氮肥深施对旱作覆膜农田土壤养分含量及春玉米产量的影响

高 飞,任亮奇,崔增团,郭世乾,郑 杰,叶 旭,王钰皓,张 鹏

(1.甘肃省耕地质量建设保护总站,甘肃 兰州 730020;2.西北农林科技大学农学院,陕西 杨凌 712100;3.农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室,陕西 杨凌 712100)

玉米是我国重要的粮食、饲料和工业原料作物,在西北旱作农业地区广泛种植,玉米高产稳产是保障我国粮食安全的重要措施之一[1]。近年来我国人口快速增长的同时农业耕地面积不断缩减,实现作物单位面积增产已成为农业可持续发展的必然途径[2-3]。干旱缺水和土壤瘠薄是限制西北干旱地区农业发展的重要因素[4]。地膜覆盖能有效提升土壤蓄水保墒能力,是目前应用最广泛的种植方式,很大程度上缓解了旱区农业缺水问题[5]。传统肥料投入方式粗放,导致肥料利用效率较低。因此改变现有施肥方式,提高作物养分吸收能力和肥料利用效率,是目前旱作覆膜农田实现化肥减量增效的重要措施。

化肥的推广使用极大地提高了土壤肥力和粮食产量,已成为农业生态系统中不可或缺的物质输入资源[6]。有研究表明,土壤氮素含量及其分布对作物生长有非常重要的影响,在旱地农业生产中表现更为明显[7]。施用氮肥是直接提高土壤氮素含量的重要方式,但氮肥施用过浅会造成其在农田耕层分布不均匀,易挥发损失;氮肥施用过深又会导致氮素随降水迁移到更深层土壤中,产生淋溶现象,无法被作物高效吸收利用[8]。可见,改进施肥技术及调整施肥深度以降低氮肥损失率在提高氮肥的吸收利用效率方面具有很大的潜力[9]。Wu等[7]研究指出,氮肥适当深施能防止其挥发和淋溶,同时可增强土壤对铵态氮和硝态氮的吸附,减少流失,还能降低硝化和反硝化作用造成的损失。此外,氮肥适当深施可以通过改善深层根系生长环境和提高农田养分利用效率,促进玉米深层根系的生长[10]。在西北旱作地区,播种时一次性浅层(距地表10～15 cm)基施化肥是玉米种植最常采用的施肥方式[11]。因此,可通过调整氮肥施用深度调控农田养分的合理分布和玉米对光热、水土资源的高效利用,合理深施有望成为西北旱作地区玉米增产增效的重要技术手段。

目前关于提高农田养分利用效率的研究主要集中在施肥种类、施肥量等方面,且多以研究南方水田为主,针对北方旱作农田的研究则以半湿润易旱区居多[12-13],关于西北旱区不同施肥深度对作物水肥利用方面的研究相对较少。因此本研究在甘肃定西开展不同施肥深度定位试验,研究氮肥施用深度对农田养分含量、春玉米水氮利用效率及产量的影响,明确氮肥深施后土壤养分分布及其与玉米生长的耦合特征,为优化该区春玉米施肥方式、提高产量和实现农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年在甘肃省定西市安定区旱作节水农业示范园(35°47′N,104°31′E,海拔1 822 m)进行。该地区属于典型的大陆性季风气候,年平均降雨量370 mm,其中70%的降雨集中在6—9月(图1);年平均气温为7.1℃,年平均日照时数2 500.2 h,年蒸发量1 478.5 mm,无霜期140～162 d。试验田为旱平地,土壤质地为黑垆土,中低等肥力水平,前茬作物为玉米,试验地0～20 cm土层土壤基础理化性质见表1。

表1 试验地播前土壤基础理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil foundation before sowing in the test site

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计,在双垄沟覆膜种植方式下设置3个氮肥施用深度:带状施于地下5(D5)、15 cm(D15)和25 cm(D25),以不施氮处理(N0)为对照,共4个处理。每个小区面积120 m2(15 m×8 m),设3次重复。供试玉米品种为‘先玉335’,播种密度为75 000株·hm-2,各处理行距分别为70 cm(大行)和50 cm(小行),株距均为23 cm,各年份玉米均于4月初播种,9月底收获。

试验前5 d进行整地施肥,用深松机(1S-220,农哈哈,河北,中国)将土壤深松至40 cm深度后,用旋耕机将磷肥均匀旋耕混合于土壤0～30 cm土层,采用人工分层施肥机将全部氮肥按处理分别条施入不同深度土层,进行机械起垄覆膜。各氮肥施用深度处理氮肥施用量(以纯N计)均为225 kg·hm-2,各处理磷肥(P2O5)施用量均为120 kg·hm-2,氮肥和磷肥分别为尿素(N≥46.4%,陕西陕化化肥股份有限公司)和过磷酸钙(P2O5≥12%,云南云天化股份有限公司),所有肥料均为基施,生育期内不进行追肥和灌溉,其他田间管理与当地农户保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤取样 2022年玉米收获后次日,在各小区内用直径为5 cm的土钻按“S”型5点取土法进行取样,取样深度分别为0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层,同小区取样点土样同层混合,作为1次重复(约500 g),每个小区重复3次,样品剔除石块及动植物残体等杂质后,放在阴凉通风处自然风干,再粉碎、过筛,备测土壤养分。

1.3.2 土壤养分测算 土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热法,全氮(TN)采用凯氏定氮法,碱解氮(AN)采用碱解扩散法,速效磷(AP)采用钼锑抗比色法,速效钾(AK)采用火焰光度法测定;并利用土壤有机碳和全氮的比值计算土壤C/N。

1.3.3 土壤贮水量计算 在玉米播前和收获后每隔20 cm土层取一个土样,采用烘干法测定0～200 cm土层土壤含水量,取样位置为大、小垄间及玉米株间3个位置,取平均值,并用公式(1)进行播前和收获后贮水量(Soil water storage,SWC,mm)的计算:

SWC=h×p×b×10

(1)

式中,h为土层深度(cm),p为土壤容重(g·cm-3),b为土壤水分重量百分数。

1.3.4 农田全生育期耗水量计算 根据作物播前和收获后土壤贮水量计算全生育期耗水量(Evapotranspiration,ET,mm):

ET=W1-W2+P

(2)

式中,W1为播前土壤贮水量(mm),W2为收获期土壤贮水量(mm),P为生育期降水量(mm)。

1.3.5 作物水分利用效率计算 结合农田生育期耗水量、作物经济产量计算作物水分利用效率(Water use efficiency,WUE,kg·mm-1·hm-2):

WUE=Ygrain/ET

(3)

式中,Ygrain为作物籽粒产量(kg·hm-2),ET为农田耗水量(mm)。

1.3.6 干物质积累量、产量测定 分别于玉米播后30、45、65、85、105、135 d和160 d在各小区随机选取5株玉米进行干物质积累量的测定;收获期,每个小区选取4行有代表性的玉米,每行随机收获10株进行单株生物量的测定。玉米穗自然风干(籽粒含水量≤14%)后进行单株籽粒产量(穗行数、行粒数和百粒重)的测定,将单株籽粒产量和生物量分别折算为公顷经济产量和生物产量。

1.3.7 收获指数计算 根据生物产量和经济产量计算作物收获指数(Harvest index,HI):

HI=Ygrain/Ybiomass

(4)

式中,Ygrain为作物籽粒产量(kg·hm-2),Ybiomass为作物生物产量(kg·hm-2)。

1.3.8 氮肥利用效率、氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力计算 根据作物收获后土壤氮肥吸收量计算氮肥利用效率(Nitrogen use efficiency,NUE,kg·kg-1):

NUE=100%×(NF-N0)/FN

(5)

式中,NF表示施氮处理氮吸收量(kg·hm-2),N0表示不施氮处理氮吸收量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

根据作物产量及施氮量计算氮肥农学利用效率(Nitrogen agronomic efficiency,NAE,kg·kg-1):

NAE=100%×(GYNF-GYN0)/FN

(6)

式中,GYNF表示施氮处理经济产量(kg·hm-2),GYN0表示不施氮处理经济产量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

根据施氮处理作物产量和施氮量计算氮肥偏生产力(Nitrogen partial productivity,NPP,kg·kg-1):

NPP=GYNF/FN

(7)

式中,GYNF表示施氮处理经济产量(kg·hm-2),FN表示施氮量(kg·hm-2)。

1.4 数据分析

采用Excel 2020进行数据处理,Origin 2022进行绘图,SPSS 23.0软件进行显著性差异分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)和相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳、全氮及C/N的影响

连续2年氮肥深施后,各处理0～40 cm土层土壤SOC含量随土层深度的增加逐渐减小(图2),各处理大小均表现为D25>D15>D5>N0。在不同土层,各施肥深度处理间差异有所不同,除0～10 cm土层,D25在其余土层土壤SOC含量均显著高于D5处理,平均提高15.12%(P<0.05);D15处理仅在10～20 cm和30～40 cm土层分别较D5显著(P<0.05)提高8.29%和15.82%;D25在各土层均略高于D15处理,但两者之间差异不显著。

注:图中误差棒为标准误差,柱上不同字母表示相同测定指标处理间差异显著(P<0.05),下图同。Note: The error bar in the figure is the standard error, and different letters on the column indicate significant differences among treatments with the same index (P<0.05). The same as the following figure.图2 不同施肥深度处理0～40 cm土层土壤有机碳、全氮含量及C/N(2022年)Fig.2 Soil organic carbon, total nitrogen and C/N in 0～40 cm soil depth under different fertilization depth treatments (2022)

各处理TN含量均随着土层的加深逐渐减小。各施肥深度处理间差异随土层加深逐渐增大,0～10 cm土层,D5处理TN含量显著(P<0.05)高于D25和D15处理,分别提高1.31%和1.53%;10～20 cm土层,D15处理最高,分别较D25和D5提高1.88%和2.71%(P<0.05);随着土层加深,20～30 cm土层和30～40 cm土层,TN含量均表现为D25>D15>D5,D25较D5分别显著提高4.46%和4.02%(P<0.05)。

与SOC变化趋势类似,各施肥深度处理间土壤C/N在各土层均表现为D25>D15>D5,除0～10 cm土层外,D25和D15处理在其余土层均显著(P<0.05)高于D5处理,分别平均提高11.98%和8.87%;D25处理30～40 cm土层土壤C/N较D15显著提高4.60%(P<0.05),其余土层两处理间无显著差异。

2.2 不同处理对土壤速效养分的影响

2022年玉米收获后,各施肥处理0～40 cm土层土壤碱解氮含量随着土层的加深逐渐降低(图3)。施肥深度对土壤碱解氮的影响在不同土层有所不同,表层(0～10 cm)施肥深度处理表现为D5>D15>D25,随着土层加深,在20～40 cm土层则表现为D25>D15>D5,且D25处理在20～30 cm土层较D15和D5分别显著提高5.67%和3.21%(P<0.05),其余土层各处理间均无显著差异。

注:AN表示碱解氮,AP表示速效磷,AK表示速效钾。Note: AN stands for alkali hydrolyzed nitrogen, AP stands for available phosphorus, and AK stands for available potassium.图3 不同施肥深度处理0～40 cm土层土壤速效养分含量(2022年)Fig.3 Available nutrient content in 0～40 cm soil depth under different fertilization depth treatments (2022)

各处理土壤速效磷含量随土层深度增加显著降低,深层(20～40 cm)较表层(0～20 cm)降幅达60.72%～74.90%。各施肥深度对土壤速效磷含量的影响有所不同,随着土层加深,处理间差异逐渐增大,在20～40 cm土层,D25和D15处理均显著(P<0.05)高于D5,分别平均提高30.49%和19.88%。

玉米收获后各处理速效钾含量基本维持在85.00～148.07 mg·kg-1,且随着土层加深逐渐降低(图3)。同碱解氮和速效磷相比,施肥深度对土壤速效钾影响较大,10～40 cm土层均表现为D25>D15>D5,10～40 cm各土层,D25较D15分别提高4.26%、23.88%(P<0.05)和10.89%(P<0.05),D25较D5分别显著提高21.45%、27.94%和18.29%(P<0.05),D15处理仅在10～20 cm土层较D5显著提高16.48%(P<0.05)。

2.3 不同处理对玉米干物质积累量的影响

玉米各处理干物质积累量均随生育进程的推进呈“增大-降低-增大-降低”的双波峰趋势(图4)。在玉米生育前期(0～65 d),各施肥深度处理均表现为D5>D15>D25;随着生育进程的推进,D25处理逐渐增大,播后105 d～收获,D25处理干物质积累量均高于D15和D5处理,且差异逐渐增大。播后105 d,D25较D15和D5分别提高5.20%和22.48%(P<0.05),播后135 d分别提高7.07%和25.16%(P<0.05),收获期(播后160 d)分别提高7.32%和28.27%(P<0.05);D15较D5平均显著提高17.61%(P<0.05),说明适当增加施肥深度有利于提高玉米生育期干物质积累量。

注:图中误差棒为标准误差,柱中不同字母表示相同时间处理间差异显著(P<0.05)。Note: The error bar in the figure is the standard error, and different letters in the column indicate significant differences among treatments with the same number of days after sowing(P<0.05).图4 不同施肥深度处理玉米干物质积累量动态变化(2022年)Fig.4 Dynamic changes of dry matter accumulation of maize under different fertilization depth treatments (2022)

2.4 不同处理对玉米生物产量、经济产量及收获指数的影响

如图5所示,施肥深度对2个年份春玉米产量均有显著影响,且随着施肥深度的增加各处理生物产量和经济产量逐渐增大,表现为D25>D15>D5>N0。由表2可知,D25处理较D15和D5处理生物产量2021年分别显著(P<0.05)提高6.42%和27.20%,2022年分别显著(P<0.05)提高7.21%和23.38%;D25处理2021年经济产量较D15和D5分别显著(P<0.05)提高8.92%和34.93%,2022年分别显著(P<0.05)提高7.61%和29.83%;各年份D15处理产量也显著高于D5,说明肥料适当深施有利于提高春玉米产量。

表2 不同施肥深度处理下的玉米产量及收获指数Table 2 Maize yield and harvest index under different fertilization depth

注:图中误差棒为标准误差,箱体中线、上/下限和宽度分别代表中位数,上/下四分位数和数据波动程度,阴影部分代表95%置信区间。**表示极显著水平(P<0.01),下同。Note: The error bar in the figure is the standard error(P<0.05),The center line, upper and lower limits, and width of the box represent the median, upper and lower quartiles, and the degree of data fluctuation, respectively. The shaded part represents the 95% confidence interval. ** indicates extremely significant level (P<0.01). The same below.图5 施肥深度与玉米经济产量、生物产量的相关关系Fig.5 Correlation between fertilization depth and maize grain and biomass yield

与产量变化趋势类似,2个年份各处理收获指数均随施肥深度的增加逐渐增大(表2),D25分别较D15和D5平均提高1.31%和8.02%(P<0.05),D25与D15间在各年份均无显著差异。

2.5 不同处理对玉米收获期贮水量、生育期耗水量及水分利用效率的影响

不同施肥深度对玉米收获后农田土壤水分含量均有一定影响,各年份玉米收获期土壤贮水量均随施肥深度的增加逐渐降低(表3),D25和D15分别较D5处理平均显著(P<0.05)降低12.34%和10.33%,D25仅较D15平均降低1.82%,两者之间无显著差异。

生育期耗水量与贮水量变化趋势相反(表3),随着施肥深度的增加,各年份玉米生育期耗水量均逐渐增大(图6),表现为D25>D15>D5>N0,其中D25和D15处理均显著高于D5(P<0.05),2021和2022年分别平均提高17.41%和14.12%,D25和D15处理间在各年份均无显著差异。

图6 施肥深度与作物生育期耗水量和水分利用效率的相关关系Fig.6 Correlation between fertilization depth and water use efficiency and soil water consumption during growth period

2个试验年份各处理水分利用效率均随施肥深度的增加而逐渐增大(图6),其中2021年D25处理均显著高于D15和D5(P<0.05),分别提高7.02%和13.89%,2022年D25处理较D5显著(P<0.05)提高12.19%,较D15提高4.63%;D15与D5处理间在各年份均无显著差异。

2.6 不同处理对氮肥利用效率、氮肥农学利用效率及氮肥偏生产力的影响

不同施肥深度对玉米的氮肥利用效率影响有所不同,随着施肥深度的增加,各年份氮肥利用效率均逐渐增加(表4),表现为D25>D15>D5,其中2021年D25较D15和D5分别显著(P<0.05)提高25.66%和143.25%,2022年分别显著(P<0.05)提高26.37%和149.43%。与D5相比,D15两年平均显著提高95.48%(P<0.05)。

表4 不同施肥深度处理下的玉米氮肥利用效率、氮肥农学利用效率及氮肥偏生产力Table 4 Nitrogen use efficiency, agronomic nitrogen use efficiency and nitrogen partial productivity of maize under different fertilization depth

与氮肥利用效率变化趋势相似,增加氮肥施用深度可以显著提高氮肥农学利用效率,表现为D25>D15>D5(表4),且2个试验年份均以D25处理最高。D25处理2021年分别较D15和D5显著(P<0.05)提高23.07%和111.96%,2022年分别显著(P<0.05)提高24.95%和147.65%。

由表4可知,各年份氮肥偏生产力均随施肥深度的增加逐渐增大,表现为D25>D15>D5,2个试验年份D25和D15分别较D5平均显著(P<0.05)提高36.74%和26.76%,D25较D15处理分别提高8.89%(P<0.05)和6.63%。

2.7 各指标相关性

相关性研究结果表明(表5),所有土壤养分指标均与玉米生物产量和经济产量呈正相关关系,其中SOC、C/N、速效钾呈显著正相关关系,土壤全氮与玉米产量无显著相关性;各土壤养分对收获指数和WUE影响较小,仅土壤C/N与WUE显著正相关(P<0.01);同时,土壤养分指标中仅SOC和C/N与氮素利用相关指标NUE和NAE显著正相关;收获期贮水量与玉米生物产量(P<0.01)、经济产量(P<0.01)、收获指数(P<0.05)、WUE(P<0.01)、NUE(P<0.05)、NAE(P<0.05)和NPP(P<0.05)均具有显著负相关关系,而生育期耗水量则与这些指标均显著正相关。

表5 不同施肥深度处理下各土壤养分指标与玉米产量指标及水肥利用效率的相关性Table 5 Correlation of soil nutrient indexes with maize yield indexes,water and fertilizer use efficiency under different fertilization depth

3 讨 论

3.1 氮肥深施对农田土壤养分含量的影响

西北旱地土壤养分供应能力差,与实现作物增产目标之间的矛盾日益增加。提高土壤有机碳(SOC)含量是改善该地区土壤理化性状、提高作物产量的重要途径[22]。前人研究指出,氮肥深施可以显著提高土壤有机碳的含量,同时降低土壤有机碳的降解速率[23]。本研究表明,随着施肥深度的增加,土壤0～40 cm土层土壤有机碳含量逐渐增加,且25 cm深施处理高于常规浅施及其他施肥深度处理(图2),这可能是因为氮肥深施会增加作物的生物量和归还到土壤中的有机物量,进而提升SOC的累积[14]。樊代佳等[24]在湖北省武穴市的研究表明,与传统表施和深施20 cm处理相比,氮肥深施10 cm处理土壤有机碳含量最高,提高土壤肥力和作物产量的效果也最佳。其影响有机碳的最佳施肥深度与本研究不同,可能是两地的气候条件和成土过程差异造成的。

3.2 氮肥深施对农田玉米干物质积累量及产量的影响

不少研究表明,氮肥深施能通过改善土壤养分状况和土壤结构促进作物生长,最终实现增产增收[25-26]。Wang等[27]研究发现,深施氮肥能够增加玉米穗数以及穗粒数,从而提高玉米产量及收获指数。本研究也发现,随着施肥深度的增加,玉米生物产量及经济产量均逐渐增加,D25处理增产效果最佳(图5,表2)。这可能是因为氮肥深施后氮素以气态形式的损失量减少,保证了玉米生育中后期氮素供给,促进了植株的生殖生长,同时有利于花后植株氮素向籽粒转移,从而实现增产[11]。本研究还发现各处理玉米干物质积累量均随施肥深度的增加呈逐渐增大趋势,这与Qiang等[28]的研究结果基本一致,可能是相比于浅施,氮肥深施可提高玉米根层土壤养分含量,促进根系对养分和水分的吸收利用,提高植株光合能力,进而增加地上部干物质积累量[29]。

3.3 氮肥深施对农田耗水量及水分利用效率的影响

优化施肥深度有利于作物根系生长,进而提高作物吸收和利用水分的能力[30-32]。前人研究表明,旱作农田土壤贮水量同时受降雨量和作物根系对水分吸收利用情况的影响[33]。而改变施肥深度能显著影响作物根系吸收利用水分能力进而影响作物耗水量[34]。本研究发现,随着施肥深度的增加,玉米生育期耗水量逐渐增加,收获期土壤贮水量逐渐降低,D25和D15处理贮水量均显著低于D5(表3)。这可能是因为氮肥深施可有效提高作物的叶面积指数和蒸腾速率[18],与5 cm施肥深度处理相比,15 cm和25 cm氮肥深施处理玉米生育中后期的干物质积累量较有所增加(图4),生物产量和经济产量显著提高(表2),而农田耗水量与玉米产量显著正相关(表5),故氮肥深施处理农田耗水量显著增加,同时收获期土壤贮水量降低[35]。本研究还表明,优化施肥深度可以改善作物水分利用状况,随着施肥深度的增加,春玉米水分利用效率逐渐增大,D25较D15和D5处理2年平均显著提高5.85%和13.06%(图6)。这与Wu等[26]在半湿润易旱区的研究结果一致,可能是因为深施氮肥可以一定程度上缓解水分的空间错位问题,减少水分的无效蒸发,促进了作物对深层土壤水分的利用[36-37];此外,地膜覆盖措施也可以有效收集和利用雨水,防止径流和保持土壤湿度,从而提高作物产量及水分利用效率[38]。本研究还发现春玉米水分利用效率与收获期土壤贮水量极显著负相关,与农田耗水量极显著正相关(表5),进一步印证了此结论。

4 结 论

与常规施氮深度处理(D5和D15)相比,氮肥25 cm深施处理(D25)提高了覆膜农田0～40 cm土层有机碳(SOC)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)等土壤养分含量;可促进玉米吸收利用土壤水分和养分,提高春玉米水分利用效率和整个生育期干物质积累量,显著增加玉米产量并提高氮肥利用效率。因此,氮肥25 cm深施模式是优化西北旱作区春玉米施肥方式、提高农田水肥利用率和农业可持续发展的重要措施。