李亞鑫,張娟霞,劉偉剛,鄭險峰,翟丙年,王朝輝
(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院,陜西 楊凌 712100)
中國是農(nóng)業(yè)大國,有豐富的秸稈資源,每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈超過8億t,秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀及微量元素[1-2],直接還田可改善土壤、培肥地力[3]。秸稈還田不僅解決了焚燒帶來的大氣污染,還能有效減少化肥投入。大量研究指出,秸稈還田配合氮肥施用可以增加作物產(chǎn)量,如陳金等[4]的試驗結(jié)果顯示,秸稈還田配施純N 225 kg/hm2的冬小麥產(chǎn)量最高,增產(chǎn)幅度最大;趙鵬等[5]的研究結(jié)果表明,與秸稈不還田相比,秸稈還田配施純N 90,180,270和360 kg/hm2,小麥分別增產(chǎn) 7.1%,8.4%,11.1%和 10.2%,其中以秸稈還田配施純N 270 kg/hm2處理的產(chǎn)量最高, 顯著高于其他各處理;Bakht 等[6]研究表明,秸稈還田處理小麥產(chǎn)量是秸稈不還田處理小麥產(chǎn)量的1.31倍。此外,張靜等[7]研究了玉米秸稈還田量對土壤肥力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田量為9 000 kg/hm2時,土壤碳、氮的固持和供給效果最好,促進了土壤養(yǎng)分的有效利用。楊振興等[8]進行的16年的長期定位試驗結(jié)果表明,秸稈還田可以有效提高作物產(chǎn)量,增加土壤氮素盈余。
但是也有研究指出,玉米秸稈還田后,導致土壤中碳素增加,玉米秸稈在分解時促進了微生物的生長,加強了微生物對土壤氮素的固定[9-10]。楊憲龍等[11]的研究結(jié)果顯示,秸稈還田當年沒有增產(chǎn)效應,還田2年后才表現(xiàn)出增產(chǎn)效應,主要原因是玉米秸稈腐解需要很長的時間。雖然玉米秸稈還田能提高土壤養(yǎng)分含量,但玉米秸稈分解過程又會導致微生物固氮作用加強,所以專家普遍認為,為了配合玉米秸稈還田后使小麥增產(chǎn),需要多施用氮肥??梢姡P(guān)于秸稈還田后增氮還是減氮的問題存在爭議,目前尚需開展深入的研究。本試驗通過對2012-2016年玉米秸稈還田后冬小麥的產(chǎn)量效應和土壤硝態(tài)氮保持的研究,擬了解關(guān)中地區(qū)玉米秸稈還田條件下冬小麥產(chǎn)量對氮肥的響應以及秸稈還田對土壤硝態(tài)氮累積量的影響,以期為該地區(qū)秸稈還田條件下冬小麥的氮肥優(yōu)化管理提供科學依據(jù)。
試驗開始于2011年10月份,地點位于關(guān)中平原的陜西省周至縣終南鎮(zhèn),氣候半濕潤易旱,作物為冬小麥-夏玉米輪作,一年兩熟。試驗開始前0~20 cm 土層土壤的基本養(yǎng)分含量為:有機質(zhì)18.6 g/kg,硝態(tài)氮30.01 mg/kg,速效磷8.51 mg/kg,速效鉀188 mg/kg;0~2 m土層的硝態(tài)氮累積量為67.2 kg/hm2。
試驗采用裂區(qū)設計,主處理是秸稈還田處理,設玉米秸稈全部還田(S1)和玉米秸稈不還田(S0)2個水平,其中玉米秸稈全部還田處理是在玉米收獲時將玉米秸稈打碎曬干,用旋耕機在冬小麥播種前將玉米秸稈翻入0~40 cm土層中;而秸稈不還田處理是在玉米收獲時,將玉米秸稈全部移除掉,在冬小麥播種前用旋耕機進行深翻。副處理是施N處理,共設5個水平,施N量分別為0,84,168,252和336 kg/hm2。小區(qū)面積為34.45 m2,重復4次,所有小區(qū)磷肥和鉀肥施用量一致。2011年磷肥(P2O5)施用量為150 kg/hm2,鉀肥(K2O)施用量為100 kg/hm2;2012年以后根據(jù)土壤速效磷、速效鉀測定值將施磷量調(diào)整為100 kg/hm2,施鉀量調(diào)整為75 kg/hm2。磷肥和鉀肥全部作為底肥在冬小麥播種前施入土壤,氮肥總量的60%作為底肥,剩余的40%作為追肥在冬小麥拔節(jié)期施用。冬小麥品種采用周麥23,播種量為168 kg/hm2,行距為20 cm。2011-2015年玉米秸稈還田量分別為5 500,4 910,8 064,11 290,7 840 kg/hm2。在冬小麥收獲后種植夏玉米,夏玉米品種為鄭單958,株距為30 cm,行間距為66.7 cm,肥料用量為:N 108 kg/hm2,P2O5138 kg/hm2,K2O 75 kg/hm2,均作為基肥施用。冬小麥和夏玉米的生長期管理同當?shù)剞r(nóng)戶一致。
1.3.1 冬小麥產(chǎn)量 于冬小麥收獲時,在每個小區(qū)選取3個1 m2的樣方,脫粒后測籽粒含水量,之后換算冬小麥理論產(chǎn)量。
1.3.2 土壤硝態(tài)氮累積量 于冬小麥播種前和收獲時,在各小區(qū)用五點采樣法取土樣,每20 cm為一個土層,采集深度為2 m,將同小區(qū)同土層土壤混合后,用AA3連續(xù)流動分析儀測定土壤樣品的硝態(tài)氮含量,計算土壤硝態(tài)氮累積量:土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)=[土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)×土壤體積質(zhì)量(g/cm3)×土層厚度(cm)]/10。
試驗數(shù)據(jù)計算采用Excel 2010,方差分析采用DPS,差異顯著性比較采用LSD法。
圖1為2012-2016年不同處理冬小麥氮肥肥料效應曲線。
曲線上面的公式代表玉米秸稈還田,曲線下面的公式代表玉米秸稈不還田Formula above curve represents maize straw return and formula below curve represents without maize straw return圖1 2012-2016年玉米秸稈還田條件下冬小麥籽粒產(chǎn)量對施氮量的響應Fig.1 Response of winter wheat yield to nitrogen fertilization under maize straw return in 2012-2016
從圖1可以看出,與玉米秸稈不還田處理相比,玉米秸稈還田處理的冬小麥產(chǎn)量呈“低氮減產(chǎn)、高氮增產(chǎn)”的規(guī)律。2012-2016年,當施氮量分別在153,187,99,146和115 kg/hm2時,玉米秸稈還田與不還田處理的氮肥效應曲線相交;當施氮量高于以上點時,玉米秸稈還田處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量相比玉米秸稈不還田處理明顯增加,2012-2016年最高增產(chǎn)率分別是7.2%,5.6%,9.5%,5.8和7.5%;當施氮量低于以上點時,玉米秸稈還田處理會引起冬小麥減產(chǎn),2012-2016年最高減產(chǎn)比例分別達到3.0%,8.4%,18.8%,14.5%和9.1%。
冬小麥收獲后0~2 m土層硝態(tài)氮累積量見表1。由表1可見,2012-2016年,玉米秸稈還田處理土壤硝態(tài)氮累積量總體高于玉米秸稈不還田處理,但是部分處理卻不符合這一規(guī)律,例外在2016年,如當施氮量為252和336 kg/hm2時,玉米秸稈不還田處理冬小麥收獲后土壤中的硝態(tài)氮累積量大于玉米秸稈還田處理。究其原因,可能在于2016年當施氮量為252和336 kg/hm2時,玉米秸稈還田處理冬小麥產(chǎn)量較玉米秸稈不還田處理高,導致吸收的土壤氮素增多所致。從平均值看,玉米秸稈還田處理有利于土壤中硝態(tài)氮的累積,2012-2016年玉米秸稈還田處理比玉米秸稈不還田處理土壤硝態(tài)氮累積量分別平均增加25.1,8.9,64.5,65.8和7.5 kg/hm2,增加幅度分別為25.4%,3.4%,13.5%,24.0%和1.7%。
由表1還可見,不論玉米秸稈還田還是不還田,隨著施氮量的增加,冬小麥收獲后0~2 m土層硝態(tài)氮累積量均逐漸增加。
表1 2012-2016年玉米秸稈還田配施氮肥對冬小麥收獲后0~2 m土層硝態(tài)氮累積量的影響Table 1 Effects of maize straw return with nitrogen fertilizer on soil nitrate nitrogen accumulation after harvest in soil layer of 0-2 m from 2012 to 2016 kg/hm2
注:S0.玉米秸稈不還田;S1.玉米秸稈還田。同行數(shù)據(jù)后標不同大寫字母表示同一年份S0與S1處理差異達顯著水平(P<0.05),同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示不同施氮處理間差異達顯著水平(P<0.05)。下表同。
Note:S0.Without maize straw return;S1.With maize straw return.Different capital letters in same row indicate significant difference between S0and S1in same year atP<0.05.Different small letters in each column indicate significant different among nitrogen rates atP<0.05.The same below.
為了研究玉米秸稈還田是否對土壤硝態(tài)氮具有保持作用,本研究監(jiān)測了2012-2015年玉米秸稈還田配施低、中、高3個氮素水平下,冬小麥播種前土壤硝態(tài)氮的累積量,結(jié)果見表2。
表2 2012-2015年玉米秸稈還田配施氮肥對冬小麥播種前0~2 m土層硝態(tài)氮累積量的影響Table 2 Effects of maize straw returning with nitrogen fertilizer on soil nitrate nitrogen accumulation before sowing in soil layer of 0-2 m from 2012 to 2015 kg/hm2
由于所有處理在玉米種植季施肥量完全一致,故冬小麥播種前土壤硝態(tài)氮的差異來自上一年冬小麥不同氮肥處理的影響。表2表明,2012-2015年,在低、中、高3個氮素水平下,各處理冬小麥播種前0~2 m土層土壤硝態(tài)氮累積量總體逐年增加。2012-2015年,玉米秸稈還田處理冬小麥播種前0~2 m土層硝態(tài)氮累積量比玉米秸稈不還田處理分別提高13.5%~42.3%,5.4%~10.4%,19.0%~61.0%和3.1%~22.7%。不論玉米秸稈還田還是不還田,隨著施氮量的增加,冬小麥播種前0~2 m土層硝態(tài)氮累積量逐漸增加。可見,雖然經(jīng)過夏玉米地的種植,玉米秸稈還田仍會增加翌年冬小麥播前0~2 m土層的硝態(tài)氮累積量,可知秸稈還田對土壤有一定的保氮作用。
有研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田后會導致前兩年小麥產(chǎn)量連續(xù)下降,降幅可達4.1%~46.1%,從第4年開始產(chǎn)量增加,增幅達5.7%~12.8%[12]。玉米秸稈還田條件下,不配施氮肥,小麥減產(chǎn)量達10.8%;配施氮肥條件下,隨著施氮量的增加,小麥產(chǎn)量增加幅度為0.7%~10.2%[13-15],這與本試驗連續(xù)5年的研究結(jié)果趨勢一致。
一般認為,由于玉米秸稈C/N較高,還田后會造成土壤微生物對無機氮素的固持,造成土壤中的無機氮含量降低,從而影響作物生長,導致作物減產(chǎn)[14,16]。本研究發(fā)現(xiàn),與玉米秸稈不還田處理相比,2012-2016年當施氮量分別高于153,187,99,146和115 kg/hm2時,玉米秸稈還田才會增加冬小麥籽粒產(chǎn)量。據(jù)對小麥生長季節(jié)土壤硝態(tài)氮含量的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果[17],低氮下減產(chǎn)的原因在于冬小麥在返青期追肥以前土壤無機氮耗竭,同時秸稈還田條件下0~1 m土層土壤硝態(tài)氮累積量小于秸稈不還田處理,作物受到短期缺氮脅迫所致,而在高氮情況下則不會出現(xiàn)這一情形。研究發(fā)現(xiàn),關(guān)中地區(qū)冬小麥施氮量一般為175~185 kg/hm2[16],由本研究結(jié)果可知,在這個施氮范圍,玉米秸稈還田后不但不需要多施氮肥,反而可減少氮肥的施用量。
研究發(fā)現(xiàn),土壤硝態(tài)氮的累積量與作物吸氮量和產(chǎn)量有密切的關(guān)系[18]。本試驗中,2012-2016年,與玉米秸稈不還田處理相比,玉米秸稈還田處理冬小麥收獲后0~2 m土層土壤硝態(tài)氮累積量總體增加,而且隨著施氮量的增大,土壤的硝態(tài)氮累積量也增加,這與前人的研究結(jié)果一致[19-21]。
施入土壤中的氮素,除了植物吸收及微生物和粘土礦物固定、揮發(fā)和反硝化損失外,還有相當一部分氮素以硝態(tài)氮的形式留在土壤中[22]。硝態(tài)氮的淋失不僅會污染地下水資源,還能危害人類健康[23]。關(guān)中地區(qū)年降雨主要集中在7-9月份,冬小麥收獲后,土壤中殘留的硝態(tài)氮在降雨的作用下容易發(fā)生淋失現(xiàn)象[24]。很多研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田對氮素的淋失有很好的抑制作用[25-26]。田路園等[27]通過室內(nèi)土柱淋溶試驗,研究了秸稈還田配施不同比例氮肥對土壤氮素淋失的影響,結(jié)果表明,秸稈還田配施氮肥對于氮素的淋失有良好的抑制作用,以碳氮質(zhì)量比25∶1淋失損失最少。楊世琦等[28]研究發(fā)現(xiàn),秸稈半量還田和全量還田處理的土壤氮素淋失量在0~90 cm土層分別減少27.65%和20.73%,可知秸稈還田能夠減少灌區(qū)土壤硝態(tài)氮淋失量。丁燕等[29]的研究結(jié)果顯示,秸稈還田沒有降低土壤硝態(tài)氮和全氮的流失濃度,僅減少了產(chǎn)流量。本試驗結(jié)果顯示,冬小麥播種前和收獲后,玉米秸稈還田處理的土壤硝態(tài)氮累積量均大于秸稈不還田處理,說明玉米秸稈還田對土壤有一定的保氮作用,減少了土壤硝態(tài)氮的淋失。