秸稈還田配合施肥措施對(duì)玉米產(chǎn)量及耕層土壤質(zhì)量的影響

葛選良，錢春榮，李 梁，姜宇博，宮秀杰，呂國(guó)依

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，黑龍江 哈爾濱 150086；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

玉米作為黑龍江省第一大糧食作物，按秸稈與籽粒比1.25∶1和可收集率90%計(jì)算，2012至2016年黑龍江省玉米秸稈量均在3300萬t以上［1-3］。作為提升耕層土壤肥力的重要有機(jī)肥源，玉米秸稈直接還田可有效解決因長(zhǎng)期重用輕養(yǎng)而導(dǎo)致的耕層土壤有機(jī)質(zhì)衰減，結(jié)構(gòu)變差，肥力退化等問題。但大量玉米秸稈還田后會(huì)導(dǎo)致微生物汲取土壤氮素，從而與玉米爭(zhēng)奪土壤氮素，引起耕層土壤礦質(zhì)氮降低和碳氮比失調(diào)，進(jìn)而影響還田秸稈的有效腐解［4］。合理的施肥模式利于土壤微生物繁殖，進(jìn)而促進(jìn)還田秸稈腐解和養(yǎng)分釋放，氮肥種類、施用量及施用方式對(duì)秸稈還田效果的影響均較大［5-7］。目前關(guān)于不同施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量和氮代謝影響的報(bào)道較多，但針對(duì)黑龍江省第一積溫帶玉米秸稈全量還田條件下不同施肥模式耕層土壤質(zhì)量和產(chǎn)量的研究相對(duì)較少。本研究以深翻整地實(shí)現(xiàn)玉米秸稈全量還田為前提，通過研究不同施肥模式對(duì)玉米耕層土壤碳、氮含量及相關(guān)關(guān)鍵酶活性和產(chǎn)量的影響，優(yōu)化改進(jìn)黑龍江省第一積溫帶雨養(yǎng)地區(qū)玉米施肥模式，進(jìn)而保持玉米耕層土壤持續(xù)生產(chǎn)能力，為進(jìn)一步提升黑龍江省第一積溫帶玉米生產(chǎn)能力提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016～2017年在黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)幸福鄉(xiāng)慶城村（N 45°46′，E 126°40′）進(jìn)行，年平均溫度4.4℃，≥10℃積溫2700℃，年降水量481 mm，無霜期140 d。試驗(yàn)地土壤類型為黑鈣土，試驗(yàn)開始前耕層土壤主要養(yǎng)分為有機(jī)質(zhì)1.956 g/kg、全 氮0.466 g/kg、全 磷0.221 g/kg、全 鉀2.562 g/kg、堿解氮206.47 mg/kg、有效磷55.21 mg/kg、速效鉀117.17 mg/kg，pH 6.27。試驗(yàn)地塊玉米連作，地力均勻，地勢(shì)平坦，適宜規(guī)模化種植，可進(jìn)行全程機(jī)械化操作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比設(shè)計(jì)，設(shè)置摻混肥（N-P2O5-K2O=12-18-15）+尿素（N≥46%）（NHF）、碳基肥（N-P2O5-K2O=23-10-7）+尿素（N≥46%） （TJF）和控釋肥（N-P2O5-K2O=24-11-12）（KSF）3個(gè)施肥措施，三者的底肥施用量分別為562.5 、600和600 kg/hm2，NHF處理和TJF處理的追肥量均為75 kg/hm2。每個(gè)處理0.667 hm2，不設(shè)重復(fù)。2016年10月17日整地，玉米機(jī)收后，秸稈還田機(jī)進(jìn)行秸稈二次粉碎還田作業(yè)，之后210馬力拖拉機(jī)帶5鏵液壓翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行深翻，深度25～30 cm，之后液壓耙30°角交叉重耙2遍，耙深15～17 cm，起110 cm大壟并鎮(zhèn)壓1遍，2017年4月30日種肥同播，底肥一次性機(jī)械深施壟下15 cm。供試品種為京農(nóng)科728，播種密度67500株/hm2，封閉除草，拔節(jié)期追肥，熟期測(cè)產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 耕層土壤碳、氮含量

灌漿期、成熟期分別在各處理耕層20 cm處取土樣，6次重復(fù)，樣品混勻后，液氮速凍處理，并于-80℃低溫冰柜中保存。參照《土壤農(nóng)化分析》的方法［8］，土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提，SEALAA3流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；土壤微生物量氮、微生物量碳用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提，ANALYTIKJENA multi N/C3100儀測(cè)定有機(jī)氮、碳，其中土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤有機(jī)氮之差除以KE（0.54）［9］得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機(jī)碳之差除以KE（0.45）［10］得到。

1.3.2 耕層土壤酶活性

灌漿期、成熟期分別在各處理耕層20 cm處取土樣，6次重復(fù)，樣品混勻后，液氮速凍處理，并于-80℃低溫冰柜中保存。稱取3份0.15 g土壤，加入1.35 mL的pH 7.4的磷酸緩沖鹽溶液，充分混勻，4℃，3000 r/min，離心20 min，收集上清液，采用相應(yīng)酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定試劑盒（ELISA）測(cè)定土壤脲酶、纖維素酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性。

1.3.3 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成

完熟期在各處理選取3個(gè)10行×10 m小區(qū)，實(shí)收測(cè)定果穗產(chǎn)量，之后隨機(jī)取30個(gè)果穗，測(cè)定穗長(zhǎng)、果穗中部的直徑、行數(shù)、中等行的行粒數(shù)，最后脫粒測(cè)定含水量，隨機(jī)取100粒籽粒，測(cè)定百粒重，3次重復(fù)，重復(fù)間差異小于0.5 g，同時(shí)折算成標(biāo)準(zhǔn)含水量（14%）的產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 21.0和Graph Pad Prism 6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配合施肥措施對(duì)玉米耕層土壤碳素含量的影響

由圖1可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳含量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。生育中后期不同施肥措施土壤有機(jī)碳含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤有機(jī)碳含量分別提高了7.67%、10.80%；成熟期TJF、KSF土壤有機(jī)碳含量分別提高了9.66%、15.34%（圖1a）。生育中后期不同施肥措施土壤微生物量碳含量的差異均不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤微生物量碳含量分別提高了7.29%、10.86%；成熟期TJF、KSF土壤微生物量碳含量分別提高了0.98%、3.18%（圖1b）。

2.2 秸稈還田配合施肥措施對(duì)玉米耕層土壤氮素含量的影響

由圖2可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮、土壤堿解氮和土壤微生物量氮含量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。生育中后期不同施肥措施土壤銨態(tài)氮含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤銨態(tài)氮含量分別提高了1.97%、21.39%；成熟期TJF、KSF土壤銨態(tài)氮含量分別提高了17.75%、21.03%（圖2a）。生育中后期不同施肥措施土壤硝態(tài)氮含量的差異均不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤硝態(tài)氮含量分別提高了7.77%、12.30%；成熟期TJF、KSF土壤硝態(tài)氮含量分別提高了3.05%、15.98%（圖2b）。生育中后期不同施肥措施土壤堿解氮含量的差異均顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤堿解氮含量分別提高了7.29%、31.97%；成熟期TJF、KSF土壤堿解氮含量分別提高了12.06%、17.87%（圖2c）。生育中后期不同施肥措施土壤微生物量氮含量的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤微生物量氮含量分別提高6.28%、21.08%；成熟期TJF、KSF土壤微生物量氮含量分別提高了0.64%、7.05%（圖2d）。

2.3 秸稈還田配合施肥措施對(duì)玉米耕層土壤酶活性的影響

由圖3可見，不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶和蔗糖酶活性均以KSF為最強(qiáng)，TJF次之，NHF最弱。生育中后期不同施肥措施土壤脲酶活性的差異顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤脲酶活性分別提高了23.29%、25.81%；成熟期TJF、KSF土壤脲酶活性分別提高了15.72%、27.45%（圖3a）。生育中后期不同施肥措施土壤過氧化氫酶活性的差異顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤過氧化氫酶活性分別提高5.92%、24.35%；成熟期TJF、KSF土壤過氧化氫酶活性分別提高了8.70%、21.54%（圖3b）。生育中后期不同施肥措施土壤纖維素酶活性的差異不盡相同。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤纖維素酶活性分別提高了7.97%、12.76%；成熟期TJF、KSF土壤纖維素酶活性分別提高了8.14%、11.55%（圖3c）。生育中后期不同施肥措施土壤蔗糖酶活性的差異不顯著。與NHF相比，灌漿期TJF、KSF土壤蔗糖酶活性分別提高了15.70%、18.93%；成熟期TJF、KSF土壤蔗糖酶活性分別提高了23.55%、24.86%（圖3d）。

2.4 秸稈還田配合施肥措施對(duì)玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表1可見，除千粒重外，不同施肥措施玉米收獲穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均以KSF為最高，TJF次之，NHF最低。KSF、TJF和NHF收獲穗數(shù)、穗粒數(shù)間的差異均不顯著，三者千粒重、產(chǎn)量間的差異顯著。與NHF相比，TJF、KSF收獲穗數(shù)分別增加2.91%和12.62%，穗粒數(shù)分別增加0.07%和1.25%，產(chǎn)量分別提高1.99%和13.24%；千粒重以KSF為最高，NHF次之，TJF最低，KSF、NHF分別較TJF提高0.62%和4.34%。可見，KSF產(chǎn)量構(gòu)成因素最為合理，單穗產(chǎn)量更高，豐產(chǎn)性更強(qiáng)，群體產(chǎn)量最高。

表1 不同施肥措施玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素

3 討論

農(nóng)作物秸稈是重要的有機(jī)肥源，含有作物生長(zhǎng)需要的多種營(yíng)養(yǎng)元素。還田作物秸稈在土壤微生物的作用下，經(jīng)過一系列的土壤生物化學(xué)過程，腐解于耕層土壤中，從而改善土壤的水熱條件［11-12］，使土壤動(dòng)物的數(shù)量和活力顯著提高［13］，增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量［14-16］。控釋肥根據(jù)作物吸肥規(guī)律釋放養(yǎng)分［17］，減少土壤 N2O 的排放，提高肥料利用率［18］，顯著降低氮素的淋溶和揮發(fā)［19］，減少施用化肥對(duì)環(huán)境和地下水的污染［20］。通過采用適宜的耕作模式，減少機(jī)械作業(yè)和勞動(dòng)力投入，合理施用控釋肥，可保持秸稈還田后耕層土壤的碳氮平衡，從而保證玉米生育中后期耕層土壤的氮源充足，為生育中后期玉米群體碳氮代謝和產(chǎn)量形成提供保障。本研究結(jié)果表明，秸稈還田配合施用控釋肥對(duì)玉米耕層土壤不同形態(tài)碳素、氮素和土壤酶活性均有不同程度的提高，有利于生育中后期耕層土壤養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量，這與前人［20-22］的研究結(jié)果相近。

4 結(jié)論

秸稈還田條件下不同施肥措施玉米生育中后期耕層土壤碳素、土壤氮素含量和土壤酶活性均呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，秸稈還田配合施用KSF可顯著提高土壤有機(jī)碳、土壤銨態(tài)氮、土壤堿解氮和土壤微生物量氮含量，同時(shí)顯著提高土壤脲酶、土壤過氧化氫酶和土壤纖維素酶活性，最終增產(chǎn)達(dá)13.24%。本研究推薦，秸稈全量還田條件下黑龍江省第一積溫帶玉米生產(chǎn)適宜施肥模式為70 cm寬行+40 cm窄行大壟雙行種植，配施控釋肥600 kg/hm2。