秸秆还田条件下减量施氮对作物产量及土壤碳氮含量的影响

李 锦，田霄鸿，王少霞，把余玲，李有兵，郑险峰

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌712100)

土壤有机质是影响土壤肥力和作物产量的决定性因子，其通常以有机碳来表示，有机碳含量的高低是矿化与腐殖化2个过程动态平衡的结果，具有一定的稳定性。在土壤有机碳组分中，活性有机碳因其对外界环境响应敏感且与养分供给、作物生长密切相关而受到广泛关注，成为评价土壤质量的重要指标之一[1]。但由于受气候、土壤母质和轮作方式等诸多因素的影响，不同区域内土壤有机碳及其组分对农田管理措施的响应存在较大差异[2-4]。

秸秆还田对于补充土壤中有机物质，提高有机质数量和改善质量有重要作用[5-7]。陕西关中地区秸秆资源极为丰富，每年大约产生小麦秸秆620万t，玉米秸秆416万t。作物秸秆还田已成为当地代替传统有机肥、改善农田土壤有机质状况的最重要措施之一。同时，这一地区还存在过量施用N肥现象，导致N肥利用率不高，造成了严重的资源浪费和环境污染[8-10]。关于N肥用量对作物产量及土壤硝态氮累积的影响已有大量研究，同时关于秸秆还田对土壤质量的影响也有较多的报道[11-14]，但在关中平原小麦玉米轮作体系下，秸秆还田后N肥用量对作物产量、土壤质量以及环境污染的综合研究还鲜有报道。因此，研究该地区在作物秸秆机械化还田条件下，保证作物高产优质，提高N肥利用率，减少环境污染的氮肥合理减量模式具有重要的理论及实践意义。本研究采用关中平原冬小麦-夏玉米轮作制度，通过连续4年田间试验，考察机械化秸秆全量还田条件下氮肥减量对作物产量、土壤硝态氮累积和土壤有机碳库的影响，旨在为关中地区农田土壤培肥和农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

1.2 试验设计

试验设常规施N、15%减量施N、30%减量施N 3个处理，于2008-06开始实施。常规施氮采用当地农民的平均施氮量，玉米季和小麦季施氮总量分别为188和150 kg/hm2；15%减量施N及30%减量施N是在常规施氮量的基础上分别减少15%和30%。试验中N肥采用尿素，P肥采用磷酸氢二铵。田间采用完全随机区组设计，重复3次。

1.3 栽培管理措施

研究采用的玉米和小麦品种分别为当地广泛种植的“骏单22”和“小偃6号”。试验期间田间基本农艺措施均实行机械化操作。于2008-06，先采用小麦联合收割机高留茬(茬高25～30 cm)收获小麦，再采用秸秆粉碎还田机进行粉碎还田，然后划区安排氮肥处理，之后用玉米免耕施肥播种机播种玉米。同年10月上旬，采用玉米联合收割机收获玉米，随后机械化粉碎玉米秸秆(秸秆粉碎长度小于10 cm)覆盖于地表；继之用车载式撒肥机施肥，并进行浅旋，最后采用小麦免耕播种机播种小麦。上述过程中，小麦及玉米秸秆均实行全量还田。之后几年中每年6月、10月期间的收获播种环节大致相同。田间管理措施主要包括灌水、化学防虫2项作业。玉米在生育期灌水2～3次，小麦分别在越冬期和拔节期各灌水1次，每次灌水量约50 mm。试验田其他管理措施按照当地习惯进行。

每季作物秸秆还田时，为了使前一季还田秸秆能及时腐解，满足后季作物生长发育的正常需要，玉米季播种时基施纯P 22.5 kg/hm2和N 68 kg/hm2，喇叭口期追施N 120 kg/hm2；15%和30%减量施N分别比玉米常规基施和追施的氮肥减量15%和30%。小麦季施纯P 110 kg/hm2，常规施N、15%减量施N、30%减量施N处理的施N量分别为150，128和105 kg/hm2，均作底肥一次施入。2季作物均不施K肥。

1.4 收获及分析样品的采集

于2011-10-10、2012-06-20，将作物机械化收获后晒干，称质量并计算籽粒和秸秆产量；从中取部分植株作为分析样品带回实验室烘干磨碎，测定植物全氮含量。

1.5 表观氮平衡的计算

土壤表观氮平衡Neq的计算公式为[15]：

1.6 测定项目及方法

1.7 数据处理与分析

采用Excel和DPS软件对试验数据进行统计分析, 以LSD法进行多重比较，文中数据为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田条件下减量施氮对作物产量的影响

由表1可见，2011-06-2012-06，除30%减量施N处理使玉米秸秆产量显著降低外，其他情况下减量施N处理均未显著降低玉米和小麦的籽粒产量和秸秆产量。从2种作物的周年产量来看，15%减量施N处理的籽粒和秸秆产量最高，比常规施N处理分别高出7.2%和1.2%；30%减量施N处理的籽粒和秸秆产量最低，较常规施N处理分别降低5.3%和17.3%。可见，15%减量施N处理，即全年减N 51 kg/hm2(玉米季减N 28 kg/hm2，小麦季减N 23 kg/hm2)，是比较可行的减N范围，而30%减量施N处理则有降低籽粒和秸秆产量的风险。

表 1 2011-06-2012-06生长季减量施氮对玉米和小麦籽粒及秸秆产量的影响

2.2 秸秆还田条件下减量施氮对土壤剖面硝态氮累积的影响

图1 2011-10玉米收获后(a)及2012-06小麦收获后(b)0～200 cm土壤剖面硝态氮含量的变化

表 2 减量施N对土壤累积量的影响

2.3 秸秆还田条件下减量施氮对土壤氮素平衡的影响

表 3 减量施氮条件下2012-06小麦收获后的土壤表观氮平衡

2.4 秸秆还田条件下减量施氮对土壤有机碳和活性有机碳含量的影响

表4表明，从2009-06-2012-06，与常规施N处理相比，减量施N处理均未引起0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳含量的显著变化。而在年际间，耕层(0～20 cm)土壤有机碳含量逐年提高，2011-10玉米及2012-06小麦收获后土壤中有机碳含量较第2季小麦收获后(2009-06)分别提高了3.1%和4.8%，差异显著；秸秆还田对20～40 cm土层土壤有机碳含量无显著影响。这主要是由于每季作物秸秆全量还田时，机械化秸秆还田的影响深度一般仅在耕层范围内。

表4也表明， 2009-06-2012-06，减量施N处理对土壤活性有机碳含量的影响与土壤有机碳相似。而在年际间，2011-10玉米及2012-06小麦收获后0～20 cm和20～40 cm土层土壤活性有机碳含量较第2季小麦收获后(2009-06)分别提高92%和72%，328%和103%，2季作物收获后土壤活性有机碳含量与第2季差异均达到显著水平。

表 4 减量施N对土壤有机碳和活性有机碳含量的影响

3 讨 论

本研究中，秸秆还田条件下，与常规施N处理相比较，减量施N处理对作物秸秆产量影响较小，且并未显著降低土壤有机碳及活性有机碳含量；但就各个时期比较而言，2012-06小麦(第8季)收获后，土壤表层(0～20 cm)有机碳含量比第2季小麦收获后(2009-06)显著提高，增加了0.5 g/kg，以还田5次平均，每季提高了0.10 g/kg。根据本研究测定结果可知，玉米秸秆有机碳含量为44.4 g/kg，小麦秸秆有机碳含量为42.5 g/kg，每年平均还田的玉米和小麦秸秆量分别为5 797，5 779 kg/hm2，1 hm2耕层(0～20 cm土层)土壤质量以22.5×105kg计，理论上每年玉米和小麦还田的秸秆可增加土壤有机碳0.11和0.11 g/kg；经过5季连续还田可增加有机碳1.10 g/kg，但实际只有0.50 g/kg，约占秸秆投入量的45%。土壤有机碳累积量既与有机物料施用量、施用时间有关，更与当地气候和土壤条件有关[24]，后者会强烈影响有机物料的矿质化和腐殖化过程的强弱。在本研究条件下，土壤有机碳累积量并不高，这可能是由于当地条件下秸秆有机碳的矿化率远高于腐殖化率所致。本课题组的室内培养试验表明，秸秆在腐解过程中约有50%的碳以CO2形式损失掉[25]；而在田间条件下，以CO2形式损失掉的比例会更高。活性有机碳是对植物和微生物活性较高的土壤碳素，在田间主要受作物残体、根系分泌物、土壤有机质水解、土壤微生物及其代谢产物的影响；同时，活性有机碳具有一定的溶解性，在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化分解[26-27]。本研究结果表明，与第2季小麦收获后(2009-06)相比，2011-10玉米(第7季)及2012-06小麦(第8季)收获后，土壤活性有机碳含量无论是在土壤表层还是深层均显著提高。在土壤表层(0～20 cm)，大量有机物料还田，活性有机碳含量大幅提高；在土壤深层，更多受作物根系残留物及其分泌物和土壤中微生物及其代谢产物的影响，活性有机碳含量也显著提高。同一轮作周期的不同季节间(2011-10与2012-06)，受关中地区季节间较大的温湿差异影响，土壤活性有机碳含量差异显著。

秸秆还田条件下减量施N也未造成明显减产。在2011-06-2012-06生长季中，除30%减量施N处理玉米季秸秆产量显著降低外，2个减N处理对玉米籽粒及小麦季籽粒和秸秆产量均无显著影响。还田后，秸秆所含的养分腐解后会重新进入土壤。以3个处理平均值计算，每年玉米和小麦秸秆大约分别向土壤带入N素量为33和22 kg/hm2；与常规施N处理相比，15%减量施N处理玉米季减少28 kg/hm2N，小麦季减少22 kg/hm2N，因此秸秆还田带入土壤的氮素与15%减量施N减少的氮素大致相当。综合考虑，15%减量施N处理比较合理。

4 结 论

[参考文献]

[1] Jenkinson D S,Rayner J H.The turnover of soil organic matter in some of the rothamsted classical experiments [J].Soil Sci,1977,123(5):298-305.

[2] Jenkinson D S,Fox R H,Rayner J H.Interactions between fertilizer nitrogen and soil nitrogen:The so-called ‘priming’ effect [J].Journal of Soil Sci,1985,36(3):425-444.

[3] Govi M,Francioso O,Ciavatta C,et al.Influence of long-term residue and fertilizer applications on soil humic substances:A study by electrofocusing [J].Soil Sci,1992,154(1):8-13.

[4] Powlson D S,Smith P,Coleman K,et al.A European network of long-term sites for studies on soil organic matter [J].Soil Till Res,1998,47(3/4):263-274.

[5] 吴 婕,朱钟麟,郑家国,等.秸秆覆盖还田对土壤理化性质及作物产量的影响 [J].西南农业学报,2006,19(2):192-195.

Wu J,Zhu Z L,Zheng J G,et al.Influences of straw mulching treatment on soil physical and chemical properties and crop yields [J].Southwest China J Agric Sci,2006,19(2):192-195.(in Chinese)

[6] 陈尚洪,刘定辉,朱钟麟,等.四川盆地秸秆还田免耕对土壤养分及碳库的影响 [J].中国水土保持科学,2008,6(增刊):54-56.

Chen S H,Liu D H,Zhu Z L,et al.Effects of straw-mulching and no-tillage on soil nutrients and carbon pool in Sichuan Basin [J].Science of Soil and Water Conservation,2008,6(S1):54-56.(in Chinese)

[7] Zhang H J,Gan Y T,Huang G B,et al.Postharvest residual soil nutrients and yield of spring wheat under water deficit in arid northwest China [J].Agricultural Water Management,2009,96(6):1045-1051.

[9] 朱兆良,文启孝.中国土壤氮素 [M].南京:江苏科学技术出版社,1992.

Zhu Z L,Wen Q X.Soil nitrogen of China [M].Nanjing:Jiangsu Science and Technology Press,1992.(in Chinese)

[10] Mcisaac G,David M,Gertner G,et al.Eutrophication:Nitrate flux in the Mississippi River [J].Nature,2001,414:166-167.

[11] 崔振岭,石立委,徐久飞,等.氮肥施用对冬小麦产量、品质和氮素表观损失的影响研究 [J].应用生态学报,2005,16(11):2071-2075.

Cui Z L,Shi L W,Xu J F,et al.Effects of N fertilization on winter wheat grain yield and its crude protein content and apparent N losses [J].Chin J Appl Ecol,2005,16(11):2071-2075.(in Chinese)

[12] 范亚宁,李世清,李生秀.半湿润地区农田夏玉米氮肥利用率及土壤硝态氮动态变化 [J].应用生态学报,2008,19(4):799-806.

[13] 孙 星,刘 勤,王德建.长期秸秆还田对剖面土壤肥力质量的影响 [J].中国生态农业学报,2008,16(3):587-592.

Sun X,Liu Q,Wang D J.Effect of long-term application of straw on soil fertility [J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2008,16(3):587-592.(in Chinese)

[14] 劳秀荣,孙伟红,王 真,等.秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响 [J].土壤学报,2003,40(4):618-623.

Lao X R,Sun W H,Wang Z,et al.Effect of matching use of straw and chemical fertilizer on soil fertility [J].Acta Pedologica Sinica,2003,40(4):618-623.(in Chinese)

[15] 崔骁勇,曹一平.冬小麦土壤氮素表观平衡率估算和氮肥决策 [J].中国农业大学学报,1995,21(增刊):52-56.

Cui X Y,Cao Y P.Estimation of apparent soil-nitrogen-balance rate and nitrogen management for winter wheat [J].Acta Agriculturae Universitatis Pekinensis,1995,21(S1):52-56.(in Chinese)

[16] 鲍士旦.土壤农化分析 [M].3版.北京:中国农业出版社,2005.

Bao S D.Analysis of soil and agricultural chemistry [M].3rd ed.Beijing:China Agriculture Press,2005.(in Chinese)

[17] 南雄雄,游东海,田霄鸿,等.关中平原农田作物秸秆还田对土壤有机碳和作物产量的影响 [J].华北农学报,2011,26(5):222-229.

Nan X X,You D H,Tian X H,et al.Effect of returning of cropland straw to field on soil organic carbon and grain yield in Guanzhong Plain [J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2011,26(5):222-229.(in Chinese)

[18] Loginow W,Wisniewski W,Gonet S S.Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation [J].Polish Journal of Soil Science,1987,20(1):47-52.

[19] Harmsen K.Nitrogen fertilizer use in rainfed agriculture [J].Nutr Cycl Agroecosyst,1984,5(4):371-382.

[20] Zhu Z L,Chen D L.Nitrogen fertilizer use in China contribution to food production,impacts on the environment and best management strategies [J].Nutr Cycl Agroecosyst,2002,63:117-127.

[21] 张树兰,同延安,梁东丽,等.氮肥用量及施用时间对土体中硝态氮移动的影响 [J].土壤学报,2004,41(2):270-277.

Zhang S L,Tong Y A,Liang D L,et al.Nitrate-N movement in the soil profile as influenced by rate and timing of nitrogen application [J].Acta Pedologica Sinica,2004,41(2):270-277.(in Chinese)

[22] Cui Z L,Zhang F S,Chen X P,et al.On-farm estimation of indigenous nitrogen supply for site-specific nitrogen management in the North China Plain [J].Nutr Cycl Agroecosyst,2008,81:37-47.

[23] 钟 茜,巨晓棠,张福锁.华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素环境承受力分析 [J].植物营养与肥料学报,2006,12(3):285-293.

Zhong Q,Ju X T,Zhang F S.Analysis of environmental endurance of winter wheat/summer maize rotation system to nitrogen in North China Plain [J].Plant Nutr Fert Sci,2006,12(3):285-293.(in Chinese)

[24] 王小彬,蔡典雄,张镜清,等.旱地玉米秸秆还田对土壤肥力的影响 [J].中国农业科学,2000,33(4):54-61.

Wang X B,Cai D X,Zhang J Q,et al.Effects of corn stover incorporated in dry farmland on soil fertility [J].Sci Agric Sin,2000,33(4):54-61.(in Chinese)

[25] 南雄雄,田霄鸿,张 琳,等.小麦和玉米秸秆腐解特点及对土壤中碳、氮含量的影响 [J].植物营养与肥料学报,2010,16(3):626-633.

Nan X X,Tian X H,Zhang L,et al.Decomposition characteristics of maize and wheat straw and their effects on soil carbon and nitrogen contents [J].Plant Nutr Fert Sci,2010,16(3):626-633.(in Chinese)

[26] 沈 宏,曹志洪,胡正义.土壤活性有机碳的表征及其生态效应 [J].生态学杂志,1999,18(3):32-38.

Shen H,Cao Z H,Hu Z Y.Characteristics and ecological effects of the active organic carbon in soil [J].Chin J Ecol,1999,18(3):32-38.(in Chinese)

[27] 柳 敏,宇万太,姜子绍,等.土壤活性有机碳 [J].生态学杂志,2006,25(11):1412-1417.

Liu M,Yu W T,Jiang Z S,et al.A research review on soil organic carbon [J].Chin J Ecol,2006,25(11):1412-1417.(in Chinese)