新型硫酸铵肥料对土壤团聚体碳、氮含量及玉米产量的影响

董馨宇 闫双堆,2* 闫秋艳,3 郭探文 张延慧

(1．山西农业大学 资源环境学院,山西 太谷030801;2.山西农业大学 农业资源与环境国家级实验教学示范中心,山西 太谷030801;3.山西农业大学 小麦研究所,山西 临汾 041000)

硫酸铵属于生理酸性肥料,在农业上具有广泛的适用前景[1-2],主要来源于烟气氨法脱硫,是一种工业副产物,其生产过程中无化石能源投入,无三废排放,是一种化害为利的绿色环保清洁产物,其资源化利用有助于实现工业副产的有效处置。已有研究表明,工业副产硫酸铵外观、含氮量、水分均符合硫酸铵肥料相关标准[3],有害物质均低于国家现行肥料标准。同时,为提高氮肥利用率,减少氮素损失,我国在“十三五”启动了国家重点研发计划“新型缓控释肥料与稳定性肥料研制”,以研制出新一代缓控释、稳定性肥料,达到绿色环保经济且与功能性物质配伍为目标[4]。因此,将副产硫酸铵进行缓/控释处置,是符合当今农业经济、环保、高产、高效的发展方针,实现其增产增效的最佳途径。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,是土壤养分储存、微生物生存的主要场所,其数量与质量在协调土壤肥力、稳定土壤结构、调节土壤生态环境等方面具有重要作用[5-6]。土壤水稳性团聚体的数量与质量是表征土壤抵抗外力而保持原有结构的能力,平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.250 mm水稳定性团聚体占比(R0.25)作为团聚体稳定性重要指标,其值越高土壤结构越稳定[7]。施肥作为影响土壤团聚体结构的重要外界因素,肥料种类会影响土壤团聚体中全氮、有机碳分布[8-9],氮素作为作物生长发育过程中必需大量元素之一,其在团聚体中含量的高低对作物生长发育具有重要影响,有机碳与团聚体相互影响、相互制约,团聚体的物理保护机制可减少有机碳损失,延长有机碳在土壤的存留时间,而有机碳作为胶结物质可促进土壤团聚体形成,以提高土壤团聚体稳定性[10]。因此,通过合理的施肥将有助于土壤全氮、有机碳的固存,提高土壤结构稳定性,促进作物增产。

农田土壤受施肥影响较大,不同施肥方式对土壤团聚体稳定性、全氮和有机碳含量影响结果不一。已有研究表明,施用化肥一方面可以提高作物地上部生物量及根茬还田量,通过促进根系分泌物的产生和微生物活性对土壤团聚体的形成和稳定起积极作用[11];另一方面化肥的集中施用使得土壤中养分离子大幅增加,引起土壤电解质浓度迅速提高,从而分散土壤、降低土壤大团聚体含量,破坏土壤结构[12]。目前有关化肥对土壤团聚体结构和团聚体碳、氮含量等的研究大多集中于常规氮肥(尿素),目前,对生理酸性肥料(硫酸铵)及硫酸铵型的缓/控释肥料的研究鲜见报道。本研究以常规尿素、普通硫酸铵和3种缓/控释硫酸铵型肥料作为氮肥,测定施用后大田土壤团聚体稳定性、全氮、有机碳及玉米产量等指标,旨在探究不同类型缓/控释硫酸铵肥料对土壤团聚体碳、氮贡献率及作物生长的影响,以期为新型缓/控释肥料的研发和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于山西省临汾市吴村镇洪堡村山西农业大学小麦研究所国家试验基地(36°13′02″ N,111°33′07″ E),属于温带季风性气候,年平均气温12.20 ℃,极端最低气温为-23 ℃,极端最高气温为41 ℃,年降水量486.5 mm,雨热同期,自4月17日—10月23日为无霜期,共183 d。试验前整个地块进行统一的施肥、耕作及管理措施,土壤类型为石灰性褐土,施肥前供试土壤基本性质为:有机碳含量8.44 g/kg,pH 8.57,全氮含量1.39 g/kg,碱解氮含量69.02 mg/kg,速效钾含量64.57 mg/kg,有效磷含量4.66 mg/kg。供试玉米品种为‘先玉335’。

1.2 试验设计

试验于2020和2021年进行,供试作物为旱地玉米一年一熟,每年5月中旬播种,9月中旬收获,生育期无灌溉,为雨养旱地。采用完全随机区组试验设计,共设置5个处理:1)常规尿素施肥处理(AU);2)普通硫酸铵施肥处理(AS);3)缓/控释硫酸铵Ⅰ型施肥处理(ASN);4)缓/控释硫酸铵Ⅱ型施肥处理(ASG);5)缓/控释硫酸铵Ⅲ型施肥处理(ASD),试验小区面积为56.25 m2(长22.5 m×宽2.5 m),区间设置保护行,各处理3次重复,共15个小区。供试肥料为常规尿素(含N 46 g/100 g)、普通硫酸铵(含N 21 g/100 g,下同)、缓/控释硫酸铵Ⅰ型(硫酸铵+硝化抑制剂,硝化抑制剂含量为纯氮量的1 g/100 g,由前期试验结果得出[13])、缓/控释硫酸铵Ⅱ型(油脂包膜硫酸铵,油脂包膜量为硫酸铵施用量的9 g/100 g)、缓/控释硫酸铵Ⅲ型(油脂-腐植酸包膜硫酸铵,油脂包膜量同上,腐植酸含量为硫酸铵施用量的0.9 g/100 g,由前期试验得出),其中常规尿素与普通硫酸铵作为试验对照所用氮肥,磷肥为过磷酸钙(含P2O512 g/100 g)、钾肥为氯化钾(含K2O 60 g/100 g),各施肥处理依据等质量养分施肥原则,N 160 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 60 kg/hm2,每年均作为基肥一次性施入土壤。

1.3 测定方法及项目

试验实施2年后,于2021年9月玉米收获时,采集0—20 cm原状土,每个试验小区按“S”型随机选取地力均匀的五个土壤样点混为1个土样。将土样去除石块、根系、土壤动物等杂质后进行风干,当土壤含水量达到15%～18%时,沿自然裂隙掰成直径约1 cm的土块,等完全风干后采用Elliott等[14]所提出的湿筛法进行土壤水稳性团聚体筛分。具体筛分操作如下:称取50 g风干土样,将套筛按2.000、0.250、0.053 mm顺序放于振荡架上,并置于水桶中,桶内加水达一定高度,使套筛最上面筛子的上部在最低位置时,仍离开水面约1 cm左右,将土样置于套筛上,浸泡5 min,上下震荡5 min,最后将各个筛中土样用蒸馏水全部洗入铝盒中,同时收集桶中这部分土样,于50 ℃烘箱中烘干至恒重,即得到<0.053(粉黏粒)、0.053～0.250(微团聚体)、>0.250～2.000(小团聚体)、>2.000 mm(大团聚体)组分。将湿筛烘干后不同粒径水稳性团聚体及粉黏粒土壤样品过100目筛,采用浓H2SO4消煮—半微量凯氏定氮法进行土壤全氮测定、采用重铬酸钾外加热法进行土壤有机碳测定[15]。

每小区随机选取整齐一致的3个2.5 m2样点,收获全部玉米果穗,自然风干后测定标准含水率14%的籽粒产量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016进行数据统计并通过Excel 2019制图,数据结果表示为:平均值±标准差。利用SPSS 26 Duncan新复极差法对数据进行单因素方差分析,利用SPSS 26及Origin 2021进行主成分(PCA)分析与制图。团聚体稳定性相关指标计算公式如下[16-17]:

(1)

(2)

某粒径团聚体全氮(有机碳)对全土全氮(有机碳)的
贡献率=(该级团聚体全氮(有机碳)含量×
该级团聚体含量)/全土全氮(有机碳)含量×100%

(3)

式中:Wi为某一粒径团聚体重量,g;Xi为该粒径平均直径,mm。

2 结果与分析

2.1 缓/控释硫酸铵施肥处理对土壤水稳定性团聚体及粉黏粒粒径分布的影响

由图1可知,<0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径团聚体质量分数分布为22.48%～37.72%、22.84%～25.61%、22.05%～37.04%、12.76%～20.71%。AS处理>2.000 mm粒径团聚体质量分数显著高于ASD处理;ASG处理>0.250～2.000 mm粒径团聚体质量分数最高,与AU处理相比,提高68.00%;各施肥处理对0.053～0.250 mm粒径团聚体质量分数无显著影响,但ASG处理质量分数最低;AU处理粉黏粒质量分数显著高于ASG处理。>0.250 mm粒径团聚体ASG处理占比最高,AU处理占比最低,表明油脂包膜硫酸铵有利于大团聚体的形成,且施用硫酸铵型肥料对大团聚体形成效果优于尿素。

AU,常规尿素;AS,普通硫酸铵;ASN,缓/控释硫酸铵Ⅰ型;ASG,缓/控释硫酸铵Ⅱ型;ASD,缓/控释硫酸铵Ⅲ型。同一粒径中不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。AU, conventional urea fertilization treatment; AS, ordinary ammonium sulfate fertilization treatment; ASN, slow/controlled release ammonium sulfate type I fertilization treatment; ASG, slow/controlled release ammonium sulfate type II fertilization treatment; ASD, slow/controlled release ammonium sulfate type III fertilization treatment. Different lowercase letters in the same grain fraction indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below.图1 不同施肥处理下土壤团聚体及粉黏粒粒径分布比例Fig.1 Particle size distribution of soil aggregates and silt clay under different fertilization treatments

2.2 缓/控释硫酸铵施肥处理对土壤水稳定性团聚体及粉黏粒稳定性的影响

由图2可知,种植2年后不同施肥处理对土壤团聚体MWD、GMD、R0.25的影响显著(P<0.05)。AU、ASD处理土壤团聚体MWD仅为ASG处理的73.43%、80.51%;相比AU、AS处理,ASG处理GMD分别提高70.35%、26.54%,ASD处理GMD虽高于AU处理,但未达到显著差异;ASG处理R0.25分别是AU和ASD处理的1.51和1.27倍,且AS、ASN、ASD处理R0.25均显著高于AU处理,表明施用尿素不利于土壤结构稳定。

图2 不同施肥处理下土壤团聚体平均重量直径(a)、几何平均直径(b)、>0.250 mm团聚体占比(c)Fig.2 Soil aggregate average mass diameter (a), geometric mean diameter (b), and >0.250 mm aggregate proportion (c) under different fertilization treatments

主成分分析结果显示(图3),主成分1(PC1)和主成分2(PC2)解释了基于土壤粒径组成变化的63.4%和19.9%,表明了油脂包膜硫酸铵对土壤团聚体有显著的影响,提高了土壤结构的稳定性。

2.3 缓/控释硫酸铵施肥处理对土壤水稳定性团聚体及粉黏粒中有机碳的影响

由表1可知,各粒径团聚体有机碳含量相近,但高于粉黏粒有机碳含量。与AU、AS相比,ASD处理可提高<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000 mm团聚体有机碳含量,分别升高59.66%～59.93%和86.50%～110.74%、47.56%～75.91%。ASG处理较AU、AS处理升高<0.053 mm粉黏粒及0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体有机碳含量,是AU、AS处理的1.23倍及1.36～1.55、1.09～1.31、1.04～1.18倍。ASN处理除>2.000 mm团聚体有机碳含量高于AU、AS、ASG处理外,<0.053 mm粉黏粒及>0.250～2.000 mm团聚体有机碳含量均处于最低水平,0.053～0.250 mm团聚体有机碳含量略高于AU、AS处理而显著低于ASG、ASD处理。因此,包膜处置有利于提高各粒径有机碳含量,且油脂-腐植酸包膜处置提高效果优于油脂包膜处置。

表1 不同施肥处理下土壤团聚体及粉黏粒中有机碳含量Table 1 Contents of organic carbon in soil aggregates and silt clay underdifferent fertilization treatments g/kg

2.4 缓/控释硫酸铵施肥处理对土壤水稳定性团聚体及粉黏粒中全氮的影响

由表2可知,3种缓/控释硫酸铵施肥处理下各粒径团聚体全氮含量均高于AU、AS处理。总体而言,各处理随着粒径降低,全氮含量亦逐渐降低。ASD处理可提高<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径团聚体全氮含量,分别是AU、AS处理的1.14～1.36、1.58～1.62、1.18～1.24、1.27～1.32倍。与AU、AS处理相比,ASG处理可分别提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径团聚体全氮含量34.55%～37.19%、19.10%～36.95%、16.14%～20.71%。ASN处理除<0.053 mm粉黏粒全氮含量处于最低水平外,其他粒径团聚体全氮含量均高于AU、AS处理,但均未达到显著水平。因此,包膜处置有利于大团聚体及微团聚体全氮含量提高,油脂-腐植酸包膜处理对<0.053 mm粉黏粒全氮含量亦有显著提升效果。

表2 不同施肥处理下土壤团聚体及粉黏粒中全氮含量Table 2 Contents of total nitrogen in soil aggregates and silt clayunder different fertilization treatments g/kg

<0.053,0.053～0.250,>0.250～2.000,>2.000分别为团聚体粒径。MWD,平均重量直径;GMD,几何平均直径;R0.25,>0.250 mm团聚体占比。<0.053, 0.053～0.250 mm, >0.250～2.000, >2.000, are aggregate particle size, respectively. MWD, mean weight diameter; GMD, geometric mean diameter; R0.25, >0.250 mm aggregate proportion.图3 基于土壤团聚体组分与稳定性指标的主成分分析Fig.3 Principal component analysis based on soil aggregate composition and stability index

2.5 各粒径水稳定性团聚体及粉黏粒对土壤有机碳、全氮贡献率的影响

由表3可知,不同施肥处理可显著影响各粒径水稳性团聚体及粉黏粒对土壤有机碳贡献率。ASG处理中>0.250 mm粒径团聚体对土壤有机碳贡献率显著高于其他处理,分别是其他处理的1.46～1.59倍;与AS、ASN处理相比,ASG、ASD处理可提高≤0.250 mm粒径团聚体对土壤有机碳贡献率,升高幅度为20.30%～57.85%;AU处理<0.053 mm粉黏粒对土壤有机碳贡献率最高,是3种缓/控释肥处理的1.15～1.73倍,且≤0.250 mm粒径团聚体及粉黏粒对土壤有机碳贡献率中AU、ASD处理具有较大优势。因此,包膜处置有利于提高各粒径团聚体及粉黏粒对土壤有机碳贡献率,且油脂包膜提升效果优于油脂-腐植酸包膜效果。

表3 不同粒径团聚体及粉黏粒对土壤有机碳的贡献率Table 3 Contribution of aggregates and silt of different particle sizes to soil organic carbon %

由表4可知,不同粒径团聚体及粉黏粒对土壤全氮的贡献率在各处理下存在显著差异。>2.000 mm团聚体对土壤全氮贡献率中,ASD处理仅为其他施肥处理的57.05%～75.09%;ASG处理>0.250～2.000 mm团聚体对土壤全氮贡献率最高;>0.250 mm粒径团聚体对土壤全氮贡献率中ASG处理具有显著优势,AS、ASN处理显著高于AU、ASD处理。<0.053 mm粉黏粒对土壤全氮的贡献率中,AU、AS处理显著高于3种缓/控释硫酸铵施肥处理,ASG处理贡献率最低,仅为AU、AS处理的53.75%～56.58%;≤0.250 mm 粒径团聚体及粉黏粒对土壤全氮贡献率由高到低均表现为AU>AS>ASD>ASN>ASG。因此,油脂包膜硫酸铵有利于提高>0.250 mm粒径团聚体对土壤全氮贡献率,不利于微团聚体及粉黏粒对土壤全氮贡献率的提高,油脂-腐植酸包膜硫酸铵各粒径团聚体及粉黏粒对土壤全氮贡献率均处于较低水平。

表4 不同粒径团聚体及粉黏粒对土壤全氮的贡献率Table 4 Contribution of aggregates and silt of different particle sizes to soil total nitrogen %

2.6 不同施肥处理对玉米籽粒产量的影响

由图4可知,不同施肥处理间玉米籽粒产量的差异均达显著水平(P<0.05)。ASG处理籽粒产量是AS处理的1.29倍;AU、AS、ASN处理玉米籽粒产量均显著低于ASD处理,说明对硫酸铵进行包膜处置有利于籽粒产量的提高。对土壤结构稳定性及玉米产量进行主成分分析得出(图4(b)),ASG处理下土壤结构与产量最优,其次为ASN处理,再次为AS、ASD处理,AU处理土壤结构与产量状况最差。

PC1、PC2、PC3可代表87.90%的9个指标来量化玉米产量与各粒径团聚体及粉黏粒有机碳状况,ASD处理土壤有机碳与玉米产量状况最优,其次为ASG处理。玉米产量与0.053～0.250、>0.250～2.000 mm团聚体对土壤有机碳贡献率呈显著正相关,与各粒径团聚体及粉黏粒有机碳含量呈正相关。>2.000 mm团聚体对土壤有机碳贡献率与<0.053 mm粉黏粒及0.053～0.250、>0.250～2.000 mm团聚体有机碳含量均呈显著负相关,见图4(c)。

PC1、PC2、PC3可代表84.17%的9个指标来量化玉米产量与各粒径团聚体及粉黏粒全氮状况,ASD处理土壤全氮与玉米产量状况最优,其次为ASG处理。玉米产量与>0.250～2.000 mm团聚体对土壤全氮贡献率及全氮含量呈显著正相关,与<0.053 mm粉黏粒对土壤全氮贡献率呈显著负相关。0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体的全氮含量彼此间呈显著正相关,但与<0.053 mm粉黏粒对土壤全氮贡献率呈显著负相关,见图4(d)。

3 讨 论

3.1 施肥对土壤团聚体稳定性及碳、氮含量的影响

SC1、SC2、SC3、SC4分别为<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体有机碳含量;CC1、CC2、CC3、CC4分别为<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体对土壤有机碳贡献率;SN1、SN2、SN3、SN4分别为<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体全氮含量;NC1、NC2、NC3、NC4分别为<0.053 mm粉黏粒和0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm团聚体对土壤全氮贡献率。SC1, SC2, SC3, and SC4 are organic carbon content of <0.053 mm powder clay and 0.053～0.250, >0.250～2.000, >2.000 mm agglomerates, respectively; CC1, CC2, CC3, and CC4 are <0.053 mm silt clay and 0.053～0.250, >0.250～2.000, >2.000 mm aggregates contribution to soil organic carbon, respectively; SN1, SN2, SN3, SN4 are total nitrogen content of <0.053 mm powder clay and 0.053～0.250, >0.250～2.000, >2.000 mm agglomerates, respectively; NC1, NC2, NC3, NC4 are <0.053 mm silt clay and 0.053～0.250, >0.250～2.000, >2.000 mm aggregates contributing to soil total nitrogen, respectively.图4 不同施肥处理下玉米产量(a)、基于土壤稳定性与产量的主成分分析(b)、基于各 粒径有机碳与产量的主成分分析(c)及基于各粒径全氮与产量(d)的主成分分析Fig.4 Corn yield (a), principal component analysis based on soil stability and yield (b), principal component analysis based on organic carbon and yield of each grain fraction (c), and principal component analysis based on total nitrogen and yield of each grain fraction (d) under different fertilization treatments

缓/控释氮肥通过多种调控机制减缓和控制氮肥溶解及释放速度实现氮素后移,以满足作物在整个生育期内对养分需求,减少氮素损失[26-27],因此本研究中3种缓/控释硫酸铵肥料处理的土壤水稳定性团聚体全氮含量均高于AU、AS处理,但未达显著水平。此外,腐植酸主要由C、H、O、N、S元素所组成,N的占比通常在1%左右,具有减少氮素损失提高氮肥利用率的作用[28-29],因而ASD处理各粒径团聚体及粉黏粒全氮含量均高于其他处理。田小明等[30]研究表明,与CK相比,添加腐植酸有利于<0.053、>0.250～1.000、>1.000～2.000 mm粒径全氮含量的提高。油脂包膜处理按照不同生长阶段作物需肥特性进行养分释放,减少了养分损失[31],且大团聚体占比高于其他处理,因此ASG处理大团聚体对土壤全氮贡献率最高。

3.2 缓/控释肥对玉米产量的影响

4 结 论

硫酸铵与硝化抑制剂配施土壤团聚体稳定性显著高于AU处理,而与AS处理无显著差异;油脂包膜硫酸铵显著改善了土壤团聚体稳定性,>0.250～2.000 mm粒径团聚体质量分数分别比AU、AS处理增加68.00%、32.06%,MWD、GMD、R0.25分别升高7.62%～36.18%、26.54%～70.35%、13.37%～50.74%,>0.250 mm粒径团聚体对土壤有机碳(全氮)贡献率显著高于其他施肥处理;油脂-腐植酸包膜处理仅R0.25稳定性指标显著高于AU处理,各粒级团聚体及粉黏粒有机碳含量显著高于其他施肥处理。硫酸铵与硝化抑制剂配施处理玉米产量低于AU而高于AS处理,但均未达到显著差异。与AU、AS处理相比,油脂包膜处理可使玉米产量提高18.74%～28.95%,油脂-腐植酸包膜处理可使玉米产量提高9.85%～19.30%。玉米产量与各粒径水稳性团聚体及粉黏粒有机碳含量、各粒径水稳性团聚体全氮含量均呈显著正相关。因此,在石灰性褐土上选用油脂包膜硫酸铵型缓/控释肥有助于保持土壤结构稳定及玉米增产。