不同灌溉方式下有机物料投入对土壤碳氮的影响

崔全红

(陕西地建酒店管理有限责任公司，陕西 西安 710075)

引言

土壤是农业生产的基础，是人类赖以生存的基石，也是人类食品与生态环境安全的有力保障。随着人口的增加和耕地的减少，我国粮食安全、资源消耗和环境保护之间的矛盾日益突出。土壤不断退化、土壤结构破坏、土壤肥力下降、土壤污染严重，并出现土壤盐碱化、土壤酸化和土壤沙化等生态环境问题，均对我国食物安全、生态环境安全等带来巨大隐患。化肥是农田生态系统人为投入量最大的农化产品。目前，我国用占世界8%的耕地施用了占世界30%以上的化肥，生产了占世界20%的粮食，化肥作为粮食增产的决定性因素在粮食生产中发挥了举足轻重的作用。近二十年来，我国化肥施用量高速增长，但粮食产量增加却很滞后，同时生态环境平衡也遭到巨大威胁。世界发达国家化肥利用率平均50%～60%，其中氮素为50%～70%。在干旱半干旱农业区，无论是雨养农业还是灌溉农业，养分是影响粮食生产的关键性因子之一，藏粮于土的首要问题就是要培肥土壤、提高肥料利用率。因此合理施肥是增加作物产量的关键。目前在相同的土壤类型和作物体系下，不同有机物料(生物有机肥、秸秆和生物炭)投入效应的比较研究相对较少，尤其是在陕西关中塿土区雨养和灌溉条件下不同有机物料投入对土壤碳氮的影响研究很少，而且有关生物炭田间效应的研究较为缺乏。本研究利用田间试验探讨了不同有机物料配施化肥对土壤碳氮含量和肥料利用率的影响，为选择更好的塿土区土壤培肥方式提供科学理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在陕西省杨凌国家农业高新技术产业示范区西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(E108°24′，N34°20′)，海拔521m，属于暖温带季风半湿润气候区，全年无霜期221d，降水多集中在7—10月，年降雨量600～680mm。供试土壤为土垫旱耕人为土，中壤质。耕层土壤养分含量：有机碳8.14g·kg-1，全氮0.95g·kg-1，全磷0.83g·kg-1，全钾20.42g·kg-1，速效磷20.91mg·kg-1，速效钾134mg·kg-1。土壤pH 8.20，土壤容重为1.37g·cm-3。

1.2 试验设计与管理

试验于2019年10月开始，共设雨养和灌溉2种水分条件，每种条件下6个处理，每个处理3次重复，随机排列，一共36个小区，小区面积10m2。作物体系为冬小麦(“小偃22”)—夏玉米(“秦龙11”)轮作，1a 2熟。冬小麦行距30cm，夏玉米行距60cm，株距40cm。氮磷(NP)代表氮磷化肥，冬小麦施肥量：基肥120kg·hm-2N和100kg·hm-2P2O5，拔节期追肥为30kg·hm-2N(氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙)；夏玉米施肥量：基肥225kg·hm-2N加90kg·hm-2P2O5(氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵)。供试生物有机肥为西安紫瑞生物科技有限公司的佳禾家旺生物有机肥，主要技术指标：有效活菌数(CFU)≥0.2亿·g-1；有机碳(以干基计)≥40%；水分≤30%。秸秆为粉碎小麦秸秆(5mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供，由小麦秸秆550℃下无氧热解产生，主要成分：灰分为46.7%，pH为10.25，过5mm筛备用。各有机物料均在2013—2014年冬小麦—夏玉米播前施入，之后停止施入有机物料，以观后效。为准确计算纯碳氮的输入量，经测定，生物有机肥、秸秆、生物炭的实际全C含量分别为18.8%、37.8%和49.0%，全N含量分别为1.60%、0.76%和1.07%，C/N比分别为11.7、50.0和46.0。灌溉试验小区使用滴灌。冬小麦—夏玉米轮作田间试验处理设置见表1，作物种植记录见表2。

表2 作物种植记录

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与测定项目

分别于试验开始前和冬小麦收获后采集土壤样品。按照S形路线和“随机”多点混合原则，每个小区的样点数为6～8点，深度为0～20cm耕作层，四分法取混合样l～2kg。样品带回室内去杂、过2mm筛后分成2份，其中1份鲜样保存于4℃冰箱中供土壤微生物碳(SMBC)和土壤微生物氮(SMBN)测定用；另1份风干后磨碎过筛供土壤有机碳(SOC)和土壤全氮(TN)、土壤速效磷和速效钾测定。0～200cm剖面新鲜土壤样品：每20cm为1层，每小区10个分析样品，用于测定土壤有机碳和全氮含量。

1.3.2 样品测定方法

生物有机肥、秸秆和生物炭的元素组成采用意大利Costech公司生产的ECS4024型元素分析仪(Elemental combustion system)测定。SOC采用K2Cr2O4容量法测定；土壤植物的TN采用凯氏定氮法测定。

2 结果与分析

2.1 雨养条件下有机物料投入对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳(SOC)是土壤肥力的重要指标，直接影响土壤的理化性质以及微生物学性质。雨养条件下有机物料投入对土壤有机碳含量的影响见表3。第1茬冬小麦收获后各处理SOC含量在8.80～13.00g·kg-1，除SNP处理外其它有机物料投入均显著大于CK(P<0.05)，其中B2NP、B1NP、MNP处理的SOC含量相对于NP分别显著提高了35.7%、19.1%和11.5%(P<0.05)。夏玉米收获后SOC提升趋势同第1茬冬小麦收获后，且各处理SOC含量在8.84～16.62g·kg-1，B2NP、B1NP、MNP相对于NP分别显著提高了80.5%、36.8%和21.8%(P<0.05)。第2茬冬小麦收获后SOC含量B2NP、B1NP处理相对于NP分别显著提高了22.8%和46.9%(P<0.05)，其它处理间差异不显著。夏玉米收获后SOC含量较第1茬冬小麦收获后均有所提高，其中SNP、B2NP分别显著提高了13.6%和27.9%(P<0.05)。第2茬冬小麦收获后SOC含量相对于夏玉米收获后又有显著下降的趋势，但相对于第1茬冬小麦收获后差异不大，这是由于前2茬作物播种前各有机物料投入均施入不同量的有机物料，第2茬冬小麦播前停止施入有机物料，各有机物料处理SOC含量有下降趋势。

表3 雨养条件下不同有机物料处理的SOC含量及动态变化

连续3茬作物种植后，各有机物料投入中，B2NP和B1NP处理的SOC含量增量最多，SNP次之，MNP最少，这和投入的3种有机物料—生物有机肥、秸秆、生物炭的实际全C含量(分别为18.8%、37.8%和49.0%)相关。第1茬冬小麦和夏玉米收获后，SOC含量MNP与SNP处理相比差异不显著，这可能是由于秸秆的C/N比(50.0)大，不易被腐解。马永良等研究表明，雨养条件下土壤1a后秸秆分解率为81.44%～86.8%；张晓雨等研究表明，小麦秸秆翻埋还田分解率在第16周达33%～35%，第36周达80%以上。

2.2 灌溉条件下有机物料投入对土壤有机碳含量的影响

灌溉条件下有机物料投入对SOC含量的影响见表4。第1茬冬小麦收获后SOC含量相对于NP都有所提高，其中B2NP、B1NP分别显著提高了35.3%和31.4%(P<0.05)。夏玉米收获后SOC相对于第1茬冬小麦收获后有提高趋势，但差异不显著，且各施肥处理SOC含量趋势同第1茬冬小麦收获后，其中B2NP、B1NP处理SOC含量相对于NP分别显著提高了73.6%和41.9%(P<0.05)。第2茬冬小麦收获后SOC含量趋势同夏玉米收获后，相对于NP，B2NP、B1NP处理SOC显著提高了44.6%和20.8%(P<0.05)。第2茬冬小麦收获后SNP处理SOC含量较低，可能是秸秆C/N比较大，腐解较慢。武继承等研究结果也表明，冬小麦、夏玉米周年收获后的土壤有效态养分和有机碳含量总体上呈下降趋势，特别是速效磷和有机碳整体下降。灌溉条件下3茬作物连续种植后SOC含量的动态变化是先增后减，但差异不显著，且生物炭处理停止施入后SOC含量维持稳定。这主要是因为生物炭在土壤中极为稳定，可长期将碳固定于土壤，是固碳的潜力载体。相对于雨养条件下，灌溉条件下SOC含量各有机物料投入均高于对应雨养条件下。

表4 灌溉条件下有机物料投入的SOC含量及其动态变化

2.3 雨养条件下有机物料投入对土壤全氮含量的影响

雨养条件下有机物料投入对土壤全氮(TN)含量的影响及其动态变化见图1。雨养条件下第1茬冬小麦收获后各施肥处理土壤TN含量的增量在0.05～0.13g·kg-1，各处理间差异不显著。夏玉米收获后土壤TN含量各处理相对于第1茬冬小麦收获后有提高趋势，各有机物料投入处理相对于NP的增量在0.08～0.27g·kg-1，其中B2NP的土壤TN含量相对于第1茬冬小麦收获后显著提高22%，其它处理差异均未达到显著水平(P>0.05)。第2茬冬小麦收获后土壤TN含量各处理间差异不显著，但B2NP的土壤TN含量相对于前茬夏玉米收获后显著降低了0.1g·kg-1(P<0.05)。3茬作物连续种植后，各有机物料投入土壤TN含量均有所增加，增量分别为0.19g·kg-1、0.09g·kg-1、0.14g·kg-1和0.12g·kg-1，这与3种有机物料—生物有机肥、秸秆和生物炭的全N含量(分别为1.60%、0.76%和1.07%)密切相关。这与前人研究有机物料投入对土壤TN含量影响的结果一致。

图1 雨养条件下不同有机物料投入的土壤TN含量

相对于NP和CK处理，有机物料投入可提高土壤TN含量，但差异并不显著，这与前人的研究结果一致。夏玉米收获后土壤TN含量与CK处理相比，NP处理的略低但差异不显著，这可能是由于NP处理的籽粒产量(4440.67kg·hm-2)及地上部吸氮量(137.42kg·hm-2)均显著大于CK处理的籽粒产量(3688.34kg·hm-2)和地上部吸氮量(82.87kg·hm-2)。

2.4 灌溉条件下有机物料投入对土壤全氮含量的影响

灌溉条件下有机物料投入对土壤TN含量的影响及其动态变化见图2。第1茬冬小麦收获后土壤TN含量各有机物料投入均显著大于CK，其中B2NP相对于NP显著提高了21%(P<0.05)，其它3个处理相对于NP有所提高，但差异不显著。夏玉米收获后土壤TN含量相对于前茬冬小麦收获后有升高趋势，但差异不显著，该季各有机物料投入土壤TN含量相对于NP均有所提高，其中SNP、B1NP显著大于NP处理(P<0.05)。第2茬冬小麦收获后土壤TN含量相对于前茬夏玉米收获后进一步提高，但差异未达到显著水平，且各处理中B2NP相对于NP显著提高22%(P<0.05)。连续种植3茬作物季节间土壤TN含量差异不显著。相对于雨养条件下，灌溉条件下土壤TN含量各有机物料投入均高于雨养条件下的对应处理。王凌等研究表明，适量水分有利于提高土壤有机碳含量，提高微生物活性。

图2 灌溉条件下有机物料投入的土壤全氮含量

2.5 雨养条件下有机物料投入对土壤C/N(SOC/TN)比的影响

雨养条件下有机物料投入对土壤C/N比的影响及其动态变化见表5。第1茬冬小麦收获后各施肥处理土壤C/N比在9.97～13.04，除了SNP差异不显著外，其它处理均显著大于NP。夏玉米收获后土壤C/N比在9.20～13.67，各处理相对于NP平均提高了1.1个单位，其中B2NP显著提高了41.1%(P<0.05)，其它处理间差异不显著(P>0.05)。第2茬冬小麦收获后土壤C/N比在8.07～11.52，B2NP、B1NP显著大于NP(P<0.05)，但相对于前2茬有降低趋势。

表5 雨养条件下有机物料投入土壤C/N比及其动态变化

B2NP和B1NP处理土壤C/N比显著高于NP处理，这与生物炭的全碳投入量最多相一致。第2茬冬小麦收获后土壤C/N比趋势同前茬，但有下降趋势，主要是因为试验从第2茬冬小麦开始停止了有机物料的投入，故使得各处理SOC含量下降。

2.6 灌溉条件下有机物料投入对土壤C/N(SOC/TN)比的影响

灌溉条件下有机物料投入对C/N比的影响及其动态变化见表6。第1茬冬小麦收获后土壤C/N比在9.33～11.22，各处理间差异不显著。夏玉米收获后土壤C/N比在9.17～14.72，只有B2NP显著大于NP，并显著提高47%(P<0.05)。相对于前茬冬小麦收获后，夏玉米收获后土壤C/N比有升高趋势。第2茬冬小麦收获后土壤C/N比同样是B2NP显著大于NP，并显著提高18%(P<0.05)。相对于前2轮作物，第2茬冬小麦收获后土壤C/N比CK和SNP处理逐季下降，并达到显著水平。这可能是因为秸秆在土壤中的腐解期限大约为8个月，到第2茬冬小麦收获后，第1年所施入的秸秆可能已被腐解完全。相对于雨养条件下，灌溉条件下各处理土壤C/N比均高于对应雨养条件下的处理。Abro等研究表明，随着土壤相对含水量的增高，CO2-C的释放速率和累积释放量逐渐增大，适量灌溉条件下可以促进秸秆高效腐熟。

表6 灌溉条件下有机物料投入的土壤C/N及其动态变化

3 结论

不同有机物料投入均可提高土壤有机碳含量。3茬作物后，雨养和灌溉条件下土壤有机碳含量均呈现B2NP>B1NP>SNP>MNP>NP>CK的趋势，增加幅度与有机物料全碳含量有关。与NP相比，B2NP土壤有机碳含量3茬作物收获期分别平均显著提高35.5%、77.1%和44.6%；B1NP分别显著提高20.1%、39.4%和21.1%，说明生物炭投入可持续提高土壤肥力；SNP经过1a腐解后可使土壤有机碳显著提高18.9%，但停止施入秸秆则土壤有机碳含量下降；MNP对当季作物的土壤有机碳有提升作用，停施后效果微弱。不同有机物料投入对土壤全氮含量有较小提升，3茬作物收获后提升0.09～0.19g·kg-1，趋势同有机碳。相对而言，灌溉条件下更有利于提高土壤有机碳和全氮含量，但差异不显著。因此，在关中地区施用生物炭可以持续提高土壤有机碳和全氮含量，对培肥土壤效果显著。生物炭可缓慢提高土壤全氮含量，其提升幅度与各有机物料的全氮含量有关。