秸秆还田与化肥减量配施对稻茬麦土壤养分、酶活性及产量影响

吴玉红，郝兴顺*，田霄鸿，陈艳龙，张春辉，陈 浩， 李厚华， 秦宇航， 赵胜利(.汉中市农业科学研究所，陕西 汉中 73000；.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 7000)

【研究意义】化肥对农作物增产做出了巨大贡献[1]，对当季作物生长起到重要作用，但其当季损失率较高，高量施肥增加环境风险[2-5]。长期大量施用化肥导致利用率降低、肥料损失严重、环境污染等问题日益突出，制约农业可持续发展[6]。作物秸秆是一种可再生有机资源，不仅数量庞大且富含碳、氮、磷、钾及中微量元素，还田后能替代传统有机肥成为土壤有机质和中微量养分的重要来源，对地力提升和质量改良有重要作用。化肥结合秸秆还田不仅可通过土壤微生物调节矿质养分的固持转化，又可增加有机质含量，从而提高土壤肥力和作物产量[7-10]。事实上秸秆还田已成为我国提高土壤肥力、增加作物产量、改善农产品品质的主要农艺措施之一，是改变肥料结构的关键性技术措施之一[11-13]，探索秸秆还田代替部分化肥在目前对于实现作物增产、土壤质量提升、降低环境污染具有重要意义。随着集约化农业快速发展，因化肥养分流失、秸秆随意堆放腐解等农业生产型污染引起的农业面源污染问题日益凸显。农业面源污染日益引发广泛关注[14-15]。尤其是化肥过量施用造成严重的农业面源污染和地力下降等问题，直接威胁农业可持续发展。农业面源污染治理技术的研究也越来越得到政府和科技工作者的重视。【前人研究进展】杨林章[16]等提出了“4R”理论与技术，即源头减量(Reduce)、过程阻断(Retain)、养分再利用(Reuse)、生态修复(Restore)。其中源头减量是控制农业面源的根本所在，而化肥减量化是源头减量的核心技术[17-18]，有机肥替代减量技术则是化肥减量的重要措施。随着秸秆还田技术的研究，对秸秆中养分进行再利用代替部分无机氮磷钾，成为控制种植业源头面源污染的有效措施受到广泛重视，该技术可节约资源，维持土壤生产力，减少环境污染，增加经济效益，从而实现生产和环境的双赢，但减量技术的应用应兼顾作物产量和生态效益，结合环境区域特征，因地制宜，因此如何因地制宜地提出化肥减量化技术对稳定作物产量和减少面源污染十分关键。【本研究切入点】汉中盆地是国家南水北调中线工程汉江水源涵养地，其水体污染状况将直接影响调水水质，而农业面源污染是该水源区主要污染之一[19]。化肥使用量居高不下同时有机肥投入严重缺乏、秸秆利用率低等问题较为突出，化肥养分流失和农作物秸秆污染成为该地区农业面源污染的主要来源。因此，研究适宜该地区秸秆还田替代化肥的适度减量技术，对保障农业可持续发展及保障水源地水质安全具有重要意义。【拟解决的关键问题】本文探讨了在秸秆还田基础上减少氮肥、磷肥和钾肥施用量的可行性，开展了秸秆还田和减量施肥对稻麦轮作作物产量和土壤养分的影响研究，旨在为汉江水源地秸秆利用和适度的化肥减量技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于陕西勉县汉中市农业科学研究所试验示范站(33°09′38 N″，106°54′56″E)，海拔600 m。该区地处南北过渡带，属温暖湿润气候过渡带，年均气温14 ℃，年均降水量800～1000 mm，无霜期260 d，≥10 ℃积温4480 ℃。供试土壤类型为潴育性水稻土。试验前土壤基本理化性质为：pH 5.19，有机质18.78 g·kg-1，全氮1.25 g·kg-1，全磷0.95 g·kg-1，全钾14.16 g·kg-1，速效磷35.32 mg·kg-1，速效钾78.91 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验以稻茬小麦季为研究对象，主要开展水稻秸秆全量还田对小麦生长影响的试验。设置4个处理：① 水稻秸秆不还田+常规施肥(NPK)；② 水稻秸秆还田+常规施肥(NPKS)；③ 水稻秸秆还田+化肥减量15 %(-15 %NPKS)；④ 水稻秸秆还田+化肥减量30 %(-30 %NPKS)。秸秆还田方式为秸秆粉碎旋耕还田，旋耕深度15 cm左右。

本试验采用大区试验设计，以便于机械化作业，处理随机排列，每个处理重复3次，3个小区顺序排列，小区面积0.12 hm2，东西长80 m、南北宽15 m，每个处理0.36 hm2。

小麦常规施肥量用量为N180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 84.6 kg·hm-2。其中氮肥70 %做基肥，30 %做追肥，磷钾肥均做基肥。小麦与2015年10月15日播种，2016年5月30日收获，供试品种为‘汉麦6号’。肥料使用尿素(46 %)、洋丰复合肥(14-15-16)、氯化钾(60 %)。

1.3 测定项目和方法

小麦测产：每个小区“S”型选取5个5 m×5 m的样方，单收脱粒后晒干称量测产。

土壤样品采集：2016年5月小麦收获后，采集0～15、15～30 cm土壤，每个处理采集15个样点，每5个样点同层次混合，剔除植物残体和其他杂物，置于阴凉通风处摊晾风干，粉碎，过1和0.25 mm 筛备用。

土壤养分均采用常规方法测定[20]，活性有机碳采用333.3 mmol KMnO4氧化分光光度计法[21]测定。土壤微生物量采用选择性培养基按稀释平板法进行微生物培养记数[22]，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用高氏一号培养基，真菌采用PDA培养基。土壤酶活性参照关松荫的方法。土壤脲酶活性采用靛酚比色法，以NH3-N mg·g-1(37 ℃, 24 h)表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，以0.02 mol·L-1KMnO4mg·g-1(25 ℃, 0.5 h)表示；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法，以葡萄糖mg·g-1(37 ℃, 24 h)表示。脱氢酶采用TTC比色法(37 ℃, 24 h)，结果以每小时1 g土壤中释放的三苯基甲臜(TPF)的微克数表示。结果表示均转化为干土重。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和绘图，采用DPS7.05统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法，α= 0.05)。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田及化肥减量对土壤容重及小麦产量的影响

不同处理对不同土层土壤容重影响差异较大，表1表明，就0～5 cm而言，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田均显著降低了0～5 cm容重，其中NPKS降幅最大为14.6 %。5～10 cm土层，与对照NPK相比，NPKS和-15 %NPKS容重显著降低，降幅分别为24.8 %和26.0 %，而-30 %NPKS处理无显著影响，10～15 cm，与对照NPK相比，NPKS和-15 %NPKS容重显著降低，降幅分别为3.2 %和5.1 %，而-30 %NPKS处理容重显著增加。产量方面，秸秆还田常规施肥处理(NPKS)产量最高，较NPK、-15 %NPKS、-30 %NPKS增产率分别为10.0 %、6.4 %、38.4 %。而秸秆还田化肥减量30 %产量显著下降，分别较NPK、NPKS、-15 %NPKS降低20.5 %，27.7 %，22.8 %。

2.2 不同处理对土壤有机碳、活性有机碳及土壤养分的影响

从表2可以看出，与秸秆不还田相比，秸秆还田下常规施肥及15 %减施化肥处理0～15 cm土壤TOC、LOC、ALC均有增加趋势，分别增加11.3 %、16.0 %、4.0 %和9.7 %、12.6 %、2.6 %，而30 %减施化肥处理则呈下降的趋势，尤其是TOC显著降低。15～30 cm土层，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理均提高了TOC含量，其中NPKS和15 %NPKS显著增加，分别增加51.8 %和69.2 %。对LOC的影响则表现为15 %NPKS处理最高，30 %NPKS处理最低。不同处理对不同土层活性有机碳有效率差异较大，对0～15 cm影响较小，秸秆还田处理下15～30 cm土层活性有机碳有效率较秸秆不还田处理明显降低。

表1 不同处理对土壤容重及小麦产量的影响Table 1 Effect of different treatments on soil bulk density and wheat yield

表2 不同处理对土壤有机碳和活性有机碳的影响Table 2 Effect of different treatments on soil total organic carbon and labile organic carbon

注：LOC: 活性有机碳; TOC: 土壤总有机碳; ALC: 活性有机碳有效率,下同。

Note: LOC: Labile organic carbon; TOC: Soil total organic carbon; ALC: Availability of active carbon. The same as below.

表3 秸秆还田和化肥减量化对土壤养分含量的影响Table 3 Effect of straw return and fertilization reduce on the contents of soil nutrients

从表3可以看出，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田配施常规化肥增加了0～15 cm土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量，增幅分别为3.35 %、12.86 %、0.81 %、2.29 %、26.37 %、29.10 %。秸秆还田下化肥减量处理0～15 cm土壤全氮、全磷、全钾均有所降低。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田配施常规化肥增加了15～30 cm土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾含量，增幅分别为14.15 %、19.82 %、48.02 %、30.48 %。秸秆还田下化肥减量处理15～30 cm土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾均显著降低。说明本试验条件下秸秆还田减量施肥后土壤养分呈下降趋势。

从表4可以看出，与秸秆不还田相比，秸秆还田配施常规化肥土壤增加0～15、15～30 cm土壤铁、锰、铜、锌且对0～15 cm影响显著。化肥减量处理对不同土层微量元素的影响差异较大。化肥减量15 %处理显著增加0～15 cm土壤有效铁和有效锌含量及15～30 cm土壤有效铁，显著降低0～15 cm土壤有效锰和有效铜含量及15～30 cm土壤有效铁和有效锌。化肥减量30 %处理显著降低0～15、15～30 cm土壤有效铁、锰、铜、锌含量。

2.3 秸秆还田和化肥减量化对土壤酶活性的影响

从表5可以看出，不同处理对0～15 cm土壤过氧化氢酶影响差异不显著，各秸秆还田处理过氧化氢酶略有降低。各处理对脲酶活性影响表现为，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理均增加其活性，其中-15 %NPKS和NPKS显著增加，-30 %NPKS增加不显著，三者增幅分别为32.7 %、29.0 %、7.4 %。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理均降低了土壤脱氢酶的活性，随着化肥施用量减少其活性降低越明显，NPKS、-15 %NPKS、-30 %NPKS降幅分别为11.8 %、12.4 %、19.1 %。不同处理对土壤蔗糖酶活性影响差异显著，NPKS处理较NPK显著增加土壤蔗糖酶活性，增幅19.8 %。化肥减量处理显著降低蔗糖酶活性，-15 %NPKS、-30 %NPKS降幅分别为32.5 %和10.7 %。

表4 秸秆还田和化肥减量化对土壤微量元素的影响Table 4 Effect of straw return and fertilization reduce on the contents of soil trace elements (mg·kg-1)

表5 秸秆还田和化肥减量化对0～15 cm土壤酶活性的影响Table 5 Effect of straw return and fertilization reduce on soil enzyme activities in 0-15 cm soil layer

表6 土壤养分、酶活性及小麦产量之间的相关关系分析Table 6 Correlation relationship between soil nutrients, soil enzyme activities and wheat yield

2.4 相关关系分析

表6表明，小麦产量与土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾及土壤有效铁、锰、铜、锌呈显著正相关关系，其中与有效锌、速效钾和全钾相关系数更高，与土壤过氧化氢酶、脲酶、脱氢酶、蔗糖酶活性无显著相关关系。说明土壤养分是影响研究区小麦产量的主要因素。有机质与全磷、全钾、速效磷、速效钾、有效锰、有效铜、有效锌、脱氢酶、蔗糖酶显著相关。蔗糖酶与有机质、全氮、全磷、全钾、Mn、Cu、显著相关。速效磷与土壤养分及酶活性均无显著相关关系。

3 讨 论

3.1 秸秆还田和化肥减量对作物产量的影响

农业生产的目标是提升作物经济产量和可持续发展，因而农艺措施应兼顾经济和环境双赢。作物产量是农业持续发展的重要评价指标。化肥减量化技术应兼顾环境和经济效益，如何实现既节约生产成本，又保护生态环境，同时又不减产的多重目标，是化肥化减量技术是否可行的判据。秸秆还田与化肥配施后，秸秆中所含矿质养分释放过程较为缓慢，植物生长初期主要依赖化肥所提供的速效养分。唐旭等研究表明稻麦轮作体系中磷钾及70 %氮基施，30 %氮追施方式下肥料对大麦产量的贡献率为31 %，因此秸秆还田时保证一定的肥料投入才能达到预期目标下的产量。秸秆还田和化肥减量对作物产量的影响因土壤类型、土壤基础肥力、作物不同差异较大。吴得峰等研究表明，在陕西渭北雨养农业区，春玉米在常规施N基础上减量25 %能维持作物产量[25]。田雁飞以安徽双季稻为研究对象，表明秸秆还田条件下减氮10 %、减磷10 %、减钾14 %对水稻产量不会产生明显的负面影响[26]。黄容等以西南丘陵山区紫色土稻-菜轮作为研究对象，结果表明秸秆全量覆盖与化肥20 %～30 %减量配合使用，能提高水稻产量[27]。许菊仙等研究表明，与习惯施氮相比，尿素减量10.8 %或缓释氮肥减量24.3 %不会显著降低稻麦轮作体系小麦产量中[28]。

本研究发现，水稻秸秆还田与常规化肥配施可显著提高小麦产量，较不还田常规施肥处理增产10 %，秸秆还田与化肥15 %减量配施可保证小麦产量，较不还田处理增产3 %，而化肥减量30 %小麦产量显著降低。可能是因为秸秆还田后，由于微生物腐解作用需要部分化肥氮，化肥大幅度减量后秸秆与作物“争氮”现象更突出，从而影响了小麦生长。田亨达等研究表明稻麦轮作体系下，有机无机配施处理的小麦产量低于单施化肥处理，其可能原因是有机无机复混肥刚施入土壤中，有机养分矿化不完全，不能及时满足小麦当季对养分的需求。秸秆还田能归还一定养分，但秸秆腐解进程与小麦对养分的需求具有时空差异性，若化肥减量幅度过大必将影响小麦最终产量。此外化肥减量的幅度取决土壤基础肥力。李继福等研究表明秸秆还田钾素可以不同程度地减少高钾和中钾土壤的钾肥投入量，同时低钾土壤则需要施用更多的钾肥来满足作物生长需求、维持地力。因此，秸秆还田养分归还替代化肥投入量的比例与土壤基础肥力密切相关，一般认为，低土壤肥力下化肥减量空间较小，高土壤肥力下化肥减量空间较大。化肥减量时期也是关键影响因素。薛利红等研究表明在同等施氮量下，水稻适宜基蘖肥比例随肥力水平的增加而下降，低肥力下60 %最佳，中肥力下50 %为宜，高肥力下可降低至40 %[17]。本研究中磷钾肥一次基施，氮肥基追肥比为7∶3，化肥减量处理同等比例减施，即磷钾肥基肥一次减量，氮肥则基肥和追肥均减量，秸秆还田下化肥减量30 %显著降低了小麦产量，可能是因为基肥一次减量较多而秸秆还田养分释放在还田初期释放量较少从而影响了作物前期的生长。水稻秸秆腐解率及氮、磷、钾等养分的释放率与碳氮比密切相关，适当增加施氮量、降低碳氮比，能促进秸秆分解，并较多地释放养分供给小麦的生长。化肥减量幅度过大碳氮比较高不利于秸秆的矿化分解且易出现微生物与小麦争氮现象，同时水稻秸秆在小麦生长期内磷钾的释放呈倒“N”型，氮素的释放呈“V”型[10]，不利于小麦生长。此外秸秆还田条件下氮磷钾应同时减少几种肥料、数量各为多少、在一年两季中应减施哪一次化肥，均需在定位试验持续进行中来回答。

3.2 秸秆还田和化肥减量对有机碳及土壤养分的影响

大量研究均表明，秸秆还田配施常量化肥条件下土壤有机碳及活性有机碳含量均会显著增加，土壤固碳能力明显增强[31-33]。本研究也得到相同结果，秸秆还田配施常量化肥及配施减量15 %化肥提高了土壤有机碳及活性有机碳含量，而秸秆还田配施减量30 %化肥土壤有机碳呈下降趋势。秸秆还田能提高土壤养分含量[34-36]。秸秆还田代替部分化肥对土壤养分的影响因种植制度、秸秆还田方式、土壤基本肥力、替代比例不同差异较大。杨滨娟等研究表明，双季稻区秸秆还田量为3000 kg·hm-2并配施不同比例化肥时对土壤养分含量的影响表现为，秸秆还田配施低量NPK则土壤全氮、速效钾增加显著；秸秆还田配施高量NP显著增加土壤全磷、速效磷含量；秸秆还田配施高量NPK时土壤全钾含量显著增加[37]。张静等研究了麦玉轮作体系下不同玉米秸秆还田量对土壤肥力的影响，结果表明玉米秸秆还田量9000 kg·hm-2并配施135 kg·hm-2氮肥，土壤固持碳氮能力增强，促进土壤养分有效性和利用性[38]。马超等研究表明秸秆促腐还田较常规秸秆还田更利于提高沿淮砂姜黑土土壤养分含量即使减施磷、钾肥20 %其增产和培土效果也不会明显下降。秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾以及中微量元素。秸秆还田通过配施NPK及腐秆剂调节碳氮比增加微生物能促进秸秆分解有利于秸秆中养分的释放达到培肥土壤的作用，尤其是配施高量氮肥培肥效果更佳[39]。本研究中秸秆还田配施常规化肥秸秆还田处理对0～15 cm土壤速效磷影响较小而对速效钾影响显著。秸秆还田与常规化肥配施不同程度地提高了土壤养分，秸秆还田与化肥减量配施土壤养分呈下降趋势，化肥减量30 %后土壤养分明显下降。对微量元素的影响则表现为，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田配施常规化肥及配合减施15 %化肥处理均不同程度的增加了土壤微量元素，秸秆杆还田下化肥减量30 %处理0～15、15～30 cm土壤有效铁、锰、铜、锌含量显著降低。相关分析表明，微量元含量与土壤养分显著相关，说明肥料投入对本研究中土壤肥力的影响较大。可能是因为土壤养分由农田的基础肥力和肥料投入共同决定，而本供试土壤基础肥力较低，速效肥力受化肥投入量的影响更大。

3.3 秸秆还田和化肥减量对土壤酶活性的影响

土壤酶广泛参与土壤C、N、P等养分循环，是土壤有机物降解转化的驱动力。土壤酶活性表征土壤的生物活性，是判断土壤持久性肥力的重要依据。通常受气候条件、土壤环境、种植制度、农艺措施(施肥、秸秆还田)等影响较大。黄容等研究表明，在秸秆还田条件下减量施肥对土壤过氧化氢酶活性的提升有着显著促进作用，而对脲酶的提升效果不显著[27]。吕艳杰等研究表明，秸秆还田增施氮肥大幅度降低土壤过氧化氢酶活性，土壤脲酶活性小幅提高。杨滨娟等以江西双季稻区为研究对象，结果表明秸秆还田配施化肥过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性均高于单施秸秆处理，但处理间显著不差异。秸秆还田对不同酶活性的影响受土壤质地、种植制度以及气候条件影响较大。可能是因为秸秆矿化分解后，养分释放，土壤结构，土壤微生物环境变化存在差异性[18]。本研究中秸秆还田处理过氧化氢酶活性下降但差异不显著，对脲酶有明显的提升作用，其中-15 %NPKS提升最明显。本研究中秸秆还田处理均降低了土壤脱氢酶的活性，随着化肥施用量减少其活性降低越明显，可能是因为秸秆还田后改变了土壤通透性，土壤溶解氧增加，脱氢酶活性降低。NPKS处理较NPK显著增加土壤蔗糖酶活性，化肥减量处理蔗糖酶活性显著降低，且相关分析显示蔗糖酶与土壤养分含量显著正相关，说明土壤肥力对蔗糖酶活性影响较大。总体上，本研究中秸秆还田与化肥减量配施对脲酶有一定促进作用而降低了过氧化氢酶、蔗糖酶、脱氢酶的活性。脲酶活性增加的原因可能与秸秆还田影响土壤氮素转化和供氮能力有关。其他酶活性降低可能是因为秸秆还田与化肥减量配施C/N未达到适宜的范围，秸秆腐解缓慢，不利于土壤微生物生长。此外可能是因为气候、土壤、种植制度不同及研究年限较短，对土壤酶活性的促进作用不明显，因此，壤酶活性对秸秆还田条件下化肥减量技术长期效应的响应需进一步研究。

4 结 论

秸秆还田配施适量化肥可降低表层土壤容重，提高土壤有机碳及活性有机碳含量，增加土壤养分及微量元素含量，本试验条件下以秸秆还田配施常量化肥效果最佳，配施减量15 %化肥次之，且二者均能提高小麦产量。因此，在汉中盆地稻麦水旱轮作体系下，麦季水稻秸秆全量还田配施氮磷钾减量15 %是提高小麦产量同时兼顾农学、经济、环境效益的一种有效措施。

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