氮肥对库布齐沙地柳枝稷产量、氮肥利用率及土壤硝态氮残留的影响

陶 梦,苏德荣,吕世海,王铁梅,陈俊翰

(1.北京林业大学草地资源与生态研究中心,北京 100083; 2.中国环境科学研究院生态环境研究所,北京 100012;3.亿利资源集团有限公司,北京 100031)

库布齐沙地位于鄂尔多斯高原脊线的北部, 其西、北部紧邻黄河,地下水位高,水热条件较好,适宜适沙型经济植物生长,是我国最具代表性的干旱、半干旱地区之一。近几十年来,随着防沙治沙工作的深入,库布齐沙地植被生态恢复取得了长足进展,沙区的治理正在从沙漠化防治、沙区生态环境改善向沙漠化地区资源高效利用发展[1]。柳枝稷(Panicumvirgatum)是原产于美国的一种多年生暖季型C4草本,具有植株高大、根系发达、生长迅速、产量高、耐贫瘠、抗逆性强、适应性广等特点[2],在水土保持、防沙治沙、盐碱地治理等方面具有广阔的应用前景[3]。将暖季型的柳枝稷引种到库布齐沙地,不仅可以丰富库布齐沙地的生物多样性,改善土壤生态功能达到治理荒漠化的目的[4-5],同时可以作为一种饲草原料和草本生物质能源植物,实现防沙治沙与经济效益的结合。

库布齐沙地虽然水热条件良好,但沙区土壤为风沙土,其特点是土壤贫瘠,有机质含量低,尤其是氮肥缺乏。氮素是植物生长发育需求量最大的营养元素,由于土壤中溶解的无机氮浓度一般较低[6],不能满足植物生长发育的需要,因此在农业中通过施用氮肥以获得植物稳定高产的现象普遍存在。然而,在大田生产中,过量施用氮肥往往不能使柳枝稷产量线性增加,甚至会降低柳枝稷的氮肥利用效率。Lemus等[7]在美国弗吉尼亚州的研究表明,施氮量从90 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2,柳枝稷的氮肥利用率下降了83.3%。Owens等[8]研究发现,随着施氮量的增加,柳枝稷的产量逐渐增加,但其氮肥利用率降低。Obour等[9]研究发现,柳枝稷的产量与施氮量之间存在二次函数关系,施氮量为151 kg·hm-2时其产量最高。

同时,如果氮肥施用量超过植物对氮素的需求量,就会造成硝态氮在土壤中的大量累积[10-12]。硝态氮是土壤淋洗损失的主要形式,硝态氮的累积会引发土壤酸化,通过淋溶损失、径流损失和干湿沉降对水体造成污染,增加N2O等温室气体排放等一系列环境问题[13-16],对生态环境造成危害。因此,应在保证植物优质高产的前提下,提高氮肥利用效率、减少氮肥损失,并且最大限度地降低由于硝态氮累积对环境造成的负面效应。本研究将柳枝稷引入库布齐沙地,研究硫酸铵和尿素两种氮肥的不同施用量对于柳枝稷产量、氮肥吸收利用的影响,以期为在库布齐沙地开发种植柳枝稷提供试验依据,实现引种与治沙的有效结合。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇(108°42′ E,40°36′ N,海拔约1 016 m)。该区属温带大陆性干旱季风气候,年均温6.3 ℃;全年无霜期135 d;年平均降水量186.0 mm。

田间试验于2016年4月在亿利资源集团沙漠研究院精品种植园实验基地进行,试验地种植多年甘草(Glycyrrhizauralensis)和欧李(Cerasushumilis),土壤为风沙土,0-20 cm土层土壤pH 8.87,电导率153.6 μS·cm-1,有机质含量5.05 g·kg-1,全氮含量0.14 g·kg-1,全磷含量0.42 g·kg-1,全钾含量5.14 g·kg-1,速效磷含量38.05 mg·kg-1,速效钾含量464.14 mg·kg-1。2016年4-9月试验期间,降水量为187.4 mm。

1.2 试验方法

试验所用的柳枝稷品种为BL-1,于2016年4月28日播种,条播,播种量为6.5 kg·hm-2,行距50 cm,2016年9月26日(初花期)收获。小区面积为3 m×5 m,采用随机区组设计,3次重复。供试氮肥为尿素(含氮量约46%)和硫酸铵(含氮量约21%),各设置4个施氮水平,施氮素量分别为0(CK)、75、150、225 kg·hm-2,于苗期(6月3日)、分蘖期(6月25日)、拔节期(7月17日)分3次独立施入各小区,各小区在3个时期的施肥量分别为对应小区施氮量的1/5、2/5和2/5。全生育期适当灌溉,保证水分供应充足。

1.3 样品采集与测定

1)鲜干比:于柳枝稷初花期在每小区选取50 cm×50 cm样方,留茬高度5 cm,带回实验室称量鲜重。随后在105 ℃的烘箱中杀青20 min后置于70 ℃,恒温下烘48 h,冷却后取出称量干重,计算鲜干比,鲜干比=鲜重/干重。

2)产量:在初花期将柳枝稷按小区全部刈割,称量各小区柳枝稷鲜重。再根据柳枝稷的鲜干比以及小区面积换算出柳枝稷单位面积的干物质产量。

3)植株含氮量:样品烘干后粉碎过1 mm筛,采用半微量凯氏定氮法,利用FOSS 2300凯氏定氮仪测定植物样品中的全氮含量[17]。

4)土壤硝态氮含量:在柳枝稷初花期收获后,用土钻分别在各小区采集柳枝稷根际土壤样品。取样时每小区在对角线与中间位置取3个点,按取样层次等层混合,取样深度为40 cm,每10 cm为一层,用紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量[18]。

1.4 数据处理

植株吸氮量=单位面积地上部分植株生物量×地上部分植株含氮量

图6为500 kV交流双回路输电线路塔-线耦全体系模型中的导、地线绝缘子，绝缘子与杆塔挂点之间的连接关系,图中分别标明了悬垂绝缘子、导线和地线等.

氮肥利用率=(施氮处理地上部吸氮量-对照地上部吸氮量)/施氮量×100%；

土壤氮贡献率=对照植株地上植株吸氮量/施肥区地上植株吸氮量×100%；

氮肥偏生产力=施氮小区柳枝稷产量/小区施氮量；

土壤硝态氮残留量(kg·hm-2)=土层厚度×每公顷面积×土壤容重×土壤硝态氮含量/106；经过实测，0-30 cm土层土壤容重为1.521 g·cm-3，30-40 cm土层土壤容重为1.531 g·cm-3。

土壤硝态氮积累量为0-40 cm土壤各个土层的硝态氮残留量之和。

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行录入和整理,并绘制图表。利用SPSS 19.0进行显著性检验及相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理对柳枝稷产量的影响

硫酸铵和尿素的施用对于柳枝稷的产量影响不同(表1)。施用硫酸铵的柳枝稷产量随着施氮量的增加而增加,在施氮量为225 kg·hm-2时最大,为23.55 t·hm-2,与对照(施氮量为0)相比增产44.39%(P<0.05)。施用尿素的柳枝稷产量随着施氮量的增加先增加后减少,在施氮量为150 kg·hm-2时达到最高,为21.33 t·hm-2,与对照相比增产30.78%(P<0.05)。当施氮量增加到225 kg·hm-2时,柳枝稷产量减少到20.42 t·hm-2,与施氮量为150 kg·hm-2时相比,减产了4.27%。两种施氮量为150 kg·hm-2时与对照相比差异显著(P<0.05),而施氮量为75 kg·hm-2时与对照相比无显著差异(P>0.05),说明当施氮量达到150 kg·hm-2时可以显著提高柳枝稷的产量。两种施氮量为225 kg·hm-2时与施氮量为150 kg·hm-2时相比,施用硫酸铵的柳枝稷产量增加,而施用尿素的柳枝稷产量减少,但差异均不显著(P>0.05)。

表1 不同氮肥处理下柳枝稷产量及氮肥利用率Table 1 Effect of different nitrogen fertilization treatments on the yield and NUE of switchgrass

同一施肥种类同列不同小写字母表示不同施氮量之间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same column of the same nitrogen fertilizer indicate significant differences among different nitrogen application rate at the 0.05 level.

图1 施氮量与柳枝稷产量关系Fig. 1 Correlation of nitrogen application rate with switchgrass yield

2.2 不同氮肥处理对柳枝稷吸氮量及氮肥利用率的影响

施用硫酸铵和尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率、土壤氮贡献率、氮肥偏生产力随着施氮量的增加呈现不同的变化趋势(表1)。施用硫酸铵处理的吸氮量在施氮量为0(对照)时最小,为136.95 kg·hm-2,且随着施氮量的增加而增加；在施氮量为150 kg·hm-2时与对照相比显著增加(P<0.05),说明施用氮肥能够有效促进柳枝稷对于氮肥的吸收利用；在施氮量为225 kg·hm-2时达到最大,与对照相比,吸氮量增加了71.96%(P<0.05)。氮肥利用率随着施氮量的增加而增加,在施氮量为75 kg·hm-2时只有33.44%,当施氮量增加到225 kg·hm-2时氮肥利用率增加到了43.80%。硫酸铵高施氮量与低施氮量相比,柳枝稷的吸氮量、氮肥利用率高,而土壤氮贡献率低,说明硫酸铵施氮量的增加既有利于促进柳枝稷对氮肥的吸收利用,又有利于降低柳枝稷对土壤氮素的依赖。施用尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均随着施氮量的增加先增加后减少,在施氮量为150 kg·hm-2时,其吸氮量和氮肥利用率最高,分别为193.15 kg·hm-2和37.47%;土壤氮贡献率先减少后增加,在施氮量为150 kg·hm-2时最低,为70.97%,说明在施氮量为150 kg·hm-2时柳枝稷对氮肥的吸收利用效果最好,对土壤氮素的依赖最小。施用硫酸铵和尿素的氮肥偏生产力均随着施氮量的增加显著降低(P<0.05),施氮量从75到225 kg·hm-2时,施用硫酸铵的氮肥偏生产力从248.78下降至104.66 kg·kg-1,降低了137.70%;施用尿素的氮肥偏生产力从241.05下降至90.75 kg·kg-1,降低了165.62%。综上说明,施氮量越高,每千克硫酸铵和尿素的施用对于柳枝稷的增产作用越低。

2.3 不同氮肥处理对0-40 cm土层土壤硝态氮分布与积累的影响

施用氮肥可以显著提高0-40 cm土层土壤硝态氮含量、硝态氮的残留量(P<0.05),且随着施氮量的增加,0-40 cm土层土壤硝态氮含量、硝态氮的残留量逐渐增加。在各施氮量处理下,0-40 cm土层土壤硝态氮含量、硝态氮的残留量均随着土壤深度的增加呈现先增加后减少的变化趋势(图2、图3)。在不同施肥处理间,土壤硝态氮含量变动在5.71～35.56 mg·kg-1,0-40 cm土层土壤硝态氮的残留量变动在8.75～54.09 kg·hm-2。土壤硝态氮集中分布在0-30 cm土层,且以10-20 cm土层含量最高。

柳枝稷收获后,土壤剖面的硝态氮积累量在施肥试验后,较试验前发生了变化,并且随着施氮量的增大而增大(图4)。施用尿素的小区在施氮量为225 kg·hm-2时显著增加(P<0.05),说明在施用尿素的条件下,施氮量为225 kg·hm-2时会大大增加0-40 cm土层土壤硝态氮的积累,从而增加硝态氮向下淋溶的风险。

土壤硝态氮在0-40 cm土层土壤的积累量与施氮量之间呈正相关关系,可以用线性模型来描述。施用硫酸铵的土壤硝态氮积累量与施氮量之间的回归方程为y=0.425x+43.957(R2=0.648 8，P<0.01),施用尿素的土壤硝态氮积累量与施氮量之间的回归方程为y=0.378 2x+47.475(R2=0.759 1，P<0.01),土壤硝态氮积累量均随着施氮量的增加而增加，且在施氮量增长相同幅度时,土壤硝态氮在0-40 cm土层土壤的积累量在施用硫酸铵时大于尿素,说明硫酸铵的施用相较于尿素对于增加土壤硝态氮在0-40 cm土层土壤的积累的促进作用更显著(P<0.05)(图5)。

图2 不同氮肥处理下0-40 cm土层土壤硝态氮分布Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0-40 cm soil layer under different fertilization treatments

图3 不同氮肥处理下0-40 cm土层土壤硝态氮残留Fig. 3 Soil residual nitrate-N content in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments

不同小写字母表示同一土层不同施氮量之间差异显著(P<0.05)，大写字母表示同一施氮量下不同土层之间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference among different nitrogen application rates at the 0.05 level; different capital letters indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level.

3 讨论

3.1 氮肥对柳枝稷产量的影响

氮素是影响柳枝稷产量最重要的营养元素之一,人为施加氮肥以满足植物生长对氮素的需求是维持植物高产的重要措施。大量的研究表明,在一定的施氮范围内,植物产量随着施氮量的增加而提高,但超过施氮量阈值后,增施氮肥不仅不能提高产量,甚至会限制植物对氮肥的吸收利用,降低产量[19-22]。这与本研究结果一致。本研究中,施用尿素的试验小区在施氮量低于150 kg·hm-2时随着施氮量的增加而增加,施氮量增加到225 kg·hm-2时，与150 kg·hm-2时相比，柳枝稷产量降低了4.27%、柳枝稷吸氮量减少了11.03%、氮肥利用率降低了58.63%,说明尿素的施氮量超过150 kg·hm-2时不利于柳枝稷增产,同时使柳枝稷对氮肥的吸收利用能力降低,这可能与根际土壤特性的变化有关。马晓霞等[23]的研究表明,施肥可以增加土壤可利用的氮素,从而增强土壤中脲酶、过氧化氢酶的活性,促进根系对养分的吸收。然而,施用氮肥过量时,一方面会影响根系生长发育,降低根系对养分的吸收[24];另一方面,为避免地上部植株积累氮素过量,植株会通过影响光合线性电子传递,降低光合作用,从而抑制根系生长及其对养分的吸收[25-26]。而施用硫酸铵的柳枝稷产量、柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均随着施氮量的增加而增加,说明本研究中的最高施氮量225 kg·hm-2并没有达到硫酸铵的施氮量阈值,其主要原因可能与研究地的土壤条件有关。研究地的土壤是盐碱土,硫酸铵是酸性肥料,施用硫酸铵会对土壤的盐碱化程度有一定的缓解,使土壤环境更接近柳枝稷的适宜生长环境,进而有利于柳枝稷增产及其对氮肥的吸收利用。

图4 不同氮肥处理对0-40 cm土层土壤硝态氮积累量的影响Fig. 4 Soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments

图5 施氮量与0-40 cm土层土壤硝态氮积累量的关系Fig. 5 Correlation between nitrogen application rate and soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profile

3.2 氮肥对土壤硝态氮的影响

过量施用氮肥时,由于氮肥不能完全被植物吸收利用,土壤胶体又不能吸附NO3-,因此会使硝态氮在土壤中大量累积,这些硝态氮在强降雨和灌溉条件下容易向下淋溶,造成地下水体的污染。因此,硝态氮在土壤中的含量、积累量及其在土壤中的分布规律是反映土壤硝态氮淋失风险的重要指标。本研究中,施用硫酸铵和尿素的0-40 cm土壤剖面硝态氮含量、硝态氮残留量均随着施氮量的增加而增加,且集中分布在10-20 cm土层,可能是由于此土层的微生物活动及相关酶活性较强,有利于氮素的积累。这也与前人的研究结果相似。张斐斐等[27]的研究结果表明,氮肥施用量和土壤中硝态氮的含量、残留量密切相关,施氮量越高,土壤中残留的硝态氮越多。蒋会利等[28]的研究表明,土壤耕层硝态氮主要集中在0-40 cm土层,且含量随着施氮量的增加而增加。张慧霞等[29]的研究表明,不同施肥处理土壤硝态氮的含量最高值均出现在0-20 cm土层,且硝态氮的含量随着施氮量的增加而增加。本研究中土壤硝态氮在0-40 cm土层土壤的积累量也随着施氮量的增加而显著增大(P<0.05),呈正相关关系,这与张树兰等[30]、王爽等[31]、淮贺举等[32]的研究结果一致。本研究表明,施氮量为225 kg·hm-2与施氮量为150 kg·hm-2相比,施用硫酸铵的柳枝稷产量增加,但0-40 cm土层土壤的硝态氮积累量并没有显著增加;而施用尿素的柳枝稷产量减少,0-40 cm土层土壤的硝态氮积累量却显著增加。综合考虑柳枝稷产量与土壤硝态氮积累量,施用硫酸铵225 kg·hm-2、施用尿素150 kg·hm-2时,柳枝稷的产量较高,并且硝态氮向下淋溶的风险较小。

4 结论

1)硫酸铵和尿素的施用均可以显著提高柳枝稷的产量(P<0.05)。柳枝稷的产量、吸氮量、氮肥利用率在施用硫酸铵时随着施氮量的增加逐渐增加;在施用尿素时,随着施氮量的增加出现先升高后降低的动态趋势,在施氮量为150 kg·hm-2时达到峰值。

2)土壤硝态氮在0-40 cm土层土壤集中分布在10-20 cm,且其积累量随着施氮量的增加而增加。

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