不同施肥水平对长期麦豆轮作体系土壤氮素及产量的影响

孔德杰李 娜任成杰王维钰任广鑫冯永忠杨改河刘娜娜

(1.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心,银川 750002;2.西北农林科技大学 农学院,陕西杨凌 712100;3.陕西省循环农业工程技术研究中心,陕西杨凌 712100;4.宁夏中科精科检测技术有限公司,银川 750011)

麦豆轮作是中国西北地区常见的种植模式,是传统农业的精华。中国大豆进口量已经占粮食进口量的80%以上[1],研究麦豆长期轮作种植模式下的优化施肥对提升大豆种植效益、扩加大豆种植面积,实现藏粮于地、藏粮于技的国家战略具有重要意义。土壤中全氮(total nitrogen,TN)含量与土壤养分供给和作物产量密切相关[2-3]。目前,农业生产中普遍存在过量施用化肥[4-5]、有机肥投入不足、土壤质量退化等问题[6-7]。土壤中硝态氮(nitrate,NO-3-N)、铵态氮(ammonium nitrogen,NH+4-N)是农田氮素流失的主要形态[8]。微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)作为土壤中重要的活性养分库,在农田土壤氮的循环、转化与供应能力中起到重要作用,是土壤微生物对氮素矿化与固持双重作用的综合反映[9]。过量的氮素在微生物和土壤酶作用下通过氨化、硝化以及在降雨、灌水的作用下淋溶、淋失等途径渗入到作物根系以外、径流到农田沟渠之中,对大气、水体等环境造成了不良影响[10-11],同时造成土壤p H 下降、土壤退化和作物减产。而通过优化施肥降低农田硝态氮、铵态氮等氮素的流失风险[12],减少化肥对环境的不良影响等问题一直是国内外研究的热点[13],目前,在小麦、玉米等单季作物上进行了很多相关的研究[14],而在豆科、禾本科作物长期轮作过程中,土壤氮素组分含量季节间动态变化规律以及与施肥措施之间的响应关系等相关研究报道较少。本研究在关中地区小麦—大豆轮作的长期定位试验中,通过优化施肥方案,研究麦豆轮作体系中各形态氮素的变化规律及其对产量的影响,以期为提升土壤氮素供应能力、减少氮素损失及提高作物生产效益提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西关中平原西部西北农林科技大学科研基地(E 108°7′,N 34°12′),冬小麦-夏大豆轮作种植模式下的长期定位试验开始于2010年9 月,一年两熟,不种植其他作物;海拔520 m,年平均气温12.9 ℃,年平均降水量为660 mm,主要集中在7-9 月,全年日照时数2 163.5 h,无霜期211 d,为暖温带季风区气候;土壤为塿土,研究期间月均气温和降雨量见图1。

图1 试验地气温和降雨量Fig.1 Monthly temperature and precipitation in experimental area

1.2试验设计及材料

试验设置3 个施肥处理:不施肥处理(NF)、优化施肥处理(0.8TF)和当地常规施肥处理(TF),重复3 次,小区面积68.8 m2(8.6 m×8 m),试验地四周设置宽2.5 m 的保护行。肥料为尿素和磷酸二胺,具体施肥量见表1。

表1 各处理施肥量Table 1 Amount of fertilizer under different treatments kg/hm2

冬小麦品种为‘西农889’,夏大豆品种为‘东豆339’。播种方式为机械条播,小麦行距20 cm,夏大豆行距60 cm。整个生育期不灌水,其他田间管理措施同当地常规栽培。

1.3 测定指标及方法

在小麦的苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期,大豆的籽粒膨大期及播种前、收获后采集土壤样品,每个小区沿对角线用土钻取样,深度为0～20 cm,20～40 cm,每个处理3 个重复的同层土壤混合均匀,部分土样在4℃条件下运输和保存,其他土样室内晾干。土壤水分用铝盒烘干称量法测定,土壤p H 按照水土质量比1∶5均匀混合后用p H计测定。土壤全氮含量采用浓硫酸消解—连续流动分析仪测定。土壤中硝态氮、铵态氮含量采用氯化钾溶液浸提—连续流动分析仪测定,土壤中微生物量氮含量采用氯仿熏蒸—连续流动分析仪测定,具体分析方法见文献[15]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013 软件对原始数据进行收集整理,Spss 21进行方差分析,Excel 2013、Origin 9.0进行图片制作,R 语言进行产量和氮素指标的相关性分析并作图。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤氮素含量的影响

土壤中全氮、硝态氮、铵态氮、微生物生物量氮含量作为土壤供氮能力的重要指标,受多因素影响,在作物不同生长时期的变化规律不同。由图2可知,施用化肥对小麦、大豆生育期土壤中的全氮、硝态氮、铵态氮含量有显著促进作用。土壤中硝态氮、铵态氮作为大部分作物容易吸收同化的矿物质养分,在麦豆长期轮作种植模式下,其含量存在规律性动态变化:10-12月份含量较高,春季含量低;不同施肥处理下土壤铵态氮含量的变异系数小于硝态氮含量。与不施肥处理相比,施肥对土壤中硝态氮含量有显著性影响,13次测量结果中,0～20 cm 土层中硝态氮含量均有显著性差异,20～40 cm 土层中有12 次显著性差异(图2)。土壤硝态氮、铵态氮含量和同层土壤硝态氮与铵态氮含量的比值均随着施肥量的增加而增加,相同时期不施肥、优化施肥、常规施肥处理0～20 cm、20～40 cm 土层中硝态氮与铵态氮含量的比值平均为3.94、5.48、6.96和2.72、4.52、7.06。

图2 土壤硝态氮、铵态氮含量Fig.2 Soil NO-3-N,NH4-N content

土壤中微生物通过对氮素的固持和矿化作用,影响土壤中无机氮含量。由图3可知,施肥对微生物生物量氮、全氮的含量有显著性影响,不同季节间土壤中微生物生物量氮含量的变化趋势与硝态氮相反,表现为秋冬季低,春夏季高的特点。农田土壤中硝态氮、铵态氮和微生物生物量氮、全氮的含量在土层中的分布规律存在差异,其含量以表层土壤最高,随剖面深度增加呈逐渐降低趋势(图2,图3)。层化比(stratification ratio,SR)是指在相同处理条件下土壤养分表层含量与底层含量的比值,不施肥、优化施肥、常规施肥处理土壤硝态氮含量层化比(0～20 cm/20～40 cm)平均值分别为1.71、1.45、1.33,土壤铵态氮含量层化比平均值分别为1.12、1.14、1.22,土壤微生物量氮含量层化比平均值分别为2.67、2.82、2.44,土壤全氮含量层化比平均值分别为1.20、1.19、1.20。

图3 土壤微生物生物量氮、全氮含量Fig.3 Soil MBN and TN content

2.2 施肥对长期麦豆轮作土壤氮素平均值的影响

土壤中硝态氮、铵态氮、全氮和微生物生物量氮含量受施肥和作物吸收利用的影响较大。从图4可以看出:施肥增加土壤中硝态氮、铵态氮、全氮的含量,并且表层土中各种氮素形态含量的变异系数大于下层土。优化施肥、常规施肥处理0～20 cm 土层硝态氮平均含量较不施肥处理增加102.72%、213.75%,铵态氮平均含量较不施肥处理增加13.87%、29.00%,全氮平均含量较不施肥处理增加11.05%、16.68%。20～40 cm土层优化施肥、常规施肥处理的硝态氮平均含量较不施肥处理增加134.97%、318.70%,铵态氮平均含量较不施肥处理增加15.99%和24.18%,全氮平均含量较不施肥处理增加11.66%、15.65%。优化施肥促进微生物生物量氮含量提升,常规施肥降低微生物生物量氮含量,优化施肥处理0～20 cm、20～40 cm 土层微生物生物量氮含量较不施肥处理增加4.84%和6.51%,而常规施肥处理土壤微生物生物量氮含量较不施肥处理减少15.46%和2.15%。

图4 土壤各形态氮素的平均含量Fig.4 Mean nitrogen concentration of different forms of soil

2.3 施肥对土壤p H 和水分含量的影响

施用化肥导致土壤p H 降低(图5),在作物生长期间,不施肥、优化施肥、常规施肥处理0～20 cm 土壤p H 平均值分别为7.96、7.89、7.89,不同施肥处理间有显著性差异,优化施肥、常规施肥处理比不施肥处理平均降低0.89%、0.91%。不施肥、优化施肥、常规施肥处理20～40 cm 土壤p H 平均值分别为8.06、8.04、8.03,施肥处理与不施肥处理差异显著,优化施肥、常规施肥处理比不施肥处理平均降低0.25%、0.41%。

图5 土壤p H 及水分含量Fig.5 p H and water content of soil

不同时期、不同施肥对土壤水分含量的影响不同,随着施肥量的增加土壤水分含量有整体减少的趋势(图5),不施肥、优化施肥、常规施肥处理的0～20 cm 土壤水分平均含量分别为17.01%、16.68%、16.76%,各施肥处理间有显著的差异,优化施肥、常规施肥水分含量比不施肥处理平均降低1.96%、1.48%;20～40 cm 土壤不施肥、优化施肥、常规施肥处理的水分含量分别为16.34%、15.82%、15.75%,优化施肥、常规施肥处理土壤水分含量比不施肥平均减少3.15%、3.57%。

2.4 麦豆产量对施肥措施的响应及相关性分析

施肥对小麦、大豆产量有显著性促进作用(图6),2016年、2017年、2018年优化施肥处理大豆产量分别比不施肥处理增产32.80%、42.77%、49.87%,平均为41.81%;常规施肥处理分别比不施肥处理增产36.64%、53.21%、56.43%,平均48.76%;施肥处理大豆产量比不施肥处理平均增加45.29%,常规施肥处理大豆产量比优化施肥处理平均增产4.86%。2016 年、2017 年、2018年优化施肥处理小麦产量分别比不施肥处理 增 产33.16%、82.19%、30.92%,平 均 为48.76%;常规施肥处理小麦产量分别比不施肥处理 增 产35.30%、85.64%、33.99%,平 均 为51.64%;施肥处理小麦产量比不施肥处理平均增加50.20%,常规施肥小麦产量比优化施肥处理平均增产1.29%。

图6 不同年份小麦、大豆产量Fig.6 Yield of soybean and wheat under different fertilizer treatments in different years

图7所示总产是小麦和大豆产量总和,小麦产量和大豆产量与总产均有显著的正相关关系,土壤p H 与小麦、大豆产量呈负相关关系,土壤水分含量与微生物生物量氮、作物产量呈正相关关系。作物总产与土壤总氮含量、硝态氮含量有极显著的正相关关系,相关系数分别为0.86 和0.84。大豆产量与土壤总氮、硝态氮含量有极显著的正相关关系,相关系数分别为0.94、0.85。小麦产量与土壤中总氮含量有极显著的正相关,相关系数0.85,与土壤中硝态氮含量有显著性正相关,相关系数为0.82。土壤中硝态氮含量与土壤全氮、铵态氮呈显著性正相关关系,相关系数分别为0.79、0.78。微生物生物量氮含量与土壤硝态氮、铵态氮呈负相关关系,相关系数分别为-0.21、-0.58,与土壤水分正相关关系,而与作物产量相关性不明显。

图7 土壤氮组分与小麦、大豆产量相关性分析Fig.7 Correlation of yield of soybean and wheat with soil nitrogen fractions

3 讨论

3.1 施肥对土壤氮素动态变化的影响

因作物吸收利用、微生物固持、大豆固氮作用、温度水分等多因素影响,土壤中全氮、硝态氮、铵态氮含量一直处于动态变化中[9]。本研究3 a测试结果表明:秋冬季土壤全氮、硝态氮、铵态氮含量高于春夏,分析主要原因:10月份小麦播种时施用化肥、小麦苗期养分消耗少、秋季大豆固氮效应,冬季低温微生物死亡释放的氮素,上述多种方式对土壤氮库的补充,导致12月份测得土壤全氮、硝态氮含量最高。春季小麦返青后生长旺盛,对土壤氮素的吸收利用增多,加上温度升高使土壤微生物活性增加,对土壤中的氮素固持增大,春季土壤全氮、硝态氮、铵态氮含量呈现出逐渐降低的趋势。而土壤中微生物生物量氮受温度季节间变化的影响,变化趋势与硝态氮、铵态氮含量相反,与张婷婷等[16]和Ren等[17]的研究报道相符。

土壤氮素层化比表示土壤生态功能和土壤质量的变化情况,受土壤理化性质、作物吸收消耗、淋溶、施肥等因素影响,可作为土壤演替方向的评价指标,一般情况下土壤养分层化比越高,表明土壤质量越好[18]。李涛等[19]研究表明土壤微生物层化比是一个比较好的土壤质量指示指标,当土壤微生物层化比大于2时,表示土壤质量向好的趋势发展。于洋等[20]研究表明微生物生物量氮层化比明显小于2或者异常的高,也说明土壤存在退化现象。本研究中微生物生物量氮层化比在2附近,并略高于2,表明麦豆轮作种植模式连续实施9 a后土壤状况较好。王少昆等[21]的研究结果也表明施肥措施与微生物生物量氮存在显著相关性。本研究表明随着施肥量增加土壤中几种氮素层化比变化趋势不同,分析其原因,表层土壤中硝态氮容易随着降雨下渗到下层土壤,导致下层土壤中硝态氮累积量增加,层化比随着施氮量的增加逐渐减少。而本身带有负电荷的土壤胶体对带正电荷的铵态氮的吸附能力大于带负电荷的硝态氮,只有表层土壤铵态氮吸附饱和或者地表径流强力冲刷下,表层土壤中的铵态氮才会解析到下层土壤中[12],因此随着施肥量的增加铵态氮层化比随之增加。优化施肥促进土壤微生物生物量氮含量增加,而常规施肥降低微生物生物量氮含量,随着施氮量的增加微生物生物量氮层化比有先升高后降低的趋势。

3.2 施肥对土壤硝态氮、铵态氮含量的影响

土壤中硝态氮、铵态氮是作物能够吸收利用的主要氮素形态,其转化、运移、吸收、固定等动态变化容易受到施肥、氧化还原电位、硝化-反硝化反应的影响[22-23]。本研究结果表明不施肥处理土壤硝态氮、铵态氮含量在不同时期有较大的差异,分析其主要原因,小麦生长季会消耗土壤中氮素,而大豆生育期的生物固氮量可达到92～150 kg/hm2[24],大豆生长季可对土壤氮库亏缺进行有效补充。有研究报道表明,土壤水分含量可影响土壤中硝态氮和铵态氮含量的组成比例,表层土壤中氧气充足的条件下,硝态氮、微生物生物量氮含量较高[25],这是土壤中硝态氮、微生物生物量氮层化比分别高于铵态氮、全氮层化比的主要原因。农田土壤耕层氮素养分不足可促进小麦在中下土层的细根或微细根系发育,提高小麦对深层土壤中可利用氮的吸收,减少氮素淋溶风险[26]。赵晓芳等[27]研究发现黄土高原农田硝态氮、铵态氮平均含量为16.49、2.53 g/kg,报道的结果与本研究相符。也有研究表明硝态氮在作物根际的含量高于垄间,而距根系越近铵态氮含量越低[28]。

铵态氮是林地[29]、草地[30]土壤有效氮的主要形式,这是林地和草地生态系统土壤保持氮素的一种机制[31]。本研究显示硝态氮是农田土壤有效氮的主要形式,随着施肥量的增加,硝态氮与铵态氮的比值逐渐增加。邢肖毅等[32]的研究也表明农田土壤中无机氮多以硝态氮的形态存在,不利于氮素在土壤中的存储,容易造成氮素的流失,有研究表明农田土壤渗漏液中硝态氮占总氮量的70%左右[7]。而土壤中带负电荷的胶体对带正电荷的铵态氮的吸附作用大于带负电荷的硝态氮,铵态氮不易淋失,而硝态氮淋失量会随着施肥量、灌水量的增加而增加[33],这与氮素在土壤中的迁移机制有关,硝态氮易溶于水,在土壤中的迁移方式主要靠质流,由于作物的蒸腾蒸发对土壤水分的吸收较多,而铵态氮在土壤中的迁移方式主要靠扩散,铵态氮受土壤胶体、团聚体电荷的吸附力较大[34]。这也从另一方面解释了土壤硝态氮含量的季节间变异系数大于铵态氮的原因。

3.3 施肥对土壤微生物生物量氮含量的影响

土壤微生物生物量氮(MBN)是土壤中有机-无机态氮转化的关键因素[9],通常作为土壤肥力状况及土壤质量演变的重要依据[23]。本研究结果表明:不同时期、不同处理间土壤中微生物生物量氮含量变化差异较大,分析其原因,主要是因为微生物对土壤环境变化较为敏感,特别是温度、水分条件,能够在短时间内做出响应,使微生物种群、丰度和数量发生大幅度变化[35]。本研究结果表明,与不施肥处理相比,优化施肥促进微生物生物量氮含量提升,0～20 cm、20～40 cm 土壤微生物生物量氮含量增加4.84%和6.51%,常规施肥处理下微生物生物量氮较不施肥处理减少15.46%、2.15%。分析其原因:过量施肥后土壤碳氮比(C/N)大幅度降低,碳源不足抑制微生物活性,导致微生物对土壤氮素的固持作用减小,土壤有效氮含量增加,马想等[36]的研究结果与此相符。本研究结果显示不施肥、优化施肥、常规施肥处理土壤微生物生物量氮平均值为30.24、31.70、25.57 mg/kg,低于已有研究报道中的厩肥、秸秆还田、厩肥与化肥配施、秸秆还田与化肥配施、平衡施肥处理的[37]。说明有机质还田可增加微生物能量来源,对提高农田土壤微生物生物量氮含量以及改善微生物生态多样性具有重要的积极作用[38-39]。本研究结果表明在9月份的大豆生长旺盛期,常规施肥处理的微生物生物量氮含量低于不施肥处理,分析其原因,过量施用化肥抑制大豆根瘤菌的生长,而不施肥处理由于土壤氮素亏缺,大豆的根瘤菌生长旺盛,对大气中的氮素固定效果好于施肥处理。张婷婷等[16]的研究也表明夏大豆季土壤微生物量氮含量高于冬小麦季。王晓娟等[37]研究表明低温是抑制微生物活性及微生物生物量氮含量的主要因素。然而作物类型、施肥处理、气候温度等因素对土壤微生物生物量氮含量的影响程度及各因素间的交互作用强弱,还需要进一步研究。

3.4 施肥对土壤p H 的影响

长期过量施用化肥,易导致土壤结构差、耕作性能不良,持续供肥能力弱,生产力低下,土壤p H 下降等土壤退化现象[40],过量施肥是导致中国农田土壤p H 下降的主要原因[41],本研究结果表明:优化施肥处理、常规施肥处理0～20 cm 土壤p H 比不施肥处理分别降低0.89%、0.91%,20～40 cm 土壤的p H 比不施肥处理分别降低0.25%、0.41%。施入氮肥导致土壤酸化的原理主 要 有3 个(1)硝 化 反 应(2NH+4+3O2→NH2OH→2NO-2+2H2O+4H+)产H+量为2 cmol/kg,是将土壤中的氨氧化成植物容易吸收利用的硝态氮的过程,硝化过程是导致土壤酸化的主要过程因素之一;(2)氨挥发反应(NH+4→NH3↑+H+)产H+量为1 cmol/kg;(3)铵盐吸收同化(NH+4+R-OH→R=NH2+H2O+H+),铵态氮被作物根系吸收后,转化为含氮化合物,产生的氢离子释放到根际土壤;引起土壤酸化的还有碳酸水解、硫化物氧化、铝水解[7,40,42]。大部分农民为追求作物的高产,常年盲目过量施用氮肥,造成了土壤氮的淋溶、挥发增多,过量施氮是导致土壤中硝化反应、氨同化、氨挥发反应加剧、氢离子浓度过高及土壤中氢离子产生和消耗失衡的主要原因[43]。

3.5 施肥对小麦、大豆产量的影响

作物产量主要受土壤水肥气热等因素影响,其中肥料对产量的贡献率最大[44],土壤氮素特别是硝态氮含量与作物产量有显著相关性,苗艳芳等[45]在不同形态氮肥对冬小麦产量的影响研究中也得到相似的结论。本研究中施肥处理大豆、小麦产量比不施肥处理平均增加45.29%、50.2%,马登科等[14]通过整合分析研究发现施氮后黄土高原旱地冬小麦的增产率为66.09%,高于本研究结果。分析其主要原因,本研究采用的麦豆长期轮作种植模式,对照虽然不施化肥,但是种植大豆通过生物固氮可对土壤中亏缺的氮素进行补充,提升了土壤的供肥能力[24]。很多研究已表明:过量施肥可导致小麦、大豆等作物营养生长旺盛、贪青晚熟,产量和品质下降[2,22],而合理施用氮肥可增加作物的光合同化物积累,提高产量和品质。有研究表明黄土高原冬小麦获得高产的施氮量为212～227 kg/hm2[14],伊犁河谷麦—豆轮作体系下施氮242 kg/hm2时夏大豆产量和氮肥利用效率最高[46]。本研究结果表明随施肥量增加小麦、大豆的产量虽然一直是增加的趋势,但肥料利用效率却为下降趋势,小麦、大豆常规施肥处理(施氮量240 kg/hm2)产量比优化施肥(施氮量192 kg/hm2)产量平均高1.95%、4.86%,而施肥量却高25%。王林林等[47]的研究也表明:氮肥用量在195 kg/hm2的水平下,小麦产量最高。本研究结果表明,麦豆轮作种植模式下,在基本保证高产的同时,施氮量可减少35～48 kg/hm2。

4 结论

该试验连续运行9 a后,不同施肥处理间氮素含量有显著性差异。与不施肥处理相比,施肥增加土壤硝态氮、铵态氮、全氮含量,平均增幅分别为192.53%、20.76%、13.76%,优化施肥提升土壤中微生物生物量氮含量,常规施肥降低微生物生物量氮含量,并且表层土壤微生物量氮含量大于下层。施肥可明显提升大豆、小麦的产量,土壤中的总氮、铵态氮、硝态氮含量与作物产量呈显著正相关关系。关中地区农业生产中麦豆长期轮作种植模式下优化施肥在保证作物产量的同时降低化肥施用量,降低土壤中全氮、硝态氮、铵态氮含量,增加微生物生物量氮含量,提高氮肥利用率,减少氮肥损失,减缓农业生产对环境的不良影响,降低农资投入,提高麦豆种植的经济效益,对农田面源污染阻控、促进大豆种植面积提升起到重要作用。