秸秆还田配施稳定性氮肥对麦玉轮作水氮利用的影响

赵政鑫 王晓云 李府阳 王 锐 田雅洁 蔡焕杰

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院, 陕西杨凌 712100)

0 引言

由于过量施用化肥、肥料利用率低等原因造成环境恶化的问题已成为农业可持续发展的重大隐患[1]。我国秸秆年产量约为7亿多吨[2],随着农业的发展,秸秆产量出现过剩的情况,不合理的秸秆处理造成资源浪费的同时还会污染环境[3],推动秸秆资源化综合利用可对农业生产起到提质增效的作用。适量施氮会促进作物生长且提高氮肥利用效率,施氮量超过作物需求时不仅会降低产量,且使得作物更易染病虫害,降低作物抵抗自然灾害的能力,同时由于土壤氨挥发、土壤氮素残留等氮素损失会降低氮肥利用效率和氮收获指数[4-6]。因此,科学合理地利用秸秆并寻找合理的田间施肥措施,提高资源利用效率,实现农业生产高产高效是可持续性农业发展的重要途径。

秸秆还田是保护性耕作的核心措施之一,不仅能提高土壤固碳能力还对土壤具有保墒调温作用[7]。有研究表明,由于秸秆分解会产生作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素,秸秆还田会提高作物产量4.02%～10.57%,提高水分利用效率2.87%～12.25%[8],另外,由于秸秆含有丰富的纤维素,腐解后会改善土壤结构,提高养分循环利用率,增加土壤养分,丰富土壤微生物群落种类[9]。LI等[10]研究表明较常规尿素减量20%施用稳定性氮肥不会显著影响玉米产量且可显著提高氮肥利用率,XU等[11]研究表明秸秆还田配施氮肥会促进小麦对养分的吸收进而提高氮肥偏生产力。稳定性氮肥是一种新型缓控释肥料,通过在尿素中添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂减少氮素损失提高氮素利用率[12]。QIAO等[13]研究表明,肥料中添加硝化抑制剂可减少N2O排放和氮素淋溶,可显著增加产量并提高经济效益。彭玉净等[14]研究表明,添加脲酶抑制剂会降低土壤氨挥发量53%。王宜伦等[15]研究表明,夏玉米一次基施缓控释肥料可以满足作物生长后期对氮素的需求,是实现简化栽培的重要技术措施。

近年来对于秸秆还田配施氮肥的研究主要集中于秸秆还田配施尿素,关于秸秆还田配施稳定性氮肥对作物生长和水氮利用的研究较少,且秸秆还田对作物生长及水氮利用的影响与当地气候条件、耕作制度、土壤质地等因素有关,对于秸秆还田配施稳定性氮肥在关中地区麦玉轮作制度下应用的研究较为缺乏。本文以关中地区冬小麦-夏玉米为研究对象,以不施肥无秸秆还田为对照,探究秸秆还田配施减量稳定性氮肥对麦玉轮作体系产量、地上部生物量、土壤氨挥发、土壤硝态氮残留及水氮利用效率的影响,以明确秸秆还田与减量施用稳定性氮肥对冬小麦-夏玉米生长及水氮利用的综合影响,为关中地区麦玉轮作种植体系提供合理的施肥措施,并为关中地区农业生产提质增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年6月—2021年6月在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室节水灌溉试验站(34°17′ N,108°04′ E,海拔521 m)进行。该区属典型的暖温带半湿润季风气候,年均无霜期210 d,日照时数2 164 h,年平均气温12.9℃,多年平均降水量550 mm。供试土壤类型为塿土,pH值7.8,0～20 cm耕层有机质含量(质量比)14.48 g/kg,容重1.40 g/cm3,有效磷含量13.67 mg/kg,有效钾含量183.20 mg/kg。试验期间气象资料如图1所示。

图1 试验期间试验区日最高温、最低温与降水量分布Fig.1 Daily maximum and minimum temperature and precipitation distribution in test area during test period

1.2 田间试验设计

试验采用完全随机组合设计,试验因素为施氮和秸秆还田模式。施氮包括施用常规尿素F1(冬小麦施氮量为200 kg/hm2,夏玉米施氮量为270 kg/hm2)、减量施用稳定性氮肥F2(冬小麦施氮量为150 kg/hm2,夏玉米施氮量为180 kg/hm2),其中稳定性氮肥中硝化抑制剂效率为0.06,脲酶抑制剂效率为0.25;秸秆还田模式设置两个水平,包括秸秆不还田(N)和秸秆全量还田(S),设置秸秆不还田且不施氮处理作为对照。其中,F1尿素施氮量参考当地农民常规施氮量,F2稳定性氮肥施氮量参考前人研究中推荐施氮量[16]。稳定性氮肥在种前一次性施入,尿素在种前以基肥形式施入总施氮量的60%,施肥方式为均匀撒播后进行人工翻耕,以追肥形式在小麦拔节期、玉米拔节期施入余下40%。如表1所示,试验共5个处理,重复3次,共15小区,小区面积为12 m2。秸秆还田方式为秸秆粉碎覆盖还田,夏玉米季还田秸秆为小麦秸秆,冬小麦季还田秸秆为玉米秸秆。夏玉米品种为郑单958,种植密度为6×104株/hm2,播种时间为2020年6月19日,追肥时间为2020年7月26日,收获时间为2020年9月30日;冬小麦品种为小偃22,播种密度为165 kg/hm2,越冬前以漫灌的方式灌水30 mm,保证冬小麦顺利过冬,播种时间为2020年10月19日,追肥时间为2021年3月14日,收获时间为2021年6月3日。全生育期病虫防治与田间除草管理与当地农户相同。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

1.3 测定项目与方法

1.3.1产量

夏玉米成熟期时,在各处理小区随机选取10株玉米穗,自然风干后脱粒称量,同时测定其含水率,并折算每公顷产量(含水率14%)。冬小麦成熟时,在各处理小区选取1 m2长势均匀的小麦,自然风干后脱粒称量,同时测定其含水率,并折算每公顷产量(含水率14%)。

1.3.2地上部生物量

玉米生长成熟期在各处理试验小区内随机选取3株玉米,贴地面采集玉米地上部分,将样品茎、叶、果分部分装袋,置于干燥箱内105℃杀青30 min,之后75℃干燥至质量恒定,称取干质量,并折算每公顷生物量。在小麦生长成熟期在各处理试验小区内选取0.06 m2长势均匀的小麦,将样品茎、叶、果分部分装袋,置于干燥箱内105℃杀青30 min,之后75℃干燥至质量恒定,称取干质量,并折算每公顷生物量。

1.3.3土壤NH3挥发量

土壤NH3挥发量采用通气法进行测定[17],测定频率为施肥后第1周每天取样1次,之后视测量结果每3 d取样1次,后期可延长到7 d取样1次直至挥发量很低停止取样。取样结束后将收集的海绵立即装入装有300 mL浓度为1 mol/L氯化钾溶液的塑料瓶内进行振荡提取,用AA3型流动分析仪(Seal,德国)测定浸提液中的铵态氮含量。

氨挥发累积量计算公式为

(1)

式中CAE——氨挥发累积量,kg/hm2

Mi——单个装置第i次收集的氨量,mg

A——收集装置的横截面积,取0.017 7 m2

n——收集次数

其中0.01为转换系数,0.99为捕获装置的回收率。

1.3.4土壤含水率

在夏玉米和冬小麦各生育期测定土壤含水率,若出现降雨,适当提前或延后。使用土钻取0～100 cm土层土样,每10 cm装入一个铝盒称量湿质量,放入干燥箱105℃干燥至质量恒定称量干质量,每个小区取3个重复,计算土壤含水率。

1.3.5土壤硝态氮含量

1.3.6植株全氮含量

将干燥后的植物样品粉碎,过0.5 mm筛,用浓H2SO4-H2O2消煮,用AA3型流动分析仪测定植株各部分氮素含量。

1.4 数据计算与分析

1.4.1水分利用效率计算

采用水量平衡公式[18]计算冬小麦、夏玉米全生育期蒸发蒸腾量(ET),计算公式为

ET=ΔW+P0+I+K-D

(2)

式中ET——作物蒸发蒸腾量,mm

ΔW——土壤含水量变化量,mm

P0——有效降水量,mm

I——灌水量,mm

K——地下水补给量,mm

D——深层渗漏量,mm

本研究中地下水较深,故K=0;1 m以下土层水分含量基本保持稳定,故D可视为0;在夏玉米生长季未灌水,故I=0;在冬小麦生长季灌水30 mm,故I=30 mm。因此式(2)可简化为

ET=ΔW+P0+I

(3)

水分利用效率(Water use efficiency, WUE)计算式为

WUE=Y/ET

(4)

式中Y——产量,kg/hm2

1.4.2氮素利用效率相关指标计算

氮肥偏生产力(NPFP,kg/kg)、氮素吸收效率(NUPE,kg/kg)、氮肥农学利用率(AEN,kg/kg)、氮肥回收效率(NER,kg/kg)、氮收获指数(NHI, %)计算公式参考文献[19-20]。

1.4.3数据分析

采用Excel 2010 进行数据整理和误差计算;使用SPSS 22.0进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较,多重比较采用最小显著性差异法(LSD);使用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与施氮对麦玉轮作产量和成熟期地上部生物量的影响

图2(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同)为不同处理夏玉米和冬小麦产量。在相同施肥措施下,产量均表现为有秸秆还田处理高于无秸秆还田处理,夏玉米产量增幅为5.80%～9.06%,冬小麦产量增幅为2.24%～14.37%。在夏玉米季,SF1处理产量最高,为9 579.75 kg/hm2,较其它有施肥的处理高1.54%～9.06%,但其与SF2和NF2处理产量无显著性差异(P>0.05);在冬小麦季,SF2处理产量最高,为6 704.93 kg/hm2,较其它有施肥的处理高2.30%～14.37%,但其与SF1和NF1处理产量无显著性差异(P>0.05)。图3为不同处理夏玉米和冬小麦的地上部生物量累积量。在相同施肥措施下,地上部生物量均表现为有秸秆还田处理高于无秸秆还田处理,夏玉米地上部生物量增幅为4.21%～4.62%,冬小麦地上部生物量增幅为2.76%～16.02%。如图3a所示,在夏玉米季,SF2处理地上部生物量最高,为15 503.00 kg/hm2,较其它有施肥的处理高0.15%～4.79%,茎和叶的生物量均表现为有施肥措施的各处理显著高于NF0处理(P<0.05);如图3b所示,在冬小麦季,SF2处理的地上部生物量最高,为14 652.80 kg/hm2,较其它有施肥的处理高5.77%～16.02%,叶生物量表现为有施肥措施的各处理显著高于NF0处理(P<0.05),且有施肥措施的各处理之间无显著性差异。以上结果表明,秸秆还田会提高作物产量和地上部生物量,在适当条件下,减量施用稳定性氮肥不会降低作物产量和地上部生物量。

图2 不同处理夏玉米和冬小麦产量Fig.2 Yields of maize and winter wheat with different treatments

图3 不同处理夏玉米和冬小麦地上部生物量Fig.3 Aboveground biomass of different treatments of summer maize and winter wheat

2.2 秸秆还田与施氮对麦玉轮作土壤氨挥发的影响

图4为夏玉米与冬小麦全生育期土壤氨挥发累积量。由图4a可知,夏玉米施入基肥后各处理的土壤氨挥发累积量动态变化呈现相同趋势,即第1周上升较快,之后逐渐趋于稳定,且施用尿素的各处理在拔节期追肥后的土壤氨挥发累积量也呈现相同的变化趋势。由于施用尿素的处理有追肥措施,因此在追肥后SF1和NF1处理的土壤氨挥发累积量快速上升。在夏玉米季,施用相同氮肥种类的各处理中均表现出有秸秆还田处理的土壤氨挥发累积量高于无秸秆还田的各处理。在相同的秸秆还田模式下,全生育期施用稳定性氮肥的SF2和NF2处理的土壤氨挥发累积量较施用尿素的SF1和NF1处理低50.18%和59.32%。冬小麦全生育期土壤氨挥发累积量动态变化趋势与夏玉米基本一致,秸秆还田条件下的SF1和SF2处理土壤氨挥发累积量分别高于秸秆不还田条件下的NF1和NF2处理9.19%和24.1%,全生育期施用稳定性氮肥的SF2和NF2处理的土壤氨挥发累积量较施用尿素的SF1和NF1处理低68.21%和73.43%。

图4 夏玉米与冬小麦全生育期土壤氨挥发累积量Fig.4 Cumulative ammonia emission from soil during whole growth period of summer maize and winter wheat

2.3 秸秆还田与施氮对土壤含水率的影响

图5(图中*表示差异显著(P<0.05),下同)为夏玉米各处理不同生育期0～100 cm土壤含水率。秸秆还田会显著提高夏玉米苗期0～20 cm土壤含水率及拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期0～10 cm土壤含水率,对于其它土层土壤含水率无显著影响。在苗期,相同施肥措施下,秸秆还田会显著提高0～10 cm和10～20 cm土壤含水率21.38%～21.76%和5.71%～7.58%;在拔节期,秸秆还田会显著提高0～10 cm土壤含水率13.42%～14.03%,在吐丝期、灌浆期和成熟期相应提高10.24%～15.63%、20.99%～21.74%和6.29%～6.96%。如图6所示,秸秆还田会显著提高冬小麦苗期0～30 cm土壤含水率、越冬期和拔节期0～20 cm土壤含水率及成熟期0～10 cm土壤含水率,对于其它土层土壤含水率无显著性影响。在苗期,与无秸秆还田相比,秸秆还田条件下,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土壤含水率分别提高14.61%～15.35%、10.31%～12.91%和8.50%～9.69%;在越冬期,秸秆还田条件下,0～10 cm和10～20 cm土壤含水率较无秸秆还田分别提高17.11%～25.06%和5.95%～9.36%,在拔节期,相应提高12.13%～13.61%和7.23%～8.00%;在成熟期,秸秆还田显著提高0～10 cm土壤含水率6.80%～9.60%。秸秆还田显著提高冬小麦和夏玉米浅层土壤含水率,由于秸秆逐渐分解,秸秆还田对土壤含水率的提升程度在夏玉米和冬小麦季均呈现随生育期进程逐渐减弱的趋势。

图5 夏玉米各处理不同生育期0～100 cm土壤含水率Fig.5 0～100 cm soil water content of different summer maize treatments at different growth stages

图6 冬小麦各处理不同生育期0～100 cm土壤含水率Fig.6 0～100 cm soil water content of different winter wheat treatments at different growth stages

2.4 秸秆还田与施氮对收获期土壤残留的影响

图7 夏玉米与冬小麦收获期0～100 cm土壤硝态氮残留量Fig.7 Residual amount of in soil from 0～100 cm at harvest time of summer maize and winter wheat

2.5 秸秆还田与施氮对麦玉轮作水氮利用效率的影响

秸秆还田与施氮对麦玉轮作水氮利用效率的影响如表2所示。秸秆还田与施氮及二者互作对麦玉轮作体系水氮利用效率有显著性影响。在相同施肥条件下,有秸秆还田处理的水分利用效率较无秸秆还田的处理在夏玉米季和冬小麦季分别高 4.55%～7.85%和7.36%～9.73%。较NF0处理,施氮会提高夏玉米季水分利用效率20.89%～31.01%、提高冬小麦季水分利用效率62.59%～78.42%。夏玉米季和冬小麦季水分利用效率的方差分析结果类似,即秸秆还田和施氮均会显著提高水分利用效率,但在两季中,秸秆还田配施常规尿素(SF1处理)与秸秆还田配施减量稳定性氮肥(SF2处理)的水分利用效率均无显著性差异。

表2 秸秆还田与施氮对麦玉轮作水氮利用的影响Tab.2 Effects of straw returning and nitrogen application on water and nitrogen utilization in wheat and maize rotation

方差分析表明,秸秆还田、施氮及二者交互对夏玉米和冬小麦季的氮肥偏生产力(NPFP)和氮肥农学利用率(AEN)均有显著性影响。在相同施肥条件下,有秸秆还田处理的NPFP和AEN较无秸秆还田的处理在夏玉米和冬小麦季分别提高5.79%～12.08%、25.22%～41.43%和2.25%～14.38%、4.33%～30.35%;在相同秸秆还田条件下,减量施用稳定性氮肥处理的NPFP和AEN较施用常规尿素的处理在两季分别提高43.75%～52.29%、42.01%～60.39%和21.93%～36.41%、11.37%～39.14%。减量施用稳定性氮肥在夏玉米和冬小麦季均表现会显著提升氮素吸收效率(NUPE)和氮肥回收效率(NER)。在夏玉米季,减量施用稳定性氮肥较施用常规尿素会提高NUPE 62.07%～66.67%,提高NER 52.50%～72.73%;在冬小麦季,减量施用稳定性氮肥较施用常规尿素会提高NUPE 50.67%～53.85%,提高NER 60.00%～64.15%。各处理的氮收获指数在两季中均无显著性差异。以上结果表明,秸秆还田会显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学利用率,施用稳定性氮肥通过提高氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥农学利用率和氮肥回收效率实现氮肥高效利用。

3 讨论

3.1 秸秆还田与施氮对作物产量及地上部生物量的影响

秸秆还田与施氮对作物产量及成熟期地上部生物量具有显著影响。有研究表明,在一定范围内,作物产量与施氮量呈正相关关系,但施氮量超过作物生长所需的量时,施氮会抑制作物生长[21]。秸秆还田可以改善土壤耕层结构,提高土壤肥力及酶活性[22],进而提高作物产量及干物质量。吕宏菲等[23]研究表明,秸秆还田配施氮肥可显著提高玉米产量及地上部生物量,胡迎春等[24]研究表明,施用缓释氮肥可以提高作物干物质累积。本研究结果表明,与不施肥且无秸秆还田处理相比,秸秆还田配施氮肥可显著提高夏玉米和冬小麦产量28.03%～39.63%和90.10%～112.52%,提高夏玉米和冬小麦成熟期地上部生物量27.88%～34.00%和78.96%～107.64%。秸秆还田配施减量稳定性氮肥(SF2处理)与秸秆还田配施常规尿素(SF1处理)的夏玉米及冬小麦产量和地上部生物量均无显著性差异,这与赵欢等[25]研究结果一致,说明秸秆还田配施减量稳定性氮肥不会降低作物产量和生物量。

3.2 秸秆还田与施氮对土壤氨挥发及土壤硝态氮残留的影响

3.3 秸秆还田与施氮对水氮利用效率的影响

秸秆还田对田间土壤起到保墒的作用,会促进作物根系生长,以覆盖和翻耕的方式还田可分别提高水分利用效率12.25%和11.78%[36]。秸秆腐解后,秸秆中的纤维素等物质会转换成腐殖质,改善土壤结构,增加土壤养分,丰富土壤中微生物群落种类,促进作物生长,提高养分循环利用率[37]。有研究表明,由于秸秆分解释放氮素,提高了土壤供氮能力,进而秸秆还田会显著提高植株氮素积累和氮肥偏生产力[38]。在一定的施氮量范围内,作物产量与施氮量呈线性增长的趋势,因此提高水分利用效率。氮肥经缓释化处理后会显著提高作物氮素利用效率,有研究表明,施用缓控释氮肥较施用尿素会提高玉米氮肥利用效率2.26%～12.69%[39],施用等量的缓释氮肥较施用尿素显著提高玉米氮素积累量[40],这是由于处理后的氮肥释放过程可适应作物对养分的需求,减少氨挥发、氮素淋溶等损失,进而提高氮肥利用效率。本研究结果同样体现出秸秆还田会显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学利用率,施用稳定性氮肥通过提高氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥农学利用率和氮肥回收效率促进氮肥利用,且秸秆还田与施用稳定性氮肥的交互作用会显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学利用率。

4 结论

(1)秸秆还田会显著提高麦玉轮作体系浅层土壤含水率、水分利用效率、氮肥偏生产力和氮肥农学利用率。

(3)综合考虑认为,秸秆还田配施180 kg/hm2稳定性氮肥和秸秆还田配施150 kg/hm2稳定性氮肥是关中地区夏玉米和冬小麦实现高产高效的合理施肥措施,适合在干旱及半干旱地区冬小麦-夏玉米轮作模式下推广使用。