秸稈還田條件下尿素與腐植酸配施對玉米養(yǎng)分吸收、土壤養(yǎng)分及酶活性的影響

孫海燕，杜丹鳳，馬 倩，郭 偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319）

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，是中國最主要的商品糧生產(chǎn)基地，也是因作物秸稈焚燒而引發(fā)的霾污染多發(fā)和重發(fā)區(qū)域［1］，秸稈禁燒及其綜合利用已成為國家及地方各級政府重點(diǎn)關(guān)注問題［2］。作物秸稈是一類富含氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的可再生物質(zhì)資源，將秸稈及殘茬作為肥料還田是目前東北地區(qū)秸稈利用最主要方式，也是解決黑土地退化修復(fù)的重要途徑之一［3］。秸稈還田可以改變土壤的物理性狀［4］，活化土壤酶［5］，增加土壤速效養(yǎng)分［6］，為作物生長提供礦質(zhì)養(yǎng)分，尤其是秸稈粉碎翻壓還田，提高了土壤速效養(yǎng)分的含量，促進(jìn)了玉米生長和籽粒產(chǎn)量的形成，其效果較秸稈覆蓋還田效果更顯著［5，7-8］。然而，秸稈翻埋還田后，在土壤微生物作用下，秸稈腐解消耗氮素，在沒有適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充的情況下，易造成土壤碳氮比失調(diào)及作物幼苗生長“爭氮”現(xiàn)象［9］，尤其在秸稈腐解旺盛時期［10］，這不利于作物生長，造成作物當(dāng)季經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量降低［11］。因此，在秸稈還田過程中增加氮素的施用，減少氮素競爭成為秸稈還田的必需配套措施。秸稈還田配施氮肥不但利于秸稈的腐解，增加土壤的供氮能力，同時合理的氮素配施還有助于提高作物的氮素利用效率［12］。但氮素施用過量同樣會造成作物產(chǎn)量的降低，秸稈還田情況下作物產(chǎn)量與施氮量呈拋物線關(guān)系［4，6］。秸稈-氮素-作物系統(tǒng)的氮素供應(yīng)、利用和轉(zhuǎn)化關(guān)系受到土壤理化特性的綜合影響，因此，通過改變土壤的理化特性來調(diào)節(jié)氮素的輸入輸出平衡是秸稈還田條件下配套施肥的核心［13］。秸稈還田同時配施有機(jī)肥［14］、配方化肥［15］等措施，可以改善土壤的理化特性，降低秸稈腐解與作物生長的“競爭”，同步提高作物生長質(zhì)量，成為近幾年來技術(shù)研究熱點(diǎn)。腐植酸類物質(zhì)作為土壤改良劑，可以較好地使土壤顆粒團(tuán)聚在一起，形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤的通透性［16］。施用煤炭腐植酸能夠顯著提高土壤含水率，顯著降低土壤體積質(zhì)量［17］。為此，針對東北地區(qū)玉米秸稈還田質(zhì)量參差不齊，甚至影響玉米產(chǎn)量的問題，研究在玉米秸稈還田情況下，通過配施外源腐植酸和氮素，改善土壤理化特性，尤其是在玉米拔節(jié)期這個秸稈腐解旺盛與作物快速生長的關(guān)鍵時期，緩解秸稈腐解與玉米生長兩者的競爭，為該地區(qū)全面推行秸稈還田技術(shù)提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)于2018～2019 年度在黑龍江省大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院校園試驗(yàn)盆栽場，采用盆栽方式進(jìn)行。土壤類型為草甸黑土，土壤有機(jī)質(zhì)18.2 g·kg-1、堿解氮58.3 mg·kg-1、有效磷10.1 mg·kg-1、速效鉀101.2 mg·kg-1、pH 8.4。試驗(yàn)用玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)用氮素為尿素（N 46%），腐植酸為四川西亞化工有限公司購置的BR級化學(xué)試劑，黃腐酸含量≥90%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用容器為高25 cm、直徑22 cm的塑料圓桶，每盆裝風(fēng)干土7.5 kg。秸稈采用田間收獲后自然風(fēng)干的玉米植株粉碎樣（過1 mm 篩），按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1），2018 年10 月16 日將秸稈粉碎樣與尿素及0.5 kg 土壤混合后施入到盆內(nèi)表土以下5 cm處。2019 年5 月11 日將玉米種子播到盆內(nèi)表土以下3 cm 處，每盆播種3 粒種子，出苗后間苗保留2 株。根據(jù)土壤干濕程度定量灌溉，每個處理重復(fù)4 次。

表1 試驗(yàn)處理 （g·盆-1）

1.3 測定項(xiàng)目與方法

玉米拔節(jié)期，用直徑5 cm 土鉆距植株5 cm 處取土壤，按照深度5～10 和10～15 cm 土層分別混合土樣，自然風(fēng)干后粉碎研磨測定土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性以及土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量。取土樣的同期取玉米植株，植株地上部分在烘箱內(nèi)110℃殺青1 h 后80℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重（折合為單株干重），粉碎后測定全氮、全磷和全鉀含量。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，土壤過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定［18］。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用鉬銻抗比色法、速效鉀采用火焰光度法測定。植株全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷和全鉀含量利用ICP-MS 測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

利用WPS 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及繪圖，SPSS 25.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素與腐植酸配施對玉米干物質(zhì)積累的影響

由表2 可知，施入秸稈各處理的單株干重（平均值0.914 g·株-1）均低于不施入秸稈的相同處理（平均值1.280 g·株-1），平均降低了28.6%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素或腐植酸處理的單株干重增加了16.4%或15.4%，兩者同時施用則顯著增加了73.5%。秸稈與尿素配施處理的單株干重較單獨(dú)施入秸稈處理增加了17.4%，與不施秸稈的對照相當(dāng)；而秸稈與腐植酸配施處理的單株干重較單獨(dú)施入秸稈處理略有降低，較對照降低了16.0%；秸稈同時配施氮素和腐植酸處理的單株干重增加了7.1%，較對照降低了8.7%，差異均不顯著。可見，尿素對玉米單株干物質(zhì)積累的影響大于腐植酸，且兩者同施具有互作效應(yīng)。

表2 尿素與腐植酸配施對拔節(jié)期玉米單株干重的影響（g·株-1）

2.2 尿素與腐植酸配施對玉米養(yǎng)分含量的影響

由圖1 可知，秸稈的施入導(dǎo)致玉米植株全氮含量降低了13.3%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素或腐植酸處理的植株全氮含量與對照無顯著差異，而兩者同時施用處理的植株全氮含量增加了21.9%。秸稈與尿素或腐植酸配施處理的植株全氮含量較單獨(dú)施入秸稈處理顯著增加了26.4%或37.4%，較對照增加了9.5%或19.0%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理的植株全氮含量較單獨(dú)施入秸稈顯著增加了42.9%，較對照增加了23.8%。

由圖2 可知，秸稈的施入使玉米植株全磷含量增加了10.2%，不施入秸稈單獨(dú)施用腐植酸處理的植株全磷含量增加了13.6%，而單獨(dú)施用尿素幾乎不影響植株全磷含量；同時施用腐植酸和尿素植株全磷含量增加了10.8%。秸稈配施尿素處理的植株全磷含量增加了16.4%，較對照增加了28.3%；而單獨(dú)施用腐植酸影響很小，秸稈配施腐植酸處理的植株全磷含量增加了8.5%；秸稈同時配施腐植酸和尿素處理的植株全磷含量較單獨(dú)施用秸稈降低了21.2%，較對照降低了13.2%。

由圖3 可知，施入秸稈玉米植株全鉀含量增加了11.0%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素、腐植酸處理的植株全鉀含量增加了24.7%和5.7%，而兩者同時施用處理的植株全鉀含量增加了24.2%。秸稈與尿素或腐植酸配施處理的植株全鉀含量較單獨(dú)施入秸稈處理的變幅均＜5.0%，較對照增加了14.8%或6.6%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理的植株全鉀含量較單獨(dú)施入秸稈顯著增加了25.7%，較對照顯著增加了39.5%。

秸稈與尿素、腐植酸配施具有顯著的互作效應(yīng)，秸稈配施尿素或腐植酸均可增加植株的氮素和磷素吸收；而秸稈同時配施尿素和腐植酸時植株全氮和全鉀含量最高，植株全磷含量最低。

2.3 尿素與腐植酸配施對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

由圖4 可知，單獨(dú)施入秸稈或尿素有增加土壤堿解氮含量的趨勢；單獨(dú)施用腐植酸有降低土壤堿解氮含量的趨勢；同時施用尿素和腐植酸土壤堿解氮含量較對照降低了21.0%。秸稈配施尿素較單獨(dú)施入秸稈處理土壤堿解氮含量增加了10.5%；配施腐植酸對堿解氮含量影響很小；同時配施尿素和腐植酸處理堿解氮含量增加了15.8%，較對照增加了21.0%。

施用秸稈土壤有效磷含量增加了28.8%（圖5）；單獨(dú)施用尿素、腐植酸處理的土壤有效磷含量分別增加了15.9%和318.9%，兩者同時施用處理土壤有效磷含量顯著增加了323.5%。秸稈配施尿素、腐植酸處理的土壤有效磷含量較單獨(dú)施用秸稈處理增加了58.7%和90.4%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理土壤有效磷顯著增加了185.6%，較對照顯著增加了267.9%。

施用秸稈土壤速效鉀含量增加了10.1%（圖6）；單獨(dú)施用尿素處理的土壤速效鉀含量降低了17.5%，單獨(dú)施用腐植酸及同時施用尿素和腐植酸影響不顯著。秸稈配施尿素、腐植酸處理的土壤速效鉀含量較單獨(dú)施用秸稈處理增加了12.7%和29.9%，較對照分別顯著增加了24.0%和43.0%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理土壤速效鉀含量較單獨(dú)施用秸稈顯著增加了45.8%，較對照顯著增加了60.5%。

施用秸稈后土壤脲酶活性降低（圖7），5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較對照分別降低了20.8%和11.4%。不施用秸稈情況下，施用尿素對脲酶活性無明顯影響；施用腐植酸降低了土壤脲酶活性，5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性分別降低了27.0%和23.9%；同時施用腐植酸和尿素可提高脲酶活性，5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較對照分別增加了17.6%和29.9%。秸稈配施尿素5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較單獨(dú)施用秸稈處理分別增加了11.8%和9.4%；秸稈配施腐植酸處理的土層脲酶活性則分別降低了11.0%和18.6%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理的土壤脲酶活性與單獨(dú)施用秸稈處理間無明顯差異，較對照分別降低了19.7%和16.4%。

磷酸酶是土壤中促進(jìn)有機(jī)磷素水解的關(guān)鍵酶。由圖8 可知，施用秸稈后5～10 cm 土層的土壤酸性磷酸酶活性降低了16.1%，10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性提高了7.9%。不施用秸稈情況下，施用尿素5～10 與10～15 cm 土層酸性磷酸酶活性分別降低了11.6%和10.6%；施用腐植酸則酸性磷酸酶活性分別降低了25.5%和15.1%；同時施用尿素和腐植酸，10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性增加了18.8%。秸稈配施尿素5～10 cm 土層的土壤酸性磷酸酶活性增加了25.7%，對10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性無影響；秸稈配施腐植酸5～10 與10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性分別提高了38.8%和15.5%；秸稈同時配施尿素和腐植酸處理的兩個土層酸性磷酸酶活性分別提高了36.6%和21.8%。

土壤蔗糖酶活性反映了土壤中有機(jī)碳積累與分解轉(zhuǎn)化的情況，對土壤中可溶性營養(yǎng)物質(zhì)含量有重要作用。由圖9 可知，施用秸稈處理5～10與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較對照分別降低了9.7%和3.4%。在不施秸稈情況下，施用尿素對蔗糖酶活性影響很小；施用腐植酸5～10與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較對照分別降低了10.9%和6.7%；同時施用尿素和腐植酸處理5～10 cm 土層的蔗糖酶活性增加了21.9%，對10～15 cm 土層的蔗糖酶活性沒有明顯影響。秸稈配施尿素處理5～10 與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較單獨(dú)施用秸稈分別降低了9.1%和49.2%；秸稈配施腐植酸處理蔗糖酶活性則分別降低了14.8%和17.8%；秸稈同時配施尿素和腐植酸則分別顯著降低了39.2%和50.9%。

施入秸稈后5～10 與10～15 cm 土層的土壤過氧化氫酶活性較對照分別顯著增加了H2O20.55 和0.22 mg·g-1·h-1（圖10），配施尿素或腐植酸對過氧化氫酶活性影響不顯著，但在不施用秸稈情況下，同時配施腐植酸和尿素則顯著提高了土壤過氧化氫酶活性。

3 討論

3.1 秸稈配施尿素和腐植酸對玉米生長及養(yǎng)分吸收的影響

玉米出苗至拔節(jié)期是東北地區(qū)春玉米生長與還田秸稈腐解旺盛時期，兩者均需要吸收大量土壤營養(yǎng)，尤其是氮素、磷素、有機(jī)碳等營養(yǎng)［10］。秸稈還田增施氮肥則有效緩解了由于“爭氮”而使植株生長受到的抑制［9］。腐植酸是自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，其單獨(dú)施用或制備成復(fù)合肥料施用均可起到提高氮素吸收和利用率，促進(jìn)玉米生長和產(chǎn)量形成的作用［15，17］。本研究發(fā)現(xiàn)施入秸稈后玉米植株干重和全氮含量降低，而磷、鉀含量增加；秸稈配施尿素或腐植酸可增加干重，促進(jìn)氮、磷、鉀的吸收。但秸稈同時配施尿素和腐植酸則降低了植物全氮、全磷、全鉀的含量，植株干重介于單獨(dú)施用秸稈處理和秸稈與尿素或腐植酸配施處理之間。可能是秸稈與尿素、腐植酸同時施用促進(jìn)了秸稈的腐解，增加土壤養(yǎng)分，但限制了玉米根系對養(yǎng)分的吸收，從而降低了植株的養(yǎng)分含量。這與土壤養(yǎng)分含量的變化是一致的，秸稈同時配施尿素和腐植酸處理的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀較秸稈配施尿素或腐植酸處理均有大幅度增加。在松嫩平原黑土區(qū)玉米秸稈還田試驗(yàn)也表明，秸稈還田使得玉米苗期植株的氮素含量和吸收積累量降低，至拔節(jié)期對植株氮素含量的不利影響消失［10］。主要是因?yàn)橛衩捉斩捀膺^程中微生物活動吸收土壤中的速效氮，發(fā)生與作物爭氮的現(xiàn)象［9］。氮素吸收受阻，影響玉米植株氮的代謝和生長，從而降低了對土壤中速效礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和積累［19］，出現(xiàn)土壤速效養(yǎng)分積累增加，而作物吸收積累遲后的現(xiàn)象。可見，秸稈還田配施腐植酸和氮素的同時，也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其他配套技術(shù)措施，例如，控制灌溉量［20］、增加深松等［21］，從而促進(jìn)幼苗根系生長［22］，提高土壤養(yǎng)分庫存的同時增加作物對養(yǎng)分的吸收是保障秸稈還田條件下作物穩(wěn)產(chǎn)的必要途徑。

3.2 秸稈配施尿素和腐植酸對土壤酶活性的影響

土壤酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用，其主要是由土壤微生物分泌到土壤中，是評價土壤微生物活性和土壤肥力水平的綜合性指標(biāo)［23］。施入到土壤中的秸稈為土壤微生物繁殖提供了碳源和氮源，從而提高了土壤酶活性［24］。玉米秸稈還田配施氮肥增加了土壤微生物量，顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性［25］。在土壤中添加腐植酸也具有提高脲酶活性的作用［26］。但也有研究認(rèn)為秸稈直接還田和覆蓋還田對脲酶活性無顯著影響，過腹還田才能提高脲酶活性［14，27］，甚至室內(nèi)培養(yǎng)研究也發(fā)現(xiàn)土壤脲酶活性降低的現(xiàn)象［23］。本研究中秸稈還田及配套措施對土壤酶活性的影響，一方面取決于土壤C/N 值的高低。例如，不施用秸稈情況下，僅施用尿素處理（C/N 降低）的脲酶和蔗糖酶活性與對照間無差異，而玉米秸稈粉碎翻埋或施用腐植酸（C/N 增加）則降低了玉米土壤脲酶和蔗糖酶活性，腐植酸和尿素同施（調(diào)節(jié)C/N）可緩解脲酶活性的降低，增加了蔗糖酶活性。可見，脲酶和蔗糖酶的活性可能受土壤C/N 值升高的誘導(dǎo)。脲酶活性的變化也可能受秸稈腐解過程尿素釋放的影響，因?yàn)橥寥罒o機(jī)氮含量過低導(dǎo)致脲酶活性降低［23］，而銨態(tài)氮含量過高也會抑制土壤脲酶活性［28］，腐植酸的配施降低了土壤脲酶活性，減少了秸稈腐解過程中氨的排放［29］。另一方面，土壤酶活性還受到施入物質(zhì)本身的作用。例如，在單獨(dú)施入秸稈、尿素、腐植酸后土壤的酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均有不同程度的降低，而秸稈、尿素、腐植酸中兩者配施或三者同時施用時酸性磷酸酶活性則明顯提高，但秸稈配施尿素或腐植酸土壤蔗糖酶活性均降低。

4 結(jié)論

草甸黑土上秸稈還田減少了拔節(jié)期植株干物質(zhì)積累，并降低了植株全氮含量及土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性。秸稈配施尿素或腐植酸可提高土壤酸性磷酸酶活性，降低蔗糖酶活性，提高了土壤有效磷和速效鉀含量，促進(jìn)了植株對氮和磷的吸收。秸稈同時配施尿素和腐植酸進(jìn)一步提高了土壤酸性磷酸酶活性，降低了脲酶和蔗糖酶活性，增加了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量，促進(jìn)了植株對氮和鉀的吸收。秸稈還田配施尿素和腐植酸緩解了秸稈直接還田對拔節(jié)期玉米植株干物質(zhì)積累的抑制，提高了土壤有效養(yǎng)分及植株全氮和全鉀含量。