减氮配施炭基肥对棉田土壤养分、氮素利用率及产量的影响

张云舒，唐光木，蒲胜海，徐万里，张计峰

(新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

随着化肥在农业生产中的广泛应用，中国已成为世界上最大的化肥消费国家[1]。统计表明，中国农作物化肥施用量已经从1980年的1269.4万t到2018年的5653.4万t，增长了3.5倍[2]。化肥的过量施用带来了诸多环境问题，迫切需要开发新型高效肥料来实现农业可持续发展。生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧下热解产生的一类高度芳香化固态物质。生物炭可以快速增加土壤有机质含量、改善土壤理化性状、降低肥料损失等[3-4]。同时，生物炭具有较大的孔隙度和比表面积，在短时间内不易分解，可以长时间保持稳定[5]。

近年来，为了解决生物炭在运输和施用上不便的问题，将生物炭作为载体，与肥料混合制成炭基肥，符合当前国家提出的化肥“零增加”的发展方向，越来越受到研究者的关注[6-8]。炭基肥是利用生物炭与其他化肥混合制成的长效肥料，一方面生物炭延长了肥料养分的释放期，另一方面弥补了生物炭养分不足的缺陷。研究炭基肥在棉花上的应用效果符合国家倡导的减施化肥的发展目标。杨劲锋等[9]研究表明，施用炭基缓释肥可以显著提高土壤氮磷钾养分含量和花生产量。陈懿等[10]研究表明，与常规肥比较，施用炭基肥可以显著提升土壤pH、有效磷和速效钾含量，显著增加土壤细菌、放线菌和真菌数量。康日峰等[11]研究表明，生物炭基肥料可显著提高土壤中有机质含量，并随着辅料中生物炭添加量的增加而增加，还增加了土壤中碱解氮和有效磷养分的含量。

目前，基于棉花秸秆生物炭的炭基肥应用研究主要集中在对土壤微生物、土壤物理性质和作物产量提升方面。本研究立足于新疆主要棉区，从炭基肥对氮素养分高效利用角度开展试验，于2018年在新疆石河子121团炮台镇土壤改良试验站进行，通过田间小区试验，在减施氮肥条件下施用炭基肥，研究施用棉花炭基肥对棉花土壤养分和产量的影响，为炭基肥在棉花上的应用效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验从2017年11月底开始，2018年12月结束，试验地点为新疆生产建设兵团121团炮台土壤改良试验站，该站位于新疆准格尔盆地南缘(44°48′53″ N，85°34′50″ E)，属于温带大陆性气候，年平均气温7.5～8.2 ℃，年日照2 318～ 2 732 h，无霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm。土壤为灌耕风沙土，土壤质地为砂土，砂粒、粉砂粒和粘粒含量分别为74.92%、16.00%和9.08%，土壤0～40 cm基本理化性质见表1。

1.2 试验材料的制备

棉花秸秆炭：2017年棉花采收后，将棉花秸秆收集粉碎成8～12 cm，用THⅠ-Ⅱ-B环保型炭化炉，在缺氧环境下炭化，炭化温度350～ 450 ℃，秸秆炭化出炉自然降温后，粉碎。棉花秸秆炭炭化后养分特性为：pH 10.19，有机碳 336.50 g/kg，速效氮45.3 mg/kg，速效磷1931.6 mg/kg，速效钾48 800 mg/kg、阳离子代换量(CEC) 13.91 cmol/kg。

表1 0～40 cm供试土壤养分状况Table 1 Nutrient status of 0-40 cm soil

棉花炭基肥：将粉碎后的棉杆炭(20目)、石膏(>100目)、膨润土(>100目)与尿素、三料磷肥、硫酸锌和硼酸充分混合，调节含水量至25%，挤压造粒。棉花炭基肥产品各组分含量分别为：棉杆炭20%、石膏8.1%、膨润土8%、尿素 26.1%、三料磷肥34.8%、硫酸锌1.5%、硼酸 1.5%。

1.3 试验设计

采用宽膜机采棉配置，棉花品种为‘鲁棉42’，平均行距38 cm，株距10 cm。田间小区面积69 m2。试验设不施氮肥(T1)、减氮施肥(T2)、施炭基肥(T3)、常规施肥(T4)4个处理，每处理3次重复，随机排列。所用氮肥为尿素[w(N)=46%]，磷肥用三料磷肥([w(P2O5)=46%]，钾肥用硫酸钾[w(K2O)=51%]。各处理磷钾肥施用量相同，T1不施氮肥，T2氮肥用量为常规用量的85%，T3氮肥用量为常规用量的85%，T4氮肥施用量同常规，具体物料用量见表2。氮肥30%基施，70%滴灌追施，磷肥全部基施，钾肥全部滴灌追施。

表2 不同处理施肥量Table 2 Fertilizer application rates of different treatments kg/hm2

1.4 样品采集与测定方法

2017-10-20棉花采收后，每小区采用五点法取样，采集0～20、20～40 cm土样，样品采集后充分混合并去除植物残体及其他杂物，放置于实验室通风处阴干过筛，测定土壤养分含量。根据棉花膜宽选取样段，调查采样段内株数、单株结铃数，采取50朵棉花，称取质量，得出单铃质量。理论产量=每公顷株数×单株结铃数×单铃质量。

土壤基本理化性质测定：参考文献[12]，全氮采用凯氏定氮法，有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法，速效钾采用 1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法。

氮素利用效率计算：氮吸收量=单位面积干物质累积量×植株氮含量；氮素利用率=(施氮肥区作物吸收氮量-缺素区作物吸收氮量)/(氮肥施用量×氮肥中氮素含量)×100%；氮肥产量贡献率=(施氮肥区作物产量-缺氮素区作物产量)/施氮肥区作物产量×100%。

1.5 数据处理

采用Execl 2007对试验数据整理，采用DPS 7.05进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 减氮配施炭基肥对土壤全氮和有机质的 影响

由表3可知，棉田施氮可显著提高棉田土壤中总氮含量，与T1处理相比，T2、T3、T4处理 0～20 cm土壤中全氮含量分别提高9.3%、 20.9%和11.6%，T4和T2处理土壤中全氮含量无显著差异。20～40 cm与0～20 cm土壤全氮含量变化趋势相同,T3处理较T1、T2和T4处理土壤中全氮含量分别增加0.11、0.06和0.04 g/kg。T2、T4处理对土壤有机质影响较小，而T3处理土壤有机质含量较其他处理显著增加，其中0～20 cm土壤有机质含量提高0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有机质含量提高0.22～ 0.30 g/kg。

表3 不同施肥处理不同土层土壤全氮和有机质含量Table 3 Total nitrogen and organic matter contents in different soil depth under different treatments g/kg

2.2 减氮配施炭基肥对土壤速效养分的影响

试验前0～20 cm和20～40 cm土壤碱解氮含量分别为34.5 mg/kg和25.9 mg/kg。由表4可知，与试验前相比，T1处理0～20 cm和20～40 cm土壤碱解氮含量分别下降了11.0%和 18.1%；T2处理0～20 cm耕层土壤碱解氮含量增加，但20～40 cm土壤碱解氮含量降低；T3处理土壤碱解氮含量均显著高于其他处理，与直接减氮处理T2相比，0～20 cm土壤中碱解氮含量增加12.9 mg/kg。T3处理土壤中速效磷含量显著低于T1、T2和T4处理。土壤中速效钾含量各处理间没有达到显著性差异。

表4 不同施肥处理不同土层土壤速效养分含量Table 4 Contents of available nutrients in different soil depth under different treatments mg/kg

2.3 减氮配施炭基肥对棉花产量及产量构成的影响

不同施肥处理对棉花产量和产量构成影响不同。由表5可以看出，产量表现为T3>T4> T2>T1，与不施氮T1处理相比，T2、T3和T4处理棉花产量分别增加1 535.9、1 814.7和1 701.3 kg/hm2。T3较T4处理产量提高2.0%(P> 0.05)，同等施氮量下，T3较T2处理显著提高 5.2%。施肥处理下T2、T3和T4处理棉花单株结铃数没有差异，均显著高于T1处理。棉花单铃质量为T3>T4>T2>T1，与产量变化趋势相同。综合棉花产量和产量构成指标，表明炭基肥T3处理对棉花产量总体表现较好。

表5 不同施肥处理棉花产量及产量构成Table 5 Cotton yield and yield component under different fertilization treatments

2.4 减氮配施炭基肥对氮肥利用效率的影响

通过氮素投入量、氮素吸收量、产量以及干物质累积量分析棉花氮素利用率和氮肥产量贡献率发现(表6)，T3处理棉田氮吸收量最高，氮素利用率为55.1%，氮肥产量贡献率为31.9%，其次为T4(43.2%)和T2处理(43.4%)。可见通过炭基肥方式能够达到增加田间产出，提高滴灌棉田氮素利用效率的目标。

表6 不同施肥处理氮素贡献率Table 6 Nitrogen contribution rate of different fertilization treatments

3 讨 论

3.1 减氮配施炭基肥对棉田土壤养分含量的影响

本研究在新疆北疆重要棉花产区开展，该区土壤以灌耕风沙土为主，水肥保持能力弱，依据试验开展前对土壤基本养分含量测定结果，试验区土壤普遍贫瘠。因此提高棉田土壤养分含量和利用效率对于保持和提升该区棉花产量至关重要。前人研究结果发现，施肥方式能够显著影响棉田土壤中养分含量和养分利用效率[13-17]，新疆北疆棉区实际生产中也存在着氮肥投入量与棉花氮素吸收不匹配，氮肥利用效率不高的问题。本试验从改变氮素投入方式减少氮肥投入角度进行研究，结果表明在当前棉花施肥量基础上直接减少氮肥对土壤中全氮和有机质含量影响较小，而对土壤中速效养分含量显著。通过炭基肥方式进行氮肥减施处理，增加了棉田土壤速效氮含量，但土壤中速效磷含量下降，速效钾变化不显著。

3.2 减氮配施炭基肥对棉花产量结构的影响

利用生物炭等有机物料与氮肥结合方式对大田进行肥料投入是提高作物产量的方式之一，彭银等[18]比较了炭基肥和炭醋肥对土壤养分的影响发现炭基肥和炭醋肥对氮的释放具有缓释作用，但炭基肥效果更好。时正伦等[19]利用盆栽试验研究了生物炭基肥对喀斯特石灰土速效养分的影响，其结果显示施用生物炭基肥可显著增加土壤有机质(13.5%～103.9%)和速效养分含量，进而提高作物产量。这与本研究在新疆灌耕风沙土上的研究结果相同。本研究中同等施肥量条件下，炭基肥施肥方式(T3)下棉花产量较T2处理产量显著提高5.2%，通过分析棉花产量结构，主要是因为T3处理下增加了单铃质量，而处理间单株结铃数变化较小。

3.3 减氮配施炭基肥对氮素利用效率的影响

氮素是新疆棉花产量的主要限制因子[20]，提高氮素利用效率能够有效增加棉花产量，实现化肥减施的目的。胡迎春等[21]研究表明，通过控释氮肥和尿素相结合的氮肥投入方式提高了玉米产量和氮素利用效率。本研究基于棉杆炭的炭基肥处理下(T3)与常规施肥方式(T4)360 kg/hm2的施肥量相比，棉花氮素累积量显著增加，氮素利用率由43.2%提高至55.1%。结合炭基肥处理(T3)0～20 cm土壤中速效氮含量(59.9 mg/kg)和20～40 cm速效氮含量(35.3 mg/kg)，说明T3施肥方式能保持棉田土壤速效氮养分较高的强度和容量，这与邓松华等[22]在玉米上进行的大田试验趋势相同。由于生物炭普遍呈碱性，pH值较高，施入炭基肥对新疆棉田pH的影响在本研究中没有体现，且生物炭或炭基肥对沙土土壤结构的影响等需要在后期的研究中跟踪监测[23]。

4 结 论

与传统施肥相比，在覆膜滴灌棉田施用炭基肥后0～20 cm土壤有机质含量提升0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有机质含量提升0.22～ 0.30 g/kg。0～20 cm土壤速效氮的含量较直接减氮处理增加12.9 mg/kg。采用炭基肥减氮施肥方式能够保持棉花产量相对稳定，产量较常规施肥量提高2.0%，与直接减施氮肥相比产量提高5.2%。综合分析氮素利用效率、炭基肥减氮处理方式棉田氮素利用率达到55.1%，常规施肥模式氮素利用率为43.2%，显著提高了氮肥利用效率。因此，通过炭基肥进行棉田施肥可以作为新疆北疆棉区化肥减施的施肥措施。