勉有明,苗芳芳,吳鵬年,王月寧,侯賢清
(寧夏大學農(nóng)學院,寧夏 銀川 750021)
秸稈還田可將作物秸稈中的有機物及養(yǎng)分經(jīng)土壤微生物分解歸還土壤,不僅可培肥地力、提高作物產(chǎn)量,還能提升土壤水分有效性、調(diào)控土壤溫度,在改善土壤生態(tài)環(huán)境方面已得到廣泛認可[1-3].同時,秸稈還田還能有效改善土壤水熱環(huán)境,顯著提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[4-5].但秸稈中碳氮比比較高,在秸稈腐解過程中會與土壤微生物間產(chǎn)生嚴重的爭氮現(xiàn)象,從而影響氮素的有效性及作物生長,制約作物產(chǎn)量提高[6].
相關(guān)研究結(jié)果[7-8]表明,秸稈還田配施氮肥可以解決秸稈在玉米生育前期腐熟過程中微生物與作物的爭氮問題,具有培肥改土的作用,有效降低了土壤容重,可調(diào)節(jié)土壤三相比,增強土壤蓄水保墑的能力,減少水分蒸發(fā),提高作物產(chǎn)量和水分利用效率.
在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了追求作物高產(chǎn),氮肥施用量越來越大,這不僅增加了投入成本,還會造成土壤污染[9].因而如何將秸稈還田措施與氮肥施用量有機結(jié)合,實現(xiàn)提高作物產(chǎn)量、維持土地生產(chǎn)力,更好地促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,是值得研究的重要課題.目前,對秸稈還田配施氮肥的研究多關(guān)注于土壤培肥[10-11]及作物增產(chǎn)效應[8,12]方面,然而關(guān)于滴灌條件下秸稈全量還田配施氮肥用量對土壤水熱狀況、土壤碳氮調(diào)節(jié)和作物產(chǎn)量方面的研究成果相對較少.
寧夏揚黃灌區(qū)地處中部干旱區(qū),常年干旱少雨、季節(jié)性降水分布不均,且春季晝夜溫差大,導致該區(qū)域作物在春季受水分和低溫脅迫,出苗率低,而在作物生育中后期作物根系生長又受高溫影響,從而造成作物產(chǎn)量下降.因此,文中針對寧夏揚黃灌區(qū)降雨較少、春季低溫影響作物生長發(fā)育等特點,采用滴灌條件下秸稈全量還田配施不同施氮量(150,300,450 kg/hm2),以秸稈還田不施氮肥為對照,研究不同施氮量下對土壤水熱、碳氮及產(chǎn)量的影響變化,以探究該地區(qū)滴灌條件下秸稈還田的最佳施氮量,旨在為寧夏揚黃灌區(qū)聚水調(diào)溫、調(diào)控土壤碳氮比C/N和玉米高產(chǎn)栽培,提供理論參考和技術(shù)支撐.
試驗于2017年10月—2018年10月在寧夏同心縣王團鎮(zhèn)旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)(105°59′E,36°51′N,海拔1 200 m)進行.該區(qū)地勢南高北低,屬中溫帶干旱大陸性氣候,干旱少雨,年均降水量225 mm;光照充足、蒸發(fā)強烈、溫差大,無霜期120~218 d,年均氣溫8.6 ℃,≥10 ℃的積溫約為3 000 ℃;2018年月均降水量P、大氣溫度T如圖1所示,年降水總量為302.2 mm,其中4—10月降水量為274.4 mm,有效降水量為224.5 mm,占全年的74.3%.試驗地土壤類型為灰鈣土,質(zhì)地為砂壤土,耕層(0~40 cm)土壤主要理化性質(zhì)為土壤容重1.64 g/cm3、土壤有機質(zhì)質(zhì)量比8.2 g/kg、全氮0.39 g/kg、堿解氮24.9 mg/kg、速效磷16.4 mg/kg、速效鉀135.1 mg/kg,pH為8.3,土壤肥力偏低,屬低等肥力水平.
圖1 試驗地月均降水量和溫度
試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,玉米秸稈全量還田(9 000 kg/hm2)條件下,設(shè)3種純氮施用水平:施純氮150,300,450 kg/hm2(分別設(shè)為處理N1,N2,N3),以秸稈還田不施氮為對照(CK),3次重復,共12個小區(qū).小區(qū)面積為15 m×4 m=60 m2.純氮配施水平設(shè)置依據(jù):參考相關(guān)文獻[7]并結(jié)合寧夏中部干旱區(qū)當?shù)卮河衩讉鹘y(tǒng)純氮施用水平(約為225 kg/hm2),并考慮到在秸稈直接還田時通常配施一定量無機氮肥,以補充土壤速效氮的不足,因此設(shè)計純氮中間施用量為300 kg/hm2.為了探討不同施氮量下還田秸稈腐解對土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響,設(shè)置中間量減半處理(150 kg/hm2)和中間量加半倍處理(450 kg/hm2),對照為秸稈還田配施純氮0 kg/hm2處理.
具體操作方式:秸稈還田方式采用玉米秸稈全量粉碎還田(9 000 kg/hm2),于2017年10月在上一季玉米收獲后,將玉米秸稈粉碎成3~5 cm小段后均勻撒入小區(qū),同時分別在各小區(qū)撒入設(shè)計量的尿素(總養(yǎng)分φN≥46%),將秸稈和尿素翻壓入土(深度為20 cm).次年玉米播種前,各處理小區(qū)統(tǒng)一基施磷酸二銨(N-P-K:15-46-0)300 kg/hm2、硫酸鉀型復合肥(N-P-K:15-15-15)495 kg/hm2,撒施后翻耕入土,于2018年4月12日進行播種,玉米播深4~5 cm,寬窄行種植,寬行70 cm,窄行40 cm,株距為20 cm,種植密度為90 000 株/hm2;播種同時于窄行鋪設(shè)滴灌帶,在關(guān)鍵生育期各處理小區(qū)進行滴灌追施尿素和硫酸鉀,于2018年10月1日收獲玉米.
試驗所用玉米秸稈中有機碳質(zhì)量比為705.8 g/kg、全氮12.0 g/kg、全磷2.6 g/kg、全鉀12.7 g/kg.玉米供試品種為先玉335.玉米關(guān)鍵生育期,各試驗處理按照該農(nóng)業(yè)科技園“水-肥滴灌管理措施”進行統(tǒng)一管理,具體灌水量I,以及追肥尿素和硫酸鉀量M見表1.
表1 玉米不同生育期灌水和施肥情況
1) 土壤水分:于2018年玉米播種后20,50,80,110,140,170 d采用土鉆烘干法測定0~100 cm土層土壤質(zhì)量含水量,每20 cm土層測1次.
2) 土壤貯水量[9]為
W=10hab,
(1)
式中:W為土壤貯水量,mm;h為土層深度,cm;a為土壤容重,g/cm3;b為土壤質(zhì)量含水量,%.
3) 試驗區(qū)因地下水位較深,多在50 m以下,故地下水上移補給量、深層滲漏、地面徑流均忽略不計.作物耗水量為
ET=P+I+ΔW,
(2)
式中:P為作物生育期降雨量,mm;I為生育期灌水量,m3/hm2,換算為mm(濕潤層按1 m計算,轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.5);ΔW為玉米播種期和收獲期土壤貯水量之差,mm.
4) 作物水分生產(chǎn)率(CWP):玉米生育期單位耗水量(ET)下的作物經(jīng)濟產(chǎn)量(Y)的比值.表示為
CWP=Y/ET.
(3)
5) 土壤溫度:于2018年玉米播種后20,50,80,110,140和170 d,選擇晴天用曲管地溫計連續(xù)3 d測定玉米種植行0,10,15,20和25 cm土層土壤溫度日變化(8:00—20:00),間隔2 h讀1次溫度,并取3 d日均土壤溫度的平均值作為該生育時期的土壤溫度.
6) 土壤養(yǎng)分:于2017年秸稈還田試驗處理前和2018年10月玉米收獲后,采集(0,20],(20,40] cm土層土風干,依次用5.00,2.50,1.00,0.25 mm孔隙篩剔除土壤中未腐解的秸稈殘留,再將剔除秸稈殘留的土樣混勻研磨后過0.25 mm篩,分別測定土壤有機碳、全氮含量,方法分別為重鉻酸鉀容量法-外加熱法、凱氏定氮法[13].
7) 玉米產(chǎn)量性狀:在玉米收獲后,每個小區(qū)選取10株長勢一致且有代表性的植株進行室內(nèi)考種(穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量);取中間2行(寬0.4 m、長3.0 m),3次重復,人工脫粒測產(chǎn),換算出單位面積玉米籽粒產(chǎn)量.
采用Excel 2003繪制圖表,利用SAS 8.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,LSD法進行差異顯著性比較(P<0.05).
秸稈還田配施不同量氮肥條件下0~100 cm土層土壤貯水量W如圖2所示(圖中d為播后天數(shù)).
圖2 秸稈還田配施氮肥對玉米生育期土壤貯水量的影響
隨玉米生育期的推進呈“W”的變化趨勢,且玉米生育前中期土壤貯水量高于后期.玉米苗期(播后20 d),各處理土壤貯水量從高到低以處理排序為N1,N2,CK,N3;拔節(jié)期(播后50 d),玉米植株快速生長耗水階段,降水較少且秸稈腐解會消耗耕層土壤水分,導致土壤貯水量有所下降.與處理CK相比,處理N2對提高土壤貯水量效果最佳,顯著提高21.4%,且不同施氮處理差異具有統(tǒng)計學意義;拔節(jié)到抽雄期(大喇叭口期,播后80 d),由于進入雨季,各處理土壤貯水量明顯上升,較處理CK,處理N2和N3土壤貯水量分別顯著增加16.4%,20.8%;抽雄到灌漿期(播后110~140 d),玉米進入旺盛生長階段,該階段高溫少雨且作物耗水增加,各處理土壤貯水量降至最低,其中處理N2土壤貯水量最高,較CK顯著增加20.6%,處理N1和N3次之,且與處理CK間差異不具有統(tǒng)計學意義;玉米收獲期(播后170 d),各處理土壤貯水量有所提高,處理N1和N3分別較CK顯著提高13.6%和14.4%,處理N2與CK間差異不具有統(tǒng)計學意義.可見,在玉米關(guān)鍵生育期(拔節(jié)、抽雄及灌漿期),處理N2的土壤蓄水保墑效果最佳,其次為處理N3.
圖3為秸稈還田配施氮肥下玉米生育期0~25 cm土層土壤溫度變化情況.由圖可知各處理下0~25 cm土層土壤溫度T隨玉米生育期的推進呈先增加后降低再增加的變化趨勢.整個玉米生育期,秸稈還田配施氮肥對玉米生育期土壤溫度影響明顯,以施純氮量300 kg/hm2調(diào)節(jié)地溫效果最佳.在玉米苗期(播后20 d),與處理CK相比,秸稈還田配施氮肥可顯著提高耕層土壤溫度,以處理N2保溫效果最好,較CK顯著增溫3.20 ℃;在玉米拔節(jié)期(播后50 d),土壤溫度隨著氣溫回升逐漸呈上升趨勢,處理CK土壤溫度高于其他處理;在大喇叭口-抽雄期(播后80~110 d)正處于寧夏高溫季節(jié),各處理土壤溫度達到最高,較處理CK,處理N2和N3的土壤溫度分別平均顯著降低1.00和1.30 ℃;在灌漿期(播后140 d),各處理土壤溫度急劇降低,處理N1的耕層土壤溫度最低,而處理N2和N3較CK土壤溫度分別提高0.14和0.07 ℃;收獲期,土壤溫度逐漸回升,且各處理間差異不具有統(tǒng)計學意義.
圖3 秸稈還田配施氮肥下玉米生育期0~25 cm土層土壤溫度
表2為秸稈還田配施氮肥下玉米生育期0~25 cm土層土壤溫度,表中h為土層深度.由表可知,整個玉米生育期內(nèi)不同施氮量下不同土層平均土壤溫度的變化規(guī)律不同.5 cm土層,處理N1和N2分別較CK顯著提高溫度0.4和0.6 ℃,而處理N3與CK相比有降溫效果且差異不具有統(tǒng)計學意義;10和15 cm土層的溫度,處理N3較CK分別顯著降低1.2和1.4 ℃,處理N1和N2與CK相比降溫效果不顯著;20 cm土層,處理N1,N2和N3較CK降溫效果顯著,分別顯著降溫0.5,0.4和0.8 ℃,處理N2與N3間差異具有統(tǒng)計學意義;25 cm土層,N1較CK顯著降溫0.4 ℃,N2和N3降溫效果不顯著;0~25 cm土層平均土壤溫度,較處理CK,N3降溫效果最顯著,顯著降低0.8 ℃,而處理N1和N2較CK有一定的降溫效果但差異不具有統(tǒng)計學意義.
表2 秸稈還田配施氮肥下玉米生育期0~25 cm土層土壤溫度
2018年玉米收獲期,秸稈還田配施不同量氮肥處理下0~40 cm土層土壤有機碳(TOC)和全氮(TN)含量均顯著高于2017年試驗處理前(本底值),土壤有機碳含量增幅為13.6%~60.7%,全氮含量增幅為23.1%~74.4%,土壤碳氮比C/N降低2.9%~8.4%,具體見表3.
表3 秸稈還田配施氮肥對土壤碳氮(0~40 cm)的影響
與對照相比,秸稈還田配施氮肥對玉米收獲期土壤碳氮影響明顯.(0,20] cm土層,隨施氮量增加,土壤有機碳和全氮含量均與施氮量成正比,較CK處理,以處理N2和N3對提高土壤有機碳和全氮含量效果顯著,土壤有機碳分別顯著提高44.9%和47.6%,全氮含量分別顯著提高33.3%和40.7%,且C/N分別顯著提高8.6%和5.0%.(20,40] cm土層,各施氮處理下土壤碳氮變化與(0,20] cm土層一致,與CK相比,處理N1,N2和N3的土壤有機碳含量分別顯著提高12.1%,36.6%和35.3%,處理N2和N3的土壤全氮含量分別顯著提高33.3%和42.9%,處理N1土壤全氮含量提高效果不顯著.處理N1土壤C/N顯著提高7.1%,處理N2土壤C/N提高效果不顯著,而處理N3土壤C/N顯著降低5.6%.另外,以處理N2對0~40 cm土層土壤C/N調(diào)控效果最佳(C/N為12.0),較CK顯著增加5.2%.
表4為秸稈還田配施不同氮肥量下玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率,表中ns,nk,md,Y,ET,CWP分別為穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量、耗水量及水分生產(chǎn)率.由表可知隨施氮量增加,處理N1,N2,N3的穗數(shù)較CK分別顯著提高13.0%,39.1%和17.4%.處理N3玉米籽粒百粒質(zhì)量較處理CK降低5.2%,但差異不具有統(tǒng)計學意義,而處理N1和N2分別顯著增加11.7%和24.8%;穗粒數(shù)以處理N3提高效果最佳,較CK顯著增加11.4%,而處理N1和N2次之,較CK分別顯著增加9.3%和8.3%,且各施氮處理間差異不具有統(tǒng)計學意義.隨施氮量增大,玉米籽粒產(chǎn)量逐漸增加,但達到一定施氮量后產(chǎn)量不再增加,并出現(xiàn)降低趨勢,各處理玉米籽粒產(chǎn)量大小按處理排序為N2,N1,N3,CK,處理N2,N1和N3分別較CK顯著增產(chǎn)63.7%,46.2%和23.3%,且各處理間差異具有統(tǒng)計學意義.
表4 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的影響
秸稈還田配施氮肥可降低作物耗水,從而提高作物水分生產(chǎn)率.不同施氮量處理下作物耗水量較對照處理以N3降低幅度最大,顯著降低8.2%,而處理N1的作物耗水量顯著提高5.8%.各處理下作物水分生產(chǎn)率高低按處理排序依次為N2,N3,N1,CK,處理N1,N2和N3的水分生產(chǎn)率分別較CK顯著提高18.4%,36.1%和21.1%.對玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率結(jié)合分析可知,秸稈還田配施純氮300 kg/hm2對提高玉米籽粒產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率效果最佳.
秸稈還田配施適量氮肥可促進秸稈腐解和養(yǎng)分礦化釋放,改善土壤理化性狀,增強土壤蓄水能力[14].張哲等[15]研究報道,秸稈與氮肥配施還田在干旱年份可明顯提高土壤含水率.高金虎等[16]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田配施氮肥對玉米生育期內(nèi)保水效果影響較大,主要表現(xiàn)為生育前期不利于保水,而中后期保水效果較好.文中研究結(jié)果表明,較秸稈還田不施氮肥處理,秸稈還田配施氮肥能顯著增強玉米關(guān)鍵生育期(拔節(jié)、抽雄及灌漿期)土壤蓄水保墑能力,以施氮量300 kg/hm2處理的保水效果最佳,這與前人研究結(jié)果“生育前期不利于保水”[16]不一致,分析其原因:一方面,秸稈腐解過程中能將秸稈中纖維素徹底分解為CO2和H2O,可有效補充土壤水分[4],同時秸稈腐解利于減少土壤表層結(jié)皮或結(jié)構(gòu)致密現(xiàn)象,進而增加了土壤透水透氣性,減少了土壤水分流失[17],而適宜的土壤C/N(25∶1)[18]最利于秸稈腐解,秸稈還田配施純氮300 kg/hm2后土壤碳氮比最接近25∶1;另一方面,作物關(guān)鍵生育期秸稈還田下不同氮肥用量的保水效果還與秸稈還田周期、研究區(qū)域氣候、土壤類型和研究年份內(nèi)降雨及氣溫情況等有關(guān)[8].
秸稈還田配施不同比例有機肥對合理調(diào)節(jié)土壤溫度、提高根際土壤微生物數(shù)量及秸稈腐解有較好的促進作用[19].秸稈還田結(jié)合施氮具有保水緩溫作用[20].陳浩等[5]研究認為,在秸稈還田的同時配施不同比例化肥,能夠有效調(diào)節(jié)土壤溫度,顯著提高土壤微生物數(shù)量與活性,改善土壤微環(huán)境.文中研究結(jié)果表明,秸稈還田配施不同量氮肥較不施氮肥處理,對玉米生育前期0~25 cm土層土壤有保溫效果,而在中后期各施氮處理地溫均低于對照,以300 kg/hm2施氮處理調(diào)控溫度效果最佳,分析原因是土壤溫度主要受秸稈還田的影響[21],大量秸稈腐解主要集中在還田初期[5],秸稈還田配施不同量氮肥能促進秸稈腐解[10],腐解過程會放出大量熱量使地溫增加,不同氮肥用量下秸稈腐解程度不同致使耕層土壤溫度差異具有統(tǒng)計學意義;生育中后期大量秸稈腐解結(jié)束,其腐解釋放的熱量減少,導致處理間耕層土壤溫度差異不具有統(tǒng)計學意義[22].
土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標之一,秸稈還田配施氮肥可有效提高土壤有機碳含量,平衡土壤養(yǎng)分[23].幕平[24]研究認為,秸稈還田配施適量氮肥可有效調(diào)節(jié)土壤C/N,加速土壤微生物活動分解秸稈并釋放出養(yǎng)分補充到土壤中,土壤有機碳含量有效提升17.5%~28.7%[25].在文中研究中,秸稈還田配施氮肥可有效增加0~40 cm土層土壤有機碳和全氮含量,且以施純氮量450 kg/hm2對耕層養(yǎng)分含量提升效果最佳,分析其原因:秸稈還田可有效補充土壤有機質(zhì),提高土壤C/N,增強對氮的固持能力,而秸稈還田配施適量氮肥具有較強的持水能力,可防止土壤氮素揮發(fā)[11].文中研究還發(fā)現(xiàn),與不施氮肥處理相比,施純氮450 kg/hm2處理20~40 cm土層碳氮比顯著降低5.6%,而施純氮150和300 kg/hm2的處理有效提高碳氮比.這可能由于在雨季,配施純氮450 kg/hm2較其他處理,0~20 cm土層中過多氮素未能被秸稈腐解和作物生長利用,隨雨水下滲到20~40 cm土層中,增加該土層氮素含量,造成土層碳氮比增加[26].但這僅是1 a研究結(jié)論,仍需要進一步深入探討.
白偉等[8]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田配施氮肥可提高春玉米的產(chǎn)量,增產(chǎn)效果主要表現(xiàn)在百粒質(zhì)量和行粒數(shù)顯著增加.龐黨偉等[12]研究認為,配施氮肥秸稈還田主要通過改善耕層土壤理化性質(zhì),增加單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù)使得產(chǎn)量增加.文中研究結(jié)果也表明,秸稈還田配施純氮450 kg/hm2處理下玉米穗數(shù)和穗粒數(shù)分別高于秸稈還田配施純氮150和300 kg/hm2處理的,但百粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量分別低于配施純氮150和300 kg/hm2處理的,究其原因可能由于氮肥過量產(chǎn)生高氮鹽害,對玉米生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用,導致作物貪青晚熟,使玉米有效穗數(shù)、穗粒數(shù)及籽粒充實度降低,造成玉米減產(chǎn)[27].高金虎等[16]在遼西風沙半干旱區(qū)通過秸稈還田配施氮肥研究發(fā)現(xiàn),以秸稈還田量6 000~9 000 kg/hm2配施純氮420 kg/hm2對提高玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率效果最佳.張亮等[28]研究認為,秸稈全量還田配施氮肥可提高關(guān)中平原冬小麥產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率.文中研究結(jié)果表明,在寧夏揚黃灌區(qū),秸稈還田配施不同氮肥量可顯著提高玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率,以300 kg/hm2施氮處理效果最佳,分析其原因:秸稈還田后土壤養(yǎng)分提高對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素有一定促進作用,且適量氮肥(300 kg/hm2)可顯著改善土壤水溫微環(huán)境,從而加速秸稈腐解及養(yǎng)分釋放,調(diào)節(jié)土壤C/N,為玉米生長提供充足的養(yǎng)分供應,最終使玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率顯著增加[24].
1) 秸稈還田配施氮肥可增強玉米關(guān)鍵生育期(拔節(jié)、抽雄及灌漿)0~100 cm土層土壤蓄水保墑能力,其中以秸稈還田配施純氮300 kg/hm2的保水效果最佳,配施純氮150和450 kg/hm2次之.
2) 秸稈還田配施氮肥對玉米各生育期0~25 cm土層土壤溫度有明顯的調(diào)控效應,以秸稈還田配施純氮300 kg/hm2對耕層調(diào)溫效果較優(yōu).
3) 秸稈還田配施氮肥能有效增加0~40 cm層土壤有機碳和全氮含量,調(diào)節(jié)土壤C/N.其中隨施氮量增加,以配施純氮450 kg/hm2處理較對照處理提高土壤有機碳和全氮含量效果最優(yōu),而配施氮量300 kg/hm2對調(diào)節(jié)土壤C/N效果最佳.
4) 秸稈還田配施氮肥可顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率.與秸稈還田不施純氮處理相比,秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理的玉米增產(chǎn)和改善作物水分生產(chǎn)率的效果最優(yōu).可見,秸稈還田配施適量氮肥(300 kg/hm2)對土壤控溫保墑效應、調(diào)節(jié)土壤碳氮比和提高玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率效果最顯著.