秸秆还田与优化施氮对稻田土壤碳氮含量及产量的影响

吴立鹏，张士荣，娄金华，魏立兴，孙泽强，刘盛林，丁效东

(1.青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.东营市农业科学研究院，山东 东营 257091；3.山东省农业科学院 农业资源环境研究所，山东 济南 257091)

山东省有约 6 000 km2的盐碱地，主要分布于黄河三角洲地区[1]。作为我国重要的商品粮和后备土地资源基地，黄河三角洲具有地势平坦、光照充足、水源丰富等优势。所以2009年，国务院批复了建设高效生态经济区的发展规划，2015年又批准设立了黄河三角洲农业高新技术产业示范区，充分显示了该区域的战略地位。但土壤盐渍障碍限制了黄河三角洲高效生态农业和区域经济的发展[2]，如何消减盐渍障碍成为黄河三角洲地区亟待解决的重要课题。盐碱化土壤中有机质、速效氮、速效磷等养分状况和土壤含盐量关系很大[3-4]。黄河三角洲土壤具有“盐、板、瘦”的特点，盐分以氯化物为主，盐碱农田普遍缺氮、贫磷、少有机质。受盐碱障碍影响，化肥利用率低于全国平均水平[5]。化肥施用量大、作物产量低导致的农业高投入、低产出现状难以为继，特别是在滨海盐渍化土壤水稻种植过程中。

稻田土壤质量及水分管理[6]、病虫害防治、优质品种选育[7]及合理优化施肥[8]等影响着水稻产量的高产稳产。其中，合理优化施肥对培肥土壤、改善土壤环境具有关键作用[9-10]，同时可以增强水稻的抗逆性[11]。传统种植习惯农户为追求作物产量的稳产高产而大量使用化学肥料，从而造成肥料的利用率降低，土壤肥力下降，以及土壤养分大量流失。人们熟知添加外源有机物质是提高土壤肥力的有效手段，但是黄河三角洲水稻种植属于单季稻模式，长期以来偏爱氮肥，忽视秸秆还田模式导致了当地土壤有机质含量降低，造成土壤固肥较差，加之当地传统种植习惯，为减少盐害采用“深灌-大排”式的灌溉洗盐，从而加剧了稻田土壤中氮素淋失风险[12]。

有机肥与化学肥料配施在培肥土壤、提高土壤肥力以及增加作物产量等方面具有重要的意义[13]。以往盐碱土改良研究多围绕脱盐展开。伴随着水稻种植过程中盐分的排出，大量的可溶性养分和有机物也从上层土壤中淋失，其结果不仅降低了土壤的肥力水平，也加剧了滨海湿地及近海水域的环境污染。另一方面，土壤肥力水平的提高离不开有机质(碳)的作用，因而碳循环过程对盐碱农田氮素养分增效有不可忽视的影响。因此，从碳-氮相互作用入手，研究黄河三角洲水稻种植过程中秸秆还田模式下碳氮循环途径，探明秸秆还田及氮肥优化施用措施对盐碱农田氮素养分增效的机理，不仅能为滨海盐碱农田地力提升、化肥增效提供理论指导，也能为改善滨海湿地和近海水域的生态环境提供科学依据。针对上述科学问题，本研究通过2016-2017年2 a微区试验研究了秸秆还田与优化施氮对稻田土壤有机质、可溶性有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物碳氮含量及水稻生长特征的影响，进而为滨海盐碱地的水稻种植进行合理优化施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

该试验连续2 a(2016年5月-2017年10月)于山东省黄河三角洲垦利县李王村(N37°31, E118°33)进行。该地土壤类型以滨海盐化潮土为主，其中土壤质地为砂质壤土。0～20 cm耕层土壤基本理化性质(2016年)：含盐量0.29%，pH值8.1，有机质8.4 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷340 mg/kg，全钾1.10 g/kg，速效磷17.0 mg/kg，速效钾229.0 mg/kg。试验种植水稻以单季稻种植，其中品种为津粳253，进行插秧栽培方式。插秧以每穴插秧5株，行距为13 cm，株距为25 cm。肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O516%)、硫酸钾(含K2O 50%)。其中秸秆还田采用水稻秸秆(C，40%)粉碎至5 cm施用。

1.2 试验设计

试验设秸秆还田与氮肥两因素，3个碳(秸秆还田)水平：C0：0 kg/hm2(无秸秆还田)；C1：秸秆还田4 500 kg/hm2；C2：秸秆还田9 000 kg/hm2。2个氮水平：N1：255 kg/hm2(优化施氮肥)；N2：400 kg/hm2(农民传统施氮)。小区面积为20.05 m2，试验区组之间设置60 cm宽的排灌沟，排灌沟中央开挖宽度和深度各25～30 cm的走水沟。全部小区实行单排单灌。水稻生育期施用磷素(P2O5)128 kg/hm2，钾素(K2O)229 kg/hm2。其中氮肥做基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥施用，施用量分别占比为20%，40%，20%，20%；磷肥全部作基肥；钾肥分2次施用，分蘖肥和穗肥各50%；分蘖期时施用硫酸锌7.5 kg/hm2。试验期间水分管理及病虫害防控按照当地农户常规种植管理。

1.3 土壤样品采集及指标分析测定

1.3.1 土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸提取法 土壤微生物量氮(MBN)、微生物量碳(MBC)：氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机氮之差除以KE(0.45)得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机碳之差除以KE(0.38)得到。

1.3.2 土壤可溶性有机碳 土壤可溶性有机碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提，采用TOC仪测定有机碳。

1.3.3 有效穗数测定 在水稻分蘖后期，于水稻第5行第3穴进行挂牌定位，调查分蘖数，直到分蘖数不再变化为止；在水稻齐穗期时，根据挂牌位置调查有效分蘖数。

1.3.4 水稻根系扫描 于水稻分蘖期与成熟期时，不破坏根系情况下，对各试验小区分别采集水稻植株3棵，将获得的完整根系使用缓流冲洗干净，在根系扫描仪EPSON(PERFECTION C700)上进行扫描，分析后获得根长、根表面积和根体积等指标参数。

1.3.5 产量测定及计算 于成熟期时人工割取3 m2水稻，连同秸秆一并装入尼龙网袋中并使用吊牌做好标记，进行考种。测定鲜质量后，于烘箱中烘干，计算含水量，按照干质量及水稻含水14%计算产量。

1.4 数据分析

数据的汇总整理采用Microsoft Excel；统计分析采用SPSS 17. 0，显著性检验为LSD法。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与氮肥配施对土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量及其比值的影响

从表1中可得，水稻分蘖期与成熟期，秸秆还田与氮肥配施可有效提高滨海盐碱土壤有机碳含量，且均以C2N2处理时滨海盐碱水稻土壤有机碳含量最高，分别为4.81，5.88 g/kg。同一氮肥施用量，土壤有机碳含量均随秸秆施用量的增加而呈现增加趋势。分蘖期，当氮肥施用量为N1(255 kg/hm2)时，与C0、C1相比，C2处理的有机碳含量分别提高了100.46%，28.06%。秸秆还田处理相同时，不同氮肥施用水平下的土壤有机碳含量差异不显著(P>0.05)。伴随水稻生长，土壤有机碳含量均呈现不同程度提高，其中以C1N1处理时增加最为明显，较分蘖期时，土壤有机碳含量增加了54.03%。秸秆对土壤有机碳具有极显著的影响(P<0.01)，能够显著增加土壤有机碳含量。

水稻分蘖期，相同秸秆还田处理时，土壤全氮含量随氮肥施用量的增加而显著增加(P<0.05)，其中以C2N2处理时全氮含量最高为0.69 g/kg，且与C0N2处理差异显著(P<0.05)。同一施肥水平，秸秆还田可增加土壤中全氮含量。水稻成熟期时以C1N1处理时土壤全氮含量最高为0.95 g/kg，且与C0N2处理差异显著(P<0.05)，较分蘖期增加了120.93%。秸秆对土壤全氮具有显著的影响(P<0.05)，能够显著增加土壤全氮含量。

水稻分蘖期与成熟期土壤SOC/TN比值基本维持在4～10,且同一秸秆还田量(C1或C2)时，各处理之间差异不显著(P>0.05)。在相同的氮肥施用水平，分蘖期与成熟期各处理SOC/TN比值随秸秆还田量的增加呈现增加趋势，均是以C2处理土壤SOC/TN比值最大。秸秆还田对土壤SOC/TN比值具有显著的影响(P<0.05)，能够显著增加土壤全氮含量。

2.2 秸秆还田与氮肥施用对土壤中铵态氮硝态氮和可溶性有机碳含量的影响

表1 秸秆还田与氮肥施用对土壤有机碳、全氮含量及其比值的影响Tab.1 Effects of straw returning and N fertilization on SOC, TN and SOC/TN in soil

注：C.秸秆还田；N.氮肥；数值后不同字母表示处理间差异达5%显著水平；*、**与NS分别代表达到5%，1%显著水平与不显著。表2-5同。

Note：C. Straw returning；N. Nitrogen fertilization；Different letters after the value indicate a difference of 5% level between treatments；*，**. Significant difference at 5%,1% levels and NS no significant, respectively. The same as Tab.2-5。

表2显示秸秆还田显著增加了土壤中可溶性有机碳含量(P<0.05)，此外随着水稻的生长发育，与分蘖期相比，成熟期时可溶性有机碳含量呈现不同程度的降低。水稻分蘖期与成熟期土壤可溶性有机碳含量(DOC)最高值均为C1N1处理，其中分蘖期为57.02 mg/kg，成熟期为47.51 mg/kg。在施氮量相同时，随着秸秆还田量的增加可溶性有机碳含量呈现先增加后减少的趋势；同一秸秆还田量，土壤可溶性有机碳含量随氮肥施用量的增加呈现降低的趋势。

表2 秸秆还田与氮肥施用对土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机碳含量的影响Tab.2 Effects of straw returning and N fertilization on the contents of and DOC in soil mg/kg

2.3 秸秆还田与氮肥施用对土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影响

表3结果显示，秸秆还田对滨海盐碱稻田土壤微生物量碳的含量造成极显著影响(P<0.01)。在同一施用氮肥水平下，秸秆还田量的增加使得土壤微生物量碳含量呈先增加后降低的趋势，其中以C1N1处理的微生物量碳含量最高，水稻分蘖期与成熟期最高值分别为87.3，98.5 mg/kg，较C0N1处理分别提高了134.07%，145.13%，较C2N1分别提高了14.43%，20.48%。在同一秸秆还田情况下，土壤微生物量碳含量随氮肥用量的增加呈现降低的趋势，以N1处理时含量最高。未添加秸秆的处理，提高氮肥施用量，土壤微生物量碳含量之间差异不显著(P>0.05)，其中伴随水稻生长，未添加秸秆处理的土壤微生物量碳含量变化在37.2～44.2 mg/kg，幅度变化小。秸秆还田可显著增加土壤微生物量碳含量。

从表3可以看出，秸秆还田对滨海盐碱稻田土壤微生物量氮含量有极显著影响(P<0.01)。土壤中微生物量氮含量变化趋势与土壤微生物量碳相似，同一施用氮肥水平下土壤MBN含量随秸秆还田量的增加呈先增加后降低的趋势，且秸秆还田可显著增加土壤中微生物量氮的含量(P<0.05)。在同一秸秆还田情况下，土壤微生物量碳含量随氮肥用量的增加呈现增加的趋势，以N2处理时含量最高。

水稻分蘖期与成熟期，各处理土壤MBC与MBN的比值(MBC/MBN)比较低，处于2～4，其最大值分别为3.9，3.7。同一秸秆还田处理下，MBC/MBN比值随施用氮肥量的增加而降低，而同一施氮水平下其比值随秸秆还田量的增加而增加。

表3 秸秆还田与氮肥施用对土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影响Tab.3 Effects of straw returning and N fertilization on MBC,MBN and MBC/MBN in soil

2.4 秸秆还田与氮肥施用对水稻分蘖期、成熟期根系形态的影响

由表4可以看出，分蘖期时增加氮肥施用量可显著增加水稻根长(P<0.05)，到了成熟期秸秆还田可显著增加水稻根长(P<0.05)，其中以C2N2处理根长最长为5 802.0 cm。两时期，相同氮肥的施用量，随着秸秆还田量的增加根系长度随之增加。秸秆还田与氮肥施用显著增加了水稻分蘖期与成熟期水稻的表面积(P<0.05)，相同的秸秆还田量处理增加氮肥施用量没有增加其表面积反而有减少趋势。同一氮肥施用量随着秸秆还田量的增加，水稻表面积呈现先增加后减少的趋势。其中以C1N1时表面积最大，两时期分别为787.1，2 036.6 cm2，较C0N1分别增加了132.21%，101.225%，较C2N1分别增加了34.36%，20.29%。与水稻根系表面积类似，相同氮肥处理增加秸秆还田量水稻分蘖期与成熟期根系体积，呈现先增加后降低趋势；同一秸秆还田量，增加氮肥施用量则降低了根系体积。其中均以C1N1处理时根系体积最大，分别为14.1，57.6 cm3。

表4 秸秆还田与氮肥施用对水稻根系形态的影响Tab.4 Effects of straw returning and N fertilization on root morphology of rice

2.5 秸秆还田与氮肥施用对水稻产量及其构成因素的影响

由表5可以看出，秸秆还田显著增加了水稻的产量和水稻株高(P<0.05)，其中以C1N1处理时产量最高，为9 489.15 kg/hm2，其次为 C1N2、C2N1和C2N2处理。与农民传统施肥管理(C0N2)相比，秸秆还田与优化施氮(C1N1)处理水稻产量提高19.02%。从产量构成因素来看，施用氮肥可明显增加水稻的有效穗数，其中以C1N2处理最高，当秸秆的施用量相同时，氮肥施用量高的比氮肥施用量低的处理有效穗数分别增加22.83%，6.49%，7.52%，这说明秸秆还田有利于增加水稻有效穗数的提高；而结实率则与有效穗数相反，同一秸秆施用，随着氮肥施用量的提高则呈现下降的趋势，其中C1N1处理最高，其次为 C2N1处理。另外一次枝梗数各处理间无显著性差异(P>0.05)，而二次枝梗数C1N1处理则与其他处理差异显著(P<0.05)。同一氮肥施用量，随着秸秆还田量的增加水稻千粒质量呈现先增加后减少的趋势，均以C1处理时水稻千粒质量最大。由此可见，合适的碳氮配比(C1N1处理)可显著促进水稻产量、成熟期水稻结实率、二次枝梗数(P<0.05)。

表5 秸秆还田与氮肥施用对水稻产量及其构成因素的影响Tab.5 Effects of straw returning and N fertilization on rice yield and its components

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田与优化施氮对滨海盐碱地稻田土壤肥力特征的影响

据全国第2次土壤普查统计，我国耕地土壤中有机质含量为10～20 g/kg，其中华北地区最低[14]。多项研究表明，秸秆还田可以提高土壤有机质含量，增强土壤固碳能力[15-17]。此外，我国作为农作物秸秆产量最大的国家之一，每年秸秆量约7亿t，然而秸秆还田率不足50%[18]。Thomsen等[19]研究表明，每年向土壤中分别施入8，12 t/hm2的黑麦草秸秆时，土壤中的碳含量会分别提高21%，30%。本试验研究发现，与未添加秸秆(C0)处理相比，秸秆还田处理可显著增加土壤有机碳含量(P<0.05)。此外，秸秆还田还显著增加土壤可溶性有机碳含量，这与裴鹏刚等[20]研究结果一致，秸秆还田与优化施氮显著提高土壤DOC含量。可溶性有机炭含量作为土壤中最为活跃的部分，可以为微生物活动提供直接的动力，本研究发现，同一碳量输入(秸秆还田)时，随氮肥施用量增加，土壤可溶性有机碳含量降低，这可能与土壤微生物活性相关，适量氮素供应可促进微生物活性，进而加速对土壤有机物质矿化，而过量氮素供应则与之相反[21]。

土壤微生物是土壤中乃至陆地生态系统的重要组成部分和最活跃的部分，能够分解转化有机物质，其多样性和生物量与土壤微生物碳量密切相关[22]。土壤不同C/N比对根际土壤微生物种类、数量、比例及土壤酶活性的影响较大，调节根际土壤养分转化过程，影响作物生长发育[23]。庞荔丹等[24]研究发现，相同氮水平下，土壤微生物量碳含量在第45天时随秸秆还田量增加而增加。本研究结果表明，适量秸秆还田显著提高土壤微生物量碳、氮含量，以秸秆还田量4 500 kg/hm2与氮肥施用量255 kg/hm2时最高，而氮肥过量施用反而降低土壤微生物量碳、氮含量。由此可知，秸秆还田时需配合适量氮肥调节土壤碳氮比可以稳定土壤碳氮含量。

3.2 秸秆还田与优化施氮对滨海盐碱地稻田土壤供氮能力及水稻生长的影响

氮素作为植物生长发育必不可缺少的大量元素之一，在传统农业中农民为追求作物稳产高产而大量施用氮肥。据统计，2016 年中国化肥用量已经达到 5 984×104t，过量氮肥施用造成氮肥的利用效率逐年降低，低于欧美等发达国家10%～15%(我国氮肥利用率为30%～35%)[25-26]。在黄河三角洲地区土壤具有盐渍化现象、有机质含量较低，土壤保肥性能较弱[27]。据研究报道，秸秆还田可提高土壤有机质含量，进而促进团粒结构的形成，有效提高土壤保肥能力，降低铵态氮与硝态氮淋失[28]。汪军等[29]研究发现，秸秆与氮肥配施可降低田面水和渗漏水中氮素浓度，有效提高氮肥利用率。而氮肥过量施用反而降低土壤氮素利用效率，导致水体富营养化[30]。研究表明，秸秆还田与氮肥配合施用，能有效提高土壤全氮含量，提高氮肥利用率[15]。本研究结果表明，同一氮肥施用水平，秸秆还田可增加土壤全氮含量，与成臣等[31]研究结果一致。研究还发现，与分蘖期相比，C1N1处理时在水稻成熟期土壤全氮含量(0.95 g/kg)提高120.93%，表明秸秆还田量为4 500 kg/hm2，氮肥施用量为255 kg/hm2时土壤全氮量最高。

秸秆还田与优化施氮，土壤铵态氮和硝态氮含量高于未施用秸秆时，且以C1N2处理时含量最高。而秸秆还田量相同时，氮肥过量施用则降低水稻产量。与未秸秆还田处理相比，适量秸秆还田(4 500 kg/hm2)与优化施氮(255 kg/hm2)处理稻田土壤硝态氮、氨态氮含量最高，进而提高水稻结实率、千粒质量及产量。

在本试验条件下，秸秆还田与氮肥配施有效提高滨海盐碱地稻田土壤有机碳、微生物量碳、氮及可溶性有机碳。土壤有机碳含量随秸秆还田量增加而增加，水稻分蘖期时土壤中全氮含量以C2N2处理最高，到了成熟期以C1N1处理为最高。与土壤铵态氮、硝态氮相比，秸秆还田与氮肥配施对滨海盐碱地中可溶性碳含量增加差异性显著。土壤中微生物量碳、氮含量以秸秆还田量为C1即4 500 kg/hm2时最优。C1N1处理(255 kg/hm2与水稻秸秆还田量为4 500 kg/hm2)优于其他处理。与农民传统施用氮肥400 kg/hm2相比，C1N1处理使水稻产量增加了19.02%。在滨海盐碱地农业生产中合理搭配氮肥施用与秸秆还田，有利于获得较高的土壤肥力。同时，极大地节约了生产成本，降低了环境风险。