长期秸秆还田与氮肥调控对稻田土壤质量及产量的影响

张娟琴，郑宪清，张翰林，吕卫光，李双喜

(1.上海市农业科学院 生态环境保护研究所，上海 201403；2.上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403；3.上海市农业环境保护监测站，上海 201403；4.农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海 201403；5.上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201403)

农作物秸秆作为地球上第一大可再生资源，我国秸秆产量约占全球产量的三分之一[1]，农业秸秆作为物质、能量和养分的载体，本身含有丰富的碳、氮、磷、钾、钙、镁等多种元素[2]，在倡导生态农业的大背景下，秸秆还田是农业资源再利用的最重要途径，不仅可以减少对环境的污染，同时也可以提高资源再利用率[3-5]。大量研究表明，秸秆还田可以改良土壤结构、改善肥力状况和养分循环，还可以提高农作物产量、维持农业生态平衡[6-7]，但是秸秆还田有可能存在重金属污染的潜在风险，同时秸秆高碳氮比使其还田腐解过程中与作物争夺氮肥，造成土壤氮肥相对缺乏，陈海飞等[8-9]研究发现秸秆还田后土壤耕层的碳氮比大约为 55～65∶1，而秸秆腐解适宜的碳氮比为 25～30∶1，所以需要配施适量的化学氮肥来解决微生物在分解秸秆的过程中与作物竞争土壤中氮素的矛盾。Nicholson等[10]也指出长期的秸秆还田致使硝酸氮类肥料以每年10～25 kg/hm2的速度减少。秸秆还田配施氮肥在不同程度上提高了土壤养分供应潜力[11]，在一定程度上可以提高作物产量[12]。秸秆还田对作物的产量效应主要取决于秸秆还田的方式、数量以及化学氮肥的施用量等。因此，长期秸秆还田条件下，如何科学调控氮肥，提高土壤质量和作物产量至关重要。已经有很多学者针对秸秆还田条件下氮肥的调控进行了研究。胡雅杰等[13]研究表明，秸秆全量还田条件下，氮肥并非越多越好，氮肥用量300 kg/hm2时，可有效提高水稻产量、干物质积累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸秆还田条件下氮肥调控对水稻长势的影响发现，最佳氮肥施用量为163 kg/hm2。而汪军等[15]认为秸秆还田条件下，太湖地区水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可获得较高的产量和氮肥利用率。可能因为地域或土壤环境的差异，前人的研究结论不尽相同，因此，需要中长期定位试验对秸秆还田条件下的氮肥调控对土壤质量的影响进行全面评估。本研究从土壤理化特性、重金属含量、活性有机质、微生物量碳、碳管理指数及产量等表征土壤肥力、环境、健康等与土壤质量密切相关的指标入手，研究长期秸秆还田与氮肥调控对土壤质量及水稻产量的影响，以期为提高长三角地区秸秆资源利用率和改善土壤质量提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验处理设置

试验基地位于崇明岛三星镇(31°4l′15″N，121°54′00″E)，属北亚热带季风气候，年均降水量1 003.7 mm，年均气温15.3 ℃，年均积温2 559.60 ℃。试验田为稻麦轮作，定位轮作年限为5年。供试土壤为潮土，初始肥力：pH值 8.43，土壤容重1.24 g/cm3，有机质24.91 g/kg，全氮1.91 g/kg、全磷2.40 g/kg、全钾17.22 g/kg。试验设5个处理：TB:秸秆不还田+N 300 kg/hm2、T0：秸秆全量还田+不施肥、T17：秸秆全量还田+N 255 kg/hm2、T20：秸秆全量还田+N 300 kg/hm2、T23：秸秆还田+N 345 kg/hm2，除氮肥外，各施肥处理磷肥和钾肥用量分别为120,180 kg/hm2，作基肥一次性施入。氮肥采用分次施肥，基肥、蘖肥、穗肥分别占总施氮量的40%，30%，30%，其他管理措施均一致。还田的小麦秸秆量约为6.5 t/hm2，采用稻麦联合收割机(带秸秆粉碎装置)收割的同时粉碎秸秆(8～10 cm)，均匀抛撒后采用旋耕机旋打18～20 cm的深度，每个小区面积为258 m2(43 m×6 m)，每处理设3重复。供试水稻为光明粳2号，水稻采用稻麦条播机直播，播种量为90 kg/hm2。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 土壤样品采集 水稻收割后，每小区S型采集耕层(0～20 cm)土壤10个样点混匀为一个土壤样品，样品封装后带回实验室。

1.2.2 样品分析方法 全氮-凯氏定氮法、全磷-酸溶-钼锑抗比色法、全钾-氢氧化钠熔融-火焰光度计法、速效氮-凯氏定氮法、速效磷-钼锑抗比色法、速效钾-火焰光度计法、pH采用电位法、土壤容重采用环刀法、有机质采用重铬酸钾容量法、活性有机质(LOM)采用333 mmol/L KMnO4氧化法、微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[16-17]，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr采用火焰原子吸收分光光度法(详见GB/T17138-1997、GB/T17140-1997、HJ491-2009)，Hg采用冷原子吸收分光光度法(GB/T1736-1997)，As采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法分析(GB/T1734-1997)测定。

1.2.3 碳库管理指数的计算 以对照处理土壤为参照(本研究以T0为参照土壤)，碳库指数及碳库管理指数等相关指标参照沈宏等[18]的方法计算。

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100%

其中：CPI=农田土壤总有机质含量/参考农田总有机质含量；

AI=农田碳库活度(A)/参考土壤碳库活度(ACK)；

A=土壤活性有机质/土壤非活性有机质。

1.3 数据处理

试验数据结果均以3个重复样品的平均值来表示，采用Excel 2007和SPSS 13.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与氮肥调控对土壤基本理化特性的影响

秸秆还田与不同氮肥调控水平对土壤基本理化性质的影响见表1，在全量养分方面，水稻收获期土壤全氮、全磷、全钾分别为1.62～2.21 g/kg， 1.73～2.41 g/kg， 15.90～18.52 g/kg，随着氮肥施用量的增加，全氮、全磷、全钾有升高的趋势。T0处理速效氮、速效磷、速效钾显著低于其他处理，随着氮肥施用量的增加，速效氮的含量增加；施肥量相同的条件下，秸秆还田处理T20较秸秆不还田处理TB速效氮、速效磷、速效钾分别提高21.1%，8.9%，1.1%。各处理pH值8.43～8.55，土壤pH均呈碱性，各处理间并无显著差异。容重是与土壤结构直接相关的物理特性之一，直接影响着土壤水、肥、气、热的状况，一般含矿物质多而结构差的土壤(如砂土)，土壤容重为1.4～1.7 g/cm3，含有机质多而结构好的土壤(如农业土壤)为1.1～1.4 g/cm3，本试验中土壤的容重为1.19～1.23 g/cm3，与TB相比较，其他处理土壤容重下降了2.50%～3.36%。

表1 秸秆还田与氮肥施用量对土壤理化特性的影响Tab.1 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on physico-chemical properties of soil

注：表中数据为3个数值的平均值±标准误差；同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。表2-3同。

Note: Date in the table are mean±SE,n=3； Different letters indicate a significant difference atP<0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 秸秆还田与氮肥调控对土壤重金属含量的影响

经过5年的稻麦秸秆连续全量还田后，稻田土壤7种重金属(全量)测定结果如表2，其中土壤汞、砷、铅、镉、铬、铜、锌含量分别为0.16～0.17 mg/kg，5.57～5.68 mg/kg，18.38～18.45 mg/kg，0.21～0.22 mg/kg，68.87～70.06 mg/kg，26.95～27.41 mg/kg，79.52～80.42 mg/kg。7种重金属中仅砷的含量略有上升的趋势，但差异并未达到显著水平。根据国家环境保护局土壤环境质量标准(GB 15618)，试验稻田土壤中砷、铅、铬、铜、锌的含量均小于自然背景值，属于一级标准，汞、镉略大于一级标准的0.15，0.20 mg/kg的限制值，远低于二级标准-农业生产土壤标准(pH>7.5，Hg≤1.00 mg/kg、Cd≤0.60 mg/kg)。

表2 秸秆还田与氮肥施用量对土壤重金属含量的影响Tab.2 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on concentration of heavy metals in soil mg/kg

2.3 秸秆还田与氮肥调控对土壤活性有机质含量、微生物量碳、碳库管理指数的影响

从表3中可以看出，秸秆还田5年后，秸秆还田处理土壤活性有机质、总有机质及微生物量碳与TB相比分别提高了0.522～1.081 g/kg，1.80～1.83 g/kg，135.54～162.40 mg/kg。秸秆还田条件下，T17、T20、T23的活性有机质、微生物量碳较T0分别提高了41.67%～43.61%，38.17% ～40.23%，但是总有机质的差异不显著。本试验中秸秆还田处理较秸秆不还田的TB处理碳库管理指数提高了39.67%～85.30% ，显著提高碳库管理指数(P<0.05)，增加土壤碳库。

表3 秸秆还田条件下氮肥调控对土壤活性有机质含量、微生物量碳、碳库管理指数的影响Tab.3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on organic matter content, microbial biomass carbon, carbon pool management index of soil

注：LOW. 活性有机质；TOM. 总有机质；MBC. 微生物量碳；CPMI. 碳库管理指数。

Note: LOW. Labile organic matter; TOM. Total organic matter; MBC. Microbial biomass carbon; CPMI. Carbon pool management index.

2.4 秸秆还田与氮肥施用量对水稻产量的影响

水稻产量是评价农田地力的重要指标，本研究中各处理水稻产量为8 610～12 030 kg/hm2，施肥处理的TB、T17、T20、T23比不施肥处理T0处理水稻产量高出31.01%，33.80%，38.67%，39.38%；施肥量相同的T20较TB水稻产量增加5.85%；随着氮肥的增加T20、T23较 T17增加了3.64%～4.17%(图1)。

图中数据为3个数值的平均值±标准误差，标准误差≤5%；图中不同字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。Date in the figure are mean±SE, n=3, SE≤5%；Different letters indicate significant difference at P<0.05.

3 讨论与结论

秸秆还田条件下，随着氮肥施用量的增加，土壤氮、磷、钾等养分含量上升，尤其是与作物生长密切相关、反映土壤近期养分供应情况的速效氮、速效磷(除了T23)、速效钾的含量随氮肥量的增加显著上升(P<0.05)。崔新卫等[6]研究了秸秆覆盖还田条件下冬小麦-夏玉米轮作的农田耕层土壤速效养分动态变化，表明秸秆还田可以显著提高速效养分的含量。邓巧玲等[19]研究稻-油轮作得出相似的结论。本试验中施肥量相同的条件下，秸秆还田处理T20较秸秆不还田处理TB速效氮、速效磷、速效钾分别提高21.1%，8.9%，1.1%。劳秀荣等[20]通过25年的定位盆栽试验也发现秸秆还田与化肥配合施用可以有效地增加速效养分的含量，改善土壤的物理性状、培肥土壤。王永吉[21]通过寒地稻草还田与施氮对土壤氮素影响的研究，认为水稻分蘖期土壤无机氮的含量随着稻草还田量的增加而下降，但是成熟期土壤无机氮正好相反。诸多的研究已经证实了秸秆还田配施氮肥在不同程度上提高了土壤养分供应潜力[11]，在一定程度上可以提高作物产量[12]。但是关于氮肥配施量却未达成共识，胡雅杰等[13]研究表明，秸秆全量还田条件下，氮肥用量300 kg/hm2(基肥∶分粟肥∶穗肥=4∶3∶3)时，可有效提高水稻产量、干物质积累量和氮肥利用效率。王麒等[14]研究寒地秸秆还田条件下氮肥调控对水稻长势的影响发现，最佳氮肥施用量为163 kg/hm2。而汪军等[15]认为秸秆还田条件下，太湖地区水稻田氮肥用量控制180～240 kg/hm2可获得较高的产量和氮肥利用率。魏海燕等[22]研究认为秸秆不还田下机插稻适宜的施氮量为300 kg/hm2。本研究通过土壤质量、产量等对比研究，结果表明秸秆全量还田的条件下，氮肥的合理配施量为300 kg/hm2，与胡雅杰等[13]研究结论一致。秸秆还田条件下，氮肥的配施量可能与地域、土壤环境、种植模式、水肥运筹等相关，实际生产中应根据具体情况因地制宜，避免化肥的过量施用造成资源浪费、环境污染。焉莉等[23]研究了施肥方式对东北玉米种植区氮磷流失的影响，发现秸秆还田可明显降低22.9%的全氮流失负荷及15.1%的全磷流失负荷。本试验在借鉴前期水肥运筹试验数据的基础上，研究了秸秆全量还田条件下氮肥调配及土壤质量的响应，可以为长三角地区秸秆还田条件下，氮肥的配施提供依据，不足之处是未对氮肥利用率进行考证。

秸秆还田是否增加重金属污染风险，前人的研究所得结论不同[24]。汤文光等[25]研究长期不同耕作与秸秆还田对土壤养分库容及重金属Cd的影响认为秸秆还田后秸秆中富集的Cd重新归还到稻田土壤中，有Cd的积累风险。诸多研究表明，秸秆还田会造成重金属活性的改变从而增加土壤重金属污染的风险。倪中应等[26]研究了污染秸秆还田配施石灰对水田土壤铜、锌、铅、镉活性的影响，结果表明,秸秆还田前20 d显著增加了水溶性重金属的含量，但60 d后秸秆还田对土壤重金属活性的影响逐渐变得不明显。大部分学者认为，施用有机物料带入大量的水溶性有机物，从而提高了土壤中重金属活性和迁移能力，增加了重金属污染风险[24]。本研究表明，经过5年的稻麦秸秆连续全量还田后，各处理土壤汞、铅、镉、铬、铜、锌6种重金属(全量)未出现积累现象，仅砷的含量略有上升的趋势，但差异并未达到显著水平。pH值作为影响土壤生物和化学活性的重要指标之一，是影响重金属活性的关键因素，本试验中土壤pH值差异小且偏碱性，所以未对重金属的活性进行监测。鉴于试验稻田土壤中砷含量有上升趋势，汞、镉含量超过一级标准，这可能与农业投入品使用有关，因此，日后的农业管理加强有机肥、农药等农业投入品的管理，注意防范有害物质的污染风险。

秸秆还田直接影响土壤有机质的含量，有机质不仅影响土壤的结构、容重等物理性状，而且还影响土壤的保肥与供肥性能[27]。碳库管理指数是农业管理措施引起土壤有机质变化的指标，它能系统的、灵敏的反映土壤碳库及土壤质量的变化[28]。本试验中秸秆全量还田条件下，随着氮肥施用量的增加碳库管理指数呈上升趋势，这可能与适量施用氮肥可以降低土壤碳氮比，有利于微生物生长，从而加快秸秆腐解有关，微生物碳量随氮肥施用量的增加而增加，间接验证了这一结论。邓巧玲等[19]研究稻-油轮作指出长期秸秆还田增加细菌和丛枝菌根真菌含量，提高了土壤微生物多样性和稳定性。李有兵等[29]认为秸秆还田后其自身所含有机碳矿化大部分以CO2形式释放于大气，对土壤总有机碳含量的影响较小；与本试验的结论一致，秸秆还田主要影响土壤活性有机质、微生物量碳的含量，对总有机质的影响较小。秸秆还田后合理的配施氮肥不仅可以避免氮肥的相对缺乏而出现的“僵苗”现象，同时可以促进秸秆腐解、培肥土壤，增加作物产量。陈新红等[30]研究表明，秸秆还田后水稻前期会出现氮肥缺乏，但抽穗后秸秆分解释放的氮肥促进其生长，从而增加水稻产量。

总之，无污染的秸秆还田后，合理的配施氮肥(300 kg/hm2)不仅可以避免秸秆腐解过程中与作物争夺氮肥，而且可以促进土壤碳、氮的更新，培肥土壤，提高产量，改善土壤质量。