秸秆还田条件下氮肥运筹对作物产量和氮肥利用效率的影响

2020-07-20程文龙石祖梁桑亚松

中国土壤与肥料 2020年3期

韩上，武际，李敏，唐杉，王慧，程文龙，石祖梁，桑亚松

（1.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，养分循环与资源环境安徽省重点实验室，安徽合肥 230031；2.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036；3.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；4.肥东县农业技术推广中心，安徽合肥 231600）

秸秆作为含碳丰富的可再生资源，在还田时向土壤中输了大量的碳和作物所需的各种营养元素，是保持和提高土壤肥力的重用手段［1-2］。氮素是影响作物产量的最主要养分因素之一，氮肥的合理施用是作物获得高产的重要保证［3］。而当前农作物生产中施用的氮肥多为速效态，养分释放迅速［4］。氮肥施入土壤后除了被作物吸收利用和在土壤剖面残留，还有部分会通过各种途径损失到环境中。过量施氮造成的氮素损失不利于作物高产和氮肥利用效率的提高，同时还会造成环境污染［5-6］。大量研究已经证实，秸秆还田初期微生物在分解秸秆时会消耗土壤中的氮素，出现与作物争氮的现象［7-8］，而随着秸秆的分解，秸秆中的氮素可以缓慢释放出来供作物吸收利用［9-10］。但当前生产上，为防止秸秆还田前期与作物争氮，许多地区仍会在当地推荐施肥量的基础上增施一定量的氮肥做基肥。

安徽省是我国粮食主产省，常年农作物种植面积超过860万hm2［11］。目前粮食生产北方以小麦-玉米/大豆轮作，南方以水稻-小麦/油菜轮作为主，其中小麦和水稻播种面积位居各作物前两位，占农作物总播种面积的50%以上［11］。随着秸秆直接还田比例的进一步提高［12］，如何通过调整秸秆还田条件下的氮肥运筹，达到不增加氮肥用量和提高氮肥利用效率的目的变得尤为重要。前人已有不少关于秸秆还田条件下氮肥运筹的研究［13-15］，但大田条件下连续多年的研究并不多见，且不同区域和轮作制下研究结果并不一致［16-18］。为此，本研究以安徽水旱轮作区水稻和旱作区小麦为研究对象，比较秸秆直接还田条件下不同氮肥施用量和氮肥运筹组合连续多年的施用效果，为秸秆还田条件下氮肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2014～2017年分别在安徽省水旱轮作区肥东县和旱作区太和县进行。肥东点土壤为水稻土，太和点土壤为砂姜黑土。供试点耕层（0～20 cm）基本理化性质见表1。肥东点水稻品种为当地推广种植的C两优华占，育苗移栽，栽插密度22.5万穴/hm2，前茬为小麦；太和点小麦品种为当地主栽的周麦27，播量195 kg/hm2，前茬为玉米。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验釆用裂区设计，氮肥用量为主区，氮肥运筹为副区。氮肥用量设低、中、高3个水平，其中中水平为当地推荐氮肥用量；氮肥运筹设氮肥一次性基施、习惯基追比和后氮前移3个比例，另设不施氮肥处理作对照，共计10个处理，各处理前茬作物秸秆均全量还田。

肥东点2015、2016和2017连续3年水稻季各处理氮肥运筹见表2，各处理磷、钾肥全部基施，用量为P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，小区面积40 m2，3次重复，随机区组排列。太和点2014、2015和2016连续3年小麦季各处理氮肥运筹见表3，各处理磷、钾肥全部基施，用量为P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，小区面积30 m2，3次重复，随机区组排列。其它管理措施在水稻和小麦生育期内保持一致。供试肥料分别为尿素（N 46%），过磷酸钙（P2O512%），氯化钾（K2O 60%）。

表2 水稻季各处理氮肥运筹方式（kg/hm2）

表3 小麦季各处理氮肥运筹方式（kg/hm2）

1.3 测定项目及方法

在2015年水稻基肥施用前和2014年小麦基肥施用前，采集0～20 cm土层土样，采用常规方法测定基本理化性质［19］。

在作物成熟期，按小区实收水稻和小麦籽粒计重。

根据参考文献［20-21］计算如下参数：

1.4 数据分析

用Excel 2010进行数据分析和图表处理，用SPSS 19.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田条件下氮肥运筹对水稻产量的影响

不同施氮处理的水稻产量存在明显差异（表4）。不施氮处理（N0）连续3年的产量均处于最低水平，显著低于施氮各处理；与N0相比，施氮各处理3年平均增产率在35.1%～53.5%。各施氮处理中，N255M7/2/1处理，即施氮量255 kg/hm2、氮肥运筹为7∶2∶1时在第1年和第3年产量最高，N210M7/2/1处理产量次之，二者3年平均产量无显著差异；N210M5/3/2和N255M5/3/2处理3年平均产量也处于较高水平，N165M10/0/0处理产量最低。与N165M10/0/0处理相比，各施氮处理产量均有不同程度提升，说明在低氮条件下，氮肥一次性基施时水稻产量较低。相同氮肥施用量下，分次施氮的水稻产量无论是在低氮（N165）、中氮（N210）还是高氮（N255）条件下均高于一次性基施；其中均以7∶2∶1的氮肥运筹产量较高，5∶3∶2次之，但二者间连续3年产量差异均不显著。

与推荐氮肥用量和习惯运筹方式处理（N210M5/3/2）相比，低氮（N165）各处理均显著降低了水稻产量，降幅在6.51%～10.25%；N210M10/0/0处理也明显降低了水稻产量，3年平均降幅为5.68%；而单纯增加氮肥用量处理（N255M5/3/2）并没有增加水稻产量；N255M7/2/1和N210M7/2/1处理3年平均增产率分别为1.98%和1.80%，产量略有增加。

2.2 秸秆还田条件下氮肥运筹对小麦产量的影响

与不施氮（N0）处理相比，施氮各处理显著提高了小麦产量，3年平均增幅在55.8%～80.6%（表5）。各施氮处理中，2015年小麦产量以N285M6/4最高，N240M8/2和N285M8/2次之；2016年和2017年以N285M8/2最高，N285M6/4和N240M8/2次之；N195M10/0连续3年产量均处于最低水平。综合3季产量，以N285M8/2处理，即施氮量285 kg/hm2、氮肥运筹为8∶2时产量最高，N285M6/4和N240M8/2处理产量次之，N195M8/2和N240M6/4处理产量也处于较高水平。在低氮肥用量（N195）时，8∶2的氮肥运筹产量最高，显著高于6∶4和10∶0氮肥运筹处理；在中氮肥用量（N240）时，8∶2的氮肥运筹产量最高，6∶4的氮肥运筹产量也处于较高水平，二者均显著高于氮肥一次性基施处理；在高氮肥用量（N285）时，8∶2和6∶4的氮肥运筹产量接近，显著高于氮肥一次性基施处理。

表5 不同施氮处理对小麦产量的影响

与推荐氮肥用量和习惯运筹方式处理（N240M6/4）相比，低氮（N195）处理中N195M10/0和N195M6/4显著降低了小麦产量，降幅分别为9.96%和4.31%，N195M8/2没有降低小麦产量；N240M10/0和N285M10/0处理明显降低了小麦产量，3年平均降幅为6.55%和5.75%；N285M8/2、N285M6/4和N240M8/2处理的产量均有一定程度增加，增幅分别为4.36%、4.31%和3.69%。

2.3 不同处理氮肥利用效率比较

不同施氮量和氮肥运筹处理下水稻和小麦的氮肥农学利用率和偏生产力结果见表6和表7。

水稻上，农学利用效率以N210M7/2/1处理，即施氮量210 kg/hm2、氮肥运筹为7∶2∶1时最高，达到了16.7 kg/kg，N165M7/2/1处理次之；而高氮（N255）条件下各处理农学利用效率整体较低。氮肥偏生产力整体上随着氮肥用量的增加而降低；在同一氮肥用量下，氮肥一次性基施的偏生产力最低，7∶2∶1和5∶3∶2的氮肥运筹偏生产力较高。小麦中，氮肥农学利用效率和偏生产力均以N195M8/2处理最高，且显著高于其他处理。各处理农学利用效率和偏生产力随着氮肥用量的增加逐渐下降。在中氮（N240）和高氮（N285）条件下，以N240M8/2处理的农学利用效率和偏生产力最高，分别为13.8和31.1 kg/kg，N240M6/4次之。高氮各处理氮肥利用效率均较低，其中以N285M10/0处理最低，显著低于其他各处理。

表6 不同施氮处理对水稻氮肥利用效率的影响

表7 不同施氮处理对小麦氮肥利用效率的影响

3 讨论

前人在秸秆不还田条件下的大量研究表明［22-25］，无论是在水稻还是在小麦上，在氮肥运筹中适当减少基肥比例，进行氮肥的前氮后移，可更好地协调作物整个生育期对氮素的需求，提高氮素利用效率。而在秸秆还田条件下，随着微生物对秸秆的分解，秸秆中逐渐释放的养分也可为作物吸收利用［9，26-27］。本研究发现，与推荐施氮量下的习惯运筹相比，连续3年单纯增施氮肥不会显著提高水稻或小麦的产量，但减施氮肥则会显著降低水稻或小麦产量。说明当前习惯运筹和施肥方式条件下，水稻和小麦的推荐施肥量均较合理。而推荐施氮量下氮肥前移在水稻和小麦上均获得较高产量，且农学利用率和偏生产力在中氮和高氮各处理中也处于最高水平。这也表明，在秸秆还田条件下，传统的氮肥运筹比例可进一步优化；与前氮后移相比，后氮前移能更好地协调秸秆前期分解时土壤微生物与作物争氮的矛盾，减少秸秆前期腐解对作物苗期生长发育产生的不利影响，进而获得较高产量。综合来看，秸秆还田条件下，在水稻和小麦上均可在不增加氮肥用量的基础上通过优化氮肥运筹达到作物高产和氮肥利用效率提高的目的。

在小麦上连续3年研究结果表明，与推荐施氮量下的习惯运筹处理（N240M6/4）相比，减施氮肥后氮前移处理（N195M8/2）的产量没有下降，氮肥利用效率还有显著提升。说明秸秆还田条件下，通过氮肥的合理运筹可以在当前推荐施氮量的基础上，进一步降低小麦季的氮肥用量，达到减肥增效的目的。本研究同时发现，普通尿素作氮肥一次性基施时，在推荐施氮量的基础上继续增施氮肥不会显著提高水稻或小麦产量，其中水稻产量3年平均只增加了1.3%，小麦增加了0.8%，而氮肥利用效率却显著下降。这可能是由于普通尿素易溶于水，一次性过量施用会造成氮素在作物生育前期通过NH3挥发、N2O排放、氮淋溶和径流等途径大量损失［4］。这也说明，一次性施肥条件下，想单纯通过增加氮肥用量的方式来弥补一次性施肥造成的产量下降是不可行的，增施的氮肥还会造成一系列环境问题，缓控释肥是冬小麦施肥轻简化的方向［28-30］。