留膜留茬免耕栽培条件下旱作玉米生长季土壤氮素供应动态特征

张建军, 党翼, 赵刚, 樊廷录, 王磊, 程万莉,李尚中, 王淑英, 雷康宁

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 兰州 730070)

保护性耕作技术于20世纪60年代在美国逐步成型。近年来，以留膜留茬免耕种植为代表的旱地保护性耕作技术，因其良好的保墒及节本增效作用已在甘肃旱作区大面积应用[1-5]。氮素是作物生长发育所需的大量营养元素之一，也是作物从土壤中吸收量最大的矿质元素[6]。土壤全氮因其库存大且变异系数小，对耕作措施的响应缓慢，因而单独测定全氮并不能完全反映土壤氮素的动态特征[7]。硝态氮和铵态氮是作物可以直接吸收利用的氮素形态，其含量虽低,却是农田生态系统中最易耗竭和限制作物生长发育的氮素形态[8]。目前对降雨量在400～600 mm的黄土高原区土壤氮素的淋洗研究不多，主要原因是相关学者认为这些地区降雨量较少，淋洗不可能发生或不起主要作用，事实上这些地区降雨虽少，却主要集中在 6—9月内，强度大的降雨不仅会引起氮素的地表径流损失(特别是黄土高原地区)，还会使表层硝态氮下渗到相当深度[9]。因此，研究土壤全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮含量的动态变化，对于评价由耕作措施所引起的土壤氮素变化意义重大。目前，国内外关于留膜留茬免耕栽培技术的土壤氮素在玉米生长季及各土层分布动态特征的报道尚不多见。为此，本研究开展了留膜留茬免耕栽培条件下的土壤氮素在玉米各生育时期及土层分布动态特征的研究，旨在明确栽培措施对旱作农田土壤氮素变化动态的响应规律，加深对旱作农田土壤氮循环过程的理解。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016—2018年在甘肃省庆阳市镇原县甘肃省农业科学院试验基地(35°29′42″N, 107°29′36″E)进行，土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土。该区年均降雨量540 mm，其中7—9月占60%，年蒸发量1 532 mm，年均气温8.3 ℃，无霜期170 d，海拔1 279 m，为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候，属典型的旱作雨养农业区。试验开始前土壤养分含量见表1。

表1 播前0～20 cm土层土壤养分含量

1.2 试验设计

采用定位试验，于2016年采用随机区组设计，设2个栽培模式，分别为：全膜双垄沟播栽培(CK)，留膜留茬免耕栽培(T)。小区面积为27.5 m2(5.5 m×5 m)，3次重复。2016年为预备试验，T处理留膜留茬免耕栽培为2016年全膜双垄沟播玉米在秋季收获后不揭膜，2017年和2018年继续利用旧膜，地膜残留率和覆盖度均达90%以上，留茬3～5 cm人工割倒玉米秆，翌年不进行土壤耕翻，直接穴播春玉米；CK为秋季揭膜免耕，春季播前进行旋耕。其中，CK于4月上旬覆膜，地膜为普通白色聚乙烯地膜(甘肃振海塑业有限责任公司)，幅宽1.2 m，厚度0.01 mm。玉米品种为先玉335(甘肃省敦煌种业股份有限公司)，密度7.5万株·hm-2。氮肥用量180 kg·hm-2，2016年T、CK两处理的氮肥50%作基肥结合整地施入，50%作追肥于拔节期用追肥枪人工施入，覆膜前施过磷酸钙1 000 kg·hm-2。2017年和2018年氮肥100%作基肥，CK处理结合播前整地施入，T处理采用追肥枪错开根茬人工穴施，施肥点在垄沟，所有处理均不施磷、钾肥。其他田间管理措施同一般高产田。

1.3 试验方法

1.3.1土壤样品采集 留膜留茬免耕栽培第2年即2018年，分别于播前、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、收获期在试验小区内，采用五点法，用直径为3.5 cm土钻分别采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤样品，其中，T处理取样点分别位于垄沟和垄上，垄沟取样点位于2株玉米间，避开追肥穴，将来自同一土层的土壤样品混匀，采用四分法去掉多余土样。待自然风干后，剔除肉眼可见的植物残体、砾石等杂物，研磨过2 mm孔径筛备用。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010整理数据并作图，采用DPS 7.01统计软件进行方差分析(ANVOA)，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期不同栽培模式下各土层全氮含量变化

从表2可以看出，玉米整个生育时期0～40 cm土层，2种栽培模式的全氮含量整体上随土层深度增加呈下降趋势，40～100 cm土层变化不同。具体表现为0～40 cm土层，CK在苗期到收获期，随土层深度增加，全氮含量逐渐减少；40～100 cm土层，苗期到拔节期全氮含量变化不明显，抽雄到收获期表现为全氮含量的明显累积。整个生育期T处理在0～40 cm土层内，随土层深度增加，全氮含量减少；60～100 cm土层表现为全氮含量累积。收获期CK在0～40 cm土层，随土层深度增加而减少，40～100 cm表现为全氮含量的明显富集。相同土层深度，CK苗期到拔节期全氮含量减少，拔节期到抽雄期逐渐增加，收获期又减少。T处理苗期到拔节期在0～10 cm土层，全氮含量持平，其余土层全氮含量增加；拔节期到抽雄期表现为全氮含量的增加；抽雄期到灌浆期全氮含量除0～10、20～40 cm减少外，其余土层表现为增加或持平；收获期0～20 cm土层表现为全氮含量增加，20～60 cm土层减少，60～100 cm土层增加。

表2 玉米生育期不同栽培方式下土壤全氮含量的变化

2.2 玉米生育期不同栽培模式下各土层硝态氮含量变化

表3 玉米生育期不同栽培方式下土壤含量变化

2.3 玉米生育期不同栽培模式下各土层碱解氮含量变化

从表4可以看出，在0～100 cm土层，各生育时期随土层深度增加，碱解氮含量整体上呈垂直递减的趋势。其中，以0～20 cm土层碱解氮含量最高，20～40 cm急剧下降，40～80 cm土层碱解氮含量下降缓慢，说明黑垆土在40～80 cm土层保肥能力强。在0～20 cm土层，整个生育期T处理的碱解氮含量低于CK，其中，0～10 cm土层降幅在0.3%～26.0%；10～20 cm土层降幅在17.7%～23.8%。收获期0～20 cm土层，CK处理与播前比较，碱解氮含量增幅在4.9%～9.8%。

表4 玉米生育期不同栽培方式下土壤碱解氮含量变化

2.4 玉米生育期不同栽培模式下各土层铵态氮含量变化

表5 玉米生育期不同栽培方式下土壤含量变化

3 讨论

3.1 留膜留茬免耕栽培对旱作玉米生长季土壤和供应动态的影响

3.2 留膜留茬免耕栽培对旱作玉米生长季土壤全氮及碱解氮供应动态的影响

土壤中的氮素可分为有机氮和无机氮，其中全氮、碱解氮含量反映了土壤肥力状况。刘慧镯[19]研究认为，玉米不同生育阶段吸收氮素的数量和比例差异较大。苗期玉米植株开始生长，土壤全氮含量下降；拔节期植株所需氮素含量较少，全氮含量上升，大喇叭口至抽雄期，玉米营养生长与生殖生长并进，植株吸收大量氮素，土壤全氮含量下降；灌浆和收获期植株生长逐渐停止，对氮素需求较低。另外，该生育阶段部分残留根系及凋零枝叶开始补给土壤，增加了氮素输入，土壤全氮回升至播前水平。本研究结果显示，留膜留茬免耕栽培随生育时期推进，0～20 cm土层全氮含量一直增加，原因是玉米残留根茬主要集中在表层(0～20 cm)，残茬腐解为表层土壤补给了氮素养分，而在20～40 cm土层，全氮含量呈先增加后降低趋势。

耕作措施时刻影响着土壤全氮的积累[20-21]。有研究认为，传统的土壤耕作加速了土壤有机质的矿化分解，导致土壤氮素损失，而以少免耕为代表的保护性耕作技术由于减少了土壤扰动，被认为能够提高土壤全氮含量[22]。但多数研究发现，免耕较翻耕主要增加了表层土壤的全氮含量[23-24]，而在较深层次土壤中，研究结果存在差异[25-26]。本研究结果显示，在0～10 cm土层，留膜留茬免耕栽培的全氮含量在春玉米整个生育期明显低于全膜双垄沟播栽培，与上述研究结果不尽一致，原因可能是翻耕疏松的耕层土壤更有利于玉米根系的下扎，更多的有机物质投入是翻耕土层中全氮含量高于免耕的原因之一，也有可能是留膜留茬免耕栽培周年地膜覆盖改善了土壤水热条件，加速了微生物对土壤中有机氮的分解而降低了土壤全氮含量。另外，气候条件、土壤类型、种植模式以及研究年限等的差异也有可能引起全氮含量的改变，有待于做进一步研究。本研究还发现：耕作方式改变了土壤全氮含量的垂直分布特征，2种栽培模式各生育时期在0～40 cm土层，全氮含量随土层深度增加而减少，40～100 cm存在差异，原因可能是耕作方式的改变首先会引起土壤有机质在土壤剖面的重新分布，留膜留茬免耕栽培在周年地膜覆盖条件下，土壤水热条件的改变会引起有机质分解速度的差异所致。

大量研究表明，免耕有利于提高土壤中碱解氮含量，并且有明显的表层聚集现象，从而提高土壤质量[27-28]。本研究结果表明：留膜留茬免耕栽培整个生育期0～20 cm土层碱解氮含量显著低于全膜双垄播栽培。彭正萍等[29]研究了壤土条件下施肥对土壤养分垂直分布的影响，结果表明，壤土条件下，土壤碱解氮大多集中于0～30 cm，30 cm以下迅速下降，50～70 cm略有回升。本研究结果显示：从碱解氮含量垂直分布来看，在0～100 cm土层，各生育时期随土层深度增加，碱解氮含量整体上呈垂直递减的趋势，以表层(0～20 cm)碱解氮含量最高，20～40 cm急剧下降，40～80 cm碱解氮含量下降缓慢，与上述研究结论一致。

因此，留膜留茬免耕栽培在表层(0～20 cm)，硝态氮和铵态氮含量显著低于全膜双垄沟播栽培，引起玉米拔节后碱解氮供应不足，可能是留膜留茬免耕栽培玉米生育后期出现早衰的原因之一。