秸稈全量還田下土壤氮素特征對耕作措施的響應(yīng)

唐江華 杜孝敬 徐文修 蘇麗麗 房彥飛 許 潮 安崇霄

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，830052，新疆烏魯木齊）

隨著全球變暖[1-2]，我國新疆北部伊犁河谷地區(qū)在冬小麥收獲后利用富余的光、熱資源種植復(fù)播大豆[3]，在緩解大豆供需矛盾的同時，還能給農(nóng)民帶來經(jīng)濟效益。但長期單一的耕作模式使得土壤理化性質(zhì)變差，耕層變淺，嚴重影響作物的根系生長和養(yǎng)分吸收，造成減產(chǎn)[4-6]，尤其是復(fù)種，頻繁的耕作無疑會加劇土壤的劇烈擾動，加速土壤肥力下降和水土流失，進而影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。有研究表明，秸稈還田不僅能夠改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤含水量[7]，還能固持土壤碳氮[8]，提高土壤氮素有效性，改善土壤供氮能力[9]，是當(dāng)前應(yīng)用廣泛和價格較為低廉的農(nóng)田培肥和防治水土流失的重要措施之一[10]。近年來，我國每年農(nóng)業(yè)秸稈的產(chǎn)量超過8億t，大部分被焚燒或者遺棄，有效還田率不到30%，為解決農(nóng)業(yè)資源浪費和緩解化肥過量施用帶來的土壤退化及農(nóng)業(yè)面源污染問題，利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物腐解釋放養(yǎng)分，減少化肥施用量是亟待解決的農(nóng)業(yè)問題。

研究表明，改進耕作方式、減少耕作以及增加地表覆蓋度可實現(xiàn)土壤的“少動土”和“少裸露”，達到“適度濕潤”和“適度粗糙”等狀態(tài)[11]；也可改善土壤環(huán)境，達到多種獨特的生態(tài)經(jīng)濟作用[12-13]。秸稈還田效應(yīng)不僅與氣候條件有關(guān)，還受土壤耕作措施的影響。韓上等[14]研究認為，秸稈還田配合深耕或旋耕均能增加耕層厚度，改善土壤養(yǎng)分狀況，明顯減弱單一深耕對10～20cm土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響。李純燕等[15]研究表明，秸稈還田下深翻與旋耕能明顯提高土壤堿解氮和速效鉀含量。付國占等[16]認為，秸稈覆蓋配合深松可改善土壤蓄水能力，平衡土壤溫度，提高小麥水分利用效率。也有研究[17]認為，耕作方式顯著影響秸稈的腐解規(guī)律，表現(xiàn)為翻耕＞旋耕＞免耕。

目前，關(guān)于耕作方式和秸稈還田的研究在國內(nèi)不同地區(qū)均有報道[18-19]。秸稈覆蓋可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機質(zhì)和營養(yǎng)元素含量，降低土壤容重，提高水分利用效率和增加產(chǎn)量[20]；也有少量研究[21]表明，秸稈覆蓋不增產(chǎn)或者減產(chǎn)，這可能是由土壤水氮條件不適宜或者氣候因素所造成的。也有研究[22]認為，秸稈還田會帶來出苗差等問題。關(guān)于灌溉農(nóng)業(yè)的研究較少，尤其是滴灌條件下不同耕作方式對復(fù)播作物的影響鮮有報道。為此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究以北疆伊犁河谷地區(qū)復(fù)播大豆為對象，研究冬小麥收獲后秸稈全量還田條件下，農(nóng)田耕作措施對土壤氮素特征及微環(huán)境的影響，揭示不同耕作措施下土壤氮素的轉(zhuǎn)化情況，明確不同耕作措施下秸稈還田后土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，對該地區(qū)復(fù)播大豆資源高效利用、秸稈還田條件下適宜耕作措施選擇和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年7-10月在新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)現(xiàn)代科技示范園（81°33′E，43°56′N）進行，該地海拔813m，位于天山西部，伊犁河谷中部，屬溫帶大陸性半干旱氣候，年均日照時數(shù)可達2800～3000h，年均氣溫8.9℃，年均降雨量257mm。全年無霜期169～175d。試驗土地平整，質(zhì)地為壤土，0～30cm耕層有機質(zhì)16.5g/kg、堿解氮 76.7mg/kg、速效磷14.8mg/kg、速效鉀149.0mg/kg、pH 8.0。

1.2 試驗設(shè)計

采用大區(qū)試驗設(shè)計，在2019年7月2日前茬作物冬小麥收獲后秸稈全量還田（還田量為1381.5kg/hm2）的條件下，復(fù)播大豆播種前進行耕作措施處理。共3個處理，翻耕處理（TS）：冬小麥收獲后，犁翻深28～30cm，秸稈翻埋，聯(lián)合整地機整地；翻耕覆膜處理（TPS）：在翻耕的基礎(chǔ)上對復(fù)播大豆全生育時期覆膜，膜寬70cm；免耕秸稈覆蓋處理（NTS）：秸稈覆蓋量為1381.5kg/hm2，每個處理重復(fù)3次，共9個小區(qū)，小區(qū)面積36m2（6m×6m）。復(fù)播大豆供試品種為黑河45號，30.0cm等行距播種（株距為6.3cm），理論密度為5.25×105株/hm2。采用滴灌的灌溉方式，毛管間距60.0cm，復(fù)播大豆全生育期灌水4200m3/hm2，共計8次，各處理均在開花期隨水追施尿素150kg/hm2（純N 69kg/hm2），在鼓粒期噴施1次磷酸二氫鉀葉面肥。其他田間管理措施與大田生產(chǎn)一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤氨揮發(fā) 土壤氨揮發(fā)的測定和收集在復(fù)播大豆追肥后進行，采用原位密閉法[23]。土壤氨揮發(fā)的捕獲用內(nèi)徑15cm、高20cm、頂部密封的聚氯乙烯塑料管制成的裝置收集。施肥后，吸取2%硼酸溶液20mL裝入到直徑60mm、容積50mL的蒸發(fā)皿中，置于蒸發(fā)皿的頂部與土壤表面保持約7cm的鐵絲支架上，再罩上捕獲裝置，確保形成一個完全密閉的環(huán)境，將捕獲裝置底部埋入土壤中深5cm左右，用以吸收土壤表面揮發(fā)的氨。追肥后當(dāng)天每個小區(qū)移開滴灌帶毛管放置3個收集裝置。施肥后每隔2d收集1次吸收液，直至測定的各處理氨揮發(fā)量無顯著差異為止。收集時，將培養(yǎng)皿里的吸收液倒入150mL塑料瓶中，再用蒸餾水潤洗培養(yǎng)皿3次并倒入塑料瓶中，帶回實驗室測定氨量，測定時用0.005mol/L的硫酸溶液進行滴定[24]。

土壤氨揮發(fā)積累量：

式中，NH3-N為單個裝置平均每次測得的氨量（mg）；N為硫酸滴定讀數(shù)（L）；C為標準硫酸濃度（mol/L）；14為N的相對分子質(zhì)量。

土壤氨揮發(fā)速率：

式中，M為單個裝置平均每次測得的氨量（NH3-N，mg）；A為捕獲裝置的截面積（m2）；D為每次連續(xù)捕獲的時間（d）。

1.3.2 土壤硝態(tài)氮及銨態(tài)氮 于復(fù)播大豆成熟期采用“S”形取樣法選擇5個點，每個點用土鉆分層采集土樣，深度分別為 0～10、10～20、20～30、30～40和40～60cm，將每一層土樣混合均勻后帶回實驗室，過2mm篩后裝自封袋。

稱取土壤鮮樣5g，加1mol/L KCl溶液25mL浸提，震蕩30min后過濾，采用紫外分光光度法[25]測定硝態(tài)氮含量。稱取土壤鮮樣5g，加入2mol/L KCl溶液25mL浸提，震蕩30min后過濾，采用靛酚藍比色法[26]測定銨態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理并制圖，用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下不同耕作方式對土壤氨揮發(fā)速率的影響

由圖1可知，復(fù)播大豆在花期追肥后，不同耕作措施對土壤氨揮發(fā)速率的影響規(guī)律不一致。土壤氨揮發(fā)速率隨時間的推移，TS和NTS處理均呈不斷下降的變化趨勢，而TPS處理則表現(xiàn)為先降后增的變化趨勢，其中在追肥后的第6天最低。進一步分析追肥后各處理之間的土壤氨揮發(fā)速率可知，累加2～6d并計算平均值可得TPS處理最大，為 106.58g/(hm2·d)，較 TS和 NTS處理均高出35.71%（在此期間內(nèi)，TS和NTS處理無顯著差異）；追肥后6d各處理之間差異較小，此后差異逐漸增大，并在12d均達到最大值和最小值，其中以TPS處理最高，為108.45g/(hm2·d)，較TS和NTS處理分別高出70.59%和141.67%，各處理間均達到顯著差異（P＜0.05）。不同耕作方式下氨揮發(fā)速率總體表現(xiàn)為TPS＞TS＞NTS，這可能是因為在秸稈還田下，免耕處理未對土壤進行擾動，其表層土壤緊實度較大，從而影響肥料隨水下滲；翻耕處理因其增加耕層秸稈量，能夠有效降低土壤容重，疏松土壤耕層，從而促進氮肥向NH4+轉(zhuǎn)化；而翻耕覆膜處理使得部分氮肥不能完全被復(fù)播大豆吸收，在蒸發(fā)過程中被地膜覆蓋阻隔并返還于地表，進而加快了整體的氨揮發(fā)速率。

圖1 不同處理對復(fù)播大豆土壤氨揮發(fā)速率的影響Fig.1 Effects of different treatments on ammonia volatilization rate in soil of summer soybean

2.2 秸稈還田下不同耕作方式對土壤氨揮發(fā)積累量的影響

由圖2可知，復(fù)播大豆在花期追肥后，其測定期各處理土壤氨揮發(fā)積累量的變化趨勢一致，均表現(xiàn)為隨時間的推移呈不斷增加的變化趨勢，并在追肥后第12天達到最大值，TPS和TS處理分別為2.11和1.47kg/hm2，較NTS處理分別高出60.15%和11.28%。在測定期（0～12d）的土壤氨揮發(fā)積累量TS和NTS處理間差異不顯著，均與TPS處理差異顯著（P＜0.05）。復(fù)播大豆土壤氨揮發(fā)積累量總體與氨揮發(fā)速率表現(xiàn)一致，均為TPS＞TS＞NTS，說明秸稈還田下的翻耕覆膜能夠促進土壤氨揮發(fā)積累量與氨揮發(fā)速率。

圖2 不同處理對復(fù)播大豆土壤氨揮發(fā)積累量的影響Fig.2 Effects of different treatments on ammonia volatilization accumulation in soil of summer soybean

2.3 秸稈還田下不同耕作方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖3可知，在秸稈全量還田下，不同耕作處理的復(fù)播大豆成熟期0～60cm土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢基本一致，均隨著土層深度的增加呈先增后減的變化趨勢。進一步分析可知，各處理不同土層深度的土壤硝態(tài)氮含量變化不同，0～10cm土層中土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為TS＞TPS＞NTS；10～20cm土層中表現(xiàn)為TPS＞NTS＞TS；在20～60cm土層中表現(xiàn)為TS＞NTS＞TPS。這可能是因為不同耕作方式下秸稈分解的速率不同，使得秸稈中的氮素進入到土壤中的量不同，導(dǎo)致硝態(tài)氮的含量的不同。

圖3 不同處理對復(fù)播大豆成熟期各土層土壤硝態(tài)氮垂直分布的影響Fig.3 Effects of different treatments on vertical distribution of soil nitrate nitrogen content in different soil layers during summer soybean maturity

各耕作處理的土壤硝態(tài)氮含量在不同土層達到峰值不相同，其中TS和NTS處理在20～30cm土層達到峰值，分別為8.44和7.68mg/kg，較TPS處理分別高出31.67%和19.81%，而TPS處理則在10～20cm土層達到峰值，為7.58mg/kg，較TS和NTS處理分別高出9.01%和3.41%，這也充分說明秸稈還田下的翻耕覆膜更有利于土壤硝態(tài)氮含量的積累，為后期復(fù)播大豆的耕層根系吸收養(yǎng)分奠定基礎(chǔ)。

2.4 秸稈還田下不同耕作方式對土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖4可知，復(fù)播大豆成熟期后，不同耕作處理土壤銨態(tài)氮含量均隨著土層深度的增加基本呈先增后減的變化趨勢，其中TPS處理在10～20cm土層的土壤銨態(tài)氮含量達到峰值，為1.90mg/kg，較TS和NTS處理分別高出78.03%和88.85%；NTS和TS處理均在20～30cm土層達到峰值，分別為1.43和1.30mg/kg，較TPS處理分別高出39.35%和25.99%。進一步分析各土層土壤銨態(tài)氮含量可知，0～20cm土層中表現(xiàn)為TPS＞TS＞NTS；20～60cm土層中表現(xiàn)為NTS＞TS＞TPS。這可能是因為不同耕作方式下秸稈分解的速率不同，使得秸稈中的氮素進入到土壤中的量不同導(dǎo)致銨態(tài)氮含量不同。

圖4 不同處理對復(fù)播大豆成熟期各土層土壤銨態(tài)氮垂直分布的影響Fig.4 Effects of different treatments on vertical istribution of soil ammonium nitrogen content in different soil layers during summer soybean maturity

3 討論

不同耕作方式會打破農(nóng)田土壤的水、肥、氣和熱狀況原有平衡并重建，以及影響土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量、土壤微生物區(qū)系變化等，從而進一步影響作物的產(chǎn)量[27]。耕作結(jié)合秸稈還田是可持續(xù)農(nóng)業(yè)研究的熱點，不同耕作通過改變還田秸稈在土壤中的位置，影響秸稈的腐解，進而影響土壤的養(yǎng)分含量及生物學(xué)活性。本研究中，免耕和翻耕的土壤氨揮發(fā)速率均呈逐漸下降的變化趨勢，與多數(shù)研究結(jié)論一致，而翻耕覆膜處理則表現(xiàn)為先降后增，造成這種原因可能是翻耕覆膜處理對土壤增降溫效應(yīng)并不一致，當(dāng)?shù)喂苁┓屎蟮販亟档?，幾天后由于覆膜能保持并增加地溫，隨之土壤氨揮發(fā)速率增加，表現(xiàn)出一定的滯后效應(yīng)；在秸稈全量還田的條件下，與免耕處理相比，翻耕能增加土壤氨揮發(fā)速率與積累量，這與前人[28]的研究結(jié)果相同，且翻耕覆膜更能促進土壤保墑增肥。但也有研究[29]認為，翻耕降低了土壤氨揮發(fā)速率，與本研究結(jié)果相異，造成這種情況可能是因為免耕表土層作物殘茬的存在減少了肥料與土壤顆粒的接觸，降低了土壤顆粒對肥料氮的固定能力。

耕作方式對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響很早就存在爭議，有研究[30-31]認為，翻耕和翻耕覆膜則是作物前期氮肥投入不足，造成微生物在分解秸稈時消耗土壤中的氮素，進而與作物爭氮有關(guān)，進而使土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量降低。另有研究認為，無秸稈還田條件下，免耕能增加土壤銨態(tài)氮的保留和降低硝態(tài)氮的淋溶[32]，其翻耕對比免耕降低了土壤硝態(tài)氮含量[33]；秸稈還田后，翻耕配合秸稈還田對比免耕秸稈覆蓋顯著增加了土壤硝態(tài)氮含量[34-36]，這與本試驗研究結(jié)果一致。本試驗中，在秸稈還田條件下，無論是翻耕還是翻耕覆膜，其0～20cm耕層中的土壤硝態(tài)氮與土壤銨態(tài)氮含量均優(yōu)于免耕，即土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為TS＞TPS＞NTS，土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為TPS＞TS＞NTS?？赡苁且驗槊飧幚碓诮斩捀采w后增強了微生物活性和降低土壤含水量[37]，造成硝態(tài)氮的利用和滲漏[38]；這也充分說明了翻耕和翻耕覆膜與秸稈還田的結(jié)合能顯著影響土壤養(yǎng)分含量，有利于增加土壤可吸收利用的氮素，對改善環(huán)境、提高秸稈利用率和綠色環(huán)保及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義。

4 結(jié)論

在秸稈全量還田下，與免耕相比，翻耕和翻耕覆膜均能顯著增加土壤可吸收利用的氮素，能夠給作物生長發(fā)育提供良好的基礎(chǔ)條件。因此，綜合考慮土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及氨揮發(fā)，在短期條件下，建議北疆麥后復(fù)播大豆的耕作措施為翻耕覆膜配合秸稈還田。但長期用此方式耕種是否會造成土壤殘膜污染影響秸稈還田、破壞土壤的團聚體、土壤深層次硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋溶和滲漏等問題還有待進一步研究。