秸稈和地膜覆蓋對渭北旱作玉米農(nóng)田土壤氮組分與產(chǎn)量的影響

付 鑫,王 俊,2,*,張 祺,戈小榮

1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127 2 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室, 西安 710127

氮不僅是大氣圈中最豐富的元素,而且也是陸地生態(tài)系統(tǒng)多數(shù)植物光合作用和初級生產(chǎn)過程中重要元素之一[1]。土壤全氮(STN)是衡量土壤質(zhì)量、反映土壤供氮能力的重要指標(biāo),但其庫存量大,因此并不能快速準(zhǔn)確地反映土壤氮素的變化特征[2]。土壤顆粒有機氮(PON)是與土壤砂粒組分結(jié)合的有機氮,通常由未分解或半分解的動植物和根系殘體組成,對土壤中植物殘體的積累和根系分布的變化較為敏感,是一種半活性有機氮[3]。土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中控制著其礦化和固定[4],盡管土壤微生物所占比例較小,但由于對外界條件變化敏感,其大小、活性、組成等強烈受耕作措施的影響,因而土壤潛在礦化氮(PNM)、微生物量氮(MBN)等活性氮組分較STN更能及時反映土壤質(zhì)量狀況[2,5]。

渭北旱塬地處黃土高原中南部,降水偏少且季節(jié)分布不均是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[5]。近幾十年來,地表覆蓋措施因良好的蓄水保墑和增產(chǎn)效果在該地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,其中秸稈和地膜覆蓋措施最為普遍。地表覆蓋后改變了土壤的水、氣、熱狀況[6- 7],進而必然會對土壤的生物活性、氮素的固定與礦化等產(chǎn)生影響,最終影響作物產(chǎn)量。近幾年來,國內(nèi)外已對覆蓋措施對土壤氮含量及產(chǎn)量的影響作用展開了較多研究[8- 11]。一般認為,秸稈覆蓋可以有效提高土壤固氮水平[11- 12],但對產(chǎn)量的影響則結(jié)果不一,影響因素包括覆蓋時間、覆蓋量、施肥量等[6,13]。地膜覆蓋對土壤氮庫的影響因不同覆蓋時間和地區(qū)結(jié)果不一致,研究認為地膜覆蓋可促進土壤有機氮礦化,提高作物對氮素的吸收,提高作物產(chǎn)量[14- 15],但其增產(chǎn)作用以消耗地力為代價,在水肥不能充分保證的旱地上,長期地膜覆蓋容易導(dǎo)致土壤肥力下降[11]。

目前國內(nèi)外關(guān)于秸稈或地膜覆蓋與不覆蓋對照的對比試驗已有較多報道,但主要集中在覆蓋措施對土壤全氮和產(chǎn)量的影響方面,涉及土壤有機氮組分的研究較為少見。本文基于陜西長武旱作春玉米覆蓋定位試驗,研究了秸稈和地膜覆蓋措施下土壤全氮和活性氮組分含量變化及其對春玉米產(chǎn)量的影響,旨在加深對覆蓋措施下農(nóng)田土壤氮循環(huán)過程和作物生產(chǎn)力產(chǎn)量形成機制方面的理解。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在陜西長武生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站農(nóng)田(107°44′E,35°12′N)進行。該區(qū)地處黃土高原中南部渭北旱塬,屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量為584.1 mm(圖1),主要集中在7—9月,年際間降水分配不均。試驗站海拔1220 m,地塬平坦,光熱資源充足,年平均溫度為9.2℃,年日照時數(shù)為2230 h,無霜期為171 d。供試土壤屬粘壤質(zhì)黑壚土,土質(zhì)疏松,土層深厚。試驗布設(shè)前0—20 cm土層有機碳含量為9.05 g/kg,全氮含量為1.10 g/kg,pH值為8.4。

圖1 2009—2015年長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站月降水量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation at the Changwu Agroecological Station from 2009 to 2015

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計

春玉米覆蓋定位試驗始于2009年4月,共設(shè)3個處理,無覆蓋對照(CK),全生育期秸稈覆蓋(SM)和全生育期地膜覆蓋(PM),每處理重復(fù)3次。試驗小區(qū)面積66.7 m2,隨機區(qū)組排列。區(qū)、組間距分別為0.5、1 m,四周保護帶寬1 m。

供試春玉米品種為先玉335,每年4月中旬人工開溝播種,南北行種植,行距60 cm,株距30 cm,種植密度為56000株/hm2。每年播種前用圓盤耙機松土蓄墑,各小區(qū)按135 kg N/hm2和90 kg P/hm2水平分別施入尿素(總氮≥46.6%)和過磷酸鈣(總P2O5≥46%)作為基肥,作物生育期內(nèi)不再施肥。秸稈覆蓋處理采用春玉米整株覆蓋方式進行,覆蓋量為9000 kg/hm2,于玉米播種出苗后覆蓋,作物收獲后將殘余秸稈人工移除。地膜覆蓋處理于播種前使用幅寬1.2 m的可降解地膜進行地表覆膜,覆膜后進行人工穴播。作物生長完全依靠自然降水,無灌溉,人工控制雜草。玉米于當(dāng)年9月中旬人工收獲,籽粒收獲后將當(dāng)年作物秸稈移除。

1.2.2 土壤樣品采集

1.2.3 測定指標(biāo)與方法

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素(one-way ANOVA)和鄧肯(Duncan)法進行方差分析和多重比較,并分別對作物產(chǎn)量與各氮組分含量間進行相關(guān)分析。利用Microsoft Excel 2010軟件作圖,圖中變異性采用標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮

不同覆蓋處理對2013—2015年0—20 cm土層STN含量具有顯著影響(表1)。在0—10 cm土層,從3年平均值來看,SM處理STN含量較CK和PM處理提高了13.11%和12.20%(P<0.05),CK和PM處理間無顯著差異。在2013—2015各年間,STN含量處理間變化趨勢與3年平均值一致。在10—20 cm土層,SM處理STN含量較CK和PM處理3年平均分別提高了5.93%和5.04%(P<0.05),CK和PM差異不顯著,其中2013年SM處理顯著高于PM處理,2014年各處理間無顯著差異,2015年SM處理顯著高于CK和PM處理。

表1 2013—2015年不同覆蓋處理下土壤全氮含量/(g/kg)

表中的值為平均值±SD,同一列小寫字母不同表明同一土層不同處理間差異在P<0.05水平顯著;CK：無覆蓋對照, control without mulching;SM：秸稈覆蓋處理,straw mulching;PM：地膜覆蓋處理,plastic film mulching

2.2 顆粒有機氮

由表2可以得出,在0—10 cm土層,從3年平均值來看,SM處理PON含量較CK和PM分別提高64.29%和53.33%(P<0.05),CK與PM處理間無顯著差異。在2013—2015各年間,PON含量處理間變化趨勢與3年平均值一致。在10—20 cm土層,SM處理PON含量較CK和PM處理3年平均分別提高了33.33%和25.00%(P<0.05),CK和PM處理差異不顯著。在2013年,CK和SM處理PON含量顯著高于PM處理,CK和SM間差異不顯著;在2014和2015年,PON含量處理間變化特征與3年平均值相同。從3年平均值來看,PON/STN值與PON含量處理間變化特征一致,在0—10 cm和10—20 cm土層SM處理PON/STN值顯著高于CK和PM處理,CK和PM間差異不顯著。

表2 2013—2015年不同覆蓋處理下土壤顆粒有機氮含量

PON：顆粒有機氮 Particulate organic nitrogen;PON/STN：顆粒有機氮相對含量 Percent of soil particulate organic nitrogen of soil total nitrogen

2.3 潛在可礦化氮和微生物量氮

表3和表4是不同覆蓋處理對土壤PNM和MBN含量的影響情況。由表3可知：在0—10 cm土層,從3年平均值來看,SM處理PNM含量較CK和PM處理提高了17.51%和22.16%(P<0.05),且CK處理顯著高于PM處理。在2013年,CK和SM處理顯著高于PM處理;在2014和2015年,SM處理顯著高于CK和PM處理,CK和PM處理差異不顯著。在10—20 cm土層,從3年平均值來看,SM和PM處理PNM含量較CK處理提高了14.59%和9.60%(P<0.05),SM和PM處理間差異不顯著。在2013年,SM和PM處理PNM含量顯著高于CK處理,在2014和2015年各處理間無顯著差異。從3年平均值來看,在0—10 cm土層,SM處理PNM/STN值高于CK處理,而PM處理PNM/STN值低于CK處理,但均未達到顯著性水平。

表3 2013—2015年不同覆蓋處理下土壤潛在可礦化氮含量

PNM：潛在礦化氮 Potential nitrogen mineralization;PNM/STN：潛在礦化氮相對含量 Percent of soil potential nitrogen mineralization of soil total nitrogen

從表4可以看出,在0—10 cm土層,從3年平均值來看,SM處理MBN含量較CK和PM處理提高了16.94%和16.56%(P<0.05),CK與PM間差異不顯著。在2013—2015各年間,MBN含量處理間變化趨勢與3年平均值一致。在10—20 cm土層中,從3年平均值來看,各處理變化特征與0—10 cm土層一致,SM處理MBN含量較CK和PM處理提高了15.78%和12.16%(P<0.05),CK和PM間差異不顯著,其中2013年SM處理MBN含量顯著高于CK和PM處理,但在2014和2015年各處理間差異不顯著。從3年平均值來看,在0—10 cm土層,各處理間MBN/STN值差異不顯著;在10—20 cm土層,SM處理MBN/STN值顯著高于CK和PM處理。

2.4 土壤礦質(zhì)氮

表4 2013—2015年不同覆蓋處理下土壤微生物量氮含量

MBN：微生物量氮 Microbial biomass nitrogen;MBN/STN：微生物量氮相對含量 Percent of soil microbial biomass nitrogen of soil total nitrogen

表5 2013—2015年不同覆蓋處理土壤硝態(tài)氮含量

表6 2013—2015年不同覆蓋處理土壤銨態(tài)氮含量

2.5 玉米產(chǎn)量

圖2 不同覆蓋處理下玉米籽粒產(chǎn)量Fig.2 Corn grain yield under different treatments CK：無覆蓋對照,The control without mulching;SM：秸稈覆蓋處理,Straw mulching;PM：地膜覆蓋處理,Plastic film mulching

3 討論

在本研究結(jié)果中,與無覆蓋對照相比,經(jīng)過7年的覆蓋措施,秸稈覆蓋處理下STN含量明顯提高,而地膜覆蓋處理下STN含量無明顯變化,這與卜玉山等[11]的研究結(jié)果一致。秸稈覆蓋后本身腐解和通過促進作物生長增加土壤有機質(zhì)的輸入,提高土壤氮素水平[17],另一方面秸稈覆蓋后也可以通過改善土壤團聚結(jié)構(gòu),產(chǎn)生顯著的碳氮固持效果[18]。盡管有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋可以短期提高作物生育期STN含量[19],但地膜覆蓋后通過對土壤水熱條件的改善,顯著提高土壤有機質(zhì)礦化速率,長期覆蓋地膜并不利于STN的積累[9,11,20]。在本研究中,地膜覆蓋處理下STN含量較對照無明顯變化,其原因可能是地膜覆蓋處理通過提高作物地下生物量(根系),彌補了因增加土壤礦化速率而減少的部分有機氮,因此地膜覆蓋后有機氮礦化與有機氮輸入之間能否達到平衡還有待于通過長期的田間試驗進一步驗證。

圖3 玉米籽粒產(chǎn)量與0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮的相關(guān)性分析Fig.3 Relations between corn grain yield and soil nitrate nitrogen content

有機物質(zhì)的輸入量是影響PON含量的主要因素[21]。PON和PON/STN含量處理間變化趨勢與STN基本一致。秸稈覆蓋有利于表層土壤PON含量的提高,其原因主要在于秸稈覆蓋增加了土壤總氮的輸入量,且可有效緩解雨滴等對土壤的打擊力,促進土壤團聚體形成[12,17]。而地膜覆蓋處理土壤PON含量較對照無明顯變化,其原因與STN的理由相似,且與Tian等研究結(jié)果相同[21]。但也有研究結(jié)果得出,地膜覆蓋后因增加了土壤溫度和水分,加速了植物殘茬等的分解速率,從而會導(dǎo)致PON含量降低[22],這可能與本試驗地膜覆蓋時間和作物種類不同有關(guān)[23]。

PNM和MBN含量與土壤微生物活動有關(guān)[2]。本研究中秸稈覆蓋提高了PNM和MBN含量及其相對含量,表明秸稈覆蓋有利于土壤有機氮的易礦化組分及生物活性的提高,這與謝駕陽等的研究結(jié)果一致[12]。張帆等[24]研究認為新鮮的有機物質(zhì)輸入是提高土壤微生物量的主要途徑。秸稈覆蓋能夠通過增加底物供給而提高土壤微生物活性和數(shù)量。秸稈覆蓋后MBN含量顯著增加表明輸入的氮素可以通過同化作用轉(zhuǎn)入微生物體內(nèi)固定,這在一定程度上可以減少通過礦質(zhì)氮淋失等途徑造成的氮素損失[24]。與秸稈覆蓋不同,本文中地膜覆蓋對PNM和MBN含量并無明顯影響,這與Tian等[21]、李世清等[9]研究結(jié)果不一致。地膜覆蓋通過改善土壤水熱條件刺激微生物代謝活性,從而可以提高MBN含量。而張成娥等[25]、付鑫等[5]則研究得出,地表覆膜后妨礙了土壤空氣與地表空氣的交換,增加了土壤二氧化碳濃度,一定程度上抑制了土壤微生物的活性。土壤微生物量及其活性可以指示土壤養(yǎng)分的短期變化情況,且易受土壤濕度和溫度條件的影響[26],因此針對地膜覆蓋對土壤微生物氮的影響作用尚需進一步研究,研究作物各生育期微生物量和活性的變化特征可能更有意義。

4 結(jié)論

在渭北旱作農(nóng)業(yè)區(qū),地表覆蓋作物秸稈或地膜對土壤氮組分含量和玉米產(chǎn)量的影響存在顯著差異。經(jīng)過7年定位試驗,與不覆蓋相比,秸稈覆蓋可顯著提高土壤全氮、顆粒有機氮、潛在可礦化氮、微生物量氮和硝態(tài)氮含量,具有顯著的固氮效果并能顯著改善長期土壤氮供應(yīng)水平,但在秸稈覆蓋措施下作物后期應(yīng)補充氮肥以增加土壤氮素有效性。而地膜覆蓋對土壤全氮和活性有機氮組分沒有顯著影響,但能夠大幅度提高土壤硝態(tài)氮含量,從而促進作物生長和產(chǎn)量形成。地膜覆蓋引起的表層土壤氮淋失風(fēng)險、長期地膜覆蓋是否會導(dǎo)致土壤肥力降低及如何實現(xiàn)氮礦化與作物養(yǎng)分吸收的同步性還尚需進一步探討。