氮肥減施下有機肥替代對滴灌棉花產量、氮素吸收利用及土壤硝態氮的影響

楊國江,陳 云,林祥群,何江勇,劉盛林,曲永清

(1.新疆農墾科學院/農業農村部西北綠洲節水農業重點實驗室,新疆石河子 832000;2. 新疆石河子職業技術學院,新疆石河子 832000;3. 新疆沃土壯苗農業科技有限公司,新疆克拉瑪依 834032;4. 新疆石河子新業農牧生物發展有限公司,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】化肥為作物生長提供了必需養分[1],化肥施用量尤其是氮肥施用量有所增加[2-5]。過量施用氮肥會導致土壤質量降低[6-7]。研究氮肥減施下有機肥替代對滴灌棉花產量、氮素吸收利用及土壤硝態氮的影響,對選擇合適的有機肥替代技術有實際意義。【前人研究進展】化肥減量條件下有機肥替代化肥能夠顯著增加作物產量[8-11],但并不是有機肥替代比例越高越好[12-13],有機肥替代比例過高反而會造成作物減產[14-16]。適宜的有機肥替代化肥的比例才能提高土壤養分有效性,增加作物養分吸收和運輸[17]。有機肥替代化肥的最佳比例為10%～30%[18-20]。化肥減量配施黃腐酸能夠改善土壤速效養分供應,促進作物生殖器官中的養分累積,提高作物產量及改善品質[21-23]。【本研究切入點】新疆棉花種植面積和總產均占全國的85%以上,隨著化肥減施增效技術的推廣,有機肥替代化肥也取得了一定成效[18, 24-25],但目前有機替代主要集中在一種有機肥替代部分化肥或黃腐酸配施化肥上,而化肥減施下有機肥替代化肥再配施黃腐酸對棉花產量和氮肥吸收利用的影響尚無文獻報道。需比較氮肥減施條件下有機肥替代在滴灌棉花上的肥效及其對土壤硝態氮的影響。【擬解決的關鍵問題】設置5個處理,分析棉花產量、氮肥吸收利用及土壤硝態氮的變化,建立合適的氮肥減施下等氮量有機替代技術模式,為新疆棉花化肥減施和有機肥替代化肥提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年和2021年在新疆石河子市北泉鎮開展,試驗區土壤為壤質灌耕土。棉花供試品種為新陸早57號,2020年4月15日和2021年4月16日播種。采取膜下滴灌種植,1膜6行3條滴灌帶,行距配置(10+66) cm,株距10 cm,小區面積54 m2。滴灌帶滴頭流量為2.8 L/h,播種后滴灌出苗水(第1水),第2水6月8日灌溉,以后每間隔8～12 d灌溉1次,8月20日停水,全生育期灌溉10次,灌水定額450 m3/hm2,灌溉定額4 500 m3/hm2。表1

表1 0～40 cm土壤基本農化性狀

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

各處理25%的氮肥在播種前基施,其中處理2、處理3施用尿素,處理4、處理5施用豬糞;75% 氮肥作追肥(尿素),分別在棉花蕾期(1次,15%)、花期(2次,10%和15%)、鈴期(2次,15%和10%)和盛鈴期(1次,10%)分6次隨水滴施。處理5的黃腐酸分別在棉花蕾期和花期隨水滴施。各處理的磷肥為重過磷酸鈣(P2O546%)、鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)在翻地前作基肥一次性施入。豬糞有機肥主要理化指標:水分3.43%,pH 6.95,有機質26.18%,P2O51.93%,K2O 1.51%。

1.2.2 樣品采集

在施基肥前、蕾期、花期、成熟期,在試驗區多點采集0～20 cm、20～40 cm土壤,帶回實驗室風干,揀去植物根系、動物殘體和石塊等雜物,研磨,備用。

1.2.3 測定指標

土壤pH值:稱取5 g過2 mm篩的風干土樣,加入25 mL去除CO2的蒸餾水(pH=7.0),震蕩20 min,靜止沉淀后,用酸度計測試上清液的pH值,即為土壤的pH值。

土壤養分:有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法;硝態氮用1 mol/L的KCl溶液浸提,流動分析儀測定;有效磷用pH 8.5的0.5 mol/L NaHCO3浸提,鉬銻抗比色;速效鉀用NH4OAc浸提,火焰光度法測定。

生物量:在棉花成熟期采集地上部的植株樣品,按莖、葉、蕾/花、殼、纖維、籽等不同器官分離開,105℃殺青30 min,然后70℃烘干至恒重,稱重,記錄干物質重,即地上部生物量。

植株全N:將烘干的植株樣品粉碎,過0.5 mm篩,用H2SO4-H2O2消煮,用凱氏定氮法測定植株不同部位N含量。

加強軍事文化傳播體系建設。適應建設世界一流軍隊、打贏信息化戰爭的需要，緊跟信息化數字化智能化技術的發展，針對“西強中弱”的國際輿論格局，優化軍事文化傳播機構設置，構建大眾傳播與群體傳播相結合、專業人員與兼職人員相結合的軍事文化傳播隊伍。在軍隊宣傳文化系統開展增強腳力、眼力、腦力、筆力的教育培訓和實踐鍛煉，努力打造一支政治過硬、本領高強、求實創新、能打勝仗的軍事文化傳播隊伍。

棉花產量:成熟期于各小區調查面積為9.6 m2內的棉花株數、鈴數,并采收小區內棉花100朵測單鈴重。

氮肥利用率(%) = (施氮區作物吸氮量-不施氮區作物吸氮量)/施氮量×100%,表示被植物吸收的氮占施入土壤的肥料氮的比例。

氮表觀平衡(kg/hm2)=施氮量(投入量)-棉花氮吸收量(移走量)。

1.3 數據處理

圖表利用Microsoft Excel 2003制作,試驗數據采用SPSS 21.0統計軟件進行方差分析和多重比較 (LSD法)。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代部分氮肥對棉花產量的影響

研究表明,試驗年份對棉花產量沒有顯著影響(P>0.05),處理間產量差異顯著(P<0.05),施用氮肥顯著提高了皮棉產量,其中氮肥減施條件下,有機肥替代部分氮肥再配施黃腐酸(N180MN60FA)的增產效果最好。2020年,氮肥減量20%(N240)的棉花產量顯著低于習慣施肥(N300),減產8.6%;氮肥減量20%條件下,N180MN60和N180MN60FA處理比N300處理分別增產0.9%和3.3%,但三者間沒有顯著差異。2021年氮肥減量20%條件下,N240處理比N300處理減產9.3%,而N180MN60FA處理比N300處理分別顯著增產6.4%,但N180MN60和N300處理沒有顯著差異。圖1

注:N0—不施氮肥;N300—施氮量300 kg/hm2;N240—施氮量240 kg/hm2;N180MN60—施氮量240 kg/hm2,75%N由尿素提供,25%N由有機肥提供;N180MN60FA—N180MN60配施150 kg/hm2黃腐酸。不同小寫字母表示同一年份不同處理間差異達到顯著性水平(P<0.05),下同

2.2 有機肥替代部分氮肥對棉花生物量的影響

研究表明,施用氮肥顯著提高了棉花總生物量。2020年,N180MN60FA處理的總生物量顯著大于N300處理,增加6.3%,其中N180MN60FA處理的葉、纖維、棉籽的生物量顯著大于N300處理,而莖與殼沒有顯著差異;而N180MN60和N300處理的生物量沒有顯著差異,但二者都顯著大于N240和N0處理。2021年,N180MN60FA處理的總生物量顯著大于N300處理,增加7.4%,且各部位的生物量葉都顯著高于N300處理;而N180MN60和N300處理的生物量沒有顯著差異,但二者都顯著大于N240和N0處理。在減氮20%條件下,有機肥替代部分氮肥再配施黃腐酸的效果優于習慣施肥,而有機肥替代部分氮肥效果與習慣施肥相當。圖2

圖2 不同年份各處理下棉花生物量分配與累積變化

2.3 有機肥替代部分氮肥對棉花氮素吸收量的影響

研究表明,施用氮肥顯著提高了棉花總氮素吸收量。2020年,N180MN60FA處理棉花的總氮素吸收量最大,為230.5 kg/hm2,顯著大于N0、N240、N180MN60,但與N300處理沒有顯著差異,而N180MN60FA與N300處理總氮素吸收量顯著大于N240處理;N180MN60FA與N300處理的葉、莖、殼、纖維和棉籽的氮素吸收量都沒有達到顯著差異;N180MN60FA處理殼的氮素吸收量顯著大于N180MN60處理,但其它部位沒有顯著差異;而N180MN60與N300處理的葉、莖、殼、纖維和棉籽的氮素吸收量都沒有顯著差異。2021年,N180MN60FA處理棉花的總氮素吸收量為233.0 kg/hm2,顯著大于N0、N240處理,與N300、N180MN60處理沒有顯著差異;N180MN60FA處理葉的氮素吸收量顯著高于N300處理,其它部位沒有顯著差異;N180MN60FA處理葉和棉籽的氮素吸收量顯著高于N180MN60處理,其它部位沒有顯著差異;N180MN60與N300處理的各部位氮素吸收量沒有顯著差異,而N300處理僅有棉籽的氮素吸收量顯著高于N240處理,其它部位沒有顯著差異。圖3

圖3 不同年份各處理下棉花不同部位磷素吸收量變化

2.4 有機肥替代部分氮肥對棉花氮肥效率的影響

研究表明,2020年施氮處理的氮肥利用率為38.2%～48.4%,其中N180MN60FA處理的氮肥利用率最高,其次是N180MN60、N240處理,而N300處理最低。2021年,N180MN60FA處理的氮肥利用率最高,為54.3%,其次是N180MN60處理,而N300處理最低,為42.4%。2年的平均氮肥利用率為40.3%～51.3%,其中N240、N180MN60、N180MN60FA處理的氮肥利用率比N300處理分別提高6.5、8.4、11.0個百分點。2020年至2021年,不施氮處理的土壤N表觀平衡均為虧缺,2年平均為-108.6 kg/hm2;而N300、N240、N180MN60和N180MN60FA處理的土壤N表觀平衡均為盈余,2年平均分別為70.4、19.1、14.7和8.3 kg/hm2,其中N180MN60FA處理的土壤N盈余遠小于其它3個施氮處理。表2

表2 各處理棉花氮肥效率和土壤氮素表觀平衡

2.5 有機肥替代部分氮肥對土壤硝態氮的影響

研究表明,2020年,棉花蕾期各處理間0～20 cm土壤硝態氮含量差異顯著,其中N300、N180MN60FA處理顯著大于其它處理,二者間沒有顯著差異,不施氮處理硝態氮含量最低,為18.2 mg/kg;20～40 cm土壤硝態氮含量與0～20 cm具有相同的趨勢。花期0～20 cm土層,N300處理土壤硝態氮含量為45.6 mg/kg,顯著大于除N180MN60FA之外的其它處理,而N180MN60、N180MN60FA處理間沒有顯著差異;20～40 cm土壤硝態氮含量以N300、N180MN60FA處理最高,顯著大于其它處理,二者間沒有顯著差異。成熟期0～20 cm土層,N300、N180MN60和N180MN60FA處理的硝態氮顯著高于N0、N240處理,三者間沒有顯著差異;20～40 cm土壤硝態氮含量以N300處理最高,顯著大于其它處理,而N240、N180MN60、N180MN60FA處理間沒有顯著差異。

2021年,棉花蕾期0～20 cm土層,N300處理土壤硝態氮含量為36.3 mg/kg,顯著大于其它處理,其次是N180MN60FA處理,N0處理最小;20～40 cm土壤硝態氮含量與0～20 cm具有相同的趨勢。花期0～20 cm土層,N300處理土壤硝態氮含量為48.8 mg/kg,顯著大于N0、N180MN60、N240處理,而與N240、N180MN60FA處理沒有顯著差異;20～40 cm土層,N300處理土壤硝態氮含量顯著大于其它處理,其次是N180MN60FA處理,N0處理最小。成熟期0～20 cm土層,N300、N180MN60FA處理顯著大于其它處理,二者間沒有顯著差異,不施氮處理硝態氮含量最低,為11.4 mg/kg;20～40 cm土層,N300處理土壤硝態氮含量顯著大于其它處理,而N240、N180MN60、N180MN60FA處理間沒有顯著差異。表3

表3 不同生育期 0～40 cm 土壤中硝態氮的含量

3 討 論

3.1化肥對我國糧食產量的貢獻率為40.8%[26]。棉花是我國重要的經濟作物,其化肥效率低于糧食作物[27]。習慣施氮量減少20%～30%時,玉米、小麥得產量未出現顯著下降[23, 28]。

3.2有機肥替代部分化肥可增加作物產量(短期)、改善土壤質量 (長期)[29-30]。有機肥替代化肥的比例、作物種類與品種、土壤類型和肥料種類存在較大差異。孟琳等[31]研究表明,水稻上有機肥氮替代部分化肥氮最適比例在15%～25%。任科宇等[32]、Xin等[33]研究認為,50%的有機肥替代化肥可有效提高小麥和玉米產量。陶磊等[26]研究表明,有機肥替代20%～40%常規化肥用量可達到與單施化肥處理相同產量。哈麗哈什·依巴提等[18]試驗表明,與單施化肥相比,有機肥氮替代10%～20%化肥氮可提高棉花氮素利用率,顯著增加棉花產量,30%替代時維持相當棉花產量。研究結果表明,等氮量條件下,與單施化肥相比,有機肥氮替代25%化肥氮(N180MN60)可顯著提高棉花產量,但沒有顯著增加氮素吸收量;有機肥氮替代25%化肥氮再配施黃腐酸(N180MN60FA)比單施化肥(N240)顯著增加了棉花產量和氮素吸收量,2年的氮肥平均利用率提高4.5個百分點。與習慣施氮量(N300)相比,N180MN60和N180MN60FA處理都維持了相當的棉花產量和氮素吸收量,但都提高了氮肥利用率,降低了土壤氮素表觀平衡,其中N180MN60FA處理的2年氮肥平均利用率最高,為51.3%,提高了11.0個百分點。

3.3在肥料減量的基礎上,配施有機肥能夠改善土壤理化性質,并控制土壤養分的循環與轉化[34]。化肥配施有機肥能夠減少土壤表觀氮素盈余,降低氮素在土壤剖面中的累積和淋失[35-36]。研究結果表明,與習慣施氮相比,習慣施氮減量20%(N240)和有機肥氮替代25%化肥氮(N180MN60)都降低了棉花生育期0～40 cm土壤的硝態氮含量;在N180MN60基礎上配施黃腐酸(N180MN60FA)只顯著降低了20～40 cm土壤的硝態氮含量,而0～20 cm土壤的硝態氮含量沒有顯著差異,可能是黃腐酸通過與尿素結合形成的具有較高穩定性的化學鍵,從而提高氮素有效性[37],以及黃腐酸經氧化降解后能抑制土壤脲酶活性,減緩尿素水解速度,減少氮素損失[38]。

4 結 論

4.1減氮20%條件下,有機肥替代部分氮肥再配施黃腐酸比習慣施肥顯著增加棉花干物質量,提高棉花產量,增產3.3%～6.4%;而有機肥替代部分氮肥與習慣施肥的棉花干物質與產量大體相同。

4.2減氮20%條件下,有機肥替代部分氮肥再配施黃腐酸、有機肥替代部分氮肥與習慣施肥的棉花氮素吸收量沒有顯著差異,但兩者都提高了氮肥利用率,減少了土壤氮素盈余。

4.3等氮量條件下,有機肥替代部分氮肥再配施黃腐酸顯著增加了土壤硝態氮。