不同施肥處理對青稞根際土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

周蘭蘭，劉梅金，李明軍，徐冬麗，王國平，郭建煒，胡再青，張忠廣，李風(fēng)慶，桑安平，張 濤，蕭云善，閆春梅

（甘肅省甘南州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅合作 747000）

0 引言

青稞是青藏高原高海拔冷涼地區(qū)分布最廣的農(nóng)作物品種，也是中國藏區(qū)人民在特殊環(huán)境和生活條件下不可替代的重要食糧，約80%左右的藏族同胞主食都以青稞為主[1]。青稞種植是青藏高原藏區(qū)種植業(yè)和糧食生產(chǎn)的支柱，對中國藏民的生活有著重要的影響，也為藏區(qū)人民的健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用[2-3]。

甘南藏族自治州是甘肅省青稞主產(chǎn)區(qū)，種植面積和產(chǎn)量均居州內(nèi)各類農(nóng)作物之首[4]。但由于理論基礎(chǔ)研究滯后，科研基礎(chǔ)設(shè)施欠缺，極大的限制著青稞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尤其是施肥方面沒有得到科學(xué)、精準(zhǔn)的控制，過量化肥施用造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)，還會(huì)破壞土壤基礎(chǔ)肥力。因此，實(shí)現(xiàn)合理施肥和提高肥料利用率是目前研究的重點(diǎn)問題。

青稞的生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收規(guī)律與其他麥類作物有相似之處，但由于種植土壤及氣候環(huán)境不同，其營養(yǎng)及需肥特征有其特殊性，同一品種在不同海拔生態(tài)區(qū)，采用同樣的栽培及施肥措施，產(chǎn)量變幅達(dá)到2250～6750 kg/hm2[5-6]。青稞生長期分為苗期、分孽期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，其在不同時(shí)期需要氮、磷、鉀肥比例以及微肥量不同[7]。青稞生育期短，生育前期對營養(yǎng)物質(zhì)需求極為敏感，苗期吸肥快、幼穗分化起步早[8]，分蘗期保證有較高的氮素營養(yǎng)水平可以促進(jìn)生殖分蘗花序分化，增加小穗數(shù)和小花數(shù)，但過高氮肥用量對青稞產(chǎn)量形成有一定抑制作用[9-10]。青稞生長中后期對養(yǎng)分的需求依然很大，中后期營養(yǎng)是提高青稞產(chǎn)量的關(guān)鍵，但由于青稞莖稈軟弱，后期氮肥施用過多，容易引起青稞的貪青、倒伏，過少又滿足不了青稞的營養(yǎng)需求。因此，控制肥料用量，按照青稞養(yǎng)分需求適時(shí)適量供肥，是解決這一矛盾的重要措施。

對于施肥早期研究重點(diǎn)集中在氮磷用量及配比上[11-13]，微生物肥料能提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)[14]。近年來，緩控釋肥料受到國內(nèi)外的重視[15-16]，其具有養(yǎng)分釋放速率緩慢，釋放周期長，能夠滿足作物整個(gè)生育周期養(yǎng)分需求的特點(diǎn)，是中國肥料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要方向[17]。其主要以無機(jī)物質(zhì)作為原料，通過物理、化學(xué)和生物化學(xué)的單一作用或者復(fù)合作用調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放速率，達(dá)到控制養(yǎng)分釋放加快或放慢的效果。譚華等[18]認(rèn)為，緩釋肥的主要特性是養(yǎng)分釋放速率緩慢，從而使作物能夠充分的吸收利用，不僅能夠降低土壤中殘留肥料，而且可以提高肥料的利用效率。不同緩控釋肥料的養(yǎng)分釋放特點(diǎn)及機(jī)理成為研究的重點(diǎn)之一[19-20]，但在青稞生產(chǎn)上的研究甚少。本試驗(yàn)通過對不同時(shí)期、不同土層深度、不同方式施肥處理下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的測定，探索土壤氮素釋放規(guī)律，為青稞養(yǎng)分需求的理論與實(shí)踐乃至提高青稞產(chǎn)量與品質(zhì)奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在甘南藏族自治州卡加曼鄉(xiāng)新集村進(jìn)行，試驗(yàn)采用田間隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)6個(gè)處理，處理1：對照（不施肥）、處理2：農(nóng)民常規(guī)施肥（氮磷肥，基肥一次施入，施磷酸二銨 112.5 kg/hm2、尿素 75 kg/hm2、有機(jī)肥30000 kg/hm2）、處理3：優(yōu)化施肥（氮磷鉀肥，基肥加追肥2次施入，施過磷酸鈣750 kg/hm2、尿素97.5 kg/hm2、硫酸鉀90 kg/hm2做基肥一次施入，尿素97.5 kg/hm2于6月2日做追肥施入）、處理4：緩釋肥料A（氮素釋放周期55天，30%包膜，施495 kg/hm2）、處理5：緩釋肥料B（養(yǎng)分釋放周期75天，50%包膜，施495 kg/hm2）、處理6：緩釋肥料C（養(yǎng)分釋放周期95天，70%包膜，施495 kg/hm2）。3次重復(fù)，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2。

采用人工劃溝條施的施肥方式，16行區(qū)，行距0.25 m，區(qū)距0.30 m，肥料條施后進(jìn)行條施播種。4月7日播種，青稞品種為甘南州農(nóng)科所選育出的‘黃青2號(hào)’，播量525萬粒/hm2，小區(qū)下籽量10512粒。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以甘南州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所新育品種‘黃青2號(hào)’為材料，分別在5月7日（苗期）、6月8日（分蘗期）、7月2日（拔節(jié)期）、7月22日（抽穗期）、8月26日（成熟期）取土樣。分別對應(yīng)以上時(shí)間，土鉆取樣，分別取0～20、20～40 cm土壤樣品，3鉆，然后混勻，按四分法留樣，用于測試各土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3 試驗(yàn)方法

新鮮土樣硝態(tài)氮含量測定采用酚二磺酸比色法[21]，銨態(tài)氮含量采用靛酚藍(lán)比色法[22]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，采用Excel 2003和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理與土壤銨態(tài)氮

如表1所示，對銨態(tài)氮進(jìn)行方差分析，可知，生育期、土層、施肥處理對銨態(tài)氮的影響顯著。

表1 不同時(shí)期、不同土層、不同施肥處理下土壤銨態(tài)氮含量的方差分析

不同生育時(shí)期土壤銨態(tài)氮含量的多重比較見表2，結(jié)果顯示，整個(gè)生育期土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)降低—升高—降低的趨勢。隨著生育期的推進(jìn)，土壤中的銨態(tài)氮逐漸被植株吸收以供生長所需。土壤中銨態(tài)氮必須經(jīng)過一個(gè)緩慢的分解過程才能被植株吸收，抽穗期土壤中銨態(tài)氮含量達(dá)到峰值，沒有被及時(shí)吸收。生育后期明顯降低，但顯著的高于生育前期。

表2 不同時(shí)期銨態(tài)氮含量的多重比較

不同土層深度銨態(tài)氮含量的多重比較見表3，可知，0～20 cm土層銨態(tài)氮含量顯著的高于20～40 cm，表明表層土壤銨態(tài)氮對青稞植株生長發(fā)育影響較大，也有利于植株的吸收利用。

表3 不同土層銨態(tài)氮含量的多重比較

不同施肥處理對土壤銨態(tài)氮含量的影響結(jié)果見表4，可知，處理2氮磷肥和基肥一次性施入土壤中銨態(tài)氮含量最高，表明此種施肥方式肥料利用率較低，一部分氮素未被植株利用殘留在土壤中，造成肥料浪費(fèi)和地下水的污染。對照土壤中銨態(tài)氮含量較高，主要是因?yàn)橥寥乐械匿@態(tài)氮必須經(jīng)過一定的分解過程才能供給地上部分，而對照土壤中缺少與其作用的物質(zhì)。3種緩釋肥料中施肥料C的土壤銨態(tài)氮含量最低，這與青稞生長后期氮素需求高峰相吻合，且緩釋肥料B與青稞氮素需求最為一致，不會(huì)造成生長后期氮素高而使青稞貪青晚熟。

表4 不同施肥處理銨態(tài)氮含量的多重比較

不同生育期不同土層銨態(tài)氮含量的變化如圖1所示，0～20 cm和20～40 cm整體呈現(xiàn)降低—升高—降低的變化趨勢。抽穗期0～20 cm土壤中銨態(tài)氮含量出現(xiàn)峰值，且處理5最高，值為5.13 mg/kg，足以提供此時(shí)植株對氮素的需求，對照最低，值為2.43 mg/kg，對植株生長的影響較??；處理1和2從抽穗期到成熟期值反而升高，表明氮素有所損失，對照和農(nóng)民常規(guī)施肥不是最佳的施肥模式。20～40 cm土層中，銨態(tài)氮含量低于上層土，說明一部分銨態(tài)氮隨地下水流經(jīng)土壤深層，但還有部分損失掉。

圖1 不同生育期、不同土層銨態(tài)氮含量的變化

2.2 不同施肥處理與土壤硝態(tài)氮

如表5所示，對硝態(tài)氮進(jìn)行方差分析，可知，生育期、土層深度、施肥處理對硝態(tài)氮的影響顯著。

表5 不同時(shí)期、不同土層、不同施肥處理下土壤硝態(tài)氮含量的方差分析

施入土壤中的氮肥在脲酶的作用下，首先轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，其中一部分會(huì)被作物直接吸收利用，另一部分會(huì)在土壤硝化酶的作用下轉(zhuǎn)化成能被作物吸收的硝酸根，也可通過反硝化作用形成氣體釋放在大氣中，剩下的會(huì)留在土壤中形成土壤殘余氮。

不同生育時(shí)期土壤硝態(tài)氮含量的多重比較見表6，土壤中硝態(tài)氮含量先驟降，后又緩慢升高，到成熟期又緩慢下降。苗期硝態(tài)氮含量最高，達(dá)到22.64 mg/kg，且顯著的高于其他各時(shí)期。苗期對氮素的需求大，肥料中的氮首先形成銨態(tài)氮，再通過土壤中硝化細(xì)菌的作用形成硝態(tài)氮，此時(shí)土壤中硝態(tài)氮含量較高。隨著植株不斷生長，硝態(tài)氮逐漸被吸收，抽穗期氮肥逐漸被微生物分解，出現(xiàn)短暫的升高。成熟期由于植株需要供給籽粒營養(yǎng)，土壤中硝態(tài)氮被利用而降低。

表6 不同時(shí)期硝態(tài)氮含量的多重比較

土層深度對硝態(tài)氮含量的影響見表7，可知，0～20 cm硝態(tài)氮含量顯著的高于20～40 cm。銨離子通過硝酸酶可形成硝酸根，而銨離子主要來源于肥料、土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及土壤粘粒吸附態(tài)離子的釋放，這些過程主要在土壤上層進(jìn)行。

表7 不同土層硝態(tài)氮含量的多重比較

不同施肥處理對土壤硝態(tài)氮含量的影響如表8所示，可知，硝態(tài)氮含量由高到低的順序排列為5＞6＞2＞4＞3＞1，最高的為處理5，值為10.85 mg/kg，表明處理5土壤中硝化細(xì)菌活躍，硝酸酶活性高，有利于硝化作用的進(jìn)行，表明土壤中銨態(tài)氮達(dá)到一定濃度時(shí)，硝態(tài)氮含量與銨態(tài)氮沒有相關(guān)性（表9），而與硝酸酶活性有關(guān)；處理6次之，顯著的低于處理5；處理4和處理3值基本一致，而對照處理1最低，說明處理1土壤中缺少硝酸酶的底物。

表8 不同施肥處理硝態(tài)氮含量的多重比較

表9 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與各因素之間的相關(guān)性

不同生育期不同土層硝態(tài)氮含量的變化如圖2所示，硝態(tài)氮含量在整個(gè)生育期呈現(xiàn)降低—升高—降低的趨勢。從0～20 cm土層到20～40 cm土層，苗期銨態(tài)氮含量變化最大，處理1、2、3、4、5、6下降幅度分別為41.63%、66.12%、66.81%、60.99%、73.59%、71.11%，對照下降的幅度明顯小于其他處理，處理5下降的幅度最大，表明處理5氮素利用效率最高；下層土壤中，抽穗期處理6硝態(tài)氮含量顯著的高于其他處理，表明處理6氮素釋放周期過長，肥料過剩，會(huì)延長青稞生育期。

圖2 不同生育期、不同土層硝態(tài)氮含量的變化

3 討論

氮素是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)過礦化作用形成無機(jī)氮才可以被直接吸收利用[23]。在適宜的土壤溫度、水分、氧氣和pH條件下，土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)被微生物分解并釋放氮素，固定為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，可以達(dá)到減少肥料損失的效果，但對提高產(chǎn)量不宜。許翠清等[24]研究表明，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨季節(jié)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。雍太文等[25]研究發(fā)現(xiàn)，大豆、麥子、玉米套作可以保持土壤肥力，大豆根瘤菌通過固氮作用供給麥子、玉米養(yǎng)分，也大大的提高了氮素的利用效率。張鑫等[26]研究表明，土壤表層銨態(tài)氮含量受施肥的影響較大，40 cm以下銨態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定，而硝態(tài)氮受降水的影響，會(huì)隨水流下移，污染淺層地下水，因此，必須采取相應(yīng)的措施減少土壤中殘留的硝態(tài)氮，可通過優(yōu)化施肥、施用緩控釋肥料以及秸稈還田等，減少環(huán)境污染。DRMATZN[27]研究發(fā)現(xiàn)緩控釋肥料能滿足作物整個(gè)生長發(fā)育期的營養(yǎng)需求，且所含養(yǎng)分比速效肥的肥效更長。近年來，緩控釋肥料制備過程中養(yǎng)分釋放方式、速率和持續(xù)時(shí)間都可以加以控制[28]。以上研究表明，緩控釋肥料可以有效的提高肥料的利用效率，土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量直接影響作物氮素的供應(yīng)。

本研究結(jié)果表明，生育時(shí)期、土層深度、施肥處理對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量影響顯著。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在青稞整個(gè)生育期都呈現(xiàn)降低-升高-降低的變化趨勢，這與青稞生長過程中養(yǎng)分需求特點(diǎn)基本相一致；20～40 cm土壤中兩種物質(zhì)的含量均低于0～20 cm，且下層土壤硝態(tài)氮含量的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銨態(tài)氮，這也證明了硝態(tài)氮容易受降水等因素的影響而損失掉。同時(shí)也表明，土壤中銨態(tài)氮濃度較高時(shí)，硝態(tài)氮含量主要取決于硝化細(xì)菌的活躍程度，而與銨態(tài)氮濃度無關(guān)。

本研究結(jié)果還表明，不同施肥處理下土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量有差異，但兩種物質(zhì)含量變化不同。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化順序分別為處理2＞處理1＞處理5＞處理4＞處理6＞處理3和處理5＞處理6＞處理2＞處理4＞處理3＞處理1。處理2氮磷肥和基肥一次性施入土壤中銨態(tài)氮含量最高，表明此種施肥方式肥料利用率較低，一部分氮素未被植株利用殘留在土壤中，造成氮素過剩。對照土壤中缺少運(yùn)輸銨態(tài)氮的某些因子，含量較高。3種緩釋肥料銨態(tài)氮含量處于中等水平，不僅不會(huì)因含量高造成氮素過剩，也不會(huì)因含量過低而影響青稞養(yǎng)分供應(yīng)。處理3優(yōu)化施肥優(yōu)于處理2，但銨態(tài)氮含量過低會(huì)對青稞后期生長不利。由于施入土壤中的氮肥在脲酶的作用下，首先轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，除了一部分被作物直接吸收之外，還有一部分會(huì)在土壤硝化酶的作用下轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，因此，土壤中硝化細(xì)菌活躍，硝酸酶活性高，有利于硝化作用的進(jìn)行，硝態(tài)氮濃度越高。3種緩釋肥料硝態(tài)氮含量較高，說明銨態(tài)氮發(fā)生了轉(zhuǎn)化。關(guān)于緩釋肥料中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的機(jī)理，還待進(jìn)一步研究和探討。