秸稈還田與優化施氮對稻田土壤碳氮含量及產量的影響

吳立鵬，張士榮，婁金華，魏立興，孫澤強，劉盛林，丁效東

(1.青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109；2.東營市農業科學研究院，山東 東營 257091；3.山東省農業科學院 農業資源環境研究所，山東 濟南 257091)

山東省有約 6 000 km2的鹽堿地，主要分布于黃河三角洲地區[1]。作為我國重要的商品糧和后備土地資源基地，黃河三角洲具有地勢平坦、光照充足、水源豐富等優勢。所以2009年，國務院批復了建設高效生態經濟區的發展規劃，2015年又批準設立了黃河三角洲農業高新技術產業示范區，充分顯示了該區域的戰略地位。但土壤鹽漬障礙限制了黃河三角洲高效生態農業和區域經濟的發展[2]，如何消減鹽漬障礙成為黃河三角洲地區亟待解決的重要課題。鹽堿化土壤中有機質、速效氮、速效磷等養分狀況和土壤含鹽量關系很大[3-4]。黃河三角洲土壤具有“鹽、板、瘦”的特點，鹽分以氯化物為主，鹽堿農田普遍缺氮、貧磷、少有機質。受鹽堿障礙影響，化肥利用率低于全國平均水平[5]。化肥施用量大、作物產量低導致的農業高投入、低產出現狀難以為繼，特別是在濱海鹽漬化土壤水稻種植過程中。

稻田土壤質量及水分管理[6]、病蟲害防治、優質品種選育[7]及合理優化施肥[8]等影響著水稻產量的高產穩產。其中，合理優化施肥對培肥土壤、改善土壤環境具有關鍵作用[9-10]，同時可以增強水稻的抗逆性[11]。傳統種植習慣農戶為追求作物產量的穩產高產而大量使用化學肥料，從而造成肥料的利用率降低，土壤肥力下降，以及土壤養分大量流失。人們熟知添加外源有機物質是提高土壤肥力的有效手段，但是黃河三角洲水稻種植屬于單季稻模式，長期以來偏愛氮肥，忽視秸稈還田模式導致了當地土壤有機質含量降低，造成土壤固肥較差，加之當地傳統種植習慣，為減少鹽害采用“深灌-大排”式的灌溉洗鹽，從而加劇了稻田土壤中氮素淋失風險[12]。

有機肥與化學肥料配施在培肥土壤、提高土壤肥力以及增加作物產量等方面具有重要的意義[13]。以往鹽堿土改良研究多圍繞脫鹽展開。伴隨著水稻種植過程中鹽分的排出，大量的可溶性養分和有機物也從上層土壤中淋失，其結果不僅降低了土壤的肥力水平，也加劇了濱海濕地及近海水域的環境污染。另一方面，土壤肥力水平的提高離不開有機質(碳)的作用，因而碳循環過程對鹽堿農田氮素養分增效有不可忽視的影響。因此，從碳-氮相互作用入手，研究黃河三角洲水稻種植過程中秸稈還田模式下碳氮循環途徑，探明秸稈還田及氮肥優化施用措施對鹽堿農田氮素養分增效的機理，不僅能為濱海鹽堿農田地力提升、化肥增效提供理論指導，也能為改善濱海濕地和近海水域的生態環境提供科學依據。針對上述科學問題，本研究通過2016-2017年2 a微區試驗研究了秸稈還田與優化施氮對稻田土壤有機質、可溶性有機碳、銨態氮、硝態氮、微生物碳氮含量及水稻生長特征的影響，進而為濱海鹽堿地的水稻種植進行合理優化施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

該試驗連續2 a(2016年5月-2017年10月)于山東省黃河三角洲墾利縣李王村(N37°31, E118°33)進行。該地土壤類型以濱海鹽化潮土為主，其中土壤質地為砂質壤土。0～20 cm耕層土壤基本理化性質(2016年)：含鹽量0.29%，pH值8.1，有機質8.4 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷340 mg/kg，全鉀1.10 g/kg，速效磷17.0 mg/kg，速效鉀229.0 mg/kg。試驗種植水稻以單季稻種植，其中品種為津粳253，進行插秧栽培方式。插秧以每穴插秧5株，行距為13 cm，株距為25 cm。肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O516%)、硫酸鉀(含K2O 50%)。其中秸稈還田采用水稻秸稈(C，40%)粉碎至5 cm施用。

1.2 試驗設計

試驗設秸稈還田與氮肥兩因素，3個碳(秸稈還田)水平：C0：0 kg/hm2(無秸稈還田)；C1：秸稈還田4 500 kg/hm2；C2：秸稈還田9 000 kg/hm2。2個氮水平：N1：255 kg/hm2(優化施氮肥)；N2：400 kg/hm2(農民傳統施氮)。小區面積為20.05 m2，試驗區組之間設置60 cm寬的排灌溝，排灌溝中央開挖寬度和深度各25～30 cm的走水溝。全部小區實行單排單灌。水稻生育期施用磷素(P2O5)128 kg/hm2，鉀素(K2O)229 kg/hm2。其中氮肥做基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥施用，施用量分別占比為20%，40%，20%，20%；磷肥全部作基肥；鉀肥分2次施用，分蘗肥和穗肥各50%；分蘗期時施用硫酸鋅7.5 kg/hm2。試驗期間水分管理及病蟲害防控按照當地農戶常規種植管理。

1.3 土壤樣品采集及指標分析測定

1.3.1 土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸提取法 土壤微生物量氮(MBN)、微生物量碳(MBC)：氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機氮之差除以KE(0.45)得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機碳之差除以KE(0.38)得到。

1.3.2 土壤可溶性有機碳 土壤可溶性有機碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提，采用TOC儀測定有機碳。

1.3.3 有效穗數測定 在水稻分蘗后期，于水稻第5行第3穴進行掛牌定位，調查分蘗數，直到分蘗數不再變化為止；在水稻齊穗期時，根據掛牌位置調查有效分蘗數。

1.3.4 水稻根系掃描 于水稻分蘗期與成熟期時，不破壞根系情況下，對各試驗小區分別采集水稻植株3棵，將獲得的完整根系使用緩流沖洗干凈，在根系掃描儀EPSON(PERFECTION C700)上進行掃描，分析后獲得根長、根表面積和根體積等指標參數。

1.3.5 產量測定及計算 于成熟期時人工割取3 m2水稻，連同秸稈一并裝入尼龍網袋中并使用吊牌做好標記，進行考種。測定鮮質量后，于烘箱中烘干，計算含水量，按照干質量及水稻含水14%計算產量。

1.4 數據分析

數據的匯總整理采用Microsoft Excel；統計分析采用SPSS 17. 0，顯著性檢驗為LSD法。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田與氮肥配施對土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)含量及其比值的影響

從表1中可得，水稻分蘗期與成熟期，秸稈還田與氮肥配施可有效提高濱海鹽堿土壤有機碳含量，且均以C2N2處理時濱海鹽堿水稻土壤有機碳含量最高，分別為4.81，5.88 g/kg。同一氮肥施用量，土壤有機碳含量均隨秸稈施用量的增加而呈現增加趨勢。分蘗期，當氮肥施用量為N1(255 kg/hm2)時，與C0、C1相比，C2處理的有機碳含量分別提高了100.46%，28.06%。秸稈還田處理相同時，不同氮肥施用水平下的土壤有機碳含量差異不顯著(P>0.05)。伴隨水稻生長，土壤有機碳含量均呈現不同程度提高，其中以C1N1處理時增加最為明顯，較分蘗期時，土壤有機碳含量增加了54.03%。秸稈對土壤有機碳具有極顯著的影響(P<0.01)，能夠顯著增加土壤有機碳含量。

水稻分蘗期，相同秸稈還田處理時，土壤全氮含量隨氮肥施用量的增加而顯著增加(P<0.05)，其中以C2N2處理時全氮含量最高為0.69 g/kg，且與C0N2處理差異顯著(P<0.05)。同一施肥水平，秸稈還田可增加土壤中全氮含量。水稻成熟期時以C1N1處理時土壤全氮含量最高為0.95 g/kg，且與C0N2處理差異顯著(P<0.05)，較分蘗期增加了120.93%。秸稈對土壤全氮具有顯著的影響(P<0.05)，能夠顯著增加土壤全氮含量。

水稻分蘗期與成熟期土壤SOC/TN比值基本維持在4～10,且同一秸稈還田量(C1或C2)時，各處理之間差異不顯著(P>0.05)。在相同的氮肥施用水平，分蘗期與成熟期各處理SOC/TN比值隨秸稈還田量的增加呈現增加趨勢，均是以C2處理土壤SOC/TN比值最大。秸稈還田對土壤SOC/TN比值具有顯著的影響(P<0.05)，能夠顯著增加土壤全氮含量。

2.2 秸稈還田與氮肥施用對土壤中銨態氮硝態氮和可溶性有機碳含量的影響

表1 秸稈還田與氮肥施用對土壤有機碳、全氮含量及其比值的影響Tab.1 Effects of straw returning and N fertilization on SOC, TN and SOC/TN in soil

注：C.秸稈還田；N.氮肥；數值后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平；*、**與NS分別代表達到5%，1%顯著水平與不顯著。表2-5同。

Note：C. Straw returning；N. Nitrogen fertilization；Different letters after the value indicate a difference of 5% level between treatments；*，**. Significant difference at 5%,1% levels and NS no significant, respectively. The same as Tab.2-5。

表2顯示秸稈還田顯著增加了土壤中可溶性有機碳含量(P<0.05)，此外隨著水稻的生長發育，與分蘗期相比，成熟期時可溶性有機碳含量呈現不同程度的降低。水稻分蘗期與成熟期土壤可溶性有機碳含量(DOC)最高值均為C1N1處理，其中分蘗期為57.02 mg/kg，成熟期為47.51 mg/kg。在施氮量相同時，隨著秸稈還田量的增加可溶性有機碳含量呈現先增加后減少的趨勢；同一秸稈還田量，土壤可溶性有機碳含量隨氮肥施用量的增加呈現降低的趨勢。

表2 秸稈還田與氮肥施用對土壤銨態氮、硝態氮和可溶性有機碳含量的影響Tab.2 Effects of straw returning and N fertilization on the contents of and DOC in soil mg/kg

2.3 秸稈還田與氮肥施用對土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影響

表3結果顯示，秸稈還田對濱海鹽堿稻田土壤微生物量碳的含量造成極顯著影響(P<0.01)。在同一施用氮肥水平下，秸稈還田量的增加使得土壤微生物量碳含量呈先增加后降低的趨勢，其中以C1N1處理的微生物量碳含量最高，水稻分蘗期與成熟期最高值分別為87.3，98.5 mg/kg，較C0N1處理分別提高了134.07%，145.13%，較C2N1分別提高了14.43%，20.48%。在同一秸稈還田情況下，土壤微生物量碳含量隨氮肥用量的增加呈現降低的趨勢，以N1處理時含量最高。未添加秸稈的處理，提高氮肥施用量，土壤微生物量碳含量之間差異不顯著(P>0.05)，其中伴隨水稻生長，未添加秸稈處理的土壤微生物量碳含量變化在37.2～44.2 mg/kg，幅度變化小。秸稈還田可顯著增加土壤微生物量碳含量。

從表3可以看出，秸稈還田對濱海鹽堿稻田土壤微生物量氮含量有極顯著影響(P<0.01)。土壤中微生物量氮含量變化趨勢與土壤微生物量碳相似，同一施用氮肥水平下土壤MBN含量隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的趨勢，且秸稈還田可顯著增加土壤中微生物量氮的含量(P<0.05)。在同一秸稈還田情況下，土壤微生物量碳含量隨氮肥用量的增加呈現增加的趨勢，以N2處理時含量最高。

水稻分蘗期與成熟期，各處理土壤MBC與MBN的比值(MBC/MBN)比較低，處于2～4，其最大值分別為3.9，3.7。同一秸稈還田處理下，MBC/MBN比值隨施用氮肥量的增加而降低，而同一施氮水平下其比值隨秸稈還田量的增加而增加。

表3 秸稈還田與氮肥施用對土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影響Tab.3 Effects of straw returning and N fertilization on MBC,MBN and MBC/MBN in soil

2.4 秸稈還田與氮肥施用對水稻分蘗期、成熟期根系形態的影響

由表4可以看出，分蘗期時增加氮肥施用量可顯著增加水稻根長(P<0.05)，到了成熟期秸稈還田可顯著增加水稻根長(P<0.05)，其中以C2N2處理根長最長為5 802.0 cm。兩時期，相同氮肥的施用量，隨著秸稈還田量的增加根系長度隨之增加。秸稈還田與氮肥施用顯著增加了水稻分蘗期與成熟期水稻的表面積(P<0.05)，相同的秸稈還田量處理增加氮肥施用量沒有增加其表面積反而有減少趨勢。同一氮肥施用量隨著秸稈還田量的增加，水稻表面積呈現先增加后減少的趨勢。其中以C1N1時表面積最大，兩時期分別為787.1，2 036.6 cm2，較C0N1分別增加了132.21%，101.225%，較C2N1分別增加了34.36%，20.29%。與水稻根系表面積類似，相同氮肥處理增加秸稈還田量水稻分蘗期與成熟期根系體積，呈現先增加后降低趨勢；同一秸稈還田量，增加氮肥施用量則降低了根系體積。其中均以C1N1處理時根系體積最大，分別為14.1，57.6 cm3。

表4 秸稈還田與氮肥施用對水稻根系形態的影響Tab.4 Effects of straw returning and N fertilization on root morphology of rice

2.5 秸稈還田與氮肥施用對水稻產量及其構成因素的影響

由表5可以看出，秸稈還田顯著增加了水稻的產量和水稻株高(P<0.05)，其中以C1N1處理時產量最高，為9 489.15 kg/hm2，其次為 C1N2、C2N1和C2N2處理。與農民傳統施肥管理(C0N2)相比，秸稈還田與優化施氮(C1N1)處理水稻產量提高19.02%。從產量構成因素來看，施用氮肥可明顯增加水稻的有效穗數，其中以C1N2處理最高，當秸稈的施用量相同時，氮肥施用量高的比氮肥施用量低的處理有效穗數分別增加22.83%，6.49%，7.52%，這說明秸稈還田有利于增加水稻有效穗數的提高；而結實率則與有效穗數相反，同一秸稈施用，隨著氮肥施用量的提高則呈現下降的趨勢，其中C1N1處理最高，其次為 C2N1處理。另外一次枝梗數各處理間無顯著性差異(P>0.05)，而二次枝梗數C1N1處理則與其他處理差異顯著(P<0.05)。同一氮肥施用量，隨著秸稈還田量的增加水稻千粒質量呈現先增加后減少的趨勢，均以C1處理時水稻千粒質量最大。由此可見，合適的碳氮配比(C1N1處理)可顯著促進水稻產量、成熟期水稻結實率、二次枝梗數(P<0.05)。

表5 秸稈還田與氮肥施用對水稻產量及其構成因素的影響Tab.5 Effects of straw returning and N fertilization on rice yield and its components

3 討論與結論

3.1 秸稈還田與優化施氮對濱海鹽堿地稻田土壤肥力特征的影響

據全國第2次土壤普查統計，我國耕地土壤中有機質含量為10～20 g/kg，其中華北地區最低[14]。多項研究表明，秸稈還田可以提高土壤有機質含量，增強土壤固碳能力[15-17]。此外，我國作為農作物秸稈產量最大的國家之一，每年秸稈量約7億t，然而秸稈還田率不足50%[18]。Thomsen等[19]研究表明，每年向土壤中分別施入8，12 t/hm2的黑麥草秸稈時，土壤中的碳含量會分別提高21%，30%。本試驗研究發現，與未添加秸稈(C0)處理相比，秸稈還田處理可顯著增加土壤有機碳含量(P<0.05)。此外，秸稈還田還顯著增加土壤可溶性有機碳含量，這與裴鵬剛等[20]研究結果一致，秸稈還田與優化施氮顯著提高土壤DOC含量。可溶性有機炭含量作為土壤中最為活躍的部分，可以為微生物活動提供直接的動力，本研究發現，同一碳量輸入(秸稈還田)時，隨氮肥施用量增加，土壤可溶性有機碳含量降低，這可能與土壤微生物活性相關，適量氮素供應可促進微生物活性，進而加速對土壤有機物質礦化，而過量氮素供應則與之相反[21]。

土壤微生物是土壤中乃至陸地生態系統的重要組成部分和最活躍的部分，能夠分解轉化有機物質，其多樣性和生物量與土壤微生物碳量密切相關[22]。土壤不同C/N比對根際土壤微生物種類、數量、比例及土壤酶活性的影響較大，調節根際土壤養分轉化過程，影響作物生長發育[23]。龐荔丹等[24]研究發現，相同氮水平下，土壤微生物量碳含量在第45天時隨秸稈還田量增加而增加。本研究結果表明，適量秸稈還田顯著提高土壤微生物量碳、氮含量，以秸稈還田量4 500 kg/hm2與氮肥施用量255 kg/hm2時最高，而氮肥過量施用反而降低土壤微生物量碳、氮含量。由此可知，秸稈還田時需配合適量氮肥調節土壤碳氮比可以穩定土壤碳氮含量。

3.2 秸稈還田與優化施氮對濱海鹽堿地稻田土壤供氮能力及水稻生長的影響

氮素作為植物生長發育必不可缺少的大量元素之一，在傳統農業中農民為追求作物穩產高產而大量施用氮肥。據統計，2016 年中國化肥用量已經達到 5 984×104t，過量氮肥施用造成氮肥的利用效率逐年降低，低于歐美等發達國家10%～15%(我國氮肥利用率為30%～35%)[25-26]。在黃河三角洲地區土壤具有鹽漬化現象、有機質含量較低，土壤保肥性能較弱[27]。據研究報道，秸稈還田可提高土壤有機質含量，進而促進團粒結構的形成，有效提高土壤保肥能力，降低銨態氮與硝態氮淋失[28]。汪軍等[29]研究發現，秸稈與氮肥配施可降低田面水和滲漏水中氮素濃度，有效提高氮肥利用率。而氮肥過量施用反而降低土壤氮素利用效率，導致水體富營養化[30]。研究表明，秸稈還田與氮肥配合施用，能有效提高土壤全氮含量，提高氮肥利用率[15]。本研究結果表明，同一氮肥施用水平，秸稈還田可增加土壤全氮含量，與成臣等[31]研究結果一致。研究還發現，與分蘗期相比，C1N1處理時在水稻成熟期土壤全氮含量(0.95 g/kg)提高120.93%，表明秸稈還田量為4 500 kg/hm2，氮肥施用量為255 kg/hm2時土壤全氮量最高。

秸稈還田與優化施氮，土壤銨態氮和硝態氮含量高于未施用秸稈時，且以C1N2處理時含量最高。而秸稈還田量相同時，氮肥過量施用則降低水稻產量。與未秸稈還田處理相比，適量秸稈還田(4 500 kg/hm2)與優化施氮(255 kg/hm2)處理稻田土壤硝態氮、氨態氮含量最高，進而提高水稻結實率、千粒質量及產量。

在本試驗條件下，秸稈還田與氮肥配施有效提高濱海鹽堿地稻田土壤有機碳、微生物量碳、氮及可溶性有機碳。土壤有機碳含量隨秸稈還田量增加而增加，水稻分蘗期時土壤中全氮含量以C2N2處理最高，到了成熟期以C1N1處理為最高。與土壤銨態氮、硝態氮相比，秸稈還田與氮肥配施對濱海鹽堿地中可溶性碳含量增加差異性顯著。土壤中微生物量碳、氮含量以秸稈還田量為C1即4 500 kg/hm2時最優。C1N1處理(255 kg/hm2與水稻秸稈還田量為4 500 kg/hm2)優于其他處理。與農民傳統施用氮肥400 kg/hm2相比，C1N1處理使水稻產量增加了19.02%。在濱海鹽堿地農業生產中合理搭配氮肥施用與秸稈還田，有利于獲得較高的土壤肥力。同時，極大地節約了生產成本，降低了環境風險。