不同肥力土壤下施氮與玉米秸稈還田對冬小麥氮素吸收利用的影響

單鶴翔，盧昌艾，張金濤，王金洲，徐明崗

(農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

華北平原地區(qū)作為我國主要產(chǎn)糧區(qū)，玉米秸稈直接還田將成為華北平原地區(qū)玉米秸稈處理的主要方式，也是提升農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力的重要措施［1］。秸稈直接還田可以增加土壤有機(jī)碳含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量等，但是秸稈碳氮比值較高，短期分解過程中會影響到土壤氮素和肥料氮素的作物有效性，并進(jìn)一步影響作物前期生長［2－5］。趙俊曄等［6］采用田間15N示蹤技術(shù)研究表明，高產(chǎn)土壤條件下隨施氮量增加，氮素在子粒中的分配比例降低，在莖和葉的分配量及比例顯著增加。王月福等［7］利用土柱試驗(yàn)和15N示蹤技術(shù)，研究表明氮肥施用在低肥力土壤上氮肥的增產(chǎn)效果較高肥力土壤高;小麥對基施和追施氮肥的吸收利用效率均表現(xiàn)為高肥力土壤高于低肥力土壤，而土壤殘留率和損失率則為低肥力土壤高于高肥力土壤。李貴桐等［8］利用原狀土柱田間培養(yǎng)法，研究了翻埋玉米秸稈導(dǎo)致小麥季土壤表層無機(jī)氮數(shù)量增加，引發(fā)土壤氮礦化的正激發(fā)效應(yīng);表層覆蓋小麥秸稈對玉米季土壤表層無機(jī)氮的影響不明顯。王旭東［4］采用砂濾管法在陜西關(guān)中高、中、低三種肥力土上進(jìn)行了玉米秸稈腐解試驗(yàn)，結(jié)果表明玉米秸稈在中等肥力田塊上礦化率最高，低肥力田塊上的最低。林琪等［9］在高、低兩種肥力土壤下的研究表明，不同氮肥用量對小麥子粒產(chǎn)量影響效果不一致。由此可見，前人關(guān)于不同土壤肥力條件下氮肥施用對小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的研究，以及玉米秸稈直接還田的產(chǎn)量效應(yīng)與秸稈分解過程的研究較多，但是不同土壤肥力水平下氮肥配施玉米秸稈對冬小麥產(chǎn)量及氮素吸收利用影響的研究工作較少。本文以玉米秸稈和15N標(biāo)記氮肥進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，研究兩種土壤肥力條件下不同用量氮肥配施玉米秸稈對冬小麥氮素吸收利用相互作用的模擬研究，為華北平原小麥－玉米輪作區(qū)玉米秸稈還田條件下的氮素優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自河北省寧晉縣四芝蘭鎮(zhèn)段家莊行政村的高肥力潮土(SH，種植管理水平較高、多年連續(xù)高產(chǎn)的土壤)和韓家莊行政村的低肥力潮土(SL，種植管理水平低、多年連續(xù)低產(chǎn)的土壤)［4，7，9］。供試土壤基本農(nóng)化性質(zhì)如表1所示。供試作物為冬小麥，品種為衡觀－35。

表1 供試土壤的基本農(nóng)化性質(zhì)Table 1 Basic agrochemical characteristics of tested soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)土壤分高肥力土壤(SH)和低肥力土壤(SL)兩種，各設(shè)6個(gè)處理，分別為：1)不施氮肥處理(CK)，2)玉米秸稈還田處理(S)，3)中量氮肥(N1)，4)高量氮肥(N2)，5)玉米秸稈還田+中量氮肥處理(N1+S)，6)玉米秸稈還田+高量氮肥處理(N2+S)。每個(gè)處理設(shè)12個(gè)重復(fù)。盆栽試驗(yàn)的施肥量和秸稈還田量參考華北平原冬小麥季氮、磷、鉀肥施用量，設(shè)計(jì)中量施氮水平為150 kg/hm2(N1)，高量施氮水平為300 kg/hm2(N2)，磷、鉀肥用量分別為 P2O5150 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2;玉米秸稈用量為9000 kg/hm2(相當(dāng)于玉米秸稈全量還田量)。玉米秸稈養(yǎng)分含量：有機(jī)碳435 g/kg，全氮5.83 g/kg，全磷0.71 g/kg，全鉀12.1 g/kg。供試氮肥為尿素，磷鉀肥為磷酸二氫鉀。

稱取5 kg過2mm篩的風(fēng)干土，按試驗(yàn)處理分別加入有機(jī)物料和肥料，充分混勻后裝入盆中，加水后平衡2 d，于2008年10月20日播種冬小麥，出苗后間苗至6株/盆，在表層土壤干裂時(shí)以稱重法補(bǔ)充水分，使其含水量維持在25%左右(相當(dāng)于土壤的田間持水量)。玉米秸稈、磷鉀肥作為基肥一次性施入;氮肥按基追比1∶1施用，于返青拔節(jié)期追施氮肥。供試氮肥為15N尿素(15N同位素豐度10.08%)，購自上?；ぱ芯吭?供試玉米秸稈為田間15N尿素標(biāo)記的玉米秸稈。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

分別在種植前、冬小麥返青期(2009年3月16日，播種后145 d)、拔節(jié)前期(2009年4月10日，播種后170 d)、拔節(jié)后期(2009年4月22日，播種后180 d)、抽穗期(2009年5月2日，播種后190 d)、灌漿期(2009年5月12日，播種后200 d)和成熟期(2009年5月28日，播種后216 d)采取土壤和植株樣品。每個(gè)時(shí)期2個(gè)重復(fù)，植株與土壤采用破壞性取樣。自上而下采集盆子里的土壤樣品，混合均勻，風(fēng)干磨碎，過0.25 mm篩備用;植株采集地上部分后(成熟期冬小麥子粒與秸稈分開取樣)，立即進(jìn)行105℃殺青10 min，之后65℃烘干至恒重，稱重計(jì)算不同生育期每盆冬小麥子粒及秸稈重量，粉碎，過0.25 mm篩備用。

土壤及植株樣品全氮和15N豐度的測定：參照文獻(xiàn)［10］的方法測定土壤及植株樣品全氮含量;土壤及植株樣品進(jìn)行消煮后，所得測定液用l滴1 mol/L的硫酸進(jìn)行酸化，然后將測定液在80℃水浴蒸干至1～2 mL，轉(zhuǎn)移至Y形瓶中，用改進(jìn)型ZHT－03 質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行15N 豐度的分析測定［11－12］。

1.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算方法

利用15N標(biāo)記肥料(尿素)配施非標(biāo)記玉米秸稈試驗(yàn)，計(jì)算出土壤、植株氮素來源于肥料的百分比;利用非標(biāo)記肥料(尿素)配施15N標(biāo)記玉米秸稈，計(jì)算出土壤、植株氮素來源于玉米秸稈的百分比［12］。其中相關(guān)計(jì)算公式如下：

土壤全氮%Ndff=(施15N肥料土壤中全氮的15N原子百分超/肥料的15N原子百超)×100;

土壤全氮來自15N尿素含量Ndff=土壤全氮含量×土壤全氮%Ndff;

肥料氮素回收率(%)=(小麥地上部Ndff/施氮量)×100;

玉米秸稈氮素回收率(%)=(小麥地上部Ndff/施用玉米秸稈全氮量)×100。

氮素收獲指數(shù)=冬小麥子粒氮素累積量/植株總氮累積量

不同處理間參數(shù)的差異顯著性通過SPSS13．0軟件中的three－way variance(ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥用量和玉米秸稈還田對冬小麥產(chǎn)量、成熟期地上部氮素累積的影響

由表2知，除不施氮肥處理外，等施氮量條件下，玉米秸稈還田處理較不還田處理冬小麥子粒氮素累積量降低了－3% ～11%，冬小麥秸稈氮素累積量下降了49%～58%。說明相比較冬小麥秸稈氮素累積量而言，玉米秸稈還田處理對冬小麥子粒氮素累積量影響較小或沒有影響。如果以冬小麥氮素收獲指數(shù)來表示作物氮素分配狀況，等氮肥用量條件下玉米秸稈還田處理提高了氮素在子粒中的分配(表2)。低肥力土壤上，N1+S處理的冬小麥秸稈氮素累積量較秸稈不還田的N1處理下降了107.6 mg/pot，冬小麥子粒氮素累積量下降了22 mg/pot，冬小麥氮素收獲指數(shù)則上升了16.5%;N2+S處理的冬小麥氮素收獲指數(shù)較N2處理上升了18.6%;高肥力土壤也出現(xiàn)類似的規(guī)律，即玉米秸稈還田提高了氮素收獲指數(shù)。

無論是高肥力土壤還是低肥力土壤，相同施氮量條件下，玉米秸稈還田降低了冬小麥的地上部氮素累積量;隨著氮肥用量的增加，冬小麥地上部氮素累積量也增加。隨著氮肥用量增加，玉米秸稈還田對成熟期冬小麥地上部氮素累積量的影響程度變小，且對低肥力土壤的影響程度要大于高肥力土壤。與秸稈不還田處理相比，在低肥力土壤上，氮肥用量為N 0、150和300 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈還田導(dǎo)致成熟期的冬小麥地上部氮素累積量下降了66%、33%和36%;在高肥力上，冬小麥地上部氮素累積量分別下降了66%、28%和11%。等氮肥用量條件下高肥力土壤的冬小麥子粒氮素累積量均高于低肥力土壤，冬小麥秸稈氮素累積量則以低肥力土壤為高。N1施肥水平下，低肥力土壤的冬小麥秸稈和子粒氮素累積量分別為194.4和203.9 mg/pot，高肥力土壤則分別為142.8和239.9 mg/pot;玉米秸稈還田后，N1施肥條件下的低肥力土壤冬小麥秸稈和子粒氮素累積量降低至86.8和181.9 mg/pot，高肥力土壤則分別為60.6和214.4 mg/pot，說明低肥力土壤施用氮肥后，成熟期冬小麥氮素在冬小麥秸稈中累積較多，高肥力土壤氮素向冬小麥子粒轉(zhuǎn)移較多;玉米秸稈還田后，在低肥力土壤和高肥力土壤上均表現(xiàn)出抑制了冬小麥奢侈吸氮，降低氮素在冬小麥中的累積和分配，促進(jìn)氮素向冬小麥子粒轉(zhuǎn)移。施氮量在N2水平時(shí)，玉米秸稈還田也抑制了氮素在冬小麥秸稈中的累積。

表2 氮肥用量和玉米秸稈還田對冬小麥產(chǎn)量、成熟期地上部氮素累積的影響Table 2 Effects of N application rates and maize straw return on yield and nitrogen accumulation of shoot of winter wheat at mature stage

2.2 不同氮肥用量和玉米秸稈還田對肥料氮素去向的影響

等氮肥用量條件下，玉米秸稈還田降低了氮肥的作物回收率，增加了氮肥的土壤殘留率。低肥力土壤，N1+S處理較N1處理氮肥作物回收率下降15.7個(gè)百分點(diǎn)，殘留率增加15.3個(gè)百分點(diǎn);N2+S處理較N2處理氮肥作物回收率下降12.4個(gè)百分點(diǎn)，殘留率增加12.2個(gè)百分點(diǎn)(表3)。等氮肥用量條件下，玉米秸稈還田對高肥力土壤氮肥作物回收率和土壤殘留率的影響呈現(xiàn)類似規(guī)律。

2.3 玉米秸稈還田對冬小麥氮素來源的影響

高氮肥用量(N2)條件下，兩種土壤冬小麥子粒氮素來源于氮肥的比例達(dá)到了75.3% ～77.1%，來源于土壤僅為22.9% ～24.7%;添加玉米秸稈處理時(shí)，高肥力土壤冬小麥子粒氮素來源于氮肥的比例升高了3.6%，但是低肥力土壤冬小麥子粒氮素來源于氮肥的比例降低了6.3%。低氮肥用量(N1)條件下，兩種土壤冬小麥子粒氮素來源于氮肥的比例較N2用量水平均有所降低，來源于土壤的比例較N2用量水平有所升高，尤其是高肥力土壤N1用量水平下冬小麥子粒氮素來源土壤的比例較N2用量水平高出14個(gè)百分點(diǎn)，添加玉米秸稈條件下也高出10個(gè)百分點(diǎn)(表4)。這與前人的研究結(jié)果相同［13－14］，王淑平［15］研究發(fā)現(xiàn)，加入玉米秸稈促進(jìn)了氮素向子粒轉(zhuǎn)移。

表3 不同氮肥用量和玉米秸稈還田對肥料氮素去向的影響Table 3 Effects of N application rates and maize straw return on the fate of N fertilizer

影響秸稈氮素當(dāng)季回收率的主要是土壤肥力(氮素)水平，低肥力土壤冬小麥子粒氮素源于還田玉米秸稈的為7.6% ～7.9%，而高肥力土壤的為10.0% ～10.5%，說明土壤肥力(氮素)水平較氮肥用量更能影響玉米秸稈氮素的當(dāng)季回收率。部分玉米秸稈氮素在還田當(dāng)季就能被冬小麥吸收利用，玉米秸稈氮素的當(dāng)季回收率達(dá)到22.8% ～33.1%;高氮肥配施玉米秸稈處理的玉米秸稈氮素平均當(dāng)季回收率較低氮肥配施玉米秸稈處理的高出約6.1個(gè)百分點(diǎn)(1.9～10.3個(gè)百分點(diǎn))。

表4 不同施氮量與玉米秸稈還田對冬小麥子粒氮素來源及玉米秸稈氮素回收率的影響Table 4 Effects of N application rates and maize straw return on nitrogen source and use efficiency of maize straw nitrogen

3 討論

玉米秸稈還田改變了氮肥在冬小麥子粒與秸稈中的分配比例。從成熟期冬小麥秸稈和子粒的氮素分配來看，等氮肥用量時(shí)低肥力土壤較高肥力土壤的冬小麥秸稈較子粒容易積累更多氮素;等土壤肥力條件時(shí)，氮肥用量越高的處理其冬小麥秸稈較子粒也更容易積累更多氮素，易于發(fā)生奢侈吸氮現(xiàn)象［16］，這在一定程度上也降低了氮肥農(nóng)學(xué)效率。

等氮肥用量條件下，除高肥力土壤高氮肥用量(N2+S)外，高肥力土壤中量氮肥配施玉米秸稈以及低肥力土壤氮肥配施玉米秸稈，均顯著降低了氮肥的當(dāng)季回收率(P＜0.05);氮肥配施玉米秸稈還田增加了氮肥的土壤殘留率(表3)。這主要是由于玉米秸稈本身含有大量碳源，玉米秸稈分解過程中刺激微生物生長，促進(jìn)了微生物對土壤氮素的固定［17－19］，同時(shí)玉米秸稈還田可促進(jìn)氮素向有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化［2－3，20］，減少氮素氣態(tài)損失［16］。王小彬等［21］采用15N同位素示蹤的方法研究表明，玉米秸稈還田可提高氮肥回收率約11%，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不盡相同，其主要原因可能是秸稈還田方式及還田量不同所致。本試驗(yàn)玉米收獲后秸稈立即直接還田，還田量達(dá)到了9000 kg/hm2;而在王小彬等［21］的試驗(yàn)中，玉米秸稈秋季還田，次年夏季再次種植玉米，次年種植時(shí)玉米秸稈可能已礦化了一段時(shí)間，減少了玉米秸稈礦化對肥料氮素的固定，而且其玉米秸稈還田量僅為6000 kg/hm2。

盡管玉米秸稈直接還田，改變了氮肥在冬小麥子粒與秸稈中的分配比例，且降低氮肥的當(dāng)季回收率，但是無論是高肥力土壤還是低肥力土壤條件下，氮肥(N1和N2用量)配施玉米秸稈(全量直接還田約9000 kg/hm2)，冬小麥的子粒產(chǎn)量均有所降低，但差異并不顯著，主要原因是玉米秸稈分解提供了冬小麥生長所需的部分氮素，該結(jié)果與王旭東等人的研究結(jié)果類似［4］。無論是中量施氮水平(N1)還是高量施氮水平(N2)，影響冬小麥子粒產(chǎn)量的主要是土壤肥力水平，低肥力土壤施用高量氮肥的冬小麥子粒產(chǎn)量也沒有高肥力土壤施用中量氮肥高(表2)。因此在中量(N1)和高量(N2)氮肥用量條件下，影響冬小麥產(chǎn)量的主要是土壤的肥力水平，玉米秸稈是否全量直接還田，對冬小麥的子粒產(chǎn)量影響不顯著。該試驗(yàn)結(jié)果是盆栽模擬研究的結(jié)果，還有待于田間進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1)等氮肥用量條件下，與不配施玉米秸稈相比，施用玉米秸稈則顯著降低了冬小麥地上部氮素累積量;高肥力土壤的冬小麥子粒氮素累積量高于低肥力土壤，冬小麥秸稈氮素累積量則以低肥力土壤為高;玉米秸稈還田對冬小麥子粒氮素累積量的影響比對秸稈氮素累積量的影響小，且提高了氮素收獲指數(shù)。

2)等氮肥用量條件下，氮肥配施玉米秸稈使得氮肥回收率下降9.6% ～15.7%，土壤殘留率增加12.2% ～16.4%。

3)氮肥用量在 N 150 kg/hm2和300 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈氮素的當(dāng)季回收率達(dá)到22.8% ～33.1%，冬小麥子粒氮素約7% ～10%來源于還田的玉米秸稈。

4)等氮肥用量和相同土壤肥力條件下，氮肥配施玉米秸稈對冬小麥子粒產(chǎn)量影響不顯著，在中量(N1)和高中(N2)氮肥條件下，影響冬小麥子粒產(chǎn)量的主要是土壤肥力水平，該試驗(yàn)結(jié)果還有待通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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