趙 穎，周 楓，羅佳琳,2，趙亞慧，王 寧，于建光,2,3*，薛利紅,3，楊林章,3

水稻秸稈還田配施肥料對(duì)小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響①

趙 穎1，周 楓1，羅佳琳1,2，趙亞慧1，王 寧1，于建光1,2,3*，薛利紅1,3，楊林章1,3

(1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014)

為了解高碳氮比秸稈還田與肥料施用對(duì)金壇地區(qū)小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響，通過設(shè)置大田試驗(yàn)，研究了稻秸還田與肥料施用對(duì)麥季土壤養(yǎng)分、微生物生物量、作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響。結(jié)果表明：稻秸還田配施肥料能夠提高土壤速效養(yǎng)分含量。單施肥僅顯著影響拔節(jié)期微生物生物量碳，單施稻秸顯著影響拔節(jié)期和抽穗期微生物生物量氮，稻秸還田和肥料施用的交互作用在拔節(jié)期顯著影響土壤微生物生物量和微生物熵。單施肥、稻秸配施肥料處理的氮肥表觀利用率分別為31% 和37%，稻秸配施肥料后的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力表明每公斤純氮增產(chǎn)幅度約為6.86 kg籽粒。單施肥和稻秸配施肥料顯著增加了小麥每穗粒數(shù)及千粒重，并且理論產(chǎn)量分別增加211% 和319%，實(shí)際產(chǎn)量則分別增加119% 和231%，而單施稻秸處理的實(shí)產(chǎn)卻減產(chǎn)21%。綜合分析認(rèn)為，稻秸還田搭配肥料施用，能夠保證當(dāng)季土壤有效氮供應(yīng)，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為更易被微生物利用的形態(tài)，提高養(yǎng)分有效性，促進(jìn)小麥對(duì)氮素的吸收利用，有利于每穗粒數(shù)和千粒重的增加，從而最終提高小麥的產(chǎn)量。

稻秸還田；土壤養(yǎng)分；土壤微生物生物量；小麥產(chǎn)量；氮肥利用率

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，秸稈長(zhǎng)期連續(xù)還田是一種具有多種生態(tài)效益的耕作管理方式，是維持土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高生物活性、改良土壤物理性狀以及增加養(yǎng)分可利用性的有效手段[1]。然而也有研究表明，秸稈的添加對(duì)作物氮素吸收和產(chǎn)量產(chǎn)生了負(fù)面的影響[2]。作物與土壤微生物具有相似的養(yǎng)分需求，與微生物的競(jìng)爭(zhēng)是作物吸收氮素的關(guān)鍵過程之一[3-4]。還田秸稈的碳氮比(C/N)對(duì)作物和土壤微生物間的氮素競(jìng)爭(zhēng)有著至關(guān)重要的影響。作物與微生物對(duì)氮素的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度可能隨著秸稈的C/N增加而加劇[5]。高質(zhì)量秸稈通常具有較高的氮含量、較低的木質(zhì)素(L)和纖維素含量，并且C/N和L/N的比值較低，因而降解速率更高；高C/N且木質(zhì)素和難降解有機(jī)物含量更高的秸稈常被稱為低質(zhì)量秸稈，施入土壤后分解緩慢，且會(huì)促進(jìn)土壤無機(jī)氮的凈同化作用，影響氮素有效性，對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。一般認(rèn)為秸稈C/N>25是導(dǎo)致土壤氮凈同化作用發(fā)生的經(jīng)驗(yàn)值。谷類作物(如水稻、小麥和玉米)秸稈C/N一般可達(dá)到50以上，還田前期往往會(huì)出現(xiàn)微生物與作物爭(zhēng)奪氮素的現(xiàn)象。因此，為保證作物生長(zhǎng)，高C/N秸稈還田通常需要配合氮肥的施用。然而，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著氮肥使用過量導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境氮污染日益顯現(xiàn)以及當(dāng)季利用率低下的問題[7]。因此，在秸稈還田的同時(shí)如何調(diào)整氮肥運(yùn)籌才能既滿足作物生長(zhǎng)需求又降低氮素流失風(fēng)險(xiǎn)是理論和實(shí)踐中亟待解決的重要問題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)秸稈還田與土壤微生物、土壤養(yǎng)分的關(guān)系等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，初步明確了秸稈還田對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量和氮肥利用率的重要作用[8-9]。江蘇省是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)最集約化的區(qū)域之一[10]，稻麥輪作是該地區(qū)最常見的種植制度[11]，并且不同于其他小麥主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)冬季雨水較多制約了小麥的產(chǎn)量。稻季產(chǎn)生的秸稈C/N較高，大量還田后短期內(nèi)可能會(huì)造成土壤氮素的固持并進(jìn)而影響后續(xù)作物生長(zhǎng)。因此，在該地區(qū)開展秸稈還田配施肥料培肥地力的研究對(duì)于提高江蘇地區(qū)小麥產(chǎn)量具有重要的意義。本研究擬通過江蘇地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)的大田試驗(yàn)，研究水稻秸稈還田配施肥料對(duì)麥季土壤養(yǎng)分、微生物生物量、作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，以期為秸稈還田條件下因地制宜地科學(xué)施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)羅村(31°39′45.85″N，119°24′15.06″E)。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1 063.5 mm，年均氣溫15.3 ℃。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH 5.58、堿解氮133.04 mg/kg、有效磷17.57 mg/kg、速效鉀58.88 mg/kg、全氮1.23 g/kg、有機(jī)碳13.78 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2018年11月至2019年6月，小麥種植方式為機(jī)條播，水稻秸稈通過旋耕機(jī)作業(yè)還田，小麥品種為揚(yáng)輻麥4號(hào)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)大區(qū)，大區(qū)間以自然田埂或筑埂分隔，大區(qū)內(nèi)播種小麥后再筑埂分隔為3塊小區(qū)，每小區(qū)面積為300 ～ 500 m2。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，具體處理設(shè)置見表1。試驗(yàn)前先將上季水稻收獲，秸稈不還田處理將秸稈移除，還田處理留茬10 cm左右，通過收割機(jī)將秸稈粉碎為5 ～ 10 cm，均勻拋灑后采用常規(guī)旋耕還田，深度為10 ～ 12 cm。2018年11月2日進(jìn)行小麥播種。各處理施肥量見表1，其中基肥用量為配方肥(氮磷鉀比例16:18:8)375 kg/hm2，尿素146.55 kg/hm2；拔節(jié)孕穗肥用量為配方肥(氮磷鉀比例18:7:10)225 kg/hm2，尿素120 kg/hm2?；试谛←湶シN時(shí)施入，拔節(jié)孕穗肥在倒三葉期(3月中旬)基部第二節(jié)間伸長(zhǎng)1 ～ 2 cm、葉色開始褪淡時(shí)施入。除草、病蟲害防治等按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。此外，前季稻季處理同樣為相對(duì)應(yīng)的F0S0、F0S1、F1S0和F1S1，施肥方案為：F0S0和F0S1處理不施肥，F(xiàn)1S0和F1S1處理的N、P2O5、K2O用量分別為270、37.5和71.25 kg/hm2，其中氮肥運(yùn)籌為基肥︰分蘗肥︰穗肥=0.25︰0.31︰0.44。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 樣品采集與測(cè)定

在小麥拔節(jié)期(2019年3月25日)、抽穗期(2019年4月25日)和收獲后(2019年6月2日)，分別采用五點(diǎn)取樣法在各試驗(yàn)區(qū)采集0 ～ 20 cm的耕層土壤樣品。所有土壤樣品采集后，挑根、過2 mm篩并混勻，鮮樣保存于4 ℃冰箱。土壤微生物生物量碳、氮(SMBC、SMBN)采用氯仿熏蒸–硫酸鉀浸提法測(cè)定[12]；土壤有機(jī)碳(SOC)采用H2SO4-K2Cr2O7濕燒法測(cè)定[13]；土壤全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定[13]；堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[13]；有效磷(AP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定[13]；速效鉀(AK)采用火焰光度計(jì)比色法測(cè)定[13]。采集的植株樣品在105 ℃下殺青1 h，然后于75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，經(jīng)磨碎后采用H2SO4-H2O2法消煮樣品，凱氏定氮法測(cè)定植株含氮量[13]。

小麥?zhǔn)斋@后，各小區(qū)取樣考種，調(diào)查有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)，獲得理論產(chǎn)量。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)作物的實(shí)際產(chǎn)量按大區(qū)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

微生物熵為土壤微生物生物量碳與土壤有機(jī)碳的比值，即SMBC/SOC。

氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力的計(jì)算公式分別為：

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區(qū)吸氮量?無氮區(qū)吸氮量)/施氮量′100

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量?無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 19.0進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，圖形繪制采用Origin 2018，顯著性檢驗(yàn)為Duncan檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸還田與肥料施用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

表2表明，小麥主要生育時(shí)期土壤有機(jī)碳含量變化范圍在13.69 ～ 17.02 g/kg，總體變化趨勢(shì)不明顯。F1S0和F1S1處理之間的有機(jī)碳含量差異在整個(gè)生育期內(nèi)不顯著，但在抽穗和成熟期二者均顯著高于F0S0和F0S1處理(<0.05)。主要生育時(shí)期內(nèi)土壤全氮含量的變化范圍為1.55 ～ 1.98 g/kg，各生育期的最高值均為F1S0處理。

對(duì)于土壤速效養(yǎng)分含量，3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)F1S0和F1S1處理相對(duì)于其他處理具有提高堿解氮含量的趨勢(shì)，但二者之間的差異不顯著。F0S0處理的有效磷含量在各生育期均最低，而F0S1、F1S0和F1S1處理在生育中后期互無顯著差異。處理間拔節(jié)期和抽穗期的速效鉀含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為F0S1≈F1S1> F0S0≈F1S0，且抽穗期含量整體大于拔節(jié)期；在成熟期，F(xiàn)0S0處理的速效鉀含量顯著低于其他處理(<0.05)，而F1S1處理顯著高于其他處理(<0.05)。

表2 稻秸還田與肥料施用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示每個(gè)生育期內(nèi)各處理間差異顯著(<0.05)，下同。

2.2 稻秸還田與肥料施用對(duì)小麥土壤微生物生物量碳氮和微生物熵的影響

從圖1可以看出，小麥拔節(jié)期的SMBN含量總體低于抽穗期和成熟期；表3則表明，肥料施用對(duì)小麥整個(gè)生育期SMBN含量的影響不顯著，但稻秸還田在拔節(jié)和抽穗期對(duì)SMBN含量造成了顯著的影響(<0.05)，而稻秸還田和肥料施用的交互作用則極顯著地影響拔節(jié)期SMBN含量(<0.01)。成熟期各處理間的SMBN含量無顯著差異，但F0S0處理(63.66 mg/kg)有高于其他處理的趨勢(shì)。拔節(jié)期F1S1處理的SMBN含量(34.39 mg/kg)顯著高于其他處理(< 0.05)，而F0S0與F0S1、F0S1與F1S0之間差異不顯著。抽穗期SMBN含量的變化趨勢(shì)為F0S0≈F1S0≈F1S1>F0S1。

與SMBN類似，小麥拔節(jié)期的SMBC含量低于抽穗期和成熟期，且成熟期各處理間的SMBC含量無顯著差異(圖1)。拔節(jié)期F0S0處理的SMBC含量(239.33 mg/kg)顯著低于其他處理(<0.05)，F(xiàn)1S0處理最高(434.11 mg/kg)，但與F1S1處理(401.67 mg/kg)間無顯著差異，且F0S1處理(342.77 mg/kg)與F1S1處理之間差異也不顯著。抽穗期總體趨勢(shì)與拔節(jié)期類似，F(xiàn)0S0處理的SMBC含量(333.44 mg/kg)最小，但僅顯著小于F1S0處理(490.92 mg/kg)(<0.05)，與F0S1和F1S1處理相比僅有下降趨勢(shì)但差異不顯著，而F0S1、F1S0和F1S1三者間也無顯著差異。肥料施用以及稻秸還田配施肥料對(duì)拔節(jié)期SMBC含量具有顯著影響(<0.05，表3)。

表3 稻秸還田(S)與肥料施用(F)對(duì)土壤微生物生物量碳氮和微生物熵影響的多因素方差分析結(jié)果

注：NS表示影響不顯著，*、** 分別表示影響達(dá)到<0.05、<0.01顯著水平。

圖1表明，在小麥拔節(jié)期，F(xiàn)0S0處理的土壤微生物熵(1.43%)顯著低于其他處理(<0.05)，而F1S0處理(2.72%)≈F1S1處理(2.79%)，顯著高于F0S1處理(2.21%)(<0.05)。抽穗期各處理間的微生物熵均無顯著差異，變化范圍為2.43% ～ 2.95%。然而在小麥成熟期，處理間微生物熵的趨勢(shì)表現(xiàn)為F0S0≈F0S1>F1S0≈F1S1。由表3可以看出，肥料施用對(duì)拔節(jié)和成熟期土壤微生物熵影響極顯著(<0.01)，而稻秸還田以及稻秸還田配施肥料只在拔節(jié)期具有顯著影響(<0.05)。

2.3 稻秸還田與肥料施用對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表4的小麥產(chǎn)量表明，F(xiàn)1S0和F1S1處理可顯著增加小麥的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量(<0.05)，理論產(chǎn)量相比F0S0處理分別增加211% 和319%，實(shí)際產(chǎn)量則分別增加119% 和231%；而F0S1處理增產(chǎn)不顯著，理論產(chǎn)量雖然增加了43%，但實(shí)際產(chǎn)量卻減少21%。產(chǎn)量構(gòu)成因素方面(表4)，各處理間的有效穗數(shù)并無顯著差異。F1S0和F1S1處理的每穗粒數(shù)顯著高于F0S0和F0S1處理(<0.05)，變化范圍介于7.88 ～ 22.93。F0S0、F0S1、F1S0和F1S1處理的千粒重分別為35.41、36.92、39.34和41.64 g，有升高的趨勢(shì)，但F0S0處理僅顯著小于F1S0和F1S1處理(<0.05)，F(xiàn)0S1處理則顯著小于F1S1處理(<0.05)。

2.4 稻秸還田與肥料施用對(duì)小麥氮素吸收與利用的影響

F0S1處理對(duì)小麥氮素積累無顯著影響，而施肥條件下(F1S0和F1S1處理)小麥秸稈和籽粒氮素積累量有明顯升高的趨勢(shì)(圖2)。F1S0和F1S1處理的籽粒氮素積累量較F0S0處理分別顯著提高了63.85和70.43 kg/hm2(<0.05)。對(duì)于秸稈氮素積累量，F(xiàn)1S1處理顯著高于F0S0和F0S1處理(<0.05)，而F1S0處理與F0S0、F0S1處理相比有升高趨勢(shì)但差異不顯著。施肥處理間(F1S0和F1S1處理)秸稈和籽粒氮素積累量均無顯著差異，未施肥處理(F0S0和F0S1處理)同樣如此。

表4 稻秸還田與肥料施用對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

秸稈是否還田對(duì)氮素利用率具有一定的影響(表5)。F1S0處理的氮肥表觀利用率為31%，而F1S1處理比其提高了6%；F1S1處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力明顯高于F1S0處理，每公斤純氮增產(chǎn)幅度約為6.86 kg籽粒。

表5 稻秸還田與肥料施用對(duì)小麥氮肥利用率的影響

3 討論

秸稈還田是提升農(nóng)田土壤肥力的重要措施，然而傳統(tǒng)的秸稈全量還田通過將秸稈集中添加在耕作層的方式，會(huì)使氮素發(fā)生強(qiáng)烈的生物固持作用，使土壤有效氮含量降低，產(chǎn)生抑制作物出苗和成苗等負(fù)面影響[5]。水稻秸稈C/N通?？蛇_(dá)到50以上，為防止前期秸稈分解過程中微生物與作物爭(zhēng)奪氮素，此類秸稈還田初期應(yīng)當(dāng)施用適量的氮肥以保證有效氮的供應(yīng)。已有研究表明，秸稈還田與氮肥配合施用，能夠提高還田后當(dāng)季作物產(chǎn)量。張姍等[14]研究表明水稻秸稈還田并配施適當(dāng)?shù)牡坑欣谕聿バ←湹淖蚜．a(chǎn)量。裴鵬剛等[15]則表明，秸稈還田配施氮肥處理下水稻增產(chǎn)效果顯著，增幅為9% ～ 23%。本研究也發(fā)現(xiàn)，單施稻秸處理下小麥產(chǎn)量與不施肥不還田處理相比并無優(yōu)勢(shì)，從實(shí)際產(chǎn)量來看甚至略有減產(chǎn)；但稻秸還田配施肥料能夠顯著提升小麥產(chǎn)量，并且提升效果較單施肥料更為明顯(表4)。單施稻秸造成減產(chǎn)可能與高C/N秸稈單獨(dú)還田導(dǎo)致土壤碳氮失衡有關(guān)[16]。吳立鵬等[17]的研究表明，秸稈還田配施氮肥后，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量高于未施用秸稈，進(jìn)而提高了水稻產(chǎn)量。而在本研究中，單施稻秸時(shí)小麥3個(gè)主要生育期的土壤堿解氮含量相對(duì)于對(duì)照均無顯著變化，而稻秸還田配施肥料則增加了土壤堿解氮含量(表2)，保證了小麥生長(zhǎng)所需的有效氮供應(yīng)，這可能是小麥增產(chǎn)的原因之一。前人研究表明，配施適量的氮肥能夠增加土壤有效氮含量、降低土壤C/N、促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)和活性、提高纖維素酶和其他水解酶活性、加速還田秸稈的分解和養(yǎng)分釋放、促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[18-19]。因此，短期稻秸還田的同時(shí)合理搭配肥料的施用，有利于提高當(dāng)季土壤有效氮含量及作物產(chǎn)量。

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)多種過程的重要參與者，包括分解過程[20]、養(yǎng)分獲取[21]、碳氮循環(huán)[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)來衡量，是土壤生物特性的關(guān)鍵指標(biāo)[24]。雖然微生物生物量的絕對(duì)含量不大，但周轉(zhuǎn)迅速，作為土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的中間庫(kù)對(duì)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)十分重要[25]。因此，土壤微生物生物量可作為指征土壤肥力高低的生物學(xué)指標(biāo)。不同于森林和草地土壤，農(nóng)田土壤的微生物過程通常受到有效態(tài)碳的限制，因此秸稈的輸入可能促進(jìn)微生物的豐度、活性和生長(zhǎng)[26-27]。本研究中，稻秸屬于C/N較高的秸稈，稻秸還田在小麥生長(zhǎng)的拔節(jié)和抽穗期對(duì)土壤微生物的影響較成熟期更為顯著(圖1，表3)，說明稻秸還田在小麥生長(zhǎng)前中期顯著促進(jìn)了土壤微生物的生長(zhǎng)，與前人的研究結(jié)果一致[28]。這可能是因?yàn)榻斩捲诳焖俜纸怆A段，為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供了大量碳源，微生物種類更加豐富并表現(xiàn)出較高的活性。土壤微生物生長(zhǎng)不僅受碳源的影響，氮肥的調(diào)控也會(huì)影響土壤微生物生物量[29]。在稻秸還田的同時(shí)配施肥料，為秸稈快速分解期微生物生長(zhǎng)繁殖提供了更多的氮源，緩解了氮素競(jìng)爭(zhēng)，刺激了微生物的生長(zhǎng)和繁殖；且所施用的化肥促進(jìn)了植株根系的生長(zhǎng)，根系分泌物的增加提高了微生物的活性。因此，稻秸配施肥料對(duì)于提高拔節(jié)期土壤微生物生物量具有正向作用(圖1，表3)。SMBC/SOC代表的微生物熵能夠反映外源碳轉(zhuǎn)化為微生物生物量碳，并最終成為微生物殘?bào)w的效率[30]，而微生物殘?bào)w被認(rèn)為是構(gòu)成穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)的主要含碳成分[31]。微生物熵從微生物學(xué)的角度揭示了土壤肥力的差異，與試驗(yàn)所在區(qū)域的氣候條件、農(nóng)作制度、土壤類型、田間管理措施等因素密切相關(guān)，變化范圍一般為0.27% ～ 7.00%[32]。在本研究中，各個(gè)主要生育時(shí)期的微生物熵變化范圍為1.43% ～ 3.85%，與前人研究結(jié)果范圍一致[32]。本研究結(jié)果還表明，稻秸還田與肥料的交互作用能夠提高土壤微生物熵，尤其在小麥拔節(jié)期效果顯著(圖1，表3)，說明稻秸還田配施肥料對(duì)于提升小麥土壤生物肥力和碳匯具有巨大的潛力，這可能是因?yàn)榘喂?jié)期稻秸處于快速分解階段，而稻秸還田配施肥料促進(jìn)了微生物的繁殖，較多的秸稈碳被微生物分解轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，有機(jī)碳又被微生物吸收利用成為其機(jī)體的一部分，提高了土壤有機(jī)碳積累和微生物生物量[33]。從微生物生物量和微生物熵等微生物學(xué)指標(biāo)來看，稻秸還田配施肥料促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為更容易被微生物利用的形態(tài)，提高了土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平。

氮素作為作物生長(zhǎng)所必需的大量元素之一，其吸收利用影響著作物最終產(chǎn)量。已有研究表明，秸稈還田配施化肥后作物氮肥利用率顯著提高[16, 34]。關(guān)于秸稈還田配施肥料如何增加作物的氮素利用，趙峰等[35]認(rèn)為，秸稈還田配施氮肥提高了水稻的光合作用，促進(jìn)了物質(zhì)合成與轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高氮肥利用率。李貴桐等[36]研究認(rèn)為，土壤中加入作物秸稈，促使了土壤微生物活性和數(shù)量的提高，從而提高了土壤的供氮潛力和能力，有利于作物對(duì)氮素的吸收。此外，王改玲等[37]的研究則表明，秸稈還田配施肥料減少了土壤氮素?fù)p失，起到了保存和提高土壤肥效的作用。本研究中，稻秸還田配施肥料后氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力相較于單施肥均有所提高，分別達(dá)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，一是稻秸還田配施肥料處理下小麥的吸氮量相對(duì)于單施肥處理有增加的趨勢(shì)(圖2)，表明稻秸還田配施肥料能夠促進(jìn)小麥對(duì)氮的吸收利用，有利于每穗粒數(shù)和千粒重的增加(表4)，進(jìn)而提高氮肥利用率并獲得較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。二是因?yàn)楦逤/N稻秸的添加提高了土壤微生物生物量，對(duì)土壤氮礦化作用具有激發(fā)效應(yīng)，并且配施肥料解決了土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)土壤有效氮的問題，能夠提高土壤供氮能力[16, 38]，有利于小麥對(duì)氮素的吸收，這與張媛媛等[39]的研究認(rèn)為秸稈還田配施氮肥增加了土壤含氮量，提高了土壤氮素有效性，從而增加水稻對(duì)氮素的吸收利用，提高了作物氮肥利用率的結(jié)果相一致。

為了進(jìn)一步深入了解稻秸還田配施肥料對(duì)土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響及其機(jī)制，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更為長(zhǎng)期的秸稈還田試驗(yàn)，并且從微生物學(xué)機(jī)理的角度來研究其產(chǎn)量增加機(jī)制也是有必要的。此外，利用同位素示蹤技術(shù)結(jié)合大田試驗(yàn)來研究秸稈還田與肥料配施對(duì)土壤供氮和保氮能力以及氮素分配的影響，也有助于在深入了解其影響機(jī)制的條件下進(jìn)行合理的肥料運(yùn)籌。

4 結(jié)論

1)稻麥輪作系統(tǒng)中，短期稻秸還田對(duì)小麥并無增產(chǎn)效應(yīng)，而稻秸還田配施肥料能夠顯著增加小麥產(chǎn)量。

2)稻秸還田配施肥料對(duì)于提高土壤微生物生物量和土壤速效養(yǎng)分具有正向作用，緩解了稻秸還田條件下微生物與作物對(duì)有效態(tài)氮的爭(zhēng)奪。

3)稻秸還田配施肥料能夠促進(jìn)小麥對(duì)氮素的吸收利用，提高氮肥利用率，其氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別達(dá)到37%、14.19 kg/kg和20.33 kg/kg。

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Effects of Rice Straw Returning Combined with Fertilizer Application on Yield and Nitrogen Utilization of Wheat

ZHAO Ying1, ZHOU Feng1, LUO Jialin1,2, ZHAO Yahui1, WANG Ning1, YU Jianguang1,2,3*, XUE Lihong1,3, YANG Linzhang1,3

(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, Nanjing 210014, China)

The rice-wheat rotation system in Jintan of Jiangsu Province was chosen to investigate the effects of rice straw returning combined with fertilizer application on soil nutrients, microbial biomass, crop yield and nitrogen use efficiency in wheat season via filed experiments.Results showed that the contents of soil available nutrients could be increased by rice straw returning combined with fertilization.The treatment of fertilization only significantly affected soil microbial biomass C at jointing stage, while rice straw incorporation notably influenced soil microbial biomass N at jointing and heading stages, and the interaction of rice straw returning and fertilization observably affected soil microbial biomass quotient at jointing stage.The nitrogen use efficiencies of fertilization and rice straw returning combined with fertilization treatments were 31% and 37%, respectively; while the nitrogen agronomic efficiency and partial factor productivity showed that the yield increase per kilogram pure nitrogen was about 6.86 kg grain.The spikelets per panicle and 1 000-grain weight of fertilization and rice straw returning combined with fertilization treatments were significantly increased.The theoretical yields of these two treatments increased by 211% and 319%, respectively, while actual yields increased by 119% and 231%, respectively.However, the actual yield of rice straw returning decreased by 21%.Overall, rice straw returning to the field combined with fertilization can ensure the supply of soil available nitrogen, facilitate the transformation of soil organic matter into microbial available form, improve the nutrient availability, promote the absorption and utilization of nitrogen by wheat, and is to the benefit of spikelets per panicle and 1 000-grain weight increases, thus ultimately elevate wheat yield.

Rice straw returning; Soil nutrients; Soil microbial biomass; Wheat yield; Nitrogen use efficiency

S158.3；S512.1+1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.007

趙穎, 周楓, 羅佳琳, 等.水稻秸稈還田配施肥料對(duì)小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響.土壤, 2021, 53(5): 937–944.

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503136)和江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(2019K167)資助。

通訊作者(yujg@jaas.ac.cn)

趙穎(1988—)，女，江蘇南京人，博士，助理研究員，主要從事土壤氮素循環(huán)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail: kathy-137@163.com