秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌對作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

韓 上，武 際，李 敏，唐 杉，王 慧，程文龍，石祖梁，桑亞松

（1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；4.肥東縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 合肥 231600）

秸稈作為含碳豐富的可再生資源，在還田時(shí)向土壤中輸了大量的碳和作物所需的各種營養(yǎng)元素，是保持和提高土壤肥力的重用手段［1-2］。氮素是影響作物產(chǎn)量的最主要養(yǎng)分因素之一，氮肥的合理施用是作物獲得高產(chǎn)的重要保證［3］。而當(dāng)前農(nóng)作物生產(chǎn)中施用的氮肥多為速效態(tài)，養(yǎng)分釋放迅速［4］。氮肥施入土壤后除了被作物吸收利用和在土壤剖面殘留，還有部分會通過各種途徑損失到環(huán)境中。過量施氮造成的氮素?fù)p失不利于作物高產(chǎn)和氮肥利用效率的提高，同時(shí)還會造成環(huán)境污染［5-6］。大量研究已經(jīng)證實(shí)，秸稈還田初期微生物在分解秸稈時(shí)會消耗土壤中的氮素，出現(xiàn)與作物爭氮的現(xiàn)象［7-8］，而隨著秸稈的分解，秸稈中的氮素可以緩慢釋放出來供作物吸收利用［9-10］。但當(dāng)前生產(chǎn)上，為防止秸稈還田前期與作物爭氮，許多地區(qū)仍會在當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的基礎(chǔ)上增施一定量的氮肥做基肥。

安徽省是我國糧食主產(chǎn)省，常年農(nóng)作物種植面積超過860萬hm2［11］。目前糧食生產(chǎn)北方以小麥-玉米/大豆輪作，南方以水稻-小麥/油菜輪作為主，其中小麥和水稻播種面積位居各作物前兩位，占農(nóng)作物總播種面積的50%以上［11］。隨著秸稈直接還田比例的進(jìn)一步提高［12］，如何通過調(diào)整秸稈還田條件下的氮肥運(yùn)籌，達(dá)到不增加氮肥用量和提高氮肥利用效率的目的變得尤為重要。前人已有不少關(guān)于秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌的研究［13-15］，但大田條件下連續(xù)多年的研究并不多見，且不同區(qū)域和輪作制下研究結(jié)果并不一致［16-18］。為此，本研究以安徽水旱輪作區(qū)水稻和旱作區(qū)小麥為研究對象，比較秸稈直接還田條件下不同氮肥施用量和氮肥運(yùn)籌組合連續(xù)多年的施用效果，為秸稈還田條件下氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2014～2017年分別在安徽省水旱輪作區(qū)肥東縣和旱作區(qū)太和縣進(jìn)行。肥東點(diǎn)土壤為水稻土，太和點(diǎn)土壤為砂姜黑土。供試點(diǎn)耕層（0～20 cm）基本理化性質(zhì)見表1。肥東點(diǎn)水稻品種為當(dāng)?shù)赝茝V種植的C兩優(yōu)華占，育苗移栽，栽插密度22.5萬穴/hm2，前茬為小麥；太和點(diǎn)小麥品種為當(dāng)?shù)刂髟缘闹茺?7，播量195 kg/hm2，前茬為玉米。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)釆用裂區(qū)設(shè)計(jì)，氮肥用量為主區(qū)，氮肥運(yùn)籌為副區(qū)。氮肥用量設(shè)低、中、高3個(gè)水平，其中中水平為當(dāng)?shù)赝扑]氮肥用量；氮肥運(yùn)籌設(shè)氮肥一次性基施、習(xí)慣基追比和后氮前移3個(gè)比例，另設(shè)不施氮肥處理作對照，共計(jì)10個(gè)處理，各處理前茬作物秸稈均全量還田。

肥東點(diǎn)2015、2016和2017連續(xù)3年水稻季各處理氮肥運(yùn)籌見表2，各處理磷、鉀肥全部基施，用量為P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，小區(qū)面積40 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。太和點(diǎn)2014、2015和2016連續(xù)3年小麥季各處理氮肥運(yùn)籌見表3，各處理磷、鉀肥全部基施，用量為P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，小區(qū)面積30 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。其它管理措施在水稻和小麥生育期內(nèi)保持一致。供試肥料分別為尿素（N 46%），過磷酸鈣（P2O512%），氯化鉀（K2O 60%）。

表2 水稻季各處理氮肥運(yùn)籌方式 （kg/hm2）

表3 小麥季各處理氮肥運(yùn)籌方式 （kg/hm2）

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在2015年水稻基肥施用前和2014年小麥基肥施用前，采集0～20 cm土層土樣，采用常規(guī)方法測定基本理化性質(zhì)［19］。

在作物成熟期，按小區(qū)實(shí)收水稻和小麥籽粒計(jì)重。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［20-21］計(jì)算如下參數(shù)：

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量的影響

不同施氮處理的水稻產(chǎn)量存在明顯差異（表4）。不施氮處理（N0）連續(xù)3年的產(chǎn)量均處于最低水平，顯著低于施氮各處理；與N0相比，施氮各處理3年平均增產(chǎn)率在35.1%～53.5%。各施氮處理中，N255M7/2/1處理，即施氮量255 kg/hm2、氮肥運(yùn)籌為7∶2∶1時(shí)在第1年和第3年產(chǎn)量最高，N210M7/2/1處理產(chǎn)量次之，二者3年平均產(chǎn)量無顯著差異；N210M5/3/2和N255M5/3/2處理3年平均產(chǎn)量也處于較高水平，N165M10/0/0處理產(chǎn)量最低。與N165M10/0/0處理相比，各施氮處理產(chǎn)量均有不同程度提升，說明在低氮條件下，氮肥一次性基施時(shí)水稻產(chǎn)量較低。相同氮肥施用量下，分次施氮的水稻產(chǎn)量無論是在低氮（N165）、中氮（N210）還是高氮（N255）條件下均高于一次性基施；其中均以7∶2∶1的氮肥運(yùn)籌產(chǎn)量較高，5∶3∶2次之，但二者間連續(xù)3年產(chǎn)量差異均不顯著。

與推薦氮肥用量和習(xí)慣運(yùn)籌方式處理（N210M5/3/2）相比，低氮（N165）各處理均顯著降低了水稻產(chǎn)量，降幅在6.51%～10.25%；N210M10/0/0處理也明顯降低了水稻產(chǎn)量，3年平均降幅為5.68%；而單純增加氮肥用量處理（N255M5/3/2）并沒有增加水稻產(chǎn)量；N255M7/2/1和N210M7/2/1處理3年平均增產(chǎn)率分別為1.98%和1.80%，產(chǎn)量略有增加。

2.2 秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌對小麥產(chǎn)量的影響

與不施氮（N0）處理相比，施氮各處理顯著提高了小麥產(chǎn)量，3年平均增幅在55.8%～80.6%（表5）。各施氮處理中，2015年小麥產(chǎn)量以N285M6/4最高，N240M8/2和N285M8/2次之；2016年和2017年以N285M8/2最高，N285M6/4和N240M8/2次之；N195M10/0連續(xù)3年產(chǎn)量均處于最低水平。綜合3季產(chǎn)量，以N285M8/2處理，即施氮量285 kg/hm2、氮肥運(yùn)籌為8∶2時(shí)產(chǎn)量最高，N285M6/4和N240M8/2處理產(chǎn)量次之，N195M8/2和N240M6/4處理產(chǎn)量也處于較高水平。在低氮肥用量（N195）時(shí)，8∶2的氮肥運(yùn)籌產(chǎn)量最高，顯著高于6∶4和10∶0氮肥運(yùn)籌處理；在中氮肥用量（N240）時(shí)，8∶2的氮肥運(yùn)籌產(chǎn)量最高，6∶4的氮肥運(yùn)籌產(chǎn)量也處于較高水平，二者均顯著高于氮肥一次性基施處理；在高氮肥用量（N285）時(shí)，8∶2和6∶4的氮肥運(yùn)籌產(chǎn)量接近，顯著高于氮肥一次性基施處理。

表5 不同施氮處理對小麥產(chǎn)量的影響

與推薦氮肥用量和習(xí)慣運(yùn)籌方式處理（N240M6/4）相比，低氮（N195）處理中N195M10/0和N195M6/4顯著降低了小麥產(chǎn)量，降幅分別為9.96%和4.31%，N195M8/2沒有降低小麥產(chǎn)量；N240M10/0和N285M10/0處理明顯降低了小麥產(chǎn)量，3年平均降幅為6.55%和5.75%；N285M8/2、N285M6/4和N240M8/2處理的產(chǎn)量均有一定程度增加，增幅分別為4.36%、4.31%和3.69%。

2.3 不同處理氮肥利用效率比較

不同施氮量和氮肥運(yùn)籌處理下水稻和小麥的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力結(jié)果見表6和表7。

水稻上，農(nóng)學(xué)利用效率以N210M7/2/1處理，即施氮量210 kg/hm2、氮肥運(yùn)籌為7∶2∶1時(shí)最高，達(dá)到了16.7 kg/kg，N165M7/2/1處理次之；而高氮（N255）條件下各處理農(nóng)學(xué)利用效率整體較低。氮肥偏生產(chǎn)力整體上隨著氮肥用量的增加而降低；在同一氮肥用量下，氮肥一次性基施的偏生產(chǎn)力最低，7∶2∶1和5∶3∶2的氮肥運(yùn)籌偏生產(chǎn)力較高。小麥中，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力均以N195M8/2處理最高，且顯著高于其他處理。各處理農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力隨著氮肥用量的增加逐漸下降。在中氮（N240）和高氮（N285）條件下，以N240M8/2處理的農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力最高，分別為13.8和31.1 kg/kg，N240M6/4次之。高氮各處理氮肥利用效率均較低，其中以N285M10/0處理最低，顯著低于其他各處理。

表6 不同施氮處理對水稻氮肥利用效率的影響

表7 不同施氮處理對小麥氮肥利用效率的影響

3 討論

前人在秸稈不還田條件下的大量研究表明［22-25］，無論是在水稻還是在小麥上，在氮肥運(yùn)籌中適當(dāng)減少基肥比例，進(jìn)行氮肥的前氮后移，可更好地協(xié)調(diào)作物整個(gè)生育期對氮素的需求，提高氮素利用效率。而在秸稈還田條件下，隨著微生物對秸稈的分解，秸稈中逐漸釋放的養(yǎng)分也可為作物吸收利用［9，26-27］。本研究發(fā)現(xiàn)，與推薦施氮量下的習(xí)慣運(yùn)籌相比，連續(xù)3年單純增施氮肥不會顯著提高水稻或小麥的產(chǎn)量，但減施氮肥則會顯著降低水稻或小麥產(chǎn)量。說明當(dāng)前習(xí)慣運(yùn)籌和施肥方式條件下，水稻和小麥的推薦施肥量均較合理。而推薦施氮量下氮肥前移在水稻和小麥上均獲得較高產(chǎn)量，且農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力在中氮和高氮各處理中也處于最高水平。這也表明，在秸稈還田條件下，傳統(tǒng)的氮肥運(yùn)籌比例可進(jìn)一步優(yōu)化；與前氮后移相比，后氮前移能更好地協(xié)調(diào)秸稈前期分解時(shí)土壤微生物與作物爭氮的矛盾，減少秸稈前期腐解對作物苗期生長發(fā)育產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)而獲得較高產(chǎn)量。綜合來看，秸稈還田條件下，在水稻和小麥上均可在不增加氮肥用量的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化氮肥運(yùn)籌達(dá)到作物高產(chǎn)和氮肥利用效率提高的目的。

在小麥上連續(xù)3年研究結(jié)果表明，與推薦施氮量下的習(xí)慣運(yùn)籌處理（N240M6/4）相比，減施氮肥后氮前移處理（N195M8/2）的產(chǎn)量沒有下降，氮肥利用效率還有顯著提升。說明秸稈還田條件下，通過氮肥的合理運(yùn)籌可以在當(dāng)前推薦施氮量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低小麥季的氮肥用量，達(dá)到減肥增效的目的。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，普通尿素作氮肥一次性基施時(shí)，在推薦施氮量的基礎(chǔ)上繼續(xù)增施氮肥不會顯著提高水稻或小麥產(chǎn)量，其中水稻產(chǎn)量3年平均只增加了1.3%，小麥增加了0.8%，而氮肥利用效率卻顯著下降。這可能是由于普通尿素易溶于水，一次性過量施用會造成氮素在作物生育前期通過NH3揮發(fā)、N2O排放、氮淋溶和徑流等途徑大量損失［4］。這也說明，一次性施肥條件下，想單純通過增加氮肥用量的方式來彌補(bǔ)一次性施肥造成的產(chǎn)量下降是不可行的，增施的氮肥還會造成一系列環(huán)境問題，緩控釋肥是冬小麥?zhǔn)┓瘦p簡化的方向［28-30］。

4 結(jié)論

綜合考慮作物產(chǎn)量和氮肥利用效率，本研究條件下，水稻的最優(yōu)氮肥用量和運(yùn)籌方式組合是推薦施氮量下氮肥前移處理，即氮肥用量為210 kg/hm2、氮肥運(yùn)籌為7∶2∶1；小麥的最優(yōu)氮肥用量和運(yùn)籌方式組合也是推薦施氮量下氮肥前移處理，即氮肥用量為240 kg/hm2、氮肥運(yùn)籌為8∶2。

連續(xù)3年試驗(yàn)結(jié)果表明，同一氮肥用量條件下，氮肥一次性施用會明顯降低作物產(chǎn)量和氮肥利用效率。秸稈還田后增施氮肥并不會顯著提高水稻或小麥產(chǎn)量，還會使氮肥利用效率明顯下降。