秸稈還田方式與施氮量對秸稈腐解及玉米氮素利用的影響

劉熙明 王瀅渺 田洪濤 任姿姿 鄧 超 王少杰 高 強 馮國忠*

(1.吉林農業大學 資源與環境學院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室,長春 130118;2.新洋豐農業科技股份有限公司,湖北 荊門 448000)

東北地區是我國重要的商品糧生產基地,玉米為東北地區主要糧食作物,秸稈為玉米生產的伴生物,2020年玉米產量8 413.9 萬t,而玉米秸稈產量達到8 750.4 萬t[1-2]。傳統的秸稈離田、秸稈焚燒等秸稈處理方式會造成嚴重的黑土質量退化、環境污染等問題。在我國主要開展秸稈還田為核心的保護性耕作技術,不僅可以有效減緩因風蝕水蝕造成的黑土退化,還可以增加土壤養分儲量,故在黑土保護中得到廣泛推廣。據統計,中國每年產生秸稈中N、P、K等養分含量相當于當年化學肥料投入養分總量的三分之一[3]。20世紀90年代林心雄等[4]提出尼龍袋法替代砂濾管法探究有機物料分解速率以來,研究者采用該方法開展了針對秸稈腐解及養分釋放情況一系列研究[5-7]。已有研究表明:秸稈還田后的腐解過程受到秸稈自身組分、土壤、耕作等因素的影響[8-10];田平等[11]、匡恩俊等[12]分別在東北棕壤區和黑土區進行了不同還田方式秸稈腐解試驗[11],而所得秸稈腐解率與氮素釋放率卻存在較大差異。雖然還田玉米秸稈釋放氮素具有一定的節肥潛力,但由于玉米秸稈C/N較高,還田管理不當易引起農田土壤氮素失衡[13],而導致玉米氮素利用率降低等問題。已有研究發現氮素投入調節了秸稈還田后土壤C/N,提高微生物活性[14-15],影響了參與氮循環微生物作用過程[16-17],促進還田秸稈的腐解和氮素釋放[13,18],同時為作物提供養分[19]。因此,探究有效的還田方式與施氮水平結合模式,對玉米秸稈肥料化有效化具有重要意義。

目前,關于還田方式與施氮量結合下的玉米秸稈腐解與氮素釋放研究尚未見報道,因此本研究擬以玉米秸稈為研究對象,開展不同還田方式與施氮相結合的玉米秸稈腐解特征和玉米產量、氮素利用差異研究加以明確。本研究擬通過秸稈尼龍網袋埋置法,分析連續兩年不同還田方式與不同施氮水平下,玉米秸稈腐解率及氮素釋放特征,估算玉米秸稈氮素釋放量并調查玉米產量和氮素利用率,探討玉米產量與秸稈養分釋放量、施氮量的關系,為黑土區玉米生產中秸稈資源的科學配置與管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021—2022年連續2年在中國農業大學梨樹試驗站(N43°17′,E124°26′)進行,種植制度為一年一熟玉米連作。供試土壤為黑土,耕層土壤pH 6.1,有機質18.9 g/kg,堿解氮64.02 mg/kg,速效磷23.96 mg/kg,速效鉀203.0 mg/kg。試驗區域屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年平均氣溫6.1 ℃,年日照時數2 678 h,作物生長季節5—9月,日照時數1 192 h,年積溫(>0 ℃)3 478 ℃,無霜期152 D。2021年試驗地點玉米生育期內月平均氣溫19.3 ℃,降雨量569.2 mm;2022年生育期月平均氣溫18.4 ℃,降雨量918.2 mm,其中6月24日—7月29日發生多次強降雨(日降雨量超過50 mm),形成農田澇害。

1.2 試驗設計

試驗采用玉米品種為‘良玉99’。試驗共設置還田方式和施氮量2種不同因素。秸稈還田方式主要包括:1)覆蓋還田(Straw mulch,SM);2)翻壓還田(Straw bury,SB)。不同施氮量如下:1)N0(不施氮肥)、2)N1(180 kg/hm2)、3)N2(270 kg/hm2),氮肥基肥和追肥氮素投入質量比例為1∶2,各處理磷(P2O5)、鉀(K2O)用量一致,為90 kg/hm2,磷、鉀肥作基肥一次性施入。其中基肥使用復合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)、重過磷酸鈣(P2O545%)和氯化鉀(K2O 60%),追肥使用尿素(N 46%)。

每小區含12壟,長20 m,面積144 m2,3次重復。于每年5月上旬等行距(60 cm×25 cm)播種,10月初收獲,種植密度為65 000株/hm2。2年中均進行秸稈全量還田處理,通過對上季玉米秸稈產量估算,還田秸稈干重為10 000 kg/hm2。試驗地前茬作物為玉米,耕作方式為旋耕秸稈不還田。作物生育期內按當地栽培方式進行田間管理。

試驗使用尼龍網袋法研究秸稈腐解特征,供試秸稈采集于試驗田上季玉米,初始養分為全氮8.19 g/kg、全磷0.75 g/kg、全鉀12.7 g/kg。所用秸稈粉碎長度為2～5 cm,稱取15 g(與田間同面積實際秸稈分布量相同)裝入100目孔徑尼龍網袋(10 cm×15 cm)中。田間網袋布設與土壤耕作同步進行,并依據不同還田方式機械作業方式,將覆蓋還田處理網袋平鋪在地表兩苗帶之間,翻壓還田處理網袋深埋于15～30 cm土層處。

1.3 樣品采集及測定

網袋秸稈于2021年4月28日還田后,在玉米生長期內每30 d取樣1次,2022年4月28日開始第2個取樣周期,連續2個玉米生育期,共取樣11次。取樣后,將秸稈樣品洗凈,75 ℃烘干至恒重,利用失重法計算秸稈腐解率。

在玉米成熟期,去除各試驗小區兩側邊壟2壟,及小區前后2段各1 m,其余部分確定為測產區域。記錄測產面積內總穗數和鮮重,依照計算后的平均穗重,選取代表性果穗10穗進行考種,測定穗粒數和百粒重。采用谷物水分儀(PM-8188A)測定籽粒含水量,折算為14%含水量的玉米籽粒產量。在產量測定的同時,每個小區選取代表性植株3株,分為秸稈和籽粒,分別稱其鮮重,烘干,稱干重,然后全部粉碎,用四分法取出分析樣。

采用常規分析法[20]測定秸稈、植株樣品養分含量,經H2SO4-H2O2消煮后,使用凱氏定氮儀(KDY-9820)測定全氮含量,計算秸稈養分釋放率、釋放量和植株吸氮量等指標。

1.4 數據處理

秸稈腐解率、養分釋放率及氮素釋放量計算公式如下:

腐解率=(M0-Mt)/M0×100%

(1)

氮素釋放量=(M0C0-MtCt)/M0×10 000

(2)

氮素釋放率=(M0C0-MtCt)/M0C0×100%

(3)

式中:t為腐解時間,d;M0為秸稈初始干重,g;Mt為腐解時間為t時的干重,g;C0為秸稈原始全氮含量,g/kg;Ct為腐解時間為t時秸稈中全氮含量,g/kg。

使用準一級動力學方程(4)及其修正方程(5)對秸稈腐解率、氮素釋放率進行時序擬合。

Rt=k×(1-e-qt)

(4)

Rt=k×(1-e-qt)a+b

(5)

式中:t為腐解時間,d;Rt為t時秸稈累積腐解(釋放)率,%;k為常數;q為腐解(釋放)系數;a,b為修正方程常數。

氮肥表觀利用率=(施氮區作物吸氮量-
不施氮肥區作物吸氮量)/施氮量×100%

本研究運用Microsoft Excel 2010和Origin 2021對數據進行分析作圖及對秸稈腐解率和養分釋放率進行時序方程擬合, 采用SPSS 25.0最小顯著法(LSD)檢驗試驗數據的差異顯著性水平(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈腐解特征

不同還田方式與施氮量結合下玉米秸稈腐解監測結果見表1。可知2年中秸稈腐解過程表現出快速腐解—逐漸減緩—趨于停滯的特點。其中:還田后0～90 d當中,還田方式和施氮量及其交互作用均顯著影響秸稈腐解,SB處理相較于SM處理促進了秸稈腐解,而不同施氮處理間秸稈腐解率表現為N2>N1>N0;腐解150 d時,還田方式和施氮量間交互作用對秸稈腐解影響顯著;SM與SB處理間秸稈累積腐解率差異顯著,SB處理秸稈累積腐解率(66.2%)明顯高于SM處理(49.8%);施氮處理(N1和N2)較N0處理秸稈累積腐解率提高了5.6%,但N1、N2處理間無顯著差異。此外發現:150～361 d取樣間隔中,秸稈腐解基本處于停滯狀態;秸稈還田361 d后,隨著降雨和溫度升高,秸稈腐解速率小幅度提高,后隨時間延長逐漸趨于停滯;至511 d取樣結束時,秸稈累積腐解59.2%～87.3%,不同還田方式與施氮量間秸稈腐解率均表現出明顯差異,但兩因素間并未表現出明顯交互作用。

表1 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈腐解率隨時間的變化Table 1 Changes of corn straw decomposition rate with time under different returning methods and nitrogen application treatments

2.2 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈氮素釋放特征

不同還田方式與施氮量結合下玉米秸稈氮素釋放率監測結果見表2。可知與秸稈腐解表現相似,秸稈氮素釋放過程表現出快速釋放—逐漸減緩—趨于停滯特點。其中:秸稈氮素在還田后0～90 d中快速釋放,還田90 d時,還田方式與施氮表現出極顯著交互作用,翻壓還田N2處理秸稈氮素累積釋放率顯著高于其他處理,為46.3%。至150 d時,SB處理秸稈氮素累積釋放率明顯高于SM處理,分別為47.0%和31.4%。相較于SM處理,SB處理下施氮(N1和N2)對秸稈氮素釋放的促進作用更加明顯,分別為3.4%和7.8%。此外,在2次取樣周期間隔中,秸稈氮素釋放明顯停滯。在還田361 d后,隨降雨和溫度提升,秸稈氮素釋放速率小幅升高,而后再次趨于停滯;至511 d取樣結束時,還田方式和施氮量及其交互作用顯著影響秸稈氮素釋放,SB處理秸稈氮素累積釋放率明顯高于SM處理,分別為62.5%和46%。施氮同樣促進了秸稈氮素釋放,相較于N0處理,施氮處理秸稈氮素累積釋放率提高12.5%,但N1與N2處理間秸稈氮素累積釋放率無顯著差異。

表2 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈氮素釋放率隨時間的變化Table 2 Changes of nitrogen release rate of maize straw with time under different returning methods and nitrogen application treatments

2.3 秸稈腐解和氮素釋放率的時序擬合結果

不同處理下秸稈腐解和氮素釋放的時序擬合見表3。可知2021年秸稈腐解率符合準一級動力學方程。方程擬合至收斂時,r2為0.987～0.998,擬合程度較高,且均達到顯著水平。SB處理腐解常數k值高于SM處理,腐解系數q隨施氮量增加而升高;2022年殘留秸稈腐解率使用準一級動力學方程擬合發生較大偏離,故使用修正準一級動力學方程進行擬合。秸稈腐解率時序擬合至收斂時,r2為0.980～0.999,施氮處理擬合方程中常數項k、腐解系數q均高于N0處理,通過對比可知覆蓋還田模式下N1處理第2年中秸稈腐解程度較高,翻壓還田模式下N2處理秸稈腐解率程度高,但由于修正方程中常數項b不一致,無法通過腐解系數比較還田方式間秸稈腐解程度大小。2021年秸稈氮素釋放率同樣符合一級動力學方程,擬合至收斂時r2為0.984～0.998,隨氮素投入增加釋放系數q也隨之提高。由于常數k“漂移”程度較大,故無法以釋放系數大小比較2種還田方式間秸稈氮素釋放快慢,但通過對k值比較,可知SB處理秸稈在還田第1年中釋放程度更高;2022年秸稈氮素釋放率符合修正準一級動力學方程,方程擬合至收斂時r2為0.991～0.998,擬合均達到顯著水平。通過對釋放系數q的比較,2022年中施氮明顯促進了秸稈氮素釋放,N1處理秸稈氮素釋放程度明顯高于其他施氮處理。

2.4 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈腐解量

秸稈還田2年(2021—2022年)腐解量如圖1所示。可知還田方式和施氮量對2021年秸稈腐解量影響顯著,且因素間具有顯著交互作用。SB處理秸稈腐解量明顯高于SM處理,平均腐解量分別為6 619和4 979 kg/hm2;N1、N2處理間秸稈腐解量無顯著差異,但相較于N0,施氮處理秸稈腐解量增加560 kg/hm2;2022年秸稈還田方式對秸稈腐解量影響不顯著,但施氮對秸稈腐解量表現出明顯的促進作用,施氮處理較N0秸稈腐解量增加421 kg/hm2;2年秸稈腐解量在不同還田方式間存在明顯差異,SB處理秸稈腐解量為8 299 kg/hm2顯著高于SM處理(6 529 kg/hm2)。施氮同樣顯著提高秸稈腐解量,施氮處理較N0增加981 kg/hm2,但N1、N2處理間無明顯差異。

2.5 不同還田方式和施氮處理下玉米秸稈氮素釋放量

秸稈氮素釋放量如圖2所示。可知:2021年還田方式與施氮處理間秸稈氮素釋放量存在明顯差異,SB處理秸稈氮素釋放39 kg/hm2,顯著高于SM處理(26 kg/hm2);施氮促進了秸稈氮素的釋放,秸稈氮素釋放量表現為N2>N1>N0;兩因素間交互作用對秸稈氮素釋放影響顯著,其中翻壓還田N2處理秸稈氮素釋放量顯著高于其他處理為42 kg/hm2;2022年還田方式對秸稈氮素釋放量影響不顯著,而施氮量顯著影響氮素釋放,施氮處理秸稈氮素釋放量較N0處理增加6 kg/hm2。秸稈還田2年后,不同還田方式間氮素釋放量差異較大,SB處理秸稈氮素釋放量顯著高于SM處理,分別為51和38 kg/hm2;N1、N2處理間秸稈氮素2年釋放量無顯著差異,但顯著高于N0處理,施氮處理相較于N0處理2年間秸稈氮素釋放量增加10 kg/hm2。

圖2 2021年(a)和2022年(b)不同還田方式與施氮量下秸稈氮素釋放量Fig.2 Nitrogen release of straw under different returning methods and nitrogen application rates in 2021 (a) and 2022 (b)

2.6 不同還田方式和施氮處理下玉米產量與氮素利用特征

2021—2022年不同還田方式下各施氮處理玉米產量構成見表4。可知:在產量構成方面,還田方式與施氮對穗粒數、百粒重均有顯著影響,兩因子交互作用顯著影響穗粒數;同時,年際與還田方式、年際與施氮量間交互作用對穗粒數影響同樣顯著,其中翻壓還田N2處理穗粒數在2年中均高于其他處理,分別為657和616粒/穗;施氮量與年際交互作用對百粒重影響顯著,2021年N1和N2處理百粒重最高,分別為24.9和25.3 g。在產量方面,還田方式間無明顯差異,但隨著施氮量的增加產量明顯增加,且施氮量與年際間交互作用影響顯著,是以2年產量以2021年N2處理最高,為11 867 kg/hm2。2年中植株吸氮量存在明顯差異,還田方式與施氮量及其交互作用均顯著影響植株吸氮量,2年中翻壓還田N2處理植株吸氮量均顯著高于其他處理,分別為190.2和179.6 kg/hm2。植株氮素表觀利用率顯示,SB處理氮素表觀利用率顯著高于SM處理,分別為59.8%和55.9%。隨著氮素投入增加,氮素表觀利用率明顯降低,N1處理氮素表觀利用率較高,2021年N1處理氮素表觀利用率為67.1%,略高于2022年的65.7%。

表4 玉米產量和植株吸氮量及其多因素方差分析結果Table 4 Corn yield and plant nitrogen uptake and their multivariate analysis of variance results

2.7 秸稈氮素釋放和玉米產量、氮素吸收的關系

不同還田方式秸稈氮素釋放量與玉米產量、氮素利用間的相關性分析見圖3,覆蓋還田(圖3(a))氮素釋放量與施氮量呈正相關關系,但并不具有顯著性;產量、吸氮量與施氮量呈正相關關系,而氮肥表觀利用率與施氮量呈顯著的負相關關系,而氮素釋放量與產量間無明顯相關,但對植株吸氮量表現出明顯的正相關性,相關系數為0.82。在翻壓還田(圖3(b))中,施氮對玉米穗粒數、產量、植株吸氮量表現出顯著正相關性。氮素釋放量與穗粒數、產量、植株吸氮量呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.93、0.91和0.93。同時穗粒數與產量、植株吸氮量間表現出顯著正相關,相關系數為0.87和0.88。

NA:施氮量;NRA:氮素釋放量;GN:穗粒數;GW:百粒重;Y:產量;NU:植株吸氮量;NAR:氮素表觀利用率。NA: nitrogen application rate; NRA: nitrogen release amount; GN: grain number per spike; GW: 100-grain weight; Y: yield; NU: plant nitrogen uptake; NAR: nitrogen apparent use efficiency.圖3 覆蓋還田(a)和翻壓還田(b)秸稈氮素釋放量和玉米產量與利用率的關系Fig.3 Relationship between straw nitrogen release and maize yield and utilization rate under mulching (a) and burying (b)

3 討 論

3.1 玉米秸稈腐解與氮素釋放特征

本研究發現試驗期2年中秸稈腐解過程表現為第1年中由快速腐解趨向緩慢,第2年中隨雨熱同期到來,秸稈腐解小幅提升,而整體表現出前期快,后期慢的特點,這與已有研究結果一致[21-23]。在前期快速分解中,微生物以秸稈中易被利用組分為碳源、氮源和能源,而在后期殘留秸稈組分中大部分為難被利用的組分和前期分解形成的穩定次級代謝物[24-25],故而導致秸稈腐解由快到慢的變化過程。本試驗為秸稈連續還田,第2年中,土壤微生物分解可能偏向于新加入秸稈,這也可能是本試驗結果中還田第2年,還田方式對殘留秸稈分解影響不再顯著這一現象的原因。還田方式顯著影響秸稈腐解率。匡恩俊等[12]表明,土壤環境會導致秸稈腐解的差異。覆蓋還田秸稈暴露在空氣中,缺乏與土壤和水分的接觸,土壤微生物和酶活性較低[11]。而翻壓還田秸稈與土壤充分接觸,且翻耕改善了黑土的通氣性與吸熱性[26],更有利于土壤微生物對秸稈的分解。目前關于施用氮肥對于秸稈腐解的影響尚存爭議。表明,施氮可調節秸稈還田后土壤C/N,為微生物提供充足的氮源,提高水解酶的活性促進秸稈腐解[27-29]。但路平等[30]、楊文亭等[31]研究認為大量氮素的加入會抑制微生物活性,抑制了還田秸稈的前期腐解。在本研究中,基肥投入后對前期秸稈腐解影響較小,但隨著腐解時間的延長和追施氮肥對土壤C/N的再次調節,施氮與不施氮秸稈腐解差異逐漸明顯。還田后第1年中還田方式與施氮交互作用對秸稈腐解影響顯著,腐解過程中翻壓還田方式下較高的氮素投入秸稈腐解程度保持較高的腐解率,這可能是由于較高的施氮保障了充足的氮源,而翻耕后土壤更有利于養分的運移[32],秸稈附近土壤C/N維持在土壤微生物適宜水平[33],從而加速了秸稈的腐解。秸稈氮素部分礦化,供給作物吸收,本研究中秸稈還田2年中累積釋放39.9%～68.5%氮素。其釋放過程與秸稈腐解過程相似,均為還田方式改變土壤條件造成氮素釋放的差異。且氮素投入改善了還田后土壤C/N,有利于微生物的活動[33],故在較高氮素投入水平下秸稈氮素釋放程度較高。殘留秸稈氮素伴隨秸稈干物質在土壤當中積累,在秸稈氮素釋放過程中,殘留秸稈中全氮含量逐漸上升[34],相較于翻壓還田,覆蓋還田殘留了更多的干物質與氮素,這有利于土壤腐殖質的形成[35]。

傳統秸稈離田導致農田土壤養分庫呈現逐年虧損狀態,而秸稈還田可有效改善這一情況[36-37]。本研究已對不同還田方式與施氮水平下秸稈氮素釋放過程做出了研究,但秸稈釋放碳及土壤C/N變化情況仍有待進一步試驗說明。

3.2 秸稈還田引起的玉米產量及氮素利用變化

保證氮素供應是產量形成的關鍵[38-40],施氮顯著提高了玉米穗粒數,相較于不施氮處理,施氮后玉米穗粒數增加320粒/穗。翻壓還田玉米穗粒數(499粒/穗)高于覆蓋還田(460粒/穗),相關性分析顯示,翻壓還田秸稈氮素與穗粒數呈顯著正相關。翻壓還田秸稈當季釋放39 kg/hm2氮素,高于覆蓋還田26 kg/hm2,相比之下翻壓還田對玉米生長的氮素供應能力更強。充足的氮素供應促進了幼穗的發育和籽粒的形成,并且在高施氮條件下,在玉米吐絲期提供更多的氮素可促進小花原基的分化,從而增加穗粒數[41-42]。故秸稈翻壓還田時較高的氮素投入可獲得較高的穗粒數。但翻壓還田方式中玉米百粒重(19.7 g)低于覆蓋還田(20.5 g),同時由于2022年玉米生育期內出現澇害,百粒重較2021年顯著降低,而翻壓還田玉米穗粒數相較于覆蓋還田更加穩定。這可能是由于黑土本身保水能力較強[43],而不同耕作方式導致了土壤水分運移能力的差異,覆蓋還田玉米在淹水脅迫下穗分化受到抑制,而導致穗粒數減少[44],產量下降幅度較大。

植株氮素吸收同樣受到還田方式與施氮的影響,翻壓還田配合高施氮促進了植株氮素吸收。由于翻壓還田促進了土壤養分的運移[45],且秸稈釋放了更多的氮素供給玉米吸收,同時固定了部分肥料氮素,減少肥料氮的淋溶損失[46],使得翻壓還田玉米吸氮量、氮素表觀利用率高于覆蓋還田。翻壓還田配合較高的氮素投入,使玉米獲得較高的氮素吸收量。但關于秸稈氮素在還田方式和施氮水平耦合下作物中的分配與利用仍需通過同位素標記技術[47]實現,有待進一步試驗完善,為玉米生產中節氮減排提供依據。

3.3 東北黑土區玉米秸稈還田和氮肥管理優化

玉米秸稈還田后提高了土壤C/N,而微生物適宜的土壤C/N為25/1[48]。因此,需要提供充足的氮素防止微生物與作物爭氮現象發生[49]。而還田秸稈釋放氮素可替代部分氮肥[50-51],從而減少氮肥投入。根據本試驗中結果,還田秸稈氮素釋放量在還田方式與施氮間表現出明顯差異,且在2022年上季殘留秸稈仍有氮素釋放,并結合本研究中玉米產量和氮素利用特征,在秸稈連續還田模式下,秸稈對氮肥替代能力應為逐年遞增趨勢,且秸稈在翻壓還田和施氮條件下對氮肥替代能力更高,這與閆宇婷等[52]研究結果可相互補充和佐證。在本研究中未對2022年還田秸稈氮素釋放情況進行調查,但土壤環境改變對微生物的影響,及微生物對于物質分解的偏嗜性[49],可能導致2年秸稈氮素釋放差異。綜上,在秸稈還田時需基于土壤碳氮含量、秸稈養分含量、還田方式確定氮肥投入量和基追比例[52],根據具體情況靈活投入氮肥,可在一定程度上提高資源利用效率。

4 結 論

本研究通過連續2年田間定位試驗,運用尼龍網袋法,研究不同還田方式與施氮量耦合條件下秸稈腐解與氮素釋放率及其對玉米氮素利用的影響,主要結論如下:

1)黑土區玉米秸稈腐解與氮素釋放呈快速分解-逐漸減緩-趨于停滯的過程;

2)秸稈還田方式和施氮顯著影響秸稈腐解與氮素釋放,相較于覆蓋還田,翻壓還田和施氮更有利于秸稈腐解與氮素釋放;

3)秸稈翻壓還田結合高氮投入可以有效改善玉米產量構成和植株氮素吸收,從而保障產量。