氮肥配施生物炭和脲酶抑制剂对夏玉米-冬小麦产量及氮素利用的影响

史多鹏,叶子壮,李 杰,许迎浩,吕慎强,王林权,周春菊

(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学生命科学学院,陕西 杨凌 712100)

小麦和玉米作为我国两大主要粮食作物,其充足供应是我国粮食安全的重要保障。在农业生产中氮肥的增产效果显著,氮肥施用为我国小麦和玉米等粮食作物产量增加提供了有力支撑[1]。近年来我国农田化肥施用量不断增加,过量施肥现象普遍存在。过量的氮肥投入并未显著提高作物产量,还造成氮肥利用率低下、资源浪费,甚至产生不良的生态环境效应[2-3]。因此,如何在保证作物产量、经济效益和环境效益的前提下实现化肥减施、提高肥料利用率是我国亟待解决的现实问题。

作为土壤调理剂,生物炭在农业生产中的应用和研究日益增多。生物炭能够吸持并缓释土壤矿质氮,增加植株对土壤氮素的吸收,进而提高作物产量[4]。同时,添加生物炭还可以改善土壤环境,如在华北平原农田施用5 t·hm-2生物炭可显著提高土壤有机质、全氮和全钾含量[5],生物炭施入5 a后土壤有机碳、速效磷和速效钾含量显著提高[6];许云翔等[7]的研究也证实了这一观点,即在施入生物炭6 a后,稻田土壤有机碳、有效磷和速效钾含量分别增加了34.6%、12.4%和26.2%。有研究表明,脲酶抑制剂(NBPT)和硝化抑制剂具有延缓尿素在土壤中的水解与转化、稳定土壤氮素资源、调控产量以及肥料利用率的作用[8-10]。目前大部分研究集中于化肥和脲酶抑制剂的单独施用效应,关于两者配合施用对作物和土壤影响的研究尚不多见。

黄土高原区是我国传统农耕区,也是我国主要的旱作农业区之一[11]。关于旱作条件下生物炭和脲酶抑制剂配施对肥料氮吸收和作物产量影响的研究较少。因此,本试验通过研究氮肥与脲酶抑制剂(NBPT)和生物炭配合施用对轮作夏玉米和冬小麦产量、生物量、产量构成因素,以及植株氮素吸收量、氮肥利用率和氮素收获指数等指标的影响,探索生物炭和脲酶抑制剂配合施用的可能性,以期为夏玉米和冬小麦轮作区减氮增效以及栽培技术改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学曹新庄试验农场进行,该农场位于黄土高原南部(108°06′E,34°18′N),为黄土高原南缘夏玉米-冬小麦种植区,海拔513 m,年均降水量749 mm,年平均气温13.9℃。2019—2020年、2020—2021年夏玉米和冬小麦生育季内日降水量和日均气温变化情况见图1。试验土壤类型为土垫旱耕人为土(塿土),土壤基础理化性质为:pH 8.12,有机质13.28 g·kg-1,全氮0.81 g·kg-1,矿质氮13.28 mg·kg-1,速效磷6.21 mg·kg-1,速效钾124.55 mg·kg-1。

1.2 供试材料与试验设计

供试夏玉米和冬小麦品种分别为‘华农138’和‘小偃22’,供试肥料为尿素(46% N);供试生物炭为小麦秸秆生物炭(450℃条件下小麦秸秆无氧热解制成),基本理化性质:pH为11,比表面积为9 m2·g-1,有机炭含量50%,全氮含量6 g·kg-1,全磷含量0.9 g·kg-1,全钾含量23 g·kg-1;供试脲酶抑制剂为N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT),含量大于98%,购于连云港金马生物科技有限公司。

图1 夏玉米和冬小麦生育季气象条件

试验为夏玉米-冬小麦轮作种植制度的田间小区试验,采用三因素综合的再裂区设计,施氮量为主处理,设5个N水平,分别为0(N0)、75(N75)、150(N150)、225 kg·hm-2(N225)和300 kg·hm-2(N300),同一水平下,夏玉米和冬小麦生育期施氮量相同;生物炭施用量为副处理,设2个水平,单季用量分别为0 t·hm-2(B0)和7.5 t·hm-2(B7.5);脲酶抑制剂(NBPT)为副副处理,设2个水平,施用量分别为氮肥用量的0%(C0)和2%(C2)。共20个处理,每个处理3次重复,共60个小区,小区面积为10 m2(2.5 m×4.0 m)。

夏玉米和冬小麦的氮肥均采用基施+追施的方式施用,其中每年玉米季的尿素50%基施,50%于大喇叭口期开沟追施;每年度小麦季的尿素70%基施,30%于拔节期开沟追施。生物炭与基施氮肥完全混合后一次施入土壤,脲酶抑制剂则在每次氮肥施用时与其混匀一起施入土壤。夏玉米分别于2019年6月13日和2020年6月13日播种,于2019年10月13日和2020年10月13日收获;冬小麦分别于2019年10月19日和2020年10月18日播种,于2020年6月6日和2021年6月7日收获。夏玉米分别于苗期和拔节期灌溉,灌溉量为1 050 m3·hm-2;冬小麦全生育期不灌溉。夏玉米种植密度为5.76万株·hm-2,冬小麦播种量为 120 kg·hm-2。夏玉米和冬小麦田间管理方式均与当地的常规管理相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量及产量要素 夏玉米:于玉米成熟期每个小区取生长发育较为一致的玉米10株,风干后测算有效穗数、穗粒数、千粒重和籽粒产量。冬小麦:于小麦成熟期每个小区随机收获1 m2样方的小麦样品,风干后测算有效穗数、穗粒数、千粒重和籽粒产量。

1.3.2 地上部生物量 夏玉米:玉米成熟期每个小区采集2株具有代表性的玉米植株,烘干后测定平均单株质量,结合种植密度计算单位面积玉米地上部生物量。冬小麦:小麦成熟期每小区采集20株具有代表性的小麦植株,烘干后测定平均单株质量,结合有效穗数计算单位面积小麦地上部生物量。

1.3.3 地上植株氮素吸收量 夏玉米:于玉米成熟期每个小区取2株玉米地上部植株,按苞叶、叶片、茎秆、雄穗、穗轴和籽粒6个器官分开,烘干并分别称重,换算得到单株植物干物质量及各器官干物质量。再将各器官分别粉碎过筛,测定其氮素含量。按照各器官干物质量占单株干物质量的比例和各器官含氮量换算得到玉米地上植株平均含氮量,玉米地上植株氮素吸收量(kg·hm-2)=玉米地上植株平均含氮量×玉米地上部生物量。

冬小麦:于小麦成熟期每个小区取20株小麦地上部植株,按茎秆、颖壳、籽粒和叶片4个器官分开,烘干并分别称重,换算得到单株植物干物质量以及各器官的干物质量。将各器官分别粉碎后,测定其氮素含量。按照各器官干物质量占整个植株的比例和各器官含氮量换算得到小麦地上植株平均含氮量,小麦地上植株氮素吸收量(kg·hm-2)=小麦地上植株平均含氮量×小麦地上部生物量×0.001。

1.3.4 氮素收获指数

氮素收获指数(%)=玉米(小麦)籽粒氮素吸收量/玉米(小麦)地上植株氮素吸收量

1.3.5 氮肥表观利用率 氮肥表观利用率(%)=(施氮处理玉米(小麦)单位面积植株氮素吸收量-不施氮处理玉米(小麦)单位面积植株氮素吸收量)/施氮量×100%

1.4 数据分析

所有数据均为各作物2个生长季平均值,采用Excel进行整合、处理。用SPSS 21.0进行三因素裂区设计的方差分析、统计分析以及多重比较(LSD法)。用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对夏玉米和冬小麦籽粒产量的影响

夏玉米和冬小麦产量效应年际间差异不显著,故取2个生长季产量平均值分析氮肥、生物炭和脲酶抑制剂及其交互效应对2种作物的影响。由表1可知,氮肥、生物炭均能显著提高夏玉米和冬小麦籽粒产量,且二者对冬小麦籽粒产量的影响具有显著的交互效应;脲酶抑制剂对夏玉米和冬小麦籽粒产量均无显著影响(图2A)。氮肥与脲酶抑制剂、生物炭与脲酶抑制剂以及三者之间均无显著交互效应。随氮肥施用量的增加,夏玉米和冬小麦籽粒产量表现出先增加后降低的趋势,均在N225水平下达到最大,与N0相比,分别提高42.6%和34.0%。生物炭的施用显著增加夏玉米和冬小麦籽粒产量,分别较不施生物炭处理提高4.4%和2.9%。

由图2可知,在不施用氮肥的条件下,生物炭和脲酶抑制剂增产效果不显著(图2B)。与单施氮肥处理(B0C0)相比,氮肥配施生物炭和脲酶抑制剂处理(B7.5C2)在各施氮量下均显著增加了夏玉米籽粒产量,平均增幅为10.0%;在N75水平下,氮肥单独配施生物炭处理(B7.5C0)和单独配施脲酶抑制剂处理(B0C2)分别增产12.8%和10.1%;在N150和N225水平下,氮肥单独配施生物炭(B7.5C0)和单独配施脲酶抑制剂(B0C2)处理均无增产效应;在N300水平下,氮肥单独配施生物炭表现为减产效应,而单独配施脲酶抑制剂对玉米籽粒产量无显著影响(图2A)。在4个施氮水平下,氮肥配施生物炭和脲酶抑制剂(B7.5C2)处理均显著增加了冬小麦籽粒产量,平均增幅为4.2%;在N75、N225、N300水平下,氮肥单独配施生物炭处理(B7.5C0)的小麦籽粒产量显著高于B0C0处理,平均增加251 kg·hm-2,单独配施脲酶抑制剂处理对冬小麦籽粒产量影响不显著(图2B)。综上可知,氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂对冬小麦和夏玉米均有显著增产作用;氮肥单独配肥生物炭对冬小麦有显著增产效应。

表1 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦籽粒产量的影响/(kg·hm-2)

2.2 不同处理对夏玉米和冬小麦产量构成因素的影响

由表2可知,氮肥对冬小麦有效穗数、夏玉米和冬小麦穗粒数、夏玉米和冬小麦千粒重有显著影响;生物炭对夏玉米和冬小麦穗粒数、夏玉米千粒重有显著影响;脲酶抑制剂对冬小麦千粒重有显著影响。氮肥和生物炭对夏玉米穗粒数和千粒重、冬小麦穗粒数的影响具有显著交互效应,而氮肥和脲酶抑制剂对夏玉米穗粒数和冬小麦千粒重的影响具有显著的交互效应。施氮显著提高了冬小麦有效穗数和穗粒数、夏玉米穗粒数和千粒重,与N0相比, N225水平下冬小麦有效穗数、穗粒数和夏玉米穗粒数、千粒重分别提高19.4%、24.2%和25.0%、19.7%;N300水平下冬小麦千粒重增加12.3%。施用生物炭显著增加了夏玉米穗粒数、千粒重和冬小麦穗粒数,较不施生物炭处理增加幅度分别为1.8%、3.5%和2.2%。施用脲酶抑制剂显著增加了冬小麦千粒重,与不施脲酶抑制剂相比增幅为1.1%。

2.3 不同处理对夏玉米和冬小麦地上部生物量的影响

由表3可知,氮肥对夏玉米和冬小麦地上部生物量有显著影响;生物炭对夏玉米地上部生物量有显著影响;脲酶抑制剂对2种作物均无显著影响。氮肥与生物炭、氮肥与脲酶抑制剂的交互作用均对夏玉米地上部生物量具有显著影响,对冬小麦均无显著影响;氮肥、生物炭和脲酶抑制剂的交互作用对夏玉米和冬小麦地上部生物量具有显著影响。施氮显著提高夏玉米和冬小麦地上部生物量,且2种作物地上部生物量均随氮肥施用量的增加而增加,与N0相比, N300水平下二者地上部生物量分别提高76.0%和69.0%。生物炭的施用显著增加夏玉米地上部生物量,较不施生物炭处理提高4.5%。

注:不同小写字母表示同一施氮水平处理之间差异显著性(P<0.05)。下同。

表2 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦产量构成因素的影响

2.4 不同处理对夏玉米和冬小麦氮肥吸收利用的影响

2.4.1 植株氮素吸收量 氮素吸收量是指示作物氮素吸收利用水平的重要指标,其与作物生产力指标之间有很强的相关性。由表4可知,氮肥和生物炭对冬小麦和夏玉米植株氮素吸收量的影响具有显著的交互效应,氮肥与脲酶抑制剂、生物炭与脲酶抑制剂以及三者之间均无显著交互效应。施氮显著增加夏玉米和冬小麦植株氮素吸收量,与N0相比,N300水平下夏玉米植株氮素吸收量显著提高142.8%,N225水平下冬小麦植株氮素吸收量显著提高87.5%。施用生物炭显著增加了夏玉米和冬小麦植株氮素吸收量,分别较不施生物炭处理提高2.3%和3.0%。施用脲酶抑制剂显著增加了夏玉米植株氮素吸收量,较不施脲酶抑制剂处理提高1.4%。

由图3可知,施用氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂均对植株氮素吸收量产生显著影响。对夏玉米而言,N0水平下,单施生物炭显著降低植株氮素吸收量,单施脲酶抑制剂则无显著影响;其余4个施氮水平下,B7.5C0处理和B7.5C2处理均显著增加植株氮素吸收量,与B0C0处理相比,平均增幅分别为4.5%和5.4%;在N150、N225和N300水平下,B0C2处理植株氮素吸收量分别较B0C0处理显著提高2.1%、3.2%和2.4%(图3A)。对冬小麦而言,除N0外,其余4个施氮水平下,B7.5C0处理和B7.5C2处理植株氮素吸收量均显著高于B0C0,平均增幅分别为3.6%和3.4%,同时二者也显著高于B0C2处理,平均增幅分别为4.1%和3.8%(图3B)。综上可知,氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂可显著提高夏玉米和冬小麦植株氮素吸收量,氮肥单独配施生物炭对提高夏玉米植株氮素吸收量具有显著效果。

表3 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦地上部生物量的影响/(kg·hm-2)

表4 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦植株氮素吸收量的影响/(kg·hm-2)

2.4.2 氮肥表观利用率 氮肥表观利用率是反映作物对肥料氮素吸收利用效果的重要指标。由表5可知,氮肥、生物炭均显著影响夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率,且二者具有显著的交互效应;脲酶抑制剂可显著提高夏玉米氮肥表观利用率,对冬小麦无显著影响。氮肥与脲酶抑制剂、生物炭与脲酶抑制剂以及三者之间均无交互效应。随氮肥用量增加,夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率总体呈逐渐下降趋势;施用生物炭显著提高了夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率,分别较不施生物炭处理提高25.8%和13.5%;施用脲酶抑制剂显著增加夏玉米氮肥表观利用率,较不施脲酶抑制剂处理提高3.0%。

表5 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率的影响/%

图4 氮肥配施生物炭和脲酶抑制剂对夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率的影响

由图4A可知,在各施氮水平下,B7.5C0、B0C2处理和B7.5C2处理夏玉米氮肥表观利用率均显著高于B0C0处理,平均增幅分别为10.2%、1.8%和11.0%;在N150水平下,B7.5C2处理夏玉米氮肥表观利用率较B7.5C0处理显著提高6.0%。如图4B所示,在N75、N150和N225水平下,B7.5C0处理和B7.5C2处理冬小麦氮肥表观利用率均显著高于B0C0处理,平均增幅分别为6.1%和6.2%,但B7.5C0和B7.5C2处理之间差异不显著;N300水平下,B7.5C0处理氮肥表观利用率较B0C0处理显著提高9.3%。可见,氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂及单独配施生物炭均能显著提高夏玉米和冬小麦氮肥表观利用率,而其单独配施脲酶抑制剂只对夏玉米氮肥表观利用率具有显著作用。

2.4.3 氮素收获指数 氮素收获指数是评估作物氮素向籽粒转移水平的重要指标。由表6可知,氮肥、生物炭均显著提高夏玉米和冬小麦氮素收获指数,脲酶抑制剂对2种作物均无显著影响。氮肥与生物炭互作、氮肥与脲酶抑制剂互作、三者互作均对夏玉米氮素收获指数具有显著的影响。施用氮肥显著提高了夏玉米和冬小麦氮素收获指数,与N0相比,在N225和N300水平下,夏玉米和冬小麦氮素收获指数分别提高了9.7%、26.5%和21.0%、18.3%。施用生物炭显著提高了夏玉米和冬小麦氮素收获指数,提高幅度分别为4.9%和6.1%。

表6 生物炭、脲酶抑制剂施用及氮肥处理对夏玉米和冬小麦氮素收获指数的影响/%

3 讨 论

改善氮肥管理措施是提高氮素利用效率的主要途径之一,作物产量、地上部生物量等农艺性状与植株氮素利用效率密切相关。有研究表明,在一定施氮量范围内,作物产量和地上部生物量均随着施氮量增加而增加[12-13],本研究也得到类似结果,且夏玉米和冬小麦籽粒产量均在N225水平(施氮量225 kg·hm-2)下达到最大。此外,施氮显著增加了夏玉米和冬小麦植株氮素吸收量,且其随施氮量的增加而增加;而2种作物氮肥表观利用率总体随施氮量的增加而下降,可能是因为施入土壤的氮肥未被作物及时吸收利用,而以挥发等形式损失,从而造成农作物氮素利用率下降,这与前人研究结果一致[14-15]。

脲酶可催化尿素水解,使其转化为无机氮供植物吸收利用[16]。但是尿素水解过快会使土壤中铵态氮浓度过高,无法被作物及时吸收利用,导致土壤氨挥发损失及后续硝化-反硝化过程中的氧化亚氮等气态氮损失[17]。外源物脲酶抑制剂(NBPT)的添加可以稳定土壤的氮素资源,降低尿素水解速率,从而减小土壤中矿质氮的浓度、减少气态氮损失,保证植株对肥料氮素的吸收和利用[18],进而影响作物产量。鲁艳红等[19]、刘垚等[20]、李春玲等[9]研究均表明,氮肥配施NBPT可以提高作物产量;但也有研究发现两者配施对作物产量的影响不显著[21]。本研究表明,氮肥配施NBPT可以显著提高夏玉米植株氮素利用率,但对夏玉米和冬小麦籽粒产量以及冬小麦植株氮素利用率影响不显著,可能是因为NBPT的作用有一定时效性,受土壤温度、水分、质地及田间管理措施等外部因素的干预,不同处理作用时效有所不同,其对作物产量及氮素利用率的影响随之表现出一定差异[22]。前人研究表明, NBPT可以减少土壤中脲酶基因(ureC)丰度和脲酶活性,延缓尿素水解、减少土壤氨挥发,但是其抑制效应只可维持3周左右[23]。

生物炭具有表面积大、吸附能力强等特点,施入后会改变土壤的理化性质,进而影响土壤对肥料中氮素的吸附转化及作物对养分的吸收利用效率,表现出显著增产效应[24]。有研究表明,氮肥配施生物炭可以显著增加夏玉米和冬小麦产量,单施生物炭则会减少植株的氮素吸收量,具有减产效应,这可能与生物炭引起的氮素固持效应有关[25]。本研究表明,氮肥配施生物炭能有效提高夏玉米和冬小麦植株氮素利用率,且二者具有显著的交互效应,这与前人研究结果一致[26-27]。一方面可能是生物炭提高了旱地土壤的持水能力,降低了容重,改善了土壤理化性质[28],从而有利于植株对氮素的吸收利用;另一方面可能是生物炭具有的强稳定性和高孔隙度等优点能促进土壤对矿质氮的吸附,被吸附的氮素在作物各生育时期逐步释放,有利于维持氮素的供需平衡,减少肥料氮素的损失[29],从而提高作物氮素利用率。此外,生物炭对土壤有机碳、pH、养分含量和土壤肥力具有重要的改善作用,还可以通过增加土壤氨氧化基因(amoB和amoA)丰度,加速硝化作用而抑制土壤氨挥发,与NBPT有一定程度的协同效应[30]。

4 结 论

1)施用生物炭显著提高夏玉米和冬小麦产量、植株氮素吸收量、氮肥表观利用率、夏玉米地上部生物量和氮素收获指数;氮肥单独配施生物炭可以显著提高夏玉米和冬小麦产量以及植株氮素吸收利用率,且二者具有显著交互效应。

2)施用脲酶抑制剂显著提高夏玉米植株氮素吸收量和氮肥表观利用率;氮肥单独配施脲酶抑制剂可以显著提高夏玉米植株氮素吸收利用率,但二者交互作用不显著。

3)施用氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂显著提高夏玉米和冬小麦产量、植株氮素吸收量和氮肥表观利用率,但三者无显著交互效应。

综上所述,氮肥单独配施生物炭可显著提高旱地夏玉米和冬小麦产量以及肥料氮的吸收利用效率,且效果优于氮肥同时配施生物炭和脲酶抑制剂;氮肥单独配施脲酶抑制剂对提高夏玉米氮肥吸收利用率具有一定的作用。