水肥管理与生物炭对作物产量和氮效率及氮淋失的影响

卢慧宇，杜文婷，张弘弢，Ayaz Muhanmond,徐佳星，王仁杰，李若楠，杨学云，张树兰

(西北农林科技大学 资源环境学院 农业部西北植物营养与环境重点实验室，陕西 杨凌，712100)

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试材料

本试验于2016-2018年在“国家黄土肥力和肥料效益监测基地”进行，该基地位于陕西省杨凌农业高新技术产业示范区头道塬(34°17′N，108°00′E)，海拔534 m，年平均气温13 ℃，年平均降水量550～600 mm，主要集中在6-9月。供试土壤为土娄土(土垫旱耕人为土)，黄土母质。试验开始时0～20 cm土层土壤的理化性质为：全氮0.612 g/kg，全磷0.446 g/kg，速效磷0.22 mg/kg，pH 8.44。2016-2017年小麦季降雨量288.1 mm，玉米季降雨量366.6 mm；2017-2018年小麦季降雨量174.8 mm，玉米季降雨量421.0 mm。

氮肥用尿素(含N 46%)、磷肥用过磷酸钙(含P2O512%)。试验期间小麦品种为小偃22，玉米品种为郑单958。试验所用生物炭为小麦秸秆生物炭，制备温度为550 ℃，有机质和全氮含量分别为249.0和 8.46 g/kg，pH 9.8。

1.2 试验设计

冬小麦/夏玉米轮作试验在渗漏池进行，试验共设7个处理，分别为：(1)习惯水肥1处理(CP1):施肥量和灌水量均为传统农户用量；(2)灌水优化处理(CP1-W):灌溉量视当年的降雨情况而定。2016-2017年小麦季和玉米季，灌溉量在CP1处理的基础上分别减少23.5%和21.7%；2017-2018年小麦季和玉米季，灌溉量在CP1处理的基础上分别减少20%和25%；(3)养分优化处理(CP1-F):在CP1处理的基础上施氮量减少28.6%，施磷量减少33.3%；(4)水分养分优化处理(OPT):灌溉量同CP1-W处理，施肥量同CP1-F处理；(5)水分养分优化+小麦秸秆生物炭处理(OPT+B):在OPT处理的基础上增施15 t/hm2的小麦秸秆生物炭；(6)习惯水肥2处理(CP2):施肥量和灌水量均与CP1处理相同，但渗漏池深度不同；(7)习惯水肥2+小麦秸秆生物炭处理(CP2+B):在CP2处理的基础上增施15 t/hm2的小麦秸秆生物炭。习惯水肥处理中的施肥量参考该研究地区冬小麦/夏玉米模式农户施肥水平[1]。每个处理重复4次。表1为各处理施肥量、生物炭用量、灌水量以及渗漏池深度。2016-2017年，小麦播种时间为 2016-10-03，收获时间为2017-06-02；玉米播种时间为2017-06-11，收获时间为2017-10-04收获。2017-2018年，小麦播种时间为2017-10-06，收获时间为2018-06-05；玉米播种时间为2018-06-08，收获时间为2018-10-05。生物炭于小麦播前施用，氮磷肥于小麦播前或玉米六叶期施用。

表1 2016-2018年不同处理灌水及氮磷肥和生物炭施用量

1.3 样品采集与测定

氮肥偏生产力(PFPN)=Y/N；

累积渗漏液量(L)=∑(L1+L2+…+Ln)；

氮素累积淋失量(NL)=∑(L1×C1+L2×C2+…+Ln×Cn)。

式中：Y为施氮处理作物籽粒产量；N为氮肥用量；Ln为第n次采集渗漏液量(mm)；Cn为第n次淋失水样中的氮素质量浓度(mg/L)。

1.4 数据处理与统计分析

所有数据均为4个重复的均值，CP1、CP1-W、CP1-F和OPT处理采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析，差异达到显著水平(P<0.05)则进一步进行多重比较。CP2与CP2+B处理、OPT与OPT+B处理采用SPSS 18.0软件独立样本T检验进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理作物产量与产量三要素的比较

从2个轮作年作物产量的结果(图1)可知，2017-2018年各处理玉米产量及总产量均高于2016-2017年。2016-2017年，CP1-W、CP1-F和OPT处理的小麦、玉米产量以及总产量均与CP1处理无显著差异。与CP2处理相比，CP2+B处理的小麦和玉米产量无显著变化，但显著提高了总产量，增幅达17.9%。与OPT处理相比，OPT+B处理显著增加小麦产量(39.1%)，但对玉米产量和总产量无显著影响。2017-2018年，CP1-F和OPT处理小麦产量较CP1显著降低，但是CP1-W、CP1-F和OPT处理的玉米产量以及总产量均与CP1处理之间无显著差异。与CP2处理相比，CP2+B处理显著提高了玉米产量以及总产量，增幅分别为26.1%和10.0%。OPT+B处理较OPT处理显著降低小麦产量，降幅达19%，但玉米产量及总产量与OPT处理之间无显著差异。由图1还可知，2016-2018年，养分优化及水分养分优化对小麦产量的影响不同，施用生物炭对小麦、玉米产量影响也不一致，不过所有处理对作物总产量的影响相同。

图柱中标的不同小写字母表示不同处理小麦或玉米产量差异达显著水平(P<0.05)，

由图2和图3可知，与CP1处理相比，除了OPT处理显著降低了2016-2017年小麦的穗数外，灌水优化处理(CP1-W)、养分优化处理(CP1-F)以及水分养分优化处理(OPT)对2个轮作年小麦、玉米产量三要素均无显著影响。与CP2处理相比，除CP2+B处理显著增加了2017-2018年玉米的千粒质量外，施用生物炭对小麦、玉米产量三要素也基本无显著影响。

图柱上不同小写字母表示不同处理间差异达显著水平(P<0.05)。图3-5同

图3 2016-2018年水肥管理(A,C,E)和生物炭(B,D,F)对玉米产量三要素的影响

2.2 不同处理作物氮偏生产力的比较

由图4可知，2016-2018年氮肥偏生产力为29～51.9 kg/kg，其中CP1-F处理最大，CP1-W处理最小。在2016-2017年，CP1-F处理氮肥偏生产力显著高于CP1处理，增幅为37%；而CP1-W和OPT处理的氮肥偏生产力均与CP1处理无显著差异。与CP2处理相比，CP2+B处理显著提高了氮肥偏生产力，增幅达17.9%；与OPT处理相比，OPT+B处理氮肥偏生产力无显著变化，说明在水分养分优化的基础上施用生物炭对氮肥偏生产力无显著影响。在2017-2018年，CP1-F与OPT处理氮肥偏生力之间无显著差异，但均显著高于CP1处理，增幅分别达33.6%和27.9%；CP1-W处理氮肥偏生产力与CP1处理之间无显著差异。

图4 2016-2018年水肥管理(A)以及生物炭(B)对小麦/玉米轮作模式中氮肥偏生产力的影响

2.3 不同处理氮素淋失的比较

2016-2018年水肥管理和生物炭对小麦/玉米轮作模式中累积渗漏液量和氮素淋失量的影响如图5和图6所示。

图5 2016-2018年水肥管理(A)以及生物炭(B)对小麦/玉米轮作模式中累积渗漏液量的影响

图柱右侧从上到下的不同小写字母表示不同处理淋失量差异显著(P<0.05)，图柱上方不同小写字母表示不同处理TN淋失量差异显著(P<0.05)

从图5可以看出，2016-2017年各处理的累积渗漏量总体高于2017-2018年(OPT+B处理除外)。减少灌溉量处理(CP1-W、OPT)的累积渗漏液量均低于习惯水肥1处理(CP1)，而减少施肥量处理(CP1-F)的累积渗漏量高于CP1处理，但与CP1之间无显著差异。2016-2018年，与CP2处理相比，CP2+B处理的累积渗漏量均减少。2016-2018年，在水分养分优化的基础上施用生物炭对累积渗漏量影响不一致，其中在2016-2017年，与OPT处理相比，OPT+B处理的渗漏量无显著差异；在2017-2018年，与OPT处理相比，OPT+B处理的渗漏量却显著增加。

3 讨 论

3.1 水肥管理和生物炭对作物产量的影响

本研究结果表明，在2个小麦/玉米轮作年中，与习惯水肥处理相比，在其基础上减水、减肥或水分养分同时优化均对作物总产量无显著影响，说明研究区农户水肥过量施用现象严重，这与以往的报道[1,14]一致。刘小利等[15]在关中西部灌区进行的限量节水灌溉试验结果也证明，减少一定灌溉量，小麦产量未明显降低。本试验中，与习惯水肥处理相比，养分优化及水分养分优化处理小麦产量均减少，今后应根据作物产量水平考虑氮平衡进一步调整施肥量。本试验还发现，在习惯水肥基础上施用生物炭显著提高了作物总产量，而在水分养分优化的基础上施用生物炭对作物总产量影响不显著。前人关于施用生物炭对作物产量影响的研究结果并不一致。程效义等[16]报道，生物炭与氮肥配施提高了玉米产量。而韩瑛祚等[17]研究表明，基于生物炭还田条件下磷肥减施并没有影响作物籽粒产量。Jeffery等[18]报道，在粘粒含量较高的土壤中施用生物炭对作物无增产作用。而Uzoma等[19]报道，在沙质土壤中分别施用15和20 t/hm2生物炭，玉米产量分别提高了150%和98%。李帅霖等[20]研究表明，在不同氮水平下，施用1%和2%苹果枝生物炭对小麦产量无显著影响，而施用4%和6%生物炭小麦显著减产。施用生物炭增产主要与其改善了土壤结构、增加土壤保持水分和养分的能力、促进作物对养分的吸收有关[21]。本试验中，与水分养分优化处理(OPT)相比，在其基础上施用生物炭无显著增产作用，这可能是施用生物炭后增加了土壤中有机碳含量，提高了微生物活性，造成微生物与植物之间出现了养分竞争，影响了作物对养分的吸收，从而导致施用生物炭不仅没有增产，反而减产[22-23]。

3.2 水肥管理和生物炭对氮肥偏生产力及氮素淋失的影响

本研究结果表明，养分优化处理(CP1-F)以及水分养分优化处理(OPT)显著提高了氮肥偏生产力，且氮肥偏生产力处于最佳范围(40～70 kg/kg)[24]。施用生物炭对氮肥偏生产力的影响与其对产量的影响一致，即在习惯水肥基础上施用生物炭显著提高了氮肥偏生产力，而在水分养分优化的基础上施用生物炭对氮肥偏生产力无显著影响。韩晓日等[21]连续3年施用生物炭后发现，前两年(2013-2014年)氮肥偏生产力显著提高，而第3年(2015年)变化不明显。本研究在水分养分优化的基础上施用生物炭后对作物产量无显著影响，所以在施氮量相同的条件下氮肥偏生产力也无显著变化。

4 结 论

关中平原小麦/玉米轮作模式，灌水优化、养分优化以及水分养分优化对2016-2018年作物总产量均无显著影响，但是减少施肥量处理(CP1-F、OPT)在第二个轮作年(2017-2018年)显著降低了小麦产量，今后应根据作物产量水平进一步调整施肥量。减少施肥量处理(CP1-F、OPT)显著提高了氮肥偏生产力，明显降低了TN淋失量。在不同水肥条件下施用生物炭显著降低了TN淋失量，但施用生物炭对作物产量和氮肥偏生产力的影响不一致，具体机制还有待今后进一步研究。