鄧?yán)罚悤苑?,?璇,崔榮陽,周 濤,劉剛才
(1中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041;2中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3四川省綿陽市鹽亭縣大興回族鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心,四川鹽亭 621600)
眾所周知,N和P等營養(yǎng)物質(zhì)對植物生長至關(guān)重要,化肥正在越來越多地使用,以提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入[1-4]。為了養(yǎng)活不斷增長的全球人口,每年約2億t化肥(氮、磷和鉀)用于世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(www.fao.org/faostat/)。不幸的是,當(dāng)這些營養(yǎng)物質(zhì)過量地應(yīng)用于農(nóng)田時(shí),它們并不完全被植物或作物消耗,從而進(jìn)入并污染水體[1]。施肥率和施肥方法都會(huì)影響地表水質(zhì)量,通常情況下,較高的施肥率會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化而污染水體[5-8]。
為了防治水體污染,各種減肥(氮)措施應(yīng)運(yùn)而生。目前,這些措施主要有:緩釋氮肥[9-12]、施用有機(jī)肥[13-14]、脲酶抑制劑[15-16]和微生物菌劑[17],以及農(nóng)藝方面的措施,包括種植綠肥[18-19]、耕作措施[20]、秸稈還田[21-22]和水肥耦合(水肥一體化)[23-24],等等,這些措施表明:減氮20%~30%對作物的產(chǎn)量無顯著影響。近年來,政府部門正努力減少化肥過量使用而造成的污染,包括取消化肥補(bǔ)貼和實(shí)施測土施肥等[25],包括2015年發(fā)布的“水污染控制行動(dòng)計(jì)劃”,但農(nóng)業(yè)面源污染控制的進(jìn)展仍然緩慢[26],減肥增效的目標(biāo)還任重道遠(yuǎn)。
紫色土約占長江上游土地面積(100.5萬km2)的18%,集中分布在四川盆地(含四川省和重慶市)和云南省境內(nèi),這三省市境內(nèi)的紫色土約占全國總紫色土面積的75%[27]。小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物(小麥、稻谷和玉米)之一[28],也是中國和四川盆地的主要糧食作物之一,據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒,2019年全國和四川小麥播種面積分別占糧食作物面積的17.0%和9.7%。因此,小麥的高效施肥,對糧食和生態(tài)安全都極其重要。另一方面,四川盆地丘陵區(qū)季節(jié)性干旱突出:常有春夏伏旱發(fā)生,甚至連續(xù)發(fā)生,其頻率分別高達(dá)55%、68%和73%[29]。但是,水肥耦合相關(guān)研究目前主要集中于北方等干旱或半干旱區(qū)域[30],而在四川盆地這些季節(jié)性干旱區(qū)還幾乎沒有研究報(bào)道。為此,本研究的目標(biāo)是:(1)認(rèn)識(shí)水肥耦合對紫色土上小麥肥料減施效應(yīng)的影響特征;(2)初步揭示水肥耦合對紫色土上小麥肥料減施效應(yīng)的作用機(jī)理,為該區(qū)小麥的高效施肥提供科學(xué)依據(jù)。
本研究主要采取田間小區(qū)和盆栽試驗(yàn)的方法。田間小區(qū)試驗(yàn)位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)青峰村5組(E105°27.6′,N31°17.2′)。盆栽試驗(yàn)位于四川鹽亭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(E105°28.1′,N31°16.7′);盆栽置于田間地塊內(nèi)。并于2018年10月至2020年5月開展了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)的小麥品種為‘榮春南麥1號(hào)’。
試驗(yàn)區(qū)的氣候類型為中亞熱帶氣候帶,年平均氣溫17.3℃,大于0℃的積溫為3000~5700℃,平均年降雨量825.5 mm,無霜期294天;陡坎和坡頂以榿柏混交林為主,覆蓋率44.6%[31]。
試驗(yàn)地的土壤類型為石灰性(鈣質(zhì))紫色土,土壤母質(zhì)為中生界侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上部風(fēng)化物,質(zhì)地中壤,容重1.42 g/cm3,pH 8.15,有機(jī)質(zhì)含量為10.92 g/kg,全N含量為1.13 g/kg,全P含量為0.90 g/kg,全K含量為20.42 g/kg,堿解N含量為101.74 mg/kg,有效P含量為16.63 mg/kg,速效K量為118.83 mg/kg。
小區(qū)和盆栽試驗(yàn)設(shè)有以下施肥處理(表1)[32]。
表1 不同施肥處理的施肥水平
試驗(yàn)所施用的肥料為碳酸氫銨(含N 17%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%);小區(qū)試驗(yàn)面積20 m2,3次重復(fù),小區(qū)隨機(jī)排列;盆栽試驗(yàn)的盆缽大小為:上、下口直徑分別為33 cm、24 cm,高38 cm。
習(xí)慣施肥FP處理的所用肥料一次性在小麥播種時(shí)施入。水肥耦合處理(T1、T2和T3)的,播種時(shí)施用60%的肥料,小麥分蘗期施用40%的肥料;并且,肥料先溶于一定量(根據(jù)土壤當(dāng)時(shí)的墑情定:土壤水分較多則用少量水即可,反之則反)的自來水后再施入土壤;同時(shí),小麥生長期間,根據(jù)土壤墑情(土壤水分用便攜式土壤水分儀[33](TRIME-EZ)測定)實(shí)施不同程度的澆水,即T1、T2和T3各處理分別澆水至田間持水量的85%~100%、70%~75%和55%~60%。
小麥成熟后(2019年5月和2020年5月),各試驗(yàn)小區(qū)和盆缽人工收獲、測產(chǎn)。同時(shí),小區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行考種,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取20株測定株高和穗長,并放回全部脫粒,籽粒與秸稈分別在65℃烘箱中烘至恒重,記錄重量,測千粒重;根據(jù)籽粒和秸稈產(chǎn)量計(jì)算收獲指數(shù),根據(jù)測產(chǎn)區(qū)籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)計(jì)算秸稈產(chǎn)量;考種樣品粉碎后,分別用常規(guī)方法[34]測定秸稈和籽粒的氮、磷、鉀含量。
小麥?zhǔn)斋@后,土壤有機(jī)質(zhì)、氮等養(yǎng)分含量采用常規(guī)測試方法測定[34];土壤脲酶用苯酚鈉比色法,堿性磷酸酶用苯磷酸二鈉比色法,過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法測定[35]。
肥料養(yǎng)分(氮、磷、鉀)的利用率,采用下式[36]計(jì)算:
數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,均使用EXCEL軟件;制圖和回歸分析都采用windows系統(tǒng)下的Sigmaplot 12.0軟件。同時(shí),用最小顯著差異法(LSD)對不同施肥處理間的相關(guān)差異進(jìn)行多重比較分析。
小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合處理T1、T2和T3,肥料用量分別減少0%、15%和30%,并未使小麥地上部分的生物量和籽粒產(chǎn)量有顯著減少,T2即適時(shí)澆水到田間持水量的70%~75%,反而略有增加趨勢(圖1):相當(dāng)于習(xí)慣施肥處理的增產(chǎn)3%~6%。
圖1 小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合對小麥的影響
盆栽試驗(yàn)結(jié)果(圖2)同樣表明:水肥耦合各處理都較常規(guī)施肥FP能提高小麥的生物量和籽粒產(chǎn)量,即使施肥量減少,生物量和籽粒量都沒有明顯減少,反而有較明顯的增產(chǎn),特別是T2處理的籽粒產(chǎn)量較FP的顯著增加16%~30%。
圖2 盆栽試驗(yàn)水肥耦合對小麥的影響
小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合處理后,氮利用率較常規(guī)施肥(FP)的有明顯提高,特別是肥料減少愈多,其利用率提高愈高,當(dāng)肥料減少用量30%時(shí),其氮肥利用率較常規(guī)的提高約20%~30%;磷利用率較常規(guī)施肥的也有明顯提高,但是,肥料用量減少,提高不明顯;鉀利用率只有在肥料減少得較多(T3)時(shí),其利用率提高才明顯(圖3)。
圖3 小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合對小麥肥料利用率的影響
水肥耦合處理(T1,T2,T3)較習(xí)慣施肥處理,2019年平均提高土壤有機(jī)質(zhì)含量26.8%,提高堿解氮(有效氮)含量28.9%,2020年則分別提高26.4%和17.8%(圖4)。
圖4 不同施肥處理小區(qū)麥?zhǔn)蘸笸寥烙袡C(jī)質(zhì)和堿解氮含量
水肥耦合也能提高土壤典型酶的活性,特別是脲酶和堿性磷酸酶(圖5);同時(shí),脲酶和過氧化氫酶的活性在低肥低水(T3)時(shí)最大,而堿性磷酸酶在高肥高水(T1)時(shí)最大。
圖5 小區(qū)不同施肥處理的土壤主要酶活性
本研究表明:水肥耦合能讓紫色土上小麥減肥而不減產(chǎn),是一種有效的減肥措施[15-16]。筆者認(rèn)為主要有以下原因:
(1)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分的有效性
水肥耦合能提高土壤氮等養(yǎng)分的有效性[37-38],以及土壤有機(jī)質(zhì)含量(圖4)。
本研究還表明:澆水至田間持水量的80%左右,其肥料有效性最高,即土壤水分多或少都不利于養(yǎng)分的吸收[39],這是因?yàn)椋哼m宜的土壤水分,不僅有利于土壤微生物等活動(dòng)而提高土壤養(yǎng)分的有效性,也有利于作物的正常營養(yǎng)代謝而吸收有效養(yǎng)分[40-41]。土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分有效性提高,都有利于養(yǎng)分的吸收,因而,肥料的利用率會(huì)提高。
(2)提高土壤酶活性
土壤酶活性是土壤肥力的重要指標(biāo)之一[42-44]。通常情況下,土壤濕度較大時(shí),酶活性較高,但土壤過濕時(shí),酶活性減弱[40,43]。本測定結(jié)果表明:水肥耦合能提高土壤典型酶的活性(圖5),與已有研究結(jié)果[45-46]一致;同時(shí),也表明不同酶的活性有不同的水肥適宜條件[40,44]。由于土壤這些酶活性提高而提高了相關(guān)養(yǎng)分肥料的有效性,因而,盡管施肥減少,也不會(huì)引起作物減產(chǎn)。
多數(shù)研究表明:水肥耦合的節(jié)肥率為20.8%~90%,而增產(chǎn)率為5.1%~41.8%[47],通常在中國北方少雨水地區(qū)水肥耦合的增產(chǎn)效應(yīng)較好[48];本研究的水肥耦合試驗(yàn)結(jié)果為:當(dāng)肥料減少15%,小麥可增產(chǎn)3%~6%,也與個(gè)別已有研究結(jié)果接近[46]。本研究試驗(yàn)位于西南較濕潤區(qū),小麥生長期內(nèi),通常不需要人工灌水,主要是在旱季(2020年發(fā)生了中度春旱而灌溉了1次)灌溉少量(約200 m3/hm2)的水。這暗示了水肥耦合在雨水較多的地區(qū),其增產(chǎn)效應(yīng)不是很突出,但是能明顯提高肥料利用率,因而能防治面源污染。相對來說,中國南方濕潤地區(qū)水肥耦合方面的相關(guān)研究還較少[49]。隨著水肥一體化和智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)田水肥耦合技術(shù)將是各區(qū)域現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必然選擇。因此,應(yīng)加強(qiáng)南方濕潤地區(qū)水肥耦合方面的相關(guān)研究,因?yàn)?,這些區(qū)域也有不同程度的季節(jié)性干旱;另一方面,即使是同一作物,不同的時(shí)間和空間(區(qū)域),水肥耦合的參數(shù)也不同[50]。本研究是水與氮磷鉀肥間的耦合,而且表現(xiàn)出的是正效應(yīng),因此,今后還需要進(jìn)一步研究水與其他微量營養(yǎng)元素如硼鋅等間的耦合效應(yīng),以及耦合的疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[51-52],也要加強(qiáng)水肥耦合對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)境影響的研究[53]。
水肥耦合對紫色土小麥的肥料減施效應(yīng)有明顯的改善作用,當(dāng)澆水到田間持水量的80%左右時(shí),這種效應(yīng)最大;水肥耦合的肥料用量減少10%~20%,不會(huì)造成小麥的明顯減產(chǎn);水肥耦合能明顯提高土壤養(yǎng)分和主要酶的活性,因而顯著提高了肥料的有效性而補(bǔ)償了肥料減施的負(fù)效應(yīng)。因此,水肥耦合是紫色土區(qū)減肥增效的一種有效措施,從而能有效防治區(qū)域的面源污染。