秸稈還田與生物炭配施對(duì)麥-玉輪作體系產(chǎn)量和氮素利用率的影響

付夢(mèng)雪，吳名宇，韓碧波，張 倩，韓燕來，譚金芳，李培培，張 濤，李 慧

（1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州450002；2中山大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣州510275；3方城縣農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)站，河南南陽(yáng)473200）

0 引言

氮素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用[1]。氮肥是作物增產(chǎn)的主要肥料因素，其大量使用促進(jìn)了作物產(chǎn)量的提高，貢獻(xiàn)率可達(dá)到40%左右[2]。2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)化肥施用量已達(dá)5.653×107t，其中，氮肥用量達(dá)2.065×107t，占化肥總量36.53%[3]，而中國(guó)氮肥的利用率普遍偏低，張福鎖等[4]研究結(jié)果表明小麥和玉米的氮肥利用率僅有28.2%和26.1%，遠(yuǎn)低于國(guó)際水平。華北平原是中國(guó)冬小麥和夏玉米重要糧食產(chǎn)區(qū)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其糧食播種面積和糧食作物總產(chǎn)量占全國(guó)的20%左右[5]，因此該區(qū)的糧食安全對(duì)保障國(guó)家的糧食安全起著重要作用。研究表明華北地區(qū)小麥-玉米輪作體系農(nóng)田氮素存在大量盈余狀態(tài)，0～100 cm土層平均累積量為200 kg N/hm2[6-7]。過量的氮肥投入并未顯著提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，反而造成氮肥利用率低、資源浪費(fèi)、地下水污染嚴(yán)重、威脅生態(tài)環(huán)境等問題[8-11]。因此如何優(yōu)化調(diào)整施肥方式，提高氮素利用率成為當(dāng)下亟需解決的問題。

河南省是中國(guó)的產(chǎn)糧大省，黃褐土是其重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一[12]。然而，黃褐土存在土質(zhì)粘重，耕性和透氣性差，作物產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題[13]，是該地區(qū)的障礙土壤之一。目前該地區(qū)通過農(nóng)藝措施添加作物秸稈、有機(jī)肥和生物炭對(duì)其進(jìn)行改良，降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度，增加了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和總有機(jī)質(zhì)，提高土壤速效養(yǎng)分含量，緩解土壤酸化趨勢(shì)，達(dá)到改善耕作性能，提升土壤肥力的目的[14]。然而，關(guān)于生物炭和秸稈及化肥的配施對(duì)黃褐土氮素利用率的影響鮮有報(bào)道。因此本試驗(yàn)以黃褐土為研究對(duì)象，探究秸稈和生物炭配施對(duì)作物產(chǎn)量和氮素利用率的影響，以期指導(dǎo)科學(xué)施肥，從而提高氮素利用率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年在河南省方城縣趙河鎮(zhèn)(33°08′N，112°58′E)進(jìn)行，耕作模式為冬小麥-夏玉米輪作。該區(qū)屬亞熱帶大陸性氣候，年平均降水量800～1200 mm，年平均溫度15℃。供試土壤為河南省典型黃褐土，供試土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

表1 0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取6個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積為40 m2，隨機(jī)排列。處理分別為：不施肥(CK)、單施生物炭(B)、單施化肥(NPK)、化肥配施生物炭(NPKB)、化肥配施秸稈(NPKS)、化肥配施生物炭和秸稈(NPKBS)，具體施肥量見表2。

表2 冬小麥?zhǔn)┓柿?kg/hm2

1.3 樣品采集與分析

于2019年小麥和玉米收獲期采樣，測(cè)定土壤含水量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量、容重、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、堿解氮、有效磷含量、速效鉀含量。采用常規(guī)的烘干法測(cè)定含水量，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，環(huán)刀法測(cè)定容重，重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量，鉬藍(lán)比色法測(cè)定有效磷，火焰法測(cè)定速效鉀含量，酸度計(jì)測(cè)定pH，小麥和玉米收獲期取植株樣測(cè)產(chǎn)，用凱氏定氮法測(cè)定植株和籽粒全氮含量[15]。

1.4 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析方法

氮素利用率采用差減法，以不施肥(CK)的作物為參照，計(jì)算公式如(1)～(4)[16-17]所示

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 8.5進(jìn)行作圖，各處理采用LSD法進(jìn)行顯著性分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

麥-玉周年輪作下不同施肥處理對(duì)作物產(chǎn)量影響顯著（圖1）。與CK處理相比，NPK、NPKS處理均顯著增加小麥和玉米產(chǎn)量，其中NPKS處理小麥和玉米產(chǎn)量最高；在此基礎(chǔ)上增施生物炭后，與B處理相比，NPKB和NPKSB處理小麥和玉米產(chǎn)量均顯著增加，所有處理中NPKSB處理小麥和玉米產(chǎn)量最高，分別為8505.3、9492.0 kg/hm2。

圖1 不同施肥處理冬小麥-夏玉米產(chǎn)量

由表4可知，與CK處理相比，其他處理均可顯著提高小麥產(chǎn)量穗粒數(shù)和千粒重；增施生物炭后，各處理穗粒數(shù)和千粒重均顯著增加，其中NPKBS處理穗粒數(shù)和千粒重最高。與CK處理相比，其他施肥處理可顯著提高玉米穗粒數(shù)，但千粒重不顯著。增施生物炭后，玉米穗粒數(shù)和千粒重均有所提高，但未達(dá)到顯著水平，其中NPKBS處理穗粒數(shù)最高。

表3 不同處理冬小麥-夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子

表4 是否施生物炭與施肥處理的交互作用分析

綜合冬小麥和夏玉米各產(chǎn)量因子的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)冬小麥和夏玉米各處理間穗粒數(shù)均達(dá)到顯著水平，而千粒重和穗數(shù)則無顯著差異。交互作用方差分析結(jié)果表明，生物炭和處理對(duì)作物產(chǎn)量影響均達(dá)極顯著水平(P＜0.001)。

2.2 不同處理對(duì)土壤氮含量的影響

由圖2可以看出，與CK處理相比，小麥?zhǔn)斋@期NPK、NPKS處理土壤全氮含量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且達(dá)到顯著水平，其中NPKS處理土壤全氮含量最高。增施生物炭后，各處理含量均顯著增加，其中NPKSB處理氮含量最高。與CK處理相比，夏玉米收獲期NPK、NPKS處理土壤全氮含量顯著增加，其中NPKBS處理土壤氮含量最高。增施生物炭后，各施肥處理全氮含量均有所提高，其中，NPKSB處理氮含量最高。結(jié)果表明，施氮可顯著提高土壤全氮含量，在此基礎(chǔ)上增施生物炭也可增加其含量，但差異不顯著，NPKSB處理冬小麥和夏玉米土壤全氮含量最高。

圖2 不同處理夏玉米和冬小麥0～20 cm土壤全氮含量

由圖3可以看出，與CK處理相比，小麥?zhǔn)斋@期NPK、NPKS處理土壤堿解氮含量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且各處理間差異顯著，其中NPKBS處理土壤堿解氮含量最高。增施生物炭后，各施肥處理堿解氮含量增加，其中NPKSB處理氮含量最高。與CK處理相比，夏玉米收獲期NPK、NPKS處理土壤堿解氮含量顯著增加，其中NPKB處理土壤堿解氮含量最高。增施生物炭后各施肥處理堿解氮含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中NPKB處理含量最高。結(jié)果表明，增施生物炭可以提高土壤中堿解氮含量，且施氮處理高于不施氮處理，其中NPKSB和NPKB處理分別在冬小麥和夏玉米土壤堿解氮含量達(dá)到最高。

圖3 不同處理夏玉米和冬小麥0～20 cm土壤堿解氮含量

2.3 不同處理對(duì)植株和籽粒氮積累量的影響

由圖4可以看出，與CK處理相比，小麥?zhǔn)斋@期其他施肥處理植株氮積累量均顯著增加，其中NPKBS處理植株氮積累量最高；與CK處理相比，其他施肥處理籽粒氮積累量均顯著增加，其中NPKBS處理氮積累量最高。小麥?zhǔn)斋@期植株和籽粒氮積累量整體表現(xiàn)為籽粒氮積累量高于植株氮積累量，且NPKBS處理植株和籽粒氮積累量最高。與CK處理相比，玉米收獲期不同處理間植株氮積累量差異顯著，其中NPKBS處理植株氮積累量最高；與CK處理相比，各處理間籽粒氮積累量差異顯著，其中，NPKBS處理籽粒氮積累量最高。結(jié)果表明，玉米植株氮積累和籽粒氮積累量均高于小麥，且籽粒氮積累量高于植株，其中NPKBS處理植株和籽粒氮積累量最高。

圖4 不同處理植株和籽粒氮積累量

2.4 不同處理對(duì)氮素利用率的影響

由表4可知，不同處理對(duì)冬小麥和夏玉米農(nóng)學(xué)效率的影響各不相同。與NPK處理相比，小麥和玉米收獲期，NPKS、NPKB、NPKBS處理氮素農(nóng)學(xué)效率均有所提高，NPKS處理氮素農(nóng)學(xué)效率最高。小麥和玉米氮素生理利用率NPKS處理最高，分別為17.72和19.50。氮素當(dāng)季利用效率，小麥和玉米均為NPKBS處理最高，分別為69.97%和50.26%；氮素真實(shí)利用率，小麥和玉米均為NPKBS處理最高，分別為87.91%和72.73%。綜合氮素農(nóng)學(xué)效率、生理利用率、當(dāng)季利用效率和真實(shí)利用率，可以看出，與單施NPK相比，化肥與生物炭或秸稈配施均可提高氮素利用率。結(jié)果表明，小麥氮素利用率高于玉米，且真實(shí)利用率高于當(dāng)季利用率，差值在17.94%和37.43%之間。其中NPKBS處理小麥和玉米氮素利用率最高。

表4 不同處理對(duì)冬小麥和夏玉米氮素利用率的影響

2.5 氮素利用率與土壤氮含量的相關(guān)性

由圖5(a～d)可知，小麥季土壤全氮含量與氮素利用率與關(guān)系密切呈顯著正相關(guān)，線性方程為y=35.026x+22.683(r2=0.5215*)。堿解氮含量與氮素利用率線性相關(guān)但關(guān)系不明顯。玉米季土壤全氮、堿解氮含量與氮素利用率均線性相關(guān)但關(guān)系不明顯。結(jié)果表明：小麥季和玉米季土壤全氮與氮素利用率關(guān)系不同，小麥季土壤全氮與氮素利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且小麥的氮素利用率較高；小麥季和玉米季土壤堿解氮與氮素利用率線性相關(guān)，但關(guān)系不顯著。

圖5 氮素利用率與土壤氮含量線性關(guān)系

3 結(jié)論

在供試黃褐土上，在相同施氮水平下，不同有機(jī)替減方式對(duì)作物產(chǎn)量和氮素利用率影響不同。施氮可以顯著提高作物產(chǎn)量和氮素利用率，與單施化肥相比，秸稈還田可以顯著增加小麥和玉米穗粒數(shù)，提高作物產(chǎn)量，且土壤全氮含量顯著增加，在此基礎(chǔ)上增施生物炭后，增產(chǎn)效果更顯著；秸稈還田配施生物炭和化肥可以顯著提高氮素當(dāng)季和真實(shí)利用率，且小麥利用率高于玉米，真實(shí)利用率與當(dāng)季利用率差值在17.72%～37.43%之間。因此在該試驗(yàn)點(diǎn)采用秸稈還田配施生物炭和化肥的施肥方式，可確保糧食的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，提高氮素利用率，進(jìn)而降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4 討論

4.1 不同處理對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

玉米秸稈還田配施一定量的氮肥可以提高冬小麥產(chǎn)量[18-19]，而生物炭一定程度上可以促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量的提高[20]。長(zhǎng)期秸稈還田配施化肥可增加土壤有機(jī)碳氮含量，調(diào)節(jié)土壤碳氮比，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量[21-22]，生物炭配施化肥或配施化肥與有機(jī)肥均可以提高玉米產(chǎn)量[23-24]。關(guān)于秸稈還田配施化肥或生物炭配施化肥對(duì)小麥/玉米產(chǎn)量的研究較多，而關(guān)于秸稈還田配施化肥和生物炭對(duì)小麥/玉米產(chǎn)量的研究較少，因此本試驗(yàn)在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施化肥和生物炭，結(jié)果表明，化肥配施秸稈和生物炭可以顯著提高夏玉米和冬小麥產(chǎn)量，且增產(chǎn)效果顯著比化肥配施秸稈和化肥配施生物炭更好。原因可能是秸稈還田使土壤有機(jī)物質(zhì)增加，加速了微生物的分解，使有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為土壤有效養(yǎng)分，從而提高作物對(duì)速效養(yǎng)分的吸收和積累，從而提高產(chǎn)量[25]，而生物炭具有較強(qiáng)的吸附性，施入土壤后可以增加有機(jī)質(zhì)的含量，并吸附并保持土壤養(yǎng)分，使其逐步釋放[26]，因此化肥配施生物炭和秸稈增產(chǎn)效果更佳可能是因?yàn)樯锾亢徒斩捪嗷ヅ浜衔震B(yǎng)分能力更強(qiáng)。本試驗(yàn)中NPKBS處理玉米產(chǎn)量最高，可能是因?yàn)樯锾烤哂形叫裕诟邷馗邼竦臍夂驐l件下秸稈還田激發(fā)了土壤微生物活動(dòng)，二者配合使用可形成類緩釋效應(yīng)，在作物生育期前期加速養(yǎng)分釋放，進(jìn)而提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，而生育后期由于供養(yǎng)不足，千粒重有所下降。本試驗(yàn)對(duì)是否增施生物炭和施肥處理與產(chǎn)量因子進(jìn)行交互分析，發(fā)現(xiàn)各處理間穗粒數(shù)差異顯著，且增施生物炭可以顯著提高穗粒數(shù)。這與猜想結(jié)果一致，因?yàn)榻斩捄蜕锾肯嗷ヅ浜峡梢赃M(jìn)一步提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

秸稈還田配施化肥氮有利于耕層土壤全氮含量的提高[18,27]，且在提高土壤堿解氮含量上效果優(yōu)于生物炭配施化肥[23]，但堿解氮含量變化不顯著。本試驗(yàn)中NPKS處理與常規(guī)單施化肥相比，土壤全氮含量顯著提高，而堿解氮含量變化不顯著，與該研究結(jié)果相似。

4.2 不同處理對(duì)氮素利用率的影響

影響氮素利用率的因素很多，除肥料問題，還受氣候因素、土壤條件、作物品種等因素制約[28]，且短期試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果與長(zhǎng)期試驗(yàn)也存在很大差異[29]。衡量氮素利用率的指標(biāo)很多，傳統(tǒng)的氮素利用率指當(dāng)季作物吸收肥料氮占施入肥料氮的百分率，反映的是當(dāng)季作物對(duì)肥料氮的回收情況，并未考慮氮肥后效和對(duì)土壤氮消耗的補(bǔ)償作用[30]，因此，史天昊等[28]提出了氮素真實(shí)利用率的概念。本試驗(yàn)為多年定位試驗(yàn)，通過長(zhǎng)期秸稈還田或增施生物炭配施化肥探究氮素當(dāng)季利用率和真實(shí)氮素利用率來反映氮肥應(yīng)用情況，從而提高氮素利用率，指導(dǎo)科學(xué)施肥。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明小麥和玉米氮素利用率由高到低排列均為：NPKBS＞NPKS＞NPKB＞NPK，各施氮處理中NPKBS處理氮肥農(nóng)學(xué)效率、生理利用率、當(dāng)季氮素利用率和真實(shí)利用率最高；小麥當(dāng)季利用率和真實(shí)利用率均大于玉米，且真實(shí)利用率與當(dāng)季利用率差值為17.94%～37.43%。巨曉棠和莊振東[31-32]研究表明冬小麥比夏玉米對(duì)氮肥的反應(yīng)更敏感且小麥對(duì)氮肥的吸收利用效果要優(yōu)于玉米，本試驗(yàn)結(jié)果與其相似。黃紹敏[33]研究結(jié)果表明，在施氮量相同的情況下，前茬施用秸稈還田的處理玉米當(dāng)季肥料利用率最高，平均達(dá)到42%，而常規(guī)施氮磷鉀肥的處理平均為34%。而黃紹敏[27]研究結(jié)果表明，NPK處理氮素當(dāng)季利用率大于NPKS處理，NPK處理氮素當(dāng)季利用率為70.3%，NPKS處理為63.9%。本試驗(yàn)中小麥當(dāng)季利用率NPKS處理為60.93%，NPKBS處理為69.97%，玉米當(dāng)季氮素利用率NPKBS最高，為50.26%。整體上與其結(jié)果相似，而NPKBS處理高于NPKS處理，這可能與生物炭特性有關(guān)。當(dāng)季利用率低于真實(shí)利用率17.94%～37.43%，這可能是因?yàn)槲纯紤]土壤氮庫(kù)對(duì)作物養(yǎng)分吸收的影響，尤其是未作物前茬殘留的氮對(duì)其影響。因此，將氮素當(dāng)季利用率作為衡量氮素施用的指標(biāo)不能真實(shí)反映氮素使用情況，甚至?xí)`導(dǎo)我們投入更多的氮肥，進(jìn)而造成一些問題。

致謝:時(shí)光匆匆，轉(zhuǎn)眼兩年已經(jīng)過去，非常感謝在此期間我的實(shí)習(xí)生李豪東、張乂升、王欽、陳琛等人，還有我的師妹張?chǎng)卧谠囼?yàn)中對(duì)我的幫助和支持，感謝我的同學(xué)李靜、梁媛媛、戚秀秀、王丹丹在我學(xué)習(xí)和生活中對(duì)我的關(guān)心，因?yàn)槟銈?，我才能在新的領(lǐng)勇往直前，無所畏懼。