氮肥對小麥生長期間土壤礦質(zhì)態(tài)氮、微生物量氮及小麥氮素吸收的影響

氮肥對小麥生長期間土壤礦質(zhì)態(tài)氮、微生物量氮及小麥氮素吸收的影響

0有機(jī)肥配施對土壤有機(jī)碳的固持和釋放[研究意義]平衡施肥不僅可以提高土壤肥力，增加糧食產(chǎn)量，還可以減少肥料對環(huán)境的影響，達(dá)到雙贏的目的。當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)踐中多重視氮磷鉀養(yǎng)分的平衡供應(yīng),忽視了有機(jī)碳與無機(jī)養(yǎng)分之間的平衡在調(diào)節(jié)養(yǎng)分有效性方面的作用。通過有機(jī)無機(jī)肥配施,同時(shí)為土壤微生物提供有效碳源和氮源,可以調(diào)控土壤氮素的微生物固持和釋放,協(xié)調(diào)土壤氮素供應(yīng),即一方面土壤微生物對氮素的固持可以減少氮素?fù)p失;另一方面,在土壤有效氮含量降低時(shí),土壤微生物可釋放部分氮素供作物吸收利用。Zhou等通過分析表明,土壤微生物量氮含量與作物吸氮量顯著相關(guān)。但也有研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物可能與作物競爭氮素,進(jìn)而影響作物對氮的吸收。【前人研究進(jìn)展】不少學(xué)者通過培養(yǎng)試驗(yàn)和短期的盆栽或田間試驗(yàn),研究了施用有機(jī)物料(有機(jī)肥和秸稈等)對固持和釋放的影響。結(jié)果表明,加入有機(jī)物料之后增加了土壤微生物對氮素的固持,降低了土壤礦質(zhì)氮含量,減少氮素?fù)p失。但也研究表明,有機(jī)物料的施用在短期內(nèi)降低了作物氮素利用率和產(chǎn)量。不少研究表明,長期有機(jī)無機(jī)肥配施不僅顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮等含量,而且提高土壤微生物量和可溶性有機(jī)物等活性有機(jī)物的含量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】關(guān)于長期有機(jī)無機(jī)肥配施對施入土壤氮素的固持、釋放及作物吸收的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此,本試驗(yàn)研究長期不同施肥處理對施入土壤氮素的固持與釋放及作物吸收利用的影響,以揭示長期有機(jī)無機(jī)配施在協(xié)調(diào)土壤氮素的固持、供應(yīng)方面的作用機(jī)理,達(dá)到提高氮肥利用率,減少氮肥損失的目的。1材料和方法1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與施肥處理供試土壤采自國家黃土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地。監(jiān)測基地位于陜西省楊凌區(qū)(34°17′51′′N,108°00′48′′E),該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,海拔524m,年均氣溫13℃,年均降水量632mm,主要集中在7—9月,年蒸發(fā)量1400mm,冬春易旱。土壤類型為褐土類,土亞類,紅油土屬。該試驗(yàn)田始建于1990年,試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤基本理化性狀為:有機(jī)碳6.33g·kg-1,全氮0.83g·kg-1,全磷0.61g·kg-1,全鉀22.8g·kg-1,堿解氮61.3mg·kg-1,速效磷9.57mg·kg-1,速效鉀191.2mg·kg-1,pH8.62,土壤容重1.3g·cm-3。采用小麥-休閑一年一熟種植制度。試驗(yàn)所涉及的施肥處理包括:(1)長期不施肥(NF);(2)長期施用化學(xué)NPK肥(NPK);(3)長期有機(jī)無機(jī)配施(MNPK)。小區(qū)面積為399m2(21m×19m)。在本試驗(yàn)開始之前,每年在小麥播種時(shí),氮、磷、鉀化肥的施用量分別為135kgN·hm-2、47.1kgP·hm-2和56.0kgK·hm-2,其中氮肥為尿素,鉀肥為硫酸鉀、磷肥為過磷酸鈣。在MNPK處理中氮、磷、鉀的施用量與NPK處理相同,但其中的氮肥70%來源于牛廄肥,30%的氮由化肥提供。1.2土柱微區(qū)土壤處理試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),主處理為3種長期不同施肥處理,即NF、NPK和MNPK處理,其0—20cm土層的基本理化性質(zhì)見表1;副處理為施用氮肥(+N)和未施氮處理(-N),重復(fù)3次。采用土柱微區(qū)試驗(yàn)方法。將長度為63cm,內(nèi)徑為24.5cm的PVC管打入相應(yīng)處理當(dāng)中,其中3cm留在地表之上,作為微區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。在2009年小麥種植前將土柱內(nèi)0—15cm土層土壤取出,+N處理按165kgN·hm-2的量加入尿素后回填到原土柱中,-N處理未施氮肥,磷鉀施用量與微區(qū)外相同。于2009年10月18日播種,播種量為每土柱30粒,等小麥出苗后間苗至20株。1.3樣品的采集和測定于小麥拔節(jié)期(2010年3月26日)、開花期(2010年5月4日)和收獲期(2010年6月15日)采集地上部植株樣品,其中小麥?zhǔn)斋@時(shí)將莖稈和籽粒分開,測定其全氮含量。在采植物樣的同時(shí),用土鉆(直徑2cm)采集土壤樣品(0—15cm),每土柱采2鉆得混合樣,測定土壤微生物量氮和礦質(zhì)態(tài)氮含量。小麥?zhǔn)斋@后各土柱內(nèi)按10cm一層采集0—100cm土壤剖面樣品,測定土壤硝態(tài)氮含量。土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法測定;礦質(zhì)態(tài)氮采用0.5mol·L-1K2SO4浸提(水土比為4﹕1),流動(dòng)分析儀測定。施氮和未施氮處理作物吸氮量之差占施氮量的比例即為氮素的表觀利用率。本文中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值,利用SASVersion8.1進(jìn)行方差分析,如果差異顯著(P<0.05),用LSD法進(jìn)行多重比較。2結(jié)果2.1施尿素對小麥土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響未施用氮肥時(shí),小麥拔節(jié)期NF處理與MNPK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量(0—15cm土層)顯著高于NPK處理土壤(圖1-a);小麥開花期及收獲期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量均為MNPK處理最高,顯著高于NPK及NF處理土壤(P<0.05)(圖1-a)。施用氮肥后,小麥拔節(jié)期和開花期NF處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著地高于其它兩個(gè)處理(P<0.05),其中拔節(jié)期NF處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量分別為NPK和MNPK處理土壤的3.5和2.9倍(圖1-b);小麥?zhǔn)斋@期,MNPK土壤礦質(zhì)氮含量顯著高于NF和NPK土壤(P<0.05)(圖1-b),這與該時(shí)期小麥吸氮量少,但該土壤礦化的氮量較多有關(guān)。與未施氮肥相比,施用氮肥使小麥拔節(jié)期、開花期和收獲期NF處理土壤礦質(zhì)氮含量分別顯著增加239%、70%和62%(圖1)(P<0.05);NPK處理小麥拔節(jié)期和開花期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量也顯著增加,增幅分別為46%和90%(圖1);而施用氮肥對MNPK處理各時(shí)期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量無顯著影響(圖1)。2.2長期施氮對土壤smbn含量的影響在未施氮處理中,與長期不施肥處理(NF)相比,長期有機(jī)無機(jī)配合施用(MNPK)顯著增加土壤微生物量氮(P<0.05),在小麥拔節(jié)期、開花期和收獲期增幅分別為56%、54%和71%;長期施用化肥(NPK)處理開花期和收獲期土壤SMBN含量也較NF土壤分別顯著增加45%和40%(P<0.05)(圖2-a)。與未施氮處理相比,施用氮肥顯著增加拔節(jié)期NPK和MNPK處理土壤SMBN含量(圖2-a,2-b),增量分別為71.6和127.6mg·kg-1,分別為未施氮處理的2.8和3.1倍。但是施用氮肥對NF土壤SMBN含量無顯著影響(圖2)。小麥不同生長時(shí)期相比,在施氮處理中,各時(shí)期NF土壤SMBN含量無顯著變化,而從拔節(jié)期到開花期NPK和MNPK處理土壤SMBN含量分別顯著降低49%和63%(P<0.05)(圖2-b)。2.3施氮對土壤養(yǎng)分含量的影響由圖3可以看出,不論是否施用氮肥,MNPK處理小麥氮素?cái)y出量顯著高于NPK及NF處理,NPK處理小麥氮素?cái)y出量又顯著高于NF處理土壤(P<0.05)。與未施氮處理相比,施氮后NPK和MNPK土壤小麥拔節(jié)期氮素?cái)y出量分別增加了83%和63%,收獲期分別提高了38%和45%,而NF處理土壤在收獲期小麥氮素?cái)y出量僅增加了17%。NF、NPK和MNPK處理施入氮肥的表觀利用率分別為4.8%、39.5%和68.9%,3種處理間的差異顯著(圖4),說明長期有機(jī)無機(jī)配合施用(MNPK)顯著增加施用氮肥的利用率(P<0.05)。2.4施氮對小麥籽粒產(chǎn)量的影響長期不同施肥土壤,無論近期施用氮肥與否,小麥籽粒產(chǎn)量和生物量均為MNPK>NPK>NF,兩兩之間差異顯著(P<0.05)(表2)。與未施氮處理相比,施用氮肥對NF處理小麥籽粒產(chǎn)量無顯著影響,反而降低小麥生物量;施用氮肥顯著地提高M(jìn)NPK及NPK處理的小麥產(chǎn)量和生物量(P<0.05),其中MNPK處理小麥籽粒產(chǎn)量和生物量的增加幅度分別為24%和27%,NPK處理的增幅分別為25%和34%(表2)。3施氮處理對作物養(yǎng)分吸收的影響本研究表明,與長期不施肥處理及施用化肥處理相比,長期有機(jī)無機(jī)配施處理(MNPK)顯著提高了小麥產(chǎn)量及氮肥利用率,施用氮肥之后土壤剖面硝態(tài)氮的累積無明顯增加。這不僅與有機(jī)無機(jī)配施后養(yǎng)分供應(yīng)平衡,并改變了土壤物理性質(zhì),促進(jìn)了作物生長有關(guān);還與有機(jī)肥為土壤微生物提供了有效碳源,有效調(diào)控了土壤氮素的固持和釋放特性有關(guān)。與相應(yīng)未施氮肥處理相比,施用氮肥顯著增加小麥拔節(jié)期NF、NPK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量,但對MNPK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮無顯著影響(圖1)。施氮對NF處理土壤SMBN含量無顯著影響,卻顯著提高了拔節(jié)期NPK和MNPK處理土壤SMBN含量,其中MNPK處理土壤SMBN含量的增加量(138.9mg·kg-1)顯著高于NPK處理(71.6mg·kg-1)(圖2)。NPK處理土壤SMBN的增加量占施氮量的90%以上,MNPK處理土壤SMBN的增加量大于施氮量,說明微生物除了固持施入的氮肥以外,還固持土壤中原有的一部分氮素。拔節(jié)期之前,小麥吸氮強(qiáng)度相對較弱,MNPK處理土壤施入的氮素被土壤微生物固持,降低了土壤礦質(zhì)態(tài)氮的含量,這無疑有利于減少氮素的損失。Blankenau等通過盆栽試驗(yàn)表明,在作物需氮量少時(shí)施入的氮肥會(huì)發(fā)生微生物固持,減少土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量。其他學(xué)者也得出相同的結(jié)論。而NF處理由于植物生長差,氮素吸收量少,同時(shí)土壤缺少有效碳源,施入的氮肥很少發(fā)生微生物固持,導(dǎo)致NF土壤中礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著高于NPK和MNPK處理。從拔節(jié)期到開花期,小麥生長旺盛,對氮素吸收強(qiáng)度大,施氮處理NPK和MNPK土壤微生物量氮含量分別顯著降低54.6和113.6mg·kg-1,說明在小麥生長前期被土壤微生物固持的氮發(fā)生了釋放,這無疑有利于小麥拔節(jié)期到開花期對氮素的需求?？梢?通過微生物對氮的固持與釋放,長期有機(jī)無機(jī)配施提高了土壤對氮素的緩沖能力,有效地協(xié)調(diào)了土壤氮素的供應(yīng)與作物吸氮間的關(guān)系。一些研究發(fā)現(xiàn),施入有機(jī)物料后微生物固持氮素增多,土壤礦質(zhì)氮含量降低,但同時(shí)減少了作物對氮素的吸收。如Choi等研究表明,玉米生長60d后,單施尿素處理肥料利用率為38.7%—49.6%,而在尿素與豬糞配施后,尿素氮的利用率降低至32.9%—39.7%。Palm等的研究也表明,施入質(zhì)量差的有機(jī)物料(如作物秸稈)后,雖然減少了氮素的損失,但是導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低;而施用質(zhì)量好的有機(jī)物料(如綠肥)雖然短期內(nèi)提高作物產(chǎn)量,但可能增加氮素的損失。這些研究多以短期田間或盆栽試驗(yàn)為研究手段,難以有效評價(jià)長期施用有機(jī)肥的效果。本研究以長期定位試驗(yàn)土壤為研究對象,發(fā)現(xiàn)長期有機(jī)物無機(jī)配合施用能夠有效地解決上述矛盾。關(guān)于土壤微生物量氮在作物供氮方面的作用國內(nèi)外已經(jīng)有一些報(bào)道。Yevdokimov等研究表明,土壤微生物量氮是植物氮素的重要來源。Zhou等的盆栽試驗(yàn)也指出,土壤微生物量氮含量和作物吸氮量顯著正相關(guān)。Sugihara等也指出,土壤微生物量氮可以為作物生長提供氮源。這些研究多是從相關(guān)性分析方面評價(jià)土壤微生物量氮對植物的供氮作用。本研究從作物生長期間土壤礦質(zhì)氮、微生物量氮含量的動(dòng)態(tài)變化方面分析了土壤微生物對氮素的固持與釋放在協(xié)調(diào)作物吸氮方面的作用,無疑更有利于評價(jià)土壤微生物量氮在土壤-植物體系中氮素調(diào)節(jié)中的作用。由于微生物對氮素的固持與釋放,受多種因素影響,是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程,因此,要更加準(zhǔn)確地評價(jià)其在土壤-植物體系中氮素供應(yīng)中的作用,還需借助15N等更加準(zhǔn)確的研究方法。本研究中,由于NF處理土壤微生物固持氮素和作物吸收氮素較少,小麥?zhǔn)斋@時(shí)施氮處理所施入的氮素約50%被淋失到30cm以下土層。而在MNPK處理土壤由于微生物固持和作物吸收氮素多,礦質(zhì)態(tài)氮顯著低于NF處理,減少了氮的損失,因此,施氮對土壤剖面硝態(tài)氮累積無顯著影響。其它定位試驗(yàn)也表明,長期施用有機(jī)物料減少了土壤硝態(tài)氮的淋失。4施入的化肥。在作物生長初期,土壤被施肥前后被釋放的,土壤被長期不施4.1在長期不施肥土壤中施用氮肥后,施入的氮素大部分以礦質(zhì)態(tài)氮形態(tài)存在,有50%所施入的氮肥淋溶到30cm以下土層。4.2長期有機(jī)肥配施化肥(MNPK)的土壤,由于能源物質(zhì)和養(yǎng)分供應(yīng)平衡和充足,較好地協(xié)調(diào)了氮素的固持與釋放,施入的氮肥在作物生長前期被土壤微生物固持,在作物旺盛生長時(shí)期發(fā)生釋放供作物吸收利用,因此其氮肥利用率(69%)顯著地高于單施化肥土壤(40%)和長期不施肥土壤(5%)。說明在長期有機(jī)無機(jī)配施土壤中,土壤微生物對氮素的固持與釋放,協(xié)調(diào)了土壤供氮與作物吸氮之間的關(guān)系,增強(qiáng)了土壤氮素的緩