秸稈還田配施氮肥對土壤碳氮含量與玉米生長的影響

侯賢清 李 榮 吳鵬年 李培富 王西娜

(寧夏大學農學院， 銀川 750021)

0 引言

作物秸稈是一種重要的可供開發(fā)利用的生物質資源，其綜合利用對穩(wěn)定農業(yè)生態(tài)平衡、 促進農民增產增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用[1]。大量作物秸稈被棄置或露天焚燒，不僅浪費資源，而且會造成一定的環(huán)境污染[2]。隨著機械化程度的提高，秸稈還田作為提高土壤肥力和改善土壤生態(tài)環(huán)境的一項重要措施已得到廣泛認可[3]。秸稈的質量是影響秸稈還田后氮素礦化的重要因子，作物秸稈碳氮比較高，還田后往往造成對土壤氮素的固持[4]，而秸稈還田配施一定量的氮肥常作為耕作管理的一種有效措施。秸稈還田基礎上額外施用氮肥后土壤 碳氮比降低，有利于促進微生物的增殖及分解更多的有機質，并且能夠提高土壤微生物量碳氮含量和酶活性[5]，進而增加土壤有機質中碳的分解與釋放及土壤氮素的礦化[6]。但若在農業(yè)生產中為追求作物高產，氮肥施用量越來越大，不僅增加了生產成本還會造成土壤污染[7]。因而如何將氮肥施用和秸稈還田措施有機結合，更好地培肥土壤，提高半旱區(qū)土地生產力，是目前旱地農業(yè)生產中值得研究的重要課題。

秸稈還田后能供給作物生長所需的養(yǎng)分，提高土壤養(yǎng)分的含量，同時有利于更新和增加土壤有機質[8]，同時粉碎秸稈連續(xù)還田后還能顯著提高作物的籽粒產量，效果較秸稈覆蓋還田措施顯著[9]。然而，秸稈還田極易造成土壤碳氮比失調、秸稈分解與苗爭氮的現(xiàn)象，對玉米生長和產量不利[10]。前人研究結果表明，秸稈還田下作物產量與施氮量呈二次拋物線關系，隨施氮量的增加，作物產量逐漸增加，但超過一定施氮量時，產量反而下降[11-12]?？梢姡斩掃€田與氮肥合理施用決定于有機肥施用和秸稈還田狀況，以維持土壤-作物體系中氮素投入和輸出平衡[13]。秸稈還田配施氮肥還有助于提高氮素的利用效率[14]，然而秸稈還田條件下的合理配施氮肥才能提高土壤氮素供應能力[15]。秸稈還田后添加氮肥可促進秸稈降解，提高無機氮含量和土壤微生物生物量，以彌補秸稈降解過程中土壤微生物對氮素的固持，從而保證氮素的供給[16]。

目前，對于秸稈還田下施用氮肥對作物產量、土壤肥力和微生物等方面的研究已有許多報道[17-18]，然而在不同土壤類型及氣候條件下，秸稈還田補施氮肥調節(jié)碳氮比對土壤碳氮含量、作物生長和土壤微生物、酶活性的影響并不相同[5,19]，對寧夏揚黃灌區(qū)秸稈還田后的最佳施氮量，以及秸稈還田后土壤的培肥效應及玉米生長與土壤微生物、酶活性的響應特征研究較少。為此，針對寧夏揚黃灌區(qū)土壤瘠薄、肥力低下等問題，在玉米秸稈全量還田條件下設置不同施氮水平，研究秸稈還田配施氮肥對土壤有機碳氮含量、微生物量碳氮含量和酶活性及玉米生長和產量的影響，旨在為該區(qū)推行秸稈還田技術的可行性、合理施氮量和培肥土壤環(huán)境提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗于2016年4月—2017年10月在寧夏旱作節(jié)水高效農業(yè)科技園進行。該園區(qū)位于寧夏同心縣王團鎮(zhèn)(36°51′N, 105°59′ E)，屬中溫帶干旱大陸性氣候，海拔約1 200 m，干旱少雨，年降水量150～300 mm，年際變率大，無霜期120～218 d，年平均氣溫8.6℃，水分蒸發(fā)強烈。2016年玉米生育期(4—9月)降水量為146.4 mm，2017年玉米生育期降水量為297.2 mm(表1)。試驗地土壤質地為砂壤土，0～40 cm層土壤有機質質量比為8.2 g/kg，堿解氮質量比38.3 mg/kg，速效磷質量比16.1 mg/kg，速效鉀質量比198.0 mg/kg，pH值8.4，屬低等肥力水平。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，在玉米秸稈全量還田條件下，設4種純氮施用水平：N0(0 kg/hm2)、N1(150 kg/hm2)、N2(300 kg/hm2)、N3(450 kg/hm2)，以秸稈還田不施氮肥處理(N0)為對照，4個處理，3個重復，共12個小區(qū)，小區(qū)面積為7 m×7 m=49 m2。試驗所用玉米秸稈有機養(yǎng)分質量比分別為有機質705.8 g/kg、全氮12.0 g/kg、全磷2.6 g/kg、全鉀12.7 g/kg。試驗處理具體操作如下：

表1 玉米不同生育期降水、灌水和追肥情況Tab.1 Precipitation, irrigation and top-dressing status during growing stage of maize

將前一年收獲后的玉米秸稈切碎成3～5 cm小段，春播前各處理施入基肥純牛糞(有機養(yǎng)分質量比分別為有機質769.2 g/kg、全氮23.0 g/kg、全磷16.3 g/kg、全鉀22.4 g/kg)1.0 t/hm2、磷酸二銨(總養(yǎng)分大于等于64%，N 18%，P2O546%)150 kg/hm2，各處理均按秸稈全量進行翻壓還田(翻壓深度20 cm)，還田量為9 000 kg/hm2，同時在施氮肥處理中分別施入3種不同純氮用量(尿素N大于等于46%)。

玉米供試品種為先玉335，分別于2016年5月8日和2017年4月11日播種，2016年9月30日和2017年10月6日收獲。玉米寬窄行種植，寬行距70 cm，窄行距40 cm，株距20 cm，種子播深5～10 cm，種植密度90 955株/hm2。試驗期降雨量由雨量器連續(xù)定位觀測記錄。玉米生育期灌水量、降水量及追施純氮量如表1所示，2016年玉米生育期灌溉方式為畦灌，每個生育階段隔20 d以相同灌水量分3次灌入，采用人工追肥；2017年灌溉方式為滴灌，每個生育階段隔20 d以相同灌水量分3次灌入，水肥一體化追肥，生育期人工除草。

1.3 測定指標及方法

1.3.1土壤有機碳含量和全氮含量

試驗處理前(4月底)、2016年和2017年玉米收獲期(10月初)，每個處理選取3點，每20 cm采一樣，測定0～40 cm層平均土壤有機碳含量和全氮含量。其中，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定。

1.3.2土壤微生物量碳、氮含量

試驗處理前、2016年和2017年玉米收獲期，每個處理選取3點，每20 cm采一樣，采集0～40 cm新鮮土樣，裝在滅菌后的塑料袋中，帶回實驗室于4℃冰箱保存，分層混勻后過2 mm篩，測定0～40 cm耕層平均土壤微生物量碳、氮含量和土壤酶活性。土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法測定，微生物量碳、氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤有機碳、氮含量之差除以kEC(0.45)和kEN(0.38)得到。

1.3.3土壤酶活性

土壤脲酶活性(按NH3-N質量計)采用靛酚藍比色法測定，單位為mg/(g·(24 h))；過氧化氫酶活性(按KMnO4體積計)采用高錳酸鉀滴定法測定，單位為mL/(g·(20 min))，堿性磷酸酶活性(按酚質量計)采用磷酸苯二鈉比色法測定，單位為mg/(g·(24 h))；蔗糖酶活性(按葡萄糖質量計)采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，單位為mg/(g·(24 h))。

1.3.4玉米生長指標及產量

在玉米生育前期、中期和后期，每處理選取3個點，每點選取長勢均勻一致的3株玉米，定株監(jiān)測植株株高、莖粗；同時，每處理選取長勢均勻一致的3株玉米，測定其地上部生物量。玉米收獲期，每個處理選取3點，每點收獲3 m雙行果穗，脫粒，干燥，稱量。籽粒產量以14%含水率計算。

1.4 數(shù)據統(tǒng)計分析

采用Excel 2003制圖，SAS 8.0進行方差分析，并用LSD法(P<0.05)進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對土壤有機碳氮含量的影響

秸稈還田增施氮肥可增加耕層土壤有機碳含量和全氮含量，與處理前相比，玉米收獲期施氮各處理耕層土壤有機碳含量和全氮含量均顯著增加，2016年增幅為7.2%～13.9%，2017年增幅為3.1%～16.7%(表2)。2016年N2處理0～40 cm層土壤有機碳含量較N0處理(對照)顯著增加12.9%，而N1、N3處理與N0處理無顯著差異；2017年N2和N3處理耕層土壤有機碳含量分別較N0處理顯著增加13.7%和15.0%，而N1與N0處理無顯著差異。2年研究期間，秸稈還田下0～40 cm耕層土壤全氮含量均隨施氮量的增加而增加，以N3處理最高，N1、N2和N3處理平均土壤全氮含量分別顯著高于N0處理19.7%、31.3%和36.0%，但N2與N3處理間差異不顯著。

氮素的礦化和非移動性的轉換大部分依賴于碳氮比，秸稈還田條件下配施氮肥可調節(jié)土壤碳氮比(C/N)。與處理前相比，2年玉米收獲期各處理耕層土壤碳氮比均顯著降低，降幅為8.1%～26.6%，各施氮處理的土壤碳氮比隨施氮量的增加而降低，以N3處理最低。2016年N3與N2處理差異不顯著，N1和N2處理差異不顯著，N1、N2和N3處理土壤碳氮比分別較N0處理顯著降低10.6%、14.3%和20.0%；2017年N1、N2和N3處理間無差異，均顯著低于N0處理，降幅為13.3%～16.5%。

表2 秸稈還田配施氮肥對耕層(0～40 cm)土壤碳氮比的影響Tab.2 Effects of straw returning with nitrogen application on soil C/N at 0～40 cm layer

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 秸稈還田配施氮肥對土壤微生物量碳氮含量及酶活性的影響

從表3可以看出，2016年玉米收獲期秸稈還田配施氮肥各處理與試驗處理前相比，土壤微生物量碳、氮含量均有不同程度提髙，而秸稈還田不施氮肥處理(對照)均有不同程度降低。不同氮肥施用量各處理土壤微生物量碳、氮含量均顯著高于對照處理，且微生物碳含量由大到小表現(xiàn)為N2、N3、N1、N0，微生物氮含量由大到小表現(xiàn)為N3、N2、N1、N0。與N0處理相比，N2處理對微生物量碳含量、N3處理對微生物量氮含量的提高作用最佳，分別顯著提高28.6%和34.2%；N1和N3處理土壤微生物量碳含量分別較N0處理顯著提高13.0%、19.7%，N1和N2處理土壤微生物量氮含量分別顯著提高12.8%、28.5%。經過兩季秸稈還田后，2017年各處理土壤微生物量碳、氮含量均較2016年明顯提髙，其微生物碳含量由大到小表現(xiàn)為N2、N3、N1、N0，微生物氮含量由大到小表現(xiàn)為N3、N2、N1、N0。N2和N3處理土壤微生物量碳含量分別較N0處理顯著提高15.6%和12.2%，N1與N0處理無顯著差異；N1、N2和N3處理土壤微生物量氮含量分別較N0處理顯著提高13.7%、27.3%和30.4%。2年研究期間，各處理微生物量碳氮比的范圍在7.32～9.05之間，且不同年份各施氮處理土壤微生物量碳氮比均隨施氮量和還田年限的增加而降低。秸稈還田配施氮肥各處理的微生物量碳氮比無差異，均高于試驗處理前，低于對照處理。

如表3所示，經過第1年和第2年秸稈還田后，2年玉米收獲期秸稈還田配施氮肥各處理土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性均高于2016年試驗處理前。N2和N3處理土壤酶活性較N0處理顯著提高，而N0處理與試驗處理前相比，提高過氧化氫酶活性，降低脲酶活性。N1、N2和N3處理均較N0顯著提高土壤脲酶活性，2016年分別提高33.3%、54.8%和42.9%，2017年分別提高25.0%、38.3%和30.0%；N2和N3處理土壤過氧化氫酶活性2016年分別較N0處理顯著提高30.1%和13.7%，2017年分別較N0處理顯著提高27.2%和13.4%，而N1和N0處理2年研究期間對土壤過氧化氫酶活性提高作用不顯著；與N0處理相比，N1、N2和N3處理土壤堿性磷酸酶活性2016年分別顯著提高44.2%、73.1%和65.4%，2017年分別顯著提高41.4%、62.1%和51.7%；N1、N2和N3處理土壤蔗糖酶活性2016年較N0處理分別顯著提高44.1%、67.8%和 54.5%，2017年分別顯著提高33.6%、57.0%和 44.2%。由此可見，秸稈還田配施氮肥能提高土壤脲酶、過氧化氧酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，秸稈還田配施中氮肥處理的土壤酶活性明顯高于低氮肥處理，但高氮肥處理的酶活性卻低于中氮肥處理。

表3 秸稈還田配施氮肥對耕層(0～40 cm)土壤微生物量碳氮含量及酶活性的影響Tab.3 Effects of straw returning with nitrogen application on soil microbial biomass carbon C, N and enzyme activities at 0～40 cm layer

2.3 秸稈還田配施氮肥對玉米生長的影響

圖1 秸稈還田配施氮肥對玉米生長指標的影響Fig.1 Effects of straw returning with nitrogen application on maize growth index

玉米生育期植株株高呈先增高后趨于平緩的變化趨勢，在玉米生育中后期秸稈還田配施氮肥各處理下玉米株高均顯著高于秸稈還田不施氮肥(對照)(圖1a、1d)。玉米生育前期，2年研究期間秸稈還田配施不同氮肥用量各處理間差異不顯著，而到玉米生育中后期，秸稈還田下不同氮肥施用量處理間差異顯著，N1、N2和N3處理2年平均株高分別較N0處理顯著增加11.1%、13.5%和10.1%。如圖1b、1e所示，在玉米生育前期秸稈還田與氮肥配施條件下，2016年植株莖粗隨施氮量的增加而增加，2017年植株莖粗隨施氮量的增加而降低。N1、N2和N3處理與N0處理差異顯著。生育中后期，由于降雨較多，秸稈還田配施氮肥處理能保蓄較多的土壤水分，使2年研究期間施氮各處理間玉米莖粗顯著高于不施氮處理。N1、N2和N3處理玉米整個生育期平均莖粗分別較N0處理顯著增加15.1%、15.4%和11.5%。

在玉米主要生育時期各處理地上部生物量呈逐漸上升的趨勢(圖1c、1f)。在玉米中后期，秸稈還田配施氮肥各處理地上部生物量均高于對照，尤其以N2處理表現(xiàn)最為顯著。玉米生長前期，2016年植株地上部生物量各處理間差異均不顯著，2017年植株地上部生物量N1和N2顯著高于N0處理。生育中后期，2016年各處理地上部生物量由大到小為N2、 N3、N1、N0，N1、N2和N3處理與N0處理差異顯著，而N1、N2和N3處理間差異均不顯著；2017年各處理地上部生物量由大到小為N2、N1、N3、N0，N1、N2和N3處理與N0處理差異顯著，而N1和N2、N1和N3處理差異不顯著。N1、N2和N3處理2年平均植株地上部生物量分別較N0處理顯著增加19.3%、24.7%和16.0%，分析其原因主要是玉米生育前期還田處理秸稈腐解與作物爭奪土壤中的氮素，且氣候較為干旱，擾動土壤不利于保水所致，中后期生長受秸稈還田、土壤水分和氮肥共同作用，處理間差異顯著。施中量氮比施高量氮略大，這主要由于在較干旱條件下，高施氮肥對玉米莖粗的生長起負作用。

2.4 秸稈還田配施氮肥對玉米產量的影響

秸稈還田配施不同氮肥用量對作物產量的影響不同。由圖2可知，秸稈還田配施氮肥能改善土壤肥力狀況，從而提高玉米的籽粒產量。2年各處理玉米產量年際間表現(xiàn)為2016年大于2017年，這可能與2年玉米各生育時期的降雨分布有關，同時還與當年的灌水方式有關。不同年份各處理玉米籽粒產量存在顯著差異，N2處理2年玉米產量均顯著高于N0處理(對照)。2016年各處理玉米產量由大到小為N2、N3、N1、N0，增產效果以N2處理最為顯著，N3處理次之，分別較N0處理增加32.1%、23.7%，而N1處理玉米籽粒產量與N0處理差異不顯著；2017年各處理玉米產量由大到小表現(xiàn)為N2、N1、N3、N0，增產效果以N2處理最佳，較N0處理顯著增產11.8%，而N1和N3處理玉米籽粒產量與N0處理差異不顯著。綜合2年試驗研究結果表明，N2處理玉米增產效果最高，玉米平均籽粒產量較N0處理提高22.0%。

圖2 秸稈還田配施氮肥措施下玉米籽粒產量Fig.2 Grain yield of maize under straw returning with nitrogen application

3 討論

3.1 土壤有機碳氮含量

秸稈還田配施化肥既有利于土壤有機碳的積累[20-21]，還可提高土壤氮素的供應能力[14]。適宜的秸稈與氮肥配施對土壤碳氮的固持和供給效果較好，有利于增強土壤微生物固定碳氮的能力[22]。有研究認為，稻麥輪作區(qū)秸稈還田能夠顯著提高土壤有機碳含量[23]。秸稈還田條件下土壤有機質含量隨施氮量增加而增加[16]。秸稈還田施無機氮調節(jié)碳氮比，碳氮比越低土壤無機氮含量越高[5]。本研究結果表明，秸稈還田配施氮肥能有效提高土壤有機碳、全氮含量，其中以秸稈還田配施300 kg/hm2氮肥處理表現(xiàn)最佳。分析其原因是由于秸稈還田配施氮肥后可使土壤碳氮比降低，更有利于促進微生物的增殖及分解更多的有機質，進而增加土壤有機質中碳的分解與釋放及土壤氮素的供給[5-6]。

3.2 土壤微生物量碳氮含量和酶活性

土壤微生物量碳氮能反映土壤有效養(yǎng)分狀況和生物活性，在很大程度上反映土壤微生物數(shù)量，常受施肥、耕作等技術措施的影響[17]。氮肥管理可增加秸稈還田前期無機氮固持，而后期秸稈和微生物氮的礦化可增加無機氮供應[20]，但秸稈還田補施氮肥雖能增加土壤無機氮含量，但并未導致微生物量氮的提高[5]。本研究結果表明，與不施氮肥處理相比，中量氮肥處理對微生物量碳、高量氮肥處理對微生物量氮的提高作用最明顯，這是由于土壤微生物量碳氮含量與加入土壤的有機碳源的種類和數(shù)量有關，秸稈還田為土壤補充有機質，提高了土壤碳氮比，進而增強對氮的固持能力；秸稈還田配施氮肥具有很強的持水能力，可防止土壤氮素的揮發(fā)，土壤微生物量氮含量進而隨之增加[21]。土壤微生物量碳氮比可反映微生物群落結構信息，其顯著的變化表明微生物群落結構變化，直接影響微生物量的高低[23]。本研究表明，秸稈還田配施氮肥各處理土壤微生物量碳氮比無差異，而顯著高于處理前和秸稈還田不施氮肥處理。這是由于秸稈還田為微生物提供了充足的碳源，配施中量氮肥調整了微生物量碳氮比，且具有較高有效利用性，促進微生物繁殖，從而增加土壤微生物量[24]。

秸稈還田能激發(fā)土壤微生物活性，有利于土壤微生物的繁殖，可提高耕層土壤酶活性[18,25]。秸稈還田施用無機氮肥，相比于秸稈還田不施氮肥，玉米收獲期顯著提高了土壤脲酶活性[5]。本研究結果表明，秸稈還田配施氮肥能提高土壤脲酶、過氧化氧酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，秸稈還田配施中量氮肥土壤酶活性更高，但低氮肥和超氮肥處理的土壤酶活性低于中氮肥處理。這是由于在秸稈還田量一定的條件下，碳氮比調控在適宜的范圍有利于提高土壤微生物生物量和微生物活性，而土壤微生物生物量的增加又會進一步提高包括土壤酶在內的分泌物數(shù)量[21]，從而提高土壤酶活性[5]。

3.3 玉米生長指標及產量

秸稈還田下增施一定量的氮肥對土壤的肥力效應和對作物生長發(fā)育的促進效應大于單獨秸稈還田措施[26]。有研究報道，秸稈還田配施氮肥對玉米前期和中后期的生長影響差別較大，而對玉米早期生長有一定的負面作用，中后期秸稈還田配施氮肥呈現(xiàn)正效應[27]。本研究也表明，秸稈還田配施氮肥不同用量對玉米生育中后期的生長促進效果顯著，施中量氮肥優(yōu)于施高量氮肥，這是由于在秸稈還田后，低氮肥施用量時，由于秸稈腐解過程中微生物會和作物發(fā)生競爭氮素，而當施氮量達到一定水平時這種爭氮現(xiàn)象會減弱，當秸稈腐解后，產生的有機物質使土壤肥力狀況得到改善，從而促進作物的生長[10]。

秸稈還田配施氮肥可培肥土壤環(huán)境，實現(xiàn)作物增產，但配施氮肥的量與研究的區(qū)域特征(氣候、土壤類型等)、秸稈還田量等有關。高金虎等[27]研究報道，在遼西風沙半干旱區(qū)農業(yè)生產中，建議秸稈還田量6 000～9 000 kg/hm2配施純氮420 kg/hm2，可達到較好效果。張亮等[28]研究認為，在玉米秸稈全量還田(4 500 kg/hm2)條件下，關中平原冬小麥氮肥用量應控制在175～262.5 kg/hm2。而呂艷杰等[29]在高緯度黑土區(qū)提出，秸稈還田(6 000 kg/hm2)后配合中等用量氮處理(240 kg/hm2)玉米產量最高。本研究結果表明，在寧夏揚黃灌區(qū)進行秸稈還田(9 000 kg/hm2)配施中量氮300 kg/hm2時能顯著提高玉米產量，而配施中量氮(300 kg/hm2)增產效果高于配施高量氮(450 kg/hm2)和低量氮處理(150 kg/hm2)，這是由于秸稈全量還田配施一定量氮肥后，可顯著增加土壤碳氮含量，從而使土壤酶活性提高，加速土壤礦質養(yǎng)分和有機質養(yǎng)分的分解利用，為玉米生長提供了充足的養(yǎng)分供應，最終使玉米的產量增加[19]，同時中量氮肥處理能夠更好地調節(jié)土壤中的碳氮比，使作物充分利用土壤氮素[30]。

4 結論

(1)秸稈還田配施氮肥能有效提高土壤有機碳、全氮含量，調節(jié)土壤碳氮比，隨施氮量的增加，土壤碳氮比降低，其中以秸稈還田配施純氮300、450 kg/hm2處理表現(xiàn)較佳。

(2)秸稈還田配施氮肥能顯著提高土壤微生物量碳氮含量和酶活性，其中秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理對土壤微生物量碳含量、秸稈還田配施純氮450 kg/hm2處理土壤微生物量氮含量的提高作用最為顯著，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理的土壤酶活性最高。

(3)秸稈還田配施氮肥不同用量可提高玉米植株株高、莖粗和地上部生物量，尤其秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理對玉米生育中后期的生長促進效果顯著。與秸稈還田不施氮肥處理相比，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理的增產效果最佳。