环境科学  2021, Vol. 42 Issue (2): 786-795   PDF    
引用本文
张万锋, 杨树青, 孙多强, 靳亚红, 娄帅, 刘鹏. 秸秆覆盖与氮减施对土壤氮分布及地下水氮污染影响[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 786-795.
ZHANG Wan-feng, YANG Shu-qing, SUN Duo-qiang, JIN Ya-hong, LOU Shuai, LIU Peng. Effects of Straw Mulching and Nitrogen Reduction on the Distribution of Soil Nitrogen and Groundwater Nitrogen Pollution[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 786-795.
秸秆覆盖与氮减施对土壤氮分布及地下水氮污染影响
张万锋, 杨树青, 孙多强, 靳亚红, 娄帅, 刘鹏     
内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018
收稿日期: 2020-06-22; 修订日期: 2020-07-23
基金项目: 国家自然科学基金项目(51669019，51539005)
作者简介: 张万锋(1985~), 男, 博士研究生, 高级工程师, 主要研究方向农业水土资源利用与水土环境调控, E-mail:z.wf123@163.com
通信作者: 杨树青, E-mail:nmndysq@126.com
摘要: 为探究不同秸秆覆盖方式与氮减施对土壤氮分布、地下水氮污染及夏玉米产量的影响，于2017~2018年在河套灌区开展田间试验.本试验设置常规施肥为对照(CK处理)，以30%氮减施(N1)、20%氮减施(N2)和10%氮减施(N3)为3个减施水平处理，每个减施水平设秸秆表覆(B处理)和秸秆深埋(S处理)这2个处理.结果表明，CK土壤氮随土层加深呈波状分布，总体呈降低趋势；秸秆表覆的氮素在0~20 cm土层表聚，NO3--N和NH4+-N含量较CK平均提高22.2%和42.7%，随土层加深而降低；秸秆深埋的氮素在20~40 cm土层聚集，NO3--N和NH4+-N含量较CK平均提高29.8%和48.1%，随土层加深呈先增后降趋势；不同秸秆覆盖下氮素聚集量随氮减施水平提高而减小.收获后，在>80 cm土层，秸秆表覆的NO3--N和NH4+-N累积量较CK平均降低19.9%~58.2%和31.1%~61.7%，而秸秆深埋平均降低36.7%~70.9%和82.6%~89.2%，效果较秸秆表覆显著(P < 0.05)；秸秆表覆仅BN3较CK平均增产0.4%，秸秆深埋SN2较CK平均增产9.3%；夏玉米产量与氮减施水平的拟合结果表明，秸秆深埋较秸秆表覆增产效果显著(P < 0.05)，秸秆深埋与14%~20%氮减施增产效果最优；秸秆覆盖与氮减施可缓解氮素淋溶损失，收获后秸秆深埋显著降低地下水氮污染风险(P < 0.05)，达到改善灌区农田生态环境和提高夏玉米产量的目的.
关键词: 秸秆      氮素      地下水      环境      河套灌区      夏玉米     
Effects of Straw Mulching and Nitrogen Reduction on the Distribution of Soil Nitrogen and Groundwater Nitrogen Pollution
ZHANG Wan-feng , YANG Shu-qing , SUN Duo-qiang , JIN Ya-hong , LOU Shuai , LIU Peng     
Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China
Abstract: To explore the effects of straw mulching and reduced nitrogen fertilization on the temporal and spatial patterns of soil nitrogen, groundwater nitrogen pollution, and summer maize yield, field experiments were carried out in the Hetao irrigation district in 2017 and 2018. The experiment involved the following seven treatments:a control (CK) treatment involving conventional fertilization and traditional tillage, and conventional nitrogen applications reduced by 30% (N1), 20% (N2), and 10% (N3) coupled with either straw surface covering (B) or deep straw burial (S). The results showed that the distribution of soil nitrogen in the CK treatment varied depending on soil depth, with an overall decreasing trend. In the 0-20 cm soil layer under straw surface covering (B) treatments, soil nitrogen was superficially accumulated. NO3--N and NH4+-N content increased by an average of 22.2% and 42.7% compared to the CK treatment, respectively, which decreased significantly at first and then increased slightly with depth. In the 20-40 cm deep soil layer under the deep straw burial (S) treatments, soil nitrogen accumulated and the content of NO3--N and NH4+-N increased by an average of 29.8% and 48.1%, respectively, compared to the CK treatment. Nitrogen accumulation first and then decreased significantly with depth. Nitrogen accumulation under the different straw mulching regimes increased with an increase in the application of reduced nitrogen. After the harvest of summer maize, the accumulation of NO3--N and NH4+-N in the >80 cm soil layer under the B treatments was 19.9%-58.2% and 31.1%-61.7% lower than that of the CK treatment, respectively. This compared to reductions of 36.7%-70.9% and 82.6%-89.2% for the S treatments, respectively. Only the BN3 treatment increased accumulation compared with CK by 0.4% on average, while the SN2 treatment resulted in a 9.3% increase. Summer maize yield and relative indexes were also improved relative to the other treatments. Nonlinear fitting of yield and application reduction showed that deep straw burial was better than surface covering at increasing summer maize production. The effect of deep straw burial and 14%-20% application reduction was better. Straw mulching with reduced nitrogen fertilization can limit nitrogen leaching and thereby reduce the risk of groundwater pollution. After the harvest, groundwater quality was classified in the Ⅱ class, with the risk of nitrogen contamination being lowest under deep straw burial with>20% reduced nitrogen fertilization. These observations show that deep straw deep alongside 14%-20% application reduction could effectively alleviate nitrogen leaching and reduce the risk of nitrogen pollution in groundwater. This approach can help improve the ecological environment and summer maize yields in the Hetao irrigation district.
Key words: straw      nitrogen      groundwater      environment      Hetao irrigation district      summer maize     

氮素是作物生长和产量的基本保证, 农业生产中为获得高产而大量施氮, 但过量施氮不仅对作物增产效果不显著, 还导致盈余氮素在土壤积累及渗漏到地下水, 成为地下水潜在的污染源, 增加农业面源污染风险[1~3].减量施氮可从源头控制氮素流失[4], 减少土壤氮含量, 改善地下水环境[5, 6].相关研究表明适当氮减施可显著减少土壤氮素盈余量[7, 8]及进入地下水TN浓度[9], 极大降低氮素向土壤深层淋溶的风险[10], 减少N2O的排放量[11], 进而改善农田生态环境.玉米秸秆作为某种意义上的氮素缓释有机肥[12], 其还田已被证实在作物增产、降低氮素淋失风险等方面具有积极的效果.秸秆还田可提高土壤保水性[13], 降低土壤无机氮累积量[14], 结合覆膜有效减少氮素淋失量[15]; 缓解农田生态环境污染和因化肥过量造成的土壤退化等问题[16, 17], 减少流域氮素排放量[18], 有效减缓地下水氮素污染[19].也有研究指出高覆盖量秸秆还田提高了NO3--N含量, 降低固定态铵含量[20], 使土壤氮素盈余增加, 增加了土壤氮素淋失风险[21]; 有机肥连续施用提高土壤可溶性有机氮含量[22], Maeda等[23]通过7 a试验发现, 施用有机肥前3 a可实现作物增产和低水平NO3--N淋失, 但长期仍会导致大量NO3--N淋失.前人研究减施对氮素分布及农田环境的影响, 取得积极效果, 但秸秆还田对氮素的影响得出的结论存在差异, 且关于氮减施与不同秸秆覆盖交互作用对土壤氮素分布及地下水氮素污染评价的影响鲜见报道.

本研究以减量施氮从源头控制氮素流失与秸秆覆盖拦截氮素迁移过程的交互作用为出发点, 分析了土壤氮素时空分布、地下水氮素污染评价及夏玉米产量, 以期为改善河套灌区农田生态环境及降低农业面源污染风险提供技术支撑和理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

本试验于2017年和2018年在河套灌区双河镇九庄农业试验示范区展开(40°42′ N、107°24′ E, 海拔1 040~1 043 m), 该地区属中温带半干旱大陆性气候, 年均降水量约138 mm, 年均蒸发量高达2 332 mm, 春冬地表返盐严重.试验区土壤类型为中度盐碱土, 土壤质地为粉砂壤土, 0~100 cm土层平均容重为1.47 g·cm-3, 平均田间持水率为22.57%, pH值为7.95;供试土壤的养分含量为：有机质12.69 g·kg-1、全氮0.71 g·kg-1、全磷0.34g·kg-1、水解氮32.41 mg·kg-1、速效磷9.69 mg·kg-1和速效钾214.92 mg·kg-1.本研究期间夏玉米生育期内试验区日降雨量和气温变化如图 1所示.

图 1 夏玉米生育期气温及日降雨量 Fig. 1 Daily rainfall and temperature during the summer maize growing period

1.2 试验设计

本试验采用2因素裂区设计.主因素为秸秆覆盖方式, 包括秸秆表覆(B处理)和秸秆深埋(S处理); 副因素为减量施氮水平, 包括30%减施(N1)、20%减施(N2)和10%减施(N3);以常规施肥量(225 kg·hm-2, 纯N含量, 在施用时需换算成尿素量)为对照处理(CK), 共7个处理, 3次重复, 随机区组排列.试验小区面积72 m2, 小区间设3 m保护带, 四周用埋深1.2 m聚乙烯塑料膜隔开, 顶部留30 cm, 防止相邻小区水肥影响, 并设外围保护行.具体试验处理如表 1所示.

表 1 试验处理 Table 1 Experimental treatments

1.3 样品采集与检测

(1) 土壤氮素采样与测定在夏玉米拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期及收获后用土钻在田间分层采集0~100 cm土层土样, 分为0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm共5层, 并采用紫外分光光度计测定土壤NO3--N和NH4+-N含量[24].

(2) 夏玉米产量指标收获时, 对夏玉米考种, 测量夏玉米穗长、穗粗等指标; 穗粗、穗长用游标卡尺测定, 测5次, 取平均值; 对收获的籽粒称重, 随机选取3个重复, 每个重复100粒, 各自称量, 计算夏玉米百粒重.

(3) 水样采集与检测试验小区紧挨灌水渠, 受灌水顶托作用, 田间地下水位平均为1.8 m, 本试验以2.5 m处浅层地下水中的氮素含量作为夏玉米生态系统进入地下水渗漏氮素含量.采用播种时埋设安装于各小区的自制渗漏管采样, 埋设深度为4 m, 静止24 h后取基础水样, 随后在抽雄期和收获后取地下水样, 测定地下水中NO2--N、NO3--N和NH4+-N的含量.采集水样后立即送往实验室分析测定各形态氮素含量.据《饮用天然矿泉水检验方法》(GB/T 8538-1995), 采用紫外分光光度法测定水样的NO3--N浓度; 采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N浓度; 采用重氮偶合比色法测定NO2--N浓度.

1.4 数据分析

地下水氮污染风险评价采用模糊综合评价数学模型[25, 26], 并选取灌区农田地下水环境典型污染物NO3--N、NH4+-N和NO2--N作为评价指标, 因素集U={NO2--N, NO3--N, NH4+-N}, 评判集V={Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ}.各污染物对地下水质污染程度的贡献, 不仅与污染物实测浓度有关, 还与地下水质分类中其他污染物允许的浓度标准值有关, 实测同一因素的允许浓度标准值越大对地下水质污染程度越小.因此, 各因素指标权重值ωi计算如式(1)：

(1)

式中, ωi为各因素指标权重值; ci为地下水第i种污染物实测浓度, mg·L-1; Si为第i种元素某种用途水浓度标准, mg·L-1.各因素在地下水中5个类别评判标准值参考GB/T 14848-2017, 如表 2所示.

表 2 地下水水质分类评判标准值/mg·L-1 Table 2 Quality standards for groundwater/mg·L-1

土壤氮素含量的计算采用等质量法[27], 计算如式(2)：

(2)

式中, MTN为等质量土壤氮素含量, kg·hm-2; ρi为第i土层的土壤容重, g·cm-3; hi为第i层的土层厚度, cm; mi为第i层的土壤氮素的实测含量, mg·kg-1.

本试验数据采用Excel 2010处理, SPSS 20.0进行方差分析, 采用最小显著差异法(least significant difference method, LSD)进行显著性检验(P < 0.05).

2 结果与分析 2.1 土壤剖面无机氮分布对不同秸秆覆盖与减施互作的响应 2.1.1 土壤剖面硝态氮的分布

夏玉米生育期内各处理2 a的NO3--N平均含量在0~100 cm土层分布如图 2所示.拔节期, 各处理土壤NO3--N平均含量随减量施氮增加而增加, 秸秆表覆和CK随土层加深而降低, 表层最大, 秸秆深埋随土层加深呈先增后降趋势; 在0~20 cm土层, 秸秆表覆土壤NO3--N含量较秸秆深埋和CK平均提高26.7%和8.9%;在20~40 cm土层, 秸秆深埋土壤NO3--N含量较秸秆表覆和CK平均提高31.6%和6.3%. 2018年秸秆表覆和CK在0~40 cm土壤NO3--N含量较2017年显著降低, CK降低19.6%, 秸秆表覆降低5.6%~13.8%, 且降幅随减量施氮增大而增大; 在>40 cm土层NO3--N含量除BN1降低0.6%, CK提高8.9%, BN2和BN3分别提高1.5%和5.6%;相比秸秆覆盖和CK处理, 秸秆深埋的2018年土壤NO3--N含量较2017年在0~20 cm土层降低10.8%~28.5%;而20~40 cm土层提高7.2%~13.8%;在>40 cm土层2 a间差异不显著.可能因2018年拔节期降雨量大所致, 降雨增加氮素淋溶量, 但秸秆深埋形成的隔层拦截氮素向深层迁移, 使得20~40 cm土层NO3--N含量提高, 而>40 cm土层差异不显著.

图 2 夏玉米生育期不同处理土壤NO3--N平均含量 Fig. 2 Average soil NO3--N content during the summer maize growth period under the different treatments

与拔节期相比, 抽雄期各处理土壤NO3--N含量达到峰值, 随土层加深, 秸秆表覆和CK逐渐降低, 尤其在>80 cm土层降幅最大; 随减量施氮增加, 各土层均有不同程度升高.秸秆深埋随土层加深呈先增后减趋势, 40~60 cm土层较20~40 cm土层大幅减少, 约为55.1%~67.1%, 随减量施氮增加, 减幅随着增大; 秸秆表覆和CK在40~60 cm土层仅减少了5.2%~10.5%.说明高施氮水平增加了NO3--N在土壤剖面累积, 随土壤水下移, 但秸秆深埋形成的阻碍层减缓NO3--N下移, 在秸秆隔层累积.在40~60 cm土层, 秸秆深埋SN3的NO3--N平均含量较CK降低27.1%, 而BN3较CK仅降低4.6%.灌浆期BN2和BN3在0~20 cm土层NO3--N含量较CK平均提高23.5%和38.7%, 其他处理与CK差异不显著; 秸秆表覆随土层加深呈先减后增趋势, 增幅较小, 而秸秆深埋呈先增后减趋势, CK呈波动变化, 总趋势减小.成熟期各处理表层土壤硝态氮含量均显著下降, 减量施氮水平间差异变小; 秸秆表覆表层土壤NO3--N平均含量较CK提高5.5%~19.7%, 秸秆深埋较CK降低5.3%~21.8%;秸秆深埋在20~40 cm土层较CK平均提高5.7%~44.4%, 而秸秆表覆处理较CK降低3.1%~27.4%;在>40 cm土层各处理土壤NO3--N平均含量随土层加深而降低, 平均降幅依次为S>B>CK.

2.1.2 土壤剖面铵态氮的分布

夏玉米生育期内各处理2 a的NH4+-N平均含量在0~100 cm土层分布如图 3所示. NH4+-N平均含量在0.44~13.43 mg·kg-1之间变化, 整体趋势与硝态氮类似, 各处理耕作层的NH4+-N平均含量随生育期推移呈先升后降趋势, 抽雄期出现峰值, 后降低, 成熟期降到最低.从秸秆覆盖方式看, 同一减施水平, 在0~20 cm土层, 秸秆表覆的NH4+-N平均含量较秸秆深埋各处理提高146.9%~216.5%, 而在20~40 cm土层, 秸秆深埋较秸秆表覆各处理提高136.8%~165.2%;从减施水平看, 随减施水平增大, NH4+-N平均含量逐渐降低, 土层间变化差异较大.秸秆表覆NH4+-N表聚, 随着土层加深, 逐渐降低, 但成熟期在>80 cm土层有增大趋势; 秸秆深埋的NH4+-N在20~40 cm土层有聚集现象, 随着土层加深, 呈先增后降趋势, 在60~80 cm土层下降幅度最大; 但CK各土层无聚集现象, 随土层加深, 整体呈降低趋势, 各土层降幅变化较小, 成熟期>80 cm土层有增大的趋势. 2018年秸秆表覆NH4+-N含量, 在0~20 cm土层增大1.8%~11.4%, 增幅随减施水平增大而降低; 在20~40 cm土层降低; 在>40 cm土层逐渐增大, 增幅均小于2%; CK处理的NH4+-N含量在2018年较2017年在表层降低, 深层增大, 2 a的土壤NH4+-N含量随土层加深而整体降低.相比秸秆表覆处理和CK, 秸秆深埋处理的NH4+-N含量在2018年较2017年在0~20 cm土层降低7.8%~30.2%;在20~40 cm土层提高6.6%~20.4%;在>40 cm土层呈降低趋势, 平均降低2.5%~7.1%, 降幅随减量施氮增加而增大.

图 3 夏玉米生育期不同处理NH4+-N平均含量 Fig. 3 Average soil NH4+-N content during the summer maize growth period under the different treatments

2.2 夏玉米收获后土壤无机氮累积量对不同秸秆覆盖与减氮配施互作的响应 2.2.1 夏玉米收获后土壤NO3--N平均累积量

夏玉米收获后0~100 cm土层NO3--N平均累积量如表 3所示, 各处理平均在146.16~245.8 kg·hm-2之间, 随减量施氮水平增大而降低, 减施量10%时, 土壤NO3--N累积量最大, 较CK平均降低6.8%, 减氮量越多NO3--N累积量越少.随土层深度加深, 秸秆深埋处理的NO3--N累积量呈先增后降趋势, 显著提高20~40 cm土层NO3--N累积量, 较秸秆表覆和CK平均提高82.6%和30.7%;秸秆表覆处理随土层加深呈降低趋势, 显著提高0~20 cm土层NO3--N累积量, 较秸秆深埋和CK平均提高108.9%和47.3%; CK处理的NO3--N累积量分布呈波状, 各土层无聚集现象, 随土层加深整体呈降低趋势.在40~100 cm土层NO3--N平均累积量依次是CK>B>S; 在>80 cm土层, 秸秆深埋和秸秆表覆处理NO3--N累积量分别较CK平均降低53.5%和36.7%, 说明秸秆覆盖可显著减少深层土壤NO3--N累积量, 降低NO3--N向深层土壤淋失的风险, 秸秆深埋效果较好.

表 3 夏玉米收获后不同处理各土层NO3--N的平均累积量1)/kg·hm-2 Table 3 Average accumulation of NO3--N under the different treatments after the summer maize harvest in different soil layers/kg·hm-2

2.2.2 夏玉米收获后土壤NH4+-N平均累积量

夏玉米收获后0~100 cm土层NH4+-N平均累积量如表 4所示, 各处理平均在21.48~37.69 kg·hm-2之间.与表 3相比, 相同处理NH4+-N平均累积量显著低于NO3--N累积量.同一秸秆覆盖, NH4+-N平均累积量随施氮量增加, 呈上升趋势, 减量10%处理最大, 较CK平均降低5.9%, 减量越多NH4+-N累积量越少. NH4+-N与NO3--N平均累积量变化趋势类似：随土层加深, NH4+-N平均累积量在秸秆深埋下呈先增后降趋势, 显著提高20~40 cm土层累积量; 在秸秆表覆下呈降低趋势, 显著提高0~20 cm土层累积量; CK各土层NH4+-N累积量呈增大趋势; 在40~100 cm土层NH4+-N累积量依次是CK>B>S, 随减氮量减少而增加; 在>80 cm土层, 秸秆深埋和秸秆表覆处理的NH4+-N累积量分别较CK平均降低85.5%和44.7%, 说明秸秆覆盖可显著减少深层土壤NH4+-N累积量, 降低NH4+-N向深层土壤淋失的风险, 秸秆深埋效果较好.

表 4 夏玉米收获后不同处理各土层NH4+-N的平均累积量/kg·hm-2 Table 4 Average accumulation of NH4+-N under the different treatments after the summer maize harvest in different soil layers/kg·hm-2

2.3 地下水氮污染风险评价

据地下水质量标准(表 2)和不同时期实测地下水污染物浓度, 依式(1)计算各污染物指标权重值(表 5), 将各污染物实测浓度代入隶属度函数[25, 26], 得到各指标对应地下水质分类的隶属度矩阵, 最后依照最大隶属原则分析评判出地下水质类别, 即各处理对地下水氮素污染风险评价(因研究期间氮素对地下水环境影响的变化趋势基本一致, 此处仅列出2017年数据, 如表 6所示, 2018年数据未列出).

表 5 2017年各处理地下水中氮素形态指标的权重值 Table 5 Weight value of nitrogen in groundwater under the different treatments in 2017

表 6 2017年各处理地下水水质类别1) Table 6 Water quality classification of groundwater under the different treatments in 2017

各处理在播种期地下水水质类别均为Ⅱ类, 无差异, 氮污染风险较小; 夏玉米抽雄期, 氮素在土壤中氮素含量达到峰值, 随土壤水逐渐渗漏进入地下水, 对地下水产生不同程度的氮素污染, 特别是CK和BN3的地下水质类别为Ⅴ类, 说明高施氮量引起地下水严重氮污染风险, 且秸秆表覆对氮素拦截无效, 与CK无差异; 秸秆表覆的高、中减施水平BN1和BN2地下水质类别为Ⅳ类, 存在较严重氮素污染风险; 秸秆深埋各处理地下水质类别为Ⅲ类, 存在较大氮污染风险, 但显著降低了地下水氮污染风险.说明地下水氮污染风险随减施水平增大而降低, 秸秆深埋在一定程度上可拦截氮素下移, 降低地下水氮污染风险.夏玉米收获后各处理地下水环境有所好转, 除CK地下水为Ⅳ类, 存在较严重氮素污染风险, 其它处理地下水均为Ⅲ类以上; BN2、BN3和SN3的地下水为Ⅲ类, 存在较大氮污染风险, 而BN1、SN1和SN2处理地下水提升为Ⅱ类, 氮污染风险较小.说明随着时间推移, 地下水氮素污染有所好转, 相比CK(Ⅳ类), 秸秆深埋处理显著降低地下水氮素污染风险, 效果较佳.

2.4 秸秆覆盖与减氮交互对夏玉米产量的影响

夏玉米产量受植株穗长、穗粗和百粒重等指标影响(表 7).同一减施水平下, 秸秆深埋处理的平均穗长和穗粗较秸秆表覆显著提高; 秸秆表覆的穗长和穗粗均随施氮量增加而增大, 而秸秆深埋则呈先增后减趋势, SN2最大, 穗长和穗粗较CK平均增加7.9%和7.8%(P < 0.05).秸秆表覆处理中仅BN3与CK百粒重无差异, 其他处理较CK显著降低; 秸秆深埋仅SN1的百粒重较CK降低, SN2和SN3较CK平均提高12.3%和6.4%(P < 0.05).同一减施水平, 秸秆深埋的夏玉米产量较秸秆表覆平均提高8.2%、10.8%和4.1%, 且秸秆表覆的夏玉米产量随施氮量增加而提高, BN3最高, 仅较CK平均增产0.4%, 效果不显著; 秸秆深埋的夏玉米产量随施氮量增加呈先增后减趋势, SN2最大, 较CK平均增产9.3%, 夏玉米产量与各处理百粒重的变化趋势一致. 2018年CK的产量较2017提高2.9%, 秸秆表覆提高6.9%, 秸秆深埋提高4.1%, 说明随降雨增多, 秸秆覆盖较CK利于作物增产, 但秸秆深埋增产效果不显著, 其更适宜少雨年份(2017年).秸秆覆盖与氮减施在夏玉米农艺性状及产量上存在显著或极显著的互作效应, 秸秆深埋与20%减施SN2增产效果显著, 优于其它处理.

表 7 不同处理夏玉米产量及其指标平均值1) Table 7 Mean summer maize yields and related indexes under the different treatments

为进一步分析不同秸秆覆盖与减氮配施对夏玉米产量影响趋势, 采用SPSS软件拟合2018年秸秆覆盖各处理夏玉米产量与减施水平间非线性关系. 2018年秸秆覆盖各处理夏玉米产量与减施水平间关系如图 4(a)所示, 均呈二次函数关系, 如式(3)和式(4)：

(3)
(4)
图 4 氮减施水平与夏玉米产量间关系 Fig. 4 Relationship between nitrogen reduction level and summer maize yield

式中, Y为夏玉米产量, kg·hm-2; X为减量施氮水平, kg·hm-2.

用2017年实测值率定得到图 4(b), 结果表明模拟值与实测值相关程度较好, 模型可较好地描述在不同秸秆覆盖下氮减施水平与夏玉米产量间的关系.模拟结果表明, 秸秆深埋施氮量为193.7 kg·hm-2, 即减量14%时夏玉米理论产量最高为8 348.2 kg·hm-2; 秸秆表覆施氮量为200.0 kg·hm-2, 即减量11%时夏玉米理论产量最高为7 850.0 kg·hm-2, 秸秆深埋较秸秆表覆增产效果好.

3 讨论

氮素污染是农业面源污染的主要表现形式, 减量施氮可从源头控制氮素流失, 提高氮肥利用效率[28, 29].本试验结果表明, 各处理土壤氮素含量随减施水平提高而显著减少, 随着夏玉米生育期推移逐渐降低.土壤氮素含量与夏玉米消耗和土壤吸附等因素密切相关, 同时更受土壤氮素下移量的影响[30].秸秆表覆处理在0~20 cm土层的氮素表聚, 秸秆表覆处理在20~40 cm土层的氮素聚集, 且聚集累积量随减施水平提高而减小.这是因为秸秆还田提高土壤通透性, 对土壤氮素具有一定的转化与固持作用[31], 但玉米秸秆C/N较高, 不易分解, 抑制土壤氮素矿化[32, 33], 配施适量氮肥可有效提高土壤有机质和脲酶活性[34], 增加亚硝酸细菌等微生物数量, 促进氮素累积[35].

本试验发现在夏玉米生长中后期氮素逐渐往土壤深层迁移, 且随减施水平提高而减小, 秸秆覆盖可缓解氮素下移趋势.收获后秸秆深埋显著降低>80 cm土层的NH4+-N和NO3--N平均累积量, 较CK平均降低36.7%~70.9%和82.6%~89.2%, 且较秸秆表覆的效果好.另外, 对地下水氮素污染评价表明, 秸秆覆盖结合氮减施可显著降低地下水质氮素污染的风险.相比CK(Ⅳ类), 夏玉米收获后秸秆覆盖的地下水氮素污染有所减轻, 以BN1、SN2和SN1(Ⅱ类)对地下水氮素污染风险最低, 秸秆深埋处理效果较好.这是由于秸秆质地粗糙表面积较大, 秸秆深埋改变土壤水入渗形式[36], 延长土壤水在耕作层停蓄, 有效降低土壤水入渗能力[37]; 同时秸秆的强吸附性可提高秸秆隔层持水能力, 有效降低壤中流产流量, 减少渗漏, 减缓了以水分作为垂直运移载体的氮素淋失[38, 39].而秸秆表覆处理氮素尽管在表层聚集, 但对土壤水分入渗影响不显著, 与CK类似, 不能有效减缓氮素淋失.另外, 氮淋失与作物根系分布密切相关, 庞大根系有效提高氮利用率, 减少氮素渗漏[40].夏玉米根系主要分布在0~40 cm土层, 当氮素运移到>40 cm土层难再被吸收, 而秸秆深埋营造养分充裕的微环境[41, 42], 与适宜减氮配施为夏玉米中后期生长提供持续养分, 促进根系生长, 特别是提高>40 cm土层根长密度[43], 促进对深层土壤氮素吸收, 减少氮渗漏, 进而降低地下水氮污染风险.然而, 常规耕作CK因过量施氮导致土壤氮残留较多, 易随壤中流运移到>40 cm土层, 且常规耕作的夏玉米深层根不发达, 难再吸收深层氮素, 这部分氮素随时间推移会引起地下水氮素污染.

作物产量因施氮产生差异, 本质是土壤中能够被植株吸收的氮素养分间差异[44].玉米秸秆作为某种意义上的氮素缓释有机肥, 增加碳氮投入, 提高土壤供氮能力[12, 45, 46], 在作物生长后期将其含有的养分缓慢释放提供给作物[47], 与适量减氮配施可打破秸秆自身养分不足的局限性[48], 实现根层养分供应与作物高产需求的系统平衡, 形成良好库-源系统, 提高土壤-作物系统氮利用率[49], 达到提效增产的目标.试验结果表明, 夏玉米产量及其指标与秸秆覆盖结合减施氮水平存在显著(P < 0.05)或极显著(P < 0.01)的互作效应, 秸秆表覆对产量等相关指标提高不显著, 随施氮量增加而增大, 仅BN3较CK平均增产0.4%;秸秆深埋显著提高产量等相关指标, 随施氮量增加呈先增后减趋势, SN2较佳, 较CK平均增产9.3%.通过对夏玉米产量与减施水平拟合表明, 秸秆深埋较秸秆表覆增产效果好, 当秸秆深埋结合减施14%~20%氮肥时, 夏玉米可实现增产及有效降低地下水氮素污染风险的目标.

4 结论

(1) 与常规施肥耕作相比, 秸秆覆盖可显著降低深层土壤氮素积累量(P < 0.05), 减少土壤氮素淋溶损失, 改善地下水环境, 秸秆深埋效果较好.

(2) 秸秆深埋与20%氮减施SN2处理的整体效果较优, 平均增产9.3%, 夏玉米收获后在>80 cm土层的土壤NO3--N累积量平均降低56.8%, 土壤NH4+-N累积量平均降低84.7%, 秸秆隔层形成有效拦截氮素运移的保护屏障, 显著降低了地下水氮素污染风险(P < 0.05).

(3) 夏玉米产量与氮减施水平模拟结果表明, 秸秆深埋结合减施14%~20%氮肥, 可实现夏玉米增产及降低地下水氮素污染风险的目标.

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