松嫩平原秸稈還田對(duì)連作春玉米氮素供應(yīng)與吸收的影響

高 杰 于舒函 李二艷 于 雷 馬春梅

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030)

松嫩平原位于黑龍江和吉林兩省境內(nèi),是中國(guó)重要的春玉米產(chǎn)區(qū),2017年兩省春玉米種植面積分別為5 862.81千公頃和4 164.01千公頃,產(chǎn)量分別為3 703.11萬(wàn)t和3 250.78萬(wàn)t[1],按谷草比1∶1.2計(jì)算玉米秸稈量分別達(dá)到了3 752.8萬(wàn)t和3 399.6萬(wàn)t。近年來(lái),隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,秸稈資源大量過剩,導(dǎo)致露天焚燒進(jìn)而污染環(huán)境[1-4],而秸稈還田既能解決秸稈盈余問題又可以培肥土壤[5-7],還能固定土壤中氮素[8],對(duì)合理利用資源和環(huán)境保護(hù)均意義重大。

研究表明,玉米秸稈還田后會(huì)產(chǎn)生“微生物掘氮效應(yīng)”,應(yīng)適當(dāng)增加施氮量[9]。增加秸稈還田量,土壤有機(jī)氮的礦化量和礦化率亦增加,土壤氮素礦化水平提高,從而影響作物氮素的吸收與積累。嚴(yán)奉君等[10]研究表明,不同土壤肥力下,麥稈覆蓋可有效促進(jìn)雜交稻各生育時(shí)期氮素的積累;游來(lái)勇等[11]研究表明秸稈還田增加小麥和水稻氮素吸收和籽粒氮素累積,促進(jìn)小麥和水稻的生長(zhǎng);于舒函等[12]在松嫩平原研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田會(huì)降低下茬春玉米拔節(jié)前的氮積累量,至成熟期氮積累量高于秸稈不還田處理;趙鵬等[13]在河南省對(duì)冬小麥復(fù)種夏玉米的研究發(fā)現(xiàn),冬小麥秸稈還田配施氮肥較單施同量氮肥處理的玉米籽粒氮積累量均有不同程度的提高。關(guān)于秸稈還田對(duì)作物氮素積累影響的研究,結(jié)論不盡相同。秸稈還田還會(huì)改變來(lái)自外源化肥氮占土壤礦化總氮的比例[14],從而影響氮肥利用率。王小彬等[15]在山西晉中研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田使氮肥利用率明顯提高;而單鶴翔等[16]在華北潮土區(qū)研究表明,玉米秸稈還田使冬小麥氮肥利用率下降。秸稈還田存在還田量閾值的問題,研究表明,低還田量對(duì)土壤的調(diào)節(jié)作用不明顯,而高還田量改變了微生物群落結(jié)構(gòu)[17],會(huì)影響土壤生態(tài)系統(tǒng)中C和N的轉(zhuǎn)化[18],從而改變氮的供應(yīng)能力;秸稈過量還田時(shí),秸稈還田對(duì)土壤產(chǎn)生的積極作用會(huì)隨著秸稈還田量的增加而降低[19],還會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[20]。

松嫩平原是我國(guó)重要的春玉米產(chǎn)區(qū),中南部玉米連作面積較大,關(guān)于松嫩平原春玉米連作秸稈還田對(duì)氮素供應(yīng)與吸收的影響及適宜秸稈還田量尚缺乏系統(tǒng)的研究。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)玉米秸稈還田量,并施入含15N標(biāo)記的尿素,較系統(tǒng)地研究了玉米不同秸稈還田量對(duì)土壤供氮和下茬春玉米氮素吸收的影響,以期為科學(xué)解析秸稈還田與土壤供氮關(guān)系提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)用春玉米品種為新中龍一號(hào),購(gòu)自富爾農(nóng)藝有限公司。試驗(yàn)于2016—2017年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田進(jìn)行,地點(diǎn)位于松嫩平原中南部,隸屬于哈爾濱市香坊區(qū),年降水量500～550 mm,無(wú)霜期140 d左右,≥10℃積溫2 700℃左右。耕層土壤含有機(jī)質(zhì)37.11 g·kg-1、全氮1.46 g·kg-1、全磷0.65 g·kg-1、全鉀15.8 g·kg-1、硝態(tài)氮48.20 mg·kg-1、銨態(tài)氮16.9 mg·kg-1、速效磷50.44mg·kg-1、速效鉀170.43mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)秸稈還田量,分別為0、9.20、18.40、27.60、36.80 t·hm-2,用CK、S1、S2、S3、S4表示,其中S1是根據(jù)2015年哈爾濱市春玉米產(chǎn)量約7 500 kg·hm-2,按谷草比1∶1.2計(jì)算得到的秸稈全量還田量。試驗(yàn)采用框栽方法,圓框埋入土中,框內(nèi)與土壤水肥相通,具備盆栽易控制水肥的優(yōu)點(diǎn),又接近于大田生長(zhǎng)環(huán)境,所用圓框由硬化塑料制成,無(wú)底,直徑30 cm,高33 cm,裝土量約26 kg/框,裝土高度約30 cm,土壤取自玉米田耕層土,每個(gè)處理15框。

秸稈還田方法是將粉碎的秸稈均勻混至0～15 cm土層中,S1～S4秸稈占土壤重量比例分別約為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,折合秸稈量分別為65、130、195和260 g/框,2016和2017年還田玉米秸稈氮含量分別為9.78和11.64 g·kg-1。每框施入尿素2.47 g(350 kg·hm-2),供試尿素氮含量為46%;其中,2016年施普通尿素,2017年施15N標(biāo)記的尿素(15N豐度為3.60%)。同時(shí)施入重過磷酸鈣1.06 g/框(P2O5:44%,150 kg·hm-2)和硫酸鉀1.06 g/框(K2O:30%,150 kg·hm-2),所有處理均將一半尿素和全部的磷、鉀肥作為基肥施入,另一半尿素在拔節(jié)期取樣后追施。施肥方法為播種前沿圓框直徑劃一條6 cm深的溝,將肥料均勻撒施,覆土后在上面播種,追肥時(shí)也采取條施。播種方法為扎淺穴,每框4粒種子,播種后覆土3～4 cm,出苗后定苗,每框留苗1株。第二年是在第一年還田基礎(chǔ)上原位進(jìn)行連作試驗(yàn),兩年均于5月5日播種,2016年追肥日期為6月27日,收獲日期為9月25日,2017年追肥日期為6月30日,收獲日期為9月26日。

分別于苗期(2016年6月3日,2017年6月7日)、拔節(jié)期(2016年6月27日,2017年6月30日)、成熟期(2016年9月25日,2017年9月26日)取植株樣,成熟期測(cè)產(chǎn),每次取樣5框。取樣方法是貼近地面將地上部分剪下,于烘箱105℃殺青30 min后,65℃烘干并稱重,粉碎后過20目篩,待測(cè)。分別在苗期、拔節(jié)期、成熟期同時(shí)用土鉆取0～15 cm土層土樣,并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室放入-20℃冰箱保存待測(cè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤速效氮含量 將土樣用2 mol·L-1KCl浸提,浸提液加入MgO和FeSO4-Zn,用K350凱氏定氮儀(瑞士BUCHZ)測(cè)定浸提液氮濃度[21],計(jì)算土壤速效氮含量。

1.3.2 氮含量及15N豐度 用Delta V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermo-Fisher)采用雙路(DI)測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)定。先用凱氏定氮法測(cè)定植株氮含量,然后將凱氏定氮滴定后的樣品溶液濃縮,在冷凍真空條件下與次溴酸鋰反應(yīng)產(chǎn)生N2,產(chǎn)生的N2在高真空條件下電離記錄離子峰強(qiáng)度。根據(jù)公式計(jì)算肥料氮比例[22]:

式中,f處為處理莖稈(含葉片)或籽粒樣品的15N豐度,f自為15N自然豐度,f肥為肥料的15N豐度。

1.3.3 氮積累量 根據(jù)公式計(jì)算莖稈和籽粒中的氮積累量:

通過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)部分國(guó)企對(duì)于資金的使用效率不高。對(duì)于閑置資金，企業(yè)往往沒有投資理財(cái)意識(shí)，通常將其存入銀行（有些甚至是活期存款），這使企業(yè)資本獲得的收益很低，資金使用效率過低。此外，由于種種原因，很多國(guó)企存有多頭開戶的現(xiàn)象，這樣會(huì)導(dǎo)致企業(yè)資金分散，也會(huì)進(jìn)一步降低資金的使用效率。

1.3.4 產(chǎn)量測(cè)定 將收獲后的玉米平鋪至通風(fēng)良好處,風(fēng)干至14%含水量稱重。

1.3.5 氮肥利用測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 21.0、Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)分析,并繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)土壤供氮的影響

2.1.1 秸稈還田對(duì)土壤速效氮的影響 由表1可知,隨著生育期的推進(jìn),土壤速效氮含量整體呈先升高后降低的趨勢(shì),在拔節(jié)期達(dá)到最大值。在苗期,與CK相比,各秸稈還田處理均降低了土壤速效氮含量,且隨著秸稈還田量的增加而降低;兩年中CK的土壤速效氮含量均顯著高于各秸稈還田處理,平均分別較S1、S2、S3、S4高18.99%、25.79%、41.26%、44.01%。由此可見,在春玉米苗期,秸稈還田會(huì)降低土壤速效氮含量,且隨著還田量的增加降低效應(yīng)更明顯。在拔節(jié)期,2016年各處理土壤速效氮含量差異均不顯著;2017年土壤速效氮含量由高到低依次為S4、S3、S2、CK、S1,且S3、S4均顯著高于CK和S1。由此可見,至拔節(jié)期,秸稈還田的不利影響已基本消失,且土壤速效氮含量隨著秸稈還田量的增加呈遞增趨勢(shì)。在成熟期,2016年隨著秸稈還田量的增加,土壤速效氮含量呈先升高后降低的趨勢(shì),在S2時(shí)達(dá)到最大值94.9 mg·kg-1,且秸稈還田處理均顯著高于CK,S3與S4間差異不顯著;2017年土壤速效氮含量隨著秸稈還田量的增加整體呈遞增趨勢(shì),S4略低于S3但差異不顯著,S3、S4均顯著高于CK、S1和S2;兩年土壤速效氮含量均值整體隨著秸稈還田量的增加呈遞增趨勢(shì),S1、S2、S3、S4平均分別較CK高3.87%、18.23%、25.00%、24.84%。由此可見,秸稈還田可以增加生育后期土壤速效氮含量。

2.1.2 秸稈還田對(duì)春玉米植株氮素來(lái)源比例的影響 由圖2可知,從苗期至成熟期,春玉米植株15N豐度隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸降低。在苗期,秸稈還田量由0(CK)增至18.40 t·hm-2(S3)時(shí),春玉米植株15N豐度逐漸升高,S3達(dá)到最高值,S4略有下降但仍高于CK、S1和S2,CK的15N豐度顯著低于S2、S3、S4;在拔節(jié)期,隨著秸稈還田量的增加,春玉米植株中15N豐度呈逐漸降低趨勢(shì),且CK顯著高于S1、S2、S3、S4,但S2、S3、S4間差異均不顯著;成熟期春玉米莖稈和籽粒15N豐度值均隨秸稈還田量的增加呈降低趨勢(shì),且S4顯著低于CK和S1。

表1 秸稈還田量對(duì)土壤速效氮含量的影響Table1 Effect of straw returning amounts on soil available nitrogen content/(mg·kg-1)

由圖2中15N豐度可以計(jì)算出2017年春玉米植株氮素積累中肥料氮和土壤氮(由原土壤與秸稈氮共同提供)所占比例,結(jié)果如表2所示。從苗期至成熟期,春玉米植株氮素積累中肥料氮所占比例降低趨勢(shì),土壤氮所占比例呈升高趨勢(shì)。在苗期,秸稈還田量由0(CK)增至18.40 t·hm-2(S3)時(shí),春玉米植株氮素積累中肥料氮所占比例逐漸升高,至還田量為27.60 t·hm-2(S4)時(shí)略有下降,土壤氮所占比例則呈先降低后略有增加的趨勢(shì),其中CK植株氮素積累中肥料氮所占比例顯著低于S2、S3、S4,但S2、S3、S4間差異不顯著;在拔節(jié)期,與苗期呈相反規(guī)律,隨著秸稈還田量的增加,春玉米植株氮素積累中肥料氮所占比例呈降低趨勢(shì),CK顯著高于S1、S2、S3和S4,土壤氮所占比例則相應(yīng)增加;成熟期春玉米莖稈、籽粒氮素積累中肥料氮和土壤氮所占比例變化趨勢(shì)與拔節(jié)期一致,但處理間差異減小?？梢娊斩掃€田會(huì)在苗期降低土壤供氮能力,而到拔節(jié)期后提高土壤供氮能力。春玉米成熟期5個(gè)處理莖稈和籽粒氮素積累中肥料氮所占比例分別為7.16%～12.43%和6.46%～9.86%,土壤氮所占比例分別為87.57%～92.84%和90.14%～93.54%,表明春玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)以土壤供氮為主。

表2 秸稈還田量對(duì)氮素來(lái)源比例的影響2017()Table2 Effect of straw returning amounts on the proportion of nitrogen source(year 2017) /%

2.2 秸稈還田對(duì)春玉米氮積累和氮肥利用率的影響

2.2.2 秸稈還田對(duì)春玉米氮肥利用率的影響 根據(jù)成熟期氮積累量及15N豐度可得到肥料氮積累量和氮肥利用率(圖3)。氮肥利用率隨著秸稈還田量的增加先升高后降低,在S1達(dá)到最大值(42.26%),且S1顯著高于S2、S3和S4,CK和S1間差異不顯著。

表3 秸稈還田量對(duì)氮積累量的影響Table3 Effect of straw returning amounts on nitrogen accumulation /(g/株)

2.2.3 氮肥利用率的增減幅度變化 以CK的氮肥利用率為對(duì)照,對(duì)不同秸稈還田量下氮肥利用率增減幅度進(jìn)行曲線擬合(圖4)。氮肥利用率增減幅度與秸稈還田量呈二次曲線關(guān)系,擬合效果良好。由此可知,當(dāng)秸稈還田量為3.49 t·hm-2時(shí),氮肥利用率較CK提高最大(1.60%),當(dāng)秸稈還田量大于12.49 t·hm-2時(shí),氮肥利用率低于CK,而且隨還田量的增加持續(xù)下降。

2.3 秸稈還田對(duì)春玉米干物質(zhì)重和產(chǎn)量的影響

2.3.1 秸稈還田對(duì)春玉米干物質(zhì)重的影響 由表4可知,2016和2017年各處理植株干物質(zhì)重變化規(guī)律均一致,在苗期,植株干物質(zhì)重隨著秸稈還田量的增加逐漸降低,其中,CK均顯著高于S2、S3和S4;在拔節(jié)期,植株干物質(zhì)重也隨著秸稈還田量的增加逐漸降低,且CK均顯著高于S2、S3和S4;在成熟期,植株干物質(zhì)重隨著秸稈還田量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),均以S1達(dá)到最大值。

2.3.2 秸稈還田對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響 產(chǎn)量與植株干物質(zhì)重變化規(guī)律一致,兩年試驗(yàn)中CK、S1、S2的產(chǎn)量均未達(dá)到差異顯著水平(表5)。

2.3.3 增產(chǎn)幅度的變化 以CK的產(chǎn)量為對(duì)照,對(duì)不同秸稈還田量下春玉米增產(chǎn)幅度進(jìn)行曲線擬合(圖5)。春玉米產(chǎn)量增幅與秸稈還田量呈二次曲線關(guān)系,擬合效果良好。由此可知,當(dāng)秸稈還田量為11.25 t·hm-2時(shí),增產(chǎn)幅度最大(3.07%);當(dāng)秸稈還田量大于23.96 t·hm-2時(shí),將引起減產(chǎn),且隨著秸稈還田量的增加,減產(chǎn)幅度持續(xù)增加。

表4 秸稈還田量對(duì)春玉米干物質(zhì)重的影響Table4 Effect of straw returning amounts on dry matter weight of spring maize /(g/株)

表5 秸稈還田量對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響Table5 Effect of straw returning amounts on yield of spring maize /(g/株)

3 討論

3.1 秸稈還田與土壤供氮

本研究表明,在春玉米苗期,與秸稈不還田處理(CK)相比,各秸稈還田處理均降低了土壤速效氮含量,且隨著秸稈還田量的增加土壤速效氮含量逐漸降低,這可能是因?yàn)橛衩捉斩扖/N較高,腐解過程中需要從土壤中補(bǔ)充無(wú)機(jī)氮[23],隨著秸稈還田量的增加,消耗的土壤氮素量增加,導(dǎo)致作物可吸收利用的土壤無(wú)機(jī)氮量減少[24-25];春玉米拔節(jié)期,各秸稈還田處理與秸稈不還田處理間土壤速效氮含量差距減小;至成熟期,與CK相比,各秸稈還田處理均提高了土壤速效氮含量,這與于舒函等[12]的研究結(jié)果一致,可能是因?yàn)榇河衩装喂?jié)期為秸稈還田70 d左右,隨著秸稈還田時(shí)間延長(zhǎng),秸稈腐解,大量的氮被釋放[26],提高了土壤速效氮水平。秸稈還田還會(huì)改變外源肥氮占土壤礦化總氮的比重[14],同時(shí)改變春玉米對(duì)肥料氮和土壤氮的利用比例。在苗期,與CK相比,秸稈還田處理吸收利用氮素中肥料氮所占比例增加,且總體隨秸稈還田量的增加而增加,而拔節(jié)后則呈相反趨勢(shì)。其原因可能是本試驗(yàn)中化肥氮條施于種下,前期化肥與秸稈接觸少,微生物腐解秸稈主要吸收土壤中速效氮,使土壤供氮能力下降,致使秸稈還田處理春玉米苗期吸收利用氮素中肥料氮占比升高,而隨著肥料氮在土壤中逐漸擴(kuò)散,與還田秸稈接觸增加,在微生物分解秸稈時(shí)固定了一部分肥料氮,同時(shí)也會(huì)釋放出秸稈中氮素供春玉米吸收,因此秸稈還田降低了春玉米拔節(jié)期后吸收利用的氮素中肥料氮的比例,也改變了氮肥利用率。有研究發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田量為9 t·hm-2時(shí),下茬作物氮肥利用率下降9.6%～15.7%;而玉米秸稈還田量為6 t·hm-2時(shí),下茬玉米當(dāng)季氮肥利用率提高7%[16]。張水清等[27]研究也表明,適量秸稈還田使水稻當(dāng)季氮肥利用率提高8.23%。本試驗(yàn)表明,玉米秸稈還田量為12.49 t·hm-2是界限值,還田量低于該值時(shí),氮肥當(dāng)季利用率略有提高,高于該值時(shí)則下降。由此可見,秸稈還田可提高氮肥利用率,但具體還田量有待商榷。

3.2 秸稈還田與春玉米氮積累

游來(lái)勇等[11]研究表明,秸稈還田抑制水稻拔節(jié)期前的生長(zhǎng)和氮素累積,但促進(jìn)后期生長(zhǎng)和氮素累積,且不同秸稈量還田條件下水稻氮素吸收量和籽粒的氮素累積量均隨秸稈還田量增加而減少。Kongchum等[28]認(rèn)為較高的稻草還田量不利于水稻第1～第6周生長(zhǎng),但6周后對(duì)水稻生長(zhǎng)有積極影響。申勝龍等[29]研究表明,秸稈覆蓋處理苗期干物質(zhì)重低于不還田處理,中后期顯著高于不還田處理。本研究表明,在春玉米苗期和拔節(jié)期,植株的干物質(zhì)重和氮積累量均隨著秸稈還田量增加而下降,至成熟期,秸稈還田量為9.20(S1)和18.40 t·hm-2(S2)時(shí),植株氮積累量高于CK,而秸稈還田量為27.60(S3)和36.80 t·hm-2(S4)時(shí)低于CK,這與李勇等[30]的研究具有一致性。這是由于秸稈還田降低了春玉米前期土壤氮供應(yīng)能力,一般對(duì)春玉米苗期和拔節(jié)期影響較小時(shí),后期可以恢復(fù),但不同秸稈還田量也通過影響作物吸氮量從而影響春玉米前期生長(zhǎng)和氮素積累[31],適宜的秸稈還田量可增加春玉米氮素積累,還田量過高則起相反作用。也有研究表明秸稈還田抑制寒地粳稻成熟期氮積累[32],這可能是受作物、氮肥運(yùn)籌及田間管理的影響。

3.3 秸稈還田與春玉米產(chǎn)量

于舒函等[12]研究表明,玉米秸稈還田量為12.1 t·hm-2時(shí)對(duì)產(chǎn)量影響不顯著。前人研究也表明,適量秸稈還田可增產(chǎn),過量則減產(chǎn)[33-36]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,秸稈還田量低于23.96 t·hm-2時(shí)有小幅增產(chǎn)作用,秸稈還田量為11.25 t·hm-2時(shí)增產(chǎn)效果最強(qiáng),還田量高于23.96 t·hm-2時(shí)則引起減產(chǎn)。這是因?yàn)檫m量秸稈還田時(shí),配合施肥使秸稈充分腐解,起到培肥土壤的良好作用,而過量還田時(shí),會(huì)造成土壤耕作性差等負(fù)面效應(yīng),反而造成作物減產(chǎn)。秸稈還田對(duì)土壤氮的影響是一種長(zhǎng)期效應(yīng)[37],關(guān)于長(zhǎng)期連續(xù)秸稈還田對(duì)土壤供氮和玉米產(chǎn)量的影響有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)采用框栽試驗(yàn)方法,具備盆栽易控制水肥的優(yōu)點(diǎn),也接近于大田生長(zhǎng)環(huán)境,但成熟期玉米植株生物量較大,可能受圓框限制,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與大田試驗(yàn)結(jié)果存在差異,仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

秸稈還田改變了春玉米對(duì)肥料氮和土壤氮的利用比例,在一定秸稈還田量條件下,隨著秸稈還田量的增加,在苗期春玉米植株氮素積累中肥料氮所占比例增加,而拔節(jié)期后呈相反趨勢(shì)。通過方程擬合,秸稈還田量低于12.49 t·hm-2時(shí)可以提高當(dāng)季氮肥利用率,高于12.49 t·hm-2時(shí)其氮肥利用率低于CK。秸稈還田不利于春玉米苗期和拔節(jié)期生長(zhǎng);秸稈還田量為11.25 t·hm-2時(shí),最有利春玉米產(chǎn)量的形成,秸稈還田量高于23.96 t·hm-2時(shí)會(huì)引起減產(chǎn)。由本試驗(yàn)結(jié)果推測(cè),在松嫩平原中南部,配施尿素350 kg·hm-2時(shí),最適秸稈還田量為11.25 t·hm-2。