王立革, 郭珺, 韓雄, 武愛蓮, 王勁松, 董二偉, 南江寬, 焦曉燕

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不同灌溉方式下秸稈還田對設施土壤碳、氮及蔬菜產(chǎn)量的影響

王立革, 郭珺, 韓雄, 武愛蓮, 王勁松, 董二偉, 南江寬, 焦曉燕

山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所, 山西, 太原 030031

針對設施土壤C/N比失調(diào), 蔬菜產(chǎn)量下降的問題, 采用裂區(qū)設計大田試驗, 研究了秸稈還田(S1)在水肥一體化 (FG)和膜下溝灌(FP)兩種灌溉方式對設施土壤碳、氮及蔬菜產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 在水肥一體化 (FG)灌溉方式下的秸稈腐解率相比膜下溝灌(FP)高出10.7個百分點。在兩種灌溉方式下, 秸稈還田均增加了0—20 cm、20—40 cm土壤有機質(zhì)含量, FG灌溉方式下分別增加了14.8%和12.4%; FP灌溉方式下分別增加了12.4%和2.9%。秸稈還田與FP灌溉方式結(jié)合, 增加了0—200 cm土壤剖面硝態(tài)氮淋洗的風險。秸稈還田均降低了0—20 cm和20—40 cm層次土壤的pH, FG灌溉方式下分別降低了0.17和0.10個單位; FP灌溉方式下均降低了0.02個單位。無論是灌溉方式、秸稈還田還是兩者的交互作用, 均極顯著提高了黃瓜產(chǎn)量, 其中水肥一體化灌溉方式結(jié)合秸稈還田的效果最好。

水肥一體化; 膜下溝灌; 秸稈還田; 設施土壤; C/N比

1 前言

設施農(nóng)業(yè)是推動農(nóng)業(yè)科技與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)合、帶動農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的最直接表現(xiàn)形式[1], 其高投入實現(xiàn)了高產(chǎn)出、高收益[2]。由于蔬菜淺根系特征及其對肥料依賴程度高, 實際生產(chǎn)中需多頻次的灌溉和施肥[3], 尤其是氮肥過量投入[4], 不僅導致了氮素的淋洗, 而且造成了設施土壤比下降。土壤碳、氮的演變調(diào)控著土壤物理、化學和生物學過程, 因此, C/N比下降不僅引發(fā)了設施土壤酸化和鹽漬化, 同時也伴隨著氮、磷、鉀養(yǎng)分在土壤中富集[5], 進而影響到蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

作物秸稈不僅含有大量有機質(zhì), 同時含有植物生長所必需的氮、磷、鉀及其它中微量元素[6]。秸稈還田后在土壤微生物作用下發(fā)生腐解, 釋放出的碳、氮能夠增加土壤有機質(zhì)含量[7-8]。大量研究表明, 秸稈還田可以改變土壤物理性狀、基本養(yǎng)分變化以及增加產(chǎn)量[9]; 同時可增加土壤中速效養(yǎng)分含量及其有效性, 對制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展因素有一定改善作用[10]; 也有研究表明, 秸稈還田量和還田深度[11]對阻控氮素淋洗也有一定作用[12]。

土壤含水量對秸稈中碳的形態(tài)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換有一定影響[13], 從而改變有機質(zhì)性質(zhì)[14]。不同的灌溉方式影響到土壤含水量[15], 所以, 灌溉方式與秸稈還田必然會對土壤有機碳含量有一定影響。已有報道, 不同灌溉方式與秸稈還田量對稻田土壤碳、氮有一定影響[16], 而對設施土壤碳氮的影響鮮見報道, 且設施土壤環(huán)境不同于稻田土壤, 因此, 本文采用裂區(qū)設計大田試驗, 研究了秸稈還田處理在水肥一體化和膜下溝灌兩種灌溉模式下, 設施土壤碳、氮變化及其對蔬菜產(chǎn)量的影響, 以期為設施蔬菜生產(chǎn)中采用秸稈還田后的水肥管理提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省曲沃縣史村鎮(zhèn)西海村, 供試設施為連續(xù)種植10年黃瓜的日光節(jié)能溫室, 溫室土壤類型為碳酸鹽褐土, 0—20 cm土壤全氮含量為0.145 %, 有機質(zhì)16.7 g·kg–1, pH 7.98, 供試蔬菜為黃瓜, 品種新科801, 以白籽南瓜嫁接(插接法)后于2012年10月15日定植, 定植前撒施腐熟有機肥225 m3·hm-2, 復合肥(15-15-15)1125 kg·hm-2, 旋耕起壟后開始定植, 于2013年5月23日拉秧, 生育期219 d。

2.2 試驗設計

本試驗采用裂區(qū)試驗設計, 主處理為灌溉方式, 副處理為秸稈還田(集中溝埋); 其中灌溉方式分為膜下溝灌(FP)和水肥一體化(FG)2種灌溉方式, 秸稈還田(S1)為15000 kg·hm-2秸稈用量, 不施秸稈為對照(S0), 共4個處理, 每處理3次重復, 每處理區(qū)面積為84 m2(長×寬=10.5 m×8.0 m)。

膜下溝灌是沿種植行開溝, 黃瓜定植與溝坡中上部, 定植后30 d將地膜跨壟溝覆蓋, 采用膜下溝內(nèi)灌溉; 水肥一體化是在種植行起20 cm梯形高壟, 壟上整平后定植, 每種植行鋪設2條滴灌帶, 定植后將其移至秧苗根部, 定植后30 d覆蓋地膜。

膜下溝灌處理的秸稈還田(集中溝埋)是在開好的溝內(nèi)繼續(xù)再往下挖深30—35 cm, 寬度20—25 cm, 在溝內(nèi)鋪放整秸稈; 水肥一體化處理的秸稈還田是在種植行開溝, 溝的深度為10—15 cm, 寬度為20—25 cm, 在溝內(nèi)鋪放整秸稈。在每個秸稈還田處理區(qū)隨機選擇3條種植行, 將部分秸稈裝入網(wǎng)袋后一起稱重, 再將其鋪放至溝內(nèi)壓實, 待秸稈均勻鋪放至溝內(nèi)后, 均勻撒施有機物料腐熟劑375 kg·hm-2和尿素150 kg·hm-2, 之后在其上方覆土, 保證覆土厚度至少15—20 cm, 即為秸稈集中溝埋還田(S1); 黃瓜全生育期, 同一灌溉方式下施肥量和灌溉量相同, 具體用量見表1:

2.3 樣品采集與分析

黃瓜拉秧后, 挖出裝有秸稈的網(wǎng)袋, 去除網(wǎng)袋表面的土粒及雜物, 將其放置陰涼處自然風干后稱重, 差值法計算腐解率; 在每處理區(qū)兩株中間采集0—200 cm土壤剖面樣品, 按20 cm層次分開裝袋并帶回室內(nèi), 風干后過篩分析0—20 cm、20—40 cm土壤有機質(zhì)(OM)、全氮(TN)、pH、EC以及0—200 cm土壤剖面NO3--N含量。

有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定; 全氮用半微量凱氏法測定; pH、EC值分別用酸度計和電導儀測定; 硝態(tài)氮(NO3--N)采用2 mol·L–1KCL 浸提、三通道流動比色儀測定。

表1 黃瓜全生育期不同試驗處理養(yǎng)分輸入及灌溉量

2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)處理和作圖采用Microsoft Office Excel 2013, 統(tǒng)計分析采用Minitab 15.0軟件中的雙因子方差分析, 包括灌溉方式、秸稈還田以及兩因子之間的交互作用。

3 結(jié)果分析

3.1 秸稈腐解率

由圖1可以看出, 灌溉方式對秸稈腐解程度有一定影響, 其中, 水肥一體化灌溉技術(shù)模式下的秸稈腐解率為81.6 %, 膜下溝灌的秸稈腐解率70.9 %, 前者比后者高出10.7個百分點, 統(tǒng)計分析顯示, 差異達到顯著水平(≤0.05), 說明水肥一體化相對膜下溝灌, 可提高秸稈的腐解速率。

圖1 不同灌溉方式下秸稈腐解率

3.2 不同處理對土壤碳、氮的影響

由表2可知, 秸稈還田均增加了0—20 cm、20—40 cm土壤有機質(zhì)含量。在水肥一體化灌溉方式下, 0—20 cm、20—40 cm土壤有機質(zhì)相比未添加秸稈處理, 分別增加了14.8和12.4%; 在膜下溝灌灌溉方式下, 分別增加了12.4和2.9%。

雙因素方差分析結(jié)果顯示, 灌溉方式對0—20 cm層次的土壤有機質(zhì)(OM)、全氮以及C/N都有極顯著影響(≤0.01), 對20—40 cm層次的土壤有機質(zhì)(OM)、全氮以及C/N無明顯影響(>0.05); 相比傳統(tǒng)膜下溝灌(FP), 水肥一體化技術(shù)模式下的0—20 cm層次土壤的有機質(zhì)、全氮含量以及C/N分別提高了45.3%、23.1%和19.6%; 秸稈還田對0—20cm層次土壤的有機質(zhì)(OM)含量和C/N有極顯著影響(≤0.01), 相比膜下溝灌秸稈還田處理(FP+S1), 水肥一體化秸稈還田處理(FG+S1)0—20 cm層次土壤的有機質(zhì)含量和C/N分別提高了15.7%和19.7%; 灌溉方式和秸稈還田的交互作用對土壤有機質(zhì)、全氮含量以及C/N均無顯著影響。說明灌溉方式、秸稈還田對土壤有機質(zhì)、全氮含量以及C/N有一定影響, 但兩者交互作用對其無明顯影響。

3.3 不同處理對土壤剖面硝態(tài)氮分布的影響

不同處理對0—200 cm土壤剖面硝態(tài)氮分布的影響見圖2, 從圖中可以看出, 在20 cm和40 cm處, 各處理硝態(tài)氮含量均高于定植前。從40 cm到80 cm各處理的硝態(tài)氮含量均低于定植前; 在60 cm處, 膜下溝灌(FP+S0)以及膜下溝灌秸稈還田處理(FP+S1)土壤剖面硝態(tài)氮含量高于定植前, 而水肥一體化(FG+S0)及其水肥一體化秸稈還田處理(FG+S1) 低于定植前。從80 cm到140 cm, 水肥一體化(FG+S0)及其水肥一體化秸稈還田處理(FG+S1)與定植前土壤剖面含量相當, 且變幅較小; 膜下溝灌(FP+S0)及其膜下溝灌秸稈還田處理(FP+S1)分別在100 cm和120 cm處出現(xiàn)峰值, 硝態(tài)氮含量分別為28.3 mg·kg–1g和33.9 mg·kg–1, 相比定植前在80 cm處出現(xiàn)的峰值(36.2 mg·kg–1), 分別下移了20 cm和40 cm。從140 cm到200 cm, 膜下溝灌(FP+S0)及其膜下溝灌秸稈還田處理(FP+S1)隨土層深度增加硝態(tài)氮含量呈增加趨勢, 且均高于定植前; 水肥一體化秸稈還田處理(FG+S1)與定植前相當, 而水肥一體化(FG+S0)處理土壤剖面硝態(tài)氮含量低于定植前。說明膜下溝灌(FP+S0)及其膜下溝灌秸稈還田 (FP+S1)均增加了硝態(tài)氮淋洗的, 且在膜下溝灌灌溉模式下, 秸稈還田增加了淋洗的風險。

表2 灌溉方式與秸稈還田對土壤碳、氮的影響

注: 表中數(shù)值為平均值±SD(n=3); 方差分析F值右上方“*”表示0.05水平差異顯著, “**”表示0.01水平差異顯著, “NS”表示差異不顯著。

圖2 不同處理0-200 cm土壤剖面硝態(tài)氮分布

3.4 不同處理對土壤pH和EC值的影響

灌溉方式與秸稈還田對土壤pH和EC值的影響見表3, 從表中可以看出, 無論是在膜下溝灌處理(FP)還是水肥一體化處理(FG)下, 秸稈還田均降低了0—20 cm和20—40 cm層次土壤的pH, 其中在水肥一體化灌溉方式下, 0—20 cm和20—40 cm層次土壤的pH分別降低了0.17和0.10個單位; 在膜下溝灌灌溉方式下均降低了0.02個單位。

雙因素方差分析顯示, 灌溉方式、秸稈還田以及兩者的交互作用, 對0—20 cm層次土壤的pH差異均達到極顯著水平(≤0.01), 而對20—40 cm無明顯影響(>0.05); 相比膜下溝灌(FP), 水肥一體化處理(FG)下的0—20 cm層次土壤pH下降了0.04個單位, 秸稈還田(S1)相比未添加秸稈處理(S0), 0—20 cm層次土壤pH下降了0.09個單位。

從表中還可以看出, 無論是在膜下溝灌 (FP)還是水肥一體化處理(FG)下, 秸稈還田均提高了0—20 cm和20—40 cm層次土壤的EC值; 統(tǒng)計分析顯示, 僅灌溉方式對0—20 cm層次土壤的EC值影響顯著(≤0.05), 其他處理未達到顯著水平(>0.05); 水肥一體化處理(FG)對0—20 cm層次土壤EC值相對相比膜下溝灌(FP)提高了17.0%。

說明水肥一體化灌溉處理不僅明顯降低了0—20 cm層次土壤的pH, 而且顯著提高了0—20 cm層次土壤EC值; 秸稈還田明顯降低0—20 cm層次土壤的pH; 灌溉方式和秸稈還田的交互作用對0—20 cm層次土壤的pH有一定的影響。

表3 灌溉方式與秸稈還田對土壤pH值和EC的影響

注: 表中數(shù)值為平均值±SD(n=3); 方差分析F值右上方“*”表示0.05水平差異顯著, “**”表示0.01水平差異顯著, “NS”表示差異不顯著。

3.5 不同處理對黃瓜產(chǎn)量的影響

不同處理對黃瓜產(chǎn)量有一定的影響, 水肥一體化灌溉處理模式下, FG+S0處理的黃瓜產(chǎn)量為218391.0 kg·hm-2, FG+S1處理的黃瓜產(chǎn)量為235346.0 kg·hm-2; 傳統(tǒng)灌溉模式下, FP+S0處理為195793.0 kg·hm-2, FP+S1處理為 226288.5 kg·hm-2; 不同處理對黃瓜產(chǎn)量的影響表現(xiàn)出FG+S1>FP+S1> FG+S0>FP+S0(圖3)。雙因素方差分析結(jié)果顯示, 灌溉方式、秸稈還田以及兩者的交互作用對黃瓜產(chǎn)量的影響均達到極顯著水平(≤0.01), 就秸稈還田處理而言, 秸稈還田(S1)處理相比未施秸稈處理(S0), 黃瓜產(chǎn)量相對提高了11.5%; 就灌溉方式而言, 水肥一體化處理相比膜下溝灌, 黃瓜產(chǎn)量相對提高了7.5%; 說明秸稈還田處理對黃瓜產(chǎn)量的影響大于灌溉處理, 其中水肥一體化與秸稈還田結(jié)合后的效果最明顯。

4 討論

秸稈還田后受外界環(huán)境影響, 與土壤之間發(fā)生著復雜的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化[17-18], 其中, 土壤含水量是秸稈在土壤中腐解轉(zhuǎn)化的決定性因子之一[19]。本研究結(jié)果表明, 水肥一體化秸稈還田(FG+S1)處理的秸稈腐解速率顯著高于膜下溝灌秸稈還田(FP+S1)。有研究表明, 土壤水分在16%至20%之間, 玉米秸稈分解速率最快, 土壤濕度過高或過低秸稈腐解率將減小[20]; 說明水肥一體化灌溉模式下的土壤含水量相比膜下溝灌更適宜秸稈的腐解。由于秸稈腐解主要是依靠土壤微生物菌群[21], 而微生物活性與土壤溫度、水分、通氣等因素有關, 由于本研究并未對其相關因素進行研究和分析, 因此, 水肥一體化秸稈還田(FG+S1)對土壤溫度、水分、通氣等環(huán)境因素及其與微生物菌群的相關性還需做進一步研究和探討。

圖3 不同處理黃瓜產(chǎn)量

本研究結(jié)果表明, 灌溉方式、秸稈還田極顯著提高了0—20 cm層次土壤有機質(zhì)含量, 但兩者的交互作用不明顯。因為秸稈腐解物有利于提升土壤有機質(zhì)含量, 所以秸稈還田極顯著提高土壤有機含量不難理解。灌溉方式極顯著提高土壤有機質(zhì)的結(jié)果主要是因為灌溉量導致, 因為施入的有機肥和秸稈有機物腐解后首先增加了溶解性有機碳(DOC)含量[22], 而溶解性有機碳含量(DOC)又與有機質(zhì)含量有顯著的正相關[23], 溶解性有機碳含量(DOC)具有易流動、易分解以及隨水運移的特點[24], 本研究中膜下溝灌(FP)處理的灌溉量高于水肥一體化處(FG)理3825.0 m3·hm-2, 所以灌溉方式對0—20 cm土壤有機質(zhì)含量統(tǒng)計分析結(jié)果差異顯著, 此研究結(jié)果與韓林等人研究結(jié)果一致[25]。對于20—40 cm有機質(zhì)含量無明顯影響可能與秸稈還田的深度有關[26-27]。灌溉方式和秸稈還田對有機質(zhì)含量交互作用不明顯, 可能與試驗年限有關。

不同處理對土壤全氮含量的分析結(jié)果僅表現(xiàn)出灌溉方式對0—20 cm層次土壤全氮含量有顯著影響, 而秸稈還田處理以及兩者的交互作用不明顯, 主要原因與灌溉量以及氮肥用量有關, 導致水肥一體化(FG)灌溉模式下氮肥在表層土壤的累積; 且灌溉量遠遠低于膜下溝灌(FP)處理, 所以導致0—200 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量也較低, 這與前人研究結(jié)果一致[28-29]。秸稈深埋還田后, 在20-30 cm處相當于建立了阻隔層, 但從本研究結(jié)果可知, 秸稈還田處理在膜下溝灌(FP)條件下, 120 cm土層處出現(xiàn)了硝態(tài)氮峰值, 相比定植前80 cm處的硝態(tài)氮峰值下移了40 cm; 在水肥一體化灌溉模式下, 從60—200 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量與定植前相當。陶寶瑞[30]等人研究了秸稈集中掩埋還田對麥田土壤氮淋失有一定的阻控效果, 所以導致此結(jié)果的原因與灌溉量和施肥量過高有關, 同時與秸稈壓實程度也有很大關系。

土壤 pH 是土壤肥力的重要特征參數(shù)之一, 引起土壤pH下降的原因是氮肥的過量使用[31]。本研究結(jié)果表明, 灌溉方式、秸稈還田對0—20 cm土壤pH有顯著影響, 而且也有明顯的交互作用。水肥一體化(FG)灌溉處理相比膜下溝灌(FP)降低了0—20 cm層次土壤pH, 與范慶峰[29]等人的分析結(jié)果不同, 這主要是數(shù)據(jù)分析方法不同所致, 本研究數(shù)據(jù)分析采用的雙因素方差分析, 在分析灌溉方式對土壤pH值影響的時候, 秸稈還田因素也起到了作用。單從水肥一體化灌溉(FG+S0)處理與傳統(tǒng)膜下溝灌(FP+S0)處理比較, 前者相比后者0—20 cm土壤pH值提高了0.03個單位; 而秸稈還田(S1)相比未添加秸稈(S0)處理, 降低了0—20 cm層次土壤pH值, 與閆洪亮[32]等人研究結(jié)果一致。不同處理對土壤EC值分析結(jié)果可知, 僅灌溉方式對0—20 cm層次土壤的EC值有顯著影響, 且水肥一體化處理(FG)高于膜下溝灌(FP), 主要原因還是由于實際施肥量過高所致。

灌溉方式、秸稈還田以及兩者的交互作用對黃瓜產(chǎn)量均有極顯著的影響, 而且水肥一體化秸稈還田(FG+S1)處理的黃瓜產(chǎn)量最高, 說明秸稈還田最適宜的水分管理模式為水肥一體化灌溉。

5 結(jié)論

在設施蔬菜生產(chǎn)中, 秸稈還田結(jié)合水肥一體化不僅有利于提高表層土壤C/N比, 而且明顯提高黃瓜產(chǎn)量。

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Effects of straw returning on soil carbon, nitrogen and vegetable yield under different irrigation methods

WANG Lige, GUO jun, HAN Xiong, WU Ailian, WANG Jinsong, DONG Erwei, NAN Jiangkuan, JIAO Xiaoyan

Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China

In order to solve the soil C/N imbalance and the decline of vegetable yield in greenhouse, we studied effects of straw returning to soil carbon, nitrogen and vegetable yield on fertigation (FG) and film mulching furrow irrigation (FP) in greenhouse by employing split plot design field trials. The results showed that the rate of straw decomposition was 10.7 percentage points higher at fertigation (FG) than film irrigation (FP). Under two irrigation methods, the soil organic matter contents of 0-20 cm and 20-40cm soil were increased by 14.8% and 12.4% under fertigation (FG), and 12.4% and 2.9% respectively under film mulching furrow irrigation. The risk of nitrate leaching was increased in soil profile at 0-200 cm when the combination of straw returning and film mulching furrow irrigation increased. The soil pH of 0-20 cm and 20-40 cm was reduced by 0.17 and 0.10 units respectively under fertigation, and 0.02 unit was reduced under film mulching furrow irrigation. Yield of cucumber was greatly improved by irrigation method, straw returning or the interaction between, and the effect under the combination of fertigation with straw returning was the best.

fertigation (FG);film mulching furrow irrigation;straw returning;greenhouse soil;C/N ratio

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.005

A

1008-8873(2018)04-045-07

2018-05-02;

2018-05-21

山西省農(nóng)業(yè)科學院重點科研項目(YGG1629); 山西省重點研發(fā)計劃重點項目(201703D211020-1)

王立革(1978—), 男, 山西永濟, 碩士, 副研究員, 主要從事設施農(nóng)業(yè)水肥和植物營養(yǎng)學研究. E-mail:wanglige2008@163.com

王立革, 郭珺, 韓雄, 等. 不同灌溉方式下秸稈還田對設施土壤碳、氮及蔬菜產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(4): 45-51.

WANG Lige, GUO jun, HAN Xiong, et al. Effects of straw returning on soil carbon, nitrogen and vegetable yield under different irrigation methods[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 45-51.