APP下载

秸秆等氮量替代化肥对土壤水分和玉米干物质积累的影响

2022-10-10徐路路王娟玲王晓娟刘恩科

水土保持学报 2022年5期
关键词:土层灌浆化肥

徐路路, 王娟玲, 王晓娟, 刘恩科

(1.山西大学生命科学学院,太原 030031;2.山西农业大学山西有机旱作农业研究院,太原 030031;3.有机旱作农业山西省重点实验室,太原 030031)

山西省是典型的旱作农业区,其玉米种植面积占粮食总种植面积的50.08%。在干旱半干旱地区,农业生产主要依靠降水,但降水大多通过径流和无效蒸发消耗掉,农业生产利用的降水量不到降水总量的1/3。秸秆可减少土壤蒸发,提高土壤的抗旱性,添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分,提高土壤含水量的积极作用。

秸秆还田和施氮对土壤具有保水缓温的效果。马晓丽等在渭北旱塬上进行的秸秆还田试验表明,秸秆还田可提高水分利用效率和耗水量,有利于土壤蓄水保墒;吴鹏年等的大田试验发现,秸秆还田的条件下,配施一定量氮肥可以明显提高土壤贮水量,其中配施氮肥300 kg/hm处理在2个试验年份中,最高可分别增加13.6%和22.1%;郑欣荣等发现,秸秆还田在水分入渗过程中具有阻水性,使水分在秸秆层停留时间较长,提高了浅层土壤的含水率;白伟等研究表明,秸秆还田配施氮肥作用于耕层构造,显著提高土壤含水量,降低土壤容重;有试验结果表明秸秆还田可以提高土壤肥力和水分利用效率,其中还田量13 500 kg/hm效果最好;而也有研究表明,9 000 kg/hm的秸秆还田量效果最好。作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾等营养元素,2015年我国秸秆资源量约71 878.53万t。

单秸秆还田会增加土壤碳氮比,且秸秆释放养分速率慢,不利于作物前期的生长,秸秆还田配施氮肥可以调节土壤的碳氮比。用作物秸秆替代化肥不仅可以减少化肥过量使用带来的负面影响,而且可以资源化利用秸秆养分,更对于土壤蓄水保墒具有重要意义。前人的研究多集中在秸秆还田或者定量秸秆还田配施不同量化肥,对等氮量条件下秸秆替代化肥的研究比较少。因此本试验通过连续6年定点试验,探讨秸秆等氮量替代化肥对土壤水分、养分和玉米干物质积累的影响,以期为当地玉米种植过程中,秸秆还田和氮肥的科学施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

此试验设计开始于2016年4月,2020年和2021年分别为种植的第5年和第6年,试验基地位于山西省晋中市榆次区东阳镇东阳村(112°40′05″E,37°33′22″N),该地区属温带大陆性气候,年平均降水量440.7 mm,年均气温9.8 ℃,年平均无霜期158天,海拔800 m。2016年4月试验前测基础土土壤特征为:有机质含量13.0 g/kg,全氮含量1.3 g/kg,全磷含量0.9 g/kg,全钾含量27.1 g/kg,碱解氮含量51.2 mg/kg,速效磷含量7.7 mg/kg,速效钾含量176.4 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置5个处理,总氮量均为225 kg/hm,施氮比例见表1,各处理的秸秆还田量见表2。大田试验为3次重复,15个小区,每个小区面积30 m(5 m×6 m),并且保持各小区总磷量相等,均为105 kg/hm,计算方法为,先算出秸秆所带入的磷,再施用磷酸一铵使总磷为105 kg/hm,计算磷酸一铵所带入的化肥氮,再施用尿素到达所用化肥氮比例。

表1 各处理的施氮比例

表2 各处理的秸秆还田量 单位:kg/hm2

在2019年和2020年的秋季收获后,将秸秆粉碎按试验设计量还田,2020年和2021年5月中旬于种植前在试验田施入化肥,化肥为磷酸一铵和尿素,种植玉米密度理论为49 500株/hm,正常田间管理,各小区一致,玉米收获后用对角线5点取样法,于各小区取0—20 cm土用于土壤养分的测定。

2016年和2017年降水可以满足作物生长,因此在这2年没有灌水,本试验是从2018年开始灌水的,各试验年份的灌水情况为:2018年灌水3次(6月25日、7月4日和8月15日),灌水量分别为48.7,48.7,48.8 mm;2019年灌水4次(6月19日、7月9日、7月20日和8月16日),灌水量分别为56.2,56.2,56.3,56.3 mm;2020年灌水1次(7月2日),灌水量为95.63 mm;2021年灌水2次(7月9日和8月14日),灌水量分别为63.75,59.20 mm。2020年和2021年全生育期降水量分别为349,323 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分及水分利用效率 在玉米的播种前1天和大喇叭口期、抽雄期、灌浆期、成熟期用中子仪测0—200 cm土壤水分,每隔20 cm测定1次,共10个层次。

土壤贮水量计算公式为:

=∑Δ××10100

(1)

式中:为土壤贮水量(mm);Δ为土壤第层次的土壤体积含水量(mm);为第层次的土壤厚度(cm);为土壤层次。

土壤耗水量计算公式为:

=+Δ++-

(2)

式中:为土壤耗水量(mm);为全生育期降雨量(mm);Δ为播种和收获时土壤贮水量之差(mm);为生育期灌溉量(mm);为地下水的补给量(mm);为地表径流量(mm);由于试验区地势平坦,地表径流和地下水等因素均可忽略不计。

水分利用效率公式为:

WUE=

(3)

式中:WUE为水分利用效率[kg/(hm·mm)];为玉米籽粒产量(kg/hm);为土壤耗水量(mm)。

1.3.2 土壤养分 土壤有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法;碱解氮采用碱解扩散法;速效磷采用0.5 mol/LNaHCO法,参照《土壤农化分析》。

1.3.3 干物质积累 在玉米的各生育时期,每小区取3株植株的地上部分,称重,并105 ℃杀青20 min,80 ℃烘干至恒重,称重。

1.4 数据处理

采用SPSS 21.0软件进行统计分析,Microsoft Excel 2016和Origin 2021软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 玉米生育时期0-80 cm土层土壤贮水量

玉米根系主要分布在0-80 cm,所以本试验主要研究0—80 cm土层土壤贮水量(图1)。

注:图柱上方不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。下同。图1 玉米各生育期0-80 cm土层土壤贮水量

2020年试验中,在播种前、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期,与CK相比,各替代处理组的0—80 cm土层土壤贮水量均无显著差异;在播种前,S25的0—80 cm土层土壤贮水量比S75显著增加10.32%,S50的0—80 cm土层土壤贮水量分别比S75和S100显著增加12.41%,11.70%;在大喇叭口期,S25和S50比S100的0—80 cm土层土壤贮水量分别显著增加14.86%,17.98%;在抽雄期,S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S100显著增加18.02%;在灌浆期,S25和S50较S75分别显著增加11.78%,11.83%;在成熟期,S50比S75和S100的0—80 cm土层土壤贮水量分别显著增加16.18%,13.40%。

2021年试验中,在播种前、灌浆期和成熟期,与CK相比,各替代处理组的0—80 cm土层土壤贮水量均无显著差异,且各处理组之间也无显著差异;但在大喇叭口期,S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比CK分别显著增加24.90%,20.47%,S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S75分别显著增加29.36%,22.77%,S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S100分别显著增加23.67%,19.28%;在抽雄期,S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量分别比CK显著增加24.3%,19.71%,分别比S75显著增加28.64%,23.90%,分别比S100显著增加25.75%,21.12%。由于2021年成熟期降雨量较多,所以其0—80 cm土层土壤贮水量较2020年成熟期大。

2.2 玉米生育时期0-200 cm土层土壤贮水量的垂直变化

2020年试验中,在玉米生长的整个生育时期中,各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势是一致的,并且S25和S50处理大于CK,而S75和S100处理小于CK(图2);播种前、大喇叭口期和抽雄期这3个时期的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化规律相同,都是0—40 cm随土层深度的增加而增加,因为本试验中,在秸秆还田时,所有处理都进行了翻耕,耕层土壤比较疏松,导致水分蒸发散失,40—160 cm随土层深度的增加而减少,160—200 cm随土层深度的增加而增加;在灌浆期,0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋于平稳;在成熟期,0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化为0—40 cm随土层深度的增加而增加,40—160 cm随土层深度的增加趋于平稳,可能与在成熟期玉米耗水较少有关,160—200 cm随土层深度的增加而增加;播种前—大喇叭口期—抽雄期,100—200 cm(深层土)各土层土壤贮水量的变化保持基本不变;抽雄期—灌浆期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所增加,可能与此时降雨量较大有关;灌浆期-成熟期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所减少。

图2 2020年玉米各生育期土壤水分垂直动态

2021年试验中,在玉米生长的整个生育时期中,各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化有规律性(图3):S25和S50处理大于CK,而S75和S100小于CK;在播种前,各处理组的0—40 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而增加,40—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化不大,趋于平稳;在大喇叭口期和抽雄期各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势一致,呈平稳增加的趋势;灌浆期和成熟期,各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势相同:各处理组的0—40 cm各土层土壤贮水量随土层深度增加而增加,各处理组(除S75外)的40—140 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而减少,140—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而增加;播种前—大喇叭口期—抽雄期,100—200 cm各土层土壤贮水量的变化保持基本不变;抽雄期—灌浆期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所增加;灌浆期—成熟期100—200 cm各土层土壤贮水量变化不大。

图3 2021年玉米各生育期土壤水分垂直动态

2.3 土壤耗水量和水分利用效率

2020年和2021年试验中,与CK相比各秸秆替代处理组的土壤耗水量无显著差异,但2021年试验中S50的土壤耗水量显著大于S100,提高5.00%(表3)。与CK相比,各秸秆替代处理组的水分利用效率在2020年和2021年均无显著差异。

表3 土壤耗水和水分利用效率

2.4 土壤养分

2020年试验中,各秸秆替代处理组的土壤有机质含量较CK无显著差异,但在一定程上各秸秆替代处理组的土壤有机质含量较CK有增加的趋势,其中S50处理的土壤有机质含量最大。但2021年试验中,与CK相比,S25、S50、S75、S100的土壤有机质含量分别显著增加了27.40%,38.13%,36.30%,22.60%,S50的土壤有机质含量最大(图4)。可见,有机肥替代化肥较单施化肥可以提高土壤有机质含量,其中S50处理的效果最好。

图4 土壤养分变化

与CK相比,各处理组土壤碱解氮含量在2020年无显著差异,S50的土壤碱解氮含量最大。2021年试验中,与CK相比,S50的土壤碱解氮含量显著增加了27.74%,S25、S75、S100的土壤碱解氮与CK相比无显著差异。在秸秆各替代处理组中,S50处理有利于土壤碱解氮含量的增加。

2020年试验中,与CK相比,S100处理土壤速效磷含量显著降低了50.75%,S25、S50、S75与CK相比无显著差异。2021年试验中,与CK相比,S25、S50、S75、S100处理土壤速效磷含量分别显著降低了31.48%,22.22%,30.56%,45.68%,其中S50处理降低的最少。

2.5 单株干物质积累量

2020年试验中,在玉米大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期,秸秆替代化肥处理的玉米单株干物质积累量与CK相比均无显著差异。但2021年试验中,在玉米大喇叭口期S25处理的玉米单株干物质积累量与CK相比显著减少了16.05%;在玉米抽雄期、灌浆期和成熟期这3个生育时期,S50处理的玉米单株干物质积累量最多,与CK相比分别增加22.39%,34.06%,12.58%;在玉米灌浆期和成熟期这两个生育时期,S75处理的玉米单株干物质积累量,与CK相比分别增加了22.49%,12.11%(图5)。大体上,玉米单株干物质积累量随秸秆替代化肥比例的增加先增加后减少。

图5 玉米各生育期干物质积累量

3 讨 论

已有研究表明,秸秆还田对土壤水分的影响具有双重性,生育前期秸秆腐解消耗水分,与作物争夺水分,生育后期对土壤水分具有积极作用。本试验中,总体上来看,低比例(S25、S50)秸秆替代化肥0—80 cm土层土壤贮水量高于高比例(S75、S100)秸秆替代化肥。可能是因为秸秆还田量越少,秸秆腐解率越高,并且尿素可以促进玉米秸秆的腐解,低比例的秸秆腐解速度较快,在生育期消耗的水分相对于高比例的秸秆少,从而使0—80 cm土层土壤贮水量增加。此外,秸秆替代比例越多,翻耕时秸秆所占体积越大,不利于土壤保水。

在2021年试验的大喇叭口期和抽雄期S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量显著大于CK,说明S25和S50可以提高0—80 cm土层土壤贮水量;而到灌浆期和成熟期时,各处理组的0—80 cm土层土壤贮水量无显著差异,可能是因为随着秸秆腐解过程结束,秸秆还田改善了土壤物理状况,增强土壤蓄水保水能力,而使得S25、S50与S75、S100差异不显著,此外也可能是因为雨水的补充而使各处理组0—80 cm土层土壤贮水量无显著差异。灌浆期土壤贮水量最大,这对于玉米灌浆非常重要。

秸秆还田对土壤水分的影响可达2 m,在玉米各生育时期,大体上,0—200 cm各土层土壤贮水量的大小为S25和S50大于CK,S75和S100小于CK,说明适量的秸秆替代化肥有利于土壤蓄水保墒,并不是秸秆还田量越多越好。在播种前、大喇叭口期和抽雄期,100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期无明显变化,在灌浆期和成熟期,100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期也无明显变化,但是在抽雄期到灌浆期100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期变化明显,可能是因为这个时期降雨和灌水量比较多。

秸秆配方能有效提高春玉米的土壤水分利用效率。在本试验中,与单施化肥相比,秸秆替代化肥的土壤耗水量和水分利用效率均无显著差异。这与张哲等研究认为,秸秆还田量越多作物水分利用效率越高的结论不一致,可能是因为秸秆还田量和氮素水平不一致;也可能与秸秆还田配施氮肥影响作物根系形态有关。试验年限也会影响试验结果,仍需要进一步深入研究。

本试验中,与单施化肥相比,秸秆替代化肥处理提高了土壤有机质含量,其中S50的土壤有机质含量最大。这可能是因为秸秆替代化肥处理与单施化肥相比较,可以调节土壤的C/N,有利于土壤微生物的生长,促进微生物对秸秆的分解释放有机态养分,进而提高了土壤有机质含量;另一方面,秸秆替代化肥比例过高,使土壤C/N比过高而不利于微生物生长,进而使有机质的增量较少。与单施化肥相比,S50处理显著提高了土壤碱解氮含量。一方面,可能与秸秆吸附作用保留氮素,减少氮素损失有关;另一方面,秸秆含碳量大,增加土壤氮素的矿化,使土壤碱解氮含量增加,也可能与根系对碱解氮的吸收有关。与单施化肥相比,秸秆替代化肥处理显著降低了土壤速效磷含量,其中S100降低最多。这可能是因为S100的施肥处理没有投入化肥磷,而使速效磷含量最低。

秸秆施用数量和氮肥用量都与玉米的长势存在很大关系。本试验中,S50处理的单株干物质积累量在抽雄期、灌浆期和成熟期大于CK,S75处理的单株干物质积累量在灌浆期和成熟期大于CK,说明S50和S75处理有利于玉米单株干物质积累量增加。

综上所述,对2年各生育时期测定的土壤水分、养分和干物质积累量结果分析发现,各秸秆替代化肥处理组中,S50处理效果最好。

4 结 论

本试验中,与单施化肥相比,秸秆等氮量替代化肥可以显著增加玉米单株干物质积累量,其中秸秆替代50%化肥的干物质积累量最大;大体上,低比例秸秆替代(S25和S50)的0—80 cm土层土壤贮水量有大于高比例秸秆替代(S75和S100)的趋势;秸秆替代化肥与单施化肥相比,对0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势影响不大,但是整体上S25、S50大于CK,S75、S100小于CK;与CK相比各处理组的土壤耗水量和水分利用效率无显著差异;各秸秆替代化肥处理较CK显著增加了土壤有机质含量,显著降低了土壤速效磷含量,在各秸秆替代化肥处理中,S50的土壤有机质和速效磷含量最大,S50较CK显著增加了土壤碱解含量。从保障土壤水分、秸秆干物质积累量和收获后土壤养分的角度考虑,S50是本试验条件下最有潜力的秸秆等氮量替代化肥方式。

猜你喜欢

土层灌浆化肥
泰国批准化肥涨价
小满过麦畴有感
大口径自来水管道施工中顶管技术的选择
不同林分类型及土层对土壤养分的影响
武功山山地草甸土壤机械组成特征研究
浅谈灌浆法在公路桥梁隧道施工中的应用
探析水利工程施工中的灌浆施工
静力触探在罗古判桥勘察中的应用
浅谈水利水电工程的灌浆施工技术
各种农作物是否使用化肥精经济效益对比情况一览表