秸稈還田配施氮肥對(duì)東北黑土稻區(qū)土壤養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量的影響

孟祥宇 冉 成 劉寶龍 趙哲萱 白晶晶 耿艷秋

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，130118，吉林長(zhǎng)春）

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物種類多樣，秸稈資源豐富，其中稻草、玉米秸稈和麥秸是我國(guó)主要的秸稈類型[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年作物秸稈量約為7億t，其中水稻秸稈大約占29.0%，從秸稈養(yǎng)分資源量來看，水稻大約占總養(yǎng)分量的33.1%[2]。隨著我國(guó)作物產(chǎn)量的不斷提高，秸稈量也逐漸增多，造成了秸稈資源季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性和區(qū)域性過剩。在我國(guó)東北地區(qū)，由于產(chǎn)業(yè)化相對(duì)薄弱，耕作制度和自然環(huán)境等限制因素，大部分秸稈應(yīng)用于燃料和飼料[3]，而剩余秸稈閑置在田野被焚燒，造成了秸稈資源的極大浪費(fèi)。

水稻（Oryza sativa L.）是人類重要的糧食作物之一，世界上有50%左右的人口以稻米為主食[4]。目前我國(guó)東北地區(qū)水稻種植面積為5.26×106hm2[5]。不合理的水稻生產(chǎn)方式導(dǎo)致環(huán)境污染日趨嚴(yán)重[6-7]。氮素在植物的生理代謝中起著重要作用，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需求量最多的營(yíng)養(yǎng)元素[8]。目前我國(guó)氮肥使用過多，導(dǎo)致土壤中氮素隨降水和灌溉水淋溶到土壤深層或隨徑流進(jìn)入地表水，加速土壤酸化，增加了農(nóng)田溫室氣體的排放，不僅造成環(huán)境污染，也加重了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[9-10]；同時(shí)施入過多的氮肥也降低了作物對(duì)磷、鉀和微量元素的吸收[11]，導(dǎo)致作物組織變得脆弱，抗逆能力降低，也易出現(xiàn)貪青晚熟現(xiàn)象，造成作物減產(chǎn)[12]。作物秸稈中含有多種礦質(zhì)元素，如氮、磷、鉀和硅等，是一種廉價(jià)的有機(jī)肥料。秸稈還田能夠改善土壤理化性質(zhì)，但秸稈的碳氮比（C/N）較大，在60:1～100:1之間[13-14]，而在秸稈還田初期，土壤中的有效氮被微生物固定，造成“爭(zhēng)氮現(xiàn)象”而影響后期作物生長(zhǎng)[15]，因此秸稈還田配施合理的氮肥更為重要。大量研究表明，秸稈還田同時(shí)合理地配施氮肥可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，降低土壤容重[9,16-17]；秸稈還田可促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，在水稻生育后期補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)并保水保溫，提高根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力[18]；增大水稻籽粒灌漿速率，提高氮肥利用率，增加每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率與千粒重，進(jìn)而增加產(chǎn)量[19-20]。目前我國(guó)東北地區(qū)因環(huán)境條件的制約導(dǎo)致大量秸稈資源浪費(fèi)，同時(shí)為了追求產(chǎn)量而過多施入氮肥及不合理的耕作措施導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低[21]。因此本文旨在研究秸稈還田與氮肥施用量對(duì)東北黑土稻區(qū)土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響，找到適宜的氮肥施用量，為東北黑土稻區(qū)秸稈全量還田條件下合理施用氮肥培肥土壤提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2018年在吉林省榆樹市弓棚鎮(zhèn)（44°58＇59.25＂N，126°18＇23.56＂E）進(jìn)行試驗(yàn)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，無霜期143d，年均日照約2674.5h，年均氣溫5.3℃，年均降雨量536.4mm。試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分為中等偏上水平，土壤類型為黑 土。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，秸稈全量還田（S）和秸稈不還田（S0）為主區(qū)，秸稈還田量為9.0t/hm2，氮肥施用量為副區(qū)，設(shè)置5個(gè)氮肥處理N0、N1、N2、N3和N4，施用量分別為0、80、160、240和320kg/hm2，各處理組合為 N0S、N1S、N2S、N3S、N4S、N0S0、N1S0、N2S0、N3S0和 N4S0，3次重復(fù)。秸稈含氮0.64%，含磷0.17%，含鉀1.19%。供試品種為吉林省大面積推廣的晚熟品種吉粳816。小區(qū)面積40m2（8m×5m）。氮肥（N）施用比例為底肥∶分蘗肥∶穗肥=6∶3∶1；鉀肥（K2O）90kg/hm2，施用比例為底肥:穗肥=6:4；磷肥（P2O5）75kg/hm2作為底肥一次性施入。

在2018年4月中旬進(jìn)行播種，采用機(jī)插軟盤旱育秧，每盤播種量60g；5月28日移栽，淺水移栽，每穴4株，插秧密度為30cm×20cm，9月28日收獲。該品種在當(dāng)?shù)氐臍v年平均產(chǎn)量為8.2t/hm2，根據(jù)谷草比1:1.1折算秸稈量；在4月中旬將風(fēng)干秸稈粉碎為長(zhǎng)度2～3cm的小段，還田前一周進(jìn)行泡田，春耕整地時(shí)秸稈隨底肥一起均勻施入田中，使用打漿機(jī)混勻。其他田間管理與常規(guī)農(nóng)田管理方法一致。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分 在水稻成熟期，采用5點(diǎn)取樣法，取0～20cm耕層土樣混勻，將土壤自然風(fēng)干、研磨、過篩后，根據(jù)鮑士旦的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[22]測(cè)定各養(yǎng)分指標(biāo)。采用凱氏定氮消化-蒸餾法測(cè)定土壤全氮含量；采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量；采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量；采用鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量；利用乙酸銨浸提，火焰光度法測(cè)定速效鉀含量；采用重鉻酸鉀-外加熱容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；采用環(huán)刀取樣法[23]測(cè)定土壤容重；參考陳立新的[24]方法測(cè)定土壤孔隙度。

1.3.2 產(chǎn)量 水稻成熟期在每小區(qū)取樣5m2，重復(fù)3次，稻株晾干后進(jìn)行稱重，計(jì)算生物產(chǎn)量；然后再進(jìn)行脫粒，去除空癟粒后稱重，并測(cè)定其含水量，換算成14%含水量相應(yīng)的產(chǎn)量，并計(jì)算收獲指數(shù)，收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量×100%。每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的10穴進(jìn)行考種，測(cè)定其穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0（LSD法，α=0.05）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤容重、孔隙度和pH的影響

如表2所示，秸稈處理以及秸稈處理與氮肥的交互作用均顯著影響了土壤容重和孔隙度。與N0S0比較，秸稈還田與氮肥配施處理顯著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，但在秸稈還田條件下不同氮肥處理間差異不顯著。與N0S0相比，各處理的土壤pH均有所下降，但無顯著性差異。

表2 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤容重、孔隙度和pH的影響Table 2 Effects of straw returning and nitrogen application on soil bulk density,porosity and pH

2.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤全量養(yǎng)分含量的影響

如表3所示，秸稈處理以及秸稈處理與氮肥的交互作用均顯著影響了土壤全量養(yǎng)分含量。在秸稈還田條件下，各氮肥處理間全氮含量為N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S，全磷和全鉀含量均為N3S＞N4S＞N2S＞N1S＞N0S，且N3S處理顯著高于其他處理，且均高于對(duì)照N0S0；秸稈還田各氮肥處理較N0S0有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，但各秸稈還田處理間無顯著差異。在秸稈未還田條件下，隨著氮肥施用量的增加土壤中全氮含量也呈增加趨勢(shì)。

表3 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤中全量養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of straw returning to field and nitrogen application on the total nutrients content in soil g/kg

2.3 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤中速效養(yǎng)分含量的影響

由表4可知，秸稈處理以及秸稈處理與氮肥的交互作用均顯著影響了土壤中速效養(yǎng)分含量。在秸稈還田條件下，各氮肥處理堿解氮和速效磷的含量均為N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0，且各處理間均存在顯著差異，速效鉀含量為N3S＞N4S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0，N3S處理顯著高于其他處理。在秸稈未還田條件下，土壤中堿解氮含量隨著氮肥施用量的增加而增加，速效磷含量隨著氮肥施用量的增加而降低，但與N0S0無顯著性差異，速效鉀含量無顯著變化。

表4 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤中速效養(yǎng)分含量的影響Table 4 The effects of straw returning to field and nitrogen application on the content of available nutrients in soil mg/kg

2.4 秸稈還田配施氮肥對(duì)水稻生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

由表5可知，秸稈還田、氮肥、秸稈還田與氮肥互作均顯著影響了水稻的生物產(chǎn)量。在秸稈還田條件下，水稻的生物產(chǎn)量為N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0；收獲指數(shù)為N3S＞N2S＞N1S＞N0S0＞N0S＞N4S，N3S顯著高于N4S。在秸稈未還田條件下，各氮肥處理與N0S0比較，生物產(chǎn)量顯著增加，表現(xiàn)為N4S0＞N3S0＞N2S0＞N1S0＞N0S0；收獲指數(shù)為N3S0＞N0S0＞N2S0＞N1S0＞N4S0。

表5 秸稈還田配施氮肥對(duì)水稻生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響Table 5 The effects of straw returning to field and nitrogen application on rice biological yield and harvest index

2.5 秸稈還田配施氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表6可知，實(shí)測(cè)產(chǎn)量隨著氮肥施用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，產(chǎn)量最高為N3水平，且N3S＞N3S0，差異顯著。在秸稈還田條件下，各氮肥處理的實(shí)測(cè)產(chǎn)量表現(xiàn)為N3S＞N2S＞N4S＞N1S＞N0S＞N0S0，N0S、N1S、N2S、N3S和N4S實(shí)測(cè)產(chǎn)量較N0S0分別增加2.27%、7.42%、16.99%、28.35%和8.97%，N3S處理的實(shí)測(cè)產(chǎn)量顯著高于其他處理。在秸稈未還田條件下，各處理的實(shí)測(cè)產(chǎn)量表現(xiàn)為N3S0＞N2S0＞N4S0＞N1S0＞N0S0，N1S0、N2S0、N3S0和N4S0實(shí)測(cè)產(chǎn)量較N0S0分別增加了3.47%、9.81%、10.65%和7.89%。結(jié)果表明，秸稈還田配施合理氮肥可以有效提高水稻產(chǎn)量，且N3S為最優(yōu)處理。

表6 秸稈還田配施氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 6 Effects of straw returning and nitrogen application on rice yield and yield components

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤容重、孔隙度和pH的影響

土壤容重和孔隙度是衡量土壤結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)，其影響土壤水分的滲透性[25]。相關(guān)研究表明，秸稈還田配施氮肥可以改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，調(diào)節(jié)pH，有利于土壤中氣體交換[17,26-27]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，而單施氮肥對(duì)土壤物理性質(zhì)改善不明顯，這與溫美娟等[28]的研究結(jié)果一致。原因可能是秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，使土壤團(tuán)聚體的形成，使孔隙度增大，容重降低，促進(jìn)土壤疏松[29]。秸稈還田處理以及單施氮肥處理均能降低土壤pH，但未達(dá)顯著水平，可能原因是秸稈還田后土壤中的有機(jī)質(zhì)增加，有機(jī)質(zhì)在分解過程中會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物單寧和有機(jī)酸，且潮濕的環(huán)境也能增加H+數(shù)量[30]，在氮循環(huán)相關(guān)過程中，產(chǎn)生的H+進(jìn)一步導(dǎo)致土壤pH降低[31]。

3.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分是由土壤提供的植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)于作物生產(chǎn)具有重要意義[32]。秸稈還田配施氮肥能夠增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，提高土壤養(yǎng)分庫(kù)容，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[33-34]。本研究中，秸稈還田處理顯著增加了土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的含量。這與吳涌泉等[17]和吳立鵬等[35]的研究結(jié)論一致。原因可能是植物殘?bào)w的輸入可以促進(jìn)土壤中可溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的可利用性，同時(shí)秸稈還田顯著影響土壤氮含量，當(dāng)可利用的碳源相對(duì)充足時(shí)，氮固定潛能較高，進(jìn)而土壤全氮含量增加[36-37]。在適宜的土壤環(huán)境條件下，秸稈快速腐解，腐解后會(huì)釋放大量的養(yǎng)分，進(jìn)而提升土壤中養(yǎng)分含量。秸稈還田后施入氮肥可降低土壤中速效養(yǎng)分淋溶[38]，促進(jìn)土壤中可溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)土壤中養(yǎng)分的可利用性[39]，提升土壤中速效養(yǎng)分的含量，進(jìn)而達(dá)到培肥地力的效果。本試驗(yàn)中土壤全氮含量為N4S0處理最高，原因可能是秸稈在分解過程中需要消耗大量的氮素，而在單獨(dú)施氮處理中，過量的氮肥投入，在完全滿足作物生長(zhǎng)需求后還有大量剩余，而剩余的氮素由固氮微生物固定到土壤中[40]，使N4S0處理全氮含量最高；堿解氮和速效磷含量則在N4S處理最高，可能的原因是氮肥施用量大與秸稈腐解釋放大量養(yǎng)分，在淹水條件下土壤處于還原狀態(tài)，氧化物被還原，釋放無效態(tài)磷，進(jìn)而增加了土壤中磷的有效性[41]，以及有機(jī)質(zhì)含量的增多降低了速效養(yǎng)分的淋溶[38]，從而堿解氮和速效磷含量逐漸增多。而秸稈未還田處理全氮和堿解氮含量增加，其他養(yǎng)分含量略有降低，可能原因是隨著氮肥施用量的增加，水稻生長(zhǎng)需要從土壤中吸收更多的養(yǎng)分導(dǎo)致其他養(yǎng)分含量降低。

3.3 秸稈還田配施氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

有研究表明，秸稈還田配施氮肥可以構(gòu)建良好的產(chǎn)量構(gòu)成因素，促進(jìn)養(yǎng)分吸收和利用，增加生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)，提高產(chǎn)量[42-43]。本研究表明，水稻生物產(chǎn)量隨著氮肥施入量的增加而逐漸增加，在N3S處理下收獲指數(shù)最高，秸稈還田處理顯著提高了水稻的產(chǎn)量，這與張哲等[44]和成臣等[45]的研究結(jié)論一致，原因可能是秸稈還田配施氮肥提高了水稻的氮肥吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率[18,46]，秸稈腐解釋放的養(yǎng)分以及無機(jī)氮肥的適量補(bǔ)充，延緩了水稻生育后期根系及葉片的衰老，增強(qiáng)了根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，有利于水稻穗部的發(fā)育和籽粒灌漿結(jié)實(shí)[18,20]，進(jìn)而提高了水稻的生物產(chǎn)量、收獲指數(shù)和產(chǎn)量。單施氮肥處理在一定范圍內(nèi)雖然增加了水稻的產(chǎn)量，但在同一氮肥水平下，秸稈處理的產(chǎn)量高于單施氮肥處理的產(chǎn)量，N3S處理實(shí)測(cè)產(chǎn)量顯著高于N3S0處理。由此可以得出秸稈還田配施氮肥不僅可以培肥地力，還提高了水稻的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

秸稈還田與氮肥配施降低了土壤容重和pH，增加了土壤孔隙度，還增加了土壤中全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量且提高了水稻產(chǎn)量，以秸稈全量還田配施240kg/hm2的氮肥（N3S處理）為最優(yōu)處理。