耕作和施肥方式对陇中旱作春小麦氮素利用与硝态氮残留的影响

祁小平,李 广,闫丽娟,袁建钰,杜梦寅,庞 烨

(1.甘肃农业大学林学院,甘肃兰州 730070;2.临夏市农业农村局,甘肃临夏 731100;3.甘肃农业大学农学院,甘肃兰州 730070)

氮肥的大量施用对我国粮食作物的增产产生了不可磨灭的贡献。然而,随着我国农业机械化、集约化的发展及粮食需求的增长,农业生产中不合理施肥和过量施用氮肥的现象普遍存在。目前,我国已成为世界上化肥消费量最大的国家,其中氮肥的用量达到了全球水平的1/3以上。我国作物的氮肥利用效率仅有30%～35%,较发达国家低15～20个百分点,氮素的损失率高达45%[1-2]。为片面追求作物高产,长期大量施用氮肥及采用传统的耕作方式导致农田土壤退化、养分流失严重,降低肥料利用效率,也造成了氮素淋溶、温室气体排放等一系列环境问题[3]。因此,如何在作物稳产的前提下通过优化施肥和改善耕作措施来提高作物氮素利用效率和生产力、降低土壤硝态氮淋溶等农业面源污染对我国应对粮食安全和农田环境污染的挑战具有重要意义。

近年来,为实现我国化肥用量零增长目标和加快推进农业的绿色可持续发展,保护性耕作和有机肥替代技术已成为减少化肥用量、提高氮素利用效率和减少农业面源污染的有效措施之一[3]。大量研究表明,化肥和有机肥配合施用在一定程度可以达到“缓急相济”的效果,使土壤养分供应与作物生长相协调,提高作物的养分利用效率,实现作物增产稳产[4-8];有机肥配施化学氮肥较单施氮肥可以显著促进小麦籽粒中氮素的积累,使氮素利用效率提高20.2%,并且降低硝态氮当季残留量和淋失比例[9];在长期定位试验中,氮肥与有机肥配施既显著提升了土壤肥力,又降低了硝酸盐在土壤中的累积和淋失[10]。保护性耕作可以改善土壤结构,促进土壤养分的转化与释放,进而影响作物对养分的吸收利用,可提高土壤养分固持和降低养分流失[3]。Wang等[11]研究发现,在2个生长季内免耕较翻耕增加了0～100 cm土层土壤全氮积累量,提高了作物生产力,降低了土壤硝态氮淋失对环境的危害。通过RZWQM2模型分析,免耕后,麦田氮素淋失较传统耕作减少了55.6%,小麦产量和氮素利用效率显著提升[12]。然而,目前有关旱作区作物氮素利用与土壤硝态氮残留方面的研究多集中在施肥方面,而就耕作措施和施肥交互作用的研究较少。

陇中地处黄土高原半干旱区,是甘肃省重要的粮食生产区。该地区的小麦生产广泛采用翻耕与长期单一施用化学氮肥的管理方式,农田土壤养分流失严重,施入土壤中的氮素残留严重,环境问题突出[13]。本试验依托陇中黄土高原旱农综合试验站,研究了耕作与施肥方式对春小麦氮素的积累特征,综合分析了不同耕作与施肥方式对春小麦氮素利用效率、土壤硝态氮残留和产量的影响,以期为该地区农业生产中进一步推广保护性耕作与有机肥配施技术,推进有机肥资源化利用和实现农业绿色高质量发展提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2020年3月14日至8月5日在甘肃省定西市安定区安家坡村甘肃农业大学旱农综合试验站(35°64′N,104°64′E)进行,供试春小麦品种为甘春27号(该品种抗旱性强、适应性广,已在甘肃陇中地区有较高的推广面积)。该地区平均海拔2 000 m,年均气温为6.4 ℃,年均降水量433.94 mm,生育期平均降水量229.24 mm,年均蒸发量1 531 mm[14]。全年降水的60%集中在7-9月,降水季节分布不均匀与作物关键需水时期不一致,属于典型的半干旱雨养农作区(图1)[14]。试验区土壤质地为黄绵土,土壤养分含量、地貌特征在陇中黄土高原旱作区有一定代表性。试验前耕层(0～ 40 cm)土壤理化性质如表1所示[14]。

表1 试验前供试土壤理化性质

图1 小麦生育期间日均降雨量和日平均气温

1.2 试验设计

本试验采用耕作与施肥二因素裂区设计。耕作方式为主区,设传统翻耕(CT)和免耕(NT)两种方式。施肥为副区,以不施肥为对照(CK),按照当地常规氮肥用量(纯N 105 kg·hm-2)为标准,设置3种等氮的施肥方式即单施氮肥(N,施纯氮105 kg N·hm-2)、单施有机肥(M,21.0 t·hm-2有机肥)和氮肥与有机肥配施(NM,施纯氮52.5 kg·hm-2+10.5 t·hm-2有机肥)。耕作和施肥组合形成8个处理,每个处理设3个重复,共24个试验小区。其中,翻耕+单施氮肥(CT-N)为当地用户种植春小麦的常规耕作和施肥组合。小区面积为24 m2(6 m×4 m)。春小麦于2020年3月15日播种,8月5日收获,播种量为150 kg·hm-2。

本试验所用氮肥为尿素(含N 46.2%),所用有机肥为农家肥(主要为腐熟的猪粪,养分含量为N 0.56%、P2O50.40%、K2O 0.46%、有机质 15.2%)。各处理磷肥施用量相同,磷肥为过磷酸钙(60 kg·hm-2P2O5)。所有肥料均在播前全部作为底肥施入,翻耕处理中有机肥和化肥均匀撒在规定小区地表后用犁翻入。免耕撒施后采用耙磨结合播前开沟施入[14],各施肥处理间遵循等氮量原则,具体耕作方法见表2。为避免样地间产生边际效应,各样地之间设计约0.35 m宽的隔离带,其他田间管护措施与当地常规耕作水平一致[14]。

表2 不同耕作法描述

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 土样采集及测定

(1)土壤容重:在小麦成熟期用环刀法测定 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层的土壤容重,每个处理3次重复[14]。

(2)土壤硝态氮含量:在春小麦成熟期用土钻在研究样地按“S”型5点取样法,分别采集 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层土壤原状土样,相同土层土样混合均匀,去除植物残根、石块等杂物后装入无菌密封袋,每个样品3次重复[15]。将采集的土样放置在装有冰袋的整理箱中低温运输。土样解冻后过2 mm筛,称取10 g鲜土,加入50 mL 2 mol·L-1的KCl溶液振荡、浸取、过滤后取上清液,用间断分析仪测定硝态氮含量[5]。用以下公式计算土壤硝态氮残留量[7]。

式中,M为土壤硝态氮的积累量 (kg·hm-2);C为土壤硝态氮含量(mg·kg-1);H为土层深度(cm);Y为土壤容重(g·cm-3)。

1.3.2 植株干物质量和全氮含量测定

在小麦关键生育期(分蘖期、拔节期、开花期和成熟期)每小区随机取植株15株,采集地上部分,分蘖期和拔节期样品分成茎、叶两部分,开花期和成熟期样品分成茎、叶、穗3部分,再置于恒温烘箱在105 ℃下杀青半小时,然后80 ℃下烘至恒重[5]。将烘干后的样品称重后用粉碎机粉碎,装入密封袋保存[6]。样品采用浓H2SO4-H2O2消煮,用凯氏定氮法测定其全氮含量[6]。

1.3.3 籽粒产量及其构成

春小麦成熟时,小区边缘剔除0.25 m(避免边际效应),按小区(3.5 m×5.5 m)单打单收估测春小麦公顷产量,并在各试验小区中间区域随机选取3个1 m2样方,调查单位面积有效穗数、穗粒数(随机取15穗);籽粒风干脱粒后取500粒称重,换算成千粒重[14]。

1.4 氮素利用效率指标计算

用氮素收获指数、氮素偏生产力、氮素回收率和氮素农学利用效率对不同耕作和施肥方式下春小麦氮素利用效率进行评价,这些指标的计算公式[7]:如下

(1)籽粒氮素积累量=籽粒产量×籽粒含氮量;

(2)植株氮素积累量=植株生物量×植株含氮量×种植密度;

(2)氮素收获指数=籽粒吸氮量/地上部分吸氮量×100%;

(3)氮素偏生产力=作物产量/施氮量;

(4)氮素回收率=(施氮处理植株吸氮量-未施肥处理植株吸氮量)/施氮量×100%;

(5)氮肥农学利用效率=(施氮处理籽粒产量-未施肥处理籽粒产量)/施肥量。

1.5 数据处理

利用Origin 2019绘图,用SPSS 24.0软件进行数据统计分析,用LSD法进行处理间多重比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 耕作和施肥方式对春小麦氮素积累量与氮素利用效率的影响

2.1.1 耕作和施肥方式对春小麦氮素积累的影响

随生育期的推进,春小麦氮素积累量持续增加(图2)。从拔节到开花期,氮素积累量的增幅最大,表明该阶段是春小麦氮素积累的关键时期。与传统翻耕相比,免耕后春小麦氮素积累量显著增加;与不施肥(CK)相比,施肥(N、M和NM)后春小麦氮素积累量均不同程度提高,其中NM的效果最显著。从全生育期来看,NT-NM处理的春小麦氮素积累量均高于其他处理,其中在成熟期NT-NM处理较CT-N处理提高了 31.85%,表明免耕结合氮肥与有机肥配施更有助于春小麦氮素积累。

同时期图柱上不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。

2.1.2 耕作和施肥方式对春小麦氮素利用效率的影响

方差分析表明,耕作与施肥对春小麦氮素偏生产力、氮素回收率和氮素收获指数均有极显著影响(P<0.01),而氮素农学利用效率仅受施肥的影响,耕作和施肥的交互作用对氮素回收率和氮素收获指数有显著影响。由图3可知,与翻耕相比,免耕后春小麦氮素偏生产力、氮素回收率、氮肥农学利用效率和氮素收获指数均提高;施肥对此4个指标的影响均表现为NM>N>M,且不同施肥方式间差异显著(P<0.05)。从整体来看,NT-NM处理的4个指标均高于其他处理,较CT-N处理分别提高了42.93%、20.13%、 83.83%和2.55%,说明免耕结合氮肥与有机肥配施可促进春小麦氮素高效利用。

图柱上不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。**:P<0.01;*:P<0.05。 F、T和F×T分别代表施肥、耕作和二者互作的F值。

2.2 耕作与施肥方式对土壤硝态氮残留的影响

小麦收获后翻耕和免耕下土壤硝态氮残留量变化范围分别为72.44～124.49和55.99～ 113.07 kg·hm-2,免耕的平均值低于翻耕(图4)。不同施肥方式的平均土壤硝态氮残留量表现为N>M>NM>CK,且施肥方式间差异显著。在0～100 cm土层,与CT-N处理相比,NT-NM处理的土壤硝态氮残留减小52.56 kg·hm-2,说明免耕结合氮肥与有机肥配施可有效减少土壤硝态氮的残留。方差分析表明,耕作与施肥对各土层土壤硝态氮残留量均有极显著影响,耕作和施肥的互作仅对20～40、60～80和80～100 cm土层土壤硝态氮残留量均有极显著影响。

图柱上不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。**:P<0.01;*:P<0.05。 F、T和F×T分别代表施肥、耕作和二者互作的F值。

2.3 耕作和施肥方式对春小麦产量及其构成的影响

方差分析表明,耕作、施肥方式对春小麦籽粒产量及其构成和生物产量均有显著影响,而二者的交互效应仅在生物产量上表现显著。免耕的春小麦籽粒产量及其构成因素平均值均高于翻耕(表3),收获指数对耕作、施肥方式及其互作均无明显反应,不同施肥方式的春小麦籽粒产量及产量构成因素平均值均表现为NM>N>M>CK。从整体来看,在所有处理中NT-NM处理的春小麦籽粒产量、有效穗数、千粒重、穗粒数和生物产量均最高,较CT-N处理分别提高了56.21%、34.10%、6.29%、11.09%和35.46%,表明免耕结合氮肥与有机肥配施可促进春小麦生长,协同提高穗数、穗粒数和千粒重,实现增产。

表3 耕作和施肥方式对春小麦产量及其构成因素的影响

3 讨 论

3.1 耕作与施肥对春小麦氮素吸收利用的影响

随着生育期的推进,春小麦植株氮素积累量会不断增加。本研究中,施肥对春小麦氮素积累有明显的促进作用,其中NT-NM处理的效果更显著,与前人研究结果基本一致[7,16]。这可能是陇中黄土高原半干旱区土壤多为黄绵土,土壤有机质含量低,通气性良好,氮肥施入土壤后易通过反硝化、氨化及淋溶等作用损失,导致春小麦生长后期养分供应不足,减少了小麦对氮素的吸收利用[17],而氮肥与有机肥配施延长了氮肥的肥效,实现了肥料中养分持续稳定的供应[18];土壤免耕具有良好的保水保肥能力,能够有效降低施肥之后土壤中氮素的损失,提高氮素有效性,因此免耕结合氮肥与有机肥配施可以促进春小麦对氮素的吸收利用,使小麦获得较高的氮素积累量。此外,本研究中从拔节到开花期春小麦氮素积累量的增幅度最大,表明此阶段是春小麦氮素积累的关键时期;其中,NT-NM处理此阶段的氮素积累量较CT-N处理提高了13.46%,也说明免耕结合氮肥有机肥配施可提高拔节之后小麦对氮素的吸收能力。拔节期至开花期是小麦营养生长转向生殖生长的关键时期,此时较高的氮素积累量对提高植株后期氮素积累和籽粒产量形成具有积极作用,这也是NT-NM处理导致小麦高产的重要原因[19]。

氮素利用效率是评估施肥合理性和有效性的直接体现。免耕条件下氮肥减量配施有机肥可显著提高作物的氮素利用效率[18,20],且与全国其他地区相比,在有机质含量低、降雨量较少的西北地区配施有机肥后氮肥利用效率的提高幅度最大[21]。本研究结果与前人研究一致,这可能因为免耕结合氮肥有机肥配施在促进小麦对氮素吸收及干物质积累的同时,增加氮素向籽粒中再分配的能力,从而提高小麦籽粒氮素积累量和产量[22],进而提高了氮素偏生产力、氮素回收率、氮素农学利用效率及氮素收获指数。此外,有机肥中含有大量有机质和微生物,加之免耕可改善土壤结构,协调了土壤中“水、肥、气、热”间的关系,进而为土壤微生物的活动提供有利环境[24]。因此,免耕结合氮肥与有机肥配施可有效提高土壤微生物的活性,活化土壤中的养分,有利于小麦植株吸收利用,同时促进小麦植株生长发育和产量形成[22]。

3.2 耕作和施肥对土壤硝态氮残留的调控

作物收获后硝态氮淋溶是黄土高原旱作区农田土壤氮素损失的重要途径之一[24]。在本研究中,土壤硝态氮残留量表现为NM低于N和M,免耕低于翻耕;在0～100 cm土层,NT-NM处理的土壤硝态氮残留较CT-N处理减小52.56 kg·hm-2,表明免耕结合氮肥与有机肥配施可减少土壤硝态氮残留,从而降低土壤氮素淋溶风险,这与前人研究结果一致[25-26],这也与免耕结合氮肥有机肥配施显著提高春小麦氮素利用效率相一致,也说明促进小麦植株对土壤中的无机态氮吸收利用是减少土壤硝态氮残留重要途径[18]。此外,免耕结合氮肥与有机肥配施有效改善土壤活力和耕层土壤微生物环境,增强了土壤微生物对氮素的固持与转化,使土壤残留的无机态氮转化为有机态氮储存在土壤中,从而增加了土壤有机氮库的容量,有效降低了因土壤中无机氮的残留而对农田生态环境造成潜在危害[5,22]。

3.3 不同耕作与施肥方式对春小麦产量的影响

高产是农业生产的主要目标之一。本研究中,NT-NM处理显著提高了春小麦籽粒产量和生物产量,优化了产量构成,与前人研究结果基本一致[27-28]。这可能是一方面氮肥与有机肥配施具有良好的保肥供肥能力,能够调节土壤中氮素固持、释放与小麦吸收之间的关系,促进养分吸收利用,从而增加产量[28];另一方面,免耕具有良好的蓄水保墒能力,可有效缓解水分对小麦生长的胁迫,提高其水肥利用效率,实现增产[29]。

从方差分析结果看,公顷有效穗数和千粒重的提高对春小麦增产的贡献最大,是导致小麦产量提高的主要因素。这与李廷亮等[30]和王嘉男等[31]的研究结果一致。这是因为在春旱比较突出的陇中黄土高原半干旱雨养农作区,播种期水分胁迫是影响作物出苗和成活的关键因素[14],免耕结合氮肥与有机肥配施的方式有效改善了土壤水热条件,提高小麦的成活率和出苗率[22]。同时氮肥与有机肥配施具有较好的保水保肥能力,可促进小麦的生长使小麦根系在发生有效分蘖的基础上保证较多的有效穗数[18,22]。另外,与单施氮肥相比氮肥与有机肥配施在小麦生长中后期有更好的供氮能力,可以延缓小麦的衰老,促进籽粒中光合产物和养分的积累和转运,进而提高小麦成穗数和千粒重,为产量的提高奠定基础[22]。

4 结 论

免耕结合氮肥与有机肥配施可促进春小麦对氮素的积累,提高了氮素偏生产力、氮素回收率、氮肥农学利用效率和氮素收获指数,在氮肥减施条件下实现了氮素的高效利用,同时显著降低土壤硝态氮残留。免耕结合氮肥与有机肥配施能够显著优化春小麦产量构成,提高籽粒产量和生物产量。