基于产量和水氮利用效率的玉米_大豆间作系统炭氮配施方案优选.pdf
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1、2023 年 7 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 7 期 Jul.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.7 Vol.42 25 文章编号:1672-3317(2023)07-0025-09 基于产量和水氮利用效率的玉米/大豆 间作系统炭氮配施方案优选 于滨杭 1,姬建梅 1,白伟桦 2,王丽学 1*(1.沈阳农业大学 水利学院,沈阳 110866;2.辽宁省河库管理服务中心,沈阳 110003)摘 要:【目的】实现间作系统低耗高效增产,获得适宜的炭氮配施方案。【方法】以间作玉米、大豆为试材进行田间小区试验,设置?3 个施炭水平:C0(0 t/
2、hm2)、C1(15 t/hm2)、C2(30 t/hm2)和?3 个施氮水平:N1(135 kg/hm2)、?N2(180 kg/hm2)、N3(225 kg/hm2),并设置对照(CK,不施炭和氮),研究不同炭氮水平对玉米/大豆间作系统产量和水氮利用效率的影响,选用博弈论赋权的?TOPSIS 法进行综合评定,确定基于产量和水氮利用效率的最优配施方案。【结果】炭、氮及其交互作用对玉米和大豆的产量及水氮利用效率均有影响。其中?C1N2 处理的玉米产量和水分利用效率最高,C1N1 处理的大豆产量、氮肥利用率、氮肥偏生产力和氮肥农学效率最高。通过解析炭氮调控模型得出,施炭和施氮协同影响综合评定值,
3、随着施炭量和施氮量的增加,综合评定值先增加后降低,适宜生物炭减施氮肥对玉米/大豆间作系统产量及水氮利用效率具有正向耦合作用。【结论】推荐水肥相对充足的东北地区采用施炭量17.124.0 t/hm2、施氮量?154.8173.7 kg/hm2的配施方案。研究可为玉米/大豆间作系统“减氮增效”提供科学依据。关 键 词:玉米/大豆间作;生物炭;减量施氮;产量;水氮利用效率 中图分类号:S513;S565.1 文献标志码:A doi:10.13522/ki.ggps.2022389 OSID:于滨杭,姬建梅,白伟桦,等.基于产量和水氮利用效率的玉米/大豆间作系统炭氮配施方案优选J.灌溉排水学报,202
4、3,42(7):25-33.YU Binhang,JI Jianmei,BAI Weihua,et al.Optimizing Biochar Application and Fertilization for Maize-soybean Intercropping System Based on Their Yields and Water-nitrogen Use EfficiencyJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(7):25-33.0 引 言【研究意义】玉米和大豆皆是我国主要的粮油兼用型作物,在我国国民经济与人民生活中占有重要地位
5、1。在耕地资源有限的情况下,玉米/大豆间作是实现粮油安全,农业可持续发展的有效途径2。【研究进展】作物水肥空间及土壤环境会因玉米/大豆间作产生很大不同3,在玉米/大豆间作体系的中后期,由于种间竞争等因素,出现养分供不应求4,甚至作物减产5。在农业生产中,为追求高产盲目大量施用氮肥,会显著抑制豆科作物生物固氮6,显著降低间作优势。也会威胁土壤质量和可持续性7。例如,土壤中铵态氮和硝态氮易损失(挥发、硝化/反硝化和淋溶),导致土壤中过量的氮将通过不同的途径进入到环境中8-9,不仅造成氮的大量流失、氮素利用效率下降,还对环境造成如土壤酸化、湖泊水体富营养化和温室气体排放增加等负面影响10-11。因此
6、,需要新收稿日期:2022-07-14 修回日期:2023-03-16 网络出版日期:2023-05-08 基金项目:辽宁省自然基金项目(2019-ZD-0705)作者简介:于滨杭(1997-),男。硕士研究生,主要从事北方寒区绿色高效用水方面的研究。E-mail: 通信作者:王丽学(1964-),女。教授,博士生导师,主要从事农田水利及水资源开发利用方面的研究。E-mail: 灌溉排水学报编辑部,开放获取 CC BY-NC-ND 协议 的技术手段以实现氮肥的“减量增效”。生物炭是一种富含碳的固态难溶有机物12,在缺氧或无氧条件下 2001 200 热解形成13。其具有富含多孔结构、比表面积大
7、和吸附能力强等特点14,对配施的肥料具有缓释作用以实现减量增效,已成为近些年的研究热点。已有文献15-18表明,生物炭配施氮肥可以改善土壤团聚体结构、提高土壤肥力、促进植株氮素吸收,进而促进产量及水氮利用效率的提高。但不同的炭氮配施方案对作物生长、产量及水氮利用效率等指标影响不同,且不同指标对同一炭氮水平的响应亦有差异。各指标衡量标准不同,又相互影响,仅凭单一指标无法确定最佳配施方案。生物炭与氮肥配施的研究也大多集中在单作体系,间作复合种植的研究还相对滞后。因此,需要综合考虑多作物及多指标对不同炭氮条件的响应,科学应用多目标的综合评价方法,取得合理的炭氮配施方案。TOPSIS 法根据有限个评价
8、对象与理想化目标的接近程度进行排序,是近年来广泛用于方案选择的综合评价方法19。其基本原理是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序,若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解,则为最好,反之最差20。TOPSIS 法中“正灌溉排水学报 http:/ 26 理想解”和“负理想解”是 TOPSIS 法的 2 个基本概念。理想解是一设想的最优的解(方案),其各个属性值均达到各备选方案中的最好值,负理想解则相反。方案排序的规则是把各备选方案与正理想解和负理想解做比较,若其中有一个方案最接近理想解,而同时又远离负理想解,则该方案是备选方案中的最优方案。【切入点】不同炭氮配施方案对玉米/大豆间作系
9、统产量及水氮利用的影响研究尚不明确,全面考虑产量和水氮利用效率等各项指标,对炭氮配施方案的综合评价缺乏系统研究。【拟解决的关键问题】本研究旨在阐明以下问题:不同炭氮配施方案对玉米/大豆间作系统产量及水氮利用效率的影响;基于产量及水氮利用效率的炭氮配施方案寻优。研究可为玉米/大豆间作系统炭氮管理决策提供科学依据。1 材料与方法 1.1 试验区概况 本试验于2021年59月在沈阳农业大学水利学院综合试验基地进行,该站点位于4184N,12357E,海拔 44.7 m。试验区为典型旱作雨养农业区,作物一年一熟,试验期间降水量为 596.2 mm,占全年降水量的 74.9%,且主要集中在 69 月。试
10、验期间气温和降水量如图 1 所示。试验区土质为潮棕壤,土质分布均匀,土壤理化性质如表 1 所示。图 1 2021 年试验期间内气温及降水量 Fig.1 Temperature and rainfall during the period of test in 2021 表 1 试验前土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil 全氮量/(g kg-1)全磷量/(g kg-1)全钾量/(g kg-1)有机 质量/(g kg-1)090 cm 土壤体积 质量/(g cm-3)田间 持水率/(cm3 cm-3)凋萎系数/(cm3 cm
11、-3)0.67 0.47 23.19 33.93 1.42 0.38 0.18 1.2 试验材料 玉米品种选用郑单 958(平均生育期 130 d),大豆品种选用辽豆 32(平均生育期 122 d),供试生物炭由玉米秸秆 450 高温无氧裂解而成,购自辽宁金和福农业开发有限公司,其基本理化性质如表 2。表 2 生物炭基本理化性质 Table 2 Basic physical and chemical properties of biochar 全氮量/(g kg-1)全磷量/(g kg-1)全钾量/(g kg-1)有机碳量/(g kg-1)pH 10.2 8.1 15.7 515.0 8.5
12、1.3 试验设计 试验设生物炭施用量和氮肥施用量 2 个因素。生物炭施用量设不施炭(C0,0 t/hm2)、低炭(C1,15t/hm2)、高炭(C2,30 t/hm2)3 个水平;氮肥施用量,根据当地种植习惯,大豆不施肥,玉米设常规施氮量(N3,225 kg/hm2)、常规施氮量减量 20%(N2,180kg/hm2)、常规施氮减量 40%(N1,135 kg/hm2)3 个水平,采用 L9(32)正交试验,并设对照(CK,不施炭和氮),共 10 个处理(表 3),3 次重复,30 个小区,每个小区 18 m2(6 m 3 m)。表 3 生物炭与氮肥配施方案设计 Table 3 Applica
13、tion details of biochar and fertilizer 处理 编码组合 生物炭施用量/(t hm-2)氮肥施用量/(kg hm-2)C0N1(-1,-1)0 135 C0N2(-1,0)0 180 C0N3(-1,1)0 225 C1N1(0,-1)15 135 C1N2(0,0)15 180 C1N3(0,1)15 225 C2N1(1,-1)30 135 C2N2(1,0)30 180 C2N3(1,1)30 225 采用玉米大豆带状复合种植,玉米与大豆行比为22,玉米宽行距为 1.8 m,玉米窄行距为 40 cm,玉米与大豆间距 70 cm,大豆与大豆之间的窄行距为
14、40 cm,玉米株距15 cm,每穴留一株,大豆株距20 cm,采用 1、2、1 方式留苗。供试生物炭在试验开始前均匀铺于土壤并反复搅拌,与 030 cm 土壤均匀混合。氮肥施用量见表3,磷钾肥随底肥施用,施用量为P2O5 90 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。在试验期间,降水量可以满足作物生长需求,不进行灌溉,降水作为唯一的补充水源。玉米和大豆于 5 月 6 日同时播种,于 9 月25 日同时收获。1.4 测定项目与方法 1.4.1 产量 作物成熟后,对各小区全部玉米脱粒、大豆去荚处理,按小区实收计产,并以 14%含水率折合成公顷产量。1.4.2 耗水量及水分利用效率 采用 TD
15、R(时域反射仪)测定 090 cm 的土壤体积含水率,每 10 cm 一层,每个小区埋设 3 根 Trime管(分别在玉米带,豆带和带中),每根管的每个层位重复测量 3 次,每隔 7 d 观测 1 次,降水前后加测。另外,用烘干法校准 TDR 的土壤含水率数据。051015202530350102030405060气温/降水量/mm 日期 降雨量(mm)气温()降水量/mm 气温/于滨杭 等:基于产量和水氮利用效率的玉米/大豆间作系统炭氮配施方案优选 27 采用土壤含水率计算耗水量的方法21,耗水量计算式为:ET=WT+P-W-R-D+K,(1)式中:ET 为作物耗水量(mm);WT为灌溉量(
16、mm);P 为生育阶段有效降水量(mm);W 为时段初与时段末土壤计划湿润层内的储水量之差(mm);R 为地表径流量(mm);D 为深层渗漏量(mm);K 为地下水补给量(mm)。本试验在雨养条件下进行,WT=0,试验小区平坦且有垄隔开,故无地表径流损失,R=0,90100 cm 土壤含水率变化不大,故无深层渗漏,D=0,地下水平均埋深为 4.5 m,故无地下水补给量,K=0。其中,土壤储水量计算式为:W=mbhw,(2)式中:m为 090 cm 土壤体积含水率(%);h 为土层厚度(cm);b为 060 cm 土层的平均土壤体积质量(g/cm3);w为水的密度(g/cm3);h 为土层厚度(
17、cm)。水分利用效率计算式为:WUE=YET,(3)式中:WUE 为水分利用效率(kg/(hm2 mm);Y 为作物产量(kg/hm2)。1.4.3 植株氮素 于玉米成熟期选取每个处理的 5 株玉米,将茎叶和籽粒分别烘干磨粉过筛后用于测定植株全氮,经浓H2SO4-H2O2将样品消煮至无色透明,再定容过滤,采用凯氏定氮仪测定全氮量并计算植株吸氮量。1.5 相关参数计算 秸秆吸氮量(kg/hm2)=秸秆产量 秸秆含氮量,(4)籽粒吸氮量(kg/hm2)=籽粒产量 籽粒含氮量,(5)地上部吸氮量(kg/hm2)=籽粒产量 籽粒含氮量+秸秆产量 秸秆含氮量,(6)氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽
18、粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量,(7)氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区籽粒产量/施氮量,(8)氮肥利用效率(%)=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/施氮量 100%。(9)1.6 数据分析 本研究选用 Microsoft Excel 2010 软件整理数据,OriginPro 2018b 软件绘图,SPSS 25.0 软件统计分析,Matlab 2021b 解析模型。2 结果与分析 2.1 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统产量的影响 就玉米产量而言,其受施炭、施氮以及交互作用的影响显著(图 2),影响大小依次为施炭、施氮、炭氮交互作用。C1和 N2、N3的组合显著高于其他处
19、理,其中 C1N2的产量最高,较 C0N3增产 22.8%,与C1N3产量差异不大,但可减少施氮量 45 kg/hm2。就大豆产量而言,其受施氮影响最大,同一施炭水平下,随着施氮量的减少,大豆产量呈现上升趋势。同一施氮水平下,C1处理的大豆产量较 C0处理提升2.92%27.55%,C2处理的大豆产量较 C0处理提升0.73%14.70%。总体来看,施炭后大豆生长仍受抑制,但产量较不施炭显著提高。系统产量受生物炭影响较大,施炭可使其增产 7.26%26.41%。施炭同时改变了系统产量随施氮量的变化规律:不施炭时,间作系统产量随氮肥减量配施比例的增加而降低;施炭后,间作系统产量随生物炭与氮肥减量
20、配施比例的增加呈先增加后降低的趋势。由此可见,生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统增产效果显著。注 不同小写字母表示不同处理间差异显著(P0.05)。下同。图 2 生物炭和氮不同水平组合下玉米/大豆间作系统产量 Fig.2 Yield of maize/soybean intercropping system under combinations of different levels biochar and nitrogen 2.2 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统水分利用效率的影响 施炭和施氮对土壤储水消耗量影响显著,炭和氮的交互作用影响不显著(表 4)。与 N1相比,N2和N3处理使土壤
21、储水消耗量提高 3.75%12.44%;与 C0处理相比,C1处理和 C2处理使土壤储水消耗量降低2.50%9.36%。随着施氮量增加,耗水量增加;随着施炭量增加,耗水量先减少后增加。C1处理和 C2处理中,除 C1N1处理外,土壤储水消耗量的总体差异不显著,即高炭处理并不能进一步降低土壤储水消耗量。C1处理和 C2处理的 WUE 显著高于 C0处理,且C1处理高于 C2处理。其中,C1N2处理的土壤储水消耗量虽和其他施炭处理差异不大,但由于其产量较高,所以 WUE 显著高于其他处理。总之,生物炭配施氮肥会提高玉米/大豆间作系统的 WUE,但高炭处理会导致 WUE 增幅减小。024681012
22、CN CN CN CN CN CN CN CN CN 产量/(t hm-2)处理 产量/(t hm-2):大豆产量 玉米产量大豆 玉米 e e e c ab d c cd 灌溉排水学报 http:/ 28 表 4 生物炭和氮不同水平组合下玉米/大豆 间作系统耗水特性及水分利用率 Table 4 Water consumption characteristics and water use efficiency of maize/soybean intercropping system under different levels of biochar and nitrogen 处理 耗水来源/
23、mm 总耗水量/mm WUE/(kg hm-2 mm-1)降水量/mm 土壤储水 消耗量/mm C0N1 596.2 68.17 5.49ab 664.37 5.49ab 12.98 0.27e C0N2 596.2 74.22 2.63a 670.42 2.63a 13.00 0.40e C0N3 596.2 76.53 3.41a 672.73 3.41a 13.13 0.32e C1N1 596.2 61.79 2.22b 657.99 2.22b 14.88 0.54c C1N2 596.2 68.17 2.92ab 664.37 2.92ab 16.57 0.38a C1N3 596
24、.2 69.48 4.00ab 665.68 4.00ab 15.86 0.40b C2N1 596.2 66.48 4.09ab 662.68 4.09ab 14.05 0.30d C2N2 596.2 68.97 4.26ab 665.17 4.26ab 15.12 0.17c C2N3 596.2 71.26 6.41ab 667.46 6.41ab 14.52 0.88cd C 3.69*3.69*144.71*N 4.37*4.37*16.64*C N 0.16 0.16 4.70*注 数值代表 3 次重复的均值 标准偏差。*表示0.05 水平影响显著,*表示0.01 水平极显著。下
25、同。2.3 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统玉米氮素利用效率(NUE)的影响 施炭和施氮均极显著影响秸秆和籽粒吸氮量,但施炭的影响高于施氮(表 5)。随施氮量的增加,玉米秸秆吸氮量和籽粒吸氮量总体呈上升趋势。随施炭量的增加,吸氮量先增加后减少,其中 C2处理的秸秆吸氮量均高于籽粒吸氮量,说明高炭处理增加了秸秆吸氮量。施炭对 NUE 的影响大于施氮,对氮肥农学效率的影响和施氮相近,对偏生产力的影响小于施氮。同一施氮水平下,NUE 随施炭量的增加呈先增加后降低的趋势,在 C1水平下最高。与 C1N3处理相比,C1N1处理和 C1N2处理 NUE 分别提高 28.56%和16.03%。表明在适宜施
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