农环格格有话说：
11月10日周五（农历九月二十二 ），大家早安！！
秸秆还田配施化肥可以提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素含量及土壤养分含量,培肥土壤并提高其稳定性,促进作物增产。虽然秸秆还田配施化肥增加了人工和肥料投入,但适宜的化肥用量配合秸秆还田提高了水稻油菜轮作体系的经济效益....
文章出版：《植物营养与肥料学报》2017年第 1 期。原文及参考文献请点击文末“阅读原文”。
1.安徽省养分循环与资源环境省级实验室/安徽省农业科学院土壤肥料研究所,安徽合肥 230031;
2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 210008;
3.中国科学院大学,北京 100049;
4.贵池市贵池区农业技术推广中心,安徽池州 247100。
通过水稻和油菜 7 年 13季作物的田间定位小区试验....
水稻–油菜轮作是我国重要的农业种植模式。秸秆还田是目前我国秸秆利用最主要、最直接的途径。因此,研究水稻–油菜轮作系统下,秸秆还田配施化肥对水稻和油菜产量、土壤有机质组分及其养分含量的影响,有助于提高水稻和油菜产量,培肥土壤,推进秸秆还田技术的应用。
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通过水稻和油菜 7 年 13季作物的田间定位小区试验,设置了不施氮肥不还田处理 (CK) 、农民习惯处理 (FPP) 和 3 个秸秆还田配施化肥处理 (SF1、SF2、SF3:每年水稻秸秆以 3000 kg/hm2 的量还田,配施不同量氮、磷、钾肥),分析了各处理土壤有机碳及其组分、土壤养分含量、作物产量和经济效益。
【结果】 与不施氮肥处理比较,秸秆还田配合氮、磷、钾平衡施肥能显著提高土壤总有机碳及其各组分、土壤养分含量、作物产量和经济效益。与农民习惯处理相比,秸秆还田配施化肥处理土壤总有机碳、胡敏酸和胡敏素分别显著增加了 5.62%~12.08%、9.05%~22.57%和 7.93%~10.23%,而水溶性有机碳和富里酸含量差异则不明显;土壤全氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高了 6.74%~14.04%、134.67%~249.46% 和 40.18%~70.54%;水稻、油菜和周年平均产量分别增加了8.55%~19.34%、19.06%~27.27% 和 10.34%~24.08%;净利润提高了 1651~4905 yuan/hm2,但总投入增加了1427~2882 yuan/hm2。秸秆还田配施化肥处理中,以氮、磷、钾肥用量与运筹次数最多的 SF3 处理土壤各项指标、作物产量和经济效益最高,与之相比,SF2 处理在水稻和油菜两季共减少肥料用量 255 kg/hm2,而作物周年产量减少不明显。土壤有机碳组分、土壤养分含量及作物产量之间有较好的相关性,而逐步回归分析表明,土壤总氮、胡敏酸、水溶性有机碳含量是水稻和油菜产量主要决定因素。
研 究 背 景
土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标,也是影响土壤稳定性和生产力的重要因素之一。秸秆还田是农田土壤有机碳重要的来源。秸秆还田不仅可以减少因秸秆焚烧而产生的温室气体,还能为土壤中的微生物提供丰富的碳源,刺激微生物活性,提高土壤肥力,被认为是一种有效的农田培肥措施,也是秸秆资源利用中最经济且可持续的方式。
但是,由于秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,自然状态下难以被微生物分解。研究表明,微生物分解秸秆时需要吸收一定量的氮素,从而与作物争氮,影响苗期生长,进而影响后期产量。同时,单施化肥一定程度上促进作物生长,增加输入土壤的根系及根系分泌物,进而影响土壤有机质。
由于土壤有机碳处在不断的矿化与腐殖化的过程中,有时这两个过程同时存在,而不同的化肥养分配比、秸秆还田的加入则使土壤有机碳组分转化及积累变得更加复杂。
近年来许多学者从不同角度对秸秆还田条件下土壤养分、酶活性和土壤微生物数量进行了一系列的研究,但对水稻–油菜轮作系统下,秸秆还田配施化肥,土壤有机碳组分及其养分和作物产量的系统性研究较少。因此,通过田间定位试验研究水稻秸秆配合氮、磷、钾平衡施肥对水稻和油菜产量、土壤有机质组分及其养分含量的影响,从而揭示秸秆的腐解、土壤性质变化过程,为探索适宜当地生产的施肥措施,完善该地区秸秆还田技术及培肥土壤提供理论和实践依据。
材料与方法
1.1 供试土壤
试验于 2009 年至 2015 年在安徽省池州市贵池区万子村进行 (30°50′ N、117°33′ E)。土壤类型为棕红壤,0—20 cm 土壤基本理化性质:pH 5.55、全氮1.69 g/kg、全磷 0.59 g/kg、全钾 20.44 g/kg、有机碳15.42 g/kg、碱解氮 160.15 mg/kg、速效钾 83.23mg/kg、有效磷 6.08 mg/kg。
1.2 试验设计
试验设置 5 个处理,分别为 CK,不施氮肥,水稻秸秆不还田;FPP,当地农民习惯处理,水稻秸秆不还田;SF1,根据测定土壤养分含量,比 FPP 减少稻季氮肥用量,增加了稻季和油菜季磷、钾肥用量,水稻秸秆还田 3000 kg/hm2;SF2,在SF1的基础上,增加了稻季氮、磷、钾肥用量,油菜季肥料用量未调整;SF3,在 SF2 的基础上,增加了稻季和油菜季氮、磷、钾肥用量。水稻季和油菜季各处理的磷肥均作为基肥一次施入,氮、钾肥进行运筹,各处理施肥详细方案见表 1。每个小区 4 次重复,小区面积 40 m2,随机区组排列。
水稻每年 6月10日左右移栽,10月10日左右收获。栽插密度为 26.2 万穴/hm2。油菜每年 10 月 20日左右移栽,次年 5 月 20 日左右收获。自 2009 年至 2015 年水稻和油菜品种见表 2。
秸杆还田方式为人工切碎,分小区撒施于田间,人工翻耕,均混。水稻秸秆每年都还田,还田量为 3000 kg/hm2,油菜秸秆不还田。水稻秸秆的 N、P、K 和有机碳平均含量分别为 5.8、0.9、26.5 和 402.5 g/kg,每年通过水稻秸秆还田,分别向土壤增施 N、P、K 和 C 为 17.4、2.7、79.5 和 1207.5 kg/hm2。供试肥料品种分别为普通尿素 (含 N 46%)、过磷酸钙 (含 P O 12%)、氯化25钾 (含 K2O 60%)、硼砂 (含 B 11%) 和水稻秸秆。除草、病虫害防治等同当地常规管理。
1.3 采样及测定方法
小区按面积平均分为两部分,其中一部分用于成熟期收获测实产,并风干折算含水量。2015 年 5月 19 日油菜收获后,各小区用 5 点法取 0—20 cm土壤样品,混合均匀,带回实验室后,剔除砂石和根系等杂物,避光风干,磨碎,用于测定土壤养分及有机碳组分。
土壤总氮、总磷、总钾、碱解氮、有效磷、速效钾和总有机碳参见《土壤农化分析》:全氮用半微量开氏定氮法;总磷用 HClO4 和 H2SO4 的混酸消煮—钼锑抗比色;全钾用 HF 和 HClO4 消煮—火焰光度法;碱解氮用扩散法测定;有效磷用 0.5 mol/LNaHCO3 浸提—钼锑抗比色;速效钾用 1 mol/L NH4 OAc 浸提—火焰光度法;总有机碳用重铬酸钾容量法。土壤有机碳组分水溶性有机碳、富里酸、胡敏酸和胡敏素提取根据 Kumada 方法,但进行了修改,各组分有机碳用 TOC 仪 (德国耶拿 Multi N/C 2100)测定。
1.4 经济效益计算和数据统计分析
2015 年安徽省水稻和油菜籽市场收购价格分别为 2.8 和 4.4 yuan/kg,氮肥 (N) 3.48 yuan/kg,磷肥(P2O5) 4.17 yuan/kg,钾肥 (K2O) 3.5 yuan/kg,硼砂 16yuan/kg,劳动力的日工资 100 yuan,人工秸秆还田费用 900 yuan/hm2。根据目前实际情况,稻草不计算成本。本研究涉及的经济效益均根据以上价格进行计算。
应用 Excel 2007 和 SPSS 17.0 软件进行数据处理和统计分析。处理间比较采用 One-way ANOV A 分析,差异显著性分析用 Duncan 法,相关性分析采用Pearson 双侧显著检验和逐步回归分析。
结果与分析
2.1 不同施肥措施对土壤有机碳组分的影响
由表 3 可知,秸秆还田下,不同施肥措施显著影响土壤总有机碳及其组分含量。与 CK 比较,FPP增加了土壤总有机碳含量,但差异不显著,而秸秆还田配施化肥处理 (SF1、SF2、SF3) 显著增加了土壤总有机碳,其中 SF3 处理增幅最大,为 13.99%。同样,秸秆还田配施化肥处理比 FPP 处理显著提高了土壤总有机碳,增幅达 5.62%~12.08%。
秸秆还田下,不同施肥措施土壤有机碳组分水溶性有机碳、富里酸、胡敏酸和胡敏素含量与土壤总有机碳含量的结果趋势相似。秸秆还田配施化肥处理土壤有机碳各组分含量显著高于 CK,且秸秆还田配施化肥处理胡敏酸和胡敏素含量显著高于FPP,而秸秆还田配施化肥处理间各有机碳组分含量表现为 SF3 > SF2 > SF1 的趋势,仅胡敏酸含量 SF3处理显著高于 SF2 和 SF1 处理,其他组分含量差异不显著。
胡敏酸与富里酸的比值 HA/FA 常用来表示腐殖质聚合程度,因此,HA/FA 某种程度上反映土壤有机质稳定性,一般认为 HA/FA 越大,土壤有机碳越稳定,腐殖质品质越好。秸秆还田后 HA/FA 有增加的趋势,SF3 处理的 HA/FA 最大,比 CK 和 FPP 处理的增加达到了显著水平,分别为 16.54% 和12.92%。表明秸秆还田合理配施化肥有利于提高土壤腐殖质含量及品质。
2.2 不同施肥措施对土壤养分的影响
由表 4 可见,与 CK、FPP 处理相比,秸秆还田配施化肥处理显著提高了土壤全氮、有效磷和速效钾含量。不施氮肥处理 (CK) 土壤全氮和碱解氮含量较其他处理分别下降了 9.20%~24.54% 和 10.64%~24.05%。由于土壤本底有效磷和速效钾含量仅分别为 6.08 和 83.23 mg/kg,FPP 处理水稻季和油菜季磷、钾肥施肥量较其他处理少,又无秸秆还田补充作物吸收的磷、钾,造成该处理有效磷和速效钾含量显著低于其他处理。3 个秸秆还田配施化肥处理中,SF3 处理土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量最高,SF1 和 SF2 处理之间差异则不明显。
2.3 不同施肥措施对作物产量的影响
由表 5 可知,秸秆还田合理配施氮、磷、钾肥可以显著提高水稻、油菜及其周年产量。2009 年至2015 年各处理水稻平均产量由低到高顺序为 CK、FPP、SF1、SF2、SF3。与 CK 和 FPP 处理相比,秸秆还田配施化肥处理水稻平均产量分别增加45.92%~60.43% 和 8.55%~19.34%。在 7 季水稻试验,秸秆还田配施化肥处理中,SF3 处理水稻产量最高,显著高于 SF1 处理,而与 SF2 处理比较,除2012 年和 2013 年有显著差异外,其他年份差异不明显,但水稻季比 SF2 处理增加了化肥用量 75kg/hm2。表明秸秆还田下,增加肥料用量,并不能达到显著增产的目的。
与水稻产量结果相似,秸秆还田、平衡施肥能显著增加油菜产量。6 季油菜各处理平均产量结果为CK<fpp<sf1<sf2<sf3< span=''>。与CK和FPP相比,秸秆还田配施化肥处理油菜平均产量分别增加 131.48%~186.34% 和 19.06%~27.27%,增幅高于水稻平均产量。6 季油菜试验秸秆还田配施化肥的 3 个处理中,SF3 处理产量最高,显著高于 SF1 处理,与 SF2 处理的差异仅于 2010 年和 2013 年达显著水平,其他差异不显著。但 SF1 处理和 SF2 处理油菜季施肥总量相同,均比 SF3 处理减少了 180 kg/hm2,但因 SF2处理对肥料的施用进行了合理的运筹,油菜产量未比 SF3 处理显著减少。</fpp<sf1<sf2<sf3<>
7 年试验的水稻和油菜周年产量结果,与水稻和油菜产量趋势相似,表现为 CK < FPP < SF1 < SF2 <SF3。秸秆还田配施化肥处理周年平均产量分别比CK 和 FPP 处理增加了 55.94%~75.36% 和 10.34%~24.08%。SF3 处理比 SF2 处理周年肥料用量增加了255 kg/hm2,但周年产量仅增加了 3.83%。
2.4 不同施肥措施对作物经济效益的影响
与对照 CK 相比,秸秆还田各施肥处理大幅提高了水稻、油菜及其周年的经济效益 (表 6)。各处理的产值明显高于农民习惯处理,其中 SF3 处理在水稻、油菜及其周年的产值最高,SF2 处理次之。不同处理成本有较大差别,FPP 处理因施肥量小、施肥次数少、无秸秆还田用工投入少,故成本相对较低,而秸秆还田配施化肥处理由于施肥量或追肥次数增加,及人工秸秆还田费用增加,导致总成本相应提高。扣除成本后,SF3 处理在水稻、油菜及其周年的净利润最高,但周年净利润仅比 SF2 处理增加了 591 yuan/hm2,而 SF3 处理比 SF2 处理周年肥料投入增加了 921 yuan/hm2,因此,SF2 处理不仅节约了肥料,而且从产投比平衡角度,获得了较好的经济效益。
2.5 不同施肥措施下土壤有机碳组分、
土壤养分及产量的相关性
土壤总有机碳含量与富里酸、胡敏酸、胡敏素含量极显著相关,但与水溶性碳含量相关性不显著(表 7)。不同组分有机碳间呈显著或极显著相关,相关性系数为 0.497~0.778。表明土壤总有机碳可以较好地反映土壤有机碳组分的变化。
土壤总有机碳及其组分含量与土壤总氮、总钾、碱解氮、速效钾含量表现为显著或极显著相关。土壤有效磷含量与土壤总有机碳、胡敏酸、胡敏素含量显著相关,但与分子量相对小的水溶性有机碳和富里酸含量相关性不显著,可能与水溶性有机碳和富里酸易于被微生物分解或转化成其他有机碳组分有关。
土壤总有机碳及其组分含量与水稻和油菜产量均呈极显著相关,相关系数分别为 0.736~0.926 和0.723~0.924。经逐步回归分析,土壤总有机碳含量 =0.371×全氮 0.398×碱解氮 0.293×有效磷,可以认为土壤总氮、碱解氮和有效磷含量与土壤总有机碳含量关联度较大。水稻产量 = 0.446 × 胡敏酸 0.515 × 全氮 – 0.214 × 有效磷 0.214 × 水溶性有机碳,油菜产量 = 0.330 × 胡敏酸 0.442 × 全氮 0.275 × 水溶性有机碳,表明水稻和油菜产量与胡敏酸、土壤总氮、水溶性有机碳含量关联度较高。不同的是,水稻产量与土壤有效磷含量关联度较高,油菜产量则与其关联度不强。
讨 论
3.1 秸秆还田配施化肥提高土壤有机碳含量
7 年定位试验结果表明,土壤有机碳及其组分含量因施肥措施不同而有所差异。与试验开始前相比,不施氮肥处理土壤有机碳含量略有下降,农民习惯处理土壤有机碳含量略有增加,秸秆还田配施化肥处理土壤有机碳含量增加明显。不施氮肥处理氮肥缺失,导致水稻和油菜地上和根系生物量减少,地上部凋落物、根系及其分泌物进入土壤的量大大降低,有机碳的积累慢于其分解速率,造成了不施氮肥处理土壤有机碳含量下降的趋势。农民习惯处理虽然仅施化肥,但仍可以促进作物生长,土壤外源输入的有机碳量,超过了微生物对有机碳分解量,因而土壤有机碳含量表现为积累。秸秆还田配施化肥显著提高土壤有机碳含量,原因在于,农民习惯处理,存在重氮肥、轻磷肥、轻钾肥、重基肥轻追肥等不合理的施肥问题,秸秆还田配施化肥处理不仅在秸秆还田的基础上,不同程度调整了氮肥用量及运筹方式,而且根据土壤肥力情况增加了磷肥和钾肥的施用,使氮、磷、钾肥施用更加合理、平衡,从而影响到土壤微生物群落和酶活性,进而制约着土壤矿化和腐殖化的过程。
研究表明,秸秆还田配施化肥在使土壤具有较高微生物数量和活性的前提下,并未使矿化作用增强而导致较多的CO2释放。因此,相对于农民习惯处理,秸秆还田配施化肥处理将更有利于土壤腐殖化进程,促进土壤有机碳积累。
3.2 秸秆还田配施化肥影响土壤有机碳组分含量
秸秆还田显著影响了土壤有机碳组分含量及其稳定性。一般认为有机碳组分分子量越大、分子结构越复杂有机质越稳定,胡敏素则是腐殖质中最稳定的部分。与农民习惯处理比较,秸秆还田配施化肥处理显著提高了土壤胡敏酸和胡敏素含量,而土壤水溶性有机碳和富里酸差异不明显。原因可能与水溶性有机碳占土壤有机碳的很少部分,分子量小,可被土壤微生物直接利用有关。富里酸分子量和水溶性有机碳相似,活性大,氧化程度较高,在微生物作用下容易转化为分子量相对较大的胡敏酸。因此,秸秆还田配施化肥处理的胡敏酸与富里酸比值有所增加。此外,土壤的 HA/FA 可以反映土壤的熟化程度及肥力状态,且与土壤肥力呈正相关。初度熟化的水稻土 HA/FA 为 0.2~0.3,中度熟化为 0.5 左右,高度熟化可达 1.4 左右。本研究中 HA/FA 为 0.44~0.50,属于中度熟化,而秸秆还田配施化肥使土壤熟化度有所提高,土壤肥力增加。
3.3 秸秆还田技术的推广应用
秸秆还田结合平衡施肥改善了土壤的理化性质,从而提高了作物产量。本研究中经相关性分析,土壤有机碳各组分与土壤养分及作物产量呈不同程度显著或极显著正相关,逐步回归分析表明,土壤总氮、胡敏酸、水溶性有机碳含量与水稻产量和油菜产量相关度较高,土壤总氮、碱解氮和速效磷与土壤总有机碳相关度较大。因此,秸秆还田后,应合理配施氮、磷肥以调节土壤 C/N 比,加速秸秆分解、腐熟过程,否则,会引起C/N比失调,起不到增产的效果。
本研究表明,在水稻–油菜轮作系统下,秸秆还田配施化肥处理水稻、油菜及周年产量最高,与杨帆等和刘世平等研究结果相似。结果显示,SF2处理在当前生产条件下,可获得较高的作物产量和经济效益。但由科学理论到实践运用,秸秆还田技术的推广应用还有大量工作需要做。
秸秆还田人工投入量大,是影响作物生产成本的最大因素,目前绝大数秸秆还田技术仍是高成本的,带来的增产效益尚不足以抵消其成本支出的增加。农业技术选择主体主要根据自身拥有要素的实际情况并以自身利益最大化为根本出发点决定采用劳动节约型技术还是资源节约型技术。而如何降低农民秸秆还田的投入,是秸秆还田推广应用的关键。平英华等研究表明,手扶式机械秸秆还田比人工秸秆还田节约成本 412 yuan/hm2,在不同地区政府对机械还田给予 90~150 yuan/hm2 的财政补贴,可进一步降低秸秆还田成本。本研究中,秸秆还田配施化肥处理比农民习惯处理增加了氮、钾肥施肥次数,增加了投入成本。孙会峰等利用秸秆与缓释肥配施节约了劳动成本,同时提高了水稻产量,可以认为是降低秸秆还田成本的一种方式。
为将秸秆还田技术落实,应加强的秸秆综合利用措施:通过宣传深化对秸秆资源的认识,提高秸秆利用率;研发大型秸秆还田、旋耕、播种等一体化机械,降低秸秆还田机械成本;研究秸秆还田与一次性施肥和节肥结合技术,降低秸秆还田施肥成本;推行秸秆还田产业化,增加政府补贴力度,补贴机械和农民同时进行;通过制定详尽的环境法,严惩秸秆焚烧等污染环境行为。
结 论
秸秆还田配施化肥可以提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素含量及土壤养分含量,培肥土壤。土壤有机碳及其组分与土壤养分、水稻产量和油菜产量相关性较高,而土壤总氮、胡敏酸、水溶性有机碳含量是水稻产量和油菜产量主要决定因素。
秸秆还田配施化肥比农民习惯处理显著提高水稻、油菜和周年产量。N–P2O5–K2O 投入量以水稻255–105–150、油菜 240–150–120 产量最高。N–P2O5–K2O投入量水稻 210–90–135、油菜 180–120–120 虽然产量略低,但周年减少了肥料用量 255 kg/hm2,从经济效益和环境效益方面综合考虑,是本试验处理中较优的施肥方式。
从秸秆还田推广应用角度,N–P2O5–K2O 投入量水稻 210–90–135、油菜 180–120–120 仍需进行优化。
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