留膜留茬免耕栽培條件下旱作玉米生長季土壤氮素供應(yīng)動(dòng)態(tài)特征

張建軍, 黨翼, 趙剛, 樊廷錄, 王磊, 程萬莉,李尚中, 王淑英, 雷康寧

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所, 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070)

保護(hù)性耕作技術(shù)于20世紀(jì)60年代在美國逐步成型。近年來，以留膜留茬免耕種植為代表的旱地保護(hù)性耕作技術(shù)，因其良好的保墑及節(jié)本增效作用已在甘肅旱作區(qū)大面積應(yīng)用[1-5]。氮素是作物生長發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素之一，也是作物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素[6]。土壤全氮因其庫存大且變異系數(shù)小，對耕作措施的響應(yīng)緩慢，因而單獨(dú)測定全氮并不能完全反映土壤氮素的動(dòng)態(tài)特征[7]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是作物可以直接吸收利用的氮素形態(tài)，其含量雖低,卻是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最易耗竭和限制作物生長發(fā)育的氮素形態(tài)[8]。目前對降雨量在400～600 mm的黃土高原區(qū)土壤氮素的淋洗研究不多，主要原因是相關(guān)學(xué)者認(rèn)為這些地區(qū)降雨量較少，淋洗不可能發(fā)生或不起主要作用，事實(shí)上這些地區(qū)降雨雖少，卻主要集中在 6—9月內(nèi)，強(qiáng)度大的降雨不僅會(huì)引起氮素的地表徑流損失(特別是黃土高原地區(qū))，還會(huì)使表層硝態(tài)氮下滲到相當(dāng)深度[9]。因此，研究土壤全氮、堿解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化，對于評(píng)價(jià)由耕作措施所引起的土壤氮素變化意義重大。目前，國內(nèi)外關(guān)于留膜留茬免耕栽培技術(shù)的土壤氮素在玉米生長季及各土層分布動(dòng)態(tài)特征的報(bào)道尚不多見。為此，本研究開展了留膜留茬免耕栽培條件下的土壤氮素在玉米各生育時(shí)期及土層分布動(dòng)態(tài)特征的研究，旨在明確栽培措施對旱作農(nóng)田土壤氮素變化動(dòng)態(tài)的響應(yīng)規(guī)律，加深對旱作農(nóng)田土壤氮循環(huán)過程的理解。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016—2018年在甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原縣甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(35°29′42″N, 107°29′36″E)進(jìn)行，土壤類型為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。該區(qū)年均降雨量540 mm，其中7—9月占60%，年蒸發(fā)量1 532 mm，年均氣溫8.3 ℃，無霜期170 d，海拔1 279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風(fēng)氣候，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)開始前土壤養(yǎng)分含量見表1。

表1 播前0～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用定位試驗(yàn)，于2016年采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)2個(gè)栽培模式，分別為：全膜雙壟溝播栽培(CK)，留膜留茬免耕栽培(T)。小區(qū)面積為27.5 m2(5.5 m×5 m)，3次重復(fù)。2016年為預(yù)備試驗(yàn)，T處理留膜留茬免耕栽培為2016年全膜雙壟溝播玉米在秋季收獲后不揭膜，2017年和2018年繼續(xù)利用舊膜，地膜殘留率和覆蓋度均達(dá)90%以上，留茬3～5 cm人工割倒玉米稈，翌年不進(jìn)行土壤耕翻，直接穴播春玉米；CK為秋季揭膜免耕，春季播前進(jìn)行旋耕。其中，CK于4月上旬覆膜，地膜為普通白色聚乙烯地膜(甘肅振海塑業(yè)有限責(zé)任公司)，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm。玉米品種為先玉335(甘肅省敦煌種業(yè)股份有限公司)，密度7.5萬株·hm-2。氮肥用量180 kg·hm-2，2016年T、CK兩處理的氮肥50%作基肥結(jié)合整地施入，50%作追肥于拔節(jié)期用追肥槍人工施入，覆膜前施過磷酸鈣1 000 kg·hm-2。2017年和2018年氮肥100%作基肥，CK處理結(jié)合播前整地施入，T處理采用追肥槍錯(cuò)開根茬人工穴施，施肥點(diǎn)在壟溝，所有處理均不施磷、鉀肥。其他田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1土壤樣品采集 留膜留茬免耕栽培第2年即2018年，分別于播前、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、收獲期在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，采用五點(diǎn)法，用直徑為3.5 cm土鉆分別采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤樣品，其中，T處理取樣點(diǎn)分別位于壟溝和壟上，壟溝取樣點(diǎn)位于2株玉米間，避開追肥穴，將來自同一土層的土壤樣品混勻，采用四分法去掉多余土樣。待自然風(fēng)干后，剔除肉眼可見的植物殘?bào)w、礫石等雜物，研磨過2 mm孔徑篩備用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并作圖，采用DPS 7.01統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析(ANVOA)，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期不同栽培模式下各土層全氮含量變化

從表2可以看出，玉米整個(gè)生育時(shí)期0～40 cm土層，2種栽培模式的全氮含量整體上隨土層深度增加呈下降趨勢，40～100 cm土層變化不同。具體表現(xiàn)為0～40 cm土層，CK在苗期到收獲期，隨土層深度增加，全氮含量逐漸減少；40～100 cm土層，苗期到拔節(jié)期全氮含量變化不明顯，抽雄到收獲期表現(xiàn)為全氮含量的明顯累積。整個(gè)生育期T處理在0～40 cm土層內(nèi)，隨土層深度增加，全氮含量減少；60～100 cm土層表現(xiàn)為全氮含量累積。收獲期CK在0～40 cm土層，隨土層深度增加而減少，40～100 cm表現(xiàn)為全氮含量的明顯富集。相同土層深度，CK苗期到拔節(jié)期全氮含量減少，拔節(jié)期到抽雄期逐漸增加，收獲期又減少。T處理苗期到拔節(jié)期在0～10 cm土層，全氮含量持平，其余土層全氮含量增加；拔節(jié)期到抽雄期表現(xiàn)為全氮含量的增加；抽雄期到灌漿期全氮含量除0～10、20～40 cm減少外，其余土層表現(xiàn)為增加或持平；收獲期0～20 cm土層表現(xiàn)為全氮含量增加，20～60 cm土層減少，60～100 cm土層增加。

表2 玉米生育期不同栽培方式下土壤全氮含量的變化

2.2 玉米生育期不同栽培模式下各土層硝態(tài)氮含量變化

表3 玉米生育期不同栽培方式下土壤含量變化

2.3 玉米生育期不同栽培模式下各土層堿解氮含量變化

從表4可以看出，在0～100 cm土層，各生育時(shí)期隨土層深度增加，堿解氮含量整體上呈垂直遞減的趨勢。其中，以0～20 cm土層堿解氮含量最高，20～40 cm急劇下降，40～80 cm土層堿解氮含量下降緩慢，說明黑壚土在40～80 cm土層保肥能力強(qiáng)。在0～20 cm土層，整個(gè)生育期T處理的堿解氮含量低于CK，其中，0～10 cm土層降幅在0.3%～26.0%；10～20 cm土層降幅在17.7%～23.8%。收獲期0～20 cm土層，CK處理與播前比較，堿解氮含量增幅在4.9%～9.8%。

表4 玉米生育期不同栽培方式下土壤堿解氮含量變化

2.4 玉米生育期不同栽培模式下各土層銨態(tài)氮含量變化

表5 玉米生育期不同栽培方式下土壤含量變化

3 討論

3.1 留膜留茬免耕栽培對旱作玉米生長季土壤和供應(yīng)動(dòng)態(tài)的影響

3.2 留膜留茬免耕栽培對旱作玉米生長季土壤全氮及堿解氮供應(yīng)動(dòng)態(tài)的影響

土壤中的氮素可分為有機(jī)氮和無機(jī)氮，其中全氮、堿解氮含量反映了土壤肥力狀況。劉慧鐲[19]研究認(rèn)為，玉米不同生育階段吸收氮素的數(shù)量和比例差異較大。苗期玉米植株開始生長，土壤全氮含量下降；拔節(jié)期植株所需氮素含量較少，全氮含量上升，大喇叭口至抽雄期，玉米營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)，植株吸收大量氮素，土壤全氮含量下降；灌漿和收獲期植株生長逐漸停止，對氮素需求較低。另外，該生育階段部分殘留根系及凋零枝葉開始補(bǔ)給土壤，增加了氮素輸入，土壤全氮回升至播前水平。本研究結(jié)果顯示，留膜留茬免耕栽培隨生育時(shí)期推進(jìn)，0～20 cm土層全氮含量一直增加，原因是玉米殘留根茬主要集中在表層(0～20 cm)，殘茬腐解為表層土壤補(bǔ)給了氮素養(yǎng)分，而在20～40 cm土層，全氮含量呈先增加后降低趨勢。

耕作措施時(shí)刻影響著土壤全氮的積累[20-21]。有研究認(rèn)為，傳統(tǒng)的土壤耕作加速了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解，導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失，而以少免耕為代表的保護(hù)性耕作技術(shù)由于減少了土壤擾動(dòng)，被認(rèn)為能夠提高土壤全氮含量[22]。但多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，免耕較翻耕主要增加了表層土壤的全氮含量[23-24]，而在較深層次土壤中，研究結(jié)果存在差異[25-26]。本研究結(jié)果顯示，在0～10 cm土層，留膜留茬免耕栽培的全氮含量在春玉米整個(gè)生育期明顯低于全膜雙壟溝播栽培，與上述研究結(jié)果不盡一致，原因可能是翻耕疏松的耕層土壤更有利于玉米根系的下扎，更多的有機(jī)物質(zhì)投入是翻耕土層中全氮含量高于免耕的原因之一，也有可能是留膜留茬免耕栽培周年地膜覆蓋改善了土壤水熱條件，加速了微生物對土壤中有機(jī)氮的分解而降低了土壤全氮含量。另外，氣候條件、土壤類型、種植模式以及研究年限等的差異也有可能引起全氮含量的改變，有待于做進(jìn)一步研究。本研究還發(fā)現(xiàn)：耕作方式改變了土壤全氮含量的垂直分布特征，2種栽培模式各生育時(shí)期在0～40 cm土層，全氮含量隨土層深度增加而減少，40～100 cm存在差異，原因可能是耕作方式的改變首先會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)在土壤剖面的重新分布，留膜留茬免耕栽培在周年地膜覆蓋條件下，土壤水熱條件的改變會(huì)引起有機(jī)質(zhì)分解速度的差異所致。

大量研究表明，免耕有利于提高土壤中堿解氮含量，并且有明顯的表層聚集現(xiàn)象，從而提高土壤質(zhì)量[27-28]。本研究結(jié)果表明：留膜留茬免耕栽培整個(gè)生育期0～20 cm土層堿解氮含量顯著低于全膜雙壟播栽培。彭正萍等[29]研究了壤土條件下施肥對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響，結(jié)果表明，壤土條件下，土壤堿解氮大多集中于0～30 cm，30 cm以下迅速下降，50～70 cm略有回升。本研究結(jié)果顯示：從堿解氮含量垂直分布來看，在0～100 cm土層，各生育時(shí)期隨土層深度增加，堿解氮含量整體上呈垂直遞減的趨勢，以表層(0～20 cm)堿解氮含量最高，20～40 cm急劇下降，40～80 cm堿解氮含量下降緩慢，與上述研究結(jié)論一致。

因此，留膜留茬免耕栽培在表層(0～20 cm)，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量顯著低于全膜雙壟溝播栽培，引起玉米拔節(jié)后堿解氮供應(yīng)不足，可能是留膜留茬免耕栽培玉米生育后期出現(xiàn)早衰的原因之一。