氮肥有机替代与分期施入对土壤氮素去向和春小麦氮效率的影响

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论文字数:28566 论文编号:sb2022041216445546192 日期:2022-04-20 来源:硕博论文网
本文是一篇农学论文,笔者认为为了降低分期施肥增加的人力机械成本,综合分析,建议在有机肥替代 25%化学氮肥的基础上,化学氮肥在播种前一次性施入,这更有利于增加作物产量,增加经济效益。

1  前言

1.1  研究目的与意义
中国作为世界上最大的发展中国家,近年来随着我国人口的持续增长和人均收入水平的日益提高,我国的粮食需求总量也随之增加,粮食安全问题十分严重[1]。小麦作为世界上三大粮食作物之一,世界上约有 1/3 左右的人口将其作为主要粮食作物,2016 年我国小麦产量超过 1.2 亿吨,但仍需要进口一定量的小麦才能满足供需,所以提高小麦产量和质量是确保我国粮食安全与稳定的重要措施[2]。东北地区(东北三省及内蒙古东北部)是我国重要的粮食生产基地,其中春小麦产量约占全国春小麦总产量的 50%,并以黑龙江省为主[3]。
众所周知,施用化肥是现代农业中保证粮食产量的重要措施,化肥可以显著提高农作物产量,但是过量施用则会产生很多负面作用。无论是化肥的生产量还是化肥的施用量,我国在世界上都排在首位,从 2007 年到 2016 年,我国化肥总施用量从五千万吨增至六千余万吨,但是我国农业生产中氮肥利用率却很低[3]。大量的肥料投入引发了如全球气温升高、水体严重污染以及土壤板结等很多环境污染问题[4]。从上世纪末到本世纪初,我国与其他发达国家相比,已经严重超过国际标准的化肥施用总量目前仍处于增长的态势,从全国范围内来看,除西部青藏地区外,其它地区的化肥用量情况均存在明显不合理的现象,资源浪费十分严重[5]。化肥长期不合理的施用引发了很多问题,如土壤中碳氮养分比例失调[6]、挥发等氮素损失现象严重[7]、氮肥农学效率偏低和土壤出现酸碱性降低等现象[8-9]。从上世纪 80 年代到本世纪初期,我国主要粮食生产地区每年因化肥不合理施用释放的酸性离子可超过 200 kmol·hm-2,农田出现了明显的土壤酸化现象[10]。并且土壤重金属含量过高也会限制农作物生长,而土壤酸性的增加会导致土壤中重金属离子的活性的提高[11-12]。因此,在农业生产中减施化肥,明确氮素在农作物生长过程中的吸收及转化的特点,提高氮肥利用率,对于农业可持续发展具有非常重要的意义。
有资料表明,我国每年氮肥用量是世界平均水平的 3 倍左右,但氮素利用率却远远低于世界平均水平,且从上世纪八十年代到本世纪初期,随着氮肥投入量的增加,我国氮肥利用率下降了四分之一左右,其对农作物产量的提高效果正在逐渐下降[13]。氮素对农作物的营养生长和生殖生长起到了决定性的作用,土壤对氮素的供应能力通常可以决定作物的产量[14-15]。但是氮肥施用量与环境效益和农业效益并不是呈现正相关性,在农业生产上过度施肥等不合理的施肥现象仍然十分严重[16]。氮肥的过量施用,不仅造成资源的浪费,而且未被利用的氮素进入水体和土壤,也会给环境造成严重的污染[17]。在农业生产上,农民为了取得更高的经济效益,采取了很多不合理的施肥方式和肥料用量,不但不会提高农作物产量,还造成了氮肥过度损失和水体污染等环境问题[18]。目前农业生产上使用的氮肥种类主要有尿素等无机氮肥,以及由动植物残体发酵腐熟而来的富含有机质的有机肥[19]。合理的施用氮肥措施主要包括调整氮肥的施肥量、施肥时期、施肥方式以及与秸秆和有机肥等的配合施用。世界上美国和欧洲等大部分发达国家对施用有机肥如何提高农作物产量和土壤肥力的研究都是从二十世纪五十年代末就已经开展了,而我国则开始于上世纪七十年代末。
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1.2  国内外研究进展
1.2.1 有机肥替代化肥的研究
有机肥来源广泛,主要是以动物排泄物或动植物残体经过发酵腐熟后而制成的肥料,富含有机质,可提高土壤肥力,为植株生长提供养分[20]。我国农业发展中,早在东周时期就有了对有机肥料使用的记录,农业生产过程中有机肥作用显著,目前来看,有机肥对我国粮食的稳定增产起到了重要作用[21]。有机肥的优点有很多,首先,施用有机肥可显著提高土壤中矿质养分含量,提升效果十分显著,并且适量施用有机肥既可以增加土壤肥力,还可以增加土壤生物的种类和数量[20]。其次,有机肥可以同重金属反应生成有机结合态重金属离子,降低了重金属的毒性,这是由于有机肥可以向土壤中提供大量的 Ca2+,而 Ca2+又能增加细胞膜结构的稳定性,对其质膜的疏水性有显著的提升作用,降低了重金属离子透过细胞膜的能力,也降低了重金属离子对植物的毒性。另外,有机肥可显著提高土地生产力,可以增加土壤中有机态碳氮的含量,对土壤养分转化酶活性的提高也十分显著[22]。
虽然有机肥优点众多,但目前我国在农业生产中对有机肥的利用状况并不理想。根据国家农业部农技推广中心的数据显示,从建国后到本世纪初期,有机肥占农业生产中化肥用量的比例逐年下降[21]。总而言之,随着化肥用量的增加,我国农业生产中有机肥的施用比例在逐渐降低,有机肥在农业生产上的地位日益下降。但不可否认的是,和无机肥料相比有机肥料具备特有的优势,有机肥既可以改善土壤环境状况、为作物营养生长和生殖生长提供充足的养分条件,同时还可以补充土壤中缺乏的养分,在改良土壤理化性质的基础上,大幅培肥地力,在土壤、作物、微生物等群体间建立起优良的促进关系,对提高作物产量、改善农产品质量具有十分重要的意义[21]。综上所述,有机肥的广泛应用,对推动农业与资源、环境及人与自然间和谐发展,以及从根本对提髙农产品品质和保护农业生态环境都有十分重要的作用[23]。
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2  材料与方法

2.1  试验区概况
试验于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学向阳试验基地(东经 126°22′~126°50′,北纬45°34′~45°46′)开展,年降水量 569.1mm,属于黑龙江省第一积温带,≥10 ℃有效积温 2700℃。供试土壤为典型黑土,0~20 cm 土层土壤基本理化性质如表 2-1。
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2.2  试验设计
试验设 5 个处理
(1)CK:不施氮肥,磷、钾肥同常规施肥; (2)CF:常规施肥; (3)N1:有机肥替代 25%化学氮肥,化学氮肥播种前 1 次性施用; (4)N2:有机肥替代 25%化学氮肥,剩余化学氮肥的 2/3 在播种前施用,1/3 拔节期施用; (5)N3:有机肥替代 25%化学氮肥,剩余化学氮肥分别在播种前、拔节期和孕穗期均施。
除 CK 处理外,CF、N1、N2、N3 处理施入的氮肥、磷肥和钾肥所含氮磷钾养分总量相同。本课题组已有研究表明有机肥替代化学氮肥的占比为 25%时,小麦增产效果最好。N1、N2、N3 以有机肥替代 25%化学氮肥,有机肥替代后不足的磷、钾肥用相应化肥补足,有机肥、磷肥、钾肥播种前均匀施入,剩余化学氮肥分 1 次,2 次和 3 次施入(见表 2-2)。每个处理 3 次重复,共 15 个小区,每个小区长 8 m×宽 2.4 m=19.2m2。常规施肥用肥总量为 N:75kg·hm-2,P2O5:75kg·hm-2,K2O:37.5kg·hm-2。供试肥料为商品有机肥(N、P2O5、K2O和有机质含量分别为 2.33%、1.85%、2.35%和 46.1%)、尿素(N 含量 46%)、重过磷酸钙(P2O5 含量 46%)和氯化钾(K2O 含量 60%)。施肥方式为撒播,耕层深度 10 cm,折合各处理肥料用量和施用时期(播种前,4 月 8 日;拔节期,6 月 6 日;孕穗期,7 月 8 日)见表2-2。
供试小麦品种为克春 9 号,小麦种植密度 650 万株·hm-2。
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3  结果与分析...............................................13
3.1  不同处理对土壤中碳氮养分的影响.................................13
3.2  土体中 NH4+和 NO3-的变化................................15
4  讨论.....................................34
4.1  氮肥有机替代与分期施入对土壤氮素转化的影响..................34
4.2  氮肥有机替代与分期施入对氮素损失的影响..............................34
5  结论...............................37

4  讨论


4.1  氮肥有机替代与分期施入对土壤氮素转化的影响
本研究发现有机肥氮替代 25%化肥氮的处理,可以有效提高土壤中不同形态的氮含量,土壤中铵态氮和硝态氮含量显著提高,这是因为有机肥可增加土壤微生物和土壤酶的数量和活性,促进氮素转化,有利于土壤氮素向植物可吸收利用的形态转化[93];如图 3-4 和图 3-5所示,本研究中 N1、N2 和 N3 处理的土壤中,同时期土壤铵态氮含量总体高于硝态氮含量,这是因为有机肥所含的有机物质可吸附土壤中 NH4+,从而减缓 NH4+的硝化作用[94],提高土壤中 NH4+的含量。而各处理之间在 30~60 cm 土层的土壤铵态氮与硝态氮含量之间无显著差异性,这是因为本试验施肥较少,小麦生育期较短,氮素被作物吸收利用较快,土壤氮素向下淋溶较少。由表 3-4 相关性分析结果可知,土壤中全氮和碱解氮含量与小麦产量呈显著正相关,并且图 3-15 热图分析可知 N1 处理能显著增加各个时期土壤中全氮和碱解氮含量,说明有机肥是通过影响土壤中氮素向有益于小麦吸收利用的形态转化来提高土壤供氮能力,进而提高小麦产量。如图 3-15 所示,与常规施肥 CF 处理相比,有机肥替代 N1 处理和有机肥替代并且分 2 期施肥的 N2 处理能显著增加小麦的产量,并提高土壤氮素含量,而有机替代部分化肥并分期施肥处理并未高于一次性施肥处理,这是因为东北春小麦生育期较短,对氮素的需求集中在拔节期到孕穗期[95],有机肥对养分释放缓慢,本试验中小麦产量 N1>N2>N3,更加说明分期施肥会使大量氮肥后移,造成小麦前期生长土壤氮素供应不足,不能及时提供小麦生长所需养分,影响了小麦营养器官生长。本研究在等氮条件下,有机肥料替代 25%化肥氮可以使有机营养缓慢释放,减少前期土壤氮素损失,而小麦在生长中、后期对氮素需求增加,适当的分期施肥能更加有效的满足小麦生长对氮素的需求,所以分两期施肥可使产量显著提高[96]。但是有机肥料替代并分 3 期施肥的 N3 处理出现了减产的现象,这是因为肥料在施入土壤后经过转化和迁移才被作物吸收利用,而短时期内多次喷施或撒施氮肥容易造成肥料损失,降低了肥料利用率,所以分 3 期施肥的处理在植物吸收养分最关键的抽穗期不能及时供应氮素[97-98],以致于小麦减产。适当地施用有机肥能够显著提高土壤供肥能力[99],如图 3-3 所示,本研究中有机肥替代化肥的处理土壤有机质含量与常规施肥无显著差异,而图3-10 和图 3-11 所示,有机替代化肥的处理土壤葡萄糖苷酶活性和过氧化氢酶活性与常规施肥处理无显著差异,说明本研究中有机肥替代对土壤中总碳含量未产生显著影响。
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5  结论


(1)春小麦有机肥替代 25%化学氮肥基础上,化学氮肥在播种前 1 次性施入对土壤氮素养分含量和土壤脲酶和硝酸还原酶活性提升效果最显著,而有机肥替代 25%化学氮肥基础上化学氮肥在播种前与拔节期分 2 期施肥和播种前、拔节期和孕穗期分 3 期施肥对土壤养分含量未能达到显著提升效果
(2)有机肥替代 25%化学氮肥可以显著增加土壤中 NH4+和 NO3-的含量,NH4+和 NO3-无明显向下迁移的现象;从有机肥替代 25%化学氮肥及此基础上化学氮肥分期施入看,0~10 cm 土层土壤中 NH4+和 NO3-含量依次为 N1>N2>N3。
(3)有机肥替代 25%化学氮肥基础上化学氮肥 1 次性施入可以显著降低 NH3 挥发和 N2O排放速率,减少氮素损失。
(4)与常规施肥相比,有机肥替代 25%化学氮肥基础上播种前 1 次性施入化学氮肥和播种前与拔节期分 2 期施入显著提高了春小麦产量和氮肥农学效率,并且播种前 1 次性施入化学氮肥效果最佳,而在播种前、拔节期和孕穗期分 3 期施入化学氮肥则与常规施肥差异不显著。
(5)小麦产量与小麦拔节期和孕穗期土壤中氮素含量、土壤脲酶活性和氮肥利用率之间呈显著正相关;由不同处理对相关因素的热图分析可知,有机肥替代 25%化学氮肥基础上播种前 1 次性施入化学氮肥以及在有机肥替代 25%化学氮肥基础上播种前与拔节期分 2 期施入化学氮肥更有利于增加土壤养分含量与土壤酶活性,减少氮素损失,增加籽粒氮素积累量和小麦氮效率。 根据东北黑土区特有的土壤和气候条件,在施氮总量不变、有机肥替代 25%化学氮肥基础上,播种前 1 次性施入氮肥可有效提高土壤氮素养分含量、春小麦产量和氮肥利用率,显著降低了 NH3 挥发和 N2O 的排放速率,可以及时提供春小麦前期生长所需养分,也可缓释持续提供春小麦后期生长所需养分。为了降低分期施肥增加的人力机械成本,综合分析,建议在有机肥替代 25%化学氮肥的基础上,化学氮肥在播种前一次性施入,这更有利于增加作物产量,增加经济效益。
参考文献(略)


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