秸秆还田与水氮调控对土壤养分的影响

2022-01-25王忠波董海丽郑文生

东北农业大学学报 2022年2期

王忠波，董海丽，郑文生

（1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030；3.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

农业是我国国民经济发展基础，但我国人口基数大，人均耕地占有量少，土地利用不合理，土壤质量持续下降，严重影响农业可持续发展[1]。随着农业技术发展和作物增产，秸秆年产量也随之提高，每年达7亿t以上，约占世界39.5%[2]，然而随农村能源多样化和生活水平提高，除用作燃料、造纸和饲料[3]，大部分露天焚烧处理[4]。随无机肥施用，有机肥用量逐渐降低，秸秆成为重要肥源之一[5]。秸秆还田不仅合理利用资源，减少环境污染，还可补充土壤碳氮损失，改善土壤理化性质进而提高作物产量[6]。秸秆资源合理利用对平衡生态多样性、增产增收、减轻环境压力具有重要作用[7]。

近年来，秸秆还田对土壤及作物影响备受国内外学者关注[8-9]。无机有机肥配施可改善土壤内部结构，提高养分含量和高产潜力[10]。王麒和马永良等研究秸秆还田条件下不同氮肥施用量对水稻秸秆腐解及养分释放速率影响，结果表明秸秆还田与施氮互作，秸秆还田量增加，土壤容重下降，作物秸秆腐解后，可为土壤提供丰富的纤维素、碳氮磷钾及微量元素，增加土壤有机质含量，改善土壤质量[11-12]。张姗等研究不同施氮水平对玉米秸秆腐解及其养分释放规律影响，发现秸秆还田配施氮肥的作物水分利用效率显著高于无氮肥[13]。因此秸秆还田配施氮肥，促进农业经济发展，是值得研究的重要课题。

不同气候环境和土壤类别下，秸秆还田与施肥措施对土壤性状，水分利用效率及产量的影响不同[14]。李荣和刘学军等通过研究秸秆还田配施氮肥对土壤容重、含水率、养分含量、玉米产量及水分利用效率影响发现宁夏一处中温带干旱区，年均降雨量较少，土壤质地较黏，养分匮乏，水分利用率降低[15-16]。不合理施肥造成肥料和人工损失，威胁粮食、土壤和环境安全[17]。无机有机肥配施应用广泛[18]。目前，秸秆还田配施氮肥对作物产量和土壤养分等方面报道较多，然而秸秆还田结合水氮调控对土壤性质、水分利用效率研究较少。因此本试验模拟玉米秸秆全量还田条件下水氮调控对土壤养分和秸秆腐解率影响，以期为秸秆还田条件下玉米水氮管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年11月在东北农业大学食品学院开展，试验设7个处理，每个处理3次重复，见表1。试验方法采用尼龙网袋法，容器为高12 cm，直径8 cm的500 mL广口烧杯。称取粉碎后秸秆（长度1～3 cm）4.5 g，分别装入孔径0.074 mm尼龙网袋内（长14 cm，宽9 cm)，封口。将网袋铺入烧杯土样中，用土掩埋，每个烧杯埋设1个网袋，埋深9 cm。

表1 试验处理Table 1 Test process

收集样品并标记序号，记录初始质量，用中间带透气滤纸的塑料膜封闭杯口，全部放入28℃培养箱内，每周称重保持土壤水分。土壤初始养分含量：全氮0.03%，有效磷28.28 mg·kg-1，全磷0.02%，有机碳0.91%。

1.2 样品采集与测定

土样培养周期为90 d，分别于7、15、30、60、90 d时取各处理3次重复测定样品指标（由于测定时间为5次，因此初始样品为每个处理每个测定时间3次重复，共105个样品，以免前期取土影响后期培养和整体试验结果），从广口瓶中将土取出，自然风干后用粉土机粉碎，过1 mm筛用于化学性质测定，尼龙袋及秸秆清洗干净并于70℃鼓风干燥箱烘干至恒重，用于秸秆腐解率测定。

测定方法：采用H2SO4混合催化剂消解-凯氏定氮法测定土壤全氮；采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷，采用总有机碳分析仪测定土壤总有机碳。

秸秆腐解率=（初始培养秸秆质量-取样时秸秆质量）/初始培养秸秆质量×100%。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016分析数据，采用SPASS 17.0软件统计分析，采用Origin2018软件数据绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与水氮调控对秸秆腐解率影响

各处理各时期秸秆腐解率变化见图1，表明全量秸秆还田下水氮调控对秸秆腐解率影响显著。各处理各时期秸秆腐解率均高于CK，培养第90天，各处理秸秆均有35%以上已腐解。其中W3N2处理秸秆腐解率显著高于CK处理，比CK高25.80%且W3N2处理秸秆腐解率比同时期其他处理腐解程度较大。由曲线倾斜程度可知秸秆腐解率呈前期迅速腐解，后持续增长趋势，而增长阶段较前期明显减慢，但CK处理变化最快阶段为15～30 d。在同一施氮水平下，随土壤水分增加，前期秸秆腐解率趋于一致，但培养期末，土壤水分越大，秸秆腐解率越高，增幅达8%。在同一给水条件下，施氮量200和140 kg·hm-2秸秆腐解率无显著差别。

图1 各处理秸秆腐解率随时间变化Fig.1 Each treatment of straw decomposition rate change over time

2.2 秸秆还田与水氮调控对土壤养分的影响

由图2可知，各处理全氮值均高于土壤全氮初始值，表明秸秆还田与水氮调控增加土壤全氮含量，全氮含量变化总体趋势为先升后降，但变化幅度较小。秸秆输入改善土壤结构，增加微生物活性，促进土壤养分分解。其中W1N1在培养至15 d时土壤全氮含量最大，为0.20%，W3N2在培养至60 d时土壤全氮含量最小，为0.02%。对比W2N1和W2N2可知在各测定时间土壤全氮含量W2N1＜W2N2，说明在土壤水分为70%～90%时，施氮量越大，土壤全氮含量越高。在施氮量为200 kg·hm-2时，各处理各时期土壤水分为70%～90%时土壤全氮含量最高。在施氮量为140 kg·hm-2时，各时期土壤水分在60%～70%时土壤全氮含量最高，但在培养至60 d时W3N1处理全氮含量最高。

图2 各处理全氮随时间变化Fig.2 Each treatment of total nitrogen changes over time

图3表示为各处理有效磷含量随培养时间变化，秸秆还田与水氮调控可增加土壤有效磷含量。其中W3N1和CK有效磷含量在培养至60 d时达最大值，分别为56.78和43.03 mg·kg-1，其他处理有效磷含量在培养至90 d时达最大值，且同一给水条件下，施氮量200 kg·hm-2大于施氮量140 kg·hm-2的有效磷含量，对比W1N1，W2N1，W3N1处理有效磷含量随时间变化，可知在施氮量140 kg·hm-2时，土壤水分＞90%时土壤有效磷含量最高，因为淹水时，土壤处于还原状态，氧化物被还原，释放无效态磷，增加土壤中磷有效性，提高有效磷含量。

图3 各处理有效磷随时间变化Fig.3 Each treatment of effective phosphorus changes over time

由图4可知，秸秆还田与水氮调控可增加土壤全磷含量，各处理在培养周期内全磷含量无明显变化趋势，对比同一给水条件下各处理全磷含量，施氮量200 kg·hm-2大于CK处理和施氮量140 kg·hm-2水平全磷含量，高达0.05%。同一施氮水平下，各处理全磷含量无明显差异，表明同一施氮水平下，土壤水分对全磷含量无显著影响。

图4 各处理全磷随时间变化Fig.4 Each treatment of all phosphorus changes over time

由图5可知，有机碳总体为先升后降，但变化不显著，由于秸秆前期腐解较快，加快有机物矿化速率，提升有机碳含量；后期秸秆溶出物质较少，且较难分解，故活性降低，且有机碳含量均大于土壤初始值0.91%。其中W1N1，W2N2有机碳含量在培养至30 d时达到最大值，分别为1.72%，1.63%，而其他处理在培养至60 d时达到最大值。对比W1N1和W1N2，W2N1和W2N2，W3N1和W3N2的有机碳含量随培养时间变化可知，同一给水条件下，施氮量越大，有机碳含量越高。而在施氮量为140 kg·hm-2时，各时期土壤水分60%～70%时有机碳含量最高，但培养期末W2N1处理有机碳含量最高，比W1N1高0.23%。

图5 各处理有机碳随时间变化Fig.5 Each treatment of organic carbon changes over time

2.3 秸秆还田与水氮调控对秸秆腐解率与土壤养分相关性分析

统计分析得出秸秆腐解率、全氮、有效磷、有机碳服从正态分布，计算其相关系数，见表2。

表2 秸秆腐解率，全氮，有效磷，有机碳相关系数Table 2 Straw decomposition rate,total nitrogen,available phosphorus,organic carbon correlation coefficient

秸秆腐解率在一定程度上可反映土壤养分变化规律。由表2可知，秸秆腐解率与全氮呈极显著正相关，与有效磷和有机碳呈极显著负相关，相关系数分别为-0.686和-0.383，全氮与有效磷呈极显著负相关，相关系数为-0.559，说明秸秆腐解率与全氮，有效磷，有机碳间存在耦合关系，有效磷和有机碳间无相关性，说明两者间无显著影响，而全氮与有效磷存在一定相关。通过上述分析可更直观了解秸秆腐解率和土壤养分间联系，为玉米水氮管理提供参考。

3 讨论

3.1 秸秆还田与水氮调控对秸秆腐解率影响

腐解率是秸秆分解质量评价标准之一[19]。试验表明，全量秸秆还田条件下，施加氮肥可促进秸秆腐解使其呈前期迅速腐解，后持续增长趋势，而增长阶段较前期明显减慢，不同处理间秸秆腐解率逐渐趋于一致，处理间差异不显著。宫秀杰等通过田间试验研究玉米秸秆与氮肥配施对土壤养分、土壤酶活及秸秆腐解率影响，结果表明，玉米生育期内，施氮处理玉米秸秆腐解率均高于不施氮处理[20]，与胡宏祥等研究结果一致[21]。原因为秸秆还田前期氮素供应充足，同时秸秆溶出有机物较多，为微生物提供养分[22]。微生物数量增多，活性增强，秸秆腐解速率升高；随着腐解过程进行，秸秆中溶出性物质减少，导致微生物缺乏基料，活性降低，而秸秆进入缓慢腐解期后，主要物质为纤维素，较难分解，腐解率变慢[23]。

3.2 秸秆还田与水氮调控对土壤养分的影响

土壤养分是由土壤提供的植物生长必需营养元素，对于作物生产具有重要意义[24]。本试验结果显示，全量秸秆还田下，水氮调控可增加土壤养分含量，全氮和有机碳呈先升后降趋势，因为秸秆输入可改善土壤结构，增加微生物活性，促进土壤养分分解[25]，加大有机物矿化速率，提升土壤有机碳和全氮含量[26]，但秸秆进入缓慢腐解期后，主要构成物质为纤维素，较难分解，而有机碳具有稳定性，出现缓慢降低趋势。秸秆还田向土壤中输送丰富矿质营养和有机物质，增加土壤有机碳、全氮含量[27]。赵吉平等通过大田试验探索秸秆还田和施氮管理对土壤养分及小麦产量影响，结果表明全量秸秆还田和全量施氮处理下可一定程度上降低土壤pH，同时提高土壤养分含量[28]。Akhtar等从氮素管理和土壤功能角度探讨温度对土壤生物地球化学特性影响也得出相同结论[29]。全磷含量无明显变化趋势，但施氮量200 kg·hm-2大于不施氮和施氮量140 kg·hm-2水平的全磷含量。孟祥宇等研究秸秆还田条件下不同氮肥施用量对东北黑土稻区土壤养分及水稻产量影响，结果表明秸秆还田配施氮肥能增加土壤中全磷含量且变化较小，与本试验研究一致[30]。秸秆还田结合水氮调控可增加土壤有效磷含量，且同一给水条件下，施氮量200 kg·hm-2大于施氮量140 kg·hm-2水平有效磷含量，原因为施用氮肥导致秸秆腐解释放大量养分，在淹水条件下土壤处于还原状态，氧化物被还原，释放无效态磷，增加土壤中磷有效性[31]。崔新卫等通过研究秸秆覆盖还田条件下冬小麦-夏玉米轮作的农田耕层土壤速效养分动态变化，发现秸秆还田可显著提高速效养分含量[32]；邓巧玲等基于水旱轮作肥效田间定位试验，研究长期秸秆还田对土壤理化性质、团聚体分布和微生物群落影响也得出相似结论[33]；劳秀荣等通过15年盆栽土培定位试验也发现秸秆还田与化肥配合施用可有效增加速效养分含量，改善土壤物理性状[34]；王保君等通过研究秸秆全量还田下氮肥调控对浙北地区稻田土壤养分、碳库、微生物及水稻产量影响，结果表明在秸秆全量还田下，随施氮量增加，土壤速效养分含量呈先增后降趋势，与本试验研究一致[35]。

本文通过室内试验探讨秸秆全量还田与水氮调控对土壤养分影响，秸秆还田量差异对土壤养分影响还需进一步研究，此为未来研究重点。