秸稈和有機肥配合替代部分化肥提高作物水分利用率減少土壤硝態(tài)氮殘留

趙凱男，吳金芝，李俊紅，田文仲，張 潔，李 芳，侯園泉，張振旺，姚宇卿，呂軍杰，黃 明*，李友軍*

（1 河南科技大學農(nóng)學院，河南洛陽 471023；2 洛陽農(nóng)林科學院，河南洛陽 471023；3 中國農(nóng)業(yè)科學院洛陽旱農(nóng)試驗基地，河南洛陽 471023）

我國糧食產(chǎn)量連續(xù)7年保持在65000萬t以上，實現(xiàn)了糧食生產(chǎn)18年連續(xù)豐收[1]，同時我國也是世界上化肥用量最大的國家，2020年高達5251萬t (折純量)，遠高于歐美等國家[1]。冬小麥-夏玉米(簡稱麥玉)一年兩熟制是我國北方重要的種植制度之一，在保障國家糧食安全中具有重要地位，但該種植體系下過量施肥現(xiàn)象非常普遍[2]。當前，化肥的過量使用不僅造成了資源浪費，肥料利用效率低下，而且導致了土壤養(yǎng)分失衡，水體富營養(yǎng)化，土壤硝態(tài)氮高量累積等問題，嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]，尤其在因水分短缺使肥料養(yǎng)分難以被作物充分利用的北方旱作區(qū)更為突出[4]。因此，探索協(xié)同實現(xiàn)化肥減量、培肥土壤、高產(chǎn)高效和環(huán)境友好的施肥措施對旱作麥玉兩熟農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

有機肥替代化肥作為農(nóng)業(yè)減肥增效綠色生產(chǎn)的重要措施，在改善農(nóng)田土壤理化性質，促進土壤蓄水保墑，提高作物生產(chǎn)力，減輕環(huán)境污染等方面具有積極影響[5-12]。與單施化肥相比，在西北旱作區(qū)，有機肥替代部分化肥能夠優(yōu)化作物生育后期土壤速效養(yǎng)分含量[5]，小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別提高6.6%～41.8%和23.2%～36.6%[6]，玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別提高15.6%～18.2%和15.7%～22.3%[7]，同時能夠有效降低0—100 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量[8]。在東北黑鈣土地區(qū)，有機肥替代化肥可使0—20 cm土層有機碳、速效磷、速效鉀含量顯著提高，玉米產(chǎn)量提高10.1%～13.6%[9]。在黃土旱塬地區(qū)，有機肥替代化肥使玉米產(chǎn)量顯著提高20.7%～30.9%[10]，小麥產(chǎn)量顯著提高17.2%～21.4%，土壤硝態(tài)氮殘留顯著減少9.6%～23.0%[11]。在華北麥玉輪作體系中，有機肥替代部分化肥可使0—20 cm土層土壤有機質和全氮含量分別顯著提高19.5%和12.3%，且小麥、玉米產(chǎn)量維持穩(wěn)定[12]。

秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中替代化肥的主要實現(xiàn)方式，在我國有較大的化肥替代潛力[13-14]?，F(xiàn)階段我國三大糧食作物秸稈還田化肥可替代量分別為294萬t (N)、194萬t (P2O5)和1084萬t (K2O)，總量超過我國化肥使用量的1/4[13]。然而，目前關于秸稈替代化肥調(diào)控作物生產(chǎn)的研究相對較少。已有的研究表明，與單施化肥相比，秸稈替代30%和60%鉀肥，玉米產(chǎn)量無顯著差異[14]；腐熟秸稈替代氮肥超過50%時，小麥產(chǎn)量會顯著降低[15]。麥玉輪作區(qū)長期定位試驗表明，秸稈配合有機肥提高土壤有機質含量以及有機質穩(wěn)定性的效果優(yōu)于化肥[16]；稻秸和有機肥配合替代氮肥能夠改善土壤肥力，使水稻產(chǎn)量提高8.4%～13.9%[17]。這些結果在一定程度上說明，單獨使用秸稈替代化肥提高作物產(chǎn)量的效果并不理想，而采用秸稈和有機肥配合代替化肥可實現(xiàn)改土增產(chǎn)的目標。

綜上，前人圍繞有機肥替代化肥如何調(diào)控小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)方面已經(jīng)開展了大量研究，但主要是針對小麥或玉米單季作物或一年一熟體系進行，而關于秸稈和有機肥配合替代部分化肥對不同降水年型下旱作麥玉兩熟農(nóng)田作物生產(chǎn)力，以及長期培肥對土壤養(yǎng)分含量和土壤硝態(tài)氮分布的影響鮮有報道。因此，本研究依托中國農(nóng)業(yè)科學院洛陽旱農(nóng)試驗基地始于2007年的田間定位試驗，研究不施肥、常規(guī)氮磷鉀肥、秸稈和有機肥配合替代部分氮磷鉀肥對旱作麥玉兩熟農(nóng)田作物生產(chǎn)力，0—60 cm土層土壤養(yǎng)分含量和0—380 cm土層土壤硝態(tài)氮剖面分布的影響，為實現(xiàn)旱作麥玉兩熟農(nóng)田高產(chǎn)高效和可持續(xù)生產(chǎn)提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于中國農(nóng)業(yè)科學院洛陽旱農(nóng)試驗基地(34.62°N，112.46°E)，海拔130 m，屬典型溫帶半濕潤偏旱季風氣候，年均氣溫14.6℃，平均干旱頻率＞40%，干燥度＞1.3，無霜期200～219天。年降水量為400～800 mm，年均蒸發(fā)量1870 mm。供試土壤為黃棕色褐土，耕層土壤田間持水量、飽和水含量、容重和pH分別為27%、33%、1.53 g/cm3和7.30；0—20 cm土層中粒徑＞0.2 mm的沙粒為302 g/kg，粒徑0.2～0.002 mm的粉粒為416 g/kg，粒徑＜0.002 mm的粘粒為282 g/kg。麥玉兩熟為當?shù)刂饕姆N植制度。2007年6月試驗開始時0—20 cm土層中土壤有機質15.8 g/kg，全氮0.9 g/kg，速效磷10.4 mg/kg，速效鉀166 mg/kg，陽離子交換量為19.9 cmol/kg。本研究中逐月降水量如圖1。

圖1 2015年6月—2020年5月降水量Fig.1 Monthly precipitation from June 2015 to May 2020

1.2 試驗區(qū)降水年型

采用干燥指數(shù)DI為依據(jù)劃分降水年型[18]，DI=(P-M)/σ，式中，P為當季或當年降水量(mm)，M為當季或當年平均降水量(mm)，σ為當季或當年平均降水量均方差。DI＞0.35 為豐水年，-0.35≤DI≤0.35為平水年，DI＜-0.35 為干旱年。

當?shù)?000—2020年夏玉米季降水量均值為(347±123) mm，冬小麥季降水量均值為(199±63)mm，周年(夏玉米季+冬小麥季)降水量均值為(542±157) mm。2015—2020年夏玉米、冬小麥和周年降水年型劃分結果如表1所示：1) 若按夏玉米生育期降水量劃分，2015和2017年為干旱年；2016年為平水年；2018和2019年為豐水年。2) 若按冬小麥生育期降水量劃分，2018—2019年為干旱年；2015—2016、2016—2017和2019—2020年為平水年；2017—2018年為豐水年。3) 若按周年(夏玉米季+冬小麥季)降水總量劃分，2015—2016年為干旱年；2016—2017和2018—2019年為平水年；2017—2018和2019—2020年為豐水年。各降水年型下產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的數(shù)據(jù)分析均為該年型下全部年份的均值。

表1 2015—2020年試驗區(qū)降水年型Table 1 Precipitation type in experiment area from 2015 to 2020

1.3 試驗設計

試驗共設3個處理：1) 不施肥 (CK，對照)；2)常規(guī)氮磷鉀肥 (NPK)；3) 秸稈和有機肥配合替代部分化肥(SOR)。采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積16 m2，3次重復。CK處理，全年不施入任何肥料，秸稈不還田。NPK處理，根據(jù)當?shù)剞r(nóng)戶習慣，分別于夏玉米拔節(jié)期施純N 207 kg/hm2，冬小麥播前施純N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，秸稈不還田。SOR處理，夏玉米季將前茬冬小麥秸稈全部覆蓋還田，并于拔節(jié)期施純N 207 kg/hm2；冬小麥季將前茬50%的夏玉米秸稈粉碎 (5.0 cm左右)后均勻還田于原小區(qū)，并施有機肥1250 kg/hm2以及NPK處理的2/3化肥用量 (表2)。

表2 化肥和有機肥替代處理年肥料用量和秸稈還田量 (kg/hm2)Table 2 Annual application amount of fertilizer and straw incorporation in NPK and SOR treatments

秸稈、有機肥和化肥均在當季作物播前整地時施入。供試有機肥 (河南豫寶肥業(yè)有限公司)中養(yǎng)分含量分別為N≥2.03%、P2O5≥2.79%、K2O≥2.26%，有機質≥30%，有機肥供試量相當于冬小麥季NPK處理的17% N、34% P2O5和28% K2O。供試化肥分別為尿素 (含N 46%)、過磷酸鈣 (含P2O512%) 和氯化鉀 (含K2O 60%)。夏玉米品種為洛玉114，于6月上旬免耕播種，9月下旬收獲，種植密度45000株/hm2；冬小麥品種為洛旱7號，于10月上中旬秸稈還田、施肥并人工翻耕整地后播種，行距20 cm，播量為120～135 kg/hm2，5月下旬或6月初收獲。整個試驗期間無灌溉，病蟲草害防治等田間管理措施按照當?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)習慣進行。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤肥力 于2020年小麥收獲后2天，利用直徑40 mm土鉆，分別從各小區(qū)取0—60 cm土層土樣，每20 cm為一層，風干后分別過1.00 mm和0.15 mm篩待測。土壤肥力各指標參照鮑士旦[19]的方法測定：有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量采用凱氏定氮法，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度計法，土壤pH采用 pH計(INDIA儀電科學儀器，m(水)∶m(土)=2.5∶1混合搖勻)測定。

1.4.2 作物產(chǎn)量、生育期耗水量及水分利用效率在每季作物成熟期，各小區(qū)均全部收獲，脫粒、風干后測定產(chǎn)量。

在每季作物播種前和收獲后3～5天，利用直徑40 mm土鉆，從各小區(qū)采集0—200 cm土層土樣，每20 cm 為一土層，稱取50 g±5 g鮮土，于105℃烘至恒重，并計算土壤含水量，作物生長期耗水量和水分利用效率[18]。

土壤含水量W (%) = (濕土質量-烘干土質量)/烘干土質量×100

土壤貯水量SWS (mm)=D×H×W×10

式中，SWS為0—200 cm土層土壤貯水量 (mm)；D為土壤容重 (g/cm3)；H為土層厚度 (20 cm/層)；W為土壤含水量 (%)。

生育期耗水量ET (mm)=P+U-R-F-ΔW

式中，ET為作物生育期耗水量 (mm)；P為作物生長期總降水量 (mm)；R為徑流量 (mm)；U為地下水補給量 (mm)；F為深層滲漏量 (mm)；ΔW為作物播種時0—200 cm土層土壤貯水量與作物收獲時0—200 cm土層土壤貯水量之差 (mm)。當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，U值可以忽略不計，本試驗地下水埋深3.5 m，試驗期間無灌水，故U、F和R值均為0。

水分利用效率 WUE (kg/(hm2·mm) ＝Y/ET

式中，Y為籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)，ET為生育期耗水量(mm)。

1.4.3 土壤硝態(tài)氮 取樣時期及方法同1.4.1，分別從各小區(qū)采集0—380 cm土樣，其中0—200 cm每20 cm為一層，200—380 cm每30 cm為一層。帶回實驗室后迅速測定土壤水分，然后將剩余土樣存于4℃冰箱冷藏保存待測。采用1 mol/L KCl溶液，在28℃下震蕩浸提1 h并過濾，使用AA3高通量連續(xù)流動分析儀 (SEAL公司，德國)測定浸提液中硝態(tài)氮濃度 (mg/L)，硝態(tài)氮含量以干重計(mg/kg)。按照Dai等[20]描述的方法計算硝態(tài)氮積累量 (NA，kg/hm2)：NA=Hi×Di×Ci×0.1，式中，Hi為i土層厚度(cm)，Di為該土層土壤容重 (g/cm3)，Ci為該土層土壤硝態(tài)氮含量 (mg/kg)，0.1為轉換系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019軟件計算各處理的平均值、標準差，利用SPSS 23軟件進行處理間差異顯著性分析 (LSD)，P＜0.05為差異顯著。圖表分別采用Origin 2018和Microsoft Excel 2019制作。

2 結果與分析

2.1 不同處理對旱作麥玉兩熟農(nóng)田土壤肥力的影響

由表3可知，與試驗起始時(2007年6月)相比，CK處理導致0—20 cm土層土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量分別降低19.0%、22.2%、62.5%、1.2%，除速效鉀外均達到顯著差異水平；而NPK和SOR處理各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為顯著提高，增幅依次為36.7%～55.7%、11.1%～33.3%、11.5%～26.0%和99.4%～130.1%。進一步分析可知，與NPK處理相比，在0—20 cm土層，SOR處理土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著提高13.9%、20.0%、12.9%和15.4%；20—40和40—60 cm土層，土壤有機質分別顯著提高10.4%和16.4%，20—40 cm土層土壤全氮含量顯著提高16.7%。與供試前土壤相比，3種施肥處理0—20 cm土層土壤pH均顯著增加，分別提高0.69、0.44、0.66個單位，且SOR處理土壤pH在0—60 cm 土層保持在7.95～7.96，其穩(wěn)定不同土層pH的能力優(yōu)于CK (7.98～8.07)和 NPK (7.66～7.91)。

表3 2020年冬小麥收獲期各處理不同深度土層土壤肥力Table 3 Soil fertility in different soil layers of each treatment at harvest of winter wheat in 2020

2.2 不同處理對旱作麥玉兩熟農(nóng)田作物產(chǎn)量的影響

降水年型、施肥處理及其互作對作物產(chǎn)量具有明顯的調(diào)控作用 (圖2)。豐水年夏玉米產(chǎn)量 (6090 kg/hm2) 顯著高于干旱年和平水年，分別提高了163.0%和42.5%；冬小麥產(chǎn)量在豐水年與平水年間差異不顯著，但分別較干旱年顯著提高了68.0%和58.5%；周年產(chǎn)量在3種年型間差異不顯著。

圖2 不同降水年型下各處理夏玉米、冬小麥及周年產(chǎn)量Fig.2 Yields of summer maize, winter wheat and total in each treatment during different precipitation years

不同降水年型下，夏玉米產(chǎn)量均以SOR處理最高，其中在干旱年、平水年以及豐水年較NPK處理分別提高 35.3% (P＜0.05)、2.0% (P＞0.05)、5.3%(P＞0.05)，5 年平均提高 10.1% (P＜0.05)。NPK 處理夏玉米產(chǎn)量僅在豐水年較CK處理增產(chǎn)顯著(47.1%)。與NPK處理相比，3種降水年型下，SOR處理冬小麥產(chǎn)量均無顯著差異。對周年產(chǎn)量而言，SOR處理僅在干旱年較NPK處理顯著提高20.5%，但在平水年和豐水年NPK、SOR處理均顯著高于CK處理，增幅分別為35.9%、31.7%和39.4%、45.3%。

2.3 不同處理對旱作麥玉兩熟農(nóng)田作物耗水量及水分利用效率的影響

降水年型對作物耗水量及降水年型與施肥處理互作對作物耗水量與水分利用效率均有顯著調(diào)控作用(表4)。豐水年夏玉米生育期耗水量和水分利用效率分別為298 mm和20.6 kg/(hm2·mm)，較干旱年、平水年分別顯著提高24.2%、20.6%和123.9%、18.4%。豐水年冬小麥生育期耗水量為369 mm，較干旱和平水年分別顯著提高30.4%和34.2%，但豐水年水分利用效率較平水年顯著降低20.4%。豐水年周年耗水量為606 mm，較干旱年和平水年分別顯著提高22.9%和10.6%，但3種降水年型間周年水分利用效率無顯著差異。

表4 不同降水年型下各處理夏玉米、冬小麥及周年耗水量及水分利用效率Table 4 Water consumption during growth period (ET) and water use efficiency (WUE) of summer maize, winter wheat and total under different treatments in different precipitation years

不同施肥處理對作物生育期耗水量和水分利用效率的影響因降水年型和作物種類而異。對夏玉米而言，與NPK處理相比，SOR處理顯著降低了平水年耗水量(8.9%)，顯著提高了干旱年、平水年及5年平均水分利用效率(42.7%、12.3%和18.5%)。對冬小麥而言，SOR較NPK處理顯著增加了干旱年生育期耗水量(7.5%)，但水分利用效率在平水年顯著降低9.8%，5年平均顯著降低7.9%。對周年而言，3種降水年型下，SOR處理較NPK處理并未顯著改變作物耗水量，但在干旱年可使水分利用效率顯著提高23.5%。

2.4 不同處理對旱作麥玉兩熟農(nóng)田土壤硝態(tài)氮分布的影響

由圖3可知，連續(xù)13年不施肥 (CK) 導致0—380 cm 土層土壤硝態(tài)氮積累量處于較低水平 (98 kg/hm2)，而NPK和SOR處理土壤硝態(tài)氮積累量分別達到732 和833 kg/hm2。在0—80 cm土層中，NPK和SOR處理土壤硝態(tài)氮積累量均呈現(xiàn)下降趨勢，且SOR處理較NPK顯著降低23.3%。隨著土層深度增加，NPK和SOR處理土壤硝態(tài)氮分別在100—230和80—200 cm土層大量積累，分別達到499和623 kg/hm2，分別占0—380 cm 土層總量的68.2%和74.8%，雖然該土層中硝態(tài)氮積累量SOR處理較NPK提高24.8%，但其富集區(qū)域上移30 cm。在200—380 cm土層中，SOR處理較NPK處理顯著降低了200—380 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量(33.3%)，其中在200—230、260—290、320—350和350—380 cm土層分別顯著降低54.9%、21.1%、25.0%和57.9%，表明SOR處理可降低土壤硝態(tài)氮在200 cm以下土層中的積累，有利于旱地麥玉兩熟農(nóng)田環(huán)境友好生產(chǎn)。

圖3 2020年冬小麥收獲期各處理0—380 cm土層土壤硝態(tài)氮分布Fig.3 Nitrate-N distribution in 0-380 cm soil layer under different treatments at harvest of winter wheat in 2020

3 討論

3.1 秸稈和有機肥配合替代部分化肥對旱作麥玉兩熟農(nóng)田土壤肥力的影響

土壤肥力是耕地質量的基礎，能否提高土壤肥力是評價施肥措施合理與否的重要指標。CK處理由于長年無肥料投入，導致0—20 cm土層土壤養(yǎng)分含量顯著下降(除速效鉀外)。長期不施肥條件下，由于作物根系的連年吸收導致土壤養(yǎng)分逐漸下降，與此同時，作物生長量低，通過根系及地上部殘茬歸還到土壤中的有機物相對較少，也是旱作麥玉兩熟農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量降低的重要原因[21]。當前研究普遍表明，秸稈與有機肥配合能夠優(yōu)化0—20 cm土層土壤養(yǎng)分供給能力，維持養(yǎng)分平穩(wěn)釋放，從而為作物生長創(chuàng)造良好的養(yǎng)分條件，最終提高作物產(chǎn)量[12,16]。本試驗結果表明，SOR處理改善0—20 cm土層土壤養(yǎng)分含量的能力優(yōu)于NPK處理，其中有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量較NPK處理分別顯著提高13.9%、20.0%、12.9%和15.4%。溫延臣等[12]研究表明，與單施化肥相比，有機肥替代部分化肥，可使華北平原麥玉輪作區(qū)0—20 cm土層土壤有機質和全氮含量分別顯著提高19.5%和12.3%；吳其聰?shù)萚16]研究也表明，長期秸稈還田與有機肥替代化肥，能夠優(yōu)化潮土有機質含量，較試驗起始時提高45.3%，且培肥效果優(yōu)于單施化肥。本研究結果與這些研究結果[12，16]較為一致，然而，秸稈或有機肥對20 cm以下土層養(yǎng)分含量的影響效應尚存在爭議[22-24]。Liu等[22]研究表明，與秸稈移除相比，秸稈還田使0—20、20—40和40—60 cm土層土壤有機質分別顯著提高9.1%、10.9%和12.5%；Wankhede等[23]研究表明，與單施化肥相比，有機無機肥配施可使0—15、15—30 cm土層土壤有機質和全氮含量分別顯著提高32.6%和14.8%、26.5%和8.3%。而宋佳杰等[24]研究表明，秸稈還田配施化肥顯著提高了0—20 cm土層土壤有機質及全氮含量，但對20—40 cm土層養(yǎng)分含量無顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，SOR處理優(yōu)化20—40和40—60 cm土層土壤養(yǎng)分含量的能力亦高于NPK處理，其中有機質含量在20—40和40—60 cm土層較NPK處理分別顯著提高10.4%和16.4%，全氮含量在20—40 cm土層顯著提高16.7%；此外，SOR處理還可以穩(wěn)定土壤pH (7.95～7.96)，保證作物根系生長具有良好的酸堿環(huán)境[9]。因此，相較于常規(guī)氮磷鉀肥處理，秸稈和有機肥配合替代部分化肥優(yōu)化旱地農(nóng)田表層(0—20 cm)和深層 (40—60 cm)土壤養(yǎng)分含量的能力較強，且能夠緩解土壤酸化，利于旱作麥玉兩熟農(nóng)田持續(xù)生產(chǎn)。

3.2 秸稈和有機肥配合替代部分化肥對旱作麥玉兩熟農(nóng)田作物產(chǎn)量、生育期耗水量和水分利用效率的影響

秸稈還田或有機肥替代化肥是提高旱地作物產(chǎn)量和水分利用效率的重要措施之一[22-23]。在黃土高原旱區(qū)，與秸稈移除相比，秸稈還田條件下作物產(chǎn)量提高10.9%，且明顯提高蓄水保墑能力，提升環(huán)境效益[25]。華北平原麥玉輪作區(qū)，有機肥替代30%化肥即可保障作物穩(wěn)產(chǎn)[26]；本研究結果表明，與NPK處理相比，SOR處理下夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率在3種降水年型下均表現(xiàn)為增加，且干旱年產(chǎn)量，干旱年和平水年水分利用效率增幅顯著，5年均值分別顯著提高10.1%和18.5%；同時SOR處理下周年產(chǎn)量和水分利用效率在干旱年也分別顯著增加20.5%和23.5%；但是3種降水年型下，NPK和SOR處理冬小麥產(chǎn)量無顯著差異，且SOR處理顯著降低了冬小麥季平水年和5年平均水分利用效率。說明秸稈和有機肥配合替代化肥提高麥玉兩熟區(qū)作物生產(chǎn)力的作用主要表現(xiàn)在夏玉米季，且在干旱年的作用最為突出。究其原因，夏玉米生長季(6～9月)氣溫、蒸發(fā)量均處于較高水平，由于NPK處理無秸稈覆蓋，水分易蒸發(fā)損失，在降水少的干旱年，導致夏玉米出苗不齊，生育后期水分供給不足[27]，最終導致產(chǎn)量大幅下降；而SOR處理由于秸稈覆蓋和有機肥的雙重作用，能夠抑制水分無效蒸發(fā)，增加土壤蓄水保墑能力，從而使生育期耗水量降低(平水年顯著降低) 12～24 mm，有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率。此外，夏玉米季秸稈覆蓋，有效降低地表溫度[28]，可為有機肥改善土壤結構，提高土壤微生物數(shù)量和質量，活化土壤養(yǎng)分提供良好的條件，從而為提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率奠定基礎[28-29]。本研究中，雖然SOR處理的有機肥是在冬小麥季施用，但其并不能使冬小麥增產(chǎn)，甚至降低了水分利用效率，可能是由于冬小麥季采用秸稈翻埋還田，雖然整地后仍有少量秸稈覆蓋于地表，但其蓄水保墑能力較秸稈覆蓋大幅降低，因此在降雨量較少的旱作地區(qū)無法發(fā)揮其增產(chǎn)效果。Zribi等[30]的研究也得到了類似結果。

此外，由于本研究地處黃土高原與黃淮海平原西部交匯處，屬于典型的旱作麥玉兩熟區(qū)，作物生產(chǎn)能力受降雨多寡的影響較大，因此未來的研究應針對產(chǎn)量降水年型差異較大的問題，探索其內(nèi)在機理，為進一步優(yōu)化秸稈和有機肥替代措施以提高應對減產(chǎn)風險的能力提供依據(jù)。

3.3 秸稈和有機肥配合替代化肥對旱作麥玉兩熟農(nóng)田土壤硝態(tài)氮的影響

土壤硝態(tài)氮是作物攝入氮素的主要形式，其在土壤剖面的遷移受施肥措施的影響較大[31]。當前關于秸稈還田和有機肥對土壤硝態(tài)氮的影響尚無定論[31-33]。蓋霞普等[31]研究表明，施有機肥增加了土壤硝態(tài)氮深層的淋溶，而秸稈還田則提高了土壤對硝態(tài)氮的固持作用，減少深層淋溶的風險。而Zhao等[32]研究表明，秸稈作為土壤氮素的重要來源，長期秸稈還田會增加0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量。還有研究表明，小麥生產(chǎn)中施氮量小于150 kg/hm2時，有無秸稈還田對土壤硝態(tài)氮殘留均無顯著影響，若施氮量高于150 kg/hm2，二者土壤硝態(tài)氮均在0—200 cm土層出現(xiàn)峰值，且秸稈還田峰值下移40 cm[33]。本研究中，由于CK處理連續(xù)13年未進行任何肥料投入，經(jīng)過夏玉米和冬小麥對土壤中氮素的連年吸收，導致0—380 cm各土層土壤硝態(tài)氮始終處于較低水平，積累量僅為98 kg/hm2，表明長期不施肥會造成土壤中氮素的嚴重枯竭，這與張慧霞等[34]報道的不施肥使0—300 cm土層硝態(tài)氮含量為0.2～14.6 mg/kg結果一致。本研究中，NPK和SOR處理土壤硝態(tài)氮分別在100—230和80—200 cm土層大量積累，分別占總量的68.2%和74.8%，表明SOR處理較NPK土壤硝態(tài)氮富集區(qū)域上移30 cm，減緩了硝態(tài)氮的深層淋溶，研究結果與蓋霞普等[31]的研究結果類似。同時，在200—380 cm土層，SOR處理土壤硝態(tài)氮積累量(110 kg/hm2)較NPK處理顯著降低33.3%，進一步證明SOR處理降低了硝態(tài)氮向更深層土壤的淋溶風險。這與蓋霞普等[31]和張丹等[35]報道的秸稈還田增加了土壤對硝態(tài)氮的固持作用，從而抑制了NO3--N向更深層淋溶的結果一致。此外，本研究中SOR處理0—380 cm土層土壤硝態(tài)氮總積累量高于NPK (主要在100—180 cm土層增加190 kg/hm2)，可能是由于周年還田的秸稈在作物生長過程中逐步分解，從而增加了土壤氮素來源引起的。Zhao等[32]的研究也表明秸稈作為潛在的氮素來源，長期還田會增加0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量。因此，緩解秸稈配合有機肥替代部分化肥所引起的100—180 cm土層土壤硝態(tài)氮積累問題應值得關注。

4 結論

秸稈和有機肥配合替代1/3的氮磷鉀肥比單施化肥顯著提高了0—60 cm土層土壤有機質和全氮含量，0—20 cm土層速效磷、速效鉀含量；在不同降雨年型下均未降低冬小麥產(chǎn)量，但是顯著提高了干旱年夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率，因而提高了旱作麥玉兩熟農(nóng)田周年產(chǎn)量和水分利用效率。此外，相比于常規(guī)氮磷鉀處理，秸稈與有機肥替代1/3氮磷鉀肥還顯著降低了200—380 cm土層硝態(tài)氮積累量，減少了土壤硝態(tài)氮的淋溶損失風險。