萬辰,馬瑛駿,張克強(qiáng),王風(fēng),沈仕洲*
(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所,天津 300191;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,昆明 650201;3.云南大理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站,云南大理 671004;4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030)
化肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,施用化肥是提高土壤肥力和作物產(chǎn)量的必要措施[1]。近年來,為提高產(chǎn)量而過量施用化肥導(dǎo)致的土壤地力退化,特別是土壤有機(jī)質(zhì)含量下降和土壤養(yǎng)分失衡,對土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量造成了長期的負(fù)面影響[2]。20世紀(jì)80年代以來,我國大力推薦施用有機(jī)肥。有機(jī)肥養(yǎng)分全面,有機(jī)質(zhì)含量高,肥效長,能改善土壤生態(tài)系統(tǒng)使其良性循環(huán),改良土壤,保持土壤肥力,提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,減少或消除長期單施或過量施用化學(xué)肥料帶來的負(fù)面影響[3]。有研究表明,化學(xué)肥料與有機(jī)肥配施可以增加土壤養(yǎng)分,提高土壤保肥能力以及肥料利用率,促進(jìn)作物可持續(xù)生產(chǎn)[4-5]。劉彥伶等[6]的研究發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷的含量,特別是有機(jī)肥與化肥配施效果最為明顯。因為施用有機(jī)物料增加了土壤有機(jī)碳庫,使微生物活性增強(qiáng),從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化,增加了土壤氮磷有效養(yǎng)分[7]。張鑫等[8]的研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)施肥相比,配施腐植酸、有機(jī)肥的土壤中有機(jī)質(zhì)含量平均增加2.38%和2.98%,速效氮含量平均增加5.69%和9.82%,有效磷含量平均增加14.47%和19.60%。有機(jī)肥肥效較慢,養(yǎng)分含量較低,難以滿足作物生長期對養(yǎng)分的需求,因此,需要與化學(xué)肥料配合使用,以達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的效果[9-12]。馬肖等[13]的研究結(jié)果表明,在化肥減量25%,有機(jī)肥配施量為3 375 kg·hm-2和4 500 kg·hm-2時,油菜產(chǎn)量分別提高102.0 kg·hm-2和343.5 kg·hm-2,增產(chǎn)5.6%和19.0%。在我國發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的大背景下,有機(jī)無機(jī)肥配施的施肥方式將是我國今后施肥發(fā)展的必然趨勢。
洱海位于云南大理白族自治州中部,是云南省第二大高原淡水湖以及國家重點(diǎn)保護(hù)水域。農(nóng)業(yè)是該流域的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[14]。2000年以來,隨著洱海流域的快速發(fā)展,洱海污染負(fù)荷不斷增加,水質(zhì)不斷下降,已成為富營養(yǎng)化初期湖泊。農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致洱海水質(zhì)下降和富營養(yǎng)化的重要因素[15]。研究發(fā)現(xiàn)[16-17],不合理的種植結(jié)構(gòu)和施肥管理是造成農(nóng)田氮磷流失、洱海富營養(yǎng)化加劇的重要原因。例如,在流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中,大蒜種植對種植業(yè)總氮和總磷的貢獻(xiàn)率最大,占到流域種植業(yè)總排放量的74%[18]。油菜屬于旱季越冬作物,對水肥需求較低,同時具有較高的經(jīng)濟(jì)價值,推廣油菜種植對于洱海流域替代以大蒜為主的高水肥作物、改善種植結(jié)構(gòu)具有重要意義。本研究設(shè)置不同有機(jī)肥替代的施肥處理,通過田間定位試驗研究不同無機(jī)有機(jī)肥配比施肥對洱海流域土壤理化性質(zhì)和油菜產(chǎn)量的影響,探究適宜當(dāng)?shù)赜筒松a(chǎn)的環(huán)境友好型施肥方式,為洱海流域種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)田科學(xué)合理施肥提供技術(shù)支撐。
試驗地位于云南省大理市喜洲鎮(zhèn),云南大理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站(25°53′34″N,100°10′27″E)。該地區(qū)氣候?qū)俚湫偷牡途暩咴衼啛釒髂霞撅L(fēng)氣候,海拔高度1 980 m,年平均氣溫14.6 ℃,主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng),多年平均降雨量為1 048 mm[19]。供試土壤為暗棕壤,試驗開始前0~20 cm 土壤基本理化性質(zhì)見表1。
表1 試驗前土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties before experiments
試驗共設(shè)8個處理:空白,不施用肥料(CK);單施化肥(CF);70%化肥+30%固體有機(jī)肥(T1);30%化肥+70%固體有機(jī)肥(T2);100%固體有機(jī)肥(T3);70%化肥+30%液體有機(jī)肥(T4);30%化肥+70%液體有機(jī)肥;100%液體有機(jī)肥(T6)。以肥料氮素折純計算各處理施肥量,各處理施肥量見表2。每個處理設(shè)3 個重復(fù),共24 個小區(qū),每個小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。
表2 各處理油菜施肥量和養(yǎng)分折純(kg·hm-2)Table 2 Fertilizer amount and nutrient content of rapeseed in each treatment(kg·hm-2)
田間試驗時間為2020 年12 月1 日至2021 年5 月6 日。其中,固體有機(jī)肥在翻耕前一次性施入,翻耕深度約20 cm;50%氮肥、50%液體有機(jī)肥、全部磷肥、全部鉀肥在翻耕后第2 d 一次性施入;其余氮肥和液體有機(jī)肥在越冬期(苗肥)施用20%、初薹期施用30%。常規(guī)施肥中氮肥為尿素(含氮量46%),磷肥為過磷酸鈣(含磷量16%),鉀肥為氯化鉀(含鉀量60%);固體有機(jī)肥為牛糞有機(jī)肥(精制商品有機(jī)肥),氮(N)2.3%,磷(P2O5)2.4%,鉀(K2O)5.7%;液體有機(jī)肥為含腐植酸的水溶肥,氮(N)120 g·L-1,磷(P2O5)30 g·L-1,鉀(K2O)50 g·L-1。種植密度為25 000株·hm-2。
油菜收獲后,采用五點(diǎn)混合法采集每個小區(qū)0~20 cm的土壤樣品,風(fēng)干,再根據(jù)不同指標(biāo)要求研磨過篩。土壤容重采用環(huán)刀法測定,土壤pH值用土/水(1∶2.5)浸提法測定,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定,全氮采用濃硫酸-蒸餾滴定法測定,全磷采用濃硫酸高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定,銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測定,硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提-分光光度法測定,有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[20]。
在油菜收獲后進(jìn)行產(chǎn)量構(gòu)成因素測量及統(tǒng)計,每小區(qū)選取代表性植株6 株,將整個植株帶根挖出洗凈。用卷尺測量株高,并調(diào)查一次分枝數(shù)、單株角數(shù)、每角粒數(shù)、角果長度、千粒質(zhì)量;同時每個小區(qū)油菜割桿后,晾曬干燥7 d,再分別進(jìn)行打收稱取質(zhì)量,測定其產(chǎn)量[21]。
利用SPSS 25.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及顯著性差異分析,用Origin 2019做圖。
由圖1A 可知,不同施肥處理對土壤全氮含量影響較大。其中CK、T1、T2、T3、T4 和T5 處理收獲后土壤全氮含量較試前含量均有所下降,下降幅度分別為19.42%、4.48%、11.06%、15.59%、1.96%和1.43%,隨著固體有機(jī)肥配施比例的增加,全氮含量呈下降趨勢;CF 與T6 處理的全氮含量增加,增加幅度分別為2.66%和6.57%。
由圖1B 和圖1C 可知,各施肥處理中,除T2 處理土壤銨態(tài)氮下降11.77%和T3 處理土壤硝態(tài)氮下降1.64%外,土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量較試驗前土壤均得到提高,而不施肥處理的含量均降低,分別降低22.36%、33.21%,說明施肥對提高土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量有明顯的促進(jìn)作用。T1、T4 和T6 處理對土壤銨態(tài)氮含量提升較大,增幅范圍在28.99%~39.92%。對于土壤硝態(tài)氮,固體有機(jī)肥配施處理與液體有機(jī)肥配施處理差異明顯,濃度分別增加1.10%~108.79%和71.18%~270.94%,可以看出液體有機(jī)肥的處理效果比固體有機(jī)肥更加顯著。單施液體有機(jī)肥處理的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量提升均最大,分別為39.92%和270.94%。
由圖2A 可知,除T3 處理土壤全磷含量較試驗前上升0.99%外,其余各處理較試驗前土壤均降低。固體有機(jī)肥與液體有機(jī)肥處理效果差異較大,T1、T2、T3 處理土壤全磷含量與有機(jī)肥配施比例變化呈正相關(guān),而T4、T5、T6處理呈負(fù)相關(guān),且固體有機(jī)肥對增加土壤全磷含量的效果優(yōu)于液體有機(jī)肥,在相同配比條件下,固體有機(jī)肥處理效果分別比液體有機(jī)肥高1.53%、8.20%、17.84%。
由圖2B 可知,對于土壤有效磷,與試驗前土壤相比,除CK 和T3 處理分別下降16.55%和3.33%外,其余施肥處理有效磷含量均有所提升;其中CF 和T1 處理效果沒有顯著差異(P>0.05),而不同配比液體有機(jī)肥處理間差異較大,T4、T5、T6 處理土壤有效磷含量較試驗前分別提升了77.40%、87.66%、123.24%,且液體有機(jī)肥的效果明顯優(yōu)于其他施肥處理。
由圖3 可以看出,不同施肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的影響不同。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨有機(jī)肥配比的增加呈先上升后下降的趨勢,不同種類有機(jī)肥均是70%有機(jī)肥+30%化肥的配比效果最好,T2與T5處理有機(jī)質(zhì)含量分別增加了17.70%和28.66%,而單施有機(jī)肥的T3 和T6 處理有機(jī)質(zhì)含量較試驗前土壤提升較?。籆K、CF、T4 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較試驗前土壤均有所下降,下降幅度分別為16.11%、3.40% 和8.43%。除T4外,有機(jī)肥的施用對增加土壤有機(jī)質(zhì)含量均有提升作用。
由表3 可知,各施肥處理土壤容重變化趨勢為:CK、CF、T3 和T6 處理均導(dǎo)致土壤容重較試驗前土壤有所下降,下降幅度分別為5.94%、9.90%、9.90%和3.96%,其中單施化肥和單施固體有機(jī)肥處理土壤容重下降最多;各無機(jī)有機(jī)肥配施處理對土壤容重的影響存在差異,與試驗前土壤相比,T5 處理對土壤容重的影響效果不顯著,而T1、T2 和T4 處理使土壤容重上升幅度較大,提升幅度分別達(dá)到15.84%、16.83%和17.82%。
由表3 可知,不同施肥處理土壤pH 值大小為CK>T2>T1>CF>T3>T4>T5>T6,除液體有機(jī)肥與化肥配比處理外,其余處理pH 值較試驗前土壤均有所上升,其中T4 處理對土壤pH 值影響最小,較試驗前土壤pH 值僅下降0.11,CK 處理土壤pH 值提升最大,提升幅度為5.89%,CF、T1、T3 施肥處理pH 值變化較為接近,分別提升2.87%、3.31%、2.44%。而液體有機(jī)肥的施用普遍導(dǎo)致土壤pH值降低,與試驗前土壤相比,T4、T5處理土壤pH值分別下降1.58%、2.88%,單施液體有機(jī)肥的T6 處理土壤pH 值下降幅度最大,下降5.17%。
表3 不同施肥處理土壤容重和pH值比較Table 3 Comparison of soil bulk density and pH value in different fertilization treatments
從表4 可以看出,不同施肥處理對油菜農(nóng)藝性狀有一定的影響。各施有機(jī)肥處理中,隨著有機(jī)肥配施比例的增加,除T5 較T4 處理油菜株高上升16.98%外,油菜株高、角果長度、單株角果數(shù)、千粒質(zhì)量均呈下降趨勢,T3 與T1 相比分別下降42.40%、30.62%、45.80%、41.95%,T6 與T4 相比分別下降19.81%、19.98%、30.44%、20.18%;對于一次分枝數(shù)和每角粒數(shù),不同施肥處理間沒有顯著差異,說明施肥不是影響這兩個性狀的主要因素;不同施肥處理小區(qū)產(chǎn)量的大小為CF>T4>T1>T5>T6>T2>T3>CK,與CF 處理相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6處理的油菜產(chǎn)量分別降低了18.06%、50.35%、76.65%、13.97%、19.08%、31.72%,單施固體有機(jī)肥的T3 處理表現(xiàn)最差,小區(qū)產(chǎn)量僅比不施肥處理高5.37%。
表4 不同施肥處理油菜產(chǎn)量構(gòu)成比較Table 4 Comparison of yield composition of rapeseed in different fertilization treatments
施肥最直接的作用是增加土壤氮磷等養(yǎng)分含量。研究結(jié)果表明,與試驗前土壤相比,有機(jī)無機(jī)肥配比處理除T6 處理全氮含量上升6.57%外,全氮、全磷含量均有不同程度的下降;對于土壤全氮,隨著固體有機(jī)肥配施比例的提升,氮素含量下降幅度變大,原因是有機(jī)肥分解緩慢,大部分氮素隨有機(jī)肥停留在土壤表層,在同等施氮條件下較化肥生效慢;隨著液體有機(jī)肥配施比例的提升,氮素含量下降幅度變小,原因是液體有機(jī)肥中含有的大量速效養(yǎng)分能快速提高土壤氮素含量水平。對于土壤全磷,T1~T3 處理土壤全磷含量與有機(jī)肥配施比例變化呈正相關(guān),而T4~T6處理呈負(fù)相關(guān),原因是以氮素折純確定施肥量,隨著同等氮素下有機(jī)肥配比的增加,固體有機(jī)肥肥料中磷素的占比大幅增加,而液體有機(jī)肥中磷素占比卻大幅減小,因此在實際生產(chǎn)中,應(yīng)為液體有機(jī)肥配施一定量的磷肥,以補(bǔ)充磷素。
施肥對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量也有明顯的影響。與試驗前土壤相比,在不施肥的情況下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量下降顯著,除T2、T3處理外其他施肥處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量均有提升,原因是T2、T3 處理的固體有機(jī)肥占比過高,肥效緩慢;液體有機(jī)肥的施用能使土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量在短時間內(nèi)大幅提高,尤其是在單施液體有機(jī)肥的情況下,增幅分別達(dá)到39.92%、270.94%、123.24%。柴彥君等[22]和張宏偉等[23]的研究結(jié)果表明,有機(jī)肥中的大量腐植酸對于培肥改良土壤具有重要作用,特別是對提升土壤速效養(yǎng)分含量有顯著作用。這可能是由于腐植酸富含各種官能團(tuán),這些官能團(tuán)能與土壤中富含氮、磷養(yǎng)分的陽離子形成絡(luò)合物,減少土壤氮素、磷素的各種流失,抑制氮、磷在土壤中的固定,能使土壤釋放更多的無效態(tài)氮和磷,同時有機(jī)物料的施用增加了土壤有機(jī)碳庫,增強(qiáng)了微生物的活性,從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化,提高了土壤氮磷速效養(yǎng)分的含量。
研究表明有機(jī)肥的施用使大量有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤,30 a長期定位試驗表明,施有機(jī)肥的西北地區(qū)和華北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均增加了51%和68%,南方旱地和長江流域水田土壤有機(jī)質(zhì)含量平均增加24%[24]。劉燦華等[25]的研究發(fā)現(xiàn),單施化肥土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯降低,有機(jī)無機(jī)肥配施土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,其中化肥配施腐植酸的土壤有機(jī)質(zhì)含量高于其他處理。本研究發(fā)現(xiàn),不施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量下降了16.0%,說明沒有有機(jī)肥的施入會導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)不斷被消耗,隨有機(jī)肥施用配比的增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量也呈上升趨勢,說明有機(jī)肥的施用可以直接將有機(jī)質(zhì)帶入土壤,其中70%液體有機(jī)肥+30%化肥的配比效果最好,使土壤有機(jī)質(zhì)增加28.66%。有機(jī)質(zhì)不僅能提高土壤總孔隙度、含水量、陽離子交換量,還能強(qiáng)化土壤微生物代謝,加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化,從而產(chǎn)生大量有機(jī)酸,并通過酸溶作用促進(jìn)土壤養(yǎng)分釋放,使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。
土壤容重是重要的土壤物理性質(zhì)指標(biāo),土壤容重大小可較好地反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性和溶質(zhì)遷移潛力[26]。不同施肥處理有機(jī)物料的比例,能對土壤容重產(chǎn)生較大影響。OPOKU-KWANOWAA 等[27]的研究表明,有機(jī)肥處理組與空白對照組相比,土壤容重下降了5.6%~18.0%,孔隙度顯著提升了6.0%~25.9%,且在處理后的土壤中記錄到較高的黏粒含量和淤泥含量。本研究發(fā)現(xiàn),與試驗前土壤相比,不施肥處理、單施化肥、單施固體有機(jī)肥和單施液體有機(jī)肥分別使土壤容重下降了6.32%、9.90%、9.90%、3.96%,單施化肥效果最好,而有機(jī)無機(jī)肥配施均導(dǎo)致土壤容重上升,這可能是因為化肥的加入導(dǎo)致有機(jī)肥分解緩慢,短時間內(nèi)無法促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。眾多研究顯示[28-30],有機(jī)肥處理的土壤氣相普遍偏高,而液相普遍偏低,原因是有機(jī)肥的施入使土壤中有機(jī)無機(jī)復(fù)合體增加,有利于土壤微團(tuán)聚體的形成,能有效提高土壤的孔隙度,疏松土壤,促進(jìn)土壤微生物活性的提升,降低土壤容重。王改蘭等[31]的研究發(fā)現(xiàn),單施化肥也能改善土壤的物理性質(zhì),如土壤容重、土壤孔隙度等。但是單施化肥不利于土壤物理結(jié)構(gòu)的形成,且有損害土壤物理結(jié)構(gòu)的趨勢,這需要有機(jī)肥施用長期定位試驗進(jìn)一步驗證。
土壤pH 值直接影響土壤肥力和作物生長發(fā)育。在我國長江三角洲地區(qū),蔬菜種植規(guī)模較高,大面積種植導(dǎo)致復(fù)種指數(shù)高,且施用肥料以化肥為主,肥料投入比例較高。這種種植模式導(dǎo)致該地區(qū)土壤出現(xiàn)酸化現(xiàn)象[32]。本研究發(fā)現(xiàn),固體有機(jī)肥的施用使土壤pH 值有所提升,其中單施固體有機(jī)肥的施肥方式維持土壤pH 值的效果最好,而液體有機(jī)肥的施用普遍導(dǎo)致土壤pH 值的降低,與試驗前土壤相比,T4、T5、T6 處理分別導(dǎo)致土壤pH 值下降了1.58%、2.88%和5.17%。張世民等[33]發(fā)現(xiàn),沼肥處理無論在壤土還是砂壤土的各處理中pH 值均為最低,表明沼肥的施入有降低土壤pH 值的效果。王毅琪等[34]也發(fā)現(xiàn),隨施用沼液濃度的提高,土壤pH 值呈明顯下降趨勢。這與本研究結(jié)果相符,原因可能是液體有機(jī)肥中含有大量腐植酸。
研究結(jié)果表明,單施化肥處理的油菜產(chǎn)量達(dá)到最大,與其相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理的油菜產(chǎn)量分別減少了18.06%、50.35%、76.65%、13.97%、19.08%、31.72%,除CK 外,單施固體有機(jī)肥處理的油菜產(chǎn)量最低,僅有1 766 kg·hm-2,原因是有機(jī)肥肥效緩慢,不能滿足油菜生長期旺盛的養(yǎng)分需求,因此有機(jī)肥需要與化肥配合使用才能達(dá)到最好的效果,其中T1、T4 處理施肥效果較好,較單施化肥僅降低了18.06%、13.97%;隨著有機(jī)肥在肥料配比中的增加,油菜株高、角果長度、單株角果數(shù)、千粒質(zhì)量也均呈下降趨勢,這也是施用有機(jī)肥造成油菜減產(chǎn)的原因之一,可能是在油菜蕾薹期養(yǎng)分供給不足,可以通過增加基肥施用比例和在蕾薹期中追施速效肥的方法解決,從而維持施用有機(jī)肥后的油菜產(chǎn)量。有機(jī)無機(jī)肥配施雖然會造成作物一定程度的減產(chǎn),但考慮到有機(jī)肥對土壤培肥是一個較為緩慢的過程,長期進(jìn)行有機(jī)無機(jī)配施在增產(chǎn)方面可能有更好的效果,可通過開展有機(jī)肥施用的長期定位試驗,闡明有機(jī)無機(jī)肥配施對作物和環(huán)境的長期影響。
(1)與單施化肥相比,有機(jī)肥的施加使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加;除單施化肥和單施液體有機(jī)肥處理土壤全氮含量提升2.66%和6.57%外,其他各土壤全氮、全磷含量較試驗前均下降;施加液體有機(jī)肥使土壤速效養(yǎng)分顯著增加。
(2)與無機(jī)有機(jī)肥配施相比,單施有機(jī)肥土壤容重有所下降;液體有機(jī)肥的施用會導(dǎo)致土壤pH 值下降,且隨著液體有機(jī)肥施用占比的提升下降幅度增大。
(3)各無機(jī)有機(jī)肥配施處理均比單施化肥降低了油菜產(chǎn)量,綜合考慮不同施肥處理對土壤環(huán)境和油菜產(chǎn)量的影響,30%固體有機(jī)肥替代的施肥方式既能維持油菜的產(chǎn)量,又能改善土壤理化性質(zhì),是較優(yōu)的施肥方式。