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        有機(jī)物料輸入對(duì)關(guān)中土碳氮影響的后效作用

        2018-06-15 06:44:56柳媛媛孫本華皮小敏張彤勛劉平靜高明霞
        水土保持研究 2018年4期

        柳媛媛, 孫本華,3, 皮小敏, 張彤勛, 劉平靜, 高明霞, 馮 浩,3,4

        (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 研究地區(qū)概況

        試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站(108°24′E,34°20′N),海拔521 m,屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū),全年無(wú)霜期221 d,降水多集中在7—10月,年降雨量600~680 mm。供試土壤為土墊旱耕人為土,中壤質(zhì)。耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量:有機(jī)碳(8.99±0.57) g/kg,全氮(0.95±0.03) g/kg,全磷(0.82±0.03) g/kg,全鉀(20.42±0.12) g/kg,速效磷(20.91±1.56) mg/kg,速效鉀(132.75±2.50) mg/kg,土壤pH值8.32±0.05,土壤容重為1.37 g/cm3。2015年11月—2016年6月小麥作物生育期的溫度和降雨量見(jiàn)圖1。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)于2013年10月,采用的是小麥玉米輪作,供試小麥品種為小偃22,玉米品種為秦龍14。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理:不施肥(CK)、單施氮磷肥(NP)、氮磷肥+有機(jī)肥(MNP)、氮磷肥+小麥秸稈還田(SNP)、氮磷肥+生物炭(BNP)。其中氮肥為尿素,磷肥為過(guò)磷酸鈣。冬小麥?zhǔn)┓柿浚夯蕿镹 120 kg/hm2和P2O5100 kg/hm2,返青前追肥為N 30 kg/hm2;夏玉米施肥量:基肥為N 225 kg/hm2和P2O590 kg/hm2。所施用有機(jī)肥為西安紫瑞生物科技有限公司佳禾家旺生物有機(jī)肥,主要技術(shù)指標(biāo):有效活菌數(shù)(CFU)≥0.2億個(gè)/g,有機(jī)質(zhì)(以干基計(jì))≥40%,水分≤30%。秸稈為粉粹小麥秸稈(5 mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供,由小麥秸稈在550℃下無(wú)氧熱解產(chǎn)生,其灰分46.7%,pH值10.25,過(guò)5 mm篩施用。除CK外,其他處理的氮磷肥用量一致。有機(jī)物料均是在2013—2014年度冬小麥和夏玉米播前施入,之后停止有機(jī)物料的輸入,以觀后效。3種有機(jī)物料(有機(jī)肥、秸稈、生物炭)的有機(jī)碳含量分別為18.8%,37.8%和49.0%;全氮含量分別是1.60%,0.76%和1.07%;C/N比分別是11.7,50.0,46.0。每個(gè)處理為3個(gè)重復(fù),共15個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積為10 m2。

        圖12015年11月-2016年6月日最高、最低溫度和日降雨量

        1.3 樣品采集及測(cè)定

        土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×硝態(tài)氮含量(mg/kg)×土壤容重(g/cm3)/10

        土壤儲(chǔ)水量(mm)=土層深度(cm)×土壤質(zhì)量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)/10

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后,用SPSS 23進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪圖由OriginPro 8.0和Excel 2003軟件完成。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同有機(jī)物料對(duì)表層土壤碳氮含量的影響

        由表1可知,冬小麥?zhǔn)斋@后,不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響不同。NP和MNP與CK沒(méi)有顯著差異。SNP和BNP較CK分別提高了29.5%和29.8%(p<0.05),但二者之間差異不顯著。與基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳相比,BNP與SNP顯著提高了29.5%和29.3%(p<0.05),CK,NP和MNP沒(méi)有顯著變化。冬小麥?zhǔn)斋@后,NP,MNP,SNP和BNP的土壤全氮含量較CK分別提高了22.0%,14.3%,24.2%和26.4%(p<0.05)。與基礎(chǔ)土壤全氮相比,NP,MNP,SNP和BNP分別顯著提高了16.8%,9.5%,18.9%和21.1%(p<0.05)。BNP處理的土壤可溶性有機(jī)碳顯著高于其他處理(p<0.05),分別比CK,NP,MNP和SNP提高了23.4%,10.9%,21.3%,20.5%(表1)。所有施肥處理的土壤可溶性有機(jī)氮均顯著高于CK(p<0.05),分別提高了39.3%,29.3%,34.5%和52.3%(表1)。

        表1 不同處理土壤碳氮含量

        注:小寫字母表示同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(p<0.05),下表同。

        2.2 不同有機(jī)物料對(duì)剖面土壤硝態(tài)氮的影響

        不同處理0—200 cm剖面土壤硝態(tài)氮分布隨土層深度的增加而不同(圖2)。除CK和BNP處理外,其余施肥處理均出現(xiàn)了硝態(tài)氮累積峰,其中MNP出現(xiàn)在60—80 cm,SNP出現(xiàn)在80—100 cm,而NP出現(xiàn)在100—120 cm。BNP處理的土壤硝態(tài)氮含量表層(0—20 cm)最高,并隨土層深度的增加而波動(dòng)下降。與CK相比,各施肥處理顯著提高了表層(0—20 cm)土壤硝態(tài)氮含量(p<0.05)。與NP相比,各有機(jī)物料處理的土壤剖面硝態(tài)氮累積峰不同程度上移。

        圖2不同處理土壤剖面硝態(tài)氮分布

        冬小麥?zhǔn)斋@后,不同處理土壤硝態(tài)氮累積量見(jiàn)表2。0—100 cm土層,與CK相比,NP,MNP,SNP和BNP均顯著提高了硝態(tài)氮累積量(p<0.05);與NP相比,MNP,SNP和BNP處理分別顯著提高了48.1%,44.8%和26.1%(p<0.05)。100—200cm土層,硝態(tài)氮累積量占0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量的范圍為18.2%~43.7%;有機(jī)物料處理MNP,SNP和BNP的土壤硝態(tài)氮累積量分別比NP低12.0%,22.4%和35.2%(p<0.05)。0—200 cm土層,與NP處理相比,MNP和SNP的土壤硝態(tài)氮累積量顯著提高了21.8%和15.4%(p<0.05),而BNP則差異不顯著。

        表2 不同處理土壤累積量 kg/hm2

        2.3 不同施肥處理對(duì)剖面土壤水分布的影響

        冬小麥?zhǔn)斋@后在0—200 cm土層中,不同處理對(duì)剖面土壤水分分布影響較大(圖3)。0—20 cm耕層土壤,相比CK,NP,MNP,SNP和BNP土壤含水量分別顯著提高了12.7%,12.9%,10.7%和22.4%,且BNP處理顯著高于SNP和MNP(p<0.05)。NP,MNP,SNP和BNP均在60—100 cm土層形成了水分低谷。

        不同施肥處理下0—200 cm土壤儲(chǔ)水量變化見(jiàn)表3。冬小麥?zhǔn)斋@后,0—40 cm和40—200 cm土層土壤儲(chǔ)水量分別在91.0~108.9 mm和310.1~353.0 mm變化。0—40 cm土層,施肥處理(NP,MNP,SNP和BNP)的土壤儲(chǔ)水量分別比CK高4.1%,11.5%,9.0%和19.7%(p<0.05);所有有機(jī)物料處理(MNP,SNP和BNP)的土壤儲(chǔ)水量均顯著高于NP,且BNP顯著高于MNP和SNP(p<0.05)。40—200 cm土層,不施肥CK的土壤儲(chǔ)水量顯著高于施肥處理(p<0.05)。0—200 cm土層儲(chǔ)水量,不施肥CK顯著高于施肥處理,且有機(jī)物料處理(MNP,SNP和BNP)顯著高于NP,而各有機(jī)物料處理間差異不顯著。

        圖3 不同處理土壤水分分布

        3 討 論

        3.1 對(duì)表層土壤碳氮的后效作用

        大量研究表明,與單施無(wú)機(jī)化肥相比,有機(jī)與無(wú)機(jī)肥配施更有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高[18]。本研究結(jié)果表明,有機(jī)物料停施兩年后,SNP和BNP的土壤有機(jī)碳與NP處理仍然差異顯著,說(shuō)明秸稈和生物炭的后效作用比較強(qiáng),對(duì)土壤有機(jī)碳有顯著的持續(xù)提升作用。MNP與NP的差異不顯著,這與Gao等[19]的研究結(jié)果,施用有機(jī)肥可以增加土壤有機(jī)碳含量不一致,主要可能是因?yàn)樗麄兪情L(zhǎng)達(dá)33 a長(zhǎng)期定位試驗(yàn),在后幾十年施用的有機(jī)肥是雞糞,其C/N是12.9,而本試驗(yàn)施用的商品有機(jī)肥碳氮比低,有利于有機(jī)碳礦化,而不利于有機(jī)碳積累。有機(jī)物料的投入會(huì)直接增加土壤有機(jī)質(zhì)輸入從而可提高土壤有機(jī)碳的含量[15],本研究中,有機(jī)物料只在小麥和玉米播種時(shí)各施1次,之后停止施入,且所施用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥,其C/N小,相比秸稈和生物炭而言,易被土壤微生物分解利用,故后效弱。本研究中,小麥?zhǔn)斋@后土壤全氮與有機(jī)碳的變化趨勢(shì)基本一致。生物炭具有提高和維持表層土壤肥力的顯著后效作用,但這種后效作用能夠持續(xù)的時(shí)間值得進(jìn)一步研究。此外,相對(duì)于秸稈和商品有機(jī)肥而言,生物炭需要通過(guò)高溫分解來(lái)獲得,在生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗能源,施用成本相對(duì)較高,其與其他有機(jī)物料如秸稈和商品有機(jī)肥的經(jīng)濟(jì)效益比較有待進(jìn)一步研究。

        可溶性有機(jī)碳、氮是土壤有機(jī)碳和氮庫(kù)中易損失的組成成分之一,其受有機(jī)物料輸入、微生物活性及數(shù)量等多種因素的影響[1]。本試驗(yàn)中BNP處理的可溶性有機(jī)碳與其他各處理差異顯著,可能因?yàn)樯锾勘容^穩(wěn)定,可以存留的時(shí)間較長(zhǎng),而有機(jī)肥和秸稈分解快,說(shuō)明生物炭提升土壤肥力的后效比較強(qiáng)。本研究結(jié)果表明,與CK相比,施肥均能顯著提高可溶性有機(jī)氮含量。梁斌等[20]的研究也表明,與不施肥相比,長(zhǎng)期施用化肥能顯著提高可溶性有機(jī)氮。施入的有機(jī)肥自身本就含一定數(shù)量的可溶性有機(jī)氮[21],同時(shí)施用有機(jī)肥能改善土壤養(yǎng)分狀況,促進(jìn)作物根系分泌物增加,從而增加了可溶性有機(jī)氮含量[22]。丁婷婷等[23]研究表明秸稈還田是土壤可溶性有機(jī)氮重要的來(lái)源之一,因此秸稈還田可以增加土壤可溶性有機(jī)氮含量。有研究表明[24]生物炭對(duì)從沙土淋溶出的DON沒(méi)有顯著影響,而本試驗(yàn)生物炭對(duì)土壤可溶性有機(jī)氮含量的提升效果最好,可能與生物炭來(lái)源、試驗(yàn)時(shí)間及土壤類型等因素有關(guān),其內(nèi)在機(jī)制還需進(jìn)一步探討[10]。

        3.2 對(duì)剖面土壤硝態(tài)氮和水分分布的后效作用

        本研究結(jié)果表明,0—200 cm剖面中,土壤硝態(tài)氮分布和累積量隨施肥措施的不同而有所不同。NP的硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)在100—120 cm,MNP和SNP的硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)在60—100 cm,而BNP表層硝態(tài)氮最大且僅在80—100 cm處出現(xiàn)一個(gè)小累積峰。相比NP,有機(jī)物料(MNP,SNP和BNP)剖面硝態(tài)氮累積峰均不同程度上移。0—100 cm土層,MNP,SNP和BNP的硝態(tài)氮累積量顯著高于NP,其中BNP處理最低;而100—200 cm土層,各有機(jī)物料處理硝態(tài)氮累積量均顯著低于NP。這些表明有機(jī)物料投入抑制了硝態(tài)氮向土壤深層淋溶[25],在降低硝態(tài)氮淋溶方面均有一定的后效作用。有研究表明[26],與化肥相比較,有機(jī)肥的投入可以降低土壤剖面硝態(tài)氮含量,阻止其累積峰向下移動(dòng)。南鎮(zhèn)武等[26]的研究結(jié)果也表明有機(jī)肥的輸入可減少硝態(tài)氮向土壤深層淋溶,而化肥氮易向下淋失。0—20 cm BNP硝態(tài)氮含量最大,但0—100 cm硝態(tài)氮累積量顯著低于SNP和MNP處理,說(shuō)明生物炭可以增加耕層(0—20 cm)硝態(tài)氮含量,顯著降低硝態(tài)氮的淋溶[27]。

        本研究結(jié)果表明,CK耕層(0—20 cm)土壤含水量低于其他各施肥處理(圖3),說(shuō)明施肥有利于表層土壤水分的提高,尤其是配施生物炭。CK處理0—40 cm土壤儲(chǔ)水量顯著低于各施肥處理,有機(jī)物料有利于提高上層土壤的儲(chǔ)水量,特別是生物炭;40—180 cm土層,各施肥處理土壤含水量低于CK;40—200 cm和0—200 cm土壤儲(chǔ)水量,施肥處理低于不施肥處理。這說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)配施有利于提高表層土壤水分含量和儲(chǔ)水量[28],主要是因?yàn)椴皇┓蔆K處理的作物比較弱小,導(dǎo)致土壤耕層(0—20 cm)水分的蒸發(fā)較強(qiáng),同時(shí)由于作物生長(zhǎng)弱小從而對(duì)深層土壤水分的吸收利用減少[28],施肥可促使小麥根系生長(zhǎng),使得其吸水空間增大,可提高對(duì)土壤深層水分的吸收利用[29],NP,MNP,SNP和BNP處理均在60—100 cm 土層形成了水分低谷(圖3)也表明了這一點(diǎn)。

        4 結(jié) 論

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