秸秆还田后效对玉米氮肥利用率的影响

邹文秀，韩晓增，陆欣春，陈旭，郝翔翔，严君

（中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨150081）

0 引言

【研究意义】氮素是玉米生长发育必需的大量营养元素，土壤能够供给玉米生长的氮素非常有限[1]，通过施肥的方式补充土壤氮素是实现玉米高产的有效措施，但是随着氮肥施用量的不断增加，导致氮肥利用率下降[2]；未被利用的氮通过淋溶、氨挥发、硝化反硝化和径流等途径[3]进入环境，导致环境污染；仅有少部分能够残留在土壤中供给下一季作物吸收利用[4-5]。世界范围内玉米的氮肥利用率是 25%—50%[6]，平均值为 33%，然而中国玉米氮肥利用率＜25%，低于发达国家[7]。所以长期以来，如何提高氮肥利用率，一直是科学家们关注的热点问题。前人已经从施肥、耕作和土壤肥力等方面，持续解析了农艺措施与氮肥利用率之间的内在关系，获得了一系列的研究结果[8-9]，然而目前我国农业生产方式发生了改变，玉米秸秆还田作为重要培肥方式，已经成为主要的农艺措施。据统计我国秸秆还田的面积已经达到了0.51亿 hm2[9]，因此研究玉米秸秆还田与氮肥利用率之间关系是非常必要的。田间试验研究结果表明秸秆还田能够改善土壤物理性质和提高土壤肥力，并且具有一定的时间效应[10]，进而影响氮肥利用率。因此，探明秸秆还田后效对氮肥利用率的影响对秸秆还田方式的优化具有重大的理论意义和重要的应用价值。【前人研究进展】玉米秸秆还田方式包括直接还田和间接还田，其中直接还田有表面覆盖、与土壤混合（混合还田）和以秸秆层的形式填埋入土壤某一深度（层埋还田）[10]。秸秆覆盖包括表覆盖免耕和覆盖条耕[11-12]，秸秆与土壤混合主要包括浅层混合（深度为 0—15 cm）、深层混合（深度为 0—35 cm）、亚耕层混合（20—35 cm）[13-15]和翻埋还田（秸秆还到某一土层以下）[16]。长期定位试验研究发现，秸秆还田能够增加土壤有机质含量[17]，提高水稳性大团聚体含量及土壤结构的稳定性[18-19]，改善了土壤物理性质，提高了玉米的产量[13,20]。秸秆还田后土壤中的总氨基糖增加了4.4%—8.4%[21]，过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性显著增加[22]。辽宁省西部棕壤区秸秆翻埋还田研究结果表明试验2年后玉米产量增加了1.1%—11.6%，氮肥的农学利用率提高了40.9%[23]。在半湿润易旱区免耕覆盖通过调节土壤水热变化，提高氮肥的利用率[24]。在东北黑土区的研究发现秸秆覆盖免耕后玉米的氮肥利用率降低了16%—27%，其原因主要是秸秆覆盖降低了作物生长早期的地温和土壤中氮的有效性[25]；但是秸秆深埋还田后氮肥利用率提高了13.3%[26]。利用15N标记示踪技术研究发现玉米秸秆还田后能够增加秸秆和根系吸收的氮素中来自于15N标记秸秆氮的比例，提高氮肥的利用率[27]。【本研究切入点】目前关于秸秆还田对玉米氮肥利用率影响的大部分研究关注了当季秸秆还田的影响，但是对秸秆还田后效对玉米氮肥利用率影响的研究较少；同时对不同秸秆还田方式，即秸秆覆盖还田、混合还田和层埋还田对玉米氮肥利用率的影响缺乏对比研究。【拟解决的关键问题】本文采用田间定位试验，利用15N同位素示踪技术研究秸秆覆盖、混合和层埋等还田方式对15N标记氮肥利用率的影响，明确不同秸秆还田方式后效对氮肥利用率的影响及其机制，为优化秸秆还田方式和提高氮肥利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在中国科学院海伦农业生态实验站内，该站位于我国典型黑土区的中部，地势平坦，属于温带大陆性季风气候区，全年平均气温1.5℃，夏季极端最高温度为37℃，冬季极端最低温度为-39.5℃；近50年平均降水量为550 mm，主要集中在7—9月份；年均＞10℃有效积温2 450℃，年均日照时数约为 2 700 h，无霜期为 125 d。土壤按发生分类属于中厚层黑土类型，质地为黏壤土，是在第四纪黄土状母质上发育起来的地带性土壤，土壤物理性黏粒含量＞40%，黑土层（A）较厚，在50 cm以上，过渡层（AB）＞60 cm，无碳酸盐反应，地下水埋深在20—30 m。

1.2 试验设计

本试验设置于2011年5月，共包括7个处理。（1）对照，农民常规耕作（CK）；（2）免耕秸秆均匀覆盖（D0）；（3）粉碎后的秸秆均匀混于0—20 cm土层（D0-20）；（4）粉碎后的秸秆均匀深混于0—35 cm土层（D0-35）；（5）将0—20 cm土层剥开，秸秆均匀混于20—35 cm土层，然后将0—20 cm土层回填（D20-35）；（6）将 0—20 cm 和 20—35 cm 土层分层剥开，在35 cm深处集中深埋，形成秸秆层，然后分层回填（D35）；（7）将 0—20 cm、20—35 cm 和 35—50 cm土层分层剥开，在50 cm处集中深埋，形成秸秆层，然后分层回填（D50），所有秸秆还田小区仅在 2011年进行了一次秸秆还田操作，秸秆还田量为 10 000 kg·hm-2。小区面积 1.4 m2（长 1.0 m，宽 1.4 m），4次重复，随机区组排列。2016年在秸秆短期还田后效的试验小区内进行15N标记同位素示踪研究。2011年试验开始前土壤基本化学性质为有机质含量 45.4 g·kg-1, 全氮 2.1 g·kg-1，全磷 0.8 g·kg-1，全钾 24.5 g·kg-1，速效氮 236.0 mg·kg-1，速效磷 18.2 mg·kg-1，速效钾219.0 mg·kg-1，pH 6.3。玉米品种为德美亚 3 号，氮肥15N 标记尿素含N 46%，丰度为10.17%（上海化工研究院），磷肥为磷酸二氢钾（KH2PO5），含磷23.3%，含钾28.6%。

1.3 试验方法

2016年春季播种前在试验小区中间的垄上插入一个高50 cm、半径20 cm PVC桶，PVC桶露出地面5 cm，插入地下45 cm。5月2日在每个桶内播种3株玉米，出苗后留1株壮苗。每桶施用氮肥1.88 g（15N标记的尿素），磷酸二氢钾（化学试剂纯级别）1.60 g，30%的氮肥与全部磷酸二氢钾在播种时作为基肥施用，剩下 70%的氮肥在玉米 9叶期作为追肥施用。9月29日收获时，按照根、茎（包括雄穗）、叶（包括包皮）、轴和籽粒分开，然后在鼓风烘箱内 105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，冷却至室温后分别测定各部位干物质重量，然后用样品粉碎机磨碎后过0.5 mm筛，备用。

1.4 样品分析

植株各器官全氮含量采用开氏定氮仪测定（FOSS Kjeltec 8400）。15N 丰度采用 FLASHEA-DELTA V 联用仪/Flash-2000 Delta V ADVADTAGE/S-090433型同位素质谱仪检测。土壤轻组有机碳、容重、田间持水量和饱和持水量的分析方法见参考文献[28-29]。

1.5 计算方法

植株吸收肥料氮量占植株总氮量百分率 Ndff=植株样品中15N原子百分超/标记肥料中15N原子百分超×100%；

植株氮素来自15N肥料氮的量=玉米植株吸氮量×Ndff；

15N标记肥料氮的利用率（%）=植株氮素来自15N肥料氮的量/15N肥料氮施用总量×100；

土壤 Ndff =土壤样品中15N 原子百分超/肥料中15N原子百分超×100；

15N肥料氮的土壤残留量=土壤干重×土壤全N%×土壤Ndff；

0—35 cm土层15N肥料氮的残留率（%）=15N肥料氮的土壤残留量/15N肥料氮施用总量×100；

15N肥料氮的贡献率（%）=植株吸收15N肥料氮的量/玉米植株吸氮总量×100；

15N肥料氮的损失率（%）=100-15N标记肥料氮的利用率（%）-土壤中15N标记肥料氮残留率（%）（0—35 cm土层）。

1.6 数据处理与分析

所有数据采用 SPSS17.0进行单因素方差分析（one-way ANOVA），分析秸秆还田后效对玉米干物质积累、氮素积累和氮肥利用率等的影响，多重比较采用Duncan法（P=0.05），平均值在P＜0.05水平下的任何差异具有统计学意义。采用SPSS17.0进行玉米氮肥利用率与土壤理化性质的Pearson相关性分析。

2 结果

2.1 秸秆还田后效对玉米干物质积累的影响

秸秆还田后效显著影响了成熟期玉米植株各器官干物质积累（表1）（P＜0.05）。除了叶以外，D0-35和 D20-35处理玉米各器官干物质量显著高于其他处理（P＜0.05）；D50处理各器官干物质积累量最小，与秸秆混合施用处理（D0-20、D0-35和D20-35）和CK对照各器官干物质积累量差异达到了显著水平（P＜0.05）；不同处理干物质总量表现为 D0-35＞D20-35＞D0-20＞CK≥D0＞D35＞D50，整体上表现为秸秆混合还田后效促进了玉米的干物质积累。各处理籽粒占总干物质积累量的40.5%—41.8%，是积累量最大的器官；其次是叶和茎，其占总干物质积累量的比例分别为17.3%—18.8%和16.9%—18.8%，玉米轴所占比例最小为 9.9%—10.4%；根系占干物质总量的比例相对较小。秸秆还田后效显著影响了根系的干物质积累（P＜0.05），秸秆深混处理（D0-35和 D20-35）促进了玉米根系的发育，同时玉米植株的地上部生物量和籽粒也相对较高，说明秸秆混合还田能够协同促进玉米植株营养生长和生殖生长，达到高效的“库”“源”转换。

2.2 秸秆还田后效对玉米植株各器官吸收15N化肥的影响

虽然秸秆还田后效显著影响了玉米各器官的干物质积累（表1），但是对玉米各器官氮含量没有显著的影响（P＞0.05）（表 2），说明了在氮肥施用量和施用方式相同的情况下，不同秸秆还田方式后效并不能改变氮在玉米各器官中的含量。秸秆还田后效对玉米各器官氮素积累总量表现为D0-35≥D20-35≥D0-20＞D0≥CK≥D35＞D50（表 3），其中秸秆混合还田处理（D0-35、D20-35和 D0-20）与 CK、覆盖还田（D0）和层铺还田（D35和 D50）的差异达到了显著水平（P＜0.05）。与其他处理相比，D0-35提高了成熟期各器官氮素积累量（除了根以外），其中籽粒、茎和轴氮素积累量差异达到了显著水平（P＜0.05），说明秸秆深混还田能够通过促进植株的生长，进而增加氮素积累量。

表1 秸秆还田后效对玉米各器官干物质积累量的影响Table 1 Dry biomass accumulation of maize under straw return aftereffect (g/plant)

表2 秸秆还田后效对玉米各器官全氮含量的影响Table 2 Nitrogen contents in different organs of maize under different straw return aftereffect

表3 秸秆还田后效对玉米各器官氮素累积量的影响Table 3 Nitrogen accumulation in different organs of maize under different straw return aftereffect

2.3 秸秆还田后效对玉米各器官15N积累量及分配率的影响

D0-35和 D20-35处理下玉米各器官15N累积量显著高于其他处理（根除外）（P＜0.05），与其他处理相比，分别提高5.1%—38.4%和9.3%—31.8%（表4）。从玉米各器官15N积累量占植株15N积累总量的比例可以得出，74.1%以上的15N累积在籽粒中，8.1%—9.3%的15N累积在叶中，剩余的5.9%—7.8%、2.5%—3.8%和 3.8%—6.5%分别分配在轴、茎和根，不同处理间没有显著性差异，说明玉米秸秆还田对氮肥利用的影响是促进了玉米植株整体对肥料氮的吸收。

表4 秸秆还田后效对玉米各器官15N积累量及分配率的影响Table 4 15N accumulation and distribution in different organs of maize under straw return aftereffect

2.4 秸秆还田后效对肥料氮利用率、贡献率、残留率和损失率的影响

不同秸秆还田方式后效均提高了玉米的氮肥利用率（表5），CK与D0-20、D0-35和D20-35的差异到达了显著水平（P＜0.05）；CK、D0、D35和D50处理间没有显著性差异（P＞0.05）。D0-35和D20-35处理的玉米氮肥利用率显著高于 D0-20处理（P＜0.05），分别提高了6.2和4.3个百分点，说明秸秆深混和亚耕层混合施用是一种有效提高氮肥利用率的途径。土壤残留的化肥氮能够为下一季作物生长提供氮源，D0-35和D20-35处理显著提高了15N肥料氮的残留率，与其他处理相比分别提高了14.7—21.2个百分点和8.0—14.3个百分点。15N肥料氮损失率最高的处理是D0和D50处理，显著高于秸秆混合还田的3个处理（P＜0.05）；D0-20、D0-35和 D20-35之间差异显著（P＜0.05），其中 D0-35的15N肥料氮损失率最低为10.6%；D0、D35和D50与CK之间没有显著差异（P＞0.05）。与CK相比，D0-35、D20-35、D35和D50处理15N肥料氮贡献率分别显著提高了3.7、4.3、3.8和4.5个百分点（P＜0.05）；不同处理之间没有显著查差异（P＞0.05）。

2.5 氮肥利用率与土壤理化性质之间的关系

大量的研究已经证明秸秆还田能够影响土壤理化指标[28-29]。本研究中在测定了不同处理土壤轻组有机碳、＞0.25 mm团聚体、容重、持水量后，分析了氮肥利用率与氮肥贡献率和土壤上述指标之间的相关性（表 6）。氮肥利用率和氮肥贡献率与土壤轻组有机碳、＞0.25 mm团聚体含量、饱和含水量和田间持水量呈极显著正相关关系（P＜0.01），与土壤容重呈极显著负相关关系（P＜0.01）；同时根重也是影响氮肥利用率和氮肥贡献率的重要因素。

表5 秸秆还田后效对玉米植株15N利用率的影响Table 5 Nitrogen use efficiency of maize under different straw return aftereffect (%)

表6 玉米氮肥利用率与土壤理化性质的相关性分析Table 6 The relationship between N use efficiency and selected soil properties

3 讨论

秸秆还田通过影响土壤肥力进而调控作物的生长[13,20]。定位试验研究表明秸秆深混还田对0—35 cm土层的土壤容重、轻组有机碳和氮、磷、钾含量的影响可以延续到6年[30]，证明秸秆还田对土壤的物理化学性质具有明显的后效。但是不同秸秆还田方式后效对土壤性质的影响存在一定的差异[20,31]。对于黏粒含量较高的土壤，秸秆深混还田后在微生物的分解过程中显著改善了深层土体的肥力属性[29]，其产生的后效能够促进作物前期生长发育，提高作物对氮肥的利用率。秸秆深混合能够使秸秆尽可能均匀地分布在土壤中，从而增加土壤微生物与秸秆的接触面积，进而促进秸秆分解释放养分进入土壤供给作物吸收利用[29]，同时秸秆还田还能刺激微生物分泌参与土壤碳、氮、磷循环相关的水解酶，随着秸秆腐解，提高了土壤中养分含量，进而促进作物的生长[31]。郑金玉等研究表明秸秆深混还田能够增加玉米单株叶面积，提高干物质积累[32]，免耕显著减低了成熟期玉米地上部的干物质量[33]。本研究中与农民常规耕作方式相比，秸秆混合还田后效增加了玉米的干物质积累（表1），其中秸秆深混还田和亚耕层混还田后效效果最佳，而秸秆覆盖和层施的后效则限制了玉米干物质的积累。秸秆混合还田和35 cm土层平铺秸秆处理的根系生物量显著高于其他处理（表 1），其原因在于秸秆还田后在微生物的作用下能够向土壤中释放速效养分供作物根系吸收利用，进而影响作物根系的生长[34]。同时说明当秸秆还田深度≤35 cm时能够影响玉米根系的生长（无论平铺和还是深混），但是当秸秆深铺在土层 50 cm 处时则对玉米根系的生长没有促进作用。D0-35和D20-35的根系生物量比D20处理分别增加了11.0%和22.3%，主要是由于在秸秆深混和亚耕层混施过程中能够通过打破犁底层，减小耕作层的贯穿阻力，增加深层土壤孔隙度，促进作物根系垂直下扎生长[35-36]。隋鹏祥等研究表明与旋耕相比，翻耕能够增加土壤中的根长密度、根表面积和根干重密度，秸秆还田的根干重密度增加了20.6%[14]。免耕秸秆覆盖由于土壤自然沉降和农机具压实双重作用导致土壤压实，增加了土壤容重和紧实度，减小了土壤孔隙，从而增加了土壤机械组力，限制根系生长[37-39]。

在相同氮肥施用量的情况下，不同秸秆还田方式的后效没有显著影响玉米各器官的全氮含量（表2），但是通过影响干物质积累进而影响了氮素积累量（表3）。DUAN等统计分析了来自于北京昌平、湖南祁阳、河南郑州和陕西杨凌4个试验点的相同氮肥施用情况下不同有机肥处理对玉米全氮含量的影响，结果表明有机肥的施用没有显著影响玉米的全氮含量，而氮素的累积量主要受干物质积累量影响[33]。秸秆施用后通过在作物生长季养分缓慢释放和供给产生后效，增加作物对氮肥的吸收，提高玉米产量和土壤肥力[40]。GENG等研究表明秸秆还田显著增加了玉米不同生育时期的物质积累，相应的增加了玉米植株中的氮的累积[41]。有机物料的投入通过改善土壤结构来影响作物根系的生长和分布[42]，进而影响作物对氮肥的吸收，单施化肥玉米的氮肥吸收量是1.3 g/株，而化肥有机肥配施处理玉米的氮肥吸收量是 2.4 g/株[43]。本研究得到了相似的结果，秸秆混合还田（D0-35和D20-35）后效增加了根系的生物量，促进了根系对土壤中氮的吸收，进而植株氮累积量显著高于其他处理。而免耕处理由于限制了作物根系的生长，进而限制了对氮素的吸收[38]，导致对氮的累积与对照之间没有显著差异。秸秆在35 cm土层处层施，与农民常规相比显著增加了根系的生物量，但是并没有增加干物质积累，导致氮的累积量偏低；秸秆在50 cm土层处层施处理氮的累积量最小，主要是由于玉米生长前期根系主要分布在0—35 cm土层，秸秆层铺在50 cm对作物前期生长没有起到直接的调控作用，在作物生长后期还增加了氮素淋溶的风险，降低了植物对氮素的累积量[44]。前人研究已经表明有机物料的施用能够增加土壤中粘粒和团聚体含量，进而增加土壤中的阳离子交换量和NO3--N的固定，减少了NO3--N淋溶的风险，同时有机物料的施用通过促进根系的生长进而增加了根系对NO3--N的吸收[44-45]。

化肥施用以后在土壤中进行转化、迁移并被作物吸收利用，土壤肥力和障碍因子通过影响土壤蓄纳和稳定养分的能力，微生物活性和根系生长，进而影响土壤-植物系统中的化肥的高效循环利用[46]。长期的不合理耕作和大量化肥投入导致黑土土壤结构破坏、耕作层变薄[47]，降低了土壤的养分库容，抑制作物根系对养分的吸收利用，降低化肥的利用率。本研究利用15N同位示踪技术研究发现常规耕作方式氮肥利用率显著低于秸秆混合还田产生后效的处理（D0-20、D0-35和D20-35）。表6显示氮肥的利用率与土壤中轻组有机碳、＞0.25 mm团聚体、持水量呈显著正相关关系，与容重呈负相关关系，说明秸秆还田后通过改善土壤理化性质，维持和提高土壤的肥力[48]，向作物供给更多的养分[44]，同时减少氮的损失[45]来提高氮肥利用率。王振华等研究表明，秸秆还田后玉米氮肥表观利用率比单施化肥提高4.3%[49]。秸秆深混入0—35 cm和混入亚耕层20—35 cm比秸秆浅混入0—20 cm氮肥利用率显著提高了6.2和4.3个百分点，说明增加培肥的土层深度能够进一步提高氮肥利用率，证明在土壤培肥过程中构建肥沃耕层的重要性。通过构建肥沃耕层能够增加深层土壤的速效养分含量，促进养分在深层土壤的积累[29]，更重要的是肥沃耕层构后能够显著改善土壤的结构，特别是增加亚耕层中土壤孔隙度和水稳性团聚体等含量，有利于根系下扎[13]，使玉米后期生长能够保持较高的根系活力，从而维持较高的氮素吸收能力。本研究表明秸秆深混还田后效构建的肥沃耕层可以促进玉米对土壤中氮素的吸收利用（表 2和 3），进而提高氮肥利用率。值得注意的是，本研究证明了秸秆还田6年的后效对氮肥利用率具有明显的促进作用而秸秆层铺于土层35和50 cm与农民常规相比没有显著的差异，主要是因为层铺秸秆即没有增加耕作层深度，也没有改善耕作层的土壤结构，对玉米根系生长没有显著的促进作用。在东北黑土区免耕秸秆覆盖由于降低春季的土壤温度，导致玉米生育期迟缓，籽粒灌浆收到影响，进而降低产量[25]；同时由于免耕秸秆覆盖增加了土壤容重，增加了土壤紧实度[37]，限制了玉米根系的生长[50]，而影响对土壤中氮素的吸收[51]，导致氮肥利用率较低。因此，通过秸秆深混还田构建肥沃耕层的方法培育和提升耕地地力有望成为长期稳定提高化肥利用率、实现藏肥于土与耕地大面积均衡减肥的根本途径。

4 结论

秸秆还田后效能够影响玉米生长及对化肥氮的吸收与利用。不同秸秆还田方式后效对玉米生物量和各器官氮素积累总量表现为秸秆混合还田＞秸秆表层覆盖＞秸秆层铺，其中秸秆深混还田效果最佳。D0-35和D20-35处理促进了玉米各器官15N的积累，但是不同处理对15N在玉米各器官的分配没有影响。与常规耕作相比，秸秆深层和亚耕层混合的后效显著提高了玉米的氮素利用率和15N肥料氮的残留率，而降低了15N肥料氮的损失率。相关性分析表明秸秆还田后效通过促进作物根系生长、增加土壤的轻组有机碳和改善物理性质进而提高氮肥利用率。因此，对于质地黏重的黑土，通过增加秸秆还田混合深度，构建肥沃耕层培育和提升耕地地力，能够有效提高氮肥的利用率。