孔德杰李 娜任成杰王維鈺任廣鑫馮永忠楊改河劉娜娜

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心,銀川 750002;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,陜西楊凌 712100;3.陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,陜西楊凌 712100;4.寧夏中科精科檢測(cè)技術(shù)有限公司,銀川 750011)

麥豆輪作是中國西北地區(qū)常見的種植模式,是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華。中國大豆進(jìn)口量已經(jīng)占糧食進(jìn)口量的80%以上[1],研究麥豆長(zhǎng)期輪作種植模式下的優(yōu)化施肥對(duì)提升大豆種植效益、擴(kuò)加大豆種植面積,實(shí)現(xiàn)藏糧于地、藏糧于技的國家戰(zhàn)略具有重要意義。土壤中全氮(total nitrogen,TN)含量與土壤養(yǎng)分供給和作物產(chǎn)量密切相關(guān)[2-3]。目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在過量施用化肥[4-5]、有機(jī)肥投入不足、土壤質(zhì)量退化等問題[6-7]。土壤中硝態(tài)氮(nitrate,NO-3-N)、銨態(tài)氮(ammonium nitrogen,NH+4-N)是農(nóng)田氮素流失的主要形態(tài)[8]。微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)作為土壤中重要的活性養(yǎng)分庫,在農(nóng)田土壤氮的循環(huán)、轉(zhuǎn)化與供應(yīng)能力中起到重要作用,是土壤微生物對(duì)氮素礦化與固持雙重作用的綜合反映[9]。過量的氮素在微生物和土壤酶作用下通過氨化、硝化以及在降雨、灌水的作用下淋溶、淋失等途徑滲入到作物根系以外、徑流到農(nóng)田溝渠之中,對(duì)大氣、水體等環(huán)境造成了不良影響[10-11],同時(shí)造成土壤p H 下降、土壤退化和作物減產(chǎn)。而通過優(yōu)化施肥降低農(nóng)田硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等氮素的流失風(fēng)險(xiǎn)[12],減少化肥對(duì)環(huán)境的不良影響等問題一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[13],目前,在小麥、玉米等單季作物上進(jìn)行了很多相關(guān)的研究[14],而在豆科、禾本科作物長(zhǎng)期輪作過程中,土壤氮素組分含量季節(jié)間動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及與施肥措施之間的響應(yīng)關(guān)系等相關(guān)研究報(bào)道較少。本研究在關(guān)中地區(qū)小麥—大豆輪作的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中,通過優(yōu)化施肥方案,研究麥豆輪作體系中各形態(tài)氮素的變化規(guī)律及其對(duì)產(chǎn)量的影響,以期為提升土壤氮素供應(yīng)能力、減少氮素?fù)p失及提高作物生產(chǎn)效益提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西關(guān)中平原西部西北農(nóng)林科技大學(xué)科研基地(E 108°7′,N 34°12′),冬小麥-夏大豆輪作種植模式下的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開始于2010年9 月,一年兩熟,不種植其他作物;海拔520 m,年平均氣溫12.9 ℃,年平均降水量為660 mm,主要集中在7-9 月,全年日照時(shí)數(shù)2 163.5 h,無霜期211 d,為暖溫帶季風(fēng)區(qū)氣候;土壤為塿土,研究期間月均氣溫和降雨量見圖1。

圖1 試驗(yàn)地氣溫和降雨量Fig.1 Monthly temperature and precipitation in experimental area

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料

試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)施肥處理:不施肥處理(NF)、優(yōu)化施肥處理(0.8TF)和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理(TF),重復(fù)3 次,小區(qū)面積68.8 m2(8.6 m×8 m),試驗(yàn)地四周設(shè)置寬2.5 m 的保護(hù)行。肥料為尿素和磷酸二胺,具體施肥量見表1。

表1 各處理施肥量Table 1 Amount of fertilizer under different treatments kg/hm2

冬小麥品種為‘西農(nóng)889’,夏大豆品種為‘東豆339’。播種方式為機(jī)械條播,小麥行距20 cm,夏大豆行距60 cm。整個(gè)生育期不灌水,其他田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在小麥的苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期,大豆的籽粒膨大期及播種前、收獲后采集土壤樣品,每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線用土鉆取樣,深度為0～20 cm,20～40 cm,每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)的同層土壤混合均勻,部分土樣在4℃條件下運(yùn)輸和保存,其他土樣室內(nèi)晾干。土壤水分用鋁盒烘干稱量法測(cè)定,土壤p H 按照水土質(zhì)量比1∶5均勻混合后用p H計(jì)測(cè)定。土壤全氮含量采用濃硫酸消解—連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用氯化鉀溶液浸提—連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定,土壤中微生物量氮含量采用氯仿熏蒸—連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定,具體分析方法見文獻(xiàn)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2013 軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理,Spss 21進(jìn)行方差分析,Excel 2013、Origin 9.0進(jìn)行圖片制作,R 語言進(jìn)行產(chǎn)量和氮素指標(biāo)的相關(guān)性分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤氮素含量的影響

土壤中全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物生物量氮含量作為土壤供氮能力的重要指標(biāo),受多因素影響,在作物不同生長(zhǎng)時(shí)期的變化規(guī)律不同。由圖2可知,施用化肥對(duì)小麥、大豆生育期土壤中的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用。土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮作為大部分作物容易吸收同化的礦物質(zhì)養(yǎng)分,在麥豆長(zhǎng)期輪作種植模式下,其含量存在規(guī)律性動(dòng)態(tài)變化:10-12月份含量較高,春季含量低;不同施肥處理下土壤銨態(tài)氮含量的變異系數(shù)小于硝態(tài)氮含量。與不施肥處理相比,施肥對(duì)土壤中硝態(tài)氮含量有顯著性影響,13次測(cè)量結(jié)果中,0～20 cm 土層中硝態(tài)氮含量均有顯著性差異,20～40 cm 土層中有12 次顯著性差異(圖2)。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量和同層土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量的比值均隨著施肥量的增加而增加,相同時(shí)期不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理0～20 cm、20～40 cm 土層中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量的比值平均為3.94、5.48、6.96和2.72、4.52、7.06。

圖2 土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量Fig.2 Soil NO-3-N,NH4-N content

土壤中微生物通過對(duì)氮素的固持和礦化作用,影響土壤中無機(jī)氮含量。由圖3可知,施肥對(duì)微生物生物量氮、全氮的含量有顯著性影響,不同季節(jié)間土壤中微生物生物量氮含量的變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮相反,表現(xiàn)為秋冬季低,春夏季高的特點(diǎn)。農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和微生物生物量氮、全氮的含量在土層中的分布規(guī)律存在差異,其含量以表層土壤最高,隨剖面深度增加呈逐漸降低趨勢(shì)(圖2,圖3)。層化比(stratification ratio,SR)是指在相同處理?xiàng)l件下土壤養(yǎng)分表層含量與底層含量的比值,不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理土壤硝態(tài)氮含量層化比(0～20 cm/20～40 cm)平均值分別為1.71、1.45、1.33,土壤銨態(tài)氮含量層化比平均值分別為1.12、1.14、1.22,土壤微生物量氮含量層化比平均值分別為2.67、2.82、2.44,土壤全氮含量層化比平均值分別為1.20、1.19、1.20。

圖3 土壤微生物生物量氮、全氮含量Fig.3 Soil MBN and TN content

2.2 施肥對(duì)長(zhǎng)期麥豆輪作土壤氮素平均值的影響

土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮和微生物生物量氮含量受施肥和作物吸收利用的影響較大。從圖4可以看出:施肥增加土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮的含量,并且表層土中各種氮素形態(tài)含量的變異系數(shù)大于下層土。優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理0～20 cm 土層硝態(tài)氮平均含量較不施肥處理增加102.72%、213.75%,銨態(tài)氮平均含量較不施肥處理增加13.87%、29.00%,全氮平均含量較不施肥處理增加11.05%、16.68%。20～40 cm土層優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理的硝態(tài)氮平均含量較不施肥處理增加134.97%、318.70%,銨態(tài)氮平均含量較不施肥處理增加15.99%和24.18%,全氮平均含量較不施肥處理增加11.66%、15.65%。優(yōu)化施肥促進(jìn)微生物生物量氮含量提升,常規(guī)施肥降低微生物生物量氮含量,優(yōu)化施肥處理0～20 cm、20～40 cm 土層微生物生物量氮含量較不施肥處理增加4.84%和6.51%,而常規(guī)施肥處理土壤微生物生物量氮含量較不施肥處理減少15.46%和2.15%。

圖4 土壤各形態(tài)氮素的平均含量Fig.4 Mean nitrogen concentration of different forms of soil

2.3 施肥對(duì)土壤p H 和水分含量的影響

施用化肥導(dǎo)致土壤p H 降低(圖5),在作物生長(zhǎng)期間,不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理0～20 cm 土壤p H 平均值分別為7.96、7.89、7.89,不同施肥處理間有顯著性差異,優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理比不施肥處理平均降低0.89%、0.91%。不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理20～40 cm 土壤p H 平均值分別為8.06、8.04、8.03,施肥處理與不施肥處理差異顯著,優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理比不施肥處理平均降低0.25%、0.41%。

圖5 土壤p H 及水分含量Fig.5 p H and water content of soil

不同時(shí)期、不同施肥對(duì)土壤水分含量的影響不同,隨著施肥量的增加土壤水分含量有整體減少的趨勢(shì)(圖5),不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理的0～20 cm 土壤水分平均含量分別為17.01%、16.68%、16.76%,各施肥處理間有顯著的差異,優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥水分含量比不施肥處理平均降低1.96%、1.48%;20～40 cm 土壤不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理的水分含量分別為16.34%、15.82%、15.75%,優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理土壤水分含量比不施肥平均減少3.15%、3.57%。

2.4 麥豆產(chǎn)量對(duì)施肥措施的響應(yīng)及相關(guān)性分析

施肥對(duì)小麥、大豆產(chǎn)量有顯著性促進(jìn)作用(圖6),2016年、2017年、2018年優(yōu)化施肥處理大豆產(chǎn)量分別比不施肥處理增產(chǎn)32.80%、42.77%、49.87%,平均為41.81%;常規(guī)施肥處理分別比不施肥處理增產(chǎn)36.64%、53.21%、56.43%,平均48.76%;施肥處理大豆產(chǎn)量比不施肥處理平均增加45.29%,常規(guī)施肥處理大豆產(chǎn)量比優(yōu)化施肥處理平均增產(chǎn)4.86%。2016 年、2017 年、2018年優(yōu)化施肥處理小麥產(chǎn)量分別比不施肥處理 增 產(chǎn)33.16%、82.19%、30.92%,平 均 為48.76%;常規(guī)施肥處理小麥產(chǎn)量分別比不施肥處理 增 產(chǎn)35.30%、85.64%、33.99%,平 均 為51.64%;施肥處理小麥產(chǎn)量比不施肥處理平均增加50.20%,常規(guī)施肥小麥產(chǎn)量比優(yōu)化施肥處理平均增產(chǎn)1.29%。

圖6 不同年份小麥、大豆產(chǎn)量Fig.6 Yield of soybean and wheat under different fertilizer treatments in different years

圖7所示總產(chǎn)是小麥和大豆產(chǎn)量總和,小麥產(chǎn)量和大豆產(chǎn)量與總產(chǎn)均有顯著的正相關(guān)關(guān)系,土壤p H 與小麥、大豆產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤水分含量與微生物生物量氮、作物產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。作物總產(chǎn)與土壤總氮含量、硝態(tài)氮含量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.86 和0.84。大豆產(chǎn)量與土壤總氮、硝態(tài)氮含量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.85。小麥產(chǎn)量與土壤中總氮含量有極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.85,與土壤中硝態(tài)氮含量有顯著性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.82。土壤中硝態(tài)氮含量與土壤全氮、銨態(tài)氮呈顯著性正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.78。微生物生物量氮含量與土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.21、-0.58,與土壤水分正相關(guān)關(guān)系,而與作物產(chǎn)量相關(guān)性不明顯。

圖7 土壤氮組分與小麥、大豆產(chǎn)量相關(guān)性分析Fig.7 Correlation of yield of soybean and wheat with soil nitrogen fractions

3 討論

3.1 施肥對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)變化的影響

因作物吸收利用、微生物固持、大豆固氮作用、溫度水分等多因素影響,土壤中全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量一直處于動(dòng)態(tài)變化中[9]。本研究3 a測(cè)試結(jié)果表明:秋冬季土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量高于春夏,分析主要原因:10月份小麥播種時(shí)施用化肥、小麥苗期養(yǎng)分消耗少、秋季大豆固氮效應(yīng),冬季低溫微生物死亡釋放的氮素,上述多種方式對(duì)土壤氮庫的補(bǔ)充,導(dǎo)致12月份測(cè)得土壤全氮、硝態(tài)氮含量最高。春季小麥返青后生長(zhǎng)旺盛,對(duì)土壤氮素的吸收利用增多,加上溫度升高使土壤微生物活性增加,對(duì)土壤中的氮素固持增大,春季土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。而土壤中微生物生物量氮受溫度季節(jié)間變化的影響,變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量相反,與張婷婷等[16]和Ren等[17]的研究報(bào)道相符。

土壤氮素層化比表示土壤生態(tài)功能和土壤質(zhì)量的變化情況,受土壤理化性質(zhì)、作物吸收消耗、淋溶、施肥等因素影響,可作為土壤演替方向的評(píng)價(jià)指標(biāo),一般情況下土壤養(yǎng)分層化比越高,表明土壤質(zhì)量越好[18]。李濤等[19]研究表明土壤微生物層化比是一個(gè)比較好的土壤質(zhì)量指示指標(biāo),當(dāng)土壤微生物層化比大于2時(shí),表示土壤質(zhì)量向好的趨勢(shì)發(fā)展。于洋等[20]研究表明微生物生物量氮層化比明顯小于2或者異常的高,也說明土壤存在退化現(xiàn)象。本研究中微生物生物量氮層化比在2附近,并略高于2,表明麥豆輪作種植模式連續(xù)實(shí)施9 a后土壤狀況較好。王少昆等[21]的研究結(jié)果也表明施肥措施與微生物生物量氮存在顯著相關(guān)性。本研究表明隨著施肥量增加土壤中幾種氮素層化比變化趨勢(shì)不同,分析其原因,表層土壤中硝態(tài)氮容易隨著降雨下滲到下層土壤,導(dǎo)致下層土壤中硝態(tài)氮累積量增加,層化比隨著施氮量的增加逐漸減少。而本身帶有負(fù)電荷的土壤膠體對(duì)帶正電荷的銨態(tài)氮的吸附能力大于帶負(fù)電荷的硝態(tài)氮,只有表層土壤銨態(tài)氮吸附飽和或者地表徑流強(qiáng)力沖刷下,表層土壤中的銨態(tài)氮才會(huì)解析到下層土壤中[12],因此隨著施肥量的增加銨態(tài)氮層化比隨之增加。優(yōu)化施肥促進(jìn)土壤微生物生物量氮含量增加,而常規(guī)施肥降低微生物生物量氮含量,隨著施氮量的增加微生物生物量氮層化比有先升高后降低的趨勢(shì)。

3.2 施肥對(duì)土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的影響

土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮是作物能夠吸收利用的主要氮素形態(tài),其轉(zhuǎn)化、運(yùn)移、吸收、固定等動(dòng)態(tài)變化容易受到施肥、氧化還原電位、硝化-反硝化反應(yīng)的影響[22-23]。本研究結(jié)果表明不施肥處理土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量在不同時(shí)期有較大的差異,分析其主要原因,小麥生長(zhǎng)季會(huì)消耗土壤中氮素,而大豆生育期的生物固氮量可達(dá)到92～150 kg/hm2[24],大豆生長(zhǎng)季可對(duì)土壤氮庫虧缺進(jìn)行有效補(bǔ)充。有研究報(bào)道表明,土壤水分含量可影響土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的組成比例,表層土壤中氧氣充足的條件下,硝態(tài)氮、微生物生物量氮含量較高[25],這是土壤中硝態(tài)氮、微生物生物量氮層化比分別高于銨態(tài)氮、全氮層化比的主要原因。農(nóng)田土壤耕層氮素養(yǎng)分不足可促進(jìn)小麥在中下土層的細(xì)根或微細(xì)根系發(fā)育,提高小麥對(duì)深層土壤中可利用氮的吸收,減少氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)[26]。趙曉芳等[27]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原農(nóng)田硝態(tài)氮、銨態(tài)氮平均含量為16.49、2.53 g/kg,報(bào)道的結(jié)果與本研究相符。也有研究表明硝態(tài)氮在作物根際的含量高于壟間,而距根系越近銨態(tài)氮含量越低[28]。

銨態(tài)氮是林地[29]、草地[30]土壤有效氮的主要形式,這是林地和草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持氮素的一種機(jī)制[31]。本研究顯示硝態(tài)氮是農(nóng)田土壤有效氮的主要形式,隨著施肥量的增加,硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的比值逐漸增加。邢肖毅等[32]的研究也表明農(nóng)田土壤中無機(jī)氮多以硝態(tài)氮的形態(tài)存在,不利于氮素在土壤中的存儲(chǔ),容易造成氮素的流失,有研究表明農(nóng)田土壤滲漏液中硝態(tài)氮占總氮量的70%左右[7]。而土壤中帶負(fù)電荷的膠體對(duì)帶正電荷的銨態(tài)氮的吸附作用大于帶負(fù)電荷的硝態(tài)氮,銨態(tài)氮不易淋失,而硝態(tài)氮淋失量會(huì)隨著施肥量、灌水量的增加而增加[33],這與氮素在土壤中的遷移機(jī)制有關(guān),硝態(tài)氮易溶于水,在土壤中的遷移方式主要靠質(zhì)流,由于作物的蒸騰蒸發(fā)對(duì)土壤水分的吸收較多,而銨態(tài)氮在土壤中的遷移方式主要靠擴(kuò)散,銨態(tài)氮受土壤膠體、團(tuán)聚體電荷的吸附力較大[34]。這也從另一方面解釋了土壤硝態(tài)氮含量的季節(jié)間變異系數(shù)大于銨態(tài)氮的原因。

3.3 施肥對(duì)土壤微生物生物量氮含量的影響

土壤微生物生物量氮(MBN)是土壤中有機(jī)-無機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素[9],通常作為土壤肥力狀況及土壤質(zhì)量演變的重要依據(jù)[23]。本研究結(jié)果表明:不同時(shí)期、不同處理間土壤中微生物生物量氮含量變化差異較大,分析其原因,主要是因?yàn)槲⑸飳?duì)土壤環(huán)境變化較為敏感,特別是溫度、水分條件,能夠在短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng),使微生物種群、豐度和數(shù)量發(fā)生大幅度變化[35]。本研究結(jié)果表明,與不施肥處理相比,優(yōu)化施肥促進(jìn)微生物生物量氮含量提升,0～20 cm、20～40 cm 土壤微生物生物量氮含量增加4.84%和6.51%,常規(guī)施肥處理下微生物生物量氮較不施肥處理減少15.46%、2.15%。分析其原因:過量施肥后土壤碳氮比(C/N)大幅度降低,碳源不足抑制微生物活性,導(dǎo)致微生物對(duì)土壤氮素的固持作用減小,土壤有效氮含量增加,馬想等[36]的研究結(jié)果與此相符。本研究結(jié)果顯示不施肥、優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥處理土壤微生物生物量氮平均值為30.24、31.70、25.57 mg/kg,低于已有研究報(bào)道中的廄肥、秸稈還田、廄肥與化肥配施、秸稈還田與化肥配施、平衡施肥處理的[37]。說明有機(jī)質(zhì)還田可增加微生物能量來源,對(duì)提高農(nóng)田土壤微生物生物量氮含量以及改善微生物生態(tài)多樣性具有重要的積極作用[38-39]。本研究結(jié)果表明在9月份的大豆生長(zhǎng)旺盛期,常規(guī)施肥處理的微生物生物量氮含量低于不施肥處理,分析其原因,過量施用化肥抑制大豆根瘤菌的生長(zhǎng),而不施肥處理由于土壤氮素虧缺,大豆的根瘤菌生長(zhǎng)旺盛,對(duì)大氣中的氮素固定效果好于施肥處理。張婷婷等[16]的研究也表明夏大豆季土壤微生物量氮含量高于冬小麥季。王曉娟等[37]研究表明低溫是抑制微生物活性及微生物生物量氮含量的主要因素。然而作物類型、施肥處理、氣候溫度等因素對(duì)土壤微生物生物量氮含量的影響程度及各因素間的交互作用強(qiáng)弱,還需要進(jìn)一步研究。

3.4 施肥對(duì)土壤p H 的影響

長(zhǎng)期過量施用化肥,易導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)差、耕作性能不良,持續(xù)供肥能力弱,生產(chǎn)力低下,土壤p H 下降等土壤退化現(xiàn)象[40],過量施肥是導(dǎo)致中國農(nóng)田土壤p H 下降的主要原因[41],本研究結(jié)果表明:優(yōu)化施肥處理、常規(guī)施肥處理0～20 cm 土壤p H 比不施肥處理分別降低0.89%、0.91%,20～40 cm 土壤的p H 比不施肥處理分別降低0.25%、0.41%。施入氮肥導(dǎo)致土壤酸化的原理主 要 有3 個(gè)(1)硝 化 反 應(yīng)(2NH+4+3O2→NH2OH→2NO-2+2H2O+4H+)產(chǎn)H+量為2 cmol/kg,是將土壤中的氨氧化成植物容易吸收利用的硝態(tài)氮的過程,硝化過程是導(dǎo)致土壤酸化的主要過程因素之一;(2)氨揮發(fā)反應(yīng)(NH+4→NH3↑+H+)產(chǎn)H+量為1 cmol/kg;(3)銨鹽吸收同化(NH+4+R-OH→R=NH2+H2O+H+),銨態(tài)氮被作物根系吸收后,轉(zhuǎn)化為含氮化合物,產(chǎn)生的氫離子釋放到根際土壤;引起土壤酸化的還有碳酸水解、硫化物氧化、鋁水解[7,40,42]。大部分農(nóng)民為追求作物的高產(chǎn),常年盲目過量施用氮肥,造成了土壤氮的淋溶、揮發(fā)增多,過量施氮是導(dǎo)致土壤中硝化反應(yīng)、氨同化、氨揮發(fā)反應(yīng)加劇、氫離子濃度過高及土壤中氫離子產(chǎn)生和消耗失衡的主要原因[43]。

3.5 施肥對(duì)小麥、大豆產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量主要受土壤水肥氣熱等因素影響,其中肥料對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大[44],土壤氮素特別是硝態(tài)氮含量與作物產(chǎn)量有顯著相關(guān)性,苗艷芳等[45]在不同形態(tài)氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響研究中也得到相似的結(jié)論。本研究中施肥處理大豆、小麥產(chǎn)量比不施肥處理平均增加45.29%、50.2%,馬登科等[14]通過整合分析研究發(fā)現(xiàn)施氮后黃土高原旱地冬小麥的增產(chǎn)率為66.09%,高于本研究結(jié)果。分析其主要原因,本研究采用的麥豆長(zhǎng)期輪作種植模式,對(duì)照雖然不施化肥,但是種植大豆通過生物固氮可對(duì)土壤中虧缺的氮素進(jìn)行補(bǔ)充,提升了土壤的供肥能力[24]。很多研究已表明:過量施肥可導(dǎo)致小麥、大豆等作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛、貪青晚熟,產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2,22],而合理施用氮肥可增加作物的光合同化物積累,提高產(chǎn)量和品質(zhì)。有研究表明黃土高原冬小麥獲得高產(chǎn)的施氮量為212～227 kg/hm2[14],伊犁河谷麥—豆輪作體系下施氮242 kg/hm2時(shí)夏大豆產(chǎn)量和氮肥利用效率最高[46]。本研究結(jié)果表明隨施肥量增加小麥、大豆的產(chǎn)量雖然一直是增加的趨勢(shì),但肥料利用效率卻為下降趨勢(shì),小麥、大豆常規(guī)施肥處理(施氮量240 kg/hm2)產(chǎn)量比優(yōu)化施肥(施氮量192 kg/hm2)產(chǎn)量平均高1.95%、4.86%,而施肥量卻高25%。王林林等[47]的研究也表明:氮肥用量在195 kg/hm2的水平下,小麥產(chǎn)量最高。本研究結(jié)果表明,麥豆輪作種植模式下,在基本保證高產(chǎn)的同時(shí),施氮量可減少35～48 kg/hm2。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行9 a后,不同施肥處理間氮素含量有顯著性差異。與不施肥處理相比,施肥增加土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮含量,平均增幅分別為192.53%、20.76%、13.76%,優(yōu)化施肥提升土壤中微生物生物量氮含量,常規(guī)施肥降低微生物生物量氮含量,并且表層土壤微生物量氮含量大于下層。施肥可明顯提升大豆、小麥的產(chǎn)量,土壤中的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與作物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中麥豆長(zhǎng)期輪作種植模式下優(yōu)化施肥在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)降低化肥施用量,降低土壤中全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量,增加微生物生物量氮含量,提高氮肥利用率,減少氮肥損失,減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的不良影響,降低農(nóng)資投入,提高麥豆種植的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)農(nóng)田面源污染阻控、促進(jìn)大豆種植面積提升起到重要作用。