秸稈還田提高水稻-油菜輪作土壤固氮能力及作物產(chǎn)量

張 丹，付 斌，胡萬里，翟麗梅，劉宏斌，陳安強(qiáng)，蓋霞普，張亦濤，劉 劍，王洪媛

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秸稈還田提高水稻-油菜輪作土壤固氮能力及作物產(chǎn)量

張 丹1，付 斌2，胡萬里2，翟麗梅1，劉宏斌1，陳安強(qiáng)2，蓋霞普1，張亦濤1，劉 劍3，王洪媛1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205； 3. 賓夕法尼亞州立大學(xué)植物營養(yǎng)系，賓夕法尼亞 16802）

為探討西南山區(qū)水稻-油菜輪作模式下秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤氮素固持能力的影響，于2013－2015年在洱海流域稻油輪作農(nóng)田中設(shè)置空白處理（CK）、單施化肥（CF）、化肥+玉米秸稈（CFMS）以及化肥+蠶豆秸稈（CFBS）4個(gè)處理，測定分析了作物產(chǎn)量、土壤微生物量及土壤理化性質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)果表明，與CF處理相比，秸稈還田提高水稻、油菜產(chǎn)量及其地上部含氮量，增加氮素有效輸出。不同處理土壤微生物量碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，其大小順序?yàn)椋篊FMS>CFBS>CF>CK。與土壤碳氮比相比，土壤微生物熵和微生物量C/N對秸稈還田做出快速響應(yīng)，秸稈還田提高土壤微生物熵，降低微生物量C/N。此外，秸稈還田顯著降低油菜收獲后的土壤硝態(tài)氮?dú)埩簦?0.05），與CF相比，玉米秸稈和蠶豆秸稈還田分別使土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅繙p少11.6%～55.0%和13.7%～52.3%。可見，中國西南山區(qū)稻油輪作模式下秸稈還田能提高作物產(chǎn)量和含氮量，增強(qiáng)土壤微生物氮素固持能力，有效降低土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，且玉米秸稈在增產(chǎn)、固氮方面的作用優(yōu)于蠶豆秸稈。結(jié)果可為提高西南山區(qū)水稻、油菜產(chǎn)量，增強(qiáng)土壤氮素固持能力，降低土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

秸稈；有機(jī)碳；土壤；秸稈還田；水稻-油菜輪作；作物產(chǎn)量；土壤微生物量；硝態(tài)氮?dú)埩?/p>

0 引 言

氮肥為全球作物產(chǎn)量提高做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。然而，過度追求高產(chǎn)導(dǎo)致的氮肥過量施用，導(dǎo)致中國當(dāng)季氮肥利用率較低[3]，大量盈余氮素通過揮發(fā)、徑流以及淋溶等方式進(jìn)入大氣或水體[4-5]，造成大氣污染、地表水富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽超標(biāo)等環(huán)境問題[6]。“第一次全國污染源普查”數(shù)據(jù)結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)源總氮占總氮排放量的57%[7]，其中，化肥過量施用是農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一[8]。因此，提高氮肥利用率，減少土壤氮素流失成為中國乃至全球研究熱點(diǎn)問題。

大量研究表明，秸稈還田技術(shù)能有效提高氮素利用率，減少氮肥施用量和氮素?fù)p失量，可部分解決農(nóng)田土壤中過量氮肥施用引發(fā)的污染問題[9-10]。王靜等[11]研究表明，秸稈覆蓋使巢湖地區(qū)農(nóng)田土壤徑流量減少30.5%，徑流氮損失量降低27.4%。張剛等[12]通過原狀土柱模擬試驗(yàn)表明，與單施化肥相比，秸稈還田配施化肥處理氮肥淋溶損失率降低30.9%。此外，秸稈還田是實(shí)現(xiàn)秸稈資源化利用的重要途徑之一，既減輕焚燒對環(huán)境的污染，又能改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[13-14]。

不同碳氮比（C/N）秸稈還田對土壤氮素固持轉(zhuǎn)化的影響不同。低C/N秸稈中含有較高的氮組分，在土壤中容易分解，且能釋放較多的礦質(zhì)態(tài)氮，有利于提高土壤微生物生物量[15-16]。高C/N秸稈易發(fā)生氮素凈固持，有利于減少土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)[17-19]，但高C/N秸稈還田前期，易發(fā)生土壤微生物與作物爭氮現(xiàn)象[20]，導(dǎo)致作物生長前期土壤氮素供應(yīng)不足，秸稈還田與化肥結(jié)合可有效解決此問題。

玉米、水稻以及豆類等是云南省主要的種植作物，其種植面積分別占作物總播種面積的21.2%、15.9%以及7.8%[21]，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量超過2000萬t。其中，稻草主要用于奶牛養(yǎng)殖墊圈，而大部分玉米秸稈和豆類秸稈或就地焚燒，或隨意堆放在田間地頭，既影響農(nóng)村環(huán)境，又浪費(fèi)資源。目前，針對該地區(qū)稻油輪作模式下，習(xí)慣化肥氮投入基礎(chǔ)上的秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤氮素固持能力影響的研究較少。本研究選擇玉米秸稈和蠶豆秸稈作為研究對象，探究在常規(guī)化肥氮施用下，不同類型秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤氮素固持能力的影響及作用機(jī)制，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量，提高化肥氮素利用率，減少氮素流失，最終實(shí)現(xiàn)作物秸稈合理有效利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于云南省大理州洱源縣上寺村（99°57′E，25°58′N，海拔2 099 m），該地區(qū)氣候類型為北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，四季溫差小，降雨充沛，年均氣溫13.9 ℃，降雨量為745 mm，主要集中在每年5－10月份。種植模式為典型的水稻-油菜輪作，土壤類型為水稻土，試驗(yàn)前采集0～20 cm耕層土壤測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：土壤pH值為5.7，土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）質(zhì)量分?jǐn)?shù)51.1 g/kg，全氮（total nitrogen, TN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.7 g/kg，全磷（total phosphorus, TP）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.3 mg/kg，硝態(tài)氮（NO3--N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)37.4 mg/kg，銨態(tài)氮（NH4+-N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7 mg/kg，土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon, SMBC）和微生物量氮（soil microbial biomass nitrogen, SMBN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為443.1和32.7 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2013年11月－2015年10月，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：不施肥（no fertilization, CK），單施化肥（chemical fertilizer, CF），化肥+玉米秸稈（chemical fertilizer combined with maize straw, CFMS）以及化肥+蠶豆秸稈（chemical fertilizer combined with broad bean straw，CFBS），按照隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)（區(qū)組），共12個(gè)處理樣方，每個(gè)樣方面積為30 m2（5 m×6 m）。參照當(dāng)?shù)胤柿嫌昧窟M(jìn)行施肥，除了CK處理外，其他處理的氮、磷、鉀化肥用量一致，油菜季氮、磷（P2O5）、鉀（K2O）化肥用量分別為180、74和120 kg/hm2，其中氮肥按照基肥∶現(xiàn)蕾期追肥∶開花期追肥=3∶3∶4分施，磷鉀肥按基肥：開花期追肥=7∶3分施；水稻季氮、磷（P2O5）、鉀（K2O）化肥用量分別為75、52.5和60 kg/hm2，其中氮肥和鉀肥按照基肥∶穗肥=7∶3分施，磷肥全部作基肥施用。化肥品種分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和硫酸鉀（K2O 50%），CFMS和CFBS處理中玉米秸稈、蠶豆秸稈用量相等且全部作基肥施用，油菜季用量為6 900 kg/hm2，水稻季用量為3 450 kg/hm2，還田方式為粉碎翻壓還田，玉米秸稈和蠶豆秸稈C/N分別為66和45，其余組分含量見表1。油菜種植和收獲時(shí)間分別為11月和次年5月，水稻種植和收獲時(shí)間分別為5月和10月。

表1 秸稈各組分含量

1.3 樣品采集與測試方法

分別于2015年（鑒于大田試驗(yàn)布置的第1 年數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，因此2014年沒有進(jìn)行土壤取樣分析）5月油菜和10月水稻收獲后，多點(diǎn)取樣法采集各樣方0～20 cm耕層土壤混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm篩，部分鮮土4 ℃冰箱保存，用于測定SMBC、SMBN、NH4+-N以及NO3--N，另一部分土樣進(jìn)行風(fēng)干，用于測定土壤pH、SOM和TN。

SMBC和SMBN采用氯仿熏蒸0.5 mol/L K2SO4浸提法測定[22]。首先將土樣在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，然后稱取預(yù)處理土樣6份（每份12 g）放入燒杯中，將其中3份置于內(nèi)置50 mL NaOH和50 mL去乙醇氯仿小燒杯的真空干燥器中，抽真空后保持氯仿沸騰5 min，然后將干燥器移置在黑暗條件下25 ℃培養(yǎng)24 h，再次抽真空完全去除土壤中的氯仿。另外3份做未熏蒸對照試驗(yàn)，將熏蒸和未熏蒸的土樣轉(zhuǎn)移到100 mL提取瓶中，加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4浸提液（水∶土質(zhì)量比為4∶1）震蕩30 min，然后過濾得上清液。上清液中的總有機(jī)碳、氮用總有機(jī)碳分析儀（Vario TOC，Elementar Analysensysteme GmbH，德國）測定，熏蒸與未熏蒸土壤提取液中有機(jī)碳、氮測定值之差和分別除以相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)K(0.45)和K(0.68)，即分別得到土壤微生物量碳和微生物量氮。土壤NO3--N和NH4+-N含量采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀（AA3，Seal Analytical GmbH，德國）測定，SOM采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，TN采用H2SO4－加速劑消煮凱氏定氮法測定（KDY-9830，北京市通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司，中國），土壤含水量和pH值采用《土壤和農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法》測定[23]。

2014年和2015年油菜和水稻收獲后自然風(fēng)干，對籽粒和秸稈分別稱質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量和地上部生物量。作物籽粒和秸稈中TN以及玉米秸稈和蠶豆秸稈中SOM、TN、TP、K2O、灰分測定方法見《土壤和農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法》[23]，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素測定方法與王金主等[24]測定方法相同。相關(guān)計(jì)算公式如下：

籽粒總含氮量（kg/hm2）=籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）×

籽粒全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g/kg）÷1000； （1）

秸稈總含氮量（kg/hm2）=秸稈產(chǎn)量（kg/hm2）×

秸稈全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g/kg）÷1000； （2）

地上部總含氮量（kg/hm2）=籽粒含氮量（kg/hm2）+

秸稈含氮量（kg/hm2）。 （3）

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用OriginLab 8.5軟件作圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），統(tǒng)計(jì)分析處理間作物產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物量碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差異，分析前，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，方差不齊時(shí)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化。多重比較采用Duncan法（=0.05），平均值在<0.05水平下的任何差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物產(chǎn)量和含氮量

由表2可知，與單施化肥（CF）相比，秸稈還田處理的油菜產(chǎn)量和生物量分別增加28.6%～62.1%和54.7%～83.8%，呈顯著性差異（<0.05），其中，玉米秸稈（CFMS）還田后油菜產(chǎn)量和生物量顯著高于蠶豆秸稈（CFBS）（<0.05），其增產(chǎn)幅度分別為16.7%～17.5%和4.5%～18.8%。對于水稻而言，CFMS處理產(chǎn)量最高，為11.0～12.2 t/hm2，分別比CFBS和CF處理增加24.5%～27.9%和32.6%～35.8%，其次是CFBS處理，產(chǎn)量為8.6～9.8 t/hm2，比CF處理增加6.2%～6.5%。與CF相比，秸稈還田處理水稻生物量顯著增加（<0.05），增加幅度為20.0%～23.5%，其中，CFMS處理水稻生物量最大。CF處理水稻產(chǎn)量和生物量分別比CK提高39.7%～41.5%和38.2%～39.7%，達(dá)到顯著水平（<0.05）。連續(xù)2 a測定結(jié)果均表明秸稈還田能夠提高作物產(chǎn)量和生物量。

不同處理的油菜和水稻地上部含氮量與產(chǎn)量變化趨勢基本一致，各處理地上部含氮量大小順序均為CFMS>CFBS>CF>CK。與CF相比，CFMS和CFBS處理的油菜地上部含氮量分別增加14.5%～20.2%和5.2%～9.0%，水稻地上部含氮量分別增加68.3%～87.4%和35.7%～55.0%。其中，CFMS處理的油菜和水稻地上部含氮量顯著高于CFBS處理（<0.05），增加幅度分別為5.0%～14.3%和20.9%～24.0%。由此可以看出，在增加作物產(chǎn)量和地上部含氮量方面，應(yīng)用玉米秸稈的效果高于蠶豆秸稈。

表2 秸稈還田油菜、水稻產(chǎn)量和地上部分含氮量的影響

注：CK、CF、CFMS和CFBS分別代表不施肥、單施化肥、化肥+玉米秸稈和化肥+蠶豆秸稈。表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)到顯著性水平（<0.05）。下同。

Note: CK, CF, CFMS and CFBS represent no fertilization treatment, chemical fertilizer treatment, chemical fertilizer combined with maize straw treatment and chemical fertilizer combined with broad bean straw treatment. Data in the table are means±SD. Different lowercase letters within same column indicate significant differences between treatments (<0.05). The same as below.

2.2 土壤微生物量碳氮

圖1結(jié)果顯示，與CF相比，秸稈還田能夠提高SMBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。油菜季CFMS和CFBS處理SMBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比CF增加21.3%和14.6%，水稻季CFMS和CFBS處理分別比CF增加20.4%和11.3%。

各處理SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢與SMBC一致，與CF相比，秸稈還田能夠顯著提高SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<0.05)。油菜季CFMS和CFBS處理SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比CF處理增加29.8%和27.3%，水稻季CFMS和CFBS處理SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比CF處理增加17.7%和10.0%。其中，CFMS處理的SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于CFBS處理，與CFBS處理相比，油菜季和水稻季的SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加2.2%和7.0%，后者差異顯著（<0.05）。同時(shí)，單施化肥能夠顯著提高SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)（<0.05），其SMBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)是CK處理的1.3～1.5倍。

由圖2a可知，秸稈還田能夠提高土壤微生物熵（SMBC/SOC）。油菜季CFMS處理SMBC/SOC最高，比CF處理增加18.5%，呈顯著性差異（<0.05）。其次是CFBS，SMBC/SOC為1.45，顯著高于CK處理（<0.05）。水稻季CFMS和CFBS處理SMBC/SOC分別是2.8和2.4，兩者均顯著高于CF處理（<0.05）。土壤微生物量化學(xué)計(jì)量碳氮比（SMB C/N）結(jié)果顯示（圖2b），與CK處理相比，其他3個(gè)處理SMB C/N均顯著降低（<0.05），油菜季CF、CFMS和CFBS的SMB C/N降低幅度為27.3%～34.3%，水稻季降低幅度為14.7%～17.8%。

2.3 土壤理化性質(zhì)

各處理對土壤理化性狀的影響如表3所示，與CF處理相比，秸稈還田對土壤pH值、TN、SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤碳氮比均無顯著性影響（>0.05）。秸稈還田能夠增加旱季土壤持水能力，油菜季CFMS和CFBS處理的土壤含水量范圍為17.6%～18.9%，顯著高于CK和CF處理（<0.05）。

作物收獲后，土壤無機(jī)氮主要以NO3--N形態(tài)存在（圖3），油菜季各處理土壤NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.3～45.4 mg/kg，遠(yuǎn)高于各處理土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)；水稻季土壤NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5～14.6 mg/kg，是相應(yīng)處理土壤NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2.0～2.5倍。與CF相比，秸稈還田能顯著降低油菜和水稻收獲后土壤NO3--N殘留量（<0.05）。油菜收獲后CFMS和CFBS處理土壤中殘留的NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CK相近，分別為20.4和21.7 mg/kg，比CF處理降低55.0%和52.3%。水稻收獲后CFMS和CFBS處理土壤NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比CF處理降低11.6%和13.7%。

表3 秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

3 討論與建議

3.1 秸稈還田對土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響

連續(xù)2 a的田間試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較小，表明水稻-油菜輪作模式下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)對土壤管理措施變化反應(yīng)不敏感，這與Zhao等[25]的研究結(jié)果一致。胡乃娟等[26]研究結(jié)果也表明，小麥-水稻輪作體系中連續(xù)2 a秸稈全量還田，土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著性變化（>0.05），而長期秸稈還田能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)土壤肥力[27-28]。因此，秸稈還田作為改善土壤肥力的措施需長期堅(jiān)持。

秸稈還田能夠顯著提高中國西南地區(qū)油菜、水稻產(chǎn)量和生物量（<0.05），這與以往的研究報(bào)道相一致。中國南方稻麥輪作模式下，2 a秸稈還田試驗(yàn)對兩季作物的產(chǎn)量都有明顯提高[29]。Zhao等[30]9 a的田間試驗(yàn)表明，秸稈還田后作物產(chǎn)量提高7%，尤其對缺水缺肥區(qū)農(nóng)田作物的增產(chǎn)效果更佳。秸稈還田促進(jìn)作物增產(chǎn)，一方面是由于秸稈的投入改善了土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤保水保肥[31]；另一方面，外源有機(jī)物料的投入能夠補(bǔ)充有機(jī)碳，促進(jìn)微生物的活性，從而提高養(yǎng)分的有效性[32]。但由于不同秸稈類型在養(yǎng)分含量方面存在差異，導(dǎo)致其在改善土壤性質(zhì)、促進(jìn)作物生長發(fā)育方面存在差異[33-35]。本研究中，添加玉米秸稈對作物產(chǎn)量和地上部含氮量的提升優(yōu)于蠶豆秸稈，其原因可能為玉米秸稈中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且含有較豐富的糖等易利用有機(jī)碳（例如，玉米秸稈中水溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.35%～9.62%[36]，蠶豆秸稈為1.01%[37]），對土壤微生物的促進(jìn)作用大于蠶豆秸稈，從而增加了土壤微生物對氮素的固持轉(zhuǎn)化，使易流失的無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的有機(jī)氮，有利于氮素的長效利用[18-19]。

3.2 秸稈還田對土壤氮素固持的影響

土壤氮素殘留量過高，不僅會造成氮素資源的浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成一定程度的威脅[38]。巨曉棠等[38]通過同位素示蹤技術(shù)研究表明，隨著施氮量增加，土壤中氮素殘留量增加，氮素?fù)p失量也相應(yīng)增加。西南地區(qū)降雨主要集中在5－10月（水稻季），占全年降雨量的85%左右，該階段是農(nóng)田氮素流失的關(guān)鍵期[39]。單施化肥處理油菜收獲后土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.4 mg/kg（或102.2 kg/hm2，按照0～20 cm土層土壤重量2 250 t/hm2計(jì)算），遠(yuǎn)高于歐美等國家限值（0～90 cm土體中殘留硝態(tài)氮低于45 kg/hm2或無機(jī)氮不高于50 kg/hm2）[40]。秸稈還田能大幅度減少油菜收獲后土壤中硝態(tài)氮?dú)埩袅浚▓D3），與單施化肥相比，秸稈還田土壤硝態(tài)氮降低54.8%～55.6%，從而能夠顯著降低水稻季土壤殘留氮的流失風(fēng)險(xiǎn)。秸稈還田降低土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的原因主要有以下3方面：1）秸稈中氮素主要以有機(jī)態(tài)形態(tài)存在，該部分氮素較穩(wěn)定，短期內(nèi)通過礦化作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮的量較少[41]；2）秸稈還田提高了作物產(chǎn)量和作物含氮量，增加氮素的作物攜出量；3）秸稈還田可通過提高土壤微生物活性，調(diào)節(jié)礦質(zhì)氮的固持轉(zhuǎn)化[42-43]，將易流失的無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的有機(jī)氮，從而降低氮肥田間損失[44-45]。

微生物量氮是土壤有機(jī)質(zhì)中封存氮素的主要存在形式，被認(rèn)為是土壤活性氮的儲存庫，以及作物生長可利用態(tài)養(yǎng)分的重要來源[46]，其含量變化能夠表征土壤微生物對氮素的固持能力[47]。本研究中秸稈還田能夠顯著提高土壤微生物量氮含量，與單施化肥相比，秸稈還田處理土壤微生物量氮增幅為10.0%～29.8%，表明秸稈還田能夠提高土壤氮素固持能力。趙世誠等[48]在華北地區(qū)的研究結(jié)果表明化肥與秸稈配施土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比單施化肥增加88.5%。也有研究表明，秸稈還田處理中土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比單施化肥提高114.3%[49]。秸稈還田提高土壤微生物量氮強(qiáng)度不同主要受土壤特性、耕作方式、秸稈還田種類、還田量、研究區(qū)域氣候特征等因素的影響[35,50-51]。

與單施化肥相比，秸稈還田短期內(nèi)對土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大，表明利用秸稈還田提高土壤碳庫儲量是一個(gè)長期的過程[19,52]，而土壤微生物量碳含量和微生物熵的快速反應(yīng)特性可以將其作為土壤總有機(jī)質(zhì)變化的早期指標(biāo)[53]。近年來，微生物量C/N在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的調(diào)控作用受到越來越多的關(guān)注[54-55]。Li等[56]認(rèn)為微生物量C/N是稻田土壤生產(chǎn)力的有效指標(biāo)，稻田土壤微生物量C/N越低，土壤生產(chǎn)能力越強(qiáng)，這與我們的研究結(jié)果相一致。本研究中，秸稈還田和單施化肥都導(dǎo)致了微生物量C/N降低，表明在資源供給過程中，土壤微生物往往會為了吸收更多的養(yǎng)分而調(diào)節(jié)其生態(tài)化學(xué)計(jì)量碳氮比[2]。

3.3 建 議

本研究僅僅是從量（作物含氮量、微生物量、土壤氮素殘留量）的角度對秸稈還田降低土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的影響機(jī)制進(jìn)行了分析和探討，而未涉及對氮素循環(huán)速率的影響。Buchkowski等[55]認(rèn)為，土壤碳氮循環(huán)過程中土壤微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量C/N對循環(huán)速率的調(diào)控作用要大于微生物量本身，而只有當(dāng)外源有機(jī)物料的碳氮比接近于原有微生物量碳氮比時(shí)微生物量才會發(fā)揮較大的調(diào)控作用。因此，還需要對相關(guān)理論做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

1）中國西南山區(qū)稻油輪作模式下，短期（2 a）秸稈還田對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等土壤肥力指標(biāo)的影響不顯著，但與單施化肥處理相比，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)略有增加。

2）秸稈還田能夠增加作物產(chǎn)量，提高作物地上部含氮量。與單施化肥相比，秸稈處理油菜和水稻產(chǎn)量分別增加28.6%～62.1%和6.2%～35.8%，作物地上部含氮量分別增加5.2%～20.2%和35.7%～87.4%。同時(shí)，秸稈還田能顯著提高土壤微生物的氮素固持能力，減少土壤硝態(tài)氮?dú)埩簟＝斩掃€田處理土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比單施化肥處理增加10.0%～29.8%，油菜收獲后土壤硝態(tài)氮?dú)埩魷p少52.3%～55.0%，從而降低水稻季氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

3）中國西南山區(qū)稻油輪作模式下，與蠶豆秸稈處理相比，玉米秸稈處理作物產(chǎn)量、地上部含氮量以及土壤微生物量氮含量分別增加16.7%～27.9%、5.0%～24.0%和2.2%～7.0%。因此，玉米秸稈還田在增產(chǎn)、固氮方面的作用優(yōu)于蠶豆秸稈。

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Increasing soil nitrogen fixation capacity and crop yield of rice-rape rotation by straw returning

Zhang Dan1, Fu Bin2, Hu Wanli2, Zhai Limei1, Liu Hongbin1, Chen Anqiang2, Gai Xiapu1, Zhang Yitao1, Liu Jian3, Wang Hongyuan1※

(1.100081;2.650205;3.16802,)

Recently, crop straws returning to field has been vigorously proposed as an effective strategy to promote agricultural sustainability in China. However, there were few studies revealing the effects of straw return on rice () - rape () rotation systems in Southwest China, especially lacking contrastive research about different crop straws. To explore the effects of straw incorporation on crop yield and soil nitrogen (N) retention of rice-rape rotation system, a field experiment was conducted from 2013 to 2015 in Yunnan Province. Specifically, the experiment consisted of 4 treatments: No fertilizer (CK), chemical fertilizer (CF), chemical fertilizer plus maize straw (CFMS), and chemical fertilizer plus broad bean straw (CFBS). Crop yield, soil N content, soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), and some other soil physicochemical properties were determined after rice or rape harvest. The results showed that straw incorporation (CFMS and CFBS) considerably increased crop yield and total biomass compared with the CF, and the yield and biomass of rape were increased by 28.6%-62.1% and 5.2%-20.2%, respectively, and those of rice were increased by 6.2%-35.8% and 35.7%-87.4%, respectively. In particular, CFMS produced the highest crop yield (4.2-4.7 t/hm2for rape and 11.0-12.2 t/hm2for rice), and CFMS increased the rape and rice yield by 16.7%-17.5% and 24.5%-27.9%, respectively, compared with CFBS. In consistent with the effects on crop yield, straw incorporation effectively increased the N content of rice and rape, and CFMS and CFBS increased the N content by 14.5%-20.2% and 5.2%-9.0% for rape, respectively, and 68.3%-87.4% and 35.7%-55.0% for rice, respectively, relative to the CF. In addition, CFMS significantly increased the N content (161.0-185.3 kg/hm2for rape and 219.0-243.1 kg/hm2for rice) compared with CFBS (153.3-162.1 kg/hm2for rape and 176.6-201.0 kg/hm2for rice) (<0.05). Furthermore, the SMBC and SMBN under straw incorporation were both increased significantly compared with CK (<0.05), and they were ranked in such order: CFMS>CFBS>CF>CK. There was no significant difference in the soil pH value, total N, soil organic matter (SOM) and soil C/N among these 4 treatments (>0.05) because of the relatively short experimental period (only lasting for 2 years). Generally, the soil microbial entropy and soil microbial biomass C/N (SMB C/N) could quickly respond to straw incorporation compared with the highly stable soil C/N. Nitrate N was the main component of inorganic N in soil, and soil residual N after crop was harvested was significantly decreased under straw incorporation (<0.05), which declined by 11.6%-55.0% for CFMS and 13.7%-52.3% for CFBS compared with the CF (45.4 mg/kg). Rainfall mainly occurred during rice growing season (from May to October) in Southwest China, which had a high potential to cause N losses. However, the significant reduction of residual N in soil by straw incorporation after rape was harvested could probably lead to a lower potential of N loss in rice growing season. We conclude that the incorporation of straw into soil can increase crop yield and crop N uptake, improve soil N immobilization potential and reduce risks of N loss in the rice-rape rotation in Southwest China. Particularly, the incorporation of maize straw demonstrates greater advantages in yield increase and N retention than bean straw in actual production.

straw; organic carbon; soils; straw returning; rice-rape rotation; crop yield; soil microbial biomass; nitrate nitrogen residual

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.017

S158.3

A

1002-6819(2017)-09-0133-08

2016-10-27

2017-04-09

國家自然科學(xué)基金（41301311），國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303095），國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0800500）

張丹，女，山東鄒平人，從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與環(huán)境研究。北京中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Email：zhangdan0630@126.com

王洪媛，山東萊州人，副研究員，從事農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)、農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用等研究。北京中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Email：wanghongyuan@caas.cn

張 丹，付 斌，胡萬里，翟麗梅，劉宏斌，陳安強(qiáng)，蓋霞普，張亦濤，劉 劍，王洪媛. 秸稈還田提高水稻-油菜輪作土壤固氮能力及作物產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：133－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.017 http://www.tcsae.org

Zhang Dan, Fu Bin, Hu Wanli, Zhai Limei, Liu Hongbin, Chen Anqiang, Gai Xiapu, Zhang Yitao, Liu Jian, Wang Hongyuan. Increasing soil nitrogen fixation capacity and crop yield of rice-rape rotation by straw returning[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 133－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.017 http://www.tcsae.org