秸秆等氮量替代化肥对土壤水分和玉米干物质积累的影响

徐路路， 王娟玲， 王晓娟， 刘恩科

(1.山西大学生命科学学院，太原 030031；2.山西农业大学山西有机旱作农业研究院，太原 030031；3.有机旱作农业山西省重点实验室，太原 030031)

山西省是典型的旱作农业区，其玉米种植面积占粮食总种植面积的50.08%。在干旱半干旱地区，农业生产主要依靠降水，但降水大多通过径流和无效蒸发消耗掉，农业生产利用的降水量不到降水总量的1/3。秸秆可减少土壤蒸发，提高土壤的抗旱性，添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分，提高土壤含水量的积极作用。

秸秆还田和施氮对土壤具有保水缓温的效果。马晓丽等在渭北旱塬上进行的秸秆还田试验表明，秸秆还田可提高水分利用效率和耗水量，有利于土壤蓄水保墒；吴鹏年等的大田试验发现，秸秆还田的条件下，配施一定量氮肥可以明显提高土壤贮水量，其中配施氮肥300 kg/hm处理在2个试验年份中，最高可分别增加13.6%和22.1%；郑欣荣等发现，秸秆还田在水分入渗过程中具有阻水性，使水分在秸秆层停留时间较长，提高了浅层土壤的含水率；白伟等研究表明，秸秆还田配施氮肥作用于耕层构造，显著提高土壤含水量，降低土壤容重；有试验结果表明秸秆还田可以提高土壤肥力和水分利用效率，其中还田量13 500 kg/hm效果最好；而也有研究表明，9 000 kg/hm的秸秆还田量效果最好。作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，2015年我国秸秆资源量约71 878.53万t。

单秸秆还田会增加土壤碳氮比，且秸秆释放养分速率慢，不利于作物前期的生长，秸秆还田配施氮肥可以调节土壤的碳氮比。用作物秸秆替代化肥不仅可以减少化肥过量使用带来的负面影响，而且可以资源化利用秸秆养分，更对于土壤蓄水保墒具有重要意义。前人的研究多集中在秸秆还田或者定量秸秆还田配施不同量化肥，对等氮量条件下秸秆替代化肥的研究比较少。因此本试验通过连续6年定点试验，探讨秸秆等氮量替代化肥对土壤水分、养分和玉米干物质积累的影响，以期为当地玉米种植过程中，秸秆还田和氮肥的科学施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

此试验设计开始于2016年4月，2020年和2021年分别为种植的第5年和第6年，试验基地位于山西省晋中市榆次区东阳镇东阳村(112°40′05″E，37°33′22″N)，该地区属温带大陆性气候，年平均降水量440.7 mm，年均气温9.8 ℃，年平均无霜期158天，海拔800 m。2016年4月试验前测基础土土壤特征为：有机质含量13.0 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，全磷含量0.9 g/kg，全钾含量27.1 g/kg，碱解氮含量51.2 mg/kg，速效磷含量7.7 mg/kg，速效钾含量176.4 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置5个处理，总氮量均为225 kg/hm，施氮比例见表1，各处理的秸秆还田量见表2。大田试验为3次重复，15个小区，每个小区面积30 m(5 m×6 m)，并且保持各小区总磷量相等，均为105 kg/hm，计算方法为，先算出秸秆所带入的磷，再施用磷酸一铵使总磷为105 kg/hm，计算磷酸一铵所带入的化肥氮，再施用尿素到达所用化肥氮比例。

表1 各处理的施氮比例

表2 各处理的秸秆还田量 单位：kg/hm2

在2019年和2020年的秋季收获后，将秸秆粉碎按试验设计量还田，2020年和2021年5月中旬于种植前在试验田施入化肥，化肥为磷酸一铵和尿素，种植玉米密度理论为49 500株/hm，正常田间管理，各小区一致，玉米收获后用对角线5点取样法，于各小区取0—20 cm土用于土壤养分的测定。

2016年和2017年降水可以满足作物生长，因此在这2年没有灌水，本试验是从2018年开始灌水的，各试验年份的灌水情况为：2018年灌水3次(6月25日、7月4日和8月15日)，灌水量分别为48.7，48.7，48.8 mm；2019年灌水4次(6月19日、7月9日、7月20日和8月16日)，灌水量分别为56.2，56.2，56.3，56.3 mm；2020年灌水1次(7月2日)，灌水量为95.63 mm；2021年灌水2次(7月9日和8月14日)，灌水量分别为63.75，59.20 mm。2020年和2021年全生育期降水量分别为349，323 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分及水分利用效率 在玉米的播种前1天和大喇叭口期、抽雄期、灌浆期、成熟期用中子仪测0—200 cm土壤水分，每隔20 cm测定1次，共10个层次。

土壤贮水量计算公式为：

=∑Δ××10100

(1)

式中：为土壤贮水量(mm)；Δ为土壤第层次的土壤体积含水量(mm)；为第层次的土壤厚度(cm)；为土壤层次。

土壤耗水量计算公式为：

=+Δ++-

(2)

式中：为土壤耗水量(mm)；为全生育期降雨量(mm)；Δ为播种和收获时土壤贮水量之差(mm)；为生育期灌溉量(mm)；为地下水的补给量(mm)；为地表径流量(mm)；由于试验区地势平坦，地表径流和地下水等因素均可忽略不计。

水分利用效率公式为：

WUE=

(3)

式中：WUE为水分利用效率[kg/(hm·mm)];为玉米籽粒产量(kg/hm);为土壤耗水量(mm)。

1.3.2 土壤养分 土壤有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 mol/LNaHCO法，参照《土壤农化分析》。

1.3.3 干物质积累 在玉米的各生育时期，每小区取3株植株的地上部分，称重，并105 ℃杀青20 min，80 ℃烘干至恒重，称重。

1.4 数据处理

采用SPSS 21.0软件进行统计分析，Microsoft Excel 2016和Origin 2021软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 玉米生育时期0-80 cm土层土壤贮水量

玉米根系主要分布在0-80 cm，所以本试验主要研究0—80 cm土层土壤贮水量(图1)。

注：图柱上方不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。下同。图1 玉米各生育期0-80 cm土层土壤贮水量

2020年试验中，在播种前、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期，与CK相比，各替代处理组的0—80 cm土层土壤贮水量均无显著差异；在播种前，S25的0—80 cm土层土壤贮水量比S75显著增加10.32%，S50的0—80 cm土层土壤贮水量分别比S75和S100显著增加12.41%，11.70%；在大喇叭口期，S25和S50比S100的0—80 cm土层土壤贮水量分别显著增加14.86%，17.98%；在抽雄期，S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S100显著增加18.02%；在灌浆期，S25和S50较S75分别显著增加11.78%，11.83%；在成熟期，S50比S75和S100的0—80 cm土层土壤贮水量分别显著增加16.18%，13.40%。

2021年试验中，在播种前、灌浆期和成熟期，与CK相比，各替代处理组的0—80 cm土层土壤贮水量均无显著差异，且各处理组之间也无显著差异；但在大喇叭口期，S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比CK分别显著增加24.90%，20.47%，S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S75分别显著增加29.36%，22.77%，S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量比S100分别显著增加23.67%，19.28%；在抽雄期，S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量分别比CK显著增加24.3%，19.71%，分别比S75显著增加28.64%，23.90%，分别比S100显著增加25.75%，21.12%。由于2021年成熟期降雨量较多，所以其0—80 cm土层土壤贮水量较2020年成熟期大。

2.2 玉米生育时期0-200 cm土层土壤贮水量的垂直变化

2020年试验中，在玉米生长的整个生育时期中，各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势是一致的，并且S25和S50处理大于CK，而S75和S100处理小于CK(图2)；播种前、大喇叭口期和抽雄期这3个时期的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化规律相同，都是0—40 cm随土层深度的增加而增加，因为本试验中，在秸秆还田时，所有处理都进行了翻耕，耕层土壤比较疏松，导致水分蒸发散失，40—160 cm随土层深度的增加而减少，160—200 cm随土层深度的增加而增加；在灌浆期，0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋于平稳；在成熟期，0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化为0—40 cm随土层深度的增加而增加，40—160 cm随土层深度的增加趋于平稳，可能与在成熟期玉米耗水较少有关，160—200 cm随土层深度的增加而增加；播种前—大喇叭口期—抽雄期，100—200 cm(深层土)各土层土壤贮水量的变化保持基本不变；抽雄期—灌浆期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所增加，可能与此时降雨量较大有关；灌浆期-成熟期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所减少。

图2 2020年玉米各生育期土壤水分垂直动态

2021年试验中，在玉米生长的整个生育时期中，各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化有规律性(图3)：S25和S50处理大于CK，而S75和S100小于CK；在播种前，各处理组的0—40 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而增加，40—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化不大，趋于平稳；在大喇叭口期和抽雄期各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势一致，呈平稳增加的趋势；灌浆期和成熟期，各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势相同：各处理组的0—40 cm各土层土壤贮水量随土层深度增加而增加，各处理组(除S75外)的40—140 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而减少，140—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的增加而增加；播种前—大喇叭口期—抽雄期，100—200 cm各土层土壤贮水量的变化保持基本不变；抽雄期—灌浆期100—200 cm各土层土壤贮水量整体有所增加；灌浆期—成熟期100—200 cm各土层土壤贮水量变化不大。

图3 2021年玉米各生育期土壤水分垂直动态

2.3 土壤耗水量和水分利用效率

2020年和2021年试验中，与CK相比各秸秆替代处理组的土壤耗水量无显著差异，但2021年试验中S50的土壤耗水量显著大于S100，提高5.00%(表3)。与CK相比，各秸秆替代处理组的水分利用效率在2020年和2021年均无显著差异。

表3 土壤耗水和水分利用效率

2.4 土壤养分

2020年试验中，各秸秆替代处理组的土壤有机质含量较CK无显著差异，但在一定程上各秸秆替代处理组的土壤有机质含量较CK有增加的趋势，其中S50处理的土壤有机质含量最大。但2021年试验中，与CK相比，S25、S50、S75、S100的土壤有机质含量分别显著增加了27.40%，38.13%，36.30%，22.60%，S50的土壤有机质含量最大(图4)。可见，有机肥替代化肥较单施化肥可以提高土壤有机质含量，其中S50处理的效果最好。

图4 土壤养分变化

与CK相比，各处理组土壤碱解氮含量在2020年无显著差异，S50的土壤碱解氮含量最大。2021年试验中，与CK相比，S50的土壤碱解氮含量显著增加了27.74%，S25、S75、S100的土壤碱解氮与CK相比无显著差异。在秸秆各替代处理组中，S50处理有利于土壤碱解氮含量的增加。

2020年试验中，与CK相比，S100处理土壤速效磷含量显著降低了50.75%，S25、S50、S75与CK相比无显著差异。2021年试验中，与CK相比，S25、S50、S75、S100处理土壤速效磷含量分别显著降低了31.48%，22.22%，30.56%，45.68%，其中S50处理降低的最少。

2.5 单株干物质积累量

2020年试验中，在玉米大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期，秸秆替代化肥处理的玉米单株干物质积累量与CK相比均无显著差异。但2021年试验中，在玉米大喇叭口期S25处理的玉米单株干物质积累量与CK相比显著减少了16.05%；在玉米抽雄期、灌浆期和成熟期这3个生育时期，S50处理的玉米单株干物质积累量最多，与CK相比分别增加22.39%，34.06%，12.58%；在玉米灌浆期和成熟期这两个生育时期，S75处理的玉米单株干物质积累量，与CK相比分别增加了22.49%，12.11%(图5)。大体上，玉米单株干物质积累量随秸秆替代化肥比例的增加先增加后减少。

图5 玉米各生育期干物质积累量

3 讨 论

已有研究表明，秸秆还田对土壤水分的影响具有双重性，生育前期秸秆腐解消耗水分，与作物争夺水分，生育后期对土壤水分具有积极作用。本试验中，总体上来看，低比例(S25、S50)秸秆替代化肥0—80 cm土层土壤贮水量高于高比例(S75、S100)秸秆替代化肥。可能是因为秸秆还田量越少，秸秆腐解率越高，并且尿素可以促进玉米秸秆的腐解，低比例的秸秆腐解速度较快，在生育期消耗的水分相对于高比例的秸秆少，从而使0—80 cm土层土壤贮水量增加。此外，秸秆替代比例越多，翻耕时秸秆所占体积越大，不利于土壤保水。

在2021年试验的大喇叭口期和抽雄期S25和S50的0—80 cm土层土壤贮水量显著大于CK，说明S25和S50可以提高0—80 cm土层土壤贮水量；而到灌浆期和成熟期时，各处理组的0—80 cm土层土壤贮水量无显著差异，可能是因为随着秸秆腐解过程结束，秸秆还田改善了土壤物理状况，增强土壤蓄水保水能力，而使得S25、S50与S75、S100差异不显著，此外也可能是因为雨水的补充而使各处理组0—80 cm土层土壤贮水量无显著差异。灌浆期土壤贮水量最大，这对于玉米灌浆非常重要。

秸秆还田对土壤水分的影响可达2 m，在玉米各生育时期，大体上，0—200 cm各土层土壤贮水量的大小为S25和S50大于CK，S75和S100小于CK，说明适量的秸秆替代化肥有利于土壤蓄水保墒，并不是秸秆还田量越多越好。在播种前、大喇叭口期和抽雄期，100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期无明显变化，在灌浆期和成熟期，100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期也无明显变化，但是在抽雄期到灌浆期100—200 cm土层土壤贮水量随生育时期变化明显，可能是因为这个时期降雨和灌水量比较多。

秸秆配方能有效提高春玉米的土壤水分利用效率。在本试验中，与单施化肥相比，秸秆替代化肥的土壤耗水量和水分利用效率均无显著差异。这与张哲等研究认为，秸秆还田量越多作物水分利用效率越高的结论不一致，可能是因为秸秆还田量和氮素水平不一致；也可能与秸秆还田配施氮肥影响作物根系形态有关。试验年限也会影响试验结果，仍需要进一步深入研究。

本试验中，与单施化肥相比，秸秆替代化肥处理提高了土壤有机质含量，其中S50的土壤有机质含量最大。这可能是因为秸秆替代化肥处理与单施化肥相比较，可以调节土壤的C/N，有利于土壤微生物的生长，促进微生物对秸秆的分解释放有机态养分，进而提高了土壤有机质含量；另一方面，秸秆替代化肥比例过高，使土壤C/N比过高而不利于微生物生长，进而使有机质的增量较少。与单施化肥相比，S50处理显著提高了土壤碱解氮含量。一方面，可能与秸秆吸附作用保留氮素，减少氮素损失有关；另一方面，秸秆含碳量大，增加土壤氮素的矿化，使土壤碱解氮含量增加，也可能与根系对碱解氮的吸收有关。与单施化肥相比，秸秆替代化肥处理显著降低了土壤速效磷含量，其中S100降低最多。这可能是因为S100的施肥处理没有投入化肥磷，而使速效磷含量最低。

秸秆施用数量和氮肥用量都与玉米的长势存在很大关系。本试验中，S50处理的单株干物质积累量在抽雄期、灌浆期和成熟期大于CK，S75处理的单株干物质积累量在灌浆期和成熟期大于CK，说明S50和S75处理有利于玉米单株干物质积累量增加。

综上所述，对2年各生育时期测定的土壤水分、养分和干物质积累量结果分析发现，各秸秆替代化肥处理组中，S50处理效果最好。

4 结 论

本试验中，与单施化肥相比，秸秆等氮量替代化肥可以显著增加玉米单株干物质积累量，其中秸秆替代50%化肥的干物质积累量最大；大体上，低比例秸秆替代(S25和S50)的0—80 cm土层土壤贮水量有大于高比例秸秆替代(S75和S100)的趋势；秸秆替代化肥与单施化肥相比，对0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势影响不大，但是整体上S25、S50大于CK，S75、S100小于CK；与CK相比各处理组的土壤耗水量和水分利用效率无显著差异；各秸秆替代化肥处理较CK显著增加了土壤有机质含量，显著降低了土壤速效磷含量，在各秸秆替代化肥处理中，S50的土壤有机质和速效磷含量最大，S50较CK显著增加了土壤碱解含量。从保障土壤水分、秸秆干物质积累量和收获后土壤养分的角度考虑，S50是本试验条件下最有潜力的秸秆等氮量替代化肥方式。