秸稈還田條件下氮肥前移對玉米產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響

高日平　趙沛義　韓云飛　劉小月　杜二小　高宇　任永峰　李煥春　張鵬　梁廣榮

摘要 ? ?針對黃土高原地區(qū)秸稈還田氮肥施用不合理這一實際問題，于2019年在內(nèi)蒙古清水河縣進(jìn)行秸稈還田與氮肥運(yùn)籌小區(qū)試驗，探究氮肥習(xí)慣施用（FN）、氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田（FNS）、氮肥高量施用配合秸稈還田（HNS）、氮肥后肥前移施用（RN）、氮肥后肥前移施用配合秸稈還田（RNS）下土壤養(yǎng)分及玉米產(chǎn)量變化規(guī)律。結(jié)果表明，秸稈還田結(jié)合氮肥施用提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量顯著增加，尤以氮肥后肥前移施用配合秸稈還田和氮肥高量施用配合秸稈還田提升效果最佳;在產(chǎn)量方面，秸稈不還田條件下，氮肥后肥前移施用較氮肥習(xí)慣施用有所下降，但未達(dá)到顯著差異水平，秸稈還田處理氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田、氮肥高量施用配合秸稈還田、氮肥后肥前移施用配合秸稈還田較對照氮肥習(xí)慣施用籽粒產(chǎn)量分別提高5.30%、10.93%、11.41%，莖稈產(chǎn)量分別提高8.89%、14.16%、10.91%，以氮肥后肥前移施用配合秸稈還田處理氮肥偏生產(chǎn)力最高。由此說明，秸稈還田結(jié)合氮肥施用可培肥土壤和提高作物產(chǎn)量，氮肥后肥前移配合秸稈還田措施效果最好，可作為一種節(jié)本增產(chǎn)增效栽培技術(shù)模式在內(nèi)蒙古黃土高原推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 ? ?玉米;秸稈還田;氮肥前移;土壤養(yǎng)分;產(chǎn)量

中圖分類號 ? ?S513;S318 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0001-05

Effect ?of ?Forward ?Application ?of ?Nitrogen ?Fertilizer ?on ?Corn ?Yield ?and ?Soil ?Nutrient ?Under ?Straw ?Returning ?Condition

GAO Riping 1， 2， 3， 4 ? ?ZHAO Peiyi 1， 2， 3， 4 * ? ?HAN Yunfei 1， 2， 3， 4 ? ?LIU Xiaoyue 1， 2， 3， 4 ? ?DU Erxiao 1， 2， 3， 4 ? ?GAO Yu 2， 3， 4

REN Yongfeng 2， 3， 4 ? ?LI Huanchun 2， 3， 4 ? ?ZHANG Peng 2， 3， 4 ? ?LIANG Guangrong 5

（1 School of Agriculture， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot Inner Mongolia 010019; 2 Institute of Resources， Environment and Testing Technology， Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences， Inner Mongolia， Hohhot Inner Mongolia 010031; 3 Key Laboratory of Dry Farming， Inner Mongolia， Hohhot Inner Mongolia 010031; 4 Inner Mongolia Cultivated Land Conservation Science Observation and Experiment Station， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hohhot Inner Mongolia 011705; 5 Qingshuihe County Bureau of Agriculture， Animal Husbandry and Science and Technology， Qingshuihe Inner Mongolia 011600）

Abstract ? ?In view of the practical problem of unreasonable application of nitrogen fertilizer for straw returning to the field in the Loess Plateau， a plot experiment on straw returning and nitrogen fertilizer operation was carried out in Qingshuihe County， Inner Mongolia in 2019. The purpose of this study was to explore the changes of soil nutrients and cron yield under the habitual application of nitrogen fertilizer （FN）， the habitual application of nitrogen fertilizer combined with straw returning （FNS）， the high amount of nitrogen fertilizer combined with straw returning （HNS）， the forward application of nitrogen fertilizer after nitrogen application （RN）， and the forward application of nitrogen fertilizer combined with straw returning （RNS）. The results showed that straw returning combined with nitrogen fertilizer increased the content of soil organic matter， soil available nitrogen， available phosphorus and available potassium significantly， especially in the treatments of RNS and HNS. In terms of yield， under the condition of no straw returning to the field， the former application of RN after nitrogen fertilizer decreased compared with the habitual application of nitrogen fertilizer FN， but did not reach the level of significant difference. Compared with the control FN， the grain yield of straw returning treatments of FNS， HNS and RNS increased by 5.30%， 10.93%， 11.41%， and the stem yield increased by 8.55%， 13.80%， 10.55% respectively. The nitrogen partial productivity of RNS treatment was the highest. It indicated that straw returning combined with nitrogen fertilizer could fertilize the soil and increase crop yield， and the effect of nitrogen fertilizer moving forward combined with straw returning was the best， which could be popularized and applied as a cost-saving， yield-increasing and efficiency-increasing cultivation model in the Loess Plateau of Inner Mongolia.

Keywords ? ?corn; straw returning; forward application of nitrogen fertilizer; soil nutrient; yield

秸稈作為能量和養(yǎng)分的載體，富含多種營養(yǎng)源和有機(jī)物質(zhì)[1-4]，但我國秸稈高產(chǎn)低用，焚燒和廢棄率較高[5]，造成資源浪費和環(huán)境污染。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展工作要點》明確指出，要全面持續(xù)推進(jìn)秸稈綜合利用，提升農(nóng)作物秸稈科學(xué)利用水平。秸稈直接還田作為秸稈資源化利用的最直接有效途徑，可提高耕層土壤肥力[6-9]和改善土壤狀況[10-12]，被大量推廣應(yīng)用。

氮是作物生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素[13-14]，被稱為“生命元素”，是影響作物產(chǎn)量提高和生理過程的首要因素[15]。氮肥的不合理施用會對作物生長造成負(fù)面影響，導(dǎo)致氮肥利用率和氮素利用率降低[16]，甚至造成作物減產(chǎn)和環(huán)境污染[17]。有研究表明，秸稈還田需額外增施氮肥，玉米田需多增施尿素75～150 kg/hm2，避免秸稈分解過程中土壤微生物與作物爭奪氮素，造成作物前期缺氮[18]。

玉米作為內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)主栽作物[19]，在氮肥施用方面重施追肥和后肥[20]，常以1/3的氮肥基施，剩余2/3氮肥于拔節(jié)期至孕穗期追施，但秸稈還田條件下，田間實際生產(chǎn)若依照傳統(tǒng)氮肥后移和秸稈還田前期補(bǔ)氮進(jìn)行氮肥管理，氮肥過剩導(dǎo)致秸稈還田的玉米田往往會出現(xiàn)玉米貪青晚熟的現(xiàn)象。前人學(xué)者研究表明，作物中后期土壤中秸稈經(jīng)微生物分解開始緩慢釋放氮素，可供給植物吸收利用[21]。秸稈還田不增加氮肥投入，如何調(diào)整和優(yōu)化氮肥施用，利用前期多施用的氮素減少后期氮肥投入具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于此，本研究在內(nèi)蒙古清水河縣玉米種植區(qū)開展秸稈還田條件下的氮肥運(yùn)籌試驗，探究秸稈還田條件下不同氮肥施用量和施用比例對土壤養(yǎng)分和玉米產(chǎn)量的影響，以期為該區(qū)域玉米秸稈還田下合理施氮制度和高效秸稈還田技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗地概況

秸稈還田開始于2016年10月上旬，本試驗于2019年5月10日至10月1日在內(nèi)蒙古清水河縣農(nóng)牧和科技局良種場試驗田進(jìn)行。試驗地是典型的黃土高原溝壑區(qū)，旱坡地占90%以上，屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候;降雨量365 mm，蒸發(fā)量2 577 mm，無霜期140 d，年平均氣溫7.1 ℃。試驗前采集0～40 cm土層土樣測定土壤肥力指標(biāo)，其結(jié)果為有機(jī)質(zhì)含量10.45 g/kg、全氮含量0.58 g/kg、全磷含量1.15 g/kg、全鉀含量24.50 g/kg、堿解氮含量35.10 mg/kg、有效磷含量16.52 mg/kg、速效鉀含量102.60 mg/kg，pH值7.87，屬低等肥力水平。

1.2 ? ?試驗設(shè)計

據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣施肥一般氮、磷、鉀肥施用量分別為225、150、75 kg/hm2，施用方法為部分氮肥和全部磷鉀肥基施，剩余氮肥于拔節(jié)期至孕穗期追施，追施比例為1∶2。根據(jù)前人研究結(jié)果，播種前（基施）、大喇叭口期為玉米最佳施氮時期，在此基礎(chǔ)上，試驗共設(shè)置5個處理，分別為氮肥習(xí)慣施用（FN）、氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田（FNS）、氮肥高量施用配合秸稈還田（HNS）、氮肥后肥前移施用（RN）、氮肥后肥前移施用配合秸稈還田（RNS），其中以氮肥習(xí)慣施用（FN）為對照（CK）。每個處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，各處理小區(qū)面積均為96 m2（12 m×8 m）。

1.3 ? ?試驗實施

玉米進(jìn)入完熟期后，采用大型玉米收獲機(jī)進(jìn)行收獲，同時將玉米秸稈粉碎（長度為3～5 cm），并均勻拋撒于田間;采用液壓旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，旋耕深度為20～30 cm，可將秸稈翻埋至10～20 cm土層，并進(jìn)行耙平，達(dá)到土壤深、松、平、碎、墑的狀態(tài)。玉米秸稈還田帶入養(yǎng)分折算為純N 39.12～45.36 kg/hm2、P2O5 5.4～6.8 kg/hm2、K2O 26.85～29.47 kg/hm2，還田量參考本地往年試驗結(jié)果[4-5]，一般為6 000 kg/hm2。

供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N種星618，2019年5月上旬播種，10月下旬收獲。播種方式為全覆膜雙壟溝播種植，小行距40 cm，大行距70 cm，株距30 cm，種植密度為5.25萬株/hm2。氮肥習(xí)慣施用為基肥∶大喇叭口肥=1∶2，氮肥后肥前移施用為基肥∶大喇叭口肥=1∶1。基肥均勻拋撒于田間，春季播種前隨旋耕整地施入;大喇叭口肥用小型施肥罐隨灌水追入。處理HNS尿素（純N）施用量為270 kg/hm2，其余4個處理尿素（純N）施用量為225 kg/hm2。所有處理均施過磷酸鈣（P2O5 150 kg/hm2）和硫酸鉀（K2O 75 kg/hm2），一次性底施。各處理其他田間管理方式均一致，并與當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣相符。

1.4 ? ?測定內(nèi)容及方法

1.4.1 ? ?土壤養(yǎng)分測定。玉米收獲后采集土壤樣品，每個小區(qū)采用五點取樣法，取0～40 cm土層土樣，分為0～20 cm和20～40 cm 2個土層，去除雜質(zhì)，分別裝入滅菌自封袋混勻后帶回實驗室。自然風(fēng)干過1 mm篩，用于測定土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分。油浴加熱-重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤有效磷采用0.5 mo1/L NaHCO3浸提、鉬銻抗吸光光度法測定，土壤速效鉀采用火焰光度法測定[22]。

1.4.2 ? ?玉米產(chǎn)量測定。每小區(qū)隨機(jī)選10 m雙行進(jìn)行產(chǎn)量測定，籽粒產(chǎn)量和莖稈產(chǎn)量均按照14%含水率進(jìn)行折算。

1.4.3 ? ?氮肥偏生產(chǎn)力測定。計算公式為：

PFPN=Y/FN

其中，PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg），Y為作物產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn)N為氮肥施用量（kg/hm2）。

1.5 ? ?數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行處理和繪制統(tǒng)計圖表，選用SPSS 25.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行顯著性分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是植物所需各種有機(jī)、無機(jī)養(yǎng)分的源泉，往往用其含量的多少來衡量土壤肥力的高低。玉米秸稈作為一種高碳有機(jī)物質(zhì)，還田后可為土壤供給有機(jī)物質(zhì)。由圖1可知，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為10.452～10.584 g/kg，20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為9.352～9.461 g/kg，其中處理FNS、HNS、RNS土壤有機(jī)質(zhì)0～20 cm土層含量較處理FN（CK）分別提高0.574%、1.148%和1.263%，20～40 cm土層分別較處理FN（CK）提高0.599%、1.080%和1.122%，秸稈還田與不還田處理間均表現(xiàn)為不顯著，但秸稈還田處理土壤有機(jī)質(zhì)有增長趨勢，總體表現(xiàn)大于不還田處理。秸稈還田可增加0～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量，改良耕層土壤結(jié)構(gòu)，尤以秸稈還田條件下氮肥后肥前移處理土壤有機(jī)質(zhì)含量提升幅度最大。

土壤堿解氮可有效反映土壤中某一階段氮素變化特征，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一。由圖2可知，秸稈還田結(jié)合氮肥施用可顯著提高0～40 cm土層土壤堿解氮含量，且0～20 cm土層堿解氮含量高于20～40 cm土層，處理RN與處理FN（CK）之間無明顯差異，但處理FNS、HNS、RNS與處理FN（CK）差異顯著，其中處理FNS、HNS、RNS土壤堿解氮0～20 cm和20～40 cm土層含量相較于處理FN（CK）分別提高12.42%、25.23%、20.58%和10.95%、24.69%、19.06%，0～40 cm各處理堿解氮含量表現(xiàn)為處理HNS>處理RNS>處理FNS>處理FN（CK）>處理RN。

土壤有效磷的豐缺及供給狀況直接影響作物生長發(fā)育。由圖3可知，各處理土壤有效磷含量0～20 cm土層高于20～40 cm土層，處理FN（CK）與處理RN間無明顯差異，處理FNS、HNS、RNS間差異也不顯著，總體表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田。其中，處理FNS、HNS、RNS土壤有效磷0～20 cm土層含量較處理FN（CK）分別提高3.31%、4.27%、4.64%，20～40 cm土層較處理FN（CK）分別提高5.85%、6.13%、5.92%。

土壤速效鉀含量高低直接影響著植物的鉀素營養(yǎng)，秸稈還田措施對土壤鉀的供應(yīng)和活化有一定作用。由圖4可知，秸稈還田可顯著提高0～40 cm土層土壤速效鉀含量，且0～20 cm土層高于20～40 cm土層。其中，處理FNS、HNS、RNS土壤速效鉀0～20 cm土層含量較處理FN（CK）分別提高6.57%、15.12%、16.54%，20～40 cm土層較處理FN（CK）分別提高6.34%、10.99%、14.17%;處理RN與處理FN（CK）之間無明顯差異。秸稈還田配施氮肥相較于單施氮肥可提高土壤速效鉀含量，在秸稈還田條件下，氮肥后肥前移處理優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用處理。

2.2 ? ?秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對玉米產(chǎn)量及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

作物產(chǎn)量是土壤生產(chǎn)力的綜合反映。由表1可知，各處理籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為處理RNS>處理HNS>處理FNS>處理FN（CK）>處理RN，莖稈產(chǎn)量表現(xiàn)為處理HNS>處理RNS>處理FNS>處理RN>處理FN（CK），產(chǎn)量總體表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田。其中，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS玉米籽粒產(chǎn)量相較于不還田處理FN（CK）分別提高5.30%、10.93%、11.41%，莖稈產(chǎn)量較處理FN（CK）分別提高8.89%、14.16%、10.91%，秸稈還田結(jié)合氮肥相較于單施氮肥玉米產(chǎn)量顯著提高（P<0.05）。

各處理氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為處理RNS>處理FNS>處理FN（CK）>處理RN>處理HNS，以處理RNS氮肥偏生產(chǎn)力最高，高氮量的投入降低了氮肥偏生產(chǎn)力。綜上所述，秸稈還田條件下氮肥后肥前移施用可以優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用水平，且可以達(dá)到氮肥高量施用水平，滿足玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的生產(chǎn)要求。

3 ? ?結(jié)論與討論

關(guān)于秸稈還田配施氮肥培肥增產(chǎn)方面前人做了大量研究，李 ?瑋等[23]研究表明，玉米秸稈還田結(jié)合氮肥可增加土壤氮素積累，提高土壤養(yǎng)分;汪 ?軍等[24]研究認(rèn)為，秸稈還田配施氮肥可提高土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量，提升效果與氮肥施用量有關(guān)，速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量變化最顯著;張維樂等[25]在14個地區(qū)3種不同作物上研究認(rèn)為，秸稈還田與氮肥運(yùn)籌可增加耕層土壤養(yǎng)分，且秸稈還田條件下進(jìn)行氮肥后肥前移作物不減產(chǎn)，大部分試驗區(qū)實現(xiàn)增產(chǎn)。

本研究結(jié)果表明，秸稈還田結(jié)合氮肥施用較單一氮肥施用土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量增加，這可能是由于化肥和秸稈還田配合明顯降低了化肥對微生物的抑制作用，增強(qiáng)了微生物的生命活動，有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)的分解，從而提高了土壤養(yǎng)分含量。秸稈還田條件下增加氮肥投入和氮肥后肥前移處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮較氮肥習(xí)慣施用提升效果更明顯，可能是秸稈作為一種外源有機(jī)物質(zhì)還田后，通過前期額外補(bǔ)氮和氮素前移，增加了作物前期土壤氮素供應(yīng)，刺激了秸稈周圍的微生物大量繁殖，形成土壤微生物活動層，加速了秸稈中有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量。

土壤有效磷和速效鉀含量取決于其初始分布和外源施入，秸稈中磷、鉀含量較高，還田腐解后可釋放磷素和鉀素，補(bǔ)充土壤中磷、鉀含量，本試驗各處理有效磷和速效鉀變化規(guī)律與堿解氮規(guī)律一致，以氮肥高量施用配合秸稈還田和氮肥后肥前移施用配合秸稈還田處理含量較高，可能是氮肥對秸稈初期腐解速率的影響較大，加速秸稈中一些可溶性物質(zhì)以及氨基酸的分解，提高了秸稈腐解速率，增加了秸稈中磷、鉀元素的釋放。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量高于20～40 cm土層，即秸稈還田增加的土壤有機(jī)質(zhì)主要向土壤表層聚集，可能是土壤中作物常年殘留根茬更多集中于0～20 cm土層，增加了土壤中腐殖質(zhì)含量，表層碳、氮含量得到一定提升。

秸稈還田條件下氮肥后肥前移處理玉米產(chǎn)量可以達(dá)到或優(yōu)于氮肥習(xí)慣配施水平，氮肥偏生產(chǎn)力最高，可能是通過后肥前移，增補(bǔ)了秸稈前期腐解所需的氮素供應(yīng)，平衡了作物與秸稈之間的碳、氮收支，秸稈在微生物代謝作用下釋放養(yǎng)分，可彌補(bǔ)作物生育后期氮素需求，提高了氮素利用率和增加了作物產(chǎn)量。

秸稈還田結(jié)合氮肥施用較單一氮肥施用提高了0～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量，0～20 cm土層養(yǎng)分含量大于20～40 cm土層，總體表現(xiàn)為秸稈還田優(yōu)于秸稈不還田，尤以秸稈還田結(jié)合氮肥后肥前移施用處理提升效果最好。在產(chǎn)量方面和氮肥利用率方面，秸稈還田可提高玉米籽粒產(chǎn)量和莖稈產(chǎn)量，氮肥后肥前移施用配合秸稈還田處理玉米產(chǎn)量優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田處理，且可以達(dá)到氮肥高量施用配合秸稈還田處理水平，氮肥后肥前移施用處理較氮肥高量施用處理可獲得較高的氮肥偏生產(chǎn)力，減少氮素投入，提高肥料利用率，滿足玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的要求。本試驗在一定程度上模糊了不同玉米品種間氮效率的差異，有必要進(jìn)一步開展不同試驗點及不同品種間或不同作物的氮肥運(yùn)籌試驗，從而提高氮肥后肥前移的區(qū)域適應(yīng)性，進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)。

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基金項目 ? 內(nèi)蒙古科技重大專項（2020ZD0005）;國家重點研發(fā)計劃課題（2018YFD0800806）;內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)創(chuàng)新基金項目（CXJJ2017N12）;呼和浩特市科技計劃項目（2019-農(nóng)-7）。

作者簡介 ? 高日平（1995—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，在讀碩士研究生，從事旱地作物栽培與生理生態(tài)研究工作。

通信作者

收稿日期 ? 2020-06-03