甜菜莖葉還田及配施氮肥對土壤理化性質(zhì)和甜菜生長影響的研究進展

薛 姣，李 志，耿 貴，王宇光，於麗華

(黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080)

0 前言

甜菜是我國北方重要的糖料作物，甜菜糖占我國食糖總產(chǎn)量的10%～20%[1]，種植區(qū)主要分布在新疆、內(nèi)蒙古及黑龍江。在生產(chǎn)中除制糖以外，甜菜莖葉及副產(chǎn)品的綜合利用價值十分廣泛[2]，其地上部莖葉產(chǎn)量約為塊根產(chǎn)量的1/2～2/3，富含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如礦物鹽類、有機酸[3]。而且甜菜屬于喜氮作物，莖葉中氮養(yǎng)分含量高[4]，可作為肥料還田，能有效增加和維持土壤有機質(zhì)水平。研究表明[5]通過莖葉還田能改善土壤肥力，是利于作物生長和增產(chǎn)的有效措施。但多年來我國制糖甜菜莖葉大多數(shù)作為副產(chǎn)物被廢棄，或被用作飼料[3]。

氮在植物生長中是不可或缺的營養(yǎng)元素[5]。在甜菜種植過程中，氮肥施用量是甜菜產(chǎn)量、品質(zhì)以及經(jīng)濟效益的重要影響因子。對甜菜生產(chǎn)進行氮肥管理時，最困難的就是氮肥施用量問題[6]。且過度使用的氮、磷肥通過土壤殘留、徑流和揮發(fā)等途徑對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞[7]。研究發(fā)現(xiàn)甜菜產(chǎn)質(zhì)量與施氮量兩者之間不成正比，施氮施入量過多會造成減產(chǎn)，含糖率及品質(zhì)下降，還會導致土壤環(huán)境惡化[8-9]。

目前大多數(shù)秸稈還田的研究均針對大田作物如水稻、小麥、玉米、油菜等，甜菜莖葉還田方面的研究較少，莖葉還田后氮肥利用率以及后期氮肥追施管理研究更少，因此本文分析了甜菜不同生長時期對氮肥需求的變化規(guī)律，探討甜菜莖葉還田量對土壤氮肥含量變化的影響以及較為適宜后期配施氮肥用量，降低因過量化肥施入后導致的土壤污染及退化，高效利用農(nóng)作物秸稈資源，以期對甜菜生產(chǎn)合理的氮肥管理、適量增產(chǎn)、保護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論參考。

1 氮肥對土壤理化性質(zhì)和甜菜生長及產(chǎn)量的影響

1.1 氮肥對土壤理化性質(zhì)的影響

植物在生長過程中對氮的需求量較大，其對作物增產(chǎn)效果十分顯著，但過量或偏施氮肥的現(xiàn)象嚴重，這將破壞土壤結(jié)構(gòu)，導致經(jīng)濟效益下降及環(huán)境污染等問題[10]。在白漿型水稻土壤上連續(xù)4年的不同氮肥施用量研究表明，土壤有機質(zhì)含量隨氮肥施入量增加而提高，且堿解氮也增高[11]。而張國發(fā)等[10]發(fā)現(xiàn)與單施氮肥相比，施有機肥或有機肥尿素配施處理的土壤有機質(zhì)、速效磷及有效鉀含量均有所提高顯著增加。因此選擇得當?shù)姆柿霞笆┯昧?提高土壤肥力水平,降低土壤污染及退化。

1.2 氮肥對甜菜生長及產(chǎn)量的影響

氮素是甜菜生長發(fā)育中至關(guān)重要的營養(yǎng)元素之一，與甜菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及產(chǎn)糖量密切相關(guān)[12]。在甜菜生育前期氮素主要為地上部葉片生長供給營養(yǎng)，生育后期氮素逐漸向塊根中運轉(zhuǎn)[13]。因此，在各個時期氮肥施用過量或不足都會對甜菜產(chǎn)糖量的提高有所影響[14]。明確甜菜對氮肥的需求特點及規(guī)律，確定合理的氮肥用量，以期實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)目的。

1.2.1 甜菜需氮規(guī)律

探討甜菜中氮的代謝規(guī)律是合理施氮的基本出發(fā)點[15]，對此已有很多報道。甜菜各器官含氮量因生育時期而不同，其生育前期氮代謝最為旺盛[16]，從幼苗期(5月下旬)到葉叢繁茂期(6月中旬)對氮素吸收量不斷上升，8月上、中旬達到高峰，隨后呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢[17]。同時，曲文章[18-19]研究表明甜菜的氮分配率因生育時期而有較大變化，在苗期地上部氮的分配率最高，達90%，葉叢生長期其次，而地下部塊根氮含量占比為 10%～15%。地上部氮的分配比例隨著生育期的推進而逐漸降低，直到糖分積累期趨向于平衡。

甜菜在生長進程中，吸收氮素速率呈現(xiàn)出前期較慢，中期快和后期變慢的變化趨勢[20]，其體內(nèi)含氮量呈拋物曲線式[21]。研究表明甜菜葉叢生長期時，適當?shù)脑黾拥赜欣谔岣邏K根產(chǎn)量[22]。甜菜生育前期氮代謝主要影響地上部茂盛情況，而進入糖分積累期保持一定供氮水平，有利于糖分積累[23]。而Rosa等[24]發(fā)現(xiàn)甜菜糖分積累期時增加氮肥，會造成葉叢徒長，根冠比(T/R)減小，進而導致其產(chǎn)質(zhì)量降低。

1.2.2 氮對甜菜生理生化功能及產(chǎn)量的影響

氮作為植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成不可或缺的礦質(zhì)元素，對作物的葉綠素含量、光合速率有明顯影響[25]。研究表明[26]，不同供氮水平處理影響葉片中的含氮量，從而影響植物光合性能，得出結(jié)論葉片含氮量與光合速率二者之間存在顯著的相關(guān)性。同時,通過氮素對甜菜整株或群體光合特性在整個生育期變化動態(tài)的研究[27-29]，發(fā)現(xiàn)缺少氮素造成葉綠素含量下降，光合速率減弱；而適量增施氮肥，光合能力明顯提高，從而促進作物品質(zhì)形成及干物質(zhì)的積累。楊芳芳等[30]發(fā)現(xiàn)鹽堿土壤下施加有機肥處理能通過提高甜菜體內(nèi)葉綠素含量，進而改善光合特性、增加產(chǎn)質(zhì)量。

氮肥對維持和提高作物產(chǎn)量有積極的作用，但其施用量嚴重影響產(chǎn)量的高低[31]。有報道通過氮肥管理可調(diào)控植株葉片的生長和衰老速率，在一定程度上控制滴灌甜菜新葉的發(fā)生，加快地下部生長，提高甜菜塊根產(chǎn)糖量[32]。而供氮過多甜菜體內(nèi)有害氮含量增加，對甜菜造成毒害，含糖率降低[27]。侯振安[33]等進一步表明，適當施氮甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量明顯提高，若過量則造成塊根含糖率降低。因此，確定合理的氮肥用量是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

2 甜菜莖葉還田對土壤理化性質(zhì)和甜菜生長及產(chǎn)量的影響

2.1 甜菜莖葉還田對土壤理化性質(zhì)的影響

甜菜是一種喜肥作物，對土壤養(yǎng)分需求量較大，而這些養(yǎng)分主要用于莖葉的增長。有報道甜菜吸收氮素后，能在植物體內(nèi)產(chǎn)生具有促進甜菜生長向上性作用的生長素如吲哚乙酸、赤霉素等，使其地上部葉生長旺盛。而如果施氮過量莖葉將不停地生長[34]。作物莖葉中包含氮磷鉀等豐富的營養(yǎng)元素，是可以直接利用的可再生有機肥料資源，對土壤理化性質(zhì)改善[35]及土壤酶活性提高[36-37]有積極的作用。研究發(fā)現(xiàn)，一公頃甜菜的莖葉，可獲得干物質(zhì)中含N 3.8046%、P2O50.5%、K2O 3.35%，將其全部還田，平均每公頃土壤中增加N 189.87斤、P2O524.95斤、K2O 167.18斤。折合硝酸銨558.44斤、過磷酸鈣249.5斤、硝酸鉀388.7斤，并且還給土壤微生物提供了大量的能源。在西歐一些國家甜菜莖葉還田已經(jīng)普遍的實行[4]。且甜菜莖葉的灰分中，還含有多種無機營養(yǎng)成分[38]。油菜秸稈還田中，還田處理較對照顯著增加土壤養(yǎng)分含量，在一定程度上也提高了土壤氮磷鉀含量(P<0.05)[39]。Jehan等[40]發(fā)現(xiàn)小麥秸稈還田中土壤N水平提高1.31倍。

莖葉還田具有明顯的改善土壤作用。Shao等[41]指出莖葉還田可改善土壤透氣性，降低容重及提高孔隙度，還能增強土壤持水力。柳紅娟等[42]研究表明木薯莖葉還田措施下土壤中堿解氮含量顯著提高，同時一定程度上改善土壤微生物種群。同時在研究小麥的實驗中[43]發(fā)現(xiàn)，莖葉還田還能夠影響土壤中氣體的排放如提高CH4排放，減少N∶O排放量。

2.2 甜菜莖葉還田對甜菜生長及產(chǎn)量的影響

莖葉中含有豐富的養(yǎng)分，還田后經(jīng)過土壤微生物腐解形成有機物質(zhì)，能有效填補土壤肥力的消耗[44]，進而優(yōu)化了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，有利于甜菜的生長發(fā)育。研究表明[42]木薯莖葉還田后明顯提高香蕉的株高、葉面積以及葉綠素含量，有效促進植株生長。劉傳和等[45]發(fā)現(xiàn)菠蘿莖葉粉碎后直接還田后下茬菠蘿的株高、葉長、根長以及地上部和地下部鮮質(zhì)量等各項指標均明顯高于對照，且單果重及產(chǎn)量均有所提高。玉米秸稈還田實驗中[46]，其結(jié)果表明還田處理下單株葉面積顯著高出對照，其光合速率和蒸騰速率也明顯提高。

作物莖稈還田是一種保護地力、增加作物產(chǎn)量的有效措施[47]。實驗表明[48]，秸稈還田后晚稻能夠提高對氮的吸收利用，其產(chǎn)量明顯增加，而還田量多少對晚稻產(chǎn)量影響不同，半量(50%)秸稈還田產(chǎn)量為6.9 t/hm2，全量(100%)秸稈還田為8.0 t/hm2。徐國偉等[49]研究顯示通過秸稈還田處理能增加水稻的千粒重，提高產(chǎn)量，而且稻米品質(zhì)也有所改善。因此提倡莖葉還田，是增加土壤有機質(zhì)，促進植物生長的重要手段。

3 莖葉還田與氮肥配施對土壤理化性質(zhì)和甜菜生長及產(chǎn)量的影響

3.1 莖葉還田與氮肥配施對土壤理化性質(zhì)的影響

盲目施肥導致大量浪費和土壤質(zhì)量下降[50]，而加大有機肥如農(nóng)作物秸稈的施用可緩解土壤板結(jié)、土壤肥力下降等情況，對肥料的使用現(xiàn)狀能起到積極的改善作用。吳婕等[47]人的兩季還田試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與配施氮肥處理能更有利于改善土壤容重、孔隙度結(jié)構(gòu)和含水率等重要物理性狀。李磊等[51]研究表明氮肥減施與有機肥/秸稈配施實驗中，相比單施化肥處理，化肥減氮1/6+秸稈處理的土壤容重顯著降低，非毛管孔隙度增加。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)[52]秸稈還田配施適量氮肥能有效調(diào)節(jié)氮碳比，增強土壤蓄水能力。

此外，土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標，其影響土壤的養(yǎng)分供應能力，進而對作物的生長及產(chǎn)量有著重要的意義[53]。張剛等[54]研究表明麥秸全量還田配施 N 240 kg/hm2處理，顯著提高水稻對氮肥的利用率，降低氮肥損失。田慎重等人[55]發(fā)現(xiàn)，秸稈配氮還田下土壤的有機碳含量明顯增加，尤其是利于土層0-10cm有機質(zhì)積累。

3.2 莖葉還田與氮肥配施對甜菜生長及產(chǎn)量的影響

相比對作物進行單一秸稈還田處理或單獨施氮處理，兩者合理配施的增產(chǎn)增質(zhì)效果更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)[56]在淮北地區(qū)兩年的定位實驗中，麥秸還田與氮肥配施下小麥幼苗素質(zhì)顯著提高，且增產(chǎn)率分別達7.9%、9.5%。甜菜為直根系作物，需肥量大，平均每噸塊根生產(chǎn)需消耗氮4.5 kg、磷1.5 kg以及鉀肥5.5 kg[57]。據(jù)測定一公頃甜菜莖葉全部還田，土壤中每公頃可增加N 189.87斤[4]。由于莖葉還田的腐解特性，后期氮肥施用量對植株的生長及產(chǎn)量有明顯的作用，應從甜菜養(yǎng)分平衡入手，根據(jù)田間土壤中氮素的動態(tài)變化，設(shè)計配方施肥模型進行模擬尋優(yōu)。李文華等[58]研究發(fā)現(xiàn)，在一定施氮水平下甜菜根產(chǎn)量與施氮量呈正相關(guān)，但過量施氮塊根產(chǎn)量下降。劉義國等[59]研究表明，秸稈還田下隨配施N肥的增加，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，當施N量(300 kg/hm2)最多的處理時，產(chǎn)量反而有明顯下降。因此，適宜的施氮量對作物生長發(fā)育和秸稈腐解均有重要的作用。

此外，還田效果與莖葉還田量的選擇密切相關(guān)。徐蔣來等[60]通過三年的田間定位試驗發(fā)現(xiàn)，相同施氮量下前兩年不同秸稈還田處理對小麥均有增產(chǎn)效果，但半量還田對小麥的增產(chǎn)效果在三年中均達到顯著水平，而100%還田處理在第三年略微減產(chǎn)。張彬等[61]研究發(fā)現(xiàn)同一施氮水平下，四個不同秸稈還田量處理對耕層(0～10 cm)的堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有不同程度的增加，而2/3還田(5 000 kg/hm2)處理的成效最為顯著，且玉米的產(chǎn)量也明顯高于處理?？傊€田的氮素釋放受氮肥施入量及還田量的影響，過低或過高的還田量都會造成作物減產(chǎn)。且合理選擇氮肥施入量對作物產(chǎn)量也具有重要意義。

4 展望

甜菜副產(chǎn)品的利用途徑多樣，但關(guān)于甜菜莖葉還田用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的較少，甜菜對氮素吸收利用的生理過程較為復雜，且基于莖葉還田的腐解特性，后期施氮量的選擇對甜菜的產(chǎn)量有重要影響。因此，在繼續(xù)深入研究甜菜莖葉還田量和后期配施氮肥量，可利用測土配方技術(shù)確定施用氮肥最適宜量和配比；結(jié)合氮素實時監(jiān)控以及甜菜關(guān)鍵生育期營養(yǎng)狀況診斷技術(shù)，構(gòu)建合理的甜菜氮肥施用時期及施用量的模型等方式，尋求最佳莖葉還田量和氮肥管理條件下的土壤肥力和甜菜體內(nèi)養(yǎng)分含量的具體變化，達到合理施氮用氮，減少污染，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，形成循環(huán)經(jīng)濟。