玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮的影響

李亞鑫，張娟霞，劉偉剛，鄭險(xiǎn)峰，翟丙年，王朝輝

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

中國是農(nóng)業(yè)大國，有豐富的秸稈資源，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈超過8億t，秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀及微量元素[1-2]，直接還田可改善土壤、培肥地力[3]。秸稈還田不僅解決了焚燒帶來的大氣污染，還能有效減少化肥投入。大量研究指出，秸稈還田配合氮肥施用可以增加作物產(chǎn)量，如陳金等[4]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，秸稈還田配施純N 225 kg/hm2的冬小麥產(chǎn)量最高，增產(chǎn)幅度最大；趙鵬等[5]的研究結(jié)果表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田配施純N 90，180，270和360 kg/hm2，小麥分別增產(chǎn) 7.1%，8.4%，11.1%和 10.2%，其中以秸稈還田配施純N 270 kg/hm2處理的產(chǎn)量最高, 顯著高于其他各處理；Bakht 等[6]研究表明，秸稈還田處理小麥產(chǎn)量是秸稈不還田處理小麥產(chǎn)量的1.31倍。此外，張靜等[7]研究了玉米秸稈還田量對(duì)土壤肥力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田量為9 000 kg/hm2時(shí)，土壤碳、氮的固持和供給效果最好，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的有效利用。楊振興等[8]進(jìn)行的16年的長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田可以有效提高作物產(chǎn)量，增加土壤氮素盈余。

但是也有研究指出，玉米秸稈還田后，導(dǎo)致土壤中碳素增加，玉米秸稈在分解時(shí)促進(jìn)了微生物的生長，加強(qiáng)了微生物對(duì)土壤氮素的固定[9-10]。楊憲龍等[11]的研究結(jié)果顯示，秸稈還田當(dāng)年沒有增產(chǎn)效應(yīng)，還田2年后才表現(xiàn)出增產(chǎn)效應(yīng)，主要原因是玉米秸稈腐解需要很長的時(shí)間。雖然玉米秸稈還田能提高土壤養(yǎng)分含量，但玉米秸稈分解過程又會(huì)導(dǎo)致微生物固氮作用加強(qiáng)，所以專家普遍認(rèn)為，為了配合玉米秸稈還田后使小麥增產(chǎn)，需要多施用氮肥?？梢?，關(guān)于秸稈還田后增氮還是減氮的問題存在爭議，目前尚需開展深入的研究。本試驗(yàn)通過對(duì)2012-2016年玉米秸稈還田后冬小麥的產(chǎn)量效應(yīng)和土壤硝態(tài)氮保持的研究，擬了解關(guān)中地區(qū)玉米秸稈還田條件下冬小麥產(chǎn)量對(duì)氮肥的響應(yīng)以及秸稈還田對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量的影響，以期為該地區(qū)秸稈還田條件下冬小麥的氮肥優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)開始于2011年10月份，地點(diǎn)位于關(guān)中平原的陜西省周至縣終南鎮(zhèn)，氣候半濕潤易旱，作物為冬小麥-夏玉米輪作，一年兩熟。試驗(yàn)開始前0～20 cm 土層土壤的基本養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)18.6 g/kg，硝態(tài)氮30.01 mg/kg，速效磷8.51 mg/kg，速效鉀188 mg/kg；0～2 m土層的硝態(tài)氮累積量為67.2 kg/hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理是秸稈還田處理，設(shè)玉米秸稈全部還田(S1)和玉米秸稈不還田(S0)2個(gè)水平，其中玉米秸稈全部還田處理是在玉米收獲時(shí)將玉米秸稈打碎曬干，用旋耕機(jī)在冬小麥播種前將玉米秸稈翻入0～40 cm土層中；而秸稈不還田處理是在玉米收獲時(shí)，將玉米秸稈全部移除掉，在冬小麥播種前用旋耕機(jī)進(jìn)行深翻。副處理是施N處理，共設(shè)5個(gè)水平，施N量分別為0，84，168，252和336 kg/hm2。小區(qū)面積為34.45 m2，重復(fù)4次，所有小區(qū)磷肥和鉀肥施用量一致。2011年磷肥(P2O5)施用量為150 kg/hm2，鉀肥(K2O)施用量為100 kg/hm2；2012年以后根據(jù)土壤速效磷、速效鉀測(cè)定值將施磷量調(diào)整為100 kg/hm2，施鉀量調(diào)整為75 kg/hm2。磷肥和鉀肥全部作為底肥在冬小麥播種前施入土壤，氮肥總量的60%作為底肥，剩余的40%作為追肥在冬小麥拔節(jié)期施用。冬小麥品種采用周麥23，播種量為168 kg/hm2，行距為20 cm。2011-2015年玉米秸稈還田量分別為5 500，4 910，8 064，11 290，7 840 kg/hm2。在冬小麥?zhǔn)斋@后種植夏玉米，夏玉米品種為鄭單958，株距為30 cm，行間距為66.7 cm，肥料用量為：N 108 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2,均作為基肥施用。冬小麥和夏玉米的生長期管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 冬小麥產(chǎn)量 于冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，在每個(gè)小區(qū)選取3個(gè)1 m2的樣方，脫粒后測(cè)籽粒含水量，之后換算冬小麥理論產(chǎn)量。

1.3.2 土壤硝態(tài)氮累積量 于冬小麥播種前和收獲時(shí)，在各小區(qū)用五點(diǎn)采樣法取土樣，每20 cm為一個(gè)土層，采集深度為2 m，將同小區(qū)同土層土壤混合后，用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤樣品的硝態(tài)氮含量，計(jì)算土壤硝態(tài)氮累積量:土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)=[土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)×土壤體積質(zhì)量(g/cm3)×土層厚度(cm)]/10。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算采用Excel 2010，方差分析采用DPS，差異顯著性比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

圖1為2012-2016年不同處理冬小麥氮肥肥料效應(yīng)曲線。

曲線上面的公式代表玉米秸稈還田，曲線下面的公式代表玉米秸稈不還田Formula above curve represents maize straw return and formula below curve represents without maize straw return圖1 2012-2016年玉米秸稈還田條件下冬小麥籽粒產(chǎn)量對(duì)施氮量的響應(yīng)Fig.1 Response of winter wheat yield to nitrogen fertilization under maize straw return in 2012-2016

從圖1可以看出，與玉米秸稈不還田處理相比，玉米秸稈還田處理的冬小麥產(chǎn)量呈“低氮減產(chǎn)、高氮增產(chǎn)”的規(guī)律。2012-2016年，當(dāng)施氮量分別在153，187，99，146和115 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈還田與不還田處理的氮肥效應(yīng)曲線相交；當(dāng)施氮量高于以上點(diǎn)時(shí)，玉米秸稈還田處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量相比玉米秸稈不還田處理明顯增加，2012-2016年最高增產(chǎn)率分別是7.2%，5.6%，9.5%，5.8和7.5%；當(dāng)施氮量低于以上點(diǎn)時(shí)，玉米秸稈還田處理會(huì)引起冬小麥減產(chǎn)，2012-2016年最高減產(chǎn)比例分別達(dá)到3.0%，8.4%，18.8%，14.5%和9.1%。

2.2 玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥?zhǔn)斋@后土壤硝態(tài)氮累積量的影響

冬小麥?zhǔn)斋@后0～2 m土層硝態(tài)氮累積量見表1。由表1可見，2012-2016年，玉米秸稈還田處理土壤硝態(tài)氮累積量總體高于玉米秸稈不還田處理，但是部分處理卻不符合這一規(guī)律，例外在2016年，如當(dāng)施氮量為252和336 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈不還田處理冬小麥?zhǔn)斋@后土壤中的硝態(tài)氮累積量大于玉米秸稈還田處理。究其原因，可能在于2016年當(dāng)施氮量為252和336 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈還田處理冬小麥產(chǎn)量較玉米秸稈不還田處理高，導(dǎo)致吸收的土壤氮素增多所致。從平均值看，玉米秸稈還田處理有利于土壤中硝態(tài)氮的累積，2012-2016年玉米秸稈還田處理比玉米秸稈不還田處理土壤硝態(tài)氮累積量分別平均增加25.1，8.9，64.5，65.8和7.5 kg/hm2，增加幅度分別為25.4%，3.4%，13.5%，24.0%和1.7%。

由表1還可見，不論玉米秸稈還田還是不還田，隨著施氮量的增加，冬小麥?zhǔn)斋@后0～2 m土層硝態(tài)氮累積量均逐漸增加。

表1 2012-2016年玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥?zhǔn)斋@后0～2 m土層硝態(tài)氮累積量的影響Table 1 Effects of maize straw return with nitrogen fertilizer on soil nitrate nitrogen accumulation after harvest in soil layer of 0-2 m from 2012 to 2016 kg/hm2

注：S0.玉米秸稈不還田；S1.玉米秸稈還田。同行數(shù)據(jù)后標(biāo)不同大寫字母表示同一年份S0與S1處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05),同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示不同施氮處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。下表同。

Note：S0.Without maize straw return；S1.With maize straw return.Different capital letters in same row indicate significant difference between S0and S1in same year atP<0.05.Different small letters in each column indicate significant different among nitrogen rates atP<0.05.The same below.

2.3 玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥播種前土壤硝態(tài)氮累積量的影響

為了研究玉米秸稈還田是否對(duì)土壤硝態(tài)氮具有保持作用，本研究監(jiān)測(cè)了2012-2015年玉米秸稈還田配施低、中、高3個(gè)氮素水平下,冬小麥播種前土壤硝態(tài)氮的累積量，結(jié)果見表2。

表2 2012-2015年玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥播種前0～2 m土層硝態(tài)氮累積量的影響Table 2 Effects of maize straw returning with nitrogen fertilizer on soil nitrate nitrogen accumulation before sowing in soil layer of 0-2 m from 2012 to 2015 kg/hm2

由于所有處理在玉米種植季施肥量完全一致，故冬小麥播種前土壤硝態(tài)氮的差異來自上一年冬小麥不同氮肥處理的影響。表2表明，2012-2015年，在低、中、高3個(gè)氮素水平下，各處理冬小麥播種前0～2 m土層土壤硝態(tài)氮累積量總體逐年增加。2012-2015年，玉米秸稈還田處理冬小麥播種前0～2 m土層硝態(tài)氮累積量比玉米秸稈不還田處理分別提高13.5%～42.3%，5.4%～10.4%，19.0%～61.0%和3.1%～22.7%。不論玉米秸稈還田還是不還田，隨著施氮量的增加，冬小麥播種前0～2 m土層硝態(tài)氮累積量逐漸增加?？梢?，雖然經(jīng)過夏玉米地的種植，玉米秸稈還田仍會(huì)增加翌年冬小麥播前0～2 m土層的硝態(tài)氮累積量，可知秸稈還田對(duì)土壤有一定的保氮作用。

3 討 論

3.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田后會(huì)導(dǎo)致前兩年小麥產(chǎn)量連續(xù)下降，降幅可達(dá)4.1%～46.1%，從第4年開始產(chǎn)量增加，增幅達(dá)5.7%～12.8%[12]。玉米秸稈還田條件下，不配施氮肥，小麥減產(chǎn)量達(dá)10.8%；配施氮肥條件下，隨著施氮量的增加，小麥產(chǎn)量增加幅度為0.7%～10.2%[13-15]，這與本試驗(yàn)連續(xù)5年的研究結(jié)果趨勢(shì)一致。

一般認(rèn)為，由于玉米秸稈C/N較高，還田后會(huì)造成土壤微生物對(duì)無機(jī)氮素的固持，造成土壤中的無機(jī)氮含量降低，從而影響作物生長，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[14,16]。本研究發(fā)現(xiàn)，與玉米秸稈不還田處理相比，2012-2016年當(dāng)施氮量分別高于153，187，99，146和115 kg/hm2時(shí)，玉米秸稈還田才會(huì)增加冬小麥籽粒產(chǎn)量。據(jù)對(duì)小麥生長季節(jié)土壤硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果[17]，低氮下減產(chǎn)的原因在于冬小麥在返青期追肥以前土壤無機(jī)氮耗竭，同時(shí)秸稈還田條件下0～1 m土層土壤硝態(tài)氮累積量小于秸稈不還田處理，作物受到短期缺氮脅迫所致，而在高氮情況下則不會(huì)出現(xiàn)這一情形。研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)中地區(qū)冬小麥?zhǔn)┑恳话銥?75～185 kg/hm2[16]，由本研究結(jié)果可知，在這個(gè)施氮范圍，玉米秸稈還田后不但不需要多施氮肥，反而可減少氮肥的施用量。

3.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量的影響

研究發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮的累積量與作物吸氮量和產(chǎn)量有密切的關(guān)系[18]。本試驗(yàn)中，2012-2016年，與玉米秸稈不還田處理相比，玉米秸稈還田處理冬小麥?zhǔn)斋@后0～2 m土層土壤硝態(tài)氮累積量總體增加，而且隨著施氮量的增大，土壤的硝態(tài)氮累積量也增加，這與前人的研究結(jié)果一致[19-21]。

施入土壤中的氮素，除了植物吸收及微生物和粘土礦物固定、揮發(fā)和反硝化損失外，還有相當(dāng)一部分氮素以硝態(tài)氮的形式留在土壤中[22]。硝態(tài)氮的淋失不僅會(huì)污染地下水資源，還能危害人類健康[23]。關(guān)中地區(qū)年降雨主要集中在7-9月份，冬小麥?zhǔn)斋@后，土壤中殘留的硝態(tài)氮在降雨的作用下容易發(fā)生淋失現(xiàn)象[24]。很多研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田對(duì)氮素的淋失有很好的抑制作用[25-26]。田路園等[27]通過室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)，研究了秸稈還田配施不同比例氮肥對(duì)土壤氮素淋失的影響，結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥對(duì)于氮素的淋失有良好的抑制作用，以碳氮質(zhì)量比25∶1淋失損失最少。楊世琦等[28]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈半量還田和全量還田處理的土壤氮素淋失量在0～90 cm土層分別減少27.65%和20.73%，可知秸稈還田能夠減少灌區(qū)土壤硝態(tài)氮淋失量。丁燕等[29]的研究結(jié)果顯示，秸稈還田沒有降低土壤硝態(tài)氮和全氮的流失濃度，僅減少了產(chǎn)流量。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，冬小麥播種前和收獲后，玉米秸稈還田處理的土壤硝態(tài)氮累積量均大于秸稈不還田處理，說明玉米秸稈還田對(duì)土壤有一定的保氮作用，減少了土壤硝態(tài)氮的淋失。