氮磷钾用量对土壤矿质态氮和春小麦氮积累的影响

田海梅,王月梅,王西娜,韦广源,谭军利,王朝辉

(1.宁夏大学农学院,宁夏银川,750021;2.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川,750021;3.西北农林科技大学资源与环境学院,陕西杨凌,712100)

春小麦是宁夏主要粮食作物之一,对宁夏粮食安全和社会稳定具有重要意义。在春小麦生产中存在重氮和磷、轻钾肥、盲目施肥等不合理的管理问题[1-3],造成大量矿质态氮残留于土壤,引发土壤养分失衡、氮素损失、植株倒伏、生态环境污染及病虫害等危害[4-7]。提高氮肥利用率,减少氮素残留损失是宁夏引黄灌区春小麦生产中亟待解决的问题。适量减少化肥用量有利于保持土壤供氮能力、维持土壤氮库稳定[8-9];促进氮素吸收,提高氮肥利用效率,增加小麦籽粒产量[10-11]。与传统施肥方式相比,减施氮肥和磷肥,适量增施钾肥,有利于促进小麦对土壤养分吸收,提高小麦产量[2]。过量施用氮肥会降低小麦的生产能力和氮肥利用效率[12]。赵 营等[13]研究结果表明,减氮28.6%和减磷1/3,并未使小麦产量和氮素吸收量显著降低。黄兴法等[14]提出春小麦适宜N、P2O5、K2O施用量为178.1、62.2 和58.7 kg·hm-2。在保障现有粮食产量下,合理施用氮、磷、钾肥和配施有机肥等措施,可促进土壤氮素释放,提高肥料利用率[15-16]。据抽样调查,十年来宁夏农户主要以氮、磷肥作基肥和种肥,钾肥作基肥,有89.7%农户施氮过量,81.1%的农户施钾肥不足[17]。适当减施氮、磷、钾肥,能促进小麦氮素吸收、提高产量及氮肥利用效率[18-19],有效降低土壤硝态氮残留,改善土壤生态环境[20]。目前,有关化肥减施对作物产量和养分吸收的研究较多,但对养分供需矛盾的研究鲜见报道。本研究通过田间试验,研究减施氮、磷、钾肥条件下土壤矿质态氮含量与春小麦氮素利用之间的关系,为宁夏引黄灌区春小麦生产中合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于宁夏黄河冲积平原永宁县宁夏大学教学实验农场(38°12′35″N,106°14′33″E),年均10 ℃积温3 300 ℃,无霜期140～160 d,平均日照3 000 h,日温差13 ℃,年均降雨量180～200 mm,蒸发量1 100～1 600 mm。土壤为灌淤土,耕层(0～20 cm)土壤基本理化性状为:容重1.16 g·cm-3,pH值8.60,EC1.50.22 mS·cm-1,有机质10.50 g·kg-1,全氮0.81 g·kg-1,全磷0.69 g·kg-1,矿质态氮27.20 mg·kg-1,速效磷9.65 mg·kg-1,速效钾182.25 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试春小麦品种为宁春4号。采用田间试验,氮设5个水平,磷、钾各设4个水平,具体见表1。随机区组排列,重复3次。氮肥处理小区面积63 m2(9 m×7 m),磷、钾肥处理小区面积31.5 m2(7.0 m×4.5 m),各小区之间垄高、宽分别为30 cm和50 cm。所用肥料为尿素(N46%)、重过磷酸钙(P2O546%)、氯化钾(K2O 46%),磷、钾肥全部做基肥施入,氮肥的60%作基肥,40%作追肥,于4月底和5月中旬分别结合灌水追施16%和24%。其他管理同当地大田。

表1 试验处理及施肥量Table 1 Treatments and fertilization amount

2018年3月11日机械条播,播种量为375 kg·hm-2,宽、窄行距25、15 cm;在春小麦全生育期黄河水漫灌3次(4月25日、5月15日、6月25日),灌水量均为60 mm。2018年7月10日收获。

1.4 测定指标与方法

在小麦分蘖期、拔节期、抽穗期及成熟期,每小区随机选择1 m双行的采样点2个,取地上部测重后按茎叶、颖壳和籽粒(仅成熟期)分离,105 ℃杀青30 min,65 ℃恒温烘48 h左右,计算水分含量和干物质量;将烘干的各器官粉碎,用半微量凯氏定氮法测定氮含量。在成熟期,每小区收获1 m×1 m的3个样方测产。

在播前、分蘖期、拔节期、抽穗期及成熟期采集完植株样品的地方,用土钻采集0～20 cm的土层土样,带回实验室测定水分;将土壤风干、研磨、过1 mm筛,采用1 mol KCl浸提土壤中的铵态氮和硝态氮,前者用分光光度计在625 nm比色法测定,后者用紫外分光光度计在210 nm和275 nm测定。土壤铵态氮和硝态氮含量总和为土壤矿质态氮含量。相关指标计算公式如下:

各器官吸氮量=各器官干物质量×各器官氮含量;

氮素利用率=(施氮区吸氮量-不施氮区吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量;

氮肥农学效率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;

土壤氮依存率=不施氮区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%;

氮肥贡献率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100%;

土壤矿质态氮累积量=土层厚度×土壤容重×土壤矿质态氮含量/10。

1.5 数据处理

用 Excel 2010进行数据处理和作图,用DPS进行多重比较和方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤矿质态氮和春小麦氮积累对施氮量的响应

从图1可以看出,随生育期推进,土壤矿质态氮累积量呈先上升后下降最后趋于稳定之势,各时期均以N2处理较高;植株氮累积量持续增加,各时期均以N3处理最高。分蘖期,由于追施氮肥的缘故,土壤矿质态氮累积量达生育期最高值,N2处理分别比N0、N1和N4处理提高26.67%、40.00%、44.24%;植株氮累积量以N3处理最高,较N0和N1处理显著提高,分别提高39.87%和20.51%;该时期土壤供氮量明显高于植株吸氮量。孕穗期,较分蘖期土壤矿质态氮累积量N0至N4处理依次减少了41.34、37.90、50.44、44.99和26.02 kg·hm-2,植株氮素累积量依次增加了111.08、100.83、117.65、170.36和116.49 kg·hm-2,其中N3处理的植株氮素累积量比土壤矿质态氮累积量高165.79 kg·hm-2。成熟期,土壤矿质态氮含量较孕穗期稍有升高,而N0至N4处理植株氮素累积量分别增加16.67、28.25、60.83、82.67和69.67 kg·hm-2,N2至N4处理的植株氮素累积量分别比土壤矿质态氮累积量高157.15、237.36和173.40 kg·hm-2。综上,适量减氮(25%～50%)可促进耕层土壤氮素矿化,提高植株对氮素的吸收。

相同时期图柱上和折线上不同字母表示不同氮处理间在0.05水平差异显著。下同。

2.2 土壤矿质态氮与春小麦氮积累对施磷量的响应

从图2可以看出,随春小麦生育期推移,耕层土壤矿质态氮累积量呈先上升后下降最后趋于稳定的态势,土壤矿质态氮累积量在生育前期高于植株氮素累积量,拔节期以后低于植株氮素累积量。分蘖期土壤矿质态氮累积量最高,其中P1处理达98.61 kg·hm-2,较P0与P3处理显著增加(20.71%和38.65%),较植株氮素累积量高54.21 kg·hm-2。拔节期,P1较P3处理的土壤矿质态氮累积量显著提高(46.30%);植株氮素累积量以P2处理最高,较P0和P3处理提高69.57%和27.66%。孕穗期,P0至P3处理的植株氮素累积量比土壤矿质态氮累积量高102.32、112.50、117.17和110.37 kg·hm-2。成熟期,P1和P2处理的土壤矿质态氮累积量与植株氮素累积量均显著高于P0处理,分别提高42.67%和31.27%、27.46%和21.27%,各处理的氮素利用率(N0处理为对照)分别为11.35%、35.45%、32.18%及28.10%。可见,适量减磷(20%～60%)有利于土壤释放氮素,增加植株氮素累积量,提高氮肥利用率。

图2 不同P水平下春小麦生育期土壤矿质态氮累积量与植株氮素累积量

2.3 土壤矿质态氮与春小麦氮积累对施钾量的响应

从图3可以看出,分蘖期,钾肥对土壤矿化氮素有显著影响,K2处理土壤矿质态氮累积量最高,为88.73 kg·hm-2,较K0和K3处理的显著提高(18.96%和24.76%);各施钾处理土壤矿质态氮累积量均高于植株氮累积量,平均高172.29 kg·hm-2。拔节期,K1处理植株氮素累积量较K3处理显著增加(29.43%),K0～K3处理的氮素利用率(N0为对照)分别为20.62%、27.02%、17.54%及14.54%,说明低钾(K1)处理促进植株氮素吸收量,但对土壤矿质态氮累积量无显著影响。孕穗期,K2处理土壤矿质态氮累积量显著高于K0和K3处理,各处理间植株氮素累积量无显著差异。成熟期,各处理间土壤矿质态氮累积量和植株氮素累积量均无显著差异。综上,适量施钾肥(30～60 kg·hm-2)可促进土壤氮素矿化和拔节期春小麦对氮素的吸收。

图3 不同K水平下春小麦土壤矿质态氮累积量与植株氮素累积量

2.4 氮肥对春小麦氮素利用效率的影响

由表2可知,随着施氮量增加,籽粒产量、植株氮素累积量、氮素利用率、氮肥农学效率及氮肥贡献率均呈先升后降的趋势,而氮肥偏生产力与氮依存率呈下降趋势。籽粒产量以N3处理最高,与常规施肥(N4)和N2处理均无显著差异,较N0和N1处理显著增加(44.71%和39.54)。植株氮素累积量以N3处理最高,分别较N0和N4处理提高69.11%和28.84%。氮肥偏生产力随施氮量增加而显著降低,N4处理比N3处理降低了54.19%。氮肥利用率和氮肥农学效率均以N3处理最高,分别达38.36%和10.87 kg·kg-1,较N4处理的增加25.35个百分点和6.29 kg·kg-1。氮依存率则以N3处理最低,比N4处理的减少17.45%。氮肥贡献率在N3处理时达到30.9%,比N4处理提高48.7%。可见,适量减氮(25%,180 kg·hm-2)可以促进小麦对氮肥的吸收和利用,提高氮肥利用率和农学生产效率,提高或稳定产量。

表2 不同氮肥用量下春小麦氮素利用效率Table 2 Nitrogen uptake and utilization efficiency of spring wheat under different nitrogen application rate

2.5 磷肥对春小麦氮素利用效率的影响

施磷量对籽粒产量、氮肥偏生产力和农学效率无显著影响,但适量施磷可提高氮素利用率和植株氮素累积量(表3)。春小麦植株氮素累积量以P1和P2处理较高,分别比常规施磷量(P3处理)提高11.13%和8.7%。氮素利用率以P1和P2处理较高,比P3处理的分别提高46.73和36.51个百分点。氮依存率在P1和P2处理时显著降低。氮肥贡献率在P1处理时最高,达23.86%。可见,施磷48～96 kg·hm-2时,可促进小麦对氮的吸收,提高氮肥利用率,维持较高的产量。

表3 不同磷肥用量下春小麦氮素利用效率Table 3 Nitrogen absorption and utilization efficiency of spring wheat under different phosphorus application rate

表4 不同钾肥用量下春小麦氮素利用效率Table 4 Nitrogen uptake and utilization efficiency of spring wheat under different potassium application rate

2.6 钾肥对春小麦氮素利用效率的影响

施用钾肥对春小麦籽粒产量、植株氮素累积量和氮肥利用率、生产率、贡献率均无显著影响。氮肥偏生产力、利用率、农学效率、贡献率均较低。原因一方面可能是氮肥施用量较高(常规用量240 kg·hm-2);另一方面试验地区土壤钾素较为丰富,外源钾肥的效应较小。

3 讨论

3.1 土壤矿质态氮与小麦氮素吸收利用对氮肥的响应

氮肥投入是补充土壤氮素和植株所需氮素的重要途径,可促进氮素向小麦籽粒中运输和积累,是提高产量的关键[21]。小麦产量、氮肥利用效率与施氮量密切相关。裴雪霞等[22]认为,适量氮肥可提高小麦耕层(0～20 cm)硝态氮累积量和氮素利用效率,降低氮素表观损失率,而高施氮量(300 kg·hm-2)会加大土壤氮素向深层迁移的风险。本研究发现,常规施氮量240 kg·hm-2时,耕层土壤矿质态氮累积量较低,可能是盈余的氮素主要以NO3--N存在,不易被土壤吸附,大量氮素随水向土壤深层淋溶[23-24],可见,过量施氮降低籽粒产量与氮肥利用效率。而减氮至120～180 kg·hm-2时,耕层土壤(0～20 cm)维持较多的矿质态氮,氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮素利用率及氮肥贡献率均较常规施氮处理的显著提高,籽粒产量与常规施肥无显著差异。这与前人研究结果基本一致。陈 祥等[25]研究结果表明,春小麦籽粒产量和氮肥利用效率随施氮量增加而显著增加,在施氮量150 kg·hm-2时达到最高。湖北潜江小麦习惯施肥量为225 kg·hm-2,而减氮40%(135 kg·hm-2)后,小麦籽粒产量、氮肥利用率、氮肥农学利用率及氮素偏生产力分别提高了7.8%、21.5%、142.4%和79.4%,且过量施入氮肥会导致土壤氮素大量流失[26-27]。这是因为减氮处理有利于维持较高的氮素累积量,促进氮素向籽粒转运,提升氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力及氮素利用率,从而实现高产高效的目标[28]。在宁夏引黄灌区,春小麦施氮120～180 kg·hm-2时,有利于耕层土壤矿质态氮的累积,更好满足作物生长对氮素的需要,提高氮肥利用率和小麦产量。

3.2 土壤矿质态氮与小麦氮素吸收利用对磷肥的响应

磷肥的效应与土壤氮素含量有一定的相关性,旱地小麦适量施磷有利于植株氮素的吸收、积累,促进植株氮素向籽粒转运,使土壤氮素残留量降低;过量施磷小麦氮素积累量提高不明显,且增加了土壤氮向深层淋溶的风险[22, 29]。孙星照等[30]研究发现,随施磷水平的增加,土壤氮素含量显著增加(P<0.05),当施磷量为60 kg·hm-2时,土壤矿质态氮累积量及活性最高。张 翼等[31]研究表明,增加施磷量小麦氮素利用率先增加后降低,施磷量为100 kg·hm-2时,小麦产量与氮肥利用率均达到最大值。可见适量施磷能增加旱地小麦的吸氮量,促进氮素向籽粒转移,提高氮肥利用效率和产量[32]。本试验结果表明,常规施磷量120 kg·hm-2时,土壤矿质态氮和植株氮素累积量较低,减磷至48～96 kg·hm-2时,耕层土壤矿质态氮和植株氮素累积量均显著提高,氮肥利用率提高,籽粒产量不降低。该结果与张 萌[29]、张 翼[31]、王 帅等[33]的研究结果一致。减磷至48 kg·hm-2时,氮素利用率和氮肥贡献率由不施磷的4.83%和18.39%显著增加至19.09%和23.86%,而土壤氮依存率随施磷量的增加显著下降,说明适量磷肥可提高植株对肥料氮的吸收与利用,这与陈远学等[34]研究结果相一致。在宁夏引黄灌区,减磷至48～96 kg·hm-2时,有利于耕层土壤矿质态氮的累积,提高氮肥利用效率,稳定籽粒产量。

3.3 土壤矿质态氮与小麦氮素吸收利用对钾肥的响应

钾肥在土壤氮素循环中起着关键作用。本研究结果表明,施钾量为30～60 kg·hm-2时,分蘖期土壤矿质态氮累积量增加,此时是小麦生长旺盛期,小麦植株根系对氮素吸收较快,故分蘖期之后土壤矿质态氮累积量降低。说明增施钾肥可提高植株根系活力,显著增加植株氮素吸收,减少土壤残留氮素,从而降低氮素淋溶风险[35];田生昌[36]和党根友等[37]研究发现,适量增施钾肥可提高小麦籽粒产量,增产幅度为5.4%。本研究中,钾肥处理间籽粒产量均无显著差异,可能因为在拔节期之后,高施氮量(240 kg·hm-2)对植株氮素累积量有较大的负面影响,另外,研究区域土壤速效钾含量高达182.25 mg·kg-1,也是钾肥增产效应不显著的原因。王树林等[38]研究粮棉轮作种植模式的结果表明,前茬棉花施入大量钾肥,土壤残留钾素即可满足小麦生长需求,因此继续施钾对小麦养分吸收和籽粒产量影响不显著。本试验地处引黄灌区灌淤土,由于连年大量施化肥和秸秆还田等技术,土壤残留钾素较多,增施钾肥不能提高钾肥的有效性,故对肥料利用率以及小麦产量影响不大[39]。在宁夏引黄灌区,施钾量在30～60 kg·hm-2范围内,有利于引黄灌区小麦前期的土壤矿质态氮和植株氮素累积,并维持较高的籽粒产量。

4 结论

(1)宁夏引黄灌区春小麦生产中,施氮量120～180 kg·hm-2时,可显著提高耕层土壤矿质态氮的累积量,提高氮肥利用效益,增加小麦产量。

(2)宁夏引黄灌区春小麦生产中,施磷量在48～96 kg·hm-2时,有利于耕层土壤矿质态氮的累积,显著提高氮肥利用效率,且不会降低籽粒产量。

(3)宁夏引黄灌区,钾肥用量30～60 kg·hm-2时,有利于促进春小麦生育前期矿质态氮的释放和植株对氮素的吸收,保障籽粒产量不显著降低。