秸稈還田配施氮肥對寧夏揚黃灌區(qū)滴灌玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響①

吳鵬年，王艷麗，侯賢清，李培富

秸稈還田配施氮肥對寧夏揚黃灌區(qū)滴灌玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響①

吳鵬年，王艷麗，侯賢清，李培富*

(寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021)

針對寧夏揚黃灌區(qū)土壤質(zhì)地黏重、土壤水分匱乏等導致作物產(chǎn)量低下等問題，研究秸稈還田配施氮肥對土壤物理性狀的改良效應。本試驗設計在玉米秸稈全量粉碎還田(12 000 kg/hm2)的同時配施4種純氮施用水平(0、150、300、450 kg/hm2)，以秸稈不還田常規(guī)施氮225 kg/hm2為對照，研究秸稈還田配施不同量氮肥對玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響。結(jié)果表明：與處理前相比，施用純氮300 kg/hm2和450 kg/hm2可分別降低0~20 cm土層土壤容重1.25% 和3.20%，土壤孔隙度2.69% 和1.89%。與秸稈不還田處理相比，秸稈還田配施氮肥300 kg/hm2和450 kg/hm2可使0 ~ 20 cm土層2 ~ 5 mm、>5 mm機械穩(wěn)定性團粒結(jié)構(gòu)顯著增加。秸稈還田配施氮肥可顯著增加土壤含水量，尤其在作物生長前期，秸稈還田配施氮肥300 kg/hm2較對照可顯著增加土壤含水量13.64%。秸稈還田配施氮肥條件下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素較秸稈不還田均有增加趨勢，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2可提高玉米產(chǎn)量20.21%，增加玉米百粒重9.37%，以及增加穗粒數(shù)37.91%。可見，秸稈還田配施純氮300 kg/hm2具有較好的蓄水保墑效果，其增產(chǎn)效果顯著，可為該區(qū)土壤培肥提供參考。

秸稈還田；氮肥；土壤容重；土壤含水量；玉米產(chǎn)量

寧夏揚黃灌區(qū)是寧夏重要的糧食生產(chǎn)地區(qū)，但該區(qū)土壤質(zhì)地黏重、有機質(zhì)含量偏低、養(yǎng)分匱乏，嚴重制約了作物的正常生長，從而導致該地區(qū)土壤生產(chǎn)效率低下。作物秸稈全量直接還田作為一種土壤快速培肥的有效方式，將在該地區(qū)迅速推廣。已有研究表明[1]，通過合理的利用作物秸稈可有效提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，減緩地力衰竭，對于培肥土壤有顯著的效果。作物秸稈中由于含有較高碳、氮等[2]，導致作物秸稈還田后土壤碳氮比升高[3]，因此需要增施氮肥來降低碳氮比。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，秸稈還田技術(shù)也得到了進一步的發(fā)展，為大面積秸稈還田處理增加了可能性，一方面可減少焚燒秸稈帶來的空氣污染，另一方面可以提升作物秸稈的利用效率，增加農(nóng)民收入。目前，對于該區(qū)秸稈還田配施氮肥技術(shù)的研究較少，加之缺乏科學的理論指導。因此本試驗采取玉米秸稈還田配施不同量氮肥處理，以期為當?shù)亟斩掃€田配施氮肥提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年10月至2017年10月在寧夏同心縣王團鎮(zhèn)旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)進行。該園區(qū)位于寧夏揚黃灌區(qū)同心縣王團鎮(zhèn)旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)。地理位置為36°51′42′′N，105°59′ 27′′E，海拔1 370 m，地處黃土高原與內(nèi)蒙古高原交界地帶，地勢由南向北逐漸傾斜(南高北低)，以山地為主，地形復雜，屬中溫帶干旱大陸性氣候，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 ℃，≥10 ℃的積溫約3 000 ℃，熱量充足、晝夜溫差大、水分蒸發(fā)強烈。2017年降水總量為286.1 mm，其中玉米生育期(4—9月)降雨量為231.4 mm，占全年的80.9%，有效降雨量為167.5 mm。

該園區(qū)土壤類型為灰鈣土，試驗地土壤0 ~ 40 cm土層有機質(zhì)含量為8.2 g/kg，堿解氮38.3 mg/kg，有效磷16.1 mg/kg，速效鉀198.0 mg/kg，pH 8.4，屬低等肥力水平。

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計，在玉米秸稈粉碎全量還田(12 000 kg/hm2)措施下，設置4個純氮施用水平：秸稈還田不配施氮肥(SR+N0)、秸稈還田配施氮肥150 kg/hm2(SR+N1)、秸稈還田配施氮肥300 kg/hm2(SR+N2)、秸稈還田配施氮肥450 kg/hm2(SR+N3), 秸稈還田常規(guī)施氮225 kg/hm2對照處理(CK)。共5個處理，4次重復，共20個小區(qū)。小區(qū)面積15 m × 5 m = 75 m2。

具體操作方式為：秸稈還田方式采用全量粉碎還田，于上一季玉米收獲后，將玉米秸稈粉碎后均勻撒入小區(qū)，同時在不同施肥水平處理中分別撒入對應量的尿素(含氮量≥46%)，秸稈不還田處理為將玉米秸稈移出田塊，最后用旋耕機將秸稈和尿素旋入土壤。

玉米品種為先玉335，寬窄行種植，寬行70 cm，窄行40 cm，株距為20 cm，種植密度為90 000株/hm2；追肥方式：基施磷酸二銨(N-P-K：15-46-0)300 kg/ hm2、復合肥料(硫酸鉀型，N-P-K：15-15-15)495 kg/hm2，于播種前一天按小區(qū)面積稱好各處理所需的量，在玉米播種前結(jié)合整地撒施后深翻入土(深翻深度20 cm)；在玉米各關(guān)鍵生育期結(jié)合滴灌水肥一體化追施純氮150 kg/hm2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

玉米生育期：定期觀測出苗、抽雄、吐絲、灌漿、成熟，并記錄生育期。

土壤水分：在玉米關(guān)鍵生育期，采用土鉆取土烘干法測定0 ~ 100 cm層土壤含水量(每20 cm 層取土樣)，并結(jié)合降雨量和灌水量，計算作物的耗水量。

土壤養(yǎng)分：參照鮑士旦編寫的《土壤農(nóng)化分析》，測定播種前和收獲后0 ~ 40 cm層土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮磷鉀等養(yǎng)分指標，分析其對土壤養(yǎng)分的影響；測定玉米收獲后植株莖、葉和籽粒中全氮含量。

玉米生長指標：在玉米生育期測定植株株高、莖粗及地上部生物量等生物學性狀。

產(chǎn)量性狀：玉米收獲期，分小區(qū)進行測產(chǎn)，選取10株玉米進行考種, 記錄穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重，并計算出籽率。

土壤物理指標測定：土壤容重，在2017年4月中旬試驗處理前及10月初玉米成熟后，每處理區(qū)以 S 型布置 5個采樣點，按表層 0 ~ 20 cm和耕層20 ~ 40 cm用環(huán)刀取樣，采用環(huán)刀法測定各土層土壤容重。土壤密度近似值取2.65 g/cm3，根據(jù)文獻[4]計算土壤總孔隙度：

土壤總孔隙度(%)＝(1?容重/密度)×100% (1)

土壤團聚體含量在2017年10月初玉米成熟后，按 S 型 5 點取土法在 0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm 土層采集原狀土樣，自然風干后除去粗根及小石塊，并將大土塊按自然裂痕剝離為1 cm3左右。將風干土樣過孔徑為5 mm篩，利用干篩法測定機械穩(wěn)定性土壤團聚體粒級分布和穩(wěn)定性[5]。

>0.25 mm 機械穩(wěn)定性團聚體含量 DR0.25根據(jù)文獻[4]計算：

式中：為對應粒徑的團聚體質(zhì)量分數(shù)(%)；為粒徑；為粒徑總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用 Excel 2016 制圖，SPSS 19.0 進行方差分析，并用 LSD 法(<0.05)進行多重比較。

2 結(jié)果

2.1 秸稈還田配施氮肥對玉米地上部生物量的影響

秸稈還田配施氮肥處理較秸稈不還田處理在玉米不同生育期均可顯著增加玉米的地上部生物量，如圖1。在玉米關(guān)鍵生育期地上部生物量隨著施氮量的增加呈逐漸上升的趨勢。收獲期SR+N2和SR+N3處理地上部生物量分別較CK處理增加11.10% 和8.75%，而SR+N0處理則相比CK處理降低了3.79%；相對于秸稈不還田(CK)和秸稈還田不施氮肥(SR+N0)，秸稈還田配施氮肥可顯著改善玉米地上部生物量。

(圖中小寫字母不同表示玉米同一生育期不同處理間地上部生物量差異達P<0.05顯著水平)

2.2 秸稈還田配施氮肥對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表1是秸稈還田配施氮肥條件下各處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素表，相對于秸稈不還田(CK)處理，單純秸稈還田在一定程度上會降低玉米的產(chǎn)量，各處理產(chǎn)量高低依次為：SR+N2 > SR+N1 >SR+N3 > CK > SR+N0；SR+N0處理較CK處理減產(chǎn)1.05%。在秸稈還田條件下配施氮肥可顯著增加玉米產(chǎn)量，在一定程度上隨著施氮量的增加而呈上升趨勢，SR+N2處理較CK處理增產(chǎn)20.21%，但當施氮量過高時產(chǎn)量又會呈下降趨勢，SR+N3處理較SR+N2減產(chǎn)10.19%。通過比較各處理產(chǎn)量構(gòu)成因素，SR+N2處理較SR+N1增產(chǎn)主要表現(xiàn)在穗粒數(shù)及百粒重上，SR+N2和SR+N1處理百粒重分別較CK處理增加9.37% 和6.62%，兩者穗粒數(shù)則分別較CK處理增加37.91% 和21.25%。玉米出籽率在秸稈還田配施氮肥處理下隨施氮量的增加而降低，但各處理之間差異不顯著。

通過對玉米的產(chǎn)量和秸稈還田配施氮量進行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施氮肥對玉米產(chǎn)量的影響呈二次函數(shù)，隨著施氮量的持續(xù)增加，玉米產(chǎn)量會呈現(xiàn)減少的趨勢。施氮量-產(chǎn)量曲線方程為：= -0.03812+ 19.875+ 11 897(2= 0.899 5)，當(秸稈還田配施純氮量)取260 kg/hm2時，(玉米產(chǎn)量)取得最大值14 489 kg/hm2，這說明在秸稈還田配施氮肥用量為260 kg/hm2時，繼續(xù)加大氮肥配施量會抑制玉米的產(chǎn)量。結(jié)合產(chǎn)出-投入比，該地秸稈還田所配施的氮肥用量不宜超過260 kg/hm2。

表1 秸稈還田配施氮肥玉米各處理產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.3 秸稈還田配施氮肥對土壤容重及土壤孔隙度的影響

玉米收獲后，秸稈還田配施氮肥能顯著減少土壤容重(<0.05，圖3A)。與處理前相比，0 ~ 20 cm 土層土壤容重隨施氮量的增加而降低，其中以SR+N3最為明顯，降幅達3.20%，SR+N2次之，降幅為1.25%。而CK和SR+N1土壤容重較處理前差異不顯著，SR+ N0處理則較處理前有增加趨勢。20 ~ 40 cm土層土壤容重變化和0 ~ 20 cm類似，其中SR+N3處理較處理前降低6.29%(<0.05)，SR+N0、SR+N1、SR+N2處理間差異不顯著，較處理前降低3.56%，CK處理與處理前無明顯差異?？梢?，秸稈還田配施一定量的氮肥相對于秸稈不還田施氮肥可有效降低土壤容重。

圖2 秸稈還田下不同施氮量–玉米產(chǎn)量回歸曲線

秸稈還田配施氮肥處理下能夠顯著增加土壤孔隙度(<0.05，圖3B)，以0 ~ 20 cm土層尤為顯著，且隨施氮量的增加呈逐漸增加的趨勢。0 ~ 20 cm土層土壤中SR+N3較處理前增加2.70%，而SR+N0較處理前顯著降低5.1%，而CK則與處理前無顯著差異。20 ~ 40 cm土層土壤孔隙度在低施氮水平呈現(xiàn)降低趨勢，SR+N0和SR+N1分別較處理前減少4.08% 和6.54%；而高施氮水平下土壤孔隙度則呈逐漸上升的趨勢，SR+N2、SR+N3分別較處理前增加2.96% 和1.89%，而CK與處理前沒有顯著差異。這說明在秸稈還田基礎(chǔ)上配施氮肥可有效改善耕層土壤的孔隙度，從而增加土壤透氣性和貯水能力。

(圖中小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異達P<0.05顯著水平)

2.4 秸稈還田配施氮肥對土壤含水量的影響

圖4反映的是玉米不同生育時期0 ~ 100 cm土層土壤含水量。土壤含水量呈先減小后增加的趨勢；與秸稈不還田相比，秸稈還田配施氮肥可顯著增加土壤含水量1.66% ~ 6.38%；與秸稈還田不施氮肥相比，秸稈還田配施氮肥可顯著提高土壤含水量13.64%(拔節(jié)期)~ 7.29%(抽雄期)；尤以SR+N2表現(xiàn)最為顯著。灌漿期由于雨水的補充使得各處理土壤蓄水量差異不顯著。SR+N0處理在玉米各生育時期土壤含水量均顯著低于其他處理，可能是因為玉米秸稈的不完全腐熟，使得土壤溫度增加，從而促進了土壤水分的蒸發(fā)速度；苗期、拔節(jié)期和大喇叭口期SR+N0處理土壤含水率分別較CK處理降低7.48%、8.24% 和6.78%。因此與秸稈不還田(CK)及秸稈還田不施氮肥 (SR+N0) 相比，秸稈還田配施氮肥可有效增加土壤的保水、蓄水能力。

2.5 秸稈還田配施氮肥對土壤團聚體的影響

由表2可知，經(jīng)過一年的秸稈還田配施氮肥處理，0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層土壤 >0.25 mm機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)(DR0.25)較對照均顯著增加，且隨著施氮量的增加而呈增加趨勢；而<0.25 mm 機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)則相對于對照處理顯著降低。0 ~ 20 cm土層中 >5 mm 和 <0.25 mm 機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)顯著大于其他粒徑。SR+N2 和SR+N3處理下0 ~ 20 cm土層 >5 mm 機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)較對照分別顯著增加24.71% 和29.05%，2 ~ 5 mm 和1 ~ 2 mm粒徑團粒質(zhì)量分數(shù)增幅介于11.28% ~ 36.05%，而0.5 ~ 1 mm和0.25 ~ 0.5 mm 粒徑團粒質(zhì)量分數(shù)增幅分別為29.96% 和24.24%。20 ~ 40 cm 土層中各粒徑機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)均小于0 ~ 20 cm土層，秸稈還田配施氮肥處理下，>5 mm粒徑團粒質(zhì)量分數(shù)隨施氮量的增加而增加，增幅達2.27% ~ 28.23%，而2 ~ 5 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm、0.25 ~ 0.5 mm 級粒徑團粒質(zhì)量分數(shù)均較CK處理有所增加，增幅分別為14.8%、36.05%、26.23%、18.41%。

(圖中小寫字母不同表示玉米同一生育期不同處理間土壤含水量差異達P<0.05顯著水平)

表2 不同處理下0 ~ 40 cm土層土壤不同團粒體粒徑分布

3 討論

秸稈還田配施氮肥可改善耕層土壤物理性狀[6]。趙麗亞等[7]認為，秸稈還田可顯著降低土壤容重，白偉等[8]研究表明秸稈還田配施氮肥與秸稈不還田相比可降低0 ~ 20 cm土層土壤容重3.2%，0 ~ 40 cm土層土壤2.0%，國內(nèi)外學者就秸稈還田對土壤理化性狀做了許多研究，多數(shù)研究表明[9-10]，秸稈還田配施氮肥可有效降低土壤容重，同時增大土壤孔隙度。本研究認為，秸稈還田配施氮肥與單一秸稈還田處理(CK)相比可顯著降低土壤的容重，尤以0 ~ 20 cm最為顯著，SR+N3處理較對照降幅達3.20%。土壤孔隙度的變化與土壤容重的變化趨勢相反，0 ~ 20 cm土層土壤孔隙度隨施氮量的增高而上升，SR+N3處理較對照增加2.70%，這與李瑋等[11]的研究結(jié)果一致。

土壤含水量是反應土壤保水能力的重要指標，秸稈還田可提高土壤的蓄水保水能力，從而保證作物需水關(guān)鍵生育期的水分供應。陳素英等[12]研究認為秸稈還田可顯著提高土壤的蓄水保墑效果。張亮等[13]通過對比施氮跟秸稈還田方式對于土壤水分的影響，認為相同施氮量條件下秸稈還田較秸稈不還田0 ~ 60 cm土層土壤含水量增加明顯。解文艷等[14]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田秋施肥比秸稈不還田玉米水分利用效率顯著提高。本研究結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥較秸稈不還田可增加0 ~ 100 cm土層土壤蓄水量，相同秸稈還田條件下，不同施氮量直接影響土壤蓄水量，SR+N0處理土壤蓄水量顯著低于其他處理，原因可能是在不施氮肥情況下秸稈腐熟不完全，土壤質(zhì)地較緊實。

有關(guān)研究表明[15-16]，有機物料與氮肥配施會促進土壤小團聚體向大團聚體的轉(zhuǎn)化和重新分布，進而形成較好的土壤。這與本試驗結(jié)果一致，秸稈還田配施不同量氮肥可顯著提高各處理 >5 mm、2 ~ 5 mm和 >0.25 mm土壤機械穩(wěn)定性團粒數(shù)量。這是因為秸稈還田在腐解過程中產(chǎn)生不同類有機質(zhì)，提高了土壤微生物的活性，促進腐殖質(zhì)的產(chǎn)生，進而有利于土壤大團粒的形成[17]。

王靜等[18]研究結(jié)果認為，秸稈還田對作物產(chǎn)量增加有促進作用。大量研究表明[19-22]，秸稈還田配施氮肥可有效提高作物產(chǎn)量及地上部生物量?；糁竦萚23]研究表明，秸稈還田配施氮肥可提高玉米產(chǎn)量34.63%。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田配施300 kg/hm2氮肥處理增產(chǎn)20.21%。

4 結(jié)論

1) 秸稈還田配施氮肥處理較秸稈不還田處理可顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，SR+N3處理最為顯著。

2) 與秸稈不還田相比，秸稈還田配施氮肥處理可顯著增加土壤含水量，以SR+N2處理最為顯著；與秸稈還田不施氮肥相比，秸稈還田配施氮肥可提高土壤蓄水、保水能力。

3) 與秸稈不還田相比，秸稈還田配施氮肥處理可顯著增加0 ~ 20 cm土層2 ~ 5 mm和 >5 mm土壤機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)，20 ~ 40 cm土層中<0.25 mm和>5 mm 機械穩(wěn)定性團粒質(zhì)量分數(shù)顯著大于其他粒徑，尤以SR+N3處理表現(xiàn)最佳。

4) 秸稈還田配施氮肥對玉米有顯著的增產(chǎn)效果，SR+N2處理較對照增產(chǎn)20.21%，而秸稈還田配施氮肥用量過高則會減產(chǎn)。

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Effects of Straw Returning with Nitrogen Fertilizer on Maize Yield and Soil Physical Properties Under Drip-irrigation in Yanghuang Irrigation Area in Ningxia

WU Pengnian, WANG Yanli, HOU Xianqing, LI Peifu*

(Agricultural College, Ningxia University, Ningxia 750021, China)

In this paper, the effects of straw returning with nitrogen fertilizer on low maize yield caused by soil texture and moisture were studied in Yanghuang irrigation area in Ningxia. Four levels of pure nitrogen (0, 150, 300, 450 kg/hm2) were designed under the condition of total maize straw returning (12 000 kg/hm2), the conventional nitrogen of 225 kg/hm2without straw returning was as control (CK). The results showed that pure nitrogen of 300 kg/hm2and 450 kg/hm2reduced soil bulk density of 0–20 cm soil by 1.25% and 3.20%, and increased soil porosity by 2.69% and 1.89% respectively compared with before treatment. Compared with no straw returning, straw returning with nitrogen fertilizer of 300 kg/hm2and 450 kg/hm2significantly increased the mechanical stability of 2–5 mm and >5 mm aggregates in 0–20 cm soil. Straw returning with nitrogen fertilizer significantly increased soil moisture, especially at the early stage of crop growth, straw returning with nitrogen fertilizer of 300 kg/hm2significantly increased soil moisture by 13.64% compared with CK. Under the condition of straw returning with nitrogen fertilizer, the yield and yield components of corn increased compared with no straw returning. Corn yield of straw returning with pure nitrogen of 300 kg/hm2increased corn yield by 20.21%, 100–grain weight of maize by 9.37%, and the grain number per ear by 37.91%. Straw returning with pure nitrogen of 300 kg/hm2has a good effect on water storage and preservation, it can increase maize yield remarkably. This study can provide a reference for soil fertilization in the studied area.

Straw returning; Nitrogen fertilizer; Soil bulk density; Soil water content; Corn yield

S147.35；S512.1+1

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.007

吳鵬年, 王艷麗, 侯賢清, 等. 秸稈還田配施氮肥對寧夏揚黃灌區(qū)滴灌玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響. 土壤, 2020, 52(3): 470–475.

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B05-03)資助。

(peifuli@163.com)

吳鵬年(1992—)，男，寧夏銀川人，碩士研究生，主要從事土壤培肥等相關(guān)研究。E-mail: 15121870790@163.com