王嘉豪， 李廷亮,2,3， 黃 璐， 宋紅梅

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太谷 030801；3.黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801)

黃土高原是我國(guó)典型旱作區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，水分不足，化肥過(guò)量施用不僅制約了肥料利用效率的提升，還造成土壤養(yǎng)分大量殘留，其中，土壤氮素殘留尤為嚴(yán)重。小麥?zhǔn)钱?dāng)?shù)刂匾Z食作物，種植面積占總耕地面積的44%，其秸稈富含氮、磷和鉀等養(yǎng)分元素，還田可培肥土壤并釋放礦質(zhì)養(yǎng)分，是一種重要的有機(jī)肥源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)西北地區(qū)小麥秸稈年均產(chǎn)量為1 826萬(wàn)t，秸稈全量還田相當(dāng)于施入農(nóng)田土壤中的N、PO、KO量分別為11.7×10，4.9×10，27.9×10t。明確黃土旱塬麥區(qū)秸稈還田替代部分化肥后，冬小麥產(chǎn)量形成以及水肥利用效率的變化特征，對(duì)推進(jìn)黃土高原旱作農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效綠色生產(chǎn)有重要意義。

近年來(lái)，我國(guó)作物肥料用量遠(yuǎn)超世界平均水平，達(dá)到346.5 kg/hm，而肥料利用率僅有30%左右。在黃土旱塬麥區(qū)，氮肥投入量遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前產(chǎn)量的氮素需求量，60%以上農(nóng)戶存在過(guò)量施氮現(xiàn)象。肥料過(guò)度施用使其大量殘留于土壤中，在黃土高原南部旱地冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，冬小麥?zhǔn)斋@期2 m土壤氮素殘留量甚至高達(dá)當(dāng)季施氮量的83.7%。過(guò)量施肥還會(huì)造成土壤板結(jié)，地下水體污染，造成極大的環(huán)境代價(jià)。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最經(jīng)濟(jì)有效的養(yǎng)分資源，具有較大的替代化肥潛力。宋大利等對(duì)2015年我國(guó)主要作物秸稈資源估算發(fā)現(xiàn)，我國(guó)小麥秸稈年資源量14 320萬(wàn)t，N、PO、KO儲(chǔ)量分別為88.4×10，23.3×10，175.4×10t。充分利用秸稈資源，對(duì)減少化肥投入，維持土壤養(yǎng)分平衡有重要意義。秸稈還田后可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加水分入滲能力并減少蒸發(fā)，極大程度提升土壤蓄水保墑能力。王慶杰等研究表明，秸稈覆蓋還田使冬小麥生育期內(nèi)平均土壤含水率提高15.4%～16.5%，覆蓋量越大，土壤含水率越高。不僅如此，秸稈還田還使作物生產(chǎn)性耗水能力增強(qiáng)，提高水分利用效率。秸稈還田還可以提升植株養(yǎng)分吸收量和籽粒轉(zhuǎn)移量，提升養(yǎng)分利用效率，減少肥料損失。同時(shí)，秸稈還田后有利于小麥個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育和群體構(gòu)建，增加小麥干物質(zhì)積累量，改善產(chǎn)量構(gòu)成三要素，使小麥增產(chǎn)。

秸稈還田量對(duì)改善土壤水分狀況、養(yǎng)分吸收利用和作物產(chǎn)量形成有重要的影響，但在不同生態(tài)區(qū)域內(nèi)不同秸稈還田量的調(diào)控效果存在差異，針對(duì)性地探究適宜本地區(qū)的秸稈還田量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物提質(zhì)增效綠色生產(chǎn)尤為重要。以往多單純考慮不同秸稈方式和還田量下作物的產(chǎn)量特征和水肥效應(yīng)，而有關(guān)秸稈還田替代部分化肥條件下，土壤水分和養(yǎng)分的變化特征及產(chǎn)量形成的研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)在黃土高原東南部的晉南旱塬冬麥種植區(qū)，研究不同秸稈還田量替代化肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成，水肥利用效率及土壤硝態(tài)氮?dú)埩籼卣鞯挠绊?，探明該地區(qū)的適宜的秸稈還田量及化肥替代當(dāng)量，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染防控，土壤質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2021年進(jìn)行，試驗(yàn)地位于黃土高原東南部的山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村(36°22′N，111°35′E，海拔648 m)，是典型的小麥一年一作區(qū)。該地區(qū)屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年均氣溫12.6 ℃，積溫3 300 ℃左右，無(wú)霜期180～210天，年均降水量500 mm，約60%～70%集中于6—9月，降水分布不均勻。供試土壤為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤。試驗(yàn)開始前耕層土壤有機(jī)碳和全氮含量分別為9.85，0.85 g/kg，硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量分別為22.0，23.4，289.6 mg/kg，pH為8.1。試驗(yàn)期降水情況見圖1。

圖1 試驗(yàn)期降水量分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以秸稈資源化利用替代部分化肥為目標(biāo)，設(shè)置4個(gè)處理：(1)秸稈不還田(S0)，小麥?zhǔn)斋@后，將小麥秸稈移走，2～3周后翻地；(2)秸稈半量還田(S1/2)，移走1/2的小麥秸稈；(3)秸稈全量還田(S1)；(4)秸稈2倍量還田(S2)，從其他地方移來(lái)。每個(gè)處理重復(fù)4次，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積30 m×4.2 m=126 m。試驗(yàn)期間秸稈還田量基于上一年S1處理秸稈產(chǎn)量計(jì)算，因產(chǎn)量年際差異，年度間秸稈還田量也有一定差異。秸稈還田方式為粉碎翻壓還田。

3年度冬小麥播種時(shí)間為2018年10月14日、2019年10月20日和2020年10月12日，收獲時(shí)間為2019年6月9日、2020年6月3日和2021年6月5日，6月中旬到9月下旬為夏閑期。冬小麥播種方式為壟膜溝播，施肥整地后，起壟覆膜，溝內(nèi)膜側(cè)播種，播種2行，行距20 cm，壟寬35 cm，壟高10 cm，溝寬30 cm。供試小麥品種為“晉麥47”，播量為150 kg/hm，試驗(yàn)期間無(wú)任何灌溉。

各處理所用氮肥為尿素(N含量為46%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(PO含量為16%)，各處理施肥量根據(jù)“1 m硝態(tài)氮監(jiān)控，磷鉀恒量施肥”原則，在秸稈還田前采集土壤樣品測(cè)定1 m土層硝態(tài)氮含量，0—40 cm土層速效磷、速效鉀含量，根據(jù)所得養(yǎng)分含量并結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)量確定施肥量，根據(jù)秸稈養(yǎng)分含量及養(yǎng)分釋放量計(jì)算得到最終施肥量，另設(shè)不施肥處理做空白對(duì)照。

2018—2019年還田秸稈中N、PO、KO含量分別為0.61%，0.56%，1.45%；2019—2020年分別為0.57%，0.41%，1.52%；2020—2021年分別為0.64%，0.27%，1.53%。秸稈腐解的氮、磷和鉀的釋放率按50%，65%，90%計(jì)算。各處理具體施肥量以及秸稈還田量見表1。所有肥料均作為底肥一次性施入。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集 在冬小麥播前和收獲采集0—2 m土壤，每20 cm為1層，用于測(cè)定土壤含水量和硝態(tài)氮含量。在冬小麥?zhǔn)斋@期于各小區(qū)中央收獲15 m×2 m=30 m的小麥，脫粒后測(cè)產(chǎn)，并在各小區(qū)有代表性的選取3個(gè)1 m的小麥樣段，用于測(cè)定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

表1 不同處理施肥量及秸稈還田替代化肥比例

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 土壤含水量用烘干法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮含量以氯化鉀浸提，紫外分光光度法測(cè)定，土壤速效磷含量用碳酸氫鈉浸提，鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量用乙酸銨浸提，火焰光度法測(cè)定。

1.3.3 計(jì)算方法 (1)土壤貯水量、耗水量及水分利用效率的計(jì)算公式為：

=×××10

(1)

式中：為土壤貯水量(mm)；為土層深度(cm)，每20 cm為1層；為土壤容重(g/cm)，0—20，20—40，40—60，60—80，80—200 cm的土壤容重分別為1.25，1.35，1.35，1.30，1.36 g/cm；為土壤質(zhì)量含水量(%)。

=(-)+

(2)

式中：為土壤耗水量(mm)；為冬小麥生育期降水量(mm)；、分別為播前和收貨后的土壤貯水量(mm)。由于本試驗(yàn)中僅有降水作為水分來(lái)源，無(wú)地表徑流且試驗(yàn)地地下水為較深故用此式。

WUE=

(3)

式中：WUE為水分生產(chǎn)效率(kg/(hm·mm))；為冬小麥籽粒產(chǎn)量(kg/hm)。

(2)養(yǎng)分利用效率的計(jì)算公式為：

氮(磷)肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮(磷)處理冬小麥籽粒產(chǎn)量(kg/hm)/施氮(磷)量(kg/hm)

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施氮處理冬小麥籽粒產(chǎn)量(kg/hm)-不施氮處理冬小麥籽粒產(chǎn)量(kg/hm))/施氮量(kg/hm)

氮肥當(dāng)季回收率(%)=(施氮處理冬小麥?zhǔn)斋@后地上部氮累積量(kg/hm)—不施氮處理冬小麥?zhǔn)斋@后地上部氮累積量(kg/hm))/施氮量(kg/hm)×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并做圖表，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2可知，試驗(yàn)期間在秸稈替代8.3%～31.9% N和15.8%～63.2% PO基礎(chǔ)上，秸稈還田處理冬小麥籽粒產(chǎn)量較不還田處理平均增加14.7%。2018—2019年，秸稈還田替代化肥處理下籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，僅S1處理較S0處理提高35.1%(<0.05)；2019—2020年，秸稈還田替代化肥處理間差異亦不顯著，平均為4 315 kg/hm，S1、S2處理較S0處理提升顯著；2020—202年，籽粒產(chǎn)量的變化規(guī)律與2019—2020年類似，秸稈還田替代化肥處理的籽粒產(chǎn)量提高6.3%～25.8%(<0.05)，S2處理顯著高于其他處理，為5 160 kg/hm(<0.05)。不同處理下冬小麥生物產(chǎn)量變化規(guī)律類同于籽粒產(chǎn)量。旱塬冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量受降水量影響，表現(xiàn)出極顯著的年際差異，且年份與秸稈還田替代化肥處理的交互作用也對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有極顯著影響。隨著降水量的增加，增加秸稈還田量可產(chǎn)生更大的產(chǎn)量效應(yīng)?？傮w而言，在增加秸稈還田量使化肥逐漸減量的條件下，S2處理的產(chǎn)量效應(yīng)最佳，較S0、S1/2和S1處理高17.5%(<0.05)，10.4%(<0.05)，4.3%。3年內(nèi)不同處理間冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)沒有顯著變化，平均為39.4%。

從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，年份和不同處理以及兩者交互作用對(duì)冬小麥穗數(shù)具有極顯著的影響。不同處理對(duì)穗粒重和千粒重均無(wú)顯著影響，但年度間穗粒重和千粒重均有顯著差異?？傮w上，S2處理冬小麥穗數(shù)分別較S0、S1/2和S1處理高17.1%(<0.05)，12.3%(<0.05)，3.6%。不同處理冬小麥穗粒數(shù)和千粒重平均值分別為23.0粒和31.0 g。

表2 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.2 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)旱地冬小麥水分效應(yīng)的影響

由表3可知，前2年不同處理間播前2 m土壤貯水量變幅不大，而2020—2021年，休閑期降水大幅增長(zhǎng)，秸稈還田替代化肥處理對(duì)播前底墑提升顯著，S2處理的播前2 m土壤貯水量最高。從3年總體變化情況看，播前2 m土壤貯水量隨著還田量的增加而增加，S2處理的播前2 m土壤貯水量較S0處理提高8.3%(<0.05)，這為冬小麥高產(chǎn)提供了良好條件。收獲后各處理2 m土壤貯水量差異不顯著，不同降水冬小麥播前2 m土壤貯水量呈隨休閑期降水量增加而增加的趨勢(shì)，收獲后2 m土壤貯水量受降水量影響不大。冬小麥生育期耗水量表現(xiàn)為隨著還田量的增加而增加，總體上秸稈還田替代化肥后冬小麥耗水量增加，但不同還田量間差異不顯著，僅S2處理較S0處理顯著提高10.0%。耗水量變化規(guī)律與播前土壤貯水量類同。3年內(nèi)不同處理間水分生產(chǎn)效率差異不顯著，平均為14.9 kg/(hm·mm)。

2.3 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)旱地冬小麥肥料利用效率的影響

由表4可知，總體上秸稈還田替代化肥處理的旱塬冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)、氮肥農(nóng)學(xué)效率()、氮肥當(dāng)季回收率()和磷肥偏生產(chǎn)力(PFP)較不還田處理分別提高37.8%，90.4%，62.0%，55.6%。各年度不同處理間肥料利用效率均表現(xiàn)為隨著還田量的增加而增加，S2處理下PFP、、和PFP均為最高。從3年變化情況來(lái)看，半量秸稈還田(S1/2處理)替代化肥后(替代比例為N 8.3%，PO15.8%)肥料利用效率提升不顯著，提高秸稈還田量(S1、S2處理)替代更多化肥后(替代比例為N 16.7%～31.9%，PO31.6%～63.2%)，肥料利用率顯著提升。其中，S2處理下平均PFP、、和PFP顯著高于其他處理，與S0處理相比提高幅度分別達(dá)到66.4%，155.8%，113.5%，105.2%。旱塬冬小麥肥料利用效率表現(xiàn)出隨年度降水量增加而增加的趨勢(shì)。

表3 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)冬小麥水分利用的影響

表4 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)冬小麥肥料利用效率的影響

2.4 不同秸稈還田量替代化肥對(duì)晉南旱塬麥田硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊?/h3>

由圖2可知，2018年播前2 m硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?07.4 kg/hm，經(jīng)過(guò)3季種植后，秸稈不還田(S0)處理2 m硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^2018年播前提高100.6%，0—40 cm土層硝態(tài)氮?dú)埩粽嫉娇倸埩袅康?4.9%，隨水向下淋移并集中于140—200 cm土層，占總殘留量25.5%。連續(xù)3年秸稈還田替代化肥處理與秸稈不還田處理相比，2 m硝態(tài)氮?dú)埩袅坑忻黠@差異，更多量秸稈還田以及化肥減量后土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅恐饾u下降，且2021年收獲后，S1和S2處理2 m硝態(tài)氮?dú)埩袅烤陀?018年播前，表明通過(guò)秸稈還田替代化肥在減少肥料投入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤殘留氮肥有效利用，降低了硝態(tài)氮隨水下滲的風(fēng)險(xiǎn)。不同處理間以S2處理(平均替代N 31.9%)2 m土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅孔畹?，?44.8 kg/hm，較2018年播前2 m土壤硝態(tài)氮量減少了20.4%(<0.05)。秸稈還田替代化肥處理2 m土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅糠植家?guī)律與2018年播前一致。

3 討 論

3.1 秸稈還田替代化肥對(duì)旱塬冬小麥產(chǎn)量形成特征的影響

黃土旱塬冬麥區(qū)，秸稈還田替代部分化肥能提高冬小麥產(chǎn)量。本研究中，秸稈還田在替代8.3%～31.9% N，15.8%～63.2% PO基礎(chǔ)上，冬小麥平均增產(chǎn)14.7%。作物產(chǎn)量主要受土壤水分、溫度以及養(yǎng)分變化影響，秸稈還田不僅能增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，調(diào)節(jié)土壤溫度，還能顯著提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平和能力，從而產(chǎn)生更大的增產(chǎn)效應(yīng)。作物秸稈存在巨大的替代化肥潛力，在秸稈還田基礎(chǔ)上減施化肥存在可行性。有研究表明，化肥減量15%～30%配合秸稈還田能提升土壤肥力水平，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，與本研究結(jié)果基本一致。因此，秸稈還田可作為一種化肥減量有機(jī)替代手段。另外，前人研究表明，黃土高原西部實(shí)行前茬作物秸稈半量至全量還田能在提高土壤水分及養(yǎng)分的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力并使作物增產(chǎn)。本研究中，在晉南旱塬麥區(qū)以2倍秸稈還田(平均為7 477 kg/hm)，產(chǎn)量效應(yīng)最佳。這可能與當(dāng)?shù)赝寥赖貎?chǔ)量有關(guān)，秸稈分解轉(zhuǎn)化過(guò)程氮素消耗并不影響作物養(yǎng)分吸收，且2倍秸稈還田量能為冬小麥生長(zhǎng)營(yíng)造更好的土壤環(huán)境，從而使冬小麥產(chǎn)量提高顯著。不僅如此，更高的化肥替代比例降低生產(chǎn)成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益相統(tǒng)一。此外，本研究中年際差異也對(duì)冬小麥產(chǎn)量存在極顯著影響，降水量少時(shí)冬小麥生長(zhǎng)受到抑制，作物產(chǎn)量整體較低，此時(shí)秸稈全量還田替代化肥處理的籽粒產(chǎn)量最高，這可能是2倍量秸稈還田后腐解過(guò)程中水分消耗加大，在土壤水分不足時(shí)產(chǎn)生與作物競(jìng)爭(zhēng)水分的現(xiàn)象，影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育。降水增多保證了土壤水分供應(yīng)，增加還田量產(chǎn)生更大增產(chǎn)效應(yīng)，表現(xiàn)出隨著還田量的增加而增加的趨勢(shì)。

注：S0、S1/2、S1、S2數(shù)據(jù)為2021年小麥?zhǔn)斋@后土壤中硝態(tài)氮含量。

有研究表明，秸稈還田后穗數(shù)變化是影響小麥產(chǎn)量的直接原因。本研究中秸稈還田替代化肥處理在不同程度上提高了冬小麥穗數(shù)，總體表現(xiàn)為2倍秸稈還田量替代化肥處理提升最多。秸稈2倍量還田處理營(yíng)造了更好的水熱條件，使其群體數(shù)量更大，穗數(shù)的提升效果最佳。本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對(duì)冬小麥穗粒數(shù)和千粒重影響不顯著，可能是短期秸稈還田并未影響冬小麥單穗結(jié)實(shí)率及灌漿過(guò)程。

3.2 秸稈還田替代化肥對(duì)晉南旱塬冬小麥水分利用的影響

水分是旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子，而秸稈還田能抑蒸保墑，提高作物水分利用效率。秸稈還田量影響著保墑效果，已有研究表明，在華北麥玉種植區(qū)，秸稈還田量與播前土壤水分含量呈線性關(guān)系，水分含量隨著還田量的增加而增加。本研究中，播前2 m土壤貯水量總體隨著秸稈還田量的增加而增加，S2處理提升最多，與上述研究結(jié)果一致。良好的播前底墑促進(jìn)了冬小麥盤根分蘗，有利于培育壯苗，同時(shí)，也為冬小麥后期生長(zhǎng)提供良好的水分基礎(chǔ)，促進(jìn)冬小麥增產(chǎn)。本研究中隨著夏休閑期降水量越多，秸稈還田的蓄水保墑能力得以發(fā)揮，不同秸稈還田量蓄水保墑差異越明顯。當(dāng)然，秸稈還田量并不是越多越好，適量秸稈還田能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高播前保墑貯水能力，過(guò)量還田則可能引起腐解過(guò)程耗水過(guò)多，加劇田間蒸發(fā)，影響土壤含水量，需因地制宜確定秸稈還田量。收獲后2 m貯水量差異不顯著，這可能是秸稈還田對(duì)土壤水分的時(shí)空再分配，平衡了各生育階段的水分需求所導(dǎo)致。

土壤水分的增加使冬小麥生長(zhǎng)耗水增加，冬小麥耗水量隨年度降水量增加呈增加趨勢(shì)，秸稈還田替代化肥處理冬小麥生育期耗水增加了6.8%～10.0%，耗水量增加促進(jìn)小麥干物質(zhì)積累量增加，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，與前人研究結(jié)果一致。另外，本研究中不同秸稈還田量處理的水分生產(chǎn)效率差異不顯著，平均為14.9 kg/(hm·mm)，表明秸稈還田增產(chǎn)的耗水量主要用于了冬小麥產(chǎn)量的形成。其他研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田受腐解程度和該地區(qū)的秸稈還田量閾值的影響，未能提高水分利用效率。而本研究中，不同降水年型下冬小麥的水分生產(chǎn)效率差異亦不明顯，可能是由于降水量的提高，水分無(wú)效比例也在增加，這限制了水分利用效率的提升。

3.3 秸稈還田替代化肥對(duì)晉南旱塬冬小麥肥料利用效率的影響

化肥過(guò)量施用導(dǎo)致大量養(yǎng)分在土壤中殘留，限制了肥料利用效率的提升。作物秸稈有巨大的化肥替代潛力，在減肥基礎(chǔ)上以秸稈替代，有利于肥料利用效率的提升。曾研華等研究表明，南方稻區(qū)實(shí)行秸稈全量還田可替代氮磷鉀肥29.5%，4.0%，50.0%基礎(chǔ)上，提升植株對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收運(yùn)移，降低土壤中無(wú)機(jī)養(yǎng)分的殘留，提高肥料利用效率。本研究中，秸稈還田替代化肥處理與不還田處理相比，冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥當(dāng)季回收率、磷肥偏生產(chǎn)力分別提高37.8%，90.4%，62.0%，55.6%，不僅減少化肥投入，還實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分高效利用。原因是秸稈還田后自身腐解釋放的營(yíng)養(yǎng)元素補(bǔ)充了被替代的部分化肥，平衡養(yǎng)分供應(yīng)。此外，秸稈經(jīng)分解后為微生物提供豐富的碳源，增加了土壤微生物數(shù)量和活性，提升養(yǎng)分有效性，土壤養(yǎng)分供應(yīng)潛力和供應(yīng)能力增強(qiáng)，養(yǎng)分無(wú)效損失比例也大大降低，更多的養(yǎng)分被作物吸收利用，進(jìn)而使肥料利用效率提升。還田量過(guò)大會(huì)引起C/N失衡，微生物固定氮素不僅使作物吸收量減少，還造成氮肥氣態(tài)損失，影響肥料利用效率，而本研究中，提高秸稈還田量替代更多化肥后(替代比例為N 16.7%～31.9%，PO31.6%～63.2%)，肥料利用率也隨之提升。原因是試驗(yàn)地土壤氮素含量高，高量秸稈還田并未影響作物對(duì)氮素的吸收利用，以及高量秸稈還田后產(chǎn)生更大的產(chǎn)量效應(yīng)，使肥料利用效率提升顯著。本研究中旱塬冬小麥肥料利用效率隨降水量增加而增加的趨勢(shì)，表明土壤水分對(duì)不同還田量替代化肥的肥料利用效率的影響不可忽視。

3.4 秸稈還田替代化肥對(duì)晉南旱塬麥田硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊?/h3>

硝態(tài)氮是植物吸收利用的土壤氮的主要形態(tài)之一，上季作物收獲后殘留的硝態(tài)氮能被下季作物吸收利用，但殘留過(guò)量則可能導(dǎo)致在降水量或灌溉量大時(shí)，使硝態(tài)氮向深層淋洗，造成地下水污染。本研究中連續(xù)3年秸稈不還田，0—2 m硝態(tài)氮累積量較2018年播前增加100.6%，由于較高的降水強(qiáng)度(試驗(yàn)期內(nèi)累計(jì)降水量為1 292.1 mm)，有向下淋溶趨勢(shì)，表現(xiàn)為在140—200 cm土層累積，占總殘留量的25.5%。本研究還表明，不同秸稈還田量替代化肥處理均可以減少黃土旱塬麥田土壤2 m硝態(tài)氮?dú)埩袅?，其中?倍還田量處理(平均替代N 31.9%)較2018年播前降低了20.4%(<0.05)。已有研究表明，化肥減量降低了土壤中氮素殘留程度，而秸稈還田提高作物地上部吸氮量，更多土壤氮素被作物攜出，同時(shí)也提升微生物活性和數(shù)量，使易損失的無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)氮，從而使無(wú)機(jī)氮含量下降。Dai等研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原每1 mm降水可使硝態(tài)氮向下淋溶3.6 mm，本研究中秸稈還田替代化肥后硝態(tài)氮主要在表層聚集，較少的氮肥投入，以及秸稈還田提升作物吸氮量和土壤固氮量，有效降低了硝態(tài)氮隨水向下淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。此外，本研究?jī)H實(shí)行了3年秸稈還田，而有研究表明，長(zhǎng)期秸稈還田不僅能固持硝態(tài)氮，還能降低深層土壤中氮礦化速率和硝化潛勢(shì)，降低氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)。因此，持續(xù)推進(jìn)秸稈還田替代部分化肥，對(duì)防治農(nóng)業(yè)面源污染，保證糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

4 結(jié) 論

黃土旱塬冬麥區(qū)，秸稈還田可增加冬小麥播前底墑，在替代8.3%～31.9% N和15.7%～63.2% PO基礎(chǔ)上，顯著提高肥料利用效率并降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?，進(jìn)而提高冬小麥產(chǎn)量。秸稈還田處理的產(chǎn)量及水肥效應(yīng)受降水年型影響表現(xiàn)出較大的年際差異性，降水量增加可提升秸稈還田處理的產(chǎn)量及水肥利用效率?？傮w來(lái)看，在晉南黃土旱塬麥區(qū)，以2倍秸稈還田量(平均為7 477 kg/hm)產(chǎn)生的增量和水肥效應(yīng)最佳。水肥利用效率提升同時(shí)可降低肥料過(guò)量施用引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可推進(jìn)旱作冬小麥高產(chǎn)高效綠色生產(chǎn)。