減氮配施炭基肥對(duì)棉田土壤養(yǎng)分、氮素利用率及產(chǎn)量的影響

張?jiān)剖妫乒饽荆褎俸?，徐萬里，張計(jì)峰

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

隨著化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，中國已成為世界上最大的化肥消費(fèi)國家[1]。統(tǒng)計(jì)表明，中國農(nóng)作物化肥施用量已經(jīng)從1980年的1269.4萬t到2018年的5653.4萬t，增長了3.5倍[2]?；实倪^量施用帶來了諸多環(huán)境問題，迫切需要開發(fā)新型高效肥料來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。生物炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧下熱解產(chǎn)生的一類高度芳香化固態(tài)物質(zhì)。生物炭可以快速增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化性狀、降低肥料損失等[3-4]。同時(shí)，生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，在短時(shí)間內(nèi)不易分解，可以長時(shí)間保持穩(wěn)定[5]。

近年來，為了解決生物炭在運(yùn)輸和施用上不便的問題，將生物炭作為載體，與肥料混合制成炭基肥，符合當(dāng)前國家提出的化肥“零增加”的發(fā)展方向，越來越受到研究者的關(guān)注[6-8]。炭基肥是利用生物炭與其他化肥混合制成的長效肥料，一方面生物炭延長了肥料養(yǎng)分的釋放期，另一方面彌補(bǔ)了生物炭養(yǎng)分不足的缺陷。研究炭基肥在棉花上的應(yīng)用效果符合國家倡導(dǎo)的減施化肥的發(fā)展目標(biāo)。楊勁鋒等[9]研究表明，施用炭基緩釋肥可以顯著提高土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量和花生產(chǎn)量。陳懿等[10]研究表明，與常規(guī)肥比較，施用炭基肥可以顯著提升土壤pH、有效磷和速效鉀含量，顯著增加土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量?？等辗宓萚11]研究表明，生物炭基肥料可顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，并隨著輔料中生物炭添加量的增加而增加，還增加了土壤中堿解氮和有效磷養(yǎng)分的含量。

目前，基于棉花秸稈生物炭的炭基肥應(yīng)用研究主要集中在對(duì)土壤微生物、土壤物理性質(zhì)和作物產(chǎn)量提升方面。本研究立足于新疆主要棉區(qū)，從炭基肥對(duì)氮素養(yǎng)分高效利用角度開展試驗(yàn)，于2018年在新疆石河子121團(tuán)炮臺(tái)鎮(zhèn)土壤改良試驗(yàn)站進(jìn)行，通過田間小區(qū)試驗(yàn)，在減施氮肥條件下施用炭基肥，研究施用棉花炭基肥對(duì)棉花土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響，為炭基肥在棉花上的應(yīng)用效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)從2017年11月底開始，2018年12月結(jié)束，試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)121團(tuán)炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站，該站位于新疆準(zhǔn)格爾盆地南緣(44°48′53″ N，85°34′50″ E)，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.5～8.2 ℃，年日照2 318～ 2 732 h，無霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm。土壤為灌耕風(fēng)沙土，土壤質(zhì)地為砂土，砂粒、粉砂粒和粘粒含量分別為74.92%、16.00%和9.08%，土壤0～40 cm基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)材料的制備

棉花秸稈炭：2017年棉花采收后，將棉花秸稈收集粉碎成8～12 cm，用THⅠ-Ⅱ-B環(huán)保型炭化爐，在缺氧環(huán)境下炭化，炭化溫度350～ 450 ℃，秸稈炭化出爐自然降溫后，粉碎。棉花秸稈炭炭化后養(yǎng)分特性為：pH 10.19，有機(jī)碳 336.50 g/kg，速效氮45.3 mg/kg，速效磷1931.6 mg/kg，速效鉀48 800 mg/kg、陽離子代換量(CEC) 13.91 cmol/kg。

表1 0～40 cm供試土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Nutrient status of 0-40 cm soil

棉花炭基肥：將粉碎后的棉桿炭(20目)、石膏(>100目)、膨潤土(>100目)與尿素、三料磷肥、硫酸鋅和硼酸充分混合，調(diào)節(jié)含水量至25%，擠壓造粒。棉花炭基肥產(chǎn)品各組分含量分別為：棉桿炭20%、石膏8.1%、膨潤土8%、尿素 26.1%、三料磷肥34.8%、硫酸鋅1.5%、硼酸 1.5%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用寬膜機(jī)采棉配置，棉花品種為‘魯棉42’，平均行距38 cm，株距10 cm。田間小區(qū)面積69 m2。試驗(yàn)設(shè)不施氮肥(T1)、減氮施肥(T2)、施炭基肥(T3)、常規(guī)施肥(T4)4個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。所用氮肥為尿素[w(N)=46%]，磷肥用三料磷肥([w(P2O5)=46%]，鉀肥用硫酸鉀[w(K2O)=51%]。各處理磷鉀肥施用量相同，T1不施氮肥，T2氮肥用量為常規(guī)用量的85%，T3氮肥用量為常規(guī)用量的85%，T4氮肥施用量同常規(guī)，具體物料用量見表2。氮肥30%基施，70%滴灌追施，磷肥全部基施，鉀肥全部滴灌追施。

表2 不同處理施肥量Table 2 Fertilizer application rates of different treatments kg/hm2

1.4 樣品采集與測定方法

2017-10-20棉花采收后，每小區(qū)采用五點(diǎn)法取樣，采集0～20、20～40 cm土樣，樣品采集后充分混合并去除植物殘?bào)w及其他雜物，放置于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)處陰干過篩，測定土壤養(yǎng)分含量。根據(jù)棉花膜寬選取樣段，調(diào)查采樣段內(nèi)株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)，采取50朵棉花，稱取質(zhì)量，得出單鈴質(zhì)量。理論產(chǎn)量=每公頃株數(shù)×單株結(jié)鈴數(shù)×單鈴質(zhì)量。

土壤基本理化性質(zhì)測定：參考文獻(xiàn)[12]，全氮采用凱氏定氮法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法，速效鉀采用 1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法。

氮素利用效率計(jì)算：氮吸收量=單位面積干物質(zhì)累積量×植株氮含量；氮素利用率=(施氮肥區(qū)作物吸收氮量-缺素區(qū)作物吸收氮量)/(氮肥施用量×氮肥中氮素含量)×100%；氮肥產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=(施氮肥區(qū)作物產(chǎn)量-缺氮素區(qū)作物產(chǎn)量)/施氮肥區(qū)作物產(chǎn)量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Execl 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，采用DPS 7.05進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮配施炭基肥對(duì)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的 影響

由表3可知，棉田施氮可顯著提高棉田土壤中總氮含量，與T1處理相比，T2、T3、T4處理 0～20 cm土壤中全氮含量分別提高9.3%、 20.9%和11.6%，T4和T2處理土壤中全氮含量無顯著差異。20～40 cm與0～20 cm土壤全氮含量變化趨勢相同,T3處理較T1、T2和T4處理土壤中全氮含量分別增加0.11、0.06和0.04 g/kg。T2、T4處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響較小，而T3處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較其他處理顯著增加，其中0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量提高0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量提高0.22～ 0.30 g/kg。

表3 不同施肥處理不同土層土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量Table 3 Total nitrogen and organic matter contents in different soil depth under different treatments g/kg

2.2 減氮配施炭基肥對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

試驗(yàn)前0～20 cm和20～40 cm土壤堿解氮含量分別為34.5 mg/kg和25.9 mg/kg。由表4可知，與試驗(yàn)前相比，T1處理0～20 cm和20～40 cm土壤堿解氮含量分別下降了11.0%和 18.1%；T2處理0～20 cm耕層土壤堿解氮含量增加，但20～40 cm土壤堿解氮含量降低；T3處理土壤堿解氮含量均顯著高于其他處理，與直接減氮處理T2相比，0～20 cm土壤中堿解氮含量增加12.9 mg/kg。T3處理土壤中速效磷含量顯著低于T1、T2和T4處理。土壤中速效鉀含量各處理間沒有達(dá)到顯著性差異。

表4 不同施肥處理不同土層土壤速效養(yǎng)分含量Table 4 Contents of available nutrients in different soil depth under different treatments mg/kg

2.3 減氮配施炭基肥對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同施肥處理對(duì)棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成影響不同。由表5可以看出，產(chǎn)量表現(xiàn)為T3>T4> T2>T1，與不施氮T1處理相比，T2、T3和T4處理棉花產(chǎn)量分別增加1 535.9、1 814.7和1 701.3 kg/hm2。T3較T4處理產(chǎn)量提高2.0%(P> 0.05)，同等施氮量下，T3較T2處理顯著提高 5.2%。施肥處理下T2、T3和T4處理棉花單株結(jié)鈴數(shù)沒有差異，均顯著高于T1處理。棉花單鈴質(zhì)量為T3>T4>T2>T1，與產(chǎn)量變化趨勢相同。綜合棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)，表明炭基肥T3處理對(duì)棉花產(chǎn)量總體表現(xiàn)較好。

表5 不同施肥處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 5 Cotton yield and yield component under different fertilization treatments

2.4 減氮配施炭基肥對(duì)氮肥利用效率的影響

通過氮素投入量、氮素吸收量、產(chǎn)量以及干物質(zhì)累積量分析棉花氮素利用率和氮肥產(chǎn)量貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)(表6)，T3處理棉田氮吸收量最高，氮素利用率為55.1%，氮肥產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為31.9%，其次為T4(43.2%)和T2處理(43.4%)。可見通過炭基肥方式能夠達(dá)到增加田間產(chǎn)出，提高滴灌棉田氮素利用效率的目標(biāo)。

表6 不同施肥處理氮素貢獻(xiàn)率Table 6 Nitrogen contribution rate of different fertilization treatments

3 討 論

3.1 減氮配施炭基肥對(duì)棉田土壤養(yǎng)分含量的影響

本研究在新疆北疆重要棉花產(chǎn)區(qū)開展，該區(qū)土壤以灌耕風(fēng)沙土為主，水肥保持能力弱，依據(jù)試驗(yàn)開展前對(duì)土壤基本養(yǎng)分含量測定結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)土壤普遍貧瘠。因此提高棉田土壤養(yǎng)分含量和利用效率對(duì)于保持和提升該區(qū)棉花產(chǎn)量至關(guān)重要。前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施肥方式能夠顯著影響棉田土壤中養(yǎng)分含量和養(yǎng)分利用效率[13-17]，新疆北疆棉區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中也存在著氮肥投入量與棉花氮素吸收不匹配，氮肥利用效率不高的問題。本試驗(yàn)從改變氮素投入方式減少氮肥投入角度進(jìn)行研究，結(jié)果表明在當(dāng)前棉花施肥量基礎(chǔ)上直接減少氮肥對(duì)土壤中全氮和有機(jī)質(zhì)含量影響較小，而對(duì)土壤中速效養(yǎng)分含量顯著。通過炭基肥方式進(jìn)行氮肥減施處理，增加了棉田土壤速效氮含量，但土壤中速效磷含量下降，速效鉀變化不顯著。

3.2 減氮配施炭基肥對(duì)棉花產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

利用生物炭等有機(jī)物料與氮肥結(jié)合方式對(duì)大田進(jìn)行肥料投入是提高作物產(chǎn)量的方式之一，彭銀等[18]比較了炭基肥和炭醋肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響發(fā)現(xiàn)炭基肥和炭醋肥對(duì)氮的釋放具有緩釋作用，但炭基肥效果更好。時(shí)正倫等[19]利用盆栽試驗(yàn)研究了生物炭基肥對(duì)喀斯特石灰土速效養(yǎng)分的影響，其結(jié)果顯示施用生物炭基肥可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)(13.5%～103.9%)和速效養(yǎng)分含量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。這與本研究在新疆灌耕風(fēng)沙土上的研究結(jié)果相同。本研究中同等施肥量條件下，炭基肥施肥方式(T3)下棉花產(chǎn)量較T2處理產(chǎn)量顯著提高5.2%，通過分析棉花產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)門3處理下增加了單鈴質(zhì)量，而處理間單株結(jié)鈴數(shù)變化較小。

3.3 減氮配施炭基肥對(duì)氮素利用效率的影響

氮素是新疆棉花產(chǎn)量的主要限制因子[20]，提高氮素利用效率能夠有效增加棉花產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)化肥減施的目的。胡迎春等[21]研究表明，通過控釋氮肥和尿素相結(jié)合的氮肥投入方式提高了玉米產(chǎn)量和氮素利用效率。本研究基于棉桿炭的炭基肥處理下(T3)與常規(guī)施肥方式(T4)360 kg/hm2的施肥量相比，棉花氮素累積量顯著增加，氮素利用率由43.2%提高至55.1%。結(jié)合炭基肥處理(T3)0～20 cm土壤中速效氮含量(59.9 mg/kg)和20～40 cm速效氮含量(35.3 mg/kg)，說明T3施肥方式能保持棉田土壤速效氮養(yǎng)分較高的強(qiáng)度和容量，這與鄧松華等[22]在玉米上進(jìn)行的大田試驗(yàn)趨勢相同。由于生物炭普遍呈堿性，pH值較高，施入炭基肥對(duì)新疆棉田pH的影響在本研究中沒有體現(xiàn)，且生物炭或炭基肥對(duì)沙土土壤結(jié)構(gòu)的影響等需要在后期的研究中跟蹤監(jiān)測[23]。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)施肥相比，在覆膜滴灌棉田施用炭基肥后0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量提升0.41～0.44 g/kg，20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量提升0.22～ 0.30 g/kg。0～20 cm土壤速效氮的含量較直接減氮處理增加12.9 mg/kg。采用炭基肥減氮施肥方式能夠保持棉花產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)量較常規(guī)施肥量提高2.0%，與直接減施氮肥相比產(chǎn)量提高5.2%。綜合分析氮素利用效率、炭基肥減氮處理方式棉田氮素利用率達(dá)到55.1%，常規(guī)施肥模式氮素利用率為43.2%，顯著提高了氮肥利用效率。因此，通過炭基肥進(jìn)行棉田施肥可以作為新疆北疆棉區(qū)化肥減施的施肥措施。