陶 夢,蘇德榮,呂世海,王鐵梅,陳俊翰

(1.北京林業(yè)大學草地資源與生態(tài)研究中心,北京 100083; 2.中國環(huán)境科學研究院生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012;3.億利資源集團有限公司,北京 100031)

庫布齊沙地位于鄂爾多斯高原脊線的北部, 其西、北部緊鄰黃河,地下水位高,水熱條件較好,適宜適沙型經(jīng)濟植物生長,是我國最具代表性的干旱、半干旱地區(qū)之一。近幾十年來,隨著防沙治沙工作的深入,庫布齊沙地植被生態(tài)恢復取得了長足進展,沙區(qū)的治理正在從沙漠化防治、沙區(qū)生態(tài)環(huán)境改善向沙漠化地區(qū)資源高效利用發(fā)展[1]。柳枝稷(Panicumvirgatum)是原產(chǎn)于美國的一種多年生暖季型C4草本,具有植株高大、根系發(fā)達、生長迅速、產(chǎn)量高、耐貧瘠、抗逆性強、適應(yīng)性廣等特點[2],在水土保持、防沙治沙、鹽堿地治理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。將暖季型的柳枝稷引種到庫布齊沙地,不僅可以豐富庫布齊沙地的生物多樣性,改善土壤生態(tài)功能達到治理荒漠化的目的[4-5],同時可以作為一種飼草原料和草本生物質(zhì)能源植物,實現(xiàn)防沙治沙與經(jīng)濟效益的結(jié)合。

庫布齊沙地雖然水熱條件良好,但沙區(qū)土壤為風沙土,其特點是土壤貧瘠,有機質(zhì)含量低,尤其是氮肥缺乏。氮素是植物生長發(fā)育需求量最大的營養(yǎng)元素,由于土壤中溶解的無機氮濃度一般較低[6],不能滿足植物生長發(fā)育的需要,因此在農(nóng)業(yè)中通過施用氮肥以獲得植物穩(wěn)定高產(chǎn)的現(xiàn)象普遍存在。然而,在大田生產(chǎn)中,過量施用氮肥往往不能使柳枝稷產(chǎn)量線性增加,甚至會降低柳枝稷的氮肥利用效率。Lemus等[7]在美國弗吉尼亞州的研究表明,施氮量從90 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2,柳枝稷的氮肥利用率下降了83.3%。Owens等[8]研究發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加,柳枝稷的產(chǎn)量逐漸增加,但其氮肥利用率降低。Obour等[9]研究發(fā)現(xiàn),柳枝稷的產(chǎn)量與施氮量之間存在二次函數(shù)關(guān)系,施氮量為151 kg·hm-2時其產(chǎn)量最高。

同時,如果氮肥施用量超過植物對氮素的需求量,就會造成硝態(tài)氮在土壤中的大量累積[10-12]。硝態(tài)氮是土壤淋洗損失的主要形式,硝態(tài)氮的累積會引發(fā)土壤酸化,通過淋溶損失、徑流損失和干濕沉降對水體造成污染,增加N2O等溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題[13-16],對生態(tài)環(huán)境造成危害。因此,應(yīng)在保證植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提下,提高氮肥利用效率、減少氮肥損失,并且最大限度地降低由于硝態(tài)氮累積對環(huán)境造成的負面效應(yīng)。本研究將柳枝稷引入庫布齊沙地,研究硫酸銨和尿素兩種氮肥的不同施用量對于柳枝稷產(chǎn)量、氮肥吸收利用的影響,以期為在庫布齊沙地開發(fā)種植柳枝稷提供試驗依據(jù),實現(xiàn)引種與治沙的有效結(jié)合。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)(108°42′ E,40°36′ N,海拔約1 016 m)。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱季風氣候,年均溫6.3 ℃;全年無霜期135 d;年平均降水量186.0 mm。

田間試驗于2016年4月在億利資源集團沙漠研究院精品種植園實驗基地進行,試驗地種植多年甘草(Glycyrrhizauralensis)和歐李(Cerasushumilis),土壤為風沙土,0-20 cm土層土壤pH 8.87,電導率153.6 μS·cm-1,有機質(zhì)含量5.05 g·kg-1,全氮含量0.14 g·kg-1,全磷含量0.42 g·kg-1,全鉀含量5.14 g·kg-1,速效磷含量38.05 mg·kg-1,速效鉀含量464.14 mg·kg-1。2016年4-9月試驗期間,降水量為187.4 mm。

1.2 試驗方法

試驗所用的柳枝稷品種為BL-1,于2016年4月28日播種,條播,播種量為6.5 kg·hm-2,行距50 cm,2016年9月26日(初花期)收獲。小區(qū)面積為3 m×5 m,采用隨機區(qū)組設(shè)計,3次重復。供試氮肥為尿素(含氮量約46%)和硫酸銨(含氮量約21%),各設(shè)置4個施氮水平,施氮素量分別為0(CK)、75、150、225 kg·hm-2,于苗期(6月3日)、分蘗期(6月25日)、拔節(jié)期(7月17日)分3次獨立施入各小區(qū),各小區(qū)在3個時期的施肥量分別為對應(yīng)小區(qū)施氮量的1/5、2/5和2/5。全生育期適當灌溉,保證水分供應(yīng)充足。

1.3 樣品采集與測定

1)鮮干比:于柳枝稷初花期在每小區(qū)選取50 cm×50 cm樣方,留茬高度5 cm,帶回實驗室稱量鮮重。隨后在105 ℃的烘箱中殺青20 min后置于70 ℃,恒溫下烘48 h,冷卻后取出稱量干重,計算鮮干比,鮮干比=鮮重/干重。

2)產(chǎn)量:在初花期將柳枝稷按小區(qū)全部刈割,稱量各小區(qū)柳枝稷鮮重。再根據(jù)柳枝稷的鮮干比以及小區(qū)面積換算出柳枝稷單位面積的干物質(zhì)產(chǎn)量。

3)植株含氮量:樣品烘干后粉碎過1 mm篩,采用半微量凱氏定氮法,利用FOSS 2300凱氏定氮儀測定植物樣品中的全氮含量[17]。

4)土壤硝態(tài)氮含量:在柳枝稷初花期收獲后,用土鉆分別在各小區(qū)采集柳枝稷根際土壤樣品。取樣時每小區(qū)在對角線與中間位置取3個點,按取樣層次等層混合,取樣深度為40 cm,每10 cm為一層,用紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮含量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植株吸氮量=單位面積地上部分植株生物量×地上部分植株含氮量

圖6為500 kV交流雙回路輸電線路塔-線耦全體系模型中的導、地線絕緣子，絕緣子與桿塔掛點之間的連接關(guān)系,圖中分別標明了懸垂絕緣子、導線和地線等.

氮肥利用率=(施氮處理地上部吸氮量-對照地上部吸氮量)/施氮量×100%；

土壤氮貢獻率=對照植株地上植株吸氮量/施肥區(qū)地上植株吸氮量×100%；

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮小區(qū)柳枝稷產(chǎn)量/小區(qū)施氮量；

土壤硝態(tài)氮殘留量(kg·hm-2)=土層厚度×每公頃面積×土壤容重×土壤硝態(tài)氮含量/106；經(jīng)過實測，0-30 cm土層土壤容重為1.521 g·cm-3，30-40 cm土層土壤容重為1.531 g·cm-3。

土壤硝態(tài)氮積累量為0-40 cm土壤各個土層的硝態(tài)氮殘留量之和。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行錄入和整理,并繪制圖表。利用SPSS 19.0進行顯著性檢驗及相關(guān)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥處理對柳枝稷產(chǎn)量的影響

硫酸銨和尿素的施用對于柳枝稷的產(chǎn)量影響不同(表1)。施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為225 kg·hm-2時最大,為23.55 t·hm-2,與對照(施氮量為0)相比增產(chǎn)44.39%(P<0.05)。施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時達到最高,為21.33 t·hm-2,與對照相比增產(chǎn)30.78%(P<0.05)。當施氮量增加到225 kg·hm-2時,柳枝稷產(chǎn)量減少到20.42 t·hm-2,與施氮量為150 kg·hm-2時相比,減產(chǎn)了4.27%。兩種施氮量為150 kg·hm-2時與對照相比差異顯著(P<0.05),而施氮量為75 kg·hm-2時與對照相比無顯著差異(P>0.05),說明當施氮量達到150 kg·hm-2時可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量。兩種施氮量為225 kg·hm-2時與施氮量為150 kg·hm-2時相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,但差異均不顯著(P>0.05)。

表1 不同氮肥處理下柳枝稷產(chǎn)量及氮肥利用率Table 1 Effect of different nitrogen fertilization treatments on the yield and NUE of switchgrass

同一施肥種類同列不同小寫字母表示不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same column of the same nitrogen fertilizer indicate significant differences among different nitrogen application rate at the 0.05 level.

圖1 施氮量與柳枝稷產(chǎn)量關(guān)系Fig. 1 Correlation of nitrogen application rate with switchgrass yield

2.2 不同氮肥處理對柳枝稷吸氮量及氮肥利用率的影響

施用硫酸銨和尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率、土壤氮貢獻率、氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(表1)。施用硫酸銨處理的吸氮量在施氮量為0(對照)時最小,為136.95 kg·hm-2,且隨著施氮量的增加而增加；在施氮量為150 kg·hm-2時與對照相比顯著增加(P<0.05),說明施用氮肥能夠有效促進柳枝稷對于氮肥的吸收利用；在施氮量為225 kg·hm-2時達到最大,與對照相比,吸氮量增加了71.96%(P<0.05)。氮肥利用率隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為75 kg·hm-2時只有33.44%,當施氮量增加到225 kg·hm-2時氮肥利用率增加到了43.80%。硫酸銨高施氮量與低施氮量相比,柳枝稷的吸氮量、氮肥利用率高,而土壤氮貢獻率低,說明硫酸銨施氮量的增加既有利于促進柳枝稷對氮肥的吸收利用,又有利于降低柳枝稷對土壤氮素的依賴。施用尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時,其吸氮量和氮肥利用率最高,分別為193.15 kg·hm-2和37.47%;土壤氮貢獻率先減少后增加,在施氮量為150 kg·hm-2時最低,為70.97%,說明在施氮量為150 kg·hm-2時柳枝稷對氮肥的吸收利用效果最好,對土壤氮素的依賴最小。施用硫酸銨和尿素的氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加顯著降低(P<0.05),施氮量從75到225 kg·hm-2時,施用硫酸銨的氮肥偏生產(chǎn)力從248.78下降至104.66 kg·kg-1,降低了137.70%;施用尿素的氮肥偏生產(chǎn)力從241.05下降至90.75 kg·kg-1,降低了165.62%。綜上說明,施氮量越高,每千克硫酸銨和尿素的施用對于柳枝稷的增產(chǎn)作用越低。

2.3 不同氮肥處理對0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布與積累的影響

施用氮肥可以顯著提高0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量(P<0.05),且隨著施氮量的增加,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量逐漸增加。在各施氮量處理下,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(圖2、圖3)。在不同施肥處理間,土壤硝態(tài)氮含量變動在5.71～35.56 mg·kg-1,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的殘留量變動在8.75～54.09 kg·hm-2。土壤硝態(tài)氮集中分布在0-30 cm土層,且以10-20 cm土層含量最高。

柳枝稷收獲后,土壤剖面的硝態(tài)氮積累量在施肥試驗后,較試驗前發(fā)生了變化,并且隨著施氮量的增大而增大(圖4)。施用尿素的小區(qū)在施氮量為225 kg·hm-2時顯著增加(P<0.05),說明在施用尿素的條件下,施氮量為225 kg·hm-2時會大大增加0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的積累,從而增加硝態(tài)氮向下淋溶的風險。

土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量與施氮量之間呈正相關(guān)關(guān)系,可以用線性模型來描述。施用硫酸銨的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.425x+43.957(R2=0.648 8，P<0.01),施用尿素的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.378 2x+47.475(R2=0.759 1，P<0.01),土壤硝態(tài)氮積累量均隨著施氮量的增加而增加，且在施氮量增長相同幅度時,土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量在施用硫酸銨時大于尿素,說明硫酸銨的施用相較于尿素對于增加土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累的促進作用更顯著(P<0.05)(圖5)。

圖2 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0-40 cm soil layer under different fertilization treatments

圖3 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留Fig. 3 Soil residual nitrate-N content in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments

不同小寫字母表示同一土層不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示同一施氮量下不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference among different nitrogen application rates at the 0.05 level; different capital letters indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level.

3 討論

3.1 氮肥對柳枝稷產(chǎn)量的影響

氮素是影響柳枝稷產(chǎn)量最重要的營養(yǎng)元素之一,人為施加氮肥以滿足植物生長對氮素的需求是維持植物高產(chǎn)的重要措施。大量的研究表明,在一定的施氮范圍內(nèi),植物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高,但超過施氮量閾值后,增施氮肥不僅不能提高產(chǎn)量,甚至會限制植物對氮肥的吸收利用,降低產(chǎn)量[19-22]。這與本研究結(jié)果一致。本研究中,施用尿素的試驗小區(qū)在施氮量低于150 kg·hm-2時隨著施氮量的增加而增加,施氮量增加到225 kg·hm-2時，與150 kg·hm-2時相比，柳枝稷產(chǎn)量降低了4.27%、柳枝稷吸氮量減少了11.03%、氮肥利用率降低了58.63%,說明尿素的施氮量超過150 kg·hm-2時不利于柳枝稷增產(chǎn),同時使柳枝稷對氮肥的吸收利用能力降低,這可能與根際土壤特性的變化有關(guān)。馬曉霞等[23]的研究表明,施肥可以增加土壤可利用的氮素,從而增強土壤中脲酶、過氧化氫酶的活性,促進根系對養(yǎng)分的吸收。然而,施用氮肥過量時,一方面會影響根系生長發(fā)育,降低根系對養(yǎng)分的吸收[24];另一方面,為避免地上部植株積累氮素過量,植株會通過影響光合線性電子傳遞,降低光合作用,從而抑制根系生長及其對養(yǎng)分的吸收[25-26]。而施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量、柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加而增加,說明本研究中的最高施氮量225 kg·hm-2并沒有達到硫酸銨的施氮量閾值,其主要原因可能與研究地的土壤條件有關(guān)。研究地的土壤是鹽堿土,硫酸銨是酸性肥料,施用硫酸銨會對土壤的鹽堿化程度有一定的緩解,使土壤環(huán)境更接近柳枝稷的適宜生長環(huán)境,進而有利于柳枝稷增產(chǎn)及其對氮肥的吸收利用。

圖4 不同氮肥處理對0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的影響Fig. 4 Soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments

圖5 施氮量與0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的關(guān)系Fig. 5 Correlation between nitrogen application rate and soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profile

3.2 氮肥對土壤硝態(tài)氮的影響

過量施用氮肥時,由于氮肥不能完全被植物吸收利用,土壤膠體又不能吸附NO3-,因此會使硝態(tài)氮在土壤中大量累積,這些硝態(tài)氮在強降雨和灌溉條件下容易向下淋溶,造成地下水體的污染。因此,硝態(tài)氮在土壤中的含量、積累量及其在土壤中的分布規(guī)律是反映土壤硝態(tài)氮淋失風險的重要指標。本研究中,施用硫酸銨和尿素的0-40 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮殘留量均隨著施氮量的增加而增加,且集中分布在10-20 cm土層,可能是由于此土層的微生物活動及相關(guān)酶活性較強,有利于氮素的積累。這也與前人的研究結(jié)果相似。張斐斐等[27]的研究結(jié)果表明,氮肥施用量和土壤中硝態(tài)氮的含量、殘留量密切相關(guān),施氮量越高,土壤中殘留的硝態(tài)氮越多。蔣會利等[28]的研究表明,土壤耕層硝態(tài)氮主要集中在0-40 cm土層,且含量隨著施氮量的增加而增加。張慧霞等[29]的研究表明,不同施肥處理土壤硝態(tài)氮的含量最高值均出現(xiàn)在0-20 cm土層,且硝態(tài)氮的含量隨著施氮量的增加而增加。本研究中土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量也隨著施氮量的增加而顯著增大(P<0.05),呈正相關(guān)關(guān)系,這與張樹蘭等[30]、王爽等[31]、淮賀舉等[32]的研究結(jié)果一致。本研究表明,施氮量為225 kg·hm-2與施氮量為150 kg·hm-2相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,但0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量并沒有顯著增加;而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量卻顯著增加。綜合考慮柳枝稷產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮積累量,施用硫酸銨225 kg·hm-2、施用尿素150 kg·hm-2時,柳枝稷的產(chǎn)量較高,并且硝態(tài)氮向下淋溶的風險較小。

4 結(jié)論

1)硫酸銨和尿素的施用均可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量(P<0.05)。柳枝稷的產(chǎn)量、吸氮量、氮肥利用率在施用硫酸銨時隨著施氮量的增加逐漸增加;在施用尿素時,隨著施氮量的增加出現(xiàn)先升高后降低的動態(tài)趨勢,在施氮量為150 kg·hm-2時達到峰值。

2)土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤集中分布在10-20 cm,且其積累量隨著施氮量的增加而增加。

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