氮肥和调理剂对土壤碳氮含量及莜麦产量的影响*

索文康,杨金翰,胡晨阳,冯莎莎,田小明

(河北北方学院农林科技学院 张家口 075000)

土壤调理剂是一种高分子聚合物,无毒无味,结构稳定,合理施用能够协调土壤水肥耦合环境,提高土壤的保水性和保肥性[10],现已被广泛用于农业生产中。按功能用途可将土壤调理剂分为结构改良剂、水分调节剂、酸性土壤改良剂、碱性土壤改良剂和重金属修复剂5 大类。其中水分调节剂是指对土壤水分有固持作用的一类材料,多指土壤保水剂;酸性土壤改良剂主要包括生物炭、石灰、有机物料等材料;碱性土壤改良剂则是包括腐殖酸、沸石等在内的聚合物[11]。大量研究表明,土壤调理剂适量施入可以改良土壤性状,降低土壤容重[12],提高土壤有机碳含量和对氮素的固持能力[13],提高作物产量[14]。而过量施用调理剂则会造成阻碍作物生长的现象,形成作物-土壤间的养分竞争关系[15]。吴琳杰等[16]发现土壤含水量为15%时,保水剂处理的侧柏(Platycladus orientalis)出苗率比对照处理降低30%;马友华等[17]研究表明调理剂用量为1%时,促进了大豆(Glycine max)、小麦(Triticum aestivum)、花生(Arachis hypogaea)的生长,但用量超过1%则作物出苗率下降,且随着施用量的增加而降低。

然而这些研究多集中于调理剂对土壤养分及作物生长特征的影响,有关土壤碳、氮组分和莜麦(Avena chinensis)养分含量的研究相对较少。特别是在降水不足且分布不均的冀西北干旱地区。为此,本研究以自主研发的液态调理剂为研究对象,同时设置施肥处理,研究其在不同氮素条件下对不同土层土壤碳氮组分的影响规律,以及莜麦作物氮、磷、钾吸收量和产量的变化特征。揭示不同氮肥用量添加调理剂对土壤物理性状、碳氮分布及莜麦养分含量的作用机制,为提高半干旱地区土壤养分利用和莜麦优质高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北北方学院南校区实验站(40°40′17′′N,114°55′6′′E)。该地区属于石灰性栗钙土,耕层土壤有机碳含量为9.30 g·kg-1,全氮含量为1.09 g·kg-1,土壤速效磷含量为2.2 mg·kg-1,速效钾含量为160 mg·kg-1,pH 为7.3～8.5。由于水土流失、耕作粗放,土壤养分含量普遍偏低。其气候特点是: 四季分明,冬季寒冷时间长,春季干燥,夏季高温集中降雨不均匀,秋季风沙较大气温较低。年均温度4～16 ℃,日照时数2785 h,无霜期为140 d,海拔500～800 m。试验年生育期内降水量为133.6 mm (图1)。

图1 研究区莜麦生育期内气温和降水量Fig.1 Temperature and precipitation during naked oats growth period in the study area

1.2 试验设计

试验于2019 年4-7 月和2020 年5-8 月连续两年进行大田试验,共设置5 个处理(表1),分别为不施肥(CK)、80%氮肥(N80)、常规施氮(N100)、调理剂+80%氮肥(PN80)、调理剂+常规施氮(PN100),每个处理3 次重复,随机区组分布。小区规格均为2.5 m×5 m,每个小区设置0.5 m 保护行和内嵌式滴灌带,滴灌带采用1 管4 行,滴头间距30 cm。在莜麦播种前所有处理均施用基肥P2O5120 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。调理剂和氮肥在莜麦滴出苗水时通过施肥罐随水一次性施入土壤中。其中液态调理剂是将聚丙烯酰胺和聚乙烯醇制成溶液,在一定温度下通过硫酸锰进行交联合成,有效成分2%,碳含量0.2%。每个小区全生育期灌水量为3000 m3·hm-2。其他各项田间管理与当地大田管理相同。

表1 各处理和施肥量Table 1 Treatments and fertilization rates

1.3 测定方法

1.3.1 土壤碳、氮组分含量测定

2020 年8 月25 日(莜麦成熟期)各小区采用三点混合法,采集不同土层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)土壤,去除土样中杂质,将土壤分成两份,一份风干研磨过5 mm 筛,用于测定土壤有机碳、活性有机碳、全氮含量;一份过2 mm 筛后置4 ℃冰箱保存,用以测定土壤微生物量碳、硝态氮、铵态氮含量。其中,土壤全氮采用凯氏定氮法测定,硝态氮采用紫外分光光度法测定,铵态氮采用靛酚蓝比色法[18]测定,土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定[19],活性有机碳含量用KMnO4氧化比色法测定[20],微生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法测定[21]。碳库管理指数的计算方法:

式中: CPMI 为土壤碳库管理指数,TOC 为土壤有机碳含量(mg·g-1),LOC 为土壤活性有机碳含量(mg·g-1),CNL 为土壤非活性有机碳含量(mg·g-1)。

1.3.2 土壤物理性状测定

2) 压载水中3种致病菌的分布具有鲜明的特点，即随压载水深度的增加菌落数量与检出率逐渐增加，且随时间推移此态势明显加强，其间若发生压载水置换行为或水龄<10 d时则这一势态不明显。

于2020 年8 月莜麦成熟期采用五点取样法,对各小区0～20 cm 土层土样进行采集,用于测定土壤容重、含水量、孔隙度和田间持水量。其中,土壤容重和田间持水量采用环刀法测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤孔隙度计算方法[22]: 土壤孔隙度=(1-容重/比重)×100%,土壤比重为2.65 g·cm-3。

1.3.3 莜麦养分含量及产量的测定

2020 年8 月莜麦成熟后,在小区中心区域1.5 m×1.5 m 进行测产;并在每小区随机选取10 株长势均匀的植株,选取地上部秸秆样品于70 ℃烘干后称量并研磨。其中全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮法测定,全磷含量采用矾钼黄比色法测定,全钾含量采用火焰光度计法测定[23]。

1.4 数据处理与分析

试验数据利用Microsoft Excel 2018 软件进行初步整理;采用SPSS 26.0 软件进行方差分析和Pearson 系数法相关性分析,检验不同处理间的显著差异性和各指标间的相关性;使用Origin 2022 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性状的变化特征

表2 可以看出,与N100相比,N80显著降低了土壤容重(7.57%),提高了土壤孔隙度(8.01%) (P＜0.05);PN80显著提高了土壤含水量(8.39%)、孔隙度(8.22%)、田间持水量(17.68%)和pH (0.59%),显著降低了土壤容重(8.31%) (P＜0.05),并且与N100相比,PN100显著提高了土壤含水量(9.62%)、孔隙度(6.43%)、田间持水量(14.56%)和电导率(5.80%),显著降低了土壤容重(6.10%) (P＜0.05)。与N80相比,PN80、PN100均显著增加了土壤含水量(9.09%、10.39%)、田间持水量(12.81%、9.80%)、电导率(3.84%、9.86%)和pH(1.44%、0.96%) (P＜0.05)。同时添加调理剂后,与PN100相比,PN80处理显著降低了电导率(5.49%),提高了pH (0.47%) (P＜0.05),对土壤容重、含水量、孔隙度、田间持水量的影响并不显著。

表2 不同氮用量添加调理剂对土壤物理及化学性质的影响Table 2 Change of physical and chemical properties of soil under different treatments of soil conditioner and nitrogen dosage

2.2 不同土层土壤有机碳及其组分的变化特征

由图2 可知,与对照(CK)处理相比,N80处理显著提高了20～60 cm 土层LOC (12.26%～87.50%)和0～80 cm 土层 SMBC (14.74%～149.98%) (P＜0.05);N100显著提高了20～80 cm 土层TOC (3.46%～5.36%),40～80 cm 土层LOC (23.08%～90.28%)和0～80 cm 土层SMBC (20.24%～191.66%) (P＜0.05)。并且较N80处理,N100处理0～80 cm SMBC 和20～80 cm TOC 分别显著提高2.08%～4.36%和4.79%～27.80% (P＜0.05)。

图2 不同氮用量添加调理剂对土壤碳组分和碳库管理指数的影响Fig.2 Changes in contents of soil carbon compositions and carbon pool management index under different treatments of soil conditioner and nitrogen dosage

与常规施肥处理(N100)相比,PN80显著提高了0～60 cm 土层TOC (4.97%～20.06%)、20～60 cm 土层LOC (11.95%～12.88%)和SMBC (11.43%～24.00%) (P＜0.05);PN100显著提高了0～60 cm 土层TOC (7.22%～20.47%)、0～40 cm 土层CPMI (37.52%～40.62%)、0～80 cm 土层LOC (24.39%～56.25%)和SMBC (16.76%～40.62%) (P＜0.05)。其中,以PN100增加幅度最大,与PN80处理相比,PN100处理显著提高了整个土壤剖面LOC(11.11%～32.46%)和SMBC (13.41%～41.43) (P＜0.05)。

2.3 不同土层土壤全氮及其组分的变化特征

由图3 可知,土壤全氮(TN)在不同土层间变化差异较小,铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)含量则随着土层深度的增加而降低。与CK 相比,N80处理TN 在表层(0～40 cm)无显著增加,N100和N8040～80 cm TN 显著降低(P＜0.05);与N80相 比,PN80、PN100处理均显著提高了40～60 cm 的TN 含量;与N100相比,PN80和PN100处理分别显著增加了0～60 cm和0～40 cm 的TN 含量。土壤NH4+-N 的变化不同于TN,添加调理剂不利于NH4+-N 含量的提高,N80和N100处理较CK 处理显著增加20～40 cm 的NH4+-N,然而PN80和PN100处理NH4+-N 在该土层中较N80和N100显著降低。

图3 不同氮用量添加调理剂对土壤氮组分的变化Fig.3 Changes in contents of soil nitrogen compositions under different treatments of soil conditioner addition and nitrogen dosage

不同处理土壤NO3--N 的变化差异较大,与单施肥处理(N80、N100)相比,调理剂处理(PN80、PN100)均显著提高了0～60 cm 土层NO3--N 含量(P＜0.05)。其中,与PN100相比,PN80处理显著降低了0～40 cm 和60～80 cm 的NO3--N (P＜0.05)。

2.4 莜麦养分吸收及产量的变化特征

氮肥添加调理剂可以显著提高作物全氮、全磷、全钾含量及作物产量(表3)。与对照(CK)处理相比,不同施肥处理(N80、N100)均显著提高了作物全氮、全钾含量及产量(P＜0.05);并且较N80处理,N100处理全氮、全磷和全钾分别显著增加13.39%、20.79%和9.06% (P＜0.05),对莜麦产量影响并不显著。

表3 不同氮用量添加调理剂对莜麦养分及产量的变化特征Table 3 Changes of nutrient and yield of naked oats under different treatments of soil conditioner addition and nitrogen dosage

与单施肥处理(N80、N100)相比,PN80的全氮、全磷、全钾及产量分别显著提高28.05%、39.11%、13.09%、26.40%和12.93%、15.16%、3.69%、18.73%(P＜0.05)。其中与PN100相比,PN80的全氮、全磷含量分别显著提高12.39%、22.71% (P＜0.05);全钾及产量有提高效果,但并不显著。

2.5 土壤碳氮组分与土壤理化性质及作物养分含量和产量的关系

将莜麦养分含量及产量与耕层土壤(0～20 cm)碳组分含量和土壤物理性状进行相关性分析,结果如图4 所示。土壤含水量和田间持水量与土壤碳组分含量、NO3--N含量、作物养分吸收量及产量均呈显著或极显著正相关,而土壤容重和土壤NH4+-N 含量与各指标之间均呈不相关或负相关性,CPMI 与土壤碳组分含量呈显著或极显著正相关。

图4 土壤碳氮组分及理化性状与作物养分及产量的相关关系Fig.4 Correlation between soil carbon and nitrogen components and physicochemical traits and crop nutrients and yield

3 讨论

陶林[24]研究表明,施用土壤调理剂能降低土壤容重,优化土壤耕层构造,提高土壤孔隙度。廉晓娟等[25]研究发现,施用土壤调理剂能够明显改善土壤结构,增强土壤保水能力,提高土壤田间持水量6.75%。本研究也得到了类似的结果,与单施肥处理(N80、N100)相比,氮肥配施调理剂处理(PN80、PN100)均显著提高了土壤含水量和土壤孔隙度和田间持水量,降低了土壤容重。这可能是因为聚丙烯酰胺与水接触时,亲水基团产生水合作用,在渗透压作用下固持土壤中的水分,进而起到提高土壤孔隙度,降低容重的作用[26]。与N100相比,N80显著提高了土壤孔隙度,降低了土壤容重,这与黄寅玲等[27]的研究结果减氮15%和30%会提高土壤容重不同,可能与土壤结构、耕作方式、大田管理措施等原因有关。

土壤碳组分含量能直观反映土壤碳动态及土壤品质的变化情况,是促进土壤可持续循环利用的重要因素[28]。田露等[29]研究表明,与常规施肥措施相比,在此基础上添加保水剂可以提高土壤TOC 含量3.1%～13.2%;李倩等[30]研究表明,不同方式施入保水剂显著增加土壤SMBC 含量4.7%～63.4%。本研究结果与之类似,与单施肥处理(N80、N100)相比,施氮肥添加调理剂显著提高了20～60 cm 土层TOC、LOC 和SMBC 含量,且随着土层深度的增加调理剂的影响作用变小。一方面可能是调理剂本身的粘稠性和对养分的吸附性减少了调理剂与营养元素在土壤中向下层土壤移动,增加了20～60 cm 土层的养分含量,进而维持了土壤的微生物活性和数量,从而提高了LOC 和SMBC 含量。另一方面添加调理剂增加了土壤孔隙度和持水能力,通过改良土壤性状,提高了生物活性。同时,添加调理剂显著提高了0～20 cm 土层TOC,说明调理剂本身的稳定性能够保持土壤中的有机质不被降解和淋溶,促进了土壤中腐殖质的形成[31]。本研究表明,LOC 与CPMI 呈极显著相关性,与单施肥处理(N80、N100)相比,调理剂处理(PN80、PN100)在整个土壤剖面CPMI 提高12.76%～41.46% (P＜0.05),这与前人的研究结果一致[32]。说明调理剂通过增加土壤LOC 的方式,提高了土壤CPMI,增强土壤固碳能力,提高土壤肥力。减氮也会对土壤有机碳及其组分产生一定影响,与N80相比,N100处理显著提高了0～80 cm 土层SMBC 和20～80 cm 土层TOC 含量,说明减氮20%会减弱土壤微生物的繁殖与发育,从而导致土壤TOC 和SMBC 含量降低[33]。

已有研究表明,调理剂(腐殖酸)与氮肥结合施用能显著提高土壤的全氮和碱解氮含量,在土壤中有显著的净残留,有助于土壤氮素的累积[34]。本研究发现,与N100相比,PN80和PN100处理分别显著增加0～60 cm 和0～40 cm 的TN,并且随着土层深度的增加,调理剂处理NO3--N 和NH4+-N 含量均逐渐降低。这可能是调理剂施入土壤后改良了土壤物理性状,增加了土壤吸附水分和氮素的能力,使得水分向下层土壤移动能力减弱,从而减缓了氮素向下移动[35-36]。说明调理剂能够使氮素更多地停留在0～60 cm 土层中。土壤胶体大多带负电荷,容易固持带正电荷的NH4+-N,而对于带负电荷的NO3--N 吸附能力较弱,因此土壤中氮素淋失主要通过NO3--N 途径呈现[37]。与PN100相比,PN80处理显著提高了0～40 cm 和60～80 cm 的NO3--N 含量,说明增施氮肥会促进土壤N 向下层土壤移动。较单施肥处理(N80、N100),氮肥添加调理剂(PN80、PN100)均显著提高了0～60 cm 土层NO3--N 含量,以PN100处理影响最为显著,可能是调理剂对土壤物理性状的改良,提高了0～60 cm 土壤微生物活性,促进了土壤硝化作用,提高了土壤NO3--N水平,同时说明添加调理剂可以避免NO3--N 淋溶至深层土壤,降低土壤剖面NO3--N 淋溶的风险[38]。

彭正萍等[39]研究发现,适当减少氮肥施用量不会对作物产量和氮素吸收量产生显著影响。本研究表明,与N80相比,N100莜麦养分含量(氮磷钾)显著增加了9.06%～20.79%,而对莜麦产量影响并不显著,这可能与土壤理化性状、有机质含量、田间管理措施等有关。刘世亮等[40]研究表明,调理剂可以显著提高作物氮磷钾养分含量,施用高剂量调理剂效果更佳。马力[41]研究表明,施用调理剂可以提高燕麦对养分的吸收能力,提高燕麦产量。本研究结果不尽相同,与单施肥处理(N80、N100)相比,PN80处理显著提高了莜麦养分(氮磷钾)含量和产量。这表明80%氮肥添加调理剂可以增加莜麦的养分含量及产量,提高氮素利用率。与常规施肥+调理剂处理(PN100)相比,80%氮肥添加调理剂(PN80)的全氮和全磷含量分别显著提高12.39%和22.71%,可能是调理剂对水分和氮肥的吸附性,提高了土壤微生物活性,促进了土壤亚硝化作用和硝化作用,大量易于莜麦根系吸收的NO3--N 转变为较难吸收的NH4+-N,从而降低了莜麦对N 素的吸收。

土壤养分之间及土壤养分与作物之间存在复杂的相互作用。通过相关关系表明,土壤碳组分含量及NO3--N 含量与田间持水量、含水量更为紧密,且均呈显著或极显著正相关,与土壤容重呈极显著负相关;土壤碳组分含量、NO3--N 含量与作物养分含量及产量之间均呈显著或极显著正相关。说明在氮肥基础上添加调理剂可以提高土壤含水量、田间持水量,降低土壤容重,通过持续的根团湿润的方式,提高了土壤碳组分含量和NO3--N 的积累,从而增加了作物氮磷钾含量,提高作物产量。然而这也可能与土壤微生物的固碳、固氮作用有关,微生物对土壤养分及作物品质与产量的影响机制还有待进一步研究,且调理剂对莜麦作物、土壤的影响作用有待多年田间试验进行验证。

4 结论

在施用氮肥的基础上添加土壤调理剂可以降低土壤容重,增加土壤含水量和田间持水量,提高土壤碳组分和NO3--N 含量,进而增加作物氮磷钾吸收量,提高作物产量。其中,以80%氮肥+土壤调理剂对改良土壤性状效果最为显著。与常规施肥措施相比,80%氮肥+土壤调理剂处理的莜麦产量显著提高18.73%～26.40%。同时添加土壤调理剂可以显著提升0～60 cm 土层有机碳、NO3--N 含量和20～60 cm土层活性有机碳、微生物量碳含量,且以100%氮肥+土壤调理剂的效果最好。综合来讲,以80%氮肥+土壤调理剂对莜麦养分含量及产量的影响效果最为显著,而从提高土壤养分含量角度以100%氮肥+土壤调理剂处理效果最好。