長期秸稈還田與氮肥調(diào)控對稻田土壤質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

張娟琴，鄭憲清，張翰林，呂衛(wèi)光，李雙喜

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403；2.上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201403；3.上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海 201403；4.農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海 201403；5.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201403)

農(nóng)作物秸稈作為地球上第一大可再生資源，我國秸稈產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的三分之一[1]，農(nóng)業(yè)秸稈作為物質(zhì)、能量和養(yǎng)分的載體，本身含有豐富的碳、氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種元素[2]，在倡導(dǎo)生態(tài)農(nóng)業(yè)的大背景下，秸稈還田是農(nóng)業(yè)資源再利用的最重要途徑，不僅可以減少對環(huán)境的污染，同時(shí)也可以提高資源再利用率[3-5]。大量研究表明，秸稈還田可以改良土壤結(jié)構(gòu)、改善肥力狀況和養(yǎng)分循環(huán)，還可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量、維持農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡[6-7]，但是秸稈還田有可能存在重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)秸稈高碳氮比使其還田腐解過程中與作物爭奪氮肥，造成土壤氮肥相對缺乏，陳海飛等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田后土壤耕層的碳氮比大約為 55～65∶1，而秸稈腐解適宜的碳氮比為 25～30∶1，所以需要配施適量的化學(xué)氮肥來解決微生物在分解秸稈的過程中與作物競爭土壤中氮素的矛盾。Nicholson等[10]也指出長期的秸稈還田致使硝酸氮類肥料以每年10～25 kg/hm2的速度減少。秸稈還田配施氮肥在不同程度上提高了土壤養(yǎng)分供應(yīng)潛力[11]，在一定程度上可以提高作物產(chǎn)量[12]。秸稈還田對作物的產(chǎn)量效應(yīng)主要取決于秸稈還田的方式、數(shù)量以及化學(xué)氮肥的施用量等。因此，長期秸稈還田條件下，如何科學(xué)調(diào)控氮肥，提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量至關(guān)重要。已經(jīng)有很多學(xué)者針對秸稈還田條件下氮肥的調(diào)控進(jìn)行了研究。胡雅杰等[13]研究表明，秸稈全量還田條件下，氮肥并非越多越好，氮肥用量300 kg/hm2時(shí)，可有效提高水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸稈還田條件下氮肥調(diào)控對水稻長勢的影響發(fā)現(xiàn)，最佳氮肥施用量為163 kg/hm2。而汪軍等[15]認(rèn)為秸稈還田條件下，太湖地區(qū)水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用率?？赡芤?yàn)榈赜蚧蛲寥拉h(huán)境的差異，前人的研究結(jié)論不盡相同，因此，需要中長期定位試驗(yàn)對秸稈還田條件下的氮肥調(diào)控對土壤質(zhì)量的影響進(jìn)行全面評估。本研究從土壤理化特性、重金屬含量、活性有機(jī)質(zhì)、微生物量碳、碳管理指數(shù)及產(chǎn)量等表征土壤肥力、環(huán)境、健康等與土壤質(zhì)量密切相關(guān)的指標(biāo)入手，研究長期秸稈還田與氮肥調(diào)控對土壤質(zhì)量及水稻產(chǎn)量的影響，以期為提高長三角地區(qū)秸稈資源利用率和改善土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)處理設(shè)置

試驗(yàn)基地位于崇明島三星鎮(zhèn)(31°4l′15″N，121°54′00″E)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1 003.7 mm，年均氣溫15.3 ℃，年均積溫2 559.60 ℃。試驗(yàn)田為稻麥輪作，定位輪作年限為5年。供試土壤為潮土，初始肥力：pH值 8.43，土壤容重1.24 g/cm3，有機(jī)質(zhì)24.91 g/kg，全氮1.91 g/kg、全磷2.40 g/kg、全鉀17.22 g/kg。試驗(yàn)設(shè)5個處理：TB:秸稈不還田+N 300 kg/hm2、T0：秸稈全量還田+不施肥、T17：秸稈全量還田+N 255 kg/hm2、T20：秸稈全量還田+N 300 kg/hm2、T23：秸稈還田+N 345 kg/hm2，除氮肥外，各施肥處理磷肥和鉀肥用量分別為120,180 kg/hm2，作基肥一次性施入。氮肥采用分次施肥，基肥、蘗肥、穗肥分別占總施氮量的40%，30%，30%，其他管理措施均一致。還田的小麥秸稈量約為6.5 t/hm2，采用稻麥聯(lián)合收割機(jī)(帶秸稈粉碎裝置)收割的同時(shí)粉碎秸稈(8～10 cm)，均勻拋撒后采用旋耕機(jī)旋打18～20 cm的深度，每個小區(qū)面積為258 m2(43 m×6 m)，每處理設(shè)3重復(fù)。供試水稻為光明粳2號，水稻采用稻麥條播機(jī)直播，播種量為90 kg/hm2。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤樣品采集 水稻收割后，每小區(qū)S型采集耕層(0～20 cm)土壤10個樣點(diǎn)混勻?yàn)橐粋€土壤樣品，樣品封裝后帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 樣品分析方法 全氮-凱氏定氮法、全磷-酸溶-鉬銻抗比色法、全鉀-氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法、速效氮-凱氏定氮法、速效磷-鉬銻抗比色法、速效鉀-火焰光度計(jì)法、pH采用電位法、土壤容重采用環(huán)刀法、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、活性有機(jī)質(zhì)(LOM)采用333 mmol/L KMnO4氧化法、微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[16-17]，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr采用火焰原子吸收分光光度法(詳見GB/T17138-1997、GB/T17140-1997、HJ491-2009)，Hg采用冷原子吸收分光光度法(GB/T1736-1997)，As采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法分析(GB/T1734-1997)測定。

1.2.3 碳庫管理指數(shù)的計(jì)算 以對照處理土壤為參照(本研究以T0為參照土壤)，碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)等相關(guān)指標(biāo)參照沈宏等[18]的方法計(jì)算。

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(AI)×100%

其中：CPI=農(nóng)田土壤總有機(jī)質(zhì)含量/參考農(nóng)田總有機(jī)質(zhì)含量；

AI=農(nóng)田碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度(ACK)；

A=土壤活性有機(jī)質(zhì)/土壤非活性有機(jī)質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均以3個重復(fù)樣品的平均值來表示，采用Excel 2007和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與氮肥調(diào)控對土壤基本理化特性的影響

秸稈還田與不同氮肥調(diào)控水平對土壤基本理化性質(zhì)的影響見表1，在全量養(yǎng)分方面，水稻收獲期土壤全氮、全磷、全鉀分別為1.62～2.21 g/kg， 1.73～2.41 g/kg， 15.90～18.52 g/kg，隨著氮肥施用量的增加，全氮、全磷、全鉀有升高的趨勢。T0處理速效氮、速效磷、速效鉀顯著低于其他處理，隨著氮肥施用量的增加，速效氮的含量增加；施肥量相同的條件下，秸稈還田處理T20較秸稈不還田處理TB速效氮、速效磷、速效鉀分別提高21.1%，8.9%，1.1%。各處理pH值8.43～8.55，土壤pH均呈堿性，各處理間并無顯著差異。容重是與土壤結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的物理特性之一，直接影響著土壤水、肥、氣、熱的狀況，一般含礦物質(zhì)多而結(jié)構(gòu)差的土壤(如砂土)，土壤容重為1.4～1.7 g/cm3，含有機(jī)質(zhì)多而結(jié)構(gòu)好的土壤(如農(nóng)業(yè)土壤)為1.1～1.4 g/cm3，本試驗(yàn)中土壤的容重為1.19～1.23 g/cm3，與TB相比較，其他處理土壤容重下降了2.50%～3.36%。

表1 秸稈還田與氮肥施用量對土壤理化特性的影響Tab.1 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on physico-chemical properties of soil

注：表中數(shù)據(jù)為3個數(shù)值的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著 (P<0.05)。表2-3同。

Note: Date in the table are mean±SE,n=3； Different letters indicate a significant difference atP<0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 秸稈還田與氮肥調(diào)控對土壤重金屬含量的影響

經(jīng)過5年的稻麥秸稈連續(xù)全量還田后，稻田土壤7種重金屬(全量)測定結(jié)果如表2，其中土壤汞、砷、鉛、鎘、鉻、銅、鋅含量分別為0.16～0.17 mg/kg，5.57～5.68 mg/kg，18.38～18.45 mg/kg，0.21～0.22 mg/kg，68.87～70.06 mg/kg，26.95～27.41 mg/kg，79.52～80.42 mg/kg。7種重金屬中僅砷的含量略有上升的趨勢，但差異并未達(dá)到顯著水平。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)局土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618)，試驗(yàn)稻田土壤中砷、鉛、鉻、銅、鋅的含量均小于自然背景值，屬于一級標(biāo)準(zhǔn)，汞、鎘略大于一級標(biāo)準(zhǔn)的0.15，0.20 mg/kg的限制值，遠(yuǎn)低于二級標(biāo)準(zhǔn)-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤標(biāo)準(zhǔn)(pH>7.5，Hg≤1.00 mg/kg、Cd≤0.60 mg/kg)。

表2 秸稈還田與氮肥施用量對土壤重金屬含量的影響Tab.2 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on concentration of heavy metals in soil mg/kg

2.3 秸稈還田與氮肥調(diào)控對土壤活性有機(jī)質(zhì)含量、微生物量碳、碳庫管理指數(shù)的影響

從表3中可以看出，秸稈還田5年后，秸稈還田處理土壤活性有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)質(zhì)及微生物量碳與TB相比分別提高了0.522～1.081 g/kg，1.80～1.83 g/kg，135.54～162.40 mg/kg。秸稈還田條件下，T17、T20、T23的活性有機(jī)質(zhì)、微生物量碳較T0分別提高了41.67%～43.61%，38.17% ～40.23%，但是總有機(jī)質(zhì)的差異不顯著。本試驗(yàn)中秸稈還田處理較秸稈不還田的TB處理碳庫管理指數(shù)提高了39.67%～85.30% ，顯著提高碳庫管理指數(shù)(P<0.05)，增加土壤碳庫。

表3 秸稈還田條件下氮肥調(diào)控對土壤活性有機(jī)質(zhì)含量、微生物量碳、碳庫管理指數(shù)的影響Tab.3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on organic matter content, microbial biomass carbon, carbon pool management index of soil

注：LOW. 活性有機(jī)質(zhì)；TOM. 總有機(jī)質(zhì)；MBC. 微生物量碳；CPMI. 碳庫管理指數(shù)。

Note: LOW. Labile organic matter; TOM. Total organic matter; MBC. Microbial biomass carbon; CPMI. Carbon pool management index.

2.4 秸稈還田與氮肥施用量對水稻產(chǎn)量的影響

水稻產(chǎn)量是評價(jià)農(nóng)田地力的重要指標(biāo)，本研究中各處理水稻產(chǎn)量為8 610～12 030 kg/hm2，施肥處理的TB、T17、T20、T23比不施肥處理T0處理水稻產(chǎn)量高出31.01%，33.80%，38.67%，39.38%；施肥量相同的T20較TB水稻產(chǎn)量增加5.85%；隨著氮肥的增加T20、T23較 T17增加了3.64%～4.17%(圖1)。

圖中數(shù)據(jù)為3個數(shù)值的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，標(biāo)準(zhǔn)誤差≤5%；圖中不同字母表示處理間差異顯著 (P<0.05)。Date in the figure are mean±SE, n=3, SE≤5%；Different letters indicate significant difference at P<0.05.

3 討論與結(jié)論

秸稈還田條件下，隨著氮肥施用量的增加，土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量上升，尤其是與作物生長密切相關(guān)、反映土壤近期養(yǎng)分供應(yīng)情況的速效氮、速效磷(除了T23)、速效鉀的含量隨氮肥量的增加顯著上升(P<0.05)。崔新衛(wèi)等[6]研究了秸稈覆蓋還田條件下冬小麥-夏玉米輪作的農(nóng)田耕層土壤速效養(yǎng)分動態(tài)變化，表明秸稈還田可以顯著提高速效養(yǎng)分的含量。鄧巧玲等[19]研究稻-油輪作得出相似的結(jié)論。本試驗(yàn)中施肥量相同的條件下，秸稈還田處理T20較秸稈不還田處理TB速效氮、速效磷、速效鉀分別提高21.1%，8.9%，1.1%。勞秀榮等[20]通過25年的定位盆栽試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)秸稈還田與化肥配合施用可以有效地增加速效養(yǎng)分的含量，改善土壤的物理性狀、培肥土壤。王永吉[21]通過寒地稻草還田與施氮對土壤氮素影響的研究，認(rèn)為水稻分蘗期土壤無機(jī)氮的含量隨著稻草還田量的增加而下降，但是成熟期土壤無機(jī)氮正好相反。諸多的研究已經(jīng)證實(shí)了秸稈還田配施氮肥在不同程度上提高了土壤養(yǎng)分供應(yīng)潛力[11]，在一定程度上可以提高作物產(chǎn)量[12]。但是關(guān)于氮肥配施量卻未達(dá)成共識，胡雅杰等[13]研究表明，秸稈全量還田條件下，氮肥用量300 kg/hm2(基肥∶分粟肥∶穗肥=4∶3∶3)時(shí)，可有效提高水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸稈還田條件下氮肥調(diào)控對水稻長勢的影響發(fā)現(xiàn)，最佳氮肥施用量為163 kg/hm2。而汪軍等[15]認(rèn)為秸稈還田條件下，太湖地區(qū)水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用率。魏海燕等[22]研究認(rèn)為秸稈不還田下機(jī)插稻適宜的施氮量為300 kg/hm2。本研究通過土壤質(zhì)量、產(chǎn)量等對比研究，結(jié)果表明秸稈全量還田的條件下，氮肥的合理配施量為300 kg/hm2，與胡雅杰等[13]研究結(jié)論一致。秸稈還田條件下，氮肥的配施量可能與地域、土壤環(huán)境、種植模式、水肥運(yùn)籌等相關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體情況因地制宜，避免化肥的過量施用造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染。焉莉等[23]研究了施肥方式對東北玉米種植區(qū)氮磷流失的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田可明顯降低22.9%的全氮流失負(fù)荷及15.1%的全磷流失負(fù)荷。本試驗(yàn)在借鑒前期水肥運(yùn)籌試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了秸稈全量還田條件下氮肥調(diào)配及土壤質(zhì)量的響應(yīng)，可以為長三角地區(qū)秸稈還田條件下，氮肥的配施提供依據(jù)，不足之處是未對氮肥利用率進(jìn)行考證。

秸稈還田是否增加重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，前人的研究所得結(jié)論不同[24]。湯文光等[25]研究長期不同耕作與秸稈還田對土壤養(yǎng)分庫容及重金屬Cd的影響認(rèn)為秸稈還田后秸稈中富集的Cd重新歸還到稻田土壤中，有Cd的積累風(fēng)險(xiǎn)。諸多研究表明，秸稈還田會造成重金屬活性的改變從而增加土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。倪中應(yīng)等[26]研究了污染秸稈還田配施石灰對水田土壤銅、鋅、鉛、鎘活性的影響，結(jié)果表明,秸稈還田前20 d顯著增加了水溶性重金屬的含量，但60 d后秸稈還田對土壤重金屬活性的影響逐漸變得不明顯。大部分學(xué)者認(rèn)為，施用有機(jī)物料帶入大量的水溶性有機(jī)物，從而提高了土壤中重金屬活性和遷移能力，增加了重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[24]。本研究表明，經(jīng)過5年的稻麥秸稈連續(xù)全量還田后，各處理土壤汞、鉛、鎘、鉻、銅、鋅6種重金屬(全量)未出現(xiàn)積累現(xiàn)象，僅砷的含量略有上升的趨勢，但差異并未達(dá)到顯著水平。pH值作為影響土壤生物和化學(xué)活性的重要指標(biāo)之一，是影響重金屬活性的關(guān)鍵因素，本試驗(yàn)中土壤pH值差異小且偏堿性，所以未對重金屬的活性進(jìn)行監(jiān)測。鑒于試驗(yàn)稻田土壤中砷含量有上升趨勢，汞、鎘含量超過一級標(biāo)準(zhǔn)，這可能與農(nóng)業(yè)投入品使用有關(guān)，因此，日后的農(nóng)業(yè)管理加強(qiáng)有機(jī)肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的管理，注意防范有害物質(zhì)的污染風(fēng)險(xiǎn)。

秸稈還田直接影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)不僅影響土壤的結(jié)構(gòu)、容重等物理性狀，而且還影響土壤的保肥與供肥性能[27]。碳庫管理指數(shù)是農(nóng)業(yè)管理措施引起土壤有機(jī)質(zhì)變化的指標(biāo)，它能系統(tǒng)的、靈敏的反映土壤碳庫及土壤質(zhì)量的變化[28]。本試驗(yàn)中秸稈全量還田條件下，隨著氮肥施用量的增加碳庫管理指數(shù)呈上升趨勢，這可能與適量施用氮肥可以降低土壤碳氮比，有利于微生物生長，從而加快秸稈腐解有關(guān)，微生物碳量隨氮肥施用量的增加而增加，間接驗(yàn)證了這一結(jié)論。鄧巧玲等[19]研究稻-油輪作指出長期秸稈還田增加細(xì)菌和叢枝菌根真菌含量，提高了土壤微生物多樣性和穩(wěn)定性。李有兵等[29]認(rèn)為秸稈還田后其自身所含有機(jī)碳礦化大部分以CO2形式釋放于大氣，對土壤總有機(jī)碳含量的影響較?。慌c本試驗(yàn)的結(jié)論一致，秸稈還田主要影響土壤活性有機(jī)質(zhì)、微生物量碳的含量，對總有機(jī)質(zhì)的影響較小。秸稈還田后合理的配施氮肥不僅可以避免氮肥的相對缺乏而出現(xiàn)的“僵苗”現(xiàn)象，同時(shí)可以促進(jìn)秸稈腐解、培肥土壤，增加作物產(chǎn)量。陳新紅等[30]研究表明，秸稈還田后水稻前期會出現(xiàn)氮肥缺乏，但抽穗后秸稈分解釋放的氮肥促進(jìn)其生長，從而增加水稻產(chǎn)量。

總之，無污染的秸稈還田后，合理的配施氮肥(300 kg/hm2)不僅可以避免秸稈腐解過程中與作物爭奪氮肥，而且可以促進(jìn)土壤碳、氮的更新，培肥土壤，提高產(chǎn)量，改善土壤質(zhì)量。