氮肥用量和配施硝化抑制剂对柴达木枸杞产量及氮素吸收利用的影响

卢九斤,盛海彦,华明秀,聂易丰,高亚军,许米聪,魏娇娇

(1.青海大学 农牧学院,西宁 810016;2.金华市农业技术推广与种子管理中心,浙江金华321000;3.青海大学,省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,西宁 810016;4.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西杨凌 712100)

柴达木盆地地处高原,日照时间长,当地生产的枸杞(LyciumbarbarumL.)品质好,经济效益高[1-2]。近15 a来,该地区枸杞种植面积已达4万hm2。但枸杞生产中施肥缺少科学的理论依据,农户为保证高产稳产,盲目投入大量氮肥,形成“高投入、高产出”的生产现状[3-4],这导致枸杞产量虽有所提高,但造成资源的极大浪费及一系列环境污染问题[5-7]。在保证枸杞不减产的前提下,通过合理施氮技术提高氮肥利用率(NUE),追求经济与生态效益“共赢”,已成为当地枸杞生产关注的重点问题[8]。在土壤-植物系统中氮素的去向主要有作物吸收、收获后土壤残留以及通过硝化、反硝化作用,径流或淋失等途径损失至大气或水体中[9-10]。硝化抑制剂可抑制土壤的硝化作用,降低N2O排放,减少氮素损失[11]。孙海军等[12]研究发现,增施硝化抑制剂显著提高小麦的NUE和产量。Tian等[13]研究表明,尿素中添加硝化抑制剂可显著降低氮素的气体(氨气和N2O等)损失,进而提高氮肥利用率。段颜静[14]在苹果上的研究结果显示,减少适宜氮肥用量且配施硝化抑制剂改善了果树的生长状况,提高NUE。适宜的氮肥用量及配施2-氯-6-三氯甲基吡啶等硝化抑制剂改善植株氮素利用和提高产量在水稻、马铃薯等作物中均有大量报道[15-18],但目前缺乏对柴达木枸杞土壤-植物系统氮素平衡的研究。为此,本研究拟通过施用不同量氮肥并配施2-氯-6-三氯甲基吡啶,探讨其对柴达木枸杞产量、氮素吸收和利用的影响,以期为柴达木地区枸杞科学施氮和提质增效提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019和2020年在青海省海西州都兰县诺木洪农场(36°25′ N,96°20′ E)进行。该地区属高原大陆性气候,海拔2 760 m,年均温-4 ℃,年均降水量约56 mm。土壤类型为灰棕漠土,质地为砂壤土,0～20 cm土层土壤理化性质为:有机质19.51 g/kg,全氮1.43 g/kg,全磷3.05 g/kg,全钾23.13 g/kg,碱解氮69.76 mg/kg,速效磷82.56 mg/kg,速效钾210.80 mg/kg,pH 8.49。0～100 cm土层(每20 cm为一层)土壤体积质量分别为1.54、1.52、1.52、1.46、1.47 g/cm3。

1.2 试验材料

供试枸杞为树龄10 a的‘宁杞1号’;氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为重过磷酸钙(含P2O546%),均为云天化集团生产;商品有机肥(有机质≥45%,N+P2O5+K2O≥5%)由青海恩泽农业技术有限公司生产;供试硝化抑制剂为2-氯-6-三氯甲基吡啶(含量70.0%),由浙江奥复托化工有限公司生产。

1.3 试验设计

田间试验设置8个处理,每处理重复3次。施氮量分别为施用纯氮667、400、267、133、 0 kg/hm2,处理代码分别为N667、N400、N267、N133、CK,其中667 kg/hm2为当地农民习惯施氮量。在N400、N267和N133施氮量基础上,分别配施浓度为纯氮量0.5%的2-氯-6-三氯甲基吡啶2.00、 1.33、0.67 kg/hm2,处理代码分别为N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67。采用随机区组设计,每小区面积39 m2,枸杞种植株行距为1.5 m×2 m,每小区13株。各处理施用商品有机肥1 667 kg/hm2,P2O5333 kg/hm2,均为农民习惯施用量。2019年5月19日和2020年5月14日在枸杞树行间距根30 cm处挖深度20 cm,长、宽均为25 cm的2个施肥坑(面积约1.25 m2),施入全部商品有机肥、重过磷酸钙、50%的尿素和50%的2-氯-6-三氯甲基吡啶;2019年6月30日和2020年7月5日在枸杞树株间距根30 cm处也挖相同规格的2个施肥坑,施入当年剩余的50%尿素和50% 2-氯-6-三氯甲基吡啶。每次施肥前将每株树的尿素和2-氯-6-三氯甲基吡啶提前称于同一塑料袋中,混合均匀后撒入施肥坑。其他田间管理与农民习惯一致。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 植物样品测定 2019年7月30日、8月19日、9月15日和2020年8月4日、8月26日、9月19日采摘各小区提前选取的3株枸杞树上的全部果实,鲜果晾干后测定干果质量[19]。2019年和2020年枸杞收获后对标记的枸杞树进行破坏性取样,采集距主干半径1 m、深0～1 m范围内所有的根。枸杞树整株解析为根、主茎、枝条、叶片,收集后称量各器官鲜质量,105 ℃杀青30 min, 70 ℃烘干至恒质量并称量[20]。将植株各器官粉碎后过0.25 mm筛,采用GB 5009.5-2016方法[21]测定植株各器官的全氮含量。

1.5 数据处理与计算

采用SPSS 25.0软件统计并分析数据。采用Duncan’s法进行方差分析和多重比较(P< 0.05),利用Origin 8.0软件作图。图表中数据为“平均值±标准差”。计算公式参考鲁艳红等[7]、耿建梅等[23]、唐文雪等[24]和周丽平等[25]的研究结果。

植株吸氮量(kg/hm2)=植株各器官干质量(kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

氮肥偏生产力(NPFP,kg/kg)=单位面积产量/单位面积施氮量

果实吸氮量(kg/hm2)=枸杞果实干质量 (kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

土壤硝态氮累积量(kg/hm2)=∑土层厚度(cm)×土壤体积质量(g/cm3)×土壤硝态氮含量(mg/kg)/10

土壤铵态氮累积量(kg/hm2)=∑土层厚度(cm)×土壤体积质量(g/cm3)×土壤铵态氮含量(mg/kg)/10

土壤矿化氮量(kg/hm2)=不施氮区植株吸氮量+不施氮区土壤残留无机氮量-不施氮区土壤起始无机氮量

氮素表观损失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤起始无机氮量+土壤矿化氮量)-(植株吸氮量+收获后土壤残留无机氮量)

土壤起始无机氮量、土壤矿化氮量和土壤残留无机氮量均按0～100 cm土层深度计算。前期试验结果显示,商品有机肥中无机氮含量和矿化率均为2.0%,据此计算,则有机肥中提供的矿质氮约0.7 kg/hm2。

2 结果与分析

2.1 氮肥用量和配施硝化抑制剂对枸杞产量的影响

枸杞产量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势(表1)。由肥料效应方程可知,施氮量为445及554 kg/hm2时枸杞产量最高,分别为7 582 kg/hm2、8 055 kg/hm2(图1)。配施硝化抑制剂可有效提高枸杞产量。2019年N400I2.00、N267I1.33处理的枸杞产量较N400、N267处理分别增加 5.8%、5.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理枸杞产量较N400、N267、N133处理增加 1.3%～5.6%。两年N400I2.00处理的枸杞产量最高,较农民习惯施氮处理N667提高9.3%及 6.7%;两年N267I1.33处理的枸杞产量较N667处理分别增加500 kg/hm2及146 kg/hm2。

图1 施氮量与枸杞产量的关系Fig.1 Relationship between N fertilizer application rate and wolfberry yield

表1 不同氮肥用量和配施硝化抑制剂处理后的枸杞产量及氮肥利用效率Table 1 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on wolfberry yield and N fertilizer use efficiency

2.2 氮肥用量和配施硝化抑制剂对枸杞氮素吸收和利用的影响

2.2.1 氮肥偏生产力 氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低,氮肥配施硝化抑制剂可提高氮肥偏生产力。2019年N400I2.00、N267I1.33处理的氮肥偏生产力较N400、N267处理分别增加1.1 kg/kg、1.3 kg/kg;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的氮肥偏生产力较N400、N267、N133处理分别提高1.2 kg/kg、1.3 kg/kg、0.7 kg/kg。N400I2.00及N267I1.33处理的氮肥偏生产力均显著高于N667处理,较N667处理显著提高78.2%～ 389.8%(表1)。

2.2.2 植株吸氮量 增施氮肥较空白处理显著提高枸杞植株吸氮量,硝化抑制剂的施用有利于枸杞植株吸氮量的提高。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的植株吸氮量较N400、N267、N133处理增加8.1%～11.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的植株吸氮量较N400、N267、N133处理分别增加4.5%、21.5%和 27.2%。N400I2.00处理的植株吸氮量最高,分别为485.0 kg/hm2、 504.3 kg/hm2,较N667处理显著增加11.9%、9.7%(表1)。

2.2.3 果实吸氮量 氮肥配施硝化抑制剂可提高果实吸氮量(图2)。N400I2.00处理两年的果实吸氮量最高,分别为151.0 kg/hm2、154.0 kg/hm2,较N400处理提高6.2%、12.5%;两年N267I1.33处理的果实吸氮量与N267处理均无显著差异;2019年和2020年N133I0.67处理果实吸氮量较N133处理分别提高7.9%、9.9%。与农民习惯施氮量N667处理相比,N400I2.00处理的果实吸氮量提高18.5%和12.8%。

不同字母表示同一年不同处理间差异显著(P<0.05),下同

2.3 氮肥用量和配施硝化抑制剂对枸杞收获后土壤无机氮累积量的影响

枸杞收获后土壤无机氮累积量随施氮量的降低逐渐下降,且随土层深度的增加呈先增后减的趋势(图3)。2019年不同处理0～100 cm土壤无机氮累积量在60～80 cm土层最高;2020年土壤无机氮累积量均在40～60 cm土层最高。添加硝化抑制剂对0～100 cm土壤无机氮累积量无显著影响,但较未添加硝化抑制剂的处理显著提高 0～40 cm土层土壤无机氮累积量。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理0～20 cm 土层土壤无机氮累积量较N400、N267、N133处理分别提高35.4%、35.6%和28.7%,N400I2.00、N267I1.33处理20～40 cm土壤无机氮累积量较N400、N267处理增加9.0～10.9 kg/hm2。2020年N400I2.00处理0～20 cm及20～40 cm土层土壤无机氮累积量较N400处理分别增加9.5 kg/hm2和16.1 kg/hm2。两年N667处理0～100 cm土层土壤无机氮累积量最高,分别为754.9 kg/hm2和758.0 kg/hm2。两年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理 0～100 cm土壤无机氮累积量较N667处理降低20.9%～46.2%。

图3 不同处理收获后0～100 cm土层土壤无机氮累积量Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on soil inorganic nitrogen accumulation in 0-100 cm layer after harvest.

2.4 氮肥用量和配施硝化抑制剂对枸杞生育期内土壤-植物系统氮素平衡的影响

根据氮输入与氮输出平衡模型计算枸杞全生育期内氮素平衡状况(表2)。氮输入方式中氮肥占氮输入的16.6%～47.8%和16.4%～47.5%;土壤起始无机氮量分别为342 kg/hm2、394 kg/hm2,占氮输入量的24.0%～45.1%和 27.4%～51.2%;土壤矿化氮量分别为402 kg/hm2和360 kg/hm2,占氮输入量的28.2%～ 53.0%和25.1%～46.8%。氮输出项以植株吸收和土壤残留无机氮量为主,其中植株吸收分别占氮输出量的30.4%～52.4%和32.0%～ 51.8%。两年的氮素表观损失量与施氮量均呈极显著正相关,决定系数分别为0.999和0.995(图4)。配施硝化抑制剂可有效降低氮素表观损失量,2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的氮素表观损失量较N400、N267、N133处理分别降低31.5%、 39.6%和27.3%,2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的氮素表观损失量较N400、N267、N133处理降低36.2%～48.9%。两年N667处理的氮素表观损失量最高,分别为239 kg/hm2、219 kg/hm2,较N400I2.00、N267I1.33处理增加149～191 kg/hm2。

图4 施氮量与氮素表观损失量的关系Fig.4 Relationship between N fertilizer application rate and N apparent loss

表2 枸杞园土壤-植株系统氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of plant-soil system in wolfberry orchards

3 讨 论

3.1 氮肥用量和配施硝化抑制剂对枸杞产量及氮肥利用率的影响

氮素的过量投入导致植株NUE降低,也不利于枸杞生物产量的增加[26]。本研究显示,过量施氮时植株吸氮量和增产率降低,表明过量的氮肥会降低植株吸氮量和枸杞产量。在宁夏叶用枸杞养分需求规律的研究中发现,32.7 kg/hm2的施氮量可获得最高的叶用枸杞生物产量,过量投入氮肥时呈缓慢下降趋势[27]。本试验中施氮量为400 kg/hm2时,枸杞产量、吸氮量及增产率均最高,可能是由于过量施氮改变了适宜生物生存的土壤C/N,从而降低根际土壤微生物活性,影响树体吸收养分[28],进而表现为植株吸氮量及产量的降低。本研究表明随施氮量的增加氮素偏生产力持续降低,这与侯云鹏等[29]的研究一致。李月梅等[30]的研究结果表明,柴达木枸杞每生产100 kg枸杞干果需N 11.2 kg,本试验农民习惯施氮量处理的年均产量为7 200、7 933 kg/hm2,理论所需氮素806.4、888.5 kg/hm2,但农民习惯施氮量处理氮素总输入高达1 411.7 kg/hm2、 1 421.7 kg/hm2,表明柴达木地区枸杞种植施氮量过高,只需补充适量的外源氮肥即可满足枸杞全生育期氮素需求[25],枸杞生产减氮潜力较大。

配施硝化抑制剂可降低氮肥损失,改善植株氮素吸收,进而提高产量和氮肥利用率[31-32]。前人[33]研究表明,硝化抑制剂在石灰性土壤上具有明显的硝化抑制剂效果。本试验结果显示施氮量为267～400 kg/hm2时,配施硝化抑制剂处理的枸杞产量和植株吸氮量均高于未配施硝化抑制剂的处理,与孙志梅等[34]的研究结果一致,可能是由于硝化抑制剂可抑制氨氧化细菌的活性[35],在尿素水解成铵态氮后抑制其向硝态氮转化,降低氮素的淋溶损失,提高氮肥利用率,最终表现为枸杞产量和植株吸氮量的提高[36]。说明施氮量为267～400 kg/hm2同时添加浓度为纯氮量0.5%的硝化抑制剂可满足枸杞生长对氮素的需求并保持较高产量。

3.2 氮肥用量和配施硝化抑制剂对柴达木枸杞园植株-土壤系统氮素平衡的影响

本试验的回归分析表明,氮素表观损失量与施氮量呈极显著正相关,与吴琼等[37]的研究结果一致。说明农民习惯施氮量不利于提高枸杞产量和氮素利用效率,反而显著提高枸杞园的氮素表观损失量。前人研究表明过量施氮可能会提高土壤酸度,影响土壤微生物活性,同时极易产生硝酸盐淋溶导致的地下水污染等问题[38-40]。在农民习惯施氮量的基础上减少40%～60%的氮肥用量,既能降低氮素表观损失量及环境污染风险,又能维持较高的枸杞产量。本研究结果显示,N施用267～400 kg/hm2的基础上添加硝化抑制剂显著降低氮素表观损失量,主要是由于硝化抑制剂增加枸杞收获后土壤残留无机氮量,延缓铵态氮转化为硝态氮,使得土壤氮素在枸杞生育期内由于硝态氮产生的淋溶作用及硝化反硝化过程的损失降低,进而提高植株吸氮量,降低氮素损失[41]。本试验在计算枸杞-土壤系统氮素平衡中,未测定土壤氮素淋失量、氧化亚氮排放和氨挥发损失量等氮素损失形式,可能导致计算的氮素表观损失量偏低。同时外源氮肥的补充如大气沉降氮带来的激发效应也未考虑在内,这些有待进一步的试验研究来完善。

4 结 论

在农民习惯施氮量的基础上减少40%～60%施氮量并配施硝化抑制剂可保证较高的枸杞产量及植株氮素吸收量。相同施氮量配施硝化抑制剂可显著提高枸杞植株吸氮量,降低氮素表观损失量。在当前生产条件下,以施氮量267～400 kg/hm2同时配施1.33～2.00 kg/hm2的2-氯-6-三氯甲基吡啶为青海省柴达木地区枸杞生产的适宜施氮组合。