不同灌溉方式下秸秆还田对设施土壤碳、氮及蔬菜产量的影响

王立革, 郭珺, 韩雄, 武爱莲, 王劲松, 董二伟, 南江宽, 焦晓燕



不同灌溉方式下秸秆还田对设施土壤碳、氮及蔬菜产量的影响

王立革, 郭珺, 韩雄, 武爱莲, 王劲松, 董二伟, 南江宽, 焦晓燕

山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 山西, 太原 030031

针对设施土壤C/N比失调, 蔬菜产量下降的问题, 采用裂区设计大田试验, 研究了秸秆还田(S1)在水肥一体化 (FG)和膜下沟灌(FP)两种灌溉方式对设施土壤碳、氮及蔬菜产量的影响。结果表明, 在水肥一体化 (FG)灌溉方式下的秸秆腐解率相比膜下沟灌(FP)高出10.7个百分点。在两种灌溉方式下, 秸秆还田均增加了0—20 cm、20—40 cm土壤有机质含量, FG灌溉方式下分别增加了14.8%和12.4%; FP灌溉方式下分别增加了12.4%和2.9%。秸秆还田与FP灌溉方式结合, 增加了0—200 cm土壤剖面硝态氮淋洗的风险。秸秆还田均降低了0—20 cm和20—40 cm层次土壤的pH, FG灌溉方式下分别降低了0.17和0.10个单位; FP灌溉方式下均降低了0.02个单位。无论是灌溉方式、秸秆还田还是两者的交互作用, 均极显著提高了黄瓜产量, 其中水肥一体化灌溉方式结合秸秆还田的效果最好。

水肥一体化; 膜下沟灌; 秸秆还田; 设施土壤; C/N比

1 前言

设施农业是推动农业科技与传统农业结合、带动农业转型升级的最直接表现形式[1], 其高投入实现了高产出、高收益[2]。由于蔬菜浅根系特征及其对肥料依赖程度高, 实际生产中需多频次的灌溉和施肥[3], 尤其是氮肥过量投入[4], 不仅导致了氮素的淋洗, 而且造成了设施土壤比下降。土壤碳、氮的演变调控着土壤物理、化学和生物学过程, 因此, C/N比下降不仅引发了设施土壤酸化和盐渍化, 同时也伴随着氮、磷、钾养分在土壤中富集[5], 进而影响到蔬菜产业可持续发展。

作物秸秆不仅含有大量有机质, 同时含有植物生长所必需的氮、磷、钾及其它中微量元素[6]。秸秆还田后在土壤微生物作用下发生腐解, 释放出的碳、氮能够增加土壤有机质含量[7-8]。大量研究表明, 秸秆还田可以改变土壤物理性状、基本养分变化以及增加产量[9]; 同时可增加土壤中速效养分含量及其有效性, 对制约农业生产力发展因素有一定改善作用[10]; 也有研究表明, 秸秆还田量和还田深度[11]对阻控氮素淋洗也有一定作用[12]。

土壤含水量对秸秆中碳的形态转化转换有一定影响[13], 从而改变有机质性质[14]。不同的灌溉方式影响到土壤含水量[15], 所以, 灌溉方式与秸秆还田必然会对土壤有机碳含量有一定影响。已有报道, 不同灌溉方式与秸秆还田量对稻田土壤碳、氮有一定影响[16], 而对设施土壤碳氮的影响鲜见报道, 且设施土壤环境不同于稻田土壤, 因此, 本文采用裂区设计大田试验, 研究了秸秆还田处理在水肥一体化和膜下沟灌两种灌溉模式下, 设施土壤碳、氮变化及其对蔬菜产量的影响, 以期为设施蔬菜生产中采用秸秆还田后的水肥管理提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验区位于山西省曲沃县史村镇西海村, 供试设施为连续种植10年黄瓜的日光节能温室, 温室土壤类型为碳酸盐褐土, 0—20 cm土壤全氮含量为0.145 %, 有机质16.7 g·kg–1, pH 7.98, 供试蔬菜为黄瓜, 品种新科801, 以白籽南瓜嫁接(插接法)后于2012年10月15日定植, 定植前撒施腐熟有机肥225 m3·hm-2, 复合肥(15-15-15)1125 kg·hm-2, 旋耕起垄后开始定植, 于2013年5月23日拉秧, 生育期219 d。

2.2 试验设计

本试验采用裂区试验设计, 主处理为灌溉方式, 副处理为秸秆还田(集中沟埋); 其中灌溉方式分为膜下沟灌(FP)和水肥一体化(FG)2种灌溉方式, 秸秆还田(S1)为15000 kg·hm-2秸秆用量, 不施秸秆为对照(S0), 共4个处理, 每处理3次重复, 每处理区面积为84 m2(长×宽=10.5 m×8.0 m)。

膜下沟灌是沿种植行开沟, 黄瓜定植与沟坡中上部, 定植后30 d将地膜跨垄沟覆盖, 采用膜下沟内灌溉; 水肥一体化是在种植行起20 cm梯形高垄, 垄上整平后定植, 每种植行铺设2条滴灌带, 定植后将其移至秧苗根部, 定植后30 d覆盖地膜。

膜下沟灌处理的秸秆还田(集中沟埋)是在开好的沟内继续再往下挖深30—35 cm, 宽度20—25 cm, 在沟内铺放整秸秆; 水肥一体化处理的秸秆还田是在种植行开沟, 沟的深度为10—15 cm, 宽度为20—25 cm, 在沟内铺放整秸秆。在每个秸秆还田处理区随机选择3条种植行, 将部分秸秆装入网袋后一起称重, 再将其铺放至沟内压实, 待秸秆均匀铺放至沟内后, 均匀撒施有机物料腐熟剂375 kg·hm-2和尿素150 kg·hm-2, 之后在其上方覆土, 保证覆土厚度至少15—20 cm, 即为秸秆集中沟埋还田(S1); 黄瓜全生育期, 同一灌溉方式下施肥量和灌溉量相同, 具体用量见表1:

2.3 样品采集与分析

黄瓜拉秧后, 挖出装有秸秆的网袋, 去除网袋表面的土粒及杂物, 将其放置阴凉处自然风干后称重, 差值法计算腐解率; 在每处理区两株中间采集0—200 cm土壤剖面样品, 按20 cm层次分开装袋并带回室内, 风干后过筛分析0—20 cm、20—40 cm土壤有机质(OM)、全氮(TN)、pH、EC以及0—200 cm土壤剖面NO3--N含量。

有机质用重铬酸钾容量法-外加热法测定; 全氮用半微量凯氏法测定; pH、EC值分别用酸度计和电导仪测定; 硝态氮(NO3--N)采用2 mol·L–1KCL 浸提、三通道流动比色仪测定。

表1 黄瓜全生育期不同试验处理养分输入及灌溉量

2.4 数据分析

试验数据处理和作图采用Microsoft Office Excel 2013, 统计分析采用Minitab 15.0软件中的双因子方差分析, 包括灌溉方式、秸秆还田以及两因子之间的交互作用。

3 结果分析

3.1 秸秆腐解率

由图1可以看出, 灌溉方式对秸秆腐解程度有一定影响, 其中, 水肥一体化灌溉技术模式下的秸秆腐解率为81.6 %, 膜下沟灌的秸秆腐解率70.9 %, 前者比后者高出10.7个百分点, 统计分析显示, 差异达到显著水平(≤0.05), 说明水肥一体化相对膜下沟灌, 可提高秸秆的腐解速率。

图1 不同灌溉方式下秸秆腐解率

3.2 不同处理对土壤碳、氮的影响

由表2可知, 秸秆还田均增加了0—20 cm、20—40 cm土壤有机质含量。在水肥一体化灌溉方式下, 0—20 cm、20—40 cm土壤有机质相比未添加秸秆处理, 分别增加了14.8和12.4%; 在膜下沟灌灌溉方式下, 分别增加了12.4和2.9%。

双因素方差分析结果显示, 灌溉方式对0—20 cm层次的土壤有机质(OM)、全氮以及C/N都有极显著影响(≤0.01), 对20—40 cm层次的土壤有机质(OM)、全氮以及C/N无明显影响(>0.05); 相比传统膜下沟灌(FP), 水肥一体化技术模式下的0—20 cm层次土壤的有机质、全氮含量以及C/N分别提高了45.3%、23.1%和19.6%; 秸秆还田对0—20cm层次土壤的有机质(OM)含量和C/N有极显著影响(≤0.01), 相比膜下沟灌秸秆还田处理(FP+S1), 水肥一体化秸秆还田处理(FG+S1)0—20 cm层次土壤的有机质含量和C/N分别提高了15.7%和19.7%; 灌溉方式和秸秆还田的交互作用对土壤有机质、全氮含量以及C/N均无显著影响。说明灌溉方式、秸秆还田对土壤有机质、全氮含量以及C/N有一定影响, 但两者交互作用对其无明显影响。

3.3 不同处理对土壤剖面硝态氮分布的影响

不同处理对0—200 cm土壤剖面硝态氮分布的影响见图2, 从图中可以看出, 在20 cm和40 cm处, 各处理硝态氮含量均高于定植前。从40 cm到80 cm各处理的硝态氮含量均低于定植前; 在60 cm处, 膜下沟灌(FP+S0)以及膜下沟灌秸秆还田处理(FP+S1)土壤剖面硝态氮含量高于定植前, 而水肥一体化(FG+S0)及其水肥一体化秸秆还田处理(FG+S1) 低于定植前。从80 cm到140 cm, 水肥一体化(FG+S0)及其水肥一体化秸秆还田处理(FG+S1)与定植前土壤剖面含量相当, 且变幅较小; 膜下沟灌(FP+S0)及其膜下沟灌秸秆还田处理(FP+S1)分别在100 cm和120 cm处出现峰值, 硝态氮含量分别为28.3 mg·kg–1g和33.9 mg·kg–1, 相比定植前在80 cm处出现的峰值(36.2 mg·kg–1), 分别下移了20 cm和40 cm。从140 cm到200 cm, 膜下沟灌(FP+S0)及其膜下沟灌秸秆还田处理(FP+S1)随土层深度增加硝态氮含量呈增加趋势, 且均高于定植前; 水肥一体化秸秆还田处理(FG+S1)与定植前相当, 而水肥一体化(FG+S0)处理土壤剖面硝态氮含量低于定植前。说明膜下沟灌(FP+S0)及其膜下沟灌秸秆还田 (FP+S1)均增加了硝态氮淋洗的, 且在膜下沟灌灌溉模式下, 秸秆还田增加了淋洗的风险。

表2 灌溉方式与秸秆还田对土壤碳、氮的影响

注: 表中数值为平均值±SD(n=3); 方差分析F值右上方“*”表示0.05水平差异显著, “**”表示0.01水平差异显著, “NS”表示差异不显著。

图2 不同处理0-200 cm土壤剖面硝态氮分布

3.4 不同处理对土壤pH和EC值的影响

灌溉方式与秸秆还田对土壤pH和EC值的影响见表3, 从表中可以看出, 无论是在膜下沟灌处理(FP)还是水肥一体化处理(FG)下, 秸秆还田均降低了0—20 cm和20—40 cm层次土壤的pH, 其中在水肥一体化灌溉方式下, 0—20 cm和20—40 cm层次土壤的pH分别降低了0.17和0.10个单位; 在膜下沟灌灌溉方式下均降低了0.02个单位。

双因素方差分析显示, 灌溉方式、秸秆还田以及两者的交互作用, 对0—20 cm层次土壤的pH差异均达到极显著水平(≤0.01), 而对20—40 cm无明显影响(>0.05); 相比膜下沟灌(FP), 水肥一体化处理(FG)下的0—20 cm层次土壤pH下降了0.04个单位, 秸秆还田(S1)相比未添加秸秆处理(S0), 0—20 cm层次土壤pH下降了0.09个单位。

从表中还可以看出, 无论是在膜下沟灌 (FP)还是水肥一体化处理(FG)下, 秸秆还田均提高了0—20 cm和20—40 cm层次土壤的EC值; 统计分析显示, 仅灌溉方式对0—20 cm层次土壤的EC值影响显著(≤0.05), 其他处理未达到显著水平(>0.05); 水肥一体化处理(FG)对0—20 cm层次土壤EC值相对相比膜下沟灌(FP)提高了17.0%。

说明水肥一体化灌溉处理不仅明显降低了0—20 cm层次土壤的pH, 而且显著提高了0—20 cm层次土壤EC值; 秸秆还田明显降低0—20 cm层次土壤的pH; 灌溉方式和秸秆还田的交互作用对0—20 cm层次土壤的pH有一定的影响。

表3 灌溉方式与秸秆还田对土壤pH值和EC的影响

注: 表中数值为平均值±SD(n=3); 方差分析F值右上方“*”表示0.05水平差异显著, “**”表示0.01水平差异显著, “NS”表示差异不显著。

3.5 不同处理对黄瓜产量的影响

不同处理对黄瓜产量有一定的影响, 水肥一体化灌溉处理模式下, FG+S0处理的黄瓜产量为218391.0 kg·hm-2, FG+S1处理的黄瓜产量为235346.0 kg·hm-2; 传统灌溉模式下, FP+S0处理为195793.0 kg·hm-2, FP+S1处理为 226288.5 kg·hm-2; 不同处理对黄瓜产量的影响表现出FG+S1>FP+S1> FG+S0>FP+S0(图3)。双因素方差分析结果显示, 灌溉方式、秸秆还田以及两者的交互作用对黄瓜产量的影响均达到极显著水平(≤0.01), 就秸秆还田处理而言, 秸秆还田(S1)处理相比未施秸秆处理(S0), 黄瓜产量相对提高了11.5%; 就灌溉方式而言, 水肥一体化处理相比膜下沟灌, 黄瓜产量相对提高了7.5%; 说明秸秆还田处理对黄瓜产量的影响大于灌溉处理, 其中水肥一体化与秸秆还田结合后的效果最明显。

4 讨论

秸秆还田后受外界环境影响, 与土壤之间发生着复杂的物质和能量的转化[17-18], 其中, 土壤含水量是秸秆在土壤中腐解转化的决定性因子之一[19]。本研究结果表明, 水肥一体化秸秆还田(FG+S1)处理的秸秆腐解速率显著高于膜下沟灌秸秆还田(FP+S1)。有研究表明, 土壤水分在16%至20%之间, 玉米秸秆分解速率最快, 土壤湿度过高或过低秸秆腐解率将减小[20]; 说明水肥一体化灌溉模式下的土壤含水量相比膜下沟灌更适宜秸秆的腐解。由于秸秆腐解主要是依靠土壤微生物菌群[21], 而微生物活性与土壤温度、水分、通气等因素有关, 由于本研究并未对其相关因素进行研究和分析, 因此, 水肥一体化秸秆还田(FG+S1)对土壤温度、水分、通气等环境因素及其与微生物菌群的相关性还需做进一步研究和探讨。

图3 不同处理黄瓜产量

本研究结果表明, 灌溉方式、秸秆还田极显著提高了0—20 cm层次土壤有机质含量, 但两者的交互作用不明显。因为秸秆腐解物有利于提升土壤有机质含量, 所以秸秆还田极显著提高土壤有机含量不难理解。灌溉方式极显著提高土壤有机质的结果主要是因为灌溉量导致, 因为施入的有机肥和秸秆有机物腐解后首先增加了溶解性有机碳(DOC)含量[22], 而溶解性有机碳含量(DOC)又与有机质含量有显著的正相关[23], 溶解性有机碳含量(DOC)具有易流动、易分解以及随水运移的特点[24], 本研究中膜下沟灌(FP)处理的灌溉量高于水肥一体化处(FG)理3825.0 m3·hm-2, 所以灌溉方式对0—20 cm土壤有机质含量统计分析结果差异显著, 此研究结果与韩林等人研究结果一致[25]。对于20—40 cm有机质含量无明显影响可能与秸秆还田的深度有关[26-27]。灌溉方式和秸秆还田对有机质含量交互作用不明显, 可能与试验年限有关。

不同处理对土壤全氮含量的分析结果仅表现出灌溉方式对0—20 cm层次土壤全氮含量有显著影响, 而秸秆还田处理以及两者的交互作用不明显, 主要原因与灌溉量以及氮肥用量有关, 导致水肥一体化(FG)灌溉模式下氮肥在表层土壤的累积; 且灌溉量远远低于膜下沟灌(FP)处理, 所以导致0—200 cm土壤剖面硝态氮含量也较低, 这与前人研究结果一致[28-29]。秸秆深埋还田后, 在20-30 cm处相当于建立了阻隔层, 但从本研究结果可知, 秸秆还田处理在膜下沟灌(FP)条件下, 120 cm土层处出现了硝态氮峰值, 相比定植前80 cm处的硝态氮峰值下移了40 cm; 在水肥一体化灌溉模式下, 从60—200 cm土壤剖面硝态氮含量与定植前相当。陶宝瑞[30]等人研究了秸秆集中掩埋还田对麦田土壤氮淋失有一定的阻控效果, 所以导致此结果的原因与灌溉量和施肥量过高有关, 同时与秸秆压实程度也有很大关系。

土壤 pH 是土壤肥力的重要特征参数之一, 引起土壤pH下降的原因是氮肥的过量使用[31]。本研究结果表明, 灌溉方式、秸秆还田对0—20 cm土壤pH有显著影响, 而且也有明显的交互作用。水肥一体化(FG)灌溉处理相比膜下沟灌(FP)降低了0—20 cm层次土壤pH, 与范庆峰[29]等人的分析结果不同, 这主要是数据分析方法不同所致, 本研究数据分析采用的双因素方差分析, 在分析灌溉方式对土壤pH值影响的时候, 秸秆还田因素也起到了作用。单从水肥一体化灌溉(FG+S0)处理与传统膜下沟灌(FP+S0)处理比较, 前者相比后者0—20 cm土壤pH值提高了0.03个单位; 而秸秆还田(S1)相比未添加秸秆(S0)处理, 降低了0—20 cm层次土壤pH值, 与闫洪亮[32]等人研究结果一致。不同处理对土壤EC值分析结果可知, 仅灌溉方式对0—20 cm层次土壤的EC值有显著影响, 且水肥一体化处理(FG)高于膜下沟灌(FP), 主要原因还是由于实际施肥量过高所致。

灌溉方式、秸秆还田以及两者的交互作用对黄瓜产量均有极显著的影响, 而且水肥一体化秸秆还田(FG+S1)处理的黄瓜产量最高, 说明秸秆还田最适宜的水分管理模式为水肥一体化灌溉。

5 结论

在设施蔬菜生产中, 秸秆还田结合水肥一体化不仅有利于提高表层土壤C/N比, 而且明显提高黄瓜产量。

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Effects of straw returning on soil carbon, nitrogen and vegetable yield under different irrigation methods

WANG Lige, GUO jun, HAN Xiong, WU Ailian, WANG Jinsong, DONG Erwei, NAN Jiangkuan, JIAO Xiaoyan

Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China

In order to solve the soil C/N imbalance and the decline of vegetable yield in greenhouse, we studied effects of straw returning to soil carbon, nitrogen and vegetable yield on fertigation (FG) and film mulching furrow irrigation (FP) in greenhouse by employing split plot design field trials. The results showed that the rate of straw decomposition was 10.7 percentage points higher at fertigation (FG) than film irrigation (FP). Under two irrigation methods, the soil organic matter contents of 0-20 cm and 20-40cm soil were increased by 14.8% and 12.4% under fertigation (FG), and 12.4% and 2.9% respectively under film mulching furrow irrigation. The risk of nitrate leaching was increased in soil profile at 0-200 cm when the combination of straw returning and film mulching furrow irrigation increased. The soil pH of 0-20 cm and 20-40 cm was reduced by 0.17 and 0.10 units respectively under fertigation, and 0.02 unit was reduced under film mulching furrow irrigation. Yield of cucumber was greatly improved by irrigation method, straw returning or the interaction between, and the effect under the combination of fertigation with straw returning was the best.

fertigation (FG);film mulching furrow irrigation;straw returning;greenhouse soil;C/N ratio

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.005

A

1008-8873(2018)04-045-07

2018-05-02;

2018-05-21

山西省农业科学院重点科研项目(YGG1629); 山西省重点研发计划重点项目(201703D211020-1)

王立革(1978—), 男, 山西永济, 硕士, 副研究员, 主要从事设施农业水肥和植物营养学研究. E-mail:wanglige2008@163.com

王立革, 郭珺, 韩雄, 等. 不同灌溉方式下秸秆还田对设施土壤碳、氮及蔬菜产量的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 45-51.

WANG Lige, GUO jun, HAN Xiong, et al. Effects of straw returning on soil carbon, nitrogen and vegetable yield under different irrigation methods[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 45-51.