松嫩平原秸秆还田对连作春玉米氮素供应与吸收的影响

高 杰 于舒函 李二艳 于 雷 马春梅

(东北农业大学农学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

松嫩平原位于黑龙江和吉林两省境内,是中国重要的春玉米产区,2017年两省春玉米种植面积分别为5 862.81千公顷和4 164.01千公顷,产量分别为3 703.11万t和3 250.78万t[1],按谷草比1∶1.2计算玉米秸秆量分别达到了3 752.8万t和3 399.6万t。近年来,随着我国农业和经济的快速发展,秸秆资源大量过剩,导致露天焚烧进而污染环境[1-4],而秸秆还田既能解决秸秆盈余问题又可以培肥土壤[5-7],还能固定土壤中氮素[8],对合理利用资源和环境保护均意义重大。

研究表明,玉米秸秆还田后会产生“微生物掘氮效应”,应适当增加施氮量[9]。增加秸秆还田量,土壤有机氮的矿化量和矿化率亦增加,土壤氮素矿化水平提高,从而影响作物氮素的吸收与积累。严奉君等[10]研究表明,不同土壤肥力下,麦秆覆盖可有效促进杂交稻各生育时期氮素的积累;游来勇等[11]研究表明秸秆还田增加小麦和水稻氮素吸收和籽粒氮素累积,促进小麦和水稻的生长;于舒函等[12]在松嫩平原研究发现,玉米秸秆还田会降低下茬春玉米拔节前的氮积累量,至成熟期氮积累量高于秸秆不还田处理;赵鹏等[13]在河南省对冬小麦复种夏玉米的研究发现,冬小麦秸秆还田配施氮肥较单施同量氮肥处理的玉米籽粒氮积累量均有不同程度的提高。关于秸秆还田对作物氮素积累影响的研究,结论不尽相同。秸秆还田还会改变来自外源化肥氮占土壤矿化总氮的比例[14],从而影响氮肥利用率。王小彬等[15]在山西晋中研究发现,玉米秸秆还田使氮肥利用率明显提高;而单鹤翔等[16]在华北潮土区研究表明,玉米秸秆还田使冬小麦氮肥利用率下降。秸秆还田存在还田量阈值的问题,研究表明,低还田量对土壤的调节作用不明显,而高还田量改变了微生物群落结构[17],会影响土壤生态系统中C和N的转化[18],从而改变氮的供应能力;秸秆过量还田时,秸秆还田对土壤产生的积极作用会随着秸秆还田量的增加而降低[19],还会导致作物产量降低[20]。

松嫩平原是我国重要的春玉米产区,中南部玉米连作面积较大,关于松嫩平原春玉米连作秸秆还田对氮素供应与吸收的影响及适宜秸秆还田量尚缺乏系统的研究。本试验设计了5个玉米秸秆还田量,并施入含15N标记的尿素,较系统地研究了玉米不同秸秆还田量对土壤供氮和下茬春玉米氮素吸收的影响,以期为科学解析秸秆还田与土壤供氮关系提供依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验用春玉米品种为新中龙一号,购自富尔农艺有限公司。试验于2016—2017年在东北农业大学校内试验田进行,地点位于松嫩平原中南部,隶属于哈尔滨市香坊区,年降水量500～550 mm,无霜期140 d左右,≥10℃积温2 700℃左右。耕层土壤含有机质37.11 g·kg-1、全氮1.46 g·kg-1、全磷0.65 g·kg-1、全钾15.8 g·kg-1、硝态氮48.20 mg·kg-1、铵态氮16.9 mg·kg-1、速效磷50.44mg·kg-1、速效钾170.43mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设置5个秸秆还田量,分别为0、9.20、18.40、27.60、36.80 t·hm-2,用CK、S1、S2、S3、S4表示,其中S1是根据2015年哈尔滨市春玉米产量约7 500 kg·hm-2,按谷草比1∶1.2计算得到的秸秆全量还田量。试验采用框栽方法,圆框埋入土中,框内与土壤水肥相通,具备盆栽易控制水肥的优点,又接近于大田生长环境,所用圆框由硬化塑料制成,无底,直径30 cm,高33 cm,装土量约26 kg/框,装土高度约30 cm,土壤取自玉米田耕层土,每个处理15框。

秸秆还田方法是将粉碎的秸秆均匀混至0～15 cm土层中,S1～S4秸秆占土壤重量比例分别约为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,折合秸秆量分别为65、130、195和260 g/框,2016和2017年还田玉米秸秆氮含量分别为9.78和11.64 g·kg-1。每框施入尿素2.47 g(350 kg·hm-2),供试尿素氮含量为46%;其中,2016年施普通尿素,2017年施15N标记的尿素(15N丰度为3.60%)。同时施入重过磷酸钙1.06 g/框(P2O5:44%,150 kg·hm-2)和硫酸钾1.06 g/框(K2O:30%,150 kg·hm-2),所有处理均将一半尿素和全部的磷、钾肥作为基肥施入,另一半尿素在拔节期取样后追施。施肥方法为播种前沿圆框直径划一条6 cm深的沟,将肥料均匀撒施,覆土后在上面播种,追肥时也采取条施。播种方法为扎浅穴,每框4粒种子,播种后覆土3～4 cm,出苗后定苗,每框留苗1株。第二年是在第一年还田基础上原位进行连作试验,两年均于5月5日播种,2016年追肥日期为6月27日,收获日期为9月25日,2017年追肥日期为6月30日,收获日期为9月26日。

分别于苗期(2016年6月3日,2017年6月7日)、拔节期(2016年6月27日,2017年6月30日)、成熟期(2016年9月25日,2017年9月26日)取植株样,成熟期测产,每次取样5框。取样方法是贴近地面将地上部分剪下,于烘箱105℃杀青30 min后,65℃烘干并称重,粉碎后过20目筛,待测。分别在苗期、拔节期、成熟期同时用土钻取0～15 cm土层土样,并迅速带回实验室放入-20℃冰箱保存待测。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤速效氮含量 将土样用2 mol·L-1KCl浸提,浸提液加入MgO和FeSO4-Zn,用K350凯氏定氮仪(瑞士BUCHZ)测定浸提液氮浓度[21],计算土壤速效氮含量。

1.3.2 氮含量及15N丰度 用Delta V Advantage同位素比率质谱仪(美国Thermo-Fisher)采用双路(DI)测量方式进行测定。先用凯氏定氮法测定植株氮含量,然后将凯氏定氮滴定后的样品溶液浓缩,在冷冻真空条件下与次溴酸锂反应产生N2,产生的N2在高真空条件下电离记录离子峰强度。根据公式计算肥料氮比例[22]:

式中,f处为处理茎秆(含叶片)或籽粒样品的15N丰度,f自为15N自然丰度,f肥为肥料的15N丰度。

1.3.3 氮积累量 根据公式计算茎秆和籽粒中的氮积累量:

通过调查，我们发现部分国企对于资金的使用效率不高。对于闲置资金，企业往往没有投资理财意识，通常将其存入银行（有些甚至是活期存款），这使企业资本获得的收益很低，资金使用效率过低。此外，由于种种原因，很多国企存有多头开户的现象，这样会导致企业资金分散，也会进一步降低资金的使用效率。

1.3.4 产量测定 将收获后的玉米平铺至通风良好处,风干至14%含水量称重。

1.3.5 氮肥利用测定

1.4 数据统计

采用SPSS 21.0、Excel 2007进行数据的整理和统计分析,并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤供氮的影响

2.1.1 秸秆还田对土壤速效氮的影响 由表1可知,随着生育期的推进,土壤速效氮含量整体呈先升高后降低的趋势,在拔节期达到最大值。在苗期,与CK相比,各秸秆还田处理均降低了土壤速效氮含量,且随着秸秆还田量的增加而降低;两年中CK的土壤速效氮含量均显著高于各秸秆还田处理,平均分别较S1、S2、S3、S4高18.99%、25.79%、41.26%、44.01%。由此可见,在春玉米苗期,秸秆还田会降低土壤速效氮含量,且随着还田量的增加降低效应更明显。在拔节期,2016年各处理土壤速效氮含量差异均不显著;2017年土壤速效氮含量由高到低依次为S4、S3、S2、CK、S1,且S3、S4均显著高于CK和S1。由此可见,至拔节期,秸秆还田的不利影响已基本消失,且土壤速效氮含量随着秸秆还田量的增加呈递增趋势。在成熟期,2016年随着秸秆还田量的增加,土壤速效氮含量呈先升高后降低的趋势,在S2时达到最大值94.9 mg·kg-1,且秸秆还田处理均显著高于CK,S3与S4间差异不显著;2017年土壤速效氮含量随着秸秆还田量的增加整体呈递增趋势,S4略低于S3但差异不显著,S3、S4均显著高于CK、S1和S2;两年土壤速效氮含量均值整体随着秸秆还田量的增加呈递增趋势,S1、S2、S3、S4平均分别较CK高3.87%、18.23%、25.00%、24.84%。由此可见,秸秆还田可以增加生育后期土壤速效氮含量。

2.1.2 秸秆还田对春玉米植株氮素来源比例的影响 由图2可知,从苗期至成熟期,春玉米植株15N丰度随着生育进程的推进逐渐降低。在苗期,秸秆还田量由0(CK)增至18.40 t·hm-2(S3)时,春玉米植株15N丰度逐渐升高,S3达到最高值,S4略有下降但仍高于CK、S1和S2,CK的15N丰度显著低于S2、S3、S4;在拔节期,随着秸秆还田量的增加,春玉米植株中15N丰度呈逐渐降低趋势,且CK显著高于S1、S2、S3、S4,但S2、S3、S4间差异均不显著;成熟期春玉米茎秆和籽粒15N丰度值均随秸秆还田量的增加呈降低趋势,且S4显著低于CK和S1。

表1 秸秆还田量对土壤速效氮含量的影响Table1 Effect of straw returning amounts on soil available nitrogen content/(mg·kg-1)

由图2中15N丰度可以计算出2017年春玉米植株氮素积累中肥料氮和土壤氮(由原土壤与秸秆氮共同提供)所占比例,结果如表2所示。从苗期至成熟期,春玉米植株氮素积累中肥料氮所占比例降低趋势,土壤氮所占比例呈升高趋势。在苗期,秸秆还田量由0(CK)增至18.40 t·hm-2(S3)时,春玉米植株氮素积累中肥料氮所占比例逐渐升高,至还田量为27.60 t·hm-2(S4)时略有下降,土壤氮所占比例则呈先降低后略有增加的趋势,其中CK植株氮素积累中肥料氮所占比例显著低于S2、S3、S4,但S2、S3、S4间差异不显著;在拔节期,与苗期呈相反规律,随着秸秆还田量的增加,春玉米植株氮素积累中肥料氮所占比例呈降低趋势,CK显著高于S1、S2、S3和S4,土壤氮所占比例则相应增加;成熟期春玉米茎秆、籽粒氮素积累中肥料氮和土壤氮所占比例变化趋势与拔节期一致,但处理间差异减小。可见秸秆还田会在苗期降低土壤供氮能力,而到拔节期后提高土壤供氮能力。春玉米成熟期5个处理茎秆和籽粒氮素积累中肥料氮所占比例分别为7.16%～12.43%和6.46%～9.86%,土壤氮所占比例分别为87.57%～92.84%和90.14%～93.54%,表明春玉米的氮素营养以土壤供氮为主。

表2 秸秆还田量对氮素来源比例的影响2017()Table2 Effect of straw returning amounts on the proportion of nitrogen source(year 2017) /%

2.2 秸秆还田对春玉米氮积累和氮肥利用率的影响

2.2.2 秸秆还田对春玉米氮肥利用率的影响 根据成熟期氮积累量及15N丰度可得到肥料氮积累量和氮肥利用率(图3)。氮肥利用率随着秸秆还田量的增加先升高后降低,在S1达到最大值(42.26%),且S1显著高于S2、S3和S4,CK和S1间差异不显著。

表3 秸秆还田量对氮积累量的影响Table3 Effect of straw returning amounts on nitrogen accumulation /(g/株)

2.2.3 氮肥利用率的增减幅度变化 以CK的氮肥利用率为对照,对不同秸秆还田量下氮肥利用率增减幅度进行曲线拟合(图4)。氮肥利用率增减幅度与秸秆还田量呈二次曲线关系,拟合效果良好。由此可知,当秸秆还田量为3.49 t·hm-2时,氮肥利用率较CK提高最大(1.60%),当秸秆还田量大于12.49 t·hm-2时,氮肥利用率低于CK,而且随还田量的增加持续下降。

2.3 秸秆还田对春玉米干物质重和产量的影响

2.3.1 秸秆还田对春玉米干物质重的影响 由表4可知,2016和2017年各处理植株干物质重变化规律均一致,在苗期,植株干物质重随着秸秆还田量的增加逐渐降低,其中,CK均显著高于S2、S3和S4;在拔节期,植株干物质重也随着秸秆还田量的增加逐渐降低,且CK均显著高于S2、S3和S4;在成熟期,植株干物质重随着秸秆还田量的增加呈先增加后降低的趋势,均以S1达到最大值。

2.3.2 秸秆还田对春玉米产量的影响 产量与植株干物质重变化规律一致,两年试验中CK、S1、S2的产量均未达到差异显著水平(表5)。

2.3.3 增产幅度的变化 以CK的产量为对照,对不同秸秆还田量下春玉米增产幅度进行曲线拟合(图5)。春玉米产量增幅与秸秆还田量呈二次曲线关系,拟合效果良好。由此可知,当秸秆还田量为11.25 t·hm-2时,增产幅度最大(3.07%);当秸秆还田量大于23.96 t·hm-2时,将引起减产,且随着秸秆还田量的增加,减产幅度持续增加。

表4 秸秆还田量对春玉米干物质重的影响Table4 Effect of straw returning amounts on dry matter weight of spring maize /(g/株)

表5 秸秆还田量对春玉米产量的影响Table5 Effect of straw returning amounts on yield of spring maize /(g/株)

3 讨论

3.1 秸秆还田与土壤供氮

本研究表明,在春玉米苗期,与秸秆不还田处理(CK)相比,各秸秆还田处理均降低了土壤速效氮含量,且随着秸秆还田量的增加土壤速效氮含量逐渐降低,这可能是因为玉米秸秆C/N较高,腐解过程中需要从土壤中补充无机氮[23],随着秸秆还田量的增加,消耗的土壤氮素量增加,导致作物可吸收利用的土壤无机氮量减少[24-25];春玉米拔节期,各秸秆还田处理与秸秆不还田处理间土壤速效氮含量差距减小;至成熟期,与CK相比,各秸秆还田处理均提高了土壤速效氮含量,这与于舒函等[12]的研究结果一致,可能是因为春玉米拔节期为秸秆还田70 d左右,随着秸秆还田时间延长,秸秆腐解,大量的氮被释放[26],提高了土壤速效氮水平。秸秆还田还会改变外源肥氮占土壤矿化总氮的比重[14],同时改变春玉米对肥料氮和土壤氮的利用比例。在苗期,与CK相比,秸秆还田处理吸收利用氮素中肥料氮所占比例增加,且总体随秸秆还田量的增加而增加,而拔节后则呈相反趋势。其原因可能是本试验中化肥氮条施于种下,前期化肥与秸秆接触少,微生物腐解秸秆主要吸收土壤中速效氮,使土壤供氮能力下降,致使秸秆还田处理春玉米苗期吸收利用氮素中肥料氮占比升高,而随着肥料氮在土壤中逐渐扩散,与还田秸秆接触增加,在微生物分解秸秆时固定了一部分肥料氮,同时也会释放出秸秆中氮素供春玉米吸收,因此秸秆还田降低了春玉米拔节期后吸收利用的氮素中肥料氮的比例,也改变了氮肥利用率。有研究发现,玉米秸秆还田量为9 t·hm-2时,下茬作物氮肥利用率下降9.6%～15.7%;而玉米秸秆还田量为6 t·hm-2时,下茬玉米当季氮肥利用率提高7%[16]。张水清等[27]研究也表明,适量秸秆还田使水稻当季氮肥利用率提高8.23%。本试验表明,玉米秸秆还田量为12.49 t·hm-2是界限值,还田量低于该值时,氮肥当季利用率略有提高,高于该值时则下降。由此可见,秸秆还田可提高氮肥利用率,但具体还田量有待商榷。

3.2 秸秆还田与春玉米氮积累

游来勇等[11]研究表明,秸秆还田抑制水稻拔节期前的生长和氮素累积,但促进后期生长和氮素累积,且不同秸秆量还田条件下水稻氮素吸收量和籽粒的氮素累积量均随秸秆还田量增加而减少。Kongchum等[28]认为较高的稻草还田量不利于水稻第1～第6周生长,但6周后对水稻生长有积极影响。申胜龙等[29]研究表明,秸秆覆盖处理苗期干物质重低于不还田处理,中后期显著高于不还田处理。本研究表明,在春玉米苗期和拔节期,植株的干物质重和氮积累量均随着秸秆还田量增加而下降,至成熟期,秸秆还田量为9.20(S1)和18.40 t·hm-2(S2)时,植株氮积累量高于CK,而秸秆还田量为27.60(S3)和36.80 t·hm-2(S4)时低于CK,这与李勇等[30]的研究具有一致性。这是由于秸秆还田降低了春玉米前期土壤氮供应能力,一般对春玉米苗期和拔节期影响较小时,后期可以恢复,但不同秸秆还田量也通过影响作物吸氮量从而影响春玉米前期生长和氮素积累[31],适宜的秸秆还田量可增加春玉米氮素积累,还田量过高则起相反作用。也有研究表明秸秆还田抑制寒地粳稻成熟期氮积累[32],这可能是受作物、氮肥运筹及田间管理的影响。

3.3 秸秆还田与春玉米产量

于舒函等[12]研究表明,玉米秸秆还田量为12.1 t·hm-2时对产量影响不显著。前人研究也表明,适量秸秆还田可增产,过量则减产[33-36]。本试验结果表明,秸秆还田量低于23.96 t·hm-2时有小幅增产作用,秸秆还田量为11.25 t·hm-2时增产效果最强,还田量高于23.96 t·hm-2时则引起减产。这是因为适量秸秆还田时,配合施肥使秸秆充分腐解,起到培肥土壤的良好作用,而过量还田时,会造成土壤耕作性差等负面效应,反而造成作物减产。秸秆还田对土壤氮的影响是一种长期效应[37],关于长期连续秸秆还田对土壤供氮和玉米产量的影响有待进一步研究。

本试验采用框栽试验方法,具备盆栽易控制水肥的优点,也接近于大田生长环境,但成熟期玉米植株生物量较大,可能受圆框限制,导致试验结果与大田试验结果存在差异,仍有待进一步改进。

4 结论

秸秆还田改变了春玉米对肥料氮和土壤氮的利用比例,在一定秸秆还田量条件下,随着秸秆还田量的增加,在苗期春玉米植株氮素积累中肥料氮所占比例增加,而拔节期后呈相反趋势。通过方程拟合,秸秆还田量低于12.49 t·hm-2时可以提高当季氮肥利用率,高于12.49 t·hm-2时其氮肥利用率低于CK。秸秆还田不利于春玉米苗期和拔节期生长;秸秆还田量为11.25 t·hm-2时,最有利春玉米产量的形成,秸秆还田量高于23.96 t·hm-2时会引起减产。由本试验结果推测,在松嫩平原中南部,配施尿素350 kg·hm-2时,最适秸秆还田量为11.25 t·hm-2。