氮肥减施下有机肥替代对滴灌棉花产量、氮素吸收利用及土壤硝态氮的影响

杨国江,陈 云,林祥群,何江勇,刘盛林,曲永清

(1.新疆农垦科学院/农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室,新疆石河子 832000;2. 新疆石河子职业技术学院,新疆石河子 832000;3. 新疆沃土壮苗农业科技有限公司,新疆克拉玛依 834032;4. 新疆石河子新业农牧生物发展有限公司,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】化肥为作物生长提供了必需养分[1],化肥施用量尤其是氮肥施用量有所增加[2-5]。过量施用氮肥会导致土壤质量降低[6-7]。研究氮肥减施下有机肥替代对滴灌棉花产量、氮素吸收利用及土壤硝态氮的影响,对选择合适的有机肥替代技术有实际意义。【前人研究进展】化肥减量条件下有机肥替代化肥能够显著增加作物产量[8-11],但并不是有机肥替代比例越高越好[12-13],有机肥替代比例过高反而会造成作物减产[14-16]。适宜的有机肥替代化肥的比例才能提高土壤养分有效性,增加作物养分吸收和运输[17]。有机肥替代化肥的最佳比例为10%～30%[18-20]。化肥减量配施黄腐酸能够改善土壤速效养分供应,促进作物生殖器官中的养分累积,提高作物产量及改善品质[21-23]。【本研究切入点】新疆棉花种植面积和总产均占全国的85%以上,随着化肥减施增效技术的推广,有机肥替代化肥也取得了一定成效[18, 24-25],但目前有机替代主要集中在一种有机肥替代部分化肥或黄腐酸配施化肥上,而化肥减施下有机肥替代化肥再配施黄腐酸对棉花产量和氮肥吸收利用的影响尚无文献报道。需比较氮肥减施条件下有机肥替代在滴灌棉花上的肥效及其对土壤硝态氮的影响。【拟解决的关键问题】设置5个处理,分析棉花产量、氮肥吸收利用及土壤硝态氮的变化,建立合适的氮肥减施下等氮量有机替代技术模式,为新疆棉花化肥减施和有机肥替代化肥提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年和2021年在新疆石河子市北泉镇开展,试验区土壤为壤质灌耕土。棉花供试品种为新陆早57号,2020年4月15日和2021年4月16日播种。采取膜下滴灌种植,1膜6行3条滴灌带,行距配置(10+66) cm,株距10 cm,小区面积54 m2。滴灌带滴头流量为2.8 L/h,播种后滴灌出苗水(第1水),第2水6月8日灌溉,以后每间隔8～12 d灌溉1次,8月20日停水,全生育期灌溉10次,灌水定额450 m3/hm2,灌溉定额4 500 m3/hm2。表1

表1 0～40 cm土壤基本农化性状

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

各处理25%的氮肥在播种前基施,其中处理2、处理3施用尿素,处理4、处理5施用猪粪;75% 氮肥作追肥(尿素),分别在棉花蕾期(1次,15%)、花期(2次,10%和15%)、铃期(2次,15%和10%)和盛铃期(1次,10%)分6次随水滴施。处理5的黄腐酸分别在棉花蕾期和花期随水滴施。各处理的磷肥为重过磷酸钙(P2O546%)、钾肥为硫酸钾(K2O 50%)在翻地前作基肥一次性施入。猪粪有机肥主要理化指标:水分3.43%,pH 6.95,有机质26.18%,P2O51.93%,K2O 1.51%。

1.2.2 样品采集

在施基肥前、蕾期、花期、成熟期,在试验区多点采集0～20 cm、20～40 cm土壤,带回实验室风干,拣去植物根系、动物残体和石块等杂物,研磨,备用。

1.2.3 测定指标

土壤pH值:称取5 g过2 mm筛的风干土样,加入25 mL去除CO2的蒸馏水(pH=7.0),震荡20 min,静止沉淀后,用酸度计测试上清液的pH值,即为土壤的pH值。

土壤养分:有机质采用重铬酸钾-外加热法;硝态氮用1 mol/L的KCl溶液浸提,流动分析仪测定;有效磷用pH 8.5的0.5 mol/L NaHCO3浸提,钼锑抗比色;速效钾用NH4OAc浸提,火焰光度法测定。

生物量:在棉花成熟期采集地上部的植株样品,按茎、叶、蕾/花、壳、纤维、籽等不同器官分离开,105℃杀青30 min,然后70℃烘干至恒重,称重,记录干物质重,即地上部生物量。

植株全N:将烘干的植株样品粉碎,过0.5 mm筛,用H2SO4-H2O2消煮,用凯氏定氮法测定植株不同部位N含量。

加强军事文化传播体系建设。适应建设世界一流军队、打赢信息化战争的需要，紧跟信息化数字化智能化技术的发展，针对“西强中弱”的国际舆论格局，优化军事文化传播机构设置，构建大众传播与群体传播相结合、专业人员与兼职人员相结合的军事文化传播队伍。在军队宣传文化系统开展增强脚力、眼力、脑力、笔力的教育培训和实践锻炼，努力打造一支政治过硬、本领高强、求实创新、能打胜仗的军事文化传播队伍。

棉花产量:成熟期于各小区调查面积为9.6 m2内的棉花株数、铃数,并采收小区内棉花100朵测单铃重。

氮肥利用率(%) = (施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100%,表示被植物吸收的氮占施入土壤的肥料氮的比例。

氮表观平衡(kg/hm2)=施氮量(投入量)-棉花氮吸收量(移走量)。

1.3 数据处理

图表利用Microsoft Excel 2003制作,试验数据采用SPSS 21.0统计软件进行方差分析和多重比较 (LSD法)。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代部分氮肥对棉花产量的影响

研究表明,试验年份对棉花产量没有显著影响(P>0.05),处理间产量差异显著(P<0.05),施用氮肥显著提高了皮棉产量,其中氮肥减施条件下,有机肥替代部分氮肥再配施黄腐酸(N180MN60FA)的增产效果最好。2020年,氮肥减量20%(N240)的棉花产量显著低于习惯施肥(N300),减产8.6%;氮肥减量20%条件下,N180MN60和N180MN60FA处理比N300处理分别增产0.9%和3.3%,但三者间没有显著差异。2021年氮肥减量20%条件下,N240处理比N300处理减产9.3%,而N180MN60FA处理比N300处理分别显著增产6.4%,但N180MN60和N300处理没有显著差异。图1

注:N0—不施氮肥;N300—施氮量300 kg/hm2;N240—施氮量240 kg/hm2;N180MN60—施氮量240 kg/hm2,75%N由尿素提供,25%N由有机肥提供;N180MN60FA—N180MN60配施150 kg/hm2黄腐酸。不同小写字母表示同一年份不同处理间差异达到显著性水平(P<0.05),下同

2.2 有机肥替代部分氮肥对棉花生物量的影响

研究表明,施用氮肥显著提高了棉花总生物量。2020年,N180MN60FA处理的总生物量显著大于N300处理,增加6.3%,其中N180MN60FA处理的叶、纤维、棉籽的生物量显著大于N300处理,而茎与壳没有显著差异;而N180MN60和N300处理的生物量没有显著差异,但二者都显著大于N240和N0处理。2021年,N180MN60FA处理的总生物量显著大于N300处理,增加7.4%,且各部位的生物量叶都显著高于N300处理;而N180MN60和N300处理的生物量没有显著差异,但二者都显著大于N240和N0处理。在减氮20%条件下,有机肥替代部分氮肥再配施黄腐酸的效果优于习惯施肥,而有机肥替代部分氮肥效果与习惯施肥相当。图2

图2 不同年份各处理下棉花生物量分配与累积变化

2.3 有机肥替代部分氮肥对棉花氮素吸收量的影响

研究表明,施用氮肥显著提高了棉花总氮素吸收量。2020年,N180MN60FA处理棉花的总氮素吸收量最大,为230.5 kg/hm2,显著大于N0、N240、N180MN60,但与N300处理没有显著差异,而N180MN60FA与N300处理总氮素吸收量显著大于N240处理;N180MN60FA与N300处理的叶、茎、壳、纤维和棉籽的氮素吸收量都没有达到显著差异;N180MN60FA处理壳的氮素吸收量显著大于N180MN60处理,但其它部位没有显著差异;而N180MN60与N300处理的叶、茎、壳、纤维和棉籽的氮素吸收量都没有显著差异。2021年,N180MN60FA处理棉花的总氮素吸收量为233.0 kg/hm2,显著大于N0、N240处理,与N300、N180MN60处理没有显著差异;N180MN60FA处理叶的氮素吸收量显著高于N300处理,其它部位没有显著差异;N180MN60FA处理叶和棉籽的氮素吸收量显著高于N180MN60处理,其它部位没有显著差异;N180MN60与N300处理的各部位氮素吸收量没有显著差异,而N300处理仅有棉籽的氮素吸收量显著高于N240处理,其它部位没有显著差异。图3

图3 不同年份各处理下棉花不同部位磷素吸收量变化

2.4 有机肥替代部分氮肥对棉花氮肥效率的影响

研究表明,2020年施氮处理的氮肥利用率为38.2%～48.4%,其中N180MN60FA处理的氮肥利用率最高,其次是N180MN60、N240处理,而N300处理最低。2021年,N180MN60FA处理的氮肥利用率最高,为54.3%,其次是N180MN60处理,而N300处理最低,为42.4%。2年的平均氮肥利用率为40.3%～51.3%,其中N240、N180MN60、N180MN60FA处理的氮肥利用率比N300处理分别提高6.5、8.4、11.0个百分点。2020年至2021年,不施氮处理的土壤N表观平衡均为亏缺,2年平均为-108.6 kg/hm2;而N300、N240、N180MN60和N180MN60FA处理的土壤N表观平衡均为盈余,2年平均分别为70.4、19.1、14.7和8.3 kg/hm2,其中N180MN60FA处理的土壤N盈余远小于其它3个施氮处理。表2

表2 各处理棉花氮肥效率和土壤氮素表观平衡

2.5 有机肥替代部分氮肥对土壤硝态氮的影响

研究表明,2020年,棉花蕾期各处理间0～20 cm土壤硝态氮含量差异显著,其中N300、N180MN60FA处理显著大于其它处理,二者间没有显著差异,不施氮处理硝态氮含量最低,为18.2 mg/kg;20～40 cm土壤硝态氮含量与0～20 cm具有相同的趋势。花期0～20 cm土层,N300处理土壤硝态氮含量为45.6 mg/kg,显著大于除N180MN60FA之外的其它处理,而N180MN60、N180MN60FA处理间没有显著差异;20～40 cm土壤硝态氮含量以N300、N180MN60FA处理最高,显著大于其它处理,二者间没有显著差异。成熟期0～20 cm土层,N300、N180MN60和N180MN60FA处理的硝态氮显著高于N0、N240处理,三者间没有显著差异;20～40 cm土壤硝态氮含量以N300处理最高,显著大于其它处理,而N240、N180MN60、N180MN60FA处理间没有显著差异。

2021年,棉花蕾期0～20 cm土层,N300处理土壤硝态氮含量为36.3 mg/kg,显著大于其它处理,其次是N180MN60FA处理,N0处理最小;20～40 cm土壤硝态氮含量与0～20 cm具有相同的趋势。花期0～20 cm土层,N300处理土壤硝态氮含量为48.8 mg/kg,显著大于N0、N180MN60、N240处理,而与N240、N180MN60FA处理没有显著差异;20～40 cm土层,N300处理土壤硝态氮含量显著大于其它处理,其次是N180MN60FA处理,N0处理最小。成熟期0～20 cm土层,N300、N180MN60FA处理显著大于其它处理,二者间没有显著差异,不施氮处理硝态氮含量最低,为11.4 mg/kg;20～40 cm土层,N300处理土壤硝态氮含量显著大于其它处理,而N240、N180MN60、N180MN60FA处理间没有显著差异。表3

表3 不同生育期 0～40 cm 土壤中硝态氮的含量

3 讨 论

3.1化肥对我国粮食产量的贡献率为40.8%[26]。棉花是我国重要的经济作物,其化肥效率低于粮食作物[27]。习惯施氮量减少20%～30%时,玉米、小麦得产量未出现显著下降[23, 28]。

3.2有机肥替代部分化肥可增加作物产量(短期)、改善土壤质量 (长期)[29-30]。有机肥替代化肥的比例、作物种类与品种、土壤类型和肥料种类存在较大差异。孟琳等[31]研究表明,水稻上有机肥氮替代部分化肥氮最适比例在15%～25%。任科宇等[32]、Xin等[33]研究认为,50%的有机肥替代化肥可有效提高小麦和玉米产量。陶磊等[26]研究表明,有机肥替代20%～40%常规化肥用量可达到与单施化肥处理相同产量。哈丽哈什·依巴提等[18]试验表明,与单施化肥相比,有机肥氮替代10%～20%化肥氮可提高棉花氮素利用率,显著增加棉花产量,30%替代时维持相当棉花产量。研究结果表明,等氮量条件下,与单施化肥相比,有机肥氮替代25%化肥氮(N180MN60)可显著提高棉花产量,但没有显著增加氮素吸收量;有机肥氮替代25%化肥氮再配施黄腐酸(N180MN60FA)比单施化肥(N240)显著增加了棉花产量和氮素吸收量,2年的氮肥平均利用率提高4.5个百分点。与习惯施氮量(N300)相比,N180MN60和N180MN60FA处理都维持了相当的棉花产量和氮素吸收量,但都提高了氮肥利用率,降低了土壤氮素表观平衡,其中N180MN60FA处理的2年氮肥平均利用率最高,为51.3%,提高了11.0个百分点。

3.3在肥料减量的基础上,配施有机肥能够改善土壤理化性质,并控制土壤养分的循环与转化[34]。化肥配施有机肥能够减少土壤表观氮素盈余,降低氮素在土壤剖面中的累积和淋失[35-36]。研究结果表明,与习惯施氮相比,习惯施氮减量20%(N240)和有机肥氮替代25%化肥氮(N180MN60)都降低了棉花生育期0～40 cm土壤的硝态氮含量;在N180MN60基础上配施黄腐酸(N180MN60FA)只显著降低了20～40 cm土壤的硝态氮含量,而0～20 cm土壤的硝态氮含量没有显著差异,可能是黄腐酸通过与尿素结合形成的具有较高稳定性的化学键,从而提高氮素有效性[37],以及黄腐酸经氧化降解后能抑制土壤脲酶活性,减缓尿素水解速度,减少氮素损失[38]。

4 结 论

4.1减氮20%条件下,有机肥替代部分氮肥再配施黄腐酸比习惯施肥显著增加棉花干物质量,提高棉花产量,增产3.3%～6.4%;而有机肥替代部分氮肥与习惯施肥的棉花干物质与产量大体相同。

4.2减氮20%条件下,有机肥替代部分氮肥再配施黄腐酸、有机肥替代部分氮肥与习惯施肥的棉花氮素吸收量没有显著差异,但两者都提高了氮肥利用率,减少了土壤氮素盈余。

4.3等氮量条件下,有机肥替代部分氮肥再配施黄腐酸显著增加了土壤硝态氮。