秸稈還田配施氮肥對土壤性狀與水分利用效率的影響

李 榮 侯賢清 吳鵬年 李培富 王西娜

(寧夏大學農(nóng)學院， 銀川 750021)

0 引言

我國秸稈資源豐富，年產(chǎn)量約7.9億t，約占世界的39.5%。除部分用作燃料、造紙、飼料外，大部分秸稈被焚燒[1-2]。隨著化肥用量增長，廄肥、綠肥量大幅降低，秸稈已成為重要的有機肥源之一[3]，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的培肥措施，秸稈還田不僅可杜絕秸稈焚燒現(xiàn)象，減少環(huán)境污染，還可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，達到提高土壤保水保肥性能、增加作物產(chǎn)量的目的[4]，其綜合利用對穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡、促進農(nóng)民增產(chǎn)增收、緩解能源與環(huán)境壓力具有重要作用[5]。因此，充分利用現(xiàn)有秸稈資源是當前亟待解決的重要問題。

近年來，圍繞秸稈還田對農(nóng)田土壤理化特性及作物響應機理相關研究已成為國內(nèi)外學者普遍關注的熱點[6-10]。秸稈與化肥配施具有培肥改土作用，可改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增強土壤蓄水保墑的能力，減少水分蒸發(fā)，提高作物的水分利用效率[11-14]。白偉等[15]研究表明，秸稈還田配施氮肥可顯著提高土壤含水率，降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤三相比。張亮[16]研究也表明，秸稈還田配施氮肥的作物水分利用效率明顯高于不施氮肥處理，秸稈還田配施氮肥量(純N)225 kg/hm2的水分利用效率最高。在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為追求作物高產(chǎn)，氮肥施用量越來越大，不僅增加了生產(chǎn)成本，還造成土壤污染[17]。因而如何將氮肥施用量和秸稈還田措施有機結(jié)合，更好地促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，是目前值得研究的重要課題。

在不同土壤類型及氣候條件下，不同秸稈還田方式結(jié)合施肥措施對土壤物理性質(zhì)變化及作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響并不相同[18]。寧夏揚黃灌區(qū)是寧夏重要的玉米產(chǎn)區(qū)，地處中溫帶干旱區(qū)，降雨較少，土壤質(zhì)地粘重、有機質(zhì)含量偏低、養(yǎng)分匱乏，嚴重制約了作物的生長，從而導致該地區(qū)水分利用效率低下[19]。該區(qū)長期以來一直依賴化學肥料，盲目施肥導致肥料的大量浪費和土壤質(zhì)量下降[20]。秸稈還田配施氮肥作為一種有效的土壤快速培肥方式已在該區(qū)開始應用[21]，然而由于秸稈還田后的氮肥用量及還田周期不同，其對秸稈還田后土壤物理性質(zhì)、玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響效果亦不相同[8,14-15,18]。目前，秸稈還田配施氮肥對作物產(chǎn)量和土壤肥力等方面的研究已有諸多報道，然而秸稈還田配施氮肥不同用量對寧夏揚黃灌區(qū)土壤物理性質(zhì)、玉米產(chǎn)量及水分利用效率的研究卻鮮見報道。為此，本研究針對寧夏揚黃灌區(qū)干旱少雨、土壤結(jié)構(gòu)差、水分利用效率低等問題，通過補灌和秸稈還田配施不同用量的氮肥，研究其對土壤容重、含水率及春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為該區(qū)秸稈還田配施適量氮肥和玉米高產(chǎn)及水分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗于2016年4月至2017年10月在寧夏旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園進行。該園區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)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(zhì)地為砂壤土，0～40 cm層土壤有機質(zhì)質(zhì)量比為8.2 g/kg，堿解氮質(zhì)量比38.3 mg/kg，有效磷質(zhì)量比16.1 mg/kg，速效鉀質(zhì)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(9 000 kg/hm2)條件下，設4種純氮配施水平：SR+N0(0 kg/hm2)、SR+N1(150 kg/hm2)、SR+N2(300 kg/hm2)、SR+N3(450 kg/hm2)，以秸稈不還田施氮量333 kg/hm2為對照(CK)，5個處理，每個處理3個重復，共15個小區(qū)，小區(qū)面積為49 m2(7 m×7 m)。純氮配施水平設置依據(jù)：參考國內(nèi)外相關文獻并結(jié)合寧夏中部干旱區(qū)當?shù)卮河衩鬃罴鸭兊┯盟蕉嘣?25 kg/hm2左右，由于在秸稈直接還田時通常配施一定量無機氮肥，以補充土壤速效氮的不足，因此設計純氮中間施用量為300 kg/hm2，為探討不同施氮量下土壤物理性質(zhì)變化及對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，設置中間量減半處理(150 kg/hm2)和中間量加半處理(450 kg/hm2)，對照為秸稈不還田施氮量333 kg/hm2，其中225 kg/hm2為最佳施氮量，108 kg/hm2為還田秸稈帶入的氮素。

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

試驗所用玉米秸稈有機養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)分別為有機碳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：將前一年收獲后的玉米秸稈切碎成3～5 cm小段，在2016年試驗處理前將基肥純牛糞(有機養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)分別為有機碳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(N+P2O5)質(zhì)量分數(shù)大于等于64.0%，總氮(N)質(zhì)量分數(shù)大于等于18.0%，有效磷(P2O5)質(zhì)量分數(shù)大于等于46.0%)150 kg/hm2撒在地表，與秸稈一起翻入土壤。各處理均按秸稈全量(9 000 kg/hm2)進行翻壓還田(翻壓深度20 cm)，同時在施氮肥處理中分別施入4種不同純氮用量(尿素N質(zhì)量分數(shù)大于等于46%)。2017年玉米收獲后，將基肥磷酸二銨 150 kg/hm2撒在地表，與秸稈一起翻入土壤。各處理均按秸稈全量(9 000 kg/hm2)進行人工翻壓還田，同時在施氮肥處理中分別施入4種不同純氮用量。對照處理為秸稈不還田，施氮量為純氮333 kg/hm2，進行人工翻入土壤。

玉米供試品種為當?shù)爻Ｒ?guī)品種先玉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。玉米采用鴨嘴式點播器人工點播，種子播深5～10 cm，寬窄行種植，寬行距70 cm，窄行距40 cm，株距為20 cm，種植密度為90 955株/hm2。試驗期間利用自動降雨監(jiān)測系統(tǒng)對降水量進行監(jiān)測。玉米生育時期灌水量、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，水肥一體化進行追肥，生育期間進行人工除草。

1.3 測定指標及方法

1.3.1基本指標

土壤容重：2016年4月中旬試驗處理前及2017年10月玉米收獲后，按0～20 cm和20～40 cm用環(huán)刀取樣，采用環(huán)刀法測定各土層土壤容重，并計算土壤總孔隙度。

土壤含水率：在玉米播種期、苗期、拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期、成熟期及收獲期，采用土鉆取土干燥法測定0～100 cm層土壤質(zhì)量含水率(%)，每20 cm 層取一土樣，并結(jié)合降水量和灌水量，計算作物耗水量(mm)。

土壤養(yǎng)分含量：2016年4月中旬試驗處理前及2016年和2017年玉米收獲期后，每個處理選取3點，每20 cm采1個樣，測定0～40 cm土層平均土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法、堿解擴散法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定。

玉米產(chǎn)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(chǎn)量以14%含水率計算。

1.3.2相關指標的計算方法

土壤總孔隙度計算公式為

K=(1-γ/2.65)×100%

(1)

式中γ——土壤容重，g/cm3

土壤蓄水量為

W=10hγa

(2)

式中h——土層深度，cm

a——土壤質(zhì)量含水率，%

采用水量平衡法計算作物全生育期內(nèi)總耗水量，公式為

P+I=ET+D-ΔW+R

(3)

式中P——玉米生育期降水量，mm

I——生育期灌水量，mm

ET——玉米全生育期內(nèi)總耗水量，mm

D——地下水的補給量和滲漏量，mm

ΔW——玉米播種期和收獲期土壤蓄水量之差，mm

R——地表徑流量，mm

由于本試驗地地下水埋深較深(大于25 m)，地下水補給量和滲漏量(D)設為0 mm，并且由于處理間有50 cm的田埂攔截，故不考慮地表徑流(R)。故作物耗水量的計算公式可簡寫為

ET=P+I+ΔW

(4)

作物水分利用效率以作物經(jīng)濟產(chǎn)量與耗水量的比值表示，即

WUE=Y/ET

(5)

式中Y——玉米籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

2.1 對耕層土壤容重與孔隙性狀的影響

土壤容重是反映土壤緊實程度的重要指標之一，秸稈還田配施氮肥對玉米收獲期土壤容重有顯著影響(圖1a，圖中同一土層下不同小寫字母表示不同處理差異達顯著水平(P<0.05))。試驗處理前，土壤質(zhì)地比較黏重(0～40 cm土層平均土壤容重為1.56 g/cm3)，經(jīng)過兩年玉米秸稈還田后，各處理耕層(0～40 cm)土壤容重隨土壤深度增加而增加，各處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重由大到小均依次為CK、SR+N0、SR+N1、SR+N2、SR+N3。與試驗處理前相比，不同氮肥用量均降低了耕層土壤容重，降幅達1.0%～8.4%，而對照處理略有增加。0～20 cm土層，SR+N2和SR+N3處理的土壤容重比CK分別顯著降低9.8%和10.4%；20～40 cm土層，分別顯著降低6.1%和7.1%；0～40 cm分別顯著降低8.0%和8.8%。而SR+N0處理耕層土壤容重與CK無顯著差異。這表明，秸稈還田配施氮肥后土壤容重較不施氮肥處理均降低，其中中量和高量氮肥處理降幅最為顯著。

圖1 秸稈還田配施氮肥下0～40 cm土層土壤容重和總孔隙度Fig.1 Soil bulk density and soil porosity in 0～40 cm soil depth under straw returning with N application

秸稈還田可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，各處理耕層土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，秸稈還田配施中量與高量氮肥處理顯著高于秸稈還田不施氮肥和秸稈不還田處理(圖1b)。各處理耕層土壤總孔隙度在34.5%～46.1%之間，秸稈還田配施氮肥各處理較試驗處理前提高6.8%～12.0%。SR+N2和SR+N3處理均顯著高于CK，而SR+N0處理與CK相比差異不顯著。隨施氮量的增加，不同氮肥用量各處理土壤總孔隙度逐漸增加，其中中量氮肥和高量氮肥處理最為顯著，SR+N2和SR+N3處理耕層平均土壤總孔隙度分別較CK顯著提高11.4%和12.5%?？梢?，秸稈還田配施氮肥后能有效改善土壤的通氣能力，使土壤的孔隙狀況得到顯著改善。

2.2 對玉米生育期0～100 cm層土壤含水率的影響

土壤含水率的變化是評價不同處理對土壤物理環(huán)境影響的重要指標。玉米主要生育階段各處理0～100 cm層土壤含水率如圖2所示。玉米生育前期(苗期—拔節(jié)期)，2016年各處理土壤含水率隨土層的加深呈增加趨勢，但處理間差異不顯著(圖2a)，而2017年各處理土壤含水率隨土層的加深有所下降，SR+N1、SR+N2、SR+N3處理0～100 cm層平均土壤含水率低于CK處理6.9%～10.7%(圖2d)。生育中期(小喇叭口期—吐絲期)，由于玉米生長對土壤水分消耗較大，且該階段降水量較少，兩年研究期間各處理土壤含水率均明顯降低(圖2b、2e)。在0～100 cm土層，SR+N2和SR+N3處理平均土壤含水率顯著高于SR+N0、SR+N1和CK處理，其中較CK分別提高25.6%和20.9%。SR+N1處理0～100 cm土層平均土壤含水率在2016年與CK處理無差異，而2017年顯著高出CK處理25.3%。

玉米生育后期(灌漿期—成熟期)，隨著作物耗水量的減少，降水量增多，0～100 cm層土壤含水率得到恢復(圖2c、2f)。2016年各處理0～60 cm層土壤含水率無明顯變化，60～100 cm層土壤含水率有所回升(圖2c)。2017年各處理0～40 cm層土壤含水率無明顯變化，40～100 cm層土壤含水率逐漸下降(圖2f)。兩年秸稈還田配施氮肥處理0～100 cm層土壤含水率均高于對照，但處理間無顯著差異?？梢姡谟衩咨捌冢斩掃€田配施氮肥處理與對照相比無顯著差異，而在中后期SR+N2處理保蓄0～100 cm層土壤水分的效果最佳，SR+N1和SR+N3處理次之。

圖2 秸稈還田配施氮肥下0～100 cm土層剖面土壤含水率變化曲線Fig.2 Soil water content in 0～100 cm soil profile under straw returning with N application

2.3 對耕層土壤肥力的影響

秸稈還田增施氮肥可增加耕層(0～40 cm)有機碳和全氮含量，與試驗處理前相比，兩年玉米收獲期各處理土壤有機碳和全氮含量均明顯增加，增幅為3.1%～16.7%(表2)。2016年SR+N1、SR+N2和SR+N3處理土壤有機碳含量分別較CK顯著增加10.7%、17.8%和12.1%，而施氮處理間、SR+N0與CK無顯著差異。2017年土壤有機碳含量隨施氮量的增加而增加，SR+N1、SR+N2和SR+N3處理土壤有機碳含量分別較CK顯著增加11.7%、17.5%和18.8%，而SR+N2與SR+N3、SR+N0與CK均無顯著差異。兩年研究期間，秸稈還田條件下耕層土壤全氮含量均隨施氮量的增加而增加，以SR+N3處理最高，施氮各處理均顯著高于CK處理，但SR+N2與SR+N3、SR+N0與CK處理間差異均不顯著。SR+N1、SR+N2和SR+N3處理平均土壤全氮含量分別較CK顯著提高25.9%、38.1%和43.0%。秸稈還田配施氮肥可調(diào)節(jié)土壤碳氮比(表2)。與處理前相比，兩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%。兩年玉米收獲期土壤碳氮比隨施氮量的增加而降低，不同施氮量處理間、SR+N0與CK處理間差異均不顯著，但均顯著低于CK處理。SR+N1、SR+N2和SR+N3處理2016年較CK處理分別降低12.7%、16.3%和21.8%，2017年分別降低10.7%、13.5%和16.6%。

秸稈還田配施氮肥可有效增加0～40 cm層土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量。兩年玉米收獲后，秸稈還田配施不同氮肥用量各處理土壤速效養(yǎng)分含量均高于處理前(表2)。玉米收獲期土壤堿解氮含量2016年以SR+N2處理最高，2017年以SR+N3處理最高，SR+N1、SR+N2和SR+N3處理兩年平均分別較CK顯著增加22.3%、33.6和36.1%，而SR+N0處理與CK差異不顯著。2016年各處理(除SR+N0外)土壤有效磷含量均顯著高于對照，以SR+N1處理增幅最大，其次為SR+N2和SR+N3處理，而2017年各處理土壤有效磷含量隨施氮量的增加而增加，以SR+N3處理增幅最大。SR+N1、SR+N2和SR+N3處理兩年平均分別較CK顯著提高38.9%、47.0%和46.0%，但SR+N0處理與CK差異不顯著。2016年各處理對土壤速效鉀含量提升效果顯著，SR+N0、SR+N1、SR+N2和SR+N3處理分別較CK顯著提高38.7%、62.4%、75.0%和62.4%。2017年SR+N0、SR+N1、SR+N2處理分別較CK處理顯著提高31.9%、53.5%和30.8%，而SR+N3處理與CK差異不顯著。由此可見，秸稈還田配施氮肥可顯著增加土壤0～40 cm耕層土壤養(yǎng)分，從而改善土壤的肥力。

表2 秸稈還田配施氮肥對0～40 cm耕層土壤肥力的影響Tab.2 Effects of straw returning with nitrogen fertilization on soil fertility in 0～40 cm tilth

注：同列不同小寫字母表示不同處理下差異達顯著水平(P<0.05)。下同。

2.4 對玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響

秸稈還田配施不同氮肥用量對作物產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響不同。由表3可知，秸稈還田配施氮肥能顯著提高玉米的籽粒產(chǎn)量。2016年各處理玉米籽粒產(chǎn)量由高到低依次為SR+N2、SR+N3、SR+N1、SR+N0、CK，增產(chǎn)效果以SR+N2處理最為顯著，其次為SR+N3處理，分別較CK(秸稈不還田處理)增加36.6%、21.8%；2017年各處理玉米籽粒產(chǎn)量由高到低依次為SR+N2、SR+N1、SR+N3、SR+N0、CK，增產(chǎn)效果以SR+N2處理最為顯著，其次為SR+N1處理，分別較CK顯著增加31.1%、26.8%。研究期間，SR+N2處理兩年平均玉米籽粒產(chǎn)量較CK顯著增加33.9%。

表3 秸稈還田配施氮肥措施下玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率Tab.3 Grain yield and water use efficiency of maize under straw returning with nitrogen application

2016年灌水量(畦灌方式，4 500 m3/hm2)略高于2017年(滴灌方式，4 275 m3/hm2)，然而2017年玉米生育期降水量(297.2 mm)是2016年(146.4 mm)兩倍多，2017年作物耗水量明顯高于2016年，而兩年玉米籽粒產(chǎn)量各處理年際間差異不明顯，因而2016年玉米水分利用效率明顯高于2017年(表3)。2016年秸稈還田配施氮肥各處理下作物耗水量較對照顯著增加，其中SR+N1、SR+N2和SR+N3處理作物耗水量分別較CK顯著增加7.0%、10.5%和10.0%；2017年各處理間作物耗水量無顯著差異。2016年SR+N2處理玉米水分利用效率較CK顯著提高23.6%，SR+N3處理較CK顯著提高16.2%，而SR+N1、SR+N0處理與CK差異不顯著；2017年SR+N1、SR+N2和SR+N3處理水分利用效率分別較CK顯著提高26.8%、30.1%和19.0%，而SR+N0處理與CK無顯著差異?？梢?，兩年玉米水分利用效率均以SR+N2處理最高，平均較CK顯著增加26.2%。

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對土壤容重及孔隙度的影響

眾多研究結(jié)果表明，秸稈還田與施氮量對土壤容重和孔隙度有顯著影響[22-23]。在深翻秸稈還田的基礎上，還田量為9 000 kg/hm2和配施氮肥225 kg/hm2可顯著降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤三相比[15]。稻麥輪作區(qū)實施全量秸稈還田配施氮磷鉀肥能夠降低土壤容重，增大土壤總孔隙度和大孔隙度，改善水稻土的物理結(jié)構(gòu)[24]。本研究也表明，秸稈還田施用氮肥后土壤容重均較不施氮肥和秸稈不還田處理顯著降低，改善了土壤總孔隙度，以中高量氮肥處理較秸稈不還田處理最為顯著。其主要原因是：秸稈深翻還田(深度為20 cm)能有效打破犁底層[23]，同時通過配施不同氮肥用量可影響秸稈腐解效果，在微生物和酶的共同作用下持續(xù)向土壤中提供大量有機物質(zhì)，分解物與土壤顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定疏松的團粒結(jié)構(gòu)，從而改善土壤的緊實程度，進而使耕層土壤容重降低，改善了土壤孔隙度的空間分布[25-26]。然而，中氮肥的基礎上增加施氮量不利于土壤物理性質(zhì)的改善，這是由于高氮肥投入導致土壤環(huán)境惡化[27]，結(jié)果造成土壤容重增加，孔隙度降低。本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下不施氮肥會增加土壤容重，分析其原因可能是作物秸稈腐熟過程需要消耗土壤中大量養(yǎng)分[28]，從而導致土壤質(zhì)地黏重，土壤孔隙度變小，最終使土壤容重增大。

3.2 秸稈還田配施氮肥對土壤水肥效應的影響

在秸稈還田基礎上施肥可增強土壤的蓄水能力，提高土壤含水率[29]。在玉米秸稈還田后，玉米生育前期會表現(xiàn)出秸稈與作物爭奪水分現(xiàn)象，土壤貯水量低于秸稈不還田處理，而后期則增強土壤的貯水能力[30]。同時，秸稈還田結(jié)合施氮具有保水緩溫作用[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，在玉米生育前期各處理間差異不顯著，秸稈還田配施氮肥處理在玉米生育中后期對保蓄土壤水分效果顯著，這是由于秸稈還田后對土壤水分的影響具有雙重性：初期秸稈腐解過程消耗大量水分，產(chǎn)生與作物爭奪水分的現(xiàn)象；中后期腐解過程結(jié)束后，秸稈還田配施氮肥改善土壤的物理性狀，增強土壤的保蓄水分能力，因而有利于土壤含水率的增加[32]。本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米生育中后期低氮肥(SR+N1、SR+N2)比高氮肥處理(SR+N3)土壤含水率高，SR+N0處理保水效果則低于CK，可能由于中期高氮肥處理植株長勢較好，植株蒸騰耗水大導致土壤含水率降低[33]，而SR+N0處理下秸稈不腐熟或腐熟不完全使土壤保水能力降低。

秸稈還田配施氮肥措施有利于土壤有機碳的積累，同時還可提高土壤氮素的供應能力[21]。張靜[34]研究認為，秸稈全量還田(9 000 kg/hm2)配施600 kg/hm2的氮肥量對土壤碳氮的固持和供給效果較好，且可調(diào)控土壤碳氮比，增強土壤微生物固定碳氮的能力。汪軍等[35]也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和氮肥配施可顯著提高土壤有機質(zhì)和全氮含量。本研究結(jié)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、450 kg/hm2氮肥處理表現(xiàn)最佳。分析其原因是由于秸稈還田后施入無機氮，會改善土壤氮素的供給水平，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(zhì)，進而增加土壤有機質(zhì)中碳的分解與釋放及土壤全氮的含量[10]。有研究表明，秸稈還田后配施一定量的氮肥，在保證土壤肥力逐年提升的同時，又可提高土壤速效養(yǎng)分含量[36]。本研究認為，秸稈還田配施氮肥能提高耕層土壤速效養(yǎng)分含量。分析其原因：①碳氮比高的秸稈還田后會激發(fā)土壤氮的礦化，增加土壤堿解氮的含量[37]。②秸稈還田增施氮肥后由于改善土壤的物理環(huán)境，進而促進玉米秸稈的腐解，增加了土壤的有機物質(zhì)，同時可降低速效養(yǎng)分的淋溶，提高土壤對氮磷鉀元素的吸附力，從而彌補秸稈降解過程中土壤微生物對養(yǎng)分的固持[38]。

3.3 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的不同，關于秸稈還田方式、還田量、還田周期、氮肥配施用量方面的研究，不同學者存在不同的研究結(jié)論。高金虎等[33]在遼西風沙半干旱區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥對提高玉米水分利用效率以秸稈還田量6 000～9 000 kg/hm2配施純氮420 kg/hm2效果最佳。余坤等[39]研究表明，在關中灌區(qū)實施粉碎氨化秸稈連續(xù)兩年還田后能顯著提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率。張亮等[40]研究認為，玉米秸稈還田能提高關中平原冬小麥產(chǎn)量和水分利用率，秸稈全量還田(4 500 kg/hm2)冬小麥氮肥用量應控制在175～262.5 kg/hm2。本研究結(jié)果表明，在寧夏揚黃灌區(qū)，秸稈粉碎全量還田(9 000 kg/hm2)，配施中量氮肥(300 kg/hm2)能顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率，同時高于低氮肥處理和高氮肥處理。主要原因為：①秸稈還田配施純氮300 kg/hm2后，可改善土壤微環(huán)境(土壤孔隙度、土壤水分、養(yǎng)分等)，使微生物及酶活性顯著提高，從而加速秸稈的腐解和土壤有機質(zhì)養(yǎng)分的分解利用，改善土壤的水肥狀況，促進作物的生長發(fā)育，最終使玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[32]。②秸稈還田配施純氮300 kg/hm2能夠更好地調(diào)節(jié)土壤中的碳氮比，使作物充分利用土壤氮素，從而提高作物的水分利用效率[13]。本研究還發(fā)現(xiàn)，2016年灌水量(4 500 m3/hm2)略高于2017年(4 275 m3/hm2)，但2017年玉米生育期降水量(297.2 mm)是2016年(146.4 mm)兩倍多，致使2017年作物耗水量明顯高于2016年，而兩年玉米籽粒產(chǎn)量各處理年際間差異不明顯，因而導致2016年玉米水分利用效率明顯高于2017年，這與以往研究[41-42]結(jié)果不一致，還可能與年際降水量在玉米生育期的分布、土壤微生物變化規(guī)律及作物根系生長發(fā)育等有關[15]，這仍需要進一步深入探討。

4 結(jié)論

(1)秸稈還田配施氮肥能有效降低耕層土壤容重、提高土壤總孔隙度，以秸稈還田配施純氮300、450 kg/hm2處理效果最為顯著。秸稈還田配施氮肥處理對提高玉米生育中后期0～100 cm層土壤含水率效果顯著，以秸稈還田配施純氮300 kg/hm2土壤蓄水保墑效果較優(yōu)。

(2)秸稈還田配施氮肥能有效提高土壤有機碳、全氮含量，調(diào)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)較優(yōu)。秸稈還田配施氮肥能提高耕層土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理對土壤培肥效果最優(yōu)。

(3)秸稈還田配施氮肥可顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。與秸稈不還田CK處理相比，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2處理的玉米增產(chǎn)和改善作物水分利用效率的效果最優(yōu)。