有机肥氮替代化肥氮对盐碱地玉米氮素利用率及土壤理化指标的影响

李 磊,司海丽,朱志明,纪立东

(1.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所,银川 750002;2.宁夏农技推广总站,银川 750001)

随着中国农业结构的转型,草畜业逐渐成为农业发展的重点产业之一。宁夏地处西北内陆,近年来,依托北部引黄灌区粮草轮作、中部旱作人工草地和南部优质牧草资源优势,着力打造全区奶牛、肉牛养殖产业。据2018年统计年鉴,该区年产生畜禽粪污2 363万t,有机肥原料充足。在宁夏银北盐碱地区,主要作物产量低下,种植户倾向于不施有机肥而投入过量的氮肥来增加产能,这就导致氮肥利用率逐年降低,同时造成有机肥资源浪费和土壤结构恶化。因此,通过优化化肥使用量和调整施肥结构,改变农民长期过量施用化学氮肥的传统观念显得十分必要。

有机肥还田是保障粮食安全的重要措施之一,其与无机肥配合施用对土壤与作物的影响效果受替代比例不同而存在差异[1-2]。温延臣等[3]研究表明,有机肥配施化肥在一定程度上能有效协调养分平衡供应关系,满足作物生长发育需要;蔡泽江等[4]研究表明,有机肥与化肥配施能明显促进玉米产量稳定增长;谢军等[5]研究表明,有机肥替代50%化肥处理下,玉米生物产量与经济产量显著增加,同时,该处理促进了氮素的稳定吸收与转运,氮素利用率也明显提升;祝英等[6]研究认为,有机肥替代30%化肥显著提高土壤养分含量;杨明等[7]通过结合田间与盆栽试验表明,有机肥替代化肥处理下土壤pH显著降低,土壤盐基离子组分发生显著变化,有机质、全氮含量显著 增加。

综上可知,有机肥替代化肥技术已经成为化肥零增长行之有效的措施,且在不同肥力水平的土壤上替代比例存在明显差别。本文主要在宁夏银北灌区土壤较为贫瘠的盐碱区开展不同有机肥替代化肥比例试验,分析不同有机肥氮替代化肥氮比例下对玉米生产力及氮素利用率的影响,探讨土壤养分及团聚体变化,揭示最佳替代比例,以期为银北盐碱地区玉米种植建立合理的施肥模式和提高养分利用效率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

表1 土壤基本物理性质Table 1 Basic physical properties of soil

表2 0～30 cm土层土壤基本化学性质Table 2 Basic chemical properties at 0-30 cm soil layer

1.2 试验设计

试验基于常规施肥(N:450 kg·hm-2,P2O5:150 kg·hm-2,K2O:75 kg·hm-2;脱硫石膏4 500 kg·hm-2),有机肥选用奶牛粪有机肥,其干基条件下,全氮1.95%、全磷1.12%、全钾1.01%、有机碳32.25%、电导率3.35 mS·cm-1、pH 7.42。该试验采用随机区组设计,按照等氮量原则(由于奶牛粪有机肥磷钾素矿化分解效率极低,本试验不考虑有机肥磷钾因素影响),设置不同有机肥氮和化肥氮供应比例,共设计6个处理,见表3。

表3 试验设计Table 3 Test design

有机肥来源于腐熟奶牛粪有机肥,氮肥为尿素(N:46%),磷肥为磷酸一铵(N:12%;P2O5:61%),钾肥为硫酸钾(K2O:50%)。所有奶牛粪有机肥、脱硫石膏、化肥磷、钾肥全部一次性基肥,含有化肥的处理, 60%化肥氮基施, 40%化肥氮在玉米拔节期、灌浆期随黄河水灌溉分2次追施。

1.3 测定项目及方法

1.3.2 土壤团聚体测定 2021年9月采集玉米田间0～30 cm土壤团聚体,用铁锹挖开土层剖面,用铁铲沿剖面垂直切入,剥去接触面变形的土壤,均匀取内部土壤1 kg放入铁盒带回实验室。采用干筛法测定土壤机械稳定性团聚体含量;湿筛法测定土壤水稳性团聚体含量。

1.3.3 玉米生长指标测定 每个处理选10株用标签标记,分别在出苗后30 d、60 d、90 d测定玉米生理株高、茎粗、叶绿素归一化指数(SPAD),其中,株高用卷尺测定;茎粗用游标卡尺测定;叶片叶绿素测定选用倒3叶中部,采用SPAD-502测定。

1.3.4 玉米产量测定 于玉米收获期按小区实收测定玉米生物产量与籽粒产量,其中籽粒产量折14%入库水分计算所得[3]。

1.3.5 玉米干物质及氮素测定 玉米收获时,选取标记植株,测定鲜质量,然后带回实验室将根、籽粒与秸秆分开,105 ℃杀青30 min后,60 ℃烘干后测定干质量,计算玉米籽粒和秸秆的含水量。然后按根、籽粒、茎+叶+穗轴不同营养器官分开,采用H2SO4-H2O2消煮法测定植株全氮含量[10]。根据所获得的不同处理下植株干质量与各器官全氮含量,求得植株氮素积累量。

1.4 相关指标计算

碱化度(ESP) =(交换性钠/阳离子交换 量)×100%

团聚体参数: >0.25 mm团聚体百分含量(R>0.25)、土壤团聚体破坏率(PAD)、土壤团聚体的平均质量直径(MWD)的计算公式如下:

R>0.25=M0.25/MT

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

氮素利用率:植株氮素积累量(kg·hm-2)=(单株籽粒干质量×籽粒含氮量+单株根干质 量×根含氮量+单株茎叶轴干质量×茎叶轴含氮量)×每公顷有效株数;氮收获指数 NHI=籽粒吸氮量/植株氮素积累量;肥料氮偏生产力(NPFP,kg·kg-1)=施氮区籽粒产量/施氮量;肥料氮生理利用率(NPE,kg·kg-1)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/(施氮区地上部总吸氮量-不施氮地上部总吸氮量);氮肥农学效率(NAE,kg·kg-1) = (施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量) /施氮量。式中,施氮量既包括化肥氮也包括有机肥氮[11-13]。

1.5 数据分析与处理

采用Excel 2003对试验数据进行整理,采用SPSS 25.0软件描述统计特征值、进行数据分析,用方差分析(ANOVA)和最小显著性检验(LSD)做数据差异显著性检验(P<0.05,n=5)。

2 结果与分析

2.1 有机肥氮替代化肥氮对玉米生长发育的影响

与CK0处理相比,施肥处理均能显著增加玉米株高、茎粗及SPAD。不同比例有机肥氮替代对玉米株高存在显著性差异。苗后30 d,有机肥替代处理效果明显,其中F4处理下效果最佳,相比F1显著增加39.58%;苗后60 d发现,F1处理开始显著增加株高,相比F2、F3、F4处理分别显著增加19.92%、33.89%、17.41%;苗后90 d,F5处理与F1处理间无显著性差异,二者处理相比F2处理显著增加12.47%、11.83%。各处理对苗后30 d与苗后60 d玉米茎粗无显著性影响,苗后90 d,F1与F5处理显著增加玉米茎粗,而F3与F4处理下茎粗相比CK0处理有所降低,但无显著性。苗后30 d,F1、F3、F4、F5处理中SPAD相比CK0处理分别显著提高7.80%、10.53%、8.82%、11.53%;在苗后60 d中,各处理SPAD值分别为F1>F2>F5>F4>F3>CK。且较CK0处理依次分别提高5.70%、5.43%、4.70%、 2.86%、2.80%;在苗后90 d,F2处理较F1、F3处理显著提高9.02%、4.62%,另外F4和F5处理分别较F1显著提高5.14%、6.83%,同时较F3处理提高0.90%、2.51%,F3处理较F1处理提高4.20%(表4)。

表4 有机肥氮替代化肥氮处理下玉米生长发育Table 4 Maize growth and development under substitute of chemical N with organic N

2.2 有机肥氮替代化肥氮对玉米不同器官氮素积累的影响

植株氮素总积累量在各处理下存在显著性差异,依次为F5>F1>F2>F3>F4>CK0,F5处理相比F1、F2、F13、F4处理分别增加26.02%、31.01%、42.39%、57.32%;F1与F2处理间无显著性差异,F3与F4处理相比F1、F2处理显著降低;说明,随着有机肥替代比例降低,植株氮素总积累量表现为先减少后急剧增加趋势。各器官氮素积累量表现为籽粒氮素积累量在各器官氮素分配比例中占主要地位,其次为茎+叶+穗轴,而根部氮素含量最低。F5处理显著增加各器官氮素积累量,相比F1、F2处理,籽粒氮素积累量显著增加24.44%、32.91%,茎+叶+穗轴氮素积累量显著增加30.66%、25.96%,而根部氮素含量在F5与F1处理下相差不大,二者处理间无显著性差异(表5)。

表5 有机肥氮替代化肥氮玉米氮素积累量Table 5 N accumulation in maize under substitute of chemical N with organic N

2.3 有机肥氮替代化肥氮对玉米产量及经济效益的影响

有机肥替代对籽粒及生物产量影响较大,籽粒产量在F5处理下最大,其次为F1处理,二者处理间无显著性差异;F5处理显著提高生物产量,相比F1、F4处理分别增加12.46%、7.21%;综合经济产值与投入计算所得净收益F5处理最大,其次为F1处理,二者处理几乎一致,但F1处理下投入相比F5略低,从而产投比属F1处理最大,其次为F5处理(表6)。

表6 有机肥氮替代化肥氮的产量及经济效益Table 6 Yield and economic benefit under substitute of chemical N with organic N

2.4 有机肥氮替代化肥氮对氮肥利用率的影响

有机肥替代对玉米氮素利用率影响较大,氮素收获指数在各施肥措施下无显著性差异;氮素生理利用率在F4处理下最大,相比F3、F5处理增加12.02%、13.33%,相比F1、F2显著增加74.77%、30.67%;F5处理显著增加氮素偏生产力,其次为F1处理,二者处理间无显著性差异,显著高于F2、F3、F4处理;氮素农学效率与氮素偏生产力变化趋势相一致,属F5处理下最大,相比F1处理提高0.35%,相比F2、F3、F4处理分别显著提高1.93%、2.09%、2.99%(表7)。

表7 有机肥氮替代化肥氮的氮素利用率Table 7 Effect of substitute of chemical N with organic N on N use efficiency

2.5 有机肥氮替代化肥氮对土壤养分的影响

收获后土壤养分测定结果如表8所示,相比CK0处理,施肥处理均能明显增加耕层土壤全氮含量,但相比常规施肥,有机肥替代处理对其影响不显著;土壤有效磷含量在F1处理下最大,其次为F5处理,二者相比CK0处理显著增加 89.60%、83.50%。F5处理明显提高土壤速效钾含量,相比F1处理增加39.22%,此外,F2处理能明显提高土壤有机质含量,相比CK0、F1处理分别显著增加13.86%、11.05%;相比CK0处理,施肥措施均能降低土壤pH,但各处理间无显著性差异,其中,F2处理降幅最大,为0.37,其次为F4处理。各处理土壤全盐影响无显著性,其中,F1处理相比CK0处理全盐增加9.63%,F5相比CK0、F1处理全盐含量分别降低11.38%、 19.16%。

表8 有机肥氮替代化肥氮0～30 cm土壤养分Table 8 0-30 cm soil nutrients under substitute of chemical N with organic N

2.6 有机肥氮替代化肥氮对土壤团聚体参数的影响

通过干筛与湿筛获得>0.25 mm的大团聚体含量,结果如表9所示。干筛条件下,F1处理相比其他处理显著增加大团聚体含量,而F5处理相比CK0处理显著降低大团聚体含量;湿筛条件下,各处理下大团聚体含量无显著性差异,其中,F2处理增加大团聚体含量效果最佳;而F1处理下大团聚体含量最低,相比CK0处理减少 12.12%。平均质量直径是评价土壤团聚体稳定性的重要指标,干筛条件下,F2、F3处理显著增加团聚体平均质量直径,相比CK0分别增加 20.99%、18.23%。湿筛条件下,F1处理下平均质量直径最低,相比CK0降低19.05%,而F2提高该土层水稳性团聚体平均质量直径,其他处理也相比CK0处理有所提高。F1处理下PAD最高,其次是CK0处理,而其他处理均有所降低,其中F2、F5处理相比F1处理显著降低土壤PAD。

表9 有机肥氮替代化肥氮土壤团聚体参数Table 9 Soil aggregate parameters under substitute of chemical N with organic N

2.7 产量与植株氮素积累量及土壤理化指标的关系

由表10相关性分析可知,籽粒产量与生物产量分别与植株氮素积累量(TPN)呈极显著、显著正相关,而与土壤理化指标关系发现,籽粒产量与生物产量与土壤全氮(TN)间存在显著正相关,而籽粒产量与团聚体破坏率(PAD)间存在显著负相关关系,与湿筛条件下团聚体平均质量直径[W(MWD)]、大团聚体含量[W(R>0.25)]间存在显著正相关关系。

表10 产量与植株氮素积累量及土壤理化指标的关系Table 10 Relationship between yield and plant nitrogen accumulation,soil physical and chemical indexes

3 讨 论

玉米长势、产量是反映施肥效果最直接的表达。熊波等[14]通过研究有机肥替代不同比例化肥在青贮玉米上建立田间试验发现,有机肥替代不同比例化肥会降低青贮玉米株高、SPAD值,但差异性不显著;陈倩等[15]研究认为,有机肥替代化肥比例在12.5%～37.5%下玉米籽粒产量及生物产量均表现最佳;Hisanya等[16]和于天一等[17]研究也证实有机无机配施能明显增加作物产量。本试验认为,有机替代不同比例化肥会降低玉米株高,但会增加叶片SPAD值,这与熊波等[14]的研究结果有所出入,分析可能原因是采集过程所选叶片位置不同导致,具体原因可在次年试验进一步探讨。本试验产量在有机替代20%化肥处理下最高,这与前人研究结果基本一致。

氮肥利用率低一直是中国农业生产中最突出的问题,如何提高氮肥利用率便成为众多研究者的关注重点方向之一[18]。Dobermann[19]常用氮素生理利用率、氮素农学效率、氮素偏生产力来评价氮肥利用率,其研究认为氮素生理利用率在 30～60 kg·kg-1、氮素农学效率在10～30 kg·kg-1、氮素偏生产力在40～70 kg·kg-1较为适宜。本研究发现,所有处理下氮素偏生产力均不在适宜范围,而氮素农学效率除了F5处理外,其他处理也不在适宜范围。分析可能原因为该地区土壤基础肥力低下或者该地区盐碱并重,该地区全氮含量低于0.5 g·kg-1,处于极缺乏水平,同时,pH超过8.5,盐分达到中盐中平 (3～6 g·kg-1),对产量的提升形成抑制作用。

谢军等[5]通过8 a在西南紫色土上进行有机肥氮替代化肥氮定位试验认为,替代比例为50%处理促进了玉米对氮素的吸收和向籽粒的转运,提高了地上部氮素积累量;杨旸等[20]在河套灌区研究也表明50%有机无机氮肥配比能提高玉米植株氮素积累量,并不会影响当季氮肥利用率;而本试验发现,有机肥氮替代20%化肥氮处理下玉米植株氮素积累量最高,这与前人研究相一致,都证明了有机无机配施模式会增加氮素利用率。只是本试验施用有机肥时间较短,无法在短时间培肥地力,所以有机替代率仅为20%。

有机无机肥配施是合理利用资源、保证产量稳定、增强土壤肥力最重要的途径,也是实现农业健康发展的重要措施[21]。高洪军等[22]在吉林黑土地区建立有机替代化肥试验,结果发现,常规供氮165 kg·hm-2条件下时,以农家肥替代30%化肥氮素可增加土壤供氮能力;周晓芬等[23]通过盆栽试验研究发现,有机肥替代化肥会增加土壤速效钾含量;王伯仁等[24]通过对红壤旱地连续 13 a定位监测研究发现,有机肥替代化肥会增加土壤有机质与有效磷含量。本试验结果表明,相比常规施肥,有机肥氮替代20%化肥氮对土壤全氮有增加效果,而其他替代比例均会降低土壤全氮含量,但差异性不显著;同时,有机替代化肥处理均能增加土壤有机质、速效钾含量,但降低有效磷含量,这与王伯仁等[24]的研究结果有所不同,分析可能原因是有机肥中有效磷分解缓慢,或者是在碱性土壤上被固定的缘故。本试验也发现,有机肥替代化肥对土壤全盐与pH有降低趋势,这对于盐碱地改良利用有良好效果。

土壤团聚体的平均质量直径(MWD) 与大团聚体含量(R>0.25)是评价土壤团聚体稳定性的重要指标,其值越大表示团聚体稳定性越强。团聚体破坏率(PAD)能直观表现土壤团聚体的稳定性,它解释了土壤团聚体受水力机械破坏而导致分散程度的大小,其值越小代表土壤结构越稳定[25]。周芸等[26]研究认为有机肥氮替代化肥氮比例超过20%均会增加土壤水稳性团聚体大团聚体含量、MWD,同时降低PAD;荣勤雷等[27]在河北省设施菜田研究表明配施 25%猪粪对土壤团聚体的影响不显著,配施比例达50%才能显著提高水稳性团聚体 MWD;本试验研究结果也证实了这一点,在湿筛条件下,有机肥氮替代不同化肥氮处理均能明显增加大团聚体含量与平均质量直径,且替代比例越高,增幅越大,同时,土壤团聚体破坏率在有机替代化肥处理下有降低趋势,替代比例在100%处理下湿筛条件下大团聚体含量与MWD最高,而土壤破坏率最低,这与当年高量有机肥投入有关,有机肥矿化速率慢,腐殖化程度低,会增加湿筛条件下耕层土壤大团聚体含量,表现出土壤结构较为稳定。但随着有机质不断矿化,大团聚体含量也会发生变化,土壤结构稳定性仍会发生变化,这在以后的工作中仍需关注。

4 结 论

在银北盐碱地土壤低肥力条件下,基于常规施氮量,有机肥氮替代20%化肥氮在稳收益的前提下,可显著增加氮素利用率、氮素偏生产力以及氮素农学效率。同时,可明显增加速效钾含量,此外,对土壤全盐含量也产生一定抑制作用,且降低土壤破坏率,增强土壤结构稳定性。由于试验年限较短,单年试验数据未能完全表征有机替代优势,本试验将长久定位,继续探讨土壤肥力变化。