秸稈還田條件下尿素與腐植酸配施對(duì)玉米養(yǎng)分吸收、土壤養(yǎng)分及酶活性的影響

孫海燕，杜丹鳳，馬 倩，郭 偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319）

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，是中國最主要的商品糧生產(chǎn)基地，也是因作物秸稈焚燒而引發(fā)的霾污染多發(fā)和重發(fā)區(qū)域［1］，秸稈禁燒及其綜合利用已成為國家及地方各級(jí)政府重點(diǎn)關(guān)注問題［2］。作物秸稈是一類富含氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的可再生物質(zhì)資源，將秸稈及殘茬作為肥料還田是目前東北地區(qū)秸稈利用最主要方式，也是解決黑土地退化修復(fù)的重要途徑之一［3］。秸稈還田可以改變土壤的物理性狀［4］，活化土壤酶［5］，增加土壤速效養(yǎng)分［6］，為作物生長提供礦質(zhì)養(yǎng)分，尤其是秸稈粉碎翻壓還田，提高了土壤速效養(yǎng)分的含量，促進(jìn)了玉米生長和籽粒產(chǎn)量的形成，其效果較秸稈覆蓋還田效果更顯著［5，7-8］。然而，秸稈翻埋還田后，在土壤微生物作用下，秸稈腐解消耗氮素，在沒有適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充的情況下，易造成土壤碳氮比失調(diào)及作物幼苗生長“爭(zhēng)氮”現(xiàn)象［9］，尤其在秸稈腐解旺盛時(shí)期［10］，這不利于作物生長，造成作物當(dāng)季經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量降低［11］。因此，在秸稈還田過程中增加氮素的施用，減少氮素競(jìng)爭(zhēng)成為秸稈還田的必需配套措施。秸稈還田配施氮肥不但利于秸稈的腐解，增加土壤的供氮能力，同時(shí)合理的氮素配施還有助于提高作物的氮素利用效率［12］。但氮素施用過量同樣會(huì)造成作物產(chǎn)量的降低，秸稈還田情況下作物產(chǎn)量與施氮量呈拋物線關(guān)系［4，6］。秸稈-氮素-作物系統(tǒng)的氮素供應(yīng)、利用和轉(zhuǎn)化關(guān)系受到土壤理化特性的綜合影響，因此，通過改變土壤的理化特性來調(diào)節(jié)氮素的輸入輸出平衡是秸稈還田條件下配套施肥的核心［13］。秸稈還田同時(shí)配施有機(jī)肥［14］、配方化肥［15］等措施，可以改善土壤的理化特性，降低秸稈腐解與作物生長的“競(jìng)爭(zhēng)”，同步提高作物生長質(zhì)量，成為近幾年來技術(shù)研究熱點(diǎn)。腐植酸類物質(zhì)作為土壤改良劑，可以較好地使土壤顆粒團(tuán)聚在一起，形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤的通透性［16］。施用煤炭腐植酸能夠顯著提高土壤含水率，顯著降低土壤體積質(zhì)量［17］。為此，針對(duì)東北地區(qū)玉米秸稈還田質(zhì)量參差不齊，甚至影響玉米產(chǎn)量的問題，研究在玉米秸稈還田情況下，通過配施外源腐植酸和氮素，改善土壤理化特性，尤其是在玉米拔節(jié)期這個(gè)秸稈腐解旺盛與作物快速生長的關(guān)鍵時(shí)期，緩解秸稈腐解與玉米生長兩者的競(jìng)爭(zhēng)，為該地區(qū)全面推行秸稈還田技術(shù)提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)于2018～2019 年度在黑龍江省大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院校園試驗(yàn)盆栽場(chǎng)，采用盆栽方式進(jìn)行。土壤類型為草甸黑土，土壤有機(jī)質(zhì)18.2 g·kg-1、堿解氮58.3 mg·kg-1、有效磷10.1 mg·kg-1、速效鉀101.2 mg·kg-1、pH 8.4。試驗(yàn)用玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)用氮素為尿素（N 46%），腐植酸為四川西亞化工有限公司購置的BR級(jí)化學(xué)試劑，黃腐酸含量≥90%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用容器為高25 cm、直徑22 cm的塑料圓桶，每盆裝風(fēng)干土7.5 kg。秸稈采用田間收獲后自然風(fēng)干的玉米植株粉碎樣（過1 mm 篩），按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1），2018 年10 月16 日將秸稈粉碎樣與尿素及0.5 kg 土壤混合后施入到盆內(nèi)表土以下5 cm處。2019 年5 月11 日將玉米種子播到盆內(nèi)表土以下3 cm 處，每盆播種3 粒種子，出苗后間苗保留2 株。根據(jù)土壤干濕程度定量灌溉，每個(gè)處理重復(fù)4 次。

表1 試驗(yàn)處理 （g·盆-1）

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

玉米拔節(jié)期，用直徑5 cm 土鉆距植株5 cm 處取土壤，按照深度5～10 和10～15 cm 土層分別混合土樣，自然風(fēng)干后粉碎研磨測(cè)定土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性以及土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量。取土樣的同期取玉米植株，植株地上部分在烘箱內(nèi)110℃殺青1 h 后80℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重（折合為單株干重），粉碎后測(cè)定全氮、全磷和全鉀含量。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，土壤過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測(cè)定［18］。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用鉬銻抗比色法、速效鉀采用火焰光度法測(cè)定。植株全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷和全鉀含量利用ICP-MS 測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

利用WPS 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及繪圖，SPSS 25.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素與腐植酸配施對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

由表2 可知，施入秸稈各處理的單株干重（平均值0.914 g·株-1）均低于不施入秸稈的相同處理（平均值1.280 g·株-1），平均降低了28.6%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素或腐植酸處理的單株干重增加了16.4%或15.4%，兩者同時(shí)施用則顯著增加了73.5%。秸稈與尿素配施處理的單株干重較單獨(dú)施入秸稈處理增加了17.4%，與不施秸稈的對(duì)照相當(dāng)；而秸稈與腐植酸配施處理的單株干重較單獨(dú)施入秸稈處理略有降低，較對(duì)照降低了16.0%；秸稈同時(shí)配施氮素和腐植酸處理的單株干重增加了7.1%，較對(duì)照降低了8.7%，差異均不顯著。可見，尿素對(duì)玉米單株干物質(zhì)積累的影響大于腐植酸，且兩者同施具有互作效應(yīng)。

表2 尿素與腐植酸配施對(duì)拔節(jié)期玉米單株干重的影響（g·株-1）

2.2 尿素與腐植酸配施對(duì)玉米養(yǎng)分含量的影響

由圖1 可知，秸稈的施入導(dǎo)致玉米植株全氮含量降低了13.3%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素或腐植酸處理的植株全氮含量與對(duì)照無顯著差異，而兩者同時(shí)施用處理的植株全氮含量增加了21.9%。秸稈與尿素或腐植酸配施處理的植株全氮含量較單獨(dú)施入秸稈處理顯著增加了26.4%或37.4%，較對(duì)照增加了9.5%或19.0%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理的植株全氮含量較單獨(dú)施入秸稈顯著增加了42.9%，較對(duì)照增加了23.8%。

由圖2 可知，秸稈的施入使玉米植株全磷含量增加了10.2%，不施入秸稈單獨(dú)施用腐植酸處理的植株全磷含量增加了13.6%，而單獨(dú)施用尿素幾乎不影響植株全磷含量；同時(shí)施用腐植酸和尿素植株全磷含量增加了10.8%。秸稈配施尿素處理的植株全磷含量增加了16.4%，較對(duì)照增加了28.3%；而單獨(dú)施用腐植酸影響很小，秸稈配施腐植酸處理的植株全磷含量增加了8.5%；秸稈同時(shí)配施腐植酸和尿素處理的植株全磷含量較單獨(dú)施用秸稈降低了21.2%，較對(duì)照降低了13.2%。

由圖3 可知，施入秸稈玉米植株全鉀含量增加了11.0%；不施入秸稈單獨(dú)施用尿素、腐植酸處理的植株全鉀含量增加了24.7%和5.7%，而兩者同時(shí)施用處理的植株全鉀含量增加了24.2%。秸稈與尿素或腐植酸配施處理的植株全鉀含量較單獨(dú)施入秸稈處理的變幅均＜5.0%，較對(duì)照增加了14.8%或6.6%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理的植株全鉀含量較單獨(dú)施入秸稈顯著增加了25.7%，較對(duì)照顯著增加了39.5%。

秸稈與尿素、腐植酸配施具有顯著的互作效應(yīng)，秸稈配施尿素或腐植酸均可增加植株的氮素和磷素吸收；而秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸時(shí)植株全氮和全鉀含量最高，植株全磷含量最低。

2.3 尿素與腐植酸配施對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

由圖4 可知，單獨(dú)施入秸稈或尿素有增加土壤堿解氮含量的趨勢(shì)；單獨(dú)施用腐植酸有降低土壤堿解氮含量的趨勢(shì)；同時(shí)施用尿素和腐植酸土壤堿解氮含量較對(duì)照降低了21.0%。秸稈配施尿素較單獨(dú)施入秸稈處理土壤堿解氮含量增加了10.5%；配施腐植酸對(duì)堿解氮含量影響很小；同時(shí)配施尿素和腐植酸處理堿解氮含量增加了15.8%，較對(duì)照增加了21.0%。

施用秸稈土壤有效磷含量增加了28.8%（圖5）；單獨(dú)施用尿素、腐植酸處理的土壤有效磷含量分別增加了15.9%和318.9%，兩者同時(shí)施用處理土壤有效磷含量顯著增加了323.5%。秸稈配施尿素、腐植酸處理的土壤有效磷含量較單獨(dú)施用秸稈處理增加了58.7%和90.4%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理土壤有效磷顯著增加了185.6%，較對(duì)照顯著增加了267.9%。

施用秸稈土壤速效鉀含量增加了10.1%（圖6）；單獨(dú)施用尿素處理的土壤速效鉀含量降低了17.5%，單獨(dú)施用腐植酸及同時(shí)施用尿素和腐植酸影響不顯著。秸稈配施尿素、腐植酸處理的土壤速效鉀含量較單獨(dú)施用秸稈處理增加了12.7%和29.9%，較對(duì)照分別顯著增加了24.0%和43.0%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理土壤速效鉀含量較單獨(dú)施用秸稈顯著增加了45.8%，較對(duì)照顯著增加了60.5%。

施用秸稈后土壤脲酶活性降低（圖7），5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較對(duì)照分別降低了20.8%和11.4%。不施用秸稈情況下，施用尿素對(duì)脲酶活性無明顯影響；施用腐植酸降低了土壤脲酶活性，5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性分別降低了27.0%和23.9%；同時(shí)施用腐植酸和尿素可提高脲酶活性，5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較對(duì)照分別增加了17.6%和29.9%。秸稈配施尿素5～10 與10～15 cm 土層脲酶活性較單獨(dú)施用秸稈處理分別增加了11.8%和9.4%；秸稈配施腐植酸處理的土層脲酶活性則分別降低了11.0%和18.6%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理的土壤脲酶活性與單獨(dú)施用秸稈處理間無明顯差異，較對(duì)照分別降低了19.7%和16.4%。

磷酸酶是土壤中促進(jìn)有機(jī)磷素水解的關(guān)鍵酶。由圖8 可知，施用秸稈后5～10 cm 土層的土壤酸性磷酸酶活性降低了16.1%，10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性提高了7.9%。不施用秸稈情況下，施用尿素5～10 與10～15 cm 土層酸性磷酸酶活性分別降低了11.6%和10.6%；施用腐植酸則酸性磷酸酶活性分別降低了25.5%和15.1%；同時(shí)施用尿素和腐植酸，10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性增加了18.8%。秸稈配施尿素5～10 cm 土層的土壤酸性磷酸酶活性增加了25.7%，對(duì)10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性無影響；秸稈配施腐植酸5～10 與10～15 cm 土層的酸性磷酸酶活性分別提高了38.8%和15.5%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理的兩個(gè)土層酸性磷酸酶活性分別提高了36.6%和21.8%。

土壤蔗糖酶活性反映了土壤中有機(jī)碳積累與分解轉(zhuǎn)化的情況，對(duì)土壤中可溶性營養(yǎng)物質(zhì)含量有重要作用。由圖9 可知，施用秸稈處理5～10與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較對(duì)照分別降低了9.7%和3.4%。在不施秸稈情況下，施用尿素對(duì)蔗糖酶活性影響很小；施用腐植酸5～10與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較對(duì)照分別降低了10.9%和6.7%；同時(shí)施用尿素和腐植酸處理5～10 cm 土層的蔗糖酶活性增加了21.9%，對(duì)10～15 cm 土層的蔗糖酶活性沒有明顯影響。秸稈配施尿素處理5～10 與10～15 cm 土層的土壤蔗糖酶活性較單獨(dú)施用秸稈分別降低了9.1%和49.2%；秸稈配施腐植酸處理蔗糖酶活性則分別降低了14.8%和17.8%；秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸則分別顯著降低了39.2%和50.9%。

施入秸稈后5～10 與10～15 cm 土層的土壤過氧化氫酶活性較對(duì)照分別顯著增加了H2O20.55 和0.22 mg·g-1·h-1（圖10），配施尿素或腐植酸對(duì)過氧化氫酶活性影響不顯著，但在不施用秸稈情況下，同時(shí)配施腐植酸和尿素則顯著提高了土壤過氧化氫酶活性。

3 討論

3.1 秸稈配施尿素和腐植酸對(duì)玉米生長及養(yǎng)分吸收的影響

玉米出苗至拔節(jié)期是東北地區(qū)春玉米生長與還田秸稈腐解旺盛時(shí)期，兩者均需要吸收大量土壤營養(yǎng)，尤其是氮素、磷素、有機(jī)碳等營養(yǎng)［10］。秸稈還田增施氮肥則有效緩解了由于“爭(zhēng)氮”而使植株生長受到的抑制［9］。腐植酸是自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，其單獨(dú)施用或制備成復(fù)合肥料施用均可起到提高氮素吸收和利用率，促進(jìn)玉米生長和產(chǎn)量形成的作用［15，17］。本研究發(fā)現(xiàn)施入秸稈后玉米植株干重和全氮含量降低，而磷、鉀含量增加；秸稈配施尿素或腐植酸可增加干重，促進(jìn)氮、磷、鉀的吸收。但秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸則降低了植物全氮、全磷、全鉀的含量，植株干重介于單獨(dú)施用秸稈處理和秸稈與尿素或腐植酸配施處理之間。可能是秸稈與尿素、腐植酸同時(shí)施用促進(jìn)了秸稈的腐解，增加土壤養(yǎng)分，但限制了玉米根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而降低了植株的養(yǎng)分含量。這與土壤養(yǎng)分含量的變化是一致的，秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸處理的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀較秸稈配施尿素或腐植酸處理均有大幅度增加。在松嫩平原黑土區(qū)玉米秸稈還田試驗(yàn)也表明，秸稈還田使得玉米苗期植株的氮素含量和吸收積累量降低，至拔節(jié)期對(duì)植株氮素含量的不利影響消失［10］。主要是因?yàn)橛衩捉斩捀膺^程中微生物活動(dòng)吸收土壤中的速效氮，發(fā)生與作物爭(zhēng)氮的現(xiàn)象［9］。氮素吸收受阻，影響玉米植株氮的代謝和生長，從而降低了對(duì)土壤中速效礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和積累［19］，出現(xiàn)土壤速效養(yǎng)分積累增加，而作物吸收積累遲后的現(xiàn)象。可見，秸稈還田配施腐植酸和氮素的同時(shí)，也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其他配套技術(shù)措施，例如，控制灌溉量［20］、增加深松等［21］，從而促進(jìn)幼苗根系生長［22］，提高土壤養(yǎng)分庫存的同時(shí)增加作物對(duì)養(yǎng)分的吸收是保障秸稈還田條件下作物穩(wěn)產(chǎn)的必要途徑。

3.2 秸稈配施尿素和腐植酸對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用，其主要是由土壤微生物分泌到土壤中，是評(píng)價(jià)土壤微生物活性和土壤肥力水平的綜合性指標(biāo)［23］。施入到土壤中的秸稈為土壤微生物繁殖提供了碳源和氮源，從而提高了土壤酶活性［24］。玉米秸稈還田配施氮肥增加了土壤微生物量，顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性［25］。在土壤中添加腐植酸也具有提高脲酶活性的作用［26］。但也有研究認(rèn)為秸稈直接還田和覆蓋還田對(duì)脲酶活性無顯著影響，過腹還田才能提高脲酶活性［14，27］，甚至室內(nèi)培養(yǎng)研究也發(fā)現(xiàn)土壤脲酶活性降低的現(xiàn)象［23］。本研究中秸稈還田及配套措施對(duì)土壤酶活性的影響，一方面取決于土壤C/N 值的高低。例如，不施用秸稈情況下，僅施用尿素處理（C/N 降低）的脲酶和蔗糖酶活性與對(duì)照間無差異，而玉米秸稈粉碎翻埋或施用腐植酸（C/N 增加）則降低了玉米土壤脲酶和蔗糖酶活性，腐植酸和尿素同施（調(diào)節(jié)C/N）可緩解脲酶活性的降低，增加了蔗糖酶活性。可見，脲酶和蔗糖酶的活性可能受土壤C/N 值升高的誘導(dǎo)。脲酶活性的變化也可能受秸稈腐解過程尿素釋放的影響，因?yàn)橥寥罒o機(jī)氮含量過低導(dǎo)致脲酶活性降低［23］，而銨態(tài)氮含量過高也會(huì)抑制土壤脲酶活性［28］，腐植酸的配施降低了土壤脲酶活性，減少了秸稈腐解過程中氨的排放［29］。另一方面，土壤酶活性還受到施入物質(zhì)本身的作用。例如，在單獨(dú)施入秸稈、尿素、腐植酸后土壤的酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均有不同程度的降低，而秸稈、尿素、腐植酸中兩者配施或三者同時(shí)施用時(shí)酸性磷酸酶活性則明顯提高，但秸稈配施尿素或腐植酸土壤蔗糖酶活性均降低。

4 結(jié)論

草甸黑土上秸稈還田減少了拔節(jié)期植株干物質(zhì)積累，并降低了植株全氮含量及土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性。秸稈配施尿素或腐植酸可提高土壤酸性磷酸酶活性，降低蔗糖酶活性，提高了土壤有效磷和速效鉀含量，促進(jìn)了植株對(duì)氮和磷的吸收。秸稈同時(shí)配施尿素和腐植酸進(jìn)一步提高了土壤酸性磷酸酶活性，降低了脲酶和蔗糖酶活性，增加了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量，促進(jìn)了植株對(duì)氮和鉀的吸收。秸稈還田配施尿素和腐植酸緩解了秸稈直接還田對(duì)拔節(jié)期玉米植株干物質(zhì)積累的抑制，提高了土壤有效養(yǎng)分及植株全氮和全鉀含量。