秸秆和地膜覆盖对渭北旱作玉米农田土壤氮组分与产量的影响

付 鑫,王 俊,2,*,张 祺,戈小荣

1 西北大学城市与环境学院, 西安 710127 2 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室, 西安 710127

氮不仅是大气圈中最丰富的元素,而且也是陆地生态系统多数植物光合作用和初级生产过程中重要元素之一[1]。土壤全氮(STN)是衡量土壤质量、反映土壤供氮能力的重要指标,但其库存量大,因此并不能快速准确地反映土壤氮素的变化特征[2]。土壤颗粒有机氮(PON)是与土壤砂粒组分结合的有机氮,通常由未分解或半分解的动植物和根系残体组成,对土壤中植物残体的积累和根系分布的变化较为敏感,是一种半活性有机氮[3]。土壤微生物在陆地生态系统氮循环中控制着其矿化和固定[4],尽管土壤微生物所占比例较小,但由于对外界条件变化敏感,其大小、活性、组成等强烈受耕作措施的影响,因而土壤潜在矿化氮(PNM)、微生物量氮(MBN)等活性氮组分较STN更能及时反映土壤质量状况[2,5]。

渭北旱塬地处黄土高原中南部,降水偏少且季节分布不均是限制该地区农业发展的主要因素[5]。近几十年来,地表覆盖措施因良好的蓄水保墒和增产效果在该地区得到广泛应用,其中秸秆和地膜覆盖措施最为普遍。地表覆盖后改变了土壤的水、气、热状况[6- 7],进而必然会对土壤的生物活性、氮素的固定与矿化等产生影响,最终影响作物产量。近几年来,国内外已对覆盖措施对土壤氮含量及产量的影响作用展开了较多研究[8- 11]。一般认为,秸秆覆盖可以有效提高土壤固氮水平[11- 12],但对产量的影响则结果不一,影响因素包括覆盖时间、覆盖量、施肥量等[6,13]。地膜覆盖对土壤氮库的影响因不同覆盖时间和地区结果不一致,研究认为地膜覆盖可促进土壤有机氮矿化,提高作物对氮素的吸收,提高作物产量[14- 15],但其增产作用以消耗地力为代价,在水肥不能充分保证的旱地上,长期地膜覆盖容易导致土壤肥力下降[11]。

目前国内外关于秸秆或地膜覆盖与不覆盖对照的对比试验已有较多报道,但主要集中在覆盖措施对土壤全氮和产量的影响方面,涉及土壤有机氮组分的研究较为少见。本文基于陕西长武旱作春玉米覆盖定位试验,研究了秸秆和地膜覆盖措施下土壤全氮和活性氮组分含量变化及其对春玉米产量的影响,旨在加深对覆盖措施下农田土壤氮循环过程和作物生产力产量形成机制方面的理解。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

试验在陕西长武生态系统国家野外科学观测研究站农田(107°44′E,35°12′N)进行。该区地处黄土高原中南部渭北旱塬,属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候。多年平均降水量为584.1 mm(图1),主要集中在7—9月,年际间降水分配不均。试验站海拔1220 m,地塬平坦,光热资源充足,年平均温度为9.2℃,年日照时数为2230 h,无霜期为171 d。供试土壤属粘壤质黑垆土,土质疏松,土层深厚。试验布设前0—20 cm土层有机碳含量为9.05 g/kg,全氮含量为1.10 g/kg,pH值为8.4。

图1 2009—2015年长武黄土高原农业生态试验站月降水量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation at the Changwu Agroecological Station from 2009 to 2015

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

春玉米覆盖定位试验始于2009年4月,共设3个处理,无覆盖对照(CK),全生育期秸秆覆盖(SM)和全生育期地膜覆盖(PM),每处理重复3次。试验小区面积66.7 m2,随机区组排列。区、组间距分别为0.5、1 m,四周保护带宽1 m。

供试春玉米品种为先玉335,每年4月中旬人工开沟播种,南北行种植,行距60 cm,株距30 cm,种植密度为56000株/hm2。每年播种前用圆盘耙机松土蓄墒,各小区按135 kg N/hm2和90 kg P/hm2水平分别施入尿素(总氮≥46.6%)和过磷酸钙(总P2O5≥46%)作为基肥,作物生育期内不再施肥。秸秆覆盖处理采用春玉米整株覆盖方式进行,覆盖量为9000 kg/hm2,于玉米播种出苗后覆盖,作物收获后将残余秸秆人工移除。地膜覆盖处理于播种前使用幅宽1.2 m的可降解地膜进行地表覆膜,覆膜后进行人工穴播。作物生长完全依靠自然降水,无灌溉,人工控制杂草。玉米于当年9月中旬人工收获,籽粒收获后将当年作物秸秆移除。

1.2.2 土壤样品采集

1.2.3 测定指标与方法

1.2.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和邓肯(Duncan)法进行方差分析和多重比较,并分别对作物产量与各氮组分含量间进行相关分析。利用Microsoft Excel 2010软件作图,图中变异性采用标准差表示。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮

不同覆盖处理对2013—2015年0—20 cm土层STN含量具有显著影响(表1)。在0—10 cm土层,从3年平均值来看,SM处理STN含量较CK和PM处理提高了13.11%和12.20%(P<0.05),CK和PM处理间无显著差异。在2013—2015各年间,STN含量处理间变化趋势与3年平均值一致。在10—20 cm土层,SM处理STN含量较CK和PM处理3年平均分别提高了5.93%和5.04%(P<0.05),CK和PM差异不显著,其中2013年SM处理显著高于PM处理,2014年各处理间无显著差异,2015年SM处理显著高于CK和PM处理。

表1 2013—2015年不同覆盖处理下土壤全氮含量/(g/kg)

表中的值为平均值±SD,同一列小写字母不同表明同一土层不同处理间差异在P<0.05水平显著;CK：无覆盖对照, control without mulching;SM：秸秆覆盖处理,straw mulching;PM：地膜覆盖处理,plastic film mulching

2.2 颗粒有机氮

由表2可以得出,在0—10 cm土层,从3年平均值来看,SM处理PON含量较CK和PM分别提高64.29%和53.33%(P<0.05),CK与PM处理间无显著差异。在2013—2015各年间,PON含量处理间变化趋势与3年平均值一致。在10—20 cm土层,SM处理PON含量较CK和PM处理3年平均分别提高了33.33%和25.00%(P<0.05),CK和PM处理差异不显著。在2013年,CK和SM处理PON含量显著高于PM处理,CK和SM间差异不显著;在2014和2015年,PON含量处理间变化特征与3年平均值相同。从3年平均值来看,PON/STN值与PON含量处理间变化特征一致,在0—10 cm和10—20 cm土层SM处理PON/STN值显著高于CK和PM处理,CK和PM间差异不显著。

表2 2013—2015年不同覆盖处理下土壤颗粒有机氮含量

PON：颗粒有机氮 Particulate organic nitrogen;PON/STN：颗粒有机氮相对含量 Percent of soil particulate organic nitrogen of soil total nitrogen

2.3 潜在可矿化氮和微生物量氮

表3和表4是不同覆盖处理对土壤PNM和MBN含量的影响情况。由表3可知：在0—10 cm土层,从3年平均值来看,SM处理PNM含量较CK和PM处理提高了17.51%和22.16%(P<0.05),且CK处理显著高于PM处理。在2013年,CK和SM处理显著高于PM处理;在2014和2015年,SM处理显著高于CK和PM处理,CK和PM处理差异不显著。在10—20 cm土层,从3年平均值来看,SM和PM处理PNM含量较CK处理提高了14.59%和9.60%(P<0.05),SM和PM处理间差异不显著。在2013年,SM和PM处理PNM含量显著高于CK处理,在2014和2015年各处理间无显著差异。从3年平均值来看,在0—10 cm土层,SM处理PNM/STN值高于CK处理,而PM处理PNM/STN值低于CK处理,但均未达到显著性水平。

表3 2013—2015年不同覆盖处理下土壤潜在可矿化氮含量

PNM：潜在矿化氮 Potential nitrogen mineralization;PNM/STN：潜在矿化氮相对含量 Percent of soil potential nitrogen mineralization of soil total nitrogen

从表4可以看出,在0—10 cm土层,从3年平均值来看,SM处理MBN含量较CK和PM处理提高了16.94%和16.56%(P<0.05),CK与PM间差异不显著。在2013—2015各年间,MBN含量处理间变化趋势与3年平均值一致。在10—20 cm土层中,从3年平均值来看,各处理变化特征与0—10 cm土层一致,SM处理MBN含量较CK和PM处理提高了15.78%和12.16%(P<0.05),CK和PM间差异不显著,其中2013年SM处理MBN含量显著高于CK和PM处理,但在2014和2015年各处理间差异不显著。从3年平均值来看,在0—10 cm土层,各处理间MBN/STN值差异不显著;在10—20 cm土层,SM处理MBN/STN值显著高于CK和PM处理。

2.4 土壤矿质氮

表4 2013—2015年不同覆盖处理下土壤微生物量氮含量

MBN：微生物量氮 Microbial biomass nitrogen;MBN/STN：微生物量氮相对含量 Percent of soil microbial biomass nitrogen of soil total nitrogen

表5 2013—2015年不同覆盖处理土壤硝态氮含量

表6 2013—2015年不同覆盖处理土壤铵态氮含量

2.5 玉米产量

图2 不同覆盖处理下玉米籽粒产量Fig.2 Corn grain yield under different treatments CK：无覆盖对照,The control without mulching;SM：秸秆覆盖处理,Straw mulching;PM：地膜覆盖处理,Plastic film mulching

3 讨论

在本研究结果中,与无覆盖对照相比,经过7年的覆盖措施,秸秆覆盖处理下STN含量明显提高,而地膜覆盖处理下STN含量无明显变化,这与卜玉山等[11]的研究结果一致。秸秆覆盖后本身腐解和通过促进作物生长增加土壤有机质的输入,提高土壤氮素水平[17],另一方面秸秆覆盖后也可以通过改善土壤团聚结构,产生显著的碳氮固持效果[18]。尽管有少数研究发现地膜覆盖可以短期提高作物生育期STN含量[19],但地膜覆盖后通过对土壤水热条件的改善,显著提高土壤有机质矿化速率,长期覆盖地膜并不利于STN的积累[9,11,20]。在本研究中,地膜覆盖处理下STN含量较对照无明显变化,其原因可能是地膜覆盖处理通过提高作物地下生物量(根系),弥补了因增加土壤矿化速率而减少的部分有机氮,因此地膜覆盖后有机氮矿化与有机氮输入之间能否达到平衡还有待于通过长期的田间试验进一步验证。

图3 玉米籽粒产量与0—20 cm土层土壤硝态氮的相关性分析Fig.3 Relations between corn grain yield and soil nitrate nitrogen content

有机物质的输入量是影响PON含量的主要因素[21]。PON和PON/STN含量处理间变化趋势与STN基本一致。秸秆覆盖有利于表层土壤PON含量的提高,其原因主要在于秸秆覆盖增加了土壤总氮的输入量,且可有效缓解雨滴等对土壤的打击力,促进土壤团聚体形成[12,17]。而地膜覆盖处理土壤PON含量较对照无明显变化,其原因与STN的理由相似,且与Tian等研究结果相同[21]。但也有研究结果得出,地膜覆盖后因增加了土壤温度和水分,加速了植物残茬等的分解速率,从而会导致PON含量降低[22],这可能与本试验地膜覆盖时间和作物种类不同有关[23]。

PNM和MBN含量与土壤微生物活动有关[2]。本研究中秸秆覆盖提高了PNM和MBN含量及其相对含量,表明秸秆覆盖有利于土壤有机氮的易矿化组分及生物活性的提高,这与谢驾阳等的研究结果一致[12]。张帆等[24]研究认为新鲜的有机物质输入是提高土壤微生物量的主要途径。秸秆覆盖能够通过增加底物供给而提高土壤微生物活性和数量。秸秆覆盖后MBN含量显著增加表明输入的氮素可以通过同化作用转入微生物体内固定,这在一定程度上可以减少通过矿质氮淋失等途径造成的氮素损失[24]。与秸秆覆盖不同,本文中地膜覆盖对PNM和MBN含量并无明显影响,这与Tian等[21]、李世清等[9]研究结果不一致。地膜覆盖通过改善土壤水热条件刺激微生物代谢活性,从而可以提高MBN含量。而张成娥等[25]、付鑫等[5]则研究得出,地表覆膜后妨碍了土壤空气与地表空气的交换,增加了土壤二氧化碳浓度,一定程度上抑制了土壤微生物的活性。土壤微生物量及其活性可以指示土壤养分的短期变化情况,且易受土壤湿度和温度条件的影响[26],因此针对地膜覆盖对土壤微生物氮的影响作用尚需进一步研究,研究作物各生育期微生物量和活性的变化特征可能更有意义。

4 结论

在渭北旱作农业区,地表覆盖作物秸秆或地膜对土壤氮组分含量和玉米产量的影响存在显著差异。经过7年定位试验,与不覆盖相比,秸秆覆盖可显著提高土壤全氮、颗粒有机氮、潜在可矿化氮、微生物量氮和硝态氮含量,具有显著的固氮效果并能显著改善长期土壤氮供应水平,但在秸秆覆盖措施下作物后期应补充氮肥以增加土壤氮素有效性。而地膜覆盖对土壤全氮和活性有机氮组分没有显著影响,但能够大幅度提高土壤硝态氮含量,从而促进作物生长和产量形成。地膜覆盖引起的表层土壤氮淋失风险、长期地膜覆盖是否会导致土壤肥力降低及如何实现氮矿化与作物养分吸收的同步性还尚需进一步探讨。