稻秸還田下不同施肥管理措施對土壤養分、冬小麥 產量 和氮肥利用率的影響

趙穎 周楓 羅佳琳 趙亞慧 王寧 于建光 薛利紅 楊林章

摘要：? 為了解江蘇金壇地區稻秸還田條件下如何合理使用肥料，通過設置田間定位試驗，研究稻秸還田條件下不施肥（S）、常規施肥（FS）、有機肥氮替代75%化肥氮（MS）和化肥減量20%（RS）4種處理對冬小麥產量、氮素利用的影響。結果表明，FS、MS、RS處理相對于S處理均可顯著提高冬小麥產量，其中3種施肥處理的理論產量分別增加了192%、232%、260%，實際產量則分別增加了321%、278%、333%;RS處理的氮肥表觀利用率、農學利用率和偏生產力相比于FS處理分別提高了14個百分點、4.59 ?kg/kg 和5.80 ?kg/kg ，而MS處理的氮肥表觀利用率與FS處理相當，但氮肥農學利用率、偏生產力均下降了2.06 ?kg/kg ;在1個作物生長季，稻秸還田配施肥料后的作物產量與肥料類型和施肥量無關。綜合分析可知，該地區可考慮化肥減量配施或初期進行低量有機肥替代化肥，以保證作物產量并降低不合理施肥導致的潛在環境風險。

關鍵詞：? 稻秸還田; 有機肥替代; 減量施肥; 作物產量; 氮肥利用率

中圖分類號：? S154.4??? 文獻標識碼： A??? 文章編號：? 1000-4440（2021）05-1167-08

Effects of different fertilization management measures on soil nutrient， winter wheat yield and nitrogen use efficiency under rice straw returning

ZHAO Ying? 1 ， ZHOU Feng? 1 ， LUO Jia-lin? 1，2 ， ZHAO Ya-hui? 1 ， WANG Ning? 1 ， YU Jian-guang? 1，2，3 ， ?XUE Li-hong? 1，3 ，? YANG Lin-zhang? 1，3

（1.Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China; 2.College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China; 3.Key Laboratory for Agricultural Environment at the Lower Reach of the Yangtze River Plain， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China）

Abstract：? In order to investigate how to apply fertilizer reasonably under the condition of rice straw returning to the field in Jintan， a field experiment was conducted to study the effects of different fertilization management measures under rice straw returning on winter wheat yield and nitrogen use efficiency. Four different treatments were designed under rice straw returning： no fertilization（S）， application of chemical fertilizer（FS）， substitution of organic fertilizer nitrogen for 75% of chemical fertilizer nitrogen（MS） and reduction of chemical fertilizer by 20%（RS）. The results showed that FS， MS and RS treatments could significantly increase the yield of winter wheat compared with S treatment. The theoretical yield improved by 192%， 232% and 260%， respectively， while the actual yield improved by 321%， 278% and 333%， respectively. Compared with FS， the apparent nitrogen use efficiency， nitrogen agronomic efficiency and partial factor productivity of RS treatment increased by 14 percentage points， 4.59 kg/kg and 5.80 ?kg/kg ， respectively. The apparent nitrogen use efficiency in MS was equivalent to that in FS， but the nitrogen agronomic efficiency and partial factor productivity in MS decreased by 2.06 kg/kg. In one growing season， the wheat yield after rice straw returning combined with fertilization was unrelated to the types and rates of fertilizer. Overall， the reduction of chemical fertilizer or substitution of chemical fertilizer with low amount of organic fertilizer in the early stage can be considered in this region to ensure crop yield and reduce environmental risks.

Key words：? rice straw returning; organic fertilizer substitution; reduced fertilization; crop yield; nitrogen use efficiency

秸稈是農作物種植生產過程中的副產物，長期的秸稈還田不僅能夠改良土壤的理化性質、提高土壤肥力、增強土壤有機碳和養分循環以及改善微生物性質? [1-3] ，還可以減輕秸稈自身對環境造成的風險? [4] 。然而，谷類作物秸稈的碳氮比（ C / N ）通常能夠達到 60～ 80，高于土壤的 C / N ，在秸稈直接還田的初期分解階段，可能導致土壤氮素含量發生相應變化? [5-6] 。還田秸稈的分解消耗了土壤中的有效態氮，極易對谷類作物幼苗的生長產生不良影響，進而造成減產? [7] 。因此，在谷類作物秸稈還田的同時應當制定合理的施肥管理措施。

化肥的大規模使用對中國糧食作物增產的貢獻是不可磨滅的。有研究發現，麥秸全量還田且施氮量為240 ??kg/hm 2? 時能夠增加水稻的產量并提高氮肥利用率? [8] 。秸稈還田配施化肥能夠保障小麥產量并提升（或維持）土壤肥力 ?[9] 。然而，長期不合理的化肥施用也造成了巨大的環境風險，如地表水體富營養化、地下水中的硝酸鹽積累、溫室氣體排放增加、土壤退化等? [10-11] 。農業生產中化肥施用量的與日俱增危害著農田土壤質量和生態環境，因此化肥減量與有機肥替代化肥成為發展可持續農業的有效措施。有研究者認為，在長江中下游地區稻麥輪作體系下，在化肥減量30%的基礎上配施有機肥，同時進行秸稈全量還田能夠獲得更高的產量，并實現氮肥利用率的提高? [12] 。在長江中下游地區稻麥種植和秸稈還田規模逐年擴大的背景下，秸稈還田后如何合理使用肥料成為人們普遍關注的問題。本試驗擬通過江蘇金壇地區的田間定位試驗，研究冬小麥產量及氮素利用對稻秸還田條件下不同施肥管理措施的響應，以期在該地區稻麥輪作體系背景下，為秸稈還田條件下科學、高效地施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2018年5月至2019年6月在江蘇省常州市金壇區薛埠鎮羅村（31°39′45.85″N，119°24′15.06″E）進行。該地區年平均降水量為 1 063.5 ?mm，年平均氣溫為15.3 ℃，屬北亞熱帶季風氣候。耕作層土壤理化性質如下：pH值為5.37，堿解氮含量為132.97 ?mg/kg ，有效磷含量為15.83 ?mg/kg ，速效鉀含量為48.63 ?mg/kg ，全氮含量為1.28 ?g/kg ，有機碳含量為14.04 ?g/kg 。

1.2 試驗設計

本試驗共設置4種處理，分別為稻秸還田條件下不施肥（S）、稻秸還田條件下常規施肥（FS）、稻秸還田條件下有機肥氮替代75%化學氮肥氮（MS）和稻秸還田條件下化肥減量20%（RS），每個處理設3次重復，具體處理設置見表1。試驗共設4個大區，大區間用自然田埂或筑埂分隔，大區內播種小麥后再筑埂分隔為3塊小區，每個小區的面積為 300～ 500 m? 2 。小麥的種植方式為機條播，水稻秸稈通過旋耕機作業全量還田，小麥品種為揚輻麥4號。試驗前先將上季水稻收獲，留茬10 cm左右，通過收割機將秸稈切割為 5～ 10 cm長度后均勻拋撒，采用常規旋耕還田，深度為 10～ 12 cm。2018年11月2日進行小麥播種。各處理的施肥量見表1，其中FS處理的基肥用量為：375.00 ?kg/hm 2 配方肥 （氮∶? 磷∶ 鉀為 16∶? 18∶ 8）、146.55 ?kg/hm 2 尿素;拔節孕穗肥的用量為：225.00 ?kg/hm 2 配方肥 （氮∶? 磷∶ 鉀為 18∶? 7∶ 10）、120.00 ?kg/hm 2 尿素。MS處理的基肥用量為：93.75 ?kg/hm 2 配方肥 （氮∶? 磷∶ 鉀為 16∶? 18∶ 8）、146.55 ?kg/hm 2 尿素、 2 250.00 ??kg/hm 2 有機肥（含氮量為2%），拔節孕穗肥同FS處理。RS處理的基肥用量為：300.00 ?kg/hm 2 配方肥 （氮∶? 磷∶ 鉀為 16∶? 18∶ 8）、117.30 ?kg/hm 2 尿素，拔節孕穗肥為180.00 ?kg/hm 2 配方肥 （氮∶? 磷∶ 鉀為 18∶? 7∶ 10）、96.00 ?kg/hm 2 尿素。基肥在小麥播種時施用，拔節孕穗肥在倒三葉期（3月中旬）基部第2節間伸長 1～ 2 cm、葉色開始褪淡時施用。除草、防治病蟲害等按照當地常規管理方法。

1.3 樣品的采集與測定

在小麥拔節期（2019年3月25日）、抽穗期（2019年4月25日）和收獲期（2019年6月2日），分別采用五點取樣法在各試驗區采集 0～ 20 cm耕層的土壤樣品和植株樣品。所有土壤樣品采集后，挑根、過2 mm篩并混勻，測定前儲存于4 ℃冰箱內。土壤微生物生物量碳、氮采用三氯甲烷熏蒸-硫酸鉀浸提，然后采用K? 2 Cr? 2 O? 7 氧化法和消煮后堿化蒸餾法分別測定生物量碳和氮含量? [13] ;土壤有機碳（SOC）含量采用H? 2 SO? 4 -K? 2 Cr? 2 O? 7 濕燒法? [14] 測定;土壤全氮（TN）含量采用半微量凱氏定氮法? [14] 測定;土壤堿解氮（AN）含量采用堿解擴散法? [14] 測定;土壤有效磷（AP）含量采用鉬銻抗比色法? [14] 測定;土壤速效鉀（AK）含量采用火焰光度計比色法? [14] 測定。將采集的植株樣品在105 ℃殺青1 h，然后于75 ℃烘干至恒質量，磨碎后采用 H? 2 SO? 4 -H? 2 O? 2? 法消煮樣品，再用凱氏定氮法測定植株含氮量? [14] 。

小麥收獲后，各小區取樣考種，統計有效穗數、每穗粒數和千粒質量等產量構成因素，計算獲得理論產量。每個試驗區作物的實際產量按大區測定。

1.4 數據處理

氮肥表觀利用率（%）、氮肥農學利用率 （kg/kg） 和氮肥偏生產力（kg/kg）的計算公式分別如下：

氮肥表觀利用率=（施氮區吸氮量-無氮區吸氮量）/施氮量×100%;

氮肥農學利用率=（施氮區產量-無氮區產量）/施氮量;

氮肥偏生產力=施氮區產量/施氮量。

試驗數據采用Excel 2016和SPSS 19.0進行處理與統計分析，圖形繪制采用Origin 2018，顯著性檢驗采用Duncans檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥管理措施對麥季土壤化學性質的影響

如表2所示，小麥拔節期S、FS、MS和RS處理間在土壤有機碳、有效磷和速效鉀含量上沒有顯著差異;在FS、MS處理下，小麥拔節期土壤的全氮含量分別達最低、最高值，二者間差異顯著 （ P < 0.05），但均與S、RS處理間無顯著差異;FS、MS和RS處理的堿解氮含量均高于S處理，但RS與其他處理之間差異不顯著，FS、MS處理則顯著高于S處理 （ P < 0.05）。在小麥抽穗期，4個處理在土壤有機碳、速效鉀含量上表現出差異，但在全氮、堿解氮和有效磷含量上的差異不顯著。其中，FS、RS處理的有機碳含量顯著高于S、MS處理 （ P < 0.05）;RS處理的速效鉀含量顯著低于其他3個處理 （ P < 0.05）。在小麥成熟期，4個處理在土壤有機碳、堿解氮和速效鉀含量上均發生了變化，其中土壤有機碳含量的排序為FS處理（16.45 ?g/kg ）≈MS處理（16.72 ?g/kg ）>RS處理（15.28 ??g/kg ）≈ S處理（15.34 ?g/kg ），堿解氮、速效鉀含量均表現為FS、MS和RS處理顯著高于S處理 （ P < 0.05），其中FS處理的堿解氮含量最高（70.15 ?mg/kg ），而MS處理的速效鉀含量最高（82.89 ?mg/kg ）。

2.2 不同施肥管理措施對小麥土壤微生物生物量碳、氮含量的影響

由圖1可以看出，土壤微生物生物量碳、氮含量表現出隨著生育時期的延長而增大的趨勢。在拔節期、抽穗期，4種處理間土壤微生物生物量碳（SMBC）含量無顯著差異，而在成熟期，RS處理的SMBC含量顯著低于S、MS處理 （ P < 0.05）;在拔節期、抽穗期，FS、MS和RS處理的土壤微生物生物量氮（SMBN）含量均顯著高于S處理 （ P < 0.05），但FS、MS、R處理間無顯著差異，在成熟期不同處理間的SMBN含量無顯著差異。綜合分析可知，不同處理對SMBC含量的影響主要體現在生育后期，而對SMBN含量的影響則體現在生育前中期。

2.3 不同施肥管理措施對小麥產量及其構成因素的影響

由圖2可以看出，在稻秸還田條件下，施肥能夠顯著提高小麥的理論產量 （ P < 0.05），且實際產量也有所增加，但小麥的理論產量在FS、MS、RS 3種施肥管理措施之間并無顯著差異。與S處理相比，FS、MS和RS處理的理論產量分別增加了192%、232%和260% （ P < 0.05），實際產量則分別增加了321%、278%和333%。

同一生育期的不同處理間標有不同小寫字母表示差異顯著 （ P < 0.05）。S、FS、MS、RS見表1。

同一生育期的不同處理間標有不同小寫字母表示差異顯著 （ P < 0.05）。SMBC：土壤微生物生物量碳;SMBN：土壤微生物生物量氮。S、FS、MS、RS見表1。

理論產量不同處理間標有不同小寫字母的表示差異顯著 （ P < 0.05）。S、FS、MS、RS見表1。

由表3可以看出，4種處理在有效穗數上的差異并無統計學意義，而施肥處理均能夠顯著提高小麥的每穗粒數和千粒質量 （ P < 0.05）。在3種施肥處理下，MS處理的每穗粒數顯著高于FS處理 （ P < 0.05），但與RS處理間差異不顯著;3種施肥處理間的千粒質量無顯著差異。

2.4 不同施肥管理措施對小麥氮素吸收與利用的影響

由圖3可以看出，在稻秸還田條件下，施肥能夠顯著提高成熟期秸稈、籽粒的氮素積累量 （ P < 0.05）。與S處理相比，FS、MS和RS處理的秸稈氮素積累量分別增加了10.96 ?kg/hm 2 、12.30 ?kg/hm 2 和15.63 ?kg/hm 2 ，而籽粒氮素積累量則分別增加了57.80 ?kg/hm 2 、73.30 ?kg/hm 2 和60.82 ?kg/hm 2 ，但是這3種施肥處理之間在秸稈氮素積累量、籽粒氮素積累量上均沒有顯著差異。

由表4可以看出，RS處理的氮肥表觀利用率分別比FS、MS處理高14個、13個百分點。RS處理的氮肥農學利用率分別比FS、MS處理高4.59 ?kg/kg 、6.65 ?kg/kg ，表明在稻秸還田條件下，減量施用化肥具有更高的經濟效益。在RS處理下，氮肥偏生產力分別比FS、MS處理高5.80 ?kg/kg 、7.86 ?kg/kg ，表明在稻秸還田條件下減量施肥時1 kg肥料氮能夠產生更多的籽粒產量。此外，FS、MS處理間的氮肥表觀利用率差異不明顯，FS處理的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力均略高于MS處理。

3 討 論

中國小麥主產區之一的長江中下游地區，麥季施氮量通常為 220～ 250 ?kg/hm 2 ，而作物的氮肥當季利用率僅為 30%～ 40%? [15-16] 。作為一種促進農業可持續發展的有效管理措施，秸稈還田規模日益擴大。然而稻秸的 C / N 通常大于25，施入土壤后在分解初期會導致土壤無機氮被微生物同化，使得土壤有效態氮含量降低，造成作物幼苗因缺氮而生長不良，從而影響作物產量? [17] 。因此，在秸稈還田的初期階段，合理的肥料配施才能提高小麥的氮肥利用率，并且合理的肥料配施具有增產效應? [18-19] 。本研究結果表明，在稻秸還田條件下，與不施肥處理（S）相比，FS、MS、RS處理均能夠顯著提高小麥理論產量和實際產量。吳立鵬等? [20] 研究發現，相對于秸稈不還田，秸稈還田并配施氮肥增加了土壤無機氮含量，因此提高了水稻產量。陸強等? [12] 認為，在化肥配施有機肥的基礎上進行秸稈全量還田，在作物生育中后期的土壤供氮能力得到提高，從而為增產和氮肥利用率的提高奠定了基礎。本研究中，在小麥生育前中期，稻秸還田且配施肥料后的SMBN含量相對于不施肥處理有了明顯提高，表明在秸稈還田初期，土壤有效態氮會被微生物暫時同化，而與此同時，施肥后土壤堿解氮含量相對于不施肥處理具有升高的趨勢，表明稻秸還田配施肥料能夠保證土壤有效氮的供應，緩解秸稈分解初期土壤微生物的氮素需求對作物生長發育氮需求的影響，進而提高小麥每穗粒數、千粒質量，這可能是秸稈還田配施肥料后小麥增產的原因之一。

然而，在本研究中，稻秸還田條件下常規施肥、有機肥氮替代75%化學氮肥氮和化肥減量20%3種處理對小麥產量的提高效果無明顯差異。有機肥的供氮方式具有漸進性、持久性的特點 ?[21-22] ，因而往往在施用的初期階段無法快速見效。Shah等? [23-24] 通過2年定位試驗發現，有機肥氮占比為25%時，作物可獲得最高產量。侯紅乾等? [25] 通過30年長期有機、無機肥配施試驗發現，在試驗初期階段，低量有機肥配施處理（70%化肥氮+30%有機肥氮）的水稻具有明顯的增產優勢，而在初期階段，隨著有機肥施用比例的增加，產量卻呈降低的趨勢。本研究中的有機肥替代處理（25%化肥氮+75%有機肥氮）屬于高量替代，與其他施肥處理相比增產優勢并不顯著，原因可能是在試驗僅進行1季試驗周期的短期條件下，相對于需要一定時間分解才能供氮的有機肥而言，化肥能夠提供更為豐富的速效養分，能夠及時補充因稻秸分解而被微生物同化的土壤有效態氮，保證作物生長所需;而有機肥替代比例高則表明化肥減量多，有機肥需要經過較長時間的自身養分釋放和土壤養分活化等? [26] 才能對作物養分吸收產生積極影響，因此高比例有機肥替代氮肥時的養分供應及其對產量造成的影響并不比常規施肥顯著。但是如果持續投入有機肥并進行秸稈連續還田，隨著有機物料的分解，土壤肥力得到進一步提升，有機肥配施比例也可進一步提高，從而達到增產目的? [25] 。此外，本研究還發現，在稻秸還田的同時削減化肥使用量，相對于常規施肥和有機肥氮替代75%化肥氮這2種施肥管理措施而言并未造成小麥減產，這可能一方面是稻秸分解所釋放的養分能夠代替減施的化肥為小麥的生長提供養分? [27] ，另一方面是常規施化肥等施肥管理措施中所施化肥（養分）量已過量。此外，作物產量取決于穗數、穗粒數和千粒質量之間的協調。有研究發現，適宜的施氮量能夠有效增強小麥的抗衰老能力，從而保證小麥具有較高的穗粒數和千粒質量，提高小麥產量? [28] ，而過量施肥卻不利于小麥莖鞘中可溶性糖向籽粒轉運? [29] 。所以在本研究條件下，小麥減量施肥后的有效穗數、每穗粒數和千粒質量與常規施肥處理相比相差無幾，沒有引起小麥產量顯著變化，說明減量后的施肥量與稻秸配比是適當的。因此可見，在金壇地區秸稈還田的條件下，化肥減量20%能夠保證小麥產量，同時減少成本投入。

關于秸稈還田配施肥料對作物氮素吸收利用的影響，張媛媛等? [30] 認為，在秸稈還田的同時施氮肥的條件下，土壤含氮量的增加提高了氮素有效性，因而水稻對氮素的吸收利用得以增強。徐國偉等? [31] 認為，水稻葉片的硝酸還原酶活性在秸稈還田后提高，從而促進了植株對氮素的吸收。趙鵬等? [18] 則認為，除了提高土壤供氮能力和潛力外，秸稈還田配施氮肥還減少了氮素損失，保氮效應的提高有利于冬小麥對氮素的吸收。在本研究中，與常規施肥量相比，化肥減量處理的氮肥表觀利用率、農學利用率和偏生產力分別提高了14個百分點、4.59 ?kg/kg 和5.80 ?kg/kg ，這與易瓊等? [32] 的研究結果一致，其研究發現，在長江中下游稻麥輪作體系過量施氮的情況下，第1個輪作周期在當地習慣施肥（小麥氮肥用量為225 ?kg/hm 2 ）的基礎上減施20%～30%氮可不影響產量，而且能夠提高氮肥當季利用率、農學利用率及偏生產力。在本研究中，減量施肥仍然能夠保證土壤速效養分的供應，且未影響作物地上部的氮素積累，故在施肥量減少的情況下氮肥利用效率升高。這可能是因為長期過量施肥的土壤對肥料減施造成的土壤養分含量降低具有較強的緩沖能力，因此削減化肥用量對作物產量、氮素吸收的影響較小? [33] 。此外，本研究在短期試驗且進行高量（75%）有機肥氮替代化肥氮條件下的氮肥表觀利用率與常規施肥處理相當，但氮肥農學利用率和氮肥偏生產力均降低了2.06 ?kg/kg 。強久次仁? [34] 指出，75%的高量有機肥氮配施能夠顯著提高小麥產量和氮效率，但氮回收率和農學利用率卻低于單施化肥處理。Shah等? [23-24] 通過定位試驗還得出，有機肥氮占比為50%和75%時，氮肥利用率無明顯變化，但占比為25%時具有最高的作物氮肥吸收利用率及農學利用率。這也體現了有機肥供氮方式的漸進性特點，并且對于不同肥力水平及不同作物，有機肥所能替代的合適比例也不同，應當根據土壤基礎肥力和作物生長發育規律選擇合適的肥料類型和替代比例。

本研究僅為1個作物生長季的試驗結果，在短期秸稈還田條件下不同施肥管理措施對土壤養分、作物生長的影響差異并不十分明顯。因此，為了得到更加明確的結論，進一步了解金壇地區稻秸還田條件下如何配施肥料才能保證小麥產量并減輕環境污染風險，開展更長期的定位試驗以研究稻秸還田條件下化肥施用量和有機肥無機肥配施比例對土壤養分和作物產量的影響機制是有必要的。

4 結 論

在稻秸還田條件下，與不施肥處理相比，配施化肥、有機肥替代氮肥和減量配施化肥的冬小麥理論產量分別增加了192%、232%和260%，而實際產量則分別增加了321%、278%和333%。

在稻秸還田條件下，與配施化肥相比，化肥減量20%處理的氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力分別提高了14個百分點、4.59 ?kg/kg 和5.80 ?kg/kg ，而在高量（75%）有機肥氮替代化肥氮條件下，氮肥表觀利用率與配施化肥相當，但氮肥農學利用率和氮肥偏生產力均降低了2.06 ?kg/kg 。

在1個作物生長季的短期試驗條件下，稻秸還田并配施肥料后的作物產量與肥料類型和施肥量均無關。為了農田土壤可持續發展，該地區可考慮化肥減量20%或初期進行低量有機肥替代化肥，以保證作物產量并降低不合理施肥導致的潛在環境風險。

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（責任編輯：徐 艷）