玉米秸稈全量還田條件下氮肥運籌對晚稻產量和土壤化學及微生物特性的影響

姚如男 陶衛 李成業 周琦 鄧有能 唐利忠 王霈雷干農

（永州市福田茶場/永州市農科所，湖南永州425100；*通訊作者：2780346011@qq.com；2770834426@qq.com）

秸稈還田是目前我國十分重視的一項土壤改良措施和增產措施。秸稈還田有多種方式，如覆蓋還田、焚燒還田、堆漚還田、過腹還田和粉碎翻壓還田等。在經濟環保和輕簡高效栽培的背景下，秸稈機械粉碎翻壓還田杜絕了秸稈焚燒所造成的大氣污染，還能有效增加土壤有機質，改良土壤團粒結構，增加土壤孔隙度，降低土壤容量，促進土壤水肥氣熱平衡，提高微生物活力和促進作物根系發育[1-3]。然而秸稈還田需配合適當的栽培措施才能實現增產增效，否則會導致土壤病菌增加、土傳病害加重及僵苗等不良現象[4]。目前，國內外針對“稻-稻”、“稻-麥”輪作和“油-稻”復種種植制度下，水稻、小麥和油菜秸稈機械粉碎翻壓還田對后茬水稻產量和品質的影響研究較多，且基本形成了一致的觀點：短期（1～2年）內秸稈還田對水稻土壤養分、有機質和土壤結構的改善比較有限，且由于微生物腐解秸稈需要大量氮素，還會造成短期內施氮量增大，水稻產量降低等不利影響；而長期秸稈還田，對改善土壤結構，增加土壤有機質和保持土壤地力則大有裨益[5-8]。

近年來，鮮食甜糯玉米由于口感好、營養豐富均衡，深受永州廣大市民的喜愛，“春甜糯玉米+晚稻”的種植模式已由城郊到農村逐步推廣開來。在我國全面禁止焚燒秸稈而實行春玉米秸稈全量粉碎翻壓還田的背景下，如何利用氮素運籌方式來減少施氮量并保證后茬水稻穩產高產，是這種特殊的栽培模式要實現節本增效增收和可持續發展的重要途徑之一[9]。本文擬通過研究氮素運籌對水稻產量及構成、土壤氮素養分和有機質含量變化、土壤微生物群落數量動態，來剖析合理的氮素運籌方式對實現玉米秸稈全量翻壓還田條件下后茬晚稻穩產高產的內在機理，以期探索永州地區“春玉米+晚稻”的高產高效栽培模式。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2017年在永州市農科所八一農場開展大田試驗，供試晚稻品種為桃優香占；供試土壤為典型紅壤土：pH 值 6.22，有機質 21.63 g/kg，全氮 1.05 g/kg，全磷0.57 g/kg，堿解氮 164.31 mg/kg，速效鉀 104.94mg/kg，有效磷12.87 mg/kg。

試驗采用隨機區組設計，設置4個氮肥運籌處理，基肥∶蘗肥∶穗粒肥分別為 7∶3∶0（NM1）、6∶3∶1（NM2）、5∶3∶2（NM3）、4∶3∶3（NM4）。每個處理 3 次重復，小區面積60 m2。前茬春玉米秸稈全量粉碎翻壓還田，還田量為9 000 kg/hm2（干物質量），總施純N量為210 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5，氮磷鉀肥分別為尿素 （含 N 46.7%）、過磷酸鈣（含P2O511.8%）和氯化鉀（含 K2O 60%），磷肥作基肥一次性施入，鉀肥中基肥∶穗肥=6∶4。晚稻于6月17日播種，7月10日移栽，拋秧，密度為37.5萬叢/hm2左右。

表1 不同氮素運籌方式下晚稻產量及產量構成

表2 不同氮素運籌方式下水稻土壤的化學特性

1.2 測定項目及方法

1.2.1 產量及產量構成

于收獲前連續調查100叢水稻有效穗數，以平均有效穗數取樣5叢，帶回室內考種，計算每穗粒數、結實率、千粒重；小區水稻機收稱重后測定含水率，計算實際產量。

1.2.2 土壤理化特性

于分蘗期、抽穗期和成熟期“五點法”取0～20 cm土樣，堿擴散法測定土壤堿解氮，比色法測土壤脲酶活性，重鉻酸鉀稀釋熱法測土壤有機質含量。

1.2.3 土壤微生物

送至湖南農業大學生物科學技術學院進行測定，采用平板稀釋法。

1.3 數據處理

試驗數據用Excel 2010軟件進行統計分析，用SPSS 22.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 對晚稻產量的影響

如表1所示，水稻實測產量NM1處理顯著高于其他處理，分別較NM2、NM3、NM4處理高2.6%、5.3%、5.6%。產量構成因素方面，各處理水稻單位面積有效穗數表現為 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 處理顯著高于其他3個處理，NM2處理顯著高于NM3和NM4處理，NM3和NM4處理間差異不顯著，NM1和NM2處理有效穗數分別比NM4處理增加18.6%和12.5%，這與水稻實測產量差異規律一致；NM3、NM4處理每穗粒數顯著高于NM1、NM2處理；NM1處理水稻結實率顯著低于其他3個處理；各處理間水稻千粒重無顯著差異。

2.2 對土壤理化特性的影響

如表2所示，前茬玉米收獲后，土壤堿解氮和有機質含量較水稻田低，而脲酶活性表現則相反。各處理土壤堿解氮含量、有機質含量和脲酶活性隨著水稻生育時期推進逐漸降低，成熟期最低。土壤堿解氮方面，分蘗期各處理堿解氮含量表現為NM1＞NM2＞NM3＞NM4，差異顯著；抽穗期NM4處理顯著較NM1和NM2處理高；成熟期各處理間無顯著差異。土壤有機質含量在水稻分蘗期NM1、NM2處理顯著高于NM3、NM4處理，抽穗期和成熟期各處理無顯著差異。土壤脲酶活性分蘗期表現為 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 處理土壤脲酶活性較NM4高15.1%，差異顯著；在水稻抽穗期和成熟期各處理差異不顯著。

2.3 對土壤微生物的影響

2.3.1 對土壤微生物總量的影響

各時期土壤微生物總量與不同時期施氮量、有機質含量、土壤水分、溫度等因素密切相關。在前茬作物玉米秸稈全量還田條件下，微生物分解玉米秸稈將消耗大量氮素，故水稻土壤微生物總量與施氮量密切相關。如表3所示，水稻土壤中細菌、真菌和放線菌總量隨著水稻生育時期的推進迅速降低，成熟期最低。細菌是水稻土壤微生物的最大組成部分，分蘗期NM1處理土壤細菌總量顯著較高，分別較NM2、NM3、NM4處理高6.1%、6.0%和7.9%；抽穗期各處理表現為NM4＞NM3＞NM2＞NM1，且NM1和NM2處理土壤細菌總量顯著低于NM4和NM3處理；成熟期各處理無顯著差異。水稻土壤中真菌總量較少，前茬玉米收獲后土壤真菌總量最高，且各處理在水稻各生育時期土壤真菌總量差異皆不顯著。分蘗期各處理土壤放線菌總量表現為處理 NM1＞NM2＞NM3＞NM4，其中，NM1 處理顯著高于其他3個處理，NM2處理顯著高于NM3和NM4處理；抽穗期與分蘗期相反，其表現為NM4、NM3＞NM2＞NM1，各處理間差異顯著；成熟期土壤放線菌總量各處理間差異不顯著。

表3 不同氮素運籌方式下水稻土壤的微生物總量

表4 不同氮素運籌方式下水稻土壤主要微生物群落

2.3.2 對主要微生物群落的影響

土壤中氨化細菌、固氮菌和硝化細菌總量與土壤中有機質含量、土壤干濕程度、土壤含氮量等因素密切相關。土壤含氮量大、有機物中含氮量高有利于氨化細菌成長為優勢種群；反之，土壤含氮量低，土壤碳氮比高，有利于固氮菌生長；硝化細菌是將銨態氮轉化為硝態氮供植物快速利用的一類重要的好氧微生物，土壤銨態氮含量高，通氣性好有利于硝化細菌的生長。如表4所示，土壤氨化細菌數量隨著水稻生育期的推進逐漸減少，分蘗期NM1處理土壤氨化細菌數量顯著較高，分別較 NM2、NM3、NM4 處理多 1.8%、2.6%和3.5%；抽穗期NM3處理土壤氨化細菌數量較多，分別較NM1、NM2處理高4.6%、4.7%，差異顯著；成熟期各處理間無顯著差異。土壤固氮菌隨著生育期推進先略微增加而后減少，分蘗期、抽穗期和成熟期各處理間差異均不顯著。土壤硝化細菌數量隨著水稻生育期的推進逐漸減少，分蘗期以NM1、NM2處理土壤硝化細菌含量顯著較高；抽穗期以NM4處理較高，其中較NM2處理高1.9%，差異顯著；成熟期各處理間無顯著差異。

3 討論

研究發現，在秸稈不還田條件下，保持總施氮量不變而適度提高穗肥和粒肥比例，能有效保持水稻后期根系活力和葉片光合活力[10]，提高水稻單位面積總穎花數、每穗粒數、結實率、千粒重和產量，以及提高水稻氮素積累量和氮素利用效率等[11]。而在秸稈還田特別是秸稈全量還田條件下，水稻生育前期土壤微生物與水稻爭氮現象明顯，適當增加施氮量或保持施氮量不變而提高水稻基、蘗肥比例，能有效改善土壤結構和通氣性的同時，提高水稻產量[12-13]。但也有研究表明，即使在中低產田塊中實行秸稈還田，采用適度氮素后移，即基肥∶蘗肥∶穗粒肥為4∶3∶3的氮素運籌方式依然可以保持顯著增產，增產幅度達8.6%～15.9%[14]。本研究中，基肥∶蘗肥∶穗粒肥比例為 7∶3∶0 （NM1） 處理較 6∶3∶1（NM2）、5∶3∶2（NM3）、4∶3∶3（NM4）處理產量分別提高2.6%、5.3%、5.6%，且差異顯著，NM2處理產量也顯著高于NM3和NM4處理，提高基蘗肥比例可以實現增產。造成這一現象的可能原因是：玉米秸稈全量還田條件下，秸稈還田量高達14 047.8～14 832.1 kg/hm2（以產量∶秸稈=1∶2估算[9]），使得分蘗期微生物與水稻爭氮矛盾尤為突出。氮素前移可有效緩解這一矛盾，而后期玉米秸稈中的養分逐步釋放，也有利于水稻后期根系活力和光合活力的保持；氮素后移加劇了水稻生育前期水稻與微生物爭氮矛盾，不僅使水稻分蘗力降低，更可能導致微生物降解玉米秸稈過程受阻，秸稈內養分釋放速率減緩，反過來加劇水稻前期缺氮現象。

玉米秸稈中，N、P2O5和K2O含量分別約占0.9%、0.35%和1.45%[15]，秸稈還田勢必會增加土壤的養分含量、有機質含量和土壤微生物總量，改變群落結構和土壤酶活性[16]；另一方面，氮素運籌方式不同也會導致水稻土壤在不同生育時期的氮素養分、微生物活性和秸稈腐解速率的不同。研究發現，土壤中有機質、全N、全P、堿解N、速效P、速效K含量以及土壤脲酶活性和微生物N量均隨著秸稈還田量增加而增加，且土壤速效養分增幅較大[16-17]。3年定位試驗表明，玉米秸稈還田可有效增加土壤全氮和有機質含量；研究也發現，長期的玉米秸稈還田可使土壤有機質和速效鉀含量明顯提高，速效磷變化較小[18]，而土壤脲酶活性顯著增強[19]。小麥秸稈全量還田條件下，調整氮素運籌比例（由基蘗肥∶穗肥=5∶5、基肥∶分蘗肥=6∶4 優化為基蘗肥∶穗肥=6.5∶3.5、基肥∶分蘗肥=8∶2 時），可提高土壤礦質氮比例，降低土壤氮素表觀盈余[20]。韓明明等[21]研究表明，玉米秸稈還田條件下，提高基蘗肥比例可以顯著增加小麥土壤有機質含量和養分供應能力，而針對玉米秸稈還田條件下，氮素運籌對稻田土壤養分及酶活性變化的研究較少。本研究中，在玉米秸稈全量粉碎還田后，水稻分蘗期土壤堿解氮較前茬玉米收獲后增幅達39.3%～54.4%，至成熟期增幅約為21.2%；短期內水稻分蘗期稻田土壤有機質含量較前茬玉米收獲后顯著增加，增幅達17.3%～26.6%，至成熟期土壤有機質含量與前茬玉米收獲后相比略有增加，但不明顯；與旱地條件下秸稈還田不同，本研究中稻田土壤脲酶活性較前茬玉米收獲后明顯下降，可能是由于土壤通氣性降低的緣故。本研究中，水稻分蘗期土壤堿解氮含量、有機質含量和脲酶活性表現規律一致，即 7∶3∶0（NM1）＞6∶3∶1（NM2）＞5∶3∶2（NM3）＞4∶3∶3（NM4），可見氮素前移對水稻分蘗期土壤堿解氮、有機質含量和脲酶活性有顯著的提升作用；而成熟期各處理土壤堿解氮、有機質含量和脲酶活性幾乎都無顯著差異，可見氮素運籌方式對三者的影響主要集中在水稻生育前中期，其內在機理有待進一步研究。

秸稈中的有機質是土壤微生物的重要能源物質，氮素養分是土壤微生物重要的結構元素，土壤的C/N很大程度決定著土壤微生物總量的大小和微生物群落的結構，同時微生物總量大小和微生物群落結構組成又在很大程度上反應了土壤酶和微生物活性情況。張進良等[22]研究表明，玉米秸稈還田可顯著提高土壤細菌總量和比例，增加土壤真菌、放線菌和固氮菌的數量，但并不顯著。長期定位試驗發現，“玉米-水稻”輪作+秸稈還田能顯著增加土壤微生物總量（一般為好氣性細菌、真菌和放線菌）和土壤氨化細菌量，但固氮菌和硝化細菌總量無顯著變化[23]。張金濤[24]通過15N研究發現，在秸稈還田量為9 000 kg/hm2條件下，化學肥料氮素占微生物氮來源的比例隨著施氮量的增加而顯著增加，且發現秸稈全量還田條件下低氮素田塊需要補充施氮才不會減產。李濤等[25]利用苜蓿+玉米秸稈還田將還田秸稈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，秸稈還田后微生物總量（細菌、真菌和放線菌；固氮菌和硝化細菌）較前茬玉米收獲期均較低，氨化細菌在水稻分蘗期先略微增加后降低。這可能是水田通氣性變差導致大部分好氣性細菌生長受到抑制，而氨化細菌由于土壤氮素的大量增加，總量有一定的增加。土壤細菌、放線菌以及氨化細菌和硝化細菌總量變化呈一致規律，即水稻分蘗期氮素前移處理NM1和NM2較氮素后移處理NM3和NM4高，而反過來，抽穗期氮素后移的處理NM3和NM4較氮素前移處理NM1和NM2高，成熟期各處理間無顯著差異，可能是由于各處理水稻成熟期玉米秸稈腐解已大部分完成，土壤氮素水平特別是外源氮素水平均較低，導致成熟期微生物量和群落結構差異不顯著。而真菌和固氮菌在各處理和各時期間差異均不顯著，其機理還有待進一步研究。

4 結論

玉米秸稈全量還田條件下，基肥∶蘗肥∶穗粒肥為7∶3∶0（NM1）時產量最高，分別較 NM2、NM3、NM4 處理產量高2.6%、5.3%、5.6%，差異顯著。氮素前移顯著增加了NM1和NM2處理的單位面積有效穗數，較處理NM4增幅分別達18.6%和12.5%；顯著降低了每穗粒數，使NM1處理結實率顯著降低10.5%；各處理水稻千粒重無顯著差異。

玉米秸稈全量還田顯著提升了水稻分蘗期和抽穗期稻田土壤堿解氮和有機質含量，降低了土壤脲酶活性。氮素運籌方式對土壤理化特性影響主要集中在秸稈還田后至分蘗期，期間，土壤堿解氮、有機質含量和脲酶活性隨著基蘗肥比例的增加而增大，而抽穗期土壤堿解含量隨基蘗肥的增大而減少。

前茬玉米收獲后土壤中細菌、真菌、放線菌、固氮菌和硝化細菌量最高，且其總量隨著水稻生育時期的推進迅速降低，成熟期最低。水稻分蘗期土壤細菌、放線菌、氨化細菌、硝化細菌量隨基蘗肥比例的提高而增加，而抽穗期大致隨基蘗肥比例的提高而減少，成熟期各處理間無顯著差異；氮素運籌方式對土壤真菌、固氮菌量在水稻各生育時期均無顯著影響。