玉米秸秆全量还田条件下氮肥运筹对晚稻产量和土壤化学及微生物特性的影响

姚如男 陶卫 李成业 周琦 邓有能 唐利忠 王霈雷干农

（永州市福田茶场/永州市农科所，湖南永州425100；*通讯作者：2780346011@qq.com；2770834426@qq.com）

秸秆还田是目前我国十分重视的一项土壤改良措施和增产措施。秸秆还田有多种方式，如覆盖还田、焚烧还田、堆沤还田、过腹还田和粉碎翻压还田等。在经济环保和轻简高效栽培的背景下，秸秆机械粉碎翻压还田杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染，还能有效增加土壤有机质，改良土壤团粒结构，增加土壤孔隙度，降低土壤容量，促进土壤水肥气热平衡，提高微生物活力和促进作物根系发育[1-3]。然而秸秆还田需配合适当的栽培措施才能实现增产增效，否则会导致土壤病菌增加、土传病害加重及僵苗等不良现象[4]。目前，国内外针对“稻-稻”、“稻-麦”轮作和“油-稻”复种种植制度下，水稻、小麦和油菜秸秆机械粉碎翻压还田对后茬水稻产量和品质的影响研究较多，且基本形成了一致的观点：短期（1～2年）内秸秆还田对水稻土壤养分、有机质和土壤结构的改善比较有限，且由于微生物腐解秸秆需要大量氮素，还会造成短期内施氮量增大，水稻产量降低等不利影响；而长期秸秆还田，对改善土壤结构，增加土壤有机质和保持土壤地力则大有裨益[5-8]。

近年来，鲜食甜糯玉米由于口感好、营养丰富均衡，深受永州广大市民的喜爱，“春甜糯玉米+晚稻”的种植模式已由城郊到农村逐步推广开来。在我国全面禁止焚烧秸秆而实行春玉米秸秆全量粉碎翻压还田的背景下，如何利用氮素运筹方式来减少施氮量并保证后茬水稻稳产高产，是这种特殊的栽培模式要实现节本增效增收和可持续发展的重要途径之一[9]。本文拟通过研究氮素运筹对水稻产量及构成、土壤氮素养分和有机质含量变化、土壤微生物群落数量动态，来剖析合理的氮素运筹方式对实现玉米秸秆全量翻压还田条件下后茬晚稻稳产高产的内在机理，以期探索永州地区“春玉米+晚稻”的高产高效栽培模式。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2017年在永州市农科所八一农场开展大田试验，供试晚稻品种为桃优香占；供试土壤为典型红壤土：pH 值 6.22，有机质 21.63 g/kg，全氮 1.05 g/kg，全磷0.57 g/kg，碱解氮 164.31 mg/kg，速效钾 104.94mg/kg，有效磷12.87 mg/kg。

试验采用随机区组设计，设置4个氮肥运筹处理，基肥∶蘖肥∶穗粒肥分别为 7∶3∶0（NM1）、6∶3∶1（NM2）、5∶3∶2（NM3）、4∶3∶3（NM4）。每个处理 3 次重复，小区面积60 m2。前茬春玉米秸秆全量粉碎翻压还田，还田量为9 000 kg/hm2（干物质量），总施纯N量为210 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5，氮磷钾肥分别为尿素 （含 N 46.7%）、过磷酸钙（含P2O511.8%）和氯化钾（含 K2O 60%），磷肥作基肥一次性施入，钾肥中基肥∶穗肥=6∶4。晚稻于6月17日播种，7月10日移栽，抛秧，密度为37.5万丛/hm2左右。

表1 不同氮素运筹方式下晚稻产量及产量构成

表2 不同氮素运筹方式下水稻土壤的化学特性

1.2 测定项目及方法

1.2.1 产量及产量构成

于收获前连续调查100丛水稻有效穗数，以平均有效穗数取样5丛，带回室内考种，计算每穗粒数、结实率、千粒重；小区水稻机收称重后测定含水率，计算实际产量。

1.2.2 土壤理化特性

于分蘖期、抽穗期和成熟期“五点法”取0～20 cm土样，碱扩散法测定土壤碱解氮，比色法测土壤脲酶活性，重铬酸钾稀释热法测土壤有机质含量。

1.2.3 土壤微生物

送至湖南农业大学生物科学技术学院进行测定，采用平板稀释法。

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2010软件进行统计分析，用SPSS 22.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 对晚稻产量的影响

如表1所示，水稻实测产量NM1处理显著高于其他处理，分别较NM2、NM3、NM4处理高2.6%、5.3%、5.6%。产量构成因素方面，各处理水稻单位面积有效穗数表现为 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 处理显著高于其他3个处理，NM2处理显著高于NM3和NM4处理，NM3和NM4处理间差异不显著，NM1和NM2处理有效穗数分别比NM4处理增加18.6%和12.5%，这与水稻实测产量差异规律一致；NM3、NM4处理每穗粒数显著高于NM1、NM2处理；NM1处理水稻结实率显著低于其他3个处理；各处理间水稻千粒重无显著差异。

2.2 对土壤理化特性的影响

如表2所示，前茬玉米收获后，土壤碱解氮和有机质含量较水稻田低，而脲酶活性表现则相反。各处理土壤碱解氮含量、有机质含量和脲酶活性随着水稻生育时期推进逐渐降低，成熟期最低。土壤碱解氮方面，分蘖期各处理碱解氮含量表现为NM1＞NM2＞NM3＞NM4，差异显著；抽穗期NM4处理显著较NM1和NM2处理高；成熟期各处理间无显著差异。土壤有机质含量在水稻分蘖期NM1、NM2处理显著高于NM3、NM4处理，抽穗期和成熟期各处理无显著差异。土壤脲酶活性分蘖期表现为 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 处理土壤脲酶活性较NM4高15.1%，差异显著；在水稻抽穗期和成熟期各处理差异不显著。

2.3 对土壤微生物的影响

2.3.1 对土壤微生物总量的影响

各时期土壤微生物总量与不同时期施氮量、有机质含量、土壤水分、温度等因素密切相关。在前茬作物玉米秸秆全量还田条件下，微生物分解玉米秸秆将消耗大量氮素，故水稻土壤微生物总量与施氮量密切相关。如表3所示，水稻土壤中细菌、真菌和放线菌总量随着水稻生育时期的推进迅速降低，成熟期最低。细菌是水稻土壤微生物的最大组成部分，分蘖期NM1处理土壤细菌总量显著较高，分别较NM2、NM3、NM4处理高6.1%、6.0%和7.9%；抽穗期各处理表现为NM4＞NM3＞NM2＞NM1，且NM1和NM2处理土壤细菌总量显著低于NM4和NM3处理；成熟期各处理无显著差异。水稻土壤中真菌总量较少，前茬玉米收获后土壤真菌总量最高，且各处理在水稻各生育时期土壤真菌总量差异皆不显著。分蘖期各处理土壤放线菌总量表现为处理 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 处理显著高于其他3个处理，NM2处理显著高于NM3和NM4处理；抽穗期与分蘖期相反，其表现为NM4、NM3＞NM2＞NM1，各处理间差异显著；成熟期土壤放线菌总量各处理间差异不显著。

表3 不同氮素运筹方式下水稻土壤的微生物总量

表4 不同氮素运筹方式下水稻土壤主要微生物群落

2.3.2 对主要微生物群落的影响

土壤中氨化细菌、固氮菌和硝化细菌总量与土壤中有机质含量、土壤干湿程度、土壤含氮量等因素密切相关。土壤含氮量大、有机物中含氮量高有利于氨化细菌成长为优势种群；反之，土壤含氮量低，土壤碳氮比高，有利于固氮菌生长；硝化细菌是将铵态氮转化为硝态氮供植物快速利用的一类重要的好氧微生物，土壤铵态氮含量高，通气性好有利于硝化细菌的生长。如表4所示，土壤氨化细菌数量随着水稻生育期的推进逐渐减少，分蘖期NM1处理土壤氨化细菌数量显著较高，分别较 NM2、NM3、NM4 处理多 1.8%、2.6%和3.5%；抽穗期NM3处理土壤氨化细菌数量较多，分别较NM1、NM2处理高4.6%、4.7%，差异显著；成熟期各处理间无显著差异。土壤固氮菌随着生育期推进先略微增加而后减少，分蘖期、抽穗期和成熟期各处理间差异均不显著。土壤硝化细菌数量随着水稻生育期的推进逐渐减少，分蘖期以NM1、NM2处理土壤硝化细菌含量显著较高；抽穗期以NM4处理较高，其中较NM2处理高1.9%，差异显著；成熟期各处理间无显著差异。

3 讨论

研究发现，在秸秆不还田条件下，保持总施氮量不变而适度提高穗肥和粒肥比例，能有效保持水稻后期根系活力和叶片光合活力[10]，提高水稻单位面积总颖花数、每穗粒数、结实率、千粒重和产量，以及提高水稻氮素积累量和氮素利用效率等[11]。而在秸秆还田特别是秸秆全量还田条件下，水稻生育前期土壤微生物与水稻争氮现象明显，适当增加施氮量或保持施氮量不变而提高水稻基、蘖肥比例，能有效改善土壤结构和通气性的同时，提高水稻产量[12-13]。但也有研究表明，即使在中低产田块中实行秸秆还田，采用适度氮素后移，即基肥∶蘖肥∶穗粒肥为4∶3∶3的氮素运筹方式依然可以保持显著增产，增产幅度达8.6%～15.9%[14]。本研究中，基肥∶蘖肥∶穗粒肥比例为 7∶3∶0 （NM1） 处理较 6∶3∶1（NM2）、5∶3∶2（NM3）、4∶3∶3（NM4）处理产量分别提高2.6%、5.3%、5.6%，且差异显著，NM2处理产量也显著高于NM3和NM4处理，提高基蘖肥比例可以实现增产。造成这一现象的可能原因是：玉米秸秆全量还田条件下，秸秆还田量高达14 047.8～14 832.1 kg/hm2（以产量∶秸秆=1∶2估算[9]），使得分蘖期微生物与水稻争氮矛盾尤为突出。氮素前移可有效缓解这一矛盾，而后期玉米秸秆中的养分逐步释放，也有利于水稻后期根系活力和光合活力的保持；氮素后移加剧了水稻生育前期水稻与微生物争氮矛盾，不仅使水稻分蘖力降低，更可能导致微生物降解玉米秸秆过程受阻，秸秆内养分释放速率减缓，反过来加剧水稻前期缺氮现象。

玉米秸秆中，N、P2O5和K2O含量分别约占0.9%、0.35%和1.45%[15]，秸秆还田势必会增加土壤的养分含量、有机质含量和土壤微生物总量，改变群落结构和土壤酶活性[16]；另一方面，氮素运筹方式不同也会导致水稻土壤在不同生育时期的氮素养分、微生物活性和秸秆腐解速率的不同。研究发现，土壤中有机质、全N、全P、碱解N、速效P、速效K含量以及土壤脲酶活性和微生物N量均随着秸秆还田量增加而增加，且土壤速效养分增幅较大[16-17]。3年定位试验表明，玉米秸秆还田可有效增加土壤全氮和有机质含量；研究也发现，长期的玉米秸秆还田可使土壤有机质和速效钾含量明显提高，速效磷变化较小[18]，而土壤脲酶活性显著增强[19]。小麦秸秆全量还田条件下，调整氮素运筹比例（由基蘖肥∶穗肥=5∶5、基肥∶分蘖肥=6∶4 优化为基蘖肥∶穗肥=6.5∶3.5、基肥∶分蘖肥=8∶2 时），可提高土壤矿质氮比例，降低土壤氮素表观盈余[20]。韩明明等[21]研究表明，玉米秸秆还田条件下，提高基蘖肥比例可以显著增加小麦土壤有机质含量和养分供应能力，而针对玉米秸秆还田条件下，氮素运筹对稻田土壤养分及酶活性变化的研究较少。本研究中，在玉米秸秆全量粉碎还田后，水稻分蘖期土壤碱解氮较前茬玉米收获后增幅达39.3%～54.4%，至成熟期增幅约为21.2%；短期内水稻分蘖期稻田土壤有机质含量较前茬玉米收获后显著增加，增幅达17.3%～26.6%，至成熟期土壤有机质含量与前茬玉米收获后相比略有增加，但不明显；与旱地条件下秸秆还田不同，本研究中稻田土壤脲酶活性较前茬玉米收获后明显下降，可能是由于土壤通气性降低的缘故。本研究中，水稻分蘖期土壤碱解氮含量、有机质含量和脲酶活性表现规律一致，即 7∶3∶0（NM1）＞6∶3∶1（NM2）＞5∶3∶2（NM3）＞4∶3∶3（NM4），可见氮素前移对水稻分蘖期土壤碱解氮、有机质含量和脲酶活性有显著的提升作用；而成熟期各处理土壤碱解氮、有机质含量和脲酶活性几乎都无显著差异，可见氮素运筹方式对三者的影响主要集中在水稻生育前中期，其内在机理有待进一步研究。

秸秆中的有机质是土壤微生物的重要能源物质，氮素养分是土壤微生物重要的结构元素，土壤的C/N很大程度决定着土壤微生物总量的大小和微生物群落的结构，同时微生物总量大小和微生物群落结构组成又在很大程度上反应了土壤酶和微生物活性情况。张进良等[22]研究表明，玉米秸秆还田可显著提高土壤细菌总量和比例，增加土壤真菌、放线菌和固氮菌的数量，但并不显著。长期定位试验发现，“玉米-水稻”轮作+秸秆还田能显著增加土壤微生物总量（一般为好气性细菌、真菌和放线菌）和土壤氨化细菌量，但固氮菌和硝化细菌总量无显著变化[23]。张金涛[24]通过15N研究发现，在秸秆还田量为9 000 kg/hm2条件下，化学肥料氮素占微生物氮来源的比例随着施氮量的增加而显著增加，且发现秸秆全量还田条件下低氮素田块需要补充施氮才不会减产。李涛等[25]利用苜蓿+玉米秸秆还田将还田秸秆C/N降低至25∶1，有效提高了土壤微生物C、N和土壤脲酶活性。本研究中，秸秆还田后微生物总量（细菌、真菌和放线菌；固氮菌和硝化细菌）较前茬玉米收获期均较低，氨化细菌在水稻分蘖期先略微增加后降低。这可能是水田通气性变差导致大部分好气性细菌生长受到抑制，而氨化细菌由于土壤氮素的大量增加，总量有一定的增加。土壤细菌、放线菌以及氨化细菌和硝化细菌总量变化呈一致规律，即水稻分蘖期氮素前移处理NM1和NM2较氮素后移处理NM3和NM4高，而反过来，抽穗期氮素后移的处理NM3和NM4较氮素前移处理NM1和NM2高，成熟期各处理间无显著差异，可能是由于各处理水稻成熟期玉米秸秆腐解已大部分完成，土壤氮素水平特别是外源氮素水平均较低，导致成熟期微生物量和群落结构差异不显著。而真菌和固氮菌在各处理和各时期间差异均不显著，其机理还有待进一步研究。

4 结论

玉米秸秆全量还田条件下，基肥∶蘖肥∶穗粒肥为7∶3∶0（NM1）时产量最高，分别较 NM2、NM3、NM4 处理产量高2.6%、5.3%、5.6%，差异显著。氮素前移显著增加了NM1和NM2处理的单位面积有效穗数，较处理NM4增幅分别达18.6%和12.5%；显著降低了每穗粒数，使NM1处理结实率显著降低10.5%；各处理水稻千粒重无显著差异。

玉米秸秆全量还田显著提升了水稻分蘖期和抽穗期稻田土壤碱解氮和有机质含量，降低了土壤脲酶活性。氮素运筹方式对土壤理化特性影响主要集中在秸秆还田后至分蘖期，期间，土壤碱解氮、有机质含量和脲酶活性随着基蘖肥比例的增加而增大，而抽穗期土壤碱解含量随基蘖肥的增大而减少。

前茬玉米收获后土壤中细菌、真菌、放线菌、固氮菌和硝化细菌量最高，且其总量随着水稻生育时期的推进迅速降低，成熟期最低。水稻分蘖期土壤细菌、放线菌、氨化细菌、硝化细菌量随基蘖肥比例的提高而增加，而抽穗期大致随基蘖肥比例的提高而减少，成熟期各处理间无显著差异；氮素运筹方式对土壤真菌、固氮菌量在水稻各生育时期均无显著影响。