香根草秸稈覆蓋和化肥減施對紅壤花生產(chǎn)量的影響

柳開樓, 胡惠文, 余喜初, 胡志華, 葉會財, 胡丹丹, 宋惠潔, 李大明, 黃慶海

香根草秸稈覆蓋和化肥減施對紅壤花生產(chǎn)量的影響

柳開樓, 胡惠文, 余喜初*, 胡志華, 葉會財, 胡丹丹, 宋惠潔, 李大明, 黃慶海

江西省紅壤研究所, 國家紅壤改良工程技術研究中心, 南昌 330046

覆蓋還田是處理香根草()秸稈的有效途徑之一, 但是, 關于香根草秸稈覆蓋還田下紅壤花生的化肥減施比例還缺乏研究。通過2018—2019年的田間試驗, 分析了無香根草秸稈覆蓋和農(nóng)民習慣施肥(CK)、香根草秸稈覆蓋下化肥減施0%(T1)、10%(T2)、20%(T3)和50%(T4)處理下花生產(chǎn)量和土壤有機碳的變化規(guī)律, 探討了土壤有機碳與花生產(chǎn)量的量化關系, 并進一步研究了外源投入碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳的相關關系。結果表明: 與CK相比, T1處理下花生產(chǎn)量在2018和2019年分別增加了15.41%和25.87%; T2和T3處理的花生產(chǎn)量與CK處理無顯著差異, 且香根草連續(xù)兩年覆蓋下, T4處理的花生產(chǎn)量也與CK處理相比無顯著降低。與CK處理相比, 香根草秸稈覆蓋還田和化肥減施處理下土壤有機碳含量增加了4.27%—12.84%。同時, 在香根草秸稈覆蓋下, 隨著化肥減施比例的提高, 土壤有機碳含量呈逐漸降低趨勢。結合擬合方程的斜率發(fā)現(xiàn), 當土壤有機碳含量增加1 g·kg-1, 2018和2019年花生產(chǎn)量增加934.62和903.31 kg·hm-2。提高外源投入的碳氮比顯著降低花生產(chǎn)量和土壤有機碳含量, 且雙直線方程表明, 外源投入碳氮比大于4.28時, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳的降幅明顯高于外源投入碳氮比小于4.28。因此, 在紅壤的花生種植中, 連續(xù)進行兩年的香根草秸稈覆蓋還田可以提高花生產(chǎn)量, 且在化肥減施10%-50%條件下, 花生產(chǎn)量與農(nóng)民習慣處理無顯著降低。然而, 在增加外源有機碳的同時, 也要綜合考慮外源投入的碳氮比, 以期保障花生高產(chǎn)和土壤有機碳提升。

香根草秸稈; 紅壤; 土壤有機碳; 化肥減施; 投入碳氮比

0 前言

香根草(L.)主要用于公路護坡和水土保持的植物籬, 其對阻止水土流失作用巨大[1–3]。中國南方丘陵區(qū)是水土流失的重點地區(qū)之一, 香根草籬分布廣泛[4]。由于香根草生長迅速[5], 再加上該地區(qū)充沛的光溫資源, 在南方丘陵區(qū)種植的香根草經(jīng)常需要乂割, 而收割后的香根草秸稈則一般作為廢棄物處理。因此, 如何有效利用收割后的香根草秸稈就成為該地區(qū)水土保持領域的重要問題之一。

與水稻和小麥等作物秸稈相似, 香根草秸稈也可以直接還田。大量研究表明, 合理的秸稈還田可以通過增加有機碳和氮磷鉀投入顯著促進紅壤地區(qū)的作物生長和產(chǎn)量提升[6–8]。張旭博等[9]研究表明, 添加秸稈等有機物料處理后, 紅壤的微生物生物量和碳源、氮源的有效性較高, 從而有利于土壤養(yǎng)分的轉化和釋放?；诠俜浇y(tǒng)計數(shù)據(jù)和文獻資料[10]表明, 到2010s中國的秸稈資源和氮磷鉀養(yǎng)分資源分別達到9.01×108和2485.63×104t, 相當于單位耕地面積上6665.52和183.91 kg·hm-2, 比1980s分別增加1601.18和56.85 kg·hm-2。這說明, 進行秸稈還田可以有效補充該地區(qū)的氮磷鉀養(yǎng)分資源。因此, 面對國家提出的化肥“零增長”行動, 進行秸稈資源的還田利用是保障化肥減施增效目標的關鍵。

但是, 在紅壤上, 大量的研究主要集中在水稻秸稈異地覆蓋上[6–8], 而香根草秸稈一般作為基質進行花卉和蔬菜種植[11–12], 再加上其生長能力較強, 關于香根草的研究主要集中在水土保持效應[1–3]以及重金屬修復上[13–14], 而關于香根草秸稈覆蓋還田對于紅壤旱作物的影響還不明確, 尤其是針對化肥用量較高的花生, 如何結合香根草秸稈還田保障紅壤花生的化肥減施增效技術就顯得十分必要。此外, 前人研究表明, 碳氮比是影響秸稈養(yǎng)分釋放和還田利用的主要因素之一[15]。連續(xù)四年的田間試驗表明, 在小麥水稻輪作中, 將秸稈和氮肥的碳氮比調(diào)整為18時, 作物的增產(chǎn)效果最為明顯[16]。馬想等[17]研究也表明, 當秸稈還田時, 將外源投入碳氮比調(diào)整到37不能滿足紅壤上微生物對氮的需求。因此, 本研究以南方丘陵區(qū)花生種植上農(nóng)民的習慣施肥(氮磷鉀化肥, 無秸稈還田)為對照, 研究香根草秸稈覆蓋還田下化肥不同減施比例對花生產(chǎn)量和土壤有機碳含量的影響, 以期明確土壤有機碳與花生產(chǎn)量的量化關系, 并進一步構建外源投入碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳的相關關系, 從而為南方丘陵區(qū)的香根草秸稈利用和紅壤改良與培肥提供技術支撐。

1 材料方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在江西省鷹潭市余江區(qū)劉家站(116o55'45″E、28o13'40″N), 該點屬中亞熱帶季風氣候, 余江區(qū)氣象局的氣象數(shù)據(jù)顯示, 該區(qū)域的年均降雨量1537 mm, 年蒸發(fā)量1100—1200 mm。年均氣溫17.7—18.5℃。典型丘崗地形, 海拔高度25—30 m, 坡度5o。土壤類型為紅壤, 成土母質為第四紀紅粘土, 種植制度為“花生—冬閑”, 花生品種為當?shù)刂髟粤挤N。試驗開始前采集了0—20 cm的耕層土壤樣品, 化驗分析顯示, 土壤pH為4.7, 土壤有機碳為11.41 g·kg-1, 土壤全量氮磷鉀含量分別為0.81、0.49和13.98 g·kg-1, 土壤速效氮磷鉀分別為38.82、11.80和112.75 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗于2018—2019年進行, 設4個處理: 常規(guī)種植, 化肥用量與農(nóng)民習慣施肥一致, 不覆蓋香根草秸稈(CK)、覆蓋香根草秸稈, 干重用量為4500 kg·hm-2, 參考香根草收割一次的干物質量(T1)、覆蓋香根草秸稈4500 kg·hm-2和化肥減少10%(T2), 覆蓋香根草秸稈4500 kg·hm-2和化肥減少20%(T3), 覆蓋香根草秸稈4500 kg·hm-2和化肥減少50%, 主要參考依據(jù)為, 該地區(qū)制定的花生最大減施比例(約25%), 由于本研究增加的秸稈氮投入約為30 kg·hm-2, 約等于農(nóng)民習慣氮肥用量的25%。(T3)。連續(xù)兩年均進行秸稈覆蓋與施肥處理, T1、T2和T3處理的香根草秸稈均在每年花生播種后呈條狀覆蓋在花生行間, 為避免影響花生出苗, 所有香根草秸稈距離花生播種行約3—5 cm。在本研究中, 在覆蓋香根草秸稈之前, 收集并分析了香根草的有機碳和氮磷鉀含量, 結果顯示, 香根草秸稈的有機碳含量為99.23 g·kg-1, 氮磷鉀含量分別為6.52、0.73和15.16 g·kg-1。具體施肥運籌詳見表1。

2018和2019年花生的播種時間分別為4月15日和4月10日, 花生播種量為180 kg·hm-2, 株行距為13 cm×33 cm; 水分管理以雨養(yǎng)為主。氮肥(尿素)和鉀肥(氯化鉀)40%做基肥施用, 從而將化肥與土壤混勻。20%在花生出苗后施用, 40%在花生開花時施用, 磷肥(鈣鎂磷肥)作基肥一次施入。基肥是在翻地前人工撒施, 翻耕深度為20 cm; 而追肥則采用人工撒施在花生行間, 撒施后結合中耕(淺耕, 深度為5 cm)將化肥土壤混勻。每個處理3次重復, 隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積100 m2。參考農(nóng)民習慣進行病蟲害和雜草的防控。

1.3 測定指標

2018和2019年花生的收獲時間分別為10月15日和10月8日。

表1 不同處理香根草秸稈和施肥量

產(chǎn)量測定: 共收獲兩次, 每年花生成熟時, 每個小區(qū)采用人工收割, 曬干后測定籽粒產(chǎn)量。

土壤采集和有機碳測定: 在花生收獲后, 每個小區(qū)用不銹鋼土鉆采集耕層(0—20 cm)土壤樣品, 每個小區(qū)隨機采集5個點混合, 帶回室內(nèi)風干過篩后, 采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量[18]。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進行整理, 方差分析采用SAS 9.1進行, 采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對各處理的產(chǎn)量和土壤有機碳含量進行顯著性分析<0.05為顯著差異。外源投入碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳含量的量化關系采用線性擬合方程進行。所有圖件均采用Excel 2010進行制作。

2 結果與分析

2.1 香根草秸稈覆蓋與化肥減施下對花生產(chǎn)量的影響

香根草秸稈覆蓋還田可以顯著提高紅壤的花生產(chǎn)量(圖1)。與無香根草覆蓋(CK)相比, 香根草秸稈覆蓋(T1)處理下花生產(chǎn)量在2018和2019年分別增加了15.41%和25.87%, 且在香根草秸稈覆蓋下, 化肥減施10%、20%和50%(T2、T3和T4)處理的花生產(chǎn)量與CK處理相比無顯著降低趨勢(除了2018年的T4處理之外)。同時, T2處理的花生產(chǎn)量與T1處理無顯著差異, 但T3和T4處理的花生產(chǎn)量則分別比T1處理顯著降低, 2018年的降幅分別為9.52%和19.27%; 2019年的降幅分別為14.33%和24.66%。

2.2 香根草秸稈覆蓋與化肥減施對紅壤旱地有機碳的影響

香根草秸稈覆蓋還田可以顯著提升紅壤的有機碳含量(圖2)。與CK處理相比, 2018年T1、T2、T3和T4處理下土壤有機碳含量分別增加了12.84%、9.49%、7.12%和5.35%, 2019年的增幅分別為12.72%、7.78%、5.41%和4.27%。同時, 在香根草秸稈覆蓋下, 隨著化肥減施比例的提高, 土壤有機碳含量呈逐漸降低趨勢, 與T1處理相比, T2處理的土壤有機碳含量無顯著變化, 但T3和T4處理的土壤有機碳在2018年則分別比T1處理降低了5.07%和6.64%, 2019年分別降低了6.48%和7.50%。

2.3 土壤有機碳與花生產(chǎn)量的相關關系

在香根草秸稈覆蓋和化肥減施條件下, 花生產(chǎn)量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關關系(圖3), 且可以用一元一次方程進行擬合, 進一步通過擬合方程的斜率發(fā)現(xiàn), 當土壤有機碳含量增加1 g·kg-1, 2018和2019年花生產(chǎn)量增加934.62和903.31 kg·hm-2。

注: 不同小寫字母表示同一年份各處理間存在顯著差異(P<0.05), 同下圖。

Figure 1 The grain yield of peanut in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

圖2 香根草秸稈覆蓋與化肥減施下土壤有機碳含量變化

Figure 2 The content of soil organic carbon in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

Figure 3 The relationship between soil organic carbon and grain yield of peanut in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

2.4 外源投入碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳的相關關系

在香根草秸稈覆蓋和化肥減施條件下, 由于氮肥用量不一, 不同處理的外源碳氮比變化較大(表1)。在所有處理中, 外源投入的碳氮比范圍在2.99—5.00之間。且隨著化肥減施比例的降低, 外源碳氮比呈逐漸增加趨勢。

在紅壤上, 隨著外源投入碳氮比的增加, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳均逐漸降低, 表2 顯示, 外源投入的碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳存在密切關系, 且均可以用雙直線方程進行擬合。利用分段函數(shù)進行計算發(fā)行, 碳氮比為4.28是分段函數(shù)的拐點, 當外源投入碳氮比大于4.28時, 隨著投入碳氮比的增加, 2018年花生產(chǎn)量和土壤有機碳的降幅分別為743.06 kg·hm-2和1.16 g·kg-1, 2019年的降幅則為1041.20 kg·hm-2和1.51 g·kg-1。但是, 當外源投入碳氮比小于4.28時, 隨著投入碳氮比的增加, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳的降幅則明顯較小(2018年分別為299.86 kg·hm-2和0.14 g·kg-1, 2019年分別為297.30 kg·hm-2和0.10 g·kg-1)。

3 討論

在紅壤上, 香根草秸稈覆蓋還田可以顯著提升花生產(chǎn)量。這與稻草覆蓋提升花生產(chǎn)量的結果相似[6-7]。這一方面與香根草秸稈覆蓋還田可以同稻草覆蓋一樣增加土壤有機碳含量, 改良土壤結構等有關[1,7–8], 而有機碳投入還可以通過改善土壤微生物群落[19]調(diào)控花生根系活力和養(yǎng)分吸收。另一方面, 香根草秸稈覆蓋可以有效保持紅壤的水分和溫濕度, 從而促進了花生的出苗和生長發(fā)育[20–21]。同時, 與農(nóng)民習慣施肥相比, 香根草秸稈覆蓋條件下化肥減施10%—20%不會導致花生顯著減產(chǎn), 而且香根草連續(xù)兩年覆蓋下, 化肥減施50%下花生產(chǎn)量也無顯著降低。這說明, 在紅壤地區(qū)的花生種植中, 4500 kg·hm-2的香根草秸稈覆蓋還田不僅可以保證花生穩(wěn)產(chǎn), 還能夠減少化肥用量。然而, 由于本研究是香根草秸稈連續(xù)兩年還田的結果, 而關于香根草秸稈長期還田的效果還有待進一步研究。同時, 不同用量秸稈投入的有機碳和養(yǎng)分差異較大[22], 關于不同用量的香根草秸稈覆蓋還田下化肥的替代比例還有待繼續(xù)開展試驗進行驗證。

紅壤的有機碳含量偏低, 因此, 提升紅壤的有機碳含量對于作物生產(chǎn)至關重要[23]。在本研究中, 香根草秸稈覆蓋還田可以顯著提升土壤有機碳含量。與花生產(chǎn)量的結果相似, 香根草秸稈覆蓋還田下化肥減施10%—50%下土壤有機碳含量也顯著高于農(nóng)民習慣施肥。原因主要與香根草帶入的外源有機碳投入有關, 但是, 隨著化肥減施比例的增加, 土壤有機碳呈逐漸降低趨勢, 這可能與不同處理的外源投入碳氮比引發(fā)的秸稈腐解和土壤微生物活性差異有關。前人研究表明, 秸稈還田配施氮肥下秸稈降解速率加快, 土壤微生物生物量也顯著提高[24], 從而促進了土壤有機碳的礦化[25]。具體原因還有待進一步研究。室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明, 秸稈還田和氮肥施用均會降低土壤微生物生物量碳氮比值, 且氮肥用量越大比值越低; 同時, 在150 d的時間內(nèi), 當秸稈還田時, 將碳氮比調(diào)整到37不能滿足微生物對氮的需求[17]。進一步通過擬合方程發(fā)現(xiàn), 當土壤有機碳含量增加1 g·kg-1, 花生產(chǎn)量增加903.31—934.62 kg·hm-2。這與前人的研究結果相似[26–27], 但是, 由于土壤類型和作物類型等差異較大, 從而導致作物產(chǎn)量的增幅明顯不同。此外, 在香根草覆蓋還田下, 不同的化肥減施比例處理中, 土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量也是影響花生生長和養(yǎng)分需求的重要因素, 因此, 在后續(xù)的研究中, 應進一步結合土壤氮磷鉀含量對各處理進行綜合評判, 從而為紅壤地區(qū)的化肥減施增效提供技術支撐。

表2 香根草秸稈覆蓋與化肥減施下外源投入碳氮比變化

表3 外源投入碳氮比與花生產(chǎn)量及土壤有機碳的相關關系

香根草秸稈覆蓋還田與化肥減施比例導致外源投入的碳氮比差異較大, 由于對土壤微生物的直接影響[28], 外源投入的碳氮比顯著影響作物產(chǎn)量和土壤有機碳含量。在本研究中, 提高外源投入的碳氮比顯著降低花生產(chǎn)量和土壤有機碳含量, 且外源投入碳氮比大于4.28時, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳的降幅明顯高于外源投入碳氮比小于4.28。這充分說明, 在紅壤旱地進行碳氮綜合調(diào)控至關重要。但是, 由于本研究的外源投入碳氮比范圍有限, 關于合理的碳氮比投入量還有進一步研究。此外, 由于較多的污染土壤中用香根草還進行植物修復[13–14,29], 因此, 在進行香根草覆蓋還田中, 一定要對香根草的來源進行追溯, 以避免將污染的香根草秸稈重新帶入農(nóng)田系統(tǒng), 從而造成農(nóng)產(chǎn)品污染風險。

4 結論

在紅壤上, 香根草秸稈覆蓋還田可以顯著提升花生產(chǎn)量和土壤有機碳含量。同時, 在連續(xù)兩年的香根草覆蓋還田下, 與農(nóng)民習慣施肥相比, 化肥減施10%—50%處理的花生產(chǎn)量和土壤有機碳含量無顯著降低。但是, 后續(xù)還應結合土壤氮磷鉀等肥力指標進行驗證。

在香根草覆蓋還田和化肥減施條件下, 通過線性方程表明, 當土壤有機碳含量增加1 g·kg-1, 花生產(chǎn)量增加903.31—934.62 kg·hm-2。然而, 隨著投入碳氮比的增加, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳逐漸降低, 且外源投入碳氮比大于4.28時, 花生產(chǎn)量和土壤有機碳的降幅明顯高于外源投入碳氮比小于4.28。

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Effects of vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction on peanut yield in red soil

LIU Kailou, HU Huiwen, YU Xichu*, HU Zhihua, YE Huicai, HU Dandan, SONG Huijie, LI Daming, HUANG Qinghai

Jiangxi Institute of Red Soil, National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046, China

It was known that vetiver (L.) straw mulching into field could be one of the effective ways to deal with vetiver straw. However, there is still unclear on the proportion of chemical fertilizer reduction of peanut planting in red soil under the condition of vetiver straw mulching and the famer amount of chemical fertilizer. In this study, the field experiment was conducted in 2018-2019, which included none vetiver straw mulching (CK), the proportion of chemical fertilizer reduction in vetiver straw mulching of 0%, 10%, 20% and 50% (T1, T2, T3 and T4). Then, the peanut yield and soil organic carbon content were analyzed. Meanwhile, the quantitative relationship was discussed between soil organic carbon and peanut yield. Furthermore, the correlation between the input ratio of carbon and nitrogen with peanut yield and soil organic carbon was also explored. The results showed that compared with CK, the peanut yield of T1 treatment was increased by 15.41% and 25.87% in 2018 and 2019, respectively. There was no significant difference in peanut yield among T2, T1 and CK treatments. Meanwhile, the grain yield in T4 was not significantly decreased than T1 treatment. The soil organic carbon contents in vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction treatments were increased by 4.27%-12.84%, compared with CK treatment. At the same time, the soil organic carbon content was gradually decreased along with the proportion of fertilizers reduction increasing. The fitting equation indicated that the peanut yield was increased by 934.62 and 903.31 kg·hm-2in 2018 and 2019. While the soil organic carbon content was increased by 1 g·kg-1; in addition, the peanut yield and soil organic carbon content were significantly decreased along with the increasing of the input ratio of carbon and nitrogen. The double-line equation showed that the peanut yield and soil organic carbon was significantly decreased in the condition of the input ratio of carbon and nitrogen was greater than 4.28, which was higher than that of the input ratio of carbon and nitrogen was less than 4.28. Therefore, in the peanut planting of red soil, the vetiver straw mulching of two years with 10% to 50% chemical fertilizer reduction could maintain high yield level in the famer amount of chemical fertilizer. It suggested that peanut yield could be significantly increased through increasing soil organic carbon. However, while increasing the organic carbon input, it was also necessary to comprehensively consider the input ratio of carbon and nitrogen, in order to guarantee high peanut yield and improvement of soil organic carbon.

vetiver straw; red soil; soil organic carbon; chemical fertilizer reduction; the input ratio of carbon and nitrogen

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.026

S145.6

A

1008-8873(2022)02-220-07

2020-04-23;

2020-05-03

江西省自然科學基金(20192BAB203022); 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200101)

柳開樓(1984—), 男, 河南滑縣人, 博士, 副研究員, 主要從事土壤培肥與改良研究, Email: liukailou@163.com

通信作者:余喜初, 男, 碩士, 研究員, 主要從事土壤培肥與改良研究, E-mail: yxchu@163.com

柳開樓, 胡惠文, 余喜初, 等. 香根草秸稈覆蓋和化肥減施對紅壤花生產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(2): 220–226.

LIU Kailou, HU Huiwen, YU Xichu, et al. Effects of vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction on peanut yield in red soil[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 220–226.