生物炭與氮肥施入對(duì)夏玉米農(nóng)田氮素淋失與利用的影響

沈 揚(yáng), 龐桂斌, 薛建文, 蘇學(xué)偉, 董文旭, 王 昕, 徐征和

(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022; 2.桓臺(tái)縣水利事業(yè)服務(wù)中心, 山東 淄博 255020;3.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心, 河北 石家莊 050022; 4. 山東省水利科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250014)

本文中選擇夏玉米作為試驗(yàn)對(duì)象,在華北平原典型灌區(qū)開(kāi)展夏玉米種植試驗(yàn),分析不同生物炭、氮肥施入量對(duì)夏玉米農(nóng)田氮素淋失與利用以及產(chǎn)量的影響,合理提升玉米綜合生產(chǎn)能力[12],以期為農(nóng)田大水大肥管理下提高氮肥利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年在位于山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)的山東省灌溉試驗(yàn)中心站進(jìn)行。當(dāng)?shù)貙倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候,夏季降水較多[13]。該試驗(yàn)站土壤類型為黏土,玉米為一年一熟,前茬作物為冬小麥。試驗(yàn)區(qū)0～60 cm土層土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。夏玉米種植期間試驗(yàn)區(qū)具體氣溫、 降水情況見(jiàn)圖1。

圖1 2020年試驗(yàn)區(qū)夏玉米生育期內(nèi)氣溫、降雨變化

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)站內(nèi)建有帶有地下廊道的21個(gè)測(cè)坑,測(cè)坑尺寸為2.0 m×3.33 m(寬度×長(zhǎng)度),每個(gè)測(cè)坑之間都有深度為2.0 m的襯砌墻,上覆遮雨棚,下設(shè)廊道,且在廊道下100 cm深度上設(shè)取水口,可定期收集氮淋溶液,用于分析氮的遷移規(guī)律;同時(shí)每個(gè)測(cè)坑中都埋設(shè)長(zhǎng)度為100 cm的聚乙烯管,用于測(cè)定不同深度的土壤含水率。試驗(yàn)區(qū)概化圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)站概化圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)只在苗期進(jìn)行灌水,采用微噴灌方式定量灌溉,灌水量為67.5 mm,利用水表計(jì)量灌溉水量。

試驗(yàn)共設(shè)置氮肥施入量和生物炭施入量2個(gè)因素。氮肥施入量設(shè)置150、 200 kg/hm22個(gè)水平,分別記為N1、 N2,將磷肥(75 kg/hm2)和鉀肥(128 kg/hm2)施入測(cè)坑,基肥和拔節(jié)期追肥各占50%。

以木柴為燒制生物炭的原材料,生物炭比表面積為91.0 m2/g,鉀元素質(zhì)量比為9.19×103mg/kg,磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%,pH為7.80。生物炭施入量設(shè)置0、 20、 40 t/hm23個(gè)水平,分別記為C0、 C1、 C2,生物炭施入后耙入土壤。生物炭和氮、 磷、 鉀肥分別單獨(dú)翻施。

采用當(dāng)?shù)刂饕N植的玉米品種“鄭單958”為供試作物,于2020年6月23日播種,采用人工點(diǎn)播的方式,種植密度每公頃59 970株,于2020年10月4日收獲。試驗(yàn)處理方案以及夏玉米生育期的劃分分別見(jiàn)表2、 3。

表2 夏玉米種植試驗(yàn)處理方案

表3 夏玉米生育期劃分

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水率

在土壤深度為20、 40、 60、 80、 100 cm處安裝中子探針來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)夏玉米全生育期土壤含水率變化。計(jì)算各土層的體積含水率。

1.3.2 土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量

1.3.4 產(chǎn)量

夏玉米生育期末,在每個(gè)測(cè)坑中選取連續(xù)10株玉米,進(jìn)行考種測(cè)產(chǎn)。測(cè)定產(chǎn)量因素(穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、穗粒數(shù)),放通風(fēng)處自然風(fēng)干,待風(fēng)干后,用電子天平秤取籽粒百粒重以及樣方產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤含水率的影響

不同處理方案的土壤含水率變化如圖3所示。 從圖中可以看出, 土壤含水率變化較大的土層深度是0～60 cm, 而其他深度土層變化不明顯; 80 cm以下的土層含水率較高, 可能是地下水或是水分遷移造成的。 隨著時(shí)間的增加,土壤表層水分不斷蒸發(fā)和向下遷移, 因此各處理方案的土壤剖面的含水率均隨土層深度的增加而增加。

夏玉米苗期(播種后0～22 d)受降雨等因素的影響,土壤含水率整體水平偏高。氮肥施入水平相同時(shí),方案N1C2的表層土壤含水率較方案N1C0、 N1C1的分別增加4.85%、 1.35%,方案N2C2的較方案N2C0、 N2C1的分別增加4.17%、 1.69%,說(shuō)明施用生物炭使土壤表層水分增加,并且保持的水分會(huì)隨著生物炭施入量的增加而增加,與魏永霞等[14]得出的結(jié)論一致。對(duì)比生物炭施入量相同的處理方案發(fā)現(xiàn),方案N2C1的表層土壤含水率較方案N1C1的降低0.77%～2.61%,方案N2C2較方案N1C2的降低0.57%～0.9%。增加氮肥施入量會(huì)使得表層以下的土壤含水率降低, 這是由氮肥促進(jìn)夏玉米對(duì)土壤水分的吸收而造成的。 夏玉米拔節(jié)-抽雄期(播種后23～55 d)方案N2C2的土壤含水率為21.05%～30.14%, 明顯高于其他處理方案的, 表明高炭處理能提高土壤的持水能力。 夏玉米開(kāi)花-灌漿期(播種后56～78 d)0～20 cm土層生物炭施入處理的土壤含水率明顯高于無(wú)炭處理的,方案N1C0的土壤含水率較方案N1C1、 N1C2的分別降低了1.36%、 3.1%,方案N2C0的較方案N2C1、 N2C2分別降低0.87%、 2.5%, 但是不同氮肥施入量之間處理的土壤含水率變化不明顯。 而在20～40 cm土層,方案N1C2的土壤含水率為25.36%, 明顯高于其他方案的, 主要原因是方案N1C2在夏玉米拔節(jié)期進(jìn)行了灌溉。 生物炭施用水平相同時(shí), 大用量施肥會(huì)促進(jìn)夏玉米對(duì)土壤水分的吸收, 但方案N1C2所施加的氮肥較少, 也同樣導(dǎo)致土壤含水率較高。 由于夏玉米乳熟-成熟期(播種后79～104 d)受降雨量少、 溫度高因素的影響, 土壤含水率較上一個(gè)時(shí)期降低, 因此說(shuō)明生物炭可以提高土壤持水能力[15]。

2.2 生物炭對(duì)土壤中氮素分布的影響

2.3 生物炭對(duì)土壤氮素淋失的影響

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對(duì)照組。圖6 不同處理方案淋失液中硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對(duì)照組。圖7 不同處理方案淋失液中硝態(tài)氮總淋失量

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對(duì)照組。圖8 不同處理方案淋失液中氨態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

N1、 N2—氮肥施入水平; C1、 C2、 C3—生物炭施入水平; CK—對(duì)照組。圖9 不同處理方案淋失液中氨態(tài)氮總淋失量

2.4 生物炭對(duì)夏玉米產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

2.4.1 生物炭對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表4為對(duì)不同處理方案的夏玉米的室內(nèi)考種結(jié)果。 可以看出, 與對(duì)照組相比, 不同處理方案的夏玉米穗粒數(shù)增加50.47%～90.41%, 百粒重增加33.77%～45.67%, 產(chǎn)量增加4 909.43～8 289.94 kg/hm2, 說(shuō)明施加一定量的氮肥和生物炭對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有促進(jìn)作用。在低肥水平下,方案N1C1和N1C2的夏玉米穗粒數(shù)明顯比方案N1C0的多,分別增加0.92%和18.14%;在高肥水平下,方案N2C1、 N2C2的夏玉米穗粒數(shù)分別比方案N2C0的增加17.39%、 13.45%,表明施用生物炭有利于夏玉米穗粒數(shù)的發(fā)育[19]。夏玉米產(chǎn)量由高到低排序的處理方案是N2C2、 N2C1、 N1C2、 N1C1、 N2C0、 N1C0、 對(duì)照組,表明玉米產(chǎn)量隨著生物炭施加量的增加而增加。

表4 生物炭對(duì)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4.2 生物炭對(duì)氮肥利用效率的影響

不同處理方案氮肥利用效率顯著性分析結(jié)果見(jiàn)表5。 由表可以看出, 氮肥施入水平相同時(shí), 隨著生物炭施入量的增加, 夏玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力指數(shù)逐漸增大, 方案N1C2的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力指數(shù)較方案N1C0、 N1C1的分別增加11.15、 8.99 kg/kg, 方案N2C2的較方案N2C0、 N2C1分別增加15.07、 7.54 kg/kg,表明生物炭的施加促進(jìn)夏玉米對(duì)氮肥的吸收。 對(duì)比所有試驗(yàn)數(shù)據(jù), 方案N1C2的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、 氮肥偏生產(chǎn)力數(shù)值最大, 分別達(dá)到43.88、 66.94 kg/kg;而方案N1C0的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、 氮肥偏生產(chǎn)力較方案N2C0的分別大6.35、 12.12 kg/kg; 同樣, 方案N1C1、 N1C2的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別比方案N2C1、 N2C2的大, 說(shuō)明生物炭施用水平相同時(shí), 低氮更能提高氮肥的利用率, 兩者配施能夠更好地促進(jìn)夏玉米對(duì)氮肥的吸收, 從而提高玉米產(chǎn)量。

表5 不同處理方案氮肥利用效率顯著性分析

3 討論

4 結(jié)論

本文中通過(guò)研究在不同生物炭、氮肥施入條件下試驗(yàn)區(qū)土壤含水率變化特征、氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素,得到如下結(jié)論:

3)生物炭施用能夠提高作物的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力,還可以增加夏玉米產(chǎn)量,且玉米產(chǎn)量與生物炭施入量呈正相關(guān),此外,氮肥減施也能增加夏玉米的產(chǎn)量,其中方案N2C2的產(chǎn)量最高。