劉紅杰 任德超 倪永靜 葛君 張素瑜 呂國華 胡新

（1 商丘市農(nóng)林科學(xué)院，476000，河南商丘；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，100081，北京）

秸稈還田不但可以提高土壤有機(jī)碳含量，而且有利于土壤的微生物繁殖、酶活性提升和理化性質(zhì)改善。同時秸稈中富含氮、磷、鉀元素，對促進(jìn)土壤養(yǎng)分平衡、土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力提升極其重要[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年秸稈總量已超過9 億t[2]，可提供N 776.8 萬t、P2O5221.34 萬t 和K2O 1258.2萬t，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。秸稈快速腐解時需要大量的養(yǎng)分，易引起與作物幼苗生長之間爭奪土壤氮素，導(dǎo)致作物幼苗缺氮而黃化、瘦弱，而施入化肥氮素可以緩和爭奪氮素的矛盾[3]，從而促進(jìn)作物生長，增加產(chǎn)量。施用氮肥對作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響顯著，但單一增施氮肥不僅造成氮肥利用率低，經(jīng)濟(jì)效益下降，而且長期大量施用會導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮的過度積累，增加水體和大氣污染及生態(tài)惡化的風(fēng)險[4]?；驶蛘呓斩拞我皇┯貌⒉荒芫S持作物可持續(xù)生產(chǎn)，不是促進(jìn)作物增產(chǎn)的最佳途徑[5-6]。秸稈還田配施適量無機(jī)化肥能顯著改善土壤質(zhì)量，增加作物生產(chǎn)的穩(wěn)定性和持續(xù)性[7]。秸稈還田可以實現(xiàn)對化學(xué)肥料的部分替代，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)肥料的依賴性[8]。近年來，關(guān)于秸稈還田與氮肥互作種植模式的研究較多。Sun等[9]研究認(rèn)為，秸稈還田配施化肥可以提高所有與氮素循環(huán)相關(guān)的功能基因豐度。Chen 等[10]研究表明，秸稈還田配施化肥相比于單施秸稈可以顯著提升土壤肥力和酶活性，改變細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。成臣等[11]研究表明，秸稈還田與施氮互作可以降低土壤容重，改善土壤理化性質(zhì)。楊艷華等[12]和董印麗等[13]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與施氮互作促進(jìn)了土壤養(yǎng)分及酶活性的提高，為作物生長提供了更優(yōu)的土壤環(huán)境，達(dá)到增產(chǎn)的目的。

受環(huán)境、地域以及互作模式的影響，秸稈還田和氮肥對土壤肥力的提升效應(yīng)和提高作物產(chǎn)量的能力有所不同[14]。豫東地區(qū)處于黃淮平原腹地，是中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一。在冬小麥生產(chǎn)中普遍存在氮肥過量投入的問題，本試驗以冬小麥穩(wěn)產(chǎn)為前提，采用田間定位試驗，探討了秸稈還田下減量施氮對土壤養(yǎng)分、酶活性以及冬小麥產(chǎn)量的影響，為區(qū)域內(nèi)冬小麥生產(chǎn)中氮肥合理施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省商丘市梁園區(qū)李莊鄉(xiāng)商丘市志誠種植農(nóng)民合作社種植基地（115°37′34″E，34°31′32″N），土壤類型為潮土，該地屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫14.5℃，年日照時數(shù)2350h，年均降水量650mm，年均無霜期210d。土地流轉(zhuǎn)10 年以上，土壤肥力均勻，地勢平整，2017年耕層有機(jī)質(zhì)18.1g/kg、全氮1.05g/kg、速效磷41.4mg/kg、速效鉀192.3mg/kg、pH 7.22。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗地為小麥、玉米周年輪作，秸稈全量還田。試驗設(shè)置6 個處理，分別為不施氮（T1）、減氮70%（T2）、減氮40%（T3）、減氮20%（T4）、施全量純氮300kg/hm2（T5，對照）和秸稈移除下施純氮300kg/hm2（T6）。小區(qū)面積350m2（7m×50m），行距0.2m，小區(qū)隨機(jī)排列，重復(fù)3 次。試驗品種為半冬性優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種鄭麥369，播種量為172.5kg/hm2。各處理磷肥和鉀肥用量一致，分別為磷肥（P2O5）90kg/hm2和鉀肥（K2O）45kg/hm2。70%氮肥與全部磷鉀肥在整地前撒施，其余30%氮肥在小麥返青起身期追施。于2017-2020 年連續(xù)3 年定位試驗，其他管理同大田。

1.2.2 土壤樣品采集 于2020 年6 月小麥成熟期進(jìn)行取樣，每個小區(qū)采用五點取樣法，收集0～20cm深土樣并混合均勻，標(biāo)記后帶回實驗室進(jìn)行風(fēng)干和過篩處理，用來測定土壤養(yǎng)分和土壤酶活性。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分及酶活性 土壤養(yǎng)分的測定[15]如下，采用重鉻酸鉀―硫酸外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量。采用半微量凱式定氮法測定全氮含量。采用鉬銻抗比色法測定有效磷含量。采用火焰光度計比色法測定速效鉀含量。采用電位法測定pH。土壤酶活性的測定[16]如下，采用苯酚鈉次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性。采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性。采用高錳酸鉀容量滴定法測定過氧化氫酶活性。采用鄰苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素 于冬小麥蠟熟中期，每小區(qū)隨機(jī)采集3 個1m 雙行樣段，標(biāo)記后帶回實驗室，風(fēng)干后考察產(chǎn)量三要素（穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重）。各小區(qū)隨機(jī)選取長勢均勻一致的3 個2m2樣方，風(fēng)干后脫粒稱重，換算成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 和SPSS 23 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，采用LSD 方法進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下減量施氮對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表1 可知，與T6 處理相比，秸稈還田處理增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，不同施氮量處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響不一致，僅T4 和T3 處理能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，分別比T6 處理提高了12.20%和15.59%。與對照（T5）處理相比，秸稈移除和減量施氮處理都會降低全氮和有效磷含量，其中T6 和T4 處理的全氮和有效磷含量下降相對較小，不存在顯著性差異。但減施氮量20%以上將會顯著降低土壤全氮和有效磷含量；與T6 處理相比，秸稈還田能促進(jìn)土壤速效鉀含量的增加，增加幅度為6.50%～23.77%，且隨著氮肥減量比例的增加，土壤速效鉀含量呈先降后升的變化趨勢。其中T3 和T4處理的速效鉀含量與T5 處理存在顯著性差異。秸稈還田下不施氮處理土壤速效鉀含量最高，達(dá)到了234.64mg/kg，與T5 處理差異不顯著，這可能是因為不施氮肥時冬小麥產(chǎn)量降低明顯，導(dǎo)致速效鉀吸收利用降低，加上每年外源鉀（秸稈鉀和化肥鉀）的施入，促進(jìn)了土壤速效鉀的積累；與T5 處理相比，秸稈移除能降低土壤pH，而同在秸稈還田條件下，減量施氮能促進(jìn)土壤pH 提升，且隨著減量比例的增加，土壤pH 有逐漸升高的趨勢，但均未達(dá)到顯著性差異。

表1 不同處理對土壤養(yǎng)分含量和pH 的影響Table 1 Effects of different treatments on soil nutrient contents and pH

2.2 秸稈還田下減量施氮對土壤酶活性的影響

由表2 可知，與T6 相比，秸稈還田能增加大部分處理的土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性。而秸稈還田條件下，隨著氮肥減量比例的增加，土壤過氧化氫酶活性逐漸增加，而土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶活性則呈先升后降的變化趨勢。其中，T2 和T3 處理的土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性都處于較高水平，與T5 處理相比，土壤過氧化氫酶活性分別提高31.94%和18.25%，堿性磷酸酶活性分別提高37.50%和41.67%，蔗糖酶活性分別提高7.55%和13.21%；與T5 處理相比，秸稈移除和減量施氮都會影響土壤脲酶活性，但各處理的脲酶活性相差較小，差異不顯著。

表2 不同處理對土壤酶活性的影響Table 2 Effects of different treatments on soil enzyme activities

2.3 秸稈還田下減量施氮對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

通過對冬小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的分析（表3）可知，除T1 處理外，其他秸稈還田處理的穗粒數(shù)都低于秸稈移除處理（T6），說明秸稈還田不利于穗粒數(shù)的增加。且隨著減量比例的增加，穗粒數(shù)逐漸降低。T2 處理的穗粒數(shù)最低，僅為28.37，除T3 理外，與其他處理存在顯著性差異。T1 處理的穗粒數(shù)最多，為33.80，可能因為不施氮不利于小麥分蘗。除T1 處理外，其他秸稈還田處理的穗數(shù)均高于T5 處理，說明秸稈還田配施適量氮肥利于穗數(shù)的增加。與T5 處理相比，隨著氮肥減量比例的增加，穗數(shù)呈先增后降的變化趨勢，其中T3 處理的穗數(shù)處于最高水平，為706.90 萬穗/hm2，除T2 處理外，均與其他處理存在顯著性差異，說明秸稈還田條件下，配施適量氮肥能促進(jìn)穗數(shù)的增加，而施氮量過多或過少則不利于穗數(shù)的增加。與T5 處理相比，秸稈移除和減量施氮處理對千粒重數(shù)影響較小，且不存在顯著性差異。與T5 處理相比，秸稈移除和減量施氮都對冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生影響，秸稈移除處理會降低產(chǎn)量，但未達(dá)到顯著水平。而冬小麥產(chǎn)量則隨著氮肥減量比例的增加先增后降，T4 處理產(chǎn)量最高，為8197.74kg/hm2，但與T3處理差異不顯著，說明氮肥減量40%并結(jié)合秸稈還田依然具有較高的產(chǎn)量水平。

表3 不同處理對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table 3 Effects of different treatments on wheat yield and its components

由圖1 可知，產(chǎn)量隨施氮量變化的方程擬合系數(shù)R2＞0.92，說明建立的二次曲線方程能較好地反映施氮量與產(chǎn)量的相關(guān)性。擬合方程的拐點表示最高產(chǎn)量出現(xiàn)的位置，在施氮量為211.76kg/hm2時，冬小麥產(chǎn)量達(dá)到最大值，為8049.50kg/hm2。

圖1 秸稈還田下不同施氮量對冬小麥產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different nitrogen applications on winter wheat yield under straw returning

3 討論

秸稈還田不但可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善理化性質(zhì)[17]，而且可為微生物的繁殖和活動提供能量，促進(jìn)土壤生物活性提高和養(yǎng)分循環(huán)[18]。宋朝玉等[19]認(rèn)為，長期秸稈還田可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。配施減量20%～40%氮肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量處于較高水平，說明秸稈還田下配施適量氮肥可以加快作物秸稈的腐解，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[20]。與秸稈移除全量施氮相比，秸稈還田全量施氮能提高土壤全氮和有效磷含量，但未達(dá)到顯著差異，這與馬麗娜等[21]研究結(jié)論相同。但隨著施氮量的降低，土壤全氮和有效磷含量有逐漸降低趨勢，秸稈還田配施減量40%以上氮肥處理的全氮和有效磷含量均處于較低水平，均與秸稈全量氮肥處理存在顯著性差異，但與秸稈移除全量施氮處理不存在顯著性差異?？梢娊斩掃€田不會顯著影響土壤全氮含量，但減量施氮會降低土壤全氮和有效磷含量；與秸稈移除處理相比，秸稈還田處理的土壤速效鉀含量提高了6.49%～23.77%，說明秸稈還田可提高土壤速效鉀含量，這與戴志剛等[22]和謝占軍等[23]研究結(jié)論基本一致。配施減量20%～40%氮肥處理的土壤速效鉀含量增加幅度在6.5%以上，可能是因為秸稈還田下適量施用氮肥能顯著提高冬小麥產(chǎn)量，促進(jìn)了速效鉀的吸收利用[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤pH 有一定正效應(yīng)，減緩?fù)寥浪峄潭?，但氮肥水平對土壤pH 含量影響不顯著，這與王學(xué)敏等[25]的研究結(jié)論基本一致。

土壤酶是土壤代謝的主要動力，其活性高低反映了土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度和方向，是衡量土壤質(zhì)量的指標(biāo)[26]。宮秀杰等[27]認(rèn)為，秸稈還田配施氮肥能夠增加土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性。劉瑋斌等[28]和高日平等[29]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以顯著提高土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。但也有學(xué)者[30]認(rèn)為，減量施氮配施有機(jī)肥能增加土壤脲酶活性，對蔗糖酶和堿性磷酸酶活性無顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下配施氮肥能增加土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，且減量施氮更利于土壤酶活性的提升。秸稈還田配施氮肥則對土壤脲酶活性無顯著影響。

目前，秸稈還田在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要措施。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥可顯著增加冬小麥的產(chǎn)量，這與王金金等[31]的研究結(jié)論相同。有學(xué)者[32]認(rèn)為，施氮量與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系，在一定范圍內(nèi)施氮量能增加產(chǎn)量，施氮量過低或過高會造成產(chǎn)量降低，這與本研究結(jié)果一致。本研究中，與秸稈移除全量施氮處理相比，秸稈還田配施減量20%氮肥處理顯著增產(chǎn)，說明該處理施氮量處于相對合適水平（求解施氮量和籽粒產(chǎn)量的一元二次擬合方程，顯示最佳施氮量212.76kg/hm2，相當(dāng)于減量約30%），說明秸稈還田下氮肥減量具有較大的擴(kuò)展空間。從產(chǎn)量構(gòu)成要素來看，減量40%和減量20%氮肥處理的穗粒數(shù)、千粒重與全量氮肥處理無顯著差異，減量40%處理的穗數(shù)處于最高水平，且與減量20%、全量氮肥處理存在顯著性差異。減氮40%和減氮20%處理產(chǎn)量都處于較高水平，且兩者間不存在顯著性差異。這意味著從減氮的角度而言，冬小麥減氮40%同時結(jié)合秸稈還田依然具有較高的產(chǎn)量水平。這與秸稈腐熟后可以釋放大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，且提高了土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，促進(jìn)了土壤營養(yǎng)元素的釋放與貯存有關(guān)，這些都有助于減量施氮空間擴(kuò)展，有助于最大限度降低農(nóng)戶施肥成本。

4 結(jié)論

秸稈還田配施氮肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量和pH 的增加。氮肥減量20%和減量40%處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量處于較高水平，而土壤速效鉀含量則顯著低于對照，但均高于秸稈移除處理6.5%以上。減量施氮會降低土壤全氮和有效磷含量，減緩?fù)寥浪峄潭取?/p>

秸稈還田下配施氮肥能增加土壤過氧化酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，且減量施氮更利于土壤酶活性的提升。秸稈還田配施氮肥對土壤脲酶活性無顯著影響。

秸稈還田下配施適量氮肥可以顯著增加冬小麥的產(chǎn)量，氮肥減量40%和20%處理的產(chǎn)量均處于較高水平。