秸稈還田后效對玉米氮肥利用率的影響

鄒文秀，韓曉增，陸欣春，陳旭，郝翔翔，嚴(yán)君

（中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱150081）

0 引言

【研究意義】氮素是玉米生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素，土壤能夠供給玉米生長的氮素非常有限[1]，通過施肥的方式補(bǔ)充土壤氮素是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)的有效措施，但是隨著氮肥施用量的不斷增加，導(dǎo)致氮肥利用率下降[2]；未被利用的氮通過淋溶、氨揮發(fā)、硝化反硝化和徑流等途徑[3]進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致環(huán)境污染；僅有少部分能夠殘留在土壤中供給下一季作物吸收利用[4-5]。世界范圍內(nèi)玉米的氮肥利用率是 25%—50%[6]，平均值為 33%，然而中國玉米氮肥利用率＜25%，低于發(fā)達(dá)國家[7]。所以長期以來，如何提高氮肥利用率，一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。前人已經(jīng)從施肥、耕作和土壤肥力等方面，持續(xù)解析了農(nóng)藝措施與氮肥利用率之間的內(nèi)在關(guān)系，獲得了一系列的研究結(jié)果[8-9]，然而目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生了改變，玉米秸稈還田作為重要培肥方式，已經(jīng)成為主要的農(nóng)藝措施。據(jù)統(tǒng)計我國秸稈還田的面積已經(jīng)達(dá)到了0.51億 hm2[9]，因此研究玉米秸稈還田與氮肥利用率之間關(guān)系是非常必要的。田間試驗(yàn)研究結(jié)果表明秸稈還田能夠改善土壤物理性質(zhì)和提高土壤肥力，并且具有一定的時間效應(yīng)[10]，進(jìn)而影響氮肥利用率。因此，探明秸稈還田后效對氮肥利用率的影響對秸稈還田方式的優(yōu)化具有重大的理論意義和重要的應(yīng)用價值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】玉米秸稈還田方式包括直接還田和間接還田，其中直接還田有表面覆蓋、與土壤混合（混合還田）和以秸稈層的形式填埋入土壤某一深度（層埋還田）[10]。秸稈覆蓋包括表覆蓋免耕和覆蓋條耕[11-12]，秸稈與土壤混合主要包括淺層混合（深度為 0—15 cm）、深層混合（深度為 0—35 cm）、亞耕層混合（20—35 cm）[13-15]和翻埋還田（秸稈還到某一土層以下）[16]。長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[17]，提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量及土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[18-19]，改善了土壤物理性質(zhì)，提高了玉米的產(chǎn)量[13,20]。秸稈還田后土壤中的總氨基糖增加了4.4%—8.4%[21]，過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性顯著增加[22]。遼寧省西部棕壤區(qū)秸稈翻埋還田研究結(jié)果表明試驗(yàn)2年后玉米產(chǎn)量增加了1.1%—11.6%，氮肥的農(nóng)學(xué)利用率提高了40.9%[23]。在半濕潤易旱區(qū)免耕覆蓋通過調(diào)節(jié)土壤水熱變化，提高氮肥的利用率[24]。在東北黑土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋免耕后玉米的氮肥利用率降低了16%—27%，其原因主要是秸稈覆蓋降低了作物生長早期的地溫和土壤中氮的有效性[25]；但是秸稈深埋還田后氮肥利用率提高了13.3%[26]。利用15N標(biāo)記示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈還田后能夠增加秸稈和根系吸收的氮素中來自于15N標(biāo)記秸稈氮的比例，提高氮肥的利用率[27]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于秸稈還田對玉米氮肥利用率影響的大部分研究關(guān)注了當(dāng)季秸稈還田的影響，但是對秸稈還田后效對玉米氮肥利用率影響的研究較少；同時對不同秸稈還田方式，即秸稈覆蓋還田、混合還田和層埋還田對玉米氮肥利用率的影響缺乏對比研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文采用田間定位試驗(yàn)，利用15N同位素示蹤技術(shù)研究秸稈覆蓋、混合和層埋等還田方式對15N標(biāo)記氮肥利用率的影響，明確不同秸稈還田方式后效對氮肥利用率的影響及其機(jī)制，為優(yōu)化秸稈還田方式和提高氮肥利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，該站位于我國典型黑土區(qū)的中部，地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年平均氣溫1.5℃，夏季極端最高溫度為37℃，冬季極端最低溫度為-39.5℃；近50年平均降水量為550 mm，主要集中在7—9月份；年均＞10℃有效積溫2 450℃，年均日照時數(shù)約為 2 700 h，無霜期為 125 d。土壤按發(fā)生分類屬于中厚層黑土類型，質(zhì)地為黏壤土，是在第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來的地帶性土壤，土壤物理性黏粒含量＞40%，黑土層（A）較厚，在50 cm以上，過渡層（AB）＞60 cm，無碳酸鹽反應(yīng)，地下水埋深在20—30 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)設(shè)置于2011年5月，共包括7個處理。（1）對照，農(nóng)民常規(guī)耕作（CK）；（2）免耕秸稈均勻覆蓋（D0）；（3）粉碎后的秸稈均勻混于0—20 cm土層（D0-20）；（4）粉碎后的秸稈均勻深混于0—35 cm土層（D0-35）；（5）將0—20 cm土層剝開，秸稈均勻混于20—35 cm土層，然后將0—20 cm土層回填（D20-35）；（6）將 0—20 cm 和 20—35 cm 土層分層剝開，在35 cm深處集中深埋，形成秸稈層，然后分層回填（D35）；（7）將 0—20 cm、20—35 cm 和 35—50 cm土層分層剝開，在50 cm處集中深埋，形成秸稈層，然后分層回填（D50），所有秸稈還田小區(qū)僅在 2011年進(jìn)行了一次秸稈還田操作，秸稈還田量為 10 000 kg·hm-2。小區(qū)面積 1.4 m2（長 1.0 m，寬 1.4 m），4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。2016年在秸稈短期還田后效的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行15N標(biāo)記同位素示蹤研究。2011年試驗(yàn)開始前土壤基本化學(xué)性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量 45.4 g·kg-1, 全氮 2.1 g·kg-1，全磷 0.8 g·kg-1，全鉀 24.5 g·kg-1，速效氮 236.0 mg·kg-1，速效磷 18.2 mg·kg-1，速效鉀219.0 mg·kg-1，pH 6.3。玉米品種為德美亞 3 號，氮肥15N 標(biāo)記尿素含N 46%，豐度為10.17%（上?；ぱ芯吭海?，磷肥為磷酸二氫鉀（KH2PO5），含磷23.3%，含鉀28.6%。

1.3 試驗(yàn)方法

2016年春季播種前在試驗(yàn)小區(qū)中間的壟上插入一個高50 cm、半徑20 cm PVC桶，PVC桶露出地面5 cm，插入地下45 cm。5月2日在每個桶內(nèi)播種3株玉米，出苗后留1株壯苗。每桶施用氮肥1.88 g（15N標(biāo)記的尿素），磷酸二氫鉀（化學(xué)試劑純級別）1.60 g，30%的氮肥與全部磷酸二氫鉀在播種時作為基肥施用，剩下 70%的氮肥在玉米 9葉期作為追肥施用。9月29日收獲時，按照根、莖（包括雄穗）、葉（包括包皮）、軸和籽粒分開，然后在鼓風(fēng)烘箱內(nèi) 105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，冷卻至室溫后分別測定各部位干物質(zhì)重量，然后用樣品粉碎機(jī)磨碎后過0.5 mm篩，備用。

1.4 樣品分析

植株各器官全氮含量采用開氏定氮儀測定（FOSS Kjeltec 8400）。15N 豐度采用 FLASHEA-DELTA V 聯(lián)用儀/Flash-2000 Delta V ADVADTAGE/S-090433型同位素質(zhì)譜儀檢測。土壤輕組有機(jī)碳、容重、田間持水量和飽和持水量的分析方法見參考文獻(xiàn)[28-29]。

1.5 計算方法

植株吸收肥料氮量占植株總氮量百分率 Ndff=植株樣品中15N原子百分超/標(biāo)記肥料中15N原子百分超×100%；

植株氮素來自15N肥料氮的量=玉米植株吸氮量×Ndff；

15N標(biāo)記肥料氮的利用率（%）=植株氮素來自15N肥料氮的量/15N肥料氮施用總量×100；

土壤 Ndff =土壤樣品中15N 原子百分超/肥料中15N原子百分超×100；

15N肥料氮的土壤殘留量=土壤干重×土壤全N%×土壤Ndff；

0—35 cm土層15N肥料氮的殘留率（%）=15N肥料氮的土壤殘留量/15N肥料氮施用總量×100；

15N肥料氮的貢獻(xiàn)率（%）=植株吸收15N肥料氮的量/玉米植株吸氮總量×100；

15N肥料氮的損失率（%）=100-15N標(biāo)記肥料氮的利用率（%）-土壤中15N標(biāo)記肥料氮?dú)埩袈剩?）（0—35 cm土層）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用 SPSS17.0進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），分析秸稈還田后效對玉米干物質(zhì)積累、氮素積累和氮肥利用率等的影響，多重比較采用Duncan法（P=0.05），平均值在P＜0.05水平下的任何差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。采用SPSS17.0進(jìn)行玉米氮肥利用率與土壤理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 秸稈還田后效對玉米干物質(zhì)積累的影響

秸稈還田后效顯著影響了成熟期玉米植株各器官干物質(zhì)積累（表1）（P＜0.05）。除了葉以外，D0-35和 D20-35處理玉米各器官干物質(zhì)量顯著高于其他處理（P＜0.05）；D50處理各器官干物質(zhì)積累量最小，與秸稈混合施用處理（D0-20、D0-35和D20-35）和CK對照各器官干物質(zhì)積累量差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）；不同處理干物質(zhì)總量表現(xiàn)為 D0-35＞D20-35＞D0-20＞CK≥D0＞D35＞D50，整體上表現(xiàn)為秸稈混合還田后效促進(jìn)了玉米的干物質(zhì)積累。各處理籽粒占總干物質(zhì)積累量的40.5%—41.8%，是積累量最大的器官；其次是葉和莖，其占總干物質(zhì)積累量的比例分別為17.3%—18.8%和16.9%—18.8%，玉米軸所占比例最小為 9.9%—10.4%；根系占干物質(zhì)總量的比例相對較小。秸稈還田后效顯著影響了根系的干物質(zhì)積累（P＜0.05），秸稈深混處理（D0-35和 D20-35）促進(jìn)了玉米根系的發(fā)育，同時玉米植株的地上部生物量和籽粒也相對較高，說明秸稈混合還田能夠協(xié)同促進(jìn)玉米植株?duì)I養(yǎng)生長和生殖生長，達(dá)到高效的“庫”“源”轉(zhuǎn)換。

2.2 秸稈還田后效對玉米植株各器官吸收15N化肥的影響

雖然秸稈還田后效顯著影響了玉米各器官的干物質(zhì)積累（表1），但是對玉米各器官氮含量沒有顯著的影響（P＞0.05）（表 2），說明了在氮肥施用量和施用方式相同的情況下，不同秸稈還田方式后效并不能改變氮在玉米各器官中的含量。秸稈還田后效對玉米各器官氮素積累總量表現(xiàn)為D0-35≥D20-35≥D0-20＞D0≥CK≥D35＞D50（表 3），其中秸稈混合還田處理（D0-35、D20-35和 D0-20）與 CK、覆蓋還田（D0）和層鋪還田（D35和 D50）的差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。與其他處理相比，D0-35提高了成熟期各器官氮素積累量（除了根以外），其中籽粒、莖和軸氮素積累量差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），說明秸稈深混還田能夠通過促進(jìn)植株的生長，進(jìn)而增加氮素積累量。

表1 秸稈還田后效對玉米各器官干物質(zhì)積累量的影響Table 1 Dry biomass accumulation of maize under straw return aftereffect (g/plant)

表2 秸稈還田后效對玉米各器官全氮含量的影響Table 2 Nitrogen contents in different organs of maize under different straw return aftereffect

表3 秸稈還田后效對玉米各器官氮素累積量的影響Table 3 Nitrogen accumulation in different organs of maize under different straw return aftereffect

2.3 秸稈還田后效對玉米各器官15N積累量及分配率的影響

D0-35和 D20-35處理下玉米各器官15N累積量顯著高于其他處理（根除外）（P＜0.05），與其他處理相比，分別提高5.1%—38.4%和9.3%—31.8%（表4）。從玉米各器官15N積累量占植株15N積累總量的比例可以得出，74.1%以上的15N累積在籽粒中，8.1%—9.3%的15N累積在葉中，剩余的5.9%—7.8%、2.5%—3.8%和 3.8%—6.5%分別分配在軸、莖和根，不同處理間沒有顯著性差異，說明玉米秸稈還田對氮肥利用的影響是促進(jìn)了玉米植株整體對肥料氮的吸收。

表4 秸稈還田后效對玉米各器官15N積累量及分配率的影響Table 4 15N accumulation and distribution in different organs of maize under straw return aftereffect

2.4 秸稈還田后效對肥料氮利用率、貢獻(xiàn)率、殘留率和損失率的影響

不同秸稈還田方式后效均提高了玉米的氮肥利用率（表5），CK與D0-20、D0-35和D20-35的差異到達(dá)了顯著水平（P＜0.05）；CK、D0、D35和D50處理間沒有顯著性差異（P＞0.05）。D0-35和D20-35處理的玉米氮肥利用率顯著高于 D0-20處理（P＜0.05），分別提高了6.2和4.3個百分點(diǎn)，說明秸稈深混和亞耕層混合施用是一種有效提高氮肥利用率的途徑。土壤殘留的化肥氮能夠?yàn)橄乱患咀魑锷L提供氮源，D0-35和D20-35處理顯著提高了15N肥料氮的殘留率，與其他處理相比分別提高了14.7—21.2個百分點(diǎn)和8.0—14.3個百分點(diǎn)。15N肥料氮損失率最高的處理是D0和D50處理，顯著高于秸稈混合還田的3個處理（P＜0.05）；D0-20、D0-35和 D20-35之間差異顯著（P＜0.05），其中 D0-35的15N肥料氮損失率最低為10.6%；D0、D35和D50與CK之間沒有顯著差異（P＞0.05）。與CK相比，D0-35、D20-35、D35和D50處理15N肥料氮貢獻(xiàn)率分別顯著提高了3.7、4.3、3.8和4.5個百分點(diǎn)（P＜0.05）；不同處理之間沒有顯著查差異（P＞0.05）。

2.5 氮肥利用率與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

大量的研究已經(jīng)證明秸稈還田能夠影響土壤理化指標(biāo)[28-29]。本研究中在測定了不同處理土壤輕組有機(jī)碳、＞0.25 mm團(tuán)聚體、容重、持水量后，分析了氮肥利用率與氮肥貢獻(xiàn)率和土壤上述指標(biāo)之間的相關(guān)性（表 6）。氮肥利用率和氮肥貢獻(xiàn)率與土壤輕組有機(jī)碳、＞0.25 mm團(tuán)聚體含量、飽和含水量和田間持水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；同時根重也是影響氮肥利用率和氮肥貢獻(xiàn)率的重要因素。

表5 秸稈還田后效對玉米植株15N利用率的影響Table 5 Nitrogen use efficiency of maize under different straw return aftereffect (%)

表6 玉米氮肥利用率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 6 The relationship between N use efficiency and selected soil properties

3 討論

秸稈還田通過影響土壤肥力進(jìn)而調(diào)控作物的生長[13,20]。定位試驗(yàn)研究表明秸稈深混還田對0—35 cm土層的土壤容重、輕組有機(jī)碳和氮、磷、鉀含量的影響可以延續(xù)到6年[30]，證明秸稈還田對土壤的物理化學(xué)性質(zhì)具有明顯的后效。但是不同秸稈還田方式后效對土壤性質(zhì)的影響存在一定的差異[20,31]。對于黏粒含量較高的土壤，秸稈深混還田后在微生物的分解過程中顯著改善了深層土體的肥力屬性[29]，其產(chǎn)生的后效能夠促進(jìn)作物前期生長發(fā)育，提高作物對氮肥的利用率。秸稈深混合能夠使秸稈盡可能均勻地分布在土壤中，從而增加土壤微生物與秸稈的接觸面積，進(jìn)而促進(jìn)秸稈分解釋放養(yǎng)分進(jìn)入土壤供給作物吸收利用[29]，同時秸稈還田還能刺激微生物分泌參與土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的水解酶，隨著秸稈腐解，提高了土壤中養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長[31]。鄭金玉等研究表明秸稈深混還田能夠增加玉米單株葉面積，提高干物質(zhì)積累[32]，免耕顯著減低了成熟期玉米地上部的干物質(zhì)量[33]。本研究中與農(nóng)民常規(guī)耕作方式相比，秸稈混合還田后效增加了玉米的干物質(zhì)積累（表1），其中秸稈深混還田和亞耕層混還田后效效果最佳，而秸稈覆蓋和層施的后效則限制了玉米干物質(zhì)的積累。秸稈混合還田和35 cm土層平鋪秸稈處理的根系生物量顯著高于其他處理（表 1），其原因在于秸稈還田后在微生物的作用下能夠向土壤中釋放速效養(yǎng)分供作物根系吸收利用，進(jìn)而影響作物根系的生長[34]。同時說明當(dāng)秸稈還田深度≤35 cm時能夠影響玉米根系的生長（無論平鋪和還是深混），但是當(dāng)秸稈深鋪在土層 50 cm 處時則對玉米根系的生長沒有促進(jìn)作用。D0-35和D20-35的根系生物量比D20處理分別增加了11.0%和22.3%，主要是由于在秸稈深混和亞耕層混施過程中能夠通過打破犁底層，減小耕作層的貫穿阻力，增加深層土壤孔隙度，促進(jìn)作物根系垂直下扎生長[35-36]。隋鵬祥等研究表明與旋耕相比，翻耕能夠增加土壤中的根長密度、根表面積和根干重密度，秸稈還田的根干重密度增加了20.6%[14]。免耕秸稈覆蓋由于土壤自然沉降和農(nóng)機(jī)具壓實(shí)雙重作用導(dǎo)致土壤壓實(shí)，增加了土壤容重和緊實(shí)度，減小了土壤孔隙，從而增加了土壤機(jī)械組力，限制根系生長[37-39]。

在相同氮肥施用量的情況下，不同秸稈還田方式的后效沒有顯著影響玉米各器官的全氮含量（表2），但是通過影響干物質(zhì)積累進(jìn)而影響了氮素積累量（表3）。DUAN等統(tǒng)計分析了來自于北京昌平、湖南祁陽、河南鄭州和陜西楊凌4個試驗(yàn)點(diǎn)的相同氮肥施用情況下不同有機(jī)肥處理對玉米全氮含量的影響，結(jié)果表明有機(jī)肥的施用沒有顯著影響玉米的全氮含量，而氮素的累積量主要受干物質(zhì)積累量影響[33]。秸稈施用后通過在作物生長季養(yǎng)分緩慢釋放和供給產(chǎn)生后效，增加作物對氮肥的吸收，提高玉米產(chǎn)量和土壤肥力[40]。GENG等研究表明秸稈還田顯著增加了玉米不同生育時期的物質(zhì)積累，相應(yīng)的增加了玉米植株中的氮的累積[41]。有機(jī)物料的投入通過改善土壤結(jié)構(gòu)來影響作物根系的生長和分布[42]，進(jìn)而影響作物對氮肥的吸收，單施化肥玉米的氮肥吸收量是1.3 g/株，而化肥有機(jī)肥配施處理玉米的氮肥吸收量是 2.4 g/株[43]。本研究得到了相似的結(jié)果，秸稈混合還田（D0-35和D20-35）后效增加了根系的生物量，促進(jìn)了根系對土壤中氮的吸收，進(jìn)而植株氮累積量顯著高于其他處理。而免耕處理由于限制了作物根系的生長，進(jìn)而限制了對氮素的吸收[38]，導(dǎo)致對氮的累積與對照之間沒有顯著差異。秸稈在35 cm土層處層施，與農(nóng)民常規(guī)相比顯著增加了根系的生物量，但是并沒有增加干物質(zhì)積累，導(dǎo)致氮的累積量偏低；秸稈在50 cm土層處層施處理氮的累積量最小，主要是由于玉米生長前期根系主要分布在0—35 cm土層，秸稈層鋪在50 cm對作物前期生長沒有起到直接的調(diào)控作用，在作物生長后期還增加了氮素淋溶的風(fēng)險，降低了植物對氮素的累積量[44]。前人研究已經(jīng)表明有機(jī)物料的施用能夠增加土壤中粘粒和團(tuán)聚體含量，進(jìn)而增加土壤中的陽離子交換量和NO3--N的固定，減少了NO3--N淋溶的風(fēng)險，同時有機(jī)物料的施用通過促進(jìn)根系的生長進(jìn)而增加了根系對NO3--N的吸收[44-45]。

化肥施用以后在土壤中進(jìn)行轉(zhuǎn)化、遷移并被作物吸收利用，土壤肥力和障礙因子通過影響土壤蓄納和穩(wěn)定養(yǎng)分的能力，微生物活性和根系生長，進(jìn)而影響土壤-植物系統(tǒng)中的化肥的高效循環(huán)利用[46]。長期的不合理耕作和大量化肥投入導(dǎo)致黑土土壤結(jié)構(gòu)破壞、耕作層變薄[47]，降低了土壤的養(yǎng)分庫容，抑制作物根系對養(yǎng)分的吸收利用，降低化肥的利用率。本研究利用15N同位示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)耕作方式氮肥利用率顯著低于秸稈混合還田產(chǎn)生后效的處理（D0-20、D0-35和D20-35）。表6顯示氮肥的利用率與土壤中輕組有機(jī)碳、＞0.25 mm團(tuán)聚體、持水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明秸稈還田后通過改善土壤理化性質(zhì)，維持和提高土壤的肥力[48]，向作物供給更多的養(yǎng)分[44]，同時減少氮的損失[45]來提高氮肥利用率。王振華等研究表明，秸稈還田后玉米氮肥表觀利用率比單施化肥提高4.3%[49]。秸稈深混入0—35 cm和混入亞耕層20—35 cm比秸稈淺混入0—20 cm氮肥利用率顯著提高了6.2和4.3個百分點(diǎn)，說明增加培肥的土層深度能夠進(jìn)一步提高氮肥利用率，證明在土壤培肥過程中構(gòu)建肥沃耕層的重要性。通過構(gòu)建肥沃耕層能夠增加深層土壤的速效養(yǎng)分含量，促進(jìn)養(yǎng)分在深層土壤的積累[29]，更重要的是肥沃耕層構(gòu)后能夠顯著改善土壤的結(jié)構(gòu)，特別是增加亞耕層中土壤孔隙度和水穩(wěn)性團(tuán)聚體等含量，有利于根系下扎[13]，使玉米后期生長能夠保持較高的根系活力，從而維持較高的氮素吸收能力。本研究表明秸稈深混還田后效構(gòu)建的肥沃耕層可以促進(jìn)玉米對土壤中氮素的吸收利用（表 2和 3），進(jìn)而提高氮肥利用率。值得注意的是，本研究證明了秸稈還田6年的后效對氮肥利用率具有明顯的促進(jìn)作用而秸稈層鋪于土層35和50 cm與農(nóng)民常規(guī)相比沒有顯著的差異，主要是因?yàn)閷愉伣斩捈礇]有增加耕作層深度，也沒有改善耕作層的土壤結(jié)構(gòu)，對玉米根系生長沒有顯著的促進(jìn)作用。在東北黑土區(qū)免耕秸稈覆蓋由于降低春季的土壤溫度，導(dǎo)致玉米生育期遲緩，籽粒灌漿收到影響，進(jìn)而降低產(chǎn)量[25]；同時由于免耕秸稈覆蓋增加了土壤容重，增加了土壤緊實(shí)度[37]，限制了玉米根系的生長[50]，而影響對土壤中氮素的吸收[51]，導(dǎo)致氮肥利用率較低。因此，通過秸稈深混還田構(gòu)建肥沃耕層的方法培育和提升耕地地力有望成為長期穩(wěn)定提高化肥利用率、實(shí)現(xiàn)藏肥于土與耕地大面積均衡減肥的根本途徑。

4 結(jié)論

秸稈還田后效能夠影響玉米生長及對化肥氮的吸收與利用。不同秸稈還田方式后效對玉米生物量和各器官氮素積累總量表現(xiàn)為秸稈混合還田＞秸稈表層覆蓋＞秸稈層鋪，其中秸稈深混還田效果最佳。D0-35和D20-35處理促進(jìn)了玉米各器官15N的積累，但是不同處理對15N在玉米各器官的分配沒有影響。與常規(guī)耕作相比，秸稈深層和亞耕層混合的后效顯著提高了玉米的氮素利用率和15N肥料氮的殘留率，而降低了15N肥料氮的損失率。相關(guān)性分析表明秸稈還田后效通過促進(jìn)作物根系生長、增加土壤的輕組有機(jī)碳和改善物理性質(zhì)進(jìn)而提高氮肥利用率。因此，對于質(zhì)地黏重的黑土，通過增加秸稈還田混合深度，構(gòu)建肥沃耕層培育和提升耕地地力，能夠有效提高氮肥的利用率。