不同水肥管理配施腐解剂对小麦秸秆腐解及养分释放的影响

刘 蕊,霍俊豪,宁 露,邹晓霞

(青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室,山东青岛 266109)

中国是世界第一秸秆大国,秸秆总量占全球的17.3%[1],现年产量已突破9亿t[2]。农作物秸秆作为一类生物资源,含有丰富的氮磷钾元素。秸秆还田能通过释放养分等提高土壤肥力[3]。但目前秸秆还田仍存在一些问题,如秸秆未能及时有效腐解、易造成土壤病害增加、作物产量下降等[4]。因此,采取有效措施缩短秸秆腐解时间,提高腐解效率,对促进秸秆资源循环利用、提高农业生产效益具有积极意义。

关于不同田间管理措施下还田秸秆腐解率的研究已有些报道。在北方旱作小麦生产过程中,旋耕还田可加快秸秆腐解和养分的释放[5];添加剂可直接影响还田秸秆的腐解程度,秸秆还田深度则通过影响土壤含水量改变秸秆腐解率[6]。随着对秸秆腐解率研究的不断深入,人们对秸秆腐解过程的养分释放规律也有了新的认识。如,秸秆还田会增加耕层土壤有机碳和全氮含量[7],秸秆养分释放率表现为钾>磷>碳>氮;通过尼龙网袋法研究发现,不同水氮条件下冬小麦和夏玉米秸秆的腐解均呈现前期快、后期慢的特点,玉米秸秆腐解比小麦秸秆快,添加适量氮素更有利于秸秆的腐解[8]。

综上所述,秸秆还田方式、土壤耕作方式、外源添加剂等均会对作物秸秆腐解和养分释放产生影响,但这些研究多针对单一管理措施展开,鲜有关于水、肥、秸秆综合管理措施的报道。本试验设置不同的水肥管理配施秸秆腐解剂,研究各处理下小麦秸秆腐解率和养分(氮、磷、钾)释放规律,深入分析水、肥秸秆综合管理对小麦秸秆腐解的影响,探究适宜的水肥及秸秆管理措施,以期为提高秸秆利用效率、促进农业绿色生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020年在山东省莱阳市团旺镇(120°58′E,36°75′N)试验基地进行。该区域属温带季风气候气候,年平均降水量为800 mm,年平均气温 11.2 ℃,年平均相对湿度73%,年平均日照时数为 2 996 h,平均无霜期173 d。供试土壤为棕壤土,试验前0～20 cm土层土壤有机含量9.24 g·kg-1,速效氮含量104.76 mg·kg-1,速效磷含量37.13 mg·kg-1,速效钾含量227.94 mg·kg-1,pH值5.80。

供试玉米品种为郑单958;供试复合肥为金正大牌复合肥(N-P2O5-K2O:15-15- 15),尿素为金正大牌尿素(N:46%);供试增效复混肥(N-P2O5-K2O:22-8-10)由山东粮源生物科技有限公司生产,供试稳定尿素(N:45%)由河北冀衡赛瑞化工有限公司生产;供试液体尿素(N:30%),主成分为改性尿素硝酸铵溶液[9]。供试腐解剂由广州市微元生物科技有限公司生产,有效活菌数≥200×108cfu·g-1,主要成分为粗纤维降解菌,施用量为12.75 kg·hm-2。

1.2 试验设计

试验以农民常规水肥管理(漫灌+常规复合肥)+秸秆还田为对照(CK),按水肥管理方式及有无腐解剂添加设5个处理,分别为常规水肥管理+秸秆还田+腐解剂(CKD)、滴灌+缓控释肥(增效复混肥+稳定尿素)+秸秆还田(SS)、滴灌+缓控释肥+秸秆还田+腐解剂(SSD)、水肥一体(增效复混肥+液体尿素)+秸秆还田(SF)、水肥一体+秸秆还田+腐解剂(SFD)。各处理施肥种类及施肥量见表1。

表1 各处理施肥种类、施肥量与秸秆处理方式

采用埋袋法研究小麦秸秆腐解情况。前茬小麦(品种为烟农24)收获后采集秸秆样品,一部分带回实验室测定秸秆初始养分含量,一部分剪成5～10 cm长的小段,称取20 g(烘干重)后装入尼龙网袋中,填埋进10 cm深土层中,灌溉泥浆水,使填埋秸秆与土壤充分接触,每处理4次重复,每个小区随机埋入24袋秸秆(6次取样量)。田间小麦收获后秸秆粉碎,全量覆盖还田。玉米采用宽窄行种植,小行距45 cm,大行距80 cm,株距 25 cm采用滴灌方式,进行节水灌溉及水肥一体管理,1管2行,滴管铺设在小行距间。于玉米大喇叭口期追肥、灌溉,各处理灌水量为每公顷300 m3,玉米在6月28日整地,7月2日播种,10月23日 收获。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 秸秆样品采集与测定

于玉米苗期(S1)、拔节期(S2)、大喇叭口期(S3)、吐丝期(S4)、灌浆期(S5)和成熟期(S6)分别进行小麦秸秆取样,每个小区每次随机取样4袋,带回实验室进行小麦秸秆残留率和养分释放的测定。秸秆经磨样后过0.1 mm筛,经H2SO4-H2O2法消煮后,用等离子体发射光谱(美国,OPTMA8000DV)测定全磷、全钾含量,用AA3流动分析仪测定全氮含量。

计算秸秆质量残留率(Rsr)、养分释放率(R)秸秆养分带入量(N):

Rsr=Mt/M0×100%;

R=(M0×C0-Mt×Ct)/(M0×C0)×100%;

N=M×mi×Ri。

式中,M0为秸秆原始干重(g),Mt为腐解td后的秸秆干重(g),t为腐解时间(d),C0为秸秆原始养分含量,Ct为腐解时间为t时秸秆养分的含量,M为秸秆还田量(kg·hm-2),mi为秸秆养分含量(mg·g-1),Ri为养分释放率(%),i代表氮、磷和钾养分。

1.3.2 土壤样品采集与测定

玉米收获后,每小区随机选取5个样点,采集0～20 cm土层土壤样品,带回实验室,去除石块、根系等杂质,在室内自然风干,过1 mm和0.25 mm筛,用于测定土壤速效养分含量,其中碱解氮含量用扩散吸收法测定;速效磷含量采用碳酸氢钠提取-锑抗比色法测定;速效钾含量用 1 mol·L-1乙酸铵浸提,火焰光度法测定[10]。

1.3.3 玉米产量测定

每小区避开边行,随机选取2行5 m长的样方收取所有果穗,称重(kg),并从中选取具有代表性的15个果穗装入尼龙网袋,带回实验室风干、考种,测定穗重、穗粒数、穗粒重,计算出籽率;利用PM-8188-A谷物水分测量仪(测定范围在6%～40%,误差≤±0.5%)测定籽粒含水率。玉米产量=取样产量×出籽率×(1-含水率)× 10 000/取样面积。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2013进行数据整理,Origin进行图表制作,采用DPS 17.05数据处理系统LSD法对不同处理间秸秆残留率、养分释放率和带入量、土壤速效养分以及玉米产量差异在0.05水平上进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同管理措施下小麦秸秆腐解特征

由图1可知,在整个采样时期,各处理的小麦秸秆残留率均表现为前期变化快、后期变化慢的特点。不同处理间秸秆质量残留率自玉米拔节期开始呈现明显差异,整个玉米生育期总体以SSD处理的小麦秸秆残留率最低。未添加腐解剂的CK、SS、SF处理秸秆质量残留率总体高于相同水肥管理下对应的添加腐解剂处理(CKD、SSD、SFD)。在成熟期,CK、CKD、SS、SSD、SF和SFD处理下秸秆质量残留率分别为54.9%、52.8%、57.3%、52.8%、61.1%和56.7%。其中,SS处理与SSD处理、SF处理与SFD处理间差异均达显著水平。这表明小麦秸秆腐解呈先快后慢的特点,水肥优化条件下施用秸秆腐解剂能显著促进小麦秸秆腐解。

S1:苗期;S2:拔节期;S3:大喇叭口期;S4:吐丝期;S5:灌浆期;S6:成熟期。不同小写字母表示同一秸秆处理下不同水肥管理间差异显著(P<0.05);不同大写字母表示同一水肥处理下不同秸秆管理间差异显著(P<0.05)。图2、图3、图4同。

2.2 不同管理措施下小麦秸秆养分释放特征

2.2.1 不同管理措施下小麦秸秆养分释放率

整个玉米生育期小麦秸秆氮、磷、钾养分释放均呈先快后慢的特点。到成熟期,氮素、磷素、钾素释放率皆以CKD处理最高,分别为84.8%、82.7%和91.5%,除氮素释放率与SFD处理无明显差异外,CKD处理小麦养分释放率均与其他处理差异显著(图2、图3和图4)。此外,添加腐解剂的CKD、SSD、SFD处理的养分释放率总体上高于相同水肥管理下未添加腐解剂处理(CK、SS、SF)。除大喇叭口期和吐丝期外,CKD处理的氮素、磷素和钾素释放率在其余时期均显著高于CK,成熟期增幅分别为5.6、2.8和5.0个百分点;除拔节期外,SSD处理的氮素释放率整个生育期较SS处理增加了5.5～14.6个百分点,差异显著;钾素释放率则在整个生育期均显著高于SS处理,增幅为4.5～11.9个百分点;磷素释放率在拔节期到成熟期显著高于SS处理,增幅为5.0～12.6个百分点;整个生育期中,SFD处理氮素和磷素释放率均高于SF处理,增幅分别为 7.4～20.2和6.0～15.7个百分点,差异均显著,表明添加腐解剂可有效促进小麦秸秆养分释放。

图3 不同处理下小麦秸秆磷素释放率

图4 不同处理下小麦秸秆钾素释放率

整体上看,相同秸秆还田条件下,常规水肥管理的小麦秸秆养分释放率略高于缓控释肥和水肥一体管理。无腐解剂添加时,SF处理的氮素和磷素释放率在整个生育期均显著低于CK,至成熟期分别降低了8.1和5.5个百分点;除苗期外,SS处理的氮素、磷素、钾素释放率也低于CK,在成熟期分别降低了6.0、5.3、4.7个百分点,差异显著;添加腐解剂时,CKD的钾素释放率在整个生育期均显著高于SFD处理,增幅为5.3～19.1个百分点,除吐丝期外其余各时期则显著高于SSD处理;在大喇叭口期至成熟期,CKD处理的磷素释放率也显著高于SSD和SFD处理,表明常规水肥管理较缓控释肥和水肥一体更利于促进小麦秸秆养分释放。

2.2.2 不同管理措施下小麦秸秆养分带入量

不同处理间CKD处理的秸秆氮素和钾素(K2O)带入量最高,分别为66.9和81.9 kg·hm-2, SFD处理的磷素(P2O5)带入量最高,为24.1 kg·hm-2,均与其他处理差异显著。相同水肥管理下,添加腐解剂的CKD、SSD、SFD处理养分带入量均显著高于对应的未添加腐解剂处理(CK、SS和SF),CKD处理氮素、磷素、钾素带入量较CK分别增加了19.0%、 14.6%、 18.2%;SSD处理较SS处理分别增加了8.6%、 25.4%、31.2%;SFD处理较SF处理分别增加了62.1%、55.8%、9.6%,表明添加腐解剂可有效促进小麦秸秆腐解,提高养分投入。相同秸秆还田条件下,CK的氮素、磷素、钾素带入量均显著高于SS和SF处理,增幅分别为12.1%、12.2%、25.2%和44.9%、17.6%、7.7%;CKD处理的氮素、钾素带入量均高于SSD和SFD处理,增幅分别为22.8%、9.3%和6.4%、12.6%;SFD处理磷素带入量则较CKD和SSD处理增加了12.0%和18.4%,差异均达显著水平,表明常规水肥管理和水肥一体管理配施腐解剂皆有利于提高小麦秸秆腐解养分投入。

不同小写字母表示不同水肥和秸秆还田管理间差异显著(P<0.05)。图6和图7同。

图6 不同处理下小麦秸秆磷素带入量

图7 不同处理下小麦秸秆钾素带入量

2.3 不同管理对土壤速效养分的影响

在玉米收获期,CK的土壤速效氮、速效磷、速效钾含量最高,分别为62.7、60.9 和154.9 mg·kg-1,其中除速效氮含量与SSD处理差异不显著外,土壤速效磷和速效钾含量均显著高于其他处理(表3)。在相同水肥优化管理下,添加腐解剂处理的土壤速效钾含量与未添加腐解剂处理差异均不显著,但其速效氮和速效磷含量均显著高于未添加腐解剂处理,其中SSD处理较SS处理分别提高了27.9%和42.9%,SFD处理较SF处理分别提高了19.5%和25.8%,表明水肥优化配施秸秆腐解剂可有效提高土壤速效氮、磷含量。未添加腐解剂的处理中,CK的土壤速效养分含量均显著高于SS和SF处理;添加腐解剂的处理中,SSD处理的速效氮含量较CKD和SFD处理显著提升了10.6%和13.7%;SFD处理的速效钾含量较CKD和SSD处理均显著提升了23.8%。

表2 不同处理下土壤速效养分

表3 不同处理下玉米产量及其相关性状

2.4 不同管理对玉米产量及其相关性状的影响

CKD的玉米产量最高,为10 387.9 kg·hm-2,其次为SFD和SF处理,三者较CK分别提升了41.5%、31.0%和30.5%,差异均达显著水平;SS和SSD处理的玉米产量与CK差异不显著(表4)。相同水肥管理下,添加腐解剂的CKD处理在穗重、穗粒重和穗粒数上均高于未添加腐解剂的CK,较之分别提升了23.2%、 23.1%、12.3%,SFD处理与SF处理、SSD处理与SS处理在穗重、穗粒重和穗粒数上差异均不显著。未添加腐解剂的处理在穗重、穗粒数、穗粒重上差异均不显著;添加腐解剂时,CKD处理的穗重和玉米产量较SSD处理提升了11.5%和 8.0%,较SFD处理提升了28.2%和40.3%,差异均达显著水平,表明常规水肥和水肥一体管理配施秸秆腐解剂均有利于提高玉米产量。

3 讨 论

秸秆还田作为当今世界上普遍重视的一项培肥地力的增产措施,在降低秸秆焚烧造成大气污染的同时还有增肥增产作用[5-6]。通过还田秸秆的腐解可以提高土壤养分含量、改善土壤的物理性质,对发展绿色农业有积极意义[11-13]。水分和肥料是影响作物产量的两大决定性因素,对秸秆腐解也有较大影响,不同的施肥管理措施会对秸秆腐解产生不同的影响。研究表明,在水分有限条件下,秸秆腐解与土壤水分含量成正比,在充分灌水或水分较高时,土壤通透性及温度降低,秸秆的腐解率下降[14];氮肥与秸秆腐解剂配施有助于提高土壤微生物群落多样性,促进秸秆腐解和养分释放[15]。本研究中,在不同水肥管理措施下,秸秆腐解率存在明显差异,相比CK,水肥优化配施腐解剂更利于小麦秸秆的腐解,这可能是由于适当的水肥管理增强了土壤微生物多样性,促进了秸秆的腐解[16]。另外,小麦秸秆在土壤中的腐解表现出先快后慢的特点,与马琳等[8]的研究结果一致,可能是由于腐解前期秸秆中存有大量易降解的物质和碳源,而腐解后期微生物活性降低,使腐解速率减缓[17-18]。秸秆腐解剂的添加均促进了小麦秸秆的腐解,这与秸秆腐解剂富含大量有益复合菌,增加土壤微生物群落多样性和生物活性有关[19],因此生产上可适度增施秸秆腐解剂以有效促进秸秆腐解和养分的释放。

不同水肥管理方式对小麦秸秆养分释放的影响存在明显差异。本研究表明,秸秆腐解剂在显著促进小麦秸秆腐解的同时,也提高了秸秆养分释放和带入量。各处理均以全钾的释放率和带入量最高,其次是磷,最后是氮。这可能是由于钾素在小麦秸秆中以水溶态存在,且易溶于水[20],因此钾素释放量更大。而水肥一体管理相较于其他处理更有利于全磷释放和带入,这是因为磷素在秸秆中有60%以上以离子形态存在[21],此种形态的磷素搭配液体肥更容易释放。有研究表明,小麦秸秆的氮素释放率在作物生长后期会呈负增长趋势[22],但在本试验中,氮素释放率仅表现为减缓,并未出现负增长,不同研究结果出现差异的原因还有待于进一步探究。

本研究还发现,不同水肥管理下土壤速效养分和作物产量存在明显差异。水肥优化管理下,配施腐解剂的SSD和SFD处理土壤速效氮和速效磷含量均高于秸秆直接还田处理,表明腐解剂的施用能增加土壤速效氮、磷含量。萨如拉等[23]也认为,秸秆旋耕还田配施腐熟剂能有效提高土壤速效氮含量。盆钵试验也表明,小麦秸秆还田配施腐熟剂,可不同程度增加土壤速效磷及速效钾含量[24]。此外,添加腐解剂的CKD处理的玉米穗重、粒重、产量均显著高于无腐解剂的CK处理。邱燕等[25]的研究结果也显示,常规施肥管理下,秸秆全量还田配施腐熟剂能提高小麦-玉米轮作体系的作物产量。但本研究中相同水肥优化管理下有无腐解剂处理间玉米产量差异不显著。霍俊豪等[26]通过试验发现,水肥一体管理下配施腐解剂对玉米产量影响均不显著,但缓控释肥管理下配施腐解剂能显著提高玉米产量。可见,常规管理配施腐解剂有助于作物产量的提升,但不同水肥优化管理措施配施腐解剂对作物产量的影响并不一致,生产上在应用水肥优化措施时需根据实际情况确定是否配施腐解剂。

4 结 论

不同管理措施下,小麦秸秆腐解和养分释放均呈现先快后慢的特点;相比秸秆直接还田,配施秸秆腐解剂能有效促进小麦秸秆腐解和养分释放,在相同水肥优化管理下,添加腐解剂更利于提高土壤速效氮磷含量。此外,与CK相比,添加腐解剂和水肥一体管理均能增加玉米产量。其中,以缓控释肥配施秸秆腐解剂处理的小麦秸秆腐解率最高,常规水肥管理配施秸秆腐解剂的小麦秸秆氮钾养分释放和玉米产量最高,水肥一体配施秸秆腐解剂的秸秆磷素带入量最高。