秸秆还田配施氮肥对土壤性质及玉米水氮利用效率的影响

李 荣 勉有明 侯贤清,* 李培富 王西娜

秸秆还田配施氮肥对土壤性质及玉米水氮利用效率的影响

李 荣1勉有明2侯贤清1,*李培富1王西娜1

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

为探讨宁夏扬黄灌区秸秆还田配施不同氮肥用量对土壤理化性质、玉米产量及水氮利用效率的影响, 在玉米秸秆全量还田条件下, 通过3年大田试验设置3种纯氮施用水平[150 kg hm–2(N1)、300 kg hm–2(N2)、450 kg hm–2(N3)], 以不施氮肥为对照(CK), 研究了秸秆还田配施氮肥对灰钙土土壤容重、水分、养分和玉米产量及水氮利用效率的影响。结果表明, 秸秆还田配施氮肥可改善耕层(0～40 cm)土壤容重和孔隙状况, 以N2和N3处理效果较优, 平均土壤容重分别较CK显著降低5.1%和7.3%, 土壤总孔隙度分别显著提高7.0%和10.0%。施氮可提高耕层土壤有机碳和全氮含量, 土壤碳氮比随施氮量的增加而降低, 以N2和N3处理效果较好。N2处理对提高耕层土壤速效养分含量最佳, 其土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量分别较CK显著提高18.8%、19.0%、17.2%。秸秆还田条件下施氮肥能改善玉米产量性状和显著提高籽粒产量、生物产量和收获指数, 以N2处理效果最佳, 平均较CK显著增产38.0%。对3年玉米籽粒产量与施纯氮量关系进行拟合发现, 施氮量为285.2 kg hm–2时, 可使实现玉米籽粒产量最高。与CK相比, N2处理对提高玉米水分利用效率最优(38.1%); N1和N2处理的氮肥农学效率(12.2～12.4 kg kg–1)和氮肥利用率较高(34.5%～39.2%)。因此, 从氮肥用量减施、玉米丰产和水氮高效利用角度考虑, 施纯氮量250～300 kg hm–2可改善宁夏扬黄灌区灰钙土理化性质, 增强土壤蓄水能力, 对提高玉米产量和水氮利用效率效果较好, 建议在秸秆还田过程中配合应用。

施氮量; 秸秆还田; 土壤理化性质; 水氮利用效率; 玉米产量

自化肥应用于农业生产以来, 为农作物产量的提高起到巨大的推动作用, 其中氮肥的作用最为显著[1-2]。但长期施用氮肥, 随之也带来一系列问题, 如氮肥利用率降低、持续增产效果不明显、以及过量氮肥施用而造成环境污染等[3]。作物秸秆既含有作物生长所必需的碳、氮、磷、钾等营养元素, 又可有效改善土壤理化性质和生物学性状[4], 而作物秸秆直接还田势必会导致土壤碳氮比上升[5], 不利于作物的生长。因此, 秸秆还田配施适量氮肥可作为提高土壤肥力和实现农业可持续发展的一种重要措施已被广泛认可[6]。

关于秸秆还田配施氮肥对土壤理化性质方面的研究已有诸多报道。吴鹏年等[7]认为, 秸秆还田配施氮肥能增加土壤孔隙度, 增强土壤保蓄水分的能力。朱兴娟等[8]指出, 秸秆还田后施氮肥可显著提高土壤肥力, 为作物养分吸收提供肥力基础, 但氮肥用量不宜过高。张亮等[9]研究表明, 在秸秆还田条件下施氮肥的作物水分利用效率明显高于不施氮肥处理, 以施氮肥量225 kg hm–2的水分利用效率最高。李春喜等[10]认为, 有机物料还田和减施氮肥可提高氮素利用效率和小麦产量。然而, 在实际生产过程中, 秸秆还田配施氮肥对土壤性质及作物水氮利用效率的影响效果因区域土壤质地类型、耕作措施和当地气候等因素的不同而存在差异, 且作物生长与施氮量关系密切[11]。

在不同土壤类型、气候及秸秆还田方式条件下, 施氮对土壤理化性质及作物产量和水肥利用效率的影响并不相同[12]。宁夏扬黄灌区光热资源丰富, 玉米单产水平高, 发展潜力大, 是宁夏重要的粮食产区。但该区存在降水较少、灰钙土耕层土壤结构不良和养分匮乏、水肥利用效率低等问题, 秸秆还田措施已成为该区一种有效的土壤培肥措施, 但秸秆在腐解过程中需要消耗一定量的氮, 出现微生物与作物争氮的现象[7]。为防止秸秆还田前期与作物争氮, 在当地推荐施肥量的基础上增施一定量的氮肥做基肥[13-14], 但过量施氮会对土壤环境造成一定的污染。因此, 研究秸秆还田配施不同氮肥用量对改善宁夏扬黄灌区灰钙土肥力、提高玉米水肥利用效率具有重要意义[15]。本研究在宁夏扬黄灌区, 连续开展3年秸秆全量还田配施氮肥不同用量试验, 研究其对土壤理化性质、玉米产量及水氮利用效率的影响, 以期为该区秸秆还田条件下合理施用氮肥, 实施灰钙土快速培肥和玉米水肥高效利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2016—2018年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。该区位于宁夏中部扬黄灌区, 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150～300 mm, 年际变率大, 水分蒸发强烈, 无霜期120～218 d, 年均气温8.6℃, ≥10℃的积温约3000℃。试验地土壤类型为灰钙土, 质地为沙壤土, 本试验初始时耕层土壤(0～40 cm)有机碳含量为4.8 g kg–1, 碱解氮为38.3 mg kg–1, 有效磷为16.1 mg kg–1, 速效钾为198.0 mg kg–1, pH 8.4, 土壤容重为1.5 g cm–3。玉米生育期降水量如表1。2016、2017和2018年玉米生育期(4月至9月)降水量分别为146.4、297.2和274.4 mm。

表1 玉米不同生育阶段降水、灌水和追肥情况

R: rainfall; TD: top-dressing.

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计, 在玉米秸秆全量还田(9000 kg hm–2)条件下, 设3种纯氮施用水平: 150 kg hm–2(N1)、300 kg hm–2(N2)、450 kg hm–2(N3), 以不施纯氮处理为对照(CK), 4个处理, 3次重复, 共12个小区。小区面积为60 m2(15 m×4 m)。纯氮配施水平设置依据: 结合宁夏中部干旱区当地春玉米最佳纯氮施用水平多在225 kg hm–2左右, 且秸秆直接还田时通常需施一定量无机氮肥, 以补充因秸秆分解和微生物活动争氮而造成土壤速效氮的不足, 因此设计纯氮中间施用量为300 kg hm–2, 为探讨秸秆还田条件下不同施氮用量对灰钙土理化性质及其玉米产量和水氮利用效率的影响, 设置纯氮中间量减半倍处理(150 kg hm–2)和中间量加半倍处理(450 kg hm–2)。

具体操作方式为: 将前一年收获后的玉米秸秆(有机养分含量中全碳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)切碎成3～5 cm小段, 2016年4月中旬试验处理前将基肥纯牛粪(有机养分含量中有机碳769.2 g kg–1、全氮23.0 g kg–1、全磷16.3 g kg–1、全钾22.4 g kg–1) 1.0 t hm–2、磷酸二铵(总养分(N+P2O5)质量分数≥64.0%, 总氮(N)质量分数≥18.0%, 有效磷(P2O5)质量分数≥46.0%) 150 kg hm–2撒在地表, 与秸秆一起人工翻入土壤; 2016年和2017年玉米收获后, 将基肥磷酸二铵150 kg hm–2撒在地表, 与秸秆一起人工翻入土壤。各处理均按秸秆全量(9000 kg hm–2)进行翻压还田(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。

春玉米供试品种为先玉335, 分别于2016年5月8日、2017年4月20日和2018年4月25日进行播种, 玉米播深5～10 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, 分别于2016年9月30日、2017年10月6日和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, 玉米各生育期降水量、灌水量和追施氮肥量(尿素N质量分数≥46%)如表1所示, 2016年玉米生育期灌溉方式为畦灌, 在各生育阶段每隔20 d以相应灌水量分3次灌入; 2017年和2018年灌溉方式为滴灌, 在各生育阶段每隔20 d以相应灌水量分3次灌入; 氮肥量(纯氮)分别在拔节至吐丝期以水肥一体化进行施入。试验期间人工除草。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤物理性质 土壤容重: 在2016年4月中旬秸秆还田处理前及2016、2017和2018年玉米收获后, 利用环刀采集0～20 cm、20～40 cm层原状土测定0～40 cm耕层土壤容重, 取其平均值, 并计算耕层土壤总孔隙度。土壤水分: 在玉米播种期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和收获期, 分别采用土钻取土干燥法测定0～100 cm层土壤质量含水率(%), 每20 cm层取1个样, 并结合阶段降水量和灌水量, 计算作物耗水量(mm)。

1.3.2 土壤化学性质 2016年4月中旬试验处理前及2016、2017和2018年玉米收获期后, 每个处理选取3点, 每20 cm层采1个样, 测定0～40 cm耕层平均土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。分别采用重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法、碱解扩散法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。

1.3.3 植株干重和氮含量 在玉米收获期, 每处理选取3个点, 每点选取长势均匀一致的3个植株。分根、茎叶和籽粒3部分, 105℃杀青30 min, 然后80℃烘至恒重, 测定植株地上部生物量(茎叶、籽粒), 结合种植密度计算玉米生物产量。植株根、茎叶、籽粒各器官烘干样品粉碎后过筛, 采用凯氏定氮法分别测定其氮含量。

1.3.4 玉米产量 在玉米收获期, 每个小区选取10株有代表性的玉米果穗进行考种, 测定其穗粒数、百粒重; 每个处理选取3点, 每点收获3 m双行果穗, 脱粒、干燥和称量。籽粒产量以14%含水率计算。

1.3.5 相关指标的计算方法

土壤总孔隙度为= (1–/2.65)×100, 式中,为土壤总孔隙度(%);为土壤容重(g cm–3); 2.65为土壤比重近似值(g cm–3)。

土壤贮水量为= 10×××, 式中,为土壤贮水量(mm)、为土层深度(cm)、为土壤容重(g cm–3)、为是土壤质量含水率(%)。

作物水分利用效率为WUE=Y/ET, 式中, WUE为水分利用效率(kg hm–2mm–1)、Y为玉米籽粒产量(kg hm–2); ET为玉米全生育期内总耗水量(mm)。

采用水量平衡法计算作物全生育期内总耗水量,公式为P＋I＝ET＋D－ΔW＋R, 式中, P为玉米生育期降水量(mm)、I为生育期灌水量(mm)、ET为玉米全生育期内总耗水量(mm)、D为地下水的补给量和渗漏量(mm)、ΔW为玉米播种期和收获期土壤贮水量之差(mm)、R为地表径流量(mm)。由于本试验地地下水埋深较深(大于15 m), 地下水补给量和渗漏量(D)设为0 mm, 并且由于处理间有50 cm的田埂拦截, 故不考虑地表径流(R), 作物耗水量的计算公式可简写为ET=P＋I＋ΔW。

收获指数(%)=籽粒产量/生物产量×100; 氮肥农学效率(kg kg–1)=(施氮处理产量–不施氮处理产量)/施氮量; 氮肥利用率(%)=(施肥处理区作物吸氮总量–不施氮处理作物吸氮总量)/所施肥料中氮素总量×100。

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法进行多重比较(<0.05)。采用多元回归分析方法对玉米籽粒产量与施氮量之间的关系进行拟合。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对耕层土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤容重及孔隙度 秸秆还田配施氮肥对玉米收获期耕层(0～40 cm)土壤容重有显著影响(图1-A)。试验处理前(2016年4月中旬), 土壤质地比较黏重(0～40 cm土层平均土壤容重为1.56 g cm–3), 不同年份玉米收获期各处理耕层平均土壤容重均随秸秆还田年限和施氮量的增加而降低, 各处理土壤容重均由大到小依次为CK、N1、N2、N3。2016年, N2和N3处理的土壤容重较CK分别显著降低2.7%和7.2%, 而N1处理与CK无显著差异; 2017和2018年, N1、N2、N3处理平均土壤容重较CK分别显著降低4.0%、6.4%和7.4%, 而N2、N3处理间无显著差异。可见, 在连续3年秸秆还田条件下各施氮处理0～40 cm层土壤容重较不施氮肥处理(CK)均大幅度降低, 其中以中量(N2)和高量(N3)氮肥处理降幅最为显著。

秸秆还田条件下施氮肥各处理耕层(0～40 cm)土壤总孔隙度与土壤容重变化趋势相反, 均随秸秆还田年限和施氮量的增加而增加, 且中量与高量氮肥处理显著高于不施氮肥处理(图1-B)。各处理耕层土壤总孔隙度在41.6%～47.5%之间, 施氮肥各处理较试验处理前(41.1%)提高6.9%～13.0%。2016年, N2和N3处理土壤总孔隙度较CK分别显著提高3.8%和10.2%, 而N1处理与CK无显著差异; 2017和2018年, N1、N2、N3处理平均土壤总孔隙度分别较CK显著提高5.4%、8.6%和9.9%, 而N2、N3处理间无显著差异。这说明施中高量氮肥可显著改善秸秆还田后耕层土壤孔隙度, 增加土壤透气性和贮水能力。

图1 秸秆还田配施氮肥对0～40 cm层土壤容重和总孔隙度的影响

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。不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(< 0.05)。

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. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.1.2 玉米生育期土壤水分 由图2可知, 由于不同生育期降水量、灌水量及玉米耗水强度的不同, 2016、2017年各处理0～100 cm层土壤贮水量呈先降低后升高, 而2018年则呈升高—降低—升高的变化趋势。玉米生育前期(拔节期)植株较小, 地面裸露面积大, 氮肥施用量与对照均存在一定差异。2016年, 各处理由于4月中旬施入秸秆后耕层土壤比较疏松, 土壤水分散失快, 施氮肥各处理土壤贮水量均高于对照, 但差异不显著。2017年, 各处理土壤贮水量均随施氮肥的增加而增加, 且N1、N2和N3处理土壤贮水量分别较CK显著提高7.5%、10.9%和12.0%; 2018年, N1、N2处理分别较CK显著提高7.2%、10.7%, 而N3处理与CK差异不显著。

在生育中期(大喇叭口期—抽雄期), 作物耗水量增加, 各处理土壤贮水量降至最低。2016年, 随氮肥施用量的增加, 各处理土壤贮水量升高, 其保墒效果逐渐增强。N2、N3处理玉米大喇叭口期土壤贮水量分别较CK显著提高6.1%、8.5%, 抽雄期土壤贮水量分别显著提高10.9%、9.0%, 而N1处理土壤贮水量均与对照差异不显著。2017年大喇叭口期至抽雄期, 施用氮肥各处理土壤贮水量均显著高于对照, N1、N2和N3处理平均分别较CK显著提高13.2%、11.7%和6.9%。2018年, 施氮各处理土壤贮水量同2016、2017年变化基本一致, 在大喇叭口期土壤贮水量均随施氮量的增加而升高(2016年), 而在抽雄期土壤贮水量随施氮量的增加呈先升高后降低(2017年)。N1、N2和N3处理平均土壤贮水量分别较CK显著提高8.1%、18.2%和16.1%。

玉米生育后期(灌浆期—收获期)处于雨季, 各处理土壤贮水量有所提高。2016年灌浆期N2和N3处理土壤贮水量分别较CK显著提高14.4%和11.4%,收获期分别提高9.1%和7.2%, 而N1处理与CK差异不显著。2017年, N1和N2处理土壤贮水量较高, 平均分别较CK显著提高8.0%、5.4%, 而N3处理与CK差异不显著。2018年, N1、N2和N3处理平均土壤贮水量分别较CK显著提高11.5%、12.5%和10.5%。综合3年研究结果发现, 在秸秆还田条件下不同氮肥用量, 与不施氮肥处理相比, 可有效保蓄玉米整个生育期土壤贮水量, 其中以N2处理效果最为显著, N3处理次之, 平均分别较CK显著提高10.9%和8.6%。

2.2 秸秆还田配施氮肥对耕层土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤有机碳、氮含量 秸秆还田配施氮肥可增加耕层(0～40 cm)有机碳和全氮含量, 玉米收获期各处理土壤有机碳和全氮含量均随秸秆还田年限和施氮量的增加而增加(图3)。2016年N1、N2和N3处理土壤有机碳含量分别较CK显著增加6.1%、12.9%和7.4%。2017和2018年土壤有机碳含量随施氮量的增加而增加, N1、N2和N3处理2年平均土壤有机碳含量分别较CK显著增加12.3%、22.8%和25.7%, 而N2与N3处理间无显著差异。3年研究期间, 秸秆还田条件下耕层土壤全氮含量均随施氮量的增加而增加, 以N3处理最高, 施氮各处理均显著高于CK处理, 但N2与N3处理间差异不显著。N1、N2和N3处理平均土壤全氮含量分别较CK显著提高21.2%、34.1%和39.0%。秸秆还田配施氮肥可调节耕层土壤碳氮比, 各处理土壤碳氮比在8.27～10.34之间(图3)。3年土壤碳氮比均随施氮量的增加而降低, 各施氮量处理均显著低于对照。N1、N2和N3处理2016年较CK分别降低10.6%、14.3%和20.0%, 2017年分别降低10.4%、13.1%和16.3%, 2017年分别降低6.1%、5.4%和5.9%。

图2 秸秆还田配施氮肥对玉米生育期土壤贮水量的影响

处理同图1。不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among the treatments in the same growing stage.

图3 秸秆还田配施氮肥对0～40 cm层土壤有机碳、氮含量的影响

处理同图1。不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.2.2 土壤速效养分含量 如图4所示, 不同秸秆还田年限下玉米收获期各处理0～40 cm层土壤速效养分含量2018年均高于2016年和2017年。施氮肥可显著增加0～40 cm层土壤碱解氮含量, 2016和2018年均以N2处理最高, 而2017年以N3处理最高, N1、N2和N3处理3年平均分别较CK显著增加11.8%、18.8%和17.0%。2016年各处理土壤有效磷含量以N1处理最高, 其次为N2和N3处理, 分别较CK显著增加24.8%、20.6%和12.1%; 2017年和2018年各处理土壤有效磷含量均随施氮量的增加而增加, 以N3处理增幅最大, N2处理次之, 2年平均分别较CK显著提高18.2%和22.7%, 但N1处理与CK差异不显著。2016年施氮肥各处理对土壤速效钾含量提升均有显著效果, N1、N2和N3处理分别较CK显著提高17.1%、26.2%和17.1%。2017年N1处理分别较CK显著提高16.4%, 而N2、N3处理与CK差异不显著。2018年N1、N2处理分别较CK显著提高16.2%和23.6%, 而N3处理与CK差异不显著。可见, 秸秆还田配施氮肥能有效增加土壤有机碳、氮和速效养分含量, 调控土壤碳氮比, 对提高土壤保肥供肥能力效果显著, 以N2和N3处理土壤培肥效果较佳。

图4 秸秆还田配施氮肥对0～40 cm层土壤速效养分含量的影响

处理同图1。不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

2.3 秸秆还田配施氮肥对玉米产量与水氮利用效率的影响

2.3.1 玉米产量性状 如表2所示, 秸秆还田条件下施氮肥对玉米产量性状产生一定的影响。2016年, N2、N3较CK处理的穗粒数分别显著提高13.4%和8.4%, 而N1较CK处理对增加穗粒数效果不显著;与CK相比, 百粒重以N1、N2处理较高, 分别显著提高2.5%、2.8%。2017年, 各处理对促进穗粒数增加以N2处理最为显著, 较CK显著增加45.8%, N1和N3处理次之, 较CK分别显著增加28.2%、27.3%; 氮肥不同施用量对提高百粒重效果以N2处理最为显著, 较CK提高5.0%。2018年, 与CK相比, N1、N2和N3处理的穗粒数分别显著增加9.4%、8.4%和11.4%; 百粒重以N2处理最优, 较CK显著提高24.8%。

连续3年秸秆还田条件下玉米籽粒产量、生物产量和收获指数均随氮肥施用量的增加呈先增加后降低的变化趋势(表2)。2016年, 与CK相比, N2、N3处理玉米籽粒产量分别显著提高32.1%和23.7%, 生物产量分别显著提高13.4%和12.9%, 收获指数别显著提高16.5%和9.8%, 而N1与CK处理间均无显著差异。2017年, 玉米籽粒产量以N2处理最高, 较CK显著增产21.5%, N1和N3处理次之, 较CK处理分别显著增产17.5%和10.2%; 生物产量以N1处理最高, 较CK显著提高17.0%, N2处理次之, 较CK处理显著提高10.1%, 而N3与CK处理间无显著差异; 收获指数N2处理分别较CK显著提高10.2%, 而N1和N3处理与CK无显著差异。2018年, 各处理间玉米籽粒产量差异显著, N1、N2和N3处理分别较CK显著增产36.6%、63.7%和23.2%; 生物产量N2处理较CK显著提高39.5%, N1和N3处理次之, 较CK分别显著提高26.3%和9.2%; 收获指数N1、N2和N3处理分别较CK显著提高15.9%、17.4%和13.0%。

表2 秸秆还田配施氮肥对玉米产量性状的影响

处理同图1。同一年份同列不同小写字母表示差异显著< 0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year and the same column indicate significant differences at＜0.05.

2.3.2 秸秆还田条件下玉米籽粒产量与施氮量的关系探讨 通过对3年玉米籽粒产量与氮肥施用量进行曲线拟合发现, 氮肥不同施用量对玉米籽粒产量的影响均呈二次函数, 且施适量氮肥有助于还田后玉米增产, 但是, 当氮肥施用量超过一定量后反而会造成玉米籽粒产量下降(图5)。3年氮肥施用量()与玉米籽粒产量()的回归方程为:= –0.0492+ 27.946+11,418 (2=0.6521), 当’=0 (函数求导)时,=285.2 kg hm–2可获得最高玉米籽粒产量15,402.6 kg hm–2。可见, 当氮肥施用量为285.2 kg hm–2可使玉米籽粒产量达到最高, 如继续加大氮肥配施量会抑制玉米籽粒产量的增加。结合3年秸秆还田配施氮肥实际用量可知, 建议氮肥施用量为250～300 kg hm–2时可实现玉米增产效果最优。

图5 秸秆还田条件下氮肥施用量与玉米籽粒产量的拟合曲线

2.3.3 玉米水氮利用效率 2016年灌水量(畦灌方式, 4500 m3hm–2)略高于2017年和2018年(滴灌方式, 4275 m3hm–2和4200 m3hm–2), 然而2017年和2018年玉米生育期降水量(297.2 mm、274.4 mm)是2016年(146.4 mm) 2倍左右, 2017年和2018年作物耗水量明显高于2016年, 而3年玉米籽粒产量各处理年际间差异不明显, 因而2016年玉米水分利用效率明显高于2017年和2018年 (表3)。2016年施氮肥各处理下作物耗水量较对照增加, 其中N2和N3处理分别较CK显著增加3.9%和3.4%, 而N1处理与CK差异不显著; 2017年各处理间作物耗水量无显著差异; 2018年各处理下作物耗水量随施氮量的增加呈先增加后降低, N1处理较CK显著提高5.8%, 而N3处理较CK显著降低7.6%。2016年N2处理水分利用效率较CK显著提高27.5%, N3处理较CK显著提高19.8%, 而N1处理与CK差异不显著; 2017年N1、N2和N3处理水分利用效率分别较CK显著提高19.0%、22.1%和11.7%。2018年, 各施氮处理水分利用效率均显著高于CK, N1、N2和N3处理分别较CK提高29.3%、64.6%和33.3%。

随施氮量的增加, 各处理的氮肥农学效率2016年和2017年呈先增加后降低, 而2018年呈下降趋势。2016年N2处理氮肥农学效率最高, 均显著高于N1和N3处理; 2017年N2处理氮肥农学效率最高, 均显著高于N1和N3处理; 2018年N1处理氮肥农学效率最高, N2处理次之, 均显著高于N3处理。秸秆还田条件下各处理的氮肥利用率随施氮量的增加而降低。2016年和2017年N1和 N2处理氮肥利用率均显著高于N3处理, 而N1、N2处理间差异不显著; 2018年各处理氮肥利用率高低次序依次为N1、N2、N3, 且处理间差异显著, 分析其原因可能由于秸秆还田后, 高氮肥处理现出抑制作物秸秆中氮的积累, 降低氮素在作物茎和叶中的累积和分配, 促进氮素向玉米籽粒转移。综合3年秸秆还田试验研究结果发现, 施低量和中量氮肥对提高玉米氮肥农学效率和氮肥利用率效果显著。

3 讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对土壤物理性状的影响

秸秆还田配施氮肥可降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 调节土壤三相比, 是改善耕层土壤物理性状的有效措施[16-18]。房焕等[19]研究报道, 稻麦轮作区在实施全量秸秆还田条件下施氮磷钾肥能够降低水稻土的土壤容重, 提高土壤总孔隙度。庞党伟等[20]研究结果表明, 秸秆还田条件下氮肥通过影响秸秆腐解对土壤物理性质产生影响, 总体上表现为增施氮肥有增加孔隙度的趋势。本研究结果表明, 秸秆还田配施氮肥不同用量均能有效降低耕层(0～40 cm)土壤容重, 增加土壤总孔隙度, 且氮肥施用量越高, 其改善效果越明显, 这与庞党伟等[20]的研究结果一致。分析其原因, 首先秸秆深翻还田能有效打破犁底层, 会增加地下根系和土壤生物的活动, 促进孔隙的形成, 改善了土壤孔隙度的空间分布, 降低耕层土壤容重[21]; 其次, 在添加外源氮肥作用下可促进秸秆腐解, 向土壤提供大量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, 总孔隙度增加[20,22]。

表3 秸秆还田配施氮肥对玉米水氮利用效率的影响

处理同图1。同一年份同列不同小写字母表示差异显著< 0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year and the same column indicate significant differences at< 0.05.

秸秆还田结合施肥既有培肥改土的作用[23], 又有增强土壤蓄水保墒的能力[24], 且作物不同生育时期的土壤蓄水效果与秸秆还田量、氮素水平有密切关系[25]。王金金等[26]研究表明, 秸秆还田配施适量氮肥有利于作物充分吸收利用土壤水分。本研究结果表明, 秸秆全量还田配施氮肥对玉米生育中后期的土壤保水效果明显高于生育初期。这是由于秸秆还田后对土壤水分的影响具有双重性: 初期秸秆腐解过程消耗大量水分, 产生与作物争夺水分的现象; 中后期腐解过程结束后, 施氮肥改善土壤的物理性状, 增强土壤的保蓄水分能力[27]。有研究认为, 秸秆还田条件下土壤贮水量随施氮量的增加呈先增后减,在施氮262.5 kg hm–2时达到最高, 而施氮量达350 kg hm–2时出现明显下降[28]。本研究发现, 秸秆还田配施氮肥可有效保蓄玉米生育期土壤贮水量, 且中低氮肥(N1、N2)处理高于高氮肥处理(N3)。究其原因, 其一秸秆还田条件下土壤无效蒸发减少, 水分条件得到改善, 同时对氮肥的投入需适当减少[27], 既能调节土壤养分供应状况、也影响秸秆的分解矿化速率, 具有明显的保墒效应。其二, 玉米生育期高氮肥处理植株长势较好, 植株蒸腾耗水大导致土壤贮水量降低[7]。

3.2 秸秆还田配施氮肥对土壤化学性质的影响

在秸秆还田条件下施氮肥可有效提高土壤有机碳含量, 平衡土壤养分, 且秸秆还田配施适量氮肥可有效调节土壤碳氮比, 加速土壤微生物分解秸秆并释放营养元素补充到土壤中, 有效提升土壤有机碳和全氮含量[29]。张愉飞等[30]研究认为, 秸秆还田配施氮肥可增加土壤有机碳和土壤全氮含量, 施氮量为225 kg hm–2时土壤有机碳和土壤全氮含量最高。王学敏等[31]研究结果表明, 在秸秆还田条件下氮肥减量施用处理当年就显著提高土壤有机碳含量, 不同程度提高全氮含量。在本研究中, 秸秆还田配施氮肥能提高耕层(0～40 cm)土壤有机碳、全氮含量, 其中以施300和450 kg hm–2氮肥处理表现最佳。究其原因: 秸秆还田具有较强的持水能力, 有助于秸秆腐解, 在微生物和酶的作用下使土壤有机质含量增加, 同时施入无机氮, 会改善土壤氮素的供给水平, 使土壤碳氮比降低, 更有利于促进微生物的增殖及分解更多的有机质, 进而增加土壤有机质中碳的分解与释放及土壤全氮的含量[5]。

秸秆还田能直接改善土壤养分供应情况, 且土壤速效N、P、K含量随氮肥施用量的增加呈显著上升[32]。本团队成员[6,14]研究表明, 施用不同氮肥用量在秸秆还田第1年和第2年均显著改善土壤物理性状, 提高土壤速效养分含量。本研究中, 在秸秆还田条件下施氮肥可有效增加0～40 cm层土壤速效养分含量, 以氮肥施用量300 kg hm–2对提升土壤速效养分效果最佳, 分析其原因: 一方面由于秸秆还田使土壤中有机物质增加, 直接或间接地刺激了微生物的活动, 加速有机质分解为土壤有效养分, 秸秆还田后施入氮肥可降低土壤中速效养分淋溶[33], 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, 提升土壤中速效养分的含量[13]。另一方面, 土壤碳氮比偏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对土壤养分的补充[23], 而300 kg hm–2氮肥施用量处理下土壤碳氮比较其他处理最接近土壤微生物活动的最适宜碳氮比(25∶1), 而适宜的土壤碳氮比最利于秸秆腐解, 以补充土壤的养分含量[34]。

3.3 秸秆还田配施氮肥对玉米产量的影响

秸秆还田条件下, 施用氮肥促进玉米籽粒产量增加是主要通过改善耕层土壤理化性质, 增加单位面积玉米穗粒数和百粒重, 进而达到籽粒产量增加[20]。而白伟等[17]研究认为, 秸秆还田条件下氮肥处理春玉米增产的主要原因是百粒重和行粒数的显著提高。本研究结果表明, 秸秆还田条件下施氮肥300 kg hm–2对提高玉米百粒重和穗粒数效果最佳, 但施氮肥450 kg hm–2处理对提高玉米百粒重和穗粒数的效果较差, 究其原因: 第一, 过量施氮会导致群体过大, 不利于穗部发育, 从而导致穗粒数减少, 粒重下降, 影响最终籽粒产量[26]; 其二, 氮肥过量产生高氮胁迫, 对玉米生长发育产生抑制作用, 导致作物贪青晚熟, 使玉米有效穗数及籽粒充实度降低[35-36]。前人研究[5,26]指出, 施氮量和作物籽粒产量呈二次曲线关系, 在一定阈值范围内, 施氮能增加产量; 当施氮量超过临界值, 产量有所下降。白伟等[17]研究报道, 秸秆还田条件下, 随着施氮量的增加玉米籽粒产量也在增加, 但增加到一定程度后, 产量不再增加。本研究也表明, 在秸秆还田的基础上配施氮肥对玉米籽粒产量的影响呈二次函数,随着施氮量的增加, 玉米籽粒产量呈先增加后降低的趋势, 说明秸秆还田配施适量氮肥可以实现玉米增产, 若继续加大氮肥配施量会抑制玉米籽粒产量的增加, 分析其原因可能是氮利用存在拐点或者阈值, 故施氮量达到一定水平后, 玉米籽粒产量会表现为下降[37]。

3.4 秸秆还田配施氮肥对玉米水氮利用效率的影响

张亮等[9]研究认为, 在秸秆全量还田条件下施适量氮肥可显著提高关中平原冬小麦水分利用效率。李荣等[14]在宁夏扬黄灌区通过秸秆还田配施氮肥研究发现, 以秸秆全量还田(9000 kg hm–2)配施纯氮300 kg hm–2对提高玉米水分利用率效果最佳。勉有明等[34]研究也认为, 秸秆还田条件下适量氮肥可显著提高宁夏扬黄灌区玉米水分生产率。本研究结果表明, 在秸秆粉碎全量还田(9000 kg hm–2)条件下施中量氮肥(300 kg hm–2)能显著提高玉米水分利用效率, 且高于低氮肥处理和高氮肥处理。这是因为连续秸秆还田能增加土壤孔隙度, 增强对作物生育中后期土壤水分的保蓄能力, 进而对玉米产量构成因素产生促进作用[6], 且适量氮肥(300 kg hm–2)可调控土壤的碳氮比, 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, 最终促进玉米水分利用效率显著增加[14]。

有研究结果表明, 秸秆还田条件下施氮肥可提高氮肥农学利用效率、氮肥利用率, 配施氮量为180 kg hm–2时, 氮肥农学利用效率和氮肥利用率最高[30]。白伟等[14]通过秸秆配施氮肥还田试验研究表明, 氮肥农学效率随施氮量增加而逐渐降低。本研究发现, 秸秆还田条件下, 2016年和2017年氮肥农学效率随氮肥施用量增加呈先增加后降低的变化趋势, 但2018年氮肥农学效率随氮肥施用量增加而逐渐降低, 这可能受当年施用肥料类型、土壤肥力、气候条件等多种因素的影响有关[30]。秸秆还田条件下氮肥利用率随施氮量的增加而降低, 这与顾炽明等[38]和陈金等[39]研究结果一致。究其原因, 一方面秸秆还田能促进土壤中有机氮的矿化, 加速土壤氮循环, 增大土壤通透性从而促进硝化作用, 提高氮肥的利用率[31], 其二, 秸秆还田条件下施氮肥可激发土壤氮素的矿化, 增加土壤碱解氮含量, 提高土壤氮库的累积和活性成分含量, 改善土壤的供氮能力, 这有利于玉米对氮素的吸收利用[40]。

4 结论

在宁夏扬黄灌区秸秆还田条件下, 施纯氮300 kg hm–2和450 kg hm–2处理对降低灰钙土0～40 cm层土壤容重, 显著改善土壤孔隙度效果较为显著。施氮肥可保蓄玉米生育期土壤贮水量, 其中以施用纯氮300 kg hm–2处理效果较优。施纯氮450 kg hm–2处理对提高土壤有机碳及全氮含量效果较好, 而施纯氮300 kg hm–2处理的土壤速效养分效果较佳。施氮肥可影响玉米产量性状, 显著提高籽粒产量、生物产量和收获指数, 以施纯氮300 kg hm–2处理效果较好。对3年玉米籽粒产量与施氮量进行拟合发现, 施氮量为285.2 kg hm–2时可实现玉米籽粒产量最高。玉米水分利用效率和氮肥农学效率均随施氮量的增加呈先增加后降低, 但氮肥利用率随施氮量的增加而降低, 以施纯氮300 kg hm–2效果较优。因此, 从农业氮肥用量减施、玉米丰产和水氮高效利用角度考虑, 施纯氮量250～300 kg hm–2可改善宁夏扬黄灌区灰钙土理化性状, 显著提高玉米产量和水氮利用效率, 建议在秸秆还田过程中配合应用。

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Effects of straw returning with nitrogen application on soil properties, water and nitrogen use efficiency of maize

LI Rong1, MIAN You-Ming2, HOU Xian-Qing1,*, LI Pei-Fu1, and WANG Xi-Na1

1School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China;2Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Guyuan 756000, Ningxia, China

The purpose of this study is to investigate the effects of straw returning with different nitrogen application rates on soil physicochemical properties, maize yield, and water and nitrogen use efficiency in Yanghuang irrigation area of Ningxia. A field experiment was conducted for three consecutive years, and three pure nitrogen application levels under the return of total maize straw [150 kg hm–2(N1), 300 kg hm–2(N2), and 450 kg hm–2(N3)] were set up in a three-year filed experiment with no nitrogen application as control (CK). The effects of straw returning with nitrogen application on soil bulk density, water, nutrients of sierozem, maize yield, and water and nitrogen use efficiency were studied. The results showed that the straw returning with N application could improve soil bulk density and the total porosity in tilth (0–40 cm). N2 and N3 treatments had the best effect. Compared with CK, the mean soil bulk densities with N2 and N3 were significantly decreased by 5.1% and 7.3%, and the mean soil total porosities with N2 and N3 were significantly increased by 7.0% and 10.0%, respectively. Straw returning with nitrogenapplication could increase soil organic carbon and total nitrogen contents in tilth, the ratio of carbon to nitrogen was decreased with the increase of nitrogen application rate under the straw returning, and the N2 and N3 treatments were the better. Compared with CK, the enhancement of soil available nutrients under N2 was the highest, and the contents of soil alkeline-N, available P, and available K with N2 were significantly increased by 18.8%, 19.0%, and 17.2%, respectively. Nitrogen application under straw returning could improve maize yield components and significantly increase grain yield, biomass yield, and harvest index. N2 treatment had the best effect with an average increase of 38.0% compared with CK. By function fitting with the three-year maize grain yields and nitrogen application rates, the highest grain maize yield was achieved under nitrogen application rate of 285.2 kg hm–2. Compared with CK, N2 treatment had the best effect on maize water use efficiency (38.1%). The improvement of nitrogen agronomic efficiency (12.2–12.4 kg kg–1) and nitrogen use efficiency (34.5%–39.2%) of N1 and N2 treatments were higher among all the treatments. Therefore, considering the viewpoint of nitrogen fertilizer rate reduction, yield increasing of maize, and efficient utilization of water and nitrogen, the pure nitrogen application rate at 250–300 kg hm–2can effectively improve soil physicochemical properties of sierozem in Yanghuang irrigation area of Ningxia, increased soil water conservation ability, thus significantly increasing maize yield, water and nitrogen use efficiency. Therefore, it was recommended to apply it in maize straw returning process.

nitrogen application; straw returning; soil physicochemical properties; water and nitrogen use efficiency; maize yield

10.3724/SP.J.1006.2023.23065

本研究由宁夏自然科学基金项目(2022AAC03061, 2021AAC03003), 国家自然科学基金项目(32160515, 31860362)和国家科技支撑计划项目(2015BAD22B05-03)资助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Ningxia (2022AAC03061, 2021AAC03003), the National Natural Science Foundation of China (32160515, 31860362), and the National Key Technology Support Program of China (2015BAD22B05-03).

侯贤清, E-mail:houxianqing1981@126.com

E-mail: lironge_mail@126.com

2022-09-29;

2023-02-10;

2023-02-23.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail//11.1809.S.20230223.1053.007.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).