秸秆还田量对半干旱褐土区氮素淋溶及春玉米产量的影响

高晓梅，刘晓辉，于淼，李杨，敖静，孙玉禄，桓明辉，池景良

（辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000）

玉米（Zea mays）是我国主要的粮食作物，年产量3.36亿t，占粮食总产量的55.3%。东北三省是我国春玉米主产区，玉米产量占全国的29%［1］，玉米秸秆量占全国的33.7%［2］。大量玉米秸秆被露天焚烧、堆积或遗弃，不但造成大气污染和火灾隐患，也成为农田面源污染的重要来源。另外长期以来为了追求产量提升，氮肥施用过量问题长期存在且很难逆转，同时面临着土地肥力透支和肥料过量引起的污染等问题。过量施肥导致剩余部分的氮、磷营养元素通过地表径流、土壤渗滤进入河流造成水体富营养化，与农田淋溶相关的”三氮”（硝态氮、亚硝态氮、铵氮）是地下水最主要的污染源［3］。因此，在玉米提质增产的同时，保护生态环境、减少农业面源污染已刻不容缓。

控制农业面源污染的方法主要包括水肥控制法、种植制度优化法、人工湿地及生态带拦截技术、秸秆还田和土壤改良技术等［4，5］。秸秆还田不仅可以增加土壤有机质，还能起到防风蚀水蚀和保墒等作用，是农业生产中改良土壤和减轻农田面源污染的有效途径之一。目前，国内外对秸秆还田方式、还田量等对氮素利用、转化、淋溶等的影响进行了大量研究。许明敏等［6］研究表明，秸秆层及其界面土壤的氮素含量与微生物群落结构密切相关，秸秆还田供应的大量有机碳素营养促进微生物的大量繁衍，微生物分泌各种酶类增强耕层土壤氮素的转化和土壤的矿化。吴三鼎等［7］采取秸秆深埋措施研究发现，秸秆还田能减少土壤剖面硝态氮含量，并延缓硝态氮的淋溶下移。秸秆还田能够提升土壤团聚体的稳定性，增加土壤团聚体碳含量，降低土壤容重，增强土壤持水性能，对土壤质量和玉米产量的提高具有促进作用［8，9］。

秸秆还田具有减施增效和环境友好的优点，但不同地区、不同土壤类型和降水灌溉条件对氮素的淋溶等影响巨大，秸秆还田对淋溶的效用和对产量的影响有所差别，因此，因地制宜地选择适宜的秸秆还田模式可以确保农业收益的最大化。鉴于此，本研究采用不同深度土层氮素测定与耕层下原位渗漏池相结合方法，研究半干旱地区褐土不同土层氮素的滞留量和耕层下氮素淋溶量，探讨不同秸秆还田量对土壤氮垂直迁移的影响，并采用回归分析方法探索玉米籽粒增产的最佳秸秆还田量，以期为提高秸秆资源利用效率、改善水土保持能力、控制农业面源污染、提高作物产量提供科学依据，从而丰富秸秆还田技术优势的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在辽宁省朝阳市喀左县六官营子镇东前沟村试验基地（119°39′25″E、41°09′15″N，海拔301 m）进行。该区属北温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温9℃左右，年均日照时数2 850～2 950 h，年降水量450～500 mm，无霜期120～155 d。冬季干燥，寒冷期长，春秋季风大，日照充足，昼夜温差较大，四季分明。

试验地为褐土，中等肥力，耕层有机质含量16.29 g/kg、全氮659.00 mg/kg、全磷95.00 mg/kg、全钾18.17 g/kg、有效磷18.60 mg/kg、速效钾62.00 mg/kg，pH值6.65。当地风干玉米秸秆年平均产量约10 000 kg/hm2，其氮磷钾含量分别为0.52%、0.26%、0.84%。试验设置前种植方式为玉米连作、秸秆离田。

1.2 试验设计

试验于2020年春耕前（4月下旬）采用田间小区试验法，小区面积6.0 m×8.0 m=48 m2，小区横向隔离0.8 m，纵向隔离1.0 m。秸秆还田方式采用翻耕还田，翻耕深度（25±2）cm。每小区选1.5 m×0.8 m区域作为淋溶测试区，开沟深度为40 cm。此区域周围和底部均用塑料薄膜围住，仅在底部中心预留出淋溶筒的位置，置入专用淋溶筒（直径40 cm，高40 cm）。淋溶筒上插入一根透气管（直径0.8 cm），透气管仅插入筒盖下3～5 cm处即可。桶面覆盖装有5 cm厚细沙的100目尼龙袋，防止细土渗入淋溶筒，原土回填至25 cm深左右。与整个小区一样铺设玉米秸秆层。

秸秆从试验区本地购买，自然风干，打碎压块（≤30 mm）。秸秆用量按小区设置进行，回填土至地面平整。按常规玉米种植方法地面起垄、垄台播种，株距33 cm，行距50 cm。浇水、除草措施等田间管理按照当地习惯进行。

试验采用随机区组设计，共设8个处理，分别为：不施肥CKN；常规施肥CK；常规施肥+0.25 kg/m2秸秆（0.25S）；常规施肥+0.5 kg/m2秸秆（0.50S）；常规施肥+0.75 kg/m2秸秆（0.75S）；常规施肥+1.00 kg/m2秸秆（1.00S）；常规施肥+1.25 kg/m2秸秆（1.25S）；常规施肥+1.50 kg/m2秸秆（1.50S），每处理重复3次。

供试玉米品种为春玉米吉第67。常规施肥用玉米专用复合肥（N-P2O5-K2O=28-14-12），缓释剂型，用量为600 kg/hm2，相当于纯氮（N）168 kg/hm2、P2O584 kg/hm2、K2O 72 kg/hm2，生长季未追肥。玉米生育期（5月初至9月底）内自然降水量为380 mm。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤样品 于播种前和收获后按五点取样法，各处理分别取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层土壤，带回实验室风干，同土层5个重复混匀为一个样品，过60目筛后备用。

1.3.2 淋溶液样品 玉米生长季结束后将淋溶筒取出，量取淋溶液体积并测定其形态氮素含量。淋溶量（mg/m2）=（淋溶液氮素含量×淋溶液总量）/淋溶面积。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 氮素 采用鲍士旦［10］的方法测定。土壤全氮经浓硫酸和高氯酸消煮，铵态氮、硝态氮、亚硝态氮通过氯化钾溶液（1 mol/L）浸提后，使用FIA6000+流动分析仪进行测定［11］。淋溶液中氮素参照文献［12］中水样分析测试法测定，T-N采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，NH+4-N采用钠氏试剂比色法，NO-3-N采用酚二磺酸光度法，NO-2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

1.4.2 产量和产量构成要素 玉米完熟期（10月10日）收获，统计各处理穗长、穗粗、穗行数、百粒重，并按小区脱粒测产，同时测含水量，并折算成籽粒标准含水量（14%）下的产量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0软件进行数据处理和统计分析，方差分析和差异显著性比较采用单因素方差（one way-ANOVA）和邓肯氏（Duncan’s）法（α=0.05），用Pearson法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面全氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮含量变化

由各处理土壤全氮（T-N）含量变化特征发现，不同处理土壤全氮随剖面向下呈逐渐降低趋势（图1A），即0～20 cm＞20～40 cm＞40～60 cm＞60～80 cm＞80～100 cm。同一土层比较，常规施肥（CK）全氮含量最高，秸秆还田各处理均低于CK，而不施肥（CKN）偏低。

由各处理土壤铵态氮（NH+4-N）含量变化特征发现，随土壤剖面深度的增加铵态氮含量先稍增高后逐渐降低（图1B），即20～40 cm土层铵态氮含量最高，其次是0～20 cm土层，40 cm以下依次减少。同一土层来看，铵态氮含量仍表现为不施肥CKN最低，常规施肥（CK）与不同量秸秆还田处理差异不明显。

由图1C可见，随土壤剖面深度的增加硝态氮（NO-3-N）含量先明显增高而后逐渐降低，即20～40 cm土层硝态氮含量最高，其次是0～20 cm土层，40 cm以下依次减少。同一土层比较，不施肥处理（CKN）硝态氮含量明显偏低，尤其是耕层（40 cm以上），而常规施肥（CK）和秸秆还田各处理差异不显著。

由图1D看出，不同处理土壤亚硝态氮（NO-2-N）含量随土层深度的增加先显著升高后降低，20～40 cm土层亚硝态氮含量最高，与硝态氮不同的是之后依次为40～60、60～80、0～20、80～100 cm土层。同一土层各处理间亚硝态氮含量差异不大，不施肥（CKN）、常规施肥（CK）和秸秆还田处理对其影响均不明显。

图1 0～100 cm土壤剖面T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N含量变化

综上分析，全氮含量随着土壤剖面向下逐渐降低，铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量在土壤亚表层明显增加，这可能与秸秆还田位置恰好处于该土层有关。

2.2 淋溶液全氮和不同形态氮含量及其与秸秆还田量的相关性分析

由表1可知，与常规施肥（CK）相比，淋溶液中全氮淋溶量降低8.07%～18.78%，铵态氮淋溶量降低7.89%～30.17%，硝态氮淋溶量降低3.19%～6.73%，亚硝态氮淋溶量降低7.20%～16.99%，而未施肥对照（CKN）全氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮含量较CK低20.83%、43.21%、46.60%和72.58%。整体看来，CK＞常规施肥+秸秆还田＞CKN，可见施用氮肥是氮素淋溶的最主要来源，秸秆还田措施能够有效降低氮素淋失量。从淋失量比例分析，秸秆还田对T-N和NH+4-N的淋溶阻控效果最好，对作用稍差，但差异均达显著水平（P＜0.05）。

表1 秸秆还田量对氮素淋溶的影响

表2 秸秆还田量与氮素淋溶的相关分析

图2 淋溶液中总氮及不同形态氮含量与秸秆还田量的关系

2.3 不同秸秆还田量对玉米籽粒产量的影响及相关分析

由表3可知，常规施肥条件下各秸秆还田处理玉米籽粒产量、穗长、穗粗、穗行数和百粒重较不施肥（CKN）和常规施肥（CK）均有提高，其中产量与穗长差异达显著水平（P＜0.05）。与CK相比，产量、穗长、穗粗、穗行数和百粒重增幅分别为6.36%～14.65%、3.05%～11.30%、0.34%～1.19%、6.64%～10.90%和0.74%～2.39%，未施肥（CKN）较CK则分别降低7.12%、11.59%、0.54%、5.45%和0.52%。可见秸秆还田能在常规施肥的基础上，增强土壤肥效，显著提高玉米籽粒产量。当秸秆还田量为0.75 kg/m2时玉米籽粒产量最高，较CK增产14.65%，穗长、穗行数和百粒重均高于其他处理。

表3 不同秸秆还田量对玉米产量和产量构成要素的影响

Pearson相关分析表明（表4），玉米籽粒产量对其构成因素相关性由大到小依次为穗长、百粒重、穗行数和穗粗。

表4 秸秆还田量对春玉米产量及其构成要素的相关分析

回归分析（图3）表明，玉米籽粒产量随秸秆量增加先较快上升，出现肥效递增效应，产量持续增加，而后单位秸秆量的增产量逐渐减少，出现肥效递减阶段，产量达到上限后肥料进入负效应阶段。当玉米籽粒产量达到上限后，秸秆还田量过多，导致土壤中碳氮比过高，氮素被土壤固持，影响玉米氮素吸收，营养元素的失衡不利于根系营养吸收，导致产量下降。从经济角度考虑，结合耕层下淋溶量的差异分析，秸秆还田量以0.75 kg/m2左右为最优。

图3 玉米籽粒产量与秸秆还田量的关系

2.4 秸秆还田后土壤全氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量差异

通过氮素淋溶迁移和玉米产量与秸秆还田量的相关分析，确定秸秆还田0.75 kg/m2为推荐秸秆还田量。由图4可知，与常规施肥（CK）相比，秸秆推荐还田量处理和未施肥处理（CKN）的土壤全氮在0～100 cm各土层中明显偏低，同一土层不同处理整体表现为CK＞0.75S＞CKN。与栽培前相比，收获后各处理土壤全氮含量稍有降低，而铵态氮含量比栽培前稍高，但无明显差异。各处理收获期土壤硝态氮含量显著低于栽培前，可见试验区常规氮肥施用量并未过量，推测玉米生长季期间硝态氮被作物吸收或者转化为其他类型氮素。而土壤亚硝态氮以20～40 cm土层含量较高，其他土层相对较低，栽培前亚硝态氮含量低，经过一个生长季收获期亚硝态氮含量普遍提高4～8倍。

图4 0～100 cm土层土壤总氮及不同形态氮含量差异

3 讨论

秸秆直接还田是农作物秸秆综合利用最主要的途径，对生态环境和农业可持续发展具有积极意义。本研究结果表明，秸秆还田对减缓土壤氮素淋溶影响显著，与CK相比，秸秆还田不同程度降低了氮素淋溶下移的速度，对T-N和NH+4-N的效果较好，对NO-3-N和NO-2-N淋失阻控作用稍差。这与白云［13］和Xia等［14］的研究结果基本一致。收获期土壤铵态氮、硝态氮含量与分布主要受秸秆腐解、土壤矿化和根系分布影响。秸秆翻耕还田降低土壤容重，进而促进根系的生长与下扎，同时也有利于土壤水分的贮存和微生物的繁殖［15，16］。秸秆中氮素主要以难溶的有机态存在，在自然状态下分解较慢，释放率仅8.3%～55.6%，而大量微生物富集在根系区域，通过矿化土壤中的有机氮释放铵态氮，增加了根区铵态氮含量。秸秆翻耕还田扰动深层土壤，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，促进土壤微生物的氮矿化与硝化作用，从而使易于被作物根系利用的铵态氮和硝态氮分布与玉米根系分布的密切相关，因此，0～40 cm土层铵态氮和硝态氮含量较其他土层更高［17，18］。降雨量与灌溉量也是决定土壤硝态氮淋溶下移的重要因素之一［19］。辽宁西部玉米产区十年九旱，试验期间降雨量较少，对氮素淋溶试验有一定影响，但从秸秆还田对半干旱地区氮素淋溶的影响来看具有代表意义。

秸秆还田处理可以调和氮肥施用过多造成的碳氮比减小问题，利于微生物繁殖和土壤矿化。氮肥施用过量易造成淋溶风险提高，而秸秆本身碳氮比较高（一般为60～80），施入土壤后能够一定程度平衡氮素过高的不良影响，从而协同增产增收，实现生态环境保护与经济效益双赢。霍海南等［20］研究表明，秸秆还田量低于收获量的67%，影响自养硝化速率，从而增加无机氮损失风险。本研究结果表明，过量的秸秆还田不但不能增产，反而使玉米产量有所下降。秸秆作为一种培肥土壤的营养要素，具有所有肥料共同的肥效特性，通过秸秆还田量与产量的肥效回归分析，确定适宜的添加量，从而获得更高的投入产出比。陈富强等［21］研究发现，800 kg/hm2处理的保墒效果优于其它秸秆还田量。根据长期秸秆还田的养分释放及累积效应，秸秆还田配施氮肥下玉米合理施氮量应控制在150～203 kg/hm2，适宜的秸秆还田量与合理的施氮量相辅相成，才能实现既提高玉米产量和氮肥利用率，又能降低氮素淋溶所致环境风险［22，23］。

前人研究表明，穗行数和穗长是玉米产量形成的基础，同时兼顾千粒重协调发展，因此，提高穗长和穗行数是获得高产的关键。本研究发现，秸秆还田处理的玉米产量构成要素均提高，尤其是穗长和穗行数，最终不同程度地提高玉米产量。另外由于秸秆还田使土壤保墒和保水等性能提高，还田土壤玉米根系更发达、营养吸收更好也是玉米产量提高的重要因素。

4 结论

秸秆还田能够充分调动土壤营养的转化和循环，利于玉米根系下扎，增强根系所在耕层土壤的氮素转化和固持，促进玉米生长发育。秸秆深还田显著增加了玉米籽粒产量，施用量为0.75 kg/m2时增产效用最大，不仅使春玉米长势良好、根系发达、产量提高，还能明显减少春玉米种植期间土壤T-N、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N随灌溉和降水淋失，从而降低玉米地农业面源污染风险。该技术可以在半干旱褐土区春玉米生产中加以推广应用。