高日平，趙沛義*，韓云飛，劉小月，杜二小，高 宇，任永峰，李煥春，張 鵬

秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤水碳氮耦合及作物產(chǎn)量的影響①

高日平1,2,3,4，趙沛義1,2,3,4*，韓云飛1,2,3,4，劉小月1,2,3,4，杜二小1,2,3,4，高 宇2,3,4，任永峰2,3,4，李煥春2,3,4，張 鵬2,3,4

(1內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，呼和浩特 010031；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019；3內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010031；4農(nóng)業(yè)農(nóng)村部?jī)?nèi)蒙古耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，呼和浩特 011705)

對(duì)比分析了氮肥習(xí)慣施用(FN)、氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田(FNS)、氮肥高量施用配合秸稈還田(HNS)、氮肥后肥前移施用(RN)、氮肥后肥前移施用配合秸稈還田(RNS)5種不同耕作措施對(duì)玉米農(nóng)田土壤水分、碳氮、酶活性、微生物生物量及玉米籽粒產(chǎn)量的影響，并通過相關(guān)分析和通徑分析進(jìn)一步揭示土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律及其耦合效應(yīng)，明確秸稈還田玉米地不同氮肥運(yùn)籌方式下土壤水、碳、氮演變特征。結(jié)果表明：與不還田處理相比，秸稈還田處理可顯著提高0～100 cm土層土壤水分含量，且秸稈還田與全膜壟溝栽培結(jié)合后(FNS、HNS、RNS)，二者的協(xié)同效應(yīng)較單一地膜覆蓋(FN、RN)增強(qiáng)了土壤納雨增墑能力，為秸稈的正常腐解提供了適宜的水熱環(huán)境；秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌處理較對(duì)照FN處理均可顯著提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，其中以RNS和HNS處理提升效果最顯著，土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性以及微生物生物量碳、氮含量明顯增加，表現(xiàn)為0～20 cm土層大于20～40 cm土層，F(xiàn)N處理和RN處理無顯著性差異；土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤酶活性和土壤有機(jī)碳、全氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，且土壤微生物生物量碳、氮對(duì)土壤有機(jī)碳、蔗糖酶、全氮和過氧化氫酶變化較敏感，對(duì)土壤性質(zhì)變化具有一定指示作用。在產(chǎn)量方面，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS較對(duì)照FN處理分別提高5.30%、10.93%、11.41%，且氮肥的常量投入即可獲得較高的氮肥偏生產(chǎn)力。綜合土壤因子、玉米產(chǎn)量和氮素利用率來看，秸稈還田條件下可通過調(diào)整氮肥的后肥前移來平衡土壤碳氮收支，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增產(chǎn)增效，同時(shí)提高氮肥利用率，其是內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)一種節(jié)氮、穩(wěn)產(chǎn)、增效的秸稈還田技術(shù)模式。

秸稈還田；氮肥運(yùn)籌；后肥前移；土壤含水量；土壤碳氮；玉米產(chǎn)量

作物秸稈作為一種可再生的生物質(zhì)資源，富含多種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)[1]，其綜合利用可優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、緩解資源短缺、助推農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)秸稈年產(chǎn)量約1.04×109t，而內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)年產(chǎn)各類農(nóng)作物秸稈達(dá)0.4×108t[2]，利用潛力巨大。近些年隨著秸稈禁燒政策頒布和人們環(huán)保意識(shí)的提高，秸稈大面積焚燒現(xiàn)象銳減，基本得到有效解決，但秸稈廢棄仍較嚴(yán)重，大量秸稈棄置于田間地頭，造成了資源浪費(fèi)[3]。隨著機(jī)械化程度提高，秸稈養(yǎng)分還田作為秸稈資源化利用最直接有效的手段得到廣泛認(rèn)可，但秸稈腐解時(shí)間長(zhǎng)、效果差等缺點(diǎn)限制了秸稈還田措施的推廣應(yīng)用，尤以黃土高原旱作地區(qū)問題較為突出[4]。

水資源匱乏和季節(jié)性干旱是制約內(nèi)蒙古黃土高原農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，全膜雙壟溝播技術(shù)在該區(qū)域玉米種植推廣應(yīng)用中較好地解決了這一現(xiàn)實(shí)問題。該技術(shù)改傳統(tǒng)半膜覆蓋為全覆蓋地膜、改傳統(tǒng)地膜平作為起壟覆膜、改傳統(tǒng)壟上種植為溝內(nèi)種植，集覆蓋抑蒸、壟面集流、壟溝種植技術(shù)于一體[5]，可將小于5 mm無效降雨匯集轉(zhuǎn)化為有效水資源供給作物，極大程度改善土壤水熱狀況[6]，同時(shí)為還田秸稈營(yíng)造良好水熱條件，促進(jìn)秸稈腐解。

秸稈由于碳氮比(C/N)較高，還田后腐解需配施一定量的氮肥，否則容易造成對(duì)土壤氮素的爭(zhēng)奪而影響作物生長(zhǎng)。大量學(xué)者[7-9]認(rèn)為秸稈還田配施氮肥是一種有效的耕作管理措施，秸稈還田額外補(bǔ)增氮肥可降低土壤碳氮比[10]，提高土壤有機(jī)碳和緩解土壤養(yǎng)分流失[11]，同時(shí)改善土壤性狀和培肥土壤[12]，提高土壤酶活性和增加土壤微生物碳氮固持[13]。目前關(guān)于秸稈還田下氮肥運(yùn)籌研究多集中于秸稈量與施氮量的互作、施氮量的調(diào)控以及有無氮肥效應(yīng)和氮素形態(tài)的差異比對(duì)，而秸稈還田條件下不增加氮肥投入，探究如何利用前期多施用的氮素減少后期氮肥投入方面研究較少。戴志剛等[14]研究表明作物中后期土壤中秸稈經(jīng)微生物分解開始緩慢釋放氮素，可供給植物吸收利用。

玉米作為內(nèi)蒙古黃土高原主栽作物，在氮肥施用方面重施追肥和后肥，常以1/3的氮肥作基施，剩余2/3氮肥于拔節(jié)期至孕穗期追施，若秸稈還田前期補(bǔ)氮的情況下，中后期仍按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行氮肥管理，氮肥過剩施用容易導(dǎo)致秸稈還田的玉米出現(xiàn)貪青晚熟的現(xiàn)象。鑒于此，本研究在全膜雙壟溝播栽培方式下，探究秸稈還田條件下不同氮肥施用量和施用比例對(duì)土壤水、碳、氮量及作物產(chǎn)量的影響，利用通徑分析更為精確詳細(xì)地分析土壤微生物生物量碳、氮與土壤含水量、碳氮和酶活性間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步揭示水、碳、氮耦合效應(yīng)，并采用主成分分析法了解土壤因子與作物產(chǎn)量間的吻合性，為秸稈還田條件下氮素優(yōu)化管理和高效節(jié)氮秸稈還田技術(shù)研發(fā)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

秸稈還田定位試驗(yàn)始于2016年10月，本試驗(yàn)于2019年5—10月在內(nèi)蒙古清水河縣農(nóng)牧和科技局良種場(chǎng)秸稈定位試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于典型的黃土高原溝壑區(qū)，旱坡地占90% 以上，屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候；降雨量365 mm，蒸發(fā)量2 577 mm，無霜期140 d，年平均氣溫7.1 ℃。試驗(yàn)期間降雨量和氣溫變化如圖1所示。試驗(yàn)前采集0～40 cm土層土樣測(cè)定土壤肥力指標(biāo)，結(jié)果見表1，試驗(yàn)田為低等肥力水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣施肥一般氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)為225、150、75 kg/hm2，施用方法為部分氮肥和全部磷鉀肥基施，剩余氮肥于拔節(jié)期至孕穗期追施，追施比例為1︰2。根據(jù)前人研究結(jié)果[15-17]，試驗(yàn)設(shè)置播種前(基施)、大喇叭口期為玉米最佳施氮時(shí)期，在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，分別為：①氮肥習(xí)慣施用(FN)；②氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田(FNS)；③氮肥高量施用配合秸稈還田(HNS)；④氮肥后肥前移施用(RN)；⑤氮肥后肥前移施用配合秸稈還田(RNS)，以氮肥習(xí)慣施用(FN)為對(duì)照，各處理小區(qū)面積均為96 m2(12 m×8 m)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

氮肥習(xí)慣施用為基肥︰大喇叭口肥=1︰2，氮肥后肥前移施用為基肥︰大喇叭口肥=1︰1，基肥均勻拋散于田間，春季播種前隨旋耕整地施入，大喇叭口肥用小型施肥罐隨灌水追入，HNS處理尿素用量為N 270 kg/hm2，其余4個(gè)處理尿素用量為N 225 kg/hm2，所有處理過磷酸鈣(P2O5150 kg/hm2)和硫酸鉀(K2O 75 kg/hm2)一次性基施。

表1 試驗(yàn)地0～40 cm土層土壤基礎(chǔ)地力

玉米進(jìn)入完熟期后，采用大型玉米收獲機(jī)進(jìn)行收獲，同時(shí)將玉米秸稈粉碎(長(zhǎng)度約為3～5 cm)，并均勻拋散于田間；采用液壓旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，旋耕深度約為20～30 cm，可將秸稈翻埋至10～20 cm土層，并進(jìn)行耙平，達(dá)到土壤深、松、平、碎、墑的狀態(tài)，玉米秸稈還田帶入養(yǎng)分折算為N 39.12～45.36 kg/hm2，P 5.4～6.8 kg/hm2，K 26.85～29.47 kg/hm2，還田量參考本地往年試驗(yàn)結(jié)果，為6 000 kg/hm2。

玉米2019年5月上旬播種，10月下旬收獲，播種方式為全覆膜雙壟溝播種植(圖2)，壟高15 cm，小行距50 cm，大行距70 cm，株距30 cm，種植密度為52 500株/hm2，供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N種星618。其余田間管理方式均一致，并與當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣相符。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及其方法

在玉米成熟期采用土鉆分別以0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共6個(gè)土層取土樣，烘干法測(cè)定土壤含水量；同時(shí)，每個(gè)小區(qū)進(jìn)行5點(diǎn)取樣，分取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，去除表層雜質(zhì)、裝入滅菌自封袋混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室。將田間所取土樣分兩部分，一部分自然風(fēng)干過1 mm篩，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分，另一部分存放于4℃冰箱用于測(cè)定土壤酶活性和微生物生物量。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法–稀釋熱法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定[18]；過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性分別采用高錳酸鉀滴定法、靛酚藍(lán)比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[19]；微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸K2SO4提取法進(jìn)行測(cè)定。

在玉米成熟期每小區(qū)隨機(jī)選10 m雙行進(jìn)行玉米產(chǎn)量測(cè)定，并按照14% 含水率進(jìn)行折算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)圖表繪制，采用SPSS 26.0進(jìn)行方差分析(LSD法，<0.05水平)、相關(guān)性分析、主成分分析及通徑分析。

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=作物產(chǎn)量(kg/hm2)/氮肥施用量(kg/hm2)。

玉米產(chǎn)量與土壤因子吻合性分析的綜合得分計(jì)算：采用主成分分析法，根據(jù)累積方差貢獻(xiàn)率大于80%的原則，各土壤因子共提取到2個(gè)主成分1和2，根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣，土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后代入計(jì)算主成分1和主成分2得分，最后以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)：0.572871+ 0.410 472，計(jì)算各處理綜合得分并排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤含水量的影響

由表2可見，0～100 cm土層各處理土壤含水量差異顯著。FN、FNS、HNS、RN和RNS處理土壤含水量隨著土層的加深，總體呈先下降再升高最后降低的多峰變化趨勢(shì)。其中，0～20 cm土層土壤含水量逐漸降低，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理與FN、RN處理差異明顯，秸稈還田可減緩耕層土壤水分散失，減少無效蒸騰，增加土壤水分有效供應(yīng)；FNS、HNS、RNS處理間差異不明顯，F(xiàn)N和RN處理間差異不明顯，表明氮肥施用量和施用比例對(duì)土壤含水量無影響。20～60 cm土層土壤含水量逐漸升高，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理較FN、RN處理土壤含水量提升效果更明顯，60～100 cm土層土壤含水量逐漸降低。FNS、HNS、RN和RNS處理0～100 cm土層土壤含水量較對(duì)照FN處理分別提高18.47%、17.73%、0.22% 和17.96%。秸稈還田可提高土壤含水量，保證作物的正常水分供應(yīng)。

2.2 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤碳氮含量的影響

由表3可見，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS與不還田處理FN和RN土壤有機(jī)碳含量差異顯著，F(xiàn)N和RN處理間差異不顯著，0～20 cm土層 FNS、HNS、RNS處理較對(duì)照FN處理分別提高0.66%、1.16%和1.32%，20～40 cm土層FNS、HNS、RNS處理較對(duì)照FN處理分別提高0.55%、0.92% 和1.10%。各處理土壤全氮含量表現(xiàn)為0～20 cm土層大于20～40 cm土層，其中0～20 cm土層大小順序?yàn)镽NS>HNS>FNS>FN>RN，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理較對(duì)照FN處理分別提高4.55%、10.61% 和13.64%。20～40 cm土層大小順序?yàn)镠NS>RNS>FNS>FN> RN，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理較對(duì)照FN處理分別提高6.90%、17.24% 和13.79%，RN處理土壤全氮含量顯著低于FN處理。0～40 cm土層土壤碳氮比總體表現(xiàn)秸稈不還田處理大于還田處理，秸稈還田結(jié)合氮肥較單一氮肥施用可降低土壤碳氮比。

表2 不同處理0～100 cm土層土壤含水量(g/kg)

注：表中同列不同小寫字母代表處理間差異顯著(<0.05)，下同。

表3 不同處理0～40 cm土層土壤碳氮含量

2.3 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤酶活性的影響

FN、FNS、HNS、RN、RNS處理土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均隨土層加深呈降低態(tài)勢(shì)(圖3)，0～20 cm和20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性規(guī)律一致，變化范圍分別為2.11～2.68、1.85～2.36 ml/g，大小順序表現(xiàn)為HNS>RNS> FNS>FN>RN，均以HNS和RNS處理最大，相互間無明顯差異，但均顯著高于FN和RN處理。土壤脲酶與過氧化氫酶活性變化規(guī)律相同，0～20 cm和20～40 cm土層脲酶活性變化范圍分別為0.68～0.85、0.61～0.78 mg/g，其中FNS、HNS、RNS處理較FN處理分別提高16.18%、25.00%、19.11% 和16.39%、27.87%、18.03%，F(xiàn)N和RN處理間無顯著性差異。0～20 cm和20～40 cm土層蔗糖酶活性變化范圍分別為9.31～12.65、8.12～11.59 mg/g，F(xiàn)N和RN處理間無明顯差異，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理較FN處理分別提高30.18%、35.87%、34.69% 和32.48%、40.99%、36.62%，HNS和RNS處理間無顯著性差異，大小順序表現(xiàn)為HNS≈RNS>FNS>RN>FN。0～20 cm和20～40 cm土層土壤堿性磷酸酶活性變化范圍分別為9.18～14.22、7.63～11.35 mg/g，從大到小依次為HNS>RNS>FNS>RN>FN，F(xiàn)N和RN處理酶活性最小，且無顯著性差異，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理較FN處理分別提高32.57%、54.90%、39.87% 和27.65%、48.75%、38.40%。

2.4 秸稈還田對(duì)土壤微生物生物量碳氮的影響

由表4可見，各處理土壤微生物生物量碳、氮呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，0～20 cm和20～40 cm土層土壤微生物生物量碳含量變化范圍分別為160.12～173.93、122.98～133.36 mg/kg，總體表現(xiàn)為RNS>HNS>FNS> FN>RN，以RNS處理最高，RN和FN處理間無顯著性差異，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS的0～20 cm和20～40 cm土層土壤微生物生物量碳含量較對(duì)照FN處理分別提高3.37%、5.97%、7.40%和2.60%、6.89%、7.63%。0～20 cm和20～40 cm土層土壤微生物生物量氮含量變化范圍分別為16.54～21.96、15.12～20.08 mg/kg，總體表現(xiàn)為HNS>RNS>FNS>FN>RN，以HNS處理最高，RN處理最低，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS的0～20 cm和20～40 cm土層土壤微生物生物量氮含量較對(duì)照FN處理分別提高18.07%、26.35%、26.24% 和19.90%、26.85%、26.41%。各處理0～20 cm和20～40 cm土層微生物生物量碳氮比的范圍在7.81～9.68和6.60～8.13，秸稈還田與不還田處理間差異顯著，秸稈還田配施氮肥各處理間差異不顯著，均低于對(duì)照處理。

表4 不同處理下土壤微生物生物量碳氮量

2.5 土壤微生物生物量與土壤理化性質(zhì)及酶活性之間的相關(guān)性分析和通徑分析

對(duì)土壤微生物生物量碳氮與土壤含水量、碳氮含量和酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析和通徑分析，由表5可見，土壤微生物生物量碳與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，與土壤含水量和全氮含量無顯著相關(guān)性，與土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。土壤微生物生物量氮與有機(jī)碳、全氮含量及4種酶活性均呈顯著正相關(guān)，與土壤含水量也未表現(xiàn)出相關(guān)性。土壤微生物生物量與土壤含水量、碳氮含量和酶活性間關(guān)系復(fù)雜，本研究進(jìn)一步以通徑分析來說明它們之間的相互關(guān)系。土壤含水量對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的直接正效應(yīng)很大，但通過其他因子產(chǎn)生了強(qiáng)烈的負(fù)效應(yīng)，兩種作用相互影響，該因子的作用被完全抵消。土壤有機(jī)碳和全氮含量對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的直接效應(yīng)雖較小，但受其他因子的間接正效應(yīng)的影響較大，均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)；土壤過氧化氫酶活性對(duì)微生物生物量碳、氮的直接負(fù)效應(yīng)很大，但通過其他因子產(chǎn)生的間接正效應(yīng)將其完全抵消，土壤微生物生物生物量碳、氮與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)；土壤脲酶活性受其他因素影響作用被削弱，對(duì)微生物生物量碳的間接效應(yīng)較小，但對(duì)微生物生物量氮的間接正效應(yīng)較大；土壤堿性磷酸酶活性對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的直接負(fù)效應(yīng)很小，受其他因子的間接正效應(yīng)影響很大，其間接正效應(yīng)變大，其與土壤微生物生物量碳、氮呈顯著正相關(guān)，過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性與土壤供氮能力相關(guān)。土壤蔗糖酶活性與微生物生物量碳呈顯著正相關(guān)，蔗糖酶可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化，同時(shí)還是土壤微生物生物量碳的首要影響因素，與土壤碳循環(huán)關(guān)系密切。從土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的間接通徑系數(shù)來看，對(duì)土壤微生物生物量碳有較大影響的因素依次為過氧化氫酶、有機(jī)碳、蔗糖酶；對(duì)土壤微生物生物量氮有較大影響的因素依次為過氧化氫酶、有機(jī)碳、堿性磷酸酶、全氮和脲酶。由此可見，土壤微生物生物量碳、氮含量的高低不僅被其他土壤因子直接影響，還通過相互之間的作用間接調(diào)控土壤微生物生物量碳和氮。

表5 土壤微生物生物量與理化性質(zhì)及酶活性之間相關(guān)分析和通徑分析

注：*代表相關(guān)性顯著(<0.05)，**代表相關(guān)性極顯著(<0.01)，下劃線數(shù)據(jù)表示直接通徑系數(shù)，其余表示間接通徑系數(shù)。

2.6 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)作物產(chǎn)量的影響及綜合得分

由表6可見，秸稈還田配施氮肥可顯著提高玉米產(chǎn)量，各處理玉米產(chǎn)量順序從大到小依次為RNS> HNS>FNS>FN>RN，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS較對(duì)照處理FN分別提高5.30%、10.93%、11.41%，以氮肥后肥前移施用配合秸稈還田處理(RNS)產(chǎn)量提升幅度最大，不還田處理RN產(chǎn)量較對(duì)照處理FN有所降低，但差異未達(dá)顯著水平。各處理氮肥偏生產(chǎn)力順序從大到小依次為RNS>FNS>FN>RN>HNS，氮肥的常量投入即可獲得較高的氮肥偏生產(chǎn)力。將土壤含水量、碳氮含量、酶活性和微生物生物量進(jìn)行主成分分析綜合得分，各處理綜合得分大小順序?yàn)镽NS>HNS>FNS>FN>RN，與玉米產(chǎn)量吻合，其中RNS處理綜合得分最高。秸稈還田條件下氮肥后肥前移同樣可滿足玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的生產(chǎn)要求。

表6 各處理間玉米產(chǎn)量及綜合得分

3 討論

秸稈還田增施氮肥是實(shí)現(xiàn)秸稈高效資源化、加速秸稈分解與養(yǎng)分釋放、平衡土壤碳氮收支及培肥增產(chǎn)的有效措施[20]。本試驗(yàn)在往年秸稈翻耕還田基礎(chǔ)上[21-22]，結(jié)合本區(qū)域已成熟且推廣應(yīng)用的全膜壟溝栽培技術(shù)繼續(xù)開展氮肥運(yùn)籌試驗(yàn)，結(jié)果表明，秸稈還田與地膜覆蓋結(jié)合處理(FNS、HNS、RNS)較單一地膜覆蓋處理(FN、RN)提高了土壤含水量，二者的協(xié)同效應(yīng)提高了土壤保水增墑能力，降低了田間水分蒸騰散失，同時(shí)為秸稈腐解營(yíng)造了良好土壤水熱環(huán)境。這與楊封科等[23]在甘肅黃土高原旱作土壤探究秸稈還田與全膜覆蓋的響應(yīng)關(guān)系中得出的結(jié)論類似。

氮素運(yùn)移和調(diào)控直接決定還田秸稈的分解與養(yǎng)分釋放速率[24]。前人大量研究表明，秸稈不還田保證氮肥總量不變的前提下，通過氮肥后移，調(diào)整基追比例，重視追肥和后肥，增加作物生育中后期氮肥用量，可協(xié)調(diào)作物整個(gè)生育期對(duì)氮素的需求和優(yōu)化氮素供應(yīng)。然而秸稈還田條件下，一方面考慮作物生育前期土壤中秸稈對(duì)部分氮素的爭(zhēng)奪；另一方面隨著土壤中微生物對(duì)秸稈的逐步分解，秸稈中的養(yǎng)分也逐漸釋放可以被作物吸收利用，即秸稈可以作為作物后期生長(zhǎng)所需的氮源[25]。本研究表明，秸稈還田玉米田氮肥后肥前移后，耕層土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著提高，土壤碳氮比降低，且提升效果優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田。通過后肥前移秸稈還田，前期氮素供應(yīng)增多，增強(qiáng)了微生物的代謝活性，土壤有機(jī)碳、氮的正激發(fā)效應(yīng)增強(qiáng)，有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有機(jī)碳的分解，從而提高了土壤碳氮含量。由于氮肥后肥前移，玉米生育前期氮素投入增多，秸稈還田的玉米田土壤無機(jī)碳氮固持增加，中后期秸稈礦化分解后釋放大量碳素和氮素，為微生物的代謝與繁育提供了足夠的能源物質(zhì)，顯著提高了土壤微生物生物量碳氮，且秸稈還田與氮肥配施明顯降低了化肥對(duì)微生物的抑制作用。本研究表明，不同處理間土壤酶活性變化規(guī)律與微生物生物量一致，氮肥后肥前移土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性可以達(dá)到高量氮肥施用水平，土壤酶與土壤微生物相互依存和作用，秸稈作為外源碳介入農(nóng)田土壤，土壤酶來源增多，酶促反應(yīng)底物增加，且土壤微生物可利用碳源增加及其生存環(huán)境得以改善，從而使得土壤酶活性、微生物狀況得以改善。另外，本研究發(fā)現(xiàn)0～20 cm土層土壤碳氮、微生物生物量碳氮含量和酶活性均大于20～40 cm土層，即秸稈還田增加的土壤有機(jī)物質(zhì)主要向土壤表層聚集，這與李秀等[26]和羅珠珠等[27]研究結(jié)果一致，這可能是土壤中微生物生命活動(dòng)產(chǎn)生的熱以及地膜和表層土的保溫作用提高了土壤溫度，淺層秸稈礦化速率和養(yǎng)分釋放更快。

本研究中，相關(guān)分析和通徑分析表明，對(duì)土壤微生物生物量碳有較大影響的因素依次為過氧化氫酶、有機(jī)碳、蔗糖酶，對(duì)土壤微生物生物量氮有較大影響的因素依次為過氧化氫酶、有機(jī)碳、堿性磷酸酶、全氮和脲酶。過氧化氫酶與有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和腐殖質(zhì)形成相關(guān)，蔗糖酶與土壤碳循環(huán)相關(guān)，脲酶和堿性磷酸酶與土壤供氮能力和養(yǎng)分提升相關(guān)。土壤酶與土壤微生物之間相互依存和作用，且隨著酶活性和微生物生物量的提高，土壤有機(jī)碳氮的積累量增加，加速了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)，有利于土壤肥力的提高。土壤含水量雖未與土壤碳氮含量、酶活性和微生物生物量表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，但秸稈還田后土壤含水量提高，水熱環(huán)境得到改善，水肥耦合效應(yīng)提升明顯，加速了土壤養(yǎng)分循環(huán)，間接增強(qiáng)了土壤碳氮耦合效果，最終實(shí)現(xiàn)了秸稈還田氮肥前移后土壤水–碳–氮耦合效果的總體提升。

作物產(chǎn)量作為土壤生產(chǎn)力的綜合反映，秸稈還田后玉米產(chǎn)量顯著提高，可能是由于土壤水、碳、氮含量的綜合提升，土壤水分和養(yǎng)分供應(yīng)充足，提高了作物產(chǎn)量，契合了“有收無收在于水，多收少收在于肥”這一傳統(tǒng)說法。氮肥前移玉米產(chǎn)量?jī)?yōu)于當(dāng)?shù)亓?xí)慣氮肥施用，且可以達(dá)到高量氮肥施用水平，而提高氮肥用量玉米增產(chǎn)效果反而不明顯，這可能是過量施氮，土壤氮素盈余導(dǎo)致玉米貪青晚熟，影響了產(chǎn)量形成，這與叢日環(huán)等[28]觀點(diǎn)類似。

4 結(jié)論

秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤水、碳、氮量及作物產(chǎn)量影響顯著，秸稈還田處理0～100 cm土層土壤含水量顯著高于不還田處理，秸稈還田配施氮肥可顯著增加0～40 cm土層土壤碳氮積累，提高土壤酶活性和微生物生物量碳、氮，且0～20 cm土層高于20～40 cm土層，其中以氮肥后肥前移施用配合秸稈還田和高量氮肥施用配合秸稈還田處理提升效果最顯著。在產(chǎn)量和氮肥利用率方面，氮肥后肥前移施用配合秸稈還田處理玉米產(chǎn)量?jī)?yōu)于氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田處理，且可達(dá)到高量氮肥配施水平，氮肥的常量投入即可獲得較高的氮肥偏生產(chǎn)力。本研究推薦氮肥N 225 kg/hm2(基肥︰大喇叭口肥=1︰1)為內(nèi)蒙古黃土高原秸稈還田節(jié)氮、穩(wěn)產(chǎn)、增效氮素施用方式。

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Effects of Straw Returning and Nitrogen Application on Soil Water, Carbon and Nitrogen Coupling and Crop Yield

GAO Riping1,2,3,4, ZHAO Peiyi1,2,3,4*, HAN Yunfei1,2,3,4, LIU Xiaoyue1,2,3,4, DU Erxiao1,2,3,4, GAO Yu2,3,4, REN Yongfeng2,3,4, LI Huanchun2,3,4, ZHANG Peng2,3,4

(1 Inner Mongolia Academy of Agricultural & Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China; 2 College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 3 Inner Mongolia Key Laboratory of Dryland Farming, Hohhot 010031, China; 4 Science Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation Inner Mongolia, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hohhot, 011705, China)

In this paper, five different tillage measures were designed, including conventional use of N fertilizer (FN), FN combined with corn straw returning (FNS), high application rate of N fertilizer combined with corn straw returning (HNS), reducing topdressing N fertilizer to basal (RN), reducing topdressing N fertilizer to basal combined with corn straw returning (RNS).Correlation analysis and path analysis were used to further disclose the changes and coupling effects of soil physiochemical and biological properties.Compared with no straw returning (FN, RN), straw returning (FNS, HNS, RNS) significantly increased soil water content of 0–100 cm soil, and the synergistic effect of straw returning and full film ridge cultivation (FNS, HNS, RNS) was stronger than that of single plastic film mulching (FN, RN), which provided more suitable hydrothermal environment for the normal decomposition of straw.Compared with FN, treatments with straw returning significantly increased the contents of soil organic matter and total nitrogen, and the effects of RNS and HNS were the most significant.The activities of catalase, urease, sucrase and alkaline phosphatase as well as microbial biomass carbon and nitrogen in soil increased significantly, the activities of catalase, urease, sucrase and alkaline phosphatase were higher in 0–20 cm soil than in 20–40 cm soil, and there was no significant difference between FN, RN and RNS treatments.Soil microbial biomass carbon and nitrogen were significantly or extremely significantly positively correlated with soil enzyme activities and soil carbon and nitrogen, and soil microbial biomass carbon and nitrogen were sensitive to the changes of soil organic matter, sucrase, total nitrogen and catalase, which could indicate the changes in soil properties.Compared with FN, corn yields of FNS, HNS and RNS increased by 5.30%, 10.93% and 11.41%, respectively, and the higher partial productivity of N fertilizer could be obtained with the conventional input of N fertilizer.In conclusion, some topdressing N fertilizer used as basal fertilizer with straw returning can balance soil carbon and nitrogen budget, save cost, increase yield and nitrogen use efficiency, thus, it is a feasible technology model for straw returning in the Loess Plateau of Inner Mongolia.

Straw returning; Nitrogen application; Reducing topdressing proportion to basal; Soil water content; Soil carbon and nitrogen; Corn yield

S318

A

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0800806)、內(nèi)蒙古科技重大專項(xiàng)(2019ZD009)和呼和浩特市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019-農(nóng)-7)資助。

通訊作者(zhpy1972@163.com)

高日平(1995—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要從事旱地作物栽培與生理生態(tài)研究。E-mail：1101702390@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.009