氮肥對(duì)庫(kù)布齊沙地柳枝稷產(chǎn)量、氮肥利用率及土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊?/h1>
2018-03-09 09:19:35蘇德榮呂世海王鐵梅陳俊翰
草業(yè)科學(xué) 2018年2期
陶 夢(mèng),蘇德榮,呂世海,王鐵梅,陳俊翰
(1.北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心,北京 100083; 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012;3.億利資源集團(tuán)有限公司,北京 100031)
庫(kù)布齊沙地位于鄂爾多斯高原脊線的北部, 其西、北部緊鄰黃河,地下水位高,水熱條件較好,適宜適沙型經(jīng)濟(jì)植物生長(zhǎng),是我國(guó)最具代表性的干旱、半干旱地區(qū)之一。近幾十年來(lái),隨著防沙治沙工作的深入,庫(kù)布齊沙地植被生態(tài)恢復(fù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,沙區(qū)的治理正在從沙漠化防治、沙區(qū)生態(tài)環(huán)境改善向沙漠化地區(qū)資源高效利用發(fā)展[1]。柳枝稷(Panicumvirgatum)是原產(chǎn)于美國(guó)的一種多年生暖季型C4草本,具有植株高大、根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)迅速、產(chǎn)量高、耐貧瘠、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[2],在水土保持、防沙治沙、鹽堿地治理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。將暖季型的柳枝稷引種到庫(kù)布齊沙地,不僅可以豐富庫(kù)布齊沙地的生物多樣性,改善土壤生態(tài)功能達(dá)到治理荒漠化的目的[4-5],同時(shí)可以作為一種飼草原料和草本生物質(zhì)能源植物,實(shí)現(xiàn)防沙治沙與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合。
庫(kù)布齊沙地雖然水熱條件良好,但沙區(qū)土壤為風(fēng)沙土,其特點(diǎn)是土壤貧瘠,有機(jī)質(zhì)含量低,尤其是氮肥缺乏。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素,由于土壤中溶解的無(wú)機(jī)氮濃度一般較低[6],不能滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要,因此在農(nóng)業(yè)中通過(guò)施用氮肥以獲得植物穩(wěn)定高產(chǎn)的現(xiàn)象普遍存在。然而,在大田生產(chǎn)中,過(guò)量施用氮肥往往不能使柳枝稷產(chǎn)量線性增加,甚至?xí)档土︷⒌牡世眯?。Lemus等[7]在美國(guó)弗吉尼亞州的研究表明,施氮量從90 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2,柳枝稷的氮肥利用率下降了83.3%。Owens等[8]研究發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加,柳枝稷的產(chǎn)量逐漸增加,但其氮肥利用率降低。Obour等[9]研究發(fā)現(xiàn),柳枝稷的產(chǎn)量與施氮量之間存在二次函數(shù)關(guān)系,施氮量為151 kg·hm-2時(shí)其產(chǎn)量最高。
同時(shí),如果氮肥施用量超過(guò)植物對(duì)氮素的需求量,就會(huì)造成硝態(tài)氮在土壤中的大量累積[10-12]。硝態(tài)氮是土壤淋洗損失的主要形式,硝態(tài)氮的累積會(huì)引發(fā)土壤酸化,通過(guò)淋溶損失、徑流損失和干濕沉降對(duì)水體造成污染,增加N2O等溫室氣體排放等一系列環(huán)境問(wèn)題[13-16],對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。因此,應(yīng)在保證植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提下,提高氮肥利用效率、減少氮肥損失,并且最大限度地降低由于硝態(tài)氮累積對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)。本研究將柳枝稷引入庫(kù)布齊沙地,研究硫酸銨和尿素兩種氮肥的不同施用量對(duì)于柳枝稷產(chǎn)量、氮肥吸收利用的影響,以期為在庫(kù)布齊沙地開(kāi)發(fā)種植柳枝稷提供試驗(yàn)依據(jù),實(shí)現(xiàn)引種與治沙的有效結(jié)合。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況
試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)(108°42′ E,40°36′ N,海拔約1 016 m)。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候,年均溫6.3 ℃;全年無(wú)霜期135 d;年平均降水量186.0 mm。
田間試驗(yàn)于2016年4月在億利資源集團(tuán)沙漠研究院精品種植園實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行,試驗(yàn)地種植多年甘草(Glycyrrhizauralensis)和歐李(Cerasushumilis),土壤為風(fēng)沙土,0-20 cm土層土壤pH 8.87,電導(dǎo)率153.6 μS·cm-1,有機(jī)質(zhì)含量5.05 g·kg-1,全氮含量0.14 g·kg-1,全磷含量0.42 g·kg-1,全鉀含量5.14 g·kg-1,速效磷含量38.05 mg·kg-1,速效鉀含量464.14 mg·kg-1。2016年4-9月試驗(yàn)期間,降水量為187.4 mm。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)所用的柳枝稷品種為BL-1,于2016年4月28日播種,條播,播種量為6.5 kg·hm-2,行距50 cm,2016年9月26日(初花期)收獲。小區(qū)面積為3 m×5 m,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)。供試氮肥為尿素(含氮量約46%)和硫酸銨(含氮量約21%),各設(shè)置4個(gè)施氮水平,施氮素量分別為0(CK)、75、150、225 kg·hm-2,于苗期(6月3日)、分蘗期(6月25日)、拔節(jié)期(7月17日)分3次獨(dú)立施入各小區(qū),各小區(qū)在3個(gè)時(shí)期的施肥量分別為對(duì)應(yīng)小區(qū)施氮量的1/5、2/5和2/5。全生育期適當(dāng)灌溉,保證水分供應(yīng)充足。
1.3 樣品采集與測(cè)定
1)鮮干比:于柳枝稷初花期在每小區(qū)選取50 cm×50 cm樣方,留茬高度5 cm,帶回實(shí)驗(yàn)室稱量鮮重。隨后在105 ℃的烘箱中殺青20 min后置于70 ℃,恒溫下烘48 h,冷卻后取出稱量干重,計(jì)算鮮干比,鮮干比=鮮重/干重。
2)產(chǎn)量:在初花期將柳枝稷按小區(qū)全部刈割,稱量各小區(qū)柳枝稷鮮重。再根據(jù)柳枝稷的鮮干比以及小區(qū)面積換算出柳枝稷單位面積的干物質(zhì)產(chǎn)量。
3)植株含氮量:樣品烘干后粉碎過(guò)1 mm篩,采用半微量凱氏定氮法,利用FOSS 2300凱氏定氮儀測(cè)定植物樣品中的全氮含量[17]。
4)土壤硝態(tài)氮含量:在柳枝稷初花期收獲后,用土鉆分別在各小區(qū)采集柳枝稷根際土壤樣品。取樣時(shí)每小區(qū)在對(duì)角線與中間位置取3個(gè)點(diǎn),按取樣層次等層混合,取樣深度為40 cm,每10 cm為一層,用紫外分光光度法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量[18]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
植株吸氮量=單位面積地上部分植株生物量×地上部分植株含氮量
圖6為500 kV交流雙回路輸電線路塔-線耦全體系模型中的導(dǎo)、地線絕緣子，絕緣子與桿塔掛點(diǎn)之間的連接關(guān)系,圖中分別標(biāo)明了懸垂絕緣子、導(dǎo)線和地線等.
氮肥利用率=(施氮處理地上部吸氮量-對(duì)照地上部吸氮量)/施氮量×100%；
土壤氮貢獻(xiàn)率=對(duì)照植株地上植株吸氮量/施肥區(qū)地上植株吸氮量×100%；
氮肥偏生產(chǎn)力=施氮小區(qū)柳枝稷產(chǎn)量/小區(qū)施氮量；
土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?kg·hm-2)=土層厚度×每公頃面積×土壤容重×土壤硝態(tài)氮含量/106；經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，0-30 cm土層土壤容重為1.521 g·cm-3，30-40 cm土層土壤容重為1.531 g·cm-3。
土壤硝態(tài)氮積累量為0-40 cm土壤各個(gè)土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅恐汀?/p>
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行錄入和整理,并繪制圖表。利用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同氮肥處理對(duì)柳枝稷產(chǎn)量的影響
硫酸銨和尿素的施用對(duì)于柳枝稷的產(chǎn)量影響不同(表1)。施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)最大,為23.55 t·hm-2,與對(duì)照(施氮量為0)相比增產(chǎn)44.39%(P<0.05)。施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高,為21.33 t·hm-2,與對(duì)照相比增產(chǎn)30.78%(P<0.05)。當(dāng)施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí),柳枝稷產(chǎn)量減少到20.42 t·hm-2,與施氮量為150 kg·hm-2時(shí)相比,減產(chǎn)了4.27%。兩種施氮量為150 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05),而施氮量為75 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明當(dāng)施氮量達(dá)到150 kg·hm-2時(shí)可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量。兩種施氮量為225 kg·hm-2時(shí)與施氮量為150 kg·hm-2時(shí)相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,但差異均不顯著(P>0.05)。
表1 不同氮肥處理下柳枝稷產(chǎn)量及氮肥利用率Table 1 Effect of different nitrogen fertilization treatments on the yield and NUE of switchgrass
同一施肥種類同列不同小寫字母表示不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)。
Different lowercase letters within the same column of the same nitrogen fertilizer indicate significant differences among different nitrogen application rate at the 0.05 level.
圖1 施氮量與柳枝稷產(chǎn)量關(guān)系Fig. 1 Correlation of nitrogen application rate with switchgrass yield
2.2 不同氮肥處理對(duì)柳枝稷吸氮量及氮肥利用率的影響
施用硫酸銨和尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率、土壤氮貢獻(xiàn)率、氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)(表1)。施用硫酸銨處理的吸氮量在施氮量為0(對(duì)照)時(shí)最小,為136.95 kg·hm-2,且隨著施氮量的增加而增加；在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比顯著增加(P<0.05),說(shuō)明施用氮肥能夠有效促進(jìn)柳枝稷對(duì)于氮肥的吸收利用；在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大,與對(duì)照相比,吸氮量增加了71.96%(P<0.05)。氮肥利用率隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為75 kg·hm-2時(shí)只有33.44%,當(dāng)施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí)氮肥利用率增加到了43.80%。硫酸銨高施氮量與低施氮量相比,柳枝稷的吸氮量、氮肥利用率高,而土壤氮貢獻(xiàn)率低,說(shuō)明硫酸銨施氮量的增加既有利于促進(jìn)柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用,又有利于降低柳枝稷對(duì)土壤氮素的依賴。施用尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí),其吸氮量和氮肥利用率最高,分別為193.15 kg·hm-2和37.47%;土壤氮貢獻(xiàn)率先減少后增加,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)最低,為70.97%,說(shuō)明在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用效果最好,對(duì)土壤氮素的依賴最小。施用硫酸銨和尿素的氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加顯著降低(P<0.05),施氮量從75到225 kg·hm-2時(shí),施用硫酸銨的氮肥偏生產(chǎn)力從248.78下降至104.66 kg·kg-1,降低了137.70%;施用尿素的氮肥偏生產(chǎn)力從241.05下降至90.75 kg·kg-1,降低了165.62%。綜上說(shuō)明,施氮量越高,每千克硫酸銨和尿素的施用對(duì)于柳枝稷的增產(chǎn)作用越低。
2.3 不同氮肥處理對(duì)0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布與積累的影響
施用氮肥可以顯著提高0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量(P<0.05),且隨著施氮量的增加,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量逐漸增加。在各施氮量處理下,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)(圖2、圖3)。在不同施肥處理間,土壤硝態(tài)氮含量變動(dòng)在5.71～35.56 mg·kg-1,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的殘留量變動(dòng)在8.75～54.09 kg·hm-2。土壤硝態(tài)氮集中分布在0-30 cm土層,且以10-20 cm土層含量最高。
柳枝稷收獲后,土壤剖面的硝態(tài)氮積累量在施肥試驗(yàn)后,較試驗(yàn)前發(fā)生了變化,并且隨著施氮量的增大而增大(圖4)。施用尿素的小區(qū)在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)顯著增加(P<0.05),說(shuō)明在施用尿素的條件下,施氮量為225 kg·hm-2時(shí)會(huì)大大增加0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的積累,從而增加硝態(tài)氮向下淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。
土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量與施氮量之間呈正相關(guān)關(guān)系,可以用線性模型來(lái)描述。施用硫酸銨的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.425x+43.957(R2=0.648 8，P<0.01),施用尿素的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.378 2x+47.475(R2=0.759 1，P<0.01),土壤硝態(tài)氮積累量均隨著施氮量的增加而增加，且在施氮量增長(zhǎng)相同幅度時(shí),土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量在施用硫酸銨時(shí)大于尿素,說(shuō)明硫酸銨的施用相較于尿素對(duì)于增加土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累的促進(jìn)作用更顯著(P<0.05)(圖5)。
圖2 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0-40 cm soil layer under different fertilization treatments
圖3 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮?dú)埩鬎ig. 3 Soil residual nitrate-N content in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments
不同小寫字母表示同一土層不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示同一施氮量下不同土層之間差異顯著(P<0.05)。
Different lowercase letters indicate significant difference among different nitrogen application rates at the 0.05 level; different capital letters indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level.
3 討論
3.1 氮肥對(duì)柳枝稷產(chǎn)量的影響
氮素是影響柳枝稷產(chǎn)量最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一,人為施加氮肥以滿足植物生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求是維持植物高產(chǎn)的重要措施。大量的研究表明,在一定的施氮范圍內(nèi),植物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高,但超過(guò)施氮量閾值后,增施氮肥不僅不能提高產(chǎn)量,甚至?xí)拗浦参飳?duì)氮肥的吸收利用,降低產(chǎn)量[19-22]。這與本研究結(jié)果一致。本研究中,施用尿素的試驗(yàn)小區(qū)在施氮量低于150 kg·hm-2時(shí)隨著施氮量的增加而增加,施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí)，與150 kg·hm-2時(shí)相比，柳枝稷產(chǎn)量降低了4.27%、柳枝稷吸氮量減少了11.03%、氮肥利用率降低了58.63%,說(shuō)明尿素的施氮量超過(guò)150 kg·hm-2時(shí)不利于柳枝稷增產(chǎn),同時(shí)使柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用能力降低,這可能與根際土壤特性的變化有關(guān)。馬曉霞等[23]的研究表明,施肥可以增加土壤可利用的氮素,從而增強(qiáng)土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶的活性,促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。然而,施用氮肥過(guò)量時(shí),一方面會(huì)影響根系生長(zhǎng)發(fā)育,降低根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[24];另一方面,為避免地上部植株積累氮素過(guò)量,植株會(huì)通過(guò)影響光合線性電子傳遞,降低光合作用,從而抑制根系生長(zhǎng)及其對(duì)養(yǎng)分的吸收[25-26]。而施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量、柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加而增加,說(shuō)明本研究中的最高施氮量225 kg·hm-2并沒(méi)有達(dá)到硫酸銨的施氮量閾值,其主要原因可能與研究地的土壤條件有關(guān)。研究地的土壤是鹽堿土,硫酸銨是酸性肥料,施用硫酸銨會(huì)對(duì)土壤的鹽堿化程度有一定的緩解,使土壤環(huán)境更接近柳枝稷的適宜生長(zhǎng)環(huán)境,進(jìn)而有利于柳枝稷增產(chǎn)及其對(duì)氮肥的吸收利用。
圖4 不同氮肥處理對(duì)0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的影響Fig. 4 Soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments
圖5 施氮量與0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的關(guān)系Fig. 5 Correlation between nitrogen application rate and soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profile
3.2 氮肥對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響
過(guò)量施用氮肥時(shí),由于氮肥不能完全被植物吸收利用,土壤膠體又不能吸附NO3-,因此會(huì)使硝態(tài)氮在土壤中大量累積,這些硝態(tài)氮在強(qiáng)降雨和灌溉條件下容易向下淋溶,造成地下水體的污染。因此,硝態(tài)氮在土壤中的含量、積累量及其在土壤中的分布規(guī)律是反映土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。本研究中,施用硫酸銨和尿素的0-40 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮?dú)埩袅烤S著施氮量的增加而增加,且集中分布在10-20 cm土層,可能是由于此土層的微生物活動(dòng)及相關(guān)酶活性較強(qiáng),有利于氮素的積累。這也與前人的研究結(jié)果相似。張斐斐等[27]的研究結(jié)果表明,氮肥施用量和土壤中硝態(tài)氮的含量、殘留量密切相關(guān),施氮量越高,土壤中殘留的硝態(tài)氮越多。蔣會(huì)利等[28]的研究表明,土壤耕層硝態(tài)氮主要集中在0-40 cm土層,且含量隨著施氮量的增加而增加。張慧霞等[29]的研究表明,不同施肥處理土壤硝態(tài)氮的含量最高值均出現(xiàn)在0-20 cm土層,且硝態(tài)氮的含量隨著施氮量的增加而增加。本研究中土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量也隨著施氮量的增加而顯著增大(P<0.05),呈正相關(guān)關(guān)系,這與張樹蘭等[30]、王爽等[31]、淮賀舉等[32]的研究結(jié)果一致。本研究表明,施氮量為225 kg·hm-2與施氮量為150 kg·hm-2相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,但0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量并沒(méi)有顯著增加;而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量卻顯著增加。綜合考慮柳枝稷產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮積累量,施用硫酸銨225 kg·hm-2、施用尿素150 kg·hm-2時(shí),柳枝稷的產(chǎn)量較高,并且硝態(tài)氮向下淋溶的風(fēng)險(xiǎn)較小。
4 結(jié)論
1)硫酸銨和尿素的施用均可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量(P<0.05)。柳枝稷的產(chǎn)量、吸氮量、氮肥利用率在施用硫酸銨時(shí)隨著施氮量的增加逐漸增加;在施用尿素時(shí),隨著施氮量的增加出現(xiàn)先升高后降低的動(dòng)態(tài)趨勢(shì),在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)達(dá)到峰值。
2)土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤集中分布在10-20 cm,且其積累量隨著施氮量的增加而增加。
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陶 夢(mèng),蘇德榮,呂世海,王鐵梅,陳俊翰
(1.北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心,北京 100083; 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012;3.億利資源集團(tuán)有限公司,北京 100031)
庫(kù)布齊沙地位于鄂爾多斯高原脊線的北部, 其西、北部緊鄰黃河,地下水位高,水熱條件較好,適宜適沙型經(jīng)濟(jì)植物生長(zhǎng),是我國(guó)最具代表性的干旱、半干旱地區(qū)之一。近幾十年來(lái),隨著防沙治沙工作的深入,庫(kù)布齊沙地植被生態(tài)恢復(fù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,沙區(qū)的治理正在從沙漠化防治、沙區(qū)生態(tài)環(huán)境改善向沙漠化地區(qū)資源高效利用發(fā)展[1]。柳枝稷(Panicumvirgatum)是原產(chǎn)于美國(guó)的一種多年生暖季型C4草本,具有植株高大、根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)迅速、產(chǎn)量高、耐貧瘠、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[2],在水土保持、防沙治沙、鹽堿地治理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。將暖季型的柳枝稷引種到庫(kù)布齊沙地,不僅可以豐富庫(kù)布齊沙地的生物多樣性,改善土壤生態(tài)功能達(dá)到治理荒漠化的目的[4-5],同時(shí)可以作為一種飼草原料和草本生物質(zhì)能源植物,實(shí)現(xiàn)防沙治沙與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合。
庫(kù)布齊沙地雖然水熱條件良好,但沙區(qū)土壤為風(fēng)沙土,其特點(diǎn)是土壤貧瘠,有機(jī)質(zhì)含量低,尤其是氮肥缺乏。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素,由于土壤中溶解的無(wú)機(jī)氮濃度一般較低[6],不能滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要,因此在農(nóng)業(yè)中通過(guò)施用氮肥以獲得植物穩(wěn)定高產(chǎn)的現(xiàn)象普遍存在。然而,在大田生產(chǎn)中,過(guò)量施用氮肥往往不能使柳枝稷產(chǎn)量線性增加,甚至?xí)档土︷⒌牡世眯?。Lemus等[7]在美國(guó)弗吉尼亞州的研究表明,施氮量從90 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2,柳枝稷的氮肥利用率下降了83.3%。Owens等[8]研究發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加,柳枝稷的產(chǎn)量逐漸增加,但其氮肥利用率降低。Obour等[9]研究發(fā)現(xiàn),柳枝稷的產(chǎn)量與施氮量之間存在二次函數(shù)關(guān)系,施氮量為151 kg·hm-2時(shí)其產(chǎn)量最高。
同時(shí),如果氮肥施用量超過(guò)植物對(duì)氮素的需求量,就會(huì)造成硝態(tài)氮在土壤中的大量累積[10-12]。硝態(tài)氮是土壤淋洗損失的主要形式,硝態(tài)氮的累積會(huì)引發(fā)土壤酸化,通過(guò)淋溶損失、徑流損失和干濕沉降對(duì)水體造成污染,增加N2O等溫室氣體排放等一系列環(huán)境問(wèn)題[13-16],對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。因此,應(yīng)在保證植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提下,提高氮肥利用效率、減少氮肥損失,并且最大限度地降低由于硝態(tài)氮累積對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)。本研究將柳枝稷引入庫(kù)布齊沙地,研究硫酸銨和尿素兩種氮肥的不同施用量對(duì)于柳枝稷產(chǎn)量、氮肥吸收利用的影響,以期為在庫(kù)布齊沙地開(kāi)發(fā)種植柳枝稷提供試驗(yàn)依據(jù),實(shí)現(xiàn)引種與治沙的有效結(jié)合。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況
試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)(108°42′ E,40°36′ N,海拔約1 016 m)。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候,年均溫6.3 ℃;全年無(wú)霜期135 d;年平均降水量186.0 mm。
田間試驗(yàn)于2016年4月在億利資源集團(tuán)沙漠研究院精品種植園實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行,試驗(yàn)地種植多年甘草(Glycyrrhizauralensis)和歐李(Cerasushumilis),土壤為風(fēng)沙土,0-20 cm土層土壤pH 8.87,電導(dǎo)率153.6 μS·cm-1,有機(jī)質(zhì)含量5.05 g·kg-1,全氮含量0.14 g·kg-1,全磷含量0.42 g·kg-1,全鉀含量5.14 g·kg-1,速效磷含量38.05 mg·kg-1,速效鉀含量464.14 mg·kg-1。2016年4-9月試驗(yàn)期間,降水量為187.4 mm。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)所用的柳枝稷品種為BL-1,于2016年4月28日播種,條播,播種量為6.5 kg·hm-2,行距50 cm,2016年9月26日(初花期)收獲。小區(qū)面積為3 m×5 m,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)。供試氮肥為尿素(含氮量約46%)和硫酸銨(含氮量約21%),各設(shè)置4個(gè)施氮水平,施氮素量分別為0(CK)、75、150、225 kg·hm-2,于苗期(6月3日)、分蘗期(6月25日)、拔節(jié)期(7月17日)分3次獨(dú)立施入各小區(qū),各小區(qū)在3個(gè)時(shí)期的施肥量分別為對(duì)應(yīng)小區(qū)施氮量的1/5、2/5和2/5。全生育期適當(dāng)灌溉,保證水分供應(yīng)充足。
1.3 樣品采集與測(cè)定
1)鮮干比:于柳枝稷初花期在每小區(qū)選取50 cm×50 cm樣方,留茬高度5 cm,帶回實(shí)驗(yàn)室稱量鮮重。隨后在105 ℃的烘箱中殺青20 min后置于70 ℃,恒溫下烘48 h,冷卻后取出稱量干重,計(jì)算鮮干比,鮮干比=鮮重/干重。
2)產(chǎn)量:在初花期將柳枝稷按小區(qū)全部刈割,稱量各小區(qū)柳枝稷鮮重。再根據(jù)柳枝稷的鮮干比以及小區(qū)面積換算出柳枝稷單位面積的干物質(zhì)產(chǎn)量。
3)植株含氮量:樣品烘干后粉碎過(guò)1 mm篩,采用半微量凱氏定氮法,利用FOSS 2300凱氏定氮儀測(cè)定植物樣品中的全氮含量[17]。
4)土壤硝態(tài)氮含量:在柳枝稷初花期收獲后,用土鉆分別在各小區(qū)采集柳枝稷根際土壤樣品。取樣時(shí)每小區(qū)在對(duì)角線與中間位置取3個(gè)點(diǎn),按取樣層次等層混合,取樣深度為40 cm,每10 cm為一層,用紫外分光光度法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量[18]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
植株吸氮量=單位面積地上部分植株生物量×地上部分植株含氮量
圖6為500 kV交流雙回路輸電線路塔-線耦全體系模型中的導(dǎo)、地線絕緣子，絕緣子與桿塔掛點(diǎn)之間的連接關(guān)系,圖中分別標(biāo)明了懸垂絕緣子、導(dǎo)線和地線等.
氮肥利用率=(施氮處理地上部吸氮量-對(duì)照地上部吸氮量)/施氮量×100%；
土壤氮貢獻(xiàn)率=對(duì)照植株地上植株吸氮量/施肥區(qū)地上植株吸氮量×100%；
氮肥偏生產(chǎn)力=施氮小區(qū)柳枝稷產(chǎn)量/小區(qū)施氮量；
土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?kg·hm-2)=土層厚度×每公頃面積×土壤容重×土壤硝態(tài)氮含量/106；經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，0-30 cm土層土壤容重為1.521 g·cm-3，30-40 cm土層土壤容重為1.531 g·cm-3。
土壤硝態(tài)氮積累量為0-40 cm土壤各個(gè)土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅恐汀?/p>
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行錄入和整理,并繪制圖表。利用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同氮肥處理對(duì)柳枝稷產(chǎn)量的影響
硫酸銨和尿素的施用對(duì)于柳枝稷的產(chǎn)量影響不同(表1)。施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)最大,為23.55 t·hm-2,與對(duì)照(施氮量為0)相比增產(chǎn)44.39%(P<0.05)。施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高,為21.33 t·hm-2,與對(duì)照相比增產(chǎn)30.78%(P<0.05)。當(dāng)施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí),柳枝稷產(chǎn)量減少到20.42 t·hm-2,與施氮量為150 kg·hm-2時(shí)相比,減產(chǎn)了4.27%。兩種施氮量為150 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05),而施氮量為75 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明當(dāng)施氮量達(dá)到150 kg·hm-2時(shí)可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量。兩種施氮量為225 kg·hm-2時(shí)與施氮量為150 kg·hm-2時(shí)相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,但差異均不顯著(P>0.05)。
表1 不同氮肥處理下柳枝稷產(chǎn)量及氮肥利用率Table 1 Effect of different nitrogen fertilization treatments on the yield and NUE of switchgrass
同一施肥種類同列不同小寫字母表示不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)。
Different lowercase letters within the same column of the same nitrogen fertilizer indicate significant differences among different nitrogen application rate at the 0.05 level.
圖1 施氮量與柳枝稷產(chǎn)量關(guān)系Fig. 1 Correlation of nitrogen application rate with switchgrass yield
2.2 不同氮肥處理對(duì)柳枝稷吸氮量及氮肥利用率的影響
施用硫酸銨和尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率、土壤氮貢獻(xiàn)率、氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)(表1)。施用硫酸銨處理的吸氮量在施氮量為0(對(duì)照)時(shí)最小,為136.95 kg·hm-2,且隨著施氮量的增加而增加；在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)與對(duì)照相比顯著增加(P<0.05),說(shuō)明施用氮肥能夠有效促進(jìn)柳枝稷對(duì)于氮肥的吸收利用；在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大,與對(duì)照相比,吸氮量增加了71.96%(P<0.05)。氮肥利用率隨著施氮量的增加而增加,在施氮量為75 kg·hm-2時(shí)只有33.44%,當(dāng)施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí)氮肥利用率增加到了43.80%。硫酸銨高施氮量與低施氮量相比,柳枝稷的吸氮量、氮肥利用率高,而土壤氮貢獻(xiàn)率低,說(shuō)明硫酸銨施氮量的增加既有利于促進(jìn)柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用,又有利于降低柳枝稷對(duì)土壤氮素的依賴。施用尿素的柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加先增加后減少,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí),其吸氮量和氮肥利用率最高,分別為193.15 kg·hm-2和37.47%;土壤氮貢獻(xiàn)率先減少后增加,在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)最低,為70.97%,說(shuō)明在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用效果最好,對(duì)土壤氮素的依賴最小。施用硫酸銨和尿素的氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加顯著降低(P<0.05),施氮量從75到225 kg·hm-2時(shí),施用硫酸銨的氮肥偏生產(chǎn)力從248.78下降至104.66 kg·kg-1,降低了137.70%;施用尿素的氮肥偏生產(chǎn)力從241.05下降至90.75 kg·kg-1,降低了165.62%。綜上說(shuō)明,施氮量越高,每千克硫酸銨和尿素的施用對(duì)于柳枝稷的增產(chǎn)作用越低。
2.3 不同氮肥處理對(duì)0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布與積累的影響
施用氮肥可以顯著提高0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量(P<0.05),且隨著施氮量的增加,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量逐漸增加。在各施氮量處理下,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮的殘留量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)(圖2、圖3)。在不同施肥處理間,土壤硝態(tài)氮含量變動(dòng)在5.71～35.56 mg·kg-1,0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的殘留量變動(dòng)在8.75～54.09 kg·hm-2。土壤硝態(tài)氮集中分布在0-30 cm土層,且以10-20 cm土層含量最高。
柳枝稷收獲后,土壤剖面的硝態(tài)氮積累量在施肥試驗(yàn)后,較試驗(yàn)前發(fā)生了變化,并且隨著施氮量的增大而增大(圖4)。施用尿素的小區(qū)在施氮量為225 kg·hm-2時(shí)顯著增加(P<0.05),說(shuō)明在施用尿素的條件下,施氮量為225 kg·hm-2時(shí)會(huì)大大增加0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮的積累,從而增加硝態(tài)氮向下淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。
土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量與施氮量之間呈正相關(guān)關(guān)系,可以用線性模型來(lái)描述。施用硫酸銨的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.425x+43.957(R2=0.648 8，P<0.01),施用尿素的土壤硝態(tài)氮積累量與施氮量之間的回歸方程為y=0.378 2x+47.475(R2=0.759 1，P<0.01),土壤硝態(tài)氮積累量均隨著施氮量的增加而增加，且在施氮量增長(zhǎng)相同幅度時(shí),土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量在施用硫酸銨時(shí)大于尿素,說(shuō)明硫酸銨的施用相較于尿素對(duì)于增加土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累的促進(jìn)作用更顯著(P<0.05)(圖5)。
圖2 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮分布Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0-40 cm soil layer under different fertilization treatments
圖3 不同氮肥處理下0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮?dú)埩鬎ig. 3 Soil residual nitrate-N content in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments
不同小寫字母表示同一土層不同施氮量之間差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示同一施氮量下不同土層之間差異顯著(P<0.05)。
Different lowercase letters indicate significant difference among different nitrogen application rates at the 0.05 level; different capital letters indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level.
3 討論
3.1 氮肥對(duì)柳枝稷產(chǎn)量的影響
氮素是影響柳枝稷產(chǎn)量最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一,人為施加氮肥以滿足植物生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求是維持植物高產(chǎn)的重要措施。大量的研究表明,在一定的施氮范圍內(nèi),植物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高,但超過(guò)施氮量閾值后,增施氮肥不僅不能提高產(chǎn)量,甚至?xí)拗浦参飳?duì)氮肥的吸收利用,降低產(chǎn)量[19-22]。這與本研究結(jié)果一致。本研究中,施用尿素的試驗(yàn)小區(qū)在施氮量低于150 kg·hm-2時(shí)隨著施氮量的增加而增加,施氮量增加到225 kg·hm-2時(shí)，與150 kg·hm-2時(shí)相比，柳枝稷產(chǎn)量降低了4.27%、柳枝稷吸氮量減少了11.03%、氮肥利用率降低了58.63%,說(shuō)明尿素的施氮量超過(guò)150 kg·hm-2時(shí)不利于柳枝稷增產(chǎn),同時(shí)使柳枝稷對(duì)氮肥的吸收利用能力降低,這可能與根際土壤特性的變化有關(guān)。馬曉霞等[23]的研究表明,施肥可以增加土壤可利用的氮素,從而增強(qiáng)土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶的活性,促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。然而,施用氮肥過(guò)量時(shí),一方面會(huì)影響根系生長(zhǎng)發(fā)育,降低根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[24];另一方面,為避免地上部植株積累氮素過(guò)量,植株會(huì)通過(guò)影響光合線性電子傳遞,降低光合作用,從而抑制根系生長(zhǎng)及其對(duì)養(yǎng)分的吸收[25-26]。而施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量、柳枝稷吸氮量、氮肥利用率均隨著施氮量的增加而增加,說(shuō)明本研究中的最高施氮量225 kg·hm-2并沒(méi)有達(dá)到硫酸銨的施氮量閾值,其主要原因可能與研究地的土壤條件有關(guān)。研究地的土壤是鹽堿土,硫酸銨是酸性肥料,施用硫酸銨會(huì)對(duì)土壤的鹽堿化程度有一定的緩解,使土壤環(huán)境更接近柳枝稷的適宜生長(zhǎng)環(huán)境,進(jìn)而有利于柳枝稷增產(chǎn)及其對(duì)氮肥的吸收利用。
圖4 不同氮肥處理對(duì)0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的影響Fig. 4 Soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profiles under different fertilization treatments
圖5 施氮量與0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量的關(guān)系Fig. 5 Correlation between nitrogen application rate and soil nitrate-N accumulation in 0-40 cm soil profile
3.2 氮肥對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響
過(guò)量施用氮肥時(shí),由于氮肥不能完全被植物吸收利用,土壤膠體又不能吸附NO3-,因此會(huì)使硝態(tài)氮在土壤中大量累積,這些硝態(tài)氮在強(qiáng)降雨和灌溉條件下容易向下淋溶,造成地下水體的污染。因此,硝態(tài)氮在土壤中的含量、積累量及其在土壤中的分布規(guī)律是反映土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。本研究中,施用硫酸銨和尿素的0-40 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量、硝態(tài)氮?dú)埩袅烤S著施氮量的增加而增加,且集中分布在10-20 cm土層,可能是由于此土層的微生物活動(dòng)及相關(guān)酶活性較強(qiáng),有利于氮素的積累。這也與前人的研究結(jié)果相似。張斐斐等[27]的研究結(jié)果表明,氮肥施用量和土壤中硝態(tài)氮的含量、殘留量密切相關(guān),施氮量越高,土壤中殘留的硝態(tài)氮越多。蔣會(huì)利等[28]的研究表明,土壤耕層硝態(tài)氮主要集中在0-40 cm土層,且含量隨著施氮量的增加而增加。張慧霞等[29]的研究表明,不同施肥處理土壤硝態(tài)氮的含量最高值均出現(xiàn)在0-20 cm土層,且硝態(tài)氮的含量隨著施氮量的增加而增加。本研究中土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤的積累量也隨著施氮量的增加而顯著增大(P<0.05),呈正相關(guān)關(guān)系,這與張樹蘭等[30]、王爽等[31]、淮賀舉等[32]的研究結(jié)果一致。本研究表明,施氮量為225 kg·hm-2與施氮量為150 kg·hm-2相比,施用硫酸銨的柳枝稷產(chǎn)量增加,但0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量并沒(méi)有顯著增加;而施用尿素的柳枝稷產(chǎn)量減少,0-40 cm土層土壤的硝態(tài)氮積累量卻顯著增加。綜合考慮柳枝稷產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮積累量,施用硫酸銨225 kg·hm-2、施用尿素150 kg·hm-2時(shí),柳枝稷的產(chǎn)量較高,并且硝態(tài)氮向下淋溶的風(fēng)險(xiǎn)較小。
4 結(jié)論
1)硫酸銨和尿素的施用均可以顯著提高柳枝稷的產(chǎn)量(P<0.05)。柳枝稷的產(chǎn)量、吸氮量、氮肥利用率在施用硫酸銨時(shí)隨著施氮量的增加逐漸增加;在施用尿素時(shí),隨著施氮量的增加出現(xiàn)先升高后降低的動(dòng)態(tài)趨勢(shì),在施氮量為150 kg·hm-2時(shí)達(dá)到峰值。
2)土壤硝態(tài)氮在0-40 cm土層土壤集中分布在10-20 cm,且其積累量隨著施氮量的增加而增加。
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