長期秸稈還田與氮肥調控對稻田土壤質量及產量的影響

張娟琴，鄭憲清，張翰林，呂衛光，李雙喜

(1.上海市農業科學院 生態環境保護研究所，上海 201403；2.上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；3.上海市農業環境保護監測站，上海 201403；4.農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，上海 201403；5.上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201403)

農作物秸稈作為地球上第一大可再生資源，我國秸稈產量約占全球產量的三分之一[1]，農業秸稈作為物質、能量和養分的載體，本身含有豐富的碳、氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種元素[2]，在倡導生態農業的大背景下，秸稈還田是農業資源再利用的最重要途徑，不僅可以減少對環境的污染，同時也可以提高資源再利用率[3-5]。大量研究表明，秸稈還田可以改良土壤結構、改善肥力狀況和養分循環，還可以提高農作物產量、維持農業生態平衡[6-7]，但是秸稈還田有可能存在重金屬污染的潛在風險，同時秸稈高碳氮比使其還田腐解過程中與作物爭奪氮肥，造成土壤氮肥相對缺乏，陳海飛等[8-9]研究發現秸稈還田后土壤耕層的碳氮比大約為 55～65∶1，而秸稈腐解適宜的碳氮比為 25～30∶1，所以需要配施適量的化學氮肥來解決微生物在分解秸稈的過程中與作物競爭土壤中氮素的矛盾。Nicholson等[10]也指出長期的秸稈還田致使硝酸氮類肥料以每年10～25 kg/hm2的速度減少。秸稈還田配施氮肥在不同程度上提高了土壤養分供應潛力[11]，在一定程度上可以提高作物產量[12]。秸稈還田對作物的產量效應主要取決于秸稈還田的方式、數量以及化學氮肥的施用量等。因此，長期秸稈還田條件下，如何科學調控氮肥，提高土壤質量和作物產量至關重要。已經有很多學者針對秸稈還田條件下氮肥的調控進行了研究。胡雅杰等[13]研究表明，秸稈全量還田條件下，氮肥并非越多越好，氮肥用量300 kg/hm2時，可有效提高水稻產量、干物質積累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸稈還田條件下氮肥調控對水稻長勢的影響發現，最佳氮肥施用量為163 kg/hm2。而汪軍等[15]認為秸稈還田條件下，太湖地區水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可獲得較高的產量和氮肥利用率。可能因為地域或土壤環境的差異，前人的研究結論不盡相同，因此，需要中長期定位試驗對秸稈還田條件下的氮肥調控對土壤質量的影響進行全面評估。本研究從土壤理化特性、重金屬含量、活性有機質、微生物量碳、碳管理指數及產量等表征土壤肥力、環境、健康等與土壤質量密切相關的指標入手，研究長期秸稈還田與氮肥調控對土壤質量及水稻產量的影響，以期為提高長三角地區秸稈資源利用率和改善土壤質量提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗處理設置

試驗基地位于崇明島三星鎮(31°4l′15″N，121°54′00″E)，屬北亞熱帶季風氣候，年均降水量1 003.7 mm，年均氣溫15.3 ℃，年均積溫2 559.60 ℃。試驗田為稻麥輪作，定位輪作年限為5年。供試土壤為潮土，初始肥力：pH值 8.43，土壤容重1.24 g/cm3，有機質24.91 g/kg，全氮1.91 g/kg、全磷2.40 g/kg、全鉀17.22 g/kg。試驗設5個處理：TB:秸稈不還田+N 300 kg/hm2、T0：秸稈全量還田+不施肥、T17：秸稈全量還田+N 255 kg/hm2、T20：秸稈全量還田+N 300 kg/hm2、T23：秸稈還田+N 345 kg/hm2，除氮肥外，各施肥處理磷肥和鉀肥用量分別為120,180 kg/hm2，作基肥一次性施入。氮肥采用分次施肥，基肥、蘗肥、穗肥分別占總施氮量的40%，30%，30%，其他管理措施均一致。還田的小麥秸稈量約為6.5 t/hm2，采用稻麥聯合收割機(帶秸稈粉碎裝置)收割的同時粉碎秸稈(8～10 cm)，均勻拋撒后采用旋耕機旋打18～20 cm的深度，每個小區面積為258 m2(43 m×6 m)，每處理設3重復。供試水稻為光明粳2號，水稻采用稻麥條播機直播，播種量為90 kg/hm2。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤樣品采集 水稻收割后，每小區S型采集耕層(0～20 cm)土壤10個樣點混勻為一個土壤樣品，樣品封裝后帶回實驗室。

1.2.2 樣品分析方法 全氮-凱氏定氮法、全磷-酸溶-鉬銻抗比色法、全鉀-氫氧化鈉熔融-火焰光度計法、速效氮-凱氏定氮法、速效磷-鉬銻抗比色法、速效鉀-火焰光度計法、pH采用電位法、土壤容重采用環刀法、有機質采用重鉻酸鉀容量法、活性有機質(LOM)采用333 mmol/L KMnO4氧化法、微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[16-17]，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr采用火焰原子吸收分光光度法(詳見GB/T17138-1997、GB/T17140-1997、HJ491-2009)，Hg采用冷原子吸收分光光度法(GB/T1736-1997)，As采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法分析(GB/T1734-1997)測定。

1.2.3 碳庫管理指數的計算 以對照處理土壤為參照(本研究以T0為參照土壤)，碳庫指數及碳庫管理指數等相關指標參照沈宏等[18]的方法計算。

碳庫管理指數(CPMI)=碳庫指數(CPI)×碳庫活度指數(AI)×100%

其中：CPI=農田土壤總有機質含量/參考農田總有機質含量；

AI=農田碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度(ACK)；

A=土壤活性有機質/土壤非活性有機質。

1.3 數據處理

試驗數據結果均以3個重復樣品的平均值來表示，采用Excel 2007和SPSS 13.0統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田與氮肥調控對土壤基本理化特性的影響

秸稈還田與不同氮肥調控水平對土壤基本理化性質的影響見表1，在全量養分方面，水稻收獲期土壤全氮、全磷、全鉀分別為1.62～2.21 g/kg， 1.73～2.41 g/kg， 15.90～18.52 g/kg，隨著氮肥施用量的增加，全氮、全磷、全鉀有升高的趨勢。T0處理速效氮、速效磷、速效鉀顯著低于其他處理，隨著氮肥施用量的增加，速效氮的含量增加；施肥量相同的條件下，秸稈還田處理T20較秸稈不還田處理TB速效氮、速效磷、速效鉀分別提高21.1%，8.9%，1.1%。各處理pH值8.43～8.55，土壤pH均呈堿性，各處理間并無顯著差異。容重是與土壤結構直接相關的物理特性之一，直接影響著土壤水、肥、氣、熱的狀況，一般含礦物質多而結構差的土壤(如砂土)，土壤容重為1.4～1.7 g/cm3，含有機質多而結構好的土壤(如農業土壤)為1.1～1.4 g/cm3，本試驗中土壤的容重為1.19～1.23 g/cm3，與TB相比較，其他處理土壤容重下降了2.50%～3.36%。

表1 秸稈還田與氮肥施用量對土壤理化特性的影響Tab.1 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on physico-chemical properties of soil

注：表中數據為3個數值的平均值±標準誤差；同列數據后不同字母表示處理間差異顯著 (P<0.05)。表2-3同。

Note: Date in the table are mean±SE,n=3； Different letters indicate a significant difference atP<0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 秸稈還田與氮肥調控對土壤重金屬含量的影響

經過5年的稻麥秸稈連續全量還田后，稻田土壤7種重金屬(全量)測定結果如表2，其中土壤汞、砷、鉛、鎘、鉻、銅、鋅含量分別為0.16～0.17 mg/kg，5.57～5.68 mg/kg，18.38～18.45 mg/kg，0.21～0.22 mg/kg，68.87～70.06 mg/kg，26.95～27.41 mg/kg，79.52～80.42 mg/kg。7種重金屬中僅砷的含量略有上升的趨勢，但差異并未達到顯著水平。根據國家環境保護局土壤環境質量標準(GB 15618)，試驗稻田土壤中砷、鉛、鉻、銅、鋅的含量均小于自然背景值，屬于一級標準，汞、鎘略大于一級標準的0.15，0.20 mg/kg的限制值，遠低于二級標準-農業生產土壤標準(pH>7.5，Hg≤1.00 mg/kg、Cd≤0.60 mg/kg)。

表2 秸稈還田與氮肥施用量對土壤重金屬含量的影響Tab.2 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on concentration of heavy metals in soil mg/kg

2.3 秸稈還田與氮肥調控對土壤活性有機質含量、微生物量碳、碳庫管理指數的影響

從表3中可以看出，秸稈還田5年后，秸稈還田處理土壤活性有機質、總有機質及微生物量碳與TB相比分別提高了0.522～1.081 g/kg，1.80～1.83 g/kg，135.54～162.40 mg/kg。秸稈還田條件下，T17、T20、T23的活性有機質、微生物量碳較T0分別提高了41.67%～43.61%，38.17% ～40.23%，但是總有機質的差異不顯著。本試驗中秸稈還田處理較秸稈不還田的TB處理碳庫管理指數提高了39.67%～85.30% ，顯著提高碳庫管理指數(P<0.05)，增加土壤碳庫。

表3 秸稈還田條件下氮肥調控對土壤活性有機質含量、微生物量碳、碳庫管理指數的影響Tab.3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on organic matter content, microbial biomass carbon, carbon pool management index of soil

注：LOW. 活性有機質；TOM. 總有機質；MBC. 微生物量碳；CPMI. 碳庫管理指數。

Note: LOW. Labile organic matter; TOM. Total organic matter; MBC. Microbial biomass carbon; CPMI. Carbon pool management index.

2.4 秸稈還田與氮肥施用量對水稻產量的影響

水稻產量是評價農田地力的重要指標，本研究中各處理水稻產量為8 610～12 030 kg/hm2，施肥處理的TB、T17、T20、T23比不施肥處理T0處理水稻產量高出31.01%，33.80%，38.67%，39.38%；施肥量相同的T20較TB水稻產量增加5.85%；隨著氮肥的增加T20、T23較 T17增加了3.64%～4.17%(圖1)。

圖中數據為3個數值的平均值±標準誤差，標準誤差≤5%；圖中不同字母表示處理間差異顯著 (P<0.05)。Date in the figure are mean±SE, n=3, SE≤5%；Different letters indicate significant difference at P<0.05.

3 討論與結論

秸稈還田條件下，隨著氮肥施用量的增加，土壤氮、磷、鉀等養分含量上升，尤其是與作物生長密切相關、反映土壤近期養分供應情況的速效氮、速效磷(除了T23)、速效鉀的含量隨氮肥量的增加顯著上升(P<0.05)。崔新衛等[6]研究了秸稈覆蓋還田條件下冬小麥-夏玉米輪作的農田耕層土壤速效養分動態變化，表明秸稈還田可以顯著提高速效養分的含量。鄧巧玲等[19]研究稻-油輪作得出相似的結論。本試驗中施肥量相同的條件下，秸稈還田處理T20較秸稈不還田處理TB速效氮、速效磷、速效鉀分別提高21.1%，8.9%，1.1%。勞秀榮等[20]通過25年的定位盆栽試驗也發現秸稈還田與化肥配合施用可以有效地增加速效養分的含量，改善土壤的物理性狀、培肥土壤。王永吉[21]通過寒地稻草還田與施氮對土壤氮素影響的研究，認為水稻分蘗期土壤無機氮的含量隨著稻草還田量的增加而下降，但是成熟期土壤無機氮正好相反。諸多的研究已經證實了秸稈還田配施氮肥在不同程度上提高了土壤養分供應潛力[11]，在一定程度上可以提高作物產量[12]。但是關于氮肥配施量卻未達成共識，胡雅杰等[13]研究表明，秸稈全量還田條件下，氮肥用量300 kg/hm2(基肥∶分粟肥∶穗肥=4∶3∶3)時，可有效提高水稻產量、干物質積累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸稈還田條件下氮肥調控對水稻長勢的影響發現，最佳氮肥施用量為163 kg/hm2。而汪軍等[15]認為秸稈還田條件下，太湖地區水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可獲得較高的產量和氮肥利用率。魏海燕等[22]研究認為秸稈不還田下機插稻適宜的施氮量為300 kg/hm2。本研究通過土壤質量、產量等對比研究，結果表明秸稈全量還田的條件下，氮肥的合理配施量為300 kg/hm2，與胡雅杰等[13]研究結論一致。秸稈還田條件下，氮肥的配施量可能與地域、土壤環境、種植模式、水肥運籌等相關，實際生產中應根據具體情況因地制宜，避免化肥的過量施用造成資源浪費、環境污染。焉莉等[23]研究了施肥方式對東北玉米種植區氮磷流失的影響，發現秸稈還田可明顯降低22.9%的全氮流失負荷及15.1%的全磷流失負荷。本試驗在借鑒前期水肥運籌試驗數據的基礎上，研究了秸稈全量還田條件下氮肥調配及土壤質量的響應，可以為長三角地區秸稈還田條件下，氮肥的配施提供依據，不足之處是未對氮肥利用率進行考證。

秸稈還田是否增加重金屬污染風險，前人的研究所得結論不同[24]。湯文光等[25]研究長期不同耕作與秸稈還田對土壤養分庫容及重金屬Cd的影響認為秸稈還田后秸稈中富集的Cd重新歸還到稻田土壤中，有Cd的積累風險。諸多研究表明，秸稈還田會造成重金屬活性的改變從而增加土壤重金屬污染的風險。倪中應等[26]研究了污染秸稈還田配施石灰對水田土壤銅、鋅、鉛、鎘活性的影響，結果表明,秸稈還田前20 d顯著增加了水溶性重金屬的含量，但60 d后秸稈還田對土壤重金屬活性的影響逐漸變得不明顯。大部分學者認為，施用有機物料帶入大量的水溶性有機物，從而提高了土壤中重金屬活性和遷移能力，增加了重金屬污染風險[24]。本研究表明，經過5年的稻麥秸稈連續全量還田后，各處理土壤汞、鉛、鎘、鉻、銅、鋅6種重金屬(全量)未出現積累現象，僅砷的含量略有上升的趨勢，但差異并未達到顯著水平。pH值作為影響土壤生物和化學活性的重要指標之一，是影響重金屬活性的關鍵因素，本試驗中土壤pH值差異小且偏堿性，所以未對重金屬的活性進行監測。鑒于試驗稻田土壤中砷含量有上升趨勢，汞、鎘含量超過一級標準，這可能與農業投入品使用有關，因此，日后的農業管理加強有機肥、農藥等農業投入品的管理，注意防范有害物質的污染風險。

秸稈還田直接影響土壤有機質的含量，有機質不僅影響土壤的結構、容重等物理性狀，而且還影響土壤的保肥與供肥性能[27]。碳庫管理指數是農業管理措施引起土壤有機質變化的指標，它能系統的、靈敏的反映土壤碳庫及土壤質量的變化[28]。本試驗中秸稈全量還田條件下，隨著氮肥施用量的增加碳庫管理指數呈上升趨勢，這可能與適量施用氮肥可以降低土壤碳氮比，有利于微生物生長，從而加快秸稈腐解有關，微生物碳量隨氮肥施用量的增加而增加，間接驗證了這一結論。鄧巧玲等[19]研究稻-油輪作指出長期秸稈還田增加細菌和叢枝菌根真菌含量，提高了土壤微生物多樣性和穩定性。李有兵等[29]認為秸稈還田后其自身所含有機碳礦化大部分以CO2形式釋放于大氣，對土壤總有機碳含量的影響較小；與本試驗的結論一致，秸稈還田主要影響土壤活性有機質、微生物量碳的含量，對總有機質的影響較小。秸稈還田后合理的配施氮肥不僅可以避免氮肥的相對缺乏而出現的“僵苗”現象，同時可以促進秸稈腐解、培肥土壤，增加作物產量。陳新紅等[30]研究表明，秸稈還田后水稻前期會出現氮肥缺乏，但抽穗后秸稈分解釋放的氮肥促進其生長，從而增加水稻產量。

總之，無污染的秸稈還田后，合理的配施氮肥(300 kg/hm2)不僅可以避免秸稈腐解過程中與作物爭奪氮肥，而且可以促進土壤碳、氮的更新，培肥土壤，提高產量，改善土壤質量。