长期施用控释氮肥对潮土区麦-玉轮作作物产量的影响及土壤氮素供应特征研究
2024-04-01李玉东谭德水李子双李洪杰张灵菲马垒刘兆辉
李玉东 谭德水 李子双 李洪杰 张灵菲 马垒 刘兆辉
摘要:本研究以位于山东德州的连续10 年控释氮肥长期定位试验为平台,在小麦—玉米轮作体系下,试验设置不施氮肥(PK)、农民习惯施肥(FP)、优化施肥(OPT)、控释氮肥(CRF1)和控释氮肥减量20%(CRF2)5 个处理,分别在玉米抽雄期、灌浆期和小麦拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期采集土壤样品,测定土壤pH 值、氮磷钾全量养分、铵态氮、硝态氮、碱解氮含量,测定不同处理玉米、小麦及作物周年产量,以探究长期施用控释氮肥对潮土区麦-玉轮作作物产量的影响及土壤氮素供应特征。 结果表明,长期施用控释氮肥可显著提升土壤氮素供应能力,CRF1 处理与OPT 处理相比,玉米抽雄期和灌浆期土壤碱解氮含量分别提升14.10%和9.45%,铵态氮在抽雄期提升125.53%,小麦拔节期铵态氮和硝态氮分别提升63.73%和200.35%。 与FP 处理相比,CRF1 处理玉米、小麦和周年产量分别显著提高13.13%、16.73%和14.89%,而CRF2 處理的产量无显著变化。 随机森林模型分析发现,不同施肥模式下玉米产量与灌浆期土壤碱解氮和成熟期土壤全氮含量密切相关,小麦产量则受拔节期土壤硝态氮、孕穗期碱解氮和铵态氮、灌浆期碱解氮以及成熟期土壤全氮、碱解氮含量的综合调控。 综上所述,控释氮肥可通过调控氮素释放提高玉米和小麦关键生育期的土壤全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮含量,进而显著提高作物产量,且在减量20%控释氮肥下仍可保证作物不减产。
关键词:长期定位;控释氮肥;作物产量;土壤氮素
中图分类号:S143.1+ 5文献标识号:A文章编号:1001-4942(2024)01-0119-07
氮素为作物需求量最大的营养元素,施用氮肥是我国农业增产的关键措施。 然而长期不合理地施用氮肥,不仅造成资源的大量浪费,还会引发土壤酸化、面源污染等问题,因此合理施氮是提高作物产量、减少氮素损失、降低氮素环境污染的重要途径[1] 。 控释氮肥是一种新型环境友好肥料,与普通化学氮肥相比,能够通过减少氨挥发[2] 、减少氮素径流损失[3] 、降低硝态氮淋失[4] 等途径提高氮素利用率。 控释氮肥能够根据作物对营养元素的吸收特性有序释放养分,长期稳定地为作物生长提供营养,可显著提高作物生长中后期土壤中硝态氮、铵态氮和碱解氮的含量[5] ,并且能够显著提高磷钾的利用率[6] 。 控释氮肥可促进土壤氮素向作物转移,增加作物对氮素的吸收利用效率,从而达到增产的效果[7] 。 大量研究表明,控释氮肥对小麦[8] 、玉米[9] 、水稻[10] 、棉花[11] 、大豆[12] 等农作物均具有不同程度的增产提质效果。 此外,控释氮肥目前广泛应用于一次性施肥技术[13] ,在节约农村劳动力、减少农田投入成本、降低环境污染等方面均具有重要意义[14] 。
潮土是黄淮海地区主要土壤类型之一,其特点为砂粒含量高、土壤保水保肥性能差。 施用控释氮肥是减少养分流失、提高潮土养分利用效率的重要措施。 然而,控释氮肥长期施用对作物不同生长时期土壤养分的影响以及土壤养分与作物产量之间关系的研究较少。 本试验以位于山东德州的连续10 年控释氮肥定位试验为平台,研究长期施用控释氮肥对小麦-玉米轮作体系下土壤氮素供应的影响,并探索其与作物产量之间的关系,以期为黄淮海地区控释氮肥的合理施用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况及材料
试验地位于德州市农业科学研究院科技园内(E116°20′35.7″,N37°21′24.5″),长期定位试验开始于2010 年。 该地属暖温带半湿润季风气候,年平均气温12.9 ℃,年降水量439.5~593.5 mm。 供试土壤类型为潮土,质地为砂质壤土。 试验前0~20 cm 土层理化性状:土壤容重1.43 g/ cm3,田间持水量33%,有机质含量10.94 g/ kg、全氮1.44g/ kg、有效磷16.24 mg/ kg、速效钾77.24 mg/ kg。试验地种植方式为冬小麦-夏玉米轮作,供试小麦品种为济麦22,玉米品种为郑单958。 供试肥料包括尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2 O5 46%)、硫酸钾(K2O 50%)、树脂包膜控释氮肥(N 44%)。
1.2 试验设计及方法
试验设5 个处理,具体如下:(1)不施氮肥处理(PK):只施重过磷酸钙和硫酸钾,其中玉米季P2O5和K2O 投入量为105 kg/ hm2和135 kg/ hm2,小麦季分别为105 kg/ hm2和75 kg/ hm2;(2)农民习惯施肥(FP):施用尿素、重过磷酸钙和硫酸钾,其中玉米季N、P2O5和K2O 投入量分别为270、45kg/ hm2 和45 kg/ hm2,小麦季分别为240、112.5kg/ hm2和112.5 kg/ hm2;(3)优化施肥(OPT):施用尿素、重过磷酸钙和硫酸钾,其中玉米季N、P2O5和K2O 投入量分别为240、105 kg/ hm2和135 kg/ hm2,小麦季分别为240、105 kg/ hm2 和75 kg/ hm2;(4)控释氮肥处理(CRF1):施用树脂包膜控释氮肥、重过磷酸钙和硫酸钾,其中玉米季N、P2O5和K2O投入量分别为240、105 kg/ hm2 和135 kg/ hm2,小麦季分别为240、105 kg/ hm2和75 kg/ hm2;(5)控释氮肥减量20%处理(CRF2):在CRF1 处理基础上减施20%,其中玉米季N、P2 O5 和K2 O 投入量分别为192、105 kg/ hm2 和135 kg/ hm2,小麦季分别为192、105 kg/ hm2和75 kg/ hm2。 随机区组排列,重复3 次。 小区长9.5 m、宽4.2 m,面积为40 m2。 玉米追肥期为7 月29 日,小麦追肥期为3 月31 日,各处理玉米、小麦季具体肥料用量和施肥时期如表1 所示。
1.3 樣品采集与测定方法
土壤样品分别在玉米抽雄期、灌浆期和小麦季拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期采集,每小区按7 点取样法,用取土钻采集0~20 cm 表层土壤,置于含冰袋保温箱运回实验室后,过2 mm 筛以去除石块和根系等杂物。 一部分土壤样品室温风干用于土壤主要理化性质测定,另一部分置于4 ℃冰箱用于铵态氮、硝态氮含量测定。
土壤理化指标测定均采用常规方法[15] 。 pH值采用pH 计测定(水土比为5∶1);土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾容量法(外加热)测定;全氮(TN)采用浓硫酸消煮,全自动凯氏定氮仪测定;全磷(TP)采用H2 SO4 -HClO4 酸溶法测定;全钾(TK)采用HF-HClO4 酸溶法测定;碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定;铵态氮(NH+4 -N)和硝态氮(NO-3 -N)采用全自动流动分析仪测定。玉米、小麦测产:分别在玉米和小麦成熟后,各小区取中间3 行收获,经晒干、脱粒后获得籽粒产量,折算公顷产量。
1.4 数据处理与分析
使用Microsoft Office 2021 和Origin 2022 软件进行数据处理和绘图;单因素方差分析采用SPSS 25.0 完成, LSD 法进行多重比较(P<0.05)。本研究所用数据为2021 年玉米季与2022 年小麦季试验结果。
2 结果与分析
2.1 不同施肥方式对土壤pH 值和全量养分含量的影响
长期不同施肥处理使土壤pH 值和全量养分状况发生显著变化。 由表2 看出,玉米季,与PK处理相比,施用氮肥的FP、OPT、CRF1 和CRF2 处理土壤pH 值显著降低0.08~0.11 个单位,而全氮含量则分别显著提高26.58%、16.46%、15.19%和13.92%;FP 和CRF1 处理较PK 处理土壤有机质含量分别显著提升19.03%和16.49%;土壤全磷、全钾含量各处理之间无显著差异。 小麦季,与PK处理相比,所有施氮处理的土壤pH 值均有降低,其中FP 处理显著降低0.08 个单位;FP 和CRF1处理较PK 处理土壤有机质含量分别显著提升16.56% 和19.40%;与PK 处理相比,FP、OPT、CRF1 和CRF2 处理土壤全氮含量显著提高21.79%、20.51%、19.23%和16.67%;各处理土壤全磷含量无显著差异,而全钾含量则分别显著降低7.15%、8.57%、6.86%和7.79%。
2.2 不同施肥方式对土壤不同形态氮素供应的影响
由表3 看出,玉米抽雄期CRF1 处理的土壤铵态氮含量较FP 和OPT 处理分别显著升高103.85%和125.53%,碱解氮分别升高5.77%和14.10%,但仅与OPT 处理差异显著;长期施用控释氮肥可降低土壤硝态氮含量,其中CRF1 处理硝态氮较FP 和OPT 处理分别显著降低25.32%和28.41%,CRF2 处理分别显著降低32.41%和35.20%。 而灌浆期土壤中氮素差异主要表现在碱解氮含量,其中CRF1 处理碱解氮含量较FP 和OPT 处理分别显著提高5.36%和9.45%,CRF2 处理则分别显著提高3.55%和7.56%。
由表4 可以看出,小麦拔节期控释氮肥处理土壤硝态氮和铵态氮含量较FP 和OPT 处理均明显升高,其中CRF1 和CRF2 处理铵态氮较FP 处理分别升高68.69%(P<0.05)和34.34%,硝态氮分别显著升高96.44%和69.66%;较OPT 处理铵态氮分别升高63.73%(P<0.05)和30.39%,硝态氮分别显著升高200.35%和159.40%。 孕穗期,
控释氮肥处理土壤硝态氮含量显著降低,其中CRF1 处理较FP 和OPT 处理分别降低43.09%和34.86%,CRF2 处理较FP 和OPT 处理分别降低54.35%和47.75%。 灌浆期,土壤碱解氮含量各处理间差异不显著,铵态氮含量则在CRF2 处理中显著降低,较FP 和OPT 处理分别降低36.43%和29.34%;硝态氮含量表现为CRF1 处理较FP 和OPT 处理分别显著降低20.12%和18.05%。 成熟期,土壤铵态氮、硝态氮和碱解氮含量各施氮处理间差异均不显著。 此外,与PK 处理相比,施用尿素和控释氮肥可明显提升各生育期土壤碱解氮含量,其中FP、OPT、CRF1 和CRF2 处理分别升高17.81% ~ 23. 60%、16. 66% ~ 22. 34%、16. 42% ~24.11%和18.53%~25.84%。
2.3 不同施肥方式对玉米、小麦和作物周年产量的影响
由图1 看出,PK、FP、OPT、CRF1 和CRF2 处理玉米产量分别为6 646.53、9 314.13、10 644.93、10 537.44、9 700.48 kg/ hm2,其中OPT 和CRF1 较FP 处理分别显著增产14.29%和13.13%。 PK、FP、OPT、CRF1 和CRF2 处理小麦产量分别为4 168.48、8 941.51、9 899.47、10 437.12、9 387.70kg/ hm2,其中OPT 和CRF1 较FP 处理分别显著增产10.71%和16.73%。 作物周年产量表现为CRF1>OPT>CRF2>FP>PK,OPT 和CRF1 较FP处理分别显著增产12.54%和14.89%。 此外,小麦、玉米和作物周年产量FP 与CRF2 处理之间,以及OPT 与CRF1 处理之间均无显著差异。
2.4 随机森林模型法分析玉米和小麦产量主要影响因子
采用随机森林模型确定玉米和小麦产量最主要的影响因子,结果如图2 所示。 玉米产量随机森林模型(R2 =0.338,P =0.03)分析结果为,灌浆期碱解氮(%IncMSE=24.17,P<0.01)和成熟期土壤全氮(%IncMSE=10.42,P<0.05)是玉米产量最重要的决定因子。 小麦产量随机森林模型(R2 =0.821,P<0.01)分析结果为,拔节期硝态氮(%In ̄cMSE=15.60,P<0.05)、孕穗期铵态氮(%IncMSE =13.34,P<0.01)和碱解氮(%IncMSE = 13.83,P <0.05)、灌浆期碱解氮(% IncMSE = 17. 80, P <0.01)、成熟期碱解氮(%IncMSE=14.28,P<0.01)和全氮(%IncMSE=17.58,P<0.01)均对小麦产量有显著影响。
3 讨论与结论
氮素是作物生长的必需元素,其在土壤中的循环转化受氮肥种类和施用方式的影响。 尿素的施入能够在短时间内使土壤氮素含量迅速升高,但同时伴随高氮素损失风险;而控释氮肥则可以在氮素释放过程中,减少不必要的氨挥发以及硝态氮淋失,提高氮肥利用率。 本研究发现控释氮肥可使铵态氮含量在玉米抽雄期和小麦拔节期较OPT 处理分别显著升高125.53%和63.73%。 任寒等[16] 研究发现,相同施氮量条件下控释氮肥较普通尿素能够显著提高玉米开花期以及成熟期土壤中的铵态氮含量,与本研究结果相同。 漆增连等[17] 研究表明,控释氮肥能够显著提高小麦越冬期土壤中的铵态氮含量。 本研究发现,与OPT 处理相比,追肥之前,控释氮肥可使小麦拔节期土壤硝态氮含量升高200.35%,供给作物充足的氮素营养,而在追肥之后施用控释氮肥可分别显著降低玉米抽雄期、小麦孕穗期土壤硝态氮含量28.41%、34.86%。 程文龙等[18] 研究发现,小麦拔节期尿素处理可使60~100 cm 土层硝态氮含量达26.74~28.21 mg/ kg,而控释氮肥处理在显著提高0~20 cm 土层硝态氮含量的同时,降低深层硝态氮的淋溶量。 目前对于控释氮肥如何影响土壤硝态氮的研究方面还存在分歧,有研究认为在作物生长关键时期,控释氮肥较普通尿素能够提高耕层土壤铵态氮含量,降低耕层土壤硝态氮含量[19] 。 而李伟等[20] 在对夏玉米的研究上发现,控释氮肥处理土壤硝态氮含量较高。 可能的原因是,硝态氮受作物、土壤氮素形态、温度以及土壤质地等环境因素影响较大,因此会出现结果的差异。 碱解氮是衡量土壤氮素供应的重要指标。 邵蕾等[21] 研究发现,控释氮肥施入土壤后的35 ~127 天土壤碱解氮一直稳定在80 mg/ kg 左右。本研究中,玉米抽雄期CRF1 处理土壤碱解氮含量较FP 和OPT 处理分别提高5.77%和14.10%,灌浆期则分别提高5.36%和9.45%,说明控释氮肥可提高玉米土壤中的碱解氮含量。 而小麦季,碱解氮在施氮肥各处理之间无显著差异,说明经过尿素追施后土壤碱解氮含量變化与控释氮肥处理基本一致,控释氮肥一次性基施仍能够使土壤具有较高的碱解氮含量,减少追肥成本。
本研究中,CRF1 处理玉米、小麦和周年产量较FP 处理分别显著提高13. 13%、16. 73% 和14.89%。控释氮肥随着根系养分吸收同步释放氮,提高作物产量和土壤肥力[22] ,这与本研究结果相同。 同等施氮量条件下,控释氮肥一次性基施能够提高作物产量:如王小明等[23] 研究发现控释复合肥相对于普通化肥能够增加玉米产量17.8%;朱志锋等[24] 研究发现,控释氮肥较普通尿素能够提高小麦产量4.50% ~ 16.36%;马富亮等[25] 研究发现,与普通尿素相比,树脂膜控释尿素和硫膜控释尿素均能显著提高小麦产量10.4%~16.5%。在作物生长关键时期补充足够的氮是保证作物产量的关键因素,控释氮肥作为一种新型氮肥,可以在作物需养分量较大时迅速提供养分,在增加作物吸氮量的同时,还能够为作物生长中后期提供充足的养分基础[26] 。 许海涛等[27] 研究发现,控释氮肥可增加玉米大喇叭口期、吐丝期叶面积以及根数量,提高光合作用效率以及根系对养分的吸收效率,增加作物地上部干物质的累积量,从而改善玉米的产量性状。 孙克刚等[28] 研究发现,控释氮肥可通过提高氮肥利用率和增加作物地上部分含氮量达到增产的目的。
本研究通过随机森林模型分析发现,土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮以及土壤全氮等氮素是影响作物产量的主要因素,重点表现为作物生长关键期土壤硝铵态氮和碱解氮的含量,以及成熟期土壤全氮的累积。 硝铵态氮和碱解氮是作物能够直接吸收利用的氮素,在作物需氮量较大的生长时期,控释氮肥可迅速提供充足的硝铵态氮以及碱解氮,促进作物对氮素的吸收。 由于尿素具有较高的氨挥发,作物吸收氮素的效率因此大打折扣,而控释氮肥能够有效缓解氨挥发带来的氮素损失,减少氮素的浪费。 有研究表明,与普通尿素相比,控释氮肥减氮20%仍可以保证作物不减产甚至增产[9] ,同样本研究结果表明控释氮肥减施并不会显著降低玉米、小麦产量。
综上所述,长期施用控释氮肥可显著提高玉米和小麦关键生育期内土壤硝态氮、铵态氮和碱解氮的含量,玉米、小麦及周年产量较农民习惯施肥分别增产13.13%、16.73%和14.89%,且在减量20%控释氮肥下仍可保证作物不减产。
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