2021, Vol. 58
2. 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室, 金正大生态工程集团股份有限公司, 山东临沭 276700
2. State Key Laboratory of Nutrition Resources Integrated Utilization, Kingenta Ecological Engineering Group Co., Linshu, Shandong 276700, China
中国是秸秆资源最为丰富的国家之一，焚烧是我国传统的作物秸秆处理方式。秸秆大量焚烧导致其作为可利用资源的比重下降，间接弱化了土壤保水保肥能力，造成了环境污染和经济损失[1]。秸秆还田是经济可持续的秸秆资源高效利用方式之一，可减少焚烧产生的温室气体。秸秆丰富的有机物质经土壤微生物腐解能够培肥土壤[2]，还田秸秆自身的碳氮比（C/N）是影响腐解速率的重要因子[3]。适宜微生物活动的C/N一般为20~25：1[4]，禾本科作物秸秆的C/N通常为65~85：1，小麦、玉米秸秆还田后会造成土壤碳氮比过高，因此会出现微生物消耗土壤养分与作物争氮的现象，易造成作物前期缺肥，进而影响产量[5]。
秸秆还田后土壤的碳氮比是决定微生物固持氮素的关键因素[6]，添加氮肥可提供秸秆腐解所需氮源，加速腐解，保障苗期养分需求，增加根系生物量及分泌物，提高作物产量[7]。袁嫚嫚等[8]发现秸秆还田配施尿素，较单施尿素处理显著提高水稻-油菜轮作年均产量17.5%~28.6%。然而普通尿素一次性基施无法满足秸秆持续分解所需氮素及作物中后期养分需求，仍需多次追施，费工费时，且存在氮素挥发、淋溶、径流等风险。控释尿素可调控氮素养分释放速率，显著提高肥料利用效率，减少化肥用量和施肥次数，省工省力，配施还田秸秆可显著提高小麦、玉米年平均产量8.22%~15.06%[9]。但全量控释尿素在作物苗期养分释放缓慢，无法有效降低秸秆还田后土壤C/N，可能会影响作物氮素吸收，且过高成本限制了其推广应用[10]。
将普通尿素和控释尿素按照一定比例混合后制得控释掺混尿素，其中的普通尿素能保障玉米苗期氮素需求，控释尿素能满足玉米中后期养分需求，有利于作物增产[11]，然而控释掺混尿素配施秸秆还田对夏玉米增产增效的研究鲜有报道。且以往秸秆还田研究中的还田秸秆量均为人为控制定量投入，未充分考虑长期累积的有机物料投入数量差异。通过5年小麦玉米轮作田间定位试验，探讨9季秸秆还田条件下，控释掺混尿素处理对土壤肥力和玉米产量的影响，为秸秆合理还田和控释掺混尿素高效施用提供技术参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料2014—2018年在山东省泰安市山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室南校区中试基地（36°09′14″ N，117°09′01″ E）进行了连续5年的定位试验。供试土壤类型为棕壤，在“中国土壤系统分类”（CST，2001）中为普通简育湿润淋溶土（Typic Hapli-Udic Argosols），土壤质地为砂质壤土（含砂粒569.7g·kg-1，黏粒119.8 g·kg-1，粉粒310.5 g·kg-1）。耕层土壤基础性质为pH7.28（土水比1：2.5），有机质含量11.40 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1，NO3--N 10.7 mg·kg-1，NO4+-N 7.8 mg·kg-1，有效磷39.2 mg·kg-1，速效钾75.7 mg·kg-1。
供试肥料包括树脂包膜控释尿素（PCU，N 430 g·kg-1，释放期3个月）、硫加树脂包膜控释尿素（PSCU，N 350 g·kg-1，释放期3个月）、普通尿素（N 460 g·kg-1）、过磷酸钙（P2O5 160 g·kg-1）、磷酸二铵（N 180 g·kg-1，P2O5 460 g·kg-1）、氯化钾（K2O 600 g·kg-1）。控释掺混尿素由PCU、PSCU、普通尿素按3.5∶3.5∶3进行掺混制得，其控释氮释放呈S型（图 1）。供试玉米品种为“郑单958”，生育期约103 d。
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图 1 控释尿素在玉米田土壤中的养分释放特征 Fig. 1 Dynamics of N release from controlled release urea in maize field |
试验共设6个处理：（1）CK1，不施氮肥且秸秆不还田处理；（2）CK2，不施氮肥但秸秆还田处理；（3）BBF1，普通尿素但秸秆不还田处理；（4）BBF2，普通尿素且秸秆还田处理；（5）CRF1，控释掺混尿素但秸秆不还田处理；（6）CRF2，控释掺混尿素且秸秆还田处理，每个处理重复3次。控释掺混尿素处理中控释氮占总氮量的70%，其中PCU和PSCU各占35%，速效氮占30%，均作为基肥一次性施入；普通尿素处理的氮肥60%基施，40%于拔节期追肥；小麦季N-P2O5-K2O用量按照150-150-75 kg·hm-2施入；玉米季N-P2O5-K2O用量按照150-75-150 kg·hm-2施入。本研究中秸秆还田处理为小麦、玉米秸秆均还田，秸秆不还田处理仅玉米秸秆不还田。小麦秸秆粗纤维较玉米秸秆少，且在高温潮湿环境下更易腐熟，而玉米秸秆含水量高，粉碎还田难，且粗纤维较多不易腐化[12]，故当地农民习惯仅小麦秸秆还田、玉米秸秆不还田。
试验小区面积为16 m2（4 m×4 m），随机排列。为防各小区之间水分和肥料相互渗透的影响，各小区由厚80 mm、埋深1 m的水泥板围四周隔开。种植玉米7行，行距约60 cm，株距20 cm。种子埋深5 cm，肥料条施埋深10~15 cm，距种子行10 cm。玉米种子行和肥料行数比为1∶1。
玉米季于播种后、抽穗期和灌浆期采用农民习惯田间管理措施。作物收获后，还田处理的秸秆经人工粉碎后撒施于地表，并通过小型旋耕机将秸秆与20 cm土壤混匀。
1.3 样品采集2018年玉米成熟期（施肥后112 d）分别采集植株和土壤样品。各小区的玉米全部实收，然后用脱粒机将籽粒与玉米芯分离并进行烘干，按照入库含水量（140.0 g·kg-1）折算产量[13]，穗粒数随机选取10个玉米果穗记录行数及行粒数。秸秆及籽粒置于烘箱105℃杀青15 min，然后转至65℃烘箱烘干至恒重，其后称重磨细待测。采集0~20 cm的土壤样品，自然风干后研磨分别过2 mm筛和0.25 mm筛后，测定土壤理化性质。
1.4 样品测定方法作物叶片叶绿素相对含量（SPAD）值采用叶绿素仪（SPAD-502，Minolta，日本）在各小区随机选取5株玉米测定最上部的完全展开叶叶缘和叶脉之间进行测定；叶面积指数（LAI）通过植物冠层分析仪（LAI-2200，LI-COR，美国）测定；全氮含量采用H2SO4-H2O2联合消煮，凯氏定氮法测定。土壤有机质采用K2Cr2O7和浓H2SO4加热法测定；有效磷含量用0.5 mol·L-1 NaHCO3（pH 8.5）浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量用1.0 mol·L-1 NH4OAc（pH 7.0）浸提—火焰光度法测定[14]；NO3--N和NO4+-N含量采用0.01 mol·L-1 CaCl2浸提（土水比1∶10）后，用连续流动注射分析仪（AA3，Bran-Luebbe，德国）测定。
1.5 数据分析方法氮肥累积利用率、氮肥累积农学利用率和氮肥偏生产力指标的计算方法[15]：
氮肥累积利用率/%=（试验开始到某年施氮处理作物氮累积吸收量-试验开始到某年不施氮处理作物氮累积吸收量）/累积施入氮量×100；
氮肥累积农学利用率/（kg·kg-1）=（试验开始到某年施氮区累积籽粒产量-试验开始到某年不施氮区累积籽粒产量）/累积施入氮量；
氮肥偏生产力/（kg·kg-1）=施氮区产量/施氮区施入氮量。
数据处理与统计分析通过Excel 2016和SAS 8.2完成，包括单因素方差分析（One-way ANOVA）及邓肯法（Duncan）差异显著性检验，比较不同处理间在P < 0.05的显著性水平，并采用Excel 2016软件作图。
2 结果 2.1 秸秆还田配施控释掺混尿素对秸秆还田生物量及其带入养分量的影响2014—2018年，秸秆还田条件下，不同施肥处理5年期间带入土壤的N-P2O5-K2O量有显著差异（表 1），秸秆还田的CRF2和BBF2处理带入土壤中的N-P2O5-K2O量分别为599.7-321.1-1 195 kg·hm-2和480.6-278.4-1 105kg·hm-2；秸秆不还田的CRF1和BBF1处理带入土壤中的N-P2O5-K2O量分别为224.0-96.9-470.5 kg·hm-2和198.8-90.5-377.2 kg·hm-2。因此，秸秆还田控释掺混尿素CRF2处理较不还田控释掺混尿素CRF1处理带入土壤中的N-P2O5-K2O增加量为375.7-224.2-724.1 kg·hm-2；秸秆还田普通尿素BBF2处理较不还田普通尿素BBF1处理带入土壤中的N-P2O5-K2O增加量为281.8-187.9- 728.2 kg·hm-2。秸秆还田条件下，控释掺混尿素CRF2处理较普通尿素BBF2处理的秸秆还田增加的生物量为9 220 kg·hm-2，还田秸秆带入土壤中的N-P2O5-K2O增加量为119.1-42.7-89.2 kg·hm-2。
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表 1 秸秆还田生物量及秸秆还田带入氮磷钾量 Table 1 Biomass of the straw returned and input of nitrogen, phosphorus and potassium with the straw returned |
秸秆还田配施控释掺混尿素显著影响玉米产量（表 2），秸秆还田条件下，控释掺混尿素CRF2处理的5年平均玉米产量较普通尿素BBF2处理显著提高12.0%；秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比秸秆不还田的同类肥料CRF1、BBF1处理的5年平均玉米产量则分别显著提高7.5%和5.9%。秸秆不还田条件下，CRF1处理的5年平均玉米产量较BBF1处理显著提高10.4%。这表明秸秆还田配施控释掺混尿素增产效果优于秸秆还田配施普通尿素。
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表 2 2014—2018年不同处理的玉米产量 Table 2 Yield of maize relative to treatment during 2014—2018 |
相同试验条件下，对2018年当季玉米生物量、产量及构成因素进行分析（表 3）。秸秆还田条件下，较普通尿素BBF2处理，控释掺混尿素CRF2处理玉米籽粒产量显著提高14.4%，茎秆生物量显著提高10.2%，地上部生物量显著提高7.0%，但百粒重、行数及行粒数无显著差异；秸秆不还田条件下，较普通尿素基肥加追肥BBF1处理，CRF1处理一次性施肥不追肥依然稳产。施用控释掺混尿素条件下，秸秆还田的CRF2处理相比CRF1处理籽粒产量显著提高13.7%，地上部生物量显著提高3.4%；秸秆还田的BBF2处理相比秸秆不还田的BBF1处理产量无显著差异，茎秆生物量显著提高7.1%。
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表 3 不同处理的玉米产量和产量构成因素（2018） Table 3 Yield and yield composition of maize relative to treatment(2018) |
秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比秸秆不还田的同类肥料CRF1、BBF1处理氮素累积利用率分别显著提高10.5%和13.3%，但氮素累积农学利用率及氮肥偏生产力无显著差异。秸秆不还田条件下，CRF1相比BBF1处理氮素累积利用率显著提高61.3%，氮肥累积农学利用率显著提高27.4%；秸秆还田条件下，CRF2相比BBF2处理氮素累积利用率显著提高57.5%，氮素累积农学利用率显著提高24.7%；秸秆还田与不还田条件下，控释尿素处理较普通尿素处理的氮肥偏生产力无显著差异（表 4）。
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表 4 不同处理的玉米肥料利用率（2018） Table 4 Fertilizer use efficiency of maize relative to treatment(2018) |
小区试验实打实收换算而来的经济效益估算虽较田间实际收入有所差异，但各处理间的相对比较依然具有重要参考价值。本研究条件下，秸秆还田配施控释掺混尿素对玉米经济效益存在显著的影响（表 5）。较普通尿素处理，控释掺混尿素处理虽每公顷提高了213.2 yuan，但因减少了追肥，可节省施肥人工成本493.8 yuan，配合相对产量的提高，实现农民增收。秸秆还田条件下，CRF2处理较BBF2处理总收益显著提高14.4%，净收益显著提高23.6%。秸秆不还田条件下，CRF1相比BBF1处理总收益提高7.1%，净收益提高13.1%，说明秸秆还田能够进一步提高控释掺尿素的增收效果。
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表 5 不同处理的玉米经济效益估算（2018） Table 5 Economic benefit estimation of maize relative to treatment(2018) |
不同施肥处理下的土壤有机质含量和全氮含量与2013年小麦试验播种前的基础土壤相比差异显著（图 2），2018年10月玉米收获后，秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比基础土壤有机质含量分别显著提高33.5%、25.9%，全氮含量分别显著提高26.6%、18.6%。秸秆不还田的CRF1、BBF1处理相比基础土壤有机质含量分别显著提高19.5%、11.4%，全氮含量分别显著提高9.9%、7.0%。秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比秸秆不还田的同类肥料CRF1、BBF1处理分别显著提高土壤有机质含量11.8%、13.0%，全氮含量15.2%、10.9%。秸秆还田条件下，CRF2相比BBF2处理有机质含量显著提高6.1%，全氮含量显著提高6.7%。说明秸秆还田有利于土壤有机质和全氮的累积，配施控释掺混尿素较普通尿素更有利于提高土壤有机质含量和全氮含量。
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注：图中字母不同表示处理间数据差异显著（P < 0.05）。下同。 Note: Different letters in this figure indicate significant differences between treatments at P < 0.05. The same below. 图 2 玉米成熟期不同处理的土壤有机质含量（a））和全氮含量（b）） Fig. 2 Soil organic matter content(a))and total nitrogen content(b))at the maize maturing stage relative to treatment |
玉米成熟期0~20 cm土壤硝态氮、铵态氮含量均表现出：CRF2＞CRF1＞BBF2＞BBF1（图 3）。单施控释掺混尿素CRF1处理相比普通尿素BBF1处理硝态氮和铵态氮分别显著提高52.0%和18.6%。秸秆还田条件下，CRF2相比BBF2处理硝态氮和铵态氮分别显著提高39.3%和16.6%，这表明控释掺混尿素有利于提高土壤氮素的供应强度，配施还田秸秆能在提高供应强度的基础上进一步提高土壤氮素的供应容量。
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图 3 玉米成熟期不同处理的土壤硝态氮含量（a））和铵态氮（b））含量 Fig. 3 Soil NO3--N content(a))and NO4+-N N content(b))at the maize maturing stage relative to treatment |
秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比秸秆不还田的同类肥料CRF1、BBF1处理显著提高速效钾含量18.2%、28.0%，有效磷含量无显著差异（图 4），说明秸秆还田有利于提高土壤速效钾的含量，秸秆有效磷含量低且易与土壤钙镁离子结合，故无显著性差异。秸秆不还田条件下，CRF1相比BBF1处理有效磷和速效钾含量分别显著提高19.5%和24.7%。秸秆还田配施控释掺混尿素更有利于土壤有效磷和速效钾的释放，CRF2相比BBF2处理显著提高有效磷含量19.5%，显著提高速效钾含量15.1%。
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图 4 玉米成熟期不同处理的土壤有效磷含量（a））和速效钾含量（b）） Fig. 4 Soil available P content(a))and available K content(b))of maize at the maturing stage relative to treatment |
充足的氮素能够更好地维持群体冠层叶面积指数和SPAD。BBF2处理相比BBF1处理叶面积指数显著提高7.1%（图 5）。秸秆还田的CRF2、BBF2处理相比秸秆不还田的同类肥料CRF1、BBF1处理SPAD含量无显著性差异，但秸秆还田配施控释掺混尿素CRF2处理相比BBF2处理则显著提高SPAD 8.6%，说明秸秆还田配施控释掺混尿素进一步提高了氮素的供应强度和容量。
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图 5 玉米成熟期不同处理的叶片叶面积指数（LAI，a））和叶绿素相对含量测定值（SPAD，b）） Fig. 5 Leaf area index(LAI, a))and SPAD(b))of maize leaves with different treatments at mature period |
缓控释肥是一种通过物理或化学方法，使其有效养分按照设定释放率和释放期缓慢释放的化学肥料[17]，能减少作物根区土壤无机氮淋失、维持土壤养分供应强度，提高肥料利用效率。PCU是控释效果较好、应用较广的一类缓控释肥。其养分释放机制主要是水分进入膜壳，溶解膜内肥芯形成尿素饱和溶液，使其在膜内外浓度差的驱动下持续释放[18]。硫包膜尿素存在爆发性释放的缺点，可能会引起局部伤根烧苗[19]。PSCU在硫包膜尿素表面包覆聚合物，使养分从硫膜的微孔和裂隙中缓慢释放时避免硫膜破裂[20]。供试控释掺混尿素分别由普通尿素、PSCU和PCU按照3∶3.5∶3.5比例掺混而成；占比总氮养分30%的普通尿素可以保障苗期养分需求；占比35%的PSCU养分释放高峰期在30~40 d，可满足夏玉米氮素最大效率期（拔节期）的氮素需求；占比35%的供试PCU养分释放高峰在50~60 d[21]，可满足夏玉米大喇叭口期的氮素需求，两者按照1∶1混施可分别满足玉米关键生育时期（拔节期和大喇叭口期）的氮素需求。本试验条件下，与BBF1处理相比，CRF1处理硝态氮含量显著提高8.1%，铵态氮含量显著提高7.8%（图 3b）），与Zheng等[16]研究结果一致。
秸秆科学还田再利用是提高作物产量的重要措施之一[22]。本试验条件下，秸秆还田配施控释掺混尿素CRF2处理相比秸秆还田配施普通尿素BBF2处理，玉米5年平均产量显著提高12.0%（表 3），氮素累积利用率显著提高57.3%（表 4）。玉米秸秆快速腐烂阶段约持续15 d，分解的是多糖、淀粉和蛋白质等可溶性部分，禾本科秸秆的碳氮比较微生物自身高，会出现苗期微生物消耗养分与作物争氮的现象[23]，控释掺混尿素中普通尿素的添加可有效缓解这一现象。秸秆的缓慢腐烂阶段从第15天持续到第190天左右，主要分解纤维素、半纤维素和木质素等难降解的大分子有机化合物[24]。控释掺混尿素中缓慢释放的氮可调控作物全生育期土壤碳氮比，并满足微生物对有效氮的需求，促使土壤由细菌群落主导向真菌群落主导转变，提高木霉属和青霉属等真菌的活性。木霉菌含有完全水解天然纤维素所需的微晶纤维素酶、羧甲基纤维素酶和β-葡糖苷酶，通过胞外酶方式将纤维素解聚，使其包裹的部分有机氮磷钾以矿质盐类形式释放，提高土壤养分含量[25]。活化的青霉菌可氧化有机物质为多元酚等芳香族化合物，在多酚氧化酶作用下生成醌，与土壤含氮化合物聚合为黄腐酸、胡敏酸和胡敏素[26]，培肥地力、提高作物产量。秸秆还田对产量的正向效应还可能是秸秆还田配施氮肥促进了物质合成与转化[27]。本研究BBF2相比BBF1处理茎秆生物量和叶面积指数分别显著提高7.1%和7.0%（表 3和图 5a））；BBF2相比BBF1处理显著提高硝态氮含量19.4%（图 3a）），可能是由于BBF2中还田秸秆增强土壤蓄水保肥能力，减少养分淋失。CRF2相比CRF1处理显著提高了玉米籽粒产量（表 3），但茎秆生物量和叶面积指数均无显著提高（表 3和图 5a）），这可能是由于缓释氮素可持续激发还田秸秆的降解，提高玉米吐丝期的土壤养分供应和叶片养分向籽粒的转运效率[28]。
3.2 秸秆还田配施控释掺混尿素对土壤肥力的影响薛斌等[29]研究认为，秸秆还田配施氮肥能有效提高0~20 cm耕层土壤中的全氮、有机质、有效磷和速效钾含量。本试验条件下，2018年玉米收获期的CRF2相比BBF2处理，土壤有机质和全氮含量分别显著提高5.6%和6.5%，且年均还田秸秆量与土壤全氮含量，有机质含量极相关（表 6）。可能是由于控释掺混尿素持续供氮，为秸秆还田降解过程中碳氮比的调控补充氮源，提高土壤微生物活性，促进还田秸秆降解。秸秆中丰富的氢碳资源通过提升土壤腐殖质的芳香度，优化有机碳结构并提高其稳定性，增加土壤有机碳储量[30]。另一方面，土壤团聚体的物理保护是土壤有机碳的重要稳定机制。钙镁离子可与腐殖质芳香环上的酚羟基结合形成复合物，随后吸附在黏粒表面形成有机无机复合体，增加土壤团聚体的水稳性。氮素缓释可降低土壤胶体吸附的钙镁离子被土壤溶液中过量铵离子置换而随水淋失的风险，更有利于有机碳的储存[31]。
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表 6 玉米产量与各项试验指标的相关性 Table 6 Correlation analysis of maize yield with various experimental indexes |
土壤有效磷和速效钾同样是评价土壤肥力的重要指标[32]。本研究中，CRF2相比BBF2处理显著提高土壤有效磷含量19.5%（图 4a）），可能是由于还田秸秆中的有机化合物在土壤微生物作用下发生矿化反应释放能量，促进解磷菌产生磷酸酶、植酸酶和核酸酶等水解酶，去除有机磷底物分子上的磷酸基团生成磷酸根离子[33]，提高土壤有效磷含量。还田秸秆带入钾量与土壤速效钾含量呈现极显著正相关（表 6），秸秆还田的CRF2处理较BBF2处理显著提高土壤速效钾含量15.1%（图 4b））。这是由于钾素在秸秆中主要以非细胞结构的无机盐形式存在，含量较高且易释放；秸秆腐解过程产生的小分子脂肪族、芳香族有机酸[34]能通过水解作用解离出土壤矿物如钾长石、白云母固定的钾离子[35]，提高土壤速效钾含量。
4 结论在秸秆还田条件下，控释掺混尿素一次性基施（CRF2）相比普通尿素基肥加追肥（BBF2）处理，5年9季累积还田秸秆带入土壤的养分（N-P2O5-K2O）总增加量为119.1-42.7-89.2 kg·hm-2；2018年玉米收获期土壤有机质和全氮含量显著提高6.1%、6.7%，硝态氮和铵态氮含量显著提高39.3%、16.6%，有效磷和速效钾含量显著提高19.5%、15.1%，从而使氮肥累积利用率显著提高57.3%，玉米产量显著提高12.0%。虽然控释尿素提高了肥料投入成本，但一次性施肥不追肥节省了人工成本，配合增产效应，最终农民纯收益显著提高23.6%。因此，秸秆还田配合控释掺混尿素一次性基施可显著培肥土壤，提高作物产量，具有广阔的应用前景和推广价值。
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