秸稈還田條件下不同施氮水平對玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

張愉飛，隋躍宇，陳一民，于 賀，焦曉光

(1.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

我國每年秸稈生產(chǎn)量約6.3億多t，占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%[1-2]。秸稈作為重要的有機(jī)肥源，含有大量的營養(yǎng)元素，然而，采用焚燒處理秸稈的方式，不僅浪費資源，也對環(huán)境造成不良影響。秸稈直接或間接還田，能夠有效的緩解焚燒秸稈對生態(tài)環(huán)境造成的壓力，提高土壤中養(yǎng)分含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，一定程度上還可以提高作物的產(chǎn)量。

氮素是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都產(chǎn)生影響。氮肥具有增產(chǎn)效應(yīng)，合理施用氮肥對作物產(chǎn)量的提高與品質(zhì)的提升有促進(jìn)作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了提高作物產(chǎn)量大量施入氮肥，降低了氮肥的利用效率，破壞土壤結(jié)構(gòu)，對生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成了威脅，引起溫室效應(yīng)和水體富營養(yǎng)化。所以合理的施肥方式與提高氮肥利用率得到了人們的廣泛關(guān)注。

研究表明，秸稈還田作為一項良好的農(nóng)業(yè)措施，能夠增加土壤當(dāng)中有機(jī)碳含量，固定土壤中的氮素，促進(jìn)養(yǎng)分的積累和循環(huán)，提高作物對養(yǎng)分的利用率[3-4]；但同時，秸稈在腐解過程中也需要消耗一定量的氮，出現(xiàn)微生物與作物爭氮的現(xiàn)象[5]。因此，對秸稈還田條件下氮肥利用率進(jìn)行研究具有很大意義。目前大多數(shù)研究主要集中在秸稈還田量[6-7]、秸稈還田影響土壤水分[8-9]和土壤有機(jī)碳[10]等方面，關(guān)于秸稈還田后不同氮肥水平對氮肥利用率方面的研究涉及較少。本研究利用典型黑土區(qū)試驗基地的玉米秸稈還田試驗，以秸稈腐解為主因素，設(shè)置4個施氮量水平，探究秸稈腐解條件下，配施不同氮量對玉米產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響，旨在為秸稈還田高效利用及合理施肥提高氮肥利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)(126°34.8′E，45°54′N)，試驗地土壤為典型黑土，土壤基礎(chǔ)農(nóng)化性狀，見表1。該區(qū)年平均氣溫3.3 ℃，日均≥10 ℃的活動積溫2 782.9 ℃，年平均降水量為500.4 mm。

表1 土壤基礎(chǔ)農(nóng)化性狀Table 1 Soil basic properties

1.2 試驗設(shè)計

本試驗開始于2015年，試驗地采用裂區(qū)設(shè)計，每個副區(qū)面積為24 m2，3次重復(fù)。以無秸稈添加、秸稈添加菌劑2個處理為主區(qū)，下設(shè)4個施氮水平作為副區(qū)，分別為：N0(0 kg·hm-2)、N135(135 kg·hm-2)、N180(180 kg·hm-2)、N225(225 kg·hm-2)。試驗種植作物：玉米，品種為“豐禾6號”，于2019年5月5日人工播種，種植行距為60 cm，密度為75 000 株·hm-2，于2019年9月28日收獲。肥料施用：氮肥為尿素(含N46%)；磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%，用量P2O5為150 kg·hm-2)；鉀肥為硫酸鉀(含K2O50%，用量K2O為75 kg·hm-2)。其中磷肥、鉀肥、氮肥1/3采用條施的方式作為基肥一次性施入，另2/3氮肥在玉米大喇叭口時期采用穴施的方式進(jìn)行追肥。秸稈腐解：秸稈還田處理所用秸稈為上茬玉米收獲的秸稈(用量7 500 kg·hm-2)，腐解劑是山東蔚藍(lán)生物科技有限公司生產(chǎn)的固體農(nóng)用微生物菌劑(用量9.17 g·m-2)，每年玉米收獲后，將收獲的秸稈粉碎為2 cm左右，與腐解劑混合均勻，進(jìn)行還田。玉米生育期內(nèi)，人工進(jìn)行除草，田間管理。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植株樣品采集與測定。2019年9月玉米成熟后，采集植株樣品進(jìn)行測定。每個小區(qū)分別選取3個2 m2樣方，重復(fù)3次。將植株樣品帶回實驗室自然風(fēng)干后進(jìn)行考種；將風(fēng)干后的植株樣品稱重，粉碎，采用H2SO4-HCLO4消煮法，用凱氏定氮儀測定秸稈和籽粒的含氮量。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量測定。在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期采集土壤樣品。選擇晴朗無雨的天氣，選用5點采樣法采集0～20 cm深的耕層土樣，將土壤樣品在實驗室內(nèi)攤開于通風(fēng)處，進(jìn)行自然風(fēng)干，避免陽光直射。去除植株根系以及其他雜物，研磨后過篩。土壤全氮、有機(jī)碳含量測定采用元素分析儀(Vario EL Ⅲ型)，土壤堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法。

1.4 計算公式及統(tǒng)計方法

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1) = (施氮區(qū)玉米產(chǎn)量-不施氮區(qū)玉米產(chǎn)量) /氮肥施用量[11]

氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量[11]

運用 Microsoft Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及雙因素分析，用 SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田條件下不同施氮水平對土壤堿解氮含量的影響

在玉米生育期內(nèi)，秸稈還田后土壤堿解氮含量比無秸稈添加的土壤堿解氮含量高，但沒達(dá)到顯著差異水平；秸稈還田土壤堿解氮在N180處理時達(dá)到最高，N225處理時有所下降(圖1)。

隨著生育時期的延長，土壤堿解氮含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到最高，后開始降低。秸稈還田與無秸稈添加相比，苗期4個施氮水平堿解氮含量分別增加10.4%、7.28%、8.87%、5.20%；拔節(jié)期4個施氮水平堿解氮含量分別增加0.38%、2.55%、2.51%、0.96%；抽雄期4個施氮水平堿解氮含量分別增加3.11%、4.27%、4.12%、2.20%；在成熟期，4個施氮水平堿解氮含量分別增加4.85%、3.51%、5.27%、3.30%。由此可見，秸稈還田配施氮肥能夠增加土壤堿解氮含量。

2.2 秸稈還田條件下不同施氮水平對土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量的影響

如圖2所示，土壤的全氮含量隨著氮肥施用量的增加逐漸增加。無秸稈添加和秸稈還田，土壤全氮含量均在N0處理時最低，分別為1.65 g·kg-1、1.63 g·kg-1，在N225處理時最高，分別為1.80 g·kg-1、1.85 g·kg-1，N225處理與N0處理相比，全氮含量分別增加9.09%、13.5%。秸稈還田與無秸稈添加相比，在N0、N135處理時，秸稈還田的全氮含量略低于無秸稈添加的全氮含量；在N180、N225處理時，土壤全氮含量略高于無秸稈添加的全氮含量，但均未達(dá)到顯著差異水平。

圖2 秸稈還田條件下不同施氮量水平對土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application rates on soil total nitrogen and organic matter under stalk returning condition

秸稈還田下4個施氮水平土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于無秸稈添加4個施氮水平土壤有機(jī)質(zhì)含量，各施氮水平分別增加0.53%、1.90%、2.05%、1.85%，但未達(dá)到顯著差異。無論是否添加秸桿，土壤有機(jī)質(zhì)的含量均隨著施氮量的增加而增加，增加幅度分別為1.23%～4.05%、1.16%～5.40%。

注: 圖中不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different letters in the figure mean significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below..圖1 秸稈還田條件下不同施氮量水平對土壤堿解氮含量的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on soil alkali hydrolysis nitrogen contents under stalk returning condition

2.3 秸稈還田條件下不同施氮水平對玉米產(chǎn)量性狀的影響

由表2可見，與無秸稈添加相比，秸稈還田下各施氮水平秸稈重量、株高、穗重均較高，并且隨著施氮量的增加秸稈重量、株高均逐漸增加。有無秸稈添加條件下，穗長和行粒數(shù)都在N180處理時最高，在N225處理時，穗長和行粒數(shù)反而有所下降。對玉米禿尖而言，有無秸稈添加條件下，在N135處理時最低；秸稈還田與無秸稈添加相比在N180處理下達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。

表2 秸稈還田條件下不同施氮水平對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different nitrogen levels on yield components of maize under stalk returning condition

對于玉米穗粗而言，無秸稈添加穗粗在N180處理時最粗，各施氮水平之間不存在顯著差異；秸稈還田穗粗在N135、N225處理時最粗，N135處理與N0處理之間存在顯著差異(P<0.05)；秸稈還田與無秸稈添加相比，在N135處理下，穗粗增加了2.52%，并且達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。無秸稈添加玉米行數(shù)以N0處理時最高；秸稈還田玉米行數(shù)在N135、N180、N225處理時均高于N0處理。在無秸稈添加下玉米百粒重以N225處理時最重，與N0處理相比增加了20.3%，各施氮水平之間無顯著差異；在秸稈還田下玉米百粒重以N180處理時最重，與N0處理相比，顯著增加了24.3%(P<0.05)；秸稈還田與無秸稈添加相比，百粒重除N0處理外，均存在顯著差異(P<0.05)，N135和N180處理分別增加了3.67%、5.39%，N225處理降低了5.92%。

2.4 秸稈還田條件下不同施氮水平對玉米產(chǎn)量的影響

如圖3所示，在無秸稈添加時，N0處理玉米產(chǎn)量最低，為8 794 kg·hm-2；N180處理玉米產(chǎn)量最高，為12 957 kg·hm-2；與N0處理相比，N180處理產(chǎn)量增加47.3%，N180處理與其他3個處理之間存在顯著差異水平(P<0.05)。秸稈還田時，N0處理玉米產(chǎn)量最低，為8 383 kg·hm-2；N180處理玉米產(chǎn)量最高，為12 960 kg·hm-2；與N0處理相比，N180處理玉米產(chǎn)量增加54.6%；N180處理與其他3個處理之間存在顯著差異水平(P<0.05)。與無秸稈添加相比較，秸稈還田后，N0處理玉米產(chǎn)量比無秸稈添加N0處理玉米產(chǎn)量顯著降低了4.67%，N225處理玉米產(chǎn)量比無秸稈添加N225處理玉米產(chǎn)量顯著增加11.0%(P<0.05)。此研究中的4個施氮水平，以N180處理玉米產(chǎn)量最高。

秸稈還田(S)和施氮水平(N)對玉米產(chǎn)量的雙因素分析如圖3。分析得出秸稈還田對玉米產(chǎn)量有顯著影響(F=5.57，P<0.05)；施氮水平對玉米產(chǎn)量具有極顯著影響(F=409.49，P<0.01)；秸稈還田×施氮水平對玉米產(chǎn)量具有極顯著影響(F=14.12，P<0.01)。

2.5 秸稈還田條件下不同施氮水平對玉米氮肥利用效率的影響

由表3可見，秸稈還田下，總氮素積累量均高于無秸稈添加總氮素積累量，且隨著施氮量的增加而增加。對于氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用率而言，無論有無秸稈添加，均在N180處理時最高，且N180處理與N135、N225處理之間都存在顯著差異(P<0.05)。對于氮肥偏生產(chǎn)力而言，隨著氮肥施用量的增加均呈現(xiàn)下降趨勢，無秸稈添加下降幅度為11.7%～42.9%、有秸稈添加下降幅度分別為12.4%～37.2%；無秸稈添加和秸稈還田N180處理都與其他處理之間存在顯著差異(P<0.05)。與無秸稈添加相比較，秸稈還田各施氮水平的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用率都高于無秸稈添加，在N135、N180、N225處理下氮肥農(nóng)學(xué)利用效率分別顯著增加23.3%、10.0%、93.5%(P<0.05)，氮肥利用率分別增加52.6%、3.47%、6.22%。

注：P<0.05表示處理效應(yīng)顯著；P<0.01表示處理效應(yīng)極顯著。下同。Note:P<0.05 indicates that the treatment effect is significant;P<0.01 means that the treatment effect is very significant.The same is as below.圖3 秸稈還田條件下不同施氮量水平對玉米產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application rates on maize yields under straw returning condition

表3 秸稈還田條件下不同施氮量水平對玉米氮肥利用率及氮肥偏生產(chǎn)力的影響Table 4 Effects of different nitrogen application rates on nitrogen use efficiency and partial nitrogen productivity of corn under stalk returning condition

秸稈還田和施氮水平對氮肥農(nóng)學(xué)利用率及氮肥偏生產(chǎn)力的雙因素表明，秸稈還田對氮肥農(nóng)學(xué)利用率有極顯著影響(F=18.14，P<0.01)；4個施氮水平與氮肥農(nóng)學(xué)利用率之間存在極顯著影響(F=58.64，P<0.01)；秸稈還田×施氮水平共同作用對氮肥農(nóng)學(xué)利用率無顯著影響(F=1.84，P>0.05)。秸稈還田對氮肥利用率有極顯著影響(F=24.50，P<0.01)，施氮水平與氮肥利用率之間存在極顯著影響(F=85.98，P<0.01)，秸稈還田×施氮水平共同作用對氮肥利用率具有極顯著影響(F=9.63，P<0.01)。秸稈還田對氮肥偏生產(chǎn)力有極顯著影響(F=22.73，P<0.01)；施氮水平與氮肥偏生產(chǎn)力之間存在極顯著影響(F=2 289.19，P<0.01)；秸稈還田×施氮水平共同作用對氮肥偏生產(chǎn)力具有極顯著影響(F=15.53，P<0.01)。

3 討論

關(guān)于秸稈還田和不同施氮水平對玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，之前相關(guān)的研究大多是分開解析的。有研究表明，作物的產(chǎn)量會受到秸稈還田和施氮量兩個因素的影響，但氮肥所起的作用更大[13]，本研究得出相似結(jié)論。氮素是植物生長過程中必不可少的元素，也是主要的限制因子,雖然配施適量氮肥對秸稈降解有促進(jìn)作用，能夠為植物生長提供所需要的養(yǎng)分，但長期過量施肥會造成土壤變薄、耕性變差，對環(huán)境造成一些不良的影響。因此，合理的施用氮肥，提高氮肥利用率，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤為重要。本研究表明，秸稈還田對土壤堿解氮、土壤有機(jī)質(zhì)有顯著增加作用，這與解占軍等[14]得到的結(jié)論相同；秸稈還田土壤全氮在較高施氮量下高于無秸稈添加，而在較低施氮量下低于無秸稈添加，這與之前研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田后土壤全氮含量均高于未還田土壤全氮含量的結(jié)論不一致[15]。分析原因一是因為秸稈本身碳氮比較高，還田后對土壤當(dāng)中氮的礦化有激發(fā)作用，堿解氮含量會隨之提高，并且秸稈還田與氮肥配施能夠提高土壤的供氮能力[16]；二是秸稈還田后，腐解過程中需要消耗一部分氮，因此在較低施氮量時土壤全氮含量比不施秸稈的低。

秸稈還田時不施氮肥的產(chǎn)量低于無秸稈處理的產(chǎn)量，而配施氮肥的產(chǎn)量均高于無秸稈處理的產(chǎn)量，這與吳裕如等[17]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能夠減氮增效的結(jié)果不同，可能是由于在腐解過程中，大量微生物的繁殖以及秸稈的降解會消耗土壤中部分的氮素，與作物爭奪土壤當(dāng)中的氮[18]。無秸稈添加和秸稈腐解產(chǎn)量均以N180處理時最高，在N225處理時反而有所下降，這與李格等[19]得出的結(jié)論相似，可能是因為氮利用存在拐點或者閾值，故施氮量達(dá)到一定水平后，作物產(chǎn)量會表現(xiàn)為下降[20-21]。本研究中在N180處理時氮肥的利用率最高；氮肥偏生產(chǎn)力隨氮肥施用量的增加呈降低趨勢，這與之前的研究結(jié)果一致[5,20]。氮肥利用率反映養(yǎng)分當(dāng)季的一個表觀利用率，容易受到肥料、土壤肥力、氣候條件等多種因素的影響，結(jié)果會有所波動，本文所計算的氮肥利用率偏高的原因是由于肥料的施入對土壤中的養(yǎng)分產(chǎn)生了激發(fā)，從而影響了玉米從土壤中吸收氮量[22]。綜上，在實際生產(chǎn)中，秸稈腐解還田時，配合施用中等氮肥水平會獲得更好的生產(chǎn)效果。秸稈還田量以及腐熟劑種類都會對產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響，本研究并未做相關(guān)的研究。秸稈還田作為一項可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)措施，應(yīng)該更多的加以推廣。

4 結(jié)論

秸稈還田配施氮肥可以增加土壤堿解氮含量，配施氮量為180 kg·hm-2時土壤堿解氮含量最高；同時還增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量，配施氮量為225 kg·hm-2時土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量最高。秸稈還田配施氮肥可增加玉米產(chǎn)量，提高氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力，配施氮量為180 kg·hm-2時，玉米產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥利用率最高。綜合分析，秸稈還田配施氮量為180 kg·hm-2時效果最好。由此可見，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，秸稈還田適當(dāng)增加氮肥施用量，科學(xué)合理施氮，更有利于提高土壤肥力和作物產(chǎn)量。在今后的研究中，應(yīng)持續(xù)推進(jìn)秸稈還田，提升農(nóng)作物秸稈高效利用水平。