秸秆还田替代施钾对旱地玉-麦轮作体系作物生产力和土壤硝态氮的影响

侯园泉， 黄 明， 付国占， 李友军， 田文仲， 李俊红，吴金芝， 赵凯男， 张振旺， 赵志明， 吕军杰， 姚宇卿

(1.河南科技大学农学院，河南 洛阳 471023；2.洛阳农林科学院，河南 洛阳 471023； 3.中国农业科学院洛阳旱农试验基地，河南 洛阳 471023)

旱地占我国耕地总面积的54.4%，是我国三大粮食作物中玉米和小麦的主要生产阵地。夏玉米—冬小麦(简称“玉—麦”)轮作是半湿润旱作区重要的种植制度之一，这一生产体系普遍遭受干旱和土壤贫瘠的双重胁迫。此外，旱地作物生产中相对粗放的管理措施已经引发了土壤硝态氮高量残留等环境问题。因此，如何采取有效措施培肥土壤、蓄水保墒，进而提高旱地玉—麦轮作体系的生产力并实现环境友好生产具有重要意义。施肥和秸秆还田是土壤培肥和作物增产增效的有效措施。氮磷钾是作物生长发育的三大必需元素，但人们对钾肥的研究与应用远不如氮磷肥，特别是在土壤钾含量较高的旱作区更为突出。有研究表明，在晋南旱地，施钾可使小麦产量显著提高24.05%，且以施钾肥75 kg/hm时效果最优。在可以灌溉的冬小麦—夏玉米轮作区，在施用氮磷肥条件下长期不施钾已经造成土壤缺钾，每16年应补充钾肥150～225 kg/hm。亦有研究表明，施钾可显著提高土壤速效钾含量，但增产效果甚微，其原因主要是水分不足。秸秆富含钾素，将秸秆还田既可替代施钾补充土壤钾素，又可蓄水保墒，充分发挥培肥、保水、增产、增效的作用。如在重庆北碚区使土壤综合肥力指数增加11.60%，增产4.15%；在北京大兴使夏玉米产量、水分利用效率和肥料偏生产力分别增加8.11%～16.60%，14.21%～29.89%和5.79%～16.80%；在青海半量秸秆还田即可替代钾肥保持春小麦产量和品质，这些结果说明秸秆还田具有替代施钾的作用。秸秆还田对土壤硝态氮的影响效应尚无定论，在陕西杨凌和河南洛阳可显著降低土壤硝态氮深层累积量，但在陕西周至却会使土壤硝态氮残留增加。然而，前人有关施钾和秸秆还田的研究主要以旱地玉米或旱地小麦单作以及灌区麦—玉轮作体系为对象展开，有关施钾和秸秆还田替代施钾影响作物生产和土壤硝态氮的研究较少，特别是对旱地玉—麦轮作区作物产量、效率和土壤硝态氮的影响效应尚未见报道。因此，本研究利用中国农业科学院洛阳旱农试验基地始于2007年的长期定位试验，研究不施肥(CK)、施氮磷肥(NP)、施氮磷钾肥(NPK)、施氮磷肥+秸秆还田(NPS)对旱地夏玉米—冬小麦产量、水肥利用效率、土壤养分和硝态氮累积量的影响，以期为优化旱地玉—麦轮作区的施肥技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黄土高原东南边缘的中国农业科学院洛阳旱农试验基地(34°37′12″N，112°27′36″E)，海拔130 m，属典型的温带半湿润偏旱季风气候，年均气温14.6 °C，平均干旱频率>40%，干燥度>1.3，无霜期200～219天，年均降水量549 mm，年均蒸发量1 870 mm。玉—麦轮作为当地主要的种植制度。土壤为黄棕壤土，试验开始前田间持水量为27%，耕层土壤容重为1.53 g/cm，pH为7.30。0—20 cm土层中>0.2 mm的沙粒302 g/kg，0.002～0.2 mm的粉粒416 g/kg，<0.002 mm的黏粒282 g/kg，0—20 cm土层土壤含有机质15.80 g/kg，全氮0.95 g/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效钾166.0 mg/kg，土壤阳离子交换量为19.90 c mol/kg。2015—2020年，夏玉米和冬小麦生育期的降水量见图1。

图1 2015-2020年夏玉米和冬小麦生育期的降水量

1.2 试验设计

试验始于2007年10月，采用随机区组设计，共4个处理，分别为：(1)CK，不施用任何肥料，秸秆不还田；(2)NP，按照当地农户习惯用量，玉米季在拔节期遇降水均匀撒施N 207 kg/hm，小麦季在翻地前均匀撒施N 150 kg/hm、PO120 kg/hm，秸秆不还田；(3)NPK，小麦季在施N 150 kg/hm、PO120 kg/hm的基础上根据当地高产田推荐标准施KO 90 kg/hm，其他管理同NP；(4)NPS，施肥管理同NP，玉米播种前将100%的前茬小麦秸秆覆盖还田，小麦生长季翻地前将50%的前茬玉米秸秆粉碎成5～10 cm段，然后均匀还田并随氮磷肥一起翻入土壤。小区面积16 m，3次重复。所用肥料分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含PO12%)和氯化钾(含KO 60%)。2015—2020年，供试玉米品种为“洛玉114”，每年6月上旬播种，9月下旬收获，种植密度45 000株/hm；供试小麦品种为“洛旱7号”，每年10月上中旬播种、翌年5月下旬或6月初收获，播量为135 kg/hm。试验期间未进行任何灌溉，其他管理同当地丰产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 分别在每季作物播种前和收获后的3～5天，利用直径4 cm土钻，从每个小区采集0—200 cm土层土样，每层20 cm，取(50±5)g鲜土，于105 ℃烘至恒重并称量，计算含水量。按照黄明等描述的方法计算0—200 cm土层土壤贮水量和作物生育期耗水量。

SWS=××10

式中：SWS为土壤贮水量(mm)；为某一土层土壤含水量(%)；为该土层土壤容重(g/cm)；为该土层厚度(cm)。

=+---ΔSWS

式中：为作物生育期耗水量(mm)；为作物生长期总降雨量(mm)；为径流量(mm)；为地下水补给量(mm)；为深层渗漏量(mm)；ΔSWS为作物播种时0—200 cm土层土壤贮水量与作物收获时0—200 cm土层土壤贮水量之差(mm)。当地下水埋深大于2.5 m时，值可以忽略不计，本试验地地下水埋深3.5 m，小麦生育期内无灌水，故、和值均为0。

1.3.2 土壤养分 在2020年小麦收获期，用直径4 cm的土钻在每个小区采集0—60 cm土层土壤，每层20 cm，每个小区采集3个样点，同层混合均匀后留取300 g左右，迅速装入预先标记好的塑料袋并系紧袋口，带回实验室自然风干，并分别研磨过1.00，0.15 mm土筛，保存，待测。土壤养分含量参照鲍士旦的方法测定：有机质含量采用重铬酸钾外加热法，全氮含量采用凯氏定氮法，速效磷含量采用钼锑抗比色法，速效钾含量采用火焰光度计法。

1.3.3 土壤硝态氮 在2020年小麦收获期，用直径4 cm的土钻在每个小区采取0—260 cm土层土壤，0—200 cm每层20 cm，200—260 cm每层30 cm，每层土壤混合均匀后留取300 g左右，迅速装入预先标记好的塑料袋并系紧袋口，带回实验室称取5.00 g鲜土，用50 mL 1 mol/L KCl溶液振荡浸提1 h，用AA3连续流动分析仪(SEAL公司，德国)测定土壤硝态氮含量(以干重计)。土壤硝态氮累积量用黄明等描述的方法计算。

=×××10100

式中:为土壤硝态氮累积量(kg/hm)；为某一土层硝态氮含量(mg/kg)；为该土层厚度(cm)；为该土层土壤容重(g/cm)。

1.3.4 作物产量 在每季作物的收获期，人工全区收获并脱粒称重，然后换算成单位面积产量。

1.3.5 水肥利用效率 水分利用效率：

WUE=

肥料农学效率：

=(-)

=(-)

式中：WUE为水分利用效率[kg/(hm·mm)]；为籽粒产量(kg/hm)；为全生育期作物耗水量(mm)；和为氮、磷肥农学效率(kg/kg)；和为施氮和施磷区产量(kg/hm)；为不施肥区产量(kg/hm)；和分别为施氮和施磷量(kg/hm)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 25软件处理数据和绘图，用LSD法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对旱地玉—麦轮作体系小麦收获期土壤养分的影响

由表1可知，与CK相比，除NPK的20—40 cm土层土壤全氮含量和各处理40—60 cm土层土壤全氮含量无显著差异外，3个施肥处理各土层的土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均显著提高。与NP相比，NPK显著提高了各土层土壤速效钾含量，NPS显著提高了0—20 cm土层土壤有机质、全氮和速效钾含量，以及40—60 cm土层土壤速效磷和速效钾含量。与NPK相比，NPS的0—20 cm土层土壤有机质含量和40—60 cm土层土壤速效磷含量分别显著提高10.68%和24.96%，但0—20 cm土层土壤速效磷含量和0—20，20—40，40—60 cm土层土壤速效钾含量分别显著降低7.43%，17.54%，15.15%和6.52%。说明采用秸秆还田的方式替代施钾可提高土壤全氮和有机质含量，但会降低土壤速效钾和表层土壤速效磷含量。

表1 不同处理对2020年小麦收获期土壤养分的影响

2.2 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物产量的影响

由表2可知，与CK相比，NP、NPK和NPS夏玉米、冬小麦和周年的产量多数年份表现为显著增加，5年均值都表现为显著增加，说明施肥可显著提高旱地玉—麦轮作体系的产量，但影响效应因年份和作物而异。对于夏玉米而言，与NP相比，NPK的产量连续5年均无显著变化，而NPS除2018年外均表现为显著增产，增幅为19.29%～215.25%；与NPK相比，NPS的产量除2018年外均显著提高，增幅为16.03%～154.70%，5年平均增产20.91%。对于冬小麦而言，与NP相比，NPK的产量在2015—2016年和2016—2017年无显著变化，在2017—2018年和2018—2019年分别显著降低10.25%和27.09%，在2019—2020年显著增加7.00%，而NPS较NP连续5年均无显著差异；与NPK相比，NPS的产量在2015—2016年和2017—2018年分别显著增加9.20%和11.93%，但5年平均产量的增幅并不显著。从周年产量来看，与NP相比，NPK除在2018—2019年显著降低9.46%外无显著差异，而NPS在2015—2016年、2017—2018年和2019—2020年分别显著提高20.83%，17.13%和12.77%，5年平均增产9.99%；与NPK相比，NPS除2018—2019年外均显著增加，5年平均增产13.60%。可见，施钾对玉—麦轮作体系的产量的调控效应不稳定，用秸秆还田替代施钾可有效提高作物产量，但其作用主要发生在玉米季。

表2 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物产量的影响 单位:kg/hm2

2.3 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物水分利用效率的影响

施肥和秸秆还田对旱地玉—麦轮作体系作物水分利用效率的影响因作物和年份而异(表3)。对夏玉米水分利用效率而言，与CK相比，NP在2018年和2019年分别显著提高62.78%和51.67%，5年均值显著提高22.66%；NPK在2015年和2016年显著降低24.78%和6.86%，在2018年和2019年分别显著提高39.72%和60.83%，5年均值提高15.04%；NPS在2016—2019年均显著提高，增幅为32.75%～150.10%，5年平均提高53.89%。与NP相比，NPK的水分利用效率在2016年和2018年分别显著降低10.84%和14.17%，5年均值无显著变化；NPS在2016年、2017年和2019年分别显著提高27.08%，247.53%和44.89%，5年均值显著提高25.47%。与NPK相比，NPS的水分利用效率5年均显著提高，增幅为16.90%～127.05%，5年平均提高33.77%。对冬小麦而言，与CK相比，NP的水分利用效率在2016—2020年显著提高21.18%～61.39%；NPK在2015—2016年、2016—2017年、2019—2020年分别提高16.97%，39.66%和71.71%；NPS连续5年均显著提高，平均增幅为30.42%。与NP相比，NPK的水分利用效率在2015—2016年和2019—2020年分别显著提高18.09%和7.72%，在2016—2019年显著降低12.94%～17.95%；NPS在2015—2016年显著提高13.18%，在2016—2017年显著降低15.08%；与NPK相比，NPS的水分利用效率在2015—2016年和2019—2020年分别显著降低4.16%和8.37%，在2017—2018年显著提高14.38%，5年均值无显著变化。从周年效应来看，与CK相比，NP、NPK和NPS的水分利用效率在2016—2017年、2018—2019年和2019—2020年均显著提高，2017—2018年仅NPS显著提高，5年均值分别显著提高27.83%，22.94%和39.69%。与NP相比，NPK的水分利用效率在2016—2017年和2018—2019年分别显著降低12.08%和11.66%；NPS在2017—2018年和2019—2020年分别显著提高21.31%和20.02%，5年均值显著提高9.28%。与NPK相比，NPS的水分利用效率在2016—2017年、2017—2018年和2019—2020年分别显著提高18.20%，22.93%和13.09%，5年均值显著提高13.63%。可见，施肥可显著提高旱地玉—麦轮作体系作物水分利用效率，在施氮磷的基础上，施钾并不能提高水分利用效率，但秸秆还田可显著提高作物水分利用效率，且其作用主要表现在玉米季。

表3 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物水分利用效率的影响 单位:kg/(hm2·mm)

2.4 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物肥料农学效率的影响

由表4可知，不同处理对旱地玉—麦轮作体系作物肥料农学效率的影响因作物而异，且对氮磷肥效率的影响规律相同。对夏玉米而言，NPS连续5年的氮肥农学效率均最高，5年均值较NPK显著提高114.39%，较NP显著提高118.51%，而NPK与NP之间5年均无显著差异。对冬小麦而言，除2018—2019年NPK和NPS较NP分别显著降低63.13%和32.09%，2015—2016年NPS较NP和NPK分别显著提高199.53%和142.70%外，NP、NPK、NPS间的氮(磷)肥农学效率无显著差异。不同处理对玉—麦轮作体系周年氮(磷)肥农学效率的影响规律与夏玉米相同，以NPS最高，5年均值较NPK高65.41%，较NP高42.87%。说明在施用氮磷肥的基础上，秸秆还田较施钾能显著提高玉—麦轮作体系中玉米季和周年的肥料农学效率。

表4 不同处理对旱地玉-麦轮作体系作物肥料农学效率的影响 单位:kg/kg

2.5 不同处理对旱地玉—麦轮作体系土壤硝态氮累积量的影响

分析0—260 cm土层土壤硝态氮累积量(图2)可知，连续13年不施肥(CK)条件下各土层的土壤硝态氮累积量处于较低水平。随着土层的加深，3个施肥处理0—260 cm土层的土壤硝态氮累积量均呈“降—升—降”的变化趋势，总量均超过630 kg/hm，且均主要累积在140—230 cm土层中，占总累积量的46.77%～64.01%，以NPS占比最低，这主要是因为200—230 cm土层表现为NP>NPK>NPS，处理间差异达到极显著水平。进一步分析发现，NPS有28.81%的土壤硝态氮累积在0—100 cm土层，较NP和NPK分别显著提高37.14%和25.92%，其中在0—40 cm土层分别提高8.64%和5.08%，在40—100 cm土层分别提高83.51%和31.01%，说明NPS能够提高0—100 cm土层的土壤硝态氮累积量，这对作物吸收利用土壤氮素有利。在140—230 cm土层，NPS的土壤硝态氮累积量较NP和NPK分别显著降低23.82%和11.98%。说明与施钾相比，秸秆还田使硝态氮富集在上层土壤中，不仅利于作物吸收，而且可在一定程度上阻控硝态氮向深层淋溶。

注：**表示在同一土层处理间差异极显著(p<0.01)。图2 不同处理对2020年小麦收获期土壤硝态氮累积量的影响

3 讨 论

3.1 施肥和秸秆还田对旱地玉-麦轮作体系土壤养分的影响

土壤养分含量是评价土壤肥力可持续性和作物生产稳定性的重要指标，如何提高或维持适宜的土壤养分含量是提高耕地质量的重要内容。本研究表明，与CK相比，NP、NPK、NPS的土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量多表现为成倍增加，以土壤有机质和速效磷的增幅最大，说明施肥是提高旱地玉—麦轮作体系土壤养分的有效途径。在施氮磷的基础上，施钾并不能提高土壤有机质和全氮含量，而秸秆还田可显著提高0—20 cm土层土壤有机质和全氮含量，主要是因为秸秆中所含的碳水化合物和多种营养元素在还田后可逐步释放到土壤中所致。孙星等研究表明，秸秆还田后0—40 cm土层土壤有机质和全氮含量分别显著提高9.05%和10.32%。本研究还表明，NPS 0—20 cm土层土壤速效磷含量较NP和NPK分别降低2.39%和7.43%，说明本试验条件下秸秆还田会加速土壤磷素的消耗，这与秸秆还田使作物产量增加，籽粒收获从土壤中携出磷素量增加有关，也在一定程度上说明秸秆还田后应该适当增施磷肥，以避免土壤磷素亏缺。有研究表明，旱地作物生产中不施钾，已经造成土壤钾含量呈降低趋势。在本试验条件下，0—60 cm土层土壤速效钾含量以NPK最高，NPS次之，NP最低。说明秸秆还田虽然可提高土壤速效钾含量，是提高农田钾含量的有效措施，但其效应不如施钾，因而从提高土壤速效钾含量的角度考虑，秸秆还田并不能完全替代施钾，在秸秆还田条件下还应适时适量施钾，如在河北曲周小麦—玉米轮作区的研究推荐应该每16年补充钾肥150～225 kg/hm。

3.2 施肥和秸秆还田对旱地玉-麦轮作体系作物产量和水肥利用效率的影响

研究普遍认为，合理的施肥和秸秆管理可提高作物产量和水肥利用效率。化肥和秸秆还田配合可使小麦增产3.51%，且秸秆还田能显著提高玉米产量和水分利用效率。亦有研究表明，秸秆还田会导致小麦减产。本试验条件下，从5年效应来看，NPK较NP相比，夏玉米、冬小麦的产量和效率多无显著差异，说明在施氮磷肥的基础上施钾对旱地玉—麦轮作体系的增产增效作用较小。然而，在施氮磷肥的基础上秸秆还田可使轮作体系中夏玉米、周年的产量和水肥利用效率显著提高，这与夏玉米季降雨相对充沛，覆盖还田的小麦秸秆能够有效减少蒸发，保持较高的土壤含水量，从而为玉米生长发育提供相对充足的水分，进而促进夏玉米对水肥的吸收利用，最终提高产量和效率。在冬小麦季，NPS较NP和NPK甚至会降低水肥利用效率，其水分利用效率在2016—2017年较NP降低15.08%，在2015—2016年和2019—2020年较NPK降低4.16%和8.37%；氮(磷)肥农学效率在2018—2019年较NP降低32.09%，说明在施氮磷肥的基础上秸秆还田并不能提高冬小麦的水肥利用效率，这可能是由于小麦生育期长且易发生冬春连旱，秸秆还田蓄水保墒效果被弱化所致。

3.3 施肥和秸秆还田对旱地玉-麦轮作体系土壤硝态氮累积量的影响

硝态氮是最易被旱地作物吸收利用的氮素形态，但其在土壤中的移动性较强，若高量累积会加速含氮温室气体排放、地表水富营养化、地下水硝酸盐含量超标，导致环境污染。旱地土壤硝态氮累积量既受降雨等环境因素的影响，也受施肥、秸秆还田等栽培管理的影响。当前，不合理的施肥和栽培措施已造成旱地土壤硝态氮高量累积，如北方旱地麦田0—400 cm土层的平均硝态氮累积量为459 kg/hm，最高达1 880 kg/hm。本试验中，NP、NPK和NPS小麦收获后0—260 cm土层土壤硝态氮累积量分别为631.28，670.41，658.15 kg/hm，且有超过60%累积在100—260 cm土层，说明施肥在促进作物增产的同时，已引起深层土壤硝态氮的高量累积，并且已经淋溶至1 m以下土层，不利于作物根系吸收，也增加了硝态氮污染地下水的风险。与NP和NPK相比，NPS的土壤硝态氮呈现“上层富集、深层降低”的趋势。在黄土旱塬也有秸秆还田后0—40 cm土层的土壤硝态氮较单施化肥增加30.99%的报道。说明在玉—麦轮作区，秸秆还田替代施钾既有助于硝态氮在上层土壤中累积，促进作物根系对氮素的吸收利用，也能在一定程度上阻控硝态氮向深层土壤淋溶，减小地下水污染的风险。

4 结 论

施肥和秸秆还田可显著调控旱地玉—麦轮作体系的生产力，但对产量和效率的调控效应主要发生在玉米季。与NP相比，NPK可提高土壤速效钾含量，但对产量和效率无显著影响。NPS较NP显著提高0—20 cm土层土壤有机质、全氮和速效钾含量，较NPK显著提高0—20 cm土层土壤有机质含量和40—60 cm土层土壤速效磷含量，较NP和NPK有利于提高夏玉米以及周年的产量和水肥利用效率，且土壤硝态氮累积量表现为上层增加深层降低，可在一定程度上阻控土壤硝态氮向深层淋溶。从产量、效率和环境友好角度考虑，在旱地玉—麦轮作区，可采用秸秆还田的方式替代施钾。