2021, Vol. 53
2. 南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095;
3. 农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014
农业生态系统中，秸秆长期连续还田是一种具有多种生态效益的耕作管理方式，是维持土壤有机质含量、提高生物活性、改良土壤物理性状以及增加养分可利用性的有效手段[1]。然而也有研究表明，秸秆的添加对作物氮素吸收和产量产生了负面的影响[2]。作物与土壤微生物具有相似的养分需求，与微生物的竞争是作物吸收氮素的关键过程之一[3-4]。还田秸秆的碳氮比(C/N)对作物和土壤微生物间的氮素竞争有着至关重要的影响。作物与微生物对氮素的竞争强度可能随着秸秆的C/N增加而加剧[5]。高质量秸秆通常具有较高的氮含量、较低的木质素(L)和纤维素含量，并且C/N和L/N的比值较低，因而降解速率更高；高C/N且木质素和难降解有机物含量更高的秸秆常被称为低质量秸秆，施入土壤后分解缓慢，且会促进土壤无机氮的净同化作用，影响氮素有效性，对作物的生长产生负面影响[6]。一般认为秸秆C/N>25是导致土壤氮净同化作用发生的经验值。谷类作物(如水稻、小麦和玉米)秸秆C/N一般可达到50以上，还田前期往往会出现微生物与作物争夺氮素的现象。因此，为保证作物生长，高C/N秸秆还田通常需要配合氮肥的施用。然而，我国农业生产面临着氮肥使用过量导致生态环境氮污染日益显现以及当季利用率低下的问题[7]。因此，在秸秆还田的同时如何调整氮肥运筹才能既满足作物生长需求又降低氮素流失风险是理论和实践中亟待解决的重要问题。
国内外学者针对秸秆还田与土壤微生物、土壤养分的关系等方面进行了相关的研究，初步明确了秸秆还田对土壤肥力、作物产量和氮肥利用率的重要作用[8-9]。江苏省是中国经济最发达、农业最集约化的区域之一[10]，稻麦轮作是该地区最常见的种植制度[11]，并且不同于其他小麦主产区，该地区冬季雨水较多制约了小麦的产量。稻季产生的秸秆C/N较高，大量还田后短期内可能会造成土壤氮素的固持并进而影响后续作物生长。因此，在该地区开展秸秆还田配施肥料培肥地力的研究对于提高江苏地区小麦产量具有重要的意义。本研究拟通过江苏地区稻麦轮作系统的大田试验，研究水稻秸秆还田配施肥料对麦季土壤养分、微生物生物量、作物产量和氮肥利用率的影响，以期为秸秆还田条件下因地制宜地科学施肥提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验点概况试验地点位于江苏省常州市金坛区薛埠镇罗村(31°39′45.85″N，119°24′15.06″E)。该区属北亚热带季风气候，年降水量1 063.5 mm，年均气温15.3 ℃。土壤基础理化性质：pH 5.58、碱解氮133.04 mg/kg、有效磷17.57 mg/kg、速效钾58.88 mg/kg、全氮1.23 g/kg、有机碳13.78 g/kg。
1.2 试验设计试验时间为2018年11月至2019年6月，小麦种植方式为机条播，水稻秸秆通过旋耕机作业还田，小麦品种为扬辐麦4号。试验共设4个大区，大区间以自然田埂或筑埂分隔，大区内播种小麦后再筑埂分隔为3块小区，每小区面积为300 ~ 500 m2。试验共设置4个处理，每处理3次重复，具体处理设置见表 1。试验前先将上季水稻收获，秸秆不还田处理将秸秆移除，还田处理留茬10 cm左右，通过收割机将秸秆粉碎为5 ~ 10 cm，均匀抛洒后采用常规旋耕还田，深度为10 ~ 12 cm。2018年11月2日进行小麦播种。各处理施肥量见表 1，其中基肥用量为配方肥(氮磷钾比例16:18:8)375 kg/hm2，尿素146.55 kg/hm2；拔节孕穗肥用量为配方肥(氮磷钾比例18:7:10)225 kg/hm2，尿素120 kg/hm2。基肥在小麦播种时施入，拔节孕穗肥在倒三叶期(3月中旬)基部第二节间伸长1 ~ 2 cm、叶色开始褪淡时施入。除草、病虫害防治等按照当地常规管理。此外，前季稻季处理同样为相对应的F0S0、F0S1、F1S0和F1S1，施肥方案为：F0S0和F0S1处理不施肥，F1S0和F1S1处理的N、P2O5、K2O用量分别为270、37.5和71.25 kg/hm2，其中氮肥运筹为基肥: 分蘖肥: 穗肥=0.25:0.31:0.44。
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表 1 试验处理 Table 1 Treatments of experiment |
在小麦拔节期(2019年3月25日)、抽穗期(2019年4月25日)和收获后(2019年6月2日)，分别采用五点取样法在各试验区采集0 ~ 20 cm的耕层土壤样品。所有土壤样品采集后，挑根、过2 mm筛并混匀，鲜样保存于4 ℃冰箱。土壤微生物生物量碳、氮(SMBC、SMBN)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定[12]；土壤有机碳(SOC)采用H2SO4-K2Cr2O7湿烧法测定[13]；土壤全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定[13]；碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定[13]；有效磷(AP)采用钼锑抗比色法测定[13]；速效钾(AK)采用火焰光度计比色法测定[13]。采集的植株样品在105 ℃下杀青1 h，然后于75 ℃下烘干至恒质量，经磨碎后采用H2SO4-H2O2法消煮样品，凯氏定氮法测定植株含氮量[13]。
小麦收获后，各小区取样考种，调查有效穗数、实粒数和千粒重等产量构成指标，获得理论产量。每个试验区作物的实际产量按大区测定。
1.4 数据处理微生物熵为土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值，即SMBC/SOC。
氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力的计算公式分别为：
氮肥表观利用率(%)=(施氮区吸氮量−无氮区吸氮量)/施氮量×100
氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量−无氮区产量)/施氮量
氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区产量/施氮量
试验数据采用Excel 2016和SPSS 19.0进行处理与统计分析，图形绘制采用Origin 2018，显著性检验为Duncan检验。
2 结果与分析 2.1 稻秸还田与肥料施用对土壤化学性质的影响表 2表明，小麦主要生育时期土壤有机碳含量变化范围在13.69 ~ 17.02 g/kg，总体变化趋势不明显。F1S0和F1S1处理之间的有机碳含量差异在整个生育期内不显著，但在抽穗和成熟期二者均显著高于F0S0和F0S1处理(P < 0.05)。主要生育时期内土壤全氮含量的变化范围为1.55 ~ 1.98 g/kg，各生育期的最高值均为F1S0处理。
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表 2 稻秸还田与肥料施用对土壤化学性质的影响 Table 2 Effects of rice straw returning and fertilizer application on soil chemical properties |
对于土壤速效养分含量，3个生育时期内F1S0和F1S1处理相对于其他处理具有提高碱解氮含量的趋势，但二者之间的差异不显著。F0S0处理的有效磷含量在各生育期均最低，而F0S1、F1S0和F1S1处理在生育中后期互无显著差异。处理间拔节期和抽穗期的速效钾含量变化趋势表现为F0S1≈F1S1> F0S0≈F1S0，且抽穗期含量整体大于拔节期；在成熟期，F0S0处理的速效钾含量显著低于其他处理(P < 0.05)，而F1S1处理显著高于其他处理(P < 0.05)。
2.2 稻秸还田与肥料施用对小麦土壤微生物生物量碳氮和微生物熵的影响从图 1可以看出，小麦拔节期的SMBN含量总体低于抽穗期和成熟期；表 3则表明，肥料施用对小麦整个生育期SMBN含量的影响不显著，但稻秸还田在拔节和抽穗期对SMBN含量造成了显著的影响(P < 0.05)，而稻秸还田和肥料施用的交互作用则极显著地影响拔节期SMBN含量(P < 0.01)。成熟期各处理间的SMBN含量无显著差异，但F0S0处理(63.66 mg/kg)有高于其他处理的趋势。拔节期F1S1处理的SMBN含量(34.39 mg/kg)显著高于其他处理(P < 0.05)，而F0S0与F0S1、F0S1与F1S0之间差异不显著。抽穗期SMBN含量的变化趋势为F0S0≈F1S0≈F1S1>F0S1。
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图 1 稻秸还田与肥料施用对土壤微生物生物量碳氮和微生物熵的影响 Fig. 1 Effects of rice straw returning and fertilizer application on SMBC, SMBN and microbial quotient |
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表 3 稻秸还田(S)与肥料施用(F)对土壤微生物生物量碳氮和微生物熵影响的多因素方差分析结果 Table 3 Univariate variance analysis of effects of rice straw returning (S) and fertilizer application (F) on SMBC, SMBN and microbial quotient |
与SMBN类似，小麦拔节期的SMBC含量低于抽穗期和成熟期，且成熟期各处理间的SMBC含量无显著差异(图 1)。拔节期F0S0处理的SMBC含量(239.33 mg/kg)显著低于其他处理(P < 0.05)，F1S0处理最高(434.11 mg/kg)，但与F1S1处理(401.67 mg/kg)间无显著差异，且F0S1处理(342.77 mg/kg)与F1S1处理之间差异也不显著。抽穗期总体趋势与拔节期类似，F0S0处理的SMBC含量(333.44 mg/kg)最小，但仅显著小于F1S0处理(490.92 mg/kg)(P < 0.05)，与F0S1和F1S1处理相比仅有下降趋势但差异不显著，而F0S1、F1S0和F1S1三者间也无显著差异。肥料施用以及稻秸还田配施肥料对拔节期SMBC含量具有显著影响(P < 0.05，表 3)。
图 1表明，在小麦拔节期，F0S0处理的土壤微生物熵(1.43%)显著低于其他处理(P < 0.05)，而F1S0处理(2.72%)≈F1S1处理(2.79%)，显著高于F0S1处理(2.21%)(P < 0.05)。抽穗期各处理间的微生物熵均无显著差异，变化范围为2.43% ~ 2.95%。然而在小麦成熟期，处理间微生物熵的趋势表现为F0S0≈F0S1>F1S0≈F1S1。由表 3可以看出，肥料施用对拔节和成熟期土壤微生物熵影响极显著(P < 0.01)，而稻秸还田以及稻秸还田配施肥料只在拔节期具有显著影响(P < 0.05)。
2.3 稻秸还田与肥料施用对小麦产量及其构成因素的影响表 4的小麦产量表明，F1S0和F1S1处理可显著增加小麦的理论产量和实际产量(P < 0.05)，理论产量相比F0S0处理分别增加211% 和319%，实际产量则分别增加119% 和231%；而F0S1处理增产不显著，理论产量虽然增加了43%，但实际产量却减少21%。产量构成因素方面(表 4)，各处理间的有效穗数并无显著差异。F1S0和F1S1处理的每穗粒数显著高于F0S0和F0S1处理(P < 0.05)，变化范围介于7.88 ~ 22.93。F0S0、F0S1、F1S0和F1S1处理的千粒重分别为35.41、36.92、39.34和41.64 g，有升高的趋势，但F0S0处理仅显著小于F1S0和F1S1处理(P < 0.05)，F0S1处理则显著小于F1S1处理(P < 0.05)。
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表 4 稻秸还田与肥料施用对小麦产量构成因素的影响 Table 4 Effects of rice straw returning and fertilizer application on yield components of wheat |
F0S1处理对小麦氮素积累无显著影响，而施肥条件下(F1S0和F1S1处理)小麦秸秆和籽粒氮素积累量有明显升高的趋势(图 2)。F1S0和F1S1处理的籽粒氮素积累量较F0S0处理分别显著提高了63.85和70.43 kg/hm2(P < 0.05)。对于秸秆氮素积累量，F1S1处理显著高于F0S0和F0S1处理(P < 0.05)，而F1S0处理与F0S0、F0S1处理相比有升高趋势但差异不显著。施肥处理间(F1S0和F1S1处理)秸秆和籽粒氮素积累量均无显著差异，未施肥处理(F0S0和F0S1处理)同样如此。
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图 2 稻秸还田与肥料施用对成熟期小麦氮素积累量的影响 Fig. 2 Effects of rice straw returning and fertilizer application on nitrogen accumulation of wheat stalk in maturity stage |
秸秆是否还田对氮素利用率具有一定的影响(表 5)。F1S0处理的氮肥表观利用率为31%，而F1S1处理比其提高了6%；F1S1处理的氮肥农学利用率和偏生产力明显高于F1S0处理，每公斤纯氮增产幅度约为6.86 kg籽粒。
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表 5 稻秸还田与肥料施用对小麦氮肥利用率的影响 Table 5 Effects of rice straw returning and nitrogen fertilizer application on nitrogen use efficiency of wheat |
秸秆还田是提升农田土壤肥力的重要措施，然而传统的秸秆全量还田通过将秸秆集中添加在耕作层的方式，会使氮素发生强烈的生物固持作用，使土壤有效氮含量降低，产生抑制作物出苗和成苗等负面影响[5]。水稻秸秆C/N通常可达到50以上，为防止前期秸秆分解过程中微生物与作物争夺氮素，此类秸秆还田初期应当施用适量的氮肥以保证有效氮的供应。已有研究表明，秸秆还田与氮肥配合施用，能够提高还田后当季作物产量。张姗等[14]研究表明水稻秸秆还田并配施适当的氮量有利于晚播小麦的籽粒产量。裴鹏刚等[15]则表明，秸秆还田配施氮肥处理下水稻增产效果显著，增幅为9% ~ 23%。本研究也发现，单施稻秸处理下小麦产量与不施肥不还田处理相比并无优势，从实际产量来看甚至略有减产；但稻秸还田配施肥料能够显著提升小麦产量，并且提升效果较单施肥料更为明显(表 4)。单施稻秸造成减产可能与高C/N秸秆单独还田导致土壤碳氮失衡有关[16]。吴立鹏等[17]的研究表明，秸秆还田配施氮肥后，土壤铵态氮和硝态氮含量高于未施用秸秆，进而提高了水稻产量。而在本研究中，单施稻秸时小麦3个主要生育期的土壤碱解氮含量相对于对照均无显著变化，而稻秸还田配施肥料则增加了土壤碱解氮含量(表 2)，保证了小麦生长所需的有效氮供应，这可能是小麦增产的原因之一。前人研究表明，配施适量的氮肥能够增加土壤有效氮含量、降低土壤C/N、促进土壤微生物的生长和活性、提高纤维素酶和其他水解酶活性、加速还田秸秆的分解和养分释放、促进作物的生长[18-19]。因此，短期稻秸还田的同时合理搭配肥料的施用，有利于提高当季土壤有效氮含量及作物产量。
土壤微生物是生态系统多种过程的重要参与者，包括分解过程[20]、养分获取[21]、碳氮循环[22]、土壤形成[23]等。土壤微生物生物量，通常以微生物生物量碳(SMBC)和微生物生物量氮(SMBN)来衡量，是土壤生物特性的关键指标[24]。虽然微生物生物量的绝对含量不大，但周转迅速，作为土壤养分周转的中间库对土壤养分转化和供应十分重要[25]。因此，土壤微生物生物量可作为指征土壤肥力高低的生物学指标。不同于森林和草地土壤，农田土壤的微生物过程通常受到有效态碳的限制，因此秸秆的输入可能促进微生物的丰度、活性和生长[26-27]。本研究中，稻秸属于C/N较高的秸秆，稻秸还田在小麦生长的拔节和抽穗期对土壤微生物的影响较成熟期更为显著(图 1，表 3)，说明稻秸还田在小麦生长前中期显著促进了土壤微生物的生长，与前人的研究结果一致[28]。这可能是因为秸秆在快速分解阶段，为微生物生长和繁殖提供了大量碳源，微生物种类更加丰富并表现出较高的活性。土壤微生物生长不仅受碳源的影响，氮肥的调控也会影响土壤微生物生物量[29]。在稻秸还田的同时配施肥料，为秸秆快速分解期微生物生长繁殖提供了更多的氮源，缓解了氮素竞争，刺激了微生物的生长和繁殖；且所施用的化肥促进了植株根系的生长，根系分泌物的增加提高了微生物的活性。因此，稻秸配施肥料对于提高拔节期土壤微生物生物量具有正向作用(图 1，表 3)。SMBC/SOC代表的微生物熵能够反映外源碳转化为微生物生物量碳，并最终成为微生物残体的效率[30]，而微生物残体被认为是构成稳定土壤有机碳库的主要含碳成分[31]。微生物熵从微生物学的角度揭示了土壤肥力的差异，与试验所在区域的气候条件、农作制度、土壤类型、田间管理措施等因素密切相关，变化范围一般为0.27% ~ 7.00%[32]。在本研究中，各个主要生育时期的微生物熵变化范围为1.43% ~ 3.85%，与前人研究结果范围一致[32]。本研究结果还表明，稻秸还田与肥料的交互作用能够提高土壤微生物熵，尤其在小麦拔节期效果显著(图 1，表 3)，说明稻秸还田配施肥料对于提升小麦土壤生物肥力和碳汇具有巨大的潜力，这可能是因为拔节期稻秸处于快速分解阶段，而稻秸还田配施肥料促进了微生物的繁殖，较多的秸秆碳被微生物分解转化为有机碳，有机碳又被微生物吸收利用成为其机体的一部分，提高了土壤有机碳积累和微生物生物量[33]。从微生物生物量和微生物熵等微生物学指标来看，稻秸还田配施肥料促进了土壤有机质转化为更容易被微生物利用的形态，提高了土壤养分供应水平。
氮素作为作物生长所必需的大量元素之一，其吸收利用影响着作物最终产量。已有研究表明，秸秆还田配施化肥后作物氮肥利用率显著提高[16, 34]。关于秸秆还田配施肥料如何增加作物的氮素利用，赵峰等[35]认为，秸秆还田配施氮肥提高了水稻的光合作用，促进了物质合成与转化，进而提高氮肥利用率。李贵桐等[36]研究认为，土壤中加入作物秸秆，促使了土壤微生物活性和数量的提高，从而提高了土壤的供氮潜力和能力，有利于作物对氮素的吸收。此外，王改玲等[37]的研究则表明，秸秆还田配施肥料减少了土壤氮素损失，起到了保存和提高土壤肥效的作用。本研究中，稻秸还田配施肥料后氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力相较于单施肥均有所提高，分别达到37%、14.19 kg/kg和20.33 kg/kg，提高了6%、6.86 kg/kg、6.87 kg/kg。究其原因，一是稻秸还田配施肥料处理下小麦的吸氮量相对于单施肥处理有增加的趋势(图 2)，表明稻秸还田配施肥料能够促进小麦对氮的吸收利用，有利于每穗粒数和千粒重的增加(表 4)，进而提高氮肥利用率并获得较高的经济产量。二是因为高C/N稻秸的添加提高了土壤微生物生物量，对土壤氮矿化作用具有激发效应，并且配施肥料解决了土壤微生物与作物竞争土壤有效氮的问题，能够提高土壤供氮能力[16, 38]，有利于小麦对氮素的吸收，这与张媛媛等[39]的研究认为秸秆还田配施氮肥增加了土壤含氮量，提高了土壤氮素有效性，从而增加水稻对氮素的吸收利用，提高了作物氮肥利用率的结果相一致。
为了进一步深入了解稻秸还田配施肥料对土壤养分和作物产量的影响及其机制，还应当进行更为长期的秸秆还田试验，并且从微生物学机理的角度来研究其产量增加机制也是有必要的。此外，利用同位素示踪技术结合大田试验来研究秸秆还田与肥料配施对土壤供氮和保氮能力以及氮素分配的影响，也有助于在深入了解其影响机制的条件下进行合理的肥料运筹。
4 结论1) 稻麦轮作系统中，短期稻秸还田对小麦并无增产效应，而稻秸还田配施肥料能够显著增加小麦产量。
2) 稻秸还田配施肥料对于提高土壤微生物生物量和土壤速效养分具有正向作用，缓解了稻秸还田条件下微生物与作物对有效态氮的争夺。
3) 稻秸还田配施肥料能够促进小麦对氮素的吸收利用，提高氮肥利用率，其氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力分别达到37%、14.19 kg/kg和20.33 kg/kg。
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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, Nanjing 210014, China