張雪凌,姜慧敏,劉曉,郭康莉,楊俊誠,鄧仕槐*,張建峰*
(1 四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院,成都 611130;2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室,北京 100081)
優(yōu)化氮肥用量和基追比例提高紅壤性水稻土肥力和雙季稻氮素的農(nóng)學效應
張雪凌1,姜慧敏2,劉曉2,郭康莉2,楊俊誠2,鄧仕槐1*,張建峰2*
(1 四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院,成都 611130;2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室,北京 100081)
【目的】優(yōu)化氮肥用量和基追比例是實現(xiàn)氮肥減施和提高肥料利用率的重要途徑。本研究在南方典型雙季稻種植區(qū)進行定位試驗,通過對土壤肥力與氮素農(nóng)學效益進行綜合評價,以期提出適合當?shù)赝寥篮退痉N植條件的氮肥減施模式。 【方法】以南方典型紅壤區(qū)雙季稻種植體系為研究對象,于 2014~2015 連續(xù)進行了 4季大田定位試驗,設處理:1) 不施氮肥 (T1);2) 當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮 (T2),早稻、晚稻各施 N 165 和 195 kg/hm2,基 肥 ∶ 蘗 肥 ∶ 穗 肥 比 分 別 為 60∶40∶0、40∶30∶30;3) 在 T2 處 理 基 礎 上 減 施 氮 肥 20% (T3), 即 早 稻 施N 135 kg/hm2,晚稻施 N 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比均為 40∶30∶30,并以 20% 有機氮代替普通化肥氮。分析了成熟期水稻產(chǎn)量和植物樣氮素含量,測定了 0—20 cm土壤微生物量碳、氮含量,土壤 pH、有機質(zhì)、全氮、速效鉀和有效磷等理化指標,計算了累計氮肥利用率和氮肥農(nóng)學效率,分別利用內(nèi)梅羅指數(shù)法和灰色關聯(lián)度法綜合評價了土壤肥力效應以及各施肥模式的綜合效益。 【結(jié)果】 1) 各處理土壤綜合肥力指數(shù) (IFI)值由高到低為 T3 > T2 > T1;與 T2 處理相比,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理 IFI 值提高 2.34%,土壤微生物量碳含量提高了 4.37%~25.39%,土壤微生物量氮含量提高了 17.85%~29.24% (P < 0.05)。2) 與 T2 處理相比,2014-2015 年 T3 處理累計氮肥農(nóng)學效率顯著提高了 29.66% (P < 0.05),累計氮肥表觀利用率顯著提高了28.82% (P < 0.05);2014 年 各 處 理 水 稻 總 產(chǎn) 量 無 顯 著 差 異 , 2015 年 水 稻 總 產(chǎn) 量 T3 處 理 比 T2 處 理 提 高 了5.26%,兩年水稻總產(chǎn)量,T3 處理提高了 2.38%。3) 對土壤養(yǎng)分指標、土壤微生物指標和氮素農(nóng)學效率指標進行關聯(lián)度分析,2014~2015 年 T3 處理關聯(lián)度最大,分別為 0.9999 和 1.0000,在土壤肥力和氮肥農(nóng)學效應綜合評價中最優(yōu),表明優(yōu)化氮肥用量和基追比例能夠?qū)崿F(xiàn)氮肥減施以及肥料利用率的提高。 【結(jié)論】在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮的基礎上減施 20% 化肥氮,以有機氮替代,并適當提高化肥氮在抽穗期的比例,能夠保證土壤綜合肥力的可持續(xù)性、氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和水稻持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。
土壤肥力;土壤微生物量碳、氮;氮素農(nóng)學效率;氮素表觀利用率;土壤肥力綜合指數(shù)
在影響水稻生長的各種因素中,氮素是重要的養(yǎng)分因子,合理施氮能夠有效促進水稻生長發(fā)育,提高水稻產(chǎn)量,并顯著提高水稻對氮素的吸收利用[1]。長期以來,我國農(nóng)民普遍通過大量施用氮肥來提高水稻產(chǎn)量,但生產(chǎn)實踐表明,氮肥利用率很低。我國稻田氮肥消費量占全國氮肥總消費量的 30% 以上,而氮素利用率僅為 30% 左右,未被利用的氮素進 入 水 體 和 大 氣 環(huán) 境 , 引 發(fā) 一 系 列 的 環(huán) 境 問 題[2-3]。因此,氮肥高效利用以及保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,已成為國內(nèi)外研究的熱點。
研究發(fā)現(xiàn),施用有機肥能夠提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率,且在一定范圍內(nèi)用有機肥部分替代化肥氮可以使氮肥利用率達到最高[4-7]。王姍娜等[8]利用長期定位試驗對紅壤性水稻土的研究發(fā)現(xiàn),與單施氮磷鉀化肥相比,氮磷鉀配施有機肥處理早稻和晚稻產(chǎn)量分別增加 19.0% 和 21.7%,并顯著提高氮肥回收率。柳影等[9]研究發(fā)現(xiàn)長期不施肥或單施化肥土壤有機質(zhì)含量呈下降趨勢,30 年下降幅度為 2.1%~7.9%,而施用常量和高量有機肥土壤有機質(zhì)含量呈增加趨勢,30 年有機質(zhì)累積分別增加 42.2%~50.0% 和81.5%~94.7%。但是,以農(nóng)民習慣施氮為對照,減少氮肥用量并采用有機氮替代,以田間定位開展雙季稻氮素養(yǎng)分高效利用以及土壤肥力可持續(xù)性發(fā)展的研究仍較少。
江西省是我國主要的糧食生產(chǎn)基地,水稻是其主栽作物,據(jù)統(tǒng)計其雙季稻播種面積占全國雙季稻種植面積的 1/4,位居全國第二。但是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中同樣存在氮肥施用過量、氮肥利用率低(30%~40%)、氮肥損失嚴重(60%~70%)等問題[10-11]。鑒于此,我們在前期 5 年田間定位試驗提出的減施20% 化學氮肥模式的基礎上,以當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮為對照,進一步研究減施化學氮肥并結(jié)合有機氮替代對土壤肥力效應和氮素農(nóng)學效應的影響,以期提出雙季稻區(qū)作物持續(xù)高產(chǎn)、氮素養(yǎng)分持續(xù)高效利用和土壤肥力可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)化模式。
1.1 試驗區(qū)概況
試驗地位于江西省宜春市高安縣渡埠農(nóng)場 (N 28°15′26.0″,E 115°07′32.7″),是典型雙季稻種植區(qū)。該地海拔高度為 7 米,屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均降水量為 1680.2 mm,降水主要分布在4~6 月份,累計年平均氣溫 17.2℃。供試土壤屬紅壤性水稻土,試驗布置前耕層 (0—20 cm) 土壤基本理化性狀:pH 5.28、全氮 1.69 g/kg、堿解氮 184.31 mg/kg、有機質(zhì) 23.62 g/kg、速效鉀 178.33 mg/kg、有效磷44.54 mg/kg。
1.2 試驗材料
供試作物:早稻為中嘉早 17 號,晚稻為五豐優(yōu)T025,均為當?shù)刂髟云贩N。
供試肥料:氮肥為普通尿素 (含 N 46%);磷肥為過磷酸鈣 (含 P2O512%);鉀肥為氯化鉀 (含 K2O 60%);有機肥為商品有機肥 (水分含量 30.1%、有機質(zhì) 47.8%、N 1.86%、P2O53.11%、K2O 0.85%,江蘇田娘農(nóng)業(yè)科技有限公司提供);水稻秸稈全量還田。
1.3 試驗設計
田間定位試驗開始于 2014 年 4 月,于 2015 年11 月結(jié)束,早稻插秧時間為 4 月 25 日~5 月 1 日,晚稻插秧時間為 7 月 31~8 月 2 日。試驗設處理: 1) 不施氮肥(T1);2) 農(nóng)民習慣施氮 (T2),基于江西省南昌縣、進賢縣、豐城市、鄱陽縣等具有代表性的 102 戶農(nóng)戶水稻施肥情況走訪調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計均值;3) 在 T2 基礎上減氮 20%,并以 20% 有機氮代替化肥氮 (T3)。每個處理 4 次重復,采用隨機區(qū)組排列。T2 處理施氮量為早稻 N 165 kg/hm2,晚稻N 195 kg/hm2;T3 處理施氮量為早稻 N 135 kg/hm2,晚稻 N 165 kg/hm2。各處理磷肥 (P2O5) 和鉀肥 (K2O)施用量相等,分別為 90 和 150 kg/hm2,包括化學磷、鉀肥和有機肥帶入的磷、鉀肥。除尿素外其余肥料均基施,T2 處理早稻尿素基肥蘗肥∶穗肥為60∶40∶0,晚稻尿素基肥∶蘗肥∶穗肥均為40∶30∶30;T3 處理早稻和晚稻氮肥基肥∶蘗肥∶穗肥比均為 40∶30∶30。小區(qū)面積 42 m2,小區(qū)之間用塑料薄膜覆泥作梗隔開,每個小區(qū)獨立排灌,其它管理措施同當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮處理。
1.4 樣品采集及測定
1.4.1樣品的采集 分別在早稻和晚稻成熟期采集土壤和植株樣品。土壤樣品,各小區(qū)按“蛇形”采樣法,隨機取 5 個點,每點取 0—20 cm 土層樣品并混合為 2 份,一份土樣保存于冰盒中帶回,于 -20℃冰箱中保存,用于土壤微生物量碳、氮的測定;另一份土樣經(jīng)過自然風干后,用于 pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量的測定。植株樣品測定籽粒和秸稈氮素養(yǎng)分含量,各小區(qū)單打單曬,測定稻谷產(chǎn)量。
1.4.2測定方法 土壤 pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量采用土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法進行測定[12];土壤微生物量碳含量 (SMBC) 和土壤微生物量氮含量 (SMBN) 采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法測定[13],土壤微生物量碳、氮校正系數(shù)分別為 0.38、0.45;植物樣全氮采用 H2SO4-H2O2消煮法測定[12]。
1.5 土壤綜合肥力評價方法
土壤肥力是土壤質(zhì)量的核心,也是影響土壤生產(chǎn)力的主要因素。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[14],對各處理進行土壤肥力質(zhì)量評價,土壤 pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀分肥力系數(shù) IFIi的計算公式如下:
式中,IFIi為養(yǎng)分肥力系數(shù),x 為該屬性測定值,xa與 xp為分級標準下、上限,xc為介于分級標準上、下限間;屬性值分級標準 (xa、xc、xp) 主要參考第二次全國土壤普查標準 (表 1)。
表1 土壤各屬性分級標準Table 1 The grading standards of soil properties
再利用修正的內(nèi)梅羅公式計算土壤綜合肥力:
式 中 ,IFI 為 土 壤 綜 合 肥 力 ,IFIi平均與 IFIi最小為 土壤各屬性分肥力均值與最小值;n 為評價指標個數(shù)。
1.6 灰色關聯(lián)度分析法
采用灰色關聯(lián)度分析法[15],對不同施肥模式進行綜合評價,計算步驟如下:
1) 確定參考序列
將所有施肥模式看作是一個灰色系統(tǒng),不同施肥模式為系統(tǒng)中的一個因素,以最優(yōu)指標集的各指標構(gòu)成參考序列,各施肥模式的指標作為比較序列。最優(yōu)指標集是依據(jù)所有施肥模式中各指標最優(yōu)來建立的,其中氮肥農(nóng)學效應和土壤肥力效應指標數(shù)值越大越好,以比其指標最大值稍大的值為最優(yōu)值,最優(yōu)值一般設置尾數(shù) 0 或 5 的數(shù)值。
2) 數(shù)據(jù)無綱量化
用各指標最優(yōu)值去除對應序列的原始數(shù)據(jù),各指標的最優(yōu)值均為 1。
3) 計算關聯(lián)系數(shù)
計算公式為:
其中,ξi(K) 為 k 序列的第 i 個評價指標與最優(yōu)參考序列的關聯(lián)度;minΔi(min) 為第 i 個被評價指標序列與參考序列絕對差值的最小值;maxΔi(max) 為第 i個被評價指標序列與參考序列絕對差值的最大值;ρ 為分辨系數(shù),在 0 到 1 之間選取,通常取 0.5。
4) 計算關聯(lián)度,排出關聯(lián)序列
取某序列各指標的關聯(lián)系數(shù)的平均值,即為該序列與參考序列的關聯(lián)度,關聯(lián)度越高,該序列越接近于最優(yōu)序列,進而排出關聯(lián)序列進行比較。
1.7 數(shù)據(jù)處理
采用 Microsoft Office Excel 2010、SPSS 19.0 和Origin 9.0 分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖。
2.1 不同施氮模式對土壤肥力效應的影響
2.1.1土壤養(yǎng)分指標評價 土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心部分,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中通常選用有機質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分指標來綜合衡量土壤肥力高低。本研究選取了 2 年 4 季定位連續(xù)監(jiān)測的土壤 pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等 5 個指標作為參評指標,綜合評價土壤肥力狀況。利用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算各處理土壤綜合肥力指數(shù) (IFI),結(jié)果發(fā)現(xiàn) (圖 1),各施肥處理土壤肥力綜合指數(shù) (IFI) 由高到低的順序為 T3 >T2 > T1,不施氮肥 T1 處理與 T3 處理差異顯著 (P <0.05);與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,優(yōu)化施氮量和基追比例的 T3 處理 IFI 值提高了 2.34%。由此可知,在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮基礎上減施化學氮肥 20%并結(jié)合有機氮替代處理,合理氮肥運籌,能夠有效維持土壤肥力,為作物生長提供充足的養(yǎng)分。
圖1 不同施氮模式對土壤綜合肥力指數(shù)的影響Fig. 1 Effects of different nitrogen fertilization on integrated fertility index (IFI) values[注(Note):T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer; T2—早稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比例為 60∶40∶0,晚稻施氮量 195 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比例為 40∶30∶30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2,晚稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比均為 40∶30∶30,20% 氮肥由有機肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 方柱上不同字母表示處理間差異達 0.05 顯著水平 Different letters above the bars indicate significant difference anong treatments at the 0.05 level.]
2.1.2土壤生物學指標評價 土壤微生物量碳是土壤有機碳的靈敏指示因子,土壤微生物量氮是土壤氮素礦化勢的重要組成部分,它們都可以表征土壤肥力狀況。從圖 2 可以看出,與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理 2014 年早稻季土壤微生物量碳含量顯著提高了 15.63% (P < 0.05),2014 年 晚 稻 季 顯 著 提 高 了 25.39% (P < 0.05),2015 早稻季提高了 4.37%,2015 年晚稻季提高了 5.27%。不施氮肥的 T1 處理土壤微生物量氮含量最低,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理最高。與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理土壤微生物量氮含量 2014 年早 、 晚 稻 季 分 別 顯 著 提 高 了19.62% 和29.24% (P < 0.05),2015 年早稻季提高了 17.85%,2015 年晚稻季顯著提高了 19.87% (P < 0.05)。以上結(jié)果表明,在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮基礎上減施化學氮肥 20% 并結(jié)合有機氮替代處理,合理氮肥運籌,能夠有效提高土壤微生物量碳、氮含量,提高土壤微生物活性。
圖2 不同施氮模式對土壤微生物量碳、氮的影響Fig. 2 Effects of different nitrogen fertilization on SMBC and SMBN contents[注(Note):T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer;T2—早稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比例為 60∶40∶0,晚稻施氮量 195 kg/hm2, 基 肥 ∶ 蘗 肥 ∶ 穗 肥 比 例 為 40 ∶30 ∶ 30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2,晚稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比均為 40∶30∶30,20% 氮肥由有機肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 柱上不同字母表示處理間在 0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars indicate significant among treatments difference at the 5% level.]
2.2 不同施氮模式對氮肥農(nóng)學效應的影響
2.2.1產(chǎn)量 圖 3表明,T2、T3 處理 2014 年早稻季水稻產(chǎn)量分別為 7035.8 和 7012.0 kg/hm2,晚稻季水稻產(chǎn)量分別為 8678.9 和 8679.2 kg/hm2,全年水稻總產(chǎn)量分別為 15714.7 和 15691.2 kg/hm2,處理間差異均不顯著。與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,2015 年優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理水稻產(chǎn)量早稻季提高了 5.19%,晚稻季提高了 5.33%,全年水稻產(chǎn)量提高了 5.26%。各處理兩年水稻總產(chǎn)量由高到低的順序為 T3 > T2 > T1,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3處 理 水 稻 總 產(chǎn) 量 比 農(nóng) 民 習 慣 施 氮 T2 處 理 提 高 了2.38%。由此可知,隨著種植時間的延長,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理水稻產(chǎn)量逐漸高于農(nóng)民習慣施氮 T2 處理,說明在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮基礎上減施化學氮肥 20% 并結(jié)合有機氮替代處理,合理氮肥運籌,能夠保障甚至提高水稻產(chǎn)量。
圖3 不同施氮模式對水稻產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effects of different nitrogen fertilization on rice yields[注(Note):T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer;T2—早稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比例為 60∶40∶0,晚稻施氮量 195 kg/hm2, 基 肥 ∶ 蘗 肥 ∶ 穗 肥 比 例 為 40∶30∶30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2,晚稻施氮量 165 kg/hm2,基肥∶蘗肥∶穗肥比均為 40∶30∶30,20% 氮肥由有機肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 柱上不同字母表示處理間在 0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 5% level.]
2.2.2氮肥利用率 由表 2 可知,農(nóng)民習慣施氮 T2 處理累計氮肥農(nóng)學效率和氮肥表觀利用率在試驗第二年降低,而優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理則增加。與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理累計氮肥農(nóng)學效率 2014 年顯著提高了 19.41% (P < 0.05),2015 年顯著提高了 29.66% (P < 0.05);累計氮肥表觀利用率 2014 年顯著提高了23.29% (P < 0.05),2015 年顯著提高了 28.82% (P < 0.05)。
表2 2014~2015 年不同處理氮素吸收量和年累計氮肥利用率Table 2 Nitrogen accumulation and annual nitrogen fertilizer use efficiency of different treatments in 2014 and 2015
2.3 綜合效應分析
采用灰色關聯(lián)度分析法,以土壤養(yǎng)分指標 (有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀),土壤微生物指標 (土壤微生物量碳、土壤微生物量氮) 和農(nóng)學效應指標(產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學效率、氮肥累積利用率) 為評價對象,對 T2 和 T3 兩種施氮模式進行綜合評價。由表 3分析可知,2014 年,T2 和 T3 處理關聯(lián)度分別為0.9304 和 0.9999,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理在綜合評價中優(yōu)于農(nóng)民習慣施氮 T2 處理;2015年,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理關聯(lián)度達到1.0000,在綜合評價中最優(yōu),而農(nóng)民習慣施氮 T2 處理關聯(lián)度為 0.9209。由此可知,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理在氮肥農(nóng)學效應和土壤肥力效應綜合評價中更優(yōu)。
表3 2014~2015 年不同施肥處理綜合評價的關聯(lián)度及關聯(lián)序Table 3 Correlation degrees and ranks of comprehensive evaluation of different fertilizer treatments in 2014 and 2015
3.1 不同施氮模式對土壤肥力效應的影響
施肥是影響土壤肥力及其可持續(xù)利用的重要農(nóng)業(yè)措施之一,而有機肥與無機肥配施對提高土壤肥力、改善土壤質(zhì)量具有重要影響[16-18]。有機肥在改善土壤理化性狀,平衡土壤養(yǎng)分,提高肥料利用率,增加作物產(chǎn)量等方面具有重要作用,但是由于其養(yǎng)分含量低,肥效緩慢,在作物生長旺盛、需肥量大的時期,有機肥不能及時滿足作物對養(yǎng)分的需求[19],而有機肥與無機肥配施處理,既能滿足作物對養(yǎng)分的需求,又能維持和提高土壤肥力[20]。
土壤微生物生物量是反映土壤微生物活性的重要指標,有機肥與無機肥配施能夠增加土壤微生物量碳、氮的含量[21-24]。本研究中,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理土壤微生物量碳、氮含量均高于農(nóng)民習慣施氮 T2 處理,表明有機肥與無機肥配施處理為土壤微生物生長繁殖提供了豐富的碳源與氮源,提高了土壤微生物活性,為后期的養(yǎng)分供應提供了保障。本研究各處理土壤肥力綜合指數(shù)由大到小的順序為 T3 > T2 > T1,說明在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮基礎上減施化學氮肥 20% 并結(jié)合有機氮替代,合理氮肥運籌,能夠有效保障甚至提高土壤養(yǎng)分含量。
3.2 不同施氮模式對氮肥農(nóng)學效應的影響
有機肥與無機肥配施能夠有效地改善土壤的供氮特性,促進氮素的吸收利用,提高水稻產(chǎn)量,減少氮素的損失[25-26]。阮新民等[27]研究發(fā)現(xiàn)有機肥配施有利于植株各器官氮素的積累,顯著提高氮肥利用率,比不施有機肥處理的氮肥利用率提高 10% 左右。管建新等[28]通過對不同施肥處理下水稻氮肥利用率的研究發(fā)現(xiàn),單施化肥處理氮肥利用率僅為 25.7%,化肥與有機肥配施處理氮肥利用率為 35.1%。本研究中,與農(nóng)民習慣施氮 T2 處理相比,2014~2015 年優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理累計氮肥農(nóng)學效率分別顯著提高了 19.41% 和 29.66%,氮肥表觀利用率分別顯著提高了 23.29% 和 28.82%。另外,有機肥與無機肥配施比例對水稻產(chǎn)量及氮素利用率具有顯著影響,單施化學氮肥水稻干物質(zhì)的積累與養(yǎng)分的吸收主要集中在分蘗和孕穗的前中期,而有機無機配施處理水稻干物質(zhì)積累與養(yǎng)分吸收主要集中在水稻抽穗至成熟的中后期,更符合水稻養(yǎng)分吸收的需要,從而有利于提高水稻產(chǎn)量[29]。侯紅乾等[30]經(jīng)過25 年長期定位試驗,以無機肥∶有機肥比例為 3∶7時,水稻產(chǎn)量最高,高量有機肥更有利于稻田持續(xù)增產(chǎn)和土壤培肥;另有研究發(fā)現(xiàn),當有機肥料氮替代率在 10%~30% 時,可以獲得平穩(wěn)的氮素供應,改善土壤的供氮能力,提高作物產(chǎn)量[31-32]。
水稻穗肥期氮素的吸收量對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響,隨著穗肥期施氮比例的降低,水稻產(chǎn)量及氮肥利用率下降,因此,合理改變氮肥運籌能夠有效提高氮素的利用率[33]。胡雅杰等[34]對水稻的研究發(fā)現(xiàn)當?shù)驶省锰Y肥∶穗肥比例為 4∶3∶3 時,能夠促進水稻干物質(zhì)的積累,有效提高氮肥利用率;而陳軍等[35]研究發(fā)現(xiàn)適當?shù)厍暗笠疲捎没Y肥∶穗粒肥 = 6∶4 的施肥模式,能夠有效減少無效分蘗,提高水稻的成穗率,增加氮素的累積量,從而提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率。在秸稈覆蓋條件下,嚴奉君等[36]研究發(fā)現(xiàn)基蘗穗肥比例為 3∶3∶4 時,能夠有效促進干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)運率,提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率,但當?shù)屎笠票壤^高時,則會限制齊穗期根系的生長,使得水稻產(chǎn)量和氮肥利用率降低;而李錄久等[37]研究發(fā)現(xiàn)氮素后移能夠有效提高水稻籽粒和秸稈的含氮量,增加氮素吸收,以基蘗穗肥運籌比例為 6∶2∶2 最宜。本研究中,早稻季農(nóng)民習慣施氮 T2 處理氮肥基肥∶蘗肥∶穗肥施用比例為 60∶40∶0,而優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理氮肥基肥∶蘗肥∶穗肥施用比例為 40∶30∶30,T3 處理在穗肥期追施氮肥,合理氮肥運籌比例,對水稻增產(chǎn)及提高氮肥利用率有一定的促進作用。
3.3 綜合評價分析
內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠消除土壤肥力各參數(shù)之間的量綱差別,具有可比性高、簡單易行、靈敏度高等優(yōu)點,同時當測定值超過上限值時,分肥力系數(shù)不再提高,能夠較好地反映出作物對土壤養(yǎng)分的需求不是越高越好的實際情況,因此,內(nèi)梅羅指數(shù)法已成為評價土壤肥力狀況的主要方法之一,較廣泛地運用于土壤肥力綜合評價中[14]。本研究中,利用內(nèi)梅羅指數(shù)法,進行土壤肥力綜合評價,研究發(fā)現(xiàn)各處理土壤綜合肥力指數(shù)由高到低為 T3 > T2 > T1,說明優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3 處理能夠更好地維持土壤肥力和土壤養(yǎng)分含量,為作物生長提供充足的養(yǎng)分。
目前,灰色關聯(lián)度分析法已經(jīng)被廣泛地運用到了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的研究中,該方法能夠較好地反映各個因素之間的相對重要程度,較全面地分析各指標的關聯(lián)性,具有所需數(shù)據(jù)量小、計算量小、簡單易行等優(yōu)點,同時也具有較強的可靠性,是多因素決策分析的一種簡便有效的實用方法[15]。本研究中,將土壤養(yǎng)分指標、土壤微生物指標和氮肥農(nóng)學效應指標三者相結(jié)合,并進行排序分析,從定量的角度對不同施氮模式進行綜合評價。根據(jù)研究結(jié)果可以看出 2014~2015 年,優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3處理關聯(lián)度分別為 0.9999 和 1.000,均高于農(nóng)民習慣施氮 T2 處理,說明優(yōu)化氮肥用量和基追比例的 T3處理在土壤肥力和氮肥農(nóng)學效應綜合評價中最優(yōu),可為南方雙季稻種植體系優(yōu)化施氮模式提供科學依據(jù)。
在當?shù)剞r(nóng)民習慣施氮的基礎上,減施化肥氮20%,以 20% 有機氮替代化肥氮,并適當增加氮肥在抽穗期的比例,土壤微生物量碳含量增加 4.37%~25.39%,土壤微生物量氮含量增加 17.85%~29.24%,累計氮素農(nóng)學效率顯著增加 19.41%~29.67%,累計表觀利用率顯著增加 23.29%~28.82%,水稻 2 年累計產(chǎn)量增加 2.38%。綜合效應分析表明,優(yōu)化氮肥用量和基追比例能夠有效提高土壤綜合肥力、氮素利用率和水稻產(chǎn)量。
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Optimization of nitrogen rate and base and topdressing ratio to improve agronomic soil fertility and use efficiency of nitrogen in rice
ZHANG Xue-ling1, JIANG Hui-min2, LIU Xiao2, GUO Kang-li2, YANG Jun-cheng2, DENG Shi-huai1*, ZHANG Jian-feng2*
( 1 College of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS/ National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China )
【Objectives】Optimizing nitrogen fertilizer and topdressing ratio is an important way to reduce nitrogen fertilizer application and increase fertilizer use efficiency. In this paper, effects of different nitrogen fertilization treatments on soil fertility and nitrogen agronomic efficiency in the typical southern red paddy soil of double cropping rice system were investigated to provide a theoretical basis for sustainable and effective use of nitrogen fertilizers through a comprehensive evaluation. 【Methods】A 4-season and 2-year field experimentwas conducted in the double cropping rice system with the typical southern red paddy soil of China from 2014 to 2015. All treatments were designed as follows: 1) No N fertilizer: T1 treatment; 2) the farmers practice,T2 treatment: N input in early and late rice was N 165 kg/hm2and N 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; 3) T3 treatment: the N input in early and late rice was N 135 and 165 kg/hm2, the ratio of N in basal-tillering-heading stage was all 40∶30∶30, and 20% of chemical N was replaced by organic N. We measured the rice yield, rice nitrogen content, and the soil microbial biomass carbon and nitrogen,soil pH, organic matter, total N, readily available K and available phosphorus in 0-20 cm soil, calculated the cumulative nitrogen use efficiency and the agronomic efficiency of nitrogen fertilizer, and evaluated the soil fertility and fertilization modes by Nemero index and grey relational grade, respectively.【Results】1) The soil fertility results showed that the sequence from high to low of the integrated fertility indexes (IFI) values was T3 > T2 > T1, and the IFI value of the T3 treatment was 2.34% higher than that of T2 treatment. Compared with the T2 treatment,the contents of soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen in T3 treatment were enhanced by 4.37%-25.39% and 17.85%-29.24% separately. 2) The results of nitrogen agronomic efficiency showed that the nitrogen agronomic efficiency and apparent utilization of the T3 treatment from 2014 to 2015 were increased significantly by 29.66% and 28.82% (P < 0.05), compared with the T2 treatment. The annual rice yield of T2 and T3 treatments had no significant difference in 2014, while that of T3 treatment was improved significantly by 5.26% (P < 0.05) in 2015. The total rice yield of the T3 treatment from 2014 to 2015 was increased by 2.38% compared with the T2 treatment. 3) Based on the correlation degree analysis of the soil nutrient index, soil microbial index and nitrogen agronomy effect index, the correlation degrees of the T3 treatment in 2014 and 2015 were 0.9999 and 1.0000 respectively, which were the highest and indicated it was the best in the comprehensive evaluation of the agronomic effects on nitrogen fertilizer and the effect on soil fertility. The result showed that optimized nitrogen application rate and topdressing ratio could improve nitrogen fertilizer application and fertilizer utilization efficiency. 【Conclusions】The results of the 4-season and 2-year field experiment showed that 20% chemical nitrogen fertilizer less than local farmers practice and 20% nitrogen of the organic manure replaced the chemical nitrogen fertilizer and increasing the proportion of nitrogen fertilizer in heading stage could ensure the sustainability of soil fertility, nitrogen utilization efficiency and rice yield effectively.
soil fertility; soil microbial biomass carbon and nitrogen; nitrogen agronomic efficiency; nitrogen apparent use efficiency; integrated soil fertility index
2016-06-14 接受日期:2016-12-19
國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973項目)課題(2013CB127406);國家自然科學基金(21577172,41501322);國家國際科技合作專項(2015DFA20790);中央級公益性科研院所資金項目(IARRP-2015-21)資助。
張雪凌(1992—),女,湖北宜昌人,碩士研究生,主要從事土壤培肥與環(huán)境研究。E-mail:zorezhang08@163.com
* 通信作者 E-mail:shdeng8888@163.com;E-mail:zhangjianfeng@cass.cn