沙土地有機(jī)肥替代化肥與灌溉優(yōu)化在苜蓿上的耦合效應(yīng)研究

侯 俊，王 帥，崔士通，王會(huì)剛，張衛(wèi)峰*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；3.灤南縣農(nóng)牧局，河北 灤南 063500)

有機(jī)肥替代化肥以及合理利用有機(jī)資源是實(shí)現(xiàn)中國(guó)到2020年化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)的重要途徑之一。按照養(yǎng)分平衡原則，滿足我國(guó)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的氮磷鉀養(yǎng)分需求分別為2 100萬t N、1 000萬t P2O5、730萬t K2O[1]，隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖的快速發(fā)展和秸稈等資源的增加，有機(jī)肥資源可提供3 050萬t N、1 400萬t P2O5和2 950萬t K2O[2]，理論上有機(jī)養(yǎng)分可以大幅度滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。然而這些養(yǎng)分并未被全部利用，以N為例，農(nóng)戶畜禽糞便中的氮僅33%還田利用[3]，其余的都被人為丟棄或以環(huán)境損失的形式浪費(fèi)，因此，挖掘有機(jī)養(yǎng)分資源潛力必須破解如何使有機(jī)養(yǎng)分回到農(nóng)田的難題。

隨著國(guó)家減肥增效行動(dòng)的推動(dòng)，有機(jī)肥替代化肥被認(rèn)為是最有效的措施[4]，但是替代比例或者說替代潛力仍不明確。謝軍等[5]和徐明崗等[6]分別在玉米和雙季稻上通過長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮最好，均優(yōu)于單純施用化肥和有機(jī)肥。冀建華等[7]則認(rèn)為30%的替代率最利于增加雙季稻的產(chǎn)量且提高氮利用率。陳志龍等[8]報(bào)道小麥生長(zhǎng)季25%的替代率是有機(jī)肥氮替代最佳的比例。Dawe等[9]和Ladha等[10]認(rèn)為長(zhǎng)期施肥條件下有機(jī)肥氮與化肥氮無本質(zhì)差別。Seufert等[11]也通過數(shù)據(jù)整合分析的方法研究表明有機(jī)肥氮的施用在特定區(qū)域反而比化肥氮的效果更佳。

上述差異是因?yàn)橛袡C(jī)肥中的氮大部分為有機(jī)氮，有機(jī)氮必須礦化為無機(jī)氮后才能被作物吸收利用。而礦化受溫度、水分、微生物種類、自身理化性質(zhì)等多因素的影響[12]，條件不同則礦化能力不同。其中，水分對(duì)其礦化速度的影響較大，因此在有機(jī)肥施用過程中就必須考慮水分的因素，如灌溉、降水等。以往研究較多關(guān)注于無機(jī)氮與水分的協(xié)同作用[13-14]，目前缺乏有機(jī)氮與水分綜合管理最直接的證據(jù)。

本文基于在河北灤南縣進(jìn)行的定位試驗(yàn)，旨在揭示苜蓿生產(chǎn)中有機(jī)肥替代化肥并優(yōu)化灌溉后的氮素供應(yīng)規(guī)律和增產(chǎn)效應(yīng)，以期為有機(jī)肥高效還田提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

本研究在河北省灤南縣進(jìn)行，砂質(zhì)土壤占總耕地面積的70%以上，隨著水肥投入加大，漏水漏肥日趨嚴(yán)重。同時(shí)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，據(jù)2014年縣農(nóng)牧局統(tǒng)計(jì)奶牛養(yǎng)殖14萬頭。這就需要大量苜蓿從縣外購(gòu)買，同時(shí)產(chǎn)生大量的糞便，但并沒有轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥還田利用，而成為環(huán)境污染的主要來源。試驗(yàn)于2013年4月～2015年10月在灤南縣林業(yè)局林場(chǎng)(N39°35′,E118°35′)進(jìn)行。全年降水量和平均溫度分別為658 mm和11℃，無霜期約186 d。試驗(yàn)期間的月平均溫度與多年長(zhǎng)期的月平均溫度相似。2014和2015年部分月份的降水量與多年平均值有差異，如8月份是多年平均降水量的2～3倍(圖1)。

圖1 2014年、2015年及長(zhǎng)期(1956～2013年)月平均降水量和平均氣溫注：虛線間部分為采用減量灌溉的時(shí)期(5月～10月)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用2因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共7個(gè)處理：

1)不施N處理(CK)，常規(guī)灌溉；2)化肥N處理+常規(guī)灌溉(0%MR)；3)化肥N處理+優(yōu)化灌溉(0%MO)；4)有機(jī)肥N替代50%化肥N+常規(guī)灌溉(50%MR)；5)有機(jī)肥N替代50%化肥N+優(yōu)化灌溉(50%MO)；6)有機(jī)肥N替代100%化肥N+常規(guī)灌溉(100%MR)；7)有機(jī)肥N替代100%化肥N+優(yōu)化灌溉(100%MO)。施氮量根據(jù)土壤測(cè)試和目標(biāo)產(chǎn)量確定，播種前所有處理的施氮量為180 kg/hm2(CK除外)，施磷量為P2O5150 kg/hm2，施鉀量為K2O 150 kg/hm2，均作為基肥于2014年4月20日施用;2015年3月14溝施追肥，追N量為100 kg/hm2(CK除外)，追磷量為P2O590 kg/hm2，追鉀量為K2O 100 kg/hm2。試驗(yàn)用化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 50%)。供試土壤為潮土(中國(guó)土壤分類法)，0～20 cm表層土壤的pH值為8.2，有機(jī)質(zhì)7.06 g/kg、全氮0.32 g/kg、有效磷(Olsen-P)12.9 mg/kg、速效鉀66.1 mg/kg、EC 6.3 mS/m。

有機(jī)肥為腐熟牛糞，含水量28.9%，其成分含量(烘干物)為有機(jī)質(zhì)16.7%、N 0.452%、P2O50.46%、K2O 0.96%、Cd 0.056 mg/kg、Cr 26.7 mg/kg、Pb 6.49 mg/kg、As 2.76 mg/kg，符合畜禽糞便安全使用準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 1334—2007)。

灌溉采用畦灌，分為常規(guī)灌溉處理(灌溉量參考田間水分含量確定，土壤相對(duì)含水量為65%～70%)和優(yōu)化灌溉處理。優(yōu)化灌溉實(shí)施方案為，在降雨量較少的月份(1月至4月、9月至12月)實(shí)行常規(guī)灌溉；而在降雨量較多的月份(5月至10月)實(shí)行減量灌溉(圖1)，灌溉水量為常規(guī)灌溉的50%(表1)。灌水量根據(jù)灌水流速和灌水時(shí)間控制。

表1 各灌溉處理的灌溉標(biāo)準(zhǔn)

注：aⅠ-Ⅵ表示灌水次數(shù)；*是2014～2015年間在降水量豐富的月份通過實(shí)施灌溉水減半來優(yōu)化灌溉。

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)30 m2(6 m×5 m)，小區(qū)起壟15 cm單獨(dú)成畦，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。種植作物苜蓿(金皇后)，行距為20 cm，小區(qū)間距0.5 m，各小區(qū)相互隔開。病蟲害和其他田間管理參照當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)定

為觀測(cè)水分的運(yùn)移狀況，試驗(yàn)采用時(shí)域反射儀TDR(Trim-T3，德國(guó))于播種后測(cè)定各處理土壤剖面0～180 cm的土壤水分相對(duì)含量。其觀測(cè)精度≤±2.0%(vol.)，測(cè)量范圍0%～100%，分辨率≤0.1%，分別測(cè)定優(yōu)化灌溉下(以表1中第Ⅵ次灌溉作為代表加以分析)澆水1 d后、5 d后的水分含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

各數(shù)據(jù)顯著性分析用SAS 8.2軟件，其他數(shù)據(jù)用Excel 2010統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤耕層(0～20 cm)硝態(tài)氮含量

圖2反映了4茬苜蓿在現(xiàn)蕾期(關(guān)鍵生育期)的耕層(0～20 cm)土壤硝態(tài)氮含量，與CK相比施氮處理顯著提高了硝態(tài)氮含量，且施氮處理間硝態(tài)氮含量有差異(試驗(yàn)結(jié)果顯示銨態(tài)氮無顯著差異，本文不再列出數(shù)據(jù))，其中第2和第3茬最為明顯(圖2)。第2茬中相同灌溉下有機(jī)肥替代率越高硝態(tài)氮含量也越大，0%MR(14.32)<50%MR(18.47)≈100%MR(17.07)，或0%MO(16.50)<50%MO(19.15)<100%MO(21.89)(單位，mg/kg)；相同有機(jī)肥氮替代下，僅100%替代條件且優(yōu)化灌溉水的硝態(tài)氮含量顯著高于普通灌溉，其他無顯著差異。第3茬也有相似規(guī)律。

圖2 苜蓿土壤耕層(0～20 cm)硝態(tài)氮含量注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同處理土壤剖面的硝態(tài)氮?dú)埩?/h3>

由圖3可知,2014年0～180 cm土層各處理的土壤硝態(tài)氮含量大部分均無顯著差異；2015年收獲季0～100 cm剖面各處理無顯著差異(圖3)，但100～180 cm剖面則差異顯著。兩年的對(duì)比表明，第2年收獲后100～180 cm土層硝態(tài)氮有顯著差異。因此，以下著重對(duì)2015年收獲后100～180 cm土層各處理的硝態(tài)氮含量作分析。

2015年相同灌溉下有機(jī)肥替代率越高則硝態(tài)氮含量越低(圖3d～f)，例如，在80～100 cm處，0%MR(3.84)>50%MR(2.65)≈100%MR(2.43)(單位,mg/kg)，而且0%MR顯著高于50%MR和100%MR，其他耕層(0～20 cm)也有相似規(guī)律。在相同有機(jī)肥替代率下，優(yōu)化灌溉的土壤硝態(tài)氮含量小于或顯著小于常規(guī)灌溉。例如，100～120 cm，0%MO(4.14)<0%MR(5.98)，50%MO(2.63)<50%MR(3.03)，100%MO(2.62)<100%MR(3.03)(單位，mg/kg)。

2.3 不同處理土壤含水量動(dòng)態(tài)變化

圖4所示灌水1 d后0～100 cm土層(根系主要分布區(qū))土壤含水量，相同灌溉條件下不同有機(jī)肥氮替代處理的差異很??；相同有機(jī)肥氮代替率下優(yōu)化灌溉水處理在大部分土層要小于或等于常規(guī)灌溉處理(圖4)。而100～180 cm土層土壤含水量差異不顯著。這說明在降水量豐沛的月份采取減量灌溉1 d后影響了土壤上層(0～100 cm)含水量而對(duì)下層土壤(100～180 cm)無明顯影響。

圖3 不同處理苜蓿收獲后土壤0～180 cm 土壤剖面的 分布注：a～c為2014年收獲季，d～f為2015年收獲季，圖中表示LSD值(5%),下同。

圖4 不同處理優(yōu)化灌溉下0～180 cm 土層含水量動(dòng)態(tài)變化(Ⅵ次灌水)

由圖4 5 d后0～100 cm土層土壤含水量可知，相同灌溉水下不同有機(jī)肥氮替代的差異不顯著；相同有機(jī)肥氮替代下，優(yōu)化灌溉在大部分土層的土壤含水量差異不顯著(圖4)。在100～180 cm土層，相同灌溉水下不同有機(jī)肥氮替代處理的含水量差異不顯著；相同有機(jī)肥替代率下，優(yōu)化灌溉處理顯著小于普通灌溉處理土壤含水量(0%MO<0%MR、50%MO<50%MR和100%MO<100%MR)。這說明在降水量豐沛的月份采取減量灌溉造成的水分移動(dòng)在5 d內(nèi)僅僅影響了土壤下層(100～180 cm)而對(duì)土壤上層(0～100 cm)無顯著影響。

2.4 不同處理的苜蓿產(chǎn)量

表2可知，有機(jī)肥氮替代化肥氮第3和第4茬對(duì)苜蓿產(chǎn)量有影響，但對(duì)總產(chǎn)量影響不顯著；而灌溉水優(yōu)化從第2、3和4茬對(duì)苜蓿產(chǎn)量有影響，且對(duì)苜?？偖a(chǎn)量影響顯著；兩者存在交互作用(從第3茬開始影響苜蓿產(chǎn)量)并對(duì)苜?？偖a(chǎn)量影響顯著。常規(guī)灌溉下有機(jī)肥氮50%替代化肥氮(50%MR)處理與單獨(dú)施用化肥氮(0%MR)處理差異不顯著，而有機(jī)肥氮100%替代化肥氮(100%MR)處理與單獨(dú)施用化肥氮(0%MR)處理相比顯著提高了14.3%；優(yōu)化灌溉下，有機(jī)肥氮0%(0%MO)、50%(50%MO)和100%替代(100%MO)處理三者之間產(chǎn)量差異不顯著。這說明在常規(guī)灌溉條件下有機(jī)肥氮替代率與苜?？偖a(chǎn)量正相關(guān)，而在優(yōu)化灌溉條件下有機(jī)肥氮替代對(duì)苜蓿產(chǎn)量差異的影響不顯著。相同有機(jī)肥氮替代率下，0%，50%和100%氮替代條件下優(yōu)化灌溉比常規(guī)灌溉分別增產(chǎn)22.2%、6.6%和11.6%。

表2 不同處理的苜蓿產(chǎn)量 (Mg/hm2)

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)5%顯著水平；*、**分別表示5%和1%顯著水平；NS 表示未達(dá)5%顯著水平。下同。

此外，從產(chǎn)量的F顯著檢驗(yàn)結(jié)果可知，有機(jī)肥替代、優(yōu)化灌溉和兩者協(xié)同作用對(duì)1～4茬的產(chǎn)量影響是在第2茬以后起作用的，綜上，有機(jī)肥替代僅能保產(chǎn)，而優(yōu)化灌溉水以及互作有顯著增產(chǎn)作用。

本研究重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，株高和有效分枝數(shù)。圖5a表明，施肥處理的株高顯著高于無氮處理(CK)，這說明施肥能增加苜蓿株高。4茬中第3茬最具代表性(產(chǎn)量高且處理間差異大)，以其為典型得出如下規(guī)律：相同有機(jī)肥替代率下優(yōu)化灌溉能顯著增加株高，例如，0%MR(62)<0%MO(80)，50%MR(60)<0%MO(70)，100%MR(83)<0%MO(85)(單位，cm)；而相同灌溉條件下，不同有機(jī)肥氮替代率之間無顯著影響。有效分枝數(shù)的規(guī)律與株高相似(圖5b)。

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代化肥對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的影響

相同灌溉條件下，有機(jī)肥氮替代化肥氮在苜蓿的總產(chǎn)量上差異不顯著且與優(yōu)化灌溉水具有交互作用。有機(jī)肥氮的替代率在苜蓿上的研究報(bào)道很少，本研究中有機(jī)肥100%替代化肥的生物固氮量與化肥相比顯著增加了生物固氮但增加量很少(N 9 kg/hm2)僅占本試驗(yàn)兩年氮肥用量(N 280 kg/hm2)的3%，因此本文沒有列出數(shù)據(jù)。苜蓿關(guān)鍵生育期土壤耕層(0～20 cm)無機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)含量證明有機(jī)肥氮替代50%和100%均能滿足苜蓿的無機(jī)氮供應(yīng)。

圖5 不同處理植株的株高和有效分枝數(shù)

本研究表明有機(jī)肥替代率越高則硝態(tài)氮的淋洗風(fēng)險(xiǎn)越小。以往研究表明有機(jī)肥氮比礦物氮更能減少土壤硝態(tài)氮的淋洗，提高氮的利用效率，其原因是有機(jī)肥的氮轉(zhuǎn)化較慢不容易損失[16]。Demurtas等[17]通過對(duì)地中海氣候條件下玉米-黑麥草輪作系統(tǒng)的研究表明，有機(jī)肥施用后淋洗到90 cm以下土層的硝態(tài)氮為42 kg/hm2，顯著小于單施化肥(89 kg/hm2)和有機(jī)肥與化肥配施(94 kg/hm2)，這表明在多雨地區(qū)有機(jī)肥具有減緩硝態(tài)氮淋洗的作用。本研究與上述研究結(jié)論一致。

3.2 優(yōu)化灌溉對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的影響

本研究表明相同有機(jī)肥氮替代下，優(yōu)化灌溉能夠提高或顯著提高苜蓿的產(chǎn)量。本文通過長(zhǎng)期的降水量來確定灌溉方案，在降水量豐沛月份減量灌溉，其他月份與常規(guī)灌溉相同，并參照前人的經(jīng)驗(yàn)考慮了灌溉量[13]和灌溉時(shí)間[16]。本研究中2014～2015年苜蓿施肥處理苜蓿產(chǎn)量在20.3～25.9 Mg/hm2，優(yōu)化灌溉水比常規(guī)灌溉提高11.8%的苜蓿產(chǎn)量。在特定時(shí)間減量灌溉能夠提高作物產(chǎn)量，其機(jī)理有兩個(gè)：一是刺激作物抗逆性，減少25%和50%灌溉水量能夠分別提高黃瓜產(chǎn)量的11%和15%[18]；二是減小養(yǎng)分淋失，例如，影響小麥產(chǎn)量的只是50～100 cm土壤剖面的土壤水，而深層土壤水(200 cm)不影響產(chǎn)量，多余的灌溉只會(huì)使水向深層移動(dòng)形成無效水還造成養(yǎng)分淋失[19]。

本研究中灌溉后1和5 d的土壤剖面水分含量，0～100 cm土層優(yōu)化灌溉和常規(guī)灌溉之間無差異，100～180 cm有顯著差異。因此，本研究的減量灌溉保證產(chǎn)量的機(jī)理不是提高了作物抗逆性，而是關(guān)鍵時(shí)期減量灌溉滿足水分需求的同時(shí)減小了硝態(tài)氮的淋洗風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 有機(jī)肥替代和優(yōu)化灌溉的交互作用

本研究表明有機(jī)肥替代和優(yōu)化灌溉水對(duì)苜蓿的產(chǎn)量具有交互作用?；实牡嘏c灌溉水耦合能夠提高作物產(chǎn)量并且促進(jìn)氮和水的利用效率[13]。然而，有機(jī)肥替代化肥后替代氮的同時(shí)也帶來了碳，從而產(chǎn)生了新的體系，也促進(jìn)了苜蓿生長(zhǎng)。

本研究在保證足夠氮用量的條件下來研究有機(jī)肥替代和優(yōu)化灌溉水的作用，最終能夠提高或者保證苜蓿產(chǎn)量。以往對(duì)于有機(jī)肥替代的研究多集中在糧食作物，例如有機(jī)肥替代化肥能夠提高12.5%～13.7%的夏玉米產(chǎn)量[5]，有機(jī)肥替代化肥的冬小麥產(chǎn)量與化肥相似[8]。本研究中通過種植苜蓿，有機(jī)肥替代和灌溉水優(yōu)化能夠在實(shí)現(xiàn)“糧改飼”的同時(shí)也減少化肥用量和灌溉水用量。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)通過有機(jī)肥N(180 kg/hm2)替代化肥N以及優(yōu)化灌溉(262 mm)能夠提高苜蓿產(chǎn)量25%，兩者協(xié)同作用降低了硝酸鹽的淋洗風(fēng)險(xiǎn)。因此，在協(xié)調(diào)種養(yǎng)之間矛盾中，該養(yǎng)分管理技術(shù)具有大面積推廣的價(jià)值。