王博博，徐新朋，侯云鵬，胡誠，何萍，伍玉鵬

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2.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，北京 100081；3.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春 130033；4.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064

東北平原是我國重要的玉米產(chǎn)區(qū)，玉米種植面積和產(chǎn)量分別占全國的30.9%和34.0%，其中僅吉林省玉米產(chǎn)量就達(dá)到了3 045.3 萬t，占全國的11.7%［1］。施用氮肥作為提高作物產(chǎn)量的重要措施之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用［2］。然而隨著我國農(nóng)田氮肥施用量的不斷增加，導(dǎo)致玉米當(dāng)季作物回收率不足30%，施入土壤中的氮素通過氨揮發(fā)、反硝化、淋溶和徑流等途徑損失進(jìn)入環(huán)境，與此同時，在我國東北地區(qū)多年的秸稈焚燒或離田，都是造成資源浪費和環(huán)境污染問題的主要原因［3-4］。秸稈還田作為一種有效利用生物質(zhì)資源的方式，不僅能夠減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染，與化肥配施還能顯著提高土壤微生物的活性從而改善土壤生態(tài)環(huán)境［5］。但秸稈氮素的釋放需要一定時間腐解才能供給作物吸收利用［6］，盲目降低氮肥用量會影響作物正常生長發(fā)育。因此，探究秸稈還田條件下農(nóng)田適宜施氮量，對指導(dǎo)農(nóng)田養(yǎng)分優(yōu)化管理具有重要意義。

當(dāng)前中國人口與耕地矛盾日益突出，為維持國內(nèi)糧食供需平衡，其中化肥施用量的投入是必不可少的措施［7］，而氮素由于其易損失性備受農(nóng)業(yè)科研人員的關(guān)注，關(guān)于農(nóng)田適宜氮肥用量的研究已有較多報道。作物產(chǎn)量與施氮量符合報酬遞減規(guī)律，施氮量的增減必須以增加作物產(chǎn)量和提高養(yǎng)分利用率為目標(biāo)［8］。秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)積累，促進(jìn)作物對氮素的吸收，提高氮素有效性，增加土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于土壤資源的可持續(xù)利用［9-10］。秸稈還田下配施適量氮肥可延緩玉米葉片衰老，延長葉片功能期，提高玉米產(chǎn)量［11］，并且能夠減少土壤水分蒸發(fā)，提高水分利用效率［12-13］。但在秸稈還田下施氮量過高會造成作物秸稈碳氮比的降低，影響還田后土壤有機(jī)質(zhì)的增加［14］。關(guān)于當(dāng)季秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的影響的研究已有較多報道，而較少研究長期連續(xù)秸稈還田下作物對養(yǎng)分需求變化，尤其是缺乏結(jié)合東北中部地區(qū)土壤類型和種植制度開展的多年連續(xù)秸稈還田下的適宜氮肥用量研究。因此，本研究于2017-2020 年在吉林省公主嶺市開展秸稈還田定位試驗，結(jié)合不同氮肥施用水平，確定連續(xù)秸稈還田下協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量、利用率和氮素?fù)p失的施氮量，為該地區(qū)秸稈資源合理利用和優(yōu)化施肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗起始于2017 年，連續(xù)4 a在公主嶺市朝陽坡進(jìn)行。試驗區(qū)地處公主嶺市北部，四季分明，年均氣溫5.6 ℃，年均降水量594.8 mm，且多集中在6-8 月，屬溫帶季風(fēng)氣候，主要實行的種植制度為一年一熟的春玉米連作制度。土壤類型為黑土，試驗開始前該地區(qū)秸稈未進(jìn)行還田，其0～20 cm 耕層土壤基礎(chǔ)性質(zhì)為：全氮1.07 g/kg，全磷0.40 g/kg，全鉀18.60 g/kg，有效磷34.1 mg/kg，速效鉀143.7 mg/kg，硝態(tài)氮16.7 mg/kg，銨態(tài)氮2.1 mg/kg，有機(jī)質(zhì)23.4 g/kg，pH 5.86。0～100 cm 土壤各層次（以20 cm 計）土壤容重分別為：1.251、1.387、1.369、1.330 和1.350 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在秸稈還田條件下，共設(shè)置6 個施氮梯度：0、70、140、210、280 和350 kg/hm2，分別記作N0、N70、N140、N210、N280 和N350。小區(qū)面積60 m2，3次重復(fù)，各處理施磷量和施鉀量一致，分別為90 kg P2O5/hm2和120 kg K2O/hm2。氮肥使用尿素（含N 46%），磷肥使用過磷酸鈣（含P2O518%），鉀肥使用氯化鉀（含K2O 60%）。各施肥處理40%氮肥于播前一次性基施，60%于拔節(jié)期追施，所有磷肥和鉀肥均作為基肥一次性施入。該地區(qū)玉米生產(chǎn)中，農(nóng)民習(xí)慣措施為秸稈通常不還田，玉米產(chǎn)量在9～11 t/hm2，其施氮量在250～350 kg/hm2。根據(jù)往年秸稈生產(chǎn)水平，各處理每年秸稈還田量均為10 000 kg/hm2，還田前將秸稈粉碎成約10 cm 長，于每年11月進(jìn)行深翻還田，深度為20～40 cm，秸稈氮、磷和鉀養(yǎng)分含量分別為7.0、0.5 和12.1 g/kg，玉米播種密度6萬株/hm2。除草、打藥等措施與當(dāng)?shù)赜衩壮Ｒ?guī)生產(chǎn)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

采集試驗起始及每年當(dāng)季玉米收獲后0～100 cm 土壤樣品，分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 個層次，土樣采回后將新鮮土過孔徑2 mm篩，采用1 mol/L KCl溶液（土液質(zhì)量比1∶5）浸提，利用流動分析儀（mulit N/C 3100)測定土壤礦質(zhì)氮含量。同時土壤于105 ℃烘干24 h，測定土壤含水量。

于玉米成熟期，每個小區(qū)選取10 m2進(jìn)行收獲，測定籽粒產(chǎn)量，并折算成14%的標(biāo)準(zhǔn)含水量。在各小區(qū)隨機(jī)選取長勢均勻的5 個植株，于105 ℃烘箱殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后計算籽粒和秸稈生物量。將樣品粉碎并混勻，采用H2O2-H2SO4消煮，用凱氏定氮法測定秸稈和籽粒的氮含量。

1.4 指標(biāo)計算

所有處理均在秸稈還田條件下且其秸稈用量相同，因此，在計算氮肥利用率中未將秸稈還田帶入的氮量計算在內(nèi)，僅考慮了施肥帶入的氮量。由于試驗為定位試驗，采用累積肥料氮素利用率表征肥料氮素利用情況，并分析氮素表觀損失，其所用計算公式［9，15-16］如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 處理，SPSS 23.0 進(jìn)行統(tǒng)計分析，繪圖采用SigmaPlot14.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下施氮量對玉米產(chǎn)量的影響

秸稈還田下，施氮顯著增加了玉米產(chǎn)量（表1）。隨著氮肥用量的增加，各年份玉米產(chǎn)量對施氮的響應(yīng)規(guī)律一致，均呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，各施氮處理較對照處理平均增產(chǎn)幅度為28.5%～73.2%。連續(xù)4 a玉米產(chǎn)量均以N210處理為最高，平均產(chǎn)量為12 331 kg/hm2。當(dāng)施氮量超過210 kg/hm2時，其產(chǎn)量不再增加，而施氮量過高或過低在一定程度上均面臨減產(chǎn)的風(fēng)險，其中N210 處理的平均產(chǎn)量分別比N280 和N350 處理高119 kg/hm2和213 kg/hm2，說明在秸稈還田條件下施氮量超過一定范圍并不能顯著增加春玉米產(chǎn)量。而在本試驗地區(qū)的農(nóng)民習(xí)慣措施中秸稈通常不還田，施氮量通常在250～350 kg/hm2［17］，其產(chǎn)量為9～11 t/hm2［18］，說明在該地區(qū)秸稈還田配施合理的氮肥在保證產(chǎn)量的前提下，可以顯著降低氮肥用量。

表1 秸稈還田下不同施氮量處理的玉米產(chǎn)量Table 1 Yield of maize with different N fertilizer rate under straw returning

隨著秸稈還田年限的不斷增加，秸稈中的氮素不斷釋放并供給作物吸收利用，其得到最高產(chǎn)量的優(yōu)化施肥量呈降低趨勢（圖1）。利用線性加平臺模型擬合玉米產(chǎn)量與氮肥用量的關(guān)系，得到最高玉米產(chǎn)量的施氮量從2017年的203.8 kg/hm2下降到2020年的171.5 kg/hm2，降低幅度達(dá)到15.8%，表明秸稈還田下適宜的氮肥用量不僅具有顯著的增產(chǎn)效果，同時長期的秸稈還田可進(jìn)一步降低氮肥用量，但秸稈氮素的釋放需要一定時間腐解才能供給作物吸收利用，短期內(nèi)不宜盲目降低氮肥用量。

圖1 秸稈還田下施氮量與玉米產(chǎn)量關(guān)系Fig.1 The relationship between spring maize yield and N application rate under straw returning

2.2 秸稈還田下不同施氮量對玉米氮素利用率的影響

秸稈還田下，施氮水平對春玉米的累積氮素農(nóng)學(xué)效率、累積氮素回收率和累積氮素偏生產(chǎn)力的影響均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），隨著秸稈還田年限的增加，這些指標(biāo)均隨著施氮量的增加呈降低趨勢（圖2）。研究結(jié)果表明，不同氮肥用量的累積氮素農(nóng)學(xué)效率變化幅度在11.1～29.0 kg/kg，當(dāng)施氮量超過210 kg/hm2時，累積氮素農(nóng)學(xué)效率顯著降低，降低幅度為5.6～10.5 kg/kg，然而隨著秸稈還田年限的不斷增加，低施氮量下（70 kg/hm2）的農(nóng)學(xué)效率逐漸增加（圖2A）。截至2020 年收獲期，其累積氮素農(nóng)學(xué)效率隨著施氮量的增加呈降低趨勢。不同年份的累積氮素偏生產(chǎn)力和累積氮素回收率均與施氮量呈負(fù)相關(guān)，截至2020 年收獲期，當(dāng)施氮量從70 kg/hm2增加到350 kg/hm2時，其累積氮素回收率和累積氮素偏生產(chǎn)力分別從63.7% 和130.7 kg/kg 下降到27.0% 和34.6 kg/kg，其中在210 kg/hm2時，分別為47.3%和58.7 kg/kg（圖2B，C），表明過量施氮難以獲得較高的氮肥利用效率，因此，選擇合適的施氮量對維持較高產(chǎn)量和增加氮素利用效率至關(guān)重要。

圖2 秸稈還田下不同施氮量的累積氮素農(nóng)學(xué)效率（A）、回收率（B）和偏生產(chǎn)力（C）Fig.2 Cumulative N agronomic efficiency（A），use efficiency（B）and partial productivity（C）with different N fertilizer rate under straw returning

2.3 秸稈還田下不同施氮量對氮素平衡的影響

為評估秸稈還田下玉米對氮肥的利用狀況，計算了0～100 cm 土層的氮素表觀平衡。氮素輸入項包括累積氮肥投入、播種前土壤起始礦質(zhì)氮（195 kg/hm2）和累積氮礦化量（280 kg/hm2），氮肥輸出項包括玉米氮素吸收、收獲后土壤礦質(zhì)氮素累積量以及土壤氮素累積表觀損失。秸稈氮含量隨著施氮量增加呈增加趨勢，而籽粒氮含量則隨著施氮量增加呈先增加后降低趨勢，N0、N70、N140、N210、N280和N350 處理4 a 平均秸稈氮含量分別為5.5、6.5、6.7、6.7、6.7 和6.8 g/kg，籽粒氮含量分別為10.6、12.2、12.6、12.9、12.8 和12.3 g/kg。秸稈還田下不同土層土壤礦質(zhì)氮素累積量研究結(jié)果（圖3A）顯示，隨著施氮量增加，收獲期土壤礦質(zhì)氮素累積量呈增加趨勢，截至2020 年收獲期，N70、N140、N210、N280和N350 處理的0～100 cm 土壤礦質(zhì)氮素累積量分別達(dá)到126.5、157.2、191.1、216.6 和256.2 kg/hm2。與播前土壤相比，在高施氮量下（280 和350 kg/hm2），其土壤礦質(zhì)氮素累積量分別增加了13.0% 和33.6%。與此同時，高施肥量不僅增加了表層土壤的礦質(zhì)氮素含量，同時增加了氮素向深層土壤淋洗，其中80～100 cm 土壤較播前增加了18.4%和42.2%，增加了氮素淋洗風(fēng)險。

優(yōu)化施肥通過降低氮肥施用量和增加氮素吸收來降低氮素表觀損失（圖3B），但過量施氮不僅未顯著增加春玉米產(chǎn)量，且與210 kg/hm2施氮量相比，N280 和N350 處理的氮素吸收無顯著差異。隨著施氮量的增加，顯著增加了氮素表觀損失，在連續(xù)秸稈還田下，N70、N140、N210、N280 和N350 處理的4 a累積氮素表觀損失分別達(dá)到42、165、318、578 和833 kg/hm2，表明過量投入氮肥非但不能促進(jìn)作物對氮素的吸收，還導(dǎo)致氮素?fù)p失量急劇增加。

2.4 秸稈還田下氮肥適宜用量的確定

確定作物適宜氮肥用量需協(xié)調(diào)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面，秸稈還田下氮素盈余率與施氮量、產(chǎn)量、氮素回收率和氮損失量具有顯著的相關(guān)性（圖4）。氮素盈余率和施氮量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.979 8），與玉米產(chǎn)量呈顯著二次曲線關(guān)系（R2=0.705 1），與氮素回收率呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.708 0），與氮素?fù)p失量呈顯著正指數(shù)關(guān)系（R2=0.668 8）。當(dāng)?shù)释度肓亢妥魑镂盏砍制?，即盈余率為零時，施氮量為188.9 kg/hm2，此時的春玉米產(chǎn)量為11 850 kg/hm2，氮素回收率為40.1%，氮素表觀損失量為65.7 kg/hm2。以理論盈余率為0時施氮量的95%作為置信區(qū)間，綜合考慮玉米植株氮素吸收量、產(chǎn)量和氮素盈余率3 個方面，計算出該地區(qū)氮肥投入閾值為179.5～198.4 kg/hm2。

3 討 論

氮肥是影響作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要營養(yǎng)因子之一［19］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理的氮肥用量可以提高氮素利用率和作物產(chǎn)量［2］，然而當(dāng)?shù)食^一定量時，產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢［9］。本研究中不同年份雖然玉米產(chǎn)量有所波動，但對施氮處理的響應(yīng)規(guī)律一致，秸稈還田配施適量氮肥（210 kg/hm2）時，連續(xù)4 a 玉米均獲得最高產(chǎn)量，但當(dāng)?shù)视昧砍^210 kg/hm2時，均呈下降趨勢。氮肥的過量供應(yīng)不利于養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致籽粒養(yǎng)分含量下降，從而影響產(chǎn)量［20］。氮肥累積利用率是評價一段時期內(nèi)氮肥施入土壤后玉米累積吸收利用效率，其利用率隨著時間的延長呈穩(wěn)定狀態(tài)，能夠反映肥料利用的真實情況［21］，但受土壤類型、施氮量、施氮時間及土壤供氮能力等因素的綜合影響［22］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，累積肥料氮素農(nóng)學(xué)效率、回收率和偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)出隨施氮量的增加而降低的趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致［20，23-24］。由此可見，應(yīng)確定秸稈還田條件下兼顧作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的適宜施氮量，以保證作物高產(chǎn)并避免氮素環(huán)境污染問題，減少氮肥的損失。

秸稈作為一種重要的養(yǎng)分資源，含有作物生長發(fā)育所必需的氮、磷以及各種營養(yǎng)元素，還田后不僅可以增加土壤有機(jī)碳的積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，還可以提高土壤保水保肥能力［25］。秸稈作為一種養(yǎng)分資源，統(tǒng)計結(jié)果顯示，使用作物秸稈替代化肥，每年的溫室氣體、NH3和氮氧化物排放分別可減少708.9、1.99 和4.36 萬t［26］。因此，充分利用秸稈氮素資源不僅有助于促進(jìn)資源的可持續(xù)利用，同時可促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化的重要措施。有研究表明，秸稈作為土壤氮素來源，其還田后氮素釋放率當(dāng)年可達(dá)52.65%，還田2 a 和3 a 后累積氮素釋放率分別達(dá)到了70.66%和91.70%［27］。但需注意的是，雖然秸稈的添加豐富了土壤生物多樣性，提高了土壤微生物豐度，使微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［28］，但也出現(xiàn)了土壤微生物與植物的“爭氮”現(xiàn)象［29］。而配施適量的氮肥能夠增強(qiáng)與碳分解相關(guān)的土壤酶活性，加速秸稈的腐解和養(yǎng)分的釋放，最終實現(xiàn)玉米產(chǎn)量的提高和氮素吸收［30］。因此，在玉米養(yǎng)分管理中，需要在秸稈還田條件下配施適量的氮肥，以保證農(nóng)田氮素平衡。本研究發(fā)現(xiàn)，與試驗起始相比，在秸稈還田條件下低施氮量處理時，土壤氮素表觀平衡表現(xiàn)為虧損狀態(tài)，而當(dāng)?shù)视昧吭黾又?10 kg/hm2后，玉米對氮素的需求低于氮素的投入，氮素表現(xiàn)為盈余狀態(tài)。

在確定適宜氮肥用量時，大多數(shù)研究采用平方根、二次多項式和線性加平臺等模型來計算施氮量［31］，但這些模型在考慮養(yǎng)分平衡狀況上具有一定的局限性，在生產(chǎn)中應(yīng)從作物產(chǎn)量、利用率和農(nóng)田養(yǎng)分平衡等方面給予綜合考慮推薦適宜用量［32］。氮素盈余率從負(fù)值、零到正值的過程反映了土壤氮的消耗、合理施氮到氮肥過量的狀況。當(dāng)?shù)赜嗦蕿樨?fù)值時，雖然氮素?fù)p失量低，獲得了較高的氮肥利用率，但是以降低玉米產(chǎn)量為代價，還會消耗土壤中的礦質(zhì)氮；當(dāng)?shù)卮罅坑鄷r，作物產(chǎn)量和氮素回收率顯著降低［33］，這些盈余的氮素一部分殘留于土壤中供作物吸收，另一部分則通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋溶和徑流等途徑而損失，對環(huán)境造成一定負(fù)面影響［34］。本研究結(jié)果中，盈余率與施氮量二者間呈極顯著的線性關(guān)系，而與玉米產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系、與氮素回收率呈線性關(guān)系、與氮素?fù)p失量呈指數(shù)相關(guān)，綜合擬合結(jié)果可得出理論盈余率下的適宜氮肥用量及其相應(yīng)能夠達(dá)到的產(chǎn)量分別為188.9 和11 850 kg/hm2，氮素表觀利用率為40.1%，氮損失量為65.7 kg/hm2，其結(jié)果與實際最高產(chǎn)量處理（N210）接近。由此以理論盈余率為0 時施氮量的95%作為置信區(qū)間，確定試驗區(qū)適宜氮肥用量范圍在179.5～198.4 kg/hm2，在該施氮范圍內(nèi)獲得的玉米產(chǎn)量最高，同時氮素表觀損失量相對較低，且能夠維持土壤氮素表觀平衡，因此可作為研究區(qū)域連續(xù)秸稈還田條件下協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量和環(huán)境效益的施氮量依據(jù)。某地區(qū)農(nóng)田適宜氮肥用量需要以多年、多點的田間試驗為基礎(chǔ)，本研究中秸稈還田量為平均水平，且是單點試驗，試驗結(jié)果的區(qū)域適應(yīng)性仍需進(jìn)一步驗證和探討。