柳开楼, 胡惠文, 余喜初, 胡志华, 叶会财, 胡丹丹, 宋惠洁, 李大明, 黄庆海

香根草秸秆覆盖和化肥减施对红壤花生产量的影响

柳开楼, 胡惠文, 余喜初*, 胡志华, 叶会财, 胡丹丹, 宋惠洁, 李大明, 黄庆海

江西省红壤研究所, 国家红壤改良工程技术研究中心, 南昌 330046

覆盖还田是处理香根草()秸秆的有效途径之一, 但是, 关于香根草秸秆覆盖还田下红壤花生的化肥减施比例还缺乏研究。通过2018—2019年的田间试验, 分析了无香根草秸秆覆盖和农民习惯施肥(CK)、香根草秸秆覆盖下化肥减施0%(T1)、10%(T2)、20%(T3)和50%(T4)处理下花生产量和土壤有机碳的变化规律, 探讨了土壤有机碳与花生产量的量化关系, 并进一步研究了外源投入碳氮比与花生产量及土壤有机碳的相关关系。结果表明: 与CK相比, T1处理下花生产量在2018和2019年分别增加了15.41%和25.87%; T2和T3处理的花生产量与CK处理无显著差异, 且香根草连续两年覆盖下, T4处理的花生产量也与CK处理相比无显著降低。与CK处理相比, 香根草秸秆覆盖还田和化肥减施处理下土壤有机碳含量增加了4.27%—12.84%。同时, 在香根草秸秆覆盖下, 随着化肥减施比例的提高, 土壤有机碳含量呈逐渐降低趋势。结合拟合方程的斜率发现, 当土壤有机碳含量增加1 g·kg-1, 2018和2019年花生产量增加934.62和903.31 kg·hm-2。提高外源投入的碳氮比显著降低花生产量和土壤有机碳含量, 且双直线方程表明, 外源投入碳氮比大于4.28时, 花生产量和土壤有机碳的降幅明显高于外源投入碳氮比小于4.28。因此, 在红壤的花生种植中, 连续进行两年的香根草秸秆覆盖还田可以提高花生产量, 且在化肥减施10%-50%条件下, 花生产量与农民习惯处理无显著降低。然而, 在增加外源有机碳的同时, 也要综合考虑外源投入的碳氮比, 以期保障花生高产和土壤有机碳提升。

香根草秸秆; 红壤; 土壤有机碳; 化肥减施; 投入碳氮比

0 前言

香根草(L.)主要用于公路护坡和水土保持的植物篱, 其对阻止水土流失作用巨大[1–3]。中国南方丘陵区是水土流失的重点地区之一, 香根草篱分布广泛[4]。由于香根草生长迅速[5], 再加上该地区充沛的光温资源, 在南方丘陵区种植的香根草经常需要乂割, 而收割后的香根草秸秆则一般作为废弃物处理。因此, 如何有效利用收割后的香根草秸秆就成为该地区水土保持领域的重要问题之一。

与水稻和小麦等作物秸秆相似, 香根草秸秆也可以直接还田。大量研究表明, 合理的秸秆还田可以通过增加有机碳和氮磷钾投入显著促进红壤地区的作物生长和产量提升[6–8]。张旭博等[9]研究表明, 添加秸秆等有机物料处理后, 红壤的微生物生物量和碳源、氮源的有效性较高, 从而有利于土壤养分的转化和释放。基于官方统计数据和文献资料[10]表明, 到2010s中国的秸秆资源和氮磷钾养分资源分别达到9.01×108和2485.63×104t, 相当于单位耕地面积上6665.52和183.91 kg·hm-2, 比1980s分别增加1601.18和56.85 kg·hm-2。这说明, 进行秸秆还田可以有效补充该地区的氮磷钾养分资源。因此, 面对国家提出的化肥“零增长”行动, 进行秸秆资源的还田利用是保障化肥减施增效目标的关键。

但是, 在红壤上, 大量的研究主要集中在水稻秸秆异地覆盖上[6–8], 而香根草秸秆一般作为基质进行花卉和蔬菜种植[11–12], 再加上其生长能力较强, 关于香根草的研究主要集中在水土保持效应[1–3]以及重金属修复上[13–14], 而关于香根草秸秆覆盖还田对于红壤旱作物的影响还不明确, 尤其是针对化肥用量较高的花生, 如何结合香根草秸秆还田保障红壤花生的化肥减施增效技术就显得十分必要。此外, 前人研究表明, 碳氮比是影响秸秆养分释放和还田利用的主要因素之一[15]。连续四年的田间试验表明, 在小麦水稻轮作中, 将秸秆和氮肥的碳氮比调整为18时, 作物的增产效果最为明显[16]。马想等[17]研究也表明, 当秸秆还田时, 将外源投入碳氮比调整到37不能满足红壤上微生物对氮的需求。因此, 本研究以南方丘陵区花生种植上农民的习惯施肥(氮磷钾化肥, 无秸秆还田)为对照, 研究香根草秸秆覆盖还田下化肥不同减施比例对花生产量和土壤有机碳含量的影响, 以期明确土壤有机碳与花生产量的量化关系, 并进一步构建外源投入碳氮比与花生产量及土壤有机碳的相关关系, 从而为南方丘陵区的香根草秸秆利用和红壤改良与培肥提供技术支撑。

1 材料方法

1.1 试验地概况

试验地设在江西省鹰潭市余江区刘家站(116o55'45″E、28o13'40″N), 该点属中亚热带季风气候, 余江区气象局的气象数据显示, 该区域的年均降雨量1537 mm, 年蒸发量1100—1200 mm。年均气温17.7—18.5℃。典型丘岗地形, 海拔高度25—30 m, 坡度5o。土壤类型为红壤, 成土母质为第四纪红粘土, 种植制度为“花生—冬闲”, 花生品种为当地主栽良种。试验开始前采集了0—20 cm的耕层土壤样品, 化验分析显示, 土壤pH为4.7, 土壤有机碳为11.41 g·kg-1, 土壤全量氮磷钾含量分别为0.81、0.49和13.98 g·kg-1, 土壤速效氮磷钾分别为38.82、11.80和112.75 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2018—2019年进行, 设4个处理: 常规种植, 化肥用量与农民习惯施肥一致, 不覆盖香根草秸秆(CK)、覆盖香根草秸秆, 干重用量为4500 kg·hm-2, 参考香根草收割一次的干物质量(T1)、覆盖香根草秸秆4500 kg·hm-2和化肥减少10%(T2), 覆盖香根草秸秆4500 kg·hm-2和化肥减少20%(T3), 覆盖香根草秸秆4500 kg·hm-2和化肥减少50%, 主要参考依据为, 该地区制定的花生最大减施比例(约25%), 由于本研究增加的秸秆氮投入约为30 kg·hm-2, 约等于农民习惯氮肥用量的25%。(T3)。连续两年均进行秸秆覆盖与施肥处理, T1、T2和T3处理的香根草秸秆均在每年花生播种后呈条状覆盖在花生行间, 为避免影响花生出苗, 所有香根草秸秆距离花生播种行约3—5 cm。在本研究中, 在覆盖香根草秸秆之前, 收集并分析了香根草的有机碳和氮磷钾含量, 结果显示, 香根草秸秆的有机碳含量为99.23 g·kg-1, 氮磷钾含量分别为6.52、0.73和15.16 g·kg-1。具体施肥运筹详见表1。

2018和2019年花生的播种时间分别为4月15日和4月10日, 花生播种量为180 kg·hm-2, 株行距为13 cm×33 cm; 水分管理以雨养为主。氮肥(尿素)和钾肥(氯化钾)40%做基肥施用, 从而将化肥与土壤混匀。20%在花生出苗后施用, 40%在花生开花时施用, 磷肥(钙镁磷肥)作基肥一次施入。基肥是在翻地前人工撒施, 翻耕深度为20 cm; 而追肥则采用人工撒施在花生行间, 撒施后结合中耕(浅耕, 深度为5 cm)将化肥土壤混匀。每个处理3次重复, 随机区组排列, 小区面积100 m2。参考农民习惯进行病虫害和杂草的防控。

1.3 测定指标

2018和2019年花生的收获时间分别为10月15日和10月8日。

表1 不同处理香根草秸秆和施肥量

产量测定: 共收获两次, 每年花生成熟时, 每个小区采用人工收割, 晒干后测定籽粒产量。

土壤采集和有机碳测定: 在花生收获后, 每个小区用不锈钢土钻采集耕层(0—20 cm)土壤样品, 每个小区随机采集5个点混合, 带回室内风干过筛后, 采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量[18]。

所有数据均采用Excel 2010进行整理, 方差分析采用SAS 9.1进行, 采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对各处理的产量和土壤有机碳含量进行显著性分析<0.05为显著差异。外源投入碳氮比与花生产量及土壤有机碳含量的量化关系采用线性拟合方程进行。所有图件均采用Excel 2010进行制作。

2 结果与分析

2.1 香根草秸秆覆盖与化肥减施下对花生产量的影响

香根草秸秆覆盖还田可以显著提高红壤的花生产量(图1)。与无香根草覆盖(CK)相比, 香根草秸秆覆盖(T1)处理下花生产量在2018和2019年分别增加了15.41%和25.87%, 且在香根草秸秆覆盖下, 化肥减施10%、20%和50%(T2、T3和T4)处理的花生产量与CK处理相比无显著降低趋势(除了2018年的T4处理之外)。同时, T2处理的花生产量与T1处理无显著差异, 但T3和T4处理的花生产量则分别比T1处理显著降低, 2018年的降幅分别为9.52%和19.27%; 2019年的降幅分别为14.33%和24.66%。

2.2 香根草秸秆覆盖与化肥减施对红壤旱地有机碳的影响

香根草秸秆覆盖还田可以显著提升红壤的有机碳含量(图2)。与CK处理相比, 2018年T1、T2、T3和T4处理下土壤有机碳含量分别增加了12.84%、9.49%、7.12%和5.35%, 2019年的增幅分别为12.72%、7.78%、5.41%和4.27%。同时, 在香根草秸秆覆盖下, 随着化肥减施比例的提高, 土壤有机碳含量呈逐渐降低趋势, 与T1处理相比, T2处理的土壤有机碳含量无显著变化, 但T3和T4处理的土壤有机碳在2018年则分别比T1处理降低了5.07%和6.64%, 2019年分别降低了6.48%和7.50%。

2.3 土壤有机碳与花生产量的相关关系

在香根草秸秆覆盖和化肥减施条件下, 花生产量与土壤有机碳含量呈显著的正相关关系(图3), 且可以用一元一次方程进行拟合, 进一步通过拟合方程的斜率发现, 当土壤有机碳含量增加1 g·kg-1, 2018和2019年花生产量增加934.62和903.31 kg·hm-2。

注: 不同小写字母表示同一年份各处理间存在显著差异(P<0.05), 同下图。

Figure 1 The grain yield of peanut in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

图2 香根草秸秆覆盖与化肥减施下土壤有机碳含量变化

Figure 2 The content of soil organic carbon in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

Figure 3 The relationship between soil organic carbon and grain yield of peanut in different treatments with straw of vetiver mulching and chemical fertilizer reduction

2.4 外源投入碳氮比与花生产量及土壤有机碳的相关关系

在香根草秸秆覆盖和化肥减施条件下, 由于氮肥用量不一, 不同处理的外源碳氮比变化较大(表1)。在所有处理中, 外源投入的碳氮比范围在2.99—5.00之间。且随着化肥减施比例的降低, 外源碳氮比呈逐渐增加趋势。

在红壤上, 随着外源投入碳氮比的增加, 花生产量和土壤有机碳均逐渐降低, 表2 显示, 外源投入的碳氮比与花生产量及土壤有机碳存在密切关系, 且均可以用双直线方程进行拟合。利用分段函数进行计算发行, 碳氮比为4.28是分段函数的拐点, 当外源投入碳氮比大于4.28时, 随着投入碳氮比的增加, 2018年花生产量和土壤有机碳的降幅分别为743.06 kg·hm-2和1.16 g·kg-1, 2019年的降幅则为1041.20 kg·hm-2和1.51 g·kg-1。但是, 当外源投入碳氮比小于4.28时, 随着投入碳氮比的增加, 花生产量和土壤有机碳的降幅则明显较小(2018年分别为299.86 kg·hm-2和0.14 g·kg-1, 2019年分别为297.30 kg·hm-2和0.10 g·kg-1)。

3 讨论

在红壤上, 香根草秸秆覆盖还田可以显著提升花生产量。这与稻草覆盖提升花生产量的结果相似[6-7]。这一方面与香根草秸秆覆盖还田可以同稻草覆盖一样增加土壤有机碳含量, 改良土壤结构等有关[1,7–8], 而有机碳投入还可以通过改善土壤微生物群落[19]调控花生根系活力和养分吸收。另一方面, 香根草秸秆覆盖可以有效保持红壤的水分和温湿度, 从而促进了花生的出苗和生长发育[20–21]。同时, 与农民习惯施肥相比, 香根草秸秆覆盖条件下化肥减施10%—20%不会导致花生显著减产, 而且香根草连续两年覆盖下, 化肥减施50%下花生产量也无显著降低。这说明, 在红壤地区的花生种植中, 4500 kg·hm-2的香根草秸秆覆盖还田不仅可以保证花生稳产, 还能够减少化肥用量。然而, 由于本研究是香根草秸秆连续两年还田的结果, 而关于香根草秸秆长期还田的效果还有待进一步研究。同时, 不同用量秸秆投入的有机碳和养分差异较大[22], 关于不同用量的香根草秸秆覆盖还田下化肥的替代比例还有待继续开展试验进行验证。

红壤的有机碳含量偏低, 因此, 提升红壤的有机碳含量对于作物生产至关重要[23]。在本研究中, 香根草秸秆覆盖还田可以显著提升土壤有机碳含量。与花生产量的结果相似, 香根草秸秆覆盖还田下化肥减施10%—50%下土壤有机碳含量也显著高于农民习惯施肥。原因主要与香根草带入的外源有机碳投入有关, 但是, 随着化肥减施比例的增加, 土壤有机碳呈逐渐降低趋势, 这可能与不同处理的外源投入碳氮比引发的秸秆腐解和土壤微生物活性差异有关。前人研究表明, 秸秆还田配施氮肥下秸秆降解速率加快, 土壤微生物生物量也显著提高[24], 从而促进了土壤有机碳的矿化[25]。具体原因还有待进一步研究。室内培养试验表明, 秸秆还田和氮肥施用均会降低土壤微生物生物量碳氮比值, 且氮肥用量越大比值越低; 同时, 在150 d的时间内, 当秸秆还田时, 将碳氮比调整到37不能满足微生物对氮的需求[17]。进一步通过拟合方程发现, 当土壤有机碳含量增加1 g·kg-1, 花生产量增加903.31—934.62 kg·hm-2。这与前人的研究结果相似[26–27], 但是, 由于土壤类型和作物类型等差异较大, 从而导致作物产量的增幅明显不同。此外, 在香根草覆盖还田下, 不同的化肥减施比例处理中, 土壤氮磷钾养分含量也是影响花生生长和养分需求的重要因素, 因此, 在后续的研究中, 应进一步结合土壤氮磷钾含量对各处理进行综合评判, 从而为红壤地区的化肥减施增效提供技术支撑。

表2 香根草秸秆覆盖与化肥减施下外源投入碳氮比变化

表3 外源投入碳氮比与花生产量及土壤有机碳的相关关系

香根草秸秆覆盖还田与化肥减施比例导致外源投入的碳氮比差异较大, 由于对土壤微生物的直接影响[28], 外源投入的碳氮比显著影响作物产量和土壤有机碳含量。在本研究中, 提高外源投入的碳氮比显著降低花生产量和土壤有机碳含量, 且外源投入碳氮比大于4.28时, 花生产量和土壤有机碳的降幅明显高于外源投入碳氮比小于4.28。这充分说明, 在红壤旱地进行碳氮综合调控至关重要。但是, 由于本研究的外源投入碳氮比范围有限, 关于合理的碳氮比投入量还有进一步研究。此外, 由于较多的污染土壤中用香根草还进行植物修复[13–14,29], 因此, 在进行香根草覆盖还田中, 一定要对香根草的来源进行追溯, 以避免将污染的香根草秸秆重新带入农田系统, 从而造成农产品污染风险。

4 结论

在红壤上, 香根草秸秆覆盖还田可以显著提升花生产量和土壤有机碳含量。同时, 在连续两年的香根草覆盖还田下, 与农民习惯施肥相比, 化肥减施10%—50%处理的花生产量和土壤有机碳含量无显著降低。但是, 后续还应结合土壤氮磷钾等肥力指标进行验证。

在香根草覆盖还田和化肥减施条件下, 通过线性方程表明, 当土壤有机碳含量增加1 g·kg-1, 花生产量增加903.31—934.62 kg·hm-2。然而, 随着投入碳氮比的增加, 花生产量和土壤有机碳逐渐降低, 且外源投入碳氮比大于4.28时, 花生产量和土壤有机碳的降幅明显高于外源投入碳氮比小于4.28。

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Effects of vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction on peanut yield in red soil

LIU Kailou, HU Huiwen, YU Xichu*, HU Zhihua, YE Huicai, HU Dandan, SONG Huijie, LI Daming, HUANG Qinghai

Jiangxi Institute of Red Soil, National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046, China

It was known that vetiver (L.) straw mulching into field could be one of the effective ways to deal with vetiver straw. However, there is still unclear on the proportion of chemical fertilizer reduction of peanut planting in red soil under the condition of vetiver straw mulching and the famer amount of chemical fertilizer. In this study, the field experiment was conducted in 2018-2019, which included none vetiver straw mulching (CK), the proportion of chemical fertilizer reduction in vetiver straw mulching of 0%, 10%, 20% and 50% (T1, T2, T3 and T4). Then, the peanut yield and soil organic carbon content were analyzed. Meanwhile, the quantitative relationship was discussed between soil organic carbon and peanut yield. Furthermore, the correlation between the input ratio of carbon and nitrogen with peanut yield and soil organic carbon was also explored. The results showed that compared with CK, the peanut yield of T1 treatment was increased by 15.41% and 25.87% in 2018 and 2019, respectively. There was no significant difference in peanut yield among T2, T1 and CK treatments. Meanwhile, the grain yield in T4 was not significantly decreased than T1 treatment. The soil organic carbon contents in vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction treatments were increased by 4.27%-12.84%, compared with CK treatment. At the same time, the soil organic carbon content was gradually decreased along with the proportion of fertilizers reduction increasing. The fitting equation indicated that the peanut yield was increased by 934.62 and 903.31 kg·hm-2in 2018 and 2019. While the soil organic carbon content was increased by 1 g·kg-1; in addition, the peanut yield and soil organic carbon content were significantly decreased along with the increasing of the input ratio of carbon and nitrogen. The double-line equation showed that the peanut yield and soil organic carbon was significantly decreased in the condition of the input ratio of carbon and nitrogen was greater than 4.28, which was higher than that of the input ratio of carbon and nitrogen was less than 4.28. Therefore, in the peanut planting of red soil, the vetiver straw mulching of two years with 10% to 50% chemical fertilizer reduction could maintain high yield level in the famer amount of chemical fertilizer. It suggested that peanut yield could be significantly increased through increasing soil organic carbon. However, while increasing the organic carbon input, it was also necessary to comprehensively consider the input ratio of carbon and nitrogen, in order to guarantee high peanut yield and improvement of soil organic carbon.

vetiver straw; red soil; soil organic carbon; chemical fertilizer reduction; the input ratio of carbon and nitrogen

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.026

S145.6

A

1008-8873(2022)02-220-07

2020-04-23;

2020-05-03

江西省自然科学基金(20192BAB203022); 国家重点研发计划项目(2016YFD0200101)

柳开楼(1984—), 男, 河南滑县人, 博士, 副研究员, 主要从事土壤培肥与改良研究, Email: liukailou@163.com

通信作者:余喜初, 男, 硕士, 研究员, 主要从事土壤培肥与改良研究, E-mail: yxchu@163.com

柳开楼, 胡惠文, 余喜初, 等. 香根草秸秆覆盖和化肥减施对红壤花生产量的影响[J]. 生态科学, 2022, 41(2): 220–226.

LIU Kailou, HU Huiwen, YU Xichu, et al. Effects of vetiver straw mulching and chemical fertilizer reduction on peanut yield in red soil[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 220–226.