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秸秆还田结合减氮调控旱地土壤硝化潜势维持作物产量的机理

吴传发 熊超 韩燕来 张勤斌 李培培 张丽梅

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秸秆还田结合减氮调控旱地土壤硝化潜势维持作物产量的机理

    作者简介: 吴传发 E-mail:13937693275@163.com;
    通讯作者: 李培培, E-mail:peipeilee@163.com
  • 基金项目: 中科院先导生物专项(XDB 15020200)。

Mechanism of combination of nitrogen fertilizer reduction and straw returning in regulating dryland nitrification intensity and keeping stable crop yield in long run

    Corresponding author: LI Pei-pei, E-mail:peipeilee@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  氮肥过量使用所导致的氮素利用率低和环境污染等问题严重影响现代农业生产。研究秸秆还田改善旱地农田土壤性质、提升土壤肥力和氮素利用率的潜力和作用机理,为减少氮肥用量、提高作物氮素利用率和土壤肥力提供科学依据。  【方法】  本研究选取河南许昌潮土和云南曲靖红壤两种典型旱作农田,2016~2018年开展了田间玉米-大麦/小麦轮作定位试验,在两地同时设置以下4个处理:不施氮 (CK)、常规施氮 (N)、减氮20% (80%N)、减氮20%配合秸秆还田 (80%NS),研究不同处理对土壤养分、土壤硝化潜势和作物产量及氮肥利用率的影响。  【结果】  与N处理相比,80%NS处理可稳定保持麦季抽穗期和玉米季抽雄期两种旱地土壤可溶性有机碳氮养分含量,促进土壤中NH4+-N的积累并降低了NO3-N含量;80%NS处理使潮土和红壤硝化潜势分别降低了5.5%~33.9%和7.8%~37.5%;3年连续减施20%氮肥配合秸秆还田能够稳定产量并表现出一定的增产效果 (11.2%~20.4%),提高氮肥利用率6.4%~10.3%;而80%N处理会使作物产量下降3.9%~13.4%,氮肥利用率降低1.8%~38.9%。  【结论】  连续3年减少常规氮施用量20%配合秸秆还田,不仅增加了土壤有机碳氮含量,还减缓了土壤的硝化作用,增加了土壤铵态氮积累,实现对作物所需养分的持续供应,因而在维持和提高作物产量的同时,提高了氮肥利用率。单纯降低氮肥用量则有降低作物产量的风险。
  • 图 1  不同施肥处理下潮土小麦季和玉米季可溶性有机碳、氮含量

    Figure 1.  Soil dissolved organic carbon and nitrogen contents during the wheat and maize seasons in fluvo-aquic soil under different fertilization treatments

    图 2  不同施肥处理下红壤大麦季和玉米季可溶性有机碳、氮含量

    Figure 2.  Soil dissolved organic carbon and nitrogen contents during the barley and maize seasons in red soil under different fertilization treatments

    图 3  不同施肥处理潮土小麦季和玉米季无机氮含量

    Figure 3.  Soil inorganic nitrogen content during the wheat and maize seasons in fluvo-aquic soilunder different fertilization treatments

    图 4  不同施肥处理红壤大麦季和玉米季生长期内土壤无机氮含量

    Figure 4.  Soil inorganic nitrogen content during the barley and maize seasons in red soil under different fertilization treatments

    图 5  不同施肥处理潮土 (上) 和红壤 (下) 玉米和小麦生育期内土壤硝化潜势

    Figure 5.  Soil potential nitrification rate (PNR) during the wheat/barley and maize seasons in fluvo-aquic soil (upper) and red soil (bottom) under different fertilization treatments

    图 6  不同施肥处理潮土和红壤麦季和玉米季的作物产量和地上部生物量

    Figure 6.  Crop yields and aboveground biomass of wheat/barley and maize in fluvo-aquic soil and red soil under different fertilization treatments

    表 1  2017—2018年不同施肥处理潮土作物氮肥利用率

    Table 1.  Nitrogen use efficiency of crops in fluvo-aquic soil under different fertilization treatments during 2017–2018

    年份
    Year
    作物
    Crop
    处理
    Treatment
    植株吸氮量
    PNC
    (kg/hm2)
    籽粒吸氮量
    GNC
    (kg/hm2)
    氮收获指数
    NHI
    (%)
    氮肥偏生产力
    PEPN
    (kg/kg, N)
    氮肥利用率
    NUE
    (%)
    2017麦季
    Wheat season
    CK127.6 ± 1.9 b91.8 ± 0.2 c72.0 ± 1.2 a
    N160.4 ± 2.9 a117.8 ± 3.0 a 73.5 ± 1.4 a38.8 ± 0.9 b32.9 ± 2.9 a
    80%N149.3 ± 1.5 a107.9 ± 1.2 b 72.3 ± 0.1 a42.7 ± 0.5 a27.1 ± 1.9 a
    80%NS153.8 ± 3.9 a109.9 ± 3.4 ab71.4 ± 0.9 a42.6 ± 0.7 a32.7 ± 4.9 a
    2017 玉米季
    Maize season
    CK 57.9 ± 4.0 b33.7 ± 4.3 c49.7 ± 3.5 b
    N109.8 ± 3.3 a58.6 ± 1.0 a53.4 ± 1.3 b57.8 ± 0.8 a26.0 ± 1.7 a
    80%N 86.8 ± 11.7 a 50.7 ± 10.1 b52.2 ± 0.4 b55.0 ± 1.4 a25.4 ± 0.6 a
    80%NS 96.8 ± 5.0 a56.9 ± 5.0 a64.5 ± 2.1 a63.0 ± 8.3 a24.3 ± 3.1 a
    2018麦季
    Wheat season
    CK 92.1 ± 0.7 d66.2 ± 2.1 d71.9 ± 1.9 a
    N152.8 ± 1.5 b92.9 ± 4.3 b60.8 ± 2.8 b28.4 ± 0.1 b30.4 ± 0.7 b
    80%N125.5 ± 3.2 c78.3 ± 4.1 c62.3 ± 1.8 b32.7 ± 1.2 b21.0 ± 2.0 c
    80%NS175.3 ± 0.5 a134.1 ± 6.8 a 76.5 ± 3.8 a40.6 ± 0.3 a52.1 ± 0.3 a
    注(Note):PNC—Plant nitrogen cumulation; GNC—Grain nitrogen cumulation; NHI—Nitrogen harvest index; PFPN—Partial factor productivity of nitrogen; NUE—Nitrogen use efficiency; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters represent significant difference among N treatments (P < 0.05).
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    表 2  2017—2018年不同施肥处理对红壤作物氮肥利用率的影响

    Table 2.  Effects of different fertilization treatments on the nitrogen efficiency of crops in red soil during 2017–2018

    年份
    Year
    作物
    Crop
    处理
    Treatment
    植株含氮量
    PNC
    (kg/hm2)
    籽粒吸氮量
    GNC
    (kg/hm2)
    氮收获指数
    NHI
    (%)
    氮肥偏生产力
    PEPN
    (kg/kg, N)
    氮肥利用率
    NUE
    (%)
    2017麦季
    Barley season
    CK30.2 ± 4.6 b22.6 ± 4.9 b73.3 ± 5.9 a
    N 57.9 ± 10.5 a36.4 ± 8.9 a61.6 ± 8.5 a41.6 ± 6.0 b36.3 ± 6.1 a
    80%N57.6 ± 7.9 a39.9 ± 6.8 a68.8 ± 3.1 a 49.4 ± 4.3 ab34.5 ± 9.9 a
    80%NS 68.1 ± 16.4 a41.2 ± 7.9 a62.2 ± 3.9 a58.2 ± 7.4 a 47.5 ± 20.5 a
    2017玉米季
    Maize season
    CK118.4 ± 10.1 c38.8 ± 3.1 c32.9 ± 1.3 d
    N226.6 ± 9.8 a 89.2 ± 3.8 b39.4 ± 0.2 c22.9 ± 1.5 b36.1 ± 3.3 b
    80%N186.4 ± 3.9 b 101.2 ± 1.2 a 54.4 ± 0.5 a32.7 ± 1.4 a28.3 ± 1.6 b
    80%NS215.4 ± 1.9 a 100.9 ± 0.3 a 46.9 ± 0.5 b35.8 ± 2.4 a40.5 ± 0.8 a
    2018麦季
    Barley season
    CK34.0 ± 2.5 c22.3 ± 1.3 b66.1 ± 3.3 a
    N91.6 ± 4.3 a46.5 ± 2.6 a50.8 ± 1.5 b22.8 ± 1.4 b57.6 ± 4.3 a
    80%N45.3 ± 3.9 c30.3 ± 2.5 b66.9 ± 0.6 a18.7 ± 1.5 b18.7 ± 1.8 c
    80%NS71.0 ± 1.0 b46.8 ± 0.6 a66.0 ± 1.8 a30.4 ± 0.2 a46.3 ± 1.3 b
    注(Note):PNC—Plant nitrogen cumulation; GNC—Grain nitrogen cumulation; NHI—Nitrogen harvest index; PFPN—Partial factor productivity of nitrogen; NUE—nitrogen use efficiency; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters represent significant difference among N treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-03
  • 网络出版日期:  2020-11-16
  • 刊出日期:  2020-10-25

秸秆还田结合减氮调控旱地土壤硝化潜势维持作物产量的机理

    作者简介:吴传发 E-mail:13937693275@163.com
    通讯作者: 李培培, peipeilee@163.com
  • 1. 河南农业大学资源与环境学院,河南郑州 450000
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049
  • 4. 曲靖市麒麟区土壤肥料工作站,云南曲靖 655000
  • 基金项目: 中科院先导生物专项(XDB 15020200)。
  • 摘要:   【目的】  氮肥过量使用所导致的氮素利用率低和环境污染等问题严重影响现代农业生产。研究秸秆还田改善旱地农田土壤性质、提升土壤肥力和氮素利用率的潜力和作用机理,为减少氮肥用量、提高作物氮素利用率和土壤肥力提供科学依据。  【方法】  本研究选取河南许昌潮土和云南曲靖红壤两种典型旱作农田,2016~2018年开展了田间玉米-大麦/小麦轮作定位试验,在两地同时设置以下4个处理:不施氮 (CK)、常规施氮 (N)、减氮20% (80%N)、减氮20%配合秸秆还田 (80%NS),研究不同处理对土壤养分、土壤硝化潜势和作物产量及氮肥利用率的影响。  【结果】  与N处理相比,80%NS处理可稳定保持麦季抽穗期和玉米季抽雄期两种旱地土壤可溶性有机碳氮养分含量,促进土壤中NH4+-N的积累并降低了NO3-N含量;80%NS处理使潮土和红壤硝化潜势分别降低了5.5%~33.9%和7.8%~37.5%;3年连续减施20%氮肥配合秸秆还田能够稳定产量并表现出一定的增产效果 (11.2%~20.4%),提高氮肥利用率6.4%~10.3%;而80%N处理会使作物产量下降3.9%~13.4%,氮肥利用率降低1.8%~38.9%。  【结论】  连续3年减少常规氮施用量20%配合秸秆还田,不仅增加了土壤有机碳氮含量,还减缓了土壤的硝化作用,增加了土壤铵态氮积累,实现对作物所需养分的持续供应,因而在维持和提高作物产量的同时,提高了氮肥利用率。单纯降低氮肥用量则有降低作物产量的风险。

    English Abstract

    • 氮素是决定粮食产量的关键因素[1]。在作物生长过程中投入大量的氮素有利于提高粮食产量和质量[2-3],但盲目高氮施肥或不合理施肥,不仅会造成氮素利用率下降及资源浪费,还会引起土壤酸化、温室气体排放、水体富营养化等一系列环境问题[4-6]。自1980年以来,我国氮肥施用量急剧增加,氮素投入比例已达到作物产量收益递减的水平[7]。亟待考虑如何合理的在农田生态系统中施用氮肥,提高氮肥利用率,减少氮肥施用所带来的负面效应,以保证农业生产的可持续发展。

      秸秆还田作为一种传统农艺措施,具有低成本、易操作、应用广泛的优势。相关研究表明,秸秆还田可以改善土壤物理结构[8],提高土壤养分含量及其可利用性,培肥土壤[9],并且在秸秆还田后,显著提升旱地作物产量和氮肥利用率[10]。但不合理的秸秆还田也会加速旱地土壤中NH3、N2O等温室气体的排放[10],影响作物出苗率和生长质量[11],不健康的作物秸秆还存在很多的病原菌和虫卵,还田后导致病虫害发生[12]。因此,在秸秆还田应用上,应规范的利用作物秸秆还田,优化秸秆还田技术,实现农业的可持续发展。

      农业土壤中的硝化作用是氮素循环和植物营养的重要环节,关系着氮素在土壤中的损失和滞留。据估算,在农田生态系统中,氮肥施用所造成的N2O排放占全国N2O排放总量的66%,氮肥淋洗造成全国62%的淡水地区严重富营养化[13-14]。由此可见,土壤硝化作用对氮肥的高效利用至关重要,抑制硝化作用已成为农业中减少氮损失的一项重要策略,同时也是一种更加环保的做法[15-16]。前人在秸秆还田对土壤硝化过程的影响上已经有了较多的研究结果[10, 17],秸秆还田有加快土壤硝化速率的可能,秸秆还田改善土壤通气状况[18],通常情况下良好的通气状况有利于土壤硝化作用。Pan等[19]和Xia等[10]报道了秸秆还田在水田和旱地土壤中均能促进土壤中脲酶活性,进而促进尿素的水解和NH4+的积累,增加硝化反应底物浓度。Zhao等[20]通过室内培养试验发现作物秸秆的应用增加了土壤可溶性有机碳氮含量,激发紫色土的异养硝化活性,提高土壤异养硝化速率。但硝化细菌是好气性微生物,其活性受到土壤持水量的影响较大,秸秆还田一般会增加土壤含水量[21],在雨季土壤过高的含水量对硝化作用具有一定的抑制作用。其次,在稻麦种植系统中秸秆降解会不断的耗氧,使土壤供氧能力降低,而缺氧会抑制硝化速率[22]。此外,秸秆还田增加土壤有机碳含量,提高阳离子交换能力,促进土壤对NH4+的吸附和固定[23],高C/N的作物秸秆还田增加微生物对无机氮的生物固持[24],这些都会显著抑制土壤硝化作用[25]。由此可见,不同的土壤类型和生态区域表现出不一样的秸秆施用效果。并且以往的研究主要是基于全量氮肥与秸秆还田的配合施用,氮肥减量与秸秆还田配合施用对土壤硝化作用的影响尚不明确,秸秆还田的同时氮肥减量是否能继续保持稳产增产的效果仍有待进一步探究。

      潮土广泛分布于我国暖温带的华北平原,属中性或碱性,硝化活性强;西南山地高原位于亚热带湿润地区,酸性土壤硝化速率相对较弱。两个地区土壤的硝化能力存在差异[26],并且硝态氮淋溶损失一直是其氮素损失的主要途径之一。因此,本研究选取高施肥区的两种性质不同的典型旱地土壤:云南酸性红壤和河南弱碱性潮土,进行田间定位试验,通过玉米-麦类轮作体系的时空演变,研究不同旱地土壤养分对秸秆还田与氮肥减施配合措施的响应,进而探明减氮条件下秸秆还田措施在南北不同地域的适用性,为优化农业土壤施肥措施管理,控制和减轻因氮肥的过量施用而带来的环境污染,提高氮素利用效率,实现农业可持续发展提供科学合理的依据。

      • 田间试验于2016年5月—2018年6月,分别在云南省曲靖市东山镇转长河村 (25°09′N,104°01′E) 和河南省许昌市农业农村部华北小麦玉米轮作营养与肥料科学观测站 (34°08′N,113°48′E) 进行。曲靖试验站海拔1850 m,属于亚热带高原季风气候,玉米季平均气温20.3℃,麦季平均气温12.5℃,年降雨量1008 mm,降雨集中在4—10月份,占全年降水量的74%。土壤类型为高原红壤,多年为大麦–玉米轮作;耕层土壤基本理化性质:pH 5.3、有机质29.7 g/kg、全氮1.45 g/kg、碱解氮101 mg/kg、有效磷18.2 mg/kg、速效钾166 mg/kg。

        许昌试验站海拔79 m,属于暖温带大陆季风性气候,年平均气温15℃,玉米季平均气温23.9℃,麦季平均气温8.1℃;年均降雨量728.3 mm,6—10月份降水量占全年降水量的60%。土壤类型为潮土;多年为小麦–玉米轮作;耕层土壤基本理化性质为pH 7.8、有机质13.7 g/kg、全氮0.79 g/kg、碱解氮68.7 mg/kg、有效磷14.3 mg/kg、速效钾90.4 mg/kg。

      • 曲靖试验站供试玉米品种为师单8号,种植密度66675株/hm2;供试大麦品种为V43,播种量120 kg/hm2。许昌试验站供试玉米品种郑单958,种植密度66750株/hm2;供试小麦品种为秋乐2122,播种量180 kg/hm2。供试秸秆为当地上一季未发病作物秸秆,农作物秸秆用秸秆粉碎机粉碎成2~3 cm左右长,均匀撒入供试田间小区,并使用翻耕机以表层土覆盖。

      • 本研究采用随机区组设计,共设置4个处理,分别为:1) 不施氮对照 (CK);2) 常规施氮 (潮土每季施氮N 200 kg/hm2,红壤玉米季施N 300 kg/hm2,麦季施N 100 kg/hm2,表示为N处理);3) 减氮20% (潮土施氮N 160 kg/hm2,红壤玉米季施N 240 kg/hm2,麦季施N 80 kg/hm2,表示为80%N处理) 4) 减氮20%配合秸秆还田 (潮土施N 160 kg/hm2,红壤玉米季施N 240 kg/hm2,麦季施N 80 kg/hm2,施秸秆3000 kg/hm2,表示为80%NS处理)。所有处理均施用等量的磷钾肥 (P2O5 90 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2)。红壤小区面积30 m2 (3 m × 10 m),潮土小区面积24 m2 (3 m × 8 m),每处理3次重复。红壤肥料采用穴施方式,氮磷钾肥一次性作基肥随种子施入;潮土肥料采用沟施方式,磷钾肥作为基肥一次性施入,氮肥在播种前和麦季抽穗期或玉米季大喇叭口期各施50%;所用氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为氯化钾。除草、灌溉、病虫害等生产管理按当地习惯进行。

        在2016—2018年的定位试验中,红壤玉米于每年的5月15—20日播种,10月15—20日收获;大麦于每年的10月25—31日播种,竖年5月6—10日收获;潮土玉米于每年的6月10—15日播种,9月28日—10月5日收获;小麦于每年的10月10—14日播种,竖年6月1—5日收获。

      • 两地玉米成熟期,在小区样方内连续收取40株玉米,并将收获的玉米穗烘干,完全脱粒称重。40穗籽粒的重量合为实收样方内产量。小麦成熟期,在田间小区中选择长势均匀的2 m × 2 m区域,采集麦穗脱粒并带回实验室烘干称重,记为实收样方内产量。

      • 每年的麦季成熟期和玉米季成熟期在每个小区随机取植株样品,将茎、叶、籽粒分别装袋称重后,于105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重计算含水量,计算茎叶和籽粒的干物质量,粉碎,所有植株样品消煮后采用凯氏定氮法测定全氮含量。

        植株氮素吸收量 (PNC,kg/hm2) = 茎叶干物质量 × 茎叶氮素含量 + 籽粒干重 × 籽粒氮素含量

        氮收获指数 (NHI) = 籽粒氮素积累量/植株氮素积累量 × 100%;

        氮肥偏生产力 (PEPN,kg/kg) = 施氮处理籽粒产量/施氮量

        氮肥利用率 (NUE) = (施氮处理植株氮素积累量 − 不施氮处理植株氮素积累量)/施氮量 × 100%

      • 每年的麦季抽穗期和玉米季抽雄期在每个试验小区取0—20 cm土样,过2 mm筛,土壤铵态氮 (NH4+-N) 和硝态氮 (NO3-N) 是以土水比1∶5,用1 mol/L KCl浸提,并用连续流动分析仪 (AA3,SEAL analytical,德国) 测定。土壤可溶性有机碳 (dissolved organic carbon,DOC) 与可溶性有机氮 (dissolved organic nitrogen,DON) 含量的测定是用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提 (土水比1∶5),然后用总有机碳分析仪 (multi N/C 3100,德国耶拿) 测定。

        土壤硝化潜势 (potential nitrification rate,PNR) 的测定采用氯酸盐抑制法[27],主要步骤:称取5.0 g新鲜土壤样品置于50 mL的离心管中,加入20 mL磷酸盐缓冲液 (8.0 g/LNaCl 、0.2 g/L KCl 、0.2 g/LNa2HPO4、pH 7.1),并添加1 mmol/L (NH4)2SO4 和50 mg/L KClO3,抑制亚硝酸盐氧化。此条件下土壤硝化能力最强,且供试土壤不调节pH与调节pH的硝化潜势有相似的结果和趋势[28]。将离心管置于室温 (25℃) 下,150 r/min振荡培养24 h。培养结束后,加入5 mL 2 mol/L KCl浸提NO2-N,其浓度以1-萘胺和对氨基苯磺酸为显色试剂,然后在酶标仪 (Thermo Scientific Multiskan,GO,Thermo Fisher Scientific,美国) 上在530 nm波长下比色。

      • 试验数据用Microsoft Excel 2016软件进行整理,采用IBM SPSS Statistics 19进行单因素方差分析 (P < 0.05)。

      • 图1图2表明,在2017年麦季,潮土DOC和DON含量在各处理间无显著差异;2017年玉米季,与CK处理相比,80%N和80%NS处理的DOC和DON含量显著增加,其中80%N处理下二者均显著高于N处理;在2018年麦季,潮土各处理的DOC和DON含量分别维持在0.13~0.15和0.02~0.08 mg/g水平上,80%N和80%NS与N处理差异不显著,保持土壤较高的可溶性养分积累。

        图  1  不同施肥处理下潮土小麦季和玉米季可溶性有机碳、氮含量

        Figure 1.  Soil dissolved organic carbon and nitrogen contents during the wheat and maize seasons in fluvo-aquic soil under different fertilization treatments

        图  2  不同施肥处理下红壤大麦季和玉米季可溶性有机碳、氮含量

        Figure 2.  Soil dissolved organic carbon and nitrogen contents during the barley and maize seasons in red soil under different fertilization treatments

        2017年麦季,在80%N处理下,红壤DOC和DON含量显著低于其他施肥处理,而80%NS处理下二者含量分别维持在0.15和0.03 mg/g水平,与N处理持平,且土壤DON含量高于其他处理 (图2-AD);2017年玉米季,各处理DOC含量无显著差异,N处理DON含量显著高于其他处理 (图2E);2018年麦季,DOC和DON含量恢复到2017年麦季的水平,且80%NS处理的DON含量达到0.04 mg/g,显著高于其他处理,与2017年麦季应用效果一致 (图2-CF)。

      • 施肥措施对两种旱地土壤的无机氮含量均有显著影响 (图3)。在潮土中,N处理的NO3-N含量在两季施肥处理中一直处于较高水平,并在2017年麦季和玉米季分别达到20.61和40.46 mg/kg,显著高于80%NS,在2018年麦季高于80%NS,但未达到显著差异水平。NH4+-N含量的变化在各施肥处理中表现出与NO3-N相反的趋势。2017年两季施肥处理,80%NS处理中NH4+-N得到截留和积累,与N处理相比,分别显著增加了60%和32%。

        图  3  不同施肥处理潮土小麦季和玉米季无机氮含量

        Figure 3.  Soil inorganic nitrogen content during the wheat and maize seasons in fluvo-aquic soilunder different fertilization treatments

        在红壤中,不同施肥措施下NH4+-N与NO3-N的变化与潮土相似,N处理下NO3-N的含量在两年三季的麦玉轮作体系中均高于80%NS处理,且在2017年玉米季和2018年麦季达到显著差异水平;80%NS处理下的NH4+-N含量与N处理相比,分别显著增加了37%、21%和66%;NH4+-N与NO3-N含量具有相反的变化趋势,且随着种植年限增加而增加 (图4-CF)。从以上结果来看,秸秆还田在两种典型旱地土壤均起到减少NO3-N含量、促进NH4+-N积累的效果。

        图  4  不同施肥处理红壤大麦季和玉米季生长期内土壤无机氮含量

        Figure 4.  Soil inorganic nitrogen content during the barley and maize seasons in red soil under different fertilization treatments

      • 图5显示,在潮土中,80%NS处理的硝化潜势 (PNR) 在2017年麦季和玉米季分别保持在0.96~1.14和2.34~2.43 [NO2-N mg/(kg·h), 干土]范围内;80%NS处理两季的PNR均显著低于N处理,与N处理相比,80%NS处理两季PNR分别下降13.3%~33.9%和5.5%~33.7%;且80%N处理PNR也高于80%NS,并在2017年麦季与80%NS处理达到显著差异水平;2018年麦季,各处理之间无显著差异。

        图  5  不同施肥处理潮土 (上) 和红壤 (下) 玉米和小麦生育期内土壤硝化潜势

        Figure 5.  Soil potential nitrification rate (PNR) during the wheat/barley and maize seasons in fluvo-aquic soil (upper) and red soil (bottom) under different fertilization treatments

        在红壤中,80%NS处理的PNR在2017年麦季和玉米季分别为保持在0.47~0.58和0.66~0.96和0.57 [NO2-N mg/(kg·h), 干土]范围内;与N处理相比,分别显著降低16.4%~37.5%和7.8%~13.4%。相较于前两季,2018年麦季两种土壤各施肥处理的PNR均有所增加,但80%NS处理的PNR仍低于其他处理。总的来看,80%NS处理降低了潮土与红壤的PNR,在玉米季和麦季中表现出相同的规律。

      • 表1所示,2017—2018年,潮土上CK处理作物吸氮量显著低于其他处理;与N处理相比,80%N处理显著降低籽粒的吸氮量。在2017年两季,80%NS处理植株和籽粒含量均与N处理无显著差异,但在2018年麦季,其植株和籽粒吸氮量均显著高于N处理,植株吸氮量和籽粒吸氮量分别增加了14.7%和44.3%。在2017年玉米季和2018年麦季,80%NS处理的氮收获指数显著高于80%N和N处理,且与N处理相比,氮收获指数分别增加了20.8%和25.8%,80%NS处理的氮肥偏生产力在2017年麦季和2018年麦季分别提高了9.8%和42.9%。在2017年两季,各处理的氮肥利用率无显著差异,在2018年麦季,氮肥利用率表现为80%NS > N > 80%N处理的趋势;与N处理相比,80%N处理氮肥利用率下降了30.9%,而80%NS处理显著增加41.7%。

        表 1  2017—2018年不同施肥处理潮土作物氮肥利用率

        Table 1.  Nitrogen use efficiency of crops in fluvo-aquic soil under different fertilization treatments during 2017–2018

        年份
        Year
        作物
        Crop
        处理
        Treatment
        植株吸氮量
        PNC
        (kg/hm2)
        籽粒吸氮量
        GNC
        (kg/hm2)
        氮收获指数
        NHI
        (%)
        氮肥偏生产力
        PEPN
        (kg/kg, N)
        氮肥利用率
        NUE
        (%)
        2017麦季
        Wheat season
        CK127.6 ± 1.9 b91.8 ± 0.2 c72.0 ± 1.2 a
        N160.4 ± 2.9 a117.8 ± 3.0 a 73.5 ± 1.4 a38.8 ± 0.9 b32.9 ± 2.9 a
        80%N149.3 ± 1.5 a107.9 ± 1.2 b 72.3 ± 0.1 a42.7 ± 0.5 a27.1 ± 1.9 a
        80%NS153.8 ± 3.9 a109.9 ± 3.4 ab71.4 ± 0.9 a42.6 ± 0.7 a32.7 ± 4.9 a
        2017 玉米季
        Maize season
        CK 57.9 ± 4.0 b33.7 ± 4.3 c49.7 ± 3.5 b
        N109.8 ± 3.3 a58.6 ± 1.0 a53.4 ± 1.3 b57.8 ± 0.8 a26.0 ± 1.7 a
        80%N 86.8 ± 11.7 a 50.7 ± 10.1 b52.2 ± 0.4 b55.0 ± 1.4 a25.4 ± 0.6 a
        80%NS 96.8 ± 5.0 a56.9 ± 5.0 a64.5 ± 2.1 a63.0 ± 8.3 a24.3 ± 3.1 a
        2018麦季
        Wheat season
        CK 92.1 ± 0.7 d66.2 ± 2.1 d71.9 ± 1.9 a
        N152.8 ± 1.5 b92.9 ± 4.3 b60.8 ± 2.8 b28.4 ± 0.1 b30.4 ± 0.7 b
        80%N125.5 ± 3.2 c78.3 ± 4.1 c62.3 ± 1.8 b32.7 ± 1.2 b21.0 ± 2.0 c
        80%NS175.3 ± 0.5 a134.1 ± 6.8 a 76.5 ± 3.8 a40.6 ± 0.3 a52.1 ± 0.3 a
        注(Note):PNC—Plant nitrogen cumulation; GNC—Grain nitrogen cumulation; NHI—Nitrogen harvest index; PFPN—Partial factor productivity of nitrogen; NUE—Nitrogen use efficiency; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters represent significant difference among N treatments (P < 0.05).

        与潮土类似,红壤CK处理植株和籽粒吸氮量显著低于其他处理 (表2)。2017年80%NS处理的植株吸氮量与N处理无显著差异;2018年麦季,N处理的植株含氮量显著高于80%NS处理。在2017年玉米季,80%NS处理籽粒吸氮量显著高于N处理,增加了13.1%。80%N和80%NS处理氮收获指数在2017年玉米季和2018年麦季均显著高于N处理。80%NS处理氮肥偏生产力最高,显著高于N处理,从2017年麦季至2018年麦季,与常规施肥相比,氮肥偏生产力分别增加了28.5%、36.0%和25.0%。80%NS处理氮肥利用率在2017年玉米季显著高于N处理,但在2018年麦季显著低于N处理。

        表 2  2017—2018年不同施肥处理对红壤作物氮肥利用率的影响

        Table 2.  Effects of different fertilization treatments on the nitrogen efficiency of crops in red soil during 2017–2018

        年份
        Year
        作物
        Crop
        处理
        Treatment
        植株含氮量
        PNC
        (kg/hm2)
        籽粒吸氮量
        GNC
        (kg/hm2)
        氮收获指数
        NHI
        (%)
        氮肥偏生产力
        PEPN
        (kg/kg, N)
        氮肥利用率
        NUE
        (%)
        2017麦季
        Barley season
        CK30.2 ± 4.6 b22.6 ± 4.9 b73.3 ± 5.9 a
        N 57.9 ± 10.5 a36.4 ± 8.9 a61.6 ± 8.5 a41.6 ± 6.0 b36.3 ± 6.1 a
        80%N57.6 ± 7.9 a39.9 ± 6.8 a68.8 ± 3.1 a 49.4 ± 4.3 ab34.5 ± 9.9 a
        80%NS 68.1 ± 16.4 a41.2 ± 7.9 a62.2 ± 3.9 a58.2 ± 7.4 a 47.5 ± 20.5 a
        2017玉米季
        Maize season
        CK118.4 ± 10.1 c38.8 ± 3.1 c32.9 ± 1.3 d
        N226.6 ± 9.8 a 89.2 ± 3.8 b39.4 ± 0.2 c22.9 ± 1.5 b36.1 ± 3.3 b
        80%N186.4 ± 3.9 b 101.2 ± 1.2 a 54.4 ± 0.5 a32.7 ± 1.4 a28.3 ± 1.6 b
        80%NS215.4 ± 1.9 a 100.9 ± 0.3 a 46.9 ± 0.5 b35.8 ± 2.4 a40.5 ± 0.8 a
        2018麦季
        Barley season
        CK34.0 ± 2.5 c22.3 ± 1.3 b66.1 ± 3.3 a
        N91.6 ± 4.3 a46.5 ± 2.6 a50.8 ± 1.5 b22.8 ± 1.4 b57.6 ± 4.3 a
        80%N45.3 ± 3.9 c30.3 ± 2.5 b66.9 ± 0.6 a18.7 ± 1.5 b18.7 ± 1.8 c
        80%NS71.0 ± 1.0 b46.8 ± 0.6 a66.0 ± 1.8 a30.4 ± 0.2 a46.3 ± 1.3 b
        注(Note):PNC—Plant nitrogen cumulation; GNC—Grain nitrogen cumulation; NHI—Nitrogen harvest index; PFPN—Partial factor productivity of nitrogen; NUE—nitrogen use efficiency; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lower letters represent significant difference among N treatments (P < 0.05).

        如上所述,综合两地三季作物的氮肥利用率在不同施肥处理中的变化来看,与N处理相比,80%NS处理下的氮肥利用率在潮土中平均增加6.4%,在红壤中平均增加10.3%;而80%N处理下两地氮肥利用率分别降低2.3%~30.9%和1.8%~38.9%。

      • 图6表明,80%NS处理对作物有显著的增产稳产效果。在潮土中,2017年麦季和玉米季,80%NS处理产量和地上部生物量始终与N处理无显著差异,80%NS处理在粮食生产过程中初步达到稳产效果。在2018年麦季中,潮土80%NS处理地上部生物量与N处理无显著差异,但小麦产量显著高于N处理,增产14.4%;且80%N处理产量和地上部生物量显著低于80%NS和N处理。

        图  6  不同施肥处理潮土和红壤麦季和玉米季的作物产量和地上部生物量

        Figure 6.  Crop yields and aboveground biomass of wheat/barley and maize in fluvo-aquic soil and red soil under different fertilization treatments

        在红壤中,2017年麦季,80%NS处理的产量和地上部生物量与N处理无显著差异。而2017年玉米季,80%NS处理产量和地上部生物量显著高于N处理,玉米产量增加25.3%,地上部生物量增加22.7%。2018年麦季,N处理产量显著高于80%N,与80%NS处理无显著差异;N处理地上部生物量显著高于其他处理,80%NS处理次之。

        如上所述,综合两地三季作物的产量在不同施肥处理中的变化来看,与N处理相比,80%NS处理下小麦在两地平均增产11.2%,玉米平均增产20.4%;80%N处理下两地小麦平均减产13.4%,玉米平均减产3.9%。

      • 秸秆还田增加了土壤碳源输入,显著增加活性碳成分含量[29-30]和有机碳含量[31-32]。秸秆还田效应的Meta分析表明,旱地土壤的DOC含量在农作物秸秆添加后增加了26.7%[32]。但在本研究中,与常规施肥相比,秸秆还田配合氮肥减施并未显著增加旱地土壤中DOC含量。土壤活性碳的输入并没有得到有效积累。秸秆还田配合化肥能促进土壤氮素养分的积累[18]并改善土壤质量[8]。本研究显示,秸秆还田有效促进了麦季红壤DON的积累。

        本研究分析不同施肥处理之间土壤铵态氮含量的变化发现,80%NS处理NH4+含量在两地都高于N处理。NH4+含量的增加有两个主要原因:一是土壤物理性质改善[18],二是土壤有机氮矿化分解[33-34]。秸秆还田为土壤输入大量碳源和氮源,刺激土壤微生物活动,并且秸秆还田改善了土壤通气性[35],增加了土壤微生物对有机氮的矿化分解能力[36]。但是80%NS处理NO3-N含量低于N处理,说明秸秆的加入抑制硝化作用的进行,减少NO3-N的生成;另一方面可能是因为秸秆的加入增加了土壤微生物对硝态氮的生物固持作用[37]

        本研究中,与常规施肥相比,秸秆还田配合氮肥减施处理降低了旱地土壤的硝化潜势。说明NH4+含量的增加并没有促进土壤硝化作用,秸秆还田减缓旱地土壤的硝化作用。这与李平等[25]和何飞飞等[38]研究结果一致,二者分别在室内培养和田间长期施肥试验中验证了这一结果。主要是因为农作物秸秆C/N较高,秸秆还田处理下大量的碳源进入土壤,显著增加了土壤C/N值,促进土壤微生物或粘粒对NH4+的生物或晶格固定[24, 39];其次,秸秆还田与氮肥配施增加的土壤有机质[40]提高了对NH4+的非固定态吸附[41]。但这与Wang等[42]研究结果相反,是因为他们添加的水稻秸秆C/N相对较低。此外,秸秆还田可以有效提升土壤水分[21, 43],土壤含水量相对较高不利于土壤好氧硝化[44]。因此秸秆还田在旱地土壤中可以增加土壤NH4+-N含量,却降低NO3-N含量。综上所述,秸秆还田可以提高土壤速效氮含量,减缓硝化作用,降低NO3-N淋洗损失的风险。

      • 氮肥利用率是衡量合理施肥的关键指标,关系着作物高产高效目标的实现。本研究表明,与常规施肥相比,秸秆还田配合氮肥减施虽没有增加作物对氮素的吸收量,但显著增加了作物氮收获指数和氮肥偏生产力。这可能是因为氮肥施用量的减少以及秸秆还田提高了土壤氮有效性和供氮能力[36]。秸秆还田可以显著提高作物产量和氮肥利用率[10, 36]。在本研究中,与常规施肥相比,秸秆还田配合氮肥减施能够有效提高旱地作物的氮肥利用率,并对作物起到稳产增产的作用,但单纯的氮肥减施会降低氮肥利用率并导致作物减产。进一步证实了前人的研究结论,即适量减氮配合秸秆还田可以保证作物产量和生物量[45-46],并提高作物的氮肥利用率[47]。秸秆还田配合氮肥减施能起到增产增效作用,主要是由于秸秆还田后土壤NH4+含量显著增加,秸秆碳投入增加了土壤微生物和有机质对NH4+的固持和吸附[39],并且减缓了土壤硝化作用,降低了土壤NO3淋洗损失的风险[10],提高了土壤氮有效性及持续供氮能力。

        综上所述,秸秆还田对作物关键生育期硝化潜势的调节间接影响了作物产量和生物量。综合前人研究与本研究结果可知,盲目减氮不进行土壤培肥可能会降低作物产量和生物量,不利于农业可持续发展。秸秆还田配合氮肥减施可以提高氮肥利用率,主要起到稳产的效果,有利于培肥土壤,降低氮肥施用引起环境污染的风险。在旱地作物生长过程中,应考虑结合秸秆还田,适当降低氮肥施用量,制定合理规范的农田施肥措施。

      • 1) 无论在我国南方还是北方,秸秆还田配合氮肥减施可以增加旱地土壤对NH4+的固定,抑制土壤硝化潜势,减少土壤NO3的积累,降低硝态氮淋洗损失的风险。

        2) 秸秆还田配合氮肥减施通过减缓硝化作用,调控铵态氮和硝态氮的供给,并在作物生长过程中持续提供养分,保证了作物的产量,提高了氮肥利用率。

        3) 南北典型旱地土壤长期单纯的减施氮肥均有降低作物产量的风险。秸秆还田配合氮肥减施增产稳产效果显著。

    参考文献 (47)

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