化肥氮减量配施生物炭和菜籽饼对玉米-白菜养分吸收、氮素利用及产量的影响

陈云梅，赵 欢，肖厚军，谢婷婷，胡 岗，秦 松

（1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550006）

据《贵州统计年鉴2020》数据显示，2019年贵州玉米的播种面积达53.1万hm2，仅次于水稻，是贵州第二大粮食作物［1］，同时，随着近几年农业产业结构调整力度的加大，贵州蔬菜的种植面积在逐年增加（由2017年的125.3万hm2增加到2019年的143.6万hm2）［1］，玉米-白菜轮作会成为旱地的一种主要种植模式，然而，目前玉米和白菜生产上普遍存在大量偏施化肥、有机肥投入偏少的现象［2］。在贵州亚热带气候及典型的喀斯特黄壤山区条件下，施肥量过大会使养分淋失、肥料利用率下降，导致土壤板结、酸化、碳氮比失衡，引发土传病害和环境污染［3-7］等问题。因此，于贵州黄壤区探讨化肥氮减量配施有机物料（生物炭和菜籽饼）对玉米-白菜轮作增产增效作用有重要意义。

贵州是中国油菜的主产区之一，其油菜产量位居全国第六［8］，菜籽饼粕是本省的重要资源，但绝大多数未被利用或作为有机废弃物直接进入环境，造成环境负担，因此，充分合理利用菜籽饼粕对贵州农业生产发展和资源节约具有重要意义。诸多报道显示，腐熟的菜籽饼恰当施用，是一种速效性、养分全面的有机肥料［9-11］。生物炭作为集肥料、吸附剂和改良剂于一体的新型材料，在改土培肥、土壤养分固持、作物增产提质及土传病害防控［12-13］等方面的研究逐渐增多。在烤烟栽培上生物炭、菜籽饼单施，生物炭和菜籽饼混施的效果已有较多报道，如生物炭750 kg·hm-2+菜籽饼750 kg·hm-2比例下烟叶品质最佳，生物炭与菜籽饼配施显著降低了烟叶烟碱含量，提高了烟叶钾含量，协调了烟叶化学成分［14］；余其昌等［15］指出，常规施肥基础上增施生物炭750 kg·hm-2+菜籽饼1500 kg·hm-2有利于提高烤烟经济效益，改善烟叶品质；在植烟土壤理化生性状改善、烤烟增产和提质方面，生物炭与菜籽饼均有利于提高植烟土壤矿质养分含量及酶活性，且以混合施用效果更显著［16］，但在化学氮肥减量条件下，生物炭和菜籽饼配施对玉米-白菜产量、养分吸收、氮素利用等方面的研究鲜见报道。

因此，本研究通过盆栽试验，以玉米-白菜为供试作物，在化肥氮减量20%的情况下，探究生物炭和菜籽饼配施对玉米-白菜轮作干物质、养分吸收、氮素利用及产量的影响，旨在探讨生物炭和菜籽饼配施替代部分氮肥的在贵州黄壤的可行性，为玉米-白菜轮作模式高效施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年2～11月在贵州省土壤肥料研究所试验基地（26°29′43″ N，106°39′39″ E）进行。供试黄壤取自贵州省土壤肥料研究所试验基地，置于通风处自然风干，过5 mm筛，每盆装土25 kg，其基本理化性质：pH值7.25，有机质10.59 g·kg-1，碱解氮77.80 mg·kg-1，有效磷5.68 mg·kg-1，速效钾38.04 mg·kg-1。供试化肥：尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、硫酸钾（K2O 50%），均购自本地经销商。供试生物炭：玉米秸秆450℃炭化所制，pH值7.95、有机碳含量47.36%，N、P2O5和K2O的含量分别为0.80%、0.19%和4.75%，自制而来；供试菜籽饼有机肥购自本地经销商，N、P2O5和K2O的含量分别为4.60%、2.48%和1.49%。供试作物为玉米（遵义5071）、白菜（秋绿75），二者采用轮作模式。

1.2 试验设计

试验共设5个处理：不施肥（CK）、常规化肥（CF）、化肥氮减量20%配施生物炭（RF+B）、化肥氮减量20%配施菜籽饼（RF+O）、化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼（RF+BO），化肥氮减量处理均在常规处理化肥氮的基础上减氮20%。盛土容器为圆形塑料盆钵，其口径、底径和高度分别为38、30和40.5 cm，每盆装土25 kg。玉米季和白菜季的CK处理均不施肥，（1）玉米季：CF处理的氮、磷、钾肥用量均按照每千克土 N 0.15 g、P2O50.15 g 和 K2O 0.15 g 施用，即每盆N、P2O5和K2O用量均为3.75 g，减氮配施处理（RF+B、RF+O和RF+BO）的施氮量在玉米季CF处理施氮量的基础上减少20%，每盆N施用量减少20%、P2O5和K2O用量相同，即每盆N、P2O5和K2O用量分别为3.00、3.75和3.75 g；（2）白菜季：CF处理的氮、磷、钾肥用量按每千克土N 0.25 g、P2O50.15 g和K2O 0.15 g施用，即每盆N 6.25 g，P2O5和K2O均为3.75 g。生物炭按每千克土20 g添加，具体参照2%土重［17-18］换算而来，即每盆500 g（玉米种植前与供试土混匀装盆作基肥一次性施入，白菜季不添加）；菜籽饼按每千克土0.67 g添加（参考余其昌等［15］田间菜籽饼施用量1500 kg·hm-2折算而来），即每盆16.75 g。每个处理设置5盆重复，每盆移栽玉米和白菜幼苗株数相同，均为1株，每个处理共计5株，其中氮肥基追比均为4∶2∶4，移栽前菜籽饼、磷肥和钾肥均与土充分混匀作基肥一次性施入，具体施肥量见表1。玉米季施肥时间：2020年3月12日移栽并施基肥，2020年4月10日第1次追肥，2020年5月26日第2次追肥；白菜季施肥时间：2020年8月25日移栽并施基肥，2020年9月14日第1次追肥，2020年10月6日第2次追肥。其他管理参照当地玉米-白菜种植管理措施。

表1 不同施肥处理氮磷钾施用量 （g·盆-1）

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基本理化性质

pH值按水土比2.5∶1（pH计法）测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用碱解扩散-标准酸滴定法测定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定［19］。

1.3.2 玉米和白菜养分含量

分别于玉米和白菜收获期采集植株样品，玉米分为叶、茎、籽粒和根4个部分，白菜分为地上部和根2个部分。将玉米叶、茎、籽粒和根以及白菜地上部和根置于烘箱，105℃杀青 30 min，70℃ 烘干至恒重后称其干重并粉碎，样品均采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮仪测定植株氮含量，采用钒钼黄比色法测定磷含量，采用火焰光度法测定钾含量。具体参照鲍士旦［19］的《土壤农化分析》。

1.4 参数计算与统计分析

玉米氮（磷、钾）素吸收量（g·株-1）= 叶干物质量×叶氮（磷、钾）含量+茎干物质量×茎氮（磷、钾）含量+籽粒干物质量×籽粒氮（磷、钾）含量+根干物质量×根氮（磷、钾）含量；

白菜氮（磷、钾）素吸收量（g·株-1）=地上部干物质量×地上部氮（磷、钾）含量+根干物质量×根部氮（磷、钾）含量；

氮素利用效率计算公式［20-21］如下：

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（Y-Y0）/F

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=Y/F

氮肥表观利用率（%）=（N-N0）/F×100

氮肥贡献率（%）=（Y-Y0）/F×100

式中，Y和Y0分别为施氮和CK处理获得的作物产量（玉米：籽粒产量，白菜：经济产量），N和N0分别为施氮和CK处理总吸氮量，F为施氮量。

试验数据均采用Excel 2016进行计算处理，利用SPSS 19.0进行统计分析，差异显著性用LSD（P＜0.05）和Duncan检验法进行多重比较，并采用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米-白菜氮素吸收的影响

从图1可以看出，RF+BO处理的氮素吸收量均显著高于CK、CF、RF+B和RF+O处理，且RF+O处理的氮素吸收量均高于CF处理。玉米季，RF+BO、RF+O和RF+B处理的氮素吸收量比CF处理分别增加了27.59%、0.94%和9.87%；白菜季，RF+BO和RF+O处理的氮素吸收量比CF处理分别增加了26.64%和15.93%。化肥氮减量20%条件下，各配施处理间的氮素相比，RF+BO处理的氮素吸收量最高，相较于RF+B与RF+O处理，玉米季分别增加了19.66%和26.90%，白菜季分别增加了33.98%和12.47%。

图1 不同处理玉米和白菜氮素吸收量

2.2 不同施肥处理对玉米-白菜磷素吸收的影响

从图2可以看出，RF+BO处理的磷素吸收量均显著高于CK、CF、RF+B和RF+O处理。玉米季，RF+BO和RF+O处理的磷素吸收量比CF处理分别增加了37.21%和3.57%，差异达显著水平；白菜季，RF+BO和RF+O处理的磷素吸收量比CF处理分别增加了35.56%和29.27%，差异达显著水平；玉米季，RF+B处理的磷素吸收量比CF处理增加了15.63%，差异达显著水平；白菜季，RF+B处理的磷素吸收量较CF处理无明显差异。化肥氮减量20%条件下，各配施处理间的磷素相比，RF+BO处理的磷素吸收量最高，相较于RF+B和RF+O，玉米季分别增加了25.58%和32.56%，白菜季分别增加了35.56%和8.89%，差异均达显著水平。

图2 不同处理玉米和白菜磷素吸收量

2.3 不同施肥处理对玉米-白菜钾素吸收的影响

从图3可以看出，RF+BO处理的钾素吸收量均显著高于CK、CF、RF+B和RF+O处理。玉米季，RF+BO和RF+B处理的钾素吸收量比CF处理分别增加了30.34%和12.81%，差异达显著水平；白菜季，RF+BO和RF+O处理的钾素吸收量比CF处理分别增加了33.44%和18.25%，差异达显著水平；白菜季，RF+B处理的钾素吸收量较CF处理无明显差异。化肥氮减量20%条件下，各配施处理间的钾素相比，RF+BO处理的钾素吸收量最高，相较于RF+B和RF+O，玉米季分别增加20.11%和34.29%，白菜季分别增加了34.06%和18.58%，差异均达显著水平。

图3 不同处理玉米和白菜钾素吸收量

2.4 不同施肥处理对玉米-白菜氮素利用率的影响

从表2可以看出，RF+BO处理的氮素利用效率均显著高于CF处理，玉米季，RF+BO处理的氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率比CF处理分别提高了1.64%、9.88%、8.36%和26.21%；白菜季，RF+BO处理的氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率分别比CF处理提高了2.99%、35.70%、33.71%和31.78%。RF+B处理的氮素利用效率高于CF处理，玉米季，RF+B处理的氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率比CF分别提高了0.37%、21.83%、21.54%和24.57%；白菜季，氮肥农学效率、偏生产力和表观利用率比CF分别提高了6.69%、8.21%和7.53%。白菜季，RF+O处理的氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率较CF处理分别增加0.66%、13.80%、13.23%和21.11%，差异达显著水平。此外，RF+BO处理的氮素利用效率也高于RF+B和RF+O处理；RF+BO处理的氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率和RF+O处理相比，玉米季分别提高了1.88%、11.77%、10.04%和30.38%，白菜季分别提高了2.35%、25.40%、23.60%和13.53%，差异均达显著水平；RF+BO处理的白菜季氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率相比RF+B处理分别提高了4.57%、31.09%、27.78%和26.22%，差异均达显著水平。

表2 不同施肥处理对玉米-白菜氮素利用效率的影响

2.5 不同处理对玉米-白菜产量的影响

由图4可知，RF+BO处理对玉米和白菜产量有显著影响。与CF处理相比，RF+B处理对玉米产量影响不显著，但白菜产量明显降低。RF+O处理玉米和白菜产量较CF处理差异不显著。各处理中RF+BO处理玉米和白菜产量均最大，分别达226.43和898.40 g·株-1，较CF处理玉米和白菜分别增产9.72%和39.26%，差异达显著水平。

3 讨论

图4 不同处理对玉米-白菜产量的影响

有机肥能明显改善玉米植株生长，提高玉米养分吸收量［22］。前人研究表明，减化肥配施绿肥有利于春玉米地上部养分的吸收和利用［23］。诸多学者指出，减施部分化肥配施绿肥翻压能够提高水稻养分吸收量和产量［24-26］；还有学者指出，有机无机肥配施有利于提高作物的养分吸收量［27-29］。本研究显示，轮作玉米-白菜体系下，化肥氮减量20%条件下，3种配施方式与常规化肥相比，配施生物炭可提高玉米氮、磷和钾养分吸收量，配施菜籽饼可提高白菜氮、磷和钾养分吸收量，仅生物炭和菜籽饼混施处理下玉米和白菜植株氮、磷和钾养分的吸收量同时明显提高，且效果最佳，这说明减氮下生物炭和菜籽饼混施存在协同促进作用，其原因可能与生物炭不仅能有效调节土壤碳氮比，还能吸附土壤溶液中的铵态氮和硝态氮，从而减少淋溶损失［16］有关。

提高化肥利用效率是作物增产的一项重要措施。施用有机肥可促进滴灌棉田氮素转化，提高氮素肥力［30］，有机无机配施能够提高肥料利用率，可适当降低化肥用量［31］。要文倩等［32］指出，有机肥与化肥配施可有效改善土壤养分平衡状况，提高作物对养分的吸收和积累，促进植株养分向生殖器官中的转移和分配，提高肥料利用率。还有学者指出，有机肥氮替代部分化肥氮处理均增加了棉花氮肥表观利用率、偏生产力、农学效率和氮肥贡献率［33］。本研究结果显示，化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼能同时显著提高玉米和白菜当季氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率，且提升效果最佳，说明化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼有利于养分持续供应，促进养分吸收和利用，减少了其进入环境的量。这可能是因为生物炭和菜籽饼混施有利于促进土壤养分释放与保持，减少养分损失，促进玉米和白菜对氮、磷、钾肥的吸收和利用，从而提高化肥利用率。

化肥配施有机肥对作物生长及增产有积极效应［34-35］。有研究表明，与常规氮肥相比，常规氮肥+10 t·hm-2生物炭、减氮30%+10 t·hm-2生物炭均显著增加水稻产量，增幅达9.9%～11.9%，但二者间差异不显著［36］。本研究中，与常规化肥比，化肥氮减量配施生物炭玉米产量提高1.98%，白菜明显减产，其原因可能与玉米、白菜自身需肥特性不同有关，也可能与土壤类型及基础肥力有关。化肥氮减量配施菜籽饼处理较常规化肥处理白菜产量提高6.40%，这可能与化学氮肥配施腐熟菜籽饼可明显提高土壤碱解氮含量，促进作物盛长期氮素的运输和转移有关［11］。另外，化肥氮减量配施生物炭和菜籽饼处理与常规化肥处理相比，玉米和白菜分别增产9.72%和39.26%，主要原因在于生物炭和菜籽饼配施时，能加速菜籽饼腐解，释放大量的养分［37-38］，且菜籽饼腐解释放的养分能被生物炭吸附，从而明显促进玉米和白菜性状的形成及增产。

4 结论

化肥氮减量20%条件下，配施生物炭和菜籽饼处理对玉米和白菜的影响效果总体均优于单一施用生物炭、单一施用菜籽饼及常规化肥。化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼显著提高了玉米和白菜的干物质量，有效促进氮、磷、钾的吸收量，有效提高白菜当季氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和表观利用率，玉米和白菜均显著增产。综上，化学氮减量20%配施生物炭和菜籽饼可以为贵州黄壤区玉米-白菜的化肥减量增效施肥技术提供理论依据。