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不同管理措施对黄土塬区农田土壤水分调控和硝态氮淋溶累积的影响

胡锦昇 樊军 付威 郝明德

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不同管理措施对黄土塬区农田土壤水分调控和硝态氮淋溶累积的影响

    作者简介: 胡锦昇 E-mail:hujinsheng16@mails.ucas.ac.cn;
    通讯作者: 樊军, E-mail:fanjun@ms.iswc.ac.cn

Effect of different agricultural measures on soil water and NO3-N leaching and accumulation in cropland of the Loess Plateau

    Corresponding author: FAN Jun, E-mail:fanjun@ms.iswc.ac.cn ;
  • 摘要: 【目的】研究黄土区旱作农田不同施肥和覆盖处理对土壤水分与硝态氮淋溶的影响,以提高水肥利用效率,增加作物产量,为选取适宜于该区可持续生产的农田管理措施提供理论基础。【方法】选取渭北旱塬定位试验中不施肥对照、施氮磷化肥、氮磷化肥配施钾肥、氮磷化肥配施生物炭、氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖、氮磷化肥与生育期地膜全覆盖和氮磷化肥与全年地膜全覆盖共7个处理。分析了不同处理连续耕作冬小麦15年后收获期剖面硝态氮累积和生长季内土壤剖面水分变化状况。【结果】与对照相比,施氮磷化肥处理显著增加了硝态氮在0—300 cm土层中的累积,累积量是对照的6.1倍。与施氮磷化肥相比,在氮磷化肥基础上生育期地膜全覆盖、配施生物炭、配施钾肥和全年地膜全覆盖处理显著减少了土壤硝态氮累积量,分别减少了78.7%、73.2%、66.0%和59.7%,氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖土壤硝态氮含量较施氮磷化肥处理虽无显著差异,但硝态氮累积量也减少19.2%。与对照相比,施氮磷化肥处理对0—300 cm土层水分补给和消耗量无显著影响。与施氮磷化肥相比,氮磷化肥基础上配施钾肥和生物炭对土壤水分补给和消耗量也无显著影响,而施氮磷化肥基础上的休闲期地膜全覆盖、生育期地膜全覆盖和全年地膜全覆盖显著增加土壤水分补给量,其中只有氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖处理显著增加了土壤水分消耗量。硝态氮在土壤中的累积受土壤水分运移影响,其在土壤中的累积量随着水分补给量的增加而增加。土壤水分运移能显著影响硝态氮在土壤剖面的分布,其结果是氮磷化肥与生育期地膜全覆盖和氮磷化肥配施生物炭处理硝态氮主要分布在0—20 cm土层,氮磷化肥配施钾肥和氮磷化肥与全年地膜全覆盖处理硝态氮主要分布在0—100 cm土层,而施氮磷化肥和氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖处理硝态氮主要分布在0—200 cm土层,其中施氮磷化肥和氮磷化肥基础上配施钾肥、全年地膜全覆盖、休闲期地膜全覆盖4个处理出现硝态氮累积峰。【结论】不同农田管理措施通过对水分的调控减少硝态氮淋溶,进而提高氮素利用效率,其中在施氮磷化肥的基础上增加生育期地膜全覆盖能有效调控土壤水分运移和减少硝态氮淋溶累积,是旱塬区改善农田水肥状况,增加作物产量的适宜措施。
  • 图 1  不同处理土壤剖面含水量

    Figure 1.  Water contents in soil profiles under different treatments

    图 2  不同处理土壤剖面硝态氮分布

    Figure 2.  Distribution of NO3-N in soil profile under different treatments

    图 3  土壤水分补给量与硝态氮累积量的关系

    Figure 3.  Relationship between water supply and NO3-N accumulation

    图 4  2016—2017年不同处理冬小麦生物量

    Figure 4.  Winter wheat biomass in different treatments during 2016–2017

    表 1  2008—2017年冬小麦休闲期与生育期降水量(mm)

    Table 1.  Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2008 to 2017

    年份
    Year
    休闲期
    Summer fallow period
    生育期
    Growth period
    生长年
    Growing year
    2007—2008288.6224.7513.3
    2008—2009323.7164.4488.1
    2009—2010306.0171.3477.3
    2010—2011405.5155.6561.1
    2011—2012417.7255.7673.4
    2012—2013230.7138.1368.8
    2013—2014400.3283.6683.9
    2014—2015359.7269.8629.5
    2015—2016234.6241.2475.8
    2016—2017360.2353.2713.4
    平均Mean332.7225.8558.5
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    表 2  试验处理详情

    Table 2.  Experimental treatment details

    代码
    Code
    处理
    Treatment
    耕作施肥管理
    Tillage and fertilization management
    CK不施肥对照
    No fertilizer
    分别在冬小麦播种前和收获后耕翻,深度约为20 cm,无覆盖
    Plough before sowing and after harvesting of winter wheat at depth of 20 cm, without covering
    NP施氮磷化肥
    N, P fertilizer
    在CK基础上,于播种前施入氮肥和磷肥作为基肥。氮肥为尿素 (含N 46%) 150 kg/hm2,磷肥为过磷酸钙 (含P2O5 16%) 75 kg/hm2
    Based on CK, N (urea 150 kg/hm2) and P (CaP2H4O8 75 kg/hm2) were basal applied before sowing
    NPK施氮磷钾化肥
    N, P, K fertilizer
    在NP基础上,于播种前增施硫酸钾 (含K2O 50%) 30 kg/hm2
    Based on N, P application, K2SO4 30 kg/hm2 was basal applied before sowing
    NPBNP + 生物炭
    NP fertilizer+ biochar
    在NP基础上,于播种前增施生物炭14 t/hm2
    Based on N, P application, biochar of 14 t/hm2 was added before sowing
    NPFFTNP + 休闲期地膜全覆盖
    NP + full plastic film mulching in fallow period
    在NP基础上,休闲期地膜全覆盖,小麦播种前清除地膜
    Based on N, P application, plastic film was mulched during whole fallow period, and removed before wheat sowing
    NPFGTNP + 生育期地膜全覆盖
    NP + full plastic film mulching in growth period
    在NP基础上,覆膜播种小麦,小麦收获后清除地膜
    Based on N, P application, full plastic film was mulched during wheat growth period, and removed after wheat harvest
    NPFWTNP + 全年地膜全覆盖
    NP + full plastic film mulching in a whole year
    在NP基础上,全年进行地膜全覆盖,小麦全部在膜上打孔种植
    Based on N, P application, plastic film was mulched around the year, wheat was sowed in the membrane drilling
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    表 3  不同处理土壤水分补给与消耗深度

    Table 3.  Depths of soil water recharge and depletion in different treatments

    处理
    Treatment
    补给深度 (cm)
    Recharge depth
    消耗深度 (cm)
    Depletion depth
    最大Max.主要Main最大Max.主要Main
    CK300220300260
    NP300160300180
    NPK280160280180
    NPB260160280180
    NPFFT280180280220
    NPFGT>300160160100
    NPFWT300180280180
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    表 4  不同处理土壤水分补给与消耗量 (mm)

    Table 4.  Soil water recharge and depletion in different treatments

    处理
    Treatment
    补给量Recharge消耗量Depletion年补给量Year recharge
    0—300 cm0—100 cm0—300 cm0—100 cm0—300 cm0—100 cm
    CK145.3 ± 16.8 a52.5 ± 7.4 a100.0 ± 7.8 a–0.2 ± 1.9 a45.352.7
    NP172.1 ± 17.7 ab104.7 ± 6.2 bc110.8 ± 8.4 a55.7 ± 3.4 b61.349.0
    NPK176.6 ± 15.1 ab116.9 ± 12.1 bcd103.9 ± 10.7 a59.1 ± 10.3 b72.757.8
    NPB157.4 ± 12.3 ab99.7 ± 10.6 b121.1 ± 7.1 ab57.5 ± 1.5 b36.342.2
    NPFFT246.2 ± 8.5 c134.5 ± 13.0 d222.1 ± 23.0 c101.6 ± 11.8 c24.132.9
    NPFGT228.3 ± 25.9 c130.6 ± 15.2 d115.1 ± 7.9 ab70.5 ± 6.5 b113.260.1
    NPFWT247.0 ± 19.4 c131.5 ± 3.9 d147.5 ± 17.5 ab70.5 ± 5.3 bc99.561.0
    注(Note):年末补给量=水分补给量−水分消耗量 Water recharge in growing year = Water recharge − Water depletion. 同列数据后不同小写字母表示不同处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.
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    表 5  不同处理土壤硝态氮累积量 (kg/hm2)

    Table 5.  Soil NO3-N accumulation in different treatments

    处理Treatment0—20 cm0—100 cm0—200 cm0—300 cm
    CK16.9 ± 2.7 b30.9 ± 2.9 c38.6 ± 3.3 c44.1 ± 4.0 c
    NP51.4 ± 8.7 a207.6 ± 2.5 a271.7 ± 22.0 a289.8 ± 25.6 a
    NPK42.1 ± 5.2 ab76.2 ± 6.1 bc88.1 ± 14.3 bc94.4 ± 10.7 c
    NPB39.6 ± 8.7 ab59.2 ± 8.7 bc69.0 ± 11.1 c75.8 ± 12.4 c
    NPFFT48.5 ± 9.7 a146.4 ± 17.0 ab208.7 ± 26.3 ab234.2 ± 22.6 ab
    NPFGT27.9 ± 6.5 ab40.5 ± 5.4 c49.1 ± 4.9 c56.8 ± 4.2 c
    NPFWT47.7 ± 8.8 a90.3 ± 9.1 bc105.4 ± 13.1 bc112.4 ± 18.9 bc
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-25
  • 网络出版日期:  2019-03-05
  • 刊出日期:  2019-02-01

不同管理措施对黄土塬区农田土壤水分调控和硝态氮淋溶累积的影响

    作者简介:胡锦昇 E-mail:hujinsheng16@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者: 樊军, fanjun@ms.iswc.ac.cn
  • 1. 中国科学院水利部水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
  • 3. 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100

摘要: 目的研究黄土区旱作农田不同施肥和覆盖处理对土壤水分与硝态氮淋溶的影响,以提高水肥利用效率,增加作物产量,为选取适宜于该区可持续生产的农田管理措施提供理论基础。方法选取渭北旱塬定位试验中不施肥对照、施氮磷化肥、氮磷化肥配施钾肥、氮磷化肥配施生物炭、氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖、氮磷化肥与生育期地膜全覆盖和氮磷化肥与全年地膜全覆盖共7个处理。分析了不同处理连续耕作冬小麦15年后收获期剖面硝态氮累积和生长季内土壤剖面水分变化状况。结果与对照相比,施氮磷化肥处理显著增加了硝态氮在0—300 cm土层中的累积,累积量是对照的6.1倍。与施氮磷化肥相比,在氮磷化肥基础上生育期地膜全覆盖、配施生物炭、配施钾肥和全年地膜全覆盖处理显著减少了土壤硝态氮累积量,分别减少了78.7%、73.2%、66.0%和59.7%,氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖土壤硝态氮含量较施氮磷化肥处理虽无显著差异,但硝态氮累积量也减少19.2%。与对照相比,施氮磷化肥处理对0—300 cm土层水分补给和消耗量无显著影响。与施氮磷化肥相比,氮磷化肥基础上配施钾肥和生物炭对土壤水分补给和消耗量也无显著影响,而施氮磷化肥基础上的休闲期地膜全覆盖、生育期地膜全覆盖和全年地膜全覆盖显著增加土壤水分补给量,其中只有氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖处理显著增加了土壤水分消耗量。硝态氮在土壤中的累积受土壤水分运移影响,其在土壤中的累积量随着水分补给量的增加而增加。土壤水分运移能显著影响硝态氮在土壤剖面的分布,其结果是氮磷化肥与生育期地膜全覆盖和氮磷化肥配施生物炭处理硝态氮主要分布在0—20 cm土层,氮磷化肥配施钾肥和氮磷化肥与全年地膜全覆盖处理硝态氮主要分布在0—100 cm土层,而施氮磷化肥和氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖处理硝态氮主要分布在0—200 cm土层,其中施氮磷化肥和氮磷化肥基础上配施钾肥、全年地膜全覆盖、休闲期地膜全覆盖4个处理出现硝态氮累积峰。结论不同农田管理措施通过对水分的调控减少硝态氮淋溶,进而提高氮素利用效率,其中在施氮磷化肥的基础上增加生育期地膜全覆盖能有效调控土壤水分运移和减少硝态氮淋溶累积,是旱塬区改善农田水肥状况,增加作物产量的适宜措施。

English Abstract

  • 氮肥利用率低在我国是一个较普遍的问题。统计认为,我国主要粮食作物的氮肥利用率为27.5%,且呈下降的趋势[1]。黄土高原是我国典型的旱作雨养农业区,农业生产面临的主要问题是降雨偏少且季节分布不均,施肥偏多但利用率低,缺少有效的保水保肥措施。水分和养分是限制作物高产稳产的关键,增加氮肥的施用量虽能提高作物对水分和氮素的利用,增加作物产量[2],但氮肥利用率随之降低,可能导致氮素严重残留和淋溶[3]。如何利用合理的水肥调控措施提高氮肥利用率、减少氮素损失和增加作物产量是迫切需要解决的问题。研究表明,施用获得最大作物产量的氮肥量容易导致大量硝态氮淋溶累积[4],相比于单施氮肥,氮磷化肥配施可促进作物生长和氮素吸收,是减少土壤硝态氮淋溶累积的有效措施[5],但农田长期不合理施用氮磷化肥会破坏土壤结构、恶化农田土壤理化性质、降低作物产量,造成氮肥利用率降低[6]。因此,实施氮磷化肥以外的管理措施促进作物对氮素吸收利用,减少硝态氮残留和淋溶及保证作物产量受到越来越多的关注。施钾肥能促进作物对氮素的吸收,提高土壤水分利用效率,增加作物抗逆性,缓解土壤质量退化[78]。华北潮土地区试验表明,长期施用氮磷化肥后作物产量下降,配施钾肥能提高氮素利用率,维持产量稳定[9]。生物炭能影响土壤持水性和水分入渗,吸附硝酸盐,提高氮肥的有效性,具有一定的保水保肥性能[1011]。目前对生物炭输入后土壤硝态氮淋溶状况的研究并不多见,研究也主要集中于室内人工模拟试验[12]。地膜覆盖能够改善土壤水热状况,加强微生物活性,促进土壤有机碳、氮的矿化,提高养分有效性[13]。但甘肃定西大田试验显示地膜覆盖的增产作用在一定程度上是以耗竭土壤有机物质、养分和水分为代价的,长期连续或全程覆膜不仅导致产量下降,而且也恶化了土壤生态,使土壤肥力下降,难以持续高产[14]。改变连续长时间地膜覆盖方式,选取适宜的覆盖时期能缓解这一现状。水分作为土壤硝态氮运移载体,研究认为二者存在密切关联,硝态氮带负电荷,不易被土壤胶体吸附,而随水淋溶,土壤水分状况及作物利用水分能影响其在土壤剖面中的累积分布[15]。为了探索有效的水分和氮肥管理措施,提高水肥利用效率,减少硝态氮淋溶累积,本文通过在渭北旱塬的定位试验,研究在施氮磷化肥基础上,配施钾肥、生物炭以及三种不同时期地膜覆盖措施对土壤水分运移和硝态氮淋溶的影响,以期为黄土塬区旱地农业的可持续发展提供科学依据。

    • 试验区位于陕西省长武县中国科学院长武黄土高原农业生态试验站 (107°40’E、35°12’N),是典型的雨养农业区。该区土壤为黑垆土,母质是深厚的中壤质马兰黄土,地势平坦,土层深厚。海拔1200 m,气候属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水578.5 mm,季节性分布不均,降雨集中在7—9月份。冬小麦一个完整的生长年包括休闲期和生育期,时间跨度在当年7月到次年6月,其中7月至9月为休闲期,10月至次年6月为生育期。2008—2017年冬小麦休闲期平均降水332.7 mm,生育期为225.8 mm(表1)。年均潜在蒸发量1500 mm,平均温度9.1℃,塬面大于等于0℃活动积温3688℃,大于等于10℃活动积温3029℃。年日照时数2226 h,热量供作物一年一熟有余,无霜期171 d,地下水位50~80 m,土壤容重1.23~1.44 g/cm3,剖面通透性好,肥力中等。当地主要作物为冬小麦和春玉米,冬小麦种植面积占粮食作物的50%以上。

      年份
      Year
      休闲期
      Summer fallow period
      生育期
      Growth period
      生长年
      Growing year
      2007—2008288.6224.7513.3
      2008—2009323.7164.4488.1
      2009—2010306.0171.3477.3
      2010—2011405.5155.6561.1
      2011—2012417.7255.7673.4
      2012—2013230.7138.1368.8
      2013—2014400.3283.6683.9
      2014—2015359.7269.8629.5
      2015—2016234.6241.2475.8
      2016—2017360.2353.2713.4
      平均Mean332.7225.8558.5

      表 1  2008—2017年冬小麦休闲期与生育期降水量(mm)

      Table 1.  Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2008 to 2017

    • 田间定位试验始于2002年,之前是连续耕种的传统农田。供试作物为一年一熟冬小麦,品种为‘长航1号’。试验区总面积1260 m2,各小区采用随机区组设计,面积为35 m2 (5 m × 7 m),种植方式为宽窄行种植,宽行60 cm,窄行30 cm。试验所用地膜为60 cm宽、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜。本研究选取了包括冬小麦不同施肥方式和不同覆膜时期共7个处理 (表2),每个处理3次重复,覆膜处理在翻耕时清除地膜,翻耕后重新覆膜。试验使用的生物炭为杂木 (杨树、枣树、槐树等) 黑炭,购置于当地商业公司,该生物炭的基本理化性质:容重0.58 g/cm3,颗粒组成2~0.02 mm占86.29%,0.02~0.002 mm占11.93%,小于0.002 mm占1.78%,pH为8.96,阳离子交换量为20.73 cmol/kg。

      代码
      Code
      处理
      Treatment
      耕作施肥管理
      Tillage and fertilization management
      CK不施肥对照
      No fertilizer
      分别在冬小麦播种前和收获后耕翻,深度约为20 cm,无覆盖
      Plough before sowing and after harvesting of winter wheat at depth of 20 cm, without covering
      NP施氮磷化肥
      N, P fertilizer
      在CK基础上,于播种前施入氮肥和磷肥作为基肥。氮肥为尿素 (含N 46%) 150 kg/hm2,磷肥为过磷酸钙 (含P2O5 16%) 75 kg/hm2
      Based on CK, N (urea 150 kg/hm2) and P (CaP2H4O8 75 kg/hm2) were basal applied before sowing
      NPK施氮磷钾化肥
      N, P, K fertilizer
      在NP基础上,于播种前增施硫酸钾 (含K2O 50%) 30 kg/hm2
      Based on N, P application, K2SO4 30 kg/hm2 was basal applied before sowing
      NPBNP + 生物炭
      NP fertilizer+ biochar
      在NP基础上,于播种前增施生物炭14 t/hm2
      Based on N, P application, biochar of 14 t/hm2 was added before sowing
      NPFFTNP + 休闲期地膜全覆盖
      NP + full plastic film mulching in fallow period
      在NP基础上,休闲期地膜全覆盖,小麦播种前清除地膜
      Based on N, P application, plastic film was mulched during whole fallow period, and removed before wheat sowing
      NPFGTNP + 生育期地膜全覆盖
      NP + full plastic film mulching in growth period
      在NP基础上,覆膜播种小麦,小麦收获后清除地膜
      Based on N, P application, full plastic film was mulched during wheat growth period, and removed after wheat harvest
      NPFWTNP + 全年地膜全覆盖
      NP + full plastic film mulching in a whole year
      在NP基础上,全年进行地膜全覆盖,小麦全部在膜上打孔种植
      Based on N, P application, plastic film was mulched around the year, wheat was sowed in the membrane drilling

      表 2  试验处理详情

      Table 2.  Experimental treatment details

    • 在2017年7月冬小麦收获期,于试验小区采集0—300 cm土壤剖面样品,0—100 cm每10 cm深度取样,100—300 cm每20 cm取样,分别混合均匀,于通风阴凉处风干后研磨过0.25 mm筛,以1 mol/L的KCl溶液浸提,用UV2300紫外可见分光光度计测定土壤硝态氮含量。

    • 在试验小区利用CNC503B型中子水分仪于2016年4—9月和2017年4—11月每月测定0—300 cm土壤剖面含水量。0—100 cm土层按每10 cm记录读数一次,100—300 cm土层按每20 cm记录读数一次。

    • 各试验小区在收获期随机选取长势均匀的冬小麦10株,105℃下杀青后在80℃烘干至恒重,测定生物量。

    • 选取2016—2017年冬小麦生长年土壤水分含量增加最大的水分分布曲线和季初的水分分布曲线比较,两条曲线交叉点即为最大补给深度,若无交叉说明水分补给深度超过测定的土壤深度;同理,选取土壤水分含量增加最大的水分分布曲线和降低最大的水分分布曲线比较,交叉点即为最大消耗深度,无交叉即表明消耗超过测定深度。

    • 土壤硝态氮累积量计算公式为:

      土壤储水量计算公式为:

      式中:A为土壤硝态氮累积量 (kg/hm2);h为土层厚度 (cm);ρ为土壤容重 (g/cm3);C为硝态氮浓度 (mg/kg);S为土壤储水量 (mm);θm为质量含水量 (g/kg)。其中土壤容重0—100、100—200和200—300 cm土层分别取1.34、1.28和1.31 g/cm3[16]

    • 试验数据处理使用Microsoft Excel 2013,处理间方差分析和多重比较使用SPSS18.0,绘图使用Origin 9.0。

    • 2016—2017年降水量为713.4 mm (表1),属丰水年[17]。0—300 cm土壤剖面水分分布动态数据表明,2016年6月到9月是土壤水分的补给时期,9月到次年6月是土壤水分的消耗时期。不同处理不同时期0—300 cm土壤剖面含水量变化存在差异 (图1):不同处理2016年6月和2017年6月土壤水分消耗后,其剖面含水量呈先减少后增大并逐渐趋于稳定的变化,对照处理在整个剖面含水量都高于其他处理,而其他处理剖面含水量基本一致;2016年9月土壤水分得到补给,各处理剖面含水量随着深度增加呈逐渐减少趋势,其中覆膜处理土壤剖面含水量高于未覆膜处理。水分补给时期,CK在整个剖面水分补给基本一致,其他处理水分补给由表层向深层逐渐减少,NP、NPK、NPB和NPFGT处理在200 cm深度以下基本无补给,而NPFFT和NPFWT处理能向更深层补给;水分消耗时期,CK处理水分在0—300 cm土层减少幅度明显小于其他处理,施肥与覆盖措施显著增加了剖面水分的消耗,NPFFT和NPFWT处理深层水分的变化幅度更大。

      图  1  不同处理土壤剖面含水量

      Figure 1.  Water contents in soil profiles under different treatments

      不同处理影响了土壤水分最大补给和最大消耗深度,在土壤水分补给时期,NPFGT处理最大补给深度超过300 cm,其他处理最大补给深度都在260—300 cm之间。在土壤水分消耗时期,NPFGT处理最大消耗深度最浅,在160 cm,其他处理最大消耗深度均在280—300 cm之间。设定土壤表层至某一深度土层水分的补给或消耗量占总补给或消耗量的80%,则该层为土壤水分主要补给或消耗深度。由此可见,CK主要补给和消耗深度较NP处理大,其他处理补给深度与NP基本一致;但主要耗水深度存在差异,NPFGT较NP处理减少80 cm,NPFWT、NPK、NPB和NP处理主要消耗深度一致,NPFFT主要耗水深度明显大于NP处理,增加了40 cm (表3)。

      处理
      Treatment
      补给深度 (cm)
      Recharge depth
      消耗深度 (cm)
      Depletion depth
      最大Max.主要Main最大Max.主要Main
      CK300220300260
      NP300160300180
      NPK280160280180
      NPB260160280180
      NPFFT280180280220
      NPFGT>300160160100
      NPFWT300180280180

      表 3  不同处理土壤水分补给与消耗深度

      Table 3.  Depths of soil water recharge and depletion in different treatments

    • 土壤剖面水分补给和消耗的测定结果显示,不同管理措施下,土壤水分补给和消耗量的差异达到显著水平 (表4)。在0—300 cm土层,CK、NPK、NPB和NP处理补给量基本一致,NPFGT、NPFFT和NPFWT补给量显著高于NP处理,分别高32.7%、43.1%和43.5%。NPFWT、NPB、NPFGT、NPK和CK消耗量与NP处理无显著差异,大小顺序为NPFWT>NPB>NPFGT>NP>NPK>CK,NPFFT消耗量显著高于NP,是NP处理的2.0倍。土层0—100 cm是冬小麦根系主要生长层,CK土壤水分补给和消耗量均显著小于NP处理,其他处理较NP水分补给和消耗量的比较结果与0—300 cm土层的比较结果一致。比较各处理0—100 cm和0—300 cm土层年末补给量发现,前者分别占后者的53.1% (NPFGT)、61.3% (NPFWT)、79.5% (NPK)、79.9% (NP)、116.3% (NPB)、116.3% (CK) 和136.5% (NPFFT)。这表明,NPK、NP、NPB、CK和NPFFT处理年末水分补给集中在0—100 cm土层,土壤水分的补充与消耗量在100 cm以下基本持平,而NPFGT和NPFWT处理能向深层补给更多的水分。

      处理
      Treatment
      补给量Recharge消耗量Depletion年补给量Year recharge
      0—300 cm0—100 cm0—300 cm0—100 cm0—300 cm0—100 cm
      CK145.3 ± 16.8 a52.5 ± 7.4 a100.0 ± 7.8 a–0.2 ± 1.9 a45.352.7
      NP172.1 ± 17.7 ab104.7 ± 6.2 bc110.8 ± 8.4 a55.7 ± 3.4 b61.349.0
      NPK176.6 ± 15.1 ab116.9 ± 12.1 bcd103.9 ± 10.7 a59.1 ± 10.3 b72.757.8
      NPB157.4 ± 12.3 ab99.7 ± 10.6 b121.1 ± 7.1 ab57.5 ± 1.5 b36.342.2
      NPFFT246.2 ± 8.5 c134.5 ± 13.0 d222.1 ± 23.0 c101.6 ± 11.8 c24.132.9
      NPFGT228.3 ± 25.9 c130.6 ± 15.2 d115.1 ± 7.9 ab70.5 ± 6.5 b113.260.1
      NPFWT247.0 ± 19.4 c131.5 ± 3.9 d147.5 ± 17.5 ab70.5 ± 5.3 bc99.561.0
      注(Note):年末补给量=水分补给量−水分消耗量 Water recharge in growing year = Water recharge − Water depletion. 同列数据后不同小写字母表示不同处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.

      表 4  不同处理土壤水分补给与消耗量 (mm)

      Table 4.  Soil water recharge and depletion in different treatments

    • 长期连续施用氮肥会造成硝态氮在土壤中淋溶累积。冬小麦连作15年后,在收获期土壤硝态氮含量的结果显示,不同处理影响硝态氮在0—300 cm土壤剖面的分布 (图2),各处理硝态氮含量最大值出现在0—20 cm表层土壤,存在氮素表聚现象,CK处理表层聚集的氮素主要来自大气沉降。CK、NPFGT和NPB处理硝态氮由表层向下逐渐减少且无累积峰,主要分布在0—20 cm土层,100 cm以下硝态氮浓度趋于稳定,含量低于1.0 mg/kg。NPK、NPFWT、NPFFT和NP处理硝态氮也随表层向下逐渐减少,但在30 cm土层以下开始增加并出现累积峰,累积峰出现在30—60 cm土层间。NPK处理50—60 cm土层出现峰值,峰值为3.8 mg/kg;NPFWT处理40—50 cm土层出现峰值,峰值为7.1 mg/kg;NPFFT处理30—40cm土层出现峰值,峰值为14.5 mg/kg;NP处理40—50 cm土层出现峰值,累积峰值最大达18.8 mg/kg,分别是其他三个处理的1.3 (NPFFT)、2.6 (NPFWT) 和4.9 (NPK) 倍。其中NPK和NPFWT处理硝态氮主要分布在0—100 cm土层,100—300 cm硝态氮含量低于1.0 mg/kg,趋于稳定;NPFFT和NP处理硝态氮主要分布在0—200 cm土层,200 cm以下硝态氮含量也逐渐稳定,但含量高于1.0 mg/kg,也显著高于其他处理,硝态氮有向下淋溶的趋势。

      图  2  不同处理土壤剖面硝态氮分布

      Figure 2.  Distribution of NO3-N in soil profile under different treatments

    • 不同处理对土壤硝态氮累积量有显著影响 (表5)。0—20 cm土层NP处理显著高于CK,前者是后者的3倍,其他处理与NP相比,虽有不同程度降低,但均未达显著水平。在土壤0—100 cm剖面,NP处理较CK显著增加了土层硝态氮累积量,是CK的6.7倍,NPFWT、NPK、NPB和NPFGT较NP处理显著减少了土壤硝态氮含量,分别减少了56.5%、63.3%、71.5%和80.5%,NPFFT与NP处理无显著差异但减少了土壤硝态氮累积量,减少了61.2 kg/hm2。0—200和0—300 cm土层各处理硝态氮累积量与0—100 cm基本一致,除NPFFT外,其他处理都较NP显著减少硝态氮累积量。在0—20 cm土层,NPFGT和NPB处理硝态氮累积量占整个剖面50%以上,是硝态氮主要累积层;土壤0—100 cm剖面是CK、NPK和NPFWT处理硝态氮主要累积层,硝态氮累积量占总累积量的80%左右;而NP和NPFFT处理硝态氮主要累积层在0—200 cm,硝态氮累积量占总量的80%以上。

      处理Treatment0—20 cm0—100 cm0—200 cm0—300 cm
      CK16.9 ± 2.7 b30.9 ± 2.9 c38.6 ± 3.3 c44.1 ± 4.0 c
      NP51.4 ± 8.7 a207.6 ± 2.5 a271.7 ± 22.0 a289.8 ± 25.6 a
      NPK42.1 ± 5.2 ab76.2 ± 6.1 bc88.1 ± 14.3 bc94.4 ± 10.7 c
      NPB39.6 ± 8.7 ab59.2 ± 8.7 bc69.0 ± 11.1 c75.8 ± 12.4 c
      NPFFT48.5 ± 9.7 a146.4 ± 17.0 ab208.7 ± 26.3 ab234.2 ± 22.6 ab
      NPFGT27.9 ± 6.5 ab40.5 ± 5.4 c49.1 ± 4.9 c56.8 ± 4.2 c
      NPFWT47.7 ± 8.8 a90.3 ± 9.1 bc105.4 ± 13.1 bc112.4 ± 18.9 bc
      注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.

      表 5  不同处理土壤硝态氮累积量 (kg/hm2)

      Table 5.  Soil NO3-N accumulation in different treatments

    • 不同处理冬小麦连续15年种植过程中,作物利用和损失使得不施肥农田土壤硝态氮含量越来越低,施氮肥中只有NP、NPFFT和NPFWT处理在0—300 cm有明显的硝态氮累积并出现累积峰,其他处理硝态氮累积不明显。相较于NP处理,未覆地膜的NPK和NPB处理能显著降低土壤硝态氮累积量,连续多年耕作后未在表层以下形成明显的累积层。原因在于钾肥能促进作物生长和对氮素的利用,提高氮肥利用率,增加根区和根区外硝态氮利用,显著降低氮素盈余[18]。同时还能增加水分利用率,使得淋失风险明显减弱,硝态氮向深层淋溶与累积减少[7],本研究中,NPK处理硝态氮累积量显著低于NP,且主要在0—100 cm土层,累积量达76.2 kg/hm2,占该处理0—300 cm土层总累积量的80.7%。而NP处理0—100 cm土层硝态氮累积量为207.6 kg/hm2,只占总累积量的71.6%。施用生物炭能减少土壤硝态氮的淋溶累积,一方面是因为生物炭改善土壤的持水能力,同时能直接吸附土壤中的氮素从而显著减少硝态氮淋溶量[1920];另一方面,生物炭减缓了吸附的硝态氮在土壤中的释放,相当于营养元素的缓释载体,可达到保肥的效果[21],有效地提高氮肥利用率和减少氮素损失。已有研究表明长武黑垆土农田添加生物炭量越多,土壤溶质阻滞作用越强,相较于不添加生物炭,土壤硝态氮的淋溶损失量显著减少,黑钙土和紫色土区施用生物炭也大幅度降低土壤中硝态氮的淋失[22]。本研究结果也显示NPB硝态氮累积量显著低于NP处理,在0—20 cm土层硝态氮累积量为39.6 kg/hm2,占到该处理总累积量的52.2%,而NP仅为51.4 kg/hm2,只占其总累积量的17.7%。且配施生物炭较增施钾肥处理在土壤中硝态氮累积量少,缓解土壤硝态氮向下淋溶累积的效果更好,生物炭的施用对提高旱作农田氮素利用率和减少氮素损失具有积极意义。

      相较于NP处理,不同覆膜时期处理均能减少冬小麦土壤硝态氮累积量,其中NPFFT土壤剖面硝态氮累积量仅次于NP处理,有明显的累积层,而NPFGT处理土壤剖面硝态氮累积量是除CK外最低,没有形成累积层。原因在于NPFFT处理在作物休闲期改善了土壤水热条件,增加了有机氮矿化和被生物固定肥料氮的再矿化[23],这一时期累积的硝态氮在生育期也能因降水发生淋溶下移,可造成硝态氮在土壤中大量淋溶累积,李小刚等[24]研究表明休闲期氮素矿化占到当季施氮量的20%,而覆膜较不覆膜氮素矿化增加28%,本研究中NPFFT处理硝态氮累积量分别是NPFGT和NPFWT处理的4.1和2.1倍。但累积量还是小于NP处理,这是因为在休闲期覆膜一方面改善农田土壤理化性质,促进作物吸收硝态氮;另一方面NPFFT较NP处理耗水更深,减少了硝态氮向下迁移的深度,迁移累积的硝态氮被作物根系吸收[23]。NPFGT处理在休闲期能有效缓解氮素的矿化,减少表层土壤中硝态氮含量,在土壤水分恢复时避免大量硝态氮淋溶,生育期覆膜后又能有效抑制土壤水分蒸发和减少水分无效消耗,显著增加了土壤含水量,改善冬小麦生长的水热条件,促进根系生长[9],加强作物根系吸收硝态氮的能力,进一步减少硝态氮淋溶累积,周昌明等[25]研究表明生育期覆膜作物氮素利用效率显著大于不覆盖,本研究中NPFGT硝态氮累积量只有NP处理的19.6%。NPFWT处理虽在休闲期增加了硝态氮含量但在生育期为土壤形成了良好的水热条件,促进作物根系发育以更好地利用硝态氮,累积量介于NPFFT和NPFGT处理之间,只是在浅层0—100 cm有累积发生,该层累积量占总的累积量的80.3%。不同覆膜时期对土壤硝态氮淋溶累积的影响表明在作物生育期覆膜可有效地降低农田硝态氮的淋溶累积量。

    • 土壤硝态氮易溶于水,水分作为硝态氮运移的载体与硝态氮淋溶累积状况密切相关。黄土旱塬雨养农业区降水分布不均且集中于7—9月,多年降水及补给消耗数据显示:冬小麦连作休闲期是水分补给土壤的主要时期,硝态氮的迁移和积累也可能主要发生在这一时期,生育期降水量和强度虽不及休闲期,但也占到全季的41%,表层浓度高的硝态氮会向下淋溶。研究显示NP处理土壤硝态氮主要累积在0—200 cm,其水分主要补给深度在0—160 cm,且土壤硝态氮累积量随着水分补给量的增加而增加 (P<0.01)(图3),证实硝态氮在土壤中累积受土壤水分运移影响。长武黄土高原农业生态试验站近十年冬小麦农田土壤水分动态数据显示水分消耗深度能达到300 cm左右[2627],而降水补给深度一般小于300 cm,且受降水年型的影响,如丰水年或强降雨月份补给深度可达300 cm而枯水年只有100 cm,但一般而言水分补给深度在200 cm左右,很少超过作物水分消耗最大深度,硝态氮一般不会进一步随水向更深层淋溶[2829]。土壤水分状况与作物根系对水分的利用有关,很大程度上影响硝态氮的淋溶累积,已有研究认为渭北旱塬冬小麦的根系下扎深度超过200 cm,92%根系集中在100 cm以上且呈指数递减分布,根系最深可达300 cm[30]。休闲期补给的水分在作物生育期被消耗,0—100 cm土层是冬小麦根系主要耗水和养分吸收层,同时作物生育期蒸散量大于降水,使得根系不断从土壤深层吸收水分,以补给作物利用,耗水深度最大可达200—300 cm[31]。本研究中,2016—2017年各处理水分最大补给消耗深度虽都在300 cm左右,但水分补给消耗过程主要集中在0—200 cm,深层的水分变化小,这与前人研究结果一致,可认为在土壤中硝态氮的淋溶累积主要发生在0—200 cm,且硝态氮淋溶累积量与水分补给量的变化一致,都向下层逐渐减少。水分补给时期,覆膜较未覆膜增加了水分补给量,硝态氮随水分向土壤下层淋溶增多,其中NPFFT和NPFWT处理增加了土壤氮素矿化量[32],能向下淋溶更多的硝态氮。水分消耗时期,各处理间水分消耗的状况不同,小麦根系对土壤不同深度水分和硝态氮的利用影响硝态氮在土壤中的累积量和分布状况[33]。研究认为覆膜可减少水分无效消耗、增加作物蒸腾耗水,使水分消耗由物理过程向生理过程转化,提高水分利用效率[34]。当季作物生物量表明,NPFGT和NPFWT处理生物量显著大于NP处理,其他处理虽无显著差异但较NP处理均能增加生物量 (图4),更高的生物量一定程度上表明作物利用了更多的水分和硝态氮[35],同时减少了硝态氮随水分进一步向深层淋溶。在不同处理中,NPFFT处理土壤硝态氮累积多而利用少,与NP处理都在0—200 cm大量累积;NPFWT和NPFGT处理消耗大量硝态氮,NPFWT累积主要在0—100 cm,而NPFGT少量硝态氮主要集中在0—20 cm;NPK、NPB与NP处理水分补给基本一致,NPB较NPK更有利于作物对硝态氮吸收利用,硝态氮主要累积于0—20 cm,而NPK在0—100 cm累积。水分补给影响了硝态氮在土壤中累积分布,而水分消耗限制其进一步向土壤深层淋溶,配合作物根系耗水及其对硝态氮吸收,其结果是不同处理下土壤剖面硝态氮累积量和深度存在差异。因此,在旱作农田选取合理的管理措施能有效调控硝态氮在土壤中的淋溶累积,考虑不同处理对土壤水分条件和硝态氮淋溶累积的影响,施氮磷化肥基础上生育期地膜全覆盖效果最好,适宜于渭北旱塬冬小麦种植区采用。

      图  3  土壤水分补给量与硝态氮累积量的关系

      Figure 3.  Relationship between water supply and NO3-N accumulation

      图  4  2016—2017年不同处理冬小麦生物量

      Figure 4.  Winter wheat biomass in different treatments during 2016–2017

    • 硝态氮在土壤中的累积分布与土壤水分运移和作物根系吸收密切相关。不同处理影响土壤水分消耗补给和作物生长,使得硝态氮在土壤中的累积分布存在差异,其中施氮磷化肥和施氮磷化肥与休闲期地膜全覆盖处理硝态氮累积分布在0—200 cm土层,施氮磷化肥配施钾肥和全年地膜全覆盖处理硝态氮主要分布在0—100 cm土层,而施氮磷化肥配施生物炭和生育期地膜全覆盖处理硝态氮少量分布于0—20 cm土层。在氮磷化肥配施的基础上,增施钾肥、生物炭和覆膜均可以减少土壤硝态氮残留累积量。施氮磷化肥基础上生育期地膜全覆盖处理土壤0—300 cm剖面作物收获期硝态氮含量最低且无累积峰。且该处理能增加水分补给,减少硝态氮淋溶深度,改善作物生长,增加生物量,是改善黄土塬区水肥状况,产投比较高的冬小麦增产模式。

参考文献 (35)

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