秸秆还田条件下氮肥减施对稻田土壤养分及酶活性和产量的影响

张俊莹，赵立琴，吴金花，庞晨，李鹏绯，焦峰

（1黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2黑龙江省前进农场现代农业发展中心）

中国是世界上最大的化学肥料消费国，约占全球总量的35%[1]。化肥是稳定和提高作物产量的基础。但是，在经济利益的驱使下，在农业生产中过量使用化肥，造成土壤养分失衡，耕地质量下降。与20世纪相比，施肥量与作物产量的比值在逐年降低[2]。化学肥料的过度使用，除了增加种植成本、浪费资源，还会引发病虫害、化肥残留、地下水污染及水体富营养化等一系列问题[3]。

我国秸杆产量约占世界秸秆总产量的30%，大量秸秆对环境造成很大的压力，目前直接还田是秸秆的重要利用方式，既解决了秸秆对环境的影响，还可以增加土壤养分[4-5]、提高土壤酶活性[6]、改善土壤物理性质[7]以及抑制田间杂草等[8-9]，最终起到优化农田生态环境的作用[10]。

氮肥对秸秆还田起着决定性的作用。微生物在一定的碳氮比条件下，才能高效的分解利用秸秆[11]。在秸秆还田同时合理配施氮肥，促进秸秆腐熟并提高土壤养分[12]。因此在保证粮食安全的前提下减少氮肥施用显得尤为重要。目前秸秆还田对土壤养分影响的报道较多，但在多年秸秆还田条件下氮肥减施，分析不同土层养分的研究较少。研究基于长期水稻秸杆还田及氮肥减施试验的基础上，分析秸秆还田模式下氮肥管理水平对不同土层养分及酶活性的影响。旨在揭示长期秸秆还田和氮肥减施对土层养分供应的影响机制，为寒地稻区秸秆合理利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

水稻（oryza sativa）种植品种为龙粳31；供试氮肥为尿素（N 46%）。

1.2 试验设计

试验设在黑龙江省建三江管理局前进农场科技园区，试验用地为潜育白浆土，土壤性质见表1。试验共7个处理，随机排列，小区总面积为1 050 m2，各小区长度15 m、宽度10 m。处理方式见表2，秸秆还田处理在水稻收获后秸秆100%直接还田；水稻种植过程中100%氮肥施用量为150 kg·hm-2；减氮10%施用量为135 kg·hm-2；减氮20%施用量为120 kg·hm-2；减氮30%施用量为105 kg·hm-2。试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。氮肥40%做基肥、30%做蘖肥、30%做穗肥；磷肥100%做基肥；钾肥60%做基肥、40%做蘖肥。各小区严格实行单灌单排，田间管理方式完全按照水稻常规生产技术措施标准统一执行。

表1 潜育白浆土基本性质Table 1 Basic characteristic of gley albic soil

表2 各处理还田及施肥方式Table 2 Straw returning and fertilization methods

1.3 指标测定

试验第5年水稻收获后，在每个小区内随机划分3个1 m2区域，用土钻在每个区域内纵向取3点，并将3点土样以0～20、20～40 cm分离，同层混匀。土壤样品分为2份；一份自然风干后粉碎过筛备用，用于土壤化学性质的测定（0～20、20～40 cm）；一份放4℃冰箱保存，用于土壤酶活性的测定（0～20 cm）。

水稻产量测定每小区按照随机法3点取样，每点1 m2，脱水后实测单位平方米面积水稻产量，籽粒按含水量14%折算产量。

土壤养分测定参照鲍士旦[13]的方法测定。土壤酶活性是利用索莱宝生化科技（北京）有限公司的土壤酶活性试剂盒测定。

1.4 数据分析

利用SPSS 21.0进行单因素方差分析，差异显著性及多重比较分析采用Duncan检验法,利用Excel 2017作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田条件下氮肥减施对土壤全量养分的影响

由表3可见，在0～20、20～40 cm土层中，V1D1和V1D1（-10%）处理的全氮含量显著高于V0D0处理。表明秸秆还田条件下配施全量或减量10%的氮肥，对提高土壤全氮含量，促进氮素利用有一定作用。在秸秆还田+减氮施肥处理中，V1D1（-10%）处理的全氮含量在三个处理中处于较高水平；V1D1（-30%）处理的全氮含量在三个处理中处于较低水平，这表明当秸秆还田同时减施氮肥10%以上，土壤中全氮的含量随着施氮量的减少而降低。

表3 秸秆还田条件下氮肥减施对土壤全量养分的影响Table 3 Effect of nitrogen reduction on total nutrients content under straw returning condition

在0～20、20～40 cm土层中，V0D0处理的土壤全磷含量显著高于其他处理。单施秸秆会明显降低0～20 cm土层的全磷含量；秸秆还田+减氮30%会明显降低20～40 cm土层的全磷含量。在0～20 cm土层中，V1D1（-10%）、V1D1（-20%）、V1D1（-30%）处理间无明显的差异；在20～40 cm土层中，在三个减氮处理中V1D1（-10%）处于较高水平，V1D1（-30%）处于较低水平。说明在0～20 cm土层中秸秆还田条件下减少氮肥用量对土壤全磷含量影响不大；在20～40 cm土层中秸秆还田条件下随着施氮量的减少全磷含量逐渐降低。

V0D1处理的全钾含量在两个土层中均处于较低水平。在0～20 cm土层中，单施氮肥的土壤全钾含量与秸秆还田+氮肥处理相比显著降低；在20～40 cm土层中，单施氮肥的土壤全钾含量与V1D1、V1D1（-10%）、V1D1（-30%）相比显著降低。在0～20、20～40 cm土层中，V1D1（-10%）处理的全钾含量显著高于V0D0和V0D1处理，并且V1D1与V1D1（-10%）处理差异不显著。说明秸秆还田条件下配施全量或减量10%的氮肥对提高土壤全钾含量有一定促进作用。

在0～20 cm土层中，V0D0处理的有机碳含量最高；V0D1处理的有机碳含量最低；V1D1（-10%）处理的有机碳含量显著高于V0D1处理。在20～40 cm土层中，V1D1（-10%）处理均显著高于V0D1、V1D1（-30%）处理；与V1D1（-20%）处理差异不显著。可见，秸秆还田能显著提高0～20 cm土层土壤有机碳含量。

2.2 秸秆还田条件下氮肥减施对土壤速效养分的影响

由表4可见，在0～20、20～40 cm土层中，V1D0处理的碱解氮含量处于较高水平。说明单独秸秆还田可以提高土壤碱解氮含量，而秸秆还田配施氮肥处理土壤碱解氮含量又会显著降低。在秸秆还田配施氮肥的处理中，V1D1（-10%）和V1D1（-20%）处理上、下土层碱解氮均处于较高水平，但显著低于V0D1和V1D0处理。秸秆还田配施氮肥处理碱解氮降低可能与碱解氮用于微生物降解秸秆有机碳和在此过程中微生物对碱解氮的生物固定有关。

表4 秸秆还田条件下氮肥减施对土壤速效养分的影响Table 4 Effect of nitrogen reduction on soil available nutrients content under straw returning condition

在0～20、20～40 cm土层中，V0D1处理的有效磷含量显著高于V0D0处理，说明施用氮肥可以增加土壤有效磷含量。单施氮肥与秸秆还田+氮肥处理相比，在0～20 cm土层中有效磷含量差异不显著；在20～40 cm土层中明显提高（P<0.05）。说明秸秆和氮肥配施与单施氮肥相比对土壤有效磷含量的增加无明显效果；也说明在进行秸秆还田的同时，要适当施用磷肥。在0～20 cm土层中，V1D1（-10%）处理有效磷含量显著高于V1D1（-30%）处理；在20～40 cm土层中，V1D1（-10%）处理有效磷含量显著高于V1D1和V1D1（-30%）处理（P<0.05）。说明在秸秆还田配施氮肥条件下，减氮10%处理的有效磷含量在不同土层均处于较高水平。

在0～20、20～40 cm土层中，V0D1处理的速效钾含量显著高于V0D0处理。说明施氮肥可以提高土壤的速效钾含量。在秸秆还田+氮肥处理中，V1D1（-10%）和V1D1（-20%）处理的速效钾含量在0～20 cm土层处于较高水平；V1D1（-10%）和V1D1（-30%）处理的速效钾含量在20～40 cm土层处于较高水平。说明在秸秆还田配施氮肥条件下，减氮10%可以促进土壤速效钾的积累。

2.3 秸秆还田条件下氮肥减施对土壤酶活性的影响

由表5所示，V1D0、V0D1和V1D1处理的土壤脲酶活性显著高于其他处理。说明施用氮肥和秸秆还田均可提高土壤脲酶活性；在秸秆还田条件下，100%施氮的处理土壤脲酶活性高于减氮处理。V0D1处理土壤蔗糖酶活性显著高于V0D0、V1D0、V1D1（-10%）和V1D1（-30%）处理，其它处理间差异不显著。说明在秸秆还田条件下，常规施氮与减氮施肥处理相比的蔗糖酶活性无明显差异。V0D0和V0D1处理的土壤碱性磷酸酶活性均显著低于其他处理。说明秸秆还田或秸秆和氮肥配施均可以提高土壤碱性磷酸酶活性。土壤过氧化物酶活性除了秸秆还田+减氮20%处理显著降低外，其他处理间差异均不显著。说明秸秆还田+100%氮肥、秸秆还田+减氮10%及减氮30%对土壤过氧化物酶活性影响不大。

表5 不同处理土壤酶活性的变化Table 5 Changes of soil enzyme activity under different treatments

2.4 秸秆还田条件下氮肥减施对水稻产量的影响

由图1所示，V1D1和V1D1（-10%）处理水稻产量显著高于其他处理，但二者之间差异不显著；单施秸秆显著高于不施秸秆及氮肥处理，显著低于其他处理。说明在该试验条件下秸秆还田+100%氮肥处理和秸秆还田+减氮10%处理比不施秸秆、不施氮肥、单施秸秆和单施氮肥处理均能显著提高水稻产量。

图1 不同处理水稻产量的变化Fig.1 Changes of rice yield under different treatments

3 讨论

3.1 秸秆还田配施氮肥对土壤化学性质及酶活性的影响

氮肥是限制作物产量的重要因素之一[14]，过量使用氮肥会导致氮素饱和，出现氮素淋溶、氨挥发、反硝化等问题，导致氮肥利用率显著降低[15-17]。水稻秸秆中含有丰富的氮素营养，连续秸秆还田可提高氮素利用率。Zhou等[18]在连续12年秸秆还田试验中发现，秸秆还田可以提高稻麦轮作土壤中的有机碳含量。赵士诚等[19]研究发现麦秆秸秆连续还田32年，可以提高土壤全氮、全磷含量。刘玮斌等[20]在玉米秸秆还田试验中发现，秸秆还田与对照相比可以显著提高土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性。在研究结果中，秸秆还田+减氮10%处理的全氮和全钾含量均高于对照处理，说明秸秆还田+减量10%对土壤全氮和全钾的积累起到促进作用，土壤全钾含量提高可能与秸秆本身富含钾元素有关。与对照相比单施氮肥或单施秸秆均会降低土壤的全磷含量，可能因为秸秆与氮肥配施提高了土壤微生物的活性，从而引起全磷含量降低。在研究结果中，单施氮肥的有效磷和速效钾含量均处于较高水平，这与刘艳等[21]的结果一致。单施秸秆的处理碱解氮含量处于较高水平，Yang等[22]在长期棉花秸秆还田试验中发现，土壤碱解氮与细菌群落分布显著相关。在秸秆与氮肥配施的四个处理中，减氮10%处理的碱解氮、有效磷、速效钾含量均处于较高水平。说明秸秆还田条件下减氮10%有利于土壤速效养分的积累。研究秸秆还田+减氮10%处理的有机碳含量在两个土层中均高于单施氮肥处理，但秸秆还田+100%氮肥处理有机碳含量并不高于单施氮肥处理。原因可能是在合适的C/N比条件下，更能促进土壤微生物对土壤有机碳的分解[23]。单施氮肥、单施秸秆和秸秆还田+100%氮肥处理的土壤脲酶活性均显著高于其他处理，说明适当降低土壤脲酶活性有利于提高氮肥的利用率，而秸秆还田+减氮10%处理降低了土壤脲酶活性，可能对提高氮肥的利用率有利[24]。秸秆还田+100%氮肥处理对碱性磷酸酶活性也有显著提高作用，但对蔗糖酶和过氧化氢酶活性影响不大。

3.2 秸秆还田配施氮肥对水稻产量的影响

作物产量可分为基础地力产量和施肥产量[25]。自从使用化学肥料后，粮食产量逐年上升，然而达到一定程度后，再增加肥料用量对粮食的产量影响不大。焦峰等[26]研究表明，不同形态氮肥会改变作物对营养元素的积累和分配。在研究中，秸秆还田+100%氮肥和秸秆还田+减氮10%处理水稻产量显著高于其他处理。秸秆还田+减氮10%可以在不影响产量的前提下节约肥料，并且提高了土壤全氮、全钾含量和有机碳含量，但减氮量继续增加，水稻产量降低。可见，稻田秸秆还田条件下，减施氮肥的量不宜过大，研究表明氮肥减施量不应超过10%。相关分析结果表明，水稻产量与全氮、全钾含量呈正相关，但相关不显著（见表6），四种酶活性均与产量呈正相关，但相关不显著（见表7）。值得说明的是，试验对水稻产量和土壤养分及酶活性的影响的数据和结论是在稻田秸秆还田施用氮肥仅为尿素条件下获得的，在某些方面可能会存在一定局限性。

表6 土壤养分与产量相关分析Table 6 Correlation analysis of soil nutrient and rice yield

表7 不同酶活性与水稻产量相关分析Table 7 Correlation analysis of enzyme activity and rice yield

4 结论

秸秆还田+减氮10%与单施氮肥和单施秸秆处理相比对土壤全氮、全钾和有机碳的积累有明显促进作用，显著降低碱解氮含量、下层土壤速效磷和速效钾的含量；显著提高碱性磷酸酶活性，显著降低土壤脲酶活性。秸秆还田+减氮10%处理与单施氮肥和单施秸秆处理相比水稻产量显著提高，当减氮量超过10%时，随着氮肥量的减少水稻产量逐渐降低。因此，在试验条件下，秸秆还田基础上减氮施肥10%为适合的水稻种植模式，可以提高土壤养分含量，提高水稻产量。