高曉梅,劉曉輝,于淼,李楊,敖靜,孫玉祿,桓明輝,池景良
(遼寧省微生物科學(xué)研究院,遼寧 朝陽 122000)
玉米(Zea mays)是我國主要的糧食作物,年產(chǎn)量3.36億t,占糧食總產(chǎn)量的55.3%。東北三省是我國春玉米主產(chǎn)區(qū),玉米產(chǎn)量占全國的29%[1],玉米秸稈量占全國的33.7%[2]。大量玉米秸稈被露天焚燒、堆積或遺棄,不但造成大氣污染和火災(zāi)隱患,也成為農(nóng)田面源污染的重要來源。另外長期以來為了追求產(chǎn)量提升,氮肥施用過量問題長期存在且很難逆轉(zhuǎn),同時面臨著土地肥力透支和肥料過量引起的污染等問題。過量施肥導(dǎo)致剩余部分的氮、磷營養(yǎng)元素通過地表徑流、土壤滲濾進(jìn)入河流造成水體富營養(yǎng)化,與農(nóng)田淋溶相關(guān)的”三氮”(硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、銨氮)是地下水最主要的污染源[3]。因此,在玉米提質(zhì)增產(chǎn)的同時,保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少農(nóng)業(yè)面源污染已刻不容緩。
控制農(nóng)業(yè)面源污染的方法主要包括水肥控制法、種植制度優(yōu)化法、人工濕地及生態(tài)帶攔截技術(shù)、秸稈還田和土壤改良技術(shù)等[4,5]。秸稈還田不僅可以增加土壤有機(jī)質(zhì),還能起到防風(fēng)蝕水蝕和保墑等作用,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改良土壤和減輕農(nóng)田面源污染的有效途徑之一。目前,國內(nèi)外對秸稈還田方式、還田量等對氮素利用、轉(zhuǎn)化、淋溶等的影響進(jìn)行了大量研究。許明敏等[6]研究表明,秸稈層及其界面土壤的氮素含量與微生物群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān),秸稈還田供應(yīng)的大量有機(jī)碳素營養(yǎng)促進(jìn)微生物的大量繁衍,微生物分泌各種酶類增強(qiáng)耕層土壤氮素的轉(zhuǎn)化和土壤的礦化。吳三鼎等[7]采取秸稈深埋措施研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田能減少土壤剖面硝態(tài)氮含量,并延緩硝態(tài)氮的淋溶下移。秸稈還田能夠提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,增加土壤團(tuán)聚體碳含量,降低土壤容重,增強(qiáng)土壤持水性能,對土壤質(zhì)量和玉米產(chǎn)量的提高具有促進(jìn)作用[8,9]。
秸稈還田具有減施增效和環(huán)境友好的優(yōu)點,但不同地區(qū)、不同土壤類型和降水灌溉條件對氮素的淋溶等影響巨大,秸稈還田對淋溶的效用和對產(chǎn)量的影響有所差別,因此,因地制宜地選擇適宜的秸稈還田模式可以確保農(nóng)業(yè)收益的最大化。鑒于此,本研究采用不同深度土層氮素測定與耕層下原位滲漏池相結(jié)合方法,研究半干旱地區(qū)褐土不同土層氮素的滯留量和耕層下氮素淋溶量,探討不同秸稈還田量對土壤氮垂直遷移的影響,并采用回歸分析方法探索玉米籽粒增產(chǎn)的最佳秸稈還田量,以期為提高秸稈資源利用效率、改善水土保持能力、控制農(nóng)業(yè)面源污染、提高作物產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù),從而豐富秸稈還田技術(shù)優(yōu)勢的理論基礎(chǔ)。
試驗在遼寧省朝陽市喀左縣六官營子鎮(zhèn)東前溝村試驗基地(119°39′25″E、41°09′15″N,海拔301 m)進(jìn)行。該區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫9℃左右,年均日照時數(shù)2 850~2 950 h,年降水量450~500 mm,無霜期120~155 d。冬季干燥,寒冷期長,春秋季風(fēng)大,日照充足,晝夜溫差較大,四季分明。
試驗地為褐土,中等肥力,耕層有機(jī)質(zhì)含量16.29 g/kg、全氮659.00 mg/kg、全磷95.00 mg/kg、全鉀18.17 g/kg、有效磷18.60 mg/kg、速效鉀62.00 mg/kg,pH值6.65。當(dāng)?shù)仫L(fēng)干玉米秸稈年平均產(chǎn)量約10 000 kg/hm2,其氮磷鉀含量分別為0.52%、0.26%、0.84%。試驗設(shè)置前種植方式為玉米連作、秸稈離田。
試驗于2020年春耕前(4月下旬)采用田間小區(qū)試驗法,小區(qū)面積6.0 m×8.0 m=48 m2,小區(qū)橫向隔離0.8 m,縱向隔離1.0 m。秸稈還田方式采用翻耕還田,翻耕深度(25±2)cm。每小區(qū)選1.5 m×0.8 m區(qū)域作為淋溶測試區(qū),開溝深度為40 cm。此區(qū)域周圍和底部均用塑料薄膜圍住,僅在底部中心預(yù)留出淋溶筒的位置,置入專用淋溶筒(直徑40 cm,高40 cm)。淋溶筒上插入一根透氣管(直徑0.8 cm),透氣管僅插入筒蓋下3~5 cm處即可。桶面覆蓋裝有5 cm厚細(xì)沙的100目尼龍袋,防止細(xì)土滲入淋溶筒,原土回填至25 cm深左右。與整個小區(qū)一樣鋪設(shè)玉米秸稈層。
秸稈從試驗區(qū)本地購買,自然風(fēng)干,打碎壓塊(≤30 mm)。秸稈用量按小區(qū)設(shè)置進(jìn)行,回填土至地面平整。按常規(guī)玉米種植方法地面起壟、壟臺播種,株距33 cm,行距50 cm。澆水、除草措施等田間管理按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。
試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,共設(shè)8個處理,分別為:不施肥CKN;常規(guī)施肥CK;常規(guī)施肥+0.25 kg/m2秸稈(0.25S);常規(guī)施肥+0.5 kg/m2秸稈(0.50S);常規(guī)施肥+0.75 kg/m2秸稈(0.75S);常規(guī)施肥+1.00 kg/m2秸稈(1.00S);常規(guī)施肥+1.25 kg/m2秸稈(1.25S);常規(guī)施肥+1.50 kg/m2秸稈(1.50S),每處理重復(fù)3次。
供試玉米品種為春玉米吉第67。常規(guī)施肥用玉米專用復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=28-14-12),緩釋劑型,用量為600 kg/hm2,相當(dāng)于純氮(N)168 kg/hm2、P2O584 kg/hm2、K2O 72 kg/hm2,生長季未追肥。玉米生育期(5月初至9月底)內(nèi)自然降水量為380 mm。
1.3.1 土壤樣品 于播種前和收獲后按五點取樣法,各處理分別取0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土層土壤,帶回實驗室風(fēng)干,同土層5個重復(fù)混勻為一個樣品,過60目篩后備用。
1.3.2 淋溶液樣品 玉米生長季結(jié)束后將淋溶筒取出,量取淋溶液體積并測定其形態(tài)氮素含量。淋溶量(mg/m2)=(淋溶液氮素含量×淋溶液總量)/淋溶面積。
1.4.1 氮素 采用鮑士旦[10]的方法測定。土壤全氮經(jīng)濃硫酸和高氯酸消煮,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮通過氯化鉀溶液(1 mol/L)浸提后,使用FIA6000+流動分析儀進(jìn)行測定[11]。淋溶液中氮素參照文獻(xiàn)[12]中水樣分析測試法測定,T-N采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法,NH+4-N采用鈉氏試劑比色法,NO-3-N采用酚二磺酸光度法,NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。
1.4.2 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素 玉米完熟期(10月10日)收獲,統(tǒng)計各處理穗長、穗粗、穗行數(shù)、百粒重,并按小區(qū)脫粒測產(chǎn),同時測含水量,并折算成籽粒標(biāo)準(zhǔn)含水量(14%)下的產(chǎn)量。
采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,方差分析和差異顯著性比較采用單因素方差(one way-ANOVA)和鄧肯氏(Duncan’s)法(α=0.05),用Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析。
由各處理土壤全氮(T-N)含量變化特征發(fā)現(xiàn),不同處理土壤全氮隨剖面向下呈逐漸降低趨勢(圖1A),即0~20 cm>20~40 cm>40~60 cm>60~80 cm>80~100 cm。同一土層比較,常規(guī)施肥(CK)全氮含量最高,秸稈還田各處理均低于CK,而不施肥(CKN)偏低。
由各處理土壤銨態(tài)氮(NH+4-N)含量變化特征發(fā)現(xiàn),隨土壤剖面深度的增加銨態(tài)氮含量先稍增高后逐漸降低(圖1B),即20~40 cm土層銨態(tài)氮含量最高,其次是0~20 cm土層,40 cm以下依次減少。同一土層來看,銨態(tài)氮含量仍表現(xiàn)為不施肥CKN最低,常規(guī)施肥(CK)與不同量秸稈還田處理差異不明顯。
由圖1C可見,隨土壤剖面深度的增加硝態(tài)氮(NO-3-N)含量先明顯增高而后逐漸降低,即20~40 cm土層硝態(tài)氮含量最高,其次是0~20 cm土層,40 cm以下依次減少。同一土層比較,不施肥處理(CKN)硝態(tài)氮含量明顯偏低,尤其是耕層(40 cm以上),而常規(guī)施肥(CK)和秸稈還田各處理差異不顯著。
由圖1D看出,不同處理土壤亞硝態(tài)氮(NO-2-N)含量隨土層深度的增加先顯著升高后降低,20~40 cm土層亞硝態(tài)氮含量最高,與硝態(tài)氮不同的是之后依次為40~60、60~80、0~20、80~100 cm土層。同一土層各處理間亞硝態(tài)氮含量差異不大,不施肥(CKN)、常規(guī)施肥(CK)和秸稈還田處理對其影響均不明顯。
圖1 0~100 cm土壤剖面T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N含量變化
綜上分析,全氮含量隨著土壤剖面向下逐漸降低,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮含量在土壤亞表層明顯增加,這可能與秸稈還田位置恰好處于該土層有關(guān)。
由表1可知,與常規(guī)施肥(CK)相比,淋溶液中全氮淋溶量降低8.07%~18.78%,銨態(tài)氮淋溶量降低7.89%~30.17%,硝態(tài)氮淋溶量降低3.19%~6.73%,亞硝態(tài)氮淋溶量降低7.20%~16.99%,而未施肥對照(CKN)全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量較CK低20.83%、43.21%、46.60%和72.58%。整體看來,CK>常規(guī)施肥+秸稈還田>CKN,可見施用氮肥是氮素淋溶的最主要來源,秸稈還田措施能夠有效降低氮素淋失量。從淋失量比例分析,秸稈還田對T-N和NH+4-N的淋溶阻控效果最好,對作用稍差,但差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。
表1 秸稈還田量對氮素淋溶的影響
表2 秸稈還田量與氮素淋溶的相關(guān)分析
圖2 淋溶液中總氮及不同形態(tài)氮含量與秸稈還田量的關(guān)系
由表3可知,常規(guī)施肥條件下各秸稈還田處理玉米籽粒產(chǎn)量、穗長、穗粗、穗行數(shù)和百粒重較不施肥(CKN)和常規(guī)施肥(CK)均有提高,其中產(chǎn)量與穗長差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。與CK相比,產(chǎn)量、穗長、穗粗、穗行數(shù)和百粒重增幅分別為6.36%~14.65%、3.05%~11.30%、0.34%~1.19%、6.64%~10.90%和0.74%~2.39%,未施肥(CKN)較CK則分別降低7.12%、11.59%、0.54%、5.45%和0.52%。可見秸稈還田能在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)土壤肥效,顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量。當(dāng)秸稈還田量為0.75 kg/m2時玉米籽粒產(chǎn)量最高,較CK增產(chǎn)14.65%,穗長、穗行數(shù)和百粒重均高于其他處理。
表3 不同秸稈還田量對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響
Pearson相關(guān)分析表明(表4),玉米籽粒產(chǎn)量對其構(gòu)成因素相關(guān)性由大到小依次為穗長、百粒重、穗行數(shù)和穗粗。
表4 秸稈還田量對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的相關(guān)分析
回歸分析(圖3)表明,玉米籽粒產(chǎn)量隨秸稈量增加先較快上升,出現(xiàn)肥效遞增效應(yīng),產(chǎn)量持續(xù)增加,而后單位秸稈量的增產(chǎn)量逐漸減少,出現(xiàn)肥效遞減階段,產(chǎn)量達(dá)到上限后肥料進(jìn)入負(fù)效應(yīng)階段。當(dāng)玉米籽粒產(chǎn)量達(dá)到上限后,秸稈還田量過多,導(dǎo)致土壤中碳氮比過高,氮素被土壤固持,影響玉米氮素吸收,營養(yǎng)元素的失衡不利于根系營養(yǎng)吸收,導(dǎo)致產(chǎn)量下降。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,結(jié)合耕層下淋溶量的差異分析,秸稈還田量以0.75 kg/m2左右為最優(yōu)。
圖3 玉米籽粒產(chǎn)量與秸稈還田量的關(guān)系
通過氮素淋溶遷移和玉米產(chǎn)量與秸稈還田量的相關(guān)分析,確定秸稈還田0.75 kg/m2為推薦秸稈還田量。由圖4可知,與常規(guī)施肥(CK)相比,秸稈推薦還田量處理和未施肥處理(CKN)的土壤全氮在0~100 cm各土層中明顯偏低,同一土層不同處理整體表現(xiàn)為CK>0.75S>CKN。與栽培前相比,收獲后各處理土壤全氮含量稍有降低,而銨態(tài)氮含量比栽培前稍高,但無明顯差異。各處理收獲期土壤硝態(tài)氮含量顯著低于栽培前,可見試驗區(qū)常規(guī)氮肥施用量并未過量,推測玉米生長季期間硝態(tài)氮被作物吸收或者轉(zhuǎn)化為其他類型氮素。而土壤亞硝態(tài)氮以20~40 cm土層含量較高,其他土層相對較低,栽培前亞硝態(tài)氮含量低,經(jīng)過一個生長季收獲期亞硝態(tài)氮含量普遍提高4~8倍。
圖4 0~100 cm土層土壤總氮及不同形態(tài)氮含量差異
秸稈直接還田是農(nóng)作物秸稈綜合利用最主要的途徑,對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。本研究結(jié)果表明,秸稈還田對減緩?fù)寥赖亓苋苡绊戯@著,與CK相比,秸稈還田不同程度降低了氮素淋溶下移的速度,對T-N和NH+4-N的效果較好,對NO-3-N和NO-2-N淋失阻控作用稍差。這與白云[13]和Xia等[14]的研究結(jié)果基本一致。收獲期土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與分布主要受秸稈腐解、土壤礦化和根系分布影響。秸稈翻耕還田降低土壤容重,進(jìn)而促進(jìn)根系的生長與下扎,同時也有利于土壤水分的貯存和微生物的繁殖[15,16]。秸稈中氮素主要以難溶的有機(jī)態(tài)存在,在自然狀態(tài)下分解較慢,釋放率僅8.3%~55.6%,而大量微生物富集在根系區(qū)域,通過礦化土壤中的有機(jī)氮釋放銨態(tài)氮,增加了根區(qū)銨態(tài)氮含量。秸稈翻耕還田擾動深層土壤,降低土壤容重,增大土壤孔隙度,促進(jìn)土壤微生物的氮礦化與硝化作用,從而使易于被作物根系利用的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分布與玉米根系分布的密切相關(guān),因此,0~40 cm土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較其他土層更高[17,18]。降雨量與灌溉量也是決定土壤硝態(tài)氮淋溶下移的重要因素之一[19]。遼寧西部玉米產(chǎn)區(qū)十年九旱,試驗期間降雨量較少,對氮素淋溶試驗有一定影響,但從秸稈還田對半干旱地區(qū)氮素淋溶的影響來看具有代表意義。
秸稈還田處理可以調(diào)和氮肥施用過多造成的碳氮比減小問題,利于微生物繁殖和土壤礦化。氮肥施用過量易造成淋溶風(fēng)險提高,而秸稈本身碳氮比較高(一般為60~80),施入土壤后能夠一定程度平衡氮素過高的不良影響,從而協(xié)同增產(chǎn)增收,實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。霍海南等[20]研究表明,秸稈還田量低于收獲量的67%,影響自養(yǎng)硝化速率,從而增加無機(jī)氮損失風(fēng)險。本研究結(jié)果表明,過量的秸稈還田不但不能增產(chǎn),反而使玉米產(chǎn)量有所下降。秸稈作為一種培肥土壤的營養(yǎng)要素,具有所有肥料共同的肥效特性,通過秸稈還田量與產(chǎn)量的肥效回歸分析,確定適宜的添加量,從而獲得更高的投入產(chǎn)出比。陳富強(qiáng)等[21]研究發(fā)現(xiàn),800 kg/hm2處理的保墑效果優(yōu)于其它秸稈還田量。根據(jù)長期秸稈還田的養(yǎng)分釋放及累積效應(yīng),秸稈還田配施氮肥下玉米合理施氮量應(yīng)控制在150~203 kg/hm2,適宜的秸稈還田量與合理的施氮量相輔相成,才能實現(xiàn)既提高玉米產(chǎn)量和氮肥利用率,又能降低氮素淋溶所致環(huán)境風(fēng)險[22,23]。
前人研究表明,穗行數(shù)和穗長是玉米產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),同時兼顧千粒重協(xié)調(diào)發(fā)展,因此,提高穗長和穗行數(shù)是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理的玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素均提高,尤其是穗長和穗行數(shù),最終不同程度地提高玉米產(chǎn)量。另外由于秸稈還田使土壤保墑和保水等性能提高,還田土壤玉米根系更發(fā)達(dá)、營養(yǎng)吸收更好也是玉米產(chǎn)量提高的重要因素。
秸稈還田能夠充分調(diào)動土壤營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化和循環(huán),利于玉米根系下扎,增強(qiáng)根系所在耕層土壤的氮素轉(zhuǎn)化和固持,促進(jìn)玉米生長發(fā)育。秸稈深還田顯著增加了玉米籽粒產(chǎn)量,施用量為0.75 kg/m2時增產(chǎn)效用最大,不僅使春玉米長勢良好、根系發(fā)達(dá)、產(chǎn)量提高,還能明顯減少春玉米種植期間土壤T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N隨灌溉和降水淋失,從而降低玉米地農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。該技術(shù)可以在半干旱褐土區(qū)春玉米生產(chǎn)中加以推廣應(yīng)用。