施氮對還田秸稈腐解及養(yǎng)分釋放、土壤肥力與玉米產(chǎn)量的影響

李 榮勉有明侯賢清,*李培富王西娜

1寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏銀川 750021;2寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院, 寧夏固原 756000

作物秸稈中含有豐富的養(yǎng)分元素, 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥源。秸稈還田可實(shí)現(xiàn)培肥土壤, 減少秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染[1]。秸稈還田后可在微生物和酶的共同作用下腐解[2], 釋放出氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素供植物吸收利用, 提高土壤肥力[3]。然而, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 作物秸稈還田量大,微生物與作物爭氮導(dǎo)致作物缺氮, 不利于秸稈腐解和養(yǎng)分利用[3]。因此, 加速秸稈腐解是秸稈養(yǎng)分循環(huán)利用及土壤培肥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

秸稈腐解是一個(gè)復(fù)雜而漫長的過程, 不僅與還田方式及秸稈自身特性有關(guān), 更與土壤水分、溫度、通氣性、養(yǎng)分、微生物活動(dòng)等狀況及農(nóng)田管理技術(shù)密切相關(guān)[5-6]。劉單卿等[7]研究結(jié)果表明, 在秸稈腐解過程中, 翻埋還田在秸稈組分降解、養(yǎng)分釋放方面均優(yōu)于覆蓋還田。秸稈特性如碳氮比的差異會(huì)顯著影響其分解, 由于秸稈本身的碳氮比較高, 在秸稈還田的同時(shí)要配施適量氮肥, 可緩解微生物與作物爭氮和加快秸稈腐解[8]。秸稈還田可通過影響土壤水分含量、土壤溫度、微生物的碳氮比等因素, 對秸稈腐解產(chǎn)生影響。李昌明等[9]研究認(rèn)為, 土壤類型間由于通氣性、機(jī)械組成、養(yǎng)分狀況等差異, 顯著影響秸稈分解過程中養(yǎng)分的釋放。秸稈還田可增強(qiáng)土壤有機(jī)養(yǎng)分的礦化, 秸稈自身腐解也會(huì)釋放出豐富的養(yǎng)分元素, 但秸稈的分解和養(yǎng)分釋放程度與農(nóng)田管理技術(shù)尤其氮肥的施用量有密切聯(lián)系。相關(guān)研究表明, 還田后秸稈的分解需配合施用氮肥, 能夠避免微生物在分解秸稈過程中與作物競爭土壤中的氮素, 促進(jìn)秸稈分解, 提高養(yǎng)分釋放量[10]。因此,在秸稈還田條件下, 掌握合理施用氮肥和秸稈腐解規(guī)律,對秸稈快速腐解和養(yǎng)分的有效利用有著重要的科學(xué)意義。

寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)地處中溫帶干旱區(qū), 降雨較少, 土壤質(zhì)地黏重、養(yǎng)分匱乏, 且冬季寒冷而漫長, 抑制了土壤微生物活動(dòng), 粉碎后的秸稈還田在自然狀態(tài)下腐解緩慢, 在土壤中長期積存滯留, 影響作物播種期墑情, 使作物出苗率下降, 嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育[11]。秸稈還田后配施適量氮肥可促進(jìn)秸稈腐解, 實(shí)現(xiàn)土壤培肥和作物增產(chǎn), 已在該區(qū)進(jìn)行推廣[12]。目前施氮多關(guān)注于秸稈還田后土壤理化性質(zhì)及作物增產(chǎn)效應(yīng), 然而關(guān)于連續(xù)2年秸稈還田條件下施氮對秸稈腐解及養(yǎng)分釋放特征、土壤肥力與作物產(chǎn)量的關(guān)系研究尚鮮見報(bào)道。因此, 本研究基于前2年(2016年4月至2017年10月)秸稈還田配施氮肥定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在秸稈還田的第3年(2017年10月中旬)將尼龍網(wǎng)袋法和田間試驗(yàn)相結(jié)合, 研究不同施氮量對還田后秸稈腐解及養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)、土壤肥力特征與玉米產(chǎn)量的影響, 旨在為揚(yáng)黃灌區(qū)秸稈還田后土壤快速培肥技術(shù)及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2016年4月至2018年10月在寧夏同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)(36°51′N、105°59′E, 海拔1200 m)進(jìn)行。該區(qū)地勢南高北低, 屬中溫帶干旱大陸性氣候, 干旱少雨、年均降水量225 mm左右; 光照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫差大, 無霜期120～218 d, 年均氣溫8.6℃, ≥10℃的積溫約3000 ℃, 2018年玉米生育期(4月至10月)逐日降水量、氣溫如圖1所示, 年降水總量為302.2 mm, 玉米生育期降水量為274.4 mm, 其中生育前期(播種至拔節(jié))降水量為89.0 mm, 生育中期降水量為135.1 mm, 生育后期降水量為50.3 mm。試驗(yàn)地土壤類型為灰鈣土, 質(zhì)地為砂壤土, 2016年4月秸稈還田試驗(yàn)開始前0～40 cm層土壤有機(jī)碳含量4.8 g kg-1、全氮0.39 g kg-1、堿解氮38.3 mg kg-1、有效磷16.1 mg kg-1、速效鉀198.0 mg kg-1, pH 8.4, 土壤肥力偏低, 屬低等肥力水平。

圖1 試驗(yàn)地2018年玉米生育時(shí)期逐日降水量和氣溫Fig. 1 Daily precipitation and air temperature during growth period of maize in 2018 at experiment site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 秸稈還田配施氮肥大田試驗(yàn) 秸稈還田配施氮肥大田試驗(yàn)于2016年4月初開始布設(shè)實(shí)施, 2018年10月初結(jié)束, 開展連續(xù)3年的大田試驗(yàn)。為解析連續(xù)施氮對第3年還田后秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律、土壤肥力特征與玉米產(chǎn)量的影響, 論文以第3年(2017—2018年)的大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),玉米秸稈全量還田(9000 kg hm-2)條件下, 設(shè)3種純氮施用水平: (1) 施氮量150 kg hm-2(N1); (2) 施氮量300 kg hm-2(N2); (3) 施氮量450 kg hm-2(N3), 以不施氮肥為對照(CK), 3次重復(fù), 共12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積60 m2(15 m ×4 m)。在秸稈還田條件下, 純氮配施水平設(shè)置依據(jù): 參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合寧夏中部干旱區(qū)當(dāng)?shù)卮河衩缀侠砑兊┯昧慷嘣?25 kg hm-2左右, 由于在秸稈直接還田時(shí)通常配施一定量氮肥, 以補(bǔ)充土壤速效氮的不足, 因此設(shè)計(jì)純氮中間施用量為300 kg hm-2, 為探討不同施氮量下還田秸稈腐解對土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響, 設(shè)置中間量減半(150 kg hm-2)和中間量加半處理(450 kg hm-2),對照為秸稈還田不施氮肥處理。

在每年玉米收獲后, 將基肥磷酸二銨150 kg hm-2撒在地表, 與秸稈(秸稈養(yǎng)分含量中全碳705.8 g kg-1、全氮12.0 g kg-1、全磷2.6 g kg-1和全鉀12.7 g kg-1)一起翻入土壤。各處理均按秸稈全量翻壓還田(翻壓深度25 cm), 同時(shí)在施氮肥(尿素N質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46%)處理中分別施入3種純氮用量, 然后進(jìn)入冬春季休閑, 休閑期間進(jìn)行灌水750 m3hm-2(冬灌500 m3hm-2、春灌250 m3hm-2), 以促進(jìn)秸稈腐解, 次年4月中下旬播種春玉米。玉米供試品種為先玉335,2018年4月12日進(jìn)行播種, 玉米播深4～5 cm, 寬窄行種植,寬行70 cm, 窄行40 cm, 株距為20 cm, 種植密度為90,955株 hm-2, 播種同時(shí)于窄行鋪設(shè)滴灌帶, 于2018年10月1日收獲玉米。試驗(yàn)期間利用自動(dòng)降雨監(jiān)測系統(tǒng)對降水量進(jìn)行監(jiān)測, 玉米生育期總灌水量4200 m3hm-2, 每個(gè)生育階段間隔20 d以相同水量分3次灌入。生育前期灌水1200 m3hm-2、中期灌水1875 m3hm-2、后期灌水1125 m3hm-2; 水肥一體化進(jìn)行追施氮肥, 生育前期施氮90 kg hm-2, 中期施氮60 kg hm-2。試驗(yàn)期間進(jìn)行人工除草。

1.2.2 秸稈腐解填埋微區(qū)試驗(yàn) 秸稈腐解填埋試驗(yàn)于2017年10月中旬玉米收獲后在大田試驗(yàn)田各小區(qū)同時(shí)進(jìn)行布設(shè)翻埋微區(qū)試驗(yàn), 2018年10月初結(jié)束。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理: (1) 不施氮肥(CK); (2) 施純氮150 kg hm-2(N1);(3) 施純氮300 kg hm-2(N2); (4) 施純氮450 kg hm-2(N3)。試驗(yàn)供試氮肥為尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46%), 處理2、3和4根據(jù)秸稈還田量9000 kg hm-2與不同純N用量進(jìn)行折算。

秸稈腐解試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法進(jìn)行填埋。網(wǎng)袋長40 cm, 寬28 cm, 孔徑0.05 mm。供試大田秸稈風(fēng)干后, 剪成2～3 cm小段, 混勻后裝入尼龍網(wǎng)袋, 每袋50 g (僅為粉碎秸稈, 不含土), 用封口機(jī)封好埋入土中, 每個(gè)處理無間隔埋入18包。田間填埋時(shí)分別開4條溝, 一條溝對應(yīng)一個(gè)處理, 每條溝寬25 cm, 長 2.7 m。將溝內(nèi)25 cm深的土壤全部取出, 破碎土塊。不添加氮素處理將一半土樣回填至15 cm厚, 然后水平無間隔鋪放尼龍網(wǎng)袋, 再將剩余土壤全部填回; 施氮各處理先將土壤與供試氮肥充分混勻,再按同樣的方法埋入網(wǎng)袋。各處理間用PVC板隔開, 試驗(yàn)期間灌水及其他管理措施均與玉米大田管理一致。

在玉米苗期(播后20 d, 20 DAS)、拔節(jié)(50 DAS)、大喇叭口(80 DAS)、抽雄(110 DAS)、灌漿(140 DAS)和收獲期(170 DAS)每個(gè)處理隨機(jī)取3袋樣品, 將秸稈的土粒清理干凈后, 烘干稱重, 磨碎混勻用于計(jì)算秸稈腐解率、腐解速率和養(yǎng)分元素(C、N、P、K)釋放率。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 玉米秸稈樣品中養(yǎng)分含量 秸稈樣品中全碳、全氮、全磷、全鉀含量的測定方法分別為: 重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法、H2SO4-H2O2消煮—紫外分光光度計(jì)以及H2SO4-H2O2消煮—火焰光度計(jì)法。

1.3.2 土壤肥力特征 土壤容重: 在2017年10月中旬試驗(yàn)處理前和2018年10月初玉米收獲后, 利用環(huán)刀采集0～20 cm、20～40 cm層原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室測定0～40 cm層土壤容重, 并計(jì)算土壤總孔隙度。

土壤水分: 在玉米播種(0 DAS)、苗期(20 DAS)、拔節(jié)(50 DAS)、大喇叭口(80 DAS)、抽雄(110 DAS)、灌漿(140 DAS)和收獲期(170 DAS), 分別采用土鉆取土干燥法測定0～100 cm層土壤質(zhì)量含水量(%), 每20 cm 層取1個(gè)樣, 并計(jì)算0～100 cm層土壤貯水量。

土壤溫度: 在玉米播種、苗期、拔節(jié)、大喇叭口、抽雄、灌漿和收獲期, 選擇晴天采用曲管溫度計(jì)測定08:00—18:00土壤5、10、15、20和25 cm層溫度, 每2 h記錄1次讀數(shù); 連續(xù)3 d并取其均值為代表值, 平均值作為每個(gè)生育時(shí)期的0～25 cm層土壤溫度。

土壤養(yǎng)分: 于2017年10月中旬試驗(yàn)處理前和2018年10月初玉米收獲后, 采集0～20 cm和20～40 cm層土風(fēng)干、過篩剔除土壤中未腐解的秸稈殘留, 土樣全部碾磨后過2 mm孔徑篩, 分別測定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量,方法分別為: 堿解擴(kuò)散法、NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法、0.5 mol L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法; 將通過2 mm孔徑篩的土樣用四分法取出一部分繼續(xù)碾磨, 使之全部通過0.25 mm孔徑篩, 分別測定土壤有機(jī)碳、全氮含量, 方法分別為: 重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法。

1.3.3 玉米產(chǎn)量性狀 在玉米收獲期, 每小區(qū)選取10株有代表性植株進(jìn)行室內(nèi)考種(穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重); 每個(gè)處理選取3點(diǎn), 收獲3 m雙行果穗, 脫粒, 干燥, 稱量。籽粒產(chǎn)量以14%含水量計(jì)算。土壤貯水量[13](W, mm) =h×a×b×10, 式中:h為土層深度(cm);a是土壤容重(g cm-3);b是土壤質(zhì)量含水量(%)。秸稈腐解率[14](M, %) =(W1-W2)/W1×100, 式中,W1為原始秸稈質(zhì)量(g);W2為不同取樣時(shí)間秸稈腐解后質(zhì)量(g)。秸稈腐解速率[15](N, g d-1) =(A-B)/T, 式中,A為階段初始秸稈質(zhì)量(g);B為階段結(jié)束時(shí)秸稈質(zhì)量(g);T為腐解時(shí)間(d)。秸稈養(yǎng)分元素(C、N、P、K)釋放率[20](P, %) = (W1m1-W2m2)/(W1m1)×100, 式中,W1和m1分別為原始秸稈重(g)和原始秸稈養(yǎng)分含量(g kg-1);W2和m2分別為不同取樣時(shí)間秸稈腐解后重量(g)和腐解后秸稈養(yǎng)分含量(g kg-1)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2003繪制圖表, 利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析, 并用LSD法(P＜0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對還田秸稈腐解特征的影響

隨玉米生育期的推移, 各處理秸稈腐解率(圖2-A)呈逐漸增加, 且表現(xiàn)為前期快后期慢的特點(diǎn)。在腐解前期(2017年10月中旬秸稈填埋前—2018年玉米播后20 d,DAS), 各處理以N2處理促進(jìn)秸稈腐解效果最好, 但處理間差異均不顯著; 腐解中期(50～80 DAS), 各施氮處理平均秸稈累積腐解率均高于對照, 其中N2處理最為顯著,較CK提高25.6%, N3和N1處理次之, 分別較CK顯著提高19.7%和9.9%; 腐解后期(110～170 DAS), N1、N2和N3處理平均秸稈累積腐解率分別較CK顯著增加9.8%、25.6%和19.7%。

各處理秸稈累積腐解速率(圖2-B)在腐解前期最快,之后隨生育期的推進(jìn)而逐漸降低。腐解前期以N2處理促腐效果最佳, 秸稈累積腐解速率較CK顯著提高6.0%, N1和N3處理與CK差異不顯著。腐解中期, 秸稈累積腐解速率明顯下降, N1、N2、N3處理平均分別較CK顯著提高10.0%、26.3%、18.8%。腐解后期, 各處理秸稈累積腐解速率變緩并降至最低。各施氮量處理以N2處理促腐效果最佳, N3和N1處理次之, 平均分別較CK顯著提高27.5%、17.8%和10.8%。

圖2 施氮對還田秸稈腐解率(A)和腐解速率(B)的影響(2018年)Fig. 2 Effect of nitrogen application on cumulative decomposition ratio (A) and decomposing rate (B) of returning straw (2018)CK: 不施氮肥; N1: 施氮量150 kg hm-2; N2: 施氮量300 kg hm-2; N3: 施氮量450 kg hm-2。圖中誤差表示P ＜0.05水平上的最小顯著性差異(LSD)。CK: no pure nitrogen application; N1: pure nitrogen application rate at 150 kg hm-2; N2: pure nitrogen application rate at 300 kg hm-2; N3:pure nitrogen application rate at 450 kg hm-2. The error bars represent the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05.

2.2 施氮對還田秸稈養(yǎng)分釋放特征的影響

氮肥對還田玉米秸稈中養(yǎng)分元素累積釋放率與秸稈累積腐解率均隨玉米生育期的推進(jìn)而增加(圖3)。各施氮處理對秸稈養(yǎng)分累積釋放率均有促進(jìn)作用, 且各養(yǎng)分釋放率大小為: 鉀＞碳＞氮＞磷。秸稈中鉀素釋放率高于碳、氮素和磷素的釋放率, 這是由于秸稈中的鉀主要是以水溶態(tài)存在, 容易釋放; 碳、氮、磷是以難腐解的有機(jī)態(tài)存在, 釋放速率慢。

在玉米秸稈腐解前期, 秸稈中碳素釋放較快, 隨腐解時(shí)間的延長, 碳素釋放速度(圖3-A)逐漸減緩。在玉米播后20 d, 各處理秸稈碳素累積釋放率均占總釋放率的50%以上, 且各處理間差異均不顯著。在秸稈腐解中后期, 施氮處理碳累積釋放率均顯著高于對照, 以N2處理最高,N1和N3處理次之; 在腐解中期, N1、N2和N3處理碳累積釋放率顯著高于CK, 分別提高15.5%、20.8%和10.2%;在腐解后期, N1、N2和N3處理碳累積釋放率分別較CK顯著提高10.5%、12.0%和6.8%。這說明在腐解中后期, 低氮肥或高施氮量不利于玉米秸稈碳素的釋放, 而中施氮量有利于秸稈碳素的釋放。隨腐解時(shí)間的延長, 各處理秸稈氮素釋放率(圖3-B)表現(xiàn)出前期快、后期慢的規(guī)律, 且施氮處理明顯高于不施氮處理。在20 DAS, 各處理秸稈氮素釋放率最快(28.4%～36.3%); 在50～80 DAS, 各處理秸稈腐解速率下降使氮素釋放變緩, 而在80 DAS后各處理秸稈氮素累積釋放率均有所上升。在不同腐解階段,N1、N2、N3處理平均秸稈氮素累積釋放率較CK分別顯著增加16.3%、23.8%、9.6%。

秸稈腐解過程中磷素的釋放(圖3-C)與碳、氮素變化趨勢相似: 各施氮處理在20 DAS磷素的釋放最快, 在50 DAS磷素釋放率減緩, 80～170 DAS呈逐漸上升, 而CK處理磷素釋放率在20～80 DAS呈逐漸減緩, 110 DAS后又快速增加。在50～170 DAS, 各施氮處理的平均磷素累積釋放率較對照顯著提高17.4%～35.0%, 以N2處理增加幅度最大, N1和N3處理次之。與碳、氮、磷素釋放規(guī)律一致,玉米秸稈中鉀素釋放(圖3-D)也呈前期快、后期慢的特點(diǎn)。在玉米播后20～80 d, 秸稈中鉀素快速釋放, 在110～140 DAS時(shí), 玉米正處于雨季和高溫期, 各施氮處理鉀素釋放率達(dá)到最高(89.4%), 以N2處理對促進(jìn)秸稈鉀素釋放率效果較好, 各處理間無顯著差異?？梢? 施氮對秸稈中鉀素的釋放有促進(jìn)作用, 但施純氮量過低(150 kg hm-2)或過高(450 kg hm-2)均不利于秸稈中鉀素的釋放。

圖3 施氮對還田秸稈養(yǎng)分累積釋放率的影響(2018年)Fig. 3 Effect of nitrogen application on nutrient cumulative release rate of returning straw in 2018處理同圖2。圖(A)、(B)、(C)、(D)分別代表碳、氮、磷和鉀素的釋放率。圖中誤差表示P ＜0.05 水平上的最小顯著性差異(LSD)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. (A), (B), (C), and (D) represent the nutrient cumulative release rate of carbon, nitrogen,phosphorus, and potassium in the figure, respectively. The error bar represents the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05.

2.3 施氮對還田土壤物理性質(zhì)的影響

2.3.1 土壤容重及總孔隙度 不同施氮量可顯著降低還田后0～40 cm層土壤容重和提高土壤總孔隙度(圖4), 較試驗(yàn)處理前(2017年10月中旬0～40 cm層平均土壤容重為1.64 g cm-3、總孔隙度為38.1%), 各處理土壤容重降低1.8%～8.5%和總孔隙度提高3.0%～13.9%。0～20 cm層, 土壤容重隨施氮量的增加而逐漸降低, 總孔隙度逐漸增加,N1、N2、N3處理土壤容重較CK分別顯著降低4.4%、6.3%、8.1%, 土壤總孔隙度分別顯著增加6.7%、9.5%、12.4%, 且N2與N3處理間無顯著差異; 20～40 cm層, 土壤容重隨施氮量增加呈先降低后升高, 以N2和N3處理效果較優(yōu), 分別較CK顯著降低6.2%、5.6%, 而總孔隙度隨施氮量增加呈先升高后降低, 各施氮量處理與對照差異顯著, N2、N3處理較CK顯著提高9.7%和8.7%, 而N2與N3處理間無顯著差異?？梢? 施氮能有效降低還田后0～40 cm層土壤容重, 改善土壤孔隙度, 以施中高量氮處理效果較好。

圖4 施氮對還田后土壤容重及總孔隙度的影響(2018年)Fig. 4 Effects of nitrogen application on soil bulk density and total porosity of returning straw in 2018處理同圖2。圖(A)和(B)分別代表土壤容重和總孔隙度。不同小寫字母表示同一土層處理間差異顯著(P＜ 0.05)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. (A) and (B) represent the soil bulk density and total porosity in the figure, respectively.Different lowercase letters indicate significant difference atP＜ 0.05 among treatments in the same soil layer.

2.3.2 土壤水分和溫度 不同氮肥量下0～100 cm層土壤貯水量隨玉米生育期的推進(jìn)呈“W”的變化趨勢, 且生育前中期土壤貯水量高于后期(圖5)。玉米苗期(20 DAS), 各處理土壤貯水量高低次序?yàn)镹1、N2、CK、N3, 且低氮和中氮處理顯著高于高氮和不施氮處理; 拔節(jié)期(50 DAS),各處理土壤貯水量有所下降。與CK相比, N2處理對提高土壤貯水量效果最佳(21.4%), 且不同施氮處理差異顯著;大喇叭口期(80 DAS), 各處理土壤貯水量明顯上升, N2、N3處理土壤貯水量分別較CK顯著增加16.4%、20.8%; 抽雄～灌漿期(110～140 DAS), 玉米生長旺盛, 作物耗水增加,各處理土壤貯水量降至最低, 其中N2處理土壤貯水量最高, 較CK顯著增加20.6%, N1和N3處理與CK差異不顯著;玉米收獲期(170 DAS), 各處理土壤貯水量有所提高, N1、N3處理分別較CK顯著提高13.6%、14.4%, 而N2與CK處理間無顯著差異。各處理下0～25 cm層土壤溫度與土壤貯水量的變化趨勢基本一致, 均隨玉米生育期的推進(jìn)呈先增加后降低再增加(圖5)。不同氮肥量對玉米生育期土壤溫度影響顯著, 以N2處理效果最佳。玉米苗期, 不同施氮量處理可促進(jìn)秸稈腐解放熱, 顯著提高土壤溫度, 以N2處理保溫效果最好, 較CK顯著增溫3.2℃; 玉米拔節(jié)期,隨著氣溫回升土壤溫度逐漸上升, CK處理均高于其他處理, 而在大喇叭口期各處理土壤溫度達(dá)到最高, N1、N2處理土壤溫度較CK略有降低, 而N3處理顯著降低2.1℃; 在抽雄-灌漿期, 各處理土壤溫度急劇降低, N2處理的土壤溫度最低, 較CK顯著降低1.7℃; 收獲期, 各處理間無顯著差異。

圖5 施氮對還田后玉米生育期土壤水分和溫度的影響(2018年)Fig. 5 Effects of nitrogen application on soil water and temperature of returning straw during maize growth period in 2018處理同圖2。圖中誤差表示P ＜0.05水平上的最小顯著性差異(LSD)。不同小寫字母表示同一生育期處理間差異顯著(P＜ 0.05)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. The error bars represent the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05. Different lowercase letters indicate significant difference atP＜ 0.05 among the treatments at the same growth stage.

2.4 施氮對還田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知, 與試驗(yàn)處理前(2017年10月中旬)相比,2018年玉米收獲期各處理0～40 cm各層土壤有機(jī)碳和全氮含量均明顯增加, 增幅分別為13.6%～60.7%、23.1%～74.4%, 而土壤碳氮比降低2.9%～8.4%。在0～20 cm層, 隨施氮量的增加各處理土壤有機(jī)碳氮含量均增加, 以N2、N3處理效果最為顯著, 土壤有機(jī)碳分別較CK顯著提高44.9%和47.6%, 全氮含量分別顯著提高33.3%和40.7%,碳氮比分別顯著提高8.6%、5.0%。20～40 cm層, N1、N2、N3處理土壤有機(jī)碳含量分別較CK顯著提高12.1%、36.6%、35.3%, 土壤全氮含量N2、N3處理分別較CK顯著提高33.3%、42.9%。0～40 cm各層土壤碳氮比均隨施氮量呈先增后減, 其中以N2處理對0～40 cm層土壤碳氮比調(diào)控效果最佳(碳氮比為12∶1), 較CK顯著提高7.1%。

施氮對玉米收獲期0～40 cm各層土壤速效養(yǎng)分含量均有顯著提高(表1)。0～20 cm層, 各施氮處理土壤堿解氮和速效鉀含量均以N2處理最高, 較CK分別顯著提高60.4%、20.2%, N1和N3處理次之; 土壤有效磷含量N2、N3處理較CK分別顯著提高16.2%和18.2%。20～40 cm層, 各處理下土壤堿解氮含量以N2和N3處理提高效果最為顯著, 較CK分別顯著提高73.6%、69.9%。在所有處理中, N2處理可顯著提高20～40 cm層土壤有效磷和速效鉀含量, 分別較CK顯著提高18.0%和22.0%?？梢? 施氮能有效提高還田后土壤有機(jī)碳、全氮及速效養(yǎng)分含量, 調(diào)節(jié)土壤碳氮比, 以中量施氮處理效果最佳, 低量和高量施氮處理次之。

表1 秸稈還田配施氮肥對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effects of straw returning with nitrogen application on soil nutrients content

2.5 施氮對玉米籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知, 不同氮肥量對玉米產(chǎn)量構(gòu)成影響顯著。隨施氮量的增加, 玉米穗數(shù)和百粒重均呈先增后減趨勢,N1、N2、N3處理穗數(shù)較CK分別顯著提高13.0%、39.1%、17.4%; N1和N2處理玉米籽粒百粒重分別顯著增加11.7%、24.8%, 而N3處理較CK處理有所降低, 但差異不顯著; 穗粒數(shù)以N3處理表現(xiàn)最為顯著, 較CK增加11.4%,N1、N2處理次之, 分別較CK顯著增加9.3%和8.3%, 且各施氮處理間無顯著差異。隨施氮量的增加玉米籽粒產(chǎn)量逐漸增加, 但達(dá)到一定施氮量后產(chǎn)量不再增加, 出現(xiàn)降低趨勢。N1、N2和N3處理分別較CK顯著增產(chǎn)36.6%、63.7%和23.2%, 且各處理間差異顯著。因此, 施中量氮肥(300 kg hm-2)可促進(jìn)玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重的增加, 增產(chǎn)效果最佳。

表2 施氮對還田后玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響(2018年)Table 2 Effects of nitrogen fertilizer on yield components and maize yield after straw returning in 2018

3 討論

3.1 施氮對還田秸稈腐解特征的影響

還田后秸稈的腐解與土壤溫度、水分及還田深度等密切相關(guān), 秸稈還田前施用氮肥在改善土壤水肥狀況[13]、增加碳投入量的同時(shí), 可將土壤中碳氮比調(diào)節(jié)至適合土壤微生物繁殖的范圍內(nèi), 能有效加速秸稈分解和腐熟[15]。胡宏祥等[16]研究發(fā)現(xiàn), 玉米秸稈腐解速率隨還田時(shí)間的增加而降低, 在還田后前15 d最快, 15 d后趨于平緩。黃婷苗等[3]研究認(rèn)為, 在越冬前還田后秸稈腐解較快, 冬季變慢, 進(jìn)入分蘗期后腐解速度加快。本研究結(jié)果也表明, 各處理秸稈腐解率和腐解速率均表現(xiàn)為腐解前期(秸稈填埋前～20 DAS)快于50～170 DAS (腐解中后期), 究其原因:玉米秸稈中大量的易于分解的物質(zhì)在腐解前期被微生物利用, 腐解中后期隨著易分解性有機(jī)物的逐漸減少, 剩余部分為較難分解的有機(jī)物, 且腐解后期土壤溫度下降, 微生物活性降低, 不利于秸稈分解[17]。宮秀杰等[18]研究認(rèn)為,施氮處理在玉米整個(gè)生育期秸稈腐解率均高于不施氮處理, 150 d后秸稈腐解率差異顯著。本研究中, 秸稈腐解率和腐解速率均以中量施氮(施氮300 kg hm-2)處理最高, 并未表現(xiàn)出施氮量越高(施氮450 kg hm-2)秸稈腐解速率越高的趨勢, 這是因?yàn)檫m量施氮能夠調(diào)節(jié)還田秸稈的碳氮比[10],改善土壤的水溫狀況, 促進(jìn)腐解微生物的生長, 當(dāng)?shù)厥┤脒^量時(shí)會(huì)抑制微生物的活性, 減弱其腐解能力[14]。

3.2 施氮對還田秸稈養(yǎng)分釋放規(guī)律的影響

秸稈還田與氮肥配施在微生物作用下可促進(jìn)秸稈腐解礦化, 使養(yǎng)分得以釋放[19]。陳建英等[14]研究表明, 施氮可顯著促進(jìn)還田前期玉米秸稈中碳、氮的釋放, 但對秸稈中磷、鉀的釋放無明顯影響。王麒等[20]研究也表明, 施入氮肥對寒地粳稻秸稈中碳、磷、鉀素釋放的影響不顯著。而黃婷苗等[3]研究認(rèn)為, 施氮對秸稈中碳、磷、鉀素含量在某個(gè)時(shí)期影響差異顯著。本研究通過秸稈腐解填埋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在腐解前期, 秸稈內(nèi)碳、氮、磷及鉀養(yǎng)分快速釋放于土壤中, 而在中后期, 秸稈養(yǎng)分釋放量減小。各處理下秸稈碳氮磷鉀的釋放率均表現(xiàn)為鉀高于碳、氮、磷, 這與已有研究結(jié)果一致[7,14,16]。本研究還發(fā)現(xiàn), 施氮量300 kg hm-2處理下各養(yǎng)分釋放率均高于其他處理, 與對照差異顯著, 這是因?yàn)榻斩掃€田配施一定量氮肥, 可顯著增加土壤碳氮含量, 進(jìn)而使土壤酶活性提高[21], 加速秸稈分解與養(yǎng)分釋放[19]。另外, 適量施氮可彌補(bǔ)秸稈降解過程中因土壤氮素不足或過剩而造成土壤微生物對土壤氮素或碳素的固持[22], 進(jìn)而利于促進(jìn)玉米秸稈的腐解和養(yǎng)分元素的釋放[16]。

張經(jīng)廷等[22]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈中養(yǎng)分釋放速率表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮, 鉀在秸稈還田后的幾天內(nèi)釋放率可達(dá)到90%以上, 而氮、磷的釋放均表現(xiàn)“前快后慢”。閆超[23]研究也報(bào)道, 還田秸稈中養(yǎng)分釋放率依次是鉀＞磷＞碳＞氮。本研究表明, 各施氮處理下還田后秸稈中養(yǎng)分元素釋放率大小次序?yàn)殁洠咎迹镜玖? 這是由于施氮有利于還田后土壤的保水調(diào)溫[24], 可提高微生物活動(dòng)及酶活性有益于秸稈中鉀素釋放、而抑制氮、磷元素的釋放[25]。本研究還發(fā)現(xiàn), 秸稈中碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的累積釋放速率均隨施氮量的增加先增加后減小, 這與陳建英等[14]和張珊等[26]部分研究結(jié)果一致。分析其原因, 適量施入氮肥通過改善土壤理化性質(zhì), 進(jìn)一步平衡農(nóng)田土壤碳氮比, 從而影響到秸稈腐解; 同時(shí)施氮對秸稈腐解過程中養(yǎng)分的釋放有一定的激發(fā)效應(yīng), 可促進(jìn)秸稈中養(yǎng)分的釋放[27]。然而, 秸稈腐解及養(yǎng)分釋放常受其自身特性、翻埋深度、土壤環(huán)境、質(zhì)地及農(nóng)田管理技術(shù)等因素的影響, 規(guī)律較為復(fù)雜, 且秸稈腐解及養(yǎng)分釋放與土壤環(huán)境和農(nóng)田管理的協(xié)同機(jī)制尚不明確, 仍需進(jìn)一步定位深入研究。

3.3 施氮對秸稈還田土壤肥力特征的影響

白偉等[28]研究發(fā)現(xiàn), 施氮可顯著降低還田后土壤容重, 改善土壤孔隙狀況。房煥等[29]研究表明, 稻麥輪作區(qū)在全量秸稈還田條件下施氮磷鉀肥能夠降低土壤容重,增大總孔隙度, 改善水稻土的物理結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明,不同量氮肥均可有效降低還田后0～40 cm層土壤容重, 增加總孔隙度, 且效果隨施氮量增加更明顯。這是因?yàn)樵谕庠吹饔孟峦寥捞嫉冉档? 促進(jìn)秸稈腐解[30], 在微生物和酶的共同作用下向土壤提供大量有機(jī)物質(zhì), 分解物與土壤顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 從而使土壤容重降低, 土壤孔隙度變大[12]。高金虎等[31]研究發(fā)現(xiàn), 施氮肥對秸稈還田前期不利于保水, 中后期保水效果較好。本研究結(jié)果表明, 施氮肥能在秸稈腐解中后期增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力, 以施氮300 kg hm-2處理效果最顯著, 分析其原因: 秸稈腐解過程中能將秸稈中纖維素徹底分解為CO2和H2O, 可有效補(bǔ)充土壤水分[32]。秸稈還田配施不同比例化肥有保水調(diào)溫作用[33], 能降低土壤碳氮比, 促進(jìn)微生物的活動(dòng)和生長繁殖, 增強(qiáng)土壤酶的活性, 改善土壤微環(huán)境[24]。本研究結(jié)果表明, 施氮肥處理對生育前期0～25 cm層土壤溫度有保溫效果, 而在中后期均低于不施氮肥處理, 分析原因: 土壤溫度主要受秸稈還田的影響[24], 而大量秸稈腐解主要集中還田初期[23], 且秸稈配施氮肥可在生育前期促進(jìn)秸稈快速腐解[15], 腐解過程會(huì)放出大量熱量使地溫增加[34]。

吳立鵬等[35]研究認(rèn)為, 施氮肥有效提高濱海鹽堿地還田稻田土壤有機(jī)碳氮含量, 調(diào)控土壤碳氮比[19]。王學(xué)敏等[36]研究表明, 氮肥減施在當(dāng)年能顯著提高還田后土壤有機(jī)碳和全氮含量。王呂等[37]研究發(fā)現(xiàn), 紫云英稻稈協(xié)同還田提高了耕層土壤有機(jī)碳和速效磷。在本研究中, 施氮可增加還田后0～40 cm土壤有機(jī)碳和全氮含量, 且以施中高量氮肥處理提升效果最佳, 分析其原因: 一方面, 秸稈還田可補(bǔ)充土壤有機(jī)碳, 提高土壤碳氮比, 增強(qiáng)對氮的固持能力, 同時(shí)配施適量氮肥具有較強(qiáng)的持水能力, 防止土壤氮素?fù)]發(fā)[10]。另一方面, 適量施氮可顯著影響土壤酶活性, 有利于微生物生長, 從而加快秸稈腐解有關(guān)[19]。侯賢清等[13]研究表明, 施氮肥可提高還田后土壤速效養(yǎng)分含量。張娟琴等[38]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田條件下土壤速效養(yǎng)分含量隨氮肥施用量的增加呈顯著上升。在本研究中, 施氮肥處理下0～40 cm層土壤速效養(yǎng)分以施中量氮肥效果最佳, 分析其原因: 土壤碳氮比過高或偏低均會(huì)抑制土壤微生物的繁殖及土壤酶活性, 進(jìn)而抑制秸稈腐解及養(yǎng)分釋放[39], 300 kg hm-2氮肥施用量處理下適宜的土壤水溫環(huán)境可在微生物活動(dòng)及酶的作用加快秸稈腐解和養(yǎng)分釋放,進(jìn)而提高土壤速效養(yǎng)分含量[40]。

3.4 施氮對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

白偉等[28]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田配施氮肥處理玉米的增產(chǎn)效果主要表現(xiàn)在百粒重和行粒數(shù)的顯著增加。龐黨偉等[11]研究認(rèn)為, 秸稈還田條件下施氮主要通過改善土壤理化性質(zhì), 增加單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù)使小麥產(chǎn)量增加。陳金等[41]研究報(bào)道, 秸稈還田配施純氮225 kg hm-2的小麥籽粒產(chǎn)量最高, 增產(chǎn)幅度最大。本研究結(jié)果表明,連續(xù)秸稈還田條件下施氮措施主要通過影響玉米產(chǎn)量構(gòu)成來顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量, 分析其原因: 秸稈還田的同時(shí)施氮肥可改善土壤微環(huán)境, 土壤肥力的提高對玉米產(chǎn)量構(gòu)成有一定促進(jìn)作用, 從而提高玉米籽粒產(chǎn)量[13]。在本研究中, 秸稈還田配施中量氮肥(300 kg hm-2)可顯著提高玉米產(chǎn)量, 但施氮量達(dá)到一定量后, 再增加施氮量, 玉米產(chǎn)量會(huì)降低, 究其原因: 一方面, 適量氮肥可改善土壤微環(huán)境, 調(diào)節(jié)土壤碳氮比, 從而加速秸稈腐解及養(yǎng)分釋放, 為玉米生長提供充足的養(yǎng)分供應(yīng), 最終使玉米產(chǎn)量增加[10]。另一方面, 低氮量會(huì)導(dǎo)致土壤供氮不足, 造成作物群體較小, 有效穗數(shù)和穗粒數(shù)降低, 進(jìn)而影響作物產(chǎn)量構(gòu)成[42], 而氮肥過量會(huì)導(dǎo)致作物貪青晚熟和籽粒充實(shí)度降低, 造成減產(chǎn)[43]?？梢? 施氮能顯著提高還田后秸稈累積腐解率和腐解速率, 且隨施氮量的增加呈先增加后降低, 以施氮300 kg hm-2處理效果最佳; 施氮處理能促進(jìn)秸稈養(yǎng)分的釋放,其養(yǎng)分累積釋放率表現(xiàn)為鉀＞碳＞氮＞磷, 以施氮300 kg hm-2處理最高。施氮可降低0～40 cm層土壤容重, 改善土壤孔隙狀況, 增強(qiáng)土壤的保水調(diào)溫能力, 其中以施氮300 kg hm-2處理效果最佳; 施氮能增加還田后0～40 cm層土壤有機(jī)碳氮含量, 調(diào)節(jié)土壤碳氮比, 顯著提高土壤速效養(yǎng)分含量, 均以施氮300 kg hm-2處理效果較好。施氮可通過影響玉米產(chǎn)量構(gòu)成, 從而提高籽粒產(chǎn)量, 且隨施氮量的增加呈先增加后降低, 以施氮300 kg hm-2處理增產(chǎn)效果最為顯著。綜上, 施氮300 kg hm-2可顯著改善土壤肥力,進(jìn)而影響秸稈的腐解和養(yǎng)分元素的釋放, 對玉米產(chǎn)量的形成有促進(jìn)作用, 是本試驗(yàn)條件下對土壤培肥和作物增產(chǎn)效果更顯著的一種有效措施。然而, 秸稈還田配施氮肥試驗(yàn)受大田環(huán)境影響較大, 其適宜施氮量一方面與研究區(qū)土壤類型、氣候特征、土壤環(huán)境、秸稈腐解及養(yǎng)分釋放特征、土壤微生物活動(dòng)及作物根系生長發(fā)育等有關(guān); 另一方面, 本試驗(yàn)為秸稈還田的第3年數(shù)據(jù)結(jié)果, 長期秸稈還田的土壤培肥及作物增產(chǎn)效應(yīng)尚未完全體現(xiàn), 還有待多年的定位試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。