陇东旱塬覆膜玉米产量和氮肥...用率对秸秆还田与减氮的响应_党翼.pdf
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1、DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2021-0626党翼,张建军,赵刚,王磊,周刚,樊廷录,李尚中.陇东旱塬覆膜玉米产量和氮肥利用率对秸秆还田与减氮的响应.草业科学,2023,40(1):236-248.DANGY,ZHANGJJ,ZHAOG,WANGL,ZHOUG,FANTL,LISZ.ResponseofyieldandnitrogenuseefficiencyofmaizewithplasticmulchingtostrawreturningandnitrogenreductioninthedrylandregionoftheLoessPlateauofGans
2、ueastern.PrataculturalScience,2023,40(1):236-248.陇东旱塬覆膜玉米产量和氮肥利用率对秸秆还田与减氮的响应党翼,张建军,赵刚,王磊,周刚,樊廷录,李尚中(甘肃省农业科学院旱地农业研究所,甘肃兰州730070)摘要:为探索秸秆还田与减氮对旱地覆膜玉米(Zea mays)产量、土壤氮素形态及氮肥利用率(NUE)的影响,开展了连续 5 年的玉米连作定位试验,处理包括常规施氮(225kghm2,F)、秸秆还田(9000kghm2,TS)、F+TS、80%F+TS、60%F+TS 和不施肥+不还田(CK)。结果表明:与 F+TS 处理相比,80%F+TS 处
3、理显著提高玉米产量(P0.05),表现为第 2 年增产率最高达 22.1%,第 3 年开始增产率逐年降低;而 60%F+TS 处理前 3 年增产,第 4 年增产率减少,甚至减产。5 年累积产量显著增加 6.8%(P0.05)。同时,80%F+TS 处理显著提高表层(020cm)土壤碱解氮含量,显著降低有机质和硝态氮含量(P0.05),但显著降低了深层(2040cm)土壤全氮和硝态氮含量,显著增加有机质和碱解氮含量,而且 80%F+TS 处理也显著提高了氮肥利用率,2019 和2020 年较 F+TS 处理分别提高了 23.7%和 22.1%(P0.05)。因此,秸秆还田 9000kghm2替代
4、 20%的化肥氮是陇东黄土旱塬区秸秆还田减氮增效的优化组合模式,研究结果为陇东黄土旱塬区农业减氮增效绿色发展提供了依据。关键词:秸秆还田;氮肥减施;产量;氮素形态;氮肥利用效率;有机替代;黄土旱塬文献标志码:A文章编号:1001-0629(2023)01-0236-13Response of yield and nitrogen use efficiency of maize with plastic mulching to straw returningand nitrogen reduction in the dryland region of the Loess Plateau of G
5、ansu easternDANGYi,ZHANGJianjun,ZHAOGang,WANGLei,ZHOUGang,FANTinglu,LIShangzhong(InstituteofDrylandFarming,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,Gansu,China)Abstract:Thisstudywasconductedtoinvestigatetheeffectsofstrawreturnwithnitrogenousfertilizerreductionontheyield,soilnitrogenforms,and
6、nitrogenuseefficiency(NUE)offilm-mulchedmaizetoidentifystrategiesforreducingnitrogenfertilizationwhileincreasingtheefficiencyofagriculturalgreendevelopmentinthedrylandregionoftheLoessPlateauofeasternGansuProvince.The5-yearlong-termfixedfieldexperimentinvolvedsixtreatmentswiththreereplicates:nonitrog
7、enandphosphatefertilizerandnostrawreturn(control,CK);225kgha1andnostrawreturn(F);strawreturnandnonitrogen(TS);225kgha1andstrawreturn(F+TS);180kgha1andstrawreturn(80%F+TS);and135kgha1andstrawreturn(60%F+TS).Resultsshowedthatthe80%F+TStreatmentincreasedthegrainyieldby22.1%inthesecondyearbutdecreasedth
8、egrainyieldfromthethirdtofifthyear,whilethe60%F+TStreatmentincreasedthegrainyieldinthefirstthreeyearsbutreducedthegrainyieldinthefourthyear.The80%F+TStreatmentsignificantlyincreased(P0.05)收稿日期:2021-10-15接受日期:2022-04-02基金项目:国家自然科学基金(41561067);甘肃省农业科学院院列重点研发计划(2019GAAS28)第一作者:党翼(1983-),男,甘肃泾川人,副研究员,主要
9、从事农田耕地质量培育技术研究。E-mail:通信作者:张建军(1977-),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事农田土壤地力培育及栽培生理研究。E-mail:236-248草业科学第40卷第1期1/2023PRATACULTURALSCIENCEVol.40,No.1http:/thecumulativegrainyieldby6.8%comparedwiththeF+TStreatment.ComparedwiththeF+TStreatment,the80%F+TStreatmentalsosignificantlyincreased(P0.05)thenitratenitrogenconte
10、nt,significantlydecreased(P0.05)theorganicmatterandNO3-Ncontent,significantlydecreased(P0.05)thecontentsoftotalnitrogenandNO3-Ncontent,significantlyincreased(P0.05).Inaddition,the80%F+TStreatmentimproved(P0.05)theNuseefficiencyby23.7%and22.1%in2019and2020comparedwiththeF+TStreatment,respectively.The
11、refore,strawreturnintheamountof9000kgha1couldbeusedtoreplace20%ofthechemicalnitrogenfertilizeruse,whichrepresentstheoptimalmodeforreducingfertilizationwhileincreasingefficiencyinthedrylandregionoftheLoessPlateauofeasternGansuProvince.Keywords:strawreturn;nitrogenousfertilizerreduction;yield;nitrogen
12、forms;nitrogenuseefficiency;organicsubstitution;LoessPlateauCorresponding author:ZHANGJianjunE-mail:当前我国农田耕地质量退化严重,如耕层变浅、土壤养分库容降低、土壤容重增大及保水能力等理化性质变劣,致使农作物产量逐年下降1-3,其根本原因是农业生产过程中长期重用轻养,过量单施化肥尤其是氮(N)肥4,有些地方施用量较当地推荐施氮量高出 5590kghm25,高氮输入高产输出的同时却无有机物料补充使土壤养分供应失衡6。有机质作为农田土壤培肥和提高农作物产量的关键因素,通过向土壤中添加有机物料来提高土
13、壤有机质含量能够解决上述问题7。农作物秸秆作为重要的有机肥资源,其含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等富碳物质,以及丰富的氮、磷、钾等营养元素8,持续的秸秆还田作为农业生产中氮肥减施和有机替代的有效措施,其在农田土壤养分管理和耕地质量提升中具有重要作用9。因此,在保证作物不减产的前提下,选择适宜当地推广的秸秆还田与氮肥减施的种植模式,对开展化学氮肥减施的有机替代种植模式意义重大。大量研究表明施入土壤的农作物秸秆通过两种途径影响农作物生长发育,一是秸秆自身腐解释放的营养元素直接影响作物生长,二是通过影响作物生长的环境因子间接影响农作物生长发育10。将秸秆施入土壤中,在改善土壤肥力的同时,还可以缓
14、解由于集中、持续的传统耕作和化肥使用所引起的农田耕地质量退化问题11。然而,秸秆缓慢的腐解过程及养分释放时间对土壤肥力和作物产量的影响在短期内的表现并不能反映秸秆还田的实践意义12。张聪等13认为秸秆还田能有效提高玉米(Zeamays)籽粒产量,但并没有随秸秆还田年限的延长而持续大幅度增加。有研究认为秸秆还田结合适量减氮对作物产量无负面影响14,少数研究中秸秆还田配合减氮降低作物产量15。多年秸秆还田可节省化肥投入 10%20%,并提高作物产量 2.8%16.2%9,15-19。长期秸秆还田可达到减氮节肥的效果20,能够增加土壤有机质含量21、改善土壤理化性质13,22。增加外源有机物料输入的
15、同时减少化学肥料投入对缓解土壤有机质质量降低作用明显23。张素瑜等24认为适宜的土壤水分、温度条件有利于还田玉米秸秆的腐解和氮释放,提高土壤有机质和碱解氮含量,减少硝态氮向下层土壤流失。同时,土壤剖面硝态氮含量随施氮量减少和土层深度增加而下降。王学敏等9认为秸秆还田配合减氮当年就能显著提高土壤有机质含量,不同程度提高全氮和全磷含量。研究还表明,多年秸秆还田配合减氮 20%30%,氮肥利用率提高 6.4%10.3%18,25-26。但是,地膜覆盖结合秸秆还田部分替代化肥氮对土壤养分和作物产量等的影响还没有较一致结论,尤其是陇东旱塬区长期连续秸秆还田减氮与地膜覆盖耦合条件下的土壤氮素养分含量变化、
16、减氮率及其对作物产量的响应并不十分清楚。因此,如何提高秸秆还田减氮与地膜覆盖耦合技术下的氮肥利用率,减氮增效,助推环境友好旱作农业发展是当前亟需解决的关键问题。因此,本研究依托农业农村部西北旱作营养与施肥科学观测实验站,设置玉米长期连作定位试验,研究秸秆还田减氮与地膜覆盖耦合第1期党翼等:陇东旱塬覆膜玉米产量和氮肥利用率对秸秆还田与减氮的响应237http:/技术对旱地玉米产量、土壤氮素养分及氮肥利用率的影响,为建立环境友好型高效旱作农业提供科技支撑。1 试验材料与方法 1.1 试验区域概况长期定位试验在农业农村部西北旱作营养与施肥科学观测实验站(甘肃省农业科学院镇原试验站,352942N,1
17、072936E)进行,土壤类型为覆盖黑垆土,该区近 20 年年均降水量 540mm,60%以上降水集中在 7 月9 月,年蒸发量 1532mm,年均温 9.3,无霜期 170d,海拔 1279m,属典型的旱作雨养农业区,无灌溉条件。20162020 年玉米生育期降水量依次为 284.8、440.2、501.3、378.8 和450.2mm(表 1)。1.2 试验设计及种植方式1.2.1 试验设计长期春玉米连作定位试验始于 2016 年,试验采表 1 20162020 年玉米生育期间降水量Table 1 Precipitation during the maize growing period
18、from April to September in 2016 to 2020mm月份Month旬10days年份Year201620172018201920204月April下旬Last10daysofamonth18.808.012.005月May上旬First10daysofamonth12.037.262.513.550.5中旬Middle10daysofamonth15.411.3019.412.0下旬Last10daysofamonth17.413.617.718.306月June上旬First10daysofamonth27.980.220.819.511.1中旬Middle10
19、daysofamonth6.85.012.718.264.0下旬Last10daysofamonth40.817.647.126.240.47月July上旬First10daysofamonth1.921.6116.236.423.3中旬Middle10daysofamonth89.028.3100.20.355.3下旬Last10daysofamonth14.314.237.528.847.98月August上旬First10daysofamonth9.98.724.627.855.3中旬Middle10daysofamonth083.59.838.133.7下旬Last10daysofam
20、onth38.1119.131.234.033.79月September上旬First10daysofamonth07.013.029.56.5中旬Middle10daysofamonth28.86.325.529.116.5下旬Last10daysofamonth007.825.219.5生育期降水量Rainfallinthegrowthperiod284.8440.2501.3378.8450.2年降水量Annualrainfall403.2658.6629.2597.2554.2降水年型划分*Divisionofrainfallyeartypes干旱年Dryyear丰水年Wetyear丰
21、水年Wetyear丰水年Wetyear平水年Normalyear*试验研究区域近70年的年平均降水量532.5mm,20162020年生育期平均降水量411.1mm,按试验年平均降水量来划分降水年型,降水量增减10%以内为“平水年”,减少10%以上为“干旱年”,增加10%以上为“丰水年”。Theaverageannualrainfalloftheexperimentalstudyareaoverthepast70yearsis532.5mm,andtheaverageannualprecipitationinthegrowthperiodsfrom20162019is411.1mm.Accor
22、dingtotheaverageannualrainfallintheexperiment,therainfallyeartypeisdividedinto“normalyear”,whichpresentsanincreaseordecreaseof10%;“dryyear”,whichpresentsadecreaseofmorethan10%;and“wetyear”,whichpresentsanincreaseofmorethan10%.238草业科学第40卷http:/用随机区组设计,包括 6 个处理,每年均按照试验设计投入氮磷化肥和玉米秸秆,分别为:F(常规施氮,225kghm2
23、);TS(秸秆还田,9000kghm2);F+TS;80%F+TS;60%F+TS;CK(不施氮磷肥,不秸秆还田)。3 次重复。1.2.2 种植方式采用厚度 0.01mm 的白色普通聚乙烯膜全地面覆盖,幅宽 1.2m。参试玉米品种为耐密性、抗逆性和丰产性好的先玉 335,种植密度 7.5 万株hm2,行距 55.0cm,株距 24.2cm,8 行区,小区面积为4.4m5m。4 月下旬人工穴播,每穴保 1 苗,9 月中旬收获。常规施氮(当地农户普遍用量)和玉米秸秆按试验设计用量 春顶凌覆膜前采用滚筒式电动铡草机(自力牌,9Z-0.4 型)粉碎 35cm,耕层(025cm)翻压还田,磷肥(含P2O
24、516%的过磷酸钙)1000kghm2,除 CK 外,覆膜前结合整地一次性施入耕层(025cm),整个生育期不再追氮肥。其他栽培管理措施同大田生产。1.3 测定项目与方法1.3.1 测定方法1)产量及植株全氮含量测定:各小区选择长势均匀一致处作为采样区,按整行逐株取 30 株测产,脱粒后用谷物水分测定仪(PM-8188-A,泰州市维科特仪器仪表有限公司)测定含水量,然后折算成标准含水量(14%)下的公顷产量。并分别于 2019 年和 2020 年采集每个小区 3 株植株样品,所有植株沿地面全部割下,105 杀青 30min,65 烘干至恒重,将植株样品全部粉碎过 0.15mm 筛,混匀后,连续
25、用四分法取测定所需的样品量,采用凯氏定氮仪法测定植株全氮含量27。2)土壤有机质及氮素养分含量测定(2020 年):采用五点法,用直径 3.5cm 土钻分别采集收获期020、2040cm 土层土壤样品,将同一土层土壤样品混匀,四分法去掉多余土样,自然风干后,剔除肉眼可见的植物残体、砾石等杂物,研磨过 2mm 孔径筛备用。土壤基本理化性状采用常规分析法28:重铬酸钾外加热法测定有机质含量;凯氏定氮仪法测定全氮含量;碱解扩散法测定碱解氮含量。硝态氮29以 1molL1KCl 浸提(水土比为 101),振荡30min 后用中速定量分析滤纸过滤分离出提取液,采用流动注射分析仪(AA3,Seal 公司,
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