25和D15分別較D5平均顯著(P<0.05)提高36.74%和26.76%,D25較D15處理分別提高8.89%(P<0.05)和6.63%。

2.7 各指標相關性

相關性研究結果表明(表5),所有土壤養分指標均與玉米生物產量和經濟產量呈正相關關系,其中SOC、C/N、速效鉀呈顯著正相關關系,土壤全氮與玉米產量無顯著相關性;各土壤養分對收獲指數和WUE影響較小,僅土壤C/N與WUE顯著正相關(P<0.01);同時,土壤養分指標中僅SOC和C/N與氮素利用相關指標NUE和NAE顯著正相關;收獲期貯水量與玉米生物產量(P<0.01)、經濟產量(P<0.01)、收獲指數(P<0.05)、WUE(P<0.01)、NUE(P<0.05)、NAE(P<0.05)和NPP(P<0.05)均具有顯著負相關關系,而生育期耗水量則與這些指標均顯著正相關。

表5 不同施肥深度處理下各土壤養分指標與玉米產量指標及水肥利用效率的相關性Table 5 Correlation of soil nutrient indexes with maize yield indexes,water and fertilizer use efficiency under different fertilization depth

3 討 論

3.1 氮肥深施對農田土壤養分含量的影響

西北旱地土壤養分供應能力差,與實現作物增產目標之間的矛盾日益增加。提高土壤有機碳(SOC)含量是改善該地區土壤理化性狀、提高作物產量的重要途徑[22]。前人研究指出,氮肥深施可以顯著提高土壤有機碳的含量,同時降低土壤有機碳的降解速率[23]。本研究表明,隨著施肥深度的增加,土壤0～40 cm土層土壤有機碳含量逐漸增加,且25 cm深施處理高于常規淺施及其他施肥深度處理(圖2),這可能是因為氮肥深施會增加作物的生物量和歸還到土壤中的有機物量,進而提升SOC的累積[14]。樊代佳等[24]在湖北省武穴市的研究表明,與傳統表施和深施20 cm處理相比,氮肥深施10 cm處理土壤有機碳含量最高,提高土壤肥力和作物產量的效果也最佳。其影響有機碳的最佳施肥深度與本研究不同,可能是兩地的氣候條件和成土過程差異造成的。

3.2 氮肥深施對農田玉米干物質積累量及產量的影響

不少研究表明,氮肥深施能通過改善土壤養分狀況和土壤結構促進作物生長,最終實現增產增收[25-26]。Wang等[27]研究發現,深施氮肥能夠增加玉米穗數以及穗粒數,從而提高玉米產量及收獲指數。本研究也發現,隨著施肥深度的增加,玉米生物產量及經濟產量均逐漸增加,D25處理增產效果最佳(圖5,表2)。這可能是因為氮肥深施后氮素以氣態形式的損失量減少,保證了玉米生育中后期氮素供給,促進了植株的生殖生長,同時有利于花后植株氮素向籽粒轉移,從而實現增產[11]。本研究還發現各處理玉米干物質積累量均隨施肥深度的增加呈逐漸增大趨勢,這與Qiang等[28]的研究結果基本一致,可能是相比于淺施,氮肥深施可提高玉米根層土壤養分含量,促進根系對養分和水分的吸收利用,提高植株光合能力,進而增加地上部干物質積累量[29]。

3.3 氮肥深施對農田耗水量及水分利用效率的影響

優化施肥深度有利于作物根系生長,進而提高作物吸收和利用水分的能力[30-32]。前人研究表明,旱作農田土壤貯水量同時受降雨量和作物根系對水分吸收利用情況的影響[33]。而改變施肥深度能顯著影響作物根系吸收利用水分能力進而影響作物耗水量[34]。本研究發現,隨著施肥深度的增加,玉米生育期耗水量逐漸增加,收獲期土壤貯水量逐漸降低,D25和D15處理貯水量均顯著低于D5(表3)。這可能是因為氮肥深施可有效提高作物的葉面積指數和蒸騰速率[18],與5 cm施肥深度處理相比,15 cm和25 cm氮肥深施處理玉米生育中后期的干物質積累量較有所增加(圖4),生物產量和經濟產量顯著提高(表2),而農田耗水量與玉米產量顯著正相關(表5),故氮肥深施處理農田耗水量顯著增加,同時收獲期土壤貯水量降低[35]。本研究還表明,優化施肥深度可以改善作物水分利用狀況,隨著施肥深度的增加,春玉米水分利用效率逐漸增大,D25較D15和D5處理2年平均顯著提高5.85%和13.06%(圖6)。這與Wu等[26]在半濕潤易旱區的研究結果一致,可能是因為深施氮肥可以一定程度上緩解水分的空間錯位問題,減少水分的無效蒸發,促進了作物對深層土壤水分的利用[36-37];此外,地膜覆蓋措施也可以有效收集和利用雨水,防止徑流和保持土壤濕度,從而提高作物產量及水分利用效率[38]。本研究還發現春玉米水分利用效率與收獲期土壤貯水量極顯著負相關,與農田耗水量極顯著正相關(表5),進一步印證了此結論。

4 結 論

與常規施氮深度處理(D5和D15)相比,氮肥25 cm深施處理(D25)提高了覆膜農田0～40 cm土層有機碳(SOC)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)等土壤養分含量;可促進玉米吸收利用土壤水分和養分,提高春玉米水分利用效率和整個生育期干物質積累量,顯著增加玉米產量并提高氮肥利用效率。因此,氮肥25 cm深施模式是優化西北旱作區春玉米施肥方式、提高農田水肥利用率和農業可持續發展的重要措施。