CN111133964B - 一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种棕壤土区小麦‑玉米周年氮素淋失综合阻控方法，主要技术点包括复(混)肥+缓释尿素+秸秆腐熟剂+节水灌溉。该方法通过采用复(混)肥+缓释尿素处理，既可保障小麦、玉米整个生长周期的养分的需求，又可有效避免田间氮素冗余，以最大限度的降低氮素淋失；通过实施秸秆深还+秸秆腐解剂处理，可以促使还田秸秆充分腐解、养分充分释放，使作物有效利用秸秆中的养分，以减少肥料施用量，继而降低氮素淋溶风险；通过采用节水灌溉方式进行灌水，可以较精确地控制土壤湿润深度，既能满足作物的水分需求，还能避免灌水过多造成的水资源浪费和氮素淋溶。
Description
技术领域
本发明属于农业环保技术领域，具体而言，涉及一种控制农田氮素淋失的方法，尤其涉及一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法。
背景技术
氮素是农作物生长所必需的营养元素，对提高农作物产量和改善产品品质均有重要作用，但由于肥料不合理施用及农田管理方式不当，农田土壤盈余的养分在降雨或灌溉条件下易随水流失，导致生态环境质量下降。氮素淋失是目前造成农田土壤氮损失的主要途径之一，不仅影响着氮肥利用率，造成资源浪费，而且可引起大气污染和地下水体富营养化等环境问题。比如，华北地区化肥的过量施用已造成该区地下水硝酸盐含量超标。
农田土壤氮素运移与土壤类型密切相关，其损失强度受发生地土壤种类影响巨大(张维理,徐爱国,冀宏杰,等.中国农业面源污染形势估计及控制对策Ⅲ.中国农业面源污染控制中存在问题分析[J].中国农业科学,2004,37(7):1026-1033.)。一方面，相同条件下的不同土壤类型，由于成土母质不同，土体中氮素有效养分含量差异较大(李九五.近25年来山东省三种主要类型土壤有机质及氮、磷、钾养分变化特征研究[D].山东农业大学,2013.)；另一方面，不同土壤类型下氮素的形态、有效性和剖面中的运移特征不同(孙克刚,张学斌,吴政卿,等.长期施肥对不同类型土壤中作物产量及土壤剖面硝态氮累积的影响[J].华北农学报,2001,16(3):105-109.)。
棕壤主要分布在山东半岛和辽东半岛等地，形成过程以淋溶、粘化和较强的腐殖层的积累为特征，在水分条件较为优越的地区，淋溶过程强。如张焱(张焱.天然背景下太行山主要土壤类型氮、磷流失规律研究[D].南京理工大学,2005.)研究发现，棕壤中总氮、可溶态氮的淋溶量均要大于褐土、淋溶褐土等土壤类型。当前众多棕壤土区已被开垦利用，成为主要的小麦-玉米产区。随着不合理施肥导致的土壤污染加重、地下水污染等问题越来越突出，迫切需要开发有效的适用于棕壤土区小麦-玉米周年生产需求的氮素淋失阻控技术，以降低农田面源污染，提高环境质量，保障农业生产的可持续发展。
然而，现有技术存在一系列问题和不足：1)尚缺乏专门针对棕壤土的专项技术，正如前所述，不同土壤类型下氮素运移特征不同，导致现有氮素淋失阻控技术在棕壤土上的适用性并不理想；2)现有技术往往只监测技术实施过程的单季作物数据，如专利“利用玉米与大豆间作模式防控土壤硝酸盐淋失的方法”(ZL 201310049376.7)，主要是针对玉米生长季进行调控，而没有考虑同样存在氮素淋失风险的小麦季；3)现有技术往往只考虑控制单因素进行单方面调控，如，“一种控制农田氮素淋失的方法”(ZL201610965805.9)主要利用生物氮泵控制农田氮素淋失、“一种降低土壤硝酸盐淋失的施肥方法”(ZL201510383709.9)和“一种减少土壤硝态氮淋失的大葱施肥方法”(ZL201310060360.6)主要从施肥角度控制农田氮素淋失。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失的综合阻控技术，该技术可有效降低棕壤土小麦-玉米种植过程的氮素淋失，减少肥料用量，提高小麦、玉米产量，继而提高经济效益。
为了实现上述技术目的，本发明人结合多年来的研究经验并考虑到，土壤氮素淋失，虽然直接原因在于施肥，但根本驱动力是水，且土壤类型和农田管理方式显著影响氮素的淋失特性。而现有技术并未充分考虑影响氮素淋失的多个因素的协同效果，导致其氮素淋失阻控的效果欠佳。因此本发明人针对棕壤土淋溶性强的特性，开发适用于典型棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失的综合阻控技术，以降低农田面源污染，提高资源利用率和土地生产潜力，实现农业生产的可持续性。
具体地，本发明的目的是这样实现的：一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，该方法包括以下技术点：
1)确定肥料类型及用量
小麦季：每667m2施用氮肥12～13kg、磷肥6～8kg、钾肥6～8kg量，所述的氮肥由复合肥和缓释尿素按照N的重量比(1.5～2)：1组成；
玉米季：每667m2施用氮肥12～13kg、磷肥6～8kg、钾肥6～8kg量，所述的氮肥由复合肥和缓释尿素按照N的重量比(1～1.5)：1组成；
2)秸秆腐解并深旋还田
小麦、玉米收获后，所得秸秆均粉碎还田，将秸秆腐熟剂均匀喷洒于秸秆表面，然后采用秸秆深还机将秸秆深还至田间10～15cm土层深度，若深度低于10cm不利于种子萌发，易造成缺苗，若高于15cm秸秆腐解释放的养分不利于作物吸收利用，且易造成淋失损失；
3)播种、施肥
适时进行小麦、玉米播种，并施用所述肥料，于小麦、玉米播种期间一次性低施于田间；小麦、玉米种植的行距和株距可根据各地生产习惯进行，本发明无特殊规定，只要能满足后期运行或安装节水灌溉设备即可；肥料的施用方式无特定要求，可根据各地生产习惯，选择诸如播前撒施或跟种等方式一并施入田中，只需在施用前按照技术点1)中所述用量，将所需复合(混)肥和缓释尿素提前混合均匀，以保障两种肥料可均匀施于田内。
4)节水灌溉管理
根据天气及作物需水情况，采用节水灌溉设施进行灌水，每次灌溉应控制灌水量，保持土壤湿润深度为20～25cm，既可满足作物需水需求，又可以避免氮素的淋失；在小麦返青期和玉米大喇叭口期，若土壤湿度低于75％～80％，则进行灌水，使土层湿润深度为15～20cm，此时灌水主要是使土壤保持较湿润状态，加速缓释肥料的释放，以满足小麦玉米生长需求，15～20cm的土层深度既可满足肥料层湿润需求，又可以避免氮素的淋失。
需要说明的是，技术点1)中所述的复合肥和缓释尿素的用量及两者的施用比例可以根据小麦、玉米品种的差异，适当调整，但不宜超出本发明所限定的范围。技术点2)中所述的秸秆腐熟剂可以采用市面上常见的、质量值得信赖的任一品牌的秸秆还田腐熟剂，施用方法可以根据各品牌指导意见实施。部分品牌可能需要施用腐熟剂后进行灌水处理，以加速秸秆腐解，此时应注意，灌水需采用节水灌溉方式，且土层湿润深度为不宜超过20cm。另外，其他管理措施，如病虫害防治等，与小麦、玉米的常规生产种植方式一致。
进一步优选地，如上所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其中技术点1)中所述的复合肥可以是任何一种含氮、磷、钾的复合(混)肥，如常见养分含量为15-15-15的复合肥，及一些专用或增效的复合(混)肥，如养分含量为21-12-8的增效复合肥、养分含量为的17-18-5腐殖酸复混肥等。
进一步优选地，如上所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其中技术点4)中所述的节水灌溉设施可根据实际生产需求选择，只需要能满足能缓慢湿润土层、且可控制土层湿润深度、不造成水分渗漏即可，如可以是不同规格或类型(固定式、半固定式、移动式等)的喷灌设备、不同规格滴灌带等。
与现有技术相比，本发明涉及的棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其具有如下优点和进步性：
(1)采用复(混)肥+缓释尿素处理，既可保障小麦、玉米整个生长周期的养分的需求，又可有效避免田间氮素冗余，以最大限度的降低氮素淋失。
(2)实施秸秆深还+秸秆腐熟剂处理，可以促使还田秸秆充分腐解、养分充分释放，使作物有效利用秸秆中的养分，以减少肥料施用量，继而降低氮素淋溶风险。
(3)采用节水灌溉方式进行灌水，可以较精确地控制土壤湿润深度，既能满足作物的水分需求，还能避免灌水过多造成的水资源浪费和氮素淋溶。
综上，土壤氮素淋失，源泉是施肥，根本驱动力是水，土壤类型和农田管理显著影响氮素的淋失特性。本发明所采用的综合调控技术，针对棕壤土淋溶性强的特征，综合考虑了肥、水、秸秆管理等方面，可最大发挥阻控氮素淋失的各因素的综合效益，能有效降低棕壤土区小麦-玉米周年生产过程的氮素淋失，降低氮素淋失造成的面源污染风险，显著提高肥料利用效率提高和粮食产量，具有明显的经济效益。
附图说明
图1不同小麦-玉米周年管理方案对小麦、玉米收获期土壤硝态氮含量的影响；
图2不同小麦-玉米周年管理方案对小麦、玉米收获期土壤铵态氮含量的影响；
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，以下实施例仅仅是用于说明本发明的技术方案和技术效果，而不是对本发明保护范围的限制，在总体构思前提下对该方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
另外，如无特别说明，以下实施例中的氮肥用量均以N计，磷肥用量均以P2O5计，钾肥用量均以K2O计；复合(混)肥养分含量15-15-15，是本领域常规表达方式，指N、P2O5、K2O的质量百分比分别为15％、15％、15％。
实施例1
于2018年10月-2019年10月于山东省莱阳市典型棕壤土开展田间试验。试验区面积667m2，种植模式为小麦-玉米周年轮作。2018年10月10日玉米收获后开始实施试验，供试小麦品种为当地主栽品种‘烟农24’，供试玉米品种为当地主栽品种‘郑单958’。
1)确定化肥类型及用量
根据当地肥力条件，小麦季：施用养分含量为15-15-15的复合肥50kg，N素含量为45％的缓释尿素10kg。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12kg、7.5kg、7.5kg，复混肥和缓释尿素的施N比例为：1.67：1。玉米季：施用养分含量为15-15-15的复合肥50kg，N素含量为45％的缓释尿素为12kg。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12.9kg、7.5kg、7.5kg，复混肥和缓释尿素的施N比例为：1.39：1。
2)施用秸秆腐熟剂+秸秆深旋还田
小麦玉米收获后，秸秆均匀粉碎还田，选用广州微元生物科技有限公司生产的粗纤维降解菌剂(品牌为微元，主要成分为粗纤维降解菌，有效活菌数≥2×1010cfu/g)，将1包粗纤维降解菌剂在约200kg水中充分混合，均匀喷洒于秸秆表面；采用秸秆深还机将秸秆深还至田间10～15cm土层深度。
3)播种、施肥
小麦采用行距25cm，株距8～10cm的模式种植；为便于后期铺设滴灌管，玉米采用宽窄行种植，小行距40cm，大行距80cm，株距25cm。复混肥和缓释尿素充分混合均匀后，播种时跟种一并施入土壤。
4)安装或铺设节水灌溉设施
节水灌溉采用滴灌，1管2行，小麦每隔2行铺设一根管道，玉米小行距间铺管。
5)灌水管理：
小麦、玉米播种后，为加快秸秆腐解进行一次滴灌，土层湿润深度约为15cm。小麦返青期和玉米大喇叭口期，各进行1次滴灌，土层湿润深度约为20cm。此外，小麦和玉米生长期间遇旱，小麦滴灌灌水2次，玉米滴灌灌水1次，每次土层湿润深度约为25cm。
6)其他管理
小麦、玉米生长期间及时进行病虫草害防治。
对比例1(当地农民常规种植模式)
同样于2018年10月-2019年10月于山东省莱阳市典型棕壤土开展田间试验。试验区面积667m2，种植模式为小麦-玉米周年轮作。2018年10月10日玉米收获后开始实施试验，供试小麦品种为当地主栽品种‘烟农24’，供试玉米品种为当地主栽品种‘郑单958’。
小麦、玉米收获后，秸秆皆粉碎还田，较均匀覆盖地表。小麦行距25cm，株距8-10cm，玉米行距60cm，株距25cm。小麦播种过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥60kg作底肥，返青期追施含N量为46％的普通尿素12kg，氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：14.52kg、9kg、9kg。玉米种植过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥50kg，大喇叭口期追施含N量为46％的普通尿素17.5kg。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：15.55kg、7.5kg、7.5kg。
灌溉模式为常规漫灌。在小麦和玉米生长季，与实施例1同期采用漫管方式，小麦灌溉2次，玉米灌溉1次。小麦、玉米生长期间与实施例1同期及时进行病虫草害防治。对比例2(在对比例1的基础上减N处理，总施N量与实施例1相同)
同样于2018年10月-2019年10月于山东省莱阳市典型棕壤土开展田间试验。试验区面积667m2，种植模式为小麦-玉米周年轮作。2018年10月10日玉米收获后开始实施试验，供试小麦品种为当地主栽品种‘烟农24’，供试玉米品种为当地主栽品种‘郑单958’。
小麦、玉米收获后，秸秆皆粉碎还田，较均匀覆盖地表。小麦行距25cm，株距8-10cm，玉米行距60cm，株距25cm。小麦播种过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥50kg作底肥，返青期追施含N量为46％的普通尿素9.78kg，氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12kg、7.5kg、7.5kg，较对比例1减氮17.36％。玉米种植过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥50kg，大喇叭口期追施含N量为46％的普通尿素11.74kg。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12.9kg、7.5kg、7.5kg，较对比例1减氮17.04％。
灌溉模式为常规漫灌。在小麦和玉米生长季，与实施例1同期采用漫管方式，小麦灌溉2次，玉米灌溉1次。小麦、玉米生长期间与实施例1同期及时进行病虫草害防治。对比例3(在对比例1的基础上减N处理+节水灌溉，总施N量与实施例1相同)
同样于2018年10月-2019年10月于山东省莱阳市典型棕壤土开展田间试验。试验区面积667m2，种植模式为小麦-玉米周年轮作。2018年10月10日玉米收获后开始实施试验，供试小麦品种为当地主栽品种‘烟农24’，供试玉米品种为当地主栽品种‘郑单958’。
小麦、玉米收获后，秸秆皆粉碎还田，较均匀覆盖地表。小麦采用行距25cm，株距8-10cm的模式种植；为便于后期铺设滴灌管，玉米采用宽窄行种植，小行距40cm，大行距80cm，株距25cm。小麦播种过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥50kg作底肥，返青期追施含N量为46％的普通尿素9.78kg，氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12kg、7.5kg、7.5kg，较对比例1减氮17.36％。玉米种植过程以跟种的方式施入养分含量为15-15-15的复合肥50kg，大喇叭口期追施含N量为46％的普通尿素11.74kg。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的施用量分别为：12.9kg、7.5kg、7.5kg，较对比例1减氮17.04％。
灌溉模式为节水灌溉，采用滴灌模式，1管2行，小麦每隔2行铺设一根管道，玉米小行距间铺管。在小麦和玉米生长季，滴灌次数与滴灌湿润土层深度与实施例1相同。小麦、玉米生长期间与实施例1同期及时进行病虫草害防治。
实施效果
小麦季，实施例1在传统管理(对比例1)的基础上氮肥减施17.36％，其产量仍显著高于对比例1(P＜0.05)。在相同施氮量的基础上其产量极显著高于对比例2和对比例3(P＜0.01)。实施例1的偏肥生产力最高，氮、磷、钾肥偏生产力均极显著高于比例1、对比例2和对比例3(表1)。
玉米季，实施例1在传统管理(对比例1)的基础上氮肥减施17.04％，其产量略高于对比例1，但两者差异不显著(P＜0.05)。在相同施氮量的基础上其产量极显著高于对比例2和对比例3(P＜0.01)。实施例1的偏肥生产力最高，其中氮偏生产力显著高于对比例2和对比例3，极显著高于对比例1；磷、钾肥偏生产力均极显著高于对比例1、对比例2和对比例3(表1)。
综上可见，本发明所提出的一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控技术(实施例1)，在氮肥减量(17.04％～17.36％)的情况下，仍能显著或极显著提高作物产量，显著或极显著提高肥料利用效率(偏肥生产力)。
表1不同小麦-玉米周年管理方案对小麦、玉米产量及偏肥生产力的影响
注：大写字母表示差异极显著(P＜0.01)，小写字母表示差异显著(P＜0.05)。
为了充分评价本发明技术方案(实施例1)阻控氮磷淋失的效果，通过现有常用的两种技术手段来进行评定。
方式一：小麦、玉米收获期，以“S”形取样法，实施例和对比例试验田，各设置5个采样点，以20cm为一个土层，采集0-100cm土层土壤样品。样品充分混匀后，采用流动分析仪测定土壤剖面硝态氮和铵态氮的含量，重点比较各处理下80-100cm土层土壤硝态氮和铵态氮含量，以反映硝态氮和铵态氮向深层土体的淋溶情况。主要结果如下：
小麦、玉米收获期，实施例1处理下，80-100cm土层土壤硝态氮含量均极显著低于对比例1，显著或极显著低于对比例2和对比例3(图1)。小麦季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3分别降低40.74％、26.17％和16.87％，玉米季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3分别降低70.82％、40.68％和30.03％。
小麦、玉米收获期，实施例1处理下，80-100cm土层土壤铵态氮含量均极显著低于对比例1，显著或极显著低于对比例2和对比例3(图2)。小麦季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3分别降低38.43％、31.98％和24.70％，玉米季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3分别降低54.20％、44.22％和27.21％。
方式二：实施例和对比例试验田各随机选取3个点，安装淋溶池，收集0-100cm土层土壤淋溶液。每次灌溉和降水后采集淋溶液，并记录淋溶液体积。收集的淋溶液样品过滤后，用流动分析仪测定硝态氮和铵态氮浓度。淋溶液中的硝态氮和铵态氮含量＝淋溶液体积*硝态氮(铵态氮)浓度。小麦或玉米生长季的总硝态氮和铵态氮淋溶量为各次淋溶量累积之和。主要结果如下：
小麦、玉米整个生长季，实施例1土壤硝态氮含量均极显著低于对比例1，显著或极显著低于对比例2和对比例3(表2)。小麦季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3硝态氮淋失量分别降低41.12％、32.16％和18.54％，玉米季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3硝态氮淋失量分别降低32.33％、24.40％和15.83％。
小麦、玉米整个生长季，实施例1土壤铵态氮含量均极显著低于对比例1，显著或极显著低于对比例2和对比例3(表2)。小麦季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3硝态氮淋失量分别降低32.22％、24.40％和15.83％，玉米季实施例1相对于对比例1、对比例2和对比例3硝态氮淋失量分别降低30.82％、22.74％和14.47％。
表2不同小麦-玉米周年管理方案对小麦、玉米生长周期氮素淋失的影响
注：大写字母表示差异极显著(P＜0.01)，小写字母表示差异显著(P＜0.05)。
综上可见，本发明提出的一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控技术，可以显著或极显著降低土壤硝态氮和铵态氮淋失。
Claims (6)
1.一种棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于，该方法包括以下技术点：
1）确定肥料类型及用量
小麦季：每667 m2施用氮肥12~13 kg、磷肥6~8 kg、钾肥6~8 kg量，所述的氮肥由复合肥和缓释尿素按照N的重量比（1.5~2）：1组成；
玉米季：每667 m2施用氮肥12~13 kg、磷肥6~8 kg、钾肥6~8 kg量，所述的氮肥由复合肥和缓释尿素按照N的重量比（1~1.5）：1组成；
所述的氮肥用量以N计，磷肥用量以P2O5计，钾肥用量以K2O计；
2）秸秆腐解并深旋还田
小麦、玉米收获后，所得秸秆均粉碎还田，将秸秆腐熟剂均匀喷洒于秸秆表面，然后采用秸秆深还机将秸秆深还至田间10~15 cm土层深度；
3）播种、施肥
适时进行小麦、玉米播种，并施用所述肥料，于小麦、玉米播种期间一次性低施于田间；
4）节水灌溉管理
根据天气及作物需水情况，采用节水灌溉设施进行灌水，每次灌溉应控制灌水量，保持土壤湿润深度为20~25 cm；在小麦返青期和玉米大喇叭口期，若土壤相对湿度低于75%~80%，则进行灌水，使土层湿润深度为15~20 cm。
2.根据权利要求1所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于：技术点1）中所述的复合肥是任何一种含氮、磷、钾的混肥。
3.根据权利要求1所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于：技术点1）中所述的缓释尿素是任何一种质量可信的缓释尿素。
4.根据权利要求1所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于：技术点2）中所述的秸秆腐熟剂为广州微元生物科技有限公司生产，主要成分为粗纤维降解菌，有效活菌数≥2×1010cfu/g。
5.根据权利要求1所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于：技术点4）中所述的节水灌溉设施开启后，能缓慢湿润土层、且可控制土层湿润深度、不造成水分渗漏。
6.根据权利要求5所述棕壤土区小麦-玉米周年氮素淋失综合阻控方法，其特征在于：技术点4）中所述的节水灌溉设施可以是固定式、半固定式或移动式喷灌设备，或者是不同规格的滴灌带。
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