秸秆还田配施氮肥对东北黑土稻区土壤养分及水稻产量的影响

孟祥宇 冉 成 刘宝龙 赵哲萱 白晶晶 耿艳秋

（吉林农业大学农学院，130118，吉林长春）

中国是一个农业大国，作物种类多样，秸秆资源丰富，其中稻草、玉米秸秆和麦秸是我国主要的秸秆类型[1]。据统计，我国每年作物秸秆量约为7亿t，其中水稻秸秆大约占29.0%，从秸秆养分资源量来看，水稻大约占总养分量的33.1%[2]。随着我国作物产量的不断提高，秸秆量也逐渐增多，造成了秸秆资源季节性、结构性和区域性过剩。在我国东北地区，由于产业化相对薄弱，耕作制度和自然环境等限制因素，大部分秸秆应用于燃料和饲料[3]，而剩余秸秆闲置在田野被焚烧，造成了秸秆资源的极大浪费。

水稻（Oryza sativa L.）是人类重要的粮食作物之一，世界上有50%左右的人口以稻米为主食[4]。目前我国东北地区水稻种植面积为5.26×106hm2[5]。不合理的水稻生产方式导致环境污染日趋严重[6-7]。氮素在植物的生理代谢中起着重要作用，是农业生产中需求量最多的营养元素[8]。目前我国氮肥使用过多，导致土壤中氮素随降水和灌溉水淋溶到土壤深层或随径流进入地表水，加速土壤酸化，增加了农田温室气体的排放，不仅造成环境污染，也加重了经济负担[9-10]；同时施入过多的氮肥也降低了作物对磷、钾和微量元素的吸收[11]，导致作物组织变得脆弱，抗逆能力降低，也易出现贪青晚熟现象，造成作物减产[12]。作物秸秆中含有多种矿质元素，如氮、磷、钾和硅等，是一种廉价的有机肥料。秸秆还田能够改善土壤理化性质，但秸秆的碳氮比（C/N）较大，在60:1～100:1之间[13-14]，而在秸秆还田初期，土壤中的有效氮被微生物固定，造成“争氮现象”而影响后期作物生长[15]，因此秸秆还田配施合理的氮肥更为重要。大量研究表明，秸秆还田同时合理地配施氮肥可以增加土壤有机质，降低土壤容重[9,16-17]；秸秆还田可促进水稻根系生长，在水稻生育后期补充营养并保水保温，提高根系对营养物质的吸收能力[18]；增大水稻籽粒灌浆速率，提高氮肥利用率，增加每穗粒数、结实率与千粒重，进而增加产量[19-20]。目前我国东北地区因环境条件的制约导致大量秸秆资源浪费，同时为了追求产量而过多施入氮肥及不合理的耕作措施导致土壤中有机质含量降低[21]。因此本文旨在研究秸秆还田与氮肥施用量对东北黑土稻区土壤养分和水稻产量的影响，找到适宜的氮肥施用量，为东北黑土稻区秸秆全量还田条件下合理施用氮肥培肥土壤提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2018年在吉林省榆树市弓棚镇（44°58＇59.25＂N，126°18＇23.56＂E）进行试验，该地区属于温带大陆性季风气候，无霜期143d，年均日照约2674.5h，年均气温5.3℃，年均降雨量536.4mm。试验地土壤养分为中等偏上水平，土壤类型为黑 土。试验地土壤基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

采用二因素裂区设计，秸秆全量还田（S）和秸秆不还田（S0）为主区，秸秆还田量为9.0t/hm2，氮肥施用量为副区，设置5个氮肥处理N0、N1、N2、N3和N4，施用量分别为0、80、160、240和320kg/hm2，各处理组合为 N0S、N1S、N2S、N3S、N4S、N0S0、N1S0、N2S0、N3S0和 N4S0，3次重复。秸秆含氮0.64%，含磷0.17%，含钾1.19%。供试品种为吉林省大面积推广的晚熟品种吉粳816。小区面积40m2（8m×5m）。氮肥（N）施用比例为底肥∶分蘖肥∶穗肥=6∶3∶1；钾肥（K2O）90kg/hm2，施用比例为底肥:穗肥=6:4；磷肥（P2O5）75kg/hm2作为底肥一次性施入。

在2018年4月中旬进行播种，采用机插软盘旱育秧，每盘播种量60g；5月28日移栽，浅水移栽，每穴4株，插秧密度为30cm×20cm，9月28日收获。该品种在当地的历年平均产量为8.2t/hm2，根据谷草比1:1.1折算秸秆量；在4月中旬将风干秸秆粉碎为长度2～3cm的小段，还田前一周进行泡田，春耕整地时秸秆随底肥一起均匀施入田中，使用打浆机混匀。其他田间管理与常规农田管理方法一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤养分 在水稻成熟期，采用5点取样法，取0～20cm耕层土样混匀，将土壤自然风干、研磨、过筛后，根据鲍士旦的《土壤农业化学分析方法》[22]测定各养分指标。采用凯氏定氮消化-蒸馏法测定土壤全氮含量；采用酸溶-钼锑抗比色法测定全磷含量；采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定全钾含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用钼锑抗比色法测定速效磷含量；利用乙酸铵浸提，火焰光度法测定速效钾含量；采用重铬酸钾-外加热容量法测定有机质含量；采用环刀取样法[23]测定土壤容重；参考陈立新的[24]方法测定土壤孔隙度。

1.3.2 产量 水稻成熟期在每小区取样5m2，重复3次，稻株晾干后进行称重，计算生物产量；然后再进行脱粒，去除空瘪粒后称重，并测定其含水量，换算成14%含水量相应的产量，并计算收获指数，收获指数=籽粒产量/生物产量×100%。每小区选取长势均匀的10穴进行考种，测定其穗数、穗粒数和千粒重。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0（LSD法，α=0.05）软件进行数据统计和分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对土壤容重、孔隙度和pH的影响

如表2所示，秸秆处理以及秸秆处理与氮肥的交互作用均显著影响了土壤容重和孔隙度。与N0S0比较，秸秆还田与氮肥配施处理显著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，但在秸秆还田条件下不同氮肥处理间差异不显著。与N0S0相比，各处理的土壤pH均有所下降，但无显著性差异。

表2 秸秆还田配施氮肥对土壤容重、孔隙度和pH的影响Table 2 Effects of straw returning and nitrogen application on soil bulk density,porosity and pH

2.2 秸秆还田配施氮肥对土壤全量养分含量的影响

如表3所示，秸秆处理以及秸秆处理与氮肥的交互作用均显著影响了土壤全量养分含量。在秸秆还田条件下，各氮肥处理间全氮含量为N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S，全磷和全钾含量均为N3S＞N4S＞N2S＞N1S＞N0S，且N3S处理显著高于其他处理，且均高于对照N0S0；秸秆还田各氮肥处理较N0S0有机质含量显著增加，但各秸秆还田处理间无显著差异。在秸秆未还田条件下，随着氮肥施用量的增加土壤中全氮含量也呈增加趋势。

表3 秸秆还田配施氮肥对土壤中全量养分含量的影响Table 3 Effects of straw returning to field and nitrogen application on the total nutrients content in soil g/kg

2.3 秸秆还田配施氮肥对土壤中速效养分含量的影响

由表4可知，秸秆处理以及秸秆处理与氮肥的交互作用均显著影响了土壤中速效养分含量。在秸秆还田条件下，各氮肥处理碱解氮和速效磷的含量均为N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0，且各处理间均存在显著差异，速效钾含量为N3S＞N4S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0，N3S处理显著高于其他处理。在秸秆未还田条件下，土壤中碱解氮含量随着氮肥施用量的增加而增加，速效磷含量随着氮肥施用量的增加而降低，但与N0S0无显著性差异，速效钾含量无显著变化。

表4 秸秆还田配施氮肥对土壤中速效养分含量的影响Table 4 The effects of straw returning to field and nitrogen application on the content of available nutrients in soil mg/kg

2.4 秸秆还田配施氮肥对水稻生物产量及收获指数的影响

由表5可知，秸秆还田、氮肥、秸秆还田与氮肥互作均显著影响了水稻的生物产量。在秸秆还田条件下，水稻的生物产量为N4S＞N3S＞N2S＞N1S＞N0S＞N0S0；收获指数为N3S＞N2S＞N1S＞N0S0＞N0S＞N4S，N3S显著高于N4S。在秸秆未还田条件下，各氮肥处理与N0S0比较，生物产量显著增加，表现为N4S0＞N3S0＞N2S0＞N1S0＞N0S0；收获指数为N3S0＞N0S0＞N2S0＞N1S0＞N4S0。

表5 秸秆还田配施氮肥对水稻生物产量及收获指数的影响Table 5 The effects of straw returning to field and nitrogen application on rice biological yield and harvest index

2.5 秸秆还田配施氮肥对水稻产量及产量构成因素的影响

由表6可知，实测产量随着氮肥施用量的增加呈先升高后降低的趋势，产量最高为N3水平，且N3S＞N3S0，差异显著。在秸秆还田条件下，各氮肥处理的实测产量表现为N3S＞N2S＞N4S＞N1S＞N0S＞N0S0，N0S、N1S、N2S、N3S和N4S实测产量较N0S0分别增加2.27%、7.42%、16.99%、28.35%和8.97%，N3S处理的实测产量显著高于其他处理。在秸秆未还田条件下，各处理的实测产量表现为N3S0＞N2S0＞N4S0＞N1S0＞N0S0，N1S0、N2S0、N3S0和N4S0实测产量较N0S0分别增加了3.47%、9.81%、10.65%和7.89%。结果表明，秸秆还田配施合理氮肥可以有效提高水稻产量，且N3S为最优处理。

表6 秸秆还田配施氮肥对水稻产量及其构成因素的影响Table 6 Effects of straw returning and nitrogen application on rice yield and yield components

3 讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对土壤容重、孔隙度和pH的影响

土壤容重和孔隙度是衡量土壤结构的主要指标，其影响土壤水分的渗透性[25]。相关研究表明，秸秆还田配施氮肥可以改善土壤理化性质，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，调节pH，有利于土壤中气体交换[17,26-27]。本研究结果表明，秸秆还田配施氮肥可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，而单施氮肥对土壤物理性质改善不明显，这与温美娟等[28]的研究结果一致。原因可能是秸秆还田增加了土壤有机质含量，使土壤团聚体的形成，使孔隙度增大，容重降低，促进土壤疏松[29]。秸秆还田处理以及单施氮肥处理均能降低土壤pH，但未达显著水平，可能原因是秸秆还田后土壤中的有机质增加，有机质在分解过程中会产生中间产物单宁和有机酸，且潮湿的环境也能增加H+数量[30]，在氮循环相关过程中，产生的H+进一步导致土壤pH降低[31]。

3.2 秸秆还田配施氮肥对土壤有机质和养分含量的影响

土壤养分是由土壤提供的植物生长所必需的营养元素，对于作物生产具有重要意义[32]。秸秆还田配施氮肥能够增加土壤中有机质的含量，提高土壤养分库容，进而提高作物产量[33-34]。本研究中，秸秆还田处理显著增加了土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的含量。这与吴涌泉等[17]和吴立鹏等[35]的研究结论一致。原因可能是植物残体的输入可以促进土壤中可溶性物质的转化，促进土壤中养分的可利用性，同时秸秆还田显著影响土壤氮含量，当可利用的碳源相对充足时，氮固定潜能较高，进而土壤全氮含量增加[36-37]。在适宜的土壤环境条件下，秸秆快速腐解，腐解后会释放大量的养分，进而提升土壤中养分含量。秸秆还田后施入氮肥可降低土壤中速效养分淋溶[38]，促进土壤中可溶性物质的转化，增强土壤中养分的可利用性[39]，提升土壤中速效养分的含量，进而达到培肥地力的效果。本试验中土壤全氮含量为N4S0处理最高，原因可能是秸秆在分解过程中需要消耗大量的氮素，而在单独施氮处理中，过量的氮肥投入，在完全满足作物生长需求后还有大量剩余，而剩余的氮素由固氮微生物固定到土壤中[40]，使N4S0处理全氮含量最高；碱解氮和速效磷含量则在N4S处理最高，可能的原因是氮肥施用量大与秸秆腐解释放大量养分，在淹水条件下土壤处于还原状态，氧化物被还原，释放无效态磷，进而增加了土壤中磷的有效性[41]，以及有机质含量的增多降低了速效养分的淋溶[38]，从而碱解氮和速效磷含量逐渐增多。而秸秆未还田处理全氮和碱解氮含量增加，其他养分含量略有降低，可能原因是随着氮肥施用量的增加，水稻生长需要从土壤中吸收更多的养分导致其他养分含量降低。

3.3 秸秆还田配施氮肥对水稻产量的影响

有研究表明，秸秆还田配施氮肥可以构建良好的产量构成因素，促进养分吸收和利用，增加生物产量和收获指数，提高产量[42-43]。本研究表明，水稻生物产量随着氮肥施入量的增加而逐渐增加，在N3S处理下收获指数最高，秸秆还田处理显著提高了水稻的产量，这与张哲等[44]和成臣等[45]的研究结论一致，原因可能是秸秆还田配施氮肥提高了水稻的氮肥吸收利用率、农学利用率和生理利用率[18,46]，秸秆腐解释放的养分以及无机氮肥的适量补充，延缓了水稻生育后期根系及叶片的衰老，增强了根系对养分的吸收，有利于水稻穗部的发育和籽粒灌浆结实[18,20]，进而提高了水稻的生物产量、收获指数和产量。单施氮肥处理在一定范围内虽然增加了水稻的产量，但在同一氮肥水平下，秸秆处理的产量高于单施氮肥处理的产量，N3S处理实测产量显著高于N3S0处理。由此可以得出秸秆还田配施氮肥不仅可以培肥地力，还提高了水稻的产量。

4 结论

秸秆还田与氮肥配施降低了土壤容重和pH，增加了土壤孔隙度，还增加了土壤中全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量且提高了水稻产量，以秸秆全量还田配施240kg/hm2的氮肥（N3S处理）为最优处理。