蚕豆秸秆还田减施氮肥对烟田氮流失控制及氮素利用效率的影响

吴 迪,李家逵,白继元,李江舟,李家瑞,徐高峰,申时才,陈 华,何玉华,代 快

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所,昆明 650205;2.云南省烟草公司玉溪市公司,云南 红塔 653100;3.云南省农业科学院粮食作物研究所,昆明 650205)

【研究意义】为减少农业面源污染和控制氮磷排放,近年来以烤烟—蚕豆轮作为主、化肥施用量较小的种植模式在云南高原湖泊流域植烟区得到大面积发展[1]。蚕豆是一种固氮豆科作物,通过蚕豆秸秆还田,土壤将获得一定量氮素补充并提供给下季作物[2-4],然而由于工业需求的特殊性,烤烟在生长过程中对氮的供给极其敏感[5-6],过多或过少的氮肥投入均会导致烟叶产量和品质的显著下降并加剧氮流失[7]。【前人研究进展】研究表明,秸秆还田能增加土壤微生物总量和物种丰富度[8]及改善土壤微生物活性,通过秸秆还田不仅能有效提高土壤孔隙度和促进团粒结构形成,还可对土壤氮库进行补充和增加土壤有机氮含量[9-10],进而提高土壤氮素供应能力,氮肥的大量施用是导致农田氮流失的主要原因[11],通过秸秆还田减少无机氮施用能有效降低轮作系统氮的流失[12],提高农田碳氮循环能力,同时,秸秆还田后可增强烟株根系活力和烟株抗逆能力,是提高烟叶产量和品质的主要途径[13-14]。【本研究切入点】目前,烤烟—蚕豆轮作模式下的秸秆还田研究不多,在烤烟—蚕豆轮作模式下,采用田间试验,分析蚕豆秸秆还田方式对烟田氮肥替代能力及利用效率的影响,同时对烟田氮流失控制进行探讨。【拟解决的关键问题】以期为烤烟—蚕豆轮作模式下秸秆资源化利用对氮肥替代、氮流失控制及烤烟产量产值的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019—2021年在云南省澄江市龙街镇大塘村(102°87′47″ E,24°64′13″ N,海拔1710 m)进行。试验地土壤为水稻土,试验前采用5点取样法采集0～20 cm耕作层土壤样品并混合,于室内常温下风干后分析,基本理化性质为pH 6.75,有机质20.8 g/kg,碱解氮143.1 mg/kg,有效磷30.8 mg/kg,速效钾273.1 mg/kg。

1.2 试验材料

蚕豆品种为云早7号、烤烟K326,由当地烟草公司提供。试验所用肥料：复合肥(N 12%、P2O56%、K2O 24%)、硝酸钾(N 28%、K2O 5%)、硝酸铵钙(含N 16%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 50%)。

1.3 试验设计

试验采用烤烟—蚕豆轮作,共8个处理,分别为T1(CK,不施氮)、T2(习惯施肥,100%N)、T3(85%N+S)、T4(70%N+S)、T5(55%N+S)、T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)、T8(55%N+DS),小区面积42 m2,3次重复,随机区组排列。其中,N表示氮肥,S表示鲜秸秆还田,DS表示腐熟秸秆还田。小区四周打埂后用塑料膜包裹,防止农田径流水外渗,同时于小区内开挖引流沟,将径流水引到出水口,并于出水口埋设地表径流收集桶,用于收集小区地表径流水,同时于小区中部位置埋设多孔渗漏管,用于收集土壤地下渗漏水,渗漏管埋设深度60 cm。蚕豆收获后,各小区秸秆分开收获,新鲜秸秆粉碎处理后全量翻压还田到对应小区,腐熟秸秆粉碎后堆捂发酵,腐熟后还田到对应小区,T1(CK)和T2(习惯施肥)施肥处理不进行秸秆还田。除试验处理外,其他生产管理方式均按当地推荐方法进行。试验时间为2019年10月至2021年9月,共种植2季烤烟和2季蚕豆,蚕豆施肥量为：N 60 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 90 kg/hm2,烤烟季化肥和秸秆用量见表1。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 土样 试验前采用多点取样法采集 0～20 cm 耕层土样后混合,风干后测定土壤基础理化性状;测定项目分别为pH、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾,测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[15]。

1.4.2 径流水取样及测定 于烤烟大田移栽后且降雨产生径流时采集径流水样,直至烤烟采收结束。地表径流水取样时采集清水层水样,不搅动水底沉积物,取样完成后排干径流收集桶中的水,以收集下次样品;采集地表径流水的同时采集土壤渗漏水,采集时将渗漏管内收集的水搅拌均匀后开始取样,采集后将多孔渗漏管中的水抽干以继续收集土壤渗漏水,样品均收集于500 mL塑料瓶内,并于取样完成后对样品进行编号后冷冻保存待测。2020年采样7次,2021年采样9次。径流水总氮(TN)国家环境监测总站标准测定[16]。

1.4.3 植株的取样及测定 于烤烟下部叶成熟采摘前,各小区分别取样5株,杀青烘干后分为根、茎、叶3个部分测定质量,并测定全N含量[17],计算烤烟的生物学产量和氮养分吸收量。

1.4.4 主要经济性状测定 烟叶采烤时,分小区挂牌采收,烘烤烟叶参考烤烟国家分级标准定级[18]并分小区记录,同时计算单位面积产量、产值、均价和上等烟比例。

1.5 数据分析

各参数计算方法：氮肥利用率(%)=(施氮区烤烟吸氮量-缺氮区烤烟吸氮量)÷施氮量×100;氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区经济产量-缺氮区经济产量)÷施氮量;氮素经济学利用效率(kg/kg)=经济学产量÷植株氮素吸收量;地表径流和土壤渗漏水总氮浓度均为各年多次取样总氮浓度的平均值。数据分析采用SPSS 25.0软件和Excel 2012软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田减施氮肥对烤烟产量及产值的影响

由表2可见,T1(CK)处理产量、产值和上等烟比例2年试验均为最低。新鲜秸秆还田条件下,T3(85%N+S)和T4(70%N+S)处理与T2(习惯施肥)处理连续2年相比差异不显著,秸秆腐熟后还田的T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)处理与T2(习惯施肥)处理相比连续2年差异不显著。2种秸秆还田方式下,2年上等烟比例最高均为减施氮肥30%的T4(70%N+S)和T7(70%N+DS)处理。2020年度新鲜秸秆还田产值最高为T4(70%N+S)处理,达94 358.7元/hm2,显著高于T2(习惯施肥)处理,秸秆腐熟还田产值最高为T6(85%N+DS)处理,达92 414.3元/hm2,显著高于T2(习惯施肥)处理,T7(70%N+DS)处理产值高于T2(习惯施肥)处理,但二者差异不显著;2021年度在新鲜秸秆和腐熟秸秆还田条件下减施氮肥30%的T4(70%N+S)和T7(70%N+DS)处理产值均高于T2(习惯施肥)处理。通过对连续2年的蚕豆秸秆还田并减施化学氮肥比较,在新鲜秸秆还田条件下,减施氮肥15%～30%不会对烤烟产量和产值产生负显著效应,且有利于提高烤烟上等烟比例;在腐熟秸秆还田条件下,减施氮肥15%～30%有利于提高烤烟上等烟比例和产值,减施氮肥45%烤烟产量显著下降。同等氮肥减施量条件下,新鲜秸秆还田和腐熟秸秆还田方式相比,产量、上等烟比例和产值均不具有显著差异。

表2 秸秆还田对烤烟产量和产值的影响

2.2 秸秆还田减施氮肥对烤烟氮素吸收量的影响

由表3可知,2020年采用新鲜秸秆还田的T3(85%N+S)和T4(70%N+S)处理烤烟氮素吸收总量略低于T2(习惯施肥)处理,但三者间差异不显著;秸秆腐熟后还田减施氮肥15%的T6(85%N+DS)处理烤烟氮素吸收总量略高于T2(习惯施肥)处理,减施氮肥30%的T7(70%N+DS)处理与T2(习惯施肥)处理相比差异不显著。2021年新鲜秸秆和秸秆腐熟还田两种条件下,除减施氮肥45%的T5(55%N+S)和T8(55%N+DS)处理烤烟氮素吸收总量显著低于T2(习惯施肥)处理外,其他处理均与T2(习惯施肥)处理无显著差异。2年试验数据表明,不施氮肥处理烤烟氮素吸收量最低,在新鲜秸秆和腐熟秸秆2种还田方式下,减施化学氮肥15%～30%时,与T2(习惯施肥)处理相比,烤烟氮素吸收总量无显著下降,减施氮肥45%时,烤烟氮素吸收总量显著降低。同等氮肥减施量条件下,新鲜秸秆还田和腐熟秸秆还田方式相比,氮素吸收总量不具有显著性差异。

2.3 秸秆还田减施氮肥对烤烟氮肥利用效率的影响

由表4可知,2020年度秸秆直接还田后,T3(85%N+S)、T4(70%N+S)和T5(55%N+S)处理的烤烟氮肥利用率分别比T2(习惯施肥)处理提高22.8%、37.3%和2.0%,其中T4(70%N+S)处理烤烟氮肥利用率较T2(习惯施肥)处理显著提高,采用腐熟秸秆还田后,T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)处理烤烟氮肥利用率分别比T2(习惯施肥)处理提高30.5%、26.5%和6.7%;与T2(习惯施肥)处理相比,2021年新鲜秸秆直接还田的T3(85%N+S)、T4(70%N+S)和T5(55%N+S)处理烤烟氮肥利用率分别提高18.5%、30.4%和14.1%,采用腐熟秸秆还田后,T6(85%N+DS)和T7(70%N+DS)处理烤烟氮肥利用率较T2(习惯施肥)处理显著提高,分别提高24.7%和25.9%。2种还田方式下减施氮肥15%～30%均能提高烤烟氮肥利用率,减施氮肥45%时,烤烟氮肥利用率明显下降;同等氮肥减施条件下,2种秸秆还田方式的烤烟氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥经济学利用效率无显著性差异。

表3 秸秆还田对烤烟氮素吸收量的影响

表4 秸秆还田对烤烟氮肥利用效率的影响

2.4 蚕豆秸秆还田减施氮肥对地表径流水、土壤渗漏水总氮含量的影响

由图1可知,不施氮肥可显著降低地表径流水总氮含量,2020年度新鲜秸秆直接还田的T4(70%N+S)和T5(55%N+S)处理地表径流总氮含量比T2(习惯施肥)处理显著降低,分别下降0.41和0.66 mg/L,采用腐熟秸秆还田后,T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)处理地表径流总氮含量比T2(习惯施肥)处理分别下降0.18和0.34 mg/L,但三者间差异不显著;2021年度新鲜秸秆直接还田T4(70%N+S)和T5(55%N+S)处理地表径流总氮含量分别比T2(习惯施肥)处理显著下降0.65和1.37 mg/L,采用腐熟秸秆还田后,减氮45%的T8(55%N+DS)处理与T2(习惯施肥)处理相比显著下降。

由图2可知,不施氮肥土壤渗漏水总氮含量最低,2020年新鲜秸秆直接还田 T5(55%N+S)处理渗漏水总氮含量比T2(习惯施肥)处理显著下降,采用腐熟秸秆还田后,T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)处理渗漏水总氮含量比T2(习惯施肥)处理显著下降;2021年新鲜秸秆直接还田的T3(85%N+S)、T4(70%N+S)、T5(55%N+S)处理和腐熟秸秆还田的T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)、T8(55%N+DS)处理渗漏水总氮含量均比T2(习惯施肥)处理显著下降。表明,利用蚕豆新鲜秸秆直接还田和腐熟后还田并减施氮肥,对降低地表径流和土壤渗漏水中全氮含量具有明显作用,地表径流和土壤渗漏水中全氮含量与施氮量呈正相关。随着试验年限的增加,同一减氮处理地表径流和土壤渗漏水全氮含量呈下降趋势,同等氮肥减施量条件下,2种秸秆还田方式地表径流和土壤渗漏水中全氮含量无显著性差异。

同一年份不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters in the same year mean significant differences(P<0.05). The same as below. 图1 秸秆还田减施氮肥对地表径流水总氮含量的影响Fig.1 Effect of straw returning and nitrogen fertilizer reduction on total nitrogen in surface runoff

图2 秸秆还田减施氮肥对土壤渗漏水总氮含量的影响Fig.2 Effect of straw returning and nitrogen fertilizer reduction on total nitrogen in soil leakage

3 讨 论

3.1 秸秆还田减施氮肥对烤烟产量及产值的影响

秸秆还田对烤烟的农艺性状及产量有较好的促进作用[19-20],秸秆中含有丰富的N、P及K元素,能够提升土壤微生物的数量和质量,提高土壤肥力,从而减少化肥的施用量[21-22]。本研究中,蚕豆新鲜秸秆直接还田和腐熟秸秆还田后减施氮肥15%～30%,均不会造成烤烟产值的显著下降,2年数据表明,T4(70%N+S)与T2(习惯施肥)处理相比烤烟上等烟比例提高11.2%～19.0%,产值提高2.3%～10.7%,T7(70%N+DS)与T2(习惯施肥)相比烤烟上等烟比例提高14.0%～20.4%,产值提高1.6%～7.3%。氮肥减施45%时,产量产值均出现显著下降,说明此时秸秆对氮素的替代能力已明显不足。同等氮肥减施量条件下,新鲜秸秆还田和腐熟秸秆还田方式相比,产量、上等烟比例和产值均不具有显著性差异。

3.2 秸秆还田减施氮肥对烤烟氮素吸收及氮肥利用效率的影响

烤烟植株不同部位吸收氮素总量分配为叶片﹥茎﹥根[23-25],本研究烟株各器官氮素分配表现与上述研究相同。不施用氮肥显著减少作物氮素吸收量[26-27],秸秆还田通过改善土壤质量和提高土壤微生物活性,从而提高土壤养分供给能力,同时对土壤氮给予了一定补充。因此,秸秆还田后减施氮肥用量反而有利于增加作物对氮素的吸收能力和提高氮肥利用效率[28],本研究2年试验数据表明,2种蚕豆秸秆还田方式下分别减施氮肥15%～30%,与T2(习惯施肥)处理相比,烤烟氮素吸收总量无显著减少,但减施量达45%时,氮素吸收总量显著下降。秸秆还田配施氮肥可提高作物氮肥农学利用效率、氮肥利用率和氮肥偏生产力[29-30],本试验2年数据表明,利用蚕豆新鲜秸秆直接还田和腐熟后还田并减施氮肥15%～30%时,氮肥利用率较T2(习惯施肥)处理分别提高30.4%～37.3%和25.9%～26.5%,同一秸秆还田减氮处理,氮肥利用率逐年增加,说明蚕豆秸秆还田后,秸秆作为氮源可持续矿化对土壤进行氮素补充,并提供给下季作物,从而减少化肥的投入。通过秸秆还田减施氮肥后,不会对氮肥农学效率和氮肥经济学利用效率产生负显著效应,同等氮肥减施量条件下,2种秸秆还田方式氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥经济学效率无显著差异。

3.3 秸秆还田减施氮肥对地表径流水、土壤渗漏水总氮含量的影响

相关研究认为,减少氮肥施用量,可显著降低农田径流氮流失[31-32],而秸秆还田能有效增加土壤的碳储量和土壤碳氮比[33],进而影响农田系统氮循环,将土壤盈余氮素固定在土壤中,同时通过改变土壤质地,降低土壤氮素渗漏速率[34-35],可减少氮流失,因此秸秆还田配合氮肥减施,是减少农田氮流失的有效途径。本研究中,利用蚕豆新鲜秸秆直接还田和腐熟后还田并减施氮肥,对降低地表径流和土壤渗漏水中全氮含量具有明显作用,地表径流和土壤渗漏水中全氮含量随施氮量减少而下降,新鲜秸秆还田的T4(70%N+S)处理2年地表径流全氮含量与T2(习惯施肥)相比分别下降11.6%～17.5%,土壤渗漏水全氮含量与T2(习惯施肥)相比分别下降8.3%～19.6%;秸秆腐熟还田的T7(70%N+DS)与T2(习惯施肥)处理相比,2年地表径流全氮含量分别下降5.1%～10.9%,土壤渗漏水全氮含量分别下降20.5%～28.5%,同时,随着秸秆还田年限的增加,相应减施氮肥处理地表径流和土壤渗漏水全氮含量呈逐年下降趋势。减少氮肥用量,是减少氮素流失的关键,在满足烤烟正常氮素供应前提下,通过秸秆还田来对减少的化学氮进行补充,有利于烟田氮素流失控制。随着秸秆还田年限的增加,补充土壤碳库中的碳,改善土壤结构,从而加强土壤对氮的固定,促进氮素在作物间的循环,降低氮素淋溶损失。本研究表明,同等氮肥减施量条件下,新鲜蚕豆秸秆直接还田和腐熟还田的地表径流水和土壤渗漏水中全氮含量无显著性差异。

4 结 论

在烤烟—蚕豆轮作模式下,采用新鲜秸秆还田和腐熟秸秆还田均可替代化学氮肥30%,该替代量可在保障烤烟产量产值的同时最大化地控制氮素流失产生的污染,新鲜秸秆还田和腐熟秸秆还田综合效益差异不显著,因此结合节本增效考虑,在该模式下推荐采用蚕豆新鲜秸秆还田减施氮肥30%。