祁小平,李 廣,閆麗娟,袁建鈺,杜夢寅,龐 燁

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院,甘肅蘭州 730070;2.臨夏市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,甘肅臨夏 731100;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,甘肅蘭州 730070)

氮肥的大量施用對我國糧食作物的增產(chǎn)產(chǎn)生了不可磨滅的貢獻。然而,隨著我國農(nóng)業(yè)機械化、集約化的發(fā)展及糧食需求的增長,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理施肥和過量施用氮肥的現(xiàn)象普遍存在。目前,我國已成為世界上化肥消費量最大的國家,其中氮肥的用量達到了全球水平的1/3以上。我國作物的氮肥利用效率僅有30%～35%,較發(fā)達國家低15～20個百分點,氮素的損失率高達45%[1-2]。為片面追求作物高產(chǎn),長期大量施用氮肥及采用傳統(tǒng)的耕作方式導致農(nóng)田土壤退化、養(yǎng)分流失嚴重,降低肥料利用效率,也造成了氮素淋溶、溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題[3]。因此,如何在作物穩(wěn)產(chǎn)的前提下通過優(yōu)化施肥和改善耕作措施來提高作物氮素利用效率和生產(chǎn)力、降低土壤硝態(tài)氮淋溶等農(nóng)業(yè)面源污染對我國應對糧食安全和農(nóng)田環(huán)境污染的挑戰(zhàn)具有重要意義。

近年來,為實現(xiàn)我國化肥用量零增長目標和加快推進農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展,保護性耕作和有機肥替代技術已成為減少化肥用量、提高氮素利用效率和減少農(nóng)業(yè)面源污染的有效措施之一[3]。大量研究表明,化肥和有機肥配合施用在一定程度可以達到“緩急相濟”的效果,使土壤養(yǎng)分供應與作物生長相協(xié)調(diào),提高作物的養(yǎng)分利用效率,實現(xiàn)作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[4-8];有機肥配施化學氮肥較單施氮肥可以顯著促進小麥籽粒中氮素的積累,使氮素利用效率提高20.2%,并且降低硝態(tài)氮當季殘留量和淋失比例[9];在長期定位試驗中,氮肥與有機肥配施既顯著提升了土壤肥力,又降低了硝酸鹽在土壤中的累積和淋失[10]。保護性耕作可以改善土壤結構,促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與釋放,進而影響作物對養(yǎng)分的吸收利用,可提高土壤養(yǎng)分固持和降低養(yǎng)分流失[3]。Wang等[11]研究發(fā)現(xiàn),在2個生長季內(nèi)免耕較翻耕增加了0～100 cm土層土壤全氮積累量,提高了作物生產(chǎn)力,降低了土壤硝態(tài)氮淋失對環(huán)境的危害。通過RZWQM2模型分析,免耕后,麥田氮素淋失較傳統(tǒng)耕作減少了55.6%,小麥產(chǎn)量和氮素利用效率顯著提升[12]。然而,目前有關旱作區(qū)作物氮素利用與土壤硝態(tài)氮殘留方面的研究多集中在施肥方面,而就耕作措施和施肥交互作用的研究較少。

隴中地處黃土高原半干旱區(qū),是甘肅省重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)的小麥生產(chǎn)廣泛采用翻耕與長期單一施用化學氮肥的管理方式,農(nóng)田土壤養(yǎng)分流失嚴重,施入土壤中的氮素殘留嚴重,環(huán)境問題突出[13]。本試驗依托隴中黃土高原旱農(nóng)綜合試驗站,研究了耕作與施肥方式對春小麥氮素的積累特征,綜合分析了不同耕作與施肥方式對春小麥氮素利用效率、土壤硝態(tài)氮殘留和產(chǎn)量的影響,以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進一步推廣保護性耕作與有機肥配施技術,推進有機肥資源化利用和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗于2020年3月14日至8月5日在甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村甘肅農(nóng)業(yè)大學旱農(nóng)綜合試驗站(35°64′N,104°64′E)進行,供試春小麥品種為甘春27號(該品種抗旱性強、適應性廣,已在甘肅隴中地區(qū)有較高的推廣面積)。該地區(qū)平均海拔2 000 m,年均氣溫為6.4 ℃,年均降水量433.94 mm,生育期平均降水量229.24 mm,年均蒸發(fā)量1 531 mm[14]。全年降水的60%集中在7-9月,降水季節(jié)分布不均勻與作物關鍵需水時期不一致,屬于典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)作區(qū)(圖1)[14]。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為黃綿土,土壤養(yǎng)分含量、地貌特征在隴中黃土高原旱作區(qū)有一定代表性。試驗前耕層(0～ 40 cm)土壤理化性質(zhì)如表1所示[14]。

表1 試驗前供試土壤理化性質(zhì)

圖1 小麥生育期間日均降雨量和日平均氣溫

1.2 試驗設計

本試驗采用耕作與施肥二因素裂區(qū)設計。耕作方式為主區(qū),設傳統(tǒng)翻耕(CT)和免耕(NT)兩種方式。施肥為副區(qū),以不施肥為對照(CK),按照當?shù)爻Ｒ?guī)氮肥用量(純N 105 kg·hm-2)為標準,設置3種等氮的施肥方式即單施氮肥(N,施純氮105 kg N·hm-2)、單施有機肥(M,21.0 t·hm-2有機肥)和氮肥與有機肥配施(NM,施純氮52.5 kg·hm-2+10.5 t·hm-2有機肥)。耕作和施肥組合形成8個處理,每個處理設3個重復,共24個試驗小區(qū)。其中,翻耕+單施氮肥(CT-N)為當?shù)赜脩舴N植春小麥的常規(guī)耕作和施肥組合。小區(qū)面積為24 m2(6 m×4 m)。春小麥于2020年3月15日播種,8月5日收獲,播種量為150 kg·hm-2。

本試驗所用氮肥為尿素(含N 46.2%),所用有機肥為農(nóng)家肥(主要為腐熟的豬糞,養(yǎng)分含量為N 0.56%、P2O50.40%、K2O 0.46%、有機質(zhì) 15.2%)。各處理磷肥施用量相同,磷肥為過磷酸鈣(60 kg·hm-2P2O5)。所有肥料均在播前全部作為底肥施入,翻耕處理中有機肥和化肥均勻撒在規(guī)定小區(qū)地表后用犁翻入。免耕撒施后采用耙磨結合播前開溝施入[14],各施肥處理間遵循等氮量原則,具體耕作方法見表2。為避免樣地間產(chǎn)生邊際效應,各樣地之間設計約0.35 m寬的隔離帶,其他田間管護措施與當?shù)爻Ｒ?guī)耕作水平一致[14]。

表2 不同耕作法描述

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 土樣采集及測定

(1)土壤容重:在小麥成熟期用環(huán)刀法測定 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層的土壤容重,每個處理3次重復[14]。

(2)土壤硝態(tài)氮含量:在春小麥成熟期用土鉆在研究樣地按“S”型5點取樣法,分別采集 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層土壤原狀土樣,相同土層土樣混合均勻,去除植物殘根、石塊等雜物后裝入無菌密封袋,每個樣品3次重復[15]。將采集的土樣放置在裝有冰袋的整理箱中低溫運輸。土樣解凍后過2 mm篩,稱取10 g鮮土,加入50 mL 2 mol·L-1的KCl溶液振蕩、浸取、過濾后取上清液,用間斷分析儀測定硝態(tài)氮含量[5]。用以下公式計算土壤硝態(tài)氮殘留量[7]。

式中,M為土壤硝態(tài)氮的積累量 (kg·hm-2);C為土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1);H為土層深度(cm);Y為土壤容重(g·cm-3)。

1.3.2 植株干物質(zhì)量和全氮含量測定

在小麥關鍵生育期(分蘗期、拔節(jié)期、開花期和成熟期)每小區(qū)隨機取植株15株,采集地上部分,分蘗期和拔節(jié)期樣品分成莖、葉兩部分,開花期和成熟期樣品分成莖、葉、穗3部分,再置于恒溫烘箱在105 ℃下殺青半小時,然后80 ℃下烘至恒重[5]。將烘干后的樣品稱重后用粉碎機粉碎,裝入密封袋保存[6]。樣品采用濃H2SO4-H2O2消煮,用凱氏定氮法測定其全氮含量[6]。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量及其構成

春小麥成熟時,小區(qū)邊緣剔除0.25 m(避免邊際效應),按小區(qū)(3.5 m×5.5 m)單打單收估測春小麥公頃產(chǎn)量,并在各試驗小區(qū)中間區(qū)域隨機選取3個1 m2樣方,調(diào)查單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)(隨機取15穗);籽粒風干脫粒后取500粒稱重,換算成千粒重[14]。

1.4 氮素利用效率指標計算

用氮素收獲指數(shù)、氮素偏生產(chǎn)力、氮素回收率和氮素農(nóng)學利用效率對不同耕作和施肥方式下春小麥氮素利用效率進行評價,這些指標的計算公式[7]:如下

(1)籽粒氮素積累量=籽粒產(chǎn)量×籽粒含氮量;

(2)植株氮素積累量=植株生物量×植株含氮量×種植密度;

(2)氮素收獲指數(shù)=籽粒吸氮量/地上部分吸氮量×100%;

(3)氮素偏生產(chǎn)力=作物產(chǎn)量/施氮量;

(4)氮素回收率=(施氮處理植株吸氮量-未施肥處理植株吸氮量)/施氮量×100%;

(5)氮肥農(nóng)學利用效率=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-未施肥處理籽粒產(chǎn)量)/施肥量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Origin 2019繪圖,用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,用LSD法進行處理間多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 耕作和施肥方式對春小麥氮素積累量與氮素利用效率的影響

2.1.1 耕作和施肥方式對春小麥氮素積累的影響

隨生育期的推進,春小麥氮素積累量持續(xù)增加(圖2)。從拔節(jié)到開花期,氮素積累量的增幅最大,表明該階段是春小麥氮素積累的關鍵時期。與傳統(tǒng)翻耕相比,免耕后春小麥氮素積累量顯著增加;與不施肥(CK)相比,施肥(N、M和NM)后春小麥氮素積累量均不同程度提高,其中NM的效果最顯著。從全生育期來看,NT-NM處理的春小麥氮素積累量均高于其他處理,其中在成熟期NT-NM處理較CT-N處理提高了 31.85%,表明免耕結合氮肥與有機肥配施更有助于春小麥氮素積累。

同時期圖柱上不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.1.2 耕作和施肥方式對春小麥氮素利用效率的影響

方差分析表明,耕作與施肥對春小麥氮素偏生產(chǎn)力、氮素回收率和氮素收獲指數(shù)均有極顯著影響(P<0.01),而氮素農(nóng)學利用效率僅受施肥的影響,耕作和施肥的交互作用對氮素回收率和氮素收獲指數(shù)有顯著影響。由圖3可知,與翻耕相比,免耕后春小麥氮素偏生產(chǎn)力、氮素回收率、氮肥農(nóng)學利用效率和氮素收獲指數(shù)均提高;施肥對此4個指標的影響均表現(xiàn)為NM>N>M,且不同施肥方式間差異顯著(P<0.05)。從整體來看,NT-NM處理的4個指標均高于其他處理,較CT-N處理分別提高了42.93%、20.13%、 83.83%和2.55%,說明免耕結合氮肥與有機肥配施可促進春小麥氮素高效利用。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。**:P<0.01;*:P<0.05。 F、T和F×T分別代表施肥、耕作和二者互作的F值。

2.2 耕作與施肥方式對土壤硝態(tài)氮殘留的影響

小麥收獲后翻耕和免耕下土壤硝態(tài)氮殘留量變化范圍分別為72.44～124.49和55.99～ 113.07 kg·hm-2,免耕的平均值低于翻耕(圖4)。不同施肥方式的平均土壤硝態(tài)氮殘留量表現(xiàn)為N>M>NM>CK,且施肥方式間差異顯著。在0～100 cm土層,與CT-N處理相比,NT-NM處理的土壤硝態(tài)氮殘留減小52.56 kg·hm-2,說明免耕結合氮肥與有機肥配施可有效減少土壤硝態(tài)氮的殘留。方差分析表明,耕作與施肥對各土層土壤硝態(tài)氮殘留量均有極顯著影響,耕作和施肥的互作僅對20～40、60～80和80～100 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量均有極顯著影響。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。**:P<0.01;*:P<0.05。 F、T和F×T分別代表施肥、耕作和二者互作的F值。

2.3 耕作和施肥方式對春小麥產(chǎn)量及其構成的影響

方差分析表明,耕作、施肥方式對春小麥籽粒產(chǎn)量及其構成和生物產(chǎn)量均有顯著影響,而二者的交互效應僅在生物產(chǎn)量上表現(xiàn)顯著。免耕的春小麥籽粒產(chǎn)量及其構成因素平均值均高于翻耕(表3),收獲指數(shù)對耕作、施肥方式及其互作均無明顯反應,不同施肥方式的春小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素平均值均表現(xiàn)為NM>N>M>CK。從整體來看,在所有處理中NT-NM處理的春小麥籽粒產(chǎn)量、有效穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)和生物產(chǎn)量均最高,較CT-N處理分別提高了56.21%、34.10%、6.29%、11.09%和35.46%,表明免耕結合氮肥與有機肥配施可促進春小麥生長,協(xié)同提高穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重,實現(xiàn)增產(chǎn)。

表3 耕作和施肥方式對春小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

3 討 論

3.1 耕作與施肥對春小麥氮素吸收利用的影響

隨著生育期的推進,春小麥植株氮素積累量會不斷增加。本研究中,施肥對春小麥氮素積累有明顯的促進作用,其中NT-NM處理的效果更顯著,與前人研究結果基本一致[7,16]。這可能是隴中黃土高原半干旱區(qū)土壤多為黃綿土,土壤有機質(zhì)含量低,通氣性良好,氮肥施入土壤后易通過反硝化、氨化及淋溶等作用損失,導致春小麥生長后期養(yǎng)分供應不足,減少了小麥對氮素的吸收利用[17],而氮肥與有機肥配施延長了氮肥的肥效,實現(xiàn)了肥料中養(yǎng)分持續(xù)穩(wěn)定的供應[18];土壤免耕具有良好的保水保肥能力,能夠有效降低施肥之后土壤中氮素的損失,提高氮素有效性,因此免耕結合氮肥與有機肥配施可以促進春小麥對氮素的吸收利用,使小麥獲得較高的氮素積累量。此外,本研究中從拔節(jié)到開花期春小麥氮素積累量的增幅度最大,表明此階段是春小麥氮素積累的關鍵時期;其中,NT-NM處理此階段的氮素積累量較CT-N處理提高了13.46%,也說明免耕結合氮肥有機肥配施可提高拔節(jié)之后小麥對氮素的吸收能力。拔節(jié)期至開花期是小麥營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的關鍵時期,此時較高的氮素積累量對提高植株后期氮素積累和籽粒產(chǎn)量形成具有積極作用,這也是NT-NM處理導致小麥高產(chǎn)的重要原因[19]。

氮素利用效率是評估施肥合理性和有效性的直接體現(xiàn)。免耕條件下氮肥減量配施有機肥可顯著提高作物的氮素利用效率[18,20],且與全國其他地區(qū)相比,在有機質(zhì)含量低、降雨量較少的西北地區(qū)配施有機肥后氮肥利用效率的提高幅度最大[21]。本研究結果與前人研究一致,這可能因為免耕結合氮肥有機肥配施在促進小麥對氮素吸收及干物質(zhì)積累的同時,增加氮素向籽粒中再分配的能力,從而提高小麥籽粒氮素積累量和產(chǎn)量[22],進而提高了氮素偏生產(chǎn)力、氮素回收率、氮素農(nóng)學利用效率及氮素收獲指數(shù)。此外,有機肥中含有大量有機質(zhì)和微生物,加之免耕可改善土壤結構,協(xié)調(diào)了土壤中“水、肥、氣、熱”間的關系,進而為土壤微生物的活動提供有利環(huán)境[24]。因此,免耕結合氮肥與有機肥配施可有效提高土壤微生物的活性,活化土壤中的養(yǎng)分,有利于小麥植株吸收利用,同時促進小麥植株生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[22]。

3.2 耕作和施肥對土壤硝態(tài)氮殘留的調(diào)控

作物收獲后硝態(tài)氮淋溶是黃土高原旱作區(qū)農(nóng)田土壤氮素損失的重要途徑之一[24]。在本研究中,土壤硝態(tài)氮殘留量表現(xiàn)為NM低于N和M,免耕低于翻耕;在0～100 cm土層,NT-NM處理的土壤硝態(tài)氮殘留較CT-N處理減小52.56 kg·hm-2,表明免耕結合氮肥與有機肥配施可減少土壤硝態(tài)氮殘留,從而降低土壤氮素淋溶風險,這與前人研究結果一致[25-26],這也與免耕結合氮肥有機肥配施顯著提高春小麥氮素利用效率相一致,也說明促進小麥植株對土壤中的無機態(tài)氮吸收利用是減少土壤硝態(tài)氮殘留重要途徑[18]。此外,免耕結合氮肥與有機肥配施有效改善土壤活力和耕層土壤微生物環(huán)境,增強了土壤微生物對氮素的固持與轉(zhuǎn)化,使土壤殘留的無機態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機態(tài)氮儲存在土壤中,從而增加了土壤有機氮庫的容量,有效降低了因土壤中無機氮的殘留而對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成潛在危害[5,22]。

3.3 不同耕作與施肥方式對春小麥產(chǎn)量的影響

高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目標之一。本研究中,NT-NM處理顯著提高了春小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量,優(yōu)化了產(chǎn)量構成,與前人研究結果基本一致[27-28]。這可能是一方面氮肥與有機肥配施具有良好的保肥供肥能力,能夠調(diào)節(jié)土壤中氮素固持、釋放與小麥吸收之間的關系,促進養(yǎng)分吸收利用,從而增加產(chǎn)量[28];另一方面,免耕具有良好的蓄水保墑能力,可有效緩解水分對小麥生長的脅迫,提高其水肥利用效率,實現(xiàn)增產(chǎn)[29]。

從方差分析結果看,公頃有效穗數(shù)和千粒重的提高對春小麥增產(chǎn)的貢獻最大,是導致小麥產(chǎn)量提高的主要因素。這與李廷亮等[30]和王嘉男等[31]的研究結果一致。這是因為在春旱比較突出的隴中黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)作區(qū),播種期水分脅迫是影響作物出苗和成活的關鍵因素[14],免耕結合氮肥與有機肥配施的方式有效改善了土壤水熱條件,提高小麥的成活率和出苗率[22]。同時氮肥與有機肥配施具有較好的保水保肥能力,可促進小麥的生長使小麥根系在發(fā)生有效分蘗的基礎上保證較多的有效穗數(shù)[18,22]。另外,與單施氮肥相比氮肥與有機肥配施在小麥生長中后期有更好的供氮能力,可以延緩小麥的衰老,促進籽粒中光合產(chǎn)物和養(yǎng)分的積累和轉(zhuǎn)運,進而提高小麥成穗數(shù)和千粒重,為產(chǎn)量的提高奠定基礎[22]。

4 結 論

免耕結合氮肥與有機肥配施可促進春小麥對氮素的積累,提高了氮素偏生產(chǎn)力、氮素回收率、氮肥農(nóng)學利用效率和氮素收獲指數(shù),在氮肥減施條件下實現(xiàn)了氮素的高效利用,同時顯著降低土壤硝態(tài)氮殘留。免耕結合氮肥與有機肥配施能夠顯著優(yōu)化春小麥產(chǎn)量構成,提高籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。