秸秆还田方式与施氮量对秸秆腐解及玉米氮素利用的影响

2023-09-07刘熙明王滢渺田洪涛任姿姿王少杰冯国忠

中国农业大学学报 2023年10期

刘熙明王滢渺田洪涛任姿姿邓超王少杰高强冯国忠*

(1.吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室,长春 130118;2.新洋丰农业科技股份有限公司,湖北荆门 448000)

东北地区是我国重要的商品粮生产基地,玉米为东北地区主要粮食作物,秸秆为玉米生产的伴生物,2020年玉米产量8 413.9 万t,而玉米秸秆产量达到8 750.4 万t[1-2]。传统的秸秆离田、秸秆焚烧等秸秆处理方式会造成严重的黑土质量退化、环境污染等问题。在我国主要开展秸秆还田为核心的保护性耕作技术,不仅可以有效减缓因风蚀水蚀造成的黑土退化,还可以增加土壤养分储量,故在黑土保护中得到广泛推广。据统计,中国每年产生秸秆中N、P、K等养分含量相当于当年化学肥料投入养分总量的三分之一[3]。20世纪90年代林心雄等[4]提出尼龙袋法替代砂滤管法探究有机物料分解速率以来,研究者采用该方法开展了针对秸秆腐解及养分释放情况一系列研究[5-7]。已有研究表明:秸秆还田后的腐解过程受到秸秆自身组分、土壤、耕作等因素的影响[8-10];田平等[11]、匡恩俊等[12]分别在东北棕壤区和黑土区进行了不同还田方式秸秆腐解试验[11],而所得秸秆腐解率与氮素释放率却存在较大差异。虽然还田玉米秸秆释放氮素具有一定的节肥潜力,但由于玉米秸秆C/N较高,还田管理不当易引起农田土壤氮素失衡[13],而导致玉米氮素利用率降低等问题。已有研究发现氮素投入调节了秸秆还田后土壤C/N,提高微生物活性[14-15],影响了参与氮循环微生物作用过程[16-17],促进还田秸秆的腐解和氮素释放[13,18],同时为作物提供养分[19]。因此,探究有效的还田方式与施氮水平结合模式,对玉米秸秆肥料化有效化具有重要意义。

目前,关于还田方式与施氮量结合下的玉米秸秆腐解与氮素释放研究尚未见报道,因此本研究拟以玉米秸秆为研究对象,开展不同还田方式与施氮相结合的玉米秸秆腐解特征和玉米产量、氮素利用差异研究加以明确。本研究拟通过秸秆尼龙网袋埋置法,分析连续两年不同还田方式与不同施氮水平下,玉米秸秆腐解率及氮素释放特征,估算玉米秸秆氮素释放量并调查玉米产量和氮素利用率,探讨玉米产量与秸秆养分释放量、施氮量的关系,为黑土区玉米生产中秸秆资源的科学配置与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021—2022年连续2年在中国农业大学梨树试验站(N43°17′,E124°26′)进行,种植制度为一年一熟玉米连作。供试土壤为黑土,耕层土壤pH 6.1,有机质18.9 g/kg,碱解氮64.02 mg/kg,速效磷23.96 mg/kg,速效钾203.0 mg/kg。试验区域属温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温6.1 ℃,年日照时数2 678 h,作物生长季节5—9月,日照时数1 192 h,年积温(>0 ℃)3 478 ℃,无霜期152 D。2021年试验地点玉米生育期内月平均气温19.3 ℃,降雨量569.2 mm;2022年生育期月平均气温18.4 ℃,降雨量918.2 mm,其中6月24日—7月29日发生多次强降雨(日降雨量超过50 mm),形成农田涝害。

1.2 试验设计

试验采用玉米品种为‘良玉99’。试验共设置还田方式和施氮量2种不同因素。秸秆还田方式主要包括:1)覆盖还田(Straw mulch,SM);2)翻压还田(Straw bury,SB)。不同施氮量如下:1)N0(不施氮肥)、2)N1(180 kg/hm2)、3)N2(270 kg/hm2),氮肥基肥和追肥氮素投入质量比例为1∶2,各处理磷(P2O5)、钾(K2O)用量一致,为90 kg/hm2,磷、钾肥作基肥一次性施入。其中基肥使用复合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)、重过磷酸钙(P2O545%)和氯化钾(K2O 60%),追肥使用尿素(N 46%)。

每小区含12垄,长20 m,面积144 m2,3次重复。于每年5月上旬等行距(60 cm×25 cm)播种,10月初收获,种植密度为65 000株/hm2。2年中均进行秸秆全量还田处理,通过对上季玉米秸秆产量估算,还田秸秆干重为10 000 kg/hm2。试验地前茬作物为玉米,耕作方式为旋耕秸秆不还田。作物生育期内按当地栽培方式进行田间管理。

试验使用尼龙网袋法研究秸秆腐解特征,供试秸秆采集于试验田上季玉米,初始养分为全氮8.19 g/kg、全磷0.75 g/kg、全钾12.7 g/kg。所用秸秆粉碎长度为2～5 cm,称取15 g(与田间同面积实际秸秆分布量相同)装入100目孔径尼龙网袋(10 cm×15 cm)中。田间网袋布设与土壤耕作同步进行,并依据不同还田方式机械作业方式,将覆盖还田处理网袋平铺在地表两苗带之间,翻压还田处理网袋深埋于15～30 cm土层处。

1.3 样品采集及测定

网袋秸秆于2021年4月28日还田后,在玉米生长期内每30 d取样1次,2022年4月28日开始第2个取样周期,连续2个玉米生育期,共取样11次。取样后,将秸秆样品洗净,75 ℃烘干至恒重,利用失重法计算秸秆腐解率。

在玉米成熟期,去除各试验小区两侧边垄2垄,及小区前后2段各1 m,其余部分确定为测产区域。记录测产面积内总穗数和鲜重,依照计算后的平均穗重,选取代表性果穗10穗进行考种,测定穗粒数和百粒重。采用谷物水分仪(PM-8188A)测定籽粒含水量,折算为14%含水量的玉米籽粒产量。在产量测定的同时,每个小区选取代表性植株3株,分为秸秆和籽粒,分别称其鲜重,烘干,称干重,然后全部粉碎,用四分法取出分析样。

采用常规分析法[20]测定秸秆、植株样品养分含量,经H2SO4-H2O2消煮后,使用凯氏定氮仪(KDY-9820)测定全氮含量,计算秸秆养分释放率、释放量和植株吸氮量等指标。

1.4 数据处理

秸秆腐解率、养分释放率及氮素释放量计算公式如下:

腐解率=(M0-Mt)/M0×100%

(1)

氮素释放量=(M0C0-MtCt)/M0×10 000

(2)

氮素释放率=(M0C0-MtCt)/M0C0×100%

(3)

式中:t为腐解时间,d;M0为秸秆初始干重,g;Mt为腐解时间为t时的干重,g;C0为秸秆原始全氮含量,g/kg;Ct为腐解时间为t时秸秆中全氮含量,g/kg。

使用准一级动力学方程(4)及其修正方程(5)对秸秆腐解率、氮素释放率进行时序拟合。

Rt=k×(1-e-qt)

(4)

Rt=k×(1-e-qt)a+b

(5)

式中:t为腐解时间,d;Rt为t时秸秆累积腐解(释放)率,%;k为常数;q为腐解(释放)系数;a,b为修正方程常数。

氮肥表观利用率=(施氮区作物吸氮量-
不施氮肥区作物吸氮量)/施氮量×100%

本研究运用Microsoft Excel 2010和Origin 2021对数据进行分析作图及对秸秆腐解率和养分释放率进行时序方程拟合, 采用SPSS 25.0最小显著法(LSD)检验试验数据的差异显著性水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆腐解特征

不同还田方式与施氮量结合下玉米秸秆腐解监测结果见表1。可知2年中秸秆腐解过程表现出快速腐解—逐渐减缓—趋于停滞的特点。其中:还田后0～90 d当中,还田方式和施氮量及其交互作用均显著影响秸秆腐解,SB处理相较于SM处理促进了秸秆腐解,而不同施氮处理间秸秆腐解率表现为N2>N1>N0;腐解150 d时,还田方式和施氮量间交互作用对秸秆腐解影响显著;SM与SB处理间秸秆累积腐解率差异显著,SB处理秸秆累积腐解率(66.2%)明显高于SM处理(49.8%);施氮处理(N1和N2)较N0处理秸秆累积腐解率提高了5.6%,但N1、N2处理间无显著差异。此外发现:150～361 d取样间隔中,秸秆腐解基本处于停滞状态;秸秆还田361 d后,随着降雨和温度升高,秸秆腐解速率小幅度提高,后随时间延长逐渐趋于停滞;至511 d取样结束时,秸秆累积腐解59.2%～87.3%,不同还田方式与施氮量间秸秆腐解率均表现出明显差异,但两因素间并未表现出明显交互作用。

表1 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆腐解率随时间的变化Table 1 Changes of corn straw decomposition rate with time under different returning methods and nitrogen application treatments

2.2 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆氮素释放特征

不同还田方式与施氮量结合下玉米秸秆氮素释放率监测结果见表2。可知与秸秆腐解表现相似,秸秆氮素释放过程表现出快速释放—逐渐减缓—趋于停滞特点。其中:秸秆氮素在还田后0～90 d中快速释放,还田90 d时,还田方式与施氮表现出极显著交互作用,翻压还田N2处理秸秆氮素累积释放率显著高于其他处理,为46.3%。至150 d时,SB处理秸秆氮素累积释放率明显高于SM处理,分别为47.0%和31.4%。相较于SM处理,SB处理下施氮(N1和N2)对秸秆氮素释放的促进作用更加明显,分别为3.4%和7.8%。此外,在2次取样周期间隔中,秸秆氮素释放明显停滞。在还田361 d后,随降雨和温度提升,秸秆氮素释放速率小幅升高,而后再次趋于停滞;至511 d取样结束时,还田方式和施氮量及其交互作用显著影响秸秆氮素释放,SB处理秸秆氮素累积释放率明显高于SM处理,分别为62.5%和46%。施氮同样促进了秸秆氮素释放,相较于N0处理,施氮处理秸秆氮素累积释放率提高12.5%,但N1与N2处理间秸秆氮素累积释放率无显著差异。

表2 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆氮素释放率随时间的变化Table 2 Changes of nitrogen release rate of maize straw with time under different returning methods and nitrogen application treatments

2.3 秸秆腐解和氮素释放率的时序拟合结果

不同处理下秸秆腐解和氮素释放的时序拟合见表3。可知2021年秸秆腐解率符合准一级动力学方程。方程拟合至收敛时,r2为0.987～0.998,拟合程度较高,且均达到显著水平。SB处理腐解常数k值高于SM处理,腐解系数q随施氮量增加而升高;2022年残留秸秆腐解率使用准一级动力学方程拟合发生较大偏离,故使用修正准一级动力学方程进行拟合。秸秆腐解率时序拟合至收敛时,r2为0.980～0.999,施氮处理拟合方程中常数项k、腐解系数q均高于N0处理,通过对比可知覆盖还田模式下N1处理第2年中秸秆腐解程度较高,翻压还田模式下N2处理秸秆腐解率程度高,但由于修正方程中常数项b不一致,无法通过腐解系数比较还田方式间秸秆腐解程度大小。2021年秸秆氮素释放率同样符合一级动力学方程,拟合至收敛时r2为0.984～0.998,随氮素投入增加释放系数q也随之提高。由于常数k“漂移”程度较大,故无法以释放系数大小比较2种还田方式间秸秆氮素释放快慢,但通过对k值比较,可知SB处理秸秆在还田第1年中释放程度更高;2022年秸秆氮素释放率符合修正准一级动力学方程,方程拟合至收敛时r2为0.991～0.998,拟合均达到显著水平。通过对释放系数q的比较,2022年中施氮明显促进了秸秆氮素释放,N1处理秸秆氮素释放程度明显高于其他施氮处理。

2.4 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆腐解量

秸秆还田2年(2021—2022年)腐解量如图1所示。可知还田方式和施氮量对2021年秸秆腐解量影响显著,且因素间具有显著交互作用。SB处理秸秆腐解量明显高于SM处理,平均腐解量分别为6 619和4 979 kg/hm2;N1、N2处理间秸秆腐解量无显著差异,但相较于N0,施氮处理秸秆腐解量增加560 kg/hm2;2022年秸秆还田方式对秸秆腐解量影响不显著,但施氮对秸秆腐解量表现出明显的促进作用,施氮处理较N0秸秆腐解量增加421 kg/hm2;2年秸秆腐解量在不同还田方式间存在明显差异,SB处理秸秆腐解量为8 299 kg/hm2显著高于SM处理(6 529 kg/hm2)。施氮同样显著提高秸秆腐解量,施氮处理较N0增加981 kg/hm2,但N1、N2处理间无明显差异。

2.5 不同还田方式和施氮处理下玉米秸秆氮素释放量

秸秆氮素释放量如图2所示。可知:2021年还田方式与施氮处理间秸秆氮素释放量存在明显差异,SB处理秸秆氮素释放39 kg/hm2,显著高于SM处理(26 kg/hm2);施氮促进了秸秆氮素的释放,秸秆氮素释放量表现为N2>N1>N0;两因素间交互作用对秸秆氮素释放影响显著,其中翻压还田N2处理秸秆氮素释放量显著高于其他处理为42 kg/hm2;2022年还田方式对秸秆氮素释放量影响不显著,而施氮量显著影响氮素释放,施氮处理秸秆氮素释放量较N0处理增加6 kg/hm2。秸秆还田2年后,不同还田方式间氮素释放量差异较大,SB处理秸秆氮素释放量显著高于SM处理,分别为51和38 kg/hm2;N1、N2处理间秸秆氮素2年释放量无显著差异,但显著高于N0处理,施氮处理相较于N0处理2年间秸秆氮素释放量增加10 kg/hm2。

图2 2021年(a)和2022年(b)不同还田方式与施氮量下秸秆氮素释放量Fig.2 Nitrogen release of straw under different returning methods and nitrogen application rates in 2021 (a) and 2022 (b)

2.6 不同还田方式和施氮处理下玉米产量与氮素利用特征

2021—2022年不同还田方式下各施氮处理玉米产量构成见表4。可知:在产量构成方面,还田方式与施氮对穗粒数、百粒重均有显著影响,两因子交互作用显著影响穗粒数;同时,年际与还田方式、年际与施氮量间交互作用对穗粒数影响同样显著,其中翻压还田N2处理穗粒数在2年中均高于其他处理,分别为657和616粒/穗;施氮量与年际交互作用对百粒重影响显著,2021年N1和N2处理百粒重最高,分别为24.9和25.3 g。在产量方面,还田方式间无明显差异,但随着施氮量的增加产量明显增加,且施氮量与年际间交互作用影响显著,是以2年产量以2021年N2处理最高,为11 867 kg/hm2。2年中植株吸氮量存在明显差异,还田方式与施氮量及其交互作用均显著影响植株吸氮量,2年中翻压还田N2处理植株吸氮量均显著高于其他处理,分别为190.2和179.6 kg/hm2。植株氮素表观利用率显示,SB处理氮素表观利用率显著高于SM处理,分别为59.8%和55.9%。随着氮素投入增加,氮素表观利用率明显降低,N1处理氮素表观利用率较高,2021年N1处理氮素表观利用率为67.1%,略高于2022年的65.7%。

表4 玉米产量和植株吸氮量及其多因素方差分析结果Table 4 Corn yield and plant nitrogen uptake and their multivariate analysis of variance results

2.7 秸秆氮素释放和玉米产量、氮素吸收的关系

不同还田方式秸秆氮素释放量与玉米产量、氮素利用间的相关性分析见图3,覆盖还田(图3(a))氮素释放量与施氮量呈正相关关系,但并不具有显著性;产量、吸氮量与施氮量呈正相关关系,而氮肥表观利用率与施氮量呈显著的负相关关系,而氮素释放量与产量间无明显相关,但对植株吸氮量表现出明显的正相关性,相关系数为0.82。在翻压还田(图3(b))中,施氮对玉米穗粒数、产量、植株吸氮量表现出显著正相关性。氮素释放量与穗粒数、产量、植株吸氮量呈显著正相关关系,相关系数分别为0.93、0.91和0.93。同时穗粒数与产量、植株吸氮量间表现出显著正相关,相关系数为0.87和0.88。

NA:施氮量;NRA:氮素释放量;GN:穗粒数;GW:百粒重;Y:产量;NU:植株吸氮量;NAR:氮素表观利用率。NA: nitrogen application rate; NRA: nitrogen release amount; GN: grain number per spike; GW: 100-grain weight; Y: yield; NU: plant nitrogen uptake; NAR: nitrogen apparent use efficiency.图3 覆盖还田(a)和翻压还田(b)秸秆氮素释放量和玉米产量与利用率的关系Fig.3 Relationship between straw nitrogen release and maize yield and utilization rate under mulching (a) and burying (b)

3 讨论

3.1 玉米秸秆腐解与氮素释放特征

本研究发现试验期2年中秸秆腐解过程表现为第1年中由快速腐解趋向缓慢,第2年中随雨热同期到来,秸秆腐解小幅提升,而整体表现出前期快,后期慢的特点,这与已有研究结果一致[21-23]。在前期快速分解中,微生物以秸秆中易被利用组分为碳源、氮源和能源,而在后期残留秸秆组分中大部分为难被利用的组分和前期分解形成的稳定次级代谢物[24-25],故而导致秸秆腐解由快到慢的变化过程。本试验为秸秆连续还田,第2年中,土壤微生物分解可能偏向于新加入秸秆,这也可能是本试验结果中还田第2年,还田方式对残留秸秆分解影响不再显著这一现象的原因。还田方式显著影响秸秆腐解率。匡恩俊等[12]表明,土壤环境会导致秸秆腐解的差异。覆盖还田秸秆暴露在空气中,缺乏与土壤和水分的接触,土壤微生物和酶活性较低[11]。而翻压还田秸秆与土壤充分接触,且翻耕改善了黑土的通气性与吸热性[26],更有利于土壤微生物对秸秆的分解。目前关于施用氮肥对于秸秆腐解的影响尚存争议。表明,施氮可调节秸秆还田后土壤C/N,为微生物提供充足的氮源,提高水解酶的活性促进秸秆腐解[27-29]。但路平等[30]、杨文亭等[31]研究认为大量氮素的加入会抑制微生物活性,抑制了还田秸秆的前期腐解。在本研究中,基肥投入后对前期秸秆腐解影响较小,但随着腐解时间的延长和追施氮肥对土壤C/N的再次调节,施氮与不施氮秸秆腐解差异逐渐明显。还田后第1年中还田方式与施氮交互作用对秸秆腐解影响显著,腐解过程中翻压还田方式下较高的氮素投入秸秆腐解程度保持较高的腐解率,这可能是由于较高的施氮保障了充足的氮源,而翻耕后土壤更有利于养分的运移[32],秸秆附近土壤C/N维持在土壤微生物适宜水平[33],从而加速了秸秆的腐解。秸秆氮素部分矿化,供给作物吸收,本研究中秸秆还田2年中累积释放39.9%～68.5%氮素。其释放过程与秸秆腐解过程相似,均为还田方式改变土壤条件造成氮素释放的差异。且氮素投入改善了还田后土壤C/N,有利于微生物的活动[33],故在较高氮素投入水平下秸秆氮素释放程度较高。残留秸秆氮素伴随秸秆干物质在土壤当中积累,在秸秆氮素释放过程中,残留秸秆中全氮含量逐渐上升[34],相较于翻压还田,覆盖还田残留了更多的干物质与氮素,这有利于土壤腐殖质的形成[35]。

传统秸秆离田导致农田土壤养分库呈现逐年亏损状态,而秸秆还田可有效改善这一情况[36-37]。本研究已对不同还田方式与施氮水平下秸秆氮素释放过程做出了研究,但秸秆释放碳及土壤C/N变化情况仍有待进一步试验说明。

3.2 秸秆还田引起的玉米产量及氮素利用变化

保证氮素供应是产量形成的关键[38-40],施氮显著提高了玉米穗粒数,相较于不施氮处理,施氮后玉米穗粒数增加320粒/穗。翻压还田玉米穗粒数(499粒/穗)高于覆盖还田(460粒/穗),相关性分析显示,翻压还田秸秆氮素与穗粒数呈显著正相关。翻压还田秸秆当季释放39 kg/hm2氮素,高于覆盖还田26 kg/hm2,相比之下翻压还田对玉米生长的氮素供应能力更强。充足的氮素供应促进了幼穗的发育和籽粒的形成,并且在高施氮条件下,在玉米吐丝期提供更多的氮素可促进小花原基的分化,从而增加穗粒数[41-42]。故秸秆翻压还田时较高的氮素投入可获得较高的穗粒数。但翻压还田方式中玉米百粒重(19.7 g)低于覆盖还田(20.5 g),同时由于2022年玉米生育期内出现涝害,百粒重较2021年显著降低,而翻压还田玉米穗粒数相较于覆盖还田更加稳定。这可能是由于黑土本身保水能力较强[43],而不同耕作方式导致了土壤水分运移能力的差异,覆盖还田玉米在淹水胁迫下穗分化受到抑制,而导致穗粒数减少[44],产量下降幅度较大。

植株氮素吸收同样受到还田方式与施氮的影响,翻压还田配合高施氮促进了植株氮素吸收。由于翻压还田促进了土壤养分的运移[45],且秸秆释放了更多的氮素供给玉米吸收,同时固定了部分肥料氮素,减少肥料氮的淋溶损失[46],使得翻压还田玉米吸氮量、氮素表观利用率高于覆盖还田。翻压还田配合较高的氮素投入,使玉米获得较高的氮素吸收量。但关于秸秆氮素在还田方式和施氮水平耦合下作物中的分配与利用仍需通过同位素标记技术[47]实现,有待进一步试验完善,为玉米生产中节氮减排提供依据。

3.3 东北黑土区玉米秸秆还田和氮肥管理优化

玉米秸秆还田后提高了土壤C/N,而微生物适宜的土壤C/N为25/1[48]。因此,需要提供充足的氮素防止微生物与作物争氮现象发生[49]。而还田秸秆释放氮素可替代部分氮肥[50-51],从而减少氮肥投入。根据本试验中结果,还田秸秆氮素释放量在还田方式与施氮间表现出明显差异,且在2022年上季残留秸秆仍有氮素释放,并结合本研究中玉米产量和氮素利用特征,在秸秆连续还田模式下,秸秆对氮肥替代能力应为逐年递增趋势,且秸秆在翻压还田和施氮条件下对氮肥替代能力更高,这与闫宇婷等[52]研究结果可相互补充和佐证。在本研究中未对2022年还田秸秆氮素释放情况进行调查,但土壤环境改变对微生物的影响,及微生物对于物质分解的偏嗜性[49],可能导致2年秸秆氮素释放差异。综上,在秸秆还田时需基于土壤碳氮含量、秸秆养分含量、还田方式确定氮肥投入量和基追比例[52],根据具体情况灵活投入氮肥,可在一定程度上提高资源利用效率。