氮磷鉀用量對土壤礦質態氮和春小麥氮積累的影響

田海梅,王月梅,王西娜,韋廣源,譚軍利,王朝輝

(1.寧夏大學農學院,寧夏銀川,750021;2.寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏銀川,750021;3.西北農林科技大學資源與環境學院,陜西楊凌,712100)

春小麥是寧夏主要糧食作物之一,對寧夏糧食安全和社會穩定具有重要意義。在春小麥生產中存在重氮和磷、輕鉀肥、盲目施肥等不合理的管理問題[1-3],造成大量礦質態氮殘留于土壤,引發土壤養分失衡、氮素損失、植株倒伏、生態環境污染及病蟲害等危害[4-7]。提高氮肥利用率,減少氮素殘留損失是寧夏引黃灌區春小麥生產中亟待解決的問題。適量減少化肥用量有利于保持土壤供氮能力、維持土壤氮庫穩定[8-9];促進氮素吸收,提高氮肥利用效率,增加小麥籽粒產量[10-11]。與傳統施肥方式相比,減施氮肥和磷肥,適量增施鉀肥,有利于促進小麥對土壤養分吸收,提高小麥產量[2]。過量施用氮肥會降低小麥的生產能力和氮肥利用效率[12]。趙 營等[13]研究結果表明,減氮28.6%和減磷1/3,并未使小麥產量和氮素吸收量顯著降低。黃興法等[14]提出春小麥適宜N、P2O5、K2O施用量為178.1、62.2 和58.7 kg·hm-2。在保障現有糧食產量下,合理施用氮、磷、鉀肥和配施有機肥等措施,可促進土壤氮素釋放,提高肥料利用率[15-16]。據抽樣調查,十年來寧夏農戶主要以氮、磷肥作基肥和種肥,鉀肥作基肥,有89.7%農戶施氮過量,81.1%的農戶施鉀肥不足[17]。適當減施氮、磷、鉀肥,能促進小麥氮素吸收、提高產量及氮肥利用效率[18-19],有效降低土壤硝態氮殘留,改善土壤生態環境[20]。目前,有關化肥減施對作物產量和養分吸收的研究較多,但對養分供需矛盾的研究鮮見報道。本研究通過田間試驗,研究減施氮、磷、鉀肥條件下土壤礦質態氮含量與春小麥氮素利用之間的關系,為寧夏引黃灌區春小麥生產中合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于寧夏黃河沖積平原永寧縣寧夏大學教學實驗農場(38°12′35″N,106°14′33″E),年均10 ℃積溫3 300 ℃,無霜期140～160 d,平均日照3 000 h,日溫差13 ℃,年均降雨量180～200 mm,蒸發量1 100～1 600 mm。土壤為灌淤土,耕層(0～20 cm)土壤基本理化性狀為:容重1.16 g·cm-3,pH值8.60,EC1.50.22 mS·cm-1,有機質10.50 g·kg-1,全氮0.81 g·kg-1,全磷0.69 g·kg-1,礦質態氮27.20 mg·kg-1,速效磷9.65 mg·kg-1,速效鉀182.25 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試春小麥品種為寧春4號。采用田間試驗,氮設5個水平,磷、鉀各設4個水平,具體見表1。隨機區組排列,重復3次。氮肥處理小區面積63 m2(9 m×7 m),磷、鉀肥處理小區面積31.5 m2(7.0 m×4.5 m),各小區之間壟高、寬分別為30 cm和50 cm。所用肥料為尿素(N46%)、重過磷酸鈣(P2O546%)、氯化鉀(K2O 46%),磷、鉀肥全部做基肥施入,氮肥的60%作基肥,40%作追肥,于4月底和5月中旬分別結合灌水追施16%和24%。其他管理同當地大田。

表1 試驗處理及施肥量Table 1 Treatments and fertilization amount

2018年3月11日機械條播,播種量為375 kg·hm-2,寬、窄行距25、15 cm;在春小麥全生育期黃河水漫灌3次(4月25日、5月15日、6月25日),灌水量均為60 mm。2018年7月10日收獲。

1.4 測定指標與方法

在小麥分蘗期、拔節期、抽穗期及成熟期,每小區隨機選擇1 m雙行的采樣點2個,取地上部測重后按莖葉、穎殼和籽粒(僅成熟期)分離,105 ℃殺青30 min,65 ℃恒溫烘48 h左右,計算水分含量和干物質量;將烘干的各器官粉碎,用半微量凱氏定氮法測定氮含量。在成熟期,每小區收獲1 m×1 m的3個樣方測產。

在播前、分蘗期、拔節期、抽穗期及成熟期采集完植株樣品的地方,用土鉆采集0～20 cm的土層土樣,帶回實驗室測定水分;將土壤風干、研磨、過1 mm篩,采用1 mol KCl浸提土壤中的銨態氮和硝態氮,前者用分光光度計在625 nm比色法測定,后者用紫外分光光度計在210 nm和275 nm測定。土壤銨態氮和硝態氮含量總和為土壤礦質態氮含量。相關指標計算公式如下:

各器官吸氮量=各器官干物質量×各器官氮含量;

氮素利用率=(施氮區吸氮量-不施氮區吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥偏生產力=籽粒產量/施氮量;

氮肥農學效率=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量;

土壤氮依存率=不施氮區地上部吸氮量/施氮區地上部吸氮量×100%;

氮肥貢獻率=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮區產量×100%;

土壤礦質態氮累積量=土層厚度×土壤容重×土壤礦質態氮含量/10。

1.5 數據處理

用 Excel 2010進行數據處理和作圖,用DPS進行多重比較和方差分析。

2 結果與分析

2.1 土壤礦質態氮和春小麥氮積累對施氮量的響應

從圖1可以看出,隨生育期推進,土壤礦質態氮累積量呈先上升后下降最后趨于穩定之勢,各時期均以N2處理較高;植株氮累積量持續增加,各時期均以N3處理最高。分蘗期,由于追施氮肥的緣故,土壤礦質態氮累積量達生育期最高值,N2處理分別比N0、N1和N4處理提高26.67%、40.00%、44.24%;植株氮累積量以N3處理最高,較N0和N1處理顯著提高,分別提高39.87%和20.51%;該時期土壤供氮量明顯高于植株吸氮量。孕穗期,較分蘗期土壤礦質態氮累積量N0至N4處理依次減少了41.34、37.90、50.44、44.99和26.02 kg·hm-2,植株氮素累積量依次增加了111.08、100.83、117.65、170.36和116.49 kg·hm-2,其中N3處理的植株氮素累積量比土壤礦質態氮累積量高165.79 kg·hm-2。成熟期,土壤礦質態氮含量較孕穗期稍有升高,而N0至N4處理植株氮素累積量分別增加16.67、28.25、60.83、82.67和69.67 kg·hm-2,N2至N4處理的植株氮素累積量分別比土壤礦質態氮累積量高157.15、237.36和173.40 kg·hm-2。綜上,適量減氮(25%～50%)可促進耕層土壤氮素礦化,提高植株對氮素的吸收。

相同時期圖柱上和折線上不同字母表示不同氮處理間在0.05水平差異顯著。下同。

2.2 土壤礦質態氮與春小麥氮積累對施磷量的響應

從圖2可以看出,隨春小麥生育期推移,耕層土壤礦質態氮累積量呈先上升后下降最后趨于穩定的態勢,土壤礦質態氮累積量在生育前期高于植株氮素累積量,拔節期以后低于植株氮素累積量。分蘗期土壤礦質態氮累積量最高,其中P1處理達98.61 kg·hm-2,較P0與P3處理顯著增加(20.71%和38.65%),較植株氮素累積量高54.21 kg·hm-2。拔節期,P1較P3處理的土壤礦質態氮累積量顯著提高(46.30%);植株氮素累積量以P2處理最高,較P0和P3處理提高69.57%和27.66%。孕穗期,P0至P3處理的植株氮素累積量比土壤礦質態氮累積量高102.32、112.50、117.17和110.37 kg·hm-2。成熟期,P1和P2處理的土壤礦質態氮累積量與植株氮素累積量均顯著高于P0處理,分別提高42.67%和31.27%、27.46%和21.27%,各處理的氮素利用率(N0處理為對照)分別為11.35%、35.45%、32.18%及28.10%?？梢?適量減磷(20%～60%)有利于土壤釋放氮素,增加植株氮素累積量,提高氮肥利用率。

圖2 不同P水平下春小麥生育期土壤礦質態氮累積量與植株氮素累積量

2.3 土壤礦質態氮與春小麥氮積累對施鉀量的響應

從圖3可以看出,分蘗期,鉀肥對土壤礦化氮素有顯著影響,K2處理土壤礦質態氮累積量最高,為88.73 kg·hm-2,較K0和K3處理的顯著提高(18.96%和24.76%);各施鉀處理土壤礦質態氮累積量均高于植株氮累積量,平均高172.29 kg·hm-2。拔節期,K1處理植株氮素累積量較K3處理顯著增加(29.43%),K0～K3處理的氮素利用率(N0為對照)分別為20.62%、27.02%、17.54%及14.54%,說明低鉀(K1)處理促進植株氮素吸收量,但對土壤礦質態氮累積量無顯著影響。孕穗期,K2處理土壤礦質態氮累積量顯著高于K0和K3處理,各處理間植株氮素累積量無顯著差異。成熟期,各處理間土壤礦質態氮累積量和植株氮素累積量均無顯著差異。綜上,適量施鉀肥(30～60 kg·hm-2)可促進土壤氮素礦化和拔節期春小麥對氮素的吸收。

圖3 不同K水平下春小麥土壤礦質態氮累積量與植株氮素累積量

2.4 氮肥對春小麥氮素利用效率的影響

由表2可知,隨著施氮量增加,籽粒產量、植株氮素累積量、氮素利用率、氮肥農學效率及氮肥貢獻率均呈先升后降的趨勢,而氮肥偏生產力與氮依存率呈下降趨勢。籽粒產量以N3處理最高,與常規施肥(N4)和N2處理均無顯著差異,較N0和N1處理顯著增加(44.71%和39.54)。植株氮素累積量以N3處理最高,分別較N0和N4處理提高69.11%和28.84%。氮肥偏生產力隨施氮量增加而顯著降低,N4處理比N3處理降低了54.19%。氮肥利用率和氮肥農學效率均以N3處理最高,分別達38.36%和10.87 kg·kg-1,較N4處理的增加25.35個百分點和6.29 kg·kg-1。氮依存率則以N3處理最低,比N4處理的減少17.45%。氮肥貢獻率在N3處理時達到30.9%,比N4處理提高48.7%?？梢?適量減氮(25%,180 kg·hm-2)可以促進小麥對氮肥的吸收和利用,提高氮肥利用率和農學生產效率,提高或穩定產量。

表2 不同氮肥用量下春小麥氮素利用效率Table 2 Nitrogen uptake and utilization efficiency of spring wheat under different nitrogen application rate

2.5 磷肥對春小麥氮素利用效率的影響

施磷量對籽粒產量、氮肥偏生產力和農學效率無顯著影響,但適量施磷可提高氮素利用率和植株氮素累積量(表3)。春小麥植株氮素累積量以P1和P2處理較高,分別比常規施磷量(P3處理)提高11.13%和8.7%。氮素利用率以P1和P2處理較高,比P3處理的分別提高46.73和36.51個百分點。氮依存率在P1和P2處理時顯著降低。氮肥貢獻率在P1處理時最高,達23.86%?？梢?施磷48～96 kg·hm-2時,可促進小麥對氮的吸收,提高氮肥利用率,維持較高的產量。

表3 不同磷肥用量下春小麥氮素利用效率Table 3 Nitrogen absorption and utilization efficiency of spring wheat under different phosphorus application rate

表4 不同鉀肥用量下春小麥氮素利用效率Table 4 Nitrogen uptake and utilization efficiency of spring wheat under different potassium application rate

2.6 鉀肥對春小麥氮素利用效率的影響

施用鉀肥對春小麥籽粒產量、植株氮素累積量和氮肥利用率、生產率、貢獻率均無顯著影響。氮肥偏生產力、利用率、農學效率、貢獻率均較低。原因一方面可能是氮肥施用量較高(常規用量240 kg·hm-2);另一方面試驗地區土壤鉀素較為豐富,外源鉀肥的效應較小。

3 討論

3.1 土壤礦質態氮與小麥氮素吸收利用對氮肥的響應

氮肥投入是補充土壤氮素和植株所需氮素的重要途徑,可促進氮素向小麥籽粒中運輸和積累,是提高產量的關鍵[21]。小麥產量、氮肥利用效率與施氮量密切相關。裴雪霞等[22]認為,適量氮肥可提高小麥耕層(0～20 cm)硝態氮累積量和氮素利用效率,降低氮素表觀損失率,而高施氮量(300 kg·hm-2)會加大土壤氮素向深層遷移的風險。本研究發現,常規施氮量240 kg·hm-2時,耕層土壤礦質態氮累積量較低,可能是盈余的氮素主要以NO3--N存在,不易被土壤吸附,大量氮素隨水向土壤深層淋溶[23-24],可見,過量施氮降低籽粒產量與氮肥利用效率。而減氮至120～180 kg·hm-2時,耕層土壤(0～20 cm)維持較多的礦質態氮,氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮素利用率及氮肥貢獻率均較常規施氮處理的顯著提高,籽粒產量與常規施肥無顯著差異。這與前人研究結果基本一致。陳 祥等[25]研究結果表明,春小麥籽粒產量和氮肥利用效率隨施氮量增加而顯著增加,在施氮量150 kg·hm-2時達到最高。湖北潛江小麥習慣施肥量為225 kg·hm-2,而減氮40%(135 kg·hm-2)后,小麥籽粒產量、氮肥利用率、氮肥農學利用率及氮素偏生產力分別提高了7.8%、21.5%、142.4%和79.4%,且過量施入氮肥會導致土壤氮素大量流失[26-27]。這是因為減氮處理有利于維持較高的氮素累積量,促進氮素向籽粒轉運,提升氮肥農學利用效率、氮肥偏生產力及氮素利用率,從而實現高產高效的目標[28]。在寧夏引黃灌區,春小麥施氮120～180 kg·hm-2時,有利于耕層土壤礦質態氮的累積,更好滿足作物生長對氮素的需要,提高氮肥利用率和小麥產量。

3.2 土壤礦質態氮與小麥氮素吸收利用對磷肥的響應

磷肥的效應與土壤氮素含量有一定的相關性,旱地小麥適量施磷有利于植株氮素的吸收、積累,促進植株氮素向籽粒轉運,使土壤氮素殘留量降低;過量施磷小麥氮素積累量提高不明顯,且增加了土壤氮向深層淋溶的風險[22, 29]。孫星照等[30]研究發現,隨施磷水平的增加,土壤氮素含量顯著增加(P<0.05),當施磷量為60 kg·hm-2時,土壤礦質態氮累積量及活性最高。張 翼等[31]研究表明,增加施磷量小麥氮素利用率先增加后降低,施磷量為100 kg·hm-2時,小麥產量與氮肥利用率均達到最大值?？梢娺m量施磷能增加旱地小麥的吸氮量,促進氮素向籽粒轉移,提高氮肥利用效率和產量[32]。本試驗結果表明,常規施磷量120 kg·hm-2時,土壤礦質態氮和植株氮素累積量較低,減磷至48～96 kg·hm-2時,耕層土壤礦質態氮和植株氮素累積量均顯著提高,氮肥利用率提高,籽粒產量不降低。該結果與張 萌[29]、張 翼[31]、王 帥等[33]的研究結果一致。減磷至48 kg·hm-2時,氮素利用率和氮肥貢獻率由不施磷的4.83%和18.39%顯著增加至19.09%和23.86%,而土壤氮依存率隨施磷量的增加顯著下降,說明適量磷肥可提高植株對肥料氮的吸收與利用,這與陳遠學等[34]研究結果相一致。在寧夏引黃灌區,減磷至48～96 kg·hm-2時,有利于耕層土壤礦質態氮的累積,提高氮肥利用效率,穩定籽粒產量。

3.3 土壤礦質態氮與小麥氮素吸收利用對鉀肥的響應

鉀肥在土壤氮素循環中起著關鍵作用。本研究結果表明,施鉀量為30～60 kg·hm-2時,分蘗期土壤礦質態氮累積量增加,此時是小麥生長旺盛期,小麥植株根系對氮素吸收較快,故分蘗期之后土壤礦質態氮累積量降低。說明增施鉀肥可提高植株根系活力,顯著增加植株氮素吸收,減少土壤殘留氮素,從而降低氮素淋溶風險[35];田生昌[36]和黨根友等[37]研究發現,適量增施鉀肥可提高小麥籽粒產量,增產幅度為5.4%。本研究中,鉀肥處理間籽粒產量均無顯著差異,可能因為在拔節期之后,高施氮量(240 kg·hm-2)對植株氮素累積量有較大的負面影響,另外,研究區域土壤速效鉀含量高達182.25 mg·kg-1,也是鉀肥增產效應不顯著的原因。王樹林等[38]研究糧棉輪作種植模式的結果表明,前茬棉花施入大量鉀肥,土壤殘留鉀素即可滿足小麥生長需求,因此繼續施鉀對小麥養分吸收和籽粒產量影響不顯著。本試驗地處引黃灌區灌淤土,由于連年大量施化肥和秸稈還田等技術,土壤殘留鉀素較多,增施鉀肥不能提高鉀肥的有效性,故對肥料利用率以及小麥產量影響不大[39]。在寧夏引黃灌區,施鉀量在30～60 kg·hm-2范圍內,有利于引黃灌區小麥前期的土壤礦質態氮和植株氮素累積,并維持較高的籽粒產量。

4 結論

(1)寧夏引黃灌區春小麥生產中,施氮量120～180 kg·hm-2時,可顯著提高耕層土壤礦質態氮的累積量,提高氮肥利用效益,增加小麥產量。

(2)寧夏引黃灌區春小麥生產中,施磷量在48～96 kg·hm-2時,有利于耕層土壤礦質態氮的累積,顯著提高氮肥利用效率,且不會降低籽粒產量。

(3)寧夏引黃灌區,鉀肥用量30～60 kg·hm-2時,有利于促進春小麥生育前期礦質態氮的釋放和植株對氮素的吸收,保障籽粒產量不顯著降低。