李 錦，田霄鴻，王少霞，把余玲，李有兵，鄭險(xiǎn)峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100)

土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的決定性因子，其通常以有機(jī)碳來(lái)表示，有機(jī)碳含量的高低是礦化與腐殖化2個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，具有一定的穩(wěn)定性。在土壤有機(jī)碳組分中，活性有機(jī)碳因其對(duì)外界環(huán)境響應(yīng)敏感且與養(yǎng)分供給、作物生長(zhǎng)密切相關(guān)而受到廣泛關(guān)注，成為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。但由于受氣候、土壤母質(zhì)和輪作方式等諸多因素的影響，不同區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)碳及其組分對(duì)農(nóng)田管理措施的響應(yīng)存在較大差異[2-4]。

秸稈還田對(duì)于補(bǔ)充土壤中有機(jī)物質(zhì)，提高有機(jī)質(zhì)數(shù)量和改善質(zhì)量有重要作用[5-7]。陜西關(guān)中地區(qū)秸稈資源極為豐富，每年大約產(chǎn)生小麥秸稈620萬(wàn)t，玉米秸稈416萬(wàn)t。作物秸稈還田已成為當(dāng)?shù)卮鎮(zhèn)鹘y(tǒng)有機(jī)肥、改善農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)狀況的最重要措施之一。同時(shí)，這一地區(qū)還存在過(guò)量施用N肥現(xiàn)象，導(dǎo)致N肥利用率不高，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[8-10]。關(guān)于N肥用量對(duì)作物產(chǎn)量及土壤硝態(tài)氮累積的影響已有大量研究，同時(shí)關(guān)于秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)量的影響也有較多的報(bào)道[11-14]，但在關(guān)中平原小麥玉米輪作體系下，秸稈還田后N肥用量對(duì)作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量以及環(huán)境污染的綜合研究還鮮有報(bào)道。因此，研究該地區(qū)在作物秸稈機(jī)械化還田條件下，保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，提高N肥利用率，減少環(huán)境污染的氮肥合理減量模式具有重要的理論及實(shí)踐意義。本研究采用關(guān)中平原冬小麥-夏玉米輪作制度，通過(guò)連續(xù)4年田間試驗(yàn)，考察機(jī)械化秸稈全量還田條件下氮肥減量對(duì)作物產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮累積和土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響，旨在為關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤培肥和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)常規(guī)施N、15%減量施N、30%減量施N 3個(gè)處理，于2008-06開始實(shí)施。常規(guī)施氮采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的平均施氮量，玉米季和小麥季施氮總量分別為188和150 kg/hm2；15%減量施N及30%減量施N是在常規(guī)施氮量的基礎(chǔ)上分別減少15%和30%。試驗(yàn)中N肥采用尿素，P肥采用磷酸氫二銨。田間采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。

1.3 栽培管理措施

研究采用的玉米和小麥品種分別為當(dāng)?shù)貜V泛種植的“駿單22”和“小偃6號(hào)”。試驗(yàn)期間田間基本農(nóng)藝措施均實(shí)行機(jī)械化操作。于2008-06，先采用小麥聯(lián)合收割機(jī)高留茬(茬高25～30 cm)收獲小麥，再采用秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行粉碎還田，然后劃區(qū)安排氮肥處理，之后用玉米免耕施肥播種機(jī)播種玉米。同年10月上旬，采用玉米聯(lián)合收割機(jī)收獲玉米，隨后機(jī)械化粉碎玉米秸稈(秸稈粉碎長(zhǎng)度小于10 cm)覆蓋于地表；繼之用車載式撒肥機(jī)施肥，并進(jìn)行淺旋，最后采用小麥免耕播種機(jī)播種小麥。上述過(guò)程中，小麥及玉米秸稈均實(shí)行全量還田。之后幾年中每年6月、10月期間的收獲播種環(huán)節(jié)大致相同。田間管理措施主要包括灌水、化學(xué)防蟲2項(xiàng)作業(yè)。玉米在生育期灌水2～3次，小麥分別在越冬期和拔節(jié)期各灌水1次，每次灌水量約50 mm。試驗(yàn)田其他管理措施按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

每季作物秸稈還田時(shí)，為了使前一季還田秸稈能及時(shí)腐解，滿足后季作物生長(zhǎng)發(fā)育的正常需要，玉米季播種時(shí)基施純P 22.5 kg/hm2和N 68 kg/hm2，喇叭口期追施N 120 kg/hm2；15%和30%減量施N分別比玉米常規(guī)基施和追施的氮肥減量15%和30%。小麥季施純P 110 kg/hm2，常規(guī)施N、15%減量施N、30%減量施N處理的施N量分別為150，128和105 kg/hm2，均作底肥一次施入。2季作物均不施K肥。

1.4 收獲及分析樣品的采集

于2011-10-10、2012-06-20，將作物機(jī)械化收獲后曬干，稱質(zhì)量并計(jì)算籽粒和秸稈產(chǎn)量；從中取部分植株作為分析樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干磨碎，測(cè)定植物全氮含量。

1.5 表觀氮平衡的計(jì)算

土壤表觀氮平衡Neq的計(jì)算公式為[15]：

1.6 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和DPS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 以LSD法進(jìn)行多重比較，文中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田條件下減量施氮對(duì)作物產(chǎn)量的影響

由表1可見，2011-06-2012-06，除30%減量施N處理使玉米秸稈產(chǎn)量顯著降低外，其他情況下減量施N處理均未顯著降低玉米和小麥的籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。從2種作物的周年產(chǎn)量來(lái)看，15%減量施N處理的籽粒和秸稈產(chǎn)量最高，比常規(guī)施N處理分別高出7.2%和1.2%；30%減量施N處理的籽粒和秸稈產(chǎn)量最低，較常規(guī)施N處理分別降低5.3%和17.3%?？梢?，15%減量施N處理，即全年減N 51 kg/hm2(玉米季減N 28 kg/hm2，小麥季減N 23 kg/hm2)，是比較可行的減N范圍，而30%減量施N處理則有降低籽粒和秸稈產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)。

表 1 2011-06-2012-06生長(zhǎng)季減量施氮對(duì)玉米和小麥籽粒及秸稈產(chǎn)量的影響

2.2 秸稈還田條件下減量施氮對(duì)土壤剖面硝態(tài)氮累積的影響

圖1 2011-10玉米收獲后(a)及2012-06小麥?zhǔn)斋@后(b)0～200 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量的變化

表 2 減量施N對(duì)土壤累積量的影響

2.3 秸稈還田條件下減量施氮對(duì)土壤氮素平衡的影響

表 3 減量施氮條件下2012-06小麥?zhǔn)斋@后的土壤表觀氮平衡

2.4 秸稈還田條件下減量施氮對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的影響

表4表明，從2009-06-2012-06，與常規(guī)施N處理相比，減量施N處理均未引起0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量的顯著變化。而在年際間，耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量逐年提高，2011-10玉米及2012-06小麥?zhǔn)斋@后土壤中有機(jī)碳含量較第2季小麥?zhǔn)斋@后(2009-06)分別提高了3.1%和4.8%，差異顯著；秸稈還田對(duì)20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響。這主要是由于每季作物秸稈全量還田時(shí)，機(jī)械化秸稈還田的影響深度一般僅在耕層范圍內(nèi)。

表4也表明， 2009-06-2012-06，減量施N處理對(duì)土壤活性有機(jī)碳含量的影響與土壤有機(jī)碳相似。而在年際間，2011-10玉米及2012-06小麥?zhǔn)斋@后0～20 cm和20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量較第2季小麥?zhǔn)斋@后(2009-06)分別提高92%和72%，328%和103%，2季作物收獲后土壤活性有機(jī)碳含量與第2季差異均達(dá)到顯著水平。

表 4 減量施N對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的影響

3 討 論

本研究中，秸稈還田條件下，與常規(guī)施N處理相比較，減量施N處理對(duì)作物秸稈產(chǎn)量影響較小，且并未顯著降低土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量；但就各個(gè)時(shí)期比較而言，2012-06小麥(第8季)收獲后，土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳含量比第2季小麥?zhǔn)斋@后(2009-06)顯著提高，增加了0.5 g/kg，以還田5次平均，每季提高了0.10 g/kg。根據(jù)本研究測(cè)定結(jié)果可知，玉米秸稈有機(jī)碳含量為44.4 g/kg，小麥秸稈有機(jī)碳含量為42.5 g/kg，每年平均還田的玉米和小麥秸稈量分別為5 797，5 779 kg/hm2，1 hm2耕層(0～20 cm土層)土壤質(zhì)量以22.5×105kg計(jì)，理論上每年玉米和小麥還田的秸稈可增加土壤有機(jī)碳0.11和0.11 g/kg；經(jīng)過(guò)5季連續(xù)還田可增加有機(jī)碳1.10 g/kg，但實(shí)際只有0.50 g/kg，約占秸稈投入量的45%。土壤有機(jī)碳累積量既與有機(jī)物料施用量、施用時(shí)間有關(guān)，更與當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件有關(guān)[24]，后者會(huì)強(qiáng)烈影響有機(jī)物料的礦質(zhì)化和腐殖化過(guò)程的強(qiáng)弱。在本研究條件下，土壤有機(jī)碳累積量并不高，這可能是由于當(dāng)?shù)貤l件下秸稈有機(jī)碳的礦化率遠(yuǎn)高于腐殖化率所致。本課題組的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)表明，秸稈在腐解過(guò)程中約有50%的碳以CO2形式損失掉[25]；而在田間條件下，以CO2形式損失掉的比例會(huì)更高。活性有機(jī)碳是對(duì)植物和微生物活性較高的土壤碳素，在田間主要受作物殘?bào)w、根系分泌物、土壤有機(jī)質(zhì)水解、土壤微生物及其代謝產(chǎn)物的影響；同時(shí)，活性有機(jī)碳具有一定的溶解性，在土壤中移動(dòng)比較快、不穩(wěn)定、易氧化分解[26-27]。本研究結(jié)果表明，與第2季小麥?zhǔn)斋@后(2009-06)相比，2011-10玉米(第7季)及2012-06小麥(第8季)收獲后，土壤活性有機(jī)碳含量無(wú)論是在土壤表層還是深層均顯著提高。在土壤表層(0～20 cm)，大量有機(jī)物料還田，活性有機(jī)碳含量大幅提高；在土壤深層，更多受作物根系殘留物及其分泌物和土壤中微生物及其代謝產(chǎn)物的影響，活性有機(jī)碳含量也顯著提高。同一輪作周期的不同季節(jié)間(2011-10與2012-06)，受關(guān)中地區(qū)季節(jié)間較大的溫濕差異影響，土壤活性有機(jī)碳含量差異顯著。

秸稈還田條件下減量施N也未造成明顯減產(chǎn)。在2011-06-2012-06生長(zhǎng)季中，除30%減量施N處理玉米季秸稈產(chǎn)量顯著降低外，2個(gè)減N處理對(duì)玉米籽粒及小麥季籽粒和秸稈產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。還田后，秸稈所含的養(yǎng)分腐解后會(huì)重新進(jìn)入土壤。以3個(gè)處理平均值計(jì)算，每年玉米和小麥秸稈大約分別向土壤帶入N素量為33和22 kg/hm2；與常規(guī)施N處理相比，15%減量施N處理玉米季減少28 kg/hm2N，小麥季減少22 kg/hm2N，因此秸稈還田帶入土壤的氮素與15%減量施N減少的氮素大致相當(dāng)。綜合考慮，15%減量施N處理比較合理。

4 結(jié) 論

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