控釋尿素施用比例對(duì)旱地春玉米產(chǎn)量及土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊?/h1>

2022-11-05 02:34:38鄭利芳黨廷輝

西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)訂閱 2022年11期 收藏

關(guān)鍵詞：潛勢(shì)硝態(tài)殘留量

劉 晶，鄭利芳，王 穎,，黨廷輝,

(1西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100)

氮肥對(duì)促進(jìn)糧食作物增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義,尿素是農(nóng)用氮肥的主要來源，為了追求產(chǎn)量效益，尿素的施用量逐年增加[1-2]。在中國(guó)北方石灰性土壤中，施入土壤中的尿素會(huì)被脲酶迅速水解為銨離子，其中部分銨離子以氣態(tài)形式損失[3]，另一部分銨離子易被氧化成硝酸根離子而被淋失或發(fā)生反硝化作用損失，使作物可利用的氮素降低，造成尿素?zé)o效輸入、損失嚴(yán)重及環(huán)境污染等問題[4-5]。因此，如何有效減少氮素?fù)p失、優(yōu)化氮肥投入，對(duì)改善土壤肥力、保護(hù)環(huán)境及促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展均具有重要意義。

控釋氮肥采用聚合物包膜，能定量調(diào)節(jié)氮素的釋放量和釋放周期，使養(yǎng)分供應(yīng)與作物各生育期營(yíng)養(yǎng)需求相吻合[6]，眾多研究表明，施用控釋氮肥可以優(yōu)化氮肥投入，防控土壤氮素流失，達(dá)到減肥增效的作用[7-10]。但控釋氮肥也存在一定的缺陷，例如控釋氮肥價(jià)格較高，若完全施用控釋氮肥，將不利于降低生產(chǎn)成本[11]；此外，控釋氮肥前期釋放養(yǎng)分緩慢，易使作物前期缺氮后期貪青，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[12]。

黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田長(zhǎng)期過量或不平衡施用氮肥，造成土壤硝態(tài)氮大量累積[13]。減少氮肥投入并摻混施用控釋尿素為阻控硝態(tài)氮淋溶提供了重要思路，針對(duì)黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)合理施肥的大量研究表明，在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施氮量(250 kg/hm2)下減氮20%不會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量產(chǎn)生消極影響[14-16]。因此，本研究在長(zhǎng)武地區(qū)布設(shè)了3年的田間試驗(yàn)，在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上將氮肥用量減少20%(氮肥總用量為200 kg/hm2)，將普通尿素與控釋尿素按不同比例配施，研究該地區(qū)玉米連作系統(tǒng)中控釋尿素施用比例對(duì)玉米產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮的調(diào)控效果，并探討控釋尿素添加比例對(duì)旱地土壤硝化潛勢(shì)和微生物量碳氮的影響，以確定適宜控釋尿素施用比例，為黃土高原南部旱地玉米種植區(qū)推廣應(yīng)用控釋尿素肥料以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年4月-2019年9月在陜西長(zhǎng)武試驗(yàn)站(35°12′N,107°40′E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)海拔1 200 m，屬半干旱濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均溫9.2 ℃，年日照時(shí)長(zhǎng)2 230 h，年平均降雨量560 mm。供試土壤為黏壤質(zhì)黑壚土，試驗(yàn)初始耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳含量6.5 g/kg，全氮含量0.8 g/kg，速效磷含量5.0 mg/kg，速效鉀含量129.3 mg/kg，土壤體積質(zhì)量1.35 g/cm3，pH 8.4。

1.2 材 料

供試春玉米品種為先玉335，每年一熟，連作種植。供試肥料為普通尿素(N 46.4%)和樹脂包膜控釋尿素(N 45%)、過磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 51%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在2017-2019年的原位試驗(yàn)中，氮肥總用量為200 kg/hm2，按照氮肥中控釋尿素的施用比例設(shè)置5個(gè)處理，分別為：① CK：不施氮對(duì)照(CK)；② NC0：控釋尿素0%+100%普通尿素(200 kg/hm2)；③ NC35：控釋尿素35%(70 kg/hm2)+普通尿素65%(130 kg/hm2)；④ NC50：控釋尿素50%(100 kg/hm2)+普通尿素50%(100 kg/hm2)；⑤ NC65：控釋尿素65%(130 kg/hm2)+普通尿素35%(70 kg/hm2)。各處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為46.75 m2( 8.5 m×5.5 m )。每個(gè)處理均施用等量的磷、鉀肥(P2O5120 kg/hm2和K2O 38 kg/hm2)。田間操作依據(jù)當(dāng)?shù)厥┓史绞竭M(jìn)行，施肥前將普通尿素和控釋尿素?fù)交炀鶆颍租浄首鳛榛视诓デ安捎萌鍪┓绞揭淮涡允┤?，不追肥。玉米于每年?月下旬播種，9月下旬收獲。采用半地膜種植模式，膜寬80 cm，行距60 cm，株距30 cm。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 春玉米產(chǎn)量 于2017-2019年春玉米收獲期，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇16 m2的樣方收獲取樣，稱量全部玉米穗鮮質(zhì)量后，從中選取具有代表性的20穗玉米，脫粒后風(fēng)干，稱取其籽粒質(zhì)量并折算最終產(chǎn)量。本研究的玉米產(chǎn)量取2017-2019年3年的平均值進(jìn)行分析。

1.4.2 土壤微生物量碳(SMBC)、氮(SMBN)含量和土壤硝化潛勢(shì) 于2019年春玉米吐絲期(6月25日)，在各小區(qū)內(nèi)采用5 點(diǎn)取樣法，用土鉆分別取0～20和20～40 cm土層土樣，將同層土樣混合后放入塑封袋，用冰盒運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室。去除新鮮土樣中的雜質(zhì)后過孔徑2 mm篩，用于測(cè)定SMBC、SMBN含量和土壤硝化潛勢(shì)。SMBC、SMBN含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(水土體積質(zhì)量比為4∶1)測(cè)定[17]，土壤硝化潛勢(shì)采用氯酸鹽抑制法(水土體積質(zhì)量比為4∶1)測(cè)定[18]。

1.4.3 土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?于2019年春玉米收獲后(9月28日)，在各小區(qū)內(nèi)采用5 點(diǎn)取樣法，用土鉆鉆取0～300 cm土層土壤(0～100 cm和100～300 cm土層分別按間隔10 和20 cm 等層多點(diǎn)混合取樣)。將同層土樣混合后放入塑封袋，用冰盒運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室。去除鮮土樣中可見雜質(zhì)后過2 mm篩，稱取5.0 g土樣，用1 mol/L KCl浸提，振蕩過濾后采用流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮含量，然后計(jì)算土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅浚和寥老鯌B(tài)氮?dú)埩袅?土層厚度×土壤體積質(zhì)量×土壤硝態(tài)氮含量/10[19]。

1.4.4 植物地上部干物質(zhì)質(zhì)量和全氮含量 于2017-2019年春玉米收獲期，每小區(qū)選取代表性植株 3 株，稱取地上部(包括莖、葉、苞葉、穗軸、籽粒)鮮質(zhì)量后裝入檔案袋，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒質(zhì)量，稱干物質(zhì)量后用凱氏定氮法[20]測(cè)定全氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

吸氮量(kg/hm2)=地上部干物質(zhì)質(zhì)量×全氮含量/1 000；

氮肥偏生產(chǎn)力(PEP,kg/kg)=施氮處理產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率(ANUE，kg/kg)=(施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥吸收效率(NUPE，%)=(施氮處理吸氮量-不施氮處理吸氮量)/施氮量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2019、SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。用 LSD法進(jìn)行多重比較，Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋尿素施用比例對(duì)春玉米產(chǎn)量及氮肥效率的影響

從表1可以看出，與CK 相比，施用氮肥可以顯著增加春玉米產(chǎn)量，各處理玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為NC50>NC0>NC65>NC35>CK，其中，NC0、NC50處理籽粒產(chǎn)量顯著高于NC35、NC65(P<0.05)，而NC0與NC50處理之間玉米產(chǎn)量無顯著差異(P>0.05)，NC65和NC35處理春玉米產(chǎn)量較NC0處理顯著降低了5.76%和14.39%(P<0.05)。3種控釋尿素處理中，隨控釋尿素施用比例的提高，春玉米吸氮量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收效率總體上均呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)控釋尿素施用比例為50%時(shí)(NC50)，以上指標(biāo)均達(dá)到峰值，但與全施用普通尿素處理(NC0)相比，3種控釋尿素處理并未顯著提高氮肥利用率。以上結(jié)果表明，控釋尿素添加比例會(huì)影響春玉米產(chǎn)量，其中控釋尿素添加比例為35%和65%時(shí)會(huì)導(dǎo)致春玉米減產(chǎn)，而控釋尿素添加比例為50%時(shí)可以保證春玉米的產(chǎn)量。

表1 控釋尿素施用比例對(duì)春玉米產(chǎn)量及氮肥效率的影響Table 1 Effect of controlled-release urea application ratio on spring maize yield and nitrogen efficiency

2.2 控釋尿素施用比例對(duì)春玉米吐絲期土壤微生物量碳、氮含量的影響

從圖1可以看出，與CK 相比，施用氮肥可以顯著增加SMBC、SMBN含量(P<0.05)。在0～20，20～40 cm土層SMBC和SMBN含量的變化趨勢(shì)均為NC50>NC35>NC65>NC0>CK。在0～20 cm土層，與NC0處理相比，施用控釋尿素顯著提高了SMNC含量(P<0.05)，NC65、NC35和NC50處理的SMBC含量分別增加了9.8%，13.5%和14.7%；在20～40 cm土層，與NC0相比，施用控釋尿素使SMBC含量顯著提高了8.7%～11.9%。在0～20 cm土層，與NC0處理相比，施用控釋尿素均可以增加土壤的SMBN含量，增幅大小依次為NC50>NC35>NC65，其中NC50和NC35處理的SMBN含量顯著增加了23.5%和15.2%(P<0.05)，NC65處理的SMBN含量增加不顯著。在20～40 cm土層，NC35和NC50處理的SMBN含量較NC0處理分別顯著增加了24.8%和41.6%(P<0.05)，NC65處理的SMBN含量無顯著變化。以上結(jié)果表明，控釋尿素與普通尿素配合施用可以增加土壤的SMBC、SMBN含量，其中當(dāng)控釋尿素的施用比例為50%時(shí)，SMBC和SMBN含量的提升效果較為顯著。

2.3 控釋尿素施用比例對(duì)春玉米吐絲期土壤硝化潛勢(shì)的影響

從2019年的測(cè)定結(jié)果(圖2)可以看出，與CK 相比，施用氮肥可顯著增加土壤的硝化潛勢(shì)(P<0.05)，但與NC0處理相比，施用控釋尿素會(huì)降低土壤硝化潛勢(shì)。從圖2還可看出，各處理0～20 cm土層土壤硝化潛勢(shì)均高于20～40 cm土層。施用控釋尿素處理0～20和20～40 cm土層的土壤硝化潛勢(shì)分別保持在0.27～0.32和0.12～0.17 mg/(kg·h)，與NC0處理相比，施用控釋尿素處理0～20和20～40 cm土層的土壤硝化潛勢(shì)分別下降了6.8%～22.3%和17.5%～41.3%。其中，2個(gè)土層中均以NC50處理土壤硝化潛勢(shì)降低幅度最大，且與其他處理之間的差異均達(dá)到了顯著水平。以上結(jié)果表明，施用不同比例控釋尿素會(huì)降低土壤硝化潛勢(shì)，其中當(dāng)控釋尿素施用比例為50%時(shí)土壤硝化潛勢(shì)的降低幅度最大。

2.4 控釋尿素施用比例對(duì)土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊?/h3>

從2019年測(cè)定結(jié)果(圖3)可以看出，0～300 cm 土層中，施用氮肥顯著增加了土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?P<0.05)，其中NC0處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅孔罡?，?5.9 kg/hm2；與CK處理相比，NC35、NC50、NC65和NC0處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅糠謩e顯著增加了31.66%，47.45%，66.22%和102.44%；與NC0處理相比， NC65、NC50和NC35處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅糠謩e顯著降低了17.89%，27.16%和34.96%(P<0.05)，可知施用不同比例的控釋尿素均能顯著降低土壤的硝態(tài)氮?dú)埩袅?。?～100 cm土層中，與NC0處理相比，NC35、NC50和NC65處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅烤兴档停渲兄挥蠳C35與NC0處理的差異達(dá)顯著水平，其他2個(gè)處理與NC0處理之間差異均不顯著。在100～300 cm土層中，NC0處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅棵黠@高于其他處理，NC65、NC50和NC35處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^NC0處理分別降低了23.17%，34.26%和38.85%(P<0.05)。由此可知，施用不同比例控釋尿素能夠削弱土壤硝態(tài)氮在土壤中的累積，且阻控土壤硝態(tài)氮向深層土壤淋溶。

3 討 論

本研究表明，控釋尿素的施用比例會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量產(chǎn)生不同影響。姬景紅等[21]和解文艷等[22]的研究均表明，控釋尿素施用比例過高或過低都會(huì)影響作物產(chǎn)量。本研究表明，控釋尿素施用比例為50%(NC50)時(shí)，可以保證春玉米的產(chǎn)量，當(dāng)控釋尿素施用比例為35%(NC35)和65%(NC65)時(shí)，會(huì)造成春玉米減產(chǎn)。與NC0處理相比，NC35和NC65處理春玉米產(chǎn)量顯著降低了14.3%和5.5%，這可能是由于施用35%的控釋尿素時(shí)，普通尿素施用比例過多，玉米生育前期土壤中釋放的氮素過多，玉米所吸氮量高于實(shí)際需氮量，葉片生長(zhǎng)旺盛，使得株間通風(fēng)透光能力下降，光能利用率降低，導(dǎo)致玉米呼吸作用旺盛，提高了其對(duì)光合產(chǎn)物的消耗，最終消耗大于合成而使其減產(chǎn)；另外控釋尿素后期供氮不足，也可能導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。當(dāng)施用65%的控釋尿素時(shí)，控釋尿素施用比例過高，導(dǎo)致“氮肥后移”，玉米生育前期供氮不足，影響了玉米生長(zhǎng)，即使后期氮素供應(yīng)充足，仍對(duì)玉米產(chǎn)量造成了不利影響。同時(shí)，也有少量學(xué)者針對(duì)玉米控釋尿素的施用比例進(jìn)行了研究，董亮等[23]提出，褐土區(qū)控釋氮肥施用比例為70%～100%較為適宜；馮朋博等[24]研究認(rèn)為，普通尿素與控釋尿素按1∶2質(zhì)量比配施最佳。以上研究結(jié)果的差異，可能與不同地區(qū)土壤類型、水肥條件、試驗(yàn)所用控釋尿素種類、肥料的施用時(shí)期等有關(guān)。

土壤微生物量碳、氮是衡量微生物可固定活性碳氮的數(shù)量指標(biāo)，具有較高的生物活性，可以有效反映土壤肥力變化和各種施肥措施的差異性[25]。施用肥料會(huì)對(duì)土壤微生物的數(shù)量、活性產(chǎn)生顯著的影響。有研究表明，施用普通氮肥后，氮素在前期釋放較多、較快，會(huì)產(chǎn)生“激發(fā)效應(yīng)”，影響微生物對(duì)氮素的固定[26]，與施用普通氮肥相比，施用控釋氮肥可以顯著增加土壤微生物生物量[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用不同比例控釋尿素增加了SMBC、SMBN含量，這是因?yàn)槭┯每蒯屇蛩匾环矫婵梢詼p緩氮素釋放，有效控制尿素的釋放速率，使土壤中可利用的氮素長(zhǎng)期保持在一定的范圍和比例內(nèi)[28]，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，進(jìn)而維持較高的土壤微生物量；另一方面，微生物可以通過同化作用固定部分活性氮素，減緩?fù)寥老趸饔?，進(jìn)而調(diào)控土壤硝態(tài)氮水平，避免過多的硝態(tài)氮淋溶累積至土壤深層，故SMBC、SMBN含量明顯增加。

硝化作用是微生物將土壤中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程，這一反應(yīng)過程聯(lián)系著礦化-生物固持作用及氮素?fù)p失[29]，且與微生物作用密切相關(guān)，更是土壤氮素轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)。氮素在土壤中被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的快慢，影響著施入土壤中氮肥的存在形態(tài)，這一進(jìn)程常用硝化潛勢(shì)來表達(dá)。研究表明，施氮會(huì)顯著增加土壤硝化潛勢(shì)[30-31]，導(dǎo)致銨態(tài)氮易被硝化成為硝態(tài)氮，增加淋失或反硝化作用損失風(fēng)險(xiǎn)。有研究證實(shí)，施用控釋肥能有效減少氮損失，降低環(huán)境污染，是適宜推廣的農(nóng)田減肥增效技術(shù)[23]。本研究結(jié)果表明，施氮可以顯著增加土壤硝化潛勢(shì)，而施用不同比例控釋尿素則會(huì)顯著降低土壤硝化潛勢(shì)，其中當(dāng)控釋尿素施用比例為50%時(shí)土壤硝化潛勢(shì)的降低幅度最大，說明施用控釋尿素可以減緩?fù)寥老趸瘽搫?shì)，降低硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

研究表明，合理施用控釋氮肥對(duì)調(diào)控土壤硝態(tài)氮淋溶具有重要作用。趙營(yíng)等[32]研究表明，施用控釋肥對(duì)阻控土壤硝態(tài)氮淋溶運(yùn)移具有顯著作用。本研究3年的試驗(yàn)結(jié)果也表明，與全施用普通尿素相比，施用控釋尿素可以降低0～300 cm土層中的硝態(tài)氮?dú)埩袅?，且阻控硝態(tài)氮向下淋溶累積。氮肥施入土壤后，主要有3個(gè)去向，即被作物吸收利用、在土壤中殘留或氨揮發(fā)損失[33]。本研究中，由春玉米的氮肥利用率可知，施用控釋尿素并未提高氮肥利用率，說明施用控釋尿素減少的未淋溶而累積在深層土壤剖面中的硝態(tài)氮并未被春玉米吸收，這些未被吸收的氮素可能通過氨揮發(fā)途徑損失[34]，也有可能隨水流滲透到還原層，通過反硝化作用被還原為N2或N2O而釋放到大氣中。但由于本試驗(yàn)未進(jìn)行施用控釋尿素對(duì)土壤-作物-大氣之間綜合調(diào)控影響的相關(guān)研究，今后將利用氮同位素示蹤等技術(shù)探究氮的遷移轉(zhuǎn)化過程，以期更好地闡明氮素的去向。

4 結(jié) 論

在黃土高原南部旱作春玉米連作區(qū)，施用不同比例控釋尿素可對(duì)春玉米產(chǎn)量及氮素農(nóng)學(xué)效率產(chǎn)生不同影響，當(dāng)控釋尿素施用比例為35%和65%時(shí)會(huì)顯著降低春玉米產(chǎn)量，當(dāng)施用比例為50%時(shí)可以保證春玉米產(chǎn)量。與NC0處理相比，施入不同比例控釋尿素會(huì)增加SMBC、SMBN含量，降低 0～20和20～40 cm土層的土壤硝化潛勢(shì)以及0～300 cm土層中的硝態(tài)氮?dú)埩袅?。因此，?dāng)控釋尿素施用比例為50%時(shí)，其對(duì)春玉米產(chǎn)量及土壤環(huán)境無明顯影響，具有較好的減肥增效效果。

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