氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)柴達(dá)木枸杞產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響

盧九斤,盛海彥,華明秀,聶易豐,高亞軍,許米聰,魏嬌嬌

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院,西寧 810016;2.金華市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與種子管理中心,浙江金華321000;3.青海大學(xué),省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810016;4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌 712100)

柴達(dá)木盆地地處高原,日照時(shí)間長(zhǎng),當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的枸杞(LyciumbarbarumL.)品質(zhì)好,經(jīng)濟(jì)效益高[1-2]。近15 a來(lái),該地區(qū)枸杞種植面積已達(dá)4萬(wàn)hm2。但枸杞生產(chǎn)中施肥缺少科學(xué)的理論依據(jù),農(nóng)戶為保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),盲目投入大量氮肥,形成“高投入、高產(chǎn)出”的生產(chǎn)現(xiàn)狀[3-4],這導(dǎo)致枸杞產(chǎn)量雖有所提高,但造成資源的極大浪費(fèi)及一系列環(huán)境污染問題[5-7]。在保證枸杞不減產(chǎn)的前提下,通過合理施氮技術(shù)提高氮肥利用率(NUE),追求經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益“共贏”,已成為當(dāng)?shù)罔坭缴a(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)問題[8]。在土壤-植物系統(tǒng)中氮素的去向主要有作物吸收、收獲后土壤殘留以及通過硝化、反硝化作用,徑流或淋失等途徑損失至大氣或水體中[9-10]。硝化抑制劑可抑制土壤的硝化作用,降低N2O排放,減少氮素?fù)p失[11]。孫海軍等[12]研究發(fā)現(xiàn),增施硝化抑制劑顯著提高小麥的NUE和產(chǎn)量。Tian等[13]研究表明,尿素中添加硝化抑制劑可顯著降低氮素的氣體(氨氣和N2O等)損失,進(jìn)而提高氮肥利用率。段顏靜[14]在蘋果上的研究結(jié)果顯示,減少適宜氮肥用量且配施硝化抑制劑改善了果樹的生長(zhǎng)狀況,提高NUE。適宜的氮肥用量及配施2-氯-6-三氯甲基吡啶等硝化抑制劑改善植株氮素利用和提高產(chǎn)量在水稻、馬鈴薯等作物中均有大量報(bào)道[15-18],但目前缺乏對(duì)柴達(dá)木枸杞土壤-植物系統(tǒng)氮素平衡的研究。為此,本研究擬通過施用不同量氮肥并配施2-氯-6-三氯甲基吡啶,探討其對(duì)柴達(dá)木枸杞產(chǎn)量、氮素吸收和利用的影響,以期為柴達(dá)木地區(qū)枸杞科學(xué)施氮和提質(zhì)增效提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019和2020年在青海省海西州都蘭縣諾木洪農(nóng)場(chǎng)(36°25′ N,96°20′ E)進(jìn)行。該地區(qū)屬高原大陸性氣候,海拔2 760 m,年均溫-4 ℃,年均降水量約56 mm。土壤類型為灰棕漠土,質(zhì)地為砂壤土,0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)19.51 g/kg,全氮1.43 g/kg,全磷3.05 g/kg,全鉀23.13 g/kg,堿解氮69.76 mg/kg,速效磷82.56 mg/kg,速效鉀210.80 mg/kg,pH 8.49。0～100 cm土層(每20 cm為一層)土壤體積質(zhì)量分別為1.54、1.52、1.52、1.46、1.47 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)材料

供試枸杞為樹齡10 a的‘寧杞1號(hào)’;氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為重過磷酸鈣(含P2O546%),均為云天化集團(tuán)生產(chǎn);商品有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)≥45%,N+P2O5+K2O≥5%)由青海恩澤農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn);供試硝化抑制劑為2-氯-6-三氯甲基吡啶(含量70.0%),由浙江奧復(fù)托化工有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理,每處理重復(fù)3次。施氮量分別為施用純氮667、400、267、133、 0 kg/hm2,處理代碼分別為N667、N400、N267、N133、CK,其中667 kg/hm2為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮量。在N400、N267和N133施氮量基礎(chǔ)上,分別配施濃度為純氮量0.5%的2-氯-6-三氯甲基吡啶2.00、 1.33、0.67 kg/hm2,處理代碼分別為N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每小區(qū)面積39 m2,枸杞種植株行距為1.5 m×2 m,每小區(qū)13株。各處理施用商品有機(jī)肥1 667 kg/hm2,P2O5333 kg/hm2,均為農(nóng)民習(xí)慣施用量。2019年5月19日和2020年5月14日在枸杞樹行間距根30 cm處挖深度20 cm,長(zhǎng)、寬均為25 cm的2個(gè)施肥坑(面積約1.25 m2),施入全部商品有機(jī)肥、重過磷酸鈣、50%的尿素和50%的2-氯-6-三氯甲基吡啶;2019年6月30日和2020年7月5日在枸杞樹株間距根30 cm處也挖相同規(guī)格的2個(gè)施肥坑,施入當(dāng)年剩余的50%尿素和50% 2-氯-6-三氯甲基吡啶。每次施肥前將每株樹的尿素和2-氯-6-三氯甲基吡啶提前稱于同一塑料袋中,混合均勻后撒入施肥坑。其他田間管理與農(nóng)民習(xí)慣一致。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 植物樣品測(cè)定 2019年7月30日、8月19日、9月15日和2020年8月4日、8月26日、9月19日采摘各小區(qū)提前選取的3株枸杞樹上的全部果實(shí),鮮果晾干后測(cè)定干果質(zhì)量[19]。2019年和2020年枸杞收獲后對(duì)標(biāo)記的枸杞樹進(jìn)行破壞性取樣,采集距主干半徑1 m、深0～1 m范圍內(nèi)所有的根。枸杞樹整株解析為根、主莖、枝條、葉片,收集后稱量各器官鮮質(zhì)量,105 ℃殺青30 min, 70 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱量[20]。將植株各器官粉碎后過0.25 mm篩,采用GB 5009.5-2016方法[21]測(cè)定植株各器官的全氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

采用SPSS 25.0軟件統(tǒng)計(jì)并分析數(shù)據(jù)。采用Duncan’s法進(jìn)行方差分析和多重比較(P< 0.05),利用Origin 8.0軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。計(jì)算公式參考魯艷紅等[7]、耿建梅等[23]、唐文雪等[24]和周麗平等[25]的研究結(jié)果。

植株吸氮量(kg/hm2)=植株各器官干質(zhì)量(kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP,kg/kg)=單位面積產(chǎn)量/單位面積施氮量

果實(shí)吸氮量(kg/hm2)=枸杞果實(shí)干質(zhì)量 (kg/hm2)×含氮量(g/kg)/1 000

土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)=∑土層厚度(cm)×土壤體積質(zhì)量(g/cm3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)/10

土壤銨態(tài)氮累積量(kg/hm2)=∑土層厚度(cm)×土壤體積質(zhì)量(g/cm3)×土壤銨態(tài)氮含量(mg/kg)/10

土壤礦化氮量(kg/hm2)=不施氮區(qū)植株吸氮量+不施氮區(qū)土壤殘留無(wú)機(jī)氮量-不施氮區(qū)土壤起始無(wú)機(jī)氮量

氮素表觀損失量(kg/hm2)=(施氮量+土壤起始無(wú)機(jī)氮量+土壤礦化氮量)-(植株吸氮量+收獲后土壤殘留無(wú)機(jī)氮量)

土壤起始無(wú)機(jī)氮量、土壤礦化氮量和土壤殘留無(wú)機(jī)氮量均按0～100 cm土層深度計(jì)算。前期試驗(yàn)結(jié)果顯示,商品有機(jī)肥中無(wú)機(jī)氮含量和礦化率均為2.0%,據(jù)此計(jì)算,則有機(jī)肥中提供的礦質(zhì)氮約0.7 kg/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)枸杞產(chǎn)量的影響

枸杞產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)(表1)。由肥料效應(yīng)方程可知,施氮量為445及554 kg/hm2時(shí)枸杞產(chǎn)量最高,分別為7 582 kg/hm2、8 055 kg/hm2(圖1)。配施硝化抑制劑可有效提高枸杞產(chǎn)量。2019年N400I2.00、N267I1.33處理的枸杞產(chǎn)量較N400、N267處理分別增加 5.8%、5.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理枸杞產(chǎn)量較N400、N267、N133處理增加 1.3%～5.6%。兩年N400I2.00處理的枸杞產(chǎn)量最高,較農(nóng)民習(xí)慣施氮處理N667提高9.3%及 6.7%;兩年N267I1.33處理的枸杞產(chǎn)量較N667處理分別增加500 kg/hm2及146 kg/hm2。

圖1 施氮量與枸杞產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationship between N fertilizer application rate and wolfberry yield

表1 不同氮肥用量和配施硝化抑制劑處理后的枸杞產(chǎn)量及氮肥利用效率Table 1 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on wolfberry yield and N fertilizer use efficiency

2.2 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)枸杞氮素吸收和利用的影響

2.2.1 氮肥偏生產(chǎn)力 氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的增加而降低,氮肥配施硝化抑制劑可提高氮肥偏生產(chǎn)力。2019年N400I2.00、N267I1.33處理的氮肥偏生產(chǎn)力較N400、N267處理分別增加1.1 kg/kg、1.3 kg/kg;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮肥偏生產(chǎn)力較N400、N267、N133處理分別提高1.2 kg/kg、1.3 kg/kg、0.7 kg/kg。N400I2.00及N267I1.33處理的氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于N667處理,較N667處理顯著提高78.2%～ 389.8%(表1)。

2.2.2 植株吸氮量 增施氮肥較空白處理顯著提高枸杞植株吸氮量,硝化抑制劑的施用有利于枸杞植株吸氮量的提高。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的植株吸氮量較N400、N267、N133處理增加8.1%～11.0%;2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的植株吸氮量較N400、N267、N133處理分別增加4.5%、21.5%和 27.2%。N400I2.00處理的植株吸氮量最高,分別為485.0 kg/hm2、 504.3 kg/hm2,較N667處理顯著增加11.9%、9.7%(表1)。

2.2.3 果實(shí)吸氮量 氮肥配施硝化抑制劑可提高果實(shí)吸氮量(圖2)。N400I2.00處理兩年的果實(shí)吸氮量最高,分別為151.0 kg/hm2、154.0 kg/hm2,較N400處理提高6.2%、12.5%;兩年N267I1.33處理的果實(shí)吸氮量與N267處理均無(wú)顯著差異;2019年和2020年N133I0.67處理果實(shí)吸氮量較N133處理分別提高7.9%、9.9%。與農(nóng)民習(xí)慣施氮量N667處理相比,N400I2.00處理的果實(shí)吸氮量提高18.5%和12.8%。

不同字母表示同一年不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.3 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)枸杞收獲后土壤無(wú)機(jī)氮累積量的影響

枸杞收獲后土壤無(wú)機(jī)氮累積量隨施氮量的降低逐漸下降,且隨土層深度的增加呈先增后減的趨勢(shì)(圖3)。2019年不同處理0～100 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量在60～80 cm土層最高;2020年土壤無(wú)機(jī)氮累積量均在40～60 cm土層最高。添加硝化抑制劑對(duì)0～100 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量無(wú)顯著影響,但較未添加硝化抑制劑的處理顯著提高 0～40 cm土層土壤無(wú)機(jī)氮累積量。2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理0～20 cm 土層土壤無(wú)機(jī)氮累積量較N400、N267、N133處理分別提高35.4%、35.6%和28.7%,N400I2.00、N267I1.33處理20～40 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量較N400、N267處理增加9.0～10.9 kg/hm2。2020年N400I2.00處理0～20 cm及20～40 cm土層土壤無(wú)機(jī)氮累積量較N400處理分別增加9.5 kg/hm2和16.1 kg/hm2。兩年N667處理0～100 cm土層土壤無(wú)機(jī)氮累積量最高,分別為754.9 kg/hm2和758.0 kg/hm2。兩年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理 0～100 cm土壤無(wú)機(jī)氮累積量較N667處理降低20.9%～46.2%。

圖3 不同處理收獲后0～100 cm土層土壤無(wú)機(jī)氮累積量Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer application rate and nitrification inhibitor on soil inorganic nitrogen accumulation in 0-100 cm layer after harvest.

2.4 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)枸杞生育期內(nèi)土壤-植物系統(tǒng)氮素平衡的影響

根據(jù)氮輸入與氮輸出平衡模型計(jì)算枸杞全生育期內(nèi)氮素平衡狀況(表2)。氮輸入方式中氮肥占氮輸入的16.6%～47.8%和16.4%～47.5%;土壤起始無(wú)機(jī)氮量分別為342 kg/hm2、394 kg/hm2,占氮輸入量的24.0%～45.1%和 27.4%～51.2%;土壤礦化氮量分別為402 kg/hm2和360 kg/hm2,占氮輸入量的28.2%～ 53.0%和25.1%～46.8%。氮輸出項(xiàng)以植株吸收和土壤殘留無(wú)機(jī)氮量為主,其中植株吸收分別占氮輸出量的30.4%～52.4%和32.0%～ 51.8%。兩年的氮素表觀損失量與施氮量均呈極顯著正相關(guān),決定系數(shù)分別為0.999和0.995(圖4)。配施硝化抑制劑可有效降低氮素表觀損失量,2019年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮素表觀損失量較N400、N267、N133處理分別降低31.5%、 39.6%和27.3%,2020年N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67處理的氮素表觀損失量較N400、N267、N133處理降低36.2%～48.9%。兩年N667處理的氮素表觀損失量最高,分別為239 kg/hm2、219 kg/hm2,較N400I2.00、N267I1.33處理增加149～191 kg/hm2。

圖4 施氮量與氮素表觀損失量的關(guān)系Fig.4 Relationship between N fertilizer application rate and N apparent loss

表2 枸杞園土壤-植株系統(tǒng)氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of plant-soil system in wolfberry orchards

3 討 論

3.1 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)枸杞產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

氮素的過量投入導(dǎo)致植株NUE降低,也不利于枸杞生物產(chǎn)量的增加[26]。本研究顯示,過量施氮時(shí)植株吸氮量和增產(chǎn)率降低,表明過量的氮肥會(huì)降低植株吸氮量和枸杞產(chǎn)量。在寧夏葉用枸杞養(yǎng)分需求規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn),32.7 kg/hm2的施氮量可獲得最高的葉用枸杞生物產(chǎn)量,過量投入氮肥時(shí)呈緩慢下降趨勢(shì)[27]。本試驗(yàn)中施氮量為400 kg/hm2時(shí),枸杞產(chǎn)量、吸氮量及增產(chǎn)率均最高,可能是由于過量施氮改變了適宜生物生存的土壤C/N,從而降低根際土壤微生物活性,影響樹體吸收養(yǎng)分[28],進(jìn)而表現(xiàn)為植株吸氮量及產(chǎn)量的降低。本研究表明隨施氮量的增加氮素偏生產(chǎn)力持續(xù)降低,這與侯云鵬等[29]的研究一致。李月梅等[30]的研究結(jié)果表明,柴達(dá)木枸杞每生產(chǎn)100 kg枸杞干果需N 11.2 kg,本試驗(yàn)農(nóng)民習(xí)慣施氮量處理的年均產(chǎn)量為7 200、7 933 kg/hm2,理論所需氮素806.4、888.5 kg/hm2,但農(nóng)民習(xí)慣施氮量處理氮素總輸入高達(dá)1 411.7 kg/hm2、 1 421.7 kg/hm2,表明柴達(dá)木地區(qū)枸杞種植施氮量過高,只需補(bǔ)充適量的外源氮肥即可滿足枸杞全生育期氮素需求[25],枸杞生產(chǎn)減氮潛力較大。

配施硝化抑制劑可降低氮肥損失,改善植株氮素吸收,進(jìn)而提高產(chǎn)量和氮肥利用率[31-32]。前人[33]研究表明,硝化抑制劑在石灰性土壤上具有明顯的硝化抑制劑效果。本試驗(yàn)結(jié)果顯示施氮量為267～400 kg/hm2時(shí),配施硝化抑制劑處理的枸杞產(chǎn)量和植株吸氮量均高于未配施硝化抑制劑的處理,與孫志梅等[34]的研究結(jié)果一致,可能是由于硝化抑制劑可抑制氨氧化細(xì)菌的活性[35],在尿素水解成銨態(tài)氮后抑制其向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,降低氮素的淋溶損失,提高氮肥利用率,最終表現(xiàn)為枸杞產(chǎn)量和植株吸氮量的提高[36]。說明施氮量為267～400 kg/hm2同時(shí)添加濃度為純氮量0.5%的硝化抑制劑可滿足枸杞生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求并保持較高產(chǎn)量。

3.2 氮肥用量和配施硝化抑制劑對(duì)柴達(dá)木枸杞園植株-土壤系統(tǒng)氮素平衡的影響

本試驗(yàn)的回歸分析表明,氮素表觀損失量與施氮量呈極顯著正相關(guān),與吳瓊等[37]的研究結(jié)果一致。說明農(nóng)民習(xí)慣施氮量不利于提高枸杞產(chǎn)量和氮素利用效率,反而顯著提高枸杞園的氮素表觀損失量。前人研究表明過量施氮可能會(huì)提高土壤酸度,影響土壤微生物活性,同時(shí)極易產(chǎn)生硝酸鹽淋溶導(dǎo)致的地下水污染等問題[38-40]。在農(nóng)民習(xí)慣施氮量的基礎(chǔ)上減少40%～60%的氮肥用量,既能降低氮素表觀損失量及環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),又能維持較高的枸杞產(chǎn)量。本研究結(jié)果顯示,N施用267～400 kg/hm2的基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑顯著降低氮素表觀損失量,主要是由于硝化抑制劑增加枸杞收獲后土壤殘留無(wú)機(jī)氮量,延緩銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,使得土壤氮素在枸杞生育期內(nèi)由于硝態(tài)氮產(chǎn)生的淋溶作用及硝化反硝化過程的損失降低,進(jìn)而提高植株吸氮量,降低氮素?fù)p失[41]。本試驗(yàn)在計(jì)算枸杞-土壤系統(tǒng)氮素平衡中,未測(cè)定土壤氮素淋失量、氧化亞氮排放和氨揮發(fā)損失量等氮素?fù)p失形式,可能導(dǎo)致計(jì)算的氮素表觀損失量偏低。同時(shí)外源氮肥的補(bǔ)充如大氣沉降氮帶來(lái)的激發(fā)效應(yīng)也未考慮在內(nèi),這些有待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來(lái)完善。

4 結(jié) 論

在農(nóng)民習(xí)慣施氮量的基礎(chǔ)上減少40%～60%施氮量并配施硝化抑制劑可保證較高的枸杞產(chǎn)量及植株氮素吸收量。相同施氮量配施硝化抑制劑可顯著提高枸杞植株吸氮量,降低氮素表觀損失量。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下,以施氮量267～400 kg/hm2同時(shí)配施1.33～2.00 kg/hm2的2-氯-6-三氯甲基吡啶為青海省柴達(dá)木地區(qū)枸杞生產(chǎn)的適宜施氮組合。