秸稈還田下減氮對土壤養分、酶活性和冬小麥產量的影響

劉紅杰 任德超 倪永靜 葛君 張素瑜 呂國華 胡新

（1 商丘市農林科學院，476000，河南商丘；2 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，100081，北京）

秸稈還田不但可以提高土壤有機碳含量，而且有利于土壤的微生物繁殖、酶活性提升和理化性質改善。同時秸稈中富含氮、磷、鉀元素，對促進土壤養分平衡、土壤質量和生產力提升極其重要[1]。我國是農業大國，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，對農業生產節本增效和可持續發展具有重要意義。秸稈快速腐解時需要大量的養分，易引起與作物幼苗生長之間爭奪土壤氮素，導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]，從而促進作物生長，增加產量。施用氮肥對作物產量和品質影響顯著，但單一增施氮肥不僅造成氮肥利用率低，經濟效益下降，而且長期大量施用會導致土壤硝態氮的過度積累，增加水體和大氣污染及生態惡化的風險[4]?；驶蛘呓斩拞我皇┯貌⒉荒芫S持作物可持續生產，不是促進作物增產的最佳途徑[5-6]。秸稈還田配施適量無機化肥能顯著改善土壤質量，增加作物生產的穩定性和持續性[7]。秸稈還田可以實現對化學肥料的部分替代，降低農業生產對化學肥料的依賴性[8]。近年來，關于秸稈還田與氮肥互作種植模式的研究較多。Sun等[9]研究認為，秸稈還田配施化肥可以提高所有與氮素循環相關的功能基因豐度。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，改變細菌群落結構。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。楊艷華等[12]和董印麗等[13]研究發現，秸稈還田與施氮互作促進了土壤養分及酶活性的提高，為作物生長提供了更優的土壤環境，達到增產的目的。

受環境、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和提高作物產量的能力有所不同[14]。豫東地區處于黃淮平原腹地，是中國冬小麥主產區之一。在冬小麥生產中普遍存在氮肥過量投入的問題，本試驗以冬小麥穩產為前提，采用田間定位試驗，探討了秸稈還田下減量施氮對土壤養分、酶活性以及冬小麥產量的影響，為區域內冬小麥生產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李莊鄉商丘市志誠種植農民合作社種植基地（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氣候，年均氣溫14.5℃，年日照時數2350h，年均降水量650mm，年均無霜期210d。土地流轉10 年以上，土壤肥力均勻，地勢平整，2017年耕層有機質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 試驗設計 試驗地為小麥、玉米周年輪作，秸稈全量還田。試驗設置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）。小區面積350m2（7m×50m），行距0.2m，小區隨機排列，重復3 次。試驗品種為半冬性優質強筋小麥品種鄭麥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 月小麥成熟期進行取樣，每個小區采用五點取樣法，收集0～20cm深土樣并混合均勻，標記后帶回實驗室進行風干和過篩處理，用來測定土壤養分和土壤酶活性。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤養分及酶活性 土壤養分的測定[15]如下，采用重鉻酸鉀―硫酸外加熱法測定有機質含量。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 產量及其構成要素 于冬小麥蠟熟中期，每小區隨機采集3 個1m 雙行樣段，標記后帶回實驗室，風干后考察產量三要素（穗數、穗粒數、千粒重）。各小區隨機選取長勢均勻一致的3 個2m2樣方，風干后脫粒稱重，換算成公頃產量。

1.4 數據處理

利用Excel 2010 和SPSS 23 軟件對數據進行處理及分析，采用LSD 方法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田下減量施氮對土壤養分含量的影響

由表1 可知，與T6 處理相比，秸稈還田處理增加了土壤有機質含量，不同施氮量處理對土壤有機質含量影響不一致，僅T4 和T3 處理能顯著提高土壤有機質含量，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量降低明顯，導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，但均未達到顯著性差異。

表1 不同處理對土壤養分含量和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量及其構成要素的影響

通過對冬小麥的產量及其構成要素的分析（表3）可知，除T1 處理外，其他秸稈還田處理的穗粒數都低于秸稈移除處理（T6），說明秸稈還田不利于穗粒數的增加。且隨著減量比例的增加，穗粒數逐漸降低。T2 處理的穗粒數最低，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均高于T5 處理，說明秸稈還田配施適量氮肥利于穗數的增加。與T5 處理相比，隨著氮肥減量比例的增加，穗數呈先增后降的變化趨勢，其中T3 處理的穗數處于最高水平，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穗數的增加，而施氮量過多或過少則不利于穗數的增加。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量產生影響，秸稈移除處理會降低產量，但未達到顯著水平。而冬小麥產量則隨著氮肥減量比例的增加先增后降，T4 處理產量最高，為8197.74kg/hm2，但與T3處理差異不顯著，說明氮肥減量40%并結合秸稈還田依然具有較高的產量水平。

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

由圖1 可知，產量隨施氮量變化的方程擬合系數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量的相關性。擬合方程的拐點表示最高產量出現的位置，在施氮量為211.76kg/hm2時，冬小麥產量達到最大值，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土壤團粒結構的形成，改善理化性質[17]，而且可為微生物的繁殖和活動提供能量，促進土壤生物活性提高和養分循環[18]。宋朝玉等[19]認為，長期秸稈還田可以顯著提高土壤有機質和全氮含量。本研究發現，秸稈還田配施氮肥有利于土壤有機質含量增加。配施減量20%～40%氮肥處理的土壤有機質含量處于較高水平，說明秸稈還田下配施適量氮肥可以加快作物秸稈的腐解，有利于土壤有機質的積累[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，但未達到顯著差異，這與馬麗娜等[21]研究結論相同。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量，促進了速效鉀的吸收利用[24]。本研究發現，秸稈還田對土壤pH 有一定正效應，減緩土壤酸化程度，但氮肥水平對土壤pH 含量影響不顯著，這與王學敏等[25]的研究結論基本一致。

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的強度和方向，是衡量土壤質量的指標[26]。宮秀杰等[27]認為，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]研究發現，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。但也有學者[30]認為，減量施氮配施有機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。本研究發現，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，秸稈還田在農業生產中得到了廣泛應用，是農業可持續發展的一項重要措施。本研究發現，秸稈還田配施氮肥可顯著增加冬小麥的產量，這與王金金等[31]的研究結論相同。有學者[32]認為，施氮量與冬小麥籽粒產量呈二次曲線關系，在一定范圍內施氮量能增加產量，施氮量過低或過高會造成產量降低，這與本研究結果一致。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，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量的一元二次擬合方程，顯示最佳施氮量212.76kg/hm2，相當于減量約30%），說明秸稈還田下氮肥減量具有較大的擴展空間。從產量構成要素來看，減量40%和減量20%氮肥處理的穗粒數、千粒重與全量氮肥處理無顯著差異，減量40%處理的穗數處于最高水平，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%同時結合秸稈還田依然具有較高的產量水平。這與秸稈腐熟后可以釋放大量的氮、磷、鉀等營養元素，且提高了土壤微生物數量和土壤酶活性，促進了土壤營養元素的釋放與貯存有關，這些都有助于減量施氮空間擴展，有助于最大限度降低農戶施肥成本。

4 結論

秸稈還田配施氮肥有利于土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量和pH 的增加。氮肥減量20%和減量40%處理的土壤有機質含量處于較高水平，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，減緩土壤酸化程度。

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量，氮肥減量40%和20%處理的產量均處于較高水平。