秸稈還田配施氮肥對土壤性質(zhì)及玉米水氮利用效率的影響

李 榮 勉有明 侯賢清,* 李培富 王西娜

秸稈還田配施氮肥對土壤性質(zhì)及玉米水氮利用效率的影響

李 榮1勉有明2侯賢清1,*李培富1王西娜1

1寧夏大學農(nóng)學院, 寧夏銀川 750021;2寧夏農(nóng)林科學院固原分院, 寧夏固原 756000

為探討寧夏揚黃灌區(qū)秸稈還田配施不同氮肥用量對土壤理化性質(zhì)、玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響, 在玉米秸稈全量還田條件下, 通過3年大田試驗設(shè)置3種純氮施用水平[150 kg hm–2(N1)、300 kg hm–2(N2)、450 kg hm–2(N3)], 以不施氮肥為對照(CK), 研究了秸稈還田配施氮肥對灰鈣土土壤容重、水分、養(yǎng)分和玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響。結(jié)果表明, 秸稈還田配施氮肥可改善耕層(0～40 cm)土壤容重和孔隙狀況, 以N2和N3處理效果較優(yōu), 平均土壤容重分別較CK顯著降低5.1%和7.3%, 土壤總孔隙度分別顯著提高7.0%和10.0%。施氮可提高耕層土壤有機碳和全氮含量, 土壤碳氮比隨施氮量的增加而降低, 以N2和N3處理效果較好。N2處理對提高耕層土壤速效養(yǎng)分含量最佳, 其土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別較CK顯著提高18.8%、19.0%、17.2%。秸稈還田條件下施氮肥能改善玉米產(chǎn)量性狀和顯著提高籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù), 以N2處理效果最佳, 平均較CK顯著增產(chǎn)38.0%。對3年玉米籽粒產(chǎn)量與施純氮量關(guān)系進行擬合發(fā)現(xiàn), 施氮量為285.2 kg hm–2時, 可使實現(xiàn)玉米籽粒產(chǎn)量最高。與CK相比, N2處理對提高玉米水分利用效率最優(yōu)(38.1%); N1和N2處理的氮肥農(nóng)學效率(12.2～12.4 kg kg–1)和氮肥利用率較高(34.5%～39.2%)。因此, 從氮肥用量減施、玉米豐產(chǎn)和水氮高效利用角度考慮, 施純氮量250～300 kg hm–2可改善寧夏揚黃灌區(qū)灰鈣土理化性質(zhì), 增強土壤蓄水能力, 對提高玉米產(chǎn)量和水氮利用效率效果較好, 建議在秸稈還田過程中配合應(yīng)用。

施氮量; 秸稈還田; 土壤理化性質(zhì); 水氮利用效率; 玉米產(chǎn)量

自化肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以來, 為農(nóng)作物產(chǎn)量的提高起到巨大的推動作用, 其中氮肥的作用最為顯著[1-2]。但長期施用氮肥, 隨之也帶來一系列問題, 如氮肥利用率降低、持續(xù)增產(chǎn)效果不明顯、以及過量氮肥施用而造成環(huán)境污染等[3]。作物秸稈既含有作物生長所必需的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素, 又可有效改善土壤理化性質(zhì)和生物學性狀[4], 而作物秸稈直接還田勢必會導致土壤碳氮比上升[5], 不利于作物的生長。因此, 秸稈還田配施適量氮肥可作為提高土壤肥力和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種重要措施已被廣泛認可[6]。

關(guān)于秸稈還田配施氮肥對土壤理化性質(zhì)方面的研究已有諸多報道。吳鵬年等[7]認為, 秸稈還田配施氮肥能增加土壤孔隙度, 增強土壤保蓄水分的能力。朱興娟等[8]指出, 秸稈還田后施氮肥可顯著提高土壤肥力, 為作物養(yǎng)分吸收提供肥力基礎(chǔ), 但氮肥用量不宜過高。張亮等[9]研究表明, 在秸稈還田條件下施氮肥的作物水分利用效率明顯高于不施氮肥處理, 以施氮肥量225 kg hm–2的水分利用效率最高。李春喜等[10]認為, 有機物料還田和減施氮肥可提高氮素利用效率和小麥產(chǎn)量。然而, 在實際生產(chǎn)過程中, 秸稈還田配施氮肥對土壤性質(zhì)及作物水氮利用效率的影響效果因區(qū)域土壤質(zhì)地類型、耕作措施和當?shù)貧夂虻纫蛩氐牟煌嬖诓町? 且作物生長與施氮量關(guān)系密切[11]。

在不同土壤類型、氣候及秸稈還田方式條件下, 施氮對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量和水肥利用效率的影響并不相同[12]。寧夏揚黃灌區(qū)光熱資源豐富, 玉米單產(chǎn)水平高, 發(fā)展?jié)摿Υ? 是寧夏重要的糧食產(chǎn)區(qū)。但該區(qū)存在降水較少、灰鈣土耕層土壤結(jié)構(gòu)不良和養(yǎng)分匱乏、水肥利用效率低等問題, 秸稈還田措施已成為該區(qū)一種有效的土壤培肥措施, 但秸稈在腐解過程中需要消耗一定量的氮, 出現(xiàn)微生物與作物爭氮的現(xiàn)象[7]。為防止秸稈還田前期與作物爭氮, 在當?shù)赝扑]施肥量的基礎(chǔ)上增施一定量的氮肥做基肥[13-14], 但過量施氮會對土壤環(huán)境造成一定的污染。因此, 研究秸稈還田配施不同氮肥用量對改善寧夏揚黃灌區(qū)灰鈣土肥力、提高玉米水肥利用效率具有重要意義[15]。本研究在寧夏揚黃灌區(qū), 連續(xù)開展3年秸稈全量還田配施氮肥不同用量試驗, 研究其對土壤理化性質(zhì)、玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響, 以期為該區(qū)秸稈還田條件下合理施用氮肥, 實施灰鈣土快速培肥和玉米水肥高效利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2016—2018年在寧夏同心縣王團鎮(zhèn)旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)(36°51'N、105°59'E, 海拔1200 m)進行。該區(qū)位于寧夏中部揚黃灌區(qū), 地勢南高北低, 屬中溫帶干旱大陸性氣候, 干旱少雨, 年均降水量150～300 mm, 年際變率大, 水分蒸發(fā)強烈, 無霜期120～218 d, 年均氣溫8.6℃, ≥10℃的積溫約3000℃。試驗地土壤類型為灰鈣土, 質(zhì)地為沙壤土, 本試驗初始時耕層土壤(0～40 cm)有機碳含量為4.8 g kg–1, 堿解氮為38.3 mg kg–1, 有效磷為16.1 mg kg–1, 速效鉀為198.0 mg kg–1, pH 8.4, 土壤容重為1.5 g cm–3。玉米生育期降水量如表1。2016、2017和2018年玉米生育期(4月至9月)降水量分別為146.4、297.2和274.4 mm。

表1 玉米不同生育階段降水、灌水和追肥情況

R: rainfall; TD: top-dressing.

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計, 在玉米秸稈全量還田(9000 kg hm–2)條件下, 設(shè)3種純氮施用水平: 150 kg hm–2(N1)、300 kg hm–2(N2)、450 kg hm–2(N3), 以不施純氮處理為對照(CK), 4個處理, 3次重復(fù), 共12個小區(qū)。小區(qū)面積為60 m2(15 m×4 m)。純氮配施水平設(shè)置依據(jù): 結(jié)合寧夏中部干旱區(qū)當?shù)卮河衩鬃罴鸭兊┯盟蕉嘣?25 kg hm–2左右, 且秸稈直接還田時通常需施一定量無機氮肥, 以補充因秸稈分解和微生物活動爭氮而造成土壤速效氮的不足, 因此設(shè)計純氮中間施用量為300 kg hm–2, 為探討秸稈還田條件下不同施氮用量對灰鈣土理化性質(zhì)及其玉米產(chǎn)量和水氮利用效率的影響, 設(shè)置純氮中間量減半倍處理(150 kg hm–2)和中間量加半倍處理(450 kg hm–2)。

具體操作方式為: 將前一年收獲后的玉米秸稈(有機養(yǎng)分含量中全碳705.8 g kg–1、全氮12.0 g kg–1、全磷2.6 g kg–1和全鉀12.7 g kg–1)切碎成3～5 cm小段, 2016年4月中旬試驗處理前將基肥純牛糞(有機養(yǎng)分含量中有機碳769.2 g kg–1、全氮23.0 g kg–1、全磷16.3 g kg–1、全鉀22.4 g kg–1) 1.0 t hm–2、磷酸二銨(總養(yǎng)分(N+P2O5)質(zhì)量分數(shù)≥64.0%, 總氮(N)質(zhì)量分數(shù)≥18.0%, 有效磷(P2O5)質(zhì)量分數(shù)≥46.0%) 150 kg hm–2撒在地表, 與秸稈一起人工翻入土壤; 2016年和2017年玉米收獲后, 將基肥磷酸二銨150 kg hm–2撒在地表, 與秸稈一起人工翻入土壤。各處理均按秸稈全量(9000 kg hm–2)進行翻壓還田(翻壓深度25 cm), 同時在施氮肥(尿素N質(zhì)量分數(shù)≥46%)處理中分別施入3種純氮用量。

春玉米供試品種為先玉335, 分別于2016年5月8日、2017年4月20日和2018年4月25日進行播種, 玉米播深5～10 cm, 寬窄行種植, 寬行70 cm, 窄行40 cm, 株距為20 cm, 種植密度為90,955株 hm–2, 分別于2016年9月30日、2017年10月6日和2018年10月1日收獲玉米。試驗期間利用自動降雨監(jiān)測系統(tǒng)對降水量進行監(jiān)測, 玉米各生育期降水量、灌水量和追施氮肥量(尿素N質(zhì)量分數(shù)≥46%)如表1所示, 2016年玉米生育期灌溉方式為畦灌, 在各生育階段每隔20 d以相應(yīng)灌水量分3次灌入; 2017年和2018年灌溉方式為滴灌, 在各生育階段每隔20 d以相應(yīng)灌水量分3次灌入; 氮肥量(純氮)分別在拔節(jié)至吐絲期以水肥一體化進行施入。試驗期間人工除草。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤物理性質(zhì) 土壤容重: 在2016年4月中旬秸稈還田處理前及2016、2017和2018年玉米收獲后, 利用環(huán)刀采集0～20 cm、20～40 cm層原狀土測定0～40 cm耕層土壤容重, 取其平均值, 并計算耕層土壤總孔隙度。土壤水分: 在玉米播種期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和收獲期, 分別采用土鉆取土干燥法測定0～100 cm層土壤質(zhì)量含水率(%), 每20 cm層取1個樣, 并結(jié)合階段降水量和灌水量, 計算作物耗水量(mm)。

1.3.2 土壤化學性質(zhì) 2016年4月中旬試驗處理前及2016、2017和2018年玉米收獲期后, 每個處理選取3點, 每20 cm層采1個樣, 測定0～40 cm耕層平均土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法、堿解擴散法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.3.3 植株干重和氮含量 在玉米收獲期, 每處理選取3個點, 每點選取長勢均勻一致的3個植株。分根、莖葉和籽粒3部分, 105℃殺青30 min, 然后80℃烘至恒重, 測定植株地上部生物量(莖葉、籽粒), 結(jié)合種植密度計算玉米生物產(chǎn)量。植株根、莖葉、籽粒各器官烘干樣品粉碎后過篩, 采用凱氏定氮法分別測定其氮含量。

1.3.4 玉米產(chǎn)量 在玉米收獲期, 每個小區(qū)選取10株有代表性的玉米果穗進行考種, 測定其穗粒數(shù)、百粒重; 每個處理選取3點, 每點收獲3 m雙行果穗, 脫粒、干燥和稱量。籽粒產(chǎn)量以14%含水率計算。

1.3.5 相關(guān)指標的計算方法

土壤總孔隙度為= (1–/2.65)×100, 式中,為土壤總孔隙度(%);為土壤容重(g cm–3); 2.65為土壤比重近似值(g cm–3)。

土壤貯水量為= 10×××, 式中,為土壤貯水量(mm)、為土層深度(cm)、為土壤容重(g cm–3)、為是土壤質(zhì)量含水率(%)。

作物水分利用效率為WUE=Y/ET, 式中, WUE為水分利用效率(kg hm–2mm–1)、Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg hm–2); ET為玉米全生育期內(nèi)總耗水量(mm)。

采用水量平衡法計算作物全生育期內(nèi)總耗水量,公式為P＋I＝ET＋D－ΔW＋R, 式中, P為玉米生育期降水量(mm)、I為生育期灌水量(mm)、ET為玉米全生育期內(nèi)總耗水量(mm)、D為地下水的補給量和滲漏量(mm)、ΔW為玉米播種期和收獲期土壤貯水量之差(mm)、R為地表徑流量(mm)。由于本試驗地地下水埋深較深(大于15 m), 地下水補給量和滲漏量(D)設(shè)為0 mm, 并且由于處理間有50 cm的田埂攔截, 故不考慮地表徑流(R), 作物耗水量的計算公式可簡寫為ET=P＋I＋ΔW。

收獲指數(shù)(%)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量×100; 氮肥農(nóng)學效率(kg kg–1)=(施氮處理產(chǎn)量–不施氮處理產(chǎn)量)/施氮量; 氮肥利用率(%)=(施肥處理區(qū)作物吸氮總量–不施氮處理作物吸氮總量)/所施肥料中氮素總量×100。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2003繪制圖表, 利用SPSS 22.0軟件進行方差分析, 并用LSD法進行多重比較(<0.05)。采用多元回歸分析方法對玉米籽粒產(chǎn)量與施氮量之間的關(guān)系進行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對耕層土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤容重及孔隙度 秸稈還田配施氮肥對玉米收獲期耕層(0～40 cm)土壤容重有顯著影響(圖1-A)。試驗處理前(2016年4月中旬), 土壤質(zhì)地比較黏重(0～40 cm土層平均土壤容重為1.56 g cm–3), 不同年份玉米收獲期各處理耕層平均土壤容重均隨秸稈還田年限和施氮量的增加而降低, 各處理土壤容重均由大到小依次為CK、N1、N2、N3。2016年, N2和N3處理的土壤容重較CK分別顯著降低2.7%和7.2%, 而N1處理與CK無顯著差異; 2017和2018年, N1、N2、N3處理平均土壤容重較CK分別顯著降低4.0%、6.4%和7.4%, 而N2、N3處理間無顯著差異?？梢? 在連續(xù)3年秸稈還田條件下各施氮處理0～40 cm層土壤容重較不施氮肥處理(CK)均大幅度降低, 其中以中量(N2)和高量(N3)氮肥處理降幅最為顯著。

秸稈還田條件下施氮肥各處理耕層(0～40 cm)土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反, 均隨秸稈還田年限和施氮量的增加而增加, 且中量與高量氮肥處理顯著高于不施氮肥處理(圖1-B)。各處理耕層土壤總孔隙度在41.6%～47.5%之間, 施氮肥各處理較試驗處理前(41.1%)提高6.9%～13.0%。2016年, N2和N3處理土壤總孔隙度較CK分別顯著提高3.8%和10.2%, 而N1處理與CK無顯著差異; 2017和2018年, N1、N2、N3處理平均土壤總孔隙度分別較CK顯著提高5.4%、8.6%和9.9%, 而N2、N3處理間無顯著差異。這說明施中高量氮肥可顯著改善秸稈還田后耕層土壤孔隙度, 增加土壤透氣性和貯水能力。

圖1 秸稈還田配施氮肥對0～40 cm層土壤容重和總孔隙度的影響

CK: 不施氮肥; N1: 施氮量150 kg hm–2; N2: 施氮量300 kg hm–2; N3: 施氮量450 kg hm–2。不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(< 0.05)。

CK: no pure nitrogen application; N1: pure nitrogen application rate at 150 kg hm–2; N2: pure nitrogen application rate at 300 kg hm–2; N3: pure nitrogen application rate at 450 kg hm–2. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.1.2 玉米生育期土壤水分 由圖2可知, 由于不同生育期降水量、灌水量及玉米耗水強度的不同, 2016、2017年各處理0～100 cm層土壤貯水量呈先降低后升高, 而2018年則呈升高—降低—升高的變化趨勢。玉米生育前期(拔節(jié)期)植株較小, 地面裸露面積大, 氮肥施用量與對照均存在一定差異。2016年, 各處理由于4月中旬施入秸稈后耕層土壤比較疏松, 土壤水分散失快, 施氮肥各處理土壤貯水量均高于對照, 但差異不顯著。2017年, 各處理土壤貯水量均隨施氮肥的增加而增加, 且N1、N2和N3處理土壤貯水量分別較CK顯著提高7.5%、10.9%和12.0%; 2018年, N1、N2處理分別較CK顯著提高7.2%、10.7%, 而N3處理與CK差異不顯著。

在生育中期(大喇叭口期—抽雄期), 作物耗水量增加, 各處理土壤貯水量降至最低。2016年, 隨氮肥施用量的增加, 各處理土壤貯水量升高, 其保墑效果逐漸增強。N2、N3處理玉米大喇叭口期土壤貯水量分別較CK顯著提高6.1%、8.5%, 抽雄期土壤貯水量分別顯著提高10.9%、9.0%, 而N1處理土壤貯水量均與對照差異不顯著。2017年大喇叭口期至抽雄期, 施用氮肥各處理土壤貯水量均顯著高于對照, N1、N2和N3處理平均分別較CK顯著提高13.2%、11.7%和6.9%。2018年, 施氮各處理土壤貯水量同2016、2017年變化基本一致, 在大喇叭口期土壤貯水量均隨施氮量的增加而升高(2016年), 而在抽雄期土壤貯水量隨施氮量的增加呈先升高后降低(2017年)。N1、N2和N3處理平均土壤貯水量分別較CK顯著提高8.1%、18.2%和16.1%。

玉米生育后期(灌漿期—收獲期)處于雨季, 各處理土壤貯水量有所提高。2016年灌漿期N2和N3處理土壤貯水量分別較CK顯著提高14.4%和11.4%,收獲期分別提高9.1%和7.2%, 而N1處理與CK差異不顯著。2017年, N1和N2處理土壤貯水量較高, 平均分別較CK顯著提高8.0%、5.4%, 而N3處理與CK差異不顯著。2018年, N1、N2和N3處理平均土壤貯水量分別較CK顯著提高11.5%、12.5%和10.5%。綜合3年研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在秸稈還田條件下不同氮肥用量, 與不施氮肥處理相比, 可有效保蓄玉米整個生育期土壤貯水量, 其中以N2處理效果最為顯著, N3處理次之, 平均分別較CK顯著提高10.9%和8.6%。

2.2 秸稈還田配施氮肥對耕層土壤化學性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤有機碳、氮含量 秸稈還田配施氮肥可增加耕層(0～40 cm)有機碳和全氮含量, 玉米收獲期各處理土壤有機碳和全氮含量均隨秸稈還田年限和施氮量的增加而增加(圖3)。2016年N1、N2和N3處理土壤有機碳含量分別較CK顯著增加6.1%、12.9%和7.4%。2017和2018年土壤有機碳含量隨施氮量的增加而增加, N1、N2和N3處理2年平均土壤有機碳含量分別較CK顯著增加12.3%、22.8%和25.7%, 而N2與N3處理間無顯著差異。3年研究期間, 秸稈還田條件下耕層土壤全氮含量均隨施氮量的增加而增加, 以N3處理最高, 施氮各處理均顯著高于CK處理, 但N2與N3處理間差異不顯著。N1、N2和N3處理平均土壤全氮含量分別較CK顯著提高21.2%、34.1%和39.0%。秸稈還田配施氮肥可調(diào)節(jié)耕層土壤碳氮比, 各處理土壤碳氮比在8.27～10.34之間(圖3)。3年土壤碳氮比均隨施氮量的增加而降低, 各施氮量處理均顯著低于對照。N1、N2和N3處理2016年較CK分別降低10.6%、14.3%和20.0%, 2017年分別降低10.4%、13.1%和16.3%, 2017年分別降低6.1%、5.4%和5.9%。

圖2 秸稈還田配施氮肥對玉米生育期土壤貯水量的影響

處理同圖1。不同小寫字母表示同一生育期處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among the treatments in the same growing stage.

圖3 秸稈還田配施氮肥對0～40 cm層土壤有機碳、氮含量的影響

處理同圖1。不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.2.2 土壤速效養(yǎng)分含量 如圖4所示, 不同秸稈還田年限下玉米收獲期各處理0～40 cm層土壤速效養(yǎng)分含量2018年均高于2016年和2017年。施氮肥可顯著增加0～40 cm層土壤堿解氮含量, 2016和2018年均以N2處理最高, 而2017年以N3處理最高, N1、N2和N3處理3年平均分別較CK顯著增加11.8%、18.8%和17.0%。2016年各處理土壤有效磷含量以N1處理最高, 其次為N2和N3處理, 分別較CK顯著增加24.8%、20.6%和12.1%; 2017年和2018年各處理土壤有效磷含量均隨施氮量的增加而增加, 以N3處理增幅最大, N2處理次之, 2年平均分別較CK顯著提高18.2%和22.7%, 但N1處理與CK差異不顯著。2016年施氮肥各處理對土壤速效鉀含量提升均有顯著效果, N1、N2和N3處理分別較CK顯著提高17.1%、26.2%和17.1%。2017年N1處理分別較CK顯著提高16.4%, 而N2、N3處理與CK差異不顯著。2018年N1、N2處理分別較CK顯著提高16.2%和23.6%, 而N3處理與CK差異不顯著?？梢? 秸稈還田配施氮肥能有效增加土壤有機碳、氮和速效養(yǎng)分含量, 調(diào)控土壤碳氮比, 對提高土壤保肥供肥能力效果顯著, 以N2和N3處理土壤培肥效果較佳。

圖4 秸稈還田配施氮肥對0～40 cm層土壤速效養(yǎng)分含量的影響

處理同圖1。不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.3 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量與水氮利用效率的影響

2.3.1 玉米產(chǎn)量性狀 如表2所示, 秸稈還田條件下施氮肥對玉米產(chǎn)量性狀產(chǎn)生一定的影響。2016年, N2、N3較CK處理的穗粒數(shù)分別顯著提高13.4%和8.4%, 而N1較CK處理對增加穗粒數(shù)效果不顯著;與CK相比, 百粒重以N1、N2處理較高, 分別顯著提高2.5%、2.8%。2017年, 各處理對促進穗粒數(shù)增加以N2處理最為顯著, 較CK顯著增加45.8%, N1和N3處理次之, 較CK分別顯著增加28.2%、27.3%; 氮肥不同施用量對提高百粒重效果以N2處理最為顯著, 較CK提高5.0%。2018年, 與CK相比, N1、N2和N3處理的穗粒數(shù)分別顯著增加9.4%、8.4%和11.4%; 百粒重以N2處理最優(yōu), 較CK顯著提高24.8%。

連續(xù)3年秸稈還田條件下玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)均隨氮肥施用量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(表2)。2016年, 與CK相比, N2、N3處理玉米籽粒產(chǎn)量分別顯著提高32.1%和23.7%, 生物產(chǎn)量分別顯著提高13.4%和12.9%, 收獲指數(shù)別顯著提高16.5%和9.8%, 而N1與CK處理間均無顯著差異。2017年, 玉米籽粒產(chǎn)量以N2處理最高, 較CK顯著增產(chǎn)21.5%, N1和N3處理次之, 較CK處理分別顯著增產(chǎn)17.5%和10.2%; 生物產(chǎn)量以N1處理最高, 較CK顯著提高17.0%, N2處理次之, 較CK處理顯著提高10.1%, 而N3與CK處理間無顯著差異; 收獲指數(shù)N2處理分別較CK顯著提高10.2%, 而N1和N3處理與CK無顯著差異。2018年, 各處理間玉米籽粒產(chǎn)量差異顯著, N1、N2和N3處理分別較CK顯著增產(chǎn)36.6%、63.7%和23.2%; 生物產(chǎn)量N2處理較CK顯著提高39.5%, N1和N3處理次之, 較CK分別顯著提高26.3%和9.2%; 收獲指數(shù)N1、N2和N3處理分別較CK顯著提高15.9%、17.4%和13.0%。

表2 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量性狀的影響

處理同圖1。同一年份同列不同小寫字母表示差異顯著< 0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year and the same column indicate significant differences at＜0.05.

2.3.2 秸稈還田條件下玉米籽粒產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系探討 通過對3年玉米籽粒產(chǎn)量與氮肥施用量進行曲線擬合發(fā)現(xiàn), 氮肥不同施用量對玉米籽粒產(chǎn)量的影響均呈二次函數(shù), 且施適量氮肥有助于還田后玉米增產(chǎn), 但是, 當?shù)适┯昧砍^一定量后反而會造成玉米籽粒產(chǎn)量下降(圖5)。3年氮肥施用量()與玉米籽粒產(chǎn)量()的回歸方程為:= –0.0492+ 27.946+11,418 (2=0.6521), 當’=0 (函數(shù)求導)時,=285.2 kg hm–2可獲得最高玉米籽粒產(chǎn)量15,402.6 kg hm–2?？梢? 當?shù)适┯昧繛?85.2 kg hm–2可使玉米籽粒產(chǎn)量達到最高, 如繼續(xù)加大氮肥配施量會抑制玉米籽粒產(chǎn)量的增加。結(jié)合3年秸稈還田配施氮肥實際用量可知, 建議氮肥施用量為250～300 kg hm–2時可實現(xiàn)玉米增產(chǎn)效果最優(yōu)。

圖5 秸稈還田條件下氮肥施用量與玉米籽粒產(chǎn)量的擬合曲線

2.3.3 玉米水氮利用效率 2016年灌水量(畦灌方式, 4500 m3hm–2)略高于2017年和2018年(滴灌方式, 4275 m3hm–2和4200 m3hm–2), 然而2017年和2018年玉米生育期降水量(297.2 mm、274.4 mm)是2016年(146.4 mm) 2倍左右, 2017年和2018年作物耗水量明顯高于2016年, 而3年玉米籽粒產(chǎn)量各處理年際間差異不明顯, 因而2016年玉米水分利用效率明顯高于2017年和2018年 (表3)。2016年施氮肥各處理下作物耗水量較對照增加, 其中N2和N3處理分別較CK顯著增加3.9%和3.4%, 而N1處理與CK差異不顯著; 2017年各處理間作物耗水量無顯著差異; 2018年各處理下作物耗水量隨施氮量的增加呈先增加后降低, N1處理較CK顯著提高5.8%, 而N3處理較CK顯著降低7.6%。2016年N2處理水分利用效率較CK顯著提高27.5%, N3處理較CK顯著提高19.8%, 而N1處理與CK差異不顯著; 2017年N1、N2和N3處理水分利用效率分別較CK顯著提高19.0%、22.1%和11.7%。2018年, 各施氮處理水分利用效率均顯著高于CK, N1、N2和N3處理分別較CK提高29.3%、64.6%和33.3%。

隨施氮量的增加, 各處理的氮肥農(nóng)學效率2016年和2017年呈先增加后降低, 而2018年呈下降趨勢。2016年N2處理氮肥農(nóng)學效率最高, 均顯著高于N1和N3處理; 2017年N2處理氮肥農(nóng)學效率最高, 均顯著高于N1和N3處理; 2018年N1處理氮肥農(nóng)學效率最高, N2處理次之, 均顯著高于N3處理。秸稈還田條件下各處理的氮肥利用率隨施氮量的增加而降低。2016年和2017年N1和 N2處理氮肥利用率均顯著高于N3處理, 而N1、N2處理間差異不顯著; 2018年各處理氮肥利用率高低次序依次為N1、N2、N3, 且處理間差異顯著, 分析其原因可能由于秸稈還田后, 高氮肥處理現(xiàn)出抑制作物秸稈中氮的積累, 降低氮素在作物莖和葉中的累積和分配, 促進氮素向玉米籽粒轉(zhuǎn)移。綜合3年秸稈還田試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 施低量和中量氮肥對提高玉米氮肥農(nóng)學效率和氮肥利用率效果顯著。

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對土壤物理性狀的影響

秸稈還田配施氮肥可降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 調(diào)節(jié)土壤三相比, 是改善耕層土壤物理性狀的有效措施[16-18]。房煥等[19]研究報道, 稻麥輪作區(qū)在實施全量秸稈還田條件下施氮磷鉀肥能夠降低水稻土的土壤容重, 提高土壤總孔隙度。龐黨偉等[20]研究結(jié)果表明, 秸稈還田條件下氮肥通過影響秸稈腐解對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響, 總體上表現(xiàn)為增施氮肥有增加孔隙度的趨勢。本研究結(jié)果表明, 秸稈還田配施氮肥不同用量均能有效降低耕層(0～40 cm)土壤容重, 增加土壤總孔隙度, 且氮肥施用量越高, 其改善效果越明顯, 這與龐黨偉等[20]的研究結(jié)果一致。分析其原因, 首先秸稈深翻還田能有效打破犁底層, 會增加地下根系和土壤生物的活動, 促進孔隙的形成, 改善了土壤孔隙度的空間分布, 降低耕層土壤容重[21]; 其次, 在添加外源氮肥作用下可促進秸稈腐解, 向土壤提供大量分解物與土壤顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu), 從而使土壤容重降低, 總孔隙度增加[20,22]。

表3 秸稈還田配施氮肥對玉米水氮利用效率的影響

處理同圖1。同一年份同列不同小寫字母表示差異顯著< 0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year and the same column indicate significant differences at< 0.05.

秸稈還田結(jié)合施肥既有培肥改土的作用[23], 又有增強土壤蓄水保墑的能力[24], 且作物不同生育時期的土壤蓄水效果與秸稈還田量、氮素水平有密切關(guān)系[25]。王金金等[26]研究表明, 秸稈還田配施適量氮肥有利于作物充分吸收利用土壤水分。本研究結(jié)果表明, 秸稈全量還田配施氮肥對玉米生育中后期的土壤保水效果明顯高于生育初期。這是由于秸稈還田后對土壤水分的影響具有雙重性: 初期秸稈腐解過程消耗大量水分, 產(chǎn)生與作物爭奪水分的現(xiàn)象; 中后期腐解過程結(jié)束后, 施氮肥改善土壤的物理性狀, 增強土壤的保蓄水分能力[27]。有研究認為, 秸稈還田條件下土壤貯水量隨施氮量的增加呈先增后減,在施氮262.5 kg hm–2時達到最高, 而施氮量達350 kg hm–2時出現(xiàn)明顯下降[28]。本研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田配施氮肥可有效保蓄玉米生育期土壤貯水量, 且中低氮肥(N1、N2)處理高于高氮肥處理(N3)。究其原因, 其一秸稈還田條件下土壤無效蒸發(fā)減少, 水分條件得到改善, 同時對氮肥的投入需適當減少[27], 既能調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況、也影響秸稈的分解礦化速率, 具有明顯的保墑效應(yīng)。其二, 玉米生育期高氮肥處理植株長勢較好, 植株蒸騰耗水大導致土壤貯水量降低[7]。

3.2 秸稈還田配施氮肥對土壤化學性質(zhì)的影響

在秸稈還田條件下施氮肥可有效提高土壤有機碳含量, 平衡土壤養(yǎng)分, 且秸稈還田配施適量氮肥可有效調(diào)節(jié)土壤碳氮比, 加速土壤微生物分解秸稈并釋放營養(yǎng)元素補充到土壤中, 有效提升土壤有機碳和全氮含量[29]。張愉飛等[30]研究認為, 秸稈還田配施氮肥可增加土壤有機碳和土壤全氮含量, 施氮量為225 kg hm–2時土壤有機碳和土壤全氮含量最高。王學敏等[31]研究結(jié)果表明, 在秸稈還田條件下氮肥減量施用處理當年就顯著提高土壤有機碳含量, 不同程度提高全氮含量。在本研究中, 秸稈還田配施氮肥能提高耕層(0～40 cm)土壤有機碳、全氮含量, 其中以施300和450 kg hm–2氮肥處理表現(xiàn)最佳。究其原因: 秸稈還田具有較強的持水能力, 有助于秸稈腐解, 在微生物和酶的作用下使土壤有機質(zhì)含量增加, 同時施入無機氮, 會改善土壤氮素的供給水平, 使土壤碳氮比降低, 更有利于促進微生物的增殖及分解更多的有機質(zhì), 進而增加土壤有機質(zhì)中碳的分解與釋放及土壤全氮的含量[5]。

秸稈還田能直接改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)情況, 且土壤速效N、P、K含量隨氮肥施用量的增加呈顯著上升[32]。本團隊成員[6,14]研究表明, 施用不同氮肥用量在秸稈還田第1年和第2年均顯著改善土壤物理性狀, 提高土壤速效養(yǎng)分含量。本研究中, 在秸稈還田條件下施氮肥可有效增加0～40 cm層土壤速效養(yǎng)分含量, 以氮肥施用量300 kg hm–2對提升土壤速效養(yǎng)分效果最佳, 分析其原因: 一方面由于秸稈還田使土壤中有機物質(zhì)增加, 直接或間接地刺激了微生物的活動, 加速有機質(zhì)分解為土壤有效養(yǎng)分, 秸稈還田后施入氮肥可降低土壤中速效養(yǎng)分淋溶[33], 促進土壤中可溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化, 增強土壤中養(yǎng)分的可利用性, 提升土壤中速效養(yǎng)分的含量[13]。另一方面, 土壤碳氮比偏高或偏低均會抑制土壤微生物的繁殖及土壤酶活性, 進而抑制秸稈腐解及養(yǎng)分釋放對土壤養(yǎng)分的補充[23], 而300 kg hm–2氮肥施用量處理下土壤碳氮比較其他處理最接近土壤微生物活動的最適宜碳氮比(25∶1), 而適宜的土壤碳氮比最利于秸稈腐解, 以補充土壤的養(yǎng)分含量[34]。

3.3 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量的影響

秸稈還田條件下, 施用氮肥促進玉米籽粒產(chǎn)量增加是主要通過改善耕層土壤理化性質(zhì), 增加單位面積玉米穗粒數(shù)和百粒重, 進而達到籽粒產(chǎn)量增加[20]。而白偉等[17]研究認為, 秸稈還田條件下氮肥處理春玉米增產(chǎn)的主要原因是百粒重和行粒數(shù)的顯著提高。本研究結(jié)果表明, 秸稈還田條件下施氮肥300 kg hm–2對提高玉米百粒重和穗粒數(shù)效果最佳, 但施氮肥450 kg hm–2處理對提高玉米百粒重和穗粒數(shù)的效果較差, 究其原因: 第一, 過量施氮會導致群體過大, 不利于穗部發(fā)育, 從而導致穗粒數(shù)減少, 粒重下降, 影響最終籽粒產(chǎn)量[26]; 其二, 氮肥過量產(chǎn)生高氮脅迫, 對玉米生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用, 導致作物貪青晚熟, 使玉米有效穗數(shù)及籽粒充實度降低[35-36]。前人研究[5,26]指出, 施氮量和作物籽粒產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系, 在一定閾值范圍內(nèi), 施氮能增加產(chǎn)量; 當施氮量超過臨界值, 產(chǎn)量有所下降。白偉等[17]研究報道, 秸稈還田條件下, 隨著施氮量的增加玉米籽粒產(chǎn)量也在增加, 但增加到一定程度后, 產(chǎn)量不再增加。本研究也表明, 在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施氮肥對玉米籽粒產(chǎn)量的影響呈二次函數(shù),隨著施氮量的增加, 玉米籽粒產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢, 說明秸稈還田配施適量氮肥可以實現(xiàn)玉米增產(chǎn), 若繼續(xù)加大氮肥配施量會抑制玉米籽粒產(chǎn)量的增加, 分析其原因可能是氮利用存在拐點或者閾值, 故施氮量達到一定水平后, 玉米籽粒產(chǎn)量會表現(xiàn)為下降[37]。

3.4 秸稈還田配施氮肥對玉米水氮利用效率的影響

張亮等[9]研究認為, 在秸稈全量還田條件下施適量氮肥可顯著提高關(guān)中平原冬小麥水分利用效率。李榮等[14]在寧夏揚黃灌區(qū)通過秸稈還田配施氮肥研究發(fā)現(xiàn), 以秸稈全量還田(9000 kg hm–2)配施純氮300 kg hm–2對提高玉米水分利用率效果最佳。勉有明等[34]研究也認為, 秸稈還田條件下適量氮肥可顯著提高寧夏揚黃灌區(qū)玉米水分生產(chǎn)率。本研究結(jié)果表明, 在秸稈粉碎全量還田(9000 kg hm–2)條件下施中量氮肥(300 kg hm–2)能顯著提高玉米水分利用效率, 且高于低氮肥處理和高氮肥處理。這是因為連續(xù)秸稈還田能增加土壤孔隙度, 增強對作物生育中后期土壤水分的保蓄能力, 進而對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素產(chǎn)生促進作用[6], 且適量氮肥(300 kg hm–2)可調(diào)控土壤的碳氮比, 從而加速秸稈腐解及養(yǎng)分釋放, 為玉米生長提供充足的養(yǎng)分供應(yīng), 最終促進玉米水分利用效率顯著增加[14]。

有研究結(jié)果表明, 秸稈還田條件下施氮肥可提高氮肥農(nóng)學利用效率、氮肥利用率, 配施氮量為180 kg hm–2時, 氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥利用率最高[30]。白偉等[14]通過秸稈配施氮肥還田試驗研究表明, 氮肥農(nóng)學效率隨施氮量增加而逐漸降低。本研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田條件下, 2016年和2017年氮肥農(nóng)學效率隨氮肥施用量增加呈先增加后降低的變化趨勢, 但2018年氮肥農(nóng)學效率隨氮肥施用量增加而逐漸降低, 這可能受當年施用肥料類型、土壤肥力、氣候條件等多種因素的影響有關(guān)[30]。秸稈還田條件下氮肥利用率隨施氮量的增加而降低, 這與顧熾明等[38]和陳金等[39]研究結(jié)果一致。究其原因, 一方面秸稈還田能促進土壤中有機氮的礦化, 加速土壤氮循環(huán), 增大土壤通透性從而促進硝化作用, 提高氮肥的利用率[31], 其二, 秸稈還田條件下施氮肥可激發(fā)土壤氮素的礦化, 增加土壤堿解氮含量, 提高土壤氮庫的累積和活性成分含量, 改善土壤的供氮能力, 這有利于玉米對氮素的吸收利用[40]。

4 結(jié)論

在寧夏揚黃灌區(qū)秸稈還田條件下, 施純氮300 kg hm–2和450 kg hm–2處理對降低灰鈣土0～40 cm層土壤容重, 顯著改善土壤孔隙度效果較為顯著。施氮肥可保蓄玉米生育期土壤貯水量, 其中以施用純氮300 kg hm–2處理效果較優(yōu)。施純氮450 kg hm–2處理對提高土壤有機碳及全氮含量效果較好, 而施純氮300 kg hm–2處理的土壤速效養(yǎng)分效果較佳。施氮肥可影響玉米產(chǎn)量性狀, 顯著提高籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù), 以施純氮300 kg hm–2處理效果較好。對3年玉米籽粒產(chǎn)量與施氮量進行擬合發(fā)現(xiàn), 施氮量為285.2 kg hm–2時可實現(xiàn)玉米籽粒產(chǎn)量最高。玉米水分利用效率和氮肥農(nóng)學效率均隨施氮量的增加呈先增加后降低, 但氮肥利用率隨施氮量的增加而降低, 以施純氮300 kg hm–2效果較優(yōu)。因此, 從農(nóng)業(yè)氮肥用量減施、玉米豐產(chǎn)和水氮高效利用角度考慮, 施純氮量250～300 kg hm–2可改善寧夏揚黃灌區(qū)灰鈣土理化性狀, 顯著提高玉米產(chǎn)量和水氮利用效率, 建議在秸稈還田過程中配合應(yīng)用。

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Effects of straw returning with nitrogen application on soil properties, water and nitrogen use efficiency of maize

LI Rong1, MIAN You-Ming2, HOU Xian-Qing1,*, LI Pei-Fu1, and WANG Xi-Na1

1School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China;2Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Guyuan 756000, Ningxia, China

The purpose of this study is to investigate the effects of straw returning with different nitrogen application rates on soil physicochemical properties, maize yield, and water and nitrogen use efficiency in Yanghuang irrigation area of Ningxia. A field experiment was conducted for three consecutive years, and three pure nitrogen application levels under the return of total maize straw [150 kg hm–2(N1), 300 kg hm–2(N2), and 450 kg hm–2(N3)] were set up in a three-year filed experiment with no nitrogen application as control (CK). The effects of straw returning with nitrogen application on soil bulk density, water, nutrients of sierozem, maize yield, and water and nitrogen use efficiency were studied. The results showed that the straw returning with N application could improve soil bulk density and the total porosity in tilth (0–40 cm). N2 and N3 treatments had the best effect. Compared with CK, the mean soil bulk densities with N2 and N3 were significantly decreased by 5.1% and 7.3%, and the mean soil total porosities with N2 and N3 were significantly increased by 7.0% and 10.0%, respectively. Straw returning with nitrogenapplication could increase soil organic carbon and total nitrogen contents in tilth, the ratio of carbon to nitrogen was decreased with the increase of nitrogen application rate under the straw returning, and the N2 and N3 treatments were the better. Compared with CK, the enhancement of soil available nutrients under N2 was the highest, and the contents of soil alkeline-N, available P, and available K with N2 were significantly increased by 18.8%, 19.0%, and 17.2%, respectively. Nitrogen application under straw returning could improve maize yield components and significantly increase grain yield, biomass yield, and harvest index. N2 treatment had the best effect with an average increase of 38.0% compared with CK. By function fitting with the three-year maize grain yields and nitrogen application rates, the highest grain maize yield was achieved under nitrogen application rate of 285.2 kg hm–2. Compared with CK, N2 treatment had the best effect on maize water use efficiency (38.1%). The improvement of nitrogen agronomic efficiency (12.2–12.4 kg kg–1) and nitrogen use efficiency (34.5%–39.2%) of N1 and N2 treatments were higher among all the treatments. Therefore, considering the viewpoint of nitrogen fertilizer rate reduction, yield increasing of maize, and efficient utilization of water and nitrogen, the pure nitrogen application rate at 250–300 kg hm–2can effectively improve soil physicochemical properties of sierozem in Yanghuang irrigation area of Ningxia, increased soil water conservation ability, thus significantly increasing maize yield, water and nitrogen use efficiency. Therefore, it was recommended to apply it in maize straw returning process.

nitrogen application; straw returning; soil physicochemical properties; water and nitrogen use efficiency; maize yield

10.3724/SP.J.1006.2023.23065

本研究由寧夏自然科學基金項目(2022AAC03061, 2021AAC03003), 國家自然科學基金項目(32160515, 31860362)和國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B05-03)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Ningxia (2022AAC03061, 2021AAC03003), the National Natural Science Foundation of China (32160515, 31860362), and the National Key Technology Support Program of China (2015BAD22B05-03).

侯賢清, E-mail:houxianqing1981@126.com

E-mail: lironge_mail@126.com

2022-09-29;

2023-02-10;

2023-02-23.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail//11.1809.S.20230223.1053.007.html

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