秸稈還田方式對草甸土有機碳和硝態氮分布特征的影響
2019-12-30 01:45:36李玉梅王根林劉崢宇張冬梅李艷蔡姍姍
安徽農業科學 2019年24期
李玉梅 王根林 劉崢宇 張冬梅 李艷 蔡姍姍
摘要? [目的]研究不同耕法與秸稈還田方式下草甸土不同深度土層中有機碳（SOC）和硝態氮（N）的分布特征，為有效利用秸稈培肥土壤提供依據。[方法]采用田間定位試驗，研究3種耕法（免耕、淺翻、深翻）與3種秸稈還田方式（覆蓋還田、淺翻還田、深翻還田）條件下，不同時期、不同深度土層中SOC與硝態N的變化。[結果]無論秸稈是否還田，不同耕法下土壤硝態N含量隨生育進程均表現為先升高再降低的趨勢，苗期>成熟期>播種期;無秸稈還田條件下，3種耕法處理土壤硝態N含量隨土層深度增加而降低，40～50 cm土層均沒有出現硝態N富集現象，淺翻與深翻分別對10～20和20～30 cm土層硝態N含量影響較明顯;深翻處理0～30 cm土層SOC含量比免耕和淺翻分別降低8.75%、9.53%;秸稈還田條件下，不同時期土壤硝態N總積累量不同。苗期以深翻還田處理積累量較大，比淺翻還田和免耕覆蓋分別增加8.15和9.57 mg/kg;成熟期硝態N總積累量以免耕覆蓋處理最大，比淺翻還田和深翻還田分別提高19.23%和14.68%;深翻還田30～40 cm土層SOC含量比免耕覆蓋和淺翻還田分別增加3.33和3.86 g/kg。[結論]同一耕法，短期內連續有秸稈還田處理土壤硝態N含量低于無秸稈還田處理，秸稈還田深度影響不同深度土層中SOC的含量。
關鍵詞? 草甸土;秸稈還田;有機碳;硝態N;分布特征
中圖分類號? S-3;S158.2??? 文獻標識碼? A
文章編號? 0517-6611（2019）24-0063-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.021
Effects of Straw Returning Methods on Distribution Characteristics of Organic Carbon and Nitrate-N in Meadow Soil
LI Yu-mei1， WANG Gen-lin2， LIU Zheng-yu3 et al
（1.Institute of Soil Fertility and Environmental Resources，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;2.Institute of Animal Husbanbry of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;3.Heilongjiang Suibin Farm， Suibin，Heilongjiang 154213）
Abstract? [Objective]The research aimed to study the distribution characteristics of organic carbon （SOC） and nitrate nitrogen （N） in different depths of meadow soil under different tillage methods and straw returning methods， and provide a basis for effective use of straw to fertilize soil.[Method]Field positioning experiment was conducted to study the changes of SOC and nitrate-N in soil layers of different periods and depths under the conditions of three kinds of tillage methods （no-tillage， shallow tillage， deep tillage） and three kinds of straw returning methods（covering returning fields， shallow tillage turning field， deep tillage turning field）.[Result]The trend of soil nitrate-N content was increased first then decreased with the growth process whether the straw was returned to the field， seedling stage>maturation period> sowing date.The soil nitrate-N distribution under three kinds of tillage was decreased with the depth of soil layer decreasing without straw， and there was no nitrate-N enrichment in 40-50 cm soil layer in the short term， at the same time the nitrate-N content in 10-20 cm and 20-30 cm soil layers was respectively influenced by shallow tillage and deep tillage.The SOC content was effected at deep tillage in 0-30 cm soil layer， which was lower 8.75% and 9.53% than that in no-tillage and shallow tillage.After the straw was returned to soil， the total accumulation of soil nitrate N in different periods was different.In the seedling stage， the accumulation of nitrate-N in the deep tillage turning field was larger， which was 8.15 and 9.57 mg/kg higher than that of shallow-turning and no-tillage. But in the mature period， it was the largest in the no-tillage treatment， which was 19.23% and 14.68% higher than that of the shallow tillage turning field and the deep tillage turning field.The SOC content with deep tillage turning field in 30-40 cm soil layer was higher 3.33 and 3.86 g/kg separately than no-tillage and shallow tillage turning field.[Conclusion]In the same tillage method， the soil nitrate N content in the short-term continuous straw returning treatment was lower than that without straw returning， and the straw returning depth affected the SOC content in different depth soil layers.
Key words? Meadow;Straw return;Soil organic carbon;Nitrate-N;Distribution characteristics
基金項目? 國家重點研發計劃項目（2016YFD0300806）;國家重點研發計劃省級資助項目（GX18B013）;黑龍江省重點基金項目（ZD2016008，LBH-Q14148）。
作者簡介? 李玉梅（1971—），女，四川射洪人，研究員，博士，從事土壤修復與培肥研究。*通信作者，研究員，碩士，碩士生導師，從事作物耕作與栽培研究。
收稿日期? 2019-06-21
硝態N是植物吸收氮素的主要形態之一，由于硝酸根離子不易被土壤膠體吸附，隨土壤溶液移動，因此更易造成氮素損失和地下水污染。長期以來，以追求產量為目標的高化肥投入，帶來肥料利用率下降、土壤氮素流失的同時，土壤肥力下降，作物產量降低[1]。秸稈還田是增加土壤有機質、提高土壤肥力的有效途徑[2]，秸稈中大量有機碳的介入影響土壤N礦化/固持過程的時間和強度，從而影響土壤無機N的動態變化[3]。不同秸稈還田方式對土壤無機N的分布與積累影響不同[4-5]。楊振興等[6]研究表明，在投入150 kg/hm2無機N的前提下，無秸稈還田、秸稈覆蓋還田、粉碎還田及過腹還田旱地土壤剖面硝態N累積量均在80 cm土層以下出現了明顯的硝態N積累峰，秸稈覆蓋還田雖然累積量最少，然而在200～300 cm的累積量卻占總累積量的25.63%，硝態N 淋失的風險最高。中層黑土連續免耕和翻耕6年，玉米小區土壤硝態N含量呈自上而下遞減，表層和亞表層硝態N含量高于底層，而大豆小區免耕土壤硝態N有向底土層富集的現象，隨時間延長，免耕對土壤硝態N淋失的影響開始顯現[7]。東北旱地草甸土由于長期耕種和機械化壓板，造成耕層淺薄、通氣儲水能力差等土壤退化現象的發生。因此，該研究通過田間定位試驗，探討秸稈還田對旱地草甸土有機碳及硝態N的分布特征的影響，比較有無秸稈還田條件下耕作方式對土壤養分積累的動態變化，為今后生產中構建合理的輪耕與秸稈還田培肥技術、減少化肥用量、促進黑土資源的可持續利用提供理論依據。
1? 材料與方法
1.1? 試驗區概況
試驗區位于黑龍江省牡丹江市溫春鎮（44°60′N，129°58′E），寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.9 ℃，年平均降雨量500～600 mm，平均活動積溫2 300～2 500 ℃·d。土壤類型為碳酸鹽性草甸土，試驗前土壤基礎養分含量：全N 1.12 g/kg、全P 0.55 g/kg、全K 2.53 g/kg，堿解N 101.55 mg/kg、速效P 26.50 mg/kg、有效K 130.28 mg/kg，有機質16.50 g/kg，pH 7.93。
1.2? 試驗設計
該研究于2016年5月—2018年10月進行，設置秸稈還田和不還田2個主處理，3種耕法為副處理，共6個處理，分別為免耕（NT）、淺翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）和免耕秸稈覆蓋地表（NT-S）、秸稈淺翻還田20 cm（ST-S）和秸稈深翻還田35 cm（DT-S）。每小區面積234 m2，3次重復。玉米施肥量為尿素（N 46%）300 kg/hm2、磷酸二銨（P2O5 48%）250 kg/hm2、氯化鉀（K2O 50%）150 kg/hm2。
秸稈翻耕還田：每年秋季玉米收獲后，利用秸稈粉碎機將秸稈粉碎至長度小于10 cm后，平鋪地表，用150馬力大型機械帶動五鏵翻轉犁將秸稈翻埋于20 cm或35 cm土層中。
秸稈不還田：采取人工收割秸稈后移走方式。
免耕與免耕秸稈覆蓋處理在作物整個生長期間均不進行中耕管理。
1.3? 測定項目與方法
1.3.1? 樣品采集。
土壤樣品于2018年在玉米生長不同時期（播期、苗期和成熟期）采集。用土鉆分層采集0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層新鮮土樣，每個小區采集3點混合成1個樣品，3次重復，一部分立即測定土壤水分及硝態N含量，其余部分風干后用于常規分析。成熟期土壤樣品測定土壤有機碳（SOC）。
1.3.2? 測定方法。
土壤硝態N：稱取過2～3 mm篩孔色新鮮土樣12.00 g置于150 mL三角瓶中，加入0.01 mol/L CaCl2浸提液100 mL，置于振蕩器上（溫度22 ℃，轉速200 r/s）振蕩1 h，定性濾紙過濾，連續流動分析儀（AMS-Alliance Futura）測定。
土壤SOC：稱取過0.25 mm篩孔的風干土樣0.05～0.50 g，加入2.0 mol/L鹽酸105 ℃烘干1.5 h，TOC儀（N/C2100，德國耶拿公司）測定。
1.4? 數據分析
硝態N（mg/kg）=P×100/12×（1-W），
式中，P為工作曲線上查得硝態N濃度（mg/L），W為土壤含水量（%）。
硝態N積累量=各土層硝態N含量之和[8];
SOCD（kg/m2）=土層深度（cm）×有機碳含量（g/kg）×土壤容重（g/cm3）× 10/100。
采用Microsoft Excel 2013繪制圖表，SPSS 19.0 軟件對數據進行方差及相關性分析。
2? 結果與分析
2.1? 秸稈還田方式對土壤硝態N含量變化的影響
從圖1a可看出，秸稈不還田條件下，3種耕法土壤硝態N含量隨生育進程均表現為先升高再降低的趨勢。苗期土壤硝態N含量最高，變幅為7.73～24.50 mg/kg，與苗期土壤溫度上升、微生物活動加快，且土壤供N能力大于植株吸收能力有關。其次為成熟期，變幅為4.82～9.24 mg/kg，播期最低，變幅為1.09～8.23 mg/kg。苗期3種耕法0～20 cm土層硝態N平均積累量占總積累量的50.38%，其中以免耕（NT）0～10 cm表土層積累量最高，占總積累量的34.04%，與其他土層差異顯著;成熟期0～50 cm土層硝態N的總積累量從大到小依次為DT（36.19 mg/kg）、ST（28.49 mg/kg）、NT（25.89 mg/kg），土壤養分向上或向下移動的積累變化與土壤水分和容重等結構特性變化有關;由于耕翻深度的變化，淺翻和深翻分別對10～20 cm土層（ST）和20～30 cm（DT）土層硝態N含量影響較大，均高于相鄰上下土層;3種耕法土體中硝態N分布隨土層深度增加呈降低趨勢，均沒有出現富集現象，說明短期耕作方式的變化對土壤氮的淋失沒有顯現。
從圖1b可看出，與秸稈不還田對土壤硝態N的變化影響趨勢基本一致，3種秸稈還田方式下，各時期土壤硝態N含量從大到小依次為苗期、成熟期、播期，3個時期變幅分別為6.40～14.72、4.04～7.76和1.42～6.40 mg/kg;土壤硝態N隨土層深度均呈N字形分布，這一點與劉慧穎等[8]的研究一致。播種期，0～10 cm土層與40～50 cm土層硝態N含量接近并最低，不同耕法硝態N含量為NT-S
2.2? 秸稈還田方式對土壤有機碳含量變化的影響
從圖2可看出，秸稈不還田條件下，連續2年免耕0～30 cm土層土壤有機碳（SOC）變化平緩，平均為11.18 g/kg;以主要來源于地上凋落物和細根的10～20 cm表土層SOC含量最高，平均為11.52 g/kg;隨土層深度增加，30～50 cm土層SOC降低幅度增大。土壤有機碳密度（SOCD）是表征陸地表層碳庫儲量的重要指標之一，免耕處理不同土層中SOCD與SOC 變化趨勢基本一致，以30～50 cm土層SOCD較低，平均含量0.91 kg/m2，而0～20 cm土層密度較大，平均1.85 kg/m2。
連續淺翻土壤SOC含量隨土層深度增加而下降，以 0～10 cm表土層SOC含量最高，平均11.82 g/kg，與10～40 cm土層差異顯著（P<0.05）;淺翻對10～40 cm土層中SOCD影響不大，平均1.54 kg/m2，但與0～10 cm上表層和40～50 cm下層差異顯著。深層土壤有機碳主要來源于根系脫落物，深翻可導致根系進一步向深層土壤延展聚集。連續深翻由于打破了犁底層，加速了30 cm以上土層有機質的礦化，0～30 cm土層SOC、SOCD分別比免耕和淺翻降低8.75%、9.53%和43.44%、31.15%，而30～40 cm土層SOC和SOCD升高，分別達10.99 g/kg和1.55 kg/m2，與根系向下生長伸長過程中產生的脫落物不斷在深層土壤中沉積和分解[5]，增加了深層土壤SOC的來源有關。
從圖3可看出，秸稈還田深度的變化對不同土層SOC含量影響較大。免耕秸稈覆蓋20～40 cm土層SOC降低幅度較大，平均7.84 g/kg，與0～20 cm土層差異顯著（P<0.05），與免耕不動土秸稈覆蓋地表且根系主要集中在表層有關，20 cm以下土層SOC含量明顯低于秸稈淺翻還田和深翻還田，也證實了這一點;由于淺翻還田，秸稈主要分布于20～30 cm土層，導致秸稈淺翻還田20～30 cm土層SOC含量較高，比秸稈深翻還田和免耕覆蓋分別增加0.60和3.36 g/kg;秸稈深翻還田30～40 cm土層SOC含量比免耕覆蓋和淺翻還田秸稈分別增加3.33和3.86 g/kg，差異顯著（P<0.05）。同時，由于秸稈還田后土壤微生物的活性增強及根系分泌物的大量淋溶、移動，秸稈深翻還田40～50 cm土層SOC含量也高于免耕覆蓋和淺翻還田，平均增加0.17 g/kg。秸稈還田條件下，連續2年免耕覆蓋，土壤SOC和SOCD的空間分布隨土層深度增加而降低，以0～10 cm表土層含量較高，分別為11.68 g/kg和 1.76 kg/m2。
2.3? 秸稈還田方式對作物產量變化的影響
與秸稈不還田比較（表1），秸稈還田第1年，深翻還田和免耕覆蓋還田方式下玉米產量有下降趨勢，分別下降3.28%和5.31%，而秸稈淺翻還田玉米產量變化不大。秸稈還田第2年，淺翻還田和深翻還田玉米產量較同一耕作方式不還田處理分別增加12.42%和5.96%，免耕與免耕秸稈覆蓋玉米產量分別較上一年度下降5.78%和2.69%，可能與連續免耕下整個生育期間不進行土壤耕作有關?？傮w分析，短期內翻耕與秸稈還田處理由于耕作深度的變化和秸稈的投入，玉米產量表現為增加趨勢。同一年份內秸稈淺翻與深翻還田差異不顯著，還有待于進一步研究。
3? 結論
秸稈還田可以有效改善土壤結構，提高土壤有機質、全氮和堿解氮含量[10-13]。而土壤剖面中殘留累積的硝態N對作物吸N量及產量的增加具有無效性[14-15]，因此，通過秸稈還田提高土壤氮素供應能力，減少土壤硝態N的淋失，實現肥料高效和作物高產具有重要的意義。該研究表明，
不同耕法下土壤硝態N含量隨土層深度增加而降低，短期內連續耕翻40～50 cm土層沒有出現硝態N富集現象;
秸稈深翻還田后土壤硝態N的淋溶流失有降低趨勢;同一耕法，有秸稈還田處理土壤硝態N變幅低于無秸稈還田處理;
深翻0～30 cm土層有機碳含量低于免耕和淺翻。免耕秸稈覆蓋20～40 cm土層SOC減少，而秸稈淺翻還田和深翻還田分別對20～30和30～40 cm土層SOC含量影響較大。
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