秸稈還田量對半干旱褐土區(qū)氮素淋溶及春玉米產(chǎn)量的影響

高曉梅，劉曉輝，于淼，李楊，敖靜，孫玉祿，桓明輝，池景良

（遼寧省微生物科學研究院，遼寧 朝陽 122000）

玉米（Zea mays）是我國主要的糧食作物，年產(chǎn)量3.36億t，占糧食總產(chǎn)量的55.3%。東北三省是我國春玉米主產(chǎn)區(qū)，玉米產(chǎn)量占全國的29%［1］，玉米秸稈量占全國的33.7%［2］。大量玉米秸稈被露天焚燒、堆積或遺棄，不但造成大氣污染和火災隱患，也成為農(nóng)田面源污染的重要來源。另外長期以來為了追求產(chǎn)量提升，氮肥施用過量問題長期存在且很難逆轉(zhuǎn)，同時面臨著土地肥力透支和肥料過量引起的污染等問題。過量施肥導致剩余部分的氮、磷營養(yǎng)元素通過地表徑流、土壤滲濾進入河流造成水體富營養(yǎng)化，與農(nóng)田淋溶相關(guān)的”三氮”（硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、銨氮）是地下水最主要的污染源［3］。因此，在玉米提質(zhì)增產(chǎn)的同時，保護生態(tài)環(huán)境、減少農(nóng)業(yè)面源污染已刻不容緩。

控制農(nóng)業(yè)面源污染的方法主要包括水肥控制法、種植制度優(yōu)化法、人工濕地及生態(tài)帶攔截技術(shù)、秸稈還田和土壤改良技術(shù)等［4，5］。秸稈還田不僅可以增加土壤有機質(zhì)，還能起到防風蝕水蝕和保墑等作用，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改良土壤和減輕農(nóng)田面源污染的有效途徑之一。目前，國內(nèi)外對秸稈還田方式、還田量等對氮素利用、轉(zhuǎn)化、淋溶等的影響進行了大量研究。許明敏等［6］研究表明，秸稈層及其界面土壤的氮素含量與微生物群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，秸稈還田供應的大量有機碳素營養(yǎng)促進微生物的大量繁衍，微生物分泌各種酶類增強耕層土壤氮素的轉(zhuǎn)化和土壤的礦化。吳三鼎等［7］采取秸稈深埋措施研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能減少土壤剖面硝態(tài)氮含量，并延緩硝態(tài)氮的淋溶下移。秸稈還田能夠提升土壤團聚體的穩(wěn)定性，增加土壤團聚體碳含量，降低土壤容重，增強土壤持水性能，對土壤質(zhì)量和玉米產(chǎn)量的提高具有促進作用［8，9］。

秸稈還田具有減施增效和環(huán)境友好的優(yōu)點，但不同地區(qū)、不同土壤類型和降水灌溉條件對氮素的淋溶等影響巨大，秸稈還田對淋溶的效用和對產(chǎn)量的影響有所差別，因此，因地制宜地選擇適宜的秸稈還田模式可以確保農(nóng)業(yè)收益的最大化。鑒于此，本研究采用不同深度土層氮素測定與耕層下原位滲漏池相結(jié)合方法，研究半干旱地區(qū)褐土不同土層氮素的滯留量和耕層下氮素淋溶量，探討不同秸稈還田量對土壤氮垂直遷移的影響，并采用回歸分析方法探索玉米籽粒增產(chǎn)的最佳秸稈還田量，以期為提高秸稈資源利用效率、改善水土保持能力、控制農(nóng)業(yè)面源污染、提高作物產(chǎn)量提供科學依據(jù)，從而豐富秸稈還田技術(shù)優(yōu)勢的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在遼寧省朝陽市喀左縣六官營子鎮(zhèn)東前溝村試驗基地（119°39′25″E、41°09′15″N，海拔301 m）進行。該區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫9℃左右，年均日照時數(shù)2 850～2 950 h，年降水量450～500 mm，無霜期120～155 d。冬季干燥，寒冷期長，春秋季風大，日照充足，晝夜溫差較大，四季分明。

試驗地為褐土，中等肥力，耕層有機質(zhì)含量16.29 g/kg、全氮659.00 mg/kg、全磷95.00 mg/kg、全鉀18.17 g/kg、有效磷18.60 mg/kg、速效鉀62.00 mg/kg，pH值6.65。當?shù)仫L干玉米秸稈年平均產(chǎn)量約10 000 kg/hm2，其氮磷鉀含量分別為0.52%、0.26%、0.84%。試驗設置前種植方式為玉米連作、秸稈離田。

1.2 試驗設計

試驗于2020年春耕前（4月下旬）采用田間小區(qū)試驗法，小區(qū)面積6.0 m×8.0 m=48 m2，小區(qū)橫向隔離0.8 m，縱向隔離1.0 m。秸稈還田方式采用翻耕還田，翻耕深度（25±2）cm。每小區(qū)選1.5 m×0.8 m區(qū)域作為淋溶測試區(qū)，開溝深度為40 cm。此區(qū)域周圍和底部均用塑料薄膜圍住，僅在底部中心預留出淋溶筒的位置，置入專用淋溶筒（直徑40 cm，高40 cm）。淋溶筒上插入一根透氣管（直徑0.8 cm），透氣管僅插入筒蓋下3～5 cm處即可。桶面覆蓋裝有5 cm厚細沙的100目尼龍袋，防止細土滲入淋溶筒，原土回填至25 cm深左右。與整個小區(qū)一樣鋪設玉米秸稈層。

秸稈從試驗區(qū)本地購買，自然風干，打碎壓塊（≤30 mm）。秸稈用量按小區(qū)設置進行，回填土至地面平整。按常規(guī)玉米種植方法地面起壟、壟臺播種，株距33 cm，行距50 cm。澆水、除草措施等田間管理按照當?shù)亓晳T進行。

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設8個處理，分別為：不施肥CKN；常規(guī)施肥CK；常規(guī)施肥+0.25 kg/m2秸稈（0.25S）；常規(guī)施肥+0.5 kg/m2秸稈（0.50S）；常規(guī)施肥+0.75 kg/m2秸稈（0.75S）；常規(guī)施肥+1.00 kg/m2秸稈（1.00S）；常規(guī)施肥+1.25 kg/m2秸稈（1.25S）；常規(guī)施肥+1.50 kg/m2秸稈（1.50S），每處理重復3次。

供試玉米品種為春玉米吉第67。常規(guī)施肥用玉米專用復合肥（N-P2O5-K2O=28-14-12），緩釋劑型，用量為600 kg/hm2，相當于純氮（N）168 kg/hm2、P2O584 kg/hm2、K2O 72 kg/hm2，生長季未追肥。玉米生育期（5月初至9月底）內(nèi)自然降水量為380 mm。

1.3 樣品采集

1.3.1 土壤樣品 于播種前和收獲后按五點取樣法，各處理分別取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土壤，帶回實驗室風干，同土層5個重復混勻為一個樣品，過60目篩后備用。

1.3.2 淋溶液樣品 玉米生長季結(jié)束后將淋溶筒取出，量取淋溶液體積并測定其形態(tài)氮素含量。淋溶量（mg/m2）=（淋溶液氮素含量×淋溶液總量）/淋溶面積。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 氮素 采用鮑士旦［10］的方法測定。土壤全氮經(jīng)濃硫酸和高氯酸消煮，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮通過氯化鉀溶液（1 mol/L）浸提后，使用FIA6000+流動分析儀進行測定［11］。淋溶液中氮素參照文獻［12］中水樣分析測試法測定，T-N采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，NH+4-N采用鈉氏試劑比色法，NO-3-N采用酚二磺酸光度法，NO-2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

1.4.2 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素 玉米完熟期（10月10日）收獲，統(tǒng)計各處理穗長、穗粗、穗行數(shù)、百粒重，并按小區(qū)脫粒測產(chǎn)，同時測含水量，并折算成籽粒標準含水量（14%）下的產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，方差分析和差異顯著性比較采用單因素方差（one way-ANOVA）和鄧肯氏（Duncan’s）法（α=0.05），用Pearson法進行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量變化

由各處理土壤全氮（T-N）含量變化特征發(fā)現(xiàn)，不同處理土壤全氮隨剖面向下呈逐漸降低趨勢（圖1A），即0～20 cm＞20～40 cm＞40～60 cm＞60～80 cm＞80～100 cm。同一土層比較，常規(guī)施肥（CK）全氮含量最高，秸稈還田各處理均低于CK，而不施肥（CKN）偏低。

由各處理土壤銨態(tài)氮（NH+4-N）含量變化特征發(fā)現(xiàn)，隨土壤剖面深度的增加銨態(tài)氮含量先稍增高后逐漸降低（圖1B），即20～40 cm土層銨態(tài)氮含量最高，其次是0～20 cm土層，40 cm以下依次減少。同一土層來看，銨態(tài)氮含量仍表現(xiàn)為不施肥CKN最低，常規(guī)施肥（CK）與不同量秸稈還田處理差異不明顯。

由圖1C可見，隨土壤剖面深度的增加硝態(tài)氮（NO-3-N）含量先明顯增高而后逐漸降低，即20～40 cm土層硝態(tài)氮含量最高，其次是0～20 cm土層，40 cm以下依次減少。同一土層比較，不施肥處理（CKN）硝態(tài)氮含量明顯偏低，尤其是耕層（40 cm以上），而常規(guī)施肥（CK）和秸稈還田各處理差異不顯著。

由圖1D看出，不同處理土壤亞硝態(tài)氮（NO-2-N）含量隨土層深度的增加先顯著升高后降低，20～40 cm土層亞硝態(tài)氮含量最高，與硝態(tài)氮不同的是之后依次為40～60、60～80、0～20、80～100 cm土層。同一土層各處理間亞硝態(tài)氮含量差異不大，不施肥（CKN）、常規(guī)施肥（CK）和秸稈還田處理對其影響均不明顯。

圖1 0～100 cm土壤剖面T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N含量變化

綜上分析，全氮含量隨著土壤剖面向下逐漸降低，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮含量在土壤亞表層明顯增加，這可能與秸稈還田位置恰好處于該土層有關(guān)。

2.2 淋溶液全氮和不同形態(tài)氮含量及其與秸稈還田量的相關(guān)性分析

由表1可知，與常規(guī)施肥（CK）相比，淋溶液中全氮淋溶量降低8.07%～18.78%，銨態(tài)氮淋溶量降低7.89%～30.17%，硝態(tài)氮淋溶量降低3.19%～6.73%，亞硝態(tài)氮淋溶量降低7.20%～16.99%，而未施肥對照（CKN）全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量較CK低20.83%、43.21%、46.60%和72.58%。整體看來，CK＞常規(guī)施肥+秸稈還田＞CKN，可見施用氮肥是氮素淋溶的最主要來源，秸稈還田措施能夠有效降低氮素淋失量。從淋失量比例分析，秸稈還田對T-N和NH+4-N的淋溶阻控效果最好，對作用稍差，但差異均達顯著水平（P＜0.05）。

表1 秸稈還田量對氮素淋溶的影響

表2 秸稈還田量與氮素淋溶的相關(guān)分析

圖2 淋溶液中總氮及不同形態(tài)氮含量與秸稈還田量的關(guān)系

2.3 不同秸稈還田量對玉米籽粒產(chǎn)量的影響及相關(guān)分析

由表3可知，常規(guī)施肥條件下各秸稈還田處理玉米籽粒產(chǎn)量、穗長、穗粗、穗行數(shù)和百粒重較不施肥（CKN）和常規(guī)施肥（CK）均有提高，其中產(chǎn)量與穗長差異達顯著水平（P＜0.05）。與CK相比，產(chǎn)量、穗長、穗粗、穗行數(shù)和百粒重增幅分別為6.36%～14.65%、3.05%～11.30%、0.34%～1.19%、6.64%～10.90%和0.74%～2.39%，未施肥（CKN）較CK則分別降低7.12%、11.59%、0.54%、5.45%和0.52%。可見秸稈還田能在常規(guī)施肥的基礎上，增強土壤肥效，顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量。當秸稈還田量為0.75 kg/m2時玉米籽粒產(chǎn)量最高，較CK增產(chǎn)14.65%，穗長、穗行數(shù)和百粒重均高于其他處理。

表3 不同秸稈還田量對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

Pearson相關(guān)分析表明（表4），玉米籽粒產(chǎn)量對其構(gòu)成因素相關(guān)性由大到小依次為穗長、百粒重、穗行數(shù)和穗粗。

表4 秸稈還田量對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的相關(guān)分析

回歸分析（圖3）表明，玉米籽粒產(chǎn)量隨秸稈量增加先較快上升，出現(xiàn)肥效遞增效應，產(chǎn)量持續(xù)增加，而后單位秸稈量的增產(chǎn)量逐漸減少，出現(xiàn)肥效遞減階段，產(chǎn)量達到上限后肥料進入負效應階段。當玉米籽粒產(chǎn)量達到上限后，秸稈還田量過多，導致土壤中碳氮比過高，氮素被土壤固持，影響玉米氮素吸收，營養(yǎng)元素的失衡不利于根系營養(yǎng)吸收，導致產(chǎn)量下降。從經(jīng)濟角度考慮，結(jié)合耕層下淋溶量的差異分析，秸稈還田量以0.75 kg/m2左右為最優(yōu)。

圖3 玉米籽粒產(chǎn)量與秸稈還田量的關(guān)系

2.4 秸稈還田后土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮含量差異

通過氮素淋溶遷移和玉米產(chǎn)量與秸稈還田量的相關(guān)分析，確定秸稈還田0.75 kg/m2為推薦秸稈還田量。由圖4可知，與常規(guī)施肥（CK）相比，秸稈推薦還田量處理和未施肥處理（CKN）的土壤全氮在0～100 cm各土層中明顯偏低，同一土層不同處理整體表現(xiàn)為CK＞0.75S＞CKN。與栽培前相比，收獲后各處理土壤全氮含量稍有降低，而銨態(tài)氮含量比栽培前稍高，但無明顯差異。各處理收獲期土壤硝態(tài)氮含量顯著低于栽培前，可見試驗區(qū)常規(guī)氮肥施用量并未過量，推測玉米生長季期間硝態(tài)氮被作物吸收或者轉(zhuǎn)化為其他類型氮素。而土壤亞硝態(tài)氮以20～40 cm土層含量較高，其他土層相對較低，栽培前亞硝態(tài)氮含量低，經(jīng)過一個生長季收獲期亞硝態(tài)氮含量普遍提高4～8倍。

圖4 0～100 cm土層土壤總氮及不同形態(tài)氮含量差異

3 討論

秸稈直接還田是農(nóng)作物秸稈綜合利用最主要的途徑，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。本研究結(jié)果表明，秸稈還田對減緩土壤氮素淋溶影響顯著，與CK相比，秸稈還田不同程度降低了氮素淋溶下移的速度，對T-N和NH+4-N的效果較好，對NO-3-N和NO-2-N淋失阻控作用稍差。這與白云［13］和Xia等［14］的研究結(jié)果基本一致。收獲期土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與分布主要受秸稈腐解、土壤礦化和根系分布影響。秸稈翻耕還田降低土壤容重，進而促進根系的生長與下扎，同時也有利于土壤水分的貯存和微生物的繁殖［15，16］。秸稈中氮素主要以難溶的有機態(tài)存在，在自然狀態(tài)下分解較慢，釋放率僅8.3%～55.6%，而大量微生物富集在根系區(qū)域，通過礦化土壤中的有機氮釋放銨態(tài)氮，增加了根區(qū)銨態(tài)氮含量。秸稈翻耕還田擾動深層土壤，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，促進土壤微生物的氮礦化與硝化作用，從而使易于被作物根系利用的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分布與玉米根系分布的密切相關(guān)，因此，0～40 cm土層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較其他土層更高［17，18］。降雨量與灌溉量也是決定土壤硝態(tài)氮淋溶下移的重要因素之一［19］。遼寧西部玉米產(chǎn)區(qū)十年九旱，試驗期間降雨量較少，對氮素淋溶試驗有一定影響，但從秸稈還田對半干旱地區(qū)氮素淋溶的影響來看具有代表意義。

秸稈還田處理可以調(diào)和氮肥施用過多造成的碳氮比減小問題，利于微生物繁殖和土壤礦化。氮肥施用過量易造成淋溶風險提高，而秸稈本身碳氮比較高（一般為60～80），施入土壤后能夠一定程度平衡氮素過高的不良影響，從而協(xié)同增產(chǎn)增收，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟效益雙贏。霍海南等［20］研究表明，秸稈還田量低于收獲量的67%，影響自養(yǎng)硝化速率，從而增加無機氮損失風險。本研究結(jié)果表明，過量的秸稈還田不但不能增產(chǎn)，反而使玉米產(chǎn)量有所下降。秸稈作為一種培肥土壤的營養(yǎng)要素，具有所有肥料共同的肥效特性，通過秸稈還田量與產(chǎn)量的肥效回歸分析，確定適宜的添加量，從而獲得更高的投入產(chǎn)出比。陳富強等［21］研究發(fā)現(xiàn)，800 kg/hm2處理的保墑效果優(yōu)于其它秸稈還田量。根據(jù)長期秸稈還田的養(yǎng)分釋放及累積效應，秸稈還田配施氮肥下玉米合理施氮量應控制在150～203 kg/hm2，適宜的秸稈還田量與合理的施氮量相輔相成，才能實現(xiàn)既提高玉米產(chǎn)量和氮肥利用率，又能降低氮素淋溶所致環(huán)境風險［22，23］。

前人研究表明，穗行數(shù)和穗長是玉米產(chǎn)量形成的基礎，同時兼顧千粒重協(xié)調(diào)發(fā)展，因此，提高穗長和穗行數(shù)是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理的玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素均提高，尤其是穗長和穗行數(shù)，最終不同程度地提高玉米產(chǎn)量。另外由于秸稈還田使土壤保墑和保水等性能提高，還田土壤玉米根系更發(fā)達、營養(yǎng)吸收更好也是玉米產(chǎn)量提高的重要因素。

4 結(jié)論

秸稈還田能夠充分調(diào)動土壤營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)，利于玉米根系下扎，增強根系所在耕層土壤的氮素轉(zhuǎn)化和固持，促進玉米生長發(fā)育。秸稈深還田顯著增加了玉米籽粒產(chǎn)量，施用量為0.75 kg/m2時增產(chǎn)效用最大，不僅使春玉米長勢良好、根系發(fā)達、產(chǎn)量提高，還能明顯減少春玉米種植期間土壤T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N隨灌溉和降水淋失，從而降低玉米地農(nóng)業(yè)面源污染風險。該技術(shù)可以在半干旱褐土區(qū)春玉米生產(chǎn)中加以推廣應用。