秸稈等氮量替代化肥對土壤水分和玉米干物質積累的影響

徐路路， 王娟玲， 王曉娟， 劉恩科

(1.山西大學生命科學學院，太原 030031；2.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，太原 030031；3.有機旱作農業山西省重點實驗室，太原 030031)

山西省是典型的旱作農業區，其玉米種植面積占糧食總種植面積的50.08%。在干旱半干旱地區，農業生產主要依靠降水，但降水大多通過徑流和無效蒸發消耗掉，農業生產利用的降水量不到降水總量的1/3。秸稈可減少土壤蒸發，提高土壤的抗旱性，添加粉碎秸稈具有阻截和蓄積土壤水分，提高土壤含水量的積極作用。

秸稈還田和施氮對土壤具有保水緩溫的效果。馬曉麗等在渭北旱塬上進行的秸稈還田試驗表明，秸稈還田可提高水分利用效率和耗水量，有利于土壤蓄水保墑；吳鵬年等的大田試驗發現，秸稈還田的條件下，配施一定量氮肥可以明顯提高土壤貯水量，其中配施氮肥300 kg/hm處理在2個試驗年份中，最高可分別增加13.6%和22.1%；鄭欣榮等發現，秸稈還田在水分入滲過程中具有阻水性，使水分在秸稈層停留時間較長，提高了淺層土壤的含水率；白偉等研究表明，秸稈還田配施氮肥作用于耕層構造，顯著提高土壤含水量，降低土壤容重；有試驗結果表明秸稈還田可以提高土壤肥力和水分利用效率，其中還田量13 500 kg/hm效果最好；而也有研究表明，9 000 kg/hm的秸稈還田量效果最好。作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀等營養元素，2015年我國秸稈資源量約71 878.53萬t。

單秸稈還田會增加土壤碳氮比，且秸稈釋放養分速率慢，不利于作物前期的生長，秸稈還田配施氮肥可以調節土壤的碳氮比。用作物秸稈替代化肥不僅可以減少化肥過量使用帶來的負面影響，而且可以資源化利用秸稈養分，更對于土壤蓄水保墑具有重要意義。前人的研究多集中在秸稈還田或者定量秸稈還田配施不同量化肥，對等氮量條件下秸稈替代化肥的研究比較少。因此本試驗通過連續6年定點試驗，探討秸稈等氮量替代化肥對土壤水分、養分和玉米干物質積累的影響，以期為當地玉米種植過程中，秸稈還田和氮肥的科學施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

此試驗設計開始于2016年4月，2020年和2021年分別為種植的第5年和第6年，試驗基地位于山西省晉中市榆次區東陽鎮東陽村(112°40′05″E，37°33′22″N)，該地區屬溫帶大陸性氣候，年平均降水量440.7 mm，年均氣溫9.8 ℃，年平均無霜期158天，海拔800 m。2016年4月試驗前測基礎土土壤特征為：有機質含量13.0 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，全磷含量0.9 g/kg，全鉀含量27.1 g/kg，堿解氮含量51.2 mg/kg，速效磷含量7.7 mg/kg，速效鉀含量176.4 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設置5個處理，總氮量均為225 kg/hm，施氮比例見表1，各處理的秸稈還田量見表2。大田試驗為3次重復，15個小區，每個小區面積30 m(5 m×6 m)，并且保持各小區總磷量相等，均為105 kg/hm，計算方法為，先算出秸稈所帶入的磷，再施用磷酸一銨使總磷為105 kg/hm，計算磷酸一銨所帶入的化肥氮，再施用尿素到達所用化肥氮比例。

表1 各處理的施氮比例

表2 各處理的秸稈還田量 單位：kg/hm2

在2019年和2020年的秋季收獲后，將秸稈粉碎按試驗設計量還田，2020年和2021年5月中旬于種植前在試驗田施入化肥，化肥為磷酸一銨和尿素，種植玉米密度理論為49 500株/hm，正常田間管理，各小區一致，玉米收獲后用對角線5點取樣法，于各小區取0—20 cm土用于土壤養分的測定。

2016年和2017年降水可以滿足作物生長，因此在這2年沒有灌水，本試驗是從2018年開始灌水的，各試驗年份的灌水情況為：2018年灌水3次(6月25日、7月4日和8月15日)，灌水量分別為48.7，48.7，48.8 mm；2019年灌水4次(6月19日、7月9日、7月20日和8月16日)，灌水量分別為56.2，56.2，56.3，56.3 mm；2020年灌水1次(7月2日)，灌水量為95.63 mm；2021年灌水2次(7月9日和8月14日)，灌水量分別為63.75，59.20 mm。2020年和2021年全生育期降水量分別為349，323 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分及水分利用效率 在玉米的播種前1天和大喇叭口期、抽雄期、灌漿期、成熟期用中子儀測0—200 cm土壤水分，每隔20 cm測定1次，共10個層次。

土壤貯水量計算公式為：

=∑Δ××10100

(1)

式中：為土壤貯水量(mm)；Δ為土壤第層次的土壤體積含水量(mm)；為第層次的土壤厚度(cm)；為土壤層次。

土壤耗水量計算公式為：

=+Δ++-

(2)

式中：為土壤耗水量(mm)；為全生育期降雨量(mm)；Δ為播種和收獲時土壤貯水量之差(mm)；為生育期灌溉量(mm)；為地下水的補給量(mm)；為地表徑流量(mm)；由于試驗區地勢平坦，地表徑流和地下水等因素均可忽略不計。

水分利用效率公式為：

WUE=

(3)

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm·mm)];為玉米籽粒產量(kg/hm);為土壤耗水量(mm)。

1.3.2 土壤養分 土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.5 mol/LNaHCO法，參照《土壤農化分析》。

1.3.3 干物質積累 在玉米的各生育時期，每小區取3株植株的地上部分，稱重，并105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，稱重。

1.4 數據處理

采用SPSS 21.0軟件進行統計分析，Microsoft Excel 2016和Origin 2021軟件制作圖表。

2 結果與分析

2.1 玉米生育時期0-80 cm土層土壤貯水量

玉米根系主要分布在0-80 cm，所以本試驗主要研究0—80 cm土層土壤貯水量(圖1)。

注：圖柱上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 玉米各生育期0-80 cm土層土壤貯水量

2020年試驗中，在播種前、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期，與CK相比，各替代處理組的0—80 cm土層土壤貯水量均無顯著差異；在播種前，S25的0—80 cm土層土壤貯水量比S75顯著增加10.32%，S50的0—80 cm土層土壤貯水量分別比S75和S100顯著增加12.41%，11.70%；在大喇叭口期，S25和S50比S100的0—80 cm土層土壤貯水量分別顯著增加14.86%，17.98%；在抽雄期，S50的0—80 cm土層土壤貯水量比S100顯著增加18.02%；在灌漿期，S25和S50較S75分別顯著增加11.78%，11.83%；在成熟期，S50比S75和S100的0—80 cm土層土壤貯水量分別顯著增加16.18%，13.40%。

2021年試驗中，在播種前、灌漿期和成熟期，與CK相比，各替代處理組的0—80 cm土層土壤貯水量均無顯著差異，且各處理組之間也無顯著差異；但在大喇叭口期，S25和S50的0—80 cm土層土壤貯水量比CK分別顯著增加24.90%，20.47%，S25和S50的0—80 cm土層土壤貯水量比S75分別顯著增加29.36%，22.77%，S25和S50的0—80 cm土層土壤貯水量比S100分別顯著增加23.67%，19.28%；在抽雄期，S25和S50的0—80 cm土層土壤貯水量分別比CK顯著增加24.3%，19.71%，分別比S75顯著增加28.64%，23.90%，分別比S100顯著增加25.75%，21.12%。由于2021年成熟期降雨量較多，所以其0—80 cm土層土壤貯水量較2020年成熟期大。

2.2 玉米生育時期0-200 cm土層土壤貯水量的垂直變化

2020年試驗中，在玉米生長的整個生育時期中，各處理組的0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化趨勢是一致的，并且S25和S50處理大于CK，而S75和S100處理小于CK(圖2)；播種前、大喇叭口期和抽雄期這3個時期的0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化規律相同，都是0—40 cm隨土層深度的增加而增加，因為本試驗中，在秸稈還田時，所有處理都進行了翻耕，耕層土壤比較疏松，導致水分蒸發散失，40—160 cm隨土層深度的增加而減少，160—200 cm隨土層深度的增加而增加；在灌漿期，0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化趨于平穩；在成熟期，0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化為0—40 cm隨土層深度的增加而增加，40—160 cm隨土層深度的增加趨于平穩，可能與在成熟期玉米耗水較少有關，160—200 cm隨土層深度的增加而增加；播種前—大喇叭口期—抽雄期，100—200 cm(深層土)各土層土壤貯水量的變化保持基本不變；抽雄期—灌漿期100—200 cm各土層土壤貯水量整體有所增加，可能與此時降雨量較大有關；灌漿期-成熟期100—200 cm各土層土壤貯水量整體有所減少。

圖2 2020年玉米各生育期土壤水分垂直動態

2021年試驗中，在玉米生長的整個生育時期中，各處理組的0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化有規律性(圖3)：S25和S50處理大于CK，而S75和S100小于CK；在播種前，各處理組的0—40 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的增加而增加，40—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化不大，趨于平穩；在大喇叭口期和抽雄期各處理組的0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化趨勢一致，呈平穩增加的趨勢；灌漿期和成熟期，各處理組的0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化趨勢相同：各處理組的0—40 cm各土層土壤貯水量隨土層深度增加而增加，各處理組(除S75外)的40—140 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的增加而減少，140—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的增加而增加；播種前—大喇叭口期—抽雄期，100—200 cm各土層土壤貯水量的變化保持基本不變；抽雄期—灌漿期100—200 cm各土層土壤貯水量整體有所增加；灌漿期—成熟期100—200 cm各土層土壤貯水量變化不大。

圖3 2021年玉米各生育期土壤水分垂直動態

2.3 土壤耗水量和水分利用效率

2020年和2021年試驗中，與CK相比各秸稈替代處理組的土壤耗水量無顯著差異，但2021年試驗中S50的土壤耗水量顯著大于S100，提高5.00%(表3)。與CK相比，各秸稈替代處理組的水分利用效率在2020年和2021年均無顯著差異。

表3 土壤耗水和水分利用效率

2.4 土壤養分

2020年試驗中，各秸稈替代處理組的土壤有機質含量較CK無顯著差異，但在一定程上各秸稈替代處理組的土壤有機質含量較CK有增加的趨勢，其中S50處理的土壤有機質含量最大。但2021年試驗中，與CK相比，S25、S50、S75、S100的土壤有機質含量分別顯著增加了27.40%，38.13%，36.30%，22.60%，S50的土壤有機質含量最大(圖4)?？梢?，有機肥替代化肥較單施化肥可以提高土壤有機質含量，其中S50處理的效果最好。

圖4 土壤養分變化

與CK相比，各處理組土壤堿解氮含量在2020年無顯著差異，S50的土壤堿解氮含量最大。2021年試驗中，與CK相比，S50的土壤堿解氮含量顯著增加了27.74%，S25、S75、S100的土壤堿解氮與CK相比無顯著差異。在秸稈各替代處理組中，S50處理有利于土壤堿解氮含量的增加。

2020年試驗中，與CK相比，S100處理土壤速效磷含量顯著降低了50.75%，S25、S50、S75與CK相比無顯著差異。2021年試驗中，與CK相比，S25、S50、S75、S100處理土壤速效磷含量分別顯著降低了31.48%，22.22%，30.56%，45.68%，其中S50處理降低的最少。

2.5 單株干物質積累量

2020年試驗中，在玉米大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期，秸稈替代化肥處理的玉米單株干物質積累量與CK相比均無顯著差異。但2021年試驗中，在玉米大喇叭口期S25處理的玉米單株干物質積累量與CK相比顯著減少了16.05%；在玉米抽雄期、灌漿期和成熟期這3個生育時期，S50處理的玉米單株干物質積累量最多，與CK相比分別增加22.39%，34.06%，12.58%；在玉米灌漿期和成熟期這兩個生育時期，S75處理的玉米單株干物質積累量，與CK相比分別增加了22.49%，12.11%(圖5)。大體上，玉米單株干物質積累量隨秸稈替代化肥比例的增加先增加后減少。

圖5 玉米各生育期干物質積累量

3 討 論

已有研究表明，秸稈還田對土壤水分的影響具有雙重性，生育前期秸稈腐解消耗水分，與作物爭奪水分，生育后期對土壤水分具有積極作用。本試驗中，總體上來看，低比例(S25、S50)秸稈替代化肥0—80 cm土層土壤貯水量高于高比例(S75、S100)秸稈替代化肥?？赡苁且驗榻斩掃€田量越少，秸稈腐解率越高，并且尿素可以促進玉米秸稈的腐解，低比例的秸稈腐解速度較快，在生育期消耗的水分相對于高比例的秸稈少，從而使0—80 cm土層土壤貯水量增加。此外，秸稈替代比例越多，翻耕時秸稈所占體積越大，不利于土壤保水。

在2021年試驗的大喇叭口期和抽雄期S25和S50的0—80 cm土層土壤貯水量顯著大于CK，說明S25和S50可以提高0—80 cm土層土壤貯水量；而到灌漿期和成熟期時，各處理組的0—80 cm土層土壤貯水量無顯著差異，可能是因為隨著秸稈腐解過程結束，秸稈還田改善了土壤物理狀況，增強土壤蓄水保水能力，而使得S25、S50與S75、S100差異不顯著，此外也可能是因為雨水的補充而使各處理組0—80 cm土層土壤貯水量無顯著差異。灌漿期土壤貯水量最大，這對于玉米灌漿非常重要。

秸稈還田對土壤水分的影響可達2 m，在玉米各生育時期，大體上，0—200 cm各土層土壤貯水量的大小為S25和S50大于CK，S75和S100小于CK，說明適量的秸稈替代化肥有利于土壤蓄水保墑，并不是秸稈還田量越多越好。在播種前、大喇叭口期和抽雄期，100—200 cm土層土壤貯水量隨生育時期無明顯變化，在灌漿期和成熟期，100—200 cm土層土壤貯水量隨生育時期也無明顯變化，但是在抽雄期到灌漿期100—200 cm土層土壤貯水量隨生育時期變化明顯，可能是因為這個時期降雨和灌水量比較多。

秸稈配方能有效提高春玉米的土壤水分利用效率。在本試驗中，與單施化肥相比，秸稈替代化肥的土壤耗水量和水分利用效率均無顯著差異。這與張哲等研究認為，秸稈還田量越多作物水分利用效率越高的結論不一致，可能是因為秸稈還田量和氮素水平不一致；也可能與秸稈還田配施氮肥影響作物根系形態有關。試驗年限也會影響試驗結果，仍需要進一步深入研究。

本試驗中，與單施化肥相比，秸稈替代化肥處理提高了土壤有機質含量，其中S50的土壤有機質含量最大。這可能是因為秸稈替代化肥處理與單施化肥相比較，可以調節土壤的C/N，有利于土壤微生物的生長，促進微生物對秸稈的分解釋放有機態養分，進而提高了土壤有機質含量；另一方面，秸稈替代化肥比例過高，使土壤C/N比過高而不利于微生物生長，進而使有機質的增量較少。與單施化肥相比，S50處理顯著提高了土壤堿解氮含量。一方面，可能與秸稈吸附作用保留氮素，減少氮素損失有關；另一方面，秸稈含碳量大，增加土壤氮素的礦化，使土壤堿解氮含量增加，也可能與根系對堿解氮的吸收有關。與單施化肥相比，秸稈替代化肥處理顯著降低了土壤速效磷含量，其中S100降低最多。這可能是因為S100的施肥處理沒有投入化肥磷，而使速效磷含量最低。

秸稈施用數量和氮肥用量都與玉米的長勢存在很大關系。本試驗中，S50處理的單株干物質積累量在抽雄期、灌漿期和成熟期大于CK，S75處理的單株干物質積累量在灌漿期和成熟期大于CK，說明S50和S75處理有利于玉米單株干物質積累量增加。

綜上所述，對2年各生育時期測定的土壤水分、養分和干物質積累量結果分析發現，各秸稈替代化肥處理組中，S50處理效果最好。

4 結 論

本試驗中，與單施化肥相比，秸稈等氮量替代化肥可以顯著增加玉米單株干物質積累量，其中秸稈替代50%化肥的干物質積累量最大；大體上，低比例秸稈替代(S25和S50)的0—80 cm土層土壤貯水量有大于高比例秸稈替代(S75和S100)的趨勢；秸稈替代化肥與單施化肥相比，對0—200 cm各土層土壤貯水量隨土層深度的變化趨勢影響不大，但是整體上S25、S50大于CK，S75、S100小于CK；與CK相比各處理組的土壤耗水量和水分利用效率無顯著差異；各秸稈替代化肥處理較CK顯著增加了土壤有機質含量，顯著降低了土壤速效磷含量，在各秸稈替代化肥處理中，S50的土壤有機質和速效磷含量最大，S50較CK顯著增加了土壤堿解含量。從保障土壤水分、秸稈干物質積累量和收獲后土壤養分的角度考慮，S50是本試驗條件下最有潛力的秸稈等氮量替代化肥方式。