秸秆过腹还田配施氮肥对小麦-玉米周年产量及土壤理化性质的影响

赵凌霄,姜丽娜,马建辉,魏继拓,赵冬阳

(河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡 453007)

粮食生产关系到国计民生。2019年我国粮食作物播种面积11 606.4万hm2，粮食总产量66 384万t，其中,小麦和玉米播种面积分别为2 373.3万hm2和4 126.6万hm2，占全国粮食作物播种面积的56%；产量分别为13 359万t和26 077万t，占全国粮食总产量的59%[1]。在粮食增产、稳产的同时，作物秸秆产量也逐年增加，每年全国作物秸秆量约9亿t，其中小麦、玉米和水稻三大作物秸秆量约占总量的80%以上[2-3]。作物秸秆中含有丰富的有机碳以及氮、磷、钾等营养元素，秸秆还田可以提高土壤养分含量、改善土壤质量、补充作物生长所需的氮素、提高作物产量，是低消耗、可持续的以地养地的农业生产方式[4-10]。但有研究表明，秸秆长期直接还田会导致秸秆分解缓慢、诱发病害等问题，存在作物减产的风险[11-12]，而秸秆过腹转化为有机肥形式还田可有效避免上述问题，且施用有机肥可以培肥地力，提高作物增产增质效果[13-15]。目前，关于秸秆还田的研究多集中在秸秆还田方式、秸秆还田配施氮肥对作物生长及农田环境的影响方面[16-19]。赵伟等[16]通过不同秸秆还田方式对黑土土壤氮素及物理性状进行研究发现，不同秸秆还田处理均增加了土壤铵态氮含量，而秸秆过腹还田处理可增加土壤全氮含量。汪军等[17]研究发现，秸秆还田配施氮肥可降低田面水和渗透水中的氮、磷浓度，提高肥料利用效率。张慧霞[18]在褐土农田进行长期定位试验，比较不同秸秆还田方式、培肥处理对玉米产量和氮素盈亏的影响，发现年施氮量120 kg/hm2已经基本满足玉米对氮素的需求，秸秆直接还田可以使土壤氮素盈余维持在较低水平。张娟琴等[19]研究发现，秸秆还田配施300 kg/hm2氮肥可以促进土壤碳、氮的更新，培肥土壤，增加水稻产量。综上，关于不同秸秆还田方式、秸秆还田配施氮肥的研究多集中于单季作物产量和土壤养分方面，而对作物周年产量及土壤微生物多样性的影响研究缺乏报道。为此，研究连续3 a秸秆过腹还田和直接还田配施氮肥对小麦-玉米周年产量和土壤理化性状的影响，以期为秸秆的高效利用和氮肥的合理配施提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2016—2019年在河南省浚县钜桥乡刘寨村试验田(114°33′E、35°40′N)进行，该地区属北温带大陆性季风气候，地势平坦，土地肥沃，地下水资源丰富，土质为黏壤质潮土。2016年小麦播前0～20 cm土层含全氮1.16 g/kg、速效磷22.45 mg/kg、总碳24.81 g/kg，pH值为7.71。

供试小麦品种为周麦32，玉米品种为郑单958。

1.2 试验设计

设置秸秆直接还田和秸秆过腹还田2种还田方式，并配施不同量的氮肥(以纯氮计)，共计8个处理(表1)。其中，秸秆过腹还田均以施入干牛粪4 000 kg/hm2计(秸秆过牛腹转换系数约为0.55)。每个处理重复3次。冬小麦播量为210 kg/hm2，分别于越冬期、拔节期、开花期进行灌溉；夏玉米种植密度为69 000株/hm2，分别于播种、大喇叭口期进行灌溉，小麦、玉米季每次灌水量均为600 m3/hm2。经过连续3 a秸秆还田配施氮肥处理后，于2019年小麦、玉米成熟期分别取各处理植株和土壤样品进行测定。

表1 不同处理秸秆还田方式及施氮量Tab.1 The straw returning ways and nitrogen application amount of different treatments

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量 于小麦成熟期取各处理1 m2麦穗，玉米成熟期取各处理3 m2玉米穗，置于网袋自然风干，脱粒、称质量，计产。

1.3.2 土壤理化性质

1.3.2.1 全氮和有机质含量 于小麦、玉米成熟期，用环刀取0～20、20～40、40～60 cm土壤样品，烘干、粉碎，采用AA3流动分析仪测定土壤全氮含量，利用TOC测定仪测定土壤有机质含量。

1.3.2.2 容重及孔隙度 于小麦、玉米成熟期，用环刀取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤样品，烘干、称质量，计算土壤容重、孔隙度。

1.3.2.3 微生物测序分析 于小麦、玉米成熟期，分别采集0～20 cm表层土壤，过0.5 mm筛，置于-80 ℃冰箱。采用CTAB/SDS方法提取土壤样品的总基因组DNA，经琼脂糖凝胶电泳检测之后，使用无菌水将所提取DNA稀释至1 ng/μL；选取具有条形码的特异性引物扩增16S rRNA基因；将扩增产物在2%琼脂糖凝胶上进行电泳检测。选取400～450 bp具有明亮主条带的样品进行纯化。采用Qubit@ 2.0荧光计(Thermo Scientific)和安捷伦生物分析仪2100系统对文库质量进行检验，合格后，在Illumina MiSeq平台上对库进行测序。在微生物多样性分析中，对序列以97%的相似度采用R软件barplot进行Cluster聚类分析。基于线性模型采用R软件vegen进行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。

1.4 数据处理

用SPSS 17.0及Excel 2010对试验数据进行统计分析、制图，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆过腹还田配施氮肥对小麦-玉米周年产量的影响

冬小麦、夏玉米周年籽粒产量表现为秸秆过腹还田处理高于周年秸秆均直接还田的N1和N8处理，以N2处理周年产量最高，其次是N3、N4处理，差异不显著(图1)。从小麦产量来看，N2处理最高，显著高于除N3、N4处理外的其他处理，说明与秸秆直接还田相比，玉米秸秆过腹还田显著提高了小麦籽粒产量。从玉米产量来看，以N7处理最高，显著高于N5和N1处理。N5处理和N7处理的周年秸秆还田方式相同，但N5处理玉米季追施氮肥减半，导致其玉米产量低于N7处理。N2、N7和N8处理，周年施氮量均相同，但秸秆还田方式不同，周年产量和小麦产量均表现为N2>N7>N8，玉米产量差异不显著，表明玉米秸秆过腹还田提高了小麦-玉米周年产量，且主要表现在对小麦产量的提升上。

不同小写字母表示同一作物不同处理间在0.05水平上差异显著，下同 Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different treatments of the same crop,the same below

2.2 秸秆过腹还田配施氮肥对土壤理化性质的影响

2.2.1 全氮含量 小麦、玉米成熟期0～60 cm土层土壤全氮含量随土层深度增加呈下降趋势(图2)。小麦成熟期，0～20 cm土层全氮含量以N2、N4处理较高，显著高于其他处理；20～40 cm土层全氮含量以N6处理最高，显著高于其他处理；40～60 cm土层整体上不同处理间全氮含量变化较小，亦以N6处理最高，显著高于除N7处理外的其他处理。玉米成熟期，0～20 cm土层，N7处理土壤全氮含量最高，显著高于其他处理；前茬小麦秸秆过腹还田条件下，玉米成熟期0～20 cm土层全氮含量随追施氮量的减少而降低，表现为N7>N6>N5；20～40、40～60 cm土层全氮含量均以N2处理最高。

2.2.2 容重及孔隙度 随着土层深度增加，土壤容重总体呈先增加后下降趋势(图3)，而土壤孔隙度与之相反(图4)。不同处理间0～20 cm土层土壤容重变化幅度较大，说明秸秆还田配施氮肥对表层土壤影响较大；随着土层深度增加，不同处理间土壤容重、孔隙度的变化幅度总体上有减小趋势。小麦成熟期，0～20 cm土层，N8处理土壤容重显著低于N1、N2、N3和N6处理，N8处理对小麦成熟期表层土壤容重降低效果最明显。除40～60 cm土层外，其他土层中N1处理土壤容重均最高，土壤孔隙度与之相反。前茬玉米秸秆过腹还田处理下，除0～20 cm土层外，其他土层N4处理土壤容重始终低于N2处理，同时N4处理土壤孔隙度均高于N2处理，N4处理对土壤容重、孔隙度的改善效果较N2处理优。玉米成熟期，0～20 cm土层，N7处理土壤容重显著低于N3、N4、N5、N6和N8处理，N5处理土壤容重最高，土壤孔隙度与之相反；0～40 cm土层，N8处理土壤容重均低于N5处理，但高于N6和N7处理，而60～100 cm土层，N8处理土壤容重均高于N5、N6和N7处理，土壤孔隙度与之相反。因此，在玉米成熟期除40～60 cm土层外，各土层N6和N7处理对土壤容重、孔隙度的改善效果均优于N8处理。

2.2.3 有机质含量 土壤有机质含量随土层深度增加而逐渐降低(图5)。秸秆过腹还田配施氮肥对0～20 cm土层有机质含量的影响较明显。小麦成熟期，0～20 cm土层，N1处理土壤有机质含量显著低于其他处理，N4处理土壤有机质含量显著高于其他处理；20～40 cm土层，除N1处理外，N2、N3、N4处理土壤有机质含量均显著低于其他各处理，N6处理最高；40～60 cm土层，N1、N2、N3、N4处理均显著低于N5、N6、N7、N8处理，N5、N6、N7、N8处理间差异不显著。玉米成熟期，0～20 cm土层，N7处理土壤有机质含量显著高于其他各处理，前茬小麦秸秆过腹还田处理中，随施氮量的减少土壤有机质含量逐渐降低，表现为N7>N6>N5；20～40 cm土层，各处理土壤有机质含量无显著差异；40～60 cm土层，N5处理土壤有机质含量显著低于其他处理，N6处理最高。

2.2.4 微生物群落组成

2.2.4.1 OTUs(Operational taxonomic units)数量 以97%相似性水平统计，8个处理中，小麦成熟期土壤共同OTUs数量为1 676个，玉米成熟期共同OTUs数量为1 138个(表2)。小麦成熟期土壤OTUs数量高于玉米成熟期。除N8处理外，小麦成熟期独有OTUs数量均高于玉米成熟期，而N8处理小麦成熟期独有OTUs数量最低，玉米成熟期最高。

表2 小麦、玉米成熟期0～20 cm土壤OTUs数量Tab.2 OTUs number in 0—20 cm soil in wheat and maize mature periods 个

2.2.4.2 微生物群落组成 各处理微生物组成基本相近，其中，变形菌(Proteobacteria)在各处理中的相对丰度均最高，其次为放线菌(Actinobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)、芽孢杆菌(Gemmatimonadetes)等(图6)。小麦成熟期，N1处理土壤中拟杆菌丰度高于其他处理，而芽孢杆菌丰度则低于其他处理。N1处理周年未施用氮肥，说明施用氮肥可能会降低拟杆菌丰度，提高芽孢杆菌丰度。N2、N3和N4处理下，土壤中放线菌丰度低于其他处理，说明秸秆过牛腹还田较秸秆直接还田处理会减少放线菌的丰度。与小麦成熟期相比，玉米成熟期，各处理变形菌相对丰度整体减少，而放线菌相对丰度较小麦成熟期整体增加。N1处理下，土壤中放线菌丰度高于其他处理，而芽孢杆菌丰度则低于其他处理，这与小麦成熟期表现相似。N5、N6、N7处理下，土壤放线菌丰度均低于其他处理，可能与前茬小麦秸秆过腹还田有关。

图6 秸秆过腹还田配施氮肥对小麦(A)、玉米(B)成熟期0～20 cm土壤微生物组成的影响Fig.6 Effects of returning straw to field through cow’s belly and applying nitrogen fertilizer on the bacterial composition in 0—20 cm soil in wheat(A)and maize(B)mature periods

2.2.4.3 冗余分析 如图7所示，图中箭头分别代表不同环境因子、样本，样本与环境因子之间的夹角代表物种样本与环境因子间的正负相关关系，即锐角为正相关、钝角为负相关、直角无相关性，环境因子的射线越长，说明该影响因子对样本的影响程度越大。其中，横向为第一主轴，纵向为第二主轴。本研究中只考虑主要菌群与环境因子之间的关系。冗余分析结果表明，小麦成熟期，第一主轴解释了25.4%两者之间的关系，第二主轴解释了20.3%两者之间的关系。土壤容重、有机质含量分别为第一主轴和第二主轴上的主要影响因子。土壤中相对丰度较高的菌群中，变形菌群、拟杆菌群丰度与土壤容重呈正相关，放线菌群丰度与土壤容重、有机质含量及全氮含量均呈负相关，芽孢杆菌群丰度则与土壤有机质含量、全氮含量呈正相关。玉米成熟期，第一主轴解释了42%两者之间的关系，第二主轴解释了47%两者之间的关系。土壤有机质含量和土壤全氮含量分别为第一主轴和第二主轴上的主要影响因子。变形菌群、拟杆菌群丰度与土壤容重呈正相关，芽孢杆菌群丰度则与土壤有机质、全氮含量呈正相关。

pH为土壤pH值，TN为土壤全氮含量，Organic为土壤有机质含量，Bulk为土壤容重。白色箭头表示环境因子，黑色箭头表示微生物物种。Proteobc：Proteobacteria；Actinobc；Actinobacteria；Bacteroi：Bacteroidetes；Gemmatim：Gemmatimonadetes；Acidobac：Acidobacteria；Firmicut：Firmicutes；Nitrospr：Nitrospirae；Latescib：Latescibacteria；Entotheo：Entotheonellaeota；Elusimic：Elusimicrobia；Chlorofl：Chloroflexi；Patescib：Patescibacteria；Fibrobac：Fibrobacteres；Rokubact：Rokubacteria；Dependen：Dependentiae；Verrucom：Verrucomicrobia；Cyanobac：Cyanobacteria；Zixibact：Zixibacteria；Epsilonb：Epsilonbacteraeota；Calditrc：Calditrichaeota；Planctom：Planctomycetes；Deferrib：Deferribactere；Spirocha：Spirochaetes；Tenerict：Tenericutes；Armatimn：Armati-monadetes；Chlamydi：Chlamydiae；Fusobact：Fusobacteria；Dadabact：Dadabacteria；Margulis：Margulisbacteria；Epsilonb：Epsilonbacteraeota pH represents the soil pH value,TN represents the soil total nitrogen content,Organic represents the soil organic matter content,Bulk represents the soil bulk density.The white arrow indicates environmental factors，and the black arrow indicates microbial species

3 结论与讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对冬小麦-夏玉米周年产量的影响

秸秆还田方式以及氮肥施用量对小麦、玉米产量及其构成因素均有不同程度的影响，适宜的秸秆还田方式并在作物生育期配施氮肥可以有效调节作物生长环境，改善土壤水、肥、热等条件，促进作物生长，从而使作物产量最大化[20-22]。周怀平等[23]研究发现，配施150 kg/hm2氮肥条件下，玉米产量表现为秸秆过腹粪肥还田>秸秆覆盖还田>秸秆粉碎直接还田>秸秆不还田。胡强等[24]研究认为，施氮0～600 kg/hm2，玉米产量随氮肥施用量的增加而逐步提高，本研究结果与之相似。在本试验中，周年施氮0～695 kg/hm2条件下，前茬秸秆过腹还田处理下，周年籽粒产量随施氮量的减少而逐步降低。除N4与N7处理周年产量基本持平外，玉米秸秆过腹还田处理籽粒产量高于小麦秸秆过腹还田处理。秸秆过腹还田处理下，籽粒周年产量高于秸秆周年直接还田处理(N8)，说明在作物生育期采用前茬秸秆过腹还田处理并周年减施0～127.5 kg/hm2氮处理较常规直接还田处理均可以提高周年作物产量。

3.2 秸秆还田配施氮肥对土壤肥力的影响

秸秆中含有大量有机质及氮、磷、钾等营养元素，秸秆直接还田后可有效提高土壤养分指标，增加土壤肥力水平[25]。汪军等[26]研究表明，连续秸秆还田配施适量氮肥可以改善土壤养分状况，增加0～15 cm土壤有机质含量，与仅玉米秸秆直接还田处理相比，玉米秸秆直接还田配施氮肥260 kg/hm2处理显著提高了小麦成熟期0～20 cm土壤有机质含量，本研究结果与之相似。李艳等[27]通过比对玉米秸秆还田后配施不同用量氮肥发现，连续秸秆还田配施165 kg/hm2氮处理可以增加黏重黑土土壤孔隙度，改善团粒结构比例，降低土壤容重。而赵士诚等[28]研究指出，常年大量秸秆翻入耕层会导致秸秆腐解慢，耕层土壤间隙大，土壤水分不足，影响作物出苗、生长，不利于作物产量持续增加[29-30]。畜禽粪便等有机肥料配施氮肥可以提高土壤有机质含量，增加土壤全氮含量，改善土壤容重、孔隙度，缓解单施化肥造成的土壤pH值下降问题，且与小麦、玉米秸秆直接还田相比，秸秆粉碎掺入饲料喂牛，减少秸秆的丢弃，同时降低了养牛成本，且产生的牛粪还入田中可提高小麦、玉米轮作的土壤肥力，减少化学氮肥的施用，环境保护压力和经济成本均有所降低[31-34]。因此，秸秆过牛腹还田配施氮肥具有一定的优势。在本试验条件下，0～20 cm土层中，小麦成熟期，N4处理土壤有机质含量和全氮含量均高于其他处理；玉米成熟期，N7处理土壤有机质含量和全氮含量均高于其他处理，N4处理次之。说明N4、N7处理对0～20 cm表层土壤有机质、全氮含量的提高效果较秸秆直接还田配施氮肥的N8处理更明显。

3.3 秸秆还田配施氮肥对土壤微生物群落组成的影响

土壤微生物是衡量土壤肥力的重要指标之一，对土壤环境的变化十分敏感，易受外部因素干扰[35]，土壤微生物是土壤生态系统养分循环的重要参与者，对于土壤可持续利用具有重要意义[36]。刘骁蓓等[37]分析小麦秸秆还入稻田对土壤微生物量与群落结构的影响，发现变形菌相对丰度最高，本研究结果与之一致，在小麦或玉米秸秆还田条件下各处理变形菌相对丰度均高于其他菌，且有研究表明变形菌丰度与土壤固氮作用有较大的相关性[38]。艾超[39]研究长期施用有机肥与化肥处理的微生物多样性，发现长期施用有机肥可以显著增加潮土细菌多样性，而单施化肥处理则只刺激少数微生物增长，其中包括放线菌，造成微生物多样性降低。本研究中，在小麦成熟期N2、N3、N4处理与玉米成熟期N5、N6、N7处理均为前茬秸秆过牛腹还田处理，其放线菌丰度低于其他施用化学氮肥处理。

秸秆过腹还田配施氮肥处理小麦-玉米周年产量均高于秸秆直接还田配施氮肥处理，以N2处理周年产量最高，其次是N3、N4处理。同时，秸秆过腹还田条件下的N4处理在小麦成熟期对0～20 cm表层土壤有机质、全氮含量提升效果最优，显著高于秸秆直接还田的N8处理，且N4处理对土壤容重及孔隙度的改善效果较优。秸秆过腹还田处理降低了放线菌相对丰度，增加了变形菌相对丰度。综合来看，玉米秸秆过腹还田周年减氮70 kg/hm2的N4处理周年产量较高，虽然略低于N2处理，但较N2处理减施氮70 kg/hm2，且N4处理表层土壤有机质、氮含量最高，对土壤容重、孔隙度的改善效果较好，均优于N2处理。因此，N4处理,即小麦生育期前茬玉米秸秆过腹还田并周年配施氮625 kg/hm2为本研究条件下的最佳处理。