郑文琦(1998—),女,内蒙古乌兰察布市人,硕士研究生,主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持。E-mail:wenqizheng1998@ 163.com
针对红壤旱坡地土壤侵蚀严重和渗漏淋溶强烈并存的现状,为探讨减量施氮对作物产量、氮素径流和渗漏损失特征及氮素表观平衡的影响,选择赣北红壤旱坡花生地开展田间随机区组试验,设置5个处理:100%施氮量(N100%,纯施氮180 kg·hm–2)、减1/6施氮量(N1/6)、减1/3施氮量(N1/3)、减1/2施氮量(N1/2)和不施氮(N0),每个处理重复3次。结果表明:(1)与N100%处理相比,N1/6和N1/2处理的花生产量和植株吸氮量略低,但差异不显著(
Severe soil erosion and water leakage on dry slopes of red soils are a common phenomenon that results in significant nitrogen loss. These occurrences cause nitrogen imbalance and subsequent yield losses. This study aimed to explore the effects of different levels of reduced nitrogen fertilization on crop yield and nitrogen loss characteristics.
Randomized field trials comprising of five nitrogen treatments in three replicates were set up in peanut fields located in the dry slopes of northern Jiangxi characterized by red soils. The five treatments were 100% nitrogen application rate (N100%, pure nitrogen application of 180 kg·hm–2), 1/6(N1/6), 1/3(N1/3), 1/2(N1/2), and zero (N0) nitrogen application rates.
The peanut yield and plant nitrogen uptake of N1/2 and N1/6 treatments were insignificantly lower than those of the N100% treatment (
This finding affirmed the significance of nitrogen loss through runoff and leakage. Non-nitrogen treatment on newly reclaimed land reduced the soil inorganic nitrogen while reduced-nitrogen fertilization increased the soil inorganic nitrogen by up to 31.44%. Thus, reduced nitrogen fertilization could maintain a constant soil fertility level. Based on the comprehensive production goals, environmental impacts, and soil fertility, 90 kg·hm–2 is the recommended nitrogen application rate for peanuts planted in dry slope land with red soils.
南方红壤区作为全国油料作物主产区之一,对保障国家粮油安全具有重要的战略地位[
国内外学者围绕氮肥减施已经开展了大量研究[
试验布设在江西省北部德安县城郊的江西水土保持生态科技园(29°10′—29°35′ N,115°23′—115°53′ E),属于亚热带湿润季风气候区,年气温16.7 ℃,年日照时数1 650~2 100 h,年无霜期249 d;年降水量1 436.8 mm(2001—2018),且集中在4—8月,占全年降水量的62.93%。该园地处我国南方红壤的中心分布区域,土壤主要为第四纪红黏土发育的红壤,呈酸性至微酸性;因濒临鄱阳湖,坡耕地分布集中,春夏季农作物主要为花生等。试验地土壤基本理化性状为:有机质含量为5.76 g·kg–1,全氮含量为0.56 g·kg–1,铵态氮含量为2.83 mg·kg–1,硝态氮含量为5.34 mg·kg–1,碱解氮含量为42.36 mg·kg–1,全磷含量为0.19 g·kg–1,速效磷含量为3.54 mg·kg–1,黏粒、粉粒和砂粒含量分别为22.03%、64.61%和13.36%,质地为黏壤土(美国制)。在原荒草地上新建15个试验小区,可收集地表径流泥沙、0~60 cm壤中流和60 cm以下深层渗漏(
试验小区示意图
Diagram of the runoff plot
参考当地高量施肥水平与田间管理实际,设置5种施氮水平处理:100%施氮量(N100%,纯施氮180 kg·hm–2)、减1/6施氮量(N1/6,纯施氮150 kg·hm–2)、减1/3施氮量(N1/3,纯施氮120 kg·hm–2)、减1/2施氮量(N1/2,纯施氮90 kg·hm–2)和不施氮量(N0),每个处理重复3次,随机区组排列;磷肥和钾肥按五氧化二磷75 kg·hm–2、氧化钾150 kg·hm–2水平施用。所有肥料混匀后撒施在小区内再翻耕土壤,翻耕深度为20 cm。花生品种为纯杂1016,采取穴播方式,按行距15~17 cm、穴距30~33 cm、穴深4~5 cm,每个小区种植花生9行、3列共27穴,每穴定苗2株。花生于2019年5月8日播种,8月20日收获。
(1)产流产沙量。在花生整个生长期进行逐场次降雨条件下的产流、产沙观测。降雨量采用试验地旁设置的虹吸式自记雨量计进行监测;地表径流量和0~60 cm壤中流量根据径流桶中水位采用预先率定的水位-体积关系计算获取,并采用烘干法测定地表径流含沙水样计算次降雨事件侵蚀泥沙量。60 cm以下深层渗漏量根据水量平衡原理计算[
深层渗漏量(mm)=降雨量–地表径流量–壤中流量–蒸散发–土体水增量
式中,花生蒸散发通过试验地旁的SOILSCOPE大型自动称重式蒸渗仪测定,土体水增量采用TRIME-PICO-IPH TDR剖面土壤水分测量系统测量。本文中的渗漏量包括0~60 cm壤中流量和深层渗漏量两部分。
(2)氮素含量与氮素输出量。每次产流结束后,待径流桶中水样静置4 h后采集500 mL上清液装瓶用于测定水相全氮(TN)含量,径流桶底部泥沙全部取出称重并用塑封袋收集500 g泥沙样风干过100目筛用于测定侵蚀泥沙相TN含量,采用自流式和真空式渗漏水采集装置采集渗漏水样用于测定渗漏水TN含量。所有样品TN含量由通过计量认证的江西水土保持生态科技园分析测试中心测定。水样现场加酸稳定立即带回分析测试中心置于4 ℃冰箱保存,在72 h内分析完毕。TN径流流失量、TN渗漏淋失量等参照文献[
式中,
(3)花生产量及农艺性状。花生收获时(8月20日)按实收统计秸秆产量、荚果产量和总干物质量,精度0.1 g。同时,在各小区按S形选择10穴、每穴2株植物全样,测量并记录各植株的主茎长、株高、冠幅、饱果数和原始分枝数等农艺性状;分别取植株的叶、茎、根、果壳、果仁在105 ℃杀青30 min,70 ℃烘至恒重,称重,记录干物质重。烘干的植株分器官样品经粉碎过0.25 mm(60目)筛,用于测定花生植株TN含量,并根据各器官干物质量计算植株氮素积累量。
(4)土壤铵氮(
(5)氮素表观平衡计算。花生地氮素平衡等指标的计算参照文献[
氮素矿化量=总输出量–(肥料氮+播前土壤无机氮+种子输入氮+降雨输入氮)
本文采用Excel 2016和SPSS 21.0软件进行数据处理,用Origin 8.5和Excel 2016作图。文中所列数据均为3次重复平均值,各处理的比较采用最小显著差法(LSD)。
作物对氮素的吸收表现为氮素积累量。从花生收获时统计的植株实收生物量及其吸氮量数据来看(
不同施氮水平下花生生物量及氮素积累量
Peanut biomass and nitrogen accumulation under different nitrogen levels
处理 |
荚果产量 |
秸秆产量 |
总干物质量 |
植株氮素积累量 |
注:表中数据为平均值±标准差;同列不同字母表示各处理之间差异显著,LSD检验( |
||||
N100% | 4 526±1 400a | 3 808±545a | 8 334±1902a | 244.5±58.2a |
N1/6 | 3 340±551ab | 3 074±241ab | 6 415±791ab | 196.3±22.8ab |
N1/3 | 2 663±830b | 2 942±686ab | 5 606±1 475b | 168.9±14.3b |
N1/2 | 3 837±1 037ab | 3 016±386ab | 6 853±1 424ab | 196.9±56.6ab |
N0 | 2 661±397b | 2 478±463b | 5 139±830b | 158.6±19.7b |
农艺性状特征可以反映不同施氮水平下的作物生长情况。从花生收获时的农艺性状指标可知(
不同施氮水平下花生农艺性状
Agronomic characteristics of peanuts under different nitrogen levels
处理 |
主茎长 |
株高 |
冠幅 |
饱果数 |
原始分枝数 |
N100% | 25.60±3.53a | 38.07±4.20a | 44.90±1.57a | 22.83±5.08a | 10.03±0.57a |
N1/6 | 19.90±4.16ab | 31.07±4.26ab | 42.60±1.04ab | 18.47±3.97ab | 8.33±0.74ab |
N1/3 | 19.90±5.17ab | 31.73±5.21ab | 37.37±2.45ab | 12.91±4.00b | 6.93±2.05b |
N1/2 | 26.83±1.81a | 39.57±3.12a | 44.33±3.47a | 18.77±4.65ab | 8.70±0.35ab |
N0 | 17.43±2.02b | 29.77±1.63b | 36.02±1.70b | 12.73±1.63b | 6.80±0.66b |
降雨是导致坡地农田养分随地表径流泥沙或深层渗漏损失的主要原因。试验期共发生16次降雨事件,总降雨量为518.5 mm,占全年降雨量(1 536.0 mm)的33.76%,占当地花生生育期多年(2001—2018)平均降雨量的35.90%。其中:侵蚀降雨场次12次,侵蚀性降雨量437.2 mm,占同期降雨量的84.32%。花生生长季各处理产流产沙量如
不同施氮水平下花生生长季产流产沙情况
Runoff and sediment yield in peanut growing season under different nitrogen levels
处理 |
地表径流量 |
泥沙量 |
渗漏量 |
地表径流系数 |
N100% | 889±386a | 12 811±2 284a | 2 373±164ab | 14.3±4.7a |
N1/6 | 1 059±171a | 12 923±4 068a | 2 333±292ab | 15.3±2.2a |
N1/3 | 1 117±307a | 15 241±5 316a | 2 522±349a | 17.6±9.6a |
N1/2 | 871±155a | 11 138±4 679a | 2 249±242ab | 14.0±0.5a |
N0 | 1 314±340a | 16 628±3 532a | 1 775±714b | 17.9±3.0a |
试验期12次侵蚀性降雨下各处理地表径流和渗漏TN平均浓度如
不同施氮水平下花生地地表径流和渗漏TN浓度
TN concentration in peanut field through surface runoff and leakage under different nitrogen levels
不同施氮水平下花生地氮素随地表径流和渗漏的输出通量
TN output in peanut field through surface runoff and leakage under different nitrogen levels
各处理的TN输出通量如
花生收获后土壤
不同施氮水平下花生地
Distribution of
氮平衡研究是评价生态系统中氮素循环和氮肥去向的有力工具,也是研究土壤氮素利用与损失的常用方法之一。
不同施氮水平下花生地整个生长季的氮素平衡
Nitrogen balance in the whole growing season of peanut under different nitrogen levels /(kg·hm–2)
项目Item | N100% | N1/6 | N1/3 | N1/2 | N0 |
A. 氮素输入Nitrogen input | |||||
1)氮肥Nitrogen fertilizer | 180 | 150 | 120 | 90 | 0 |
2)氮素矿化氮Mineralization nitrogen | 136.40 | 136.40 | 136.40 | 136.40 | 136.40 |
3)土壤起始氮Soil initial nitrogen | 59.31 | 59.31 | 59.31 | 59.31 | 59.31 |
4)降水氮Precipitation nitrogen | 6.09 | 6.09 | 6.09 | 6.09 | 6.09 |
5)种子氮Seed nitrogen | 11.56 | 11.56 | 11.56 | 11.56 | 11.56 |
A. 总量Total | 393.36 | 363.36 | 333.36 | 303.36 | 213.36 |
B. 氮素输出Nitrogen output | |||||
1)作物吸收Crop adsorption | 244.51 | 196.32 | 168.99 | 196.96 | 158.68 |
2)土壤残留Soil residue | 73.50 | 77.78 | 70.38 | 71.44 | 32.85 |
3)径流流失Runoff loss | 9.43 | 8.62 | 10.15 | 7.15 | 12.26 |
4)渗漏淋失Leakage loss | 23.50 | 28.65 | 26.85 | 17.49 | 9.57 |
5)气体等其他损失Gas and other loss | 42.41 | 51.98 | 82.40 | 10.31 | 0 |
6)总损失3+4+5 Total loss | 75.34 | 89.25 | 93.98 | 34.95 | -- |
B. 总量Total | 393.36 | 363.36 | 333.36 | 303.36 | 213.36 |
不同施氮水平下花生地整个生长季的氮素输出及拟合曲线
Nitrogen output and its fitting curve in the growing season of peanut under different nitrogen levels
试验地氮素支出项主要包括作物吸收、土壤残留、径流流失、渗漏淋失和气体等其他损失5项(
世界范围内,氮肥施用对提高作物产量、增加经济收益起了不可替代的作用[
氮肥的大量投入在提高产量和增加经济收益的同时也给环境带来了不利的影响,特别在集约化农业生产中,过量氮肥导致的经济损失和环境问题日益严重[
在本试验中,各处理渗漏TN平均浓度均在地下水Ⅲ类标准值以下,对地下水威胁不大;而各处理地表径流TN平均浓度均超地表Ⅳ类水标准值(1.5 mg·L–1),其中N100%处理地表径流TN平均浓度已超过地表Ⅴ类水标准值(2 mg·L–1),进入河湖水体后存在诱发富营养化的风险。因此,在红壤旱坡花生地可以采取增加土壤入渗而降低地表径流的措施,如破除土壤表面的硬壳、喷施一定计量的化学物质(如土壤改良剂)等[
本试验观测结果表明:施氮越多花生种植体系输入的氮素就越多,肥料氮占总氮输入的29.67%~45.76%;矿化氮和土壤起始Nmin占氮素输入的52.69%~97.14%,说明该试验地有较强的供氮能力;肥料氮、矿化氮及土壤起始Nmin是红壤旱坡花生地氮素输入的主要途径(97.14%~98.45%)。在氮素输出项中,渗漏淋失的氮占总损失量的28.57%~50.04%,径流流失的氮占总损失量的9.73%~20.46%,二者之和即为水体损失的氮量(38.31%~70.51%)高于气体等其他表观损失的氮量(29.50%~60.63%),表明渗漏淋失和径流流失是红壤旱坡花生地氮素损失的主要途径,与同类地区已有研究结果[
对红壤旱坡花生地氮素不同途径流失量(
减氮需要综合考虑生产目标、环境影响及土壤肥力的协调。本研究结果表明,与N100%处理相比,N1/2处理没有显著降低花生产量和农艺性状(
花生可以与根瘤菌固氮,与水稻、小麦、玉米等作物氮素营养特征不同,本研究结果表明花生地减氮施肥是必要的。合理施氮除了确定合理的施氮量(Right amount)外,还包括其他三个方面,即正确的肥料氮品种(Right type)、正确的施氮时期(Right time)和正确的施氮方法(Right place)(“4R”理念)。在今后的研究中,综合考虑“4R”技术和提高花生与根瘤菌的固氮能力将是未来研究的重点内容。
在所有减氮处理中,N1/2处理在荚果产量、秸秆产量、总生物量、植株吸氮量、植株农艺性状均与高产施氮量(N100%)处理无显著性差异(
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