秸稈還田替代施鉀對旱地玉-麥輪作體系作物生產力和土壤硝態(tài)氮的影響

侯園泉， 黃 明， 付國占， 李友軍， 田文仲， 李俊紅，吳金芝， 趙凱男， 張振旺， 趙志明， 呂軍杰， 姚宇卿

(1.河南科技大學農學院，河南 洛陽 471023；2.洛陽農林科學院，河南 洛陽 471023； 3.中國農業(yè)科學院洛陽旱農試驗基地，河南 洛陽 471023)

旱地占我國耕地總面積的54.4%，是我國三大糧食作物中玉米和小麥的主要生產陣地。夏玉米—冬小麥(簡稱“玉—麥”)輪作是半濕潤旱作區(qū)重要的種植制度之一，這一生產體系普遍遭受干旱和土壤貧瘠的雙重脅迫。此外，旱地作物生產中相對粗放的管理措施已經引發(fā)了土壤硝態(tài)氮高量殘留等環(huán)境問題。因此，如何采取有效措施培肥土壤、蓄水保墑，進而提高旱地玉—麥輪作體系的生產力并實現環(huán)境友好生產具有重要意義。施肥和秸稈還田是土壤培肥和作物增產增效的有效措施。氮磷鉀是作物生長發(fā)育的三大必需元素，但人們對鉀肥的研究與應用遠不如氮磷肥，特別是在土壤鉀含量較高的旱作區(qū)更為突出。有研究表明，在晉南旱地，施鉀可使小麥產量顯著提高24.05%，且以施鉀肥75 kg/hm時效果最優(yōu)。在可以灌溉的冬小麥—夏玉米輪作區(qū)，在施用氮磷肥條件下長期不施鉀已經造成土壤缺鉀，每16年應補充鉀肥150～225 kg/hm。亦有研究表明，施鉀可顯著提高土壤速效鉀含量，但增產效果甚微，其原因主要是水分不足。秸稈富含鉀素，將秸稈還田既可替代施鉀補充土壤鉀素，又可蓄水保墑，充分發(fā)揮培肥、保水、增產、增效的作用。如在重慶北碚區(qū)使土壤綜合肥力指數增加11.60%，增產4.15%；在北京大興使夏玉米產量、水分利用效率和肥料偏生產力分別增加8.11%～16.60%，14.21%～29.89%和5.79%～16.80%；在青海半量秸稈還田即可替代鉀肥保持春小麥產量和品質，這些結果說明秸稈還田具有替代施鉀的作用。秸稈還田對土壤硝態(tài)氮的影響效應尚無定論，在陜西楊凌和河南洛陽可顯著降低土壤硝態(tài)氮深層累積量，但在陜西周至卻會使土壤硝態(tài)氮殘留增加。然而，前人有關施鉀和秸稈還田的研究主要以旱地玉米或旱地小麥單作以及灌區(qū)麥—玉輪作體系為對象展開，有關施鉀和秸稈還田替代施鉀影響作物生產和土壤硝態(tài)氮的研究較少，特別是對旱地玉—麥輪作區(qū)作物產量、效率和土壤硝態(tài)氮的影響效應尚未見報道。因此，本研究利用中國農業(yè)科學院洛陽旱農試驗基地始于2007年的長期定位試驗，研究不施肥(CK)、施氮磷肥(NP)、施氮磷鉀肥(NPK)、施氮磷肥+秸稈還田(NPS)對旱地夏玉米—冬小麥產量、水肥利用效率、土壤養(yǎng)分和硝態(tài)氮累積量的影響，以期為優(yōu)化旱地玉—麥輪作區(qū)的施肥技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黃土高原東南邊緣的中國農業(yè)科學院洛陽旱農試驗基地(34°37′12″N，112°27′36″E)，海拔130 m，屬典型的溫帶半濕潤偏旱季風氣候，年均氣溫14.6 °C，平均干旱頻率>40%，干燥度>1.3，無霜期200～219天，年均降水量549 mm，年均蒸發(fā)量1 870 mm。玉—麥輪作為當地主要的種植制度。土壤為黃棕壤土，試驗開始前田間持水量為27%，耕層土壤容重為1.53 g/cm，pH為7.30。0—20 cm土層中>0.2 mm的沙粒302 g/kg，0.002～0.2 mm的粉粒416 g/kg，<0.002 mm的黏粒282 g/kg，0—20 cm土層土壤含有機質15.80 g/kg，全氮0.95 g/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效鉀166.0 mg/kg，土壤陽離子交換量為19.90 c mol/kg。2015—2020年，夏玉米和冬小麥生育期的降水量見圖1。

圖1 2015-2020年夏玉米和冬小麥生育期的降水量

1.2 試驗設計

試驗始于2007年10月，采用隨機區(qū)組設計，共4個處理，分別為：(1)CK，不施用任何肥料，秸稈不還田；(2)NP，按照當地農戶習慣用量，玉米季在拔節(jié)期遇降水均勻撒施N 207 kg/hm，小麥季在翻地前均勻撒施N 150 kg/hm、PO120 kg/hm，秸稈不還田；(3)NPK，小麥季在施N 150 kg/hm、PO120 kg/hm的基礎上根據當地高產田推薦標準施KO 90 kg/hm，其他管理同NP；(4)NPS，施肥管理同NP，玉米播種前將100%的前茬小麥秸稈覆蓋還田，小麥生長季翻地前將50%的前茬玉米秸稈粉碎成5～10 cm段，然后均勻還田并隨氮磷肥一起翻入土壤。小區(qū)面積16 m，3次重復。所用肥料分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含PO12%)和氯化鉀(含KO 60%)。2015—2020年，供試玉米品種為“洛玉114”，每年6月上旬播種，9月下旬收獲，種植密度45 000株/hm；供試小麥品種為“洛旱7號”，每年10月上中旬播種、翌年5月下旬或6月初收獲，播量為135 kg/hm。試驗期間未進行任何灌溉，其他管理同當地豐產田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 分別在每季作物播種前和收獲后的3～5天，利用直徑4 cm土鉆，從每個小區(qū)采集0—200 cm土層土樣，每層20 cm，取(50±5)g鮮土，于105 ℃烘至恒重并稱量，計算含水量。按照黃明等描述的方法計算0—200 cm土層土壤貯水量和作物生育期耗水量。

SWS=××10

式中：SWS為土壤貯水量(mm)；為某一土層土壤含水量(%)；為該土層土壤容重(g/cm)；為該土層厚度(cm)。

=+---ΔSWS

式中：為作物生育期耗水量(mm)；為作物生長期總降雨量(mm)；為徑流量(mm)；為地下水補給量(mm)；為深層滲漏量(mm)；ΔSWS為作物播種時0—200 cm土層土壤貯水量與作物收獲時0—200 cm土層土壤貯水量之差(mm)。當地下水埋深大于2.5 m時，值可以忽略不計，本試驗地地下水埋深3.5 m，小麥生育期內無灌水，故、和值均為0。

1.3.2 土壤養(yǎng)分 在2020年小麥收獲期，用直徑4 cm的土鉆在每個小區(qū)采集0—60 cm土層土壤，每層20 cm，每個小區(qū)采集3個樣點，同層混合均勻后留取300 g左右，迅速裝入預先標記好的塑料袋并系緊袋口，帶回實驗室自然風干，并分別研磨過1.00，0.15 mm土篩，保存，待測。土壤養(yǎng)分含量參照鮑士旦的方法測定：有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量采用凱氏定氮法，速效磷含量采用鉬銻抗比色法，速效鉀含量采用火焰光度計法。

1.3.3 土壤硝態(tài)氮 在2020年小麥收獲期，用直徑4 cm的土鉆在每個小區(qū)采取0—260 cm土層土壤，0—200 cm每層20 cm，200—260 cm每層30 cm，每層土壤混合均勻后留取300 g左右，迅速裝入預先標記好的塑料袋并系緊袋口，帶回實驗室稱取5.00 g鮮土，用50 mL 1 mol/L KCl溶液振蕩浸提1 h，用AA3連續(xù)流動分析儀(SEAL公司，德國)測定土壤硝態(tài)氮含量(以干重計)。土壤硝態(tài)氮累積量用黃明等描述的方法計算。

=×××10100

式中:為土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm)；為某一土層硝態(tài)氮含量(mg/kg)；為該土層厚度(cm)；為該土層土壤容重(g/cm)。

1.3.4 作物產量 在每季作物的收獲期，人工全區(qū)收獲并脫粒稱重，然后換算成單位面積產量。

1.3.5 水肥利用效率 水分利用效率：

WUE=

肥料農學效率：

=(-)

=(-)

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm·mm)]；為籽粒產量(kg/hm)；為全生育期作物耗水量(mm)；和為氮、磷肥農學效率(kg/kg)；和為施氮和施磷區(qū)產量(kg/hm)；為不施肥區(qū)產量(kg/hm)；和分別為施氮和施磷量(kg/hm)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 25軟件處理數據和繪圖，用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對旱地玉—麥輪作體系小麥收獲期土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，與CK相比，除NPK的20—40 cm土層土壤全氮含量和各處理40—60 cm土層土壤全氮含量無顯著差異外，3個施肥處理各土層的土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均顯著提高。與NP相比，NPK顯著提高了各土層土壤速效鉀含量，NPS顯著提高了0—20 cm土層土壤有機質、全氮和速效鉀含量，以及40—60 cm土層土壤速效磷和速效鉀含量。與NPK相比，NPS的0—20 cm土層土壤有機質含量和40—60 cm土層土壤速效磷含量分別顯著提高10.68%和24.96%，但0—20 cm土層土壤速效磷含量和0—20，20—40，40—60 cm土層土壤速效鉀含量分別顯著降低7.43%，17.54%，15.15%和6.52%。說明采用秸稈還田的方式替代施鉀可提高土壤全氮和有機質含量，但會降低土壤速效鉀和表層土壤速效磷含量。

表1 不同處理對2020年小麥收獲期土壤養(yǎng)分的影響

2.2 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物產量的影響

由表2可知，與CK相比，NP、NPK和NPS夏玉米、冬小麥和周年的產量多數年份表現為顯著增加，5年均值都表現為顯著增加，說明施肥可顯著提高旱地玉—麥輪作體系的產量，但影響效應因年份和作物而異。對于夏玉米而言，與NP相比，NPK的產量連續(xù)5年均無顯著變化，而NPS除2018年外均表現為顯著增產，增幅為19.29%～215.25%；與NPK相比，NPS的產量除2018年外均顯著提高，增幅為16.03%～154.70%，5年平均增產20.91%。對于冬小麥而言，與NP相比，NPK的產量在2015—2016年和2016—2017年無顯著變化，在2017—2018年和2018—2019年分別顯著降低10.25%和27.09%，在2019—2020年顯著增加7.00%，而NPS較NP連續(xù)5年均無顯著差異；與NPK相比，NPS的產量在2015—2016年和2017—2018年分別顯著增加9.20%和11.93%，但5年平均產量的增幅并不顯著。從周年產量來看，與NP相比，NPK除在2018—2019年顯著降低9.46%外無顯著差異，而NPS在2015—2016年、2017—2018年和2019—2020年分別顯著提高20.83%，17.13%和12.77%，5年平均增產9.99%；與NPK相比，NPS除2018—2019年外均顯著增加，5年平均增產13.60%?？梢?，施鉀對玉—麥輪作體系的產量的調控效應不穩(wěn)定，用秸稈還田替代施鉀可有效提高作物產量，但其作用主要發(fā)生在玉米季。

表2 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物產量的影響 單位:kg/hm2

2.3 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物水分利用效率的影響

施肥和秸稈還田對旱地玉—麥輪作體系作物水分利用效率的影響因作物和年份而異(表3)。對夏玉米水分利用效率而言，與CK相比，NP在2018年和2019年分別顯著提高62.78%和51.67%，5年均值顯著提高22.66%；NPK在2015年和2016年顯著降低24.78%和6.86%，在2018年和2019年分別顯著提高39.72%和60.83%，5年均值提高15.04%；NPS在2016—2019年均顯著提高，增幅為32.75%～150.10%，5年平均提高53.89%。與NP相比，NPK的水分利用效率在2016年和2018年分別顯著降低10.84%和14.17%，5年均值無顯著變化；NPS在2016年、2017年和2019年分別顯著提高27.08%，247.53%和44.89%，5年均值顯著提高25.47%。與NPK相比，NPS的水分利用效率5年均顯著提高，增幅為16.90%～127.05%，5年平均提高33.77%。對冬小麥而言，與CK相比，NP的水分利用效率在2016—2020年顯著提高21.18%～61.39%；NPK在2015—2016年、2016—2017年、2019—2020年分別提高16.97%，39.66%和71.71%；NPS連續(xù)5年均顯著提高，平均增幅為30.42%。與NP相比，NPK的水分利用效率在2015—2016年和2019—2020年分別顯著提高18.09%和7.72%，在2016—2019年顯著降低12.94%～17.95%；NPS在2015—2016年顯著提高13.18%，在2016—2017年顯著降低15.08%；與NPK相比，NPS的水分利用效率在2015—2016年和2019—2020年分別顯著降低4.16%和8.37%，在2017—2018年顯著提高14.38%，5年均值無顯著變化。從周年效應來看，與CK相比，NP、NPK和NPS的水分利用效率在2016—2017年、2018—2019年和2019—2020年均顯著提高，2017—2018年僅NPS顯著提高，5年均值分別顯著提高27.83%，22.94%和39.69%。與NP相比，NPK的水分利用效率在2016—2017年和2018—2019年分別顯著降低12.08%和11.66%；NPS在2017—2018年和2019—2020年分別顯著提高21.31%和20.02%，5年均值顯著提高9.28%。與NPK相比，NPS的水分利用效率在2016—2017年、2017—2018年和2019—2020年分別顯著提高18.20%，22.93%和13.09%，5年均值顯著提高13.63%?？梢?，施肥可顯著提高旱地玉—麥輪作體系作物水分利用效率，在施氮磷的基礎上，施鉀并不能提高水分利用效率，但秸稈還田可顯著提高作物水分利用效率，且其作用主要表現在玉米季。

表3 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物水分利用效率的影響 單位:kg/(hm2·mm)

2.4 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物肥料農學效率的影響

由表4可知，不同處理對旱地玉—麥輪作體系作物肥料農學效率的影響因作物而異，且對氮磷肥效率的影響規(guī)律相同。對夏玉米而言，NPS連續(xù)5年的氮肥農學效率均最高，5年均值較NPK顯著提高114.39%，較NP顯著提高118.51%，而NPK與NP之間5年均無顯著差異。對冬小麥而言，除2018—2019年NPK和NPS較NP分別顯著降低63.13%和32.09%，2015—2016年NPS較NP和NPK分別顯著提高199.53%和142.70%外，NP、NPK、NPS間的氮(磷)肥農學效率無顯著差異。不同處理對玉—麥輪作體系周年氮(磷)肥農學效率的影響規(guī)律與夏玉米相同，以NPS最高，5年均值較NPK高65.41%，較NP高42.87%。說明在施用氮磷肥的基礎上，秸稈還田較施鉀能顯著提高玉—麥輪作體系中玉米季和周年的肥料農學效率。

表4 不同處理對旱地玉-麥輪作體系作物肥料農學效率的影響 單位:kg/kg

2.5 不同處理對旱地玉—麥輪作體系土壤硝態(tài)氮累積量的影響

分析0—260 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量(圖2)可知，連續(xù)13年不施肥(CK)條件下各土層的土壤硝態(tài)氮累積量處于較低水平。隨著土層的加深，3個施肥處理0—260 cm土層的土壤硝態(tài)氮累積量均呈“降—升—降”的變化趨勢，總量均超過630 kg/hm，且均主要累積在140—230 cm土層中，占總累積量的46.77%～64.01%，以NPS占比最低，這主要是因為200—230 cm土層表現為NP>NPK>NPS，處理間差異達到極顯著水平。進一步分析發(fā)現，NPS有28.81%的土壤硝態(tài)氮累積在0—100 cm土層，較NP和NPK分別顯著提高37.14%和25.92%，其中在0—40 cm土層分別提高8.64%和5.08%，在40—100 cm土層分別提高83.51%和31.01%，說明NPS能夠提高0—100 cm土層的土壤硝態(tài)氮累積量，這對作物吸收利用土壤氮素有利。在140—230 cm土層，NPS的土壤硝態(tài)氮累積量較NP和NPK分別顯著降低23.82%和11.98%。說明與施鉀相比，秸稈還田使硝態(tài)氮富集在上層土壤中，不僅利于作物吸收，而且可在一定程度上阻控硝態(tài)氮向深層淋溶。

注：**表示在同一土層處理間差異極顯著(p<0.01)。圖2 不同處理對2020年小麥收獲期土壤硝態(tài)氮累積量的影響

3 討 論

3.1 施肥和秸稈還田對旱地玉-麥輪作體系土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分含量是評價土壤肥力可持續(xù)性和作物生產穩(wěn)定性的重要指標，如何提高或維持適宜的土壤養(yǎng)分含量是提高耕地質量的重要內容。本研究表明，與CK相比，NP、NPK、NPS的土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量多表現為成倍增加，以土壤有機質和速效磷的增幅最大，說明施肥是提高旱地玉—麥輪作體系土壤養(yǎng)分的有效途徑。在施氮磷的基礎上，施鉀并不能提高土壤有機質和全氮含量，而秸稈還田可顯著提高0—20 cm土層土壤有機質和全氮含量，主要是因為秸稈中所含的碳水化合物和多種營養(yǎng)元素在還田后可逐步釋放到土壤中所致。孫星等研究表明，秸稈還田后0—40 cm土層土壤有機質和全氮含量分別顯著提高9.05%和10.32%。本研究還表明，NPS 0—20 cm土層土壤速效磷含量較NP和NPK分別降低2.39%和7.43%，說明本試驗條件下秸稈還田會加速土壤磷素的消耗，這與秸稈還田使作物產量增加，籽粒收獲從土壤中攜出磷素量增加有關，也在一定程度上說明秸稈還田后應該適當增施磷肥，以避免土壤磷素虧缺。有研究表明，旱地作物生產中不施鉀，已經造成土壤鉀含量呈降低趨勢。在本試驗條件下，0—60 cm土層土壤速效鉀含量以NPK最高，NPS次之，NP最低。說明秸稈還田雖然可提高土壤速效鉀含量，是提高農田鉀含量的有效措施，但其效應不如施鉀，因而從提高土壤速效鉀含量的角度考慮，秸稈還田并不能完全替代施鉀，在秸稈還田條件下還應適時適量施鉀，如在河北曲周小麥—玉米輪作區(qū)的研究推薦應該每16年補充鉀肥150～225 kg/hm。

3.2 施肥和秸稈還田對旱地玉-麥輪作體系作物產量和水肥利用效率的影響

研究普遍認為，合理的施肥和秸稈管理可提高作物產量和水肥利用效率。化肥和秸稈還田配合可使小麥增產3.51%，且秸稈還田能顯著提高玉米產量和水分利用效率。亦有研究表明，秸稈還田會導致小麥減產。本試驗條件下，從5年效應來看，NPK較NP相比，夏玉米、冬小麥的產量和效率多無顯著差異，說明在施氮磷肥的基礎上施鉀對旱地玉—麥輪作體系的增產增效作用較小。然而，在施氮磷肥的基礎上秸稈還田可使輪作體系中夏玉米、周年的產量和水肥利用效率顯著提高，這與夏玉米季降雨相對充沛，覆蓋還田的小麥秸稈能夠有效減少蒸發(fā)，保持較高的土壤含水量，從而為玉米生長發(fā)育提供相對充足的水分，進而促進夏玉米對水肥的吸收利用，最終提高產量和效率。在冬小麥季，NPS較NP和NPK甚至會降低水肥利用效率，其水分利用效率在2016—2017年較NP降低15.08%，在2015—2016年和2019—2020年較NPK降低4.16%和8.37%；氮(磷)肥農學效率在2018—2019年較NP降低32.09%，說明在施氮磷肥的基礎上秸稈還田并不能提高冬小麥的水肥利用效率，這可能是由于小麥生育期長且易發(fā)生冬春連旱，秸稈還田蓄水保墑效果被弱化所致。

3.3 施肥和秸稈還田對旱地玉-麥輪作體系土壤硝態(tài)氮累積量的影響

硝態(tài)氮是最易被旱地作物吸收利用的氮素形態(tài)，但其在土壤中的移動性較強，若高量累積會加速含氮溫室氣體排放、地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽含量超標，導致環(huán)境污染。旱地土壤硝態(tài)氮累積量既受降雨等環(huán)境因素的影響，也受施肥、秸稈還田等栽培管理的影響。當前，不合理的施肥和栽培措施已造成旱地土壤硝態(tài)氮高量累積，如北方旱地麥田0—400 cm土層的平均硝態(tài)氮累積量為459 kg/hm，最高達1 880 kg/hm。本試驗中，NP、NPK和NPS小麥收獲后0—260 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量分別為631.28，670.41，658.15 kg/hm，且有超過60%累積在100—260 cm土層，說明施肥在促進作物增產的同時，已引起深層土壤硝態(tài)氮的高量累積，并且已經淋溶至1 m以下土層，不利于作物根系吸收，也增加了硝態(tài)氮污染地下水的風險。與NP和NPK相比，NPS的土壤硝態(tài)氮呈現“上層富集、深層降低”的趨勢。在黃土旱塬也有秸稈還田后0—40 cm土層的土壤硝態(tài)氮較單施化肥增加30.99%的報道。說明在玉—麥輪作區(qū)，秸稈還田替代施鉀既有助于硝態(tài)氮在上層土壤中累積，促進作物根系對氮素的吸收利用，也能在一定程度上阻控硝態(tài)氮向深層土壤淋溶，減小地下水污染的風險。

4 結 論

施肥和秸稈還田可顯著調控旱地玉—麥輪作體系的生產力，但對產量和效率的調控效應主要發(fā)生在玉米季。與NP相比，NPK可提高土壤速效鉀含量，但對產量和效率無顯著影響。NPS較NP顯著提高0—20 cm土層土壤有機質、全氮和速效鉀含量，較NPK顯著提高0—20 cm土層土壤有機質含量和40—60 cm土層土壤速效磷含量，較NP和NPK有利于提高夏玉米以及周年的產量和水肥利用效率，且土壤硝態(tài)氮累積量表現為上層增加深層降低，可在一定程度上阻控土壤硝態(tài)氮向深層淋溶。從產量、效率和環(huán)境友好角度考慮，在旱地玉—麥輪作區(qū)，可采用秸稈還田的方式替代施鉀。