不同秸秆与氮肥管理措施对夏玉米产量及氮素利用的影响

2021-12-08王鑫宇蔡焕杰王晓云赵政鑫

干旱地区农业研究 2021年6期

王鑫宇，蔡焕杰，王晓云，赵政鑫，王锐

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

夏玉米是陕西关中地区的主要粮食作物之一，常年播种面积达60万hm2以上，占全省玉米种植面积的60%以上[1]。氮肥对农业生产起着至关重要的作用，其粮食增产贡献率可达30%～50%[2]。但有研究表明，农民盲目追求高产，氮肥过量投入的现象十分严重[3]，这不仅增大了农业投入成本，还引发了一系列生态环境问题。过量的氮素会下渗至土层深处或以NH3及氮氧化物等气体形式进入大气，造成氮肥资源浪费和生态环境恶化等问题[4]。有研究表明，NH3结合二氧化硫和氮氧化物发生化学反应，形成的PM2.5颗粒，然后结合其他污染物进而形成雾霾[5]。氧化亚氮(N2O)虽然不是氮肥损失的主要途径，但氮肥过量施用会造成N2O排放量增加并对环境产生不利影响[6]，如产生温室效应和破坏臭氧层等[7-8]。农业生产中的秸秆副产品是一种重要的有机质资源[9]。但在实际农业生产中秸秆利用率较低，这样不仅会造成生物质资源的浪费，不恰当的秸秆处理方式还会对土壤、大气和水体造成严重的影响[10]。

基于当前秸秆资源利用率低和氮肥施用不合理的情况，在秸秆还田的基础上施用氮肥已成为近年来的研究热点。秸秆还田可以提高土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤保水能力[11-12]。有研究表明，单独秸秆还田难以满足作物养分需求，增产效果不明显[13]，秸秆还田配施氮肥能够更有效地提高作物产量[14]。稳定性氮肥是指在肥料的生产过程中，添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂，或者同时添加两种抑制剂的肥料[15]。研究表明，稳定性肥料不但能够减少温室气体排放，减少氮损失，而且还能促进农业增产增收，提高经济效益[16]。目前，对于秸秆还田对农田土壤NH3挥发的研究较少且结论具有不确定性。有研究表明，秸秆还田配施氮肥与单施氮肥相比，可以减少农田氨挥发损失[17-19]。但也有研究认为，秸秆还田措施下的农田土壤氨排放量高于秸秆不还田[20-21]。有关秸秆还田对农田N2O排放影响的研究结果也具有差异性，秸秆覆盖还田可显著增加N2O排放，而秸秆翻埋入土壤后可降低N2O排放[22-24]。所以有关秸秆还田对于农田土壤N2O和NH3排放的影响还需进一步研究。

目前，关中地区有关秸秆还田和施氮措施的研究多集中在玉米产量形成、田间土壤理化性质和经济效益等方面，而综合考虑秸秆还田和施氮措施对氮素损失、氮素利用和玉米产量影响的研究较少。因此，本研究以陕西关中地区夏玉米作为研究对象，综合分析秸秆还田和施氮措施对夏玉米产量、氮肥利用、土壤硝态氮分布以及农田土壤N2O和NH3排放的影响，旨在为夏玉米稳产节肥减排高效栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年6—10月在陕西杨凌西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室(34°20′N，108°24′E)进行。该地属于半干旱半湿润气候，年平均气温12.9℃，多年平均降水量约为550 mm，试验期间当地气温与降水情况见图1。试验站地区的土壤质地为粉砂质黏壤土，0～100 cm土层的平均田间持水量为25%，凋萎系数为8.5%，0～20 cm土层有机质11.17 g·kg-1，全氮0.95 g·kg-1，速效磷13.67 mg·kg-1，速效钾183.20 mg·kg-1，硝态氮23.10 mg·kg-1，pH值为7.82。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，试验因素为施氮措施和秸秆还田模式。施氮措施设置3个水平，分别为稳定性氮肥施氮量F1(180 kg·hm-2)、尿素减量施氮量F2(180 kg·hm-2)和尿素农户传统施氮量F3(270 kg·hm-2)；秸秆还田模式设置2个水平，分别为秸秆不还田(N)和秸秆还田(S)。其中稳定性氮肥(缓释肥)在播前以基肥形式一次性施入，常规尿素在播前以基肥形式(2019年6月15日)施入总施氮量的60%，以追肥形式(2019年7月29日)施入总施氮量的40%。施肥方式是均匀撒播后进行人工翻耕。试验共6个处理，每个处理重复6次，共36个小区，小区面积为12 m2，各小区随机排列。

夏玉米采用小麦秸秆粉碎覆盖还田，秸秆还田量为全量还田，秸秆碳氮比为72。供试玉米品种为‘吉祥一号’，于2019年6月15日播种，10月2日收获。其他管理同一般高产大田。

1.3 测定项目

1.3.1 玉米产量及植株氮素测定在玉米收获期各处理小区随机选取10株玉米，自然风干、脱粒后统计产重及其构成因素，并折算成单位面积产量。植株样本烘干称重后进行粉碎，过0.5 mm筛，用浓H2SO4-H2O2消煮，用AA3流动分析仪(Seal, Germany)测定植株全氮含量。

1.3.2 氧化亚氮的测定土壤N2O气体气样采集从2019年6月17日开始，至2019年9月30日结束。用静态暗箱法采集气体，暗箱箱体是由不透光的聚氯乙烯材料制成的边长为45 cm×45 cm×45 cm的中空正方体。在夏玉米播种时将50 cm×50 cm×50 cm的静态箱底座埋于小区中央，底座入土深度为20 cm，直至夏玉米收获。静态箱底座不罩作物，每次取样前去除底座内的杂草。采集样品时将静态箱放在底座凹槽内并且用水进行密封，以便提高观测的准确性。在静态箱箱体顶部安装有电子温度计，用于测量取气过程中静态箱箱体内的温度。夏玉米生育期内每隔一周左右采集1次，施肥、降水或灌溉后取样频率加密，取气样时在静态箱内分别取0、10、20、30 min的4次气样。气体采集后立即带回实验室使用气相色谱仪(Agilent Technologies 7890A GC System, America)测出N2O气体浓度，并且根据浓度计算出气体排放通量。排放通量公式为：

(1)

式中，F为气体排放通量(μg·m-2·h-1)；ρ是标准状态下气体密度(g·cm-3·h-1)；h为采样箱高度(0.45 m)；dC/dT为箱内气体浓度变化率(μg·m-3·h-1)；T为采样时箱内温度(℃)。

氧化亚氮排放量计算公式为：

M=∑(FN+1+FN)×0.5

×(tN+1+tN)×24×10-2

(2)

式中，M为全生育期内气体累积排放量(kg·hm-2)；F为气体排放速率(mg·m-2·h-1)；N为采样次数；t为采样时间即距初次采样的天数。

氧化亚氮排放率计算公式为：

氧化亚氮排放率(%)=氧化亚氮排放量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)

1.3.3 土壤氨挥发的测定土壤氨挥发测定采用通气法[25]，收集装置由PVC硬质塑料管制成，内径15 cm，高10 cm。分别将两块厚度均为2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以15 mL 磷酸甘油溶液(50 mL 磷酸+40 mL 丙三醇，定容至1 000 mL)置于收集装置中，下层海绵距管底5 cm，上层海绵与管顶部相平，并将装置插入土中2 cm深处。遇到阴雨天气，配备遮雨装置，测定仍可照常进行。

氨挥发的捕获从夏玉米追肥后当天开始，每个小区分别随机放置3个氨挥发收集装置，将海绵放置在收集装置中24 h后回收海绵。在取样时首先将下层海绵装入提前准备好的塑封袋内，密封，同时换上新的收集海绵进行新一轮的挥发氨吸收。上层海绵根据干湿度在3～5 d内进行更换。在施肥后的一周内每天取样，2～3周每3天取样一次，往后可间隔至7～10 d，一直到吸收的挥发氨维持在很低的水平，停止取样。

取样结束后，把收集的海绵立即装入体积为500 mL装有300 mL 1 mol·L-1的氯化钾溶液的塑料瓶内，进行振荡浸提，浸提液过滤后用AA3流动分析仪(Seal, Germany)测定溶液中铵态氮含量。

氨挥发速率的计算公式为：

(3)

氨挥发累积量的计算公式为：

(4)

式中,VNH3为氨挥发速率(kg·hm-2·d-1)，C为氨挥发累积量(kg·hm-2)，M为单个装置平均每次收集的氨量(NH3-N，mg)，A为收集装置的横截面积(0.0177 m2)，T为持续捕获氨气的时间(d)。

氨挥发损失率的计算公式为：

氨挥发损失率(%)=氨挥发累积量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)

1.3.4 土壤硝态氮含量测定在玉米收获期，用土钻采集0～100 cm土层土样，每10 cm为一层，晾干研磨后，称取5 g土样，加入50 mL 2 mol·L-1氯化钾溶液，振荡30 min 后过滤，用AA3流动分析仪(Seal, Germany)测定浸提液中硝态氮含量。土壤硝态氮含量的计算公式为：

土壤硝态氮含量(mg·kg-1)=浸提液硝态氮浓度(mg·L-1)×浸提液体积(mL)/土样质量(g)

1.3.5 作物氮素利用计算公式

氮素吸收效率(kg·kg-1)=植株氮素累积量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)；

氮素利用效率(kg·kg-1)=籽粒产量(kg·hm-2)/植株氮素累积量(kg·hm-2)；

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=籽粒产量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)；

氮素收获指数=籽粒氮素吸收量(kg·hm-2)/植株氮素吸收量(kg·hm-2)。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和误差计算，使用SPSS 22.0对各指标进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较，多重比较采用最小显著性差异法(LSD)在P<0.05的显著性水平上进行比较，使用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与施氮对土壤N2O排放和NH3挥发的影响

2.1.1 N2O排放通量变化在夏玉米生长期，施用稳定性氮肥处理SF1和NF1的N2O排放通量动态变化趋势一致(图2a)，表现为：在播种施肥后出现排放峰值(219.02 μg·m-2·h-1和342.12 μg·m-2·h-1)，之后急速下降，在施肥后的15 d至收获期土壤N2O排放通量一直稳定波动在较低排放水平。施用尿素SF3、SF2、NF3和NF2处理的土壤N2O排放通量也具有相同的变化趋势，即在施基肥和追肥后出现排放高峰(施基肥：735.45、369.85、816.84 μg·m-2·h-1和567.82 μg·m-2·h-1；追肥后：435.39、279.76、546.81 μg·m-2·h-1和420.75 μg·m-2·h-1)，而在其他生长时期，土壤N2O排放通量与施用稳定性氮肥处理基本保持在同一水平。

在不同秸秆还田模式(N和S)下，各施氮措施的土壤N2O排放峰值还有以下特点：施用稳定性氮肥措施(F1)的N2O排放峰值显著小于同时期的施用常规尿素措施(F2和F3)的排放峰值；且尿素施氮措施的排放峰值随氮肥施用量的增加而增大(F3>F2)。

2.1.2 氨挥发速率变化在夏玉米拔节期追肥后氨挥发监测期间，不同秸秆还田模式和施氮措施的土壤氨挥发损失动态变化有一定差异(图2b)。在秸秆不还田(N)和秸秆还田(S)模式下，F1稳定性氮肥措施的氨挥发速率随时间推移无显著变化，基本维持在较低水平(0.01～0.19 kg·hm-2·d-1)；F2和F3尿素施氮措施的氨挥发速率变化趋势基本一致，即在施肥后氨挥发速率迅速升高，且在施肥后的一周内保持较高水平，之后逐渐进入低挥发的阶段，到追肥7 d以后，各施氮措施的氨挥发速率无显著差异，整体上呈现出先增加后降低的趋势。在两种还田模式下，F2和F3施氮措施的土壤氨挥发速率均在施肥后的第2天达到峰值4.10～5.20 kg·hm-2·d-1，到第7天氨挥发速率均降到0.14 kg·hm-2·d-1以下。各追肥处理的最大氨挥发速率表现NF3>SF3>NF2>SF2>NF1、SF1。在不同秸秆还田模式(N和S)下，常规尿素施氮措施的氨挥发速率峰值随施氮量的增加而增大。

2.1.3 N2O排放量和氨挥发累积量在秸秆不还田(N)和秸秆还田(S)模式下，不同施氮措施均表现为：F3尿素农户施氮措施的土壤N2O排放量最高(2.70 kg·hm-2和2.46 kg·hm-2)，F2尿素减量措施的土壤N2O排放量次之(1.91 kg·hm-2和1.53 kg·hm-2)，F1稳定性氮肥措施的土壤N2O排放量最低(0.85 kg·hm-2和0.78 kg·hm-2)，不同施氮措施之间差异达到显著水平(P<0.05)。在相同施氮水平下，秸秆还田(S)对比秸秆不还田(N)，除了SF2和NF2处理的N2O排放量有显著性差异，其他处理间均无显著性差异(P>0.05)。秸秆还田模式和施氮均对土壤N2O排放量有极显著影响(P<0.01)，而秸秆和施氮对N2O排放量无显著的交互效果(P>0.05)(表1)。

夏玉米农田土壤氨挥发累积量如表1所示，在不同秸秆还田模式(N和S)下，不同施氮措施均表现为：F3尿素农户施氮措施的氨挥发累积量最高(14.37 kg·hm-2和15.40 kg·hm-2)，F2尿素减量措施的氨挥发累积量次之(11.80 kg·hm-2和12.49 kg·hm-2)，F1稳定性氮肥措施的氨挥发累积量最低(1.61 kg·hm-2和1.79 kg·hm-2)，不同施氮措施之间差异达到显著水平(P<0.05)。在相同施氮水平下，秸秆还田(S)模式的氨挥发累积量均高于秸秆不还田(N)，但除了SF3和NF3的氨挥发累积量有显著性差异，其他处理间均无显著性差异。由方差分析可知，秸秆还田模式和施氮均对夏玉米追肥后监测期的氨挥发累积量产生极显著的影响(P<0.01)，但两者交互作用产生的影响不显著(P>0.05)。

表1 不同处理N2O排放量和氨挥发累积量

2.2 秸秆还田与施氮对土壤硝态氮含量的影响

在夏玉米收获期，无秸秆还田+常规尿素农户施氮量处理(NF3)的0～100 cm土层硝态氮含量为28.62～49.90 mg·kg-1，显著高于其他处理，在土壤深层表现尤为明显；秸秆还田+稳定性氮肥处理(SF1)、秸秆还田+尿素减量处理(SF2)和无秸秆还田+稳定性氮肥处理(NF1)0～100 cm土层硝态氮含量均维持在较低的水平(3.42～14.47、5.16～15.02 mg·kg-1和7.35～13.72 mg·kg-1)；而秸秆还田+尿素农户施氮量处理(SF3)和无秸秆还田+尿素减量处理(NF2)不同土层深度的硝态氮含量呈现出0～70 cm土层含量较低，而70～100 cm土层含量迅速增加的趋势。在相同施氮水平下，秸秆还田模式(SF1、SF2和SF3)的土壤硝态氮含量显著低于秸秆不还田模式(NF1、NF2和NF3)，分别显著降低了65.65%、144.79%和128.48%(图3)。

2.3 秸秆还田与施氮对玉米产量及其构成因素的影响

不同秸秆还田模式和施氮措施对夏玉米产量及其构成因素有不同程度的影响(表2)。在相同施氮水平下，秸秆还田(S)模式下的产量均高于秸秆不还田(N)，产量增幅为4.96%～8.94%，但差异不显著(P>0.05)。在不同秸秆还田模式(N和S)下，均是F1稳定性氮肥措施的玉米产量最大，分别为9 171.56 kg·hm-2和9 626.71 kg·hm-2，比其他施氮措施高3.70%～5.32%和1.23%～1.48%，但差异并不显著(P>0.05)。在相同秸秆还田模式下，各施氮措施的玉米产量和百粒重均无显著性差异，说明对比传统尿素施肥量，一定程度上减量施用速效氮肥和施用稳定性氮肥均不会造成玉米减产。

表2 秸秆还田模式和施氮对玉米产量及其构成因素的影响

秸秆还田模式对玉米产量和穗粒数有极显著的影响，对玉米百粒重无显著性影响。施氮对玉米产量、百粒重以及穗粒数均无显著性影响；二者交互作用对玉米产量、百粒重以及穗粒数均无显著性影响。

2.4 秸秆还田与施氮对玉米氮素吸收利用的影响

如表3所示，各处理的玉米氮素累积量和氮素利用效率分别在173.44～203.96 kg·hm-2和43.88～55.59 kg·kg-1范围内，各处理间均未表现出显著差异(P>0.05)。尿素农户施氮处理NF3和SF3的氮素吸收效率分别为0.64 kg·kg-1和0.65 kg·kg-1，均显著低于其他处理(P<0.05)，而施用稳定性氮肥处理(NF1和SF1)和尿素减量处理(NF2和SF2)的氮素吸收效率之间无显著性差异(P>0.05)。在秸秆不还田(N)模式下，以尿素农户施氮处理NF3的氮肥偏生产力最低(32.25 kg·kg-1)，NF1和NF2处理分别比其显著增加了57.98%和52.37%(P<0.05)，二者间无显著性差异。与之类似，在秸秆还田(S)模式下，仍以SF3处理的氮肥偏生产力最低，为35.14 kg·kg-1，SF1和SF2处理分别比其显著增加了52.19%和50.34%(P<0.05)。不同处理的氮收获指数之间均无显著性差异(P>0.05)。

表3 秸秆还田模式与施氮对玉米氮素吸收利用的影响

3 讨论

3.1 秸秆还田与施氮对土壤N2O排放和NH3挥发的影响

3.2 秸秆还田与施氮对土壤硝态氮含量的影响

3.3 秸秆还田与施氮对玉米产量及氮素利用的影响

有研究表明，施入适宜的氮肥量可以显著提高玉米产量及其构成因素[43-45]。本研究表明，在秸秆还田(S)和秸秆不还田(N)模式下，不同施氮措施的玉米产量均表现为F1>F2>F3，但处理之间无显著性差异，说明与农户传统尿素施氮量相比，一定程度上减量施速效氮肥和施用稳定性氮肥均不会造成玉米减产。同一施氮水平下，玉米的产量均表现为秸秆还田(S)>秸秆不还田(N)，这与于舒函等[46]研究结果一致。这是因为秸秆还田措施能够优化农田土壤理化性状和耕层结构，增加土壤蓄水能力[47]，提高土壤微生物数量和土壤酶活性[48-49]，进而增加产量。但秸秆还田模式下的玉米产量和无秸秆还田之间差异不显著，本试验只进行了一年，秸秆还田对产量的长期影响还需进一步研究。

氮肥偏生产力、氮肥利用率及氮肥收获指数是表征作物氮肥吸收利用的重要指标。秸秆还田合理配施氮肥能促进作物对氮素的吸收利用，提高氮肥利用率[50]。研究表明，秸秆还田模式下，作物氮吸收量、氮肥利用率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力均高于无秸秆还田模式[51-53]。氮收获指数、氮肥吸收利用率、氮肥农学效率以及氮肥偏生产力均随着施氮量增加而显著降低[54-55]。本研究中，在相同施氮水平下，秸秆还田模式下的夏玉米氮素利用效率和氮肥偏生产力略高于无秸秆还田，但玉米氮素累积量、氮素吸收效率以及氮收获指数各处理间无显著性差异，这可能是由于秸秆还田需长期施用才能有明显的后效，所以秸秆还田对玉米氮素吸收利用的影响还需进一步研究。