史多鵬,葉子壯,李 杰,許迎浩,呂慎強,王林權(quán),周春菊
(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學生命科學學院,陜西 楊凌 712100)
小麥和玉米作為我國兩大主要糧食作物,其充足供應是我國糧食安全的重要保障。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的增產(chǎn)效果顯著,氮肥施用為我國小麥和玉米等糧食作物產(chǎn)量增加提供了有力支撐[1]。近年來我國農(nóng)田化肥施用量不斷增加,過量施肥現(xiàn)象普遍存在。過量的氮肥投入并未顯著提高作物產(chǎn)量,還造成氮肥利用率低下、資源浪費,甚至產(chǎn)生不良的生態(tài)環(huán)境效應[2-3]。因此,如何在保證作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的前提下實現(xiàn)化肥減施、提高肥料利用率是我國亟待解決的現(xiàn)實問題。
作為土壤調(diào)理劑,生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用和研究日益增多。生物炭能夠吸持并緩釋土壤礦質(zhì)氮,增加植株對土壤氮素的吸收,進而提高作物產(chǎn)量[4]。同時,添加生物炭還可以改善土壤環(huán)境,如在華北平原農(nóng)田施用5 t·hm-2生物炭可顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮和全鉀含量[5],生物炭施入5 a后土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量顯著提高[6];許云翔等[7]的研究也證實了這一觀點,即在施入生物炭6 a后,稻田土壤有機碳、有效磷和速效鉀含量分別增加了34.6%、12.4%和26.2%。有研究表明,脲酶抑制劑(NBPT)和硝化抑制劑具有延緩尿素在土壤中的水解與轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定土壤氮素資源、調(diào)控產(chǎn)量以及肥料利用率的作用[8-10]。目前大部分研究集中于化肥和脲酶抑制劑的單獨施用效應,關(guān)于兩者配合施用對作物和土壤影響的研究尚不多見。
黃土高原區(qū)是我國傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū),也是我國主要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)之一[11]。關(guān)于旱作條件下生物炭和脲酶抑制劑配施對肥料氮吸收和作物產(chǎn)量影響的研究較少。因此,本試驗通過研究氮肥與脲酶抑制劑(NBPT)和生物炭配合施用對輪作夏玉米和冬小麥產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成因素,以及植株氮素吸收量、氮肥利用率和氮素收獲指數(shù)等指標的影響,探索生物炭和脲酶抑制劑配合施用的可能性,以期為夏玉米和冬小麥輪作區(qū)減氮增效以及栽培技術(shù)改良提供科學依據(jù)。
試驗在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學曹新莊試驗農(nóng)場進行,該農(nóng)場位于黃土高原南部(108°06′E,34°18′N),為黃土高原南緣夏玉米-冬小麥種植區(qū),海拔513 m,年均降水量749 mm,年平均氣溫13.9℃。2019—2020年、2020—2021年夏玉米和冬小麥生育季內(nèi)日降水量和日均氣溫變化情況見圖1。試驗土壤類型為土墊旱耕人為土(塿土),土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:pH 8.12,有機質(zhì)13.28 g·kg-1,全氮0.81 g·kg-1,礦質(zhì)氮13.28 mg·kg-1,速效磷6.21 mg·kg-1,速效鉀124.55 mg·kg-1。
供試夏玉米和冬小麥品種分別為‘華農(nóng)138’和‘小偃22’,供試肥料為尿素(46% N);供試生物炭為小麥秸稈生物炭(450℃條件下小麥秸稈無氧熱解制成),基本理化性質(zhì):pH為11,比表面積為9 m2·g-1,有機炭含量50%,全氮含量6 g·kg-1,全磷含量0.9 g·kg-1,全鉀含量23 g·kg-1;供試脲酶抑制劑為N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT),含量大于98%,購于連云港金馬生物科技有限公司。
圖1 夏玉米和冬小麥生育季氣象條件
試驗為夏玉米-冬小麥輪作種植制度的田間小區(qū)試驗,采用三因素綜合的再裂區(qū)設計,施氮量為主處理,設5個N水平,分別為0(N0)、75(N75)、150(N150)、225 kg·hm-2(N225)和300 kg·hm-2(N300),同一水平下,夏玉米和冬小麥生育期施氮量相同;生物炭施用量為副處理,設2個水平,單季用量分別為0 t·hm-2(B0)和7.5 t·hm-2(B7.5);脲酶抑制劑(NBPT)為副副處理,設2個水平,施用量分別為氮肥用量的0%(C0)和2%(C2)。共20個處理,每個處理3次重復,共60個小區(qū),小區(qū)面積為10 m2(2.5 m×4.0 m)。
夏玉米和冬小麥的氮肥均采用基施+追施的方式施用,其中每年玉米季的尿素50%基施,50%于大喇叭口期開溝追施;每年度小麥季的尿素70%基施,30%于拔節(jié)期開溝追施。生物炭與基施氮肥完全混合后一次施入土壤,脲酶抑制劑則在每次氮肥施用時與其混勻一起施入土壤。夏玉米分別于2019年6月13日和2020年6月13日播種,于2019年10月13日和2020年10月13日收獲;冬小麥分別于2019年10月19日和2020年10月18日播種,于2020年6月6日和2021年6月7日收獲。夏玉米分別于苗期和拔節(jié)期灌溉,灌溉量為1 050 m3·hm-2;冬小麥全生育期不灌溉。夏玉米種植密度為5.76萬株·hm-2,冬小麥播種量為 120 kg·hm-2。夏玉米和冬小麥田間管理方式均與當?shù)氐某R?guī)管理相同。
1.3.1 籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量要素 夏玉米:于玉米成熟期每個小區(qū)取生長發(fā)育較為一致的玉米10株,風干后測算有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量。冬小麥:于小麥成熟期每個小區(qū)隨機收獲1 m2樣方的小麥樣品,風干后測算有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量。
1.3.2 地上部生物量 夏玉米:玉米成熟期每個小區(qū)采集2株具有代表性的玉米植株,烘干后測定平均單株質(zhì)量,結(jié)合種植密度計算單位面積玉米地上部生物量。冬小麥:小麥成熟期每小區(qū)采集20株具有代表性的小麥植株,烘干后測定平均單株質(zhì)量,結(jié)合有效穗數(shù)計算單位面積小麥地上部生物量。
1.3.3 地上植株氮素吸收量 夏玉米:于玉米成熟期每個小區(qū)取2株玉米地上部植株,按苞葉、葉片、莖稈、雄穗、穗軸和籽粒6個器官分開,烘干并分別稱重,換算得到單株植物干物質(zhì)量及各器官干物質(zhì)量。再將各器官分別粉碎過篩,測定其氮素含量。按照各器官干物質(zhì)量占單株干物質(zhì)量的比例和各器官含氮量換算得到玉米地上植株平均含氮量,玉米地上植株氮素吸收量(kg·hm-2)=玉米地上植株平均含氮量×玉米地上部生物量。
冬小麥:于小麥成熟期每個小區(qū)取20株小麥地上部植株,按莖稈、穎殼、籽粒和葉片4個器官分開,烘干并分別稱重,換算得到單株植物干物質(zhì)量以及各器官的干物質(zhì)量。將各器官分別粉碎后,測定其氮素含量。按照各器官干物質(zhì)量占整個植株的比例和各器官含氮量換算得到小麥地上植株平均含氮量,小麥地上植株氮素吸收量(kg·hm-2)=小麥地上植株平均含氮量×小麥地上部生物量×0.001。
1.3.4 氮素收獲指數(shù)
氮素收獲指數(shù)(%)=玉米(小麥)籽粒氮素吸收量/玉米(小麥)地上植株氮素吸收量
1.3.5 氮肥表觀利用率 氮肥表觀利用率(%)=(施氮處理玉米(小麥)單位面積植株氮素吸收量-不施氮處理玉米(小麥)單位面積植株氮素吸收量)/施氮量×100%
所有數(shù)據(jù)均為各作物2個生長季平均值,采用Excel進行整合、處理。用SPSS 21.0進行三因素裂區(qū)設計的方差分析、統(tǒng)計分析以及多重比較(LSD法)。用Origin 2021軟件作圖。
夏玉米和冬小麥產(chǎn)量效應年際間差異不顯著,故取2個生長季產(chǎn)量平均值分析氮肥、生物炭和脲酶抑制劑及其交互效應對2種作物的影響。由表1可知,氮肥、生物炭均能顯著提高夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量,且二者對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響具有顯著的交互效應;脲酶抑制劑對夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量均無顯著影響(圖2A)。氮肥與脲酶抑制劑、生物炭與脲酶抑制劑以及三者之間均無顯著交互效應。隨氮肥施用量的增加,夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,均在N225水平下達到最大,與N0相比,分別提高42.6%和34.0%。生物炭的施用顯著增加夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量,分別較不施生物炭處理提高4.4%和2.9%。
由圖2可知,在不施用氮肥的條件下,生物炭和脲酶抑制劑增產(chǎn)效果不顯著(圖2B)。與單施氮肥處理(B0C0)相比,氮肥配施生物炭和脲酶抑制劑處理(B7.5C2)在各施氮量下均顯著增加了夏玉米籽粒產(chǎn)量,平均增幅為10.0%;在N75水平下,氮肥單獨配施生物炭處理(B7.5C0)和單獨配施脲酶抑制劑處理(B0C2)分別增產(chǎn)12.8%和10.1%;在N150和N225水平下,氮肥單獨配施生物炭(B7.5C0)和單獨配施脲酶抑制劑(B0C2)處理均無增產(chǎn)效應;在N300水平下,氮肥單獨配施生物炭表現(xiàn)為減產(chǎn)效應,而單獨配施脲酶抑制劑對玉米籽粒產(chǎn)量無顯著影響(圖2A)。在4個施氮水平下,氮肥配施生物炭和脲酶抑制劑(B7.5C2)處理均顯著增加了冬小麥籽粒產(chǎn)量,平均增幅為4.2%;在N75、N225、N300水平下,氮肥單獨配施生物炭處理(B7.5C0)的小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于B0C0處理,平均增加251 kg·hm-2,單獨配施脲酶抑制劑處理對冬小麥籽粒產(chǎn)量影響不顯著(圖2B)。綜上可知,氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑對冬小麥和夏玉米均有顯著增產(chǎn)作用;氮肥單獨配肥生物炭對冬小麥有顯著增產(chǎn)效應。
表1 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響/(kg·hm-2)
由表2可知,氮肥對冬小麥有效穗數(shù)、夏玉米和冬小麥穗粒數(shù)、夏玉米和冬小麥千粒重有顯著影響;生物炭對夏玉米和冬小麥穗粒數(shù)、夏玉米千粒重有顯著影響;脲酶抑制劑對冬小麥千粒重有顯著影響。氮肥和生物炭對夏玉米穗粒數(shù)和千粒重、冬小麥穗粒數(shù)的影響具有顯著交互效應,而氮肥和脲酶抑制劑對夏玉米穗粒數(shù)和冬小麥千粒重的影響具有顯著的交互效應。施氮顯著提高了冬小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)、夏玉米穗粒數(shù)和千粒重,與N0相比, N225水平下冬小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和夏玉米穗粒數(shù)、千粒重分別提高19.4%、24.2%和25.0%、19.7%;N300水平下冬小麥千粒重增加12.3%。施用生物炭顯著增加了夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和冬小麥穗粒數(shù),較不施生物炭處理增加幅度分別為1.8%、3.5%和2.2%。施用脲酶抑制劑顯著增加了冬小麥千粒重,與不施脲酶抑制劑相比增幅為1.1%。
由表3可知,氮肥對夏玉米和冬小麥地上部生物量有顯著影響;生物炭對夏玉米地上部生物量有顯著影響;脲酶抑制劑對2種作物均無顯著影響。氮肥與生物炭、氮肥與脲酶抑制劑的交互作用均對夏玉米地上部生物量具有顯著影響,對冬小麥均無顯著影響;氮肥、生物炭和脲酶抑制劑的交互作用對夏玉米和冬小麥地上部生物量具有顯著影響。施氮顯著提高夏玉米和冬小麥地上部生物量,且2種作物地上部生物量均隨氮肥施用量的增加而增加,與N0相比, N300水平下二者地上部生物量分別提高76.0%和69.0%。生物炭的施用顯著增加夏玉米地上部生物量,較不施生物炭處理提高4.5%。
注:不同小寫字母表示同一施氮水平處理之間差異顯著性(P<0.05)。下同。
表2 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
2.4.1 植株氮素吸收量 氮素吸收量是指示作物氮素吸收利用水平的重要指標,其與作物生產(chǎn)力指標之間有很強的相關(guān)性。由表4可知,氮肥和生物炭對冬小麥和夏玉米植株氮素吸收量的影響具有顯著的交互效應,氮肥與脲酶抑制劑、生物炭與脲酶抑制劑以及三者之間均無顯著交互效應。施氮顯著增加夏玉米和冬小麥植株氮素吸收量,與N0相比,N300水平下夏玉米植株氮素吸收量顯著提高142.8%,N225水平下冬小麥植株氮素吸收量顯著提高87.5%。施用生物炭顯著增加了夏玉米和冬小麥植株氮素吸收量,分別較不施生物炭處理提高2.3%和3.0%。施用脲酶抑制劑顯著增加了夏玉米植株氮素吸收量,較不施脲酶抑制劑處理提高1.4%。
由圖3可知,施用氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑均對植株氮素吸收量產(chǎn)生顯著影響。對夏玉米而言,N0水平下,單施生物炭顯著降低植株氮素吸收量,單施脲酶抑制劑則無顯著影響;其余4個施氮水平下,B7.5C0處理和B7.5C2處理均顯著增加植株氮素吸收量,與B0C0處理相比,平均增幅分別為4.5%和5.4%;在N150、N225和N300水平下,B0C2處理植株氮素吸收量分別較B0C0處理顯著提高2.1%、3.2%和2.4%(圖3A)。對冬小麥而言,除N0外,其余4個施氮水平下,B7.5C0處理和B7.5C2處理植株氮素吸收量均顯著高于B0C0,平均增幅分別為3.6%和3.4%,同時二者也顯著高于B0C2處理,平均增幅分別為4.1%和3.8%(圖3B)。綜上可知,氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑可顯著提高夏玉米和冬小麥植株氮素吸收量,氮肥單獨配施生物炭對提高夏玉米植株氮素吸收量具有顯著效果。
表3 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥地上部生物量的影響/(kg·hm-2)
表4 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥植株氮素吸收量的影響/(kg·hm-2)
2.4.2 氮肥表觀利用率 氮肥表觀利用率是反映作物對肥料氮素吸收利用效果的重要指標。由表5可知,氮肥、生物炭均顯著影響夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率,且二者具有顯著的交互效應;脲酶抑制劑可顯著提高夏玉米氮肥表觀利用率,對冬小麥無顯著影響。氮肥與脲酶抑制劑、生物炭與脲酶抑制劑以及三者之間均無交互效應。隨氮肥用量增加,夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率總體呈逐漸下降趨勢;施用生物炭顯著提高了夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率,分別較不施生物炭處理提高25.8%和13.5%;施用脲酶抑制劑顯著增加夏玉米氮肥表觀利用率,較不施脲酶抑制劑處理提高3.0%。
表5 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率的影響/%
圖4 氮肥配施生物炭和脲酶抑制劑對夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率的影響
由圖4A可知,在各施氮水平下,B7.5C0、B0C2處理和B7.5C2處理夏玉米氮肥表觀利用率均顯著高于B0C0處理,平均增幅分別為10.2%、1.8%和11.0%;在N150水平下,B7.5C2處理夏玉米氮肥表觀利用率較B7.5C0處理顯著提高6.0%。如圖4B所示,在N75、N150和N225水平下,B7.5C0處理和B7.5C2處理冬小麥氮肥表觀利用率均顯著高于B0C0處理,平均增幅分別為6.1%和6.2%,但B7.5C0和B7.5C2處理之間差異不顯著;N300水平下,B7.5C0處理氮肥表觀利用率較B0C0處理顯著提高9.3%??梢?氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑及單獨配施生物炭均能顯著提高夏玉米和冬小麥氮肥表觀利用率,而其單獨配施脲酶抑制劑只對夏玉米氮肥表觀利用率具有顯著作用。
2.4.3 氮素收獲指數(shù) 氮素收獲指數(shù)是評估作物氮素向籽粒轉(zhuǎn)移水平的重要指標。由表6可知,氮肥、生物炭均顯著提高夏玉米和冬小麥氮素收獲指數(shù),脲酶抑制劑對2種作物均無顯著影響。氮肥與生物炭互作、氮肥與脲酶抑制劑互作、三者互作均對夏玉米氮素收獲指數(shù)具有顯著的影響。施用氮肥顯著提高了夏玉米和冬小麥氮素收獲指數(shù),與N0相比,在N225和N300水平下,夏玉米和冬小麥氮素收獲指數(shù)分別提高了9.7%、26.5%和21.0%、18.3%。施用生物炭顯著提高了夏玉米和冬小麥氮素收獲指數(shù),提高幅度分別為4.9%和6.1%。
表6 生物炭、脲酶抑制劑施用及氮肥處理對夏玉米和冬小麥氮素收獲指數(shù)的影響/%
改善氮肥管理措施是提高氮素利用效率的主要途徑之一,作物產(chǎn)量、地上部生物量等農(nóng)藝性狀與植株氮素利用效率密切相關(guān)。有研究表明,在一定施氮量范圍內(nèi),作物產(chǎn)量和地上部生物量均隨著施氮量增加而增加[12-13],本研究也得到類似結(jié)果,且夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量均在N225水平(施氮量225 kg·hm-2)下達到最大。此外,施氮顯著增加了夏玉米和冬小麥植株氮素吸收量,且其隨施氮量的增加而增加;而2種作物氮肥表觀利用率總體隨施氮量的增加而下降,可能是因為施入土壤的氮肥未被作物及時吸收利用,而以揮發(fā)等形式損失,從而造成農(nóng)作物氮素利用率下降,這與前人研究結(jié)果一致[14-15]。
脲酶可催化尿素水解,使其轉(zhuǎn)化為無機氮供植物吸收利用[16]。但是尿素水解過快會使土壤中銨態(tài)氮濃度過高,無法被作物及時吸收利用,導致土壤氨揮發(fā)損失及后續(xù)硝化-反硝化過程中的氧化亞氮等氣態(tài)氮損失[17]。外源物脲酶抑制劑(NBPT)的添加可以穩(wěn)定土壤的氮素資源,降低尿素水解速率,從而減小土壤中礦質(zhì)氮的濃度、減少氣態(tài)氮損失,保證植株對肥料氮素的吸收和利用[18],進而影響作物產(chǎn)量。魯艷紅等[19]、劉垚等[20]、李春玲等[9]研究均表明,氮肥配施NBPT可以提高作物產(chǎn)量;但也有研究發(fā)現(xiàn)兩者配施對作物產(chǎn)量的影響不顯著[21]。本研究表明,氮肥配施NBPT可以顯著提高夏玉米植株氮素利用率,但對夏玉米和冬小麥籽粒產(chǎn)量以及冬小麥植株氮素利用率影響不顯著,可能是因為NBPT的作用有一定時效性,受土壤溫度、水分、質(zhì)地及田間管理措施等外部因素的干預,不同處理作用時效有所不同,其對作物產(chǎn)量及氮素利用率的影響隨之表現(xiàn)出一定差異[22]。前人研究表明, NBPT可以減少土壤中脲酶基因(ureC)豐度和脲酶活性,延緩尿素水解、減少土壤氨揮發(fā),但是其抑制效應只可維持3周左右[23]。
生物炭具有表面積大、吸附能力強等特點,施入后會改變土壤的理化性質(zhì),進而影響土壤對肥料中氮素的吸附轉(zhuǎn)化及作物對養(yǎng)分的吸收利用效率,表現(xiàn)出顯著增產(chǎn)效應[24]。有研究表明,氮肥配施生物炭可以顯著增加夏玉米和冬小麥產(chǎn)量,單施生物炭則會減少植株的氮素吸收量,具有減產(chǎn)效應,這可能與生物炭引起的氮素固持效應有關(guān)[25]。本研究表明,氮肥配施生物炭能有效提高夏玉米和冬小麥植株氮素利用率,且二者具有顯著的交互效應,這與前人研究結(jié)果一致[26-27]。一方面可能是生物炭提高了旱地土壤的持水能力,降低了容重,改善了土壤理化性質(zhì)[28],從而有利于植株對氮素的吸收利用;另一方面可能是生物炭具有的強穩(wěn)定性和高孔隙度等優(yōu)點能促進土壤對礦質(zhì)氮的吸附,被吸附的氮素在作物各生育時期逐步釋放,有利于維持氮素的供需平衡,減少肥料氮素的損失[29],從而提高作物氮素利用率。此外,生物炭對土壤有機碳、pH、養(yǎng)分含量和土壤肥力具有重要的改善作用,還可以通過增加土壤氨氧化基因(amoB和amoA)豐度,加速硝化作用而抑制土壤氨揮發(fā),與NBPT有一定程度的協(xié)同效應[30]。
1)施用生物炭顯著提高夏玉米和冬小麥產(chǎn)量、植株氮素吸收量、氮肥表觀利用率、夏玉米地上部生物量和氮素收獲指數(shù);氮肥單獨配施生物炭可以顯著提高夏玉米和冬小麥產(chǎn)量以及植株氮素吸收利用率,且二者具有顯著交互效應。
2)施用脲酶抑制劑顯著提高夏玉米植株氮素吸收量和氮肥表觀利用率;氮肥單獨配施脲酶抑制劑可以顯著提高夏玉米植株氮素吸收利用率,但二者交互作用不顯著。
3)施用氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑顯著提高夏玉米和冬小麥產(chǎn)量、植株氮素吸收量和氮肥表觀利用率,但三者無顯著交互效應。
綜上所述,氮肥單獨配施生物炭可顯著提高旱地夏玉米和冬小麥產(chǎn)量以及肥料氮的吸收利用效率,且效果優(yōu)于氮肥同時配施生物炭和脲酶抑制劑;氮肥單獨配施脲酶抑制劑對提高夏玉米氮肥吸收利用率具有一定的作用。