玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤理化性質(zhì)的影響

朱凱麗，宋朝玉，裴玉賀，宋希云，李軍

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東青島 266109；2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東青島 266100)

氮肥是植物生長(zhǎng)重要的氮素來(lái)源，施加氮肥可以顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量[1]，然而，過(guò)量施用氮肥不僅難以使糧食持續(xù)增產(chǎn)，而且還產(chǎn)生了溫室效應(yīng)和水體污染等環(huán)境危機(jī)[2-3]。因此，探索在不降低作物產(chǎn)量的前提下減少氮肥用量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有極為重要的價(jià)值[4]。

作物秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、有機(jī)物和一些微量元素，這些養(yǎng)分在秸稈腐爛后可以被植物重新利用[5-6]。在秸稈全量還田條件下，秸稈中的鉀、大部分磷和部分氮都可以補(bǔ)充給土壤[7]。3 a的稻麥秸稈還田試驗(yàn)表明，在75%的秸稈還田量條件下，土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量均顯著提高，如氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量分別比對(duì)照高2.61%、4.05%、18.25%和 5.90%[8]。秸稈粉碎還田與氮肥配施模式已成為當(dāng)前增加土壤有機(jī)碳含量、提高土壤肥力和作物產(chǎn)量的重要手段[9-13]。長(zhǎng)期的肥料定位研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施中等氮肥(180 kg·hm-2)的條件下，土壤中的有機(jī)質(zhì)和土壤速效鉀含量均顯著提高，并且玉米和小麥的產(chǎn)量均達(dá)到最大[10-11]。Chen等[12]利用7 a的肥料定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥條件下的土壤總氮、速效鉀、有機(jī)碳含量、蔗糖酶和脲酶的活性均比對(duì)照顯著提高。Yang等[13]在稻麥輪作試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)秸稈還田能夠顯著減少硝態(tài)氮的淋失，提高了氮肥的利用效率。最近的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥還能在一定程度上提高植物的抗病性和土壤的保水能力[14-16]。

盡管對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的增益效應(yīng)已有報(bào)道[10]，但是秸稈還田與氮肥配施模式對(duì)不同土層土壤理化性質(zhì)的影響還缺乏長(zhǎng)期深入的研究?；谶B續(xù)11 a的定位試驗(yàn)，我們探討了秸稈還田配施氮肥模式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤的理化性質(zhì)變化，以期為作物高產(chǎn)栽培的田間養(yǎng)分管理提供科學(xué)理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山東省青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院作物試驗(yàn)場(chǎng)(東經(jīng)120°21′，北緯36°17′)進(jìn)行。該試驗(yàn)地從2009年開始進(jìn)行定位研究，實(shí)行冬小麥—夏玉米一年兩熟輪作制，旨在評(píng)估長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)效率。該試驗(yàn)地土壤類型為棕壤土，基礎(chǔ)土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.9 g·kg-1，堿解氮含量為88.6 mg·kg-1，有效磷含量為62.9 mg·kg-1，速效鉀含量為50.0 mg·kg-1。

試驗(yàn)以玉米秸稈還田(straw return,SR)、秸稈不還田(non-straw return,NSR)為主因素，氮肥用量為輔因素進(jìn)行裂區(qū)設(shè)計(jì)。小區(qū)面積28.8 m2(3.6 m×8 m)。秸稈還田種植的玉米品種為‘鄭單958’，行距為0.6 m，種植密度為67 500株·hm-2，籽粒收獲后秸稈全量還田。氮肥為尿素(含N 46%)，氮肥用量設(shè)5個(gè)處理水平，分別是0(CK)、90(N1)、180(N2)、270(N3)、360(N4)kg·hm-2，重復(fù)4次。磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O516%)，用量是75 kg·hm-2，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)，用量是150 kg·hm-2。冬小麥、夏玉米連作，每季施肥量相同。

1.2 土壤樣品采集、制備

2020年6月20日小麥?zhǔn)斋@后，采用五點(diǎn)取樣法取0～20 cm和20～40 cm土層土壤，剔除植物殘?bào)w和其他雜物，混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分土樣置于4 ℃冰箱保存，用于土壤酶活性的測(cè)定；另一部分于室內(nèi)風(fēng)干并過(guò)1 mm篩后，用于土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定。

1.3 土壤酶活測(cè)定

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定[17]；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[17]；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[18]。

1.4 土壤酸堿度和養(yǎng)分含量測(cè)定

土壤pH值采用復(fù)合電極法測(cè)定[19]；土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量分別采用堿解擴(kuò)散法[20]、火焰光度計(jì)法[17]和鉬銻抗比色法[21]測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和圖表的繪制采用Microsoft Excel 2003。對(duì)不同處理間土壤酸堿度、土壤酶活性以及土壤堿解氮、速效鉀、有效磷含量的多重比較(LSD法)采用DPS，用多因素方差分析，比較不同處理間在P<0.05、P<0.01水平的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸堿度的影響

土壤pH是衡量土壤酸堿度最直觀的指標(biāo)。多年的玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸堿度的影響有一定的差異(圖1)。在0～20 cm土層，在同一氮肥用量條件下，秸稈還田略高于秸稈不還田的pH值，且隨著氮肥用量的升高，pH值呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。秸稈還田條件下，pH值由CK時(shí)的7.29下降到N2、N4處理時(shí)的6.9、5.46，下降幅度分別為0.39、1.83，而秸稈不還田條件下pH值由CK時(shí)的7.25下降到6.85、5.34，下降幅度分別為0.4、1.91。在20～40 cm土層，在同一氮肥用量條件下，秸稈還田與秸稈不還田的土壤pH值沒(méi)有明顯差異，且隨著氮肥用量的升高，pH值呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。pH值由CK時(shí)的7.48下降到N2、N4處理時(shí)的6.78、6.53，下降幅度分別為0.7、0.95。

圖1 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸堿度(pH)的影響Fig.1 Effects of straw return plus various nitrogen usages on soil pH in different cultivated layers 注：圖中不同小寫字母表示在P<0.05時(shí)處理間差異達(dá)顯著水平。下同。

2.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酶活性的影響

2.2.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤脲酶活性的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤脲酶活性的影響差異顯著(圖2)。與20～40 cm土層的土壤相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層的土壤脲酶活性顯著提高。在0～20 cm土層，不同水平氮肥處理的脲酶活性均比CK明顯提高，并且隨著施氮量的增加，呈現(xiàn)出先高后低的趨勢(shì)，其中N2處理脲酶活性達(dá)到最高。在秸稈還田和秸稈不還田條件下N2處理的脲酶活性分別比對(duì)照提高了95.7%和93.2%。在20～40 cm土層，各氮肥用量處理間脲酶活性差異不顯著。

圖2 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.2 Effects of straw return plus various nitrogen usages on urease activity in different soil cultivated layers

2.2.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸性磷酸酶活性的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸性磷酸酶活性有一定的影響(圖3)。與20～40 cm土層相比，0～20 cm土層的酸性磷酸酶活性顯著提高，且隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。在0～20 cm土層，氮肥處理顯著提高了土壤酸性磷酸酶活性，其中N2處理活性最高，在秸稈還田和秸稈不還田條件下分別比CK顯著提高了14.3%和12.9%。在20～40 cm土層，酸性磷酸酶的活性也隨著氮肥用量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，在N2處理時(shí)達(dá)到最大，秸稈還田和秸稈不還田條件下分別比對(duì)照增加了13.7%和9.5%。

圖3 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤酸性磷酸酶活性的影響Fig.3 Effects of straw return plus various nitrogen usages on acid phosphatase activity in different soil cultivated layers

2.2.3 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤蔗糖酶活性的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤蔗糖酶活性的影響差異顯著(圖4)。與20～40 cm土層土壤相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層的土壤蔗糖酶活性顯著提高。在0～20 cm土層，不同施氮水平處理均比CK顯著提高了土壤蔗糖酶活性，并隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，其中N2處理土壤蔗糖酶活性達(dá)到最大。在秸稈還田和秸稈不還田條件下N2處理較CK分別提高了19.8%和25.1%。在20～40cm土層下，各氮肥處理間土壤蔗糖酶活性差異不顯著。

圖4 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤蔗糖酶活性的影響Fig.4 Effects of straw return plus various nitrogen usages on sucrase activity in different soil cultivated layers

2.3 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3.1 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤堿解氮含量的影響

經(jīng)過(guò)11 a的定位試驗(yàn)，土壤主要養(yǎng)分狀況發(fā)生了變化(圖5)。與20～40 cm土層相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20cm土層土壤堿解氮含量顯著提高。在0～20 cm土層，各處理的土壤堿解氮含量均比CK顯著提高，并隨著施氮量的增加呈上升的趨勢(shì)，其中N4處理堿解氮含量最高，但N4處理時(shí)秸稈還田比秸稈不還田條件的堿解氮含量下降了9.3%。在20～40 cm土層，土壤堿解氮含量隨著施氮量的增加亦呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)，在N4處理時(shí)達(dá)到最高，但堿解氮含量在秸稈還田和秸稈不還田模式下差異不顯著。

圖5 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤堿解氮含量的影響Fig.5 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of alkali-hydrolyzable nitrogen in different soil cultivated layers

2.3.2 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤有效磷含量的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤有效磷含量影響差異顯著(圖6)。與20～40 cm土層相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層土壤的有效磷含量顯著提高。在0～20 cm土層，土壤有效磷含量隨著施氮量的增加而增加，N4處理時(shí)含量達(dá)到最高。在同一施氮水平下，秸稈還田比秸稈不還田的土壤有效磷含量略低，N4處理時(shí)秸稈還田比秸稈不還田的有效磷含量降低了7.3%。在20～40 cm土層，各氮肥處理間土壤有效磷含量差異不顯著。

圖6 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤有效磷含量的影響Fig.6 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of available phosphorus in different soil cultivated layers

2.3.3 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤速效鉀含量的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤速效鉀含量影響差異顯著(圖7)。與20～40 cm土層相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層土壤速效鉀含量顯著增高。在0～20 cm土層，隨著施氮量的增加，土壤速效鉀含量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，在N4處理達(dá)到最高，在秸稈還田和秸稈不還田下分別較CK增加了26.2%和23.9%；同一施氮水平下，秸稈還田的速效鉀含量較秸稈不還田增加了15.8%～22.9%。在20～40 cm土層，土壤速效鉀含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)，在N4處理時(shí)達(dá)到最高，秸稈還田和秸稈不還田條件下的速效鉀含量分別比CK增加了52.4%和51.2%。

圖7 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤速效鉀含量的影響Fig.7 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of available potassium in different soil cultivated layers

2.4 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤pH、酶活性及養(yǎng)分的方差分析

從表1可以看出，玉米秸稈還田和氮肥用量對(duì)0～20 cm土層的土壤各指標(biāo)均(極)顯著影響，氮肥用量對(duì)20～40 cm土層土壤酸堿度、脲酶、酸性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、堿解氮、速效鉀含量有(極)顯著影響，而玉米秸稈還田對(duì)酸性磷酸酶活性和速效鉀有顯著影響；玉米秸稈還田和氮肥用量的互作對(duì)0～20 cm土層土壤各指標(biāo)均(極)顯著影響，對(duì)20～40 cm土層土壤酸性磷酸酶、堿解氮和速效鉀含量有顯著影響，而對(duì)其他各指標(biāo)無(wú)顯著影響。

表1 秸稈還田配施氮肥對(duì)不同土層土壤pH、酶活性及養(yǎng)分的方差分析Table 1 Variance analysis of soil pH,enzyme activity and nutrients of different soil layers by returning straw to the field and applying nitrogen fertilizer

3 討論

3.1 長(zhǎng)期玉米秸稈還田可以有效緩解土壤的酸化進(jìn)程

近40 a來(lái)氮肥在促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量方面做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。然而，生產(chǎn)上因氮肥利用不合理如過(guò)量施用而造成土壤酸化日趨嚴(yán)重，近20 a來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤pH值平均下降了大約0.5[22]。土壤酸化會(huì)引發(fā)一系列的問(wèn)題如重金屬污染[23]和土傳病害加劇[24]。為此，人們采取了一些措施來(lái)緩解土壤酸化進(jìn)程，如施加堿性長(zhǎng)效緩釋氮肥[25]和作物秸稈還田[26-27]。本試驗(yàn)裂區(qū)試驗(yàn)結(jié)果顯示，0～20 cm土層土壤的pH值隨著施氮量的增加呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，說(shuō)明加大氮肥投入會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，這與Guo等[22]的研究結(jié)果一致。在同一氮肥用量條件下，秸稈還田略高于秸稈不還田的pH值，如N4處理時(shí)的pH值提高了0.12，說(shuō)明秸稈還田可在一定程度上緩解土壤的酸化?？赡艿脑蚴怯衩捉斩捄剂扛摺⒈缺砻娣e大等特點(diǎn)，還田后能有效增加堿性物質(zhì)[28]。宋朝玉等[10]發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田模式下配施180 kg·hm-2氮肥玉米產(chǎn)量最高，而氮肥用量?jī)H為最高氮肥用量的一半。本試驗(yàn)結(jié)果表明，N2處理時(shí)的土壤pH值近乎中性，說(shuō)明秸稈還田配施適量氮肥對(duì)作物增產(chǎn)和維持土壤酸堿平衡具有重要作用。在同一氮肥用量條件下，20～40 cm土層土壤的pH值在秸稈還田與秸稈不還田之間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明長(zhǎng)期玉米秸稈還田后對(duì)土壤酸堿度影響最大的區(qū)域分布在0～20 cm土層。

3.2 秸稈還田配施氮肥有利于提高土壤酶活性

研究表明，土壤pH的變化對(duì)土壤酶活性會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響[29]。土壤酶在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，土壤酶活性的高低是衡量土壤微生物活力和土壤肥力的重要指標(biāo)之一[30]。作為一種水解酶，脲酶促進(jìn)了土壤中尿素的分解，與土壤肥力密切相關(guān)[31]。磷酸酶影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化，在磷循環(huán)中起著重要作用[20]。蔗糖酶催化蔗糖的分解，其活性與土壤中有機(jī)質(zhì)含量、磷含量和微生物數(shù)量等相關(guān)，在土壤碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[32]。

Sun等[33]和Gianfreda等[34]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對(duì)土壤酶活性具有明顯的促進(jìn)作用。李臘梅等[35]報(bào)道秸稈還田與無(wú)機(jī)肥配施明顯增強(qiáng)了酸性磷酸酶和脲酶的活性。甄麗莎等[36]發(fā)現(xiàn)秸稈還田配合施用氮肥處理的土壤蔗糖酶活性和脲酶活性最高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性均隨著施氮量的增加出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，說(shuō)明合理的氮肥用量能夠顯著提高土壤酶活性和氮肥利用效率，超量施加氮肥導(dǎo)致酶活性降低。在同一施氮水平下，秸稈還田條件下的土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性明顯高于不還田處理的酶活性，說(shuō)明秸稈還田處理提高了土壤的酶活性，有利于氮素的快速轉(zhuǎn)化，這與前人的研究結(jié)果一致[33-34,37]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，N2處理時(shí)秸稈還田模式下的土壤酶活性最高，這也與宋朝玉等[10]人報(bào)道的N2處理時(shí)獲得的玉米產(chǎn)量最高相吻合。與20～40 cm土層土壤相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層的土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性顯著提高，說(shuō)明0～20 cm土層是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化最為活躍的區(qū)域。

3.3 秸稈還田配施適量氮肥有利于改善土壤養(yǎng)分狀況

土壤酶活性與土壤中碳源、氮源、N、P等轉(zhuǎn)化有密切聯(lián)系，其活性高低可在一定程度上反映土壤肥力的水平[38]。氮、磷、鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素，土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的含量高低可以反映土壤的養(yǎng)分特征和肥力狀況[39]。孫志祥等[40]證實(shí)了秸稈還田可以顯著提高土壤速效鉀含量，有利于土壤鉀素的收支平衡。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與20～40 cm土層相比，無(wú)論是在秸稈還田和秸稈不還田條件下，0～20 cm土層土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量均比CK顯著提高，說(shuō)明這一土層可為根系的生理活動(dòng)提供足夠的養(yǎng)分。在0～20 cm土層，當(dāng)?shù)适┯昧砍^(guò)一定閾值如N2處理(180 kg·hm-2)時(shí)，秸稈不還田條件下的堿解氮積累速度要顯著高于秸稈還田條件下的速度，可能的原因是在秸稈不還田條件下脲酶活性降低、氮肥利用效率下降[12]。土壤有效磷和速效鉀含量均隨著施氮量的增加而增加，在同一施氮水平下，秸稈還田比秸稈不還田的土壤有效磷含量略低，而土壤速效鉀含量較高，這說(shuō)明秸稈還田對(duì)土壤有效磷的影響不大，可能的原因是與秸稈中磷素含量較少有關(guān)[41]。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期玉米秸稈還田配施氮肥對(duì)0～20 cm 土層土壤的理化性質(zhì)影響較大，而對(duì)20～40 cm 土層土壤的理化性質(zhì)影響較小。施加氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，而秸稈還田可以在一定程度上緩解土壤的酸化，有利于土壤的酸堿平衡；兩個(gè)土層中土壤酶活性均在秸稈還田配施180 kg·hm-2氮肥時(shí)達(dá)到最高；土壤速效養(yǎng)分含量隨著施氮量的增加而增加，且均表現(xiàn)為0～20 cm土層高于20～40 cm土層。綜上所述，在秸稈還田條件下0～20 cm土層的土壤含有較適宜的土壤酸堿度、較高的土壤酶活性和養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力，這些為根系的生理活動(dòng)提供足夠的養(yǎng)分。該研究為秸稈還田條件下配施適量氮肥進(jìn)而提高作物產(chǎn)量提供了土壤學(xué)基礎(chǔ)。