盧慧宇，杜文婷，張弘弢，Ayaz Muhanmond,徐佳星，王仁杰，李若楠，楊學(xué)云，張樹蘭

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌，712100)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試材料

本試驗(yàn)于2016-2018年在“國家黃土肥力和肥料效益監(jiān)測基地”進(jìn)行，該基地位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)頭道塬(34°17′N，108°00′E)，海拔534 m，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量550～600 mm，主要集中在6-9月。供試土壤為土婁土(土墊旱耕人為土)，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)開始時0～20 cm土層土壤的理化性質(zhì)為：全氮0.612 g/kg，全磷0.446 g/kg，速效磷0.22 mg/kg，pH 8.44。2016-2017年小麥季降雨量288.1 mm，玉米季降雨量366.6 mm；2017-2018年小麥季降雨量174.8 mm，玉米季降雨量421.0 mm。

氮肥用尿素(含N 46%)、磷肥用過磷酸鈣(含P2O512%)。試驗(yàn)期間小麥品種為小偃22，玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)所用生物炭為小麥秸稈生物炭，制備溫度為550 ℃，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為249.0和 8.46 g/kg，pH 9.8。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬小麥/夏玉米輪作試驗(yàn)在滲漏池進(jìn)行，試驗(yàn)共設(shè)7個處理，分別為：(1)習(xí)慣水肥1處理(CP1):施肥量和灌水量均為傳統(tǒng)農(nóng)戶用量；(2)灌水優(yōu)化處理(CP1-W):灌溉量視當(dāng)年的降雨情況而定。2016-2017年小麥季和玉米季，灌溉量在CP1處理的基礎(chǔ)上分別減少23.5%和21.7%；2017-2018年小麥季和玉米季，灌溉量在CP1處理的基礎(chǔ)上分別減少20%和25%；(3)養(yǎng)分優(yōu)化處理(CP1-F):在CP1處理的基礎(chǔ)上施氮量減少28.6%，施磷量減少33.3%；(4)水分養(yǎng)分優(yōu)化處理(OPT):灌溉量同CP1-W處理，施肥量同CP1-F處理；(5)水分養(yǎng)分優(yōu)化+小麥秸稈生物炭處理(OPT+B):在OPT處理的基礎(chǔ)上增施15 t/hm2的小麥秸稈生物炭；(6)習(xí)慣水肥2處理(CP2):施肥量和灌水量均與CP1處理相同，但滲漏池深度不同；(7)習(xí)慣水肥2+小麥秸稈生物炭處理(CP2+B):在CP2處理的基礎(chǔ)上增施15 t/hm2的小麥秸稈生物炭。習(xí)慣水肥處理中的施肥量參考該研究地區(qū)冬小麥/夏玉米模式農(nóng)戶施肥水平[1]。每個處理重復(fù)4次。表1為各處理施肥量、生物炭用量、灌水量以及滲漏池深度。2016-2017年，小麥播種時間為 2016-10-03，收獲時間為2017-06-02；玉米播種時間為2017-06-11，收獲時間為2017-10-04收獲。2017-2018年，小麥播種時間為2017-10-06，收獲時間為2018-06-05；玉米播種時間為2018-06-08，收獲時間為2018-10-05。生物炭于小麥播前施用，氮磷肥于小麥播前或玉米六葉期施用。

表1 2016-2018年不同處理灌水及氮磷肥和生物炭施用量

1.3 樣品采集與測定

氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)=Y/N；

累積滲漏液量(L)=∑(L1+L2+…+Ln)；

氮素累積淋失量(NL)=∑(L1×C1+L2×C2+…+Ln×Cn)。

式中：Y為施氮處理作物籽粒產(chǎn)量；N為氮肥用量；Ln為第n次采集滲漏液量(mm)；Cn為第n次淋失水樣中的氮素質(zhì)量濃度(mg/L)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均為4個重復(fù)的均值，CP1、CP1-W、CP1-F和OPT處理采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)則進(jìn)一步進(jìn)行多重比較。CP2與CP2+B處理、OPT與OPT+B處理采用SPSS 18.0軟件獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理作物產(chǎn)量與產(chǎn)量三要素的比較

從2個輪作年作物產(chǎn)量的結(jié)果(圖1)可知，2017-2018年各處理玉米產(chǎn)量及總產(chǎn)量均高于2016-2017年。2016-2017年，CP1-W、CP1-F和OPT處理的小麥、玉米產(chǎn)量以及總產(chǎn)量均與CP1處理無顯著差異。與CP2處理相比，CP2+B處理的小麥和玉米產(chǎn)量無顯著變化，但顯著提高了總產(chǎn)量，增幅達(dá)17.9%。與OPT處理相比，OPT+B處理顯著增加小麥產(chǎn)量(39.1%)，但對玉米產(chǎn)量和總產(chǎn)量無顯著影響。2017-2018年，CP1-F和OPT處理小麥產(chǎn)量較CP1顯著降低，但是CP1-W、CP1-F和OPT處理的玉米產(chǎn)量以及總產(chǎn)量均與CP1處理之間無顯著差異。與CP2處理相比，CP2+B處理顯著提高了玉米產(chǎn)量以及總產(chǎn)量，增幅分別為26.1%和10.0%。OPT+B處理較OPT處理顯著降低小麥產(chǎn)量，降幅達(dá)19%，但玉米產(chǎn)量及總產(chǎn)量與OPT處理之間無顯著差異。由圖1還可知，2016-2018年，養(yǎng)分優(yōu)化及水分養(yǎng)分優(yōu)化對小麥產(chǎn)量的影響不同，施用生物炭對小麥、玉米產(chǎn)量影響也不一致，不過所有處理對作物總產(chǎn)量的影響相同。

圖柱中標(biāo)的不同小寫字母表示不同處理小麥或玉米產(chǎn)量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，

由圖2和圖3可知，與CP1處理相比，除了OPT處理顯著降低了2016-2017年小麥的穗數(shù)外，灌水優(yōu)化處理(CP1-W)、養(yǎng)分優(yōu)化處理(CP1-F)以及水分養(yǎng)分優(yōu)化處理(OPT)對2個輪作年小麥、玉米產(chǎn)量三要素均無顯著影響。與CP2處理相比，除CP2+B處理顯著增加了2017-2018年玉米的千粒質(zhì)量外，施用生物炭對小麥、玉米產(chǎn)量三要素也基本無顯著影響。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。圖3-5同

圖3 2016-2018年水肥管理(A,C,E)和生物炭(B,D,F)對玉米產(chǎn)量三要素的影響

2.2 不同處理作物氮偏生產(chǎn)力的比較

由圖4可知，2016-2018年氮肥偏生產(chǎn)力為29～51.9 kg/kg，其中CP1-F處理最大，CP1-W處理最小。在2016-2017年，CP1-F處理氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于CP1處理，增幅為37%；而CP1-W和OPT處理的氮肥偏生產(chǎn)力均與CP1處理無顯著差異。與CP2處理相比，CP2+B處理顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，增幅達(dá)17.9%；與OPT處理相比，OPT+B處理氮肥偏生產(chǎn)力無顯著變化，說明在水分養(yǎng)分優(yōu)化的基礎(chǔ)上施用生物炭對氮肥偏生產(chǎn)力無顯著影響。在2017-2018年，CP1-F與OPT處理氮肥偏生力之間無顯著差異，但均顯著高于CP1處理，增幅分別達(dá)33.6%和27.9%；CP1-W處理氮肥偏生產(chǎn)力與CP1處理之間無顯著差異。

圖4 2016-2018年水肥管理(A)以及生物炭(B)對小麥/玉米輪作模式中氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.3 不同處理氮素淋失的比較

2016-2018年水肥管理和生物炭對小麥/玉米輪作模式中累積滲漏液量和氮素淋失量的影響如圖5和圖6所示。

圖5 2016-2018年水肥管理(A)以及生物炭(B)對小麥/玉米輪作模式中累積滲漏液量的影響

圖柱右側(cè)從上到下的不同小寫字母表示不同處理淋失量差異顯著(P<0.05)，圖柱上方不同小寫字母表示不同處理TN淋失量差異顯著(P<0.05)

從圖5可以看出，2016-2017年各處理的累積滲漏量總體高于2017-2018年(OPT+B處理除外)。減少灌溉量處理(CP1-W、OPT)的累積滲漏液量均低于習(xí)慣水肥1處理(CP1)，而減少施肥量處理(CP1-F)的累積滲漏量高于CP1處理，但與CP1之間無顯著差異。2016-2018年，與CP2處理相比，CP2+B處理的累積滲漏量均減少。2016-2018年，在水分養(yǎng)分優(yōu)化的基礎(chǔ)上施用生物炭對累積滲漏量影響不一致，其中在2016-2017年，與OPT處理相比，OPT+B處理的滲漏量無顯著差異；在2017-2018年，與OPT處理相比，OPT+B處理的滲漏量卻顯著增加。

3 討 論

3.1 水肥管理和生物炭對作物產(chǎn)量的影響

本研究結(jié)果表明，在2個小麥/玉米輪作年中，與習(xí)慣水肥處理相比，在其基礎(chǔ)上減水、減肥或水分養(yǎng)分同時優(yōu)化均對作物總產(chǎn)量無顯著影響，說明研究區(qū)農(nóng)戶水肥過量施用現(xiàn)象嚴(yán)重，這與以往的報道[1,14]一致。劉小利等[15]在關(guān)中西部灌區(qū)進(jìn)行的限量節(jié)水灌溉試驗(yàn)結(jié)果也證明，減少一定灌溉量，小麥產(chǎn)量未明顯降低。本試驗(yàn)中，與習(xí)慣水肥處理相比，養(yǎng)分優(yōu)化及水分養(yǎng)分優(yōu)化處理小麥產(chǎn)量均減少，今后應(yīng)根據(jù)作物產(chǎn)量水平考慮氮平衡進(jìn)一步調(diào)整施肥量。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在習(xí)慣水肥基礎(chǔ)上施用生物炭顯著提高了作物總產(chǎn)量，而在水分養(yǎng)分優(yōu)化的基礎(chǔ)上施用生物炭對作物總產(chǎn)量影響不顯著。前人關(guān)于施用生物炭對作物產(chǎn)量影響的研究結(jié)果并不一致。程效義等[16]報道，生物炭與氮肥配施提高了玉米產(chǎn)量。而韓瑛祚等[17]研究表明，基于生物炭還田條件下磷肥減施并沒有影響作物籽粒產(chǎn)量。Jeffery等[18]報道，在粘粒含量較高的土壤中施用生物炭對作物無增產(chǎn)作用。而Uzoma等[19]報道，在沙質(zhì)土壤中分別施用15和20 t/hm2生物炭，玉米產(chǎn)量分別提高了150%和98%。李帥霖等[20]研究表明，在不同氮水平下，施用1%和2%蘋果枝生物炭對小麥產(chǎn)量無顯著影響，而施用4%和6%生物炭小麥顯著減產(chǎn)。施用生物炭增產(chǎn)主要與其改善了土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保持水分和養(yǎng)分的能力、促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收有關(guān)[21]。本試驗(yàn)中，與水分養(yǎng)分優(yōu)化處理(OPT)相比，在其基礎(chǔ)上施用生物炭無顯著增產(chǎn)作用，這可能是施用生物炭后增加了土壤中有機(jī)碳含量，提高了微生物活性，造成微生物與植物之間出現(xiàn)了養(yǎng)分競爭，影響了作物對養(yǎng)分的吸收，從而導(dǎo)致施用生物炭不僅沒有增產(chǎn)，反而減產(chǎn)[22-23]。

3.2 水肥管理和生物炭對氮肥偏生產(chǎn)力及氮素淋失的影響

本研究結(jié)果表明，養(yǎng)分優(yōu)化處理(CP1-F)以及水分養(yǎng)分優(yōu)化處理(OPT)顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，且氮肥偏生產(chǎn)力處于最佳范圍(40～70 kg/kg)[24]。施用生物炭對氮肥偏生產(chǎn)力的影響與其對產(chǎn)量的影響一致，即在習(xí)慣水肥基礎(chǔ)上施用生物炭顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，而在水分養(yǎng)分優(yōu)化的基礎(chǔ)上施用生物炭對氮肥偏生產(chǎn)力無顯著影響。韓曉日等[21]連續(xù)3年施用生物炭后發(fā)現(xiàn)，前兩年(2013-2014年)氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高，而第3年(2015年)變化不明顯。本研究在水分養(yǎng)分優(yōu)化的基礎(chǔ)上施用生物炭后對作物產(chǎn)量無顯著影響，所以在施氮量相同的條件下氮肥偏生產(chǎn)力也無顯著變化。

4 結(jié) 論

關(guān)中平原小麥/玉米輪作模式，灌水優(yōu)化、養(yǎng)分優(yōu)化以及水分養(yǎng)分優(yōu)化對2016-2018年作物總產(chǎn)量均無顯著影響，但是減少施肥量處理(CP1-F、OPT)在第二個輪作年(2017-2018年)顯著降低了小麥產(chǎn)量，今后應(yīng)根據(jù)作物產(chǎn)量水平進(jìn)一步調(diào)整施肥量。減少施肥量處理(CP1-F、OPT)顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，明顯降低了TN淋失量。在不同水肥條件下施用生物炭顯著降低了TN淋失量，但施用生物炭對作物產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響不一致，具體機(jī)制還有待今后進(jìn)一步研究。