秸秆还田下减氮对土壤养分、酶活性和冬小麦产量的影响

刘红杰 任德超 倪永静 葛君 张素瑜 吕国华 胡新

（1 商丘市农林科学院，476000，河南商丘；2 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081，北京）

秸秆还田不但可以提高土壤有机碳含量，而且有利于土壤的微生物繁殖、酶活性提升和理化性质改善。同时秸秆中富含氮、磷、钾元素，对促进土壤养分平衡、土壤质量和生产力提升极其重要[1]。我国是农业大国，每年秸秆总量已超过9 亿t[2]，可提供N 776.8 万t、P2O5221.34 万t 和K2O 1258.2万t，对农业生产节本增效和可持续发展具有重要意义。秸秆快速腐解时需要大量的养分，易引起与作物幼苗生长之间争夺土壤氮素，导致作物幼苗缺氮而黄化、瘦弱，而施入化肥氮素可以缓和争夺氮素的矛盾[3]，从而促进作物生长，增加产量。施用氮肥对作物产量和品质影响显著，但单一增施氮肥不仅造成氮肥利用率低，经济效益下降，而且长期大量施用会导致土壤硝态氮的过度积累，增加水体和大气污染及生态恶化的风险[4]。化肥或者秸秆单一施用并不能维持作物可持续生产，不是促进作物增产的最佳途径[5-6]。秸秆还田配施适量无机化肥能显著改善土壤质量，增加作物生产的稳定性和持续性[7]。秸秆还田可以实现对化学肥料的部分替代，降低农业生产对化学肥料的依赖性[8]。近年来，关于秸秆还田与氮肥互作种植模式的研究较多。Sun等[9]研究认为，秸秆还田配施化肥可以提高所有与氮素循环相关的功能基因丰度。Chen 等[10]研究表明，秸秆还田配施化肥相比于单施秸秆可以显著提升土壤肥力和酶活性，改变细菌群落结构。成臣等[11]研究表明，秸秆还田与施氮互作可以降低土壤容重，改善土壤理化性质。杨艳华等[12]和董印丽等[13]研究发现，秸秆还田与施氮互作促进了土壤养分及酶活性的提高，为作物生长提供了更优的土壤环境，达到增产的目的。

受环境、地域以及互作模式的影响，秸秆还田和氮肥对土壤肥力的提升效应和提高作物产量的能力有所不同[14]。豫东地区处于黄淮平原腹地，是中国冬小麦主产区之一。在冬小麦生产中普遍存在氮肥过量投入的问题，本试验以冬小麦稳产为前提，采用田间定位试验，探讨了秸秆还田下减量施氮对土壤养分、酶活性以及冬小麦产量的影响，为区域内冬小麦生产中氮肥合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省商丘市梁园区李庄乡商丘市志诚种植农民合作社种植基地（115°37′34″E，34°31′32″N），土壤类型为潮土，该地属暖温带半湿润季风气候，年均气温14.5℃，年日照时数2350h，年均降水量650mm，年均无霜期210d。土地流转10 年以上，土壤肥力均匀，地势平整，2017年耕层有机质18.1g/kg、全氮1.05g/kg、速效磷41.4mg/kg、速效钾192.3mg/kg、pH 7.22。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验地为小麦、玉米周年轮作，秸秆全量还田。试验设置6 个处理，分别为不施氮（T1）、减氮70%（T2）、减氮40%（T3）、减氮20%（T4）、施全量纯氮300kg/hm2（T5，对照）和秸秆移除下施纯氮300kg/hm2（T6）。小区面积350m2（7m×50m），行距0.2m，小区随机排列，重复3 次。试验品种为半冬性优质强筋小麦品种郑麦369，播种量为172.5kg/hm2。各处理磷肥和钾肥用量一致，分别为磷肥（P2O5）90kg/hm2和钾肥（K2O）45kg/hm2。70%氮肥与全部磷钾肥在整地前撒施，其余30%氮肥在小麦返青起身期追施。于2017-2020 年连续3 年定位试验，其他管理同大田。

1.2.2 土壤样品采集 于2020 年6 月小麦成熟期进行取样，每个小区采用五点取样法，收集0～20cm深土样并混合均匀，标记后带回实验室进行风干和过筛处理，用来测定土壤养分和土壤酶活性。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤养分及酶活性 土壤养分的测定[15]如下，采用重铬酸钾―硫酸外加热法测定有机质含量。采用半微量凯式定氮法测定全氮含量。采用钼锑抗比色法测定有效磷含量。采用火焰光度计比色法测定速效钾含量。采用电位法测定pH。土壤酶活性的测定[16]如下，采用苯酚钠次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性。采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性。采用高锰酸钾容量滴定法测定过氧化氢酶活性。采用邻苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性。

1.3.2 产量及其构成要素 于冬小麦蜡熟中期，每小区随机采集3 个1m 双行样段，标记后带回实验室，风干后考察产量三要素（穗数、穗粒数、千粒重）。各小区随机选取长势均匀一致的3 个2m2样方，风干后脱粒称重，换算成公顷产量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010 和SPSS 23 软件对数据进行处理及分析，采用LSD 方法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下减量施氮对土壤养分含量的影响

由表1 可知，与T6 处理相比，秸秆还田处理增加了土壤有机质含量，不同施氮量处理对土壤有机质含量影响不一致，仅T4 和T3 处理能显著提高土壤有机质含量，分别比T6 处理提高了12.20%和15.59%。与对照（T5）处理相比，秸秆移除和减量施氮处理都会降低全氮和有效磷含量，其中T6 和T4 处理的全氮和有效磷含量下降相对较小，不存在显著性差异。但减施氮量20%以上将会显著降低土壤全氮和有效磷含量；与T6 处理相比，秸秆还田能促进土壤速效钾含量的增加，增加幅度为6.50%～23.77%，且随着氮肥减量比例的增加，土壤速效钾含量呈先降后升的变化趋势。其中T3 和T4处理的速效钾含量与T5 处理存在显著性差异。秸秆还田下不施氮处理土壤速效钾含量最高，达到了234.64mg/kg，与T5 处理差异不显著，这可能是因为不施氮肥时冬小麦产量降低明显，导致速效钾吸收利用降低，加上每年外源钾（秸秆钾和化肥钾）的施入，促进了土壤速效钾的积累；与T5 处理相比，秸秆移除能降低土壤pH，而同在秸秆还田条件下，减量施氮能促进土壤pH 提升，且随着减量比例的增加，土壤pH 有逐渐升高的趋势，但均未达到显著性差异。

表1 不同处理对土壤养分含量和pH 的影响Table 1 Effects of different treatments on soil nutrient contents and pH

2.2 秸秆还田下减量施氮对土壤酶活性的影响

由表2 可知，与T6 相比，秸秆还田能增加大部分处理的土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性。而秸秆还田条件下，随着氮肥减量比例的增加，土壤过氧化氢酶活性逐渐增加，而土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性则呈先升后降的变化趋势。其中，T2 和T3 处理的土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性都处于较高水平，与T5 处理相比，土壤过氧化氢酶活性分别提高31.94%和18.25%，碱性磷酸酶活性分别提高37.50%和41.67%，蔗糖酶活性分别提高7.55%和13.21%；与T5 处理相比，秸秆移除和减量施氮都会影响土壤脲酶活性，但各处理的脲酶活性相差较小，差异不显著。

表2 不同处理对土壤酶活性的影响Table 2 Effects of different treatments on soil enzyme activities

2.3 秸秆还田下减量施氮对小麦产量及其构成要素的影响

通过对冬小麦的产量及其构成要素的分析（表3）可知，除T1 处理外，其他秸秆还田处理的穗粒数都低于秸秆移除处理（T6），说明秸秆还田不利于穗粒数的增加。且随着减量比例的增加，穗粒数逐渐降低。T2 处理的穗粒数最低，仅为28.37，除T3 理外，与其他处理存在显著性差异。T1 处理的穗粒数最多，为33.80，可能因为不施氮不利于小麦分蘖。除T1 处理外，其他秸秆还田处理的穗数均高于T5 处理，说明秸秆还田配施适量氮肥利于穗数的增加。与T5 处理相比，随着氮肥减量比例的增加，穗数呈先增后降的变化趋势，其中T3 处理的穗数处于最高水平，为706.90 万穗/hm2，除T2 处理外，均与其他处理存在显著性差异，说明秸秆还田条件下，配施适量氮肥能促进穗数的增加，而施氮量过多或过少则不利于穗数的增加。与T5 处理相比，秸秆移除和减量施氮处理对千粒重数影响较小，且不存在显著性差异。与T5 处理相比，秸秆移除和减量施氮都对冬小麦产量产生影响，秸秆移除处理会降低产量，但未达到显著水平。而冬小麦产量则随着氮肥减量比例的增加先增后降，T4 处理产量最高，为8197.74kg/hm2，但与T3处理差异不显著，说明氮肥减量40%并结合秸秆还田依然具有较高的产量水平。

表3 不同处理对小麦产量及其构成要素的影响Table 3 Effects of different treatments on wheat yield and its components

由图1 可知，产量随施氮量变化的方程拟合系数R2＞0.92，说明建立的二次曲线方程能较好地反映施氮量与产量的相关性。拟合方程的拐点表示最高产量出现的位置，在施氮量为211.76kg/hm2时，冬小麦产量达到最大值，为8049.50kg/hm2。

图1 秸秆还田下不同施氮量对冬小麦产量的影响Fig.1 Effects of different nitrogen applications on winter wheat yield under straw returning

3 讨论

秸秆还田不但可促进土壤团粒结构的形成，改善理化性质[17]，而且可为微生物的繁殖和活动提供能量，促进土壤生物活性提高和养分循环[18]。宋朝玉等[19]认为，长期秸秆还田可以显著提高土壤有机质和全氮含量。本研究发现，秸秆还田配施氮肥有利于土壤有机质含量增加。配施减量20%～40%氮肥处理的土壤有机质含量处于较高水平，说明秸秆还田下配施适量氮肥可以加快作物秸秆的腐解，有利于土壤有机质的积累[20]。与秸秆移除全量施氮相比，秸秆还田全量施氮能提高土壤全氮和有效磷含量，但未达到显著差异，这与马丽娜等[21]研究结论相同。但随着施氮量的降低，土壤全氮和有效磷含量有逐渐降低趋势，秸秆还田配施减量40%以上氮肥处理的全氮和有效磷含量均处于较低水平，均与秸秆全量氮肥处理存在显著性差异，但与秸秆移除全量施氮处理不存在显著性差异。可见秸秆还田不会显著影响土壤全氮含量，但减量施氮会降低土壤全氮和有效磷含量；与秸秆移除处理相比，秸秆还田处理的土壤速效钾含量提高了6.49%～23.77%，说明秸秆还田可提高土壤速效钾含量，这与戴志刚等[22]和谢占军等[23]研究结论基本一致。配施减量20%～40%氮肥处理的土壤速效钾含量增加幅度在6.5%以上，可能是因为秸秆还田下适量施用氮肥能显著提高冬小麦产量，促进了速效钾的吸收利用[24]。本研究发现，秸秆还田对土壤pH 有一定正效应，减缓土壤酸化程度，但氮肥水平对土壤pH 含量影响不显著，这与王学敏等[25]的研究结论基本一致。

土壤酶是土壤代谢的主要动力，其活性高低反映了土壤生化反应的强度和方向，是衡量土壤质量的指标[26]。宫秀杰等[27]认为，秸秆还田配施氮肥能够增加土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性。刘玮斌等[28]和高日平等[29]研究发现，秸秆还田可以显著提高土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。但也有学者[30]认为，减量施氮配施有机肥能增加土壤脲酶活性，对蔗糖酶和碱性磷酸酶活性无显著影响。本研究发现，秸秆还田下配施氮肥能增加土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，且减量施氮更利于土壤酶活性的提升。秸秆还田配施氮肥则对土壤脲酶活性无显著影响。

目前，秸秆还田在农业生产中得到了广泛应用，是农业可持续发展的一项重要措施。本研究发现，秸秆还田配施氮肥可显著增加冬小麦的产量，这与王金金等[31]的研究结论相同。有学者[32]认为，施氮量与冬小麦籽粒产量呈二次曲线关系，在一定范围内施氮量能增加产量，施氮量过低或过高会造成产量降低，这与本研究结果一致。本研究中，与秸秆移除全量施氮处理相比，秸秆还田配施减量20%氮肥处理显著增产，说明该处理施氮量处于相对合适水平（求解施氮量和籽粒产量的一元二次拟合方程，显示最佳施氮量212.76kg/hm2，相当于减量约30%），说明秸秆还田下氮肥减量具有较大的扩展空间。从产量构成要素来看，减量40%和减量20%氮肥处理的穗粒数、千粒重与全量氮肥处理无显著差异，减量40%处理的穗数处于最高水平，且与减量20%、全量氮肥处理存在显著性差异。减氮40%和减氮20%处理产量都处于较高水平，且两者间不存在显著性差异。这意味着从减氮的角度而言，冬小麦减氮40%同时结合秸秆还田依然具有较高的产量水平。这与秸秆腐熟后可以释放大量的氮、磷、钾等营养元素，且提高了土壤微生物数量和土壤酶活性，促进了土壤营养元素的释放与贮存有关，这些都有助于减量施氮空间扩展，有助于最大限度降低农户施肥成本。

4 结论

秸秆还田配施氮肥有利于土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量和pH 的增加。氮肥减量20%和减量40%处理的土壤有机质含量处于较高水平，而土壤速效钾含量则显著低于对照，但均高于秸秆移除处理6.5%以上。减量施氮会降低土壤全氮和有效磷含量，减缓土壤酸化程度。

秸秆还田下配施氮肥能增加土壤过氧化酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，且减量施氮更利于土壤酶活性的提升。秸秆还田配施氮肥对土壤脲酶活性无显著影响。

秸秆还田下配施适量氮肥可以显著增加冬小麦的产量，氮肥减量40%和20%处理的产量均处于较高水平。