秸稈還田條件下氮肥減施對稻田土壤養(yǎng)分及酶活性和產(chǎn)量的影響

張俊瑩，趙立琴，吳金花，龐晨，李鵬緋，焦峰

（1黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319；2黑龍江省前進農(nóng)場現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心）

中國是世界上最大的化學肥料消費國，約占全球總量的35%[1]?；适欠€(wěn)定和提高作物產(chǎn)量的基礎。但是，在經(jīng)濟利益的驅(qū)使下，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量使用化肥，造成土壤養(yǎng)分失衡，耕地質(zhì)量下降。與20世紀相比，施肥量與作物產(chǎn)量的比值在逐年降低[2]?；瘜W肥料的過度使用，除了增加種植成本、浪費資源，還會引發(fā)病蟲害、化肥殘留、地下水污染及水體富營養(yǎng)化等一系列問題[3]。

我國秸桿產(chǎn)量約占世界秸稈總產(chǎn)量的30%，大量秸稈對環(huán)境造成很大的壓力，目前直接還田是秸稈的重要利用方式，既解決了秸稈對環(huán)境的影響，還可以增加土壤養(yǎng)分[4-5]、提高土壤酶活性[6]、改善土壤物理性質(zhì)[7]以及抑制田間雜草等[8-9]，最終起到優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的作用[10]。

氮肥對秸稈還田起著決定性的作用。微生物在一定的碳氮比條件下，才能高效的分解利用秸稈[11]。在秸稈還田同時合理配施氮肥，促進秸稈腐熟并提高土壤養(yǎng)分[12]。因此在保證糧食安全的前提下減少氮肥施用顯得尤為重要。目前秸稈還田對土壤養(yǎng)分影響的報道較多，但在多年秸稈還田條件下氮肥減施，分析不同土層養(yǎng)分的研究較少。研究基于長期水稻秸桿還田及氮肥減施試驗的基礎上，分析秸稈還田模式下氮肥管理水平對不同土層養(yǎng)分及酶活性的影響。旨在揭示長期秸稈還田和氮肥減施對土層養(yǎng)分供應的影響機制，為寒地稻區(qū)秸稈合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

水稻（oryza sativa）種植品種為龍粳31；供試氮肥為尿素（N 46%）。

1.2 試驗設計

試驗設在黑龍江省建三江管理局前進農(nóng)場科技園區(qū)，試驗用地為潛育白漿土，土壤性質(zhì)見表1。試驗共7個處理，隨機排列，小區(qū)總面積為1 050 m2，各小區(qū)長度15 m、寬度10 m。處理方式見表2，秸稈還田處理在水稻收獲后秸稈100%直接還田；水稻種植過程中100%氮肥施用量為150 kg·hm-2；減氮10%施用量為135 kg·hm-2；減氮20%施用量為120 kg·hm-2；減氮30%施用量為105 kg·hm-2。試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。氮肥40%做基肥、30%做蘗肥、30%做穗肥；磷肥100%做基肥；鉀肥60%做基肥、40%做蘗肥。各小區(qū)嚴格實行單灌單排，田間管理方式完全按照水稻常規(guī)生產(chǎn)技術(shù)措施標準統(tǒng)一執(zhí)行。

表1 潛育白漿土基本性質(zhì)Table 1 Basic characteristic of gley albic soil

表2 各處理還田及施肥方式Table 2 Straw returning and fertilization methods

1.3 指標測定

試驗第5年水稻收獲后，在每個小區(qū)內(nèi)隨機劃分3個1 m2區(qū)域，用土鉆在每個區(qū)域內(nèi)縱向取3點，并將3點土樣以0～20、20～40 cm分離，同層混勻。土壤樣品分為2份；一份自然風干后粉碎過篩備用，用于土壤化學性質(zhì)的測定（0～20、20～40 cm）；一份放4℃冰箱保存，用于土壤酶活性的測定（0～20 cm）。

水稻產(chǎn)量測定每小區(qū)按照隨機法3點取樣，每點1 m2，脫水后實測單位平方米面積水稻產(chǎn)量，籽粒按含水量14%折算產(chǎn)量。

土壤養(yǎng)分測定參照鮑士旦[13]的方法測定。土壤酶活性是利用索萊寶生化科技（北京）有限公司的土壤酶活性試劑盒測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 21.0進行單因素方差分析，差異顯著性及多重比較分析采用Duncan檢驗法,利用Excel 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田條件下氮肥減施對土壤全量養(yǎng)分的影響

由表3可見，在0～20、20～40 cm土層中，V1D1和V1D1（-10%）處理的全氮含量顯著高于V0D0處理。表明秸稈還田條件下配施全量或減量10%的氮肥，對提高土壤全氮含量，促進氮素利用有一定作用。在秸稈還田+減氮施肥處理中，V1D1（-10%）處理的全氮含量在三個處理中處于較高水平；V1D1（-30%）處理的全氮含量在三個處理中處于較低水平，這表明當秸稈還田同時減施氮肥10%以上，土壤中全氮的含量隨著施氮量的減少而降低。

表3 秸稈還田條件下氮肥減施對土壤全量養(yǎng)分的影響Table 3 Effect of nitrogen reduction on total nutrients content under straw returning condition

在0～20、20～40 cm土層中，V0D0處理的土壤全磷含量顯著高于其他處理。單施秸稈會明顯降低0～20 cm土層的全磷含量；秸稈還田+減氮30%會明顯降低20～40 cm土層的全磷含量。在0～20 cm土層中，V1D1（-10%）、V1D1（-20%）、V1D1（-30%）處理間無明顯的差異；在20～40 cm土層中，在三個減氮處理中V1D1（-10%）處于較高水平，V1D1（-30%）處于較低水平。說明在0～20 cm土層中秸稈還田條件下減少氮肥用量對土壤全磷含量影響不大；在20～40 cm土層中秸稈還田條件下隨著施氮量的減少全磷含量逐漸降低。

V0D1處理的全鉀含量在兩個土層中均處于較低水平。在0～20 cm土層中，單施氮肥的土壤全鉀含量與秸稈還田+氮肥處理相比顯著降低；在20～40 cm土層中，單施氮肥的土壤全鉀含量與V1D1、V1D1（-10%）、V1D1（-30%）相比顯著降低。在0～20、20～40 cm土層中，V1D1（-10%）處理的全鉀含量顯著高于V0D0和V0D1處理，并且V1D1與V1D1（-10%）處理差異不顯著。說明秸稈還田條件下配施全量或減量10%的氮肥對提高土壤全鉀含量有一定促進作用。

在0～20 cm土層中，V0D0處理的有機碳含量最高；V0D1處理的有機碳含量最低；V1D1（-10%）處理的有機碳含量顯著高于V0D1處理。在20～40 cm土層中，V1D1（-10%）處理均顯著高于V0D1、V1D1（-30%）處理；與V1D1（-20%）處理差異不顯著?？梢?，秸稈還田能顯著提高0～20 cm土層土壤有機碳含量。

2.2 秸稈還田條件下氮肥減施對土壤速效養(yǎng)分的影響

由表4可見，在0～20、20～40 cm土層中，V1D0處理的堿解氮含量處于較高水平。說明單獨秸稈還田可以提高土壤堿解氮含量，而秸稈還田配施氮肥處理土壤堿解氮含量又會顯著降低。在秸稈還田配施氮肥的處理中，V1D1（-10%）和V1D1（-20%）處理上、下土層堿解氮均處于較高水平，但顯著低于V0D1和V1D0處理。秸稈還田配施氮肥處理堿解氮降低可能與堿解氮用于微生物降解秸稈有機碳和在此過程中微生物對堿解氮的生物固定有關(guān)。

表4 秸稈還田條件下氮肥減施對土壤速效養(yǎng)分的影響Table 4 Effect of nitrogen reduction on soil available nutrients content under straw returning condition

在0～20、20～40 cm土層中，V0D1處理的有效磷含量顯著高于V0D0處理，說明施用氮肥可以增加土壤有效磷含量。單施氮肥與秸稈還田+氮肥處理相比，在0～20 cm土層中有效磷含量差異不顯著；在20～40 cm土層中明顯提高（P<0.05）。說明秸稈和氮肥配施與單施氮肥相比對土壤有效磷含量的增加無明顯效果；也說明在進行秸稈還田的同時，要適當施用磷肥。在0～20 cm土層中，V1D1（-10%）處理有效磷含量顯著高于V1D1（-30%）處理；在20～40 cm土層中，V1D1（-10%）處理有效磷含量顯著高于V1D1和V1D1（-30%）處理（P<0.05）。說明在秸稈還田配施氮肥條件下，減氮10%處理的有效磷含量在不同土層均處于較高水平。

在0～20、20～40 cm土層中，V0D1處理的速效鉀含量顯著高于V0D0處理。說明施氮肥可以提高土壤的速效鉀含量。在秸稈還田+氮肥處理中，V1D1（-10%）和V1D1（-20%）處理的速效鉀含量在0～20 cm土層處于較高水平；V1D1（-10%）和V1D1（-30%）處理的速效鉀含量在20～40 cm土層處于較高水平。說明在秸稈還田配施氮肥條件下，減氮10%可以促進土壤速效鉀的積累。

2.3 秸稈還田條件下氮肥減施對土壤酶活性的影響

由表5所示，V1D0、V0D1和V1D1處理的土壤脲酶活性顯著高于其他處理。說明施用氮肥和秸稈還田均可提高土壤脲酶活性；在秸稈還田條件下，100%施氮的處理土壤脲酶活性高于減氮處理。V0D1處理土壤蔗糖酶活性顯著高于V0D0、V1D0、V1D1（-10%）和V1D1（-30%）處理，其它處理間差異不顯著。說明在秸稈還田條件下，常規(guī)施氮與減氮施肥處理相比的蔗糖酶活性無明顯差異。V0D0和V0D1處理的土壤堿性磷酸酶活性均顯著低于其他處理。說明秸稈還田或秸稈和氮肥配施均可以提高土壤堿性磷酸酶活性。土壤過氧化物酶活性除了秸稈還田+減氮20%處理顯著降低外，其他處理間差異均不顯著。說明秸稈還田+100%氮肥、秸稈還田+減氮10%及減氮30%對土壤過氧化物酶活性影響不大。

表5 不同處理土壤酶活性的變化Table 5 Changes of soil enzyme activity under different treatments

2.4 秸稈還田條件下氮肥減施對水稻產(chǎn)量的影響

由圖1所示，V1D1和V1D1（-10%）處理水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理，但二者之間差異不顯著；單施秸稈顯著高于不施秸稈及氮肥處理，顯著低于其他處理。說明在該試驗條件下秸稈還田+100%氮肥處理和秸稈還田+減氮10%處理比不施秸稈、不施氮肥、單施秸稈和單施氮肥處理均能顯著提高水稻產(chǎn)量。

圖1 不同處理水稻產(chǎn)量的變化Fig.1 Changes of rice yield under different treatments

3 討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對土壤化學性質(zhì)及酶活性的影響

氮肥是限制作物產(chǎn)量的重要因素之一[14]，過量使用氮肥會導致氮素飽和，出現(xiàn)氮素淋溶、氨揮發(fā)、反硝化等問題，導致氮肥利用率顯著降低[15-17]。水稻秸稈中含有豐富的氮素營養(yǎng)，連續(xù)秸稈還田可提高氮素利用率。Zhou等[18]在連續(xù)12年秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以提高稻麥輪作土壤中的有機碳含量。趙士誠等[19]研究發(fā)現(xiàn)麥稈秸稈連續(xù)還田32年，可以提高土壤全氮、全磷含量。劉瑋斌等[20]在玉米秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與對照相比可以顯著提高土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性。在研究結(jié)果中，秸稈還田+減氮10%處理的全氮和全鉀含量均高于對照處理，說明秸稈還田+減量10%對土壤全氮和全鉀的積累起到促進作用，土壤全鉀含量提高可能與秸稈本身富含鉀元素有關(guān)。與對照相比單施氮肥或單施秸稈均會降低土壤的全磷含量，可能因為秸稈與氮肥配施提高了土壤微生物的活性，從而引起全磷含量降低。在研究結(jié)果中，單施氮肥的有效磷和速效鉀含量均處于較高水平，這與劉艷等[21]的結(jié)果一致。單施秸稈的處理堿解氮含量處于較高水平，Yang等[22]在長期棉花秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮與細菌群落分布顯著相關(guān)。在秸稈與氮肥配施的四個處理中，減氮10%處理的堿解氮、有效磷、速效鉀含量均處于較高水平。說明秸稈還田條件下減氮10%有利于土壤速效養(yǎng)分的積累。研究秸稈還田+減氮10%處理的有機碳含量在兩個土層中均高于單施氮肥處理，但秸稈還田+100%氮肥處理有機碳含量并不高于單施氮肥處理。原因可能是在合適的C/N比條件下，更能促進土壤微生物對土壤有機碳的分解[23]。單施氮肥、單施秸稈和秸稈還田+100%氮肥處理的土壤脲酶活性均顯著高于其他處理，說明適當降低土壤脲酶活性有利于提高氮肥的利用率，而秸稈還田+減氮10%處理降低了土壤脲酶活性，可能對提高氮肥的利用率有利[24]。秸稈還田+100%氮肥處理對堿性磷酸酶活性也有顯著提高作用，但對蔗糖酶和過氧化氫酶活性影響不大。

3.2 秸稈還田配施氮肥對水稻產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量可分為基礎地力產(chǎn)量和施肥產(chǎn)量[25]。自從使用化學肥料后，糧食產(chǎn)量逐年上升，然而達到一定程度后，再增加肥料用量對糧食的產(chǎn)量影響不大。焦峰等[26]研究表明，不同形態(tài)氮肥會改變作物對營養(yǎng)元素的積累和分配。在研究中，秸稈還田+100%氮肥和秸稈還田+減氮10%處理水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理。秸稈還田+減氮10%可以在不影響產(chǎn)量的前提下節(jié)約肥料，并且提高了土壤全氮、全鉀含量和有機碳含量，但減氮量繼續(xù)增加，水稻產(chǎn)量降低?？梢?，稻田秸稈還田條件下，減施氮肥的量不宜過大，研究表明氮肥減施量不應超過10%。相關(guān)分析結(jié)果表明，水稻產(chǎn)量與全氮、全鉀含量呈正相關(guān)，但相關(guān)不顯著（見表6），四種酶活性均與產(chǎn)量呈正相關(guān)，但相關(guān)不顯著（見表7）。值得說明的是，試驗對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分及酶活性的影響的數(shù)據(jù)和結(jié)論是在稻田秸稈還田施用氮肥僅為尿素條件下獲得的，在某些方面可能會存在一定局限性。

表6 土壤養(yǎng)分與產(chǎn)量相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis of soil nutrient and rice yield

表7 不同酶活性與水稻產(chǎn)量相關(guān)分析Table 7 Correlation analysis of enzyme activity and rice yield

4 結(jié)論

秸稈還田+減氮10%與單施氮肥和單施秸稈處理相比對土壤全氮、全鉀和有機碳的積累有明顯促進作用，顯著降低堿解氮含量、下層土壤速效磷和速效鉀的含量；顯著提高堿性磷酸酶活性，顯著降低土壤脲酶活性。秸稈還田+減氮10%處理與單施氮肥和單施秸稈處理相比水稻產(chǎn)量顯著提高，當減氮量超過10%時，隨著氮肥量的減少水稻產(chǎn)量逐漸降低。因此，在試驗條件下，秸稈還田基礎上減氮施肥10%為適合的水稻種植模式，可以提高土壤養(yǎng)分含量，提高水稻產(chǎn)量。