吳 迪,李家逵,白繼元,李江舟,李家瑞,徐高峰,申時才,陳 華,何玉華,代 快

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明 650205;2.云南省煙草公司玉溪市公司,云南 紅塔 653100;3.云南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所,昆明 650205)

【研究意義】為減少農(nóng)業(yè)面源污染和控制氮磷排放,近年來以烤煙—蠶豆輪作為主、化肥施用量較小的種植模式在云南高原湖泊流域植煙區(qū)得到大面積發(fā)展[1]。蠶豆是一種固氮豆科作物,通過蠶豆秸稈還田,土壤將獲得一定量氮素補充并提供給下季作物[2-4],然而由于工業(yè)需求的特殊性,烤煙在生長過程中對氮的供給極其敏感[5-6],過多或過少的氮肥投入均會導致煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的顯著下降并加劇氮流失[7]?！厩叭搜芯窟M展】研究表明,秸稈還田能增加土壤微生物總量和物種豐富度[8]及改善土壤微生物活性,通過秸稈還田不僅能有效提高土壤孔隙度和促進團粒結(jié)構形成,還可對土壤氮庫進行補充和增加土壤有機氮含量[9-10],進而提高土壤氮素供應能力,氮肥的大量施用是導致農(nóng)田氮流失的主要原因[11],通過秸稈還田減少無機氮施用能有效降低輪作系統(tǒng)氮的流失[12],提高農(nóng)田碳氮循環(huán)能力,同時,秸稈還田后可增強煙株根系活力和煙株抗逆能力,是提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的主要途徑[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】目前,烤煙—蠶豆輪作模式下的秸稈還田研究不多,在烤煙—蠶豆輪作模式下,采用田間試驗,分析蠶豆秸稈還田方式對煙田氮肥替代能力及利用效率的影響,同時對煙田氮流失控制進行探討?！緮M解決的關鍵問題】以期為烤煙—蠶豆輪作模式下秸稈資源化利用對氮肥替代、氮流失控制及烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019—2021年在云南省澄江市龍街鎮(zhèn)大塘村(102°87′47″ E,24°64′13″ N,海拔1710 m)進行。試驗地土壤為水稻土,試驗前采用5點取樣法采集0～20 cm耕作層土壤樣品并混合,于室內(nèi)常溫下風干后分析,基本理化性質(zhì)為pH 6.75,有機質(zhì)20.8 g/kg,堿解氮143.1 mg/kg,有效磷30.8 mg/kg,速效鉀273.1 mg/kg。

1.2 試驗材料

蠶豆品種為云早7號、烤煙K326,由當?shù)責煵莨咎峁?。試驗所用肥料：復合?N 12%、P2O56%、K2O 24%)、硝酸鉀(N 28%、K2O 5%)、硝酸銨鈣(含N 16%)、過磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 50%)。

1.3 試驗設計

試驗采用烤煙—蠶豆輪作,共8個處理,分別為T1(CK,不施氮)、T2(習慣施肥,100%N)、T3(85%N+S)、T4(70%N+S)、T5(55%N+S)、T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)、T8(55%N+DS),小區(qū)面積42 m2,3次重復,隨機區(qū)組排列。其中,N表示氮肥,S表示鮮秸稈還田,DS表示腐熟秸稈還田。小區(qū)四周打埂后用塑料膜包裹,防止農(nóng)田徑流水外滲,同時于小區(qū)內(nèi)開挖引流溝,將徑流水引到出水口,并于出水口埋設地表徑流收集桶,用于收集小區(qū)地表徑流水,同時于小區(qū)中部位置埋設多孔滲漏管,用于收集土壤地下滲漏水,滲漏管埋設深度60 cm。蠶豆收獲后,各小區(qū)秸稈分開收獲,新鮮秸稈粉碎處理后全量翻壓還田到對應小區(qū),腐熟秸稈粉碎后堆捂發(fā)酵,腐熟后還田到對應小區(qū),T1(CK)和T2(習慣施肥)施肥處理不進行秸稈還田。除試驗處理外,其他生產(chǎn)管理方式均按當?shù)赝扑]方法進行。試驗時間為2019年10月至2021年9月,共種植2季烤煙和2季蠶豆,蠶豆施肥量為：N 60 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 90 kg/hm2,烤煙季化肥和秸稈用量見表1。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 土樣 試驗前采用多點取樣法采集 0～20 cm 耕層土樣后混合,風干后測定土壤基礎理化性狀;測定項目分別為pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀,測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[15]。

1.4.2 徑流水取樣及測定 于烤煙大田移栽后且降雨產(chǎn)生徑流時采集徑流水樣,直至烤煙采收結(jié)束。地表徑流水取樣時采集清水層水樣,不攪動水底沉積物,取樣完成后排干徑流收集桶中的水,以收集下次樣品;采集地表徑流水的同時采集土壤滲漏水,采集時將滲漏管內(nèi)收集的水攪拌均勻后開始取樣,采集后將多孔滲漏管中的水抽干以繼續(xù)收集土壤滲漏水,樣品均收集于500 mL塑料瓶內(nèi),并于取樣完成后對樣品進行編號后冷凍保存待測。2020年采樣7次,2021年采樣9次。徑流水總氮(TN)國家環(huán)境監(jiān)測總站標準測定[16]。

1.4.3 植株的取樣及測定 于烤煙下部葉成熟采摘前,各小區(qū)分別取樣5株,殺青烘干后分為根、莖、葉3個部分測定質(zhì)量,并測定全N含量[17],計算烤煙的生物學產(chǎn)量和氮養(yǎng)分吸收量。

1.4.4 主要經(jīng)濟性狀測定 煙葉采烤時,分小區(qū)掛牌采收,烘烤煙葉參考烤煙國家分級標準定級[18]并分小區(qū)記錄,同時計算單位面積產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價和上等煙比例。

1.5 數(shù)據(jù)分析

各參數(shù)計算方法：氮肥利用率(%)=(施氮區(qū)烤煙吸氮量-缺氮區(qū)烤煙吸氮量)÷施氮量×100;氮肥農(nóng)學效率(kg/kg)=(施氮區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)量-缺氮區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)量)÷施氮量;氮素經(jīng)濟學利用效率(kg/kg)=經(jīng)濟學產(chǎn)量÷植株氮素吸收量;地表徑流和土壤滲漏水總氮濃度均為各年多次取樣總氮濃度的平均值。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 25.0軟件和Excel 2012軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田減施氮肥對烤煙產(chǎn)量及產(chǎn)值的影響

由表2可見,T1(CK)處理產(chǎn)量、產(chǎn)值和上等煙比例2年試驗均為最低。新鮮秸稈還田條件下,T3(85%N+S)和T4(70%N+S)處理與T2(習慣施肥)處理連續(xù)2年相比差異不顯著,秸稈腐熟后還田的T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)處理與T2(習慣施肥)處理相比連續(xù)2年差異不顯著。2種秸稈還田方式下,2年上等煙比例最高均為減施氮肥30%的T4(70%N+S)和T7(70%N+DS)處理。2020年度新鮮秸稈還田產(chǎn)值最高為T4(70%N+S)處理,達94 358.7元/hm2,顯著高于T2(習慣施肥)處理,秸稈腐熟還田產(chǎn)值最高為T6(85%N+DS)處理,達92 414.3元/hm2,顯著高于T2(習慣施肥)處理,T7(70%N+DS)處理產(chǎn)值高于T2(習慣施肥)處理,但二者差異不顯著;2021年度在新鮮秸稈和腐熟秸稈還田條件下減施氮肥30%的T4(70%N+S)和T7(70%N+DS)處理產(chǎn)值均高于T2(習慣施肥)處理。通過對連續(xù)2年的蠶豆秸稈還田并減施化學氮肥比較,在新鮮秸稈還田條件下,減施氮肥15%～30%不會對烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)值產(chǎn)生負顯著效應,且有利于提高烤煙上等煙比例;在腐熟秸稈還田條件下,減施氮肥15%～30%有利于提高烤煙上等煙比例和產(chǎn)值,減施氮肥45%烤煙產(chǎn)量顯著下降。同等氮肥減施量條件下,新鮮秸稈還田和腐熟秸稈還田方式相比,產(chǎn)量、上等煙比例和產(chǎn)值均不具有顯著差異。

表2 秸稈還田對烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)值的影響

2.2 秸稈還田減施氮肥對烤煙氮素吸收量的影響

由表3可知,2020年采用新鮮秸稈還田的T3(85%N+S)和T4(70%N+S)處理烤煙氮素吸收總量略低于T2(習慣施肥)處理,但三者間差異不顯著;秸稈腐熟后還田減施氮肥15%的T6(85%N+DS)處理烤煙氮素吸收總量略高于T2(習慣施肥)處理,減施氮肥30%的T7(70%N+DS)處理與T2(習慣施肥)處理相比差異不顯著。2021年新鮮秸稈和秸稈腐熟還田兩種條件下,除減施氮肥45%的T5(55%N+S)和T8(55%N+DS)處理烤煙氮素吸收總量顯著低于T2(習慣施肥)處理外,其他處理均與T2(習慣施肥)處理無顯著差異。2年試驗數(shù)據(jù)表明,不施氮肥處理烤煙氮素吸收量最低,在新鮮秸稈和腐熟秸稈2種還田方式下,減施化學氮肥15%～30%時,與T2(習慣施肥)處理相比,烤煙氮素吸收總量無顯著下降,減施氮肥45%時,烤煙氮素吸收總量顯著降低。同等氮肥減施量條件下,新鮮秸稈還田和腐熟秸稈還田方式相比,氮素吸收總量不具有顯著性差異。

2.3 秸稈還田減施氮肥對烤煙氮肥利用效率的影響

由表4可知,2020年度秸稈直接還田后,T3(85%N+S)、T4(70%N+S)和T5(55%N+S)處理的烤煙氮肥利用率分別比T2(習慣施肥)處理提高22.8%、37.3%和2.0%,其中T4(70%N+S)處理烤煙氮肥利用率較T2(習慣施肥)處理顯著提高,采用腐熟秸稈還田后,T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)處理烤煙氮肥利用率分別比T2(習慣施肥)處理提高30.5%、26.5%和6.7%;與T2(習慣施肥)處理相比,2021年新鮮秸稈直接還田的T3(85%N+S)、T4(70%N+S)和T5(55%N+S)處理烤煙氮肥利用率分別提高18.5%、30.4%和14.1%,采用腐熟秸稈還田后,T6(85%N+DS)和T7(70%N+DS)處理烤煙氮肥利用率較T2(習慣施肥)處理顯著提高,分別提高24.7%和25.9%。2種還田方式下減施氮肥15%～30%均能提高烤煙氮肥利用率,減施氮肥45%時,烤煙氮肥利用率明顯下降;同等氮肥減施條件下,2種秸稈還田方式的烤煙氮肥利用率、氮肥農(nóng)學效率和氮肥經(jīng)濟學利用效率無顯著性差異。

表3 秸稈還田對烤煙氮素吸收量的影響

表4 秸稈還田對烤煙氮肥利用效率的影響

2.4 蠶豆秸稈還田減施氮肥對地表徑流水、土壤滲漏水總氮含量的影響

由圖1可知,不施氮肥可顯著降低地表徑流水總氮含量,2020年度新鮮秸稈直接還田的T4(70%N+S)和T5(55%N+S)處理地表徑流總氮含量比T2(習慣施肥)處理顯著降低,分別下降0.41和0.66 mg/L,采用腐熟秸稈還田后,T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)處理地表徑流總氮含量比T2(習慣施肥)處理分別下降0.18和0.34 mg/L,但三者間差異不顯著;2021年度新鮮秸稈直接還田T4(70%N+S)和T5(55%N+S)處理地表徑流總氮含量分別比T2(習慣施肥)處理顯著下降0.65和1.37 mg/L,采用腐熟秸稈還田后,減氮45%的T8(55%N+DS)處理與T2(習慣施肥)處理相比顯著下降。

由圖2可知,不施氮肥土壤滲漏水總氮含量最低,2020年新鮮秸稈直接還田 T5(55%N+S)處理滲漏水總氮含量比T2(習慣施肥)處理顯著下降,采用腐熟秸稈還田后,T7(70%N+DS)和T8(55%N+DS)處理滲漏水總氮含量比T2(習慣施肥)處理顯著下降;2021年新鮮秸稈直接還田的T3(85%N+S)、T4(70%N+S)、T5(55%N+S)處理和腐熟秸稈還田的T6(85%N+DS)、T7(70%N+DS)、T8(55%N+DS)處理滲漏水總氮含量均比T2(習慣施肥)處理顯著下降。表明,利用蠶豆新鮮秸稈直接還田和腐熟后還田并減施氮肥,對降低地表徑流和土壤滲漏水中全氮含量具有明顯作用,地表徑流和土壤滲漏水中全氮含量與施氮量呈正相關。隨著試驗年限的增加,同一減氮處理地表徑流和土壤滲漏水全氮含量呈下降趨勢,同等氮肥減施量條件下,2種秸稈還田方式地表徑流和土壤滲漏水中全氮含量無顯著性差異。

同一年份不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters in the same year mean significant differences(P<0.05). The same as below. 圖1 秸稈還田減施氮肥對地表徑流水總氮含量的影響Fig.1 Effect of straw returning and nitrogen fertilizer reduction on total nitrogen in surface runoff

圖2 秸稈還田減施氮肥對土壤滲漏水總氮含量的影響Fig.2 Effect of straw returning and nitrogen fertilizer reduction on total nitrogen in soil leakage

3 討 論

3.1 秸稈還田減施氮肥對烤煙產(chǎn)量及產(chǎn)值的影響

秸稈還田對烤煙的農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量有較好的促進作用[19-20],秸稈中含有豐富的N、P及K元素,能夠提升土壤微生物的數(shù)量和質(zhì)量,提高土壤肥力,從而減少化肥的施用量[21-22]。本研究中,蠶豆新鮮秸稈直接還田和腐熟秸稈還田后減施氮肥15%～30%,均不會造成烤煙產(chǎn)值的顯著下降,2年數(shù)據(jù)表明,T4(70%N+S)與T2(習慣施肥)處理相比烤煙上等煙比例提高11.2%～19.0%,產(chǎn)值提高2.3%～10.7%,T7(70%N+DS)與T2(習慣施肥)相比烤煙上等煙比例提高14.0%～20.4%,產(chǎn)值提高1.6%～7.3%。氮肥減施45%時,產(chǎn)量產(chǎn)值均出現(xiàn)顯著下降,說明此時秸稈對氮素的替代能力已明顯不足。同等氮肥減施量條件下,新鮮秸稈還田和腐熟秸稈還田方式相比,產(chǎn)量、上等煙比例和產(chǎn)值均不具有顯著性差異。

3.2 秸稈還田減施氮肥對烤煙氮素吸收及氮肥利用效率的影響

烤煙植株不同部位吸收氮素總量分配為葉片﹥莖﹥根[23-25],本研究煙株各器官氮素分配表現(xiàn)與上述研究相同。不施用氮肥顯著減少作物氮素吸收量[26-27],秸稈還田通過改善土壤質(zhì)量和提高土壤微生物活性,從而提高土壤養(yǎng)分供給能力,同時對土壤氮給予了一定補充。因此,秸稈還田后減施氮肥用量反而有利于增加作物對氮素的吸收能力和提高氮肥利用效率[28],本研究2年試驗數(shù)據(jù)表明,2種蠶豆秸稈還田方式下分別減施氮肥15%～30%,與T2(習慣施肥)處理相比,烤煙氮素吸收總量無顯著減少,但減施量達45%時,氮素吸收總量顯著下降。秸稈還田配施氮肥可提高作物氮肥農(nóng)學利用效率、氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力[29-30],本試驗2年數(shù)據(jù)表明,利用蠶豆新鮮秸稈直接還田和腐熟后還田并減施氮肥15%～30%時,氮肥利用率較T2(習慣施肥)處理分別提高30.4%～37.3%和25.9%～26.5%,同一秸稈還田減氮處理,氮肥利用率逐年增加,說明蠶豆秸稈還田后,秸稈作為氮源可持續(xù)礦化對土壤進行氮素補充,并提供給下季作物,從而減少化肥的投入。通過秸稈還田減施氮肥后,不會對氮肥農(nóng)學效率和氮肥經(jīng)濟學利用效率產(chǎn)生負顯著效應,同等氮肥減施量條件下,2種秸稈還田方式氮肥利用率、氮肥農(nóng)學效率和氮肥經(jīng)濟學效率無顯著差異。

3.3 秸稈還田減施氮肥對地表徑流水、土壤滲漏水總氮含量的影響

相關研究認為,減少氮肥施用量,可顯著降低農(nóng)田徑流氮流失[31-32],而秸稈還田能有效增加土壤的碳儲量和土壤碳氮比[33],進而影響農(nóng)田系統(tǒng)氮循環(huán),將土壤盈余氮素固定在土壤中,同時通過改變土壤質(zhì)地,降低土壤氮素滲漏速率[34-35],可減少氮流失,因此秸稈還田配合氮肥減施,是減少農(nóng)田氮流失的有效途徑。本研究中,利用蠶豆新鮮秸稈直接還田和腐熟后還田并減施氮肥,對降低地表徑流和土壤滲漏水中全氮含量具有明顯作用,地表徑流和土壤滲漏水中全氮含量隨施氮量減少而下降,新鮮秸稈還田的T4(70%N+S)處理2年地表徑流全氮含量與T2(習慣施肥)相比分別下降11.6%～17.5%,土壤滲漏水全氮含量與T2(習慣施肥)相比分別下降8.3%～19.6%;秸稈腐熟還田的T7(70%N+DS)與T2(習慣施肥)處理相比,2年地表徑流全氮含量分別下降5.1%～10.9%,土壤滲漏水全氮含量分別下降20.5%～28.5%,同時,隨著秸稈還田年限的增加,相應減施氮肥處理地表徑流和土壤滲漏水全氮含量呈逐年下降趨勢。減少氮肥用量,是減少氮素流失的關鍵,在滿足烤煙正常氮素供應前提下,通過秸稈還田來對減少的化學氮進行補充,有利于煙田氮素流失控制。隨著秸稈還田年限的增加,補充土壤碳庫中的碳,改善土壤結(jié)構,從而加強土壤對氮的固定,促進氮素在作物間的循環(huán),降低氮素淋溶損失。本研究表明,同等氮肥減施量條件下,新鮮蠶豆秸稈直接還田和腐熟還田的地表徑流水和土壤滲漏水中全氮含量無顯著性差異。

4 結(jié) 論

在烤煙—蠶豆輪作模式下,采用新鮮秸稈還田和腐熟秸稈還田均可替代化學氮肥30%,該替代量可在保障烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值的同時最大化地控制氮素流失產(chǎn)生的污染,新鮮秸稈還田和腐熟秸稈還田綜合效益差異不顯著,因此結(jié)合節(jié)本增效考慮,在該模式下推薦采用蠶豆新鮮秸稈還田減施氮肥30%。