秸稈還田配合施肥措施對玉米產量及耕層土壤質量的影響

葛選良，錢春榮，李 梁，姜宇博，宮秀杰，呂國依

（1.黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/農業農村部東北地區作物栽培科學觀測實驗站，黑龍江 哈爾濱 150086；2.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028043）

玉米作為黑龍江省第一大糧食作物，按秸稈與籽粒比1.25∶1和可收集率90%計算，2012至2016年黑龍江省玉米秸稈量均在3300萬t以上［1-3］。作為提升耕層土壤肥力的重要有機肥源，玉米秸稈直接還田可有效解決因長期重用輕養而導致的耕層土壤有機質衰減，結構變差，肥力退化等問題。但大量玉米秸稈還田后會導致微生物汲取土壤氮素，從而與玉米爭奪土壤氮素，引起耕層土壤礦質氮降低和碳氮比失調，進而影響還田秸稈的有效腐解［4］。合理的施肥模式利于土壤微生物繁殖，進而促進還田秸稈腐解和養分釋放，氮肥種類、施用量及施用方式對秸稈還田效果的影響均較大［5-7］。目前關于不同施氮量對玉米產量和氮代謝影響的報道較多，但針對黑龍江省第一積溫帶玉米秸稈全量還田條件下不同施肥模式耕層土壤質量和產量的研究相對較少。本研究以深翻整地實現玉米秸稈全量還田為前提，通過研究不同施肥模式對玉米耕層土壤碳、氮含量及相關關鍵酶活性和產量的影響，優化改進黑龍江省第一積溫帶雨養地區玉米施肥模式，進而保持玉米耕層土壤持續生產能力，為進一步提升黑龍江省第一積溫帶玉米生產能力提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016～2017年在黑龍江省哈爾濱市雙城區幸福鄉慶城村（N 45°46′，E 126°40′）進行，年平均溫度4.4℃，≥10℃積溫2700℃，年降水量481 mm，無霜期140 d。試驗地土壤類型為黑鈣土，試驗開始前耕層土壤主要養分為有機質1.956 g/kg、全 氮0.466 g/kg、全 磷0.221 g/kg、全 鉀2.562 g/kg、堿解氮206.47 mg/kg、有效磷55.21 mg/kg、速效鉀117.17 mg/kg，pH 6.27。試驗地塊玉米連作，地力均勻，地勢平坦，適宜規模化種植，可進行全程機械化操作。

1.2 試驗設計

試驗采用大區對比設計，設置摻混肥（N-P2O5-K2O=12-18-15）+尿素（N≥46%）（NHF）、碳基肥（N-P2O5-K2O=23-10-7）+尿素（N≥46%） （TJF）和控釋肥（N-P2O5-K2O=24-11-12）（KSF）3個施肥措施，三者的底肥施用量分別為562.5 、600和600 kg/hm2，NHF處理和TJF處理的追肥量均為75 kg/hm2。每個處理0.667 hm2，不設重復。2016年10月17日整地，玉米機收后，秸稈還田機進行秸稈二次粉碎還田作業，之后210馬力拖拉機帶5鏵液壓翻轉犁進行深翻，深度25～30 cm，之后液壓耙30°角交叉重耙2遍，耙深15～17 cm，起110 cm大壟并鎮壓1遍，2017年4月30日種肥同播，底肥一次性機械深施壟下15 cm。供試品種為京農科728，播種密度67500株/hm2，封閉除草，拔節期追肥，熟期測產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 耕層土壤碳、氮含量

灌漿期、成熟期分別在各處理耕層20 cm處取土樣，6次重復，樣品混勻后，液氮速凍處理，并于-80℃低溫冰柜中保存。參照《土壤農化分析》的方法［8］，土壤有機碳用重鉻酸鉀容量法測定；土壤堿解氮用堿解擴散法測定；土壤銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提，SEALAA3流動注射分析儀測定；土壤微生物量氮、微生物量碳用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提，ANALYTIKJENA multi N/C3100儀測定有機氮、碳，其中土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤有機氮之差除以KE（0.54）［9］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（0.45）［10］得到。

1.3.2 耕層土壤酶活性

灌漿期、成熟期分別在各處理耕層20 cm處取土樣，6次重復，樣品混勻后，液氮速凍處理，并于-80℃低溫冰柜中保存。稱取3份0.15 g土壤，加入1.35 mL的pH 7.4的磷酸緩沖鹽溶液，充分混勻，4℃，3000 r/min，離心20 min，收集上清液，采用相應酶聯免疫吸附測定試劑盒（ELISA）測定土壤脲酶、纖維素酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性。

1.3.3 產量與產量構成

完熟期在各處理選取3個10行×10 m小區，實收測定果穗產量，之后隨機取30個果穗，測定穗長、果穗中部的直徑、行數、中等行的行粒數，最后脫粒測定含水量，隨機取100粒籽粒，測定百粒重，3次重復，重復間差異小于0.5 g，同時折算成標準含水量（14%）的產量。

1.4 數據分析

利用SPSS 21.0和Graph Pad Prism 6進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配合施肥措施對玉米耕層土壤碳素含量的影響

由圖1可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤有機碳和土壤微生物量碳含量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。生育中后期不同施肥措施土壤有機碳含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤有機碳含量分別提高了7.67%、10.80%；成熟期TJF、KSF土壤有機碳含量分別提高了9.66%、15.34%（圖1a）。生育中后期不同施肥措施土壤微生物量碳含量的差異均不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤微生物量碳含量分別提高了7.29%、10.86%；成熟期TJF、KSF土壤微生物量碳含量分別提高了0.98%、3.18%（圖1b）。

2.2 秸稈還田配合施肥措施對玉米耕層土壤氮素含量的影響

由圖2可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤銨態氮、土壤硝態氮、土壤堿解氮和土壤微生物量氮含量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。生育中后期不同施肥措施土壤銨態氮含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤銨態氮含量分別提高了1.97%、21.39%；成熟期TJF、KSF土壤銨態氮含量分別提高了17.75%、21.03%（圖2a）。生育中后期不同施肥措施土壤硝態氮含量的差異均不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤硝態氮含量分別提高了7.77%、12.30%；成熟期TJF、KSF土壤硝態氮含量分別提高了3.05%、15.98%（圖2b）。生育中后期不同施肥措施土壤堿解氮含量的差異均顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤堿解氮含量分別提高了7.29%、31.97%；成熟期TJF、KSF土壤堿解氮含量分別提高了12.06%、17.87%（圖2c）。生育中后期不同施肥措施土壤微生物量氮含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤微生物量氮含量分別提高6.28%、21.08%；成熟期TJF、KSF土壤微生物量氮含量分別提高了0.64%、7.05%（圖2d）。

2.3 秸稈還田配合施肥措施對玉米耕層土壤酶活性的影響

由圖3可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶和蔗糖酶活性均以KSF為最強，TJF次之，NHF最弱。生育中后期不同施肥措施土壤脲酶活性的差異顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤脲酶活性分別提高了23.29%、25.81%；成熟期TJF、KSF土壤脲酶活性分別提高了15.72%、27.45%（圖3a）。生育中后期不同施肥措施土壤過氧化氫酶活性的差異顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤過氧化氫酶活性分別提高5.92%、24.35%；成熟期TJF、KSF土壤過氧化氫酶活性分別提高了8.70%、21.54%（圖3b）。生育中后期不同施肥措施土壤纖維素酶活性的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤纖維素酶活性分別提高了7.97%、12.76%；成熟期TJF、KSF土壤纖維素酶活性分別提高了8.14%、11.55%（圖3c）。生育中后期不同施肥措施土壤蔗糖酶活性的差異不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤蔗糖酶活性分別提高了15.70%、18.93%；成熟期TJF、KSF土壤蔗糖酶活性分別提高了23.55%、24.86%（圖3d）。

2.4 秸稈還田配合施肥措施對玉米產量與產量構成因素的影響

由表1可見，除千粒重外，不同施肥措施玉米收獲穗數、穗粒數和產量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。KSF、TJF和NHF收獲穗數、穗粒數間的差異均不顯著，三者千粒重、產量間的差異顯著。與NHF相比，TJF、KSF收獲穗數分別增加2.91%和12.62%，穗粒數分別增加0.07%和1.25%，產量分別提高1.99%和13.24%；千粒重以KSF為最高，NHF次之，TJF最低，KSF、NHF分別較TJF提高0.62%和4.34%。可見，KSF產量構成因素最為合理，單穗產量更高，豐產性更強，群體產量最高。

表1 不同施肥措施玉米產量與產量構成因素

3 討論

農作物秸稈是重要的有機肥源，含有作物生長需要的多種營養元素。還田作物秸稈在土壤微生物的作用下，經過一系列的土壤生物化學過程，腐解于耕層土壤中，從而改善土壤的水熱條件［11-12］，使土壤動物的數量和活力顯著提高［13］，增加土壤養分和有機質含量［14-16］。控釋肥根據作物吸肥規律釋放養分［17］，減少土壤 N2O 的排放，提高肥料利用率［18］，顯著降低氮素的淋溶和揮發［19］，減少施用化肥對環境和地下水的污染［20］。通過采用適宜的耕作模式，減少機械作業和勞動力投入，合理施用控釋肥，可保持秸稈還田后耕層土壤的碳氮平衡，從而保證玉米生育中后期耕層土壤的氮源充足，為生育中后期玉米群體碳氮代謝和產量形成提供保障。本研究結果表明，秸稈還田配合施用控釋肥對玉米耕層土壤不同形態碳素、氮素和土壤酶活性均有不同程度的提高，有利于生育中后期耕層土壤養分的運轉，進而提高玉米產量，這與前人［20-22］的研究結果相近。

4 結論

秸稈還田條件下不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤碳素、土壤氮素含量和土壤酶活性均呈現相同的變化趨勢，秸稈還田配合施用KSF可顯著提高土壤有機碳、土壤銨態氮、土壤堿解氮和土壤微生物量氮含量，同時顯著提高土壤脲酶、土壤過氧化氫酶和土壤纖維素酶活性，最終增產達13.24%。本研究推薦，秸稈全量還田條件下黑龍江省第一積溫帶玉米生產適宜施肥模式為70 cm寬行+40 cm窄行大壟雙行種植，配施控釋肥600 kg/hm2。