不同施肥措施对盐渍土理化性状和玉米产量的影响

2021-10-15颜为曹冰王慧敏蒋丽萍张济世苗琪夏海勇崔振岭薛艳芳

山东农业科学 2021年9期

颜为，曹冰，王慧敏，蒋丽萍，张济世，苗琪，夏海勇，崔振岭，薛艳芳

（1.山东省农业科学院玉米研究所/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室，山东济南 250100；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3.山东省农业科学院作物研究所，山东济南 250100）

玉米是我国重要的农作物之一，其产量不仅影响农户的经济效益，还关乎我国的粮食安全。因此，提高玉米产量和品质十分重要。黄河三角洲地区是世界造陆速度最快的河口三角洲之一，每年增加退海土地面积2 000 hm2左右，这些新生土地为该区提供了广阔的后备耕地资源［1］。然而该区域作物生产被土壤盐渍化和低有机碳含量所限制，阻碍农业可持续发展。盐渍土含有大量可溶性盐，土壤理化性状及土壤酶活性差，养分释放慢，影响植物对养分的吸收，打破养分吸收的平衡机制，从而影响作物产量和品质［2－4］。

包膜尿素是指在肥料颗粒表层包被控制养分释放的包膜材料，调节养分的释放，使养分的释放速率与作物吸收规律相同步［5］。在玉米生产中，施用包膜尿素是减少氮素投入和增加经济效益的重要措施之一。研究表明，包膜尿素和普通尿素配合施用，可显著提高籽粒产量，明显提高玉米生育前期土壤的供氮能力和抽雄吐丝后的氮素积累，不仅减少肥料施用量，还可以提高经济效益［6］。近年来，许多研究表明有机肥可以增加土壤腐殖质，有利于团粒结构的形成，改良盐碱土的通气、透水和养分状况，可以大大减轻盐碱危害，促进作物的生长［7，8］。也有研究表明，通过秸秆还田和添加有机改良材料可以提高土壤大团聚体的比例，改善土壤结构，进而加速钠离子淋洗到深层土壤［9－11］。但是不合理的肥料管理也会影响土壤改良的效果和环境污染，造成资源浪费和作物生产力的下降［12］。

不同的改良材料对盐碱土的改良效果不一，甚至会引起负面影响，对作物生长发育的影响也存在较大差异。因此本研究针对黄河三角洲轻、中度盐渍土的特点，选择包膜尿素和不同特性的改良材料配施，比较其对黄河三角洲盐渍土的改良效果，包括对土壤盐分和理化性状的影响；分析包膜尿素和不同改良材料配施对玉米产量和氮素吸收的影响，筛选出适合黄河三角洲地区玉米生长的肥料施用组合，为该地区土壤快速改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017年10月至2018年10月分别在山东省东营市垦利县黄河口镇（试验地Ⅰ，37°56′N，118°74′E）和山东省农业科学院黄河三角洲汇邦博士科研工作站（试验地Ⅱ，37°47′N，118°37′E）开展。

试验地Ⅰ土壤为粉砂土，属于轻度盐渍土（盐分变化范围1.1～2.2 g/kg），0～30 cm耕层土壤理化性状:有机质含量9.7 g/kg、碱解氮66.1 mg/kg、有效磷4.9 mg/kg、速效钾156.0 mg/kg，pH值8.5。

试验地Ⅱ土壤为黏土，属于中度盐渍土（盐分变化范围3.0～3.5 g/kg），0～30 cm耕层土壤理化性状:有机质含量13.8 g/kg、碱解氮39.2 mg/kg、有效磷10.5mg/kg、速效钾244.8mg/kg，pH值8.3。

试验地Ⅰ、Ⅱ不同土层的阳离子组成见表1。

表1 不同土层阳离子组成

1.2 试验设计

两个试验点均为小麦玉米轮作体系双季秸秆还田。采用单因素随机区组设计，共设置6个处理（表2）:T1采用普通尿素分次施用，施氮（N）量250 kg/hm2；优化施氮处理T2采用包膜增效尿素（含氮量43%，释放期为90天，由金正大生态工程集团股份有限公司提供）一次性基施，推荐施氮量180 kg/hm2；T3、T4和T5处理在T2基础上分别施用微生物肥（有机质含量45%，由金正大生态工程集团股份有限公司提供）、有机肥（轻度和中度盐渍土分别比T2减氮20%和10%，氮、磷、钾总量为5%，由山东广饶瀚海科技有限公司提供）和秸秆腐熟剂；T6处理施用有机无机复合肥（氮、磷、钾含量分别为26%、5%、8%，由山东粮源生物有机肥有限公司提供）并较T2处理减氮10%，重复3次。小区面积为70 m2。

表2 试验处理肥料用量和种类

试验地Ⅰ、Ⅱ分别于6月19日和6月20日播种。玉米季供试品种为郑单958，播种密度为7.5万株/hm2，60 cm等行距种植。用过磷酸钙和硫酸钾作基肥，P2O5和K2O用量分别为90 kg/hm2和60 kg/hm2（不包含T6处理中的磷和钾）。施肥方式全部采用播前撒施。田间管理和植保措施按当地常规进行。生育期内无明显病虫害和杂草发生。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株样品采集与测定于玉米成熟期，在每个小区选取3株生长一致的植株，分籽粒和秸秆两部分，在105℃条件下杀青30 min，然后70℃烘干至恒重并记录干物质量。粉碎样品，采用H2SO4－H2O2消煮，凯氏定氮法测定样品氮含量。此外，各小区中间随机选取8.4 m2样方（从中随机挑出具有代表性20穗用于考种），风干脱粒测定总质量，折算成含水率为14%的产量。

1.3.2 土壤样品采集与测定玉米收获后，采集0～20、20～40 cm和40～60 cm土壤样品，风干后测定土壤理化性状指标。用碳氮分析仪测定土壤有机碳含量，电导率仪测定土壤电导率（EC值），火焰光度计测定钾（K＋）和钠（Na＋）离子含量，EDTA络合法测定钙（Ca2＋）和镁（Mg2＋）离子含量。钠吸附比（SAR）是衡量土壤盐渍化程度的重要指标，其计算公式为:

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）＝籽粒产量/施氮量。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2016对数据进行整理并作图，用SAS软件进行单因素方差分析（ANOVA），用LSD法进行显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对玉米产量的影响

由表3看出，在轻度盐渍土条件下，施用不同配比肥料对玉米产量、穗数和穗粒数无显著影响，各施肥处理间千粒重存在差异，较农民习惯施肥，减少施氮量并未造成产量的显著降低。玉米产量变化范围为6.1～7.5 t/hm2，平均产量为6.9 t/hm2，其中T5处理产量表现较好，主要是其穗粒数和千粒重较高。T4和T6处理产量低于T1和T2，主要是由于T4和T6千粒重显著低于T1和T2，降幅为6.5%。

表3 不同施肥措施对玉米产量和产量构成因素的影响

在中度盐渍土条件下，施用不同肥料对产量和产量构成因素无显著影响（表3）。与农民习惯施肥相比，减少施氮量未造成产量的显著降低。玉米平均产量为3.6 t/hm2，明显低于轻度盐渍土产量，说明土壤盐渍化对产量影响较大。与T1相比，T4和T5处理玉米产量增加37%左右。这主要是由于T4和T5增加了穗粒数，表明控释氮肥减施配合施用有机肥或者秸秆腐熟剂有增产的趋势。

2.2 不同施肥措施对玉米氮素吸收和氮肥利用率的影响

由表4看出，在轻度盐渍土条件下，不同施肥处理对玉米氮素吸收和利用无显著影响。与T1处理相比，优化施氮后，PFPN有提高的趋势，其中T5处理的PFPN最高，为41.7 kg/kg，较T1处理增加42.8%。

表4 不同施肥措施对玉米氮素吸收和氮肥偏生产力的影响

中度盐渍土条件下，不同施肥处理对植株吸氮量无显著影响，但会显著影响秸秆中氮浓度和PFPN。与T1处理相比，T2～T6处理籽粒氮浓度提高10.7%～16.5%、PFPN提高37.7%～136.1%，其中T4处理PFPN最高，为28.8 kg/kg，说明中度盐渍土条件下，氮肥减施配施有机肥（T4）有利于提高PFPN，为产量的增加提供基础。

2.3 不同施肥措施对土壤理化性状的影响

各施肥处理间轻度盐渍土壤水溶性阳离子总量和Na＋、Mg2＋含量无显著差异（表5）。土壤阳离子组分均表现为Ca2＋＞Na＋＞Mg2＋＞K＋，其中在0～20、20～40、40～60 cm土层中，Ca2＋平均分别占阳离子总量的59.5%、44.6%和33.6%，Na＋平均分别占阳离子总量的16.3%、40.7%和54.1%。不同施肥处理会显著影响20～40 cm土层Ca2＋含量和40～60 cm土层K＋含量，其中T3处理Ca2＋含量显著高于T1、T5、T6，K＋含量显著高于T5和T6处理。

表5 不同施肥措施对不同土层阳离子含量的影响

在中度盐渍土条件下，土壤阳离子组分均表现为Na＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋，其中在0～20、20～40 cm和40～60 cm土层中，Na＋平均分别占阳离子总量的61.4%、69.7%和70.1%，Ca2＋分别占阳离子总量的26.9%、20.2%和20.2%，而不同土层Mg2＋和K＋离子之和占阳离子总量约10%。T2处理0～20 cm土层阳离子总量低于其他处理，主要是由于T2处理Ca2＋和Mg2＋含量降低。不同施肥处理会显著影响0～20 cm土层Ca2＋、Mg2＋、K＋含量，T2处理0～20 cm土层的Ca2＋和Mg2＋含量最低，显著低于T3处理。

由图1看出，轻度盐渍土的SAR和EC值明显低于中度盐渍土。在轻度盐渍土条件下，SAR和EC值随土层加深而增加，施肥处理会显著影响20～40 cm土层SAR，T2处理20～40 cm土层的SAR值最小，而施肥处理对其他土层的SAR和EC值影响较小。在中度盐渍土条件下，随土层加深，SAR和EC值呈先增加后降低的趋势，施肥处理会显著影响0～20 cm土层SAR。T4处理的0～20 cm土层SAR显著低于T6处理，说明施用有机无机复合肥对盐渍土改良效果差。

图1 不同施肥处理对轻度盐渍土（A，C）和中度盐渍土（B，D）不同土层钠吸附比（SAR）和电导率（EC值）的影响

有机质是反映土壤质量的重要指标，其含量是经土壤有机碳换算而得，故对于有机质含量的确定实质上可回归到土壤有机碳层面。图2A表明，施肥处理会显著影响0～20 cm土层有机碳含量，优化施氮后可以提高有机碳含量，增幅为4.7%～29.0%，但对20～40 cm土层有机碳含量影响较小。图2B表明，在中度盐渍土条件下，施肥处理会不同程度影响各土层的有机碳含量，其中T4处理0～20 cm土层有机碳含量显著高于T5、T6，T3处理20～40 cm土层有机碳含量显著高于T1、T2。以上结果说明，在轻度盐渍土上不同施肥处理（与T1比较）均能够有效增加0～20 cm土层有机碳含量，且配施有机肥（T4）效果最佳。在中度盐渍土上，T4处理对增加0～20 cm土层有机碳含量效果最佳，T3处理对增加20～40 cm土层有机碳含量效果最佳。

图2 不同施肥处理对玉米收获后轻度盐渍土（A）和中度盐渍土（B）不同土层有机碳含量的影响

3 讨论

施用包膜肥料可以使肥料养分缓慢地进入土壤中，进而减少肥料的冲淋损失等［13］。衣文平等［14］研究包膜尿素与普通尿素不同配比在春玉米上的应用发现，包膜尿素可以持续供给玉米生长所需氮素，增加花后干物质量和氮素积累量，进而提高玉米产量；蒋丽萍等［15］研究发现，包膜尿素一次性基施可提高小麦产量。但徐秋明等［16］研究表明，较普通尿素，一次性基施包膜尿素处理的夏玉米产量及其构成因素无显著提高，主要是由于包膜尿素前期养分释放较多。也有研究表明，缓释肥养分释放慢，造成玉米贪青晚熟，从而降低玉米产量［17］。本研究表明，各施肥处理对产量无显著影响，其中在中度盐渍土条件下包膜尿素和有机肥或者秸秆腐熟剂配施表现较好。究其原因，可能是盐渍土条件下，施用包膜尿素和有机肥有利于改善土壤的理化性状和促进氮素向籽粒转运，提高了氮肥偏生产力，从而促进作物产量的提高。研究表明，较农民习惯施肥，减少施氮量有稳产的作用，有利于减轻对环境的污染和提高种植效益。

包膜尿素具有控释肥效作用，在大田作物上施用能提高氮肥利用效率、减少氮肥损失，是玉米栽培中重要技术之一［18］。蒋丽萍等［15］研究发现，树脂包膜尿素一次性基施可以增加小麦的氮肥利用率。孙旭东等［18］研究也发现包膜尿素的施用能使夏玉米保持较高氮素吸收速率，显著提高氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥利用率。本研究结果表明，在盐渍土条件下，较农民习惯施肥，采用包膜尿素和土壤改良材料配施有提高氮肥偏生产力的趋势，尤其在中度盐渍土条件下表现最好。在中度盐渍土上施用包膜增效尿素和有机肥的组合有利于提高玉米氮肥偏生产力。包膜尿素主要是通过包膜材料减少土壤中脲酶与尿素的接触面积，参与氨挥发的底物含量降低，氮素最大释放速率出现的时间推迟，有利于玉米在关键生育期吸收土壤中的氮素，减少土壤中氮素的挥发和淋溶损失，平衡作物生育内氮素的供应，从而提高玉米的氮素利用效率［19－21］。

在轻度盐渍土上，不同施肥措施并不能有效降低SAR和EC值。究其原因，一方面可能是改良剂活化了土壤中的Na＋，但Na＋并未被及时置换；另一方面，可能是置换出的Na＋积累在土层，因此对SAR和EC值影响较小。包膜增效尿素、微生物肥、有机肥和有机无机复合肥的单施或者配施对改善轻度盐渍土的理化作用不明显，需待进一步进行研究或者增施土壤改良剂。在中度盐渍土中表层盐分向下层淋洗，T2～T5处理可使0～20 cm土层的SAR降低，T4处理最能有效降低SAR。可能是由于增效尿素和有机肥的施用，在提供土壤养分的同时改善了土壤结构。相关研究也表明，土壤结构的改善有利于实现快速脱盐，促进表层Na＋淋洗［22，23］，从而降低SAR。有研究指出，针对提高肥料利用率、适应作物生长对营养元素的需求、改善环境和土质等方面的要求，缓/控释肥的应用是较为理想的途径［13］。本研究发现，在轻、中度盐渍土上不同施肥处理（与T1处理比较）均能够增加0～20 cm土层有机碳含量，且施用包膜尿素和有机肥（T4）效果最佳。其原因可能是有机肥中有机质含量较高。有研究表明，施用有机肥不仅可以提高土壤有机质含量，还有利于有益微生物的大量繁殖；微生物可以产生脲酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等，这些酶可以促进土壤有机质的合成［24］。李北齐等［25］研究发现施用生物有机肥也可增加土壤有机质含量，从而为土壤中的微生物代谢提供能源，对土壤中氮的矿化有激发作用。

黄河三角洲盐渍土面积广阔。盐渍土对作物生长的危害较大，合理改良盐渍土对作物生产具有重要意义。本研究依据区域资源条件，选用的包膜尿素和不同土壤改良剂配施可以改善土壤性状，有利于玉米生长。但本试验仅针对短期内的改良效果进行了分析，未来将对施用效果时效性、人工、机械化以及经济效益等问题进一步研究。