2019, Vol. 27
2. 中国科学院大学 北京 100049;
3. 扬州大学环境科学与工程学院 扬州 225000
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China
土壤盐渍化作为一个全球性的问题, 已严重影响到农业生态系统的稳定性和农业经济的发展[1-3]。盐分累积不仅影响土壤的理化性质[4-5], 同时会影响微生物和酶活性以及相关的生物化学活动[6-7]。盐渍化条件下, 可溶性盐分使土壤溶液盐离子浓度升高, 降低作物的水分利用效率[8], 还会造成离子毒害[9-10], 进而干扰养分的吸收, 限制农业生产力的发展[11-12]。
氮是作物生长发育过程中主要的限制性养分元素[13]。农田土壤氮素有效性受到诸如微生物、酶活性、土壤水分状况、土壤质地、团聚体和盐分等多种因素的影响[14]。在滨海盐渍农田, 盐分成为其重要的影响因素, 盐分升高造成氮素的损失以及限制作物对氮素的有效利用。因此, 该地区土壤盐渍化的调控和治理问题显得尤为突出[15]。有机无机肥配施一直是盐渍化农田改盐增肥研究的热点, 也是研究进展最为迅速的领域之一[16]。有机肥与无机肥相结合, 在土壤培肥、地力提升与作物增产方面优于二者单独施用, 尤其在等氮量条件下的有机无机肥配施是发展有机无机复合肥产业的热点问题[17]。比如, 尚晓阳[18]针对黄河三角洲典型的滨海盐化潮土的研究结果表明, 常量有机肥+化肥模式, 能有效减少滨海盐碱地土壤盐分含量, 同时减少土壤养分的淋溶损失, 提高土壤有效养分的含量。张晓贺[19]针对甘肃引黄灌区新垦盐碱荒地的研究, 也证明了施加有机肥是提高土壤脱盐效果、抑制土壤返盐的有效措施, 有机无机肥配施可以显著提高土壤的肥力水平。谷思玉等[20]针对东北苏打盐碱土的研究结论与两者也较为一致。
针对有机无机肥配施的研究, 前人研究涉及范围较广, 如西北干旱半干旱区、东北苏打盐渍土区和华北盐渍土区等[18-20], 但对江苏滨海盐渍农田研究较少, 且相较于其他盐渍土区, 江苏滨海盐渍化农田有很大比例来自于新围垦滩涂。根据2009年《江苏沿海地区发展规划》, 到2020年, 江苏沿海滩涂围垦总规模达到18万hm2, 其中有60%将用于农业。再加上现有盐渍障碍较重的耕地面积55万hm2, 江苏沿海地区盐渍障碍耕地总面积在66.7万hm2左右。但是, 该类新围垦农田普遍存在土体盐分含量高、有机质含量低, 同时存在因缺少耕作改良, 土壤结构性差、生产力低下的特征[21], 这些障碍因子制约着大田作物的种植, 影响其开发利用的经济效益。同时, 由于盐渍化农田存在着空间变异性大, 具有地域性的特点。针对不同类型, 甚至同一类型不同区域的盐渍化农田, 都需要具体研究分析。因此本文基于前人研究成果, 在江苏滨海新垦盐渍化农田开展玉米(Zea mays)有机无机肥配施试验, 分析其对于土壤盐渍化改良、作物氮素利用和氮素平衡的影响和效果, 探究最为合理的有机无机肥配施比例, 以期为滨海盐渍化农田氮肥合理施用和有机无机配施模式提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于江苏省东台市沿海经济开发区条子泥垦区(32°38′42.01"N, 120°54′8.04"E), 东距黄海1 km, 西临东台市弶港镇。该区地处北亚热带季风气候区, 且具有明显的海洋性季风气候特征, 四季分明, 年平均气温14.6 ℃, 相对湿度为81%, 风速3.3 m·s-1, 全年无霜期达213 d。该区常年平均降水量为1 042 mm, 小于年平均蒸发量(1 417 mm), 同时, 降雨量季节波动性大, 雨季特征明显, 约70%的降雨量分布于6—9月[22]。试验地为新围垦地, 围垦时间为2015年。土壤为潮盐土亚类, 是典型的淤泥质海岸带盐渍土, 土壤质地为粉砂壤土[22], 容重1.37 g·cm-3左右。
1.2 试验设计与管理采用微区试验, 微区大小为3 m×4 m。按照等氮[225 kg(N)·hm-2]原则, 分别设全有机肥(OM1)、1/4化肥+3/4有机肥(OM3/4)、1/2化肥+1/2有机肥(OM1/2)、3/4化肥+1/4有机肥(OM1/4)、全化肥(OM0)和不施肥(CK)6个处理, 每个处理重复3次。研究区土壤和供试有机肥性质见表 1。
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表 1 研究区土壤和试验用有机肥基本性质 Table 1 Properties of soil and organic manure applied in the experiment |
供试玉米品种为‘长江玉8号’, 种植密度为67 500株·hm-2, 于2017年6月中旬播种, 并于2017年10月上旬收获。所用肥料为磷酸一铵和尿素, 氮肥基肥和两次追肥的比例为4:3:3, 磷肥作基肥全部施入。作物生长季不灌溉, 雨养。其余管理措施, 如除草、病虫害防治等均在需要时进行, 且同当地常规管理模式。
1.3 样品采集及指标测定于玉米种植前和收获后在各微区选3个点采集土样并混合均匀, 按0~20 cm、20~40 cm深度采样。作物收获时, 测定各微区的玉米籽粒和秸秆重量, 并在每个小区内多点混合随机抽取作物籽粒和秸秆, 进行磨碎过筛用于养分测定。
土样电导率、pH采用1:5土水比浸提, 电导率仪和pH计测定; 土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定; 土壤铵态氮和硝态氮采用1 mol·L-1 KCl 1:10土水比浸提, 铵态氮采用靛酚蓝比色法测定, 硝态氮采用紫外双波长法测定; 植株生物量、产量采用称重法测定; 植株氮素含量采用硫酸双氧水消煮, 靛酚蓝比色法测定[23]。
1.4 计算公式及统计方法[24]| $ \begin{array}{l} 氮收获指数(\% ) = 成熟期籽粒氮吸收量/植株氮\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;总吸收量 \times 100 \end{array} $ | (1) |
| $ \begin{array}{l} \;氮肥当季回收率(\% ) = (收获期施氮区地上部\\ 总吸氮量 - 收获期不施氮区地上部总吸氮量)/\;\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;氮肥施用量 \times 100 \end{array} $ | (2) |
| $ \begin{array}{l} 氮肥农学效率({\rm{kg}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}) = (施氮区玉米产量 - \\ \;\;\;\;\;不施氮区玉米产量)/氮肥施用量 \end{array} $ | (3) |
| $ 氮肥偏生产力({\rm{kg}} \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}) = 施氮区产量/氮肥施用量 $ | (4) |
| $ \begin{array}{l} \;土壤氮素表观净矿化量({\rm{kg}} \cdot {\rm{h}}{{\rm{m}}^{ - 2}}) = 不施氮区作物\\ 地上部氮积累量 + 不施氮肥区土壤残留无机氮量 - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;不施氮肥区土壤起始无机氮量 \end{array} $ | (5) |
| $ \begin{array}{l} \;\;\;氮素表观损失量({\rm{kg}} \cdot {\rm{h}}{{\rm{m}}^{ - 2}}) = 施氮量 + 土壤起始\\ 无机氮量 + 土壤氮素净矿化量 - 作物收获氮移走量 - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;土壤残留无机氮量 \end{array} $ | (6) |
采用Microsoft Excel 2016进行数据统计和处理, 采用SPSS 16.0软件对不同处理间差异进行显著性检验, 采用Sigmaplot 13.0软件进行绘图。图中误差棒均为标准差, 不同处理间差异显著性用字母标注, 未标注则差异不显著。
2 结果与分析 2.1 有机无机肥配施对土壤电导率和pH的影响从图 1可以看出, 0~20 cm土层土壤电导率均显著低于20~40 cm土层的土壤电导率, 由于研究区降雨充沛, 且玉米收获季降水也较充足, 对表层土壤盐分起到淋洗作用, 减少了表层土壤盐分的含量。0~20 cm土层, 不同处理间土壤电导率差异不显著。但OM3/4和OM1/2处理, 土壤电导率相对较高, 其他处理相差不大。20~40 cm土层, 不同处理间土壤电导率差异也不显著, 但整体上呈现出随有机肥施用量的增加, 电导率逐渐降低的趋势。
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图 1 不同施肥处理下玉米收获期滨海盐渍农田土壤电导率和pH的差异 Fig. 1 Soil electrical conductivity and pH of coastal salinized farmland under different treatments at maize harvest stage CK:不施肥; OM1:全粪肥; OM3/4: 1/4化肥+3/4粪肥; OM1/2: 1/2化肥+1/2粪肥; OM1/4: 3/4化肥+1/4粪肥; OM0:全化肥。同一土层, 不同处理间土壤电导率和pH差异均不显著。 CK: no fertilizer; OM1: all organic manure; OM3/4: 1/4 chemical fertilizer + 3/4 organic manure; OM1/2: 1/2 chemical fertilizer + 1/2 organic manure; OM1/4: 3/4 chemical fertilizer + 1/4 organic manure; OM0: all chemical fertilizer. The differences in soil electrical conductivity and pH are not significant among treatments in the same soil layer. |
0~20 cm土层土壤pH均显著低于20~40 cm土层土壤pH, 与金雯晖等[21]在该区域的研究结果相一致。由于苏北滨海盐土为氯化物型盐土, 且研究区地下水中Na+及HCO3-含量较高, 随着土壤反复的积盐、脱盐过程, Na+及HCO3-在土体中频繁移动, 因而增加了土壤胶体的吸附量, 使土壤碱化, 且易呈现pH从表层到深层逐渐增大的趋势。表层由于降水的淋洗作用, 降低了土壤胶体吸附量, 减轻了土壤的碱化程度, 故而造成0~20 cm土层土壤pH较低。就同一土层, 不同处理间pH差异不显著, 且随有机肥施用量的增加, 未呈现明显的规律性变化。
2.2 有机无机肥配施对土壤含水率、容重和有机质含量的影响由图 2可知, 玉米收获季, 0~20 cm土层土壤含水率均显著低于20~40 cm土层土壤含水率。0~20 cm土层, 不同处理间土壤含水率整体差异不显著, 经LSD多重比较检验, 部分处理间存在显著性差异。施加有机肥处理土壤含水率相对较高, 其中, OM1和OM3/4处理土壤含水率最高, OM1/4和OM0处理土壤含水率较低。整体来看, 0~20 cm土层, 土壤含水率随有机肥施用量的增加而增加。20~40 cm土层, 施加有机肥的处理土壤含水率也都保持较高的水平, 均高于CK和OM0处理。综合0~40 cm土层来看, 有机肥的施入提高了土壤含水率。这与陈刚等[25]的研究结果相一致。主要是由于有机肥的施入, 改善土壤结构, 增强了土壤的持水性能。
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图 2 不同施肥处理下玉米收获期滨海盐渍农田土壤含水率、容重和有机质的差异 Fig. 2 Soil moisture content, bulk density and organic matter content of coastal salinized farmland under different treatments at maize harvest stage CK:不施肥; OM1:全粪肥; OM3/4: 1/4化肥+3/4粪肥; OM1/2: 1/2化肥+1/2粪肥; OM1/4: 3/4化肥+1/4粪肥; OM0:全化肥。不同小写和大写字母分别代表 0~20 cm和20~40 cm土层各处理间的差异显著(P < 0.05), 未标注则差异不显著。 CK: no fertilizer; OM1: all organic manure; OM3/4: 1/4 chemical fertilizer + 3/4 organic manure; OM1/2: 1/2 chemical fertilizer + 1/2 organic manure; OM1/4: 3/4 chemical fertilizer + 1/4 organic manure; OM0: all chemical fertilizer. Different lowercase and capital letters mean significant differences among treatments in 0-20 cm and 20-40 cm soil layer, respectively. The difference is not significant without marking. |
从土壤容重来看, 不同处理间0~20 cm土层土壤容重差异不显著。但相较于CK和OM0处理, 施加有机肥的处理, 土壤容重均有略微降低。由于有机肥施入土壤中, 能疏松和改善土壤结构, 增加土壤空隙和透气性, 减小土壤容重。且施入越多, 对容重的降低作用越明显。
从土壤有机质含量来看, 0~20 cm土层土壤有机质含量整体高于20~40 cm土层土壤有机质含量, 这与前人研究结果一致[26]。主要是由于土壤表层接受地表作物凋落物, 并存在大量作物细根, 有机质来源丰富, 故有机质含量较高; 随深度增大, 有机质的来源数量不断减少, 有机质含量不断减少。各土层不同处理间土壤有机质含量差异不显著。但相较于CK和OM0处理, 施加有机肥的处理, 土壤有机质含量均有所升高。其整体上呈现随有机肥施入量的增加而升高的趋势。有机肥作为土壤有机质的重要来源, 随有机肥施入量的增加, 有机质含量也有所升高。
2.3 有机无机肥配施对玉米产量和氮素吸收利用的影响由表 2可知, 部分处理间产量存在显著性差异, 所有施肥处理籽粒产量均高于CK, 但不同处理增产效果存在差异。相较于CK, OM1、OM3/4、OM1/2、OM1/4和OM0的增产幅度分别为23.74%、34.76%、32.16%、63.21%和31.83%, 均实现了较大幅度的增产。其中OM1增产幅度相对较小, OM1/4增产幅度最为显著。就有机无机肥配施处理与单施化肥OM0对比来看, OM1处理产量略低于OM0处理, OM3/4和OM1/2处理与OM0相差不大, OM1/4处理产量高于OM0。同时, 所有施肥处理秸秆量也均高于不施肥处理。OM3/4、OM1/2处理秸秆量略低于OM0处理秸秆量, OM1/4处理秸秆量略高于OM0处理秸秆量。
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表 2 不同施肥处理下滨海盐渍农田玉米产量、含氮量和吸氮量的差异 Table 2 Maize yield, nitrogen content and N uptake in coastal salinized farmland under different treatments |
籽粒含氮量, 除OM1处理外, 其他处理均高于不施肥处理。就有机无机肥配施处理与OM0对比来看, OM3/4处理籽粒含氮量与OM0籽粒含氮量基本一致, OM1/2、OM1/4处理籽粒含氮量接近, 均略高于OM0处理。施肥处理秸秆含氮量均高于CK。就有机无机肥配施处理与OM0对比来看, OM3/4和OM1/2处理高于OM0处理, OM1和OM1/4处理低于OM0处理。
综合植株不同部位的质量和含氮量, 计算不同处理间作物的总吸氮量。可以看出, 施肥处理均高于CK。就有机无机肥配施处理与OM0处理对比来看, OM1处理作物吸氮量较低, 其他处理作物吸氮量相对较高, 单株作物吸氮量均超过4 g, 其中OM1/4处理作物吸氮量最高, 单株作物吸氮量为4.32 g。
2.4 有机无机肥配施对玉米氮肥利用效率的影响选取常用指标氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力来表征农田肥料利用效率(表 3)。整体来看, 与常规非盐渍化农田的氮肥利用效率[17, 24]相比, 相关指标均呈现较低水平。从表 3可知, OM1/2和OM1/4处理的氮收获指数较高, 均超过30%。就氮肥当季回收率来看, OM3/4和OM1/4处理氮肥当季回收率较高。就氮肥农学效率来看, 有机无机肥配施处理均高于OM0处理, OM3/4和OM1/2与OM0处理相差不大, OM1/4处理显著高于其他。氮肥偏生产力差异与氮肥农学效率差异相一致。综合相关指标来看, OM1/4处理氮肥利用效率最好。
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表 3 不同施肥处理下滨海盐渍农田玉米氮肥利用效率 Table 3 Maize N utilization efficiency in coastal salinized farmland under different treatments |
盐渍化的发生造成农田氮肥损失量的增大, 计算田间氮素平衡状况对于探究农田养分损失及利用具有重要意义。本研究计算了0~40 cm土层内的氮素平衡用以评估玉米对氮肥的利用状况(表 4)。在氮素输入项中, 施氮量起着主要作用, 占总输入项的50%以上。玉米全生育期土壤氮素的矿化量达到173.71 kg·hm-2, 这主要是由于试验田为新围垦农田, 试验小区划分之前, 种植绿肥植物用于还田培肥, 大量植物残体留于土壤中, 造成矿化量较高。而在氮素的输出项中, 不同处理间作物吸氮量存在一定差异, OM1处理作物吸氮量较低, 其他处理相差不大, 但OM1/4处理作物吸氮量相对略高。对比种植前和收获后的无机氮含量来看, 两者相差不大。但是氮素输入量远大于作物吸收量和土壤残留量, 说明有很大一部分无机氮素通过淋洗、氨挥发和硝化反硝化途径损失掉。因此, 针对土壤植物体残留较多的情况, 应酌情调整肥料用量。总体来看, OM1/4处理, 其氮素表观损失量较小[24, 27]。
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表 4 不同施肥处理下滨海盐渍农田玉米土壤氮素平衡 Table 4 N balance of maize field in coastal salinized farmland under different treatments |
盐渍化土壤含盐量高, 养分匮乏, 有机无机肥配施是实现盐渍化农田土壤培肥, 作物增产的有效途径。其一方面能够改善土壤的盐渍化状况[19, 28-29], 另一方面增加土壤有机质, 疏松土壤, 提高作物对水分和养分的利用率, 实现作物增产[17, 22]。
关于有机无机肥配施对土壤盐渍化的改善, 已有学者分别对不同地区、不同盐渍化类型的农田土壤开展了研究。例如张晓贺[19]在干旱半干旱区农田开展的研究表明, 增施有机肥对于耕层土壤电导率有明显的降低作用。杨德超[28]对于碱化盐土开展的试验也表明, 有机无机肥配施能有效降低土壤含盐量, 且有机无机肥配合施用比例2:3效果最好。汪睿[29]在黑龙江苏打盐渍土上的研究结果也表明, 相较于单施化肥, 添加有机肥处理均能够很好地降低土壤的电导率, 其中单施有机肥处理, 电导率降幅最大。前人研究均表明, 有机肥的施入可以降低土壤含盐量, 但不同地区最优的有机无机肥配施比例存在一定的差异。而本研究的试验区位于江苏东台滨海滩涂区, 相较于其他研究区, 降水充沛。在本研究中, 0~20 cm土层不同处理间电导率差异不显著。这主要是由于降水对表层盐分的淋洗作用, 使得盐分下移所造成的。而20~40 cm土层, 则整体上呈现出随有机肥施用量的增加电导率降低的趋势。这与前人的研究结论相一致。该规律的成因是因为有机肥中含有大量疏松有机物质, 其能够降低土壤紧实度和改善土壤结构[30-31], 一方面有利于土壤盐分的淋溶; 另一方面, 减少表层土壤毛管孔隙, 减少随水分蒸发而造成盐分表聚效应[32]。而对于土壤pH的影响, 南江宽等[32]和彭娜等[33]的研究表明, 有机肥的施入使得土壤pH有所降低。而解开治等[34]则认为, 长期配施牛粪和鸡粪有机肥显著提高了土壤pH。而在本研究中, 不同处理间pH差异并未呈现明显的规律性。可能是由于试验周期较短造成, 因此该地区有机无机肥配施对于土壤pH的影响, 有待于进一步的研究。
关于有机无机肥配施对作物养分吸收和利用效率的影响。已有学者针对黑土、潮土、红壤和不同盐渍土区农田土壤开展了相关研究。比如高洪军等[17]在黑土区的研究表明, 有机无机肥配施处理春玉米氮素累积量、阶段累积量和日均累积量均高于全化肥处理和秸秆化肥配施处理。且化肥配施农家肥的氮肥利用率、农学效率和偏生产力均显著高于化肥处理。李鹏[35]在潮土上开展的研究表明, 有机无机肥配施比单施有机肥或单施化肥作物产量更高, 营养品质更好。在300 kg·hm-2施氮水平, 有机无机肥配施比例3:1综合效果最理想。段英华等[36]在红壤区开展的研究表明, 相较于施用化肥处理, 有机无机肥配施处理籽粒产量和植株吸氮量均有大幅度增加。在盐渍化土壤上, 也开展了相关研究。罗佳等[37]在新疆盐渍化农田开展的研究表明, 等量供肥条件下, 不同有机肥与化肥对棉花(Gossypium spp.)产量的贡献无明显差异。杜海岩等[38]在东营滨海盐渍化农田开展的研究表明, 优化施肥和优化施肥+有机肥处理有效提高了棉花产量、肥料农学利用率、偏生产力, 且优化施肥条件下, 配合施用有机肥增产效果更为显著。周连仁等[39]在东北碱化盐渍土上开展的研究表明, 不同的有机无机肥配施比例均可改善盐渍化土壤的理化性状, 而低比例与高比例有机肥不利于玉米增产。综合来看, 无机肥含量氮与有机肥含氮量(碱解氮)比值为2:3效果最优, 玉米产量和养分利用效率最高。上述研究表明, 无论是在非盐渍土还是盐渍土上, 适宜的有机无机配施比例不仅能提高氮素的利用率, 同时也减少了化肥氮投入[40-41]。在本研究中, OM1/4处理玉米产量和全株吸氮量最高, 同时氮收获指数、氮肥当季回收率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力也均为最高。综合来看, OM1/4处理肥料利用效果最好, 既能减少化肥氮的投入, 又能维持较高的玉米氮素养分吸收和利用效率。有机无机肥配施能提高氮肥利用率的原因在于:作物生长前期, 无机化肥能及时供应适量的无机氮, 而有机肥代替部分无机化肥则能减少无机氮过量累积造成的淋洗和挥发损失; 而在作物生长中后期, 有机肥矿化又能持续稳定地释放供应无机氮[42]。而且张亚丽等[43]和徐阳春等[44]的研究表明, 有机肥易被微生物利用, 在前期无机氮充足供应的条件下, 有机肥分解的氮素被微生物固定在体内, 而到作物生长后期, 无机氮被消耗到极低含量时, 大量的微生物又相继死亡, 将固持在体内的氮素释放出来供作物吸收利用, 使作物在生长期内一直处于良好的供氮条件下。
4 结论有机肥代替部分化肥的施入, 降低了滨海盐渍化农田土壤的电导率, 且呈现出随有机肥施用量的增加, 电导率逐渐降低的趋势。但其对土壤pH影响不显著。
有机肥的施入提高了土壤有机质的含量, 改善土壤结构, 降低了土壤容重。同时提高了土壤含水率, 增强了土壤的持水和保水能力。
就不同处理玉米产量和吸氮量来看, OM1/4处理玉米产量、籽粒含氮量和全植株吸氮量最高。同时, 氮收获指数、氮肥当季回收率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力等指标也较高。
从田间氮素平衡状况可以看出, 氮素输入量远大于作物吸收量和土壤残留量, 有很大一部分无机氮损失掉。因此, 针对土壤植物体残留较多的情况, 应酌情调整肥料用量。其中, OM1/4处理, 其氮素表观损失量较小。
综合有机无机肥配施对降低土壤盐分和作物养分吸收利用两者来看, 在施氮量225 kg·hm-2条件下, OM1/4处理(3/4化肥氮+1/4有机肥氮)效果最好, 其即能在一定程度上降低土壤含盐量, 又能维持较高的作物产量和氮素利用效率。同时对于改善土壤结构, 提高土壤的保水性, 和提高土壤有机质含量也具有重要意义。
致谢 文章修改过程中, 得到中国科学院南京土壤研究所刘小媛同学的帮助, 谨此致谢!
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