秸秆全量还田下土壤氮素特征对耕作措施的响应

唐江华 杜孝敬 徐文修 苏丽丽 房彦飞 许 潮 安崇霄

（新疆农业大学农学院，830052，新疆乌鲁木齐）

随着全球变暖[1-2]，我国新疆北部伊犁河谷地区在冬小麦收获后利用富余的光、热资源种植复播大豆[3]，在缓解大豆供需矛盾的同时，还能给农民带来经济效益。但长期单一的耕作模式使得土壤理化性质变差，耕层变浅，严重影响作物的根系生长和养分吸收，造成减产[4-6]，尤其是复种，频繁的耕作无疑会加剧土壤的剧烈扰动，加速土壤肥力下降和水土流失，进而影响农业的可持续发展。有研究表明，秸秆还田不仅能够改善土壤理化性质、增加土壤含水量[7]，还能固持土壤碳氮[8]，提高土壤氮素有效性，改善土壤供氮能力[9]，是当前应用广泛和价格较为低廉的农田培肥和防治水土流失的重要措施之一[10]。近年来，我国每年农业秸秆的产量超过8亿t，大部分被焚烧或者遗弃，有效还田率不到30%，为解决农业资源浪费和缓解化肥过量施用带来的土壤退化及农业面源污染问题，利用秸秆等农业废弃物腐解释放养分，减少化肥施用量是亟待解决的农业问题。

研究表明，改进耕作方式、减少耕作以及增加地表覆盖度可实现土壤的“少动土”和“少裸露”，达到“适度湿润”和“适度粗糙”等状态[11]；也可改善土壤环境，达到多种独特的生态经济作用[12-13]。秸秆还田效应不仅与气候条件有关，还受土壤耕作措施的影响。韩上等[14]研究认为，秸秆还田配合深耕或旋耕均能增加耕层厚度，改善土壤养分状况，明显减弱单一深耕对10～20cm土层结构稳定性的不利影响。李纯燕等[15]研究表明，秸秆还田下深翻与旋耕能明显提高土壤碱解氮和速效钾含量。付国占等[16]认为，秸秆覆盖配合深松可改善土壤蓄水能力，平衡土壤温度，提高小麦水分利用效率。也有研究[17]认为，耕作方式显著影响秸秆的腐解规律，表现为翻耕＞旋耕＞免耕。

目前，关于耕作方式和秸秆还田的研究在国内不同地区均有报道[18-19]。秸秆覆盖可以改善土壤结构，提高土壤有机质和营养元素含量，降低土壤容重，提高水分利用效率和增加产量[20]；也有少量研究[21]表明，秸秆覆盖不增产或者减产，这可能是由土壤水氮条件不适宜或者气候因素所造成的。也有研究[22]认为，秸秆还田会带来出苗差等问题。关于灌溉农业的研究较少，尤其是滴灌条件下不同耕作方式对复播作物的影响鲜有报道。为此，在前人研究的基础上，本研究以北疆伊犁河谷地区复播大豆为对象，研究冬小麦收获后秸秆全量还田条件下，农田耕作措施对土壤氮素特征及微环境的影响，揭示不同耕作措施下土壤氮素的转化情况，明确不同耕作措施下秸秆还田后土壤理化性质的变化规律，对该地区复播大豆资源高效利用、秸秆还田条件下适宜耕作措施选择和农业可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年7-10月在新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县农业现代科技示范园（81°33′E，43°56′N）进行，该地海拔813m，位于天山西部，伊犁河谷中部，属温带大陆性半干旱气候，年均日照时数可达2800～3000h，年均气温8.9℃，年均降雨量257mm。全年无霜期169～175d。试验土地平整，质地为壤土，0～30cm耕层有机质16.5g/kg、碱解氮 76.7mg/kg、速效磷14.8mg/kg、速效钾149.0mg/kg、pH 8.0。

1.2 试验设计

采用大区试验设计，在2019年7月2日前茬作物冬小麦收获后秸秆全量还田（还田量为1381.5kg/hm2）的条件下，复播大豆播种前进行耕作措施处理。共3个处理，翻耕处理（TS）：冬小麦收获后，犁翻深28～30cm，秸秆翻埋，联合整地机整地；翻耕覆膜处理（TPS）：在翻耕的基础上对复播大豆全生育时期覆膜，膜宽70cm；免耕秸秆覆盖处理（NTS）：秸秆覆盖量为1381.5kg/hm2，每个处理重复3次，共9个小区，小区面积36m2（6m×6m）。复播大豆供试品种为黑河45号，30.0cm等行距播种（株距为6.3cm），理论密度为5.25×105株/hm2。采用滴灌的灌溉方式，毛管间距60.0cm，复播大豆全生育期灌水4200m3/hm2，共计8次，各处理均在开花期随水追施尿素150kg/hm2（纯N 69kg/hm2），在鼓粒期喷施1次磷酸二氢钾叶面肥。其他田间管理措施与大田生产一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤氨挥发 土壤氨挥发的测定和收集在复播大豆追肥后进行，采用原位密闭法[23]。土壤氨挥发的捕获用内径15cm、高20cm、顶部密封的聚氯乙烯塑料管制成的装置收集。施肥后，吸取2%硼酸溶液20mL装入到直径60mm、容积50mL的蒸发皿中，置于蒸发皿的顶部与土壤表面保持约7cm的铁丝支架上，再罩上捕获装置，确保形成一个完全密闭的环境，将捕获装置底部埋入土壤中深5cm左右，用以吸收土壤表面挥发的氨。追肥后当天每个小区移开滴灌带毛管放置3个收集装置。施肥后每隔2d收集1次吸收液，直至测定的各处理氨挥发量无显著差异为止。收集时，将培养皿里的吸收液倒入150mL塑料瓶中，再用蒸馏水润洗培养皿3次并倒入塑料瓶中，带回实验室测定氨量，测定时用0.005mol/L的硫酸溶液进行滴定[24]。

土壤氨挥发积累量：

式中，NH3-N为单个装置平均每次测得的氨量（mg）；N为硫酸滴定读数（L）；C为标准硫酸浓度（mol/L）；14为N的相对分子质量。

土壤氨挥发速率：

式中，M为单个装置平均每次测得的氨量（NH3-N，mg）；A为捕获装置的截面积（m2）；D为每次连续捕获的时间（d）。

1.3.2 土壤硝态氮及铵态氮 于复播大豆成熟期采用“S”形取样法选择5个点，每个点用土钻分层采集土样，深度分别为 0～10、10～20、20～30、30～40和40～60cm，将每一层土样混合均匀后带回实验室，过2mm筛后装自封袋。

称取土壤鲜样5g，加1mol/L KCl溶液25mL浸提，震荡30min后过滤，采用紫外分光光度法[25]测定硝态氮含量。称取土壤鲜样5g，加入2mol/L KCl溶液25mL浸提，震荡30min后过滤，采用靛酚蓝比色法[26]测定铵态氮含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理并制图，用SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下不同耕作方式对土壤氨挥发速率的影响

由图1可知，复播大豆在花期追肥后，不同耕作措施对土壤氨挥发速率的影响规律不一致。土壤氨挥发速率随时间的推移，TS和NTS处理均呈不断下降的变化趋势，而TPS处理则表现为先降后增的变化趋势，其中在追肥后的第6天最低。进一步分析追肥后各处理之间的土壤氨挥发速率可知，累加2～6d并计算平均值可得TPS处理最大，为 106.58g/(hm2·d)，较 TS和 NTS处理均高出35.71%（在此期间内，TS和NTS处理无显著差异）；追肥后6d各处理之间差异较小，此后差异逐渐增大，并在12d均达到最大值和最小值，其中以TPS处理最高，为108.45g/(hm2·d)，较TS和NTS处理分别高出70.59%和141.67%，各处理间均达到显著差异（P＜0.05）。不同耕作方式下氨挥发速率总体表现为TPS＞TS＞NTS，这可能是因为在秸秆还田下，免耕处理未对土壤进行扰动，其表层土壤紧实度较大，从而影响肥料随水下渗；翻耕处理因其增加耕层秸秆量，能够有效降低土壤容重，疏松土壤耕层，从而促进氮肥向NH4+转化；而翻耕覆膜处理使得部分氮肥不能完全被复播大豆吸收，在蒸发过程中被地膜覆盖阻隔并返还于地表，进而加快了整体的氨挥发速率。

图1 不同处理对复播大豆土壤氨挥发速率的影响Fig.1 Effects of different treatments on ammonia volatilization rate in soil of summer soybean

2.2 秸秆还田下不同耕作方式对土壤氨挥发积累量的影响

由图2可知，复播大豆在花期追肥后，其测定期各处理土壤氨挥发积累量的变化趋势一致，均表现为随时间的推移呈不断增加的变化趋势，并在追肥后第12天达到最大值，TPS和TS处理分别为2.11和1.47kg/hm2，较NTS处理分别高出60.15%和11.28%。在测定期（0～12d）的土壤氨挥发积累量TS和NTS处理间差异不显著，均与TPS处理差异显著（P＜0.05）。复播大豆土壤氨挥发积累量总体与氨挥发速率表现一致，均为TPS＞TS＞NTS，说明秸秆还田下的翻耕覆膜能够促进土壤氨挥发积累量与氨挥发速率。

图2 不同处理对复播大豆土壤氨挥发积累量的影响Fig.2 Effects of different treatments on ammonia volatilization accumulation in soil of summer soybean

2.3 秸秆还田下不同耕作方式对土壤硝态氮含量的影响

由图3可知，在秸秆全量还田下，不同耕作处理的复播大豆成熟期0～60cm土壤硝态氮含量变化趋势基本一致，均随着土层深度的增加呈先增后减的变化趋势。进一步分析可知，各处理不同土层深度的土壤硝态氮含量变化不同，0～10cm土层中土壤硝态氮含量表现为TS＞TPS＞NTS；10～20cm土层中表现为TPS＞NTS＞TS；在20～60cm土层中表现为TS＞NTS＞TPS。这可能是因为不同耕作方式下秸秆分解的速率不同，使得秸秆中的氮素进入到土壤中的量不同，导致硝态氮的含量的不同。

图3 不同处理对复播大豆成熟期各土层土壤硝态氮垂直分布的影响Fig.3 Effects of different treatments on vertical distribution of soil nitrate nitrogen content in different soil layers during summer soybean maturity

各耕作处理的土壤硝态氮含量在不同土层达到峰值不相同，其中TS和NTS处理在20～30cm土层达到峰值，分别为8.44和7.68mg/kg，较TPS处理分别高出31.67%和19.81%，而TPS处理则在10～20cm土层达到峰值，为7.58mg/kg，较TS和NTS处理分别高出9.01%和3.41%，这也充分说明秸秆还田下的翻耕覆膜更有利于土壤硝态氮含量的积累，为后期复播大豆的耕层根系吸收养分奠定基础。

2.4 秸秆还田下不同耕作方式对土壤铵态氮含量的影响

由图4可知，复播大豆成熟期后，不同耕作处理土壤铵态氮含量均随着土层深度的增加基本呈先增后减的变化趋势，其中TPS处理在10～20cm土层的土壤铵态氮含量达到峰值，为1.90mg/kg，较TS和NTS处理分别高出78.03%和88.85%；NTS和TS处理均在20～30cm土层达到峰值，分别为1.43和1.30mg/kg，较TPS处理分别高出39.35%和25.99%。进一步分析各土层土壤铵态氮含量可知，0～20cm土层中表现为TPS＞TS＞NTS；20～60cm土层中表现为NTS＞TS＞TPS。这可能是因为不同耕作方式下秸秆分解的速率不同，使得秸秆中的氮素进入到土壤中的量不同导致铵态氮含量不同。

图4 不同处理对复播大豆成熟期各土层土壤铵态氮垂直分布的影响Fig.4 Effects of different treatments on vertical istribution of soil ammonium nitrogen content in different soil layers during summer soybean maturity

3 讨论

不同耕作方式会打破农田土壤的水、肥、气和热状况原有平衡并重建，以及影响土壤有机质和养分含量、土壤微生物区系变化等，从而进一步影响作物的产量[27]。耕作结合秸秆还田是可持续农业研究的热点，不同耕作通过改变还田秸秆在土壤中的位置，影响秸秆的腐解，进而影响土壤的养分含量及生物学活性。本研究中，免耕和翻耕的土壤氨挥发速率均呈逐渐下降的变化趋势，与多数研究结论一致，而翻耕覆膜处理则表现为先降后增，造成这种原因可能是翻耕覆膜处理对土壤增降温效应并不一致，当滴管施肥后地温降低，几天后由于覆膜能保持并增加地温，随之土壤氨挥发速率增加，表现出一定的滞后效应；在秸秆全量还田的条件下，与免耕处理相比，翻耕能增加土壤氨挥发速率与积累量，这与前人[28]的研究结果相同，且翻耕覆膜更能促进土壤保墒增肥。但也有研究[29]认为，翻耕降低了土壤氨挥发速率，与本研究结果相异，造成这种情况可能是因为免耕表土层作物残茬的存在减少了肥料与土壤颗粒的接触，降低了土壤颗粒对肥料氮的固定能力。

耕作方式对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响很早就存在争议，有研究[30-31]认为，翻耕和翻耕覆膜则是作物前期氮肥投入不足，造成微生物在分解秸秆时消耗土壤中的氮素，进而与作物争氮有关，进而使土壤铵态氮和硝态氮含量降低。另有研究认为，无秸秆还田条件下，免耕能增加土壤铵态氮的保留和降低硝态氮的淋溶[32]，其翻耕对比免耕降低了土壤硝态氮含量[33]；秸秆还田后，翻耕配合秸秆还田对比免耕秸秆覆盖显著增加了土壤硝态氮含量[34-36]，这与本试验研究结果一致。本试验中，在秸秆还田条件下，无论是翻耕还是翻耕覆膜，其0～20cm耕层中的土壤硝态氮与土壤铵态氮含量均优于免耕，即土壤硝态氮含量表现为TS＞TPS＞NTS，土壤铵态氮含量表现为TPS＞TS＞NTS。可能是因为免耕处理在秸秆覆盖后增强了微生物活性和降低土壤含水量[37]，造成硝态氮的利用和渗漏[38]；这也充分说明了翻耕和翻耕覆膜与秸秆还田的结合能显著影响土壤养分含量，有利于增加土壤可吸收利用的氮素，对改善环境、提高秸秆利用率和绿色环保及农业可持续发展等方面具有重要意义。

4 结论

在秸秆全量还田下，与免耕相比，翻耕和翻耕覆膜均能显著增加土壤可吸收利用的氮素，能够给作物生长发育提供良好的基础条件。因此，综合考虑土壤铵态氮、硝态氮以及氨挥发，在短期条件下，建议北疆麦后复播大豆的耕作措施为翻耕覆膜配合秸秆还田。但长期用此方式耕种是否会造成土壤残膜污染影响秸秆还田、破坏土壤的团聚体、土壤深层次硝态氮和铵态氮淋溶和渗漏等问题还有待进一步研究。