東北中部黑土連續(xù)秸稈還田下玉米適宜氮肥用量研究

王博博，徐新朋，侯云鵬，胡誠(chéng)，何萍，伍玉鵬

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長(zhǎng)春 130033；4.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064

東北平原是我國(guó)重要的玉米產(chǎn)區(qū)，玉米種植面積和產(chǎn)量分別占全國(guó)的30.9%和34.0%，其中僅吉林省玉米產(chǎn)量就達(dá)到了3 045.3 萬(wàn)t，占全國(guó)的11.7%［1］。施用氮肥作為提高作物產(chǎn)量的重要措施之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用［2］。然而隨著我國(guó)農(nóng)田氮肥施用量的不斷增加，導(dǎo)致玉米當(dāng)季作物回收率不足30%，施入土壤中的氮素通過(guò)氨揮發(fā)、反硝化、淋溶和徑流等途徑損失進(jìn)入環(huán)境，與此同時(shí)，在我國(guó)東北地區(qū)多年的秸稈焚燒或離田，都是造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題的主要原因［3-4］。秸稈還田作為一種有效利用生物質(zhì)資源的方式，不僅能夠減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染，與化肥配施還能顯著提高土壤微生物的活性從而改善土壤生態(tài)環(huán)境［5］。但秸稈氮素的釋放需要一定時(shí)間腐解才能供給作物吸收利用［6］，盲目降低氮肥用量會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育。因此，探究秸稈還田條件下農(nóng)田適宜施氮量，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)田養(yǎng)分優(yōu)化管理具有重要意義。

當(dāng)前中國(guó)人口與耕地矛盾日益突出，為維持國(guó)內(nèi)糧食供需平衡，其中化肥施用量的投入是必不可少的措施［7］，而氮素由于其易損失性備受農(nóng)業(yè)科研人員的關(guān)注，關(guān)于農(nóng)田適宜氮肥用量的研究已有較多報(bào)道。作物產(chǎn)量與施氮量符合報(bào)酬遞減規(guī)律，施氮量的增減必須以增加作物產(chǎn)量和提高養(yǎng)分利用率為目標(biāo)［8］。秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)積累，促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，提高氮素有效性，增加土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于土壤資源的可持續(xù)利用［9-10］。秸稈還田下配施適量氮肥可延緩玉米葉片衰老，延長(zhǎng)葉片功能期，提高玉米產(chǎn)量［11］，并且能夠減少土壤水分蒸發(fā)，提高水分利用效率［12-13］。但在秸稈還田下施氮量過(guò)高會(huì)造成作物秸稈碳氮比的降低，影響還田后土壤有機(jī)質(zhì)的增加［14］。關(guān)于當(dāng)季秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的影響的研究已有較多報(bào)道，而較少研究長(zhǎng)期連續(xù)秸稈還田下作物對(duì)養(yǎng)分需求變化，尤其是缺乏結(jié)合東北中部地區(qū)土壤類型和種植制度開展的多年連續(xù)秸稈還田下的適宜氮肥用量研究。因此，本研究于2017-2020 年在吉林省公主嶺市開展秸稈還田定位試驗(yàn)，結(jié)合不同氮肥施用水平，確定連續(xù)秸稈還田下協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量、利用率和氮素?fù)p失的施氮量，為該地區(qū)秸稈資源合理利用和優(yōu)化施肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)起始于2017 年，連續(xù)4 a在公主嶺市朝陽(yáng)坡進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處公主嶺市北部，四季分明，年均氣溫5.6 ℃，年均降水量594.8 mm，且多集中在6-8 月，屬溫帶季風(fēng)氣候，主要實(shí)行的種植制度為一年一熟的春玉米連作制度。土壤類型為黑土，試驗(yàn)開始前該地區(qū)秸稈未進(jìn)行還田，其0～20 cm 耕層土壤基礎(chǔ)性質(zhì)為：全氮1.07 g/kg，全磷0.40 g/kg，全鉀18.60 g/kg，有效磷34.1 mg/kg，速效鉀143.7 mg/kg，硝態(tài)氮16.7 mg/kg，銨態(tài)氮2.1 mg/kg，有機(jī)質(zhì)23.4 g/kg，pH 5.86。0～100 cm 土壤各層次（以20 cm 計(jì)）土壤容重分別為：1.251、1.387、1.369、1.330 和1.350 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在秸稈還田條件下，共設(shè)置6 個(gè)施氮梯度：0、70、140、210、280 和350 kg/hm2，分別記作N0、N70、N140、N210、N280 和N350。小區(qū)面積60 m2，3次重復(fù)，各處理施磷量和施鉀量一致，分別為90 kg P2O5/hm2和120 kg K2O/hm2。氮肥使用尿素（含N 46%），磷肥使用過(guò)磷酸鈣（含P2O518%），鉀肥使用氯化鉀（含K2O 60%）。各施肥處理40%氮肥于播前一次性基施，60%于拔節(jié)期追施，所有磷肥和鉀肥均作為基肥一次性施入。該地區(qū)玉米生產(chǎn)中，農(nóng)民習(xí)慣措施為秸稈通常不還田，玉米產(chǎn)量在9～11 t/hm2，其施氮量在250～350 kg/hm2。根據(jù)往年秸稈生產(chǎn)水平，各處理每年秸稈還田量均為10 000 kg/hm2，還田前將秸稈粉碎成約10 cm 長(zhǎng)，于每年11月進(jìn)行深翻還田，深度為20～40 cm，秸稈氮、磷和鉀養(yǎng)分含量分別為7.0、0.5 和12.1 g/kg，玉米播種密度6萬(wàn)株/hm2。除草、打藥等措施與當(dāng)?shù)赜衩壮Ｒ?guī)生產(chǎn)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

采集試驗(yàn)起始及每年當(dāng)季玉米收獲后0～100 cm 土壤樣品，分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 個(gè)層次，土樣采回后將新鮮土過(guò)孔徑2 mm篩，采用1 mol/L KCl溶液（土液質(zhì)量比1∶5）浸提，利用流動(dòng)分析儀（mulit N/C 3100)測(cè)定土壤礦質(zhì)氮含量。同時(shí)土壤于105 ℃烘干24 h，測(cè)定土壤含水量。

于玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)選取10 m2進(jìn)行收獲，測(cè)定籽粒產(chǎn)量，并折算成14%的標(biāo)準(zhǔn)含水量。在各小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5 個(gè)植株，于105 ℃烘箱殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后計(jì)算籽粒和秸稈生物量。將樣品粉碎并混勻，采用H2O2-H2SO4消煮，用凱氏定氮法測(cè)定秸稈和籽粒的氮含量。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

所有處理均在秸稈還田條件下且其秸稈用量相同，因此，在計(jì)算氮肥利用率中未將秸稈還田帶入的氮量計(jì)算在內(nèi)，僅考慮了施肥帶入的氮量。由于試驗(yàn)為定位試驗(yàn)，采用累積肥料氮素利用率表征肥料氮素利用情況，并分析氮素表觀損失，其所用計(jì)算公式［9，15-16］如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 處理，SPSS 23.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪圖采用SigmaPlot14.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

秸稈還田下，施氮顯著增加了玉米產(chǎn)量（表1）。隨著氮肥用量的增加，各年份玉米產(chǎn)量對(duì)施氮的響應(yīng)規(guī)律一致，均呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，各施氮處理較對(duì)照處理平均增產(chǎn)幅度為28.5%～73.2%。連續(xù)4 a玉米產(chǎn)量均以N210處理為最高，平均產(chǎn)量為12 331 kg/hm2。當(dāng)施氮量超過(guò)210 kg/hm2時(shí)，其產(chǎn)量不再增加，而施氮量過(guò)高或過(guò)低在一定程度上均面臨減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，其中N210 處理的平均產(chǎn)量分別比N280 和N350 處理高119 kg/hm2和213 kg/hm2，說(shuō)明在秸稈還田條件下施氮量超過(guò)一定范圍并不能顯著增加春玉米產(chǎn)量。而在本試驗(yàn)地區(qū)的農(nóng)民習(xí)慣措施中秸稈通常不還田，施氮量通常在250～350 kg/hm2［17］，其產(chǎn)量為9～11 t/hm2［18］，說(shuō)明在該地區(qū)秸稈還田配施合理的氮肥在保證產(chǎn)量的前提下，可以顯著降低氮肥用量。

表1 秸稈還田下不同施氮量處理的玉米產(chǎn)量Table 1 Yield of maize with different N fertilizer rate under straw returning

隨著秸稈還田年限的不斷增加，秸稈中的氮素不斷釋放并供給作物吸收利用，其得到最高產(chǎn)量的優(yōu)化施肥量呈降低趨勢(shì)（圖1）。利用線性加平臺(tái)模型擬合玉米產(chǎn)量與氮肥用量的關(guān)系，得到最高玉米產(chǎn)量的施氮量從2017年的203.8 kg/hm2下降到2020年的171.5 kg/hm2，降低幅度達(dá)到15.8%，表明秸稈還田下適宜的氮肥用量不僅具有顯著的增產(chǎn)效果，同時(shí)長(zhǎng)期的秸稈還田可進(jìn)一步降低氮肥用量，但秸稈氮素的釋放需要一定時(shí)間腐解才能供給作物吸收利用，短期內(nèi)不宜盲目降低氮肥用量。

圖1 秸稈還田下施氮量與玉米產(chǎn)量關(guān)系Fig.1 The relationship between spring maize yield and N application rate under straw returning

2.2 秸稈還田下不同施氮量對(duì)玉米氮素利用率的影響

秸稈還田下，施氮水平對(duì)春玉米的累積氮素農(nóng)學(xué)效率、累積氮素回收率和累積氮素偏生產(chǎn)力的影響均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），隨著秸稈還田年限的增加，這些指標(biāo)均隨著施氮量的增加呈降低趨勢(shì)（圖2）。研究結(jié)果表明，不同氮肥用量的累積氮素農(nóng)學(xué)效率變化幅度在11.1～29.0 kg/kg，當(dāng)施氮量超過(guò)210 kg/hm2時(shí)，累積氮素農(nóng)學(xué)效率顯著降低，降低幅度為5.6～10.5 kg/kg，然而隨著秸稈還田年限的不斷增加，低施氮量下（70 kg/hm2）的農(nóng)學(xué)效率逐漸增加（圖2A）。截至2020 年收獲期，其累積氮素農(nóng)學(xué)效率隨著施氮量的增加呈降低趨勢(shì)。不同年份的累積氮素偏生產(chǎn)力和累積氮素回收率均與施氮量呈負(fù)相關(guān)，截至2020 年收獲期，當(dāng)施氮量從70 kg/hm2增加到350 kg/hm2時(shí)，其累積氮素回收率和累積氮素偏生產(chǎn)力分別從63.7% 和130.7 kg/kg 下降到27.0% 和34.6 kg/kg，其中在210 kg/hm2時(shí)，分別為47.3%和58.7 kg/kg（圖2B，C），表明過(guò)量施氮難以獲得較高的氮肥利用效率，因此，選擇合適的施氮量對(duì)維持較高產(chǎn)量和增加氮素利用效率至關(guān)重要。

圖2 秸稈還田下不同施氮量的累積氮素農(nóng)學(xué)效率（A）、回收率（B）和偏生產(chǎn)力（C）Fig.2 Cumulative N agronomic efficiency（A），use efficiency（B）and partial productivity（C）with different N fertilizer rate under straw returning

2.3 秸稈還田下不同施氮量對(duì)氮素平衡的影響

為評(píng)估秸稈還田下玉米對(duì)氮肥的利用狀況，計(jì)算了0～100 cm 土層的氮素表觀平衡。氮素輸入項(xiàng)包括累積氮肥投入、播種前土壤起始礦質(zhì)氮（195 kg/hm2）和累積氮礦化量（280 kg/hm2），氮肥輸出項(xiàng)包括玉米氮素吸收、收獲后土壤礦質(zhì)氮素累積量以及土壤氮素累積表觀損失。秸稈氮含量隨著施氮量增加呈增加趨勢(shì)，而籽粒氮含量則隨著施氮量增加呈先增加后降低趨勢(shì)，N0、N70、N140、N210、N280和N350 處理4 a 平均秸稈氮含量分別為5.5、6.5、6.7、6.7、6.7 和6.8 g/kg，籽粒氮含量分別為10.6、12.2、12.6、12.9、12.8 和12.3 g/kg。秸稈還田下不同土層土壤礦質(zhì)氮素累積量研究結(jié)果（圖3A）顯示，隨著施氮量增加，收獲期土壤礦質(zhì)氮素累積量呈增加趨勢(shì)，截至2020 年收獲期，N70、N140、N210、N280和N350 處理的0～100 cm 土壤礦質(zhì)氮素累積量分別達(dá)到126.5、157.2、191.1、216.6 和256.2 kg/hm2。與播前土壤相比，在高施氮量下（280 和350 kg/hm2），其土壤礦質(zhì)氮素累積量分別增加了13.0% 和33.6%。與此同時(shí)，高施肥量不僅增加了表層土壤的礦質(zhì)氮素含量，同時(shí)增加了氮素向深層土壤淋洗，其中80～100 cm 土壤較播前增加了18.4%和42.2%，增加了氮素淋洗風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化施肥通過(guò)降低氮肥施用量和增加氮素吸收來(lái)降低氮素表觀損失（圖3B），但過(guò)量施氮不僅未顯著增加春玉米產(chǎn)量，且與210 kg/hm2施氮量相比，N280 和N350 處理的氮素吸收無(wú)顯著差異。隨著施氮量的增加，顯著增加了氮素表觀損失，在連續(xù)秸稈還田下，N70、N140、N210、N280 和N350 處理的4 a累積氮素表觀損失分別達(dá)到42、165、318、578 和833 kg/hm2，表明過(guò)量投入氮肥非但不能促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，還導(dǎo)致氮素?fù)p失量急劇增加。

2.4 秸稈還田下氮肥適宜用量的確定

確定作物適宜氮肥用量需協(xié)調(diào)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面，秸稈還田下氮素盈余率與施氮量、產(chǎn)量、氮素回收率和氮損失量具有顯著的相關(guān)性（圖4）。氮素盈余率和施氮量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.979 8），與玉米產(chǎn)量呈顯著二次曲線關(guān)系（R2=0.705 1），與氮素回收率呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.708 0），與氮素?fù)p失量呈顯著正指數(shù)關(guān)系（R2=0.668 8）。當(dāng)?shù)释度肓亢妥魑镂盏砍制剑从嗦蕿榱銜r(shí)，施氮量為188.9 kg/hm2，此時(shí)的春玉米產(chǎn)量為11 850 kg/hm2，氮素回收率為40.1%，氮素表觀損失量為65.7 kg/hm2。以理論盈余率為0時(shí)施氮量的95%作為置信區(qū)間，綜合考慮玉米植株氮素吸收量、產(chǎn)量和氮素盈余率3 個(gè)方面，計(jì)算出該地區(qū)氮肥投入閾值為179.5～198.4 kg/hm2。

3 討 論

氮肥是影響作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要營(yíng)養(yǎng)因子之一［19］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理的氮肥用量可以提高氮素利用率和作物產(chǎn)量［2］，然而當(dāng)?shù)食^(guò)一定量時(shí)，產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)［9］。本研究中不同年份雖然玉米產(chǎn)量有所波動(dòng)，但對(duì)施氮處理的響應(yīng)規(guī)律一致，秸稈還田配施適量氮肥（210 kg/hm2）時(shí)，連續(xù)4 a 玉米均獲得最高產(chǎn)量，但當(dāng)?shù)视昧砍^(guò)210 kg/hm2時(shí)，均呈下降趨勢(shì)。氮肥的過(guò)量供應(yīng)不利于養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致籽粒養(yǎng)分含量下降，從而影響產(chǎn)量［20］。氮肥累積利用率是評(píng)價(jià)一段時(shí)期內(nèi)氮肥施入土壤后玉米累積吸收利用效率，其利用率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈穩(wěn)定狀態(tài)，能夠反映肥料利用的真實(shí)情況［21］，但受土壤類型、施氮量、施氮時(shí)間及土壤供氮能力等因素的綜合影響［22］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，累積肥料氮素農(nóng)學(xué)效率、回收率和偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)出隨施氮量的增加而降低的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果一致［20，23-24］。由此可見，應(yīng)確定秸稈還田條件下兼顧作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的適宜施氮量，以保證作物高產(chǎn)并避免氮素環(huán)境污染問(wèn)題，減少氮肥的損失。

秸稈作為一種重要的養(yǎng)分資源，含有作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的氮、磷以及各種營(yíng)養(yǎng)元素，還田后不僅可以增加土壤有機(jī)碳的積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，還可以提高土壤保水保肥能力［25］。秸稈作為一種養(yǎng)分資源，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，使用作物秸稈替代化肥，每年的溫室氣體、NH3和氮氧化物排放分別可減少708.9、1.99 和4.36 萬(wàn)t［26］。因此，充分利用秸稈氮素資源不僅有助于促進(jìn)資源的可持續(xù)利用，同時(shí)可促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化的重要措施。有研究表明，秸稈作為土壤氮素來(lái)源，其還田后氮素釋放率當(dāng)年可達(dá)52.65%，還田2 a 和3 a 后累積氮素釋放率分別達(dá)到了70.66%和91.70%［27］。但需注意的是，雖然秸稈的添加豐富了土壤生物多樣性，提高了土壤微生物豐度，使微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［28］，但也出現(xiàn)了土壤微生物與植物的“爭(zhēng)氮”現(xiàn)象［29］。而配施適量的氮肥能夠增強(qiáng)與碳分解相關(guān)的土壤酶活性，加速秸稈的腐解和養(yǎng)分的釋放，最終實(shí)現(xiàn)玉米產(chǎn)量的提高和氮素吸收［30］。因此，在玉米養(yǎng)分管理中，需要在秸稈還田條件下配施適量的氮肥，以保證農(nóng)田氮素平衡。本研究發(fā)現(xiàn)，與試驗(yàn)起始相比，在秸稈還田條件下低施氮量處理時(shí)，土壤氮素表觀平衡表現(xiàn)為虧損狀態(tài)，而當(dāng)?shù)视昧吭黾又?10 kg/hm2后，玉米對(duì)氮素的需求低于氮素的投入，氮素表現(xiàn)為盈余狀態(tài)。

在確定適宜氮肥用量時(shí)，大多數(shù)研究采用平方根、二次多項(xiàng)式和線性加平臺(tái)等模型來(lái)計(jì)算施氮量［31］，但這些模型在考慮養(yǎng)分平衡狀況上具有一定的局限性，在生產(chǎn)中應(yīng)從作物產(chǎn)量、利用率和農(nóng)田養(yǎng)分平衡等方面給予綜合考慮推薦適宜用量［32］。氮素盈余率從負(fù)值、零到正值的過(guò)程反映了土壤氮的消耗、合理施氮到氮肥過(guò)量的狀況。當(dāng)?shù)赜嗦蕿樨?fù)值時(shí)，雖然氮素?fù)p失量低，獲得了較高的氮肥利用率，但是以降低玉米產(chǎn)量為代價(jià)，還會(huì)消耗土壤中的礦質(zhì)氮；當(dāng)?shù)卮罅坑鄷r(shí)，作物產(chǎn)量和氮素回收率顯著降低［33］，這些盈余的氮素一部分殘留于土壤中供作物吸收，另一部分則通過(guò)氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋溶和徑流等途徑而損失，對(duì)環(huán)境造成一定負(fù)面影響［34］。本研究結(jié)果中，盈余率與施氮量二者間呈極顯著的線性關(guān)系，而與玉米產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系、與氮素回收率呈線性關(guān)系、與氮素?fù)p失量呈指數(shù)相關(guān)，綜合擬合結(jié)果可得出理論盈余率下的適宜氮肥用量及其相應(yīng)能夠達(dá)到的產(chǎn)量分別為188.9 和11 850 kg/hm2，氮素表觀利用率為40.1%，氮損失量為65.7 kg/hm2，其結(jié)果與實(shí)際最高產(chǎn)量處理（N210）接近。由此以理論盈余率為0 時(shí)施氮量的95%作為置信區(qū)間，確定試驗(yàn)區(qū)適宜氮肥用量范圍在179.5～198.4 kg/hm2，在該施氮范圍內(nèi)獲得的玉米產(chǎn)量最高，同時(shí)氮素表觀損失量相對(duì)較低，且能夠維持土壤氮素表觀平衡，因此可作為研究區(qū)域連續(xù)秸稈還田條件下協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量和環(huán)境效益的施氮量依據(jù)。某地區(qū)農(nóng)田適宜氮肥用量需要以多年、多點(diǎn)的田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，本研究中秸稈還田量為平均水平，且是單點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)域適應(yīng)性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證和探討。