玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤理化性质的影响

朱凯丽，宋朝玉，裴玉贺，宋希云，李军

(1.青岛农业大学农学院，山东青岛 266109；2.青岛市农业科学研究院，山东青岛 266100)

氮肥是植物生长重要的氮素来源，施加氮肥可以显著促进植物生长和提高作物产量[1]，然而，过量施用氮肥不仅难以使粮食持续增产，而且还产生了温室效应和水体污染等环境危机[2-3]。因此，探索在不降低作物产量的前提下减少氮肥用量在农业生产上具有极为重要的价值[4]。

作物秸秆中含有丰富的氮、磷、钾、有机物和一些微量元素，这些养分在秸秆腐烂后可以被植物重新利用[5-6]。在秸秆全量还田条件下，秸秆中的钾、大部分磷和部分氮都可以补充给土壤[7]。3 a的稻麦秸秆还田试验表明，在75%的秸秆还田量条件下，土壤中有机质和养分含量均显著提高，如氮、磷、钾和有机质的含量分别比对照高2.61%、4.05%、18.25%和 5.90%[8]。秸秆粉碎还田与氮肥配施模式已成为当前增加土壤有机碳含量、提高土壤肥力和作物产量的重要手段[9-13]。长期的肥料定位研究发现，秸秆还田配施中等氮肥(180 kg·hm-2)的条件下，土壤中的有机质和土壤速效钾含量均显著提高，并且玉米和小麦的产量均达到最大[10-11]。Chen等[12]利用7 a的肥料定位试验研究发现，秸秆还田配施氮肥条件下的土壤总氮、速效钾、有机碳含量、蔗糖酶和脲酶的活性均比对照显著提高。Yang等[13]在稻麦轮作试验中发现秸秆还田能够显著减少硝态氮的淋失，提高了氮肥的利用效率。最近的研究发现，秸秆还田配施氮肥还能在一定程度上提高植物的抗病性和土壤的保水能力[14-16]。

尽管对土壤肥力和作物产量的增益效应已有报道[10]，但是秸秆还田与氮肥配施模式对不同土层土壤理化性质的影响还缺乏长期深入的研究。基于连续11 a的定位试验，我们探讨了秸秆还田配施氮肥模式下0～20 cm和20～40 cm土层土壤的理化性质变化，以期为作物高产栽培的田间养分管理提供科学理论和实践依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验设计

试验在山东省青岛市农业科学研究院作物试验场(东经120°21′，北纬36°17′)进行。该试验地从2009年开始进行定位研究，实行冬小麦—夏玉米一年两熟轮作制，旨在评估长期肥料试验效率。该试验地土壤类型为棕壤土，基础土壤有机质含量为16.9 g·kg-1，碱解氮含量为88.6 mg·kg-1，有效磷含量为62.9 mg·kg-1，速效钾含量为50.0 mg·kg-1。

试验以玉米秸秆还田(straw return,SR)、秸秆不还田(non-straw return,NSR)为主因素，氮肥用量为辅因素进行裂区设计。小区面积28.8 m2(3.6 m×8 m)。秸秆还田种植的玉米品种为‘郑单958’，行距为0.6 m，种植密度为67 500株·hm-2，籽粒收获后秸秆全量还田。氮肥为尿素(含N 46%)，氮肥用量设5个处理水平，分别是0(CK)、90(N1)、180(N2)、270(N3)、360(N4)kg·hm-2，重复4次。磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)，用量是75 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)，用量是150 kg·hm-2。冬小麦、夏玉米连作，每季施肥量相同。

1.2 土壤样品采集、制备

2020年6月20日小麦收获后，采用五点取样法取0～20 cm和20～40 cm土层土壤，剔除植物残体和其他杂物，混合均匀带回实验室。一部分土样置于4 ℃冰箱保存，用于土壤酶活性的测定；另一部分于室内风干并过1 mm筛后，用于土壤养分含量的测定。

1.3 土壤酶活测定

土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[17]；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[17]；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[18]。

1.4 土壤酸碱度和养分含量测定

土壤pH值采用复合电极法测定[19]；土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量分别采用碱解扩散法[20]、火焰光度计法[17]和钼锑抗比色法[21]测定。

1.5 数据处理

试验数据的整理和图表的绘制采用Microsoft Excel 2003。对不同处理间土壤酸碱度、土壤酶活性以及土壤碱解氮、速效钾、有效磷含量的多重比较(LSD法)采用DPS，用多因素方差分析，比较不同处理间在P<0.05、P<0.01水平的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸碱度的影响

土壤pH是衡量土壤酸碱度最直观的指标。多年的玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸碱度的影响有一定的差异(图1)。在0～20 cm土层，在同一氮肥用量条件下，秸秆还田略高于秸秆不还田的pH值，且随着氮肥用量的升高，pH值呈现快速下降的趋势。秸秆还田条件下，pH值由CK时的7.29下降到N2、N4处理时的6.9、5.46，下降幅度分别为0.39、1.83，而秸秆不还田条件下pH值由CK时的7.25下降到6.85、5.34，下降幅度分别为0.4、1.91。在20～40 cm土层，在同一氮肥用量条件下，秸秆还田与秸秆不还田的土壤pH值没有明显差异，且随着氮肥用量的升高，pH值呈现缓慢下降的趋势。pH值由CK时的7.48下降到N2、N4处理时的6.78、6.53，下降幅度分别为0.7、0.95。

图1 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸碱度(pH)的影响Fig.1 Effects of straw return plus various nitrogen usages on soil pH in different cultivated layers 注：图中不同小写字母表示在P<0.05时处理间差异达显著水平。下同。

2.2 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酶活性的影响

2.2.1 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤脲酶活性的影响

长期玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤脲酶活性的影响差异显著(图2)。与20～40 cm土层的土壤相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层的土壤脲酶活性显著提高。在0～20 cm土层，不同水平氮肥处理的脲酶活性均比CK明显提高，并且随着施氮量的增加，呈现出先高后低的趋势，其中N2处理脲酶活性达到最高。在秸秆还田和秸秆不还田条件下N2处理的脲酶活性分别比对照提高了95.7%和93.2%。在20～40 cm土层，各氮肥用量处理间脲酶活性差异不显著。

图2 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤脲酶活性的影响Fig.2 Effects of straw return plus various nitrogen usages on urease activity in different soil cultivated layers

2.2.2 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸性磷酸酶活性的影响

长期玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸性磷酸酶活性有一定的影响(图3)。与20～40 cm土层相比，0～20 cm土层的酸性磷酸酶活性显著提高，且随着施氮量的增加呈现先增后降的趋势。在0～20 cm土层，氮肥处理显著提高了土壤酸性磷酸酶活性，其中N2处理活性最高，在秸秆还田和秸秆不还田条件下分别比CK显著提高了14.3%和12.9%。在20～40 cm土层，酸性磷酸酶的活性也随着氮肥用量的增加呈现先增后降的趋势，在N2处理时达到最大，秸秆还田和秸秆不还田条件下分别比对照增加了13.7%和9.5%。

图3 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤酸性磷酸酶活性的影响Fig.3 Effects of straw return plus various nitrogen usages on acid phosphatase activity in different soil cultivated layers

2.2.3 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤蔗糖酶活性的影响

长期玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤蔗糖酶活性的影响差异显著(图4)。与20～40 cm土层土壤相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层的土壤蔗糖酶活性显著提高。在0～20 cm土层，不同施氮水平处理均比CK显著提高了土壤蔗糖酶活性，并随着施氮量的增加呈现先增后降的趋势，其中N2处理土壤蔗糖酶活性达到最大。在秸秆还田和秸秆不还田条件下N2处理较CK分别提高了19.8%和25.1%。在20～40cm土层下，各氮肥处理间土壤蔗糖酶活性差异不显著。

图4 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤蔗糖酶活性的影响Fig.4 Effects of straw return plus various nitrogen usages on sucrase activity in different soil cultivated layers

2.3 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤养分含量的影响

2.3.1 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤碱解氮含量的影响

经过11 a的定位试验，土壤主要养分状况发生了变化(图5)。与20～40 cm土层相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20cm土层土壤碱解氮含量显著提高。在0～20 cm土层，各处理的土壤碱解氮含量均比CK显著提高，并随着施氮量的增加呈上升的趋势，其中N4处理碱解氮含量最高，但N4处理时秸秆还田比秸秆不还田条件的碱解氮含量下降了9.3%。在20～40 cm土层，土壤碱解氮含量随着施氮量的增加亦呈现增高的趋势，在N4处理时达到最高，但碱解氮含量在秸秆还田和秸秆不还田模式下差异不显著。

图5 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤碱解氮含量的影响Fig.5 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of alkali-hydrolyzable nitrogen in different soil cultivated layers

2.3.2 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤有效磷含量的影响

长期玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤有效磷含量影响差异显著(图6)。与20～40 cm土层相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层土壤的有效磷含量显著提高。在0～20 cm土层，土壤有效磷含量随着施氮量的增加而增加，N4处理时含量达到最高。在同一施氮水平下，秸秆还田比秸秆不还田的土壤有效磷含量略低，N4处理时秸秆还田比秸秆不还田的有效磷含量降低了7.3%。在20～40 cm土层，各氮肥处理间土壤有效磷含量差异不显著。

图6 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤有效磷含量的影响Fig.6 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of available phosphorus in different soil cultivated layers

2.3.3 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤速效钾含量的影响

长期玉米秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤速效钾含量影响差异显著(图7)。与20～40 cm土层相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层土壤速效钾含量显著增高。在0～20 cm土层，随着施氮量的增加，土壤速效钾含量呈现显著增加的趋势，在N4处理达到最高，在秸秆还田和秸秆不还田下分别较CK增加了26.2%和23.9%；同一施氮水平下，秸秆还田的速效钾含量较秸秆不还田增加了15.8%～22.9%。在20～40 cm土层，土壤速效钾含量随着施氮量的增加呈现增高的趋势，在N4处理时达到最高，秸秆还田和秸秆不还田条件下的速效钾含量分别比CK增加了52.4%和51.2%。

图7 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤速效钾含量的影响Fig.7 Effects of straw return plus various nitrogen usages on the content of available potassium in different soil cultivated layers

2.4 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤pH、酶活性及养分的方差分析

从表1可以看出，玉米秸秆还田和氮肥用量对0～20 cm土层的土壤各指标均(极)显著影响，氮肥用量对20～40 cm土层土壤酸碱度、脲酶、酸性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、碱解氮、速效钾含量有(极)显著影响，而玉米秸秆还田对酸性磷酸酶活性和速效钾有显著影响；玉米秸秆还田和氮肥用量的互作对0～20 cm土层土壤各指标均(极)显著影响，对20～40 cm土层土壤酸性磷酸酶、碱解氮和速效钾含量有显著影响，而对其他各指标无显著影响。

表1 秸秆还田配施氮肥对不同土层土壤pH、酶活性及养分的方差分析Table 1 Variance analysis of soil pH,enzyme activity and nutrients of different soil layers by returning straw to the field and applying nitrogen fertilizer

3 讨论

3.1 长期玉米秸秆还田可以有效缓解土壤的酸化进程

近40 a来氮肥在促进植物生长和提高作物产量方面做出了巨大贡献[1]。然而，生产上因氮肥利用不合理如过量施用而造成土壤酸化日趋严重，近20 a来我国农田土壤pH值平均下降了大约0.5[22]。土壤酸化会引发一系列的问题如重金属污染[23]和土传病害加剧[24]。为此，人们采取了一些措施来缓解土壤酸化进程，如施加碱性长效缓释氮肥[25]和作物秸秆还田[26-27]。本试验裂区试验结果显示，0～20 cm土层土壤的pH值随着施氮量的增加呈现快速下降的趋势，说明加大氮肥投入会导致土壤酸化，这与Guo等[22]的研究结果一致。在同一氮肥用量条件下，秸秆还田略高于秸秆不还田的pH值，如N4处理时的pH值提高了0.12，说明秸秆还田可在一定程度上缓解土壤的酸化。可能的原因是玉米秸秆含碳量高、比表面积大等特点，还田后能有效增加碱性物质[28]。宋朝玉等[10]发现，在秸秆还田模式下配施180 kg·hm-2氮肥玉米产量最高，而氮肥用量仅为最高氮肥用量的一半。本试验结果表明，N2处理时的土壤pH值近乎中性，说明秸秆还田配施适量氮肥对作物增产和维持土壤酸碱平衡具有重要作用。在同一氮肥用量条件下，20～40 cm土层土壤的pH值在秸秆还田与秸秆不还田之间没有显著差异，说明长期玉米秸秆还田后对土壤酸碱度影响最大的区域分布在0～20 cm土层。

3.2 秸秆还田配施氮肥有利于提高土壤酶活性

研究表明，土壤pH的变化对土壤酶活性会产生一定程度的影响[29]。土壤酶在土壤养分转化中发挥着至关重要的作用，土壤酶活性的高低是衡量土壤微生物活力和土壤肥力的重要指标之一[30]。作为一种水解酶，脲酶促进了土壤中尿素的分解，与土壤肥力密切相关[31]。磷酸酶影响着土壤中有机磷的分解转化，在磷循环中起着重要作用[20]。蔗糖酶催化蔗糖的分解，其活性与土壤中有机质含量、磷含量和微生物数量等相关，在土壤碳循环中发挥着重要作用[32]。

Sun等[33]和Gianfreda等[34]研究发现，秸秆还田对土壤酶活性具有明显的促进作用。李腊梅等[35]报道秸秆还田与无机肥配施明显增强了酸性磷酸酶和脲酶的活性。甄丽莎等[36]发现秸秆还田配合施用氮肥处理的土壤蔗糖酶活性和脲酶活性最高。本试验结果表明，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性均随着施氮量的增加出现先增后降的趋势，说明合理的氮肥用量能够显著提高土壤酶活性和氮肥利用效率，超量施加氮肥导致酶活性降低。在同一施氮水平下，秸秆还田条件下的土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性明显高于不还田处理的酶活性，说明秸秆还田处理提高了土壤的酶活性，有利于氮素的快速转化，这与前人的研究结果一致[33-34,37]。同时发现，N2处理时秸秆还田模式下的土壤酶活性最高，这也与宋朝玉等[10]人报道的N2处理时获得的玉米产量最高相吻合。与20～40 cm土层土壤相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层的土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性显著提高，说明0～20 cm土层是土壤养分转化最为活跃的区域。

3.3 秸秆还田配施适量氮肥有利于改善土壤养分状况

土壤酶活性与土壤中碳源、氮源、N、P等转化有密切联系，其活性高低可在一定程度上反映土壤肥力的水平[38]。氮、磷、钾是作物生长发育必需的大量元素，土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的含量高低可以反映土壤的养分特征和肥力状况[39]。孙志祥等[40]证实了秸秆还田可以显著提高土壤速效钾含量，有利于土壤钾素的收支平衡。本试验结果显示，与20～40 cm土层相比，无论是在秸秆还田和秸秆不还田条件下，0～20 cm土层土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量均比CK显著提高，说明这一土层可为根系的生理活动提供足够的养分。在0～20 cm土层，当氮肥施用量超过一定阈值如N2处理(180 kg·hm-2)时，秸秆不还田条件下的碱解氮积累速度要显著高于秸秆还田条件下的速度，可能的原因是在秸秆不还田条件下脲酶活性降低、氮肥利用效率下降[12]。土壤有效磷和速效钾含量均随着施氮量的增加而增加，在同一施氮水平下，秸秆还田比秸秆不还田的土壤有效磷含量略低，而土壤速效钾含量较高，这说明秸秆还田对土壤有效磷的影响不大，可能的原因是与秸秆中磷素含量较少有关[41]。

4 结论

长期玉米秸秆还田配施氮肥对0～20 cm 土层土壤的理化性质影响较大，而对20～40 cm 土层土壤的理化性质影响较小。施加氮肥会导致土壤酸化，而秸秆还田可以在一定程度上缓解土壤的酸化，有利于土壤的酸碱平衡；两个土层中土壤酶活性均在秸秆还田配施180 kg·hm-2氮肥时达到最高；土壤速效养分含量随着施氮量的增加而增加，且均表现为0～20 cm土层高于20～40 cm土层。综上所述，在秸秆还田条件下0～20 cm土层的土壤含有较适宜的土壤酸碱度、较高的土壤酶活性和养分含量，提高了土壤肥力，这些为根系的生理活动提供足够的养分。该研究为秸秆还田条件下配施适量氮肥进而提高作物产量提供了土壤学基础。