施氮对还田秸秆腐解及养分释放、土壤肥力与玉米产量的影响

李 荣勉有明侯贤清,*李培富王西娜

1宁夏大学农学院, 宁夏银川 750021;2宁夏农林科学院固原分院, 宁夏固原 756000

作物秸秆中含有丰富的养分元素, 是农业生产中重要的肥源。秸秆还田可实现培肥土壤, 减少秸秆焚烧带来的环境污染[1]。秸秆还田后可在微生物和酶的共同作用下腐解[2], 释放出氮、磷、钾等营养元素供植物吸收利用, 提高土壤肥力[3]。然而, 在农业生产中, 作物秸秆还田量大,微生物与作物争氮导致作物缺氮, 不利于秸秆腐解和养分利用[3]。因此, 加速秸秆腐解是秸秆养分循环利用及土壤培肥的关键环节[4]。

秸秆腐解是一个复杂而漫长的过程, 不仅与还田方式及秸秆自身特性有关, 更与土壤水分、温度、通气性、养分、微生物活动等状况及农田管理技术密切相关[5-6]。刘单卿等[7]研究结果表明, 在秸秆腐解过程中, 翻埋还田在秸秆组分降解、养分释放方面均优于覆盖还田。秸秆特性如碳氮比的差异会显著影响其分解, 由于秸秆本身的碳氮比较高, 在秸秆还田的同时要配施适量氮肥, 可缓解微生物与作物争氮和加快秸秆腐解[8]。秸秆还田可通过影响土壤水分含量、土壤温度、微生物的碳氮比等因素, 对秸秆腐解产生影响。李昌明等[9]研究认为, 土壤类型间由于通气性、机械组成、养分状况等差异, 显著影响秸秆分解过程中养分的释放。秸秆还田可增强土壤有机养分的矿化, 秸秆自身腐解也会释放出丰富的养分元素, 但秸秆的分解和养分释放程度与农田管理技术尤其氮肥的施用量有密切联系。相关研究表明, 还田后秸秆的分解需配合施用氮肥, 能够避免微生物在分解秸秆过程中与作物竞争土壤中的氮素, 促进秸秆分解, 提高养分释放量[10]。因此,在秸秆还田条件下, 掌握合理施用氮肥和秸秆腐解规律,对秸秆快速腐解和养分的有效利用有着重要的科学意义。

宁夏扬黄灌区地处中温带干旱区, 降雨较少, 土壤质地黏重、养分匮乏, 且冬季寒冷而漫长, 抑制了土壤微生物活动, 粉碎后的秸秆还田在自然状态下腐解缓慢, 在土壤中长期积存滞留, 影响作物播种期墒情, 使作物出苗率下降, 严重影响作物生长发育[11]。秸秆还田后配施适量氮肥可促进秸秆腐解, 实现土壤培肥和作物增产, 已在该区进行推广[12]。目前施氮多关注于秸秆还田后土壤理化性质及作物增产效应, 然而关于连续2年秸秆还田条件下施氮对秸秆腐解及养分释放特征、土壤肥力与作物产量的关系研究尚鲜见报道。因此, 本研究基于前2年(2016年4月至2017年10月)秸秆还田配施氮肥定位试验的基础上,在秸秆还田的第3年(2017年10月中旬)将尼龙网袋法和田间试验相结合, 研究不同施氮量对还田后秸秆腐解及养分释放动态、土壤肥力特征与玉米产量的影响, 旨在为扬黄灌区秸秆还田后土壤快速培肥技术及现代农业的可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2016年4月至2018年10月在宁夏同心县王团镇旱作节水高效农业科技园区(36°51′N、105°59′E, 海拔1200 m)进行。该区地势南高北低, 属中温带干旱大陆性气候, 干旱少雨、年均降水量225 mm左右; 光照充足、蒸发强烈、温差大, 无霜期120～218 d, 年均气温8.6℃, ≥10℃的积温约3000 ℃, 2018年玉米生育期(4月至10月)逐日降水量、气温如图1所示, 年降水总量为302.2 mm, 玉米生育期降水量为274.4 mm, 其中生育前期(播种至拔节)降水量为89.0 mm, 生育中期降水量为135.1 mm, 生育后期降水量为50.3 mm。试验地土壤类型为灰钙土, 质地为砂壤土, 2016年4月秸秆还田试验开始前0～40 cm层土壤有机碳含量4.8 g kg-1、全氮0.39 g kg-1、碱解氮38.3 mg kg-1、有效磷16.1 mg kg-1、速效钾198.0 mg kg-1, pH 8.4, 土壤肥力偏低, 属低等肥力水平。

图1 试验地2018年玉米生育时期逐日降水量和气温Fig. 1 Daily precipitation and air temperature during growth period of maize in 2018 at experiment site

1.2 试验设计

1.2.1 秸秆还田配施氮肥大田试验 秸秆还田配施氮肥大田试验于2016年4月初开始布设实施, 2018年10月初结束, 开展连续3年的大田试验。为解析连续施氮对第3年还田后秸秆腐解及养分释放规律、土壤肥力特征与玉米产量的影响, 论文以第3年(2017—2018年)的大田试验数据进行分析。试验采用单因素随机区组设计,玉米秸秆全量还田(9000 kg hm-2)条件下, 设3种纯氮施用水平: (1) 施氮量150 kg hm-2(N1); (2) 施氮量300 kg hm-2(N2); (3) 施氮量450 kg hm-2(N3), 以不施氮肥为对照(CK), 3次重复, 共12个小区。小区面积60 m2(15 m ×4 m)。在秸秆还田条件下, 纯氮配施水平设置依据: 参考国内外相关文献并结合宁夏中部干旱区当地春玉米合理纯氮施用量多在225 kg hm-2左右, 由于在秸秆直接还田时通常配施一定量氮肥, 以补充土壤速效氮的不足, 因此设计纯氮中间施用量为300 kg hm-2, 为探讨不同施氮量下还田秸秆腐解对土壤性质及玉米产量的影响, 设置中间量减半(150 kg hm-2)和中间量加半处理(450 kg hm-2),对照为秸秆还田不施氮肥处理。

在每年玉米收获后, 将基肥磷酸二铵150 kg hm-2撒在地表, 与秸秆(秸秆养分含量中全碳705.8 g kg-1、全氮12.0 g kg-1、全磷2.6 g kg-1和全钾12.7 g kg-1)一起翻入土壤。各处理均按秸秆全量翻压还田(翻压深度25 cm), 同时在施氮肥(尿素N质量分数≥46%)处理中分别施入3种纯氮用量, 然后进入冬春季休闲, 休闲期间进行灌水750 m3hm-2(冬灌500 m3hm-2、春灌250 m3hm-2), 以促进秸秆腐解, 次年4月中下旬播种春玉米。玉米供试品种为先玉335,2018年4月12日进行播种, 玉米播深4～5 cm, 宽窄行种植,宽行70 cm, 窄行40 cm, 株距为20 cm, 种植密度为90,955株 hm-2, 播种同时于窄行铺设滴灌带, 于2018年10月1日收获玉米。试验期间利用自动降雨监测系统对降水量进行监测, 玉米生育期总灌水量4200 m3hm-2, 每个生育阶段间隔20 d以相同水量分3次灌入。生育前期灌水1200 m3hm-2、中期灌水1875 m3hm-2、后期灌水1125 m3hm-2; 水肥一体化进行追施氮肥, 生育前期施氮90 kg hm-2, 中期施氮60 kg hm-2。试验期间进行人工除草。

1.2.2 秸秆腐解填埋微区试验 秸秆腐解填埋试验于2017年10月中旬玉米收获后在大田试验田各小区同时进行布设翻埋微区试验, 2018年10月初结束。试验设4个处理: (1) 不施氮肥(CK); (2) 施纯氮150 kg hm-2(N1);(3) 施纯氮300 kg hm-2(N2); (4) 施纯氮450 kg hm-2(N3)。试验供试氮肥为尿素(N质量分数≥46%), 处理2、3和4根据秸秆还田量9000 kg hm-2与不同纯N用量进行折算。

秸秆腐解试验采用尼龙网袋法进行填埋。网袋长40 cm, 宽28 cm, 孔径0.05 mm。供试大田秸秆风干后, 剪成2～3 cm小段, 混匀后装入尼龙网袋, 每袋50 g (仅为粉碎秸秆, 不含土), 用封口机封好埋入土中, 每个处理无间隔埋入18包。田间填埋时分别开4条沟, 一条沟对应一个处理, 每条沟宽25 cm, 长 2.7 m。将沟内25 cm深的土壤全部取出, 破碎土块。不添加氮素处理将一半土样回填至15 cm厚, 然后水平无间隔铺放尼龙网袋, 再将剩余土壤全部填回; 施氮各处理先将土壤与供试氮肥充分混匀,再按同样的方法埋入网袋。各处理间用PVC板隔开, 试验期间灌水及其他管理措施均与玉米大田管理一致。

在玉米苗期(播后20 d, 20 DAS)、拔节(50 DAS)、大喇叭口(80 DAS)、抽雄(110 DAS)、灌浆(140 DAS)和收获期(170 DAS)每个处理随机取3袋样品, 将秸秆的土粒清理干净后, 烘干称重, 磨碎混匀用于计算秸秆腐解率、腐解速率和养分元素(C、N、P、K)释放率。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米秸秆样品中养分含量 秸秆样品中全碳、全氮、全磷、全钾含量的测定方法分别为: 重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法、H2SO4-H2O2消煮—紫外分光光度计以及H2SO4-H2O2消煮—火焰光度计法。

1.3.2 土壤肥力特征 土壤容重: 在2017年10月中旬试验处理前和2018年10月初玉米收获后, 利用环刀采集0～20 cm、20～40 cm层原状土带回实验室测定0～40 cm层土壤容重, 并计算土壤总孔隙度。

土壤水分: 在玉米播种(0 DAS)、苗期(20 DAS)、拔节(50 DAS)、大喇叭口(80 DAS)、抽雄(110 DAS)、灌浆(140 DAS)和收获期(170 DAS), 分别采用土钻取土干燥法测定0～100 cm层土壤质量含水量(%), 每20 cm 层取1个样, 并计算0～100 cm层土壤贮水量。

土壤温度: 在玉米播种、苗期、拔节、大喇叭口、抽雄、灌浆和收获期, 选择晴天采用曲管温度计测定08:00—18:00土壤5、10、15、20和25 cm层温度, 每2 h记录1次读数; 连续3 d并取其均值为代表值, 平均值作为每个生育时期的0～25 cm层土壤温度。

土壤养分: 于2017年10月中旬试验处理前和2018年10月初玉米收获后, 采集0～20 cm和20～40 cm层土风干、过筛剔除土壤中未腐解的秸秆残留, 土样全部碾磨后过2 mm孔径筛, 分别测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量,方法分别为: 碱解扩散法、NH4OAc浸提-火焰光度计法、0.5 mol L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法; 将通过2 mm孔径筛的土样用四分法取出一部分继续碾磨, 使之全部通过0.25 mm孔径筛, 分别测定土壤有机碳、全氮含量, 方法分别为: 重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法。

1.3.3 玉米产量性状 在玉米收获期, 每小区选取10株有代表性植株进行室内考种(穗数、穗粒数、百粒重); 每个处理选取3点, 收获3 m双行果穗, 脱粒, 干燥, 称量。籽粒产量以14%含水量计算。土壤贮水量[13](W, mm) =h×a×b×10, 式中:h为土层深度(cm);a是土壤容重(g cm-3);b是土壤质量含水量(%)。秸秆腐解率[14](M, %) =(W1-W2)/W1×100, 式中,W1为原始秸秆质量(g);W2为不同取样时间秸秆腐解后质量(g)。秸秆腐解速率[15](N, g d-1) =(A-B)/T, 式中,A为阶段初始秸秆质量(g);B为阶段结束时秸秆质量(g);T为腐解时间(d)。秸秆养分元素(C、N、P、K)释放率[20](P, %) = (W1m1-W2m2)/(W1m1)×100, 式中,W1和m1分别为原始秸秆重(g)和原始秸秆养分含量(g kg-1);W2和m2分别为不同取样时间秸秆腐解后重量(g)和腐解后秸秆养分含量(g kg-1)。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2003绘制图表, 利用SPSS 22.0软件进行方差分析, 并用LSD法(P＜0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施氮对还田秸秆腐解特征的影响

随玉米生育期的推移, 各处理秸秆腐解率(图2-A)呈逐渐增加, 且表现为前期快后期慢的特点。在腐解前期(2017年10月中旬秸秆填埋前—2018年玉米播后20 d,DAS), 各处理以N2处理促进秸秆腐解效果最好, 但处理间差异均不显著; 腐解中期(50～80 DAS), 各施氮处理平均秸秆累积腐解率均高于对照, 其中N2处理最为显著,较CK提高25.6%, N3和N1处理次之, 分别较CK显著提高19.7%和9.9%; 腐解后期(110～170 DAS), N1、N2和N3处理平均秸秆累积腐解率分别较CK显著增加9.8%、25.6%和19.7%。

各处理秸秆累积腐解速率(图2-B)在腐解前期最快,之后随生育期的推进而逐渐降低。腐解前期以N2处理促腐效果最佳, 秸秆累积腐解速率较CK显著提高6.0%, N1和N3处理与CK差异不显著。腐解中期, 秸秆累积腐解速率明显下降, N1、N2、N3处理平均分别较CK显著提高10.0%、26.3%、18.8%。腐解后期, 各处理秸秆累积腐解速率变缓并降至最低。各施氮量处理以N2处理促腐效果最佳, N3和N1处理次之, 平均分别较CK显著提高27.5%、17.8%和10.8%。

图2 施氮对还田秸秆腐解率(A)和腐解速率(B)的影响(2018年)Fig. 2 Effect of nitrogen application on cumulative decomposition ratio (A) and decomposing rate (B) of returning straw (2018)CK: 不施氮肥; N1: 施氮量150 kg hm-2; N2: 施氮量300 kg hm-2; N3: 施氮量450 kg hm-2。图中误差表示P ＜0.05水平上的最小显著性差异(LSD)。CK: no pure nitrogen application; N1: pure nitrogen application rate at 150 kg hm-2; N2: pure nitrogen application rate at 300 kg hm-2; N3:pure nitrogen application rate at 450 kg hm-2. The error bars represent the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05.

2.2 施氮对还田秸秆养分释放特征的影响

氮肥对还田玉米秸秆中养分元素累积释放率与秸秆累积腐解率均随玉米生育期的推进而增加(图3)。各施氮处理对秸秆养分累积释放率均有促进作用, 且各养分释放率大小为: 钾＞碳＞氮＞磷。秸秆中钾素释放率高于碳、氮素和磷素的释放率, 这是由于秸秆中的钾主要是以水溶态存在, 容易释放; 碳、氮、磷是以难腐解的有机态存在, 释放速率慢。

在玉米秸秆腐解前期, 秸秆中碳素释放较快, 随腐解时间的延长, 碳素释放速度(图3-A)逐渐减缓。在玉米播后20 d, 各处理秸秆碳素累积释放率均占总释放率的50%以上, 且各处理间差异均不显著。在秸秆腐解中后期, 施氮处理碳累积释放率均显著高于对照, 以N2处理最高,N1和N3处理次之; 在腐解中期, N1、N2和N3处理碳累积释放率显著高于CK, 分别提高15.5%、20.8%和10.2%;在腐解后期, N1、N2和N3处理碳累积释放率分别较CK显著提高10.5%、12.0%和6.8%。这说明在腐解中后期, 低氮肥或高施氮量不利于玉米秸秆碳素的释放, 而中施氮量有利于秸秆碳素的释放。随腐解时间的延长, 各处理秸秆氮素释放率(图3-B)表现出前期快、后期慢的规律, 且施氮处理明显高于不施氮处理。在20 DAS, 各处理秸秆氮素释放率最快(28.4%～36.3%); 在50～80 DAS, 各处理秸秆腐解速率下降使氮素释放变缓, 而在80 DAS后各处理秸秆氮素累积释放率均有所上升。在不同腐解阶段,N1、N2、N3处理平均秸秆氮素累积释放率较CK分别显著增加16.3%、23.8%、9.6%。

秸秆腐解过程中磷素的释放(图3-C)与碳、氮素变化趋势相似: 各施氮处理在20 DAS磷素的释放最快, 在50 DAS磷素释放率减缓, 80～170 DAS呈逐渐上升, 而CK处理磷素释放率在20～80 DAS呈逐渐减缓, 110 DAS后又快速增加。在50～170 DAS, 各施氮处理的平均磷素累积释放率较对照显著提高17.4%～35.0%, 以N2处理增加幅度最大, N1和N3处理次之。与碳、氮、磷素释放规律一致,玉米秸秆中钾素释放(图3-D)也呈前期快、后期慢的特点。在玉米播后20～80 d, 秸秆中钾素快速释放, 在110～140 DAS时, 玉米正处于雨季和高温期, 各施氮处理钾素释放率达到最高(89.4%), 以N2处理对促进秸秆钾素释放率效果较好, 各处理间无显著差异。可见, 施氮对秸秆中钾素的释放有促进作用, 但施纯氮量过低(150 kg hm-2)或过高(450 kg hm-2)均不利于秸秆中钾素的释放。

图3 施氮对还田秸秆养分累积释放率的影响(2018年)Fig. 3 Effect of nitrogen application on nutrient cumulative release rate of returning straw in 2018处理同图2。图(A)、(B)、(C)、(D)分别代表碳、氮、磷和钾素的释放率。图中误差表示P ＜0.05 水平上的最小显著性差异(LSD)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. (A), (B), (C), and (D) represent the nutrient cumulative release rate of carbon, nitrogen,phosphorus, and potassium in the figure, respectively. The error bar represents the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05.

2.3 施氮对还田土壤物理性质的影响

2.3.1 土壤容重及总孔隙度 不同施氮量可显著降低还田后0～40 cm层土壤容重和提高土壤总孔隙度(图4), 较试验处理前(2017年10月中旬0～40 cm层平均土壤容重为1.64 g cm-3、总孔隙度为38.1%), 各处理土壤容重降低1.8%～8.5%和总孔隙度提高3.0%～13.9%。0～20 cm层, 土壤容重随施氮量的增加而逐渐降低, 总孔隙度逐渐增加,N1、N2、N3处理土壤容重较CK分别显著降低4.4%、6.3%、8.1%, 土壤总孔隙度分别显著增加6.7%、9.5%、12.4%, 且N2与N3处理间无显著差异; 20～40 cm层, 土壤容重随施氮量增加呈先降低后升高, 以N2和N3处理效果较优, 分别较CK显著降低6.2%、5.6%, 而总孔隙度随施氮量增加呈先升高后降低, 各施氮量处理与对照差异显著, N2、N3处理较CK显著提高9.7%和8.7%, 而N2与N3处理间无显著差异。可见, 施氮能有效降低还田后0～40 cm层土壤容重, 改善土壤孔隙度, 以施中高量氮处理效果较好。

图4 施氮对还田后土壤容重及总孔隙度的影响(2018年)Fig. 4 Effects of nitrogen application on soil bulk density and total porosity of returning straw in 2018处理同图2。图(A)和(B)分别代表土壤容重和总孔隙度。不同小写字母表示同一土层处理间差异显著(P＜ 0.05)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. (A) and (B) represent the soil bulk density and total porosity in the figure, respectively.Different lowercase letters indicate significant difference atP＜ 0.05 among treatments in the same soil layer.

2.3.2 土壤水分和温度 不同氮肥量下0～100 cm层土壤贮水量随玉米生育期的推进呈“W”的变化趋势, 且生育前中期土壤贮水量高于后期(图5)。玉米苗期(20 DAS), 各处理土壤贮水量高低次序为N1、N2、CK、N3, 且低氮和中氮处理显著高于高氮和不施氮处理; 拔节期(50 DAS),各处理土壤贮水量有所下降。与CK相比, N2处理对提高土壤贮水量效果最佳(21.4%), 且不同施氮处理差异显著;大喇叭口期(80 DAS), 各处理土壤贮水量明显上升, N2、N3处理土壤贮水量分别较CK显著增加16.4%、20.8%; 抽雄～灌浆期(110～140 DAS), 玉米生长旺盛, 作物耗水增加,各处理土壤贮水量降至最低, 其中N2处理土壤贮水量最高, 较CK显著增加20.6%, N1和N3处理与CK差异不显著;玉米收获期(170 DAS), 各处理土壤贮水量有所提高, N1、N3处理分别较CK显著提高13.6%、14.4%, 而N2与CK处理间无显著差异。各处理下0～25 cm层土壤温度与土壤贮水量的变化趋势基本一致, 均随玉米生育期的推进呈先增加后降低再增加(图5)。不同氮肥量对玉米生育期土壤温度影响显著, 以N2处理效果最佳。玉米苗期, 不同施氮量处理可促进秸秆腐解放热, 显著提高土壤温度, 以N2处理保温效果最好, 较CK显著增温3.2℃; 玉米拔节期,随着气温回升土壤温度逐渐上升, CK处理均高于其他处理, 而在大喇叭口期各处理土壤温度达到最高, N1、N2处理土壤温度较CK略有降低, 而N3处理显著降低2.1℃; 在抽雄-灌浆期, 各处理土壤温度急剧降低, N2处理的土壤温度最低, 较CK显著降低1.7℃; 收获期, 各处理间无显著差异。

图5 施氮对还田后玉米生育期土壤水分和温度的影响(2018年)Fig. 5 Effects of nitrogen application on soil water and temperature of returning straw during maize growth period in 2018处理同图2。图中误差表示P ＜0.05水平上的最小显著性差异(LSD)。不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著(P＜ 0.05)。Abbreviations are the same as those given in Fig. 2. The error bars represent the least significant differences (LSD) atP＜ 0.05. Different lowercase letters indicate significant difference atP＜ 0.05 among the treatments at the same growth stage.

2.4 施氮对还田土壤化学性质的影响

由表1可知, 与试验处理前(2017年10月中旬)相比,2018年玉米收获期各处理0～40 cm各层土壤有机碳和全氮含量均明显增加, 增幅分别为13.6%～60.7%、23.1%～74.4%, 而土壤碳氮比降低2.9%～8.4%。在0～20 cm层, 随施氮量的增加各处理土壤有机碳氮含量均增加, 以N2、N3处理效果最为显著, 土壤有机碳分别较CK显著提高44.9%和47.6%, 全氮含量分别显著提高33.3%和40.7%,碳氮比分别显著提高8.6%、5.0%。20～40 cm层, N1、N2、N3处理土壤有机碳含量分别较CK显著提高12.1%、36.6%、35.3%, 土壤全氮含量N2、N3处理分别较CK显著提高33.3%、42.9%。0～40 cm各层土壤碳氮比均随施氮量呈先增后减, 其中以N2处理对0～40 cm层土壤碳氮比调控效果最佳(碳氮比为12∶1), 较CK显著提高7.1%。

施氮对玉米收获期0～40 cm各层土壤速效养分含量均有显著提高(表1)。0～20 cm层, 各施氮处理土壤碱解氮和速效钾含量均以N2处理最高, 较CK分别显著提高60.4%、20.2%, N1和N3处理次之; 土壤有效磷含量N2、N3处理较CK分别显著提高16.2%和18.2%。20～40 cm层, 各处理下土壤碱解氮含量以N2和N3处理提高效果最为显著, 较CK分别显著提高73.6%、69.9%。在所有处理中, N2处理可显著提高20～40 cm层土壤有效磷和速效钾含量, 分别较CK显著提高18.0%和22.0%。可见, 施氮能有效提高还田后土壤有机碳、全氮及速效养分含量, 调节土壤碳氮比, 以中量施氮处理效果最佳, 低量和高量施氮处理次之。

表1 秸秆还田配施氮肥对土壤养分含量的影响Table 1 Effects of straw returning with nitrogen application on soil nutrients content

2.5 施氮对玉米籽粒产量及其构成因素的影响

由表2可知, 不同氮肥量对玉米产量构成影响显著。随施氮量的增加, 玉米穗数和百粒重均呈先增后减趋势,N1、N2、N3处理穗数较CK分别显著提高13.0%、39.1%、17.4%; N1和N2处理玉米籽粒百粒重分别显著增加11.7%、24.8%, 而N3处理较CK处理有所降低, 但差异不显著; 穗粒数以N3处理表现最为显著, 较CK增加11.4%,N1、N2处理次之, 分别较CK显著增加9.3%和8.3%, 且各施氮处理间无显著差异。随施氮量的增加玉米籽粒产量逐渐增加, 但达到一定施氮量后产量不再增加, 出现降低趋势。N1、N2和N3处理分别较CK显著增产36.6%、63.7%和23.2%, 且各处理间差异显著。因此, 施中量氮肥(300 kg hm-2)可促进玉米穗数、穗粒数和百粒重的增加, 增产效果最佳。

表2 施氮对还田后玉米产量及其构成因素的影响(2018年)Table 2 Effects of nitrogen fertilizer on yield components and maize yield after straw returning in 2018

3 讨论

3.1 施氮对还田秸秆腐解特征的影响

还田后秸秆的腐解与土壤温度、水分及还田深度等密切相关, 秸秆还田前施用氮肥在改善土壤水肥状况[13]、增加碳投入量的同时, 可将土壤中碳氮比调节至适合土壤微生物繁殖的范围内, 能有效加速秸秆分解和腐熟[15]。胡宏祥等[16]研究发现, 玉米秸秆腐解速率随还田时间的增加而降低, 在还田后前15 d最快, 15 d后趋于平缓。黄婷苗等[3]研究认为, 在越冬前还田后秸秆腐解较快, 冬季变慢, 进入分蘖期后腐解速度加快。本研究结果也表明, 各处理秸秆腐解率和腐解速率均表现为腐解前期(秸秆填埋前～20 DAS)快于50～170 DAS (腐解中后期), 究其原因:玉米秸秆中大量的易于分解的物质在腐解前期被微生物利用, 腐解中后期随着易分解性有机物的逐渐减少, 剩余部分为较难分解的有机物, 且腐解后期土壤温度下降, 微生物活性降低, 不利于秸秆分解[17]。宫秀杰等[18]研究认为,施氮处理在玉米整个生育期秸秆腐解率均高于不施氮处理, 150 d后秸秆腐解率差异显著。本研究中, 秸秆腐解率和腐解速率均以中量施氮(施氮300 kg hm-2)处理最高, 并未表现出施氮量越高(施氮450 kg hm-2)秸秆腐解速率越高的趋势, 这是因为适量施氮能够调节还田秸秆的碳氮比[10],改善土壤的水温状况, 促进腐解微生物的生长, 当氮素施入过量时会抑制微生物的活性, 减弱其腐解能力[14]。

3.2 施氮对还田秸秆养分释放规律的影响

秸秆还田与氮肥配施在微生物作用下可促进秸秆腐解矿化, 使养分得以释放[19]。陈建英等[14]研究表明, 施氮可显著促进还田前期玉米秸秆中碳、氮的释放, 但对秸秆中磷、钾的释放无明显影响。王麒等[20]研究也表明, 施入氮肥对寒地粳稻秸秆中碳、磷、钾素释放的影响不显著。而黄婷苗等[3]研究认为, 施氮对秸秆中碳、磷、钾素含量在某个时期影响差异显著。本研究通过秸秆腐解填埋试验发现, 在腐解前期, 秸秆内碳、氮、磷及钾养分快速释放于土壤中, 而在中后期, 秸秆养分释放量减小。各处理下秸秆碳氮磷钾的释放率均表现为钾高于碳、氮、磷, 这与已有研究结果一致[7,14,16]。本研究还发现, 施氮量300 kg hm-2处理下各养分释放率均高于其他处理, 与对照差异显著, 这是因为秸秆还田配施一定量氮肥, 可显著增加土壤碳氮含量, 进而使土壤酶活性提高[21], 加速秸秆分解与养分释放[19]。另外, 适量施氮可弥补秸秆降解过程中因土壤氮素不足或过剩而造成土壤微生物对土壤氮素或碳素的固持[22], 进而利于促进玉米秸秆的腐解和养分元素的释放[16]。

张经廷等[22]研究发现, 秸秆中养分释放速率表现为钾＞磷＞氮, 钾在秸秆还田后的几天内释放率可达到90%以上, 而氮、磷的释放均表现“前快后慢”。闫超[23]研究也报道, 还田秸秆中养分释放率依次是钾＞磷＞碳＞氮。本研究表明, 各施氮处理下还田后秸秆中养分元素释放率大小次序为钾＞碳＞氮＞磷, 这是由于施氮有利于还田后土壤的保水调温[24], 可提高微生物活动及酶活性有益于秸秆中钾素释放、而抑制氮、磷元素的释放[25]。本研究还发现, 秸秆中碳、氮、磷、钾养分的累积释放速率均随施氮量的增加先增加后减小, 这与陈建英等[14]和张珊等[26]部分研究结果一致。分析其原因, 适量施入氮肥通过改善土壤理化性质, 进一步平衡农田土壤碳氮比, 从而影响到秸秆腐解; 同时施氮对秸秆腐解过程中养分的释放有一定的激发效应, 可促进秸秆中养分的释放[27]。然而, 秸秆腐解及养分释放常受其自身特性、翻埋深度、土壤环境、质地及农田管理技术等因素的影响, 规律较为复杂, 且秸秆腐解及养分释放与土壤环境和农田管理的协同机制尚不明确, 仍需进一步定位深入研究。

3.3 施氮对秸秆还田土壤肥力特征的影响

白伟等[28]研究发现, 施氮可显著降低还田后土壤容重, 改善土壤孔隙状况。房焕等[29]研究表明, 稻麦轮作区在全量秸秆还田条件下施氮磷钾肥能够降低土壤容重,增大总孔隙度, 改善水稻土的物理结构。本研究结果表明,不同量氮肥均可有效降低还田后0～40 cm层土壤容重, 增加总孔隙度, 且效果随施氮量增加更明显。这是因为在外源氮作用下土壤碳氮比降低, 促进秸秆腐解[30], 在微生物和酶的共同作用下向土壤提供大量有机物质, 分解物与土壤颗粒结合形成稳定的团粒结构, 从而使土壤容重降低, 土壤孔隙度变大[12]。高金虎等[31]研究发现, 施氮肥对秸秆还田前期不利于保水, 中后期保水效果较好。本研究结果表明, 施氮肥能在秸秆腐解中后期增强土壤蓄水保墒能力, 以施氮300 kg hm-2处理效果最显著, 分析其原因: 秸秆腐解过程中能将秸秆中纤维素彻底分解为CO2和H2O, 可有效补充土壤水分[32]。秸秆还田配施不同比例化肥有保水调温作用[33], 能降低土壤碳氮比, 促进微生物的活动和生长繁殖, 增强土壤酶的活性, 改善土壤微环境[24]。本研究结果表明, 施氮肥处理对生育前期0～25 cm层土壤温度有保温效果, 而在中后期均低于不施氮肥处理, 分析原因: 土壤温度主要受秸秆还田的影响[24], 而大量秸秆腐解主要集中还田初期[23], 且秸秆配施氮肥可在生育前期促进秸秆快速腐解[15], 腐解过程会放出大量热量使地温增加[34]。

吴立鹏等[35]研究认为, 施氮肥有效提高滨海盐碱地还田稻田土壤有机碳氮含量, 调控土壤碳氮比[19]。王学敏等[36]研究表明, 氮肥减施在当年能显著提高还田后土壤有机碳和全氮含量。王吕等[37]研究发现, 紫云英稻秆协同还田提高了耕层土壤有机碳和速效磷。在本研究中, 施氮可增加还田后0～40 cm土壤有机碳和全氮含量, 且以施中高量氮肥处理提升效果最佳, 分析其原因: 一方面, 秸秆还田可补充土壤有机碳, 提高土壤碳氮比, 增强对氮的固持能力, 同时配施适量氮肥具有较强的持水能力, 防止土壤氮素挥发[10]。另一方面, 适量施氮可显著影响土壤酶活性, 有利于微生物生长, 从而加快秸秆腐解有关[19]。侯贤清等[13]研究表明, 施氮肥可提高还田后土壤速效养分含量。张娟琴等[38]研究发现, 秸秆还田条件下土壤速效养分含量随氮肥施用量的增加呈显著上升。在本研究中, 施氮肥处理下0～40 cm层土壤速效养分以施中量氮肥效果最佳, 分析其原因: 土壤碳氮比过高或偏低均会抑制土壤微生物的繁殖及土壤酶活性, 进而抑制秸秆腐解及养分释放[39], 300 kg hm-2氮肥施用量处理下适宜的土壤水温环境可在微生物活动及酶的作用加快秸秆腐解和养分释放,进而提高土壤速效养分含量[40]。

3.4 施氮对玉米产量及其构成因素的影响

白伟等[28]研究发现, 秸秆还田配施氮肥处理玉米的增产效果主要表现在百粒重和行粒数的显著增加。庞党伟等[11]研究认为, 秸秆还田条件下施氮主要通过改善土壤理化性质, 增加单位面积的穗数和穗粒数使小麦产量增加。陈金等[41]研究报道, 秸秆还田配施纯氮225 kg hm-2的小麦籽粒产量最高, 增产幅度最大。本研究结果表明,连续秸秆还田条件下施氮措施主要通过影响玉米产量构成来显著提高玉米籽粒产量, 分析其原因: 秸秆还田的同时施氮肥可改善土壤微环境, 土壤肥力的提高对玉米产量构成有一定促进作用, 从而提高玉米籽粒产量[13]。在本研究中, 秸秆还田配施中量氮肥(300 kg hm-2)可显著提高玉米产量, 但施氮量达到一定量后, 再增加施氮量, 玉米产量会降低, 究其原因: 一方面, 适量氮肥可改善土壤微环境, 调节土壤碳氮比, 从而加速秸秆腐解及养分释放, 为玉米生长提供充足的养分供应, 最终使玉米产量增加[10]。另一方面, 低氮量会导致土壤供氮不足, 造成作物群体较小, 有效穗数和穗粒数降低, 进而影响作物产量构成[42], 而氮肥过量会导致作物贪青晚熟和籽粒充实度降低, 造成减产[43]。可见, 施氮能显著提高还田后秸秆累积腐解率和腐解速率, 且随施氮量的增加呈先增加后降低, 以施氮300 kg hm-2处理效果最佳; 施氮处理能促进秸秆养分的释放,其养分累积释放率表现为钾＞碳＞氮＞磷, 以施氮300 kg hm-2处理最高。施氮可降低0～40 cm层土壤容重, 改善土壤孔隙状况, 增强土壤的保水调温能力, 其中以施氮300 kg hm-2处理效果最佳; 施氮能增加还田后0～40 cm层土壤有机碳氮含量, 调节土壤碳氮比, 显著提高土壤速效养分含量, 均以施氮300 kg hm-2处理效果较好。施氮可通过影响玉米产量构成, 从而提高籽粒产量, 且随施氮量的增加呈先增加后降低, 以施氮300 kg hm-2处理增产效果最为显著。综上, 施氮300 kg hm-2可显著改善土壤肥力,进而影响秸秆的腐解和养分元素的释放, 对玉米产量的形成有促进作用, 是本试验条件下对土壤培肥和作物增产效果更显著的一种有效措施。然而, 秸秆还田配施氮肥试验受大田环境影响较大, 其适宜施氮量一方面与研究区土壤类型、气候特征、土壤环境、秸秆腐解及养分释放特征、土壤微生物活动及作物根系生长发育等有关; 另一方面, 本试验为秸秆还田的第3年数据结果, 长期秸秆还田的土壤培肥及作物增产效应尚未完全体现, 还有待多年的定位试验结果进行验证。