張忠學(xué),宋 健,齊智娟,張作合,黃 艷,王 柏
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,哈爾濱 150030;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030;3.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院,黑龍江 綏化 152061;4.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 100050)
黑土是肥力最高、最適宜農(nóng)耕和最具生產(chǎn)力的土壤類別[1]。東北作為世界三大黑土區(qū)之一,普遍存在氮肥超量使用問題,肥料氮施入土壤后,其利用程度和損失取決于土壤氮轉(zhuǎn)化特征及保持、供應(yīng)過程,土壤氮仍是作物生長(zhǎng)所需氮素重要來(lái)源[2]。氮肥過量抑制黑土供氮能力,氮利用率下降,造成土壤有機(jī)質(zhì)逐年下降,肥沃黑土層不斷“變薄變硬”[1]。適量減少施氮量有利于提高氮素利用率;但過度減施可能造成減產(chǎn)。因此在滿足作物生長(zhǎng)需求條件下減氮,保證作物穩(wěn)產(chǎn)及增產(chǎn),需配合田間管理措施。
灌溉作為一項(xiàng)重要田間管理措施,對(duì)稻田氮素利用具有重要影響。不合理灌溉造成的氮素淋溶損失已成為限制下調(diào)氮素供應(yīng)量并提高氮肥利用率的瓶頸[3]。與常規(guī)淹灌相比,控制灌溉有效提高土壤氮素有效性,激發(fā)土壤供氮能力,提高水稻對(duì)土壤氮素吸收量,有效降低稻田氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)[4],彌補(bǔ)氮素減施所引起的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。桂娟等研究表明,節(jié)水灌溉下,土壤缺少淹水層,有利于硝化作用,減少氮素淋溶損失[5]。尹海峰等研究表明相較于常規(guī)淹灌,控制灌溉下灌水量、滲漏水量較少,基質(zhì)濃度偏高,在水肥耦合交互影響下,控制灌溉減氮施肥可有效降低滲漏中銨態(tài)氮濃度,減少氮肥無(wú)效損失,提高氮肥利用率[6]。李榮剛等研究表明,相較于常規(guī)淹灌,節(jié)水灌溉根系發(fā)育和植株生長(zhǎng)更具明顯優(yōu)勢(shì),土壤中水、氣、熱狀況調(diào)節(jié)合理,無(wú)毒害物質(zhì)產(chǎn)生,可減少氮素滲漏量,提高氮肥當(dāng)季利用率[7]。因此充分利用黑土高肥力優(yōu)勢(shì)探究節(jié)水灌溉下減施氮肥,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中提升水肥資源利用效率,對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
本文以傳統(tǒng)淹灌常規(guī)施氮量為對(duì)照,通過對(duì)比分析控制灌溉減施氮肥條件下稻田土壤剖面礦質(zhì)氮、可溶性有機(jī)氮、微生物量氮累積量及氮肥利用率,篩選出維持土壤肥力、減少氮素流失的更適宜水肥管理模式,以期為東北黑土區(qū)水肥可持續(xù)利用提供參考和理論支撐。
試驗(yàn)于2020年在慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站開展,該站為典型寒地黑土區(qū),多年平均溫度為2.5℃,多年平均降雨量55 cm,多年平均水面蒸發(fā)量75 cm。作物生長(zhǎng)期157~172 d,全年無(wú)霜期128d。試驗(yàn)地水稻種植已達(dá)20年以上,土壤耕層為11.3 cm,犁底層為10.5 cm,土壤容重1.21 g·cm-3。土壤基本理化性質(zhì)為:pH 6.45,土壤基礎(chǔ)肥力(均為質(zhì)量比):有機(jī)質(zhì)41.8 g·kg-1、全氮1.51 g·kg-1、全磷15.23 g·kg-1、全鉀20.11 g·kg-1、堿解氮198.29 mg·kg-1、有效磷36.22 mg·kg-1和速效鉀112.06 mg·kg-1。
以常規(guī)淹灌常規(guī)施氮(純氮),即110 kg·hm-2作為對(duì)照,控制灌溉設(shè)置5個(gè)施氮水平(純氮),即N1(常規(guī)施氮,110 kg·hm-2),N2(減氮10%,99 kg·hm-2)、N3(減氮20%,88 kg·hm-2)、N4(減氮30%,77 kg·hm-2)、N5(0),同時(shí)設(shè)置淹灌零氮N6(0)為空白對(duì)照。兩種灌溉模式分蘗末期進(jìn)行曬田,黃熟期自然落干。在控制灌溉模式下,返青期田面保持0~3 cm水層,其他生育階段灌水上限為飽和含水率,在分蘗前、中、末期,拔節(jié)孕穗期,抽穗開花期以及乳熟期保持土壤含水率下限分別為飽和含水率85%、85%、60%、85%、85%、70%,傳統(tǒng)淹灌其余生育期保持田面3~5 cm水層。21個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列,每個(gè)小區(qū)面積為100 m2,小區(qū)之間田埂向地下埋深40 cm塑料板防止水肥交換。試驗(yàn)水稻品種為綏粳18,種植密度25穴·m-2,各時(shí)期氮肥施加比例為基肥、蘗肥、穗肥等于5∶2∶3;鉀肥(K2O)施入量為80 kg·hm-2,以基肥和穗肥比例1∶1施入;磷肥(P2O5)施入量為45 kg·hm-2,作為基肥一次性施入。
干物質(zhì)量及植株氮含量:在成熟期選取不同處理中具有代表性植株樣品3穴,沖洗干凈切除根并分離器官,烘箱中105℃殺青30 min,然后調(diào)至80℃烘干至恒重,稱量不同器官干物質(zhì)量。然后粉碎處理,過篩(80目),混合均勻裝入樣品袋,測(cè)樣品全氮含量利用H2SO4-H2O2消煮法作前處理,后用AA3型連續(xù)分析儀(Seal Analytical GmbH,德國(guó),靈敏度0.001 AUFS)測(cè)定。
土壤氮素累積量:于水稻成熟期用100 mL環(huán)刀分層取土樣,分別為0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm,每層3個(gè)平行土樣,原狀土樣105℃干燥至質(zhì)量恒定,測(cè)定土壤含水率。部分樣品用1 mol·L-1KCl溶液震蕩1 h浸提后過濾,使用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal Analytical GmbH,德國(guó),靈敏度0.001 AUFS)測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。采用K2S2O8氧化法在線氧化測(cè)定總可溶性氮(TSN)含量。微生物量氮采集三層新鮮土樣,放入冰箱4℃冷藏。測(cè)定微生物量氮含量采用氯仿熏蒸-K2SO4方法。
不同土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮積累量(Nmin),根據(jù)公式計(jì)算,即:
式中,D-土層厚度(cm);Pb-土壤容重(g·cm-3);C-某土層無(wú)機(jī)氮質(zhì)量比(mg·kg-1)。
土壤可溶性有機(jī)氮含量公式為:
式中,S-土壤可溶性有機(jī)氮含量(kg·hm-2);T-土壤總可溶性氮含量(kg·hm-2);Nmin-土壤微生物量氮含量(kg·hm-2)。
不同土層微生物量氮(MBN)積累量,根據(jù)公式計(jì)算,即:
式中,EN-從熏蒸土壤中提取的總N-從非熏蒸土壤中提取的總N;kN-轉(zhuǎn)換系數(shù),取0.54[8]。
氮素相關(guān)指標(biāo)根據(jù)公式計(jì)算,即:
式中,NPEP-氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1);NAE-氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1);NUE-氮肥表觀利用率(%);YN-施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2);Y0-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2);FN-施氮小區(qū)氮肥用量(kg·hm-2);UN-施氮區(qū)氮素積累量(kg·hm-2);U0-不施氮區(qū)氮素積累量(kg·hm-2)。
產(chǎn)量:水稻成熟期采用五點(diǎn)取樣法,選取具有代表性水稻5穴,計(jì)算有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量,并折算成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。
數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016,統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0,繪圖采用Origin 2018。
如圖1所示,不同處理土壤0~20 cm土層NH4+-N積累量差異顯著(P<0.05)。NH4+-N積累量在控制灌溉模式下,隨施氮量減少逐漸下降。相較于CK處理,N1、N2處理0~20 cm土層土壤NH4+-N累積量分別升高28.18%、21.71%,而N3、N4、N5、N6處理則分別降低8.40%、18.34%、30.77%、36.65%,表明控制灌溉適當(dāng)減施氮肥顯著增加土壤0~20 cm土層NH4+-N累積量,但過量則會(huì)導(dǎo)致NH4+-N累積量降低。相較于CK處理,控灌下20~40 cm土層隨施氮量減少NH4+-N累積量分別下降27.26%、36.14%、40.15%、44.25%、53.36%,N6處理下降43.24%。控制灌溉下40~60 cm土層隨施氮量減少,各施氮水平NH4+-N累積量較CK分別下降30.65%、39.75%、42.88%、48.29%、57.12%,N6處理下降45.73%,其中N3和N4施氮水平在深層NH4+-N累積量差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)。
圖1 不同處理下水稻生育期后土壤各剖面銨態(tài)氮累積量Fig.1 Accumulation of NH 4+-N in soil profile of each treatment after rice harvesting
兩種灌溉模式NH4+-N累積量均隨土層深度增加而逐漸減少,CK處理0~20 cm至20~40 cm土層降幅為6.24%。與CK處理相比,控制灌溉土層NH4+-N累積量下降幅度更顯著,隨施氮量減少0~20 cm和20~40 cm土層降幅分別為46.79%、50.81%、38.75%、35.99%、36.84%。CK處理20~40 cm至40~60 cm土層NH4+-N累積量降幅為18.61%。與CK處理相比,控制灌溉20~40 cm至40~60 cm土層NH4+-N累積量降幅為22.32%~25.17%。表明控制灌溉合理減施氮肥(N1、N2)0~20 cm土層NH4+-N累積量更高,保證作物根區(qū)黑土肥力且減少20~60 cm土層氮素向下層土壤運(yùn)移。
如圖2所示,控制灌溉0~20 cm土層隨施氮量減少,NO3--N累積量較CK處理分別增加35.63%、26.76%、11.37%、4.88%。N5、N6處理分別降低7.08%、16.01%。控制灌溉下深層土壤隨施氮量減少,NO3--N累積量逐漸降低。相較于CK,20~40 cm土層NO3--N累積量降低42.24%~52.23%,40~60 cm土層NO3--N累積量降低70.04%~78.66%。其中N3和N4施氮水平土壤深層NO3--N累積量差異不顯著(P>0.05)。
圖2 不同處理水稻生育期后土壤各剖面硝態(tài)氮累積量Fig.2 Accumulation of NO3--N in soil profile of each treatment after riceharvesting
兩種灌溉模式NO3--N累積量均隨土層深度增加呈先增后降趨勢(shì),CK處理20~40 cm較0~20 cm土層NO3--N累積量增幅為187.45%。相較于CK,控灌下隨施氮量減少,0~20 cm至20~40 cm土層NO3--N累積量增幅為22.42%~47.77%。CK處理20~40 cm至40~60 cm土層NO3--N累積量降幅為39.13%,控制灌溉隨施氮量減少,20~40 cm至40~60 cm土層NO3--N累積量降幅為68.43%~72.81%。
如圖3所示,灌溉方式與施氮量對(duì)土壤0~60 cm土層SON累積量差異顯著(P<0.05)。相較于CK處理,控制灌溉合理減施氮肥增加土壤0~20 cm土層SON累積量,其中N1、N2、N3施氮水平分別增加14.44%、9.58%、0.5%,N4、N5、N6施氮水平分別下降6.27%、15.96%、20.36%。相較于CK處理,控制灌溉降低20~40 cm、40~60 cm土層SON累積量,且隨施氮量減少SON累積量逐漸降低。其中相較于CK,控制灌溉20~40 cm土層隨施氮量減少分別降低4.64%、7.89%、15.05%、19.44%、29.53%。N6處理下降12.97%??刂乒喔?0~60 cm土層隨施氮量減少較CK處理分別減少7.58%、11.26%、18.45%、23.74%、34.23%。N6處理下降16.57%。結(jié)果表明,常規(guī)淹灌SON累積量隨土層深度增加呈先升后降趨勢(shì)。CK處理0~20 cm至20~40 cm土層SON累積量上升幅度為10.77%,而20~40 cm和40~60 cm土層SON累積量變化幅度較小僅為2.16%,常規(guī)淹灌下SON已淋溶到深層土壤,易對(duì)地下水造成危害。而控制灌溉下SON累積量均隨土層深度增加呈下降趨勢(shì),隨施氮量減少0~20 cm至20~40 cm土層SON累積量降幅為4.79%~7.70%,20~40 cm至40~60 cm土層SON累積量降幅為5.17%~8.69%。
圖3 不同處理水稻生育期后土壤各剖面可溶性有機(jī)氮累積量Fig.3 Accumulation of SON in soil profileof each treatment after riceharvesting
如圖4所示,不同處理土壤表層MBN累積量差異顯著(P<0.05)??毓嗪侠頊p施氮肥相較于CK處理增加土壤0~20 cm土層MBN累積量,其中N1、N2、N3處理分別增加8.14%、6.02%、0.69%。N4、N5、N6處理則分別下降3.31%、7.35%、10.59%??刂乒喔雀魈幚黼S施氮量減少20~40 cm土層MBN累積量較CK處理分別下降7.74%、15.30%、18.72%、20.41%、21.78%,40~60 cm土層MBN累積量較CK分別下降36.85%、52.79%、54.30%、55.04%、55.77%。過量減施氮肥(N3、N4)深層土壤MBN累積量無(wú)顯著差異(P>0.05)??刂乒喔葴p施氮肥使土壤0~20 cm土層MBN累積量提高,且20~60 cm土層MBN累積量下降。研究表明,MBN主要集中在0~20 cm土層。CK處理0~20 cm至20~40 cm MBN累積量降幅為59.17%,而控制灌溉隨施氮量減少0~20 cm至20~40 cm MBN累積量降幅為65.17%~67.38%。常規(guī)淹灌20~40 cm至40~60 cm土層MBN累積量降幅為61.54%,而控灌隨施氮量減少20~40cm至40~60 cm MBN累積量降幅為73.67%~78.57%。兩種灌溉模式下MBN累積量均與土層深度呈負(fù)相關(guān)。相較于CK處理,控制灌溉隨施氮量減少0~20 cm至20~40 cm土層下降幅度提高8.49%~20.74%,20~40 cm至40~60 cm土層下降幅度提高1.24%~10.45%。可見,與CK處理相比,控制灌溉(N1、N2)可彌補(bǔ)氮肥減施造成的MBN損失,同時(shí)更有利于保持黑土供氮能力,維持土壤氮庫(kù)穩(wěn)定。
圖4 不同處理水稻生育期后土壤各剖面微生物氮累積量Fig.4 Accumulation of MBN in soil profileof each treatment after riceharvesting
如表1所示,相較于CK處理,控制灌溉模式適當(dāng)減施氮肥使水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、NPFP、NAE、NRE有所增加。其中N1、N2處理較CK處理水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加5.74%、2.09%,可彌補(bǔ)減氮造成的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。過量減施氮肥(N3、N4)則無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)需求,甚至引起產(chǎn)量下降??刂乒喔饶J诫S施氮量減少氮肥偏生產(chǎn)力逐漸升高,與CK處理相比分別升高5.74%、14.33%、17.12%、21.07%;控制灌溉模式隨施氮量減少氮肥農(nóng)學(xué)效率呈先增后減趨勢(shì),其中N1、N2、N3處理與CK處理相比增幅分別為17.10%、20.69%、1.52%。N4處理則出現(xiàn)下降,N1與N2處理氮肥農(nóng)學(xué)效率無(wú)顯著差異(P>0.05)??毓嘞碌时碛^利用率隨施氮量下降呈先增后降趨勢(shì),其中N1、N2、N3處理與CK處理相比增幅分別為13.42%、19.16%、2.57%,N4處理下降。過量減施氮肥導(dǎo)致減產(chǎn),但氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率未持續(xù)升高。
表1 不同處理的產(chǎn)量及氮肥利用率Table 1 Yield and nitrogen useefficiency of different treatments
礦質(zhì)氮是植株氮素重要來(lái)源,可直接被吸收利用,水肥管理對(duì)礦質(zhì)氮含量均有重要影響。與常規(guī)淹灌相比,控制灌溉提高土壤0~20 cm土層NH4+-N、NO3--N累積量,降低20~60 cm土層NH4+-N、NO3--N累積量??刂乒喔人譁p少,脲酶活性提高,促進(jìn)尿素分解生成銨態(tài)氮,從而提高礦質(zhì)氮累積量[9],控制灌溉的NH4+-N主要累積在表層,且隨土層深度增加逐漸減小??赡苁怯捎贜H4+-N極易被帶負(fù)電荷的土壤膠體所吸附,淋失能力減弱[10]。相較于CK處理,控制灌溉下減氮10%提高表層土壤NH4+-N積累量,有利于對(duì)土壤養(yǎng)分吸收利用。減氮超過20%降低NH4+-N含量,可能是因過量減氮無(wú)法滿足作物所需氮素,大量消耗土壤氮素。
土壤可溶性有機(jī)氮是土壤氮庫(kù)中最活躍的組分之一,其含量與土壤氮素礦化和土壤微生物量氮均呈顯著正相關(guān)[11]。試驗(yàn)表明,相較于常規(guī)淹灌,控制灌溉提高0~20 cm土層SON累積量,可能是因施入土壤的化學(xué)氮素在生物因素和非生物因素[12-13]與非生物因素[14]作用下使無(wú)機(jī)氮素轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的結(jié)果。Dail等研究結(jié)果表明,當(dāng)硝態(tài)氮施入土壤后,僅5%轉(zhuǎn)化為難溶性有機(jī)氮,絕大部分轉(zhuǎn)化成為可溶性有機(jī)氮[15]。相較于常規(guī)淹灌,控制灌溉降低20~60 cm土層累積量。因?yàn)镾ON易隨土壤水分運(yùn)移造成淋溶損失,控制灌溉可降低SON向深層土壤運(yùn)移,提高水稻土壤酶活性[16],增強(qiáng)根活性,促進(jìn)根系下扎,有利于截獲淋融到土壤深層的氮素,降低深層氮素積累量,與董嫻嫻等研究結(jié)果一致[17-18]。其中控制灌溉減氮10%使可溶性有機(jī)氮處于較高水平,可能因黑土區(qū)土壤肥力較高,為微生物提供充足碳源,增加其活性所致[19]。
微生物氮是植物生長(zhǎng)養(yǎng)分重要來(lái)源,反映土壤同化和礦化能力,與NH4+-N、SON累積量正相關(guān),是土壤活性標(biāo)志[20]。本研究中MBN主要集中于0~20 cm土層,相較于CK處理,N1、N2、N3處理可以提高土壤表層MBN累積量。說(shuō)明控制灌溉有助于加快土壤有機(jī)質(zhì)分解,改善土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)形成,最終有助于土壤礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化[9]??刂乒喔瓤尚纬赏寥浪州p度虧缺,為生命提高必需水分,且有效改善土壤通氣狀況,為微生物創(chuàng)造良好生活環(huán)境。且常規(guī)淹灌降低土壤通透性[17],限制土壤腐殖質(zhì)分解和微生物繁殖。N4較CK處理出現(xiàn)下降,可能因施氮量較低,土壤養(yǎng)分不平衡,導(dǎo)致微生物活性降低??刂乒喔冗m宜的施氮量有利于土壤微生物活動(dòng)與土壤健康,實(shí)現(xiàn)以肥調(diào)水,以水促肥??刂乒喔入S施氮量減少M(fèi)BN累積量逐漸下降,主要是由于氮肥對(duì)硝態(tài)氮異化還原成銨過程和反硝化過程中的某些酶起到激活作用,促進(jìn)硝態(tài)氮異化還原成銨作用和反硝化作用[21]。但郝曉輝等研究表明單施化肥對(duì)MBN含量無(wú)顯著影響[22],與本研究存在差異,可能是由于土壤肥力、質(zhì)地等因素不同而引起。因此,關(guān)于節(jié)水灌溉減施氮肥對(duì)微生物氮的影響機(jī)理,有待進(jìn)一步研究。
氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率均是反映作物氮肥吸收利用率常用指標(biāo)[23]。本研究在節(jié)水灌溉條件下對(duì)減施氮肥土壤中氮素轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究,結(jié)果表明,相較于CK處理,控制灌溉促進(jìn)植株氮素積累,更有利于氮素向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化,提高氮肥利用率??刂乒喔饶J接欣诰S持氮代謝酶活性,促進(jìn)氮素累積與運(yùn)轉(zhuǎn),提升氮素利用率。與王肖娟等研究結(jié)果一致[24]。由于黑土區(qū)肥力較高,減氮10%水平更利于土壤氮素轉(zhuǎn)化,減少氮素淋失,保持水稻高產(chǎn),顯著增強(qiáng)氮肥利用率。而過量減氮20%、30%水平微生物量氮含量無(wú)顯著差異(P>0.05),甚至較CK處理下降,且產(chǎn)量降低,因MBN累積量反映土壤供氮能力,適量減氮可激發(fā)土壤供氮能力,過量減氮(N3、N4)則消耗土壤氮素,可能無(wú)法維持作物生長(zhǎng)所必需氮素要求。
a.N1、N2處理0~20 cm土層NH4+-N積累量大于CK處理,N3、N4處理累積量則小于CK處理。20~60 cm土層均小于CK處理。兩種灌溉模式NO3--N隨土層深度增加均呈先升后降趨勢(shì)。
b.控制灌溉相較于常規(guī)淹灌提高土壤0~20 cm土層SON含量,而20~60 cm土層累積量則顯著下降。隨土層深度增加呈下降趨勢(shì),降低SON向深層土壤運(yùn)移。
c.兩種灌溉模式下,MBN累積量均與土層深度呈負(fù)相關(guān)。相較于CK處理,N1、N2處理0~20 cm土層MBN累積量分別增加8.14%、6.02%,保證作物根區(qū)土壤肥力,N4處理則下降。
d.相較于CK處理,控制灌溉下氮肥利用率提高5.74%~29.79%,控制灌溉模式下隨施氮量減少氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率呈先增再減趨勢(shì)。綜合考慮土壤氮素轉(zhuǎn)化及氮肥利用率,控制灌溉減施10%水平氮肥為最優(yōu)處理。