培肥模式对旱作全膜双垄沟播玉米生长及土壤呼吸的影响

2020-05-06谢军红王进斌李玲玲周永杰王林林

干旱地区农业研究 2020年1期

谢军红,王进斌,李玲玲,周永杰,王林林,齐鹏

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院,甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃兰州 730070)

黄土高原旱农区水热资源不足、土壤肥力瘠薄、水土流失严重[1-2]，生产生态面临着严重压力。全膜双垄沟播种植模式集成沟垄作集雨栽培、地膜覆盖增温保墒于一体，该技术的应用有效地克服了玉米种植的水热限制，发挥了明显的增产和提高水分利用效率的作用[3-4]。受高产利益的刺激，生产中存在重施化肥(尤其是氮肥)、不施有机肥现象，造成了土壤板结，有机质含量、土壤肥力、氮肥利用率降低[5-6]，同时，过量施氮引起诸如硝态氮淋溶[7]、NH3挥发[8]与碳排放[9]等一系列环境问题，不利于全膜双垄沟播玉米可持续生产。因此，通过优化培肥模式提升土壤肥力水平来维持或提高全膜双垄沟播玉米可持续生产能力的研究具有重要意义。

土壤培肥是提高耕地可持续生产能力的主要措施。研究发现，以增加土壤有机质为主要目标的秸秆还田[10]、有机肥施用[11]、有机无机结合[12]等措施能增加土壤有机质和土壤肥力，提高了作物产量和水分利用效率。然而，乔云发等[13]发现，施用有机肥虽能增加农田土壤有机碳含量，但有机肥的增加为土壤微生物呼吸提供底物，同时加强作物根系呼吸，进而增加了土壤CO2的排放。CO2是最主要的一种温室气体，其微小改变直接影响全球碳平衡，从而加剧或减缓全球气候变暖。如何保证在稳增产水平下实现土壤固碳减排成为旱作全膜双垄沟播玉米可持续生产中主要的科学问题。

土壤呼吸是一个复杂的生物和化学过程，在陆地生态系统中占有重要地位，农田生态系统的土壤呼吸易受耕作[14]、施肥[15]、灌溉[16]、覆盖[17]等非生物因素的影响，还与作物类型、生长过程、微生物活动等生物因素密切相关[18]。然而，土壤培肥对于产量、碳排放影响的研究以及土壤培肥措施下作物生长与土壤呼吸的相互关系研究在全膜双垄沟播玉米生产体系中研究相对不足。因此，本试验研究了不同培肥模式对黄土高原半干旱区全膜双垄沟播玉米生长及土壤呼吸的影响，以期挖掘既能维持一定生产力水平又能降低碳排放的全膜双垄沟播玉米培肥模式，明晰覆膜沟垄种植条件下玉米生长与土壤呼吸速率、碳排放的关系，为旱作农田养分管理与土壤碳排放理论提供技术理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究于2018年在甘肃省定西市安定区的甘肃农业大学旱农综合实验站进行，研究所依托田间定位试验始于2012年。试验区平均海拔2 000 m，年无霜期140 d，属中温带半干旱偏旱区，多年平均日照时数2 476 h，太阳辐射量为593 kJ·cm-2；年均气温6.4℃，≥0℃积温为2 933.5℃，≥10℃积温为2 239.1℃,多年平均降水量为390.9 mm，80%保证率的降水量为365 mm，年蒸发量达到1 531 mm，属典型的半干旱雨养农业区，试区土壤为黄绵土，土质疏松，质地均匀，贮水性良好；凋萎含水率7.3%，饱和含水率28.6%，pH值约为8.36，土壤有机质含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。2018年降雨量为472.1 mm(图1)，玉米生长季降雨量为377.6 mm。

图1 试验区2018年降雨量Fig.1 Daily rainfall in the study area in 2018

1.2 试验设计

以全膜双垄沟播玉米为研究对象，采用单因素随机区组排列，以不施肥(CK)为对照，设计3个等氮(200 kg·hm-2)的培肥模式，即单施化肥(N: 纯N 200 kg·hm-2)、商品有机肥配施化肥(NM: 3.03 t·hm-2有机肥+100 kg·hm-2纯N)和单施商品有机肥(M: 6.06 t·hm-2)，共 4个处理，3次重复，12个小区，小区面积为42.9 m2(13 m×3.3 m)。参试玉米品种为先玉335，各处理播种量均为5.25万株·hm-2，玉米于2018年4月30日用点播器进行播种，10月15日收获，为保证出苗率，每穴播种2粒玉米，在玉米出苗后，及时补苗、间苗。作物生长期间，人工除草，其它管理措施同大田管理。本试验所用化学氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)。所用商品有机肥含氮、磷、钾和有机质含量分别为3.3%、1.0%、0.7%和45%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累量分别在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期每小区取样3株，105℃烘箱杀青30 min，然后80℃烘干至恒量，最后计算单株玉米干物质积累量(g·株-1) 。

1.3.2 玉米生长率(CGR) 玉米生长率为单位时间内单株玉米所增加的干物质重量(g·株-1·d-1)。

式中,W2-W1表示一段时间内每株玉米植株干重的净增长数量，t2-t1为2次测定时期的间隔天数。

1.3.3 叶面积指数(LAI) 分别在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期每个小区取样3株，用直尺测量每株各叶片叶长(Lij)和最大叶宽(Bij)，计算叶面积指数。

式中，n为j株的总叶片数，m为测定株数，ρ为种植密度，0.75为校正系数。

1.3.4 玉米净同化率(NAR) 玉米净同化率为某一段时间内单位叶面积干物质的增长量(g·m-2·d-1)。

式中,W1、W2为第t1和t2天玉米的干物质重，L1和L2分别为第t1和t2天的叶面积。

1.3.5 土壤呼吸速率在玉米生长期内，选择晴朗或少云天气，用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统(LI-COR Inc, Lincoln，NE，USA)进行田间土壤呼吸速率测定。于播种后(5月3日)开始第一次测定，每隔15 d左右测定一次，10月16日最后一次测定。为减少对土壤表层的干扰，土壤呼吸室放置在测定基座(内径20 cm、高11.5 cm的PVC圈)上，PVC圈嵌入玉米行间，露出土壤表面2 cm。在每次测定的前一天，去除基座内土壤表层的一切活体、掉落物以及揭出PVC圈内的薄膜于圈外，将膜内积累的CO2排除，待测定结束后，盖好薄膜，在整个观测过程中PVC圈埋设位置保持不变，并且定期去除圈内杂草。为了减少安置测定基座对土壤系统的破坏，在测定基座安置24 h 后进行第一次测定。

1.3.6 土壤碳排放量根据土壤呼吸速率及测定时间，计算整个生育期的土壤碳排放量CE(kg C·hm-2)。

×0.2727×10

式中,R为作物生长季土壤呼吸速率(μmol ·m-2·s-1)，i+1和i是前后两次采样时间，t为播种后的天数。0.1584是将μmolCO2·m-2·s-1转化为g CO2·m-2·h-1的系数，0.2727是将gCO2·m-2·h-1转化为g C·m-2·h-1的系数，24和10是将碳排放单位由g C·m-2·h-1转化为kgC·hm-2·d-1的系数。

1.3.7 碳排放效率

式中，Y为作物籽粒产量，CE为土壤碳排放量，CEE为每释放1 kg碳所产生的籽粒产量(kg·kg-1)。

1.4 数据分析

采用Excel 2016进行数据整理与作图，用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 培肥模式对旱作全膜双垄沟播玉米生长的影响

2.1.1 对玉米干物质积累的影响不同培肥模式下玉米的干物质积累量如表1。随着玉米生育时期的推进，干物质积累量呈增大趋势，单施化肥和商品有机肥配施化肥能显著增加玉米干物质积累量。拔节期商品有机肥配施化肥处理较对照增加53.8%，其余处理间无显著差异；在大喇叭口期、灌浆期和成熟期，单施化肥和商品有机肥配施化肥处理的干物质积累量显著高于对照，分别较对照增加154.1%、245.9%、193.8%和 162.8%、214.7%、160.4%，单施有机肥处理各生育时期与对照无显著差异。

表1 不同培肥模式对玉米各生育时期干物质积累量的影响/(g·株-1)

注：不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著，下同。

Note: Different letters indicate significant differences among treatments atP<0.05 level. CK-no fertilizer; N-chemical fertilizer; NM-combined chemical fertilizer with commercial organic fertilizer; M-commercial fertilizer. The same below.

2.1.2 对玉米叶面积指数的影响由图2可知，玉米生长期叶面积指数表现为先增大后降低趋势，在灌浆期达到最大，单施化肥和商品有机肥配施化肥能提高玉米叶面积指数。拔节期所有处理下叶面积指数无显著差异，大喇叭口期、灌浆期和成熟期处理间叶面积指数的大小均为单施化肥>商品有机肥配施化肥>单施商品有机肥>对照，其中单施化肥和商品有机肥配施化肥处理显著高于对照，单施有机肥与对照、单施化肥与商品有机肥配施化肥处理间无显著差异。

2.1.3 对玉米生长率与净同化率的影响表2为玉米各生长阶段的生长率。随着玉米生长进程的推进，玉米生长率表现为先增大后减小趋势，大喇叭口期到灌浆期的积累速率最大，全生育期的干物质积累速率均为单施化肥和商品有机肥配施化肥处理显著高于对照，单施有机肥与对照无差异，单施化肥和商品有机肥配施化肥处理下的平均积累速率较对照分别增大231.8%和195.5%。

图2 不同培肥模式下玉米叶面积指数的变化Fig.2 Changes in leaf area index of maize under different fertilization treatments

表2 不同培肥模式对玉米各生长阶段生长率的影响/(g·株-1·d-1)

单施化肥和商品有机肥配施化肥可以显著提高玉米生长后期的净同化率(表3)。拔节期～大喇叭口期各处理间无显著差异，与对照相比，单施化肥和商品有机肥配施化肥处理在大喇叭口期～灌浆期和灌浆期～成熟期的净同化率分别增加了40.89%、78.66%和58.22%、80.15%，单施化肥和商品有机肥配施化肥处理间无显著差异。

表3 不同培肥模式下玉米各生长阶段净同化率的变化/(g·m-2·d-1)

2.2 培肥模式对旱作全膜双垄沟播玉米农田土壤呼吸及碳排放的影响

2.2.1 对土壤呼吸速率的影响不同培肥模式下玉米生长期呼吸速率变化规律基本一致，随生育时期的推进表现为先升高后降低趋势，开花期(7月25日)是土壤呼吸速率的高峰期，达5.38 μmol·m-2·s-1(图3)。在玉米整个生长期内各处理下的平均土壤呼吸速率表现为商品有机肥配施化肥(3.42 μmol·m-2·s-1) >单施化肥(3.25 μmol·m-2·s-1) >单施有机肥(2.67 μmol·m-2·s-1) >对照(2.42 μmol·m-2·s-1)，商品有机肥配施化肥、单施化肥和单施有机肥下的呼吸速率较对照分别增加41.1%、31.0%、10.2%。

2.2.2 对土壤碳排放量与碳排放效率的影响由表4可知，培肥模式对玉米籽粒产量、碳排放总量及碳排放效率有显著影响。单施化肥、商品有机肥配施化肥和单施商品有机肥下的玉米籽粒产量显著高于对照，较对照分别增加151.4%、121.2%和43.3%；碳排放总量变化范围为4 502.9～6 390.4 kg·hm-2，各处理下表现为：商品有机肥配施化肥>单施化肥>单施商品有机肥>对照。与对照相比，商品有机肥配施化肥、单施化肥和单施商品有机肥处理碳排放总量分别增加41.9%、31.9%和10.9%；单施化肥和商品有机肥配施化肥处理的碳排放效率较对照提高92.9%和54.5%，说明土壤培肥在增加土壤碳排放量的同时大幅增加了玉米产量，提高了碳排放效率。

图3 不同培肥模式下玉米田土壤呼吸速率的变化Fig.3 Soil respiration of maize field under different fertilization treatments

表4 不同培肥模式下玉米田土壤碳排放效率的变化

2.3 不同培肥模式下土壤呼吸速率与玉米生长的关系

由表5可知，不同培肥处理下土壤呼吸速率与干物质积累速率呈极显著或显著线性正相关关系。其中，商品有机肥配施化肥处理的相关系数最高，其次为单施商品有机肥，单施化肥、对照较低。单施化肥、商品有机肥配施化肥、单施商品有机肥和对照下干物质积累速率分别解释土壤呼吸速率变化的43.59%、60.34%、47.49%和42.14%，说明玉米生长对土壤呼吸速率有重要影响。土壤碳排放量与干物质积累量、生长速率、叶面积指数和净同化率相关分析(表6)表明，不同培肥模式下土壤碳排量与玉米干物质积累量(r=0.690**)、生长速率(r=0.701**)、叶面积指数(r=0.697**)和净同化率(r=0.765**)均达到极显著水平。

表5 不同培肥处理下土壤呼吸速率与玉米生长速率的关系

注：* 表示P<0.05水平上显著相关；**表示P<0.01水平上显著相关，下同。

Note: * indicates significant correlation atP<0.05; ** indicates significant correlation atP<0.01. The same below.

表6 土壤碳排放量与干物质积累量、生长速率、叶面积指数和净同化率的相关性

3 讨论

氮素是作物生长发育的必须营养元素之一，在农田生态系统中，施用氮肥、有机肥、生物固氮等是增加氮素的主要措施。大量研究表明，施用有机肥能增加土壤有机质和土壤肥力水平，有机无机配施能提高土壤微生物生物量和土壤养分的供应强度[19]，有利于土壤培肥和作物增产。其主要原因是，合理的有机无机配施通过有机肥的作用刺激了土壤微生物活动，改善了土壤养分释放的过程[20]，增加了作物的抗旱性，促进光合同化物的积累，提高收获指数、增加籽粒产量。本研究中，商品有机肥配施化肥处理玉米籽粒产量与单施化肥的增产作用相当，而单施商品有机肥玉米的籽粒产量较单施化肥表现为减产。说明不同肥料投入对全膜双垄沟播玉米产量有不同的影响。鉴于黄土高原半干旱区区域粮食安全与土壤肥力提升的同等地位，合理的有机无机配施有利于培肥地力、提高作物产量[21],因此，建议全膜双垄沟播玉米中采用商品有机肥配施化肥的施肥方式。

土壤碳排放效率的高低取决于籽粒产量和土壤碳排放量相互作用的结果，能较好地反映田间生态系统的经济效益和环境效益[22]。本研究中，单施化肥和商品有机肥配施化肥下的碳排放量、碳排放效率均高于对照，但与单施化肥处理差异不显著，其主要原因是商品有机肥配施氮肥在增加碳排放量的同时，增加了玉米地上、地下部分的碳积累，提高了作物产量，进而提高了碳排放效率。

土壤呼吸速率表现出明显的季节变化，随着玉米生育时期的推进，土壤呼吸速率均表现为先增大后减小趋势，在开花期达到峰值，这与Han等[23]研究结果基本相同；肥料的种类以及施肥措施是影响土壤呼吸的重要因素[24]。同时，长期土壤培肥造成作物生长的差异，进而使得作物生长季的土壤呼吸速率及碳排放总量出现明显差异[25]。研究表明，作物地上部分和地下部分生物量的分布情况对土壤呼吸起着重要作用，且作物地上部分干物质积累与土壤呼吸呈正相关关系[26]。本试验中，单施化肥和商品有机肥配施化肥显著增加了玉米干物质积累量和生长率，影响了土壤呼吸速率和碳排放量，其原因主要是单施化肥和商品有机肥配施化肥处理满足玉米生长对养分需求，增加叶面积指数、干物质积累[27-28]的同时增大了玉米根系呼吸[29]。有机肥与氮肥配合施用促进土壤及加入有机肥中的有机质的矿化[30]也是商品有机肥配施化肥具有较高土壤呼吸速率和碳排放总量的主要原因。本研究中，单施化肥和商品有机肥配施化肥处理显著增大了玉米各时期的叶面积指数和净同化率，土壤碳排放总量与玉米干物质积累、生长速率、叶面积指数及净同化率均呈极显著正相关关系。