生物炭与氮肥施入对夏玉米农田氮素淋失与利用的影响

沈 扬, 庞桂斌, 薛建文, 苏学伟, 董文旭, 王 昕, 徐征和

(1.济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022; 2.桓台县水利事业服务中心, 山东 淄博 255020;3.中国科学院遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心, 河北 石家庄 050022; 4. 山东省水利科学研究院, 山东 济南 250014)

本文中选择夏玉米作为试验对象,在华北平原典型灌区开展夏玉米种植试验,分析不同生物炭、氮肥施入量对夏玉米农田氮素淋失与利用以及产量的影响,合理提升玉米综合生产能力[12],以期为农田大水大肥管理下提高氮肥利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年在位于山东省济南市长清区的山东省灌溉试验中心站进行。当地属暖温带半湿润季风气候,夏季降水较多[13]。该试验站土壤类型为黏土,玉米为一年一熟,前茬作物为冬小麦。试验区0～60 cm土层土壤基本理化性质见表1。夏玉米种植期间试验区具体气温、 降水情况见图1。

图1 2020年试验区夏玉米生育期内气温、降雨变化

表1 试验区土壤基本物理性质

试验站内建有带有地下廊道的21个测坑,测坑尺寸为2.0 m×3.33 m(宽度×长度),每个测坑之间都有深度为2.0 m的衬砌墙,上覆遮雨棚,下设廊道,且在廊道下100 cm深度上设取水口,可定期收集氮淋溶液,用于分析氮的迁移规律;同时每个测坑中都埋设长度为100 cm的聚乙烯管,用于测定不同深度的土壤含水率。试验区概化图如图2所示。

图2 试验站概化图

1.2 试验设计

试验只在苗期进行灌水,采用微喷灌方式定量灌溉,灌水量为67.5 mm,利用水表计量灌溉水量。

试验共设置氮肥施入量和生物炭施入量2个因素。氮肥施入量设置150、 200 kg/hm22个水平,分别记为N1、 N2,将磷肥(75 kg/hm2)和钾肥(128 kg/hm2)施入测坑,基肥和拔节期追肥各占50%。

以木柴为烧制生物炭的原材料,生物炭比表面积为91.0 m2/g,钾元素质量比为9.19×103mg/kg,磷元素质量分数为0.14%,pH为7.80。生物炭施入量设置0、 20、 40 t/hm23个水平,分别记为C0、 C1、 C2,生物炭施入后耙入土壤。生物炭和氮、 磷、 钾肥分别单独翻施。

采用当地主要种植的玉米品种“郑单958”为供试作物,于2020年6月23日播种,采用人工点播的方式,种植密度每公顷59 970株,于2020年10月4日收获。试验处理方案以及夏玉米生育期的划分分别见表2、 3。

表2 夏玉米种植试验处理方案

表3 夏玉米生育期划分

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率

在土壤深度为20、 40、 60、 80、 100 cm处安装中子探针来实时监测夏玉米全生育期土壤含水率变化。计算各土层的体积含水率。

1.3.2 土壤硝态氮、氨态氮含量

1.3.4 产量

夏玉米生育期末,在每个测坑中选取连续10株玉米,进行考种测产。测定产量因素(穗长、穗行数、穗粒数),放通风处自然风干,待风干后,用电子天平秤取籽粒百粒重以及样方产量。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤含水率的影响

不同处理方案的土壤含水率变化如图3所示。 从图中可以看出, 土壤含水率变化较大的土层深度是0～60 cm, 而其他深度土层变化不明显; 80 cm以下的土层含水率较高, 可能是地下水或是水分迁移造成的。 随着时间的增加,土壤表层水分不断蒸发和向下迁移, 因此各处理方案的土壤剖面的含水率均随土层深度的增加而增加。

夏玉米苗期(播种后0～22 d)受降雨等因素的影响,土壤含水率整体水平偏高。氮肥施入水平相同时,方案N1C2的表层土壤含水率较方案N1C0、 N1C1的分别增加4.85%、 1.35%,方案N2C2的较方案N2C0、 N2C1的分别增加4.17%、 1.69%,说明施用生物炭使土壤表层水分增加,并且保持的水分会随着生物炭施入量的增加而增加,与魏永霞等[14]得出的结论一致。对比生物炭施入量相同的处理方案发现,方案N2C1的表层土壤含水率较方案N1C1的降低0.77%～2.61%,方案N2C2较方案N1C2的降低0.57%～0.9%。增加氮肥施入量会使得表层以下的土壤含水率降低, 这是由氮肥促进夏玉米对土壤水分的吸收而造成的。 夏玉米拔节-抽雄期(播种后23～55 d)方案N2C2的土壤含水率为21.05%～30.14%, 明显高于其他处理方案的, 表明高炭处理能提高土壤的持水能力。 夏玉米开花-灌浆期(播种后56～78 d)0～20 cm土层生物炭施入处理的土壤含水率明显高于无炭处理的,方案N1C0的土壤含水率较方案N1C1、 N1C2的分别降低了1.36%、 3.1%,方案N2C0的较方案N2C1、 N2C2分别降低0.87%、 2.5%, 但是不同氮肥施入量之间处理的土壤含水率变化不明显。 而在20～40 cm土层,方案N1C2的土壤含水率为25.36%, 明显高于其他方案的, 主要原因是方案N1C2在夏玉米拔节期进行了灌溉。 生物炭施用水平相同时, 大用量施肥会促进夏玉米对土壤水分的吸收, 但方案N1C2所施加的氮肥较少, 也同样导致土壤含水率较高。 由于夏玉米乳熟-成熟期(播种后79～104 d)受降雨量少、 温度高因素的影响, 土壤含水率较上一个时期降低, 因此说明生物炭可以提高土壤持水能力[15]。

2.2 生物炭对土壤中氮素分布的影响

2.3 生物炭对土壤氮素淋失的影响

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—对照组。图6 不同处理方案淋失液中硝态氮含量的动态变化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—对照组。图7 不同处理方案淋失液中硝态氮总淋失量

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—对照组。图8 不同处理方案淋失液中氨态氮含量的动态变化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—对照组。图9 不同处理方案淋失液中氨态氮总淋失量

2.4 生物炭对夏玉米产量及氮肥利用效率的影响

2.4.1 生物炭对夏玉米产量及其构成因素的影响

表4为对不同处理方案的夏玉米的室内考种结果。 可以看出, 与对照组相比, 不同处理方案的夏玉米穗粒数增加50.47%～90.41%, 百粒重增加33.77%～45.67%, 产量增加4 909.43～8 289.94 kg/hm2, 说明施加一定量的氮肥和生物炭对夏玉米产量及其构成因素有促进作用。在低肥水平下,方案N1C1和N1C2的夏玉米穗粒数明显比方案N1C0的多,分别增加0.92%和18.14%;在高肥水平下,方案N2C1、 N2C2的夏玉米穗粒数分别比方案N2C0的增加17.39%、 13.45%,表明施用生物炭有利于夏玉米穗粒数的发育[19]。夏玉米产量由高到低排序的处理方案是N2C2、 N2C1、 N1C2、 N1C1、 N2C0、 N1C0、 对照组,表明玉米产量随着生物炭施加量的增加而增加。

表4 生物炭对夏玉米产量及产量构成因素的影响

2.4.2 生物炭对氮肥利用效率的影响

不同处理方案氮肥利用效率显著性分析结果见表5。 由表可以看出, 氮肥施入水平相同时, 随着生物炭施入量的增加, 夏玉米的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力指数逐渐增大, 方案N1C2的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力指数较方案N1C0、 N1C1的分别增加11.15、 8.99 kg/kg, 方案N2C2的较方案N2C0、 N2C1分别增加15.07、 7.54 kg/kg,表明生物炭的施加促进夏玉米对氮肥的吸收。 对比所有试验数据, 方案N1C2的氮肥农学利用率、 氮肥偏生产力数值最大, 分别达到43.88、 66.94 kg/kg;而方案N1C0的氮肥农学利用率、 氮肥偏生产力较方案N2C0的分别大6.35、 12.12 kg/kg; 同样, 方案N1C1、 N1C2的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力分别比方案N2C1、 N2C2的大, 说明生物炭施用水平相同时, 低氮更能提高氮肥的利用率, 两者配施能够更好地促进夏玉米对氮肥的吸收, 从而提高玉米产量。

表5 不同处理方案氮肥利用效率显著性分析

3 讨论

4 结论

本文中通过研究在不同生物炭、氮肥施入条件下试验区土壤含水率变化特征、氮素迁移转化规律以及夏玉米产量及其构成因素,得到如下结论:

3)生物炭施用能够提高作物的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力,还可以增加夏玉米产量,且玉米产量与生物炭施入量呈正相关,此外,氮肥减施也能增加夏玉米的产量,其中方案N2C2的产量最高。