环境科学  2022, Vol. 43 Issue (9): 4839-4847   PDF    
引用本文
宋佳杰, 徐郗阳, 白金泽, 于琦, 程伯豪, 冯永忠, 任广鑫. 秸秆还田配施化肥对土壤养分及冬小麦产量的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(9): 4839-4847.
SONG Jia-jie, XU Xi-yang, BAI Jin-ze, YU Qi, CHENG Bo-hao, FENG Yong-zhong, REN Guang-xin. Effects of Straw Returning and Fertilizer Application on Soil Nutrients and Winter Wheat Yield[J]. Environmental Science, 2022, 43(9): 4839-4847.
秸秆还田配施化肥对土壤养分及冬小麦产量的影响
宋佳杰1, 徐郗阳1, 白金泽1, 于琦1, 程伯豪1, 冯永忠1,2, 任广鑫1     
1. 西北农林科技大学农学院, 杨凌 712100;
2. 陕西省循环农业工程技术研究中心, 杨凌 712100
收稿日期: 2021-12-05; 修订日期: 2022-01-14
基金项目: 国家自然科学基金项目(31971859); 华北作物改良与调控国家重点实验室开放课题项目; 宁夏回族自治区重点研发计划重大(重点)项目(2019BBF02007)
作者简介: 宋佳杰(1998~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为农田土壤养分管理和生态化学计量, E-mail: 18434763370@163.com
通信作者: 冯永忠, E-mail: fengyz@nwsuaf.edu.cn
摘要: 为探究关中地区秸秆还田配施化肥对土壤养分和冬小麦产量的影响, 研究采用裂区试验设计, 主区为：秸秆不还田(S0)和秸秆还田(S); 副区为：不施肥(WF)、氮肥(NF)和氮磷肥(NPF).应用生态化学计量的方法, 探究秸秆还田配施化肥下土壤碳氮磷含量变化及其和产量的关系.结果表明, 秸秆和施肥互作对表层(0~20 cm)土壤有机碳、全氮和全磷含量均产生显著影响(P < 0.05).与S0WF处理相比, SNPF处理显著提高表层(0~20 cm)土壤有机碳和全氮含量(P < 0.05).秸秆和年份互作对表层(0~20 cm)土壤全氮含量产生显著影响(P < 0.05), 随着秸秆还田时间的增加, 在2021年SWF处理下表层(0~20 cm)土壤全氮含量显著高于S0WF(P＜0.05).秸秆和施肥及其互作对20~40 cm土层有机碳和全氮含量无显著影响(P>0.05), 但对20~40 cm土壤全磷含量产生显著影响(P < 0.05), 与SWF处理相比, SNPF处理显著增加了20~40 cm土层全磷含量(P＜0.05).秸秆还田配施化肥对土壤化学计量特征也产生显著影响.与S0WF处理相比, S0NPF处理能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N, 提高表层(0~20 cm)土壤C ∶P和N ∶P.与SWF处理相比, SNF处理能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N.秸秆还田配施化肥对冬小麦产量也产生显著影响, 2020年和2021年SNPF处理与S0WF处理相比分别增产24.23%和28.9%.相关性分析表明, 产量与C ∶N(P < 0.05)和C ∶P(P < 0.01)呈显著正相关关系.全氮和N ∶P与处理年份呈极显著正相关关系(P < 0.001).综上所述, 在关中地区秸秆还田配施氮磷肥处理(SNPF)会改善土壤养分, 改变土壤化学计量特征, 同时提高产量.因此, 本研究结果表明秸秆还田配施氮磷肥(SNPF)是优化区域农田养分管理, 提高粮食生产能力的有效途径.
关键词: 冬小麦      秸秆还田      化肥      土壤养分      产量     
Effects of Straw Returning and Fertilizer Application on Soil Nutrients and Winter Wheat Yield
SONG Jia-jie1 , XU Xi-yang1 , BAI Jin-ze1 , YU Qi1 , CHENG Bo-hao1 , FENG Yong-zhong1,2 , REN Guang-xin1     
1. College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Shaanxi Engineering Research Center of Circular Agriculture, Yangling 712100, China
Abstract: In order to explore the effects of straw returning combined with fertilizer on soil nutrients and winter wheat yield in the Guanzhong area, an experimental split plot design was utilized. The main plot consisted of no straw returning (S0) and straw returning (S). The sub-regions consisted of no fertilizer (WF), nitrogen fertilizer (NF), and nitrogen and phosphate fertilizer (NPF). Ecological stoichiometry was used to study the relationship between soil carbon, nitrogen, phosphorus content, and yield under straw returning combined with nitrogen and phosphorus fertilizer conditions. The results showed that straw and fertilization interactions had significant effects on soil organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus contents in the surface layer (0-20 cm) (P < 0.05). Compared with that in the S0WF treatment, the SNPF treatment significantly increased soil organic carbon and total nitrogen contents in the surface layer (0-20 cm) (P < 0.05). The interaction between straw and year had significant effects on soil total nitrogen content in the surface layer (0-20 cm) (P < 0.05). With the increase in straw returning time, the total nitrogen content of soil 0-20 cm under the SWF treatment was significantly higher than that under the S0WF treatment (P < 0.05). Straw and fertilization and their interaction had no significant effects on organic carbon and total nitrogen contents in the 20-40 cm soil layer (P>0.05). Straw and straw interaction with fertilization significantly affected total P content in 20-40 cm soil (P < 0.05). Compared with that in the SWF treatment, the SNPF treatment significantly increased the total phosphorus content in the 20-40 cm soil layer (P < 0.05). Straw returning combined with chemical fertilizer also had a significant effect on soil stoichiometry. Compared with that in the S0WF treatment, the S0NPF treatment decreased soil C ∶N in the surface layer (0-20 cm) and increased soil C ∶P and N ∶P in the surface layer (0-20 cm). Compared with that in the SWF treatment, the SNF treatment reduced soil C ∶N in the surface layer (0-20 cm). Straw returning combined with chemical fertilizer also had a significant effect on winter wheat yield. In 2020 and 2021, the SNPF treatment increased production by 24.23% and 28.9%, respectively, compared with that of the S0WF treatment. Correlation analysis showed that yield was significantly positively correlated with C ∶N (P < 0.05) and C ∶P (P < 0.01). At the same time, total nitrogen and N ∶P were positively correlated with treatment years (P < 0.001). In conclusion, straw returning and that combined with nitrogen and phosphate fertilizer (SNPF) can improve soil nutrient characteristics, change soil stoichiometric characteristics, and increase yield in the Guanzhong area. Therefore, the results of this study indicate that straw returning combined with nitrogen and phosphate fertilizer (SNPF) is an effective way to optimize regional farmland nutrient management and improve grain production capacity.
Key words: winter wheat      straw returning      nitrogen phosphorus fertilizer      soil nutrient      yield     

秸秆还田是秸秆资源化利用最有效的方式之一, 也是实现农业绿色发展的重要举措[1].据统计中国每年农业活动会产生7~9亿t的作物秸秆[2, 3], 秸秆还田不仅可以有效减少秸秆焚烧引起的资源浪费和环境污染, 也可以作为有机物料补充土壤养分, 改善土壤理化性质[4, 5].连续3 a的稻麦秸秆还田试验表明, 与秸秆不还田相比, 秸秆还田能够显著增加土壤氮(2.61%)、磷(4.05%)、钾(18.25%)和有机质(5.90%)的含量[6].然而也有研究表明, 单一秸秆还田会导致土壤C ∶N失衡, 造成土壤微生物与作物争夺氮素, 影响作物生长[7].与此同时, 单一秸秆还田不能完全满足作物生长对土壤养分的需求, 作物增产效果不明显[8].秸秆还田配施化肥已经成为了培肥增产的重要举措[9].宫明波等[10]的研究表明, 秸秆还田配施中等氮肥可以显著提高土壤有机质和速效钾含量, 同时显著提高作物产量.Chen等[11]利用7 a定位试验研究表明, 秸秆还田配施化肥可以显著提高土壤有机碳、全氮和速效磷含量.秸秆还田配施化肥可以有效提高0~20 cm全氮含量[12].有研究表明, 与单独外源秸秆输入相比, 外源秸秆和氮肥共同输入改善了土壤C ∶N, 促进了土壤内外有机碳的分解[13].作物秸秆还田不仅改善土壤理化性质, 而且对农田C、N、P元素的循环有很大的影响.

生态化学计量学作为一门新兴学科, 为C、N、P等元素的生物地球化学循环的研究提供了新思路和新方法[14].国内外学者对于陆地、海洋、森林、草原、茶园和湿地等生态系统的生态化学计量特征已经进行了大量的研究[15~18].在农田生态系统研究较少, 前人研究表明, 土地利用方式会通过改变土壤的输入和输出, 改变地上植物群落, 改变土壤C、N、P的生物地球化学循环[19, 20].施肥可以影响农作物N、P等元素的吸收和分配, 从而导致土壤养分含量和生态化学计量比发生变化[21].长期定位试验也表明, 施肥会影响土壤-植株碳氮磷生态化学计量特征, 并且表明生态化学计量比对农田土壤养分具有指示作用[22].但是在农田生态系统中, 秸秆还田配施化肥对生态化学计量特征的研究却鲜见报道.

目前秸秆还田可以改善土壤理化性质, 提高作物产量已经成为共识, 但是秸秆还田如何影响土壤化学计量特征？土壤化学计量特征和产量之间的关系如何？目前仍然没有明确的结论.因此本文以冬小麦为研究对象, 分析秸秆还田配施化肥对土壤养分及冬小麦产量的影响, 并且探究秸秆还田配施化肥下, 土壤化学计量特征和产量之间的关系, 以期为关中地区科学合理利用秸秆, 调节土壤养分提高作物产量提供理论指导.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验于2019~2021年在陕西省西北农林科技大学曹新庄试验农场(E108°04′, N34°17′)进行.该地区位于关中平原中部, 主要种植制度为麦-玉轮作, 一年两熟制; 属于典型的暖温带半湿润季风气候, 年平均降水量为660 mm, 主要集中在7~9月, 年均气温12.9℃, 年日照时数2 163.5 h, 平均蒸发量993.2 mm, 湿润指数0.64, 无霜期211 d.试验地土壤为塿土, 基础理化性质：ω(有机质)为7.79 g ·kg-1、ω(全氮)为1.4 g ·kg-1、ω(全磷)为0.53 g ·kg-1、ω(速效磷)为9.97 g ·kg-1、ω(速效钾)为143.44 g ·kg-1、ω(碱解氮)为28.47 g ·kg-1和pH为8.26.

1.2 试验设计

本试验开始于2019年6月, 采用裂区设计, 主区为：秸秆不还田(S0)和秸秆还田(S); 副区为：不施肥(WF)、氮肥(NF)和氮磷肥(NPF), 组成秸秆不还田不施肥(S0WF)、秸秆不还田配施氮肥(S0NF)、秸秆不还田配施氮磷肥(S0NPF)、秸秆还田不施肥(SWF)、秸秆还田配施氮肥(SNF)和秸秆还田配施氮磷肥(SNPF)共6个处理, 3次重复, 共18个小区, 试验区面积均为64 m2 (8 m×8 m).供试冬小麦品种为晋麦47, 每年10月10~15日播种, 次年6月上旬收获.施肥于每年冬小麦和夏玉米播种前作为基肥一次性施入, 冬小麦施肥量为：NF 225 kg ·hm-2(N, 尿素), NPF 225 kg ·hm-2(N, 尿素)和140 kg ·hm-2(P2O5, 过磷酸钙), WF不施肥.夏玉米施肥量为：NF 180 kg ·hm-2(N, 尿素), NPF 180 kg ·hm-2(N, 尿素)和90 kg ·hm-2(P2O5, 过磷酸钙), WF不施肥.冬小麦和夏玉米均不施用钾肥.其余田间管理措施与当地农户保持一致.

秸秆不还田(S0)在作物收获后, 地上部秸秆采用人工方式移除农田, 留茬高度为5 cm.秸秆还田(S)将作物秸秆全部还田(玉米季秸秆还田量为7 500 kg ·hm-2, 小麦季秸秆还田量为6 000 kg ·hm-2), 先用秸秆粉碎机将小区内所有秸秆粉碎, 散布于土壤表面.随后所有小区采用旋耕, 其中旋耕深度为10 cm.

1.3 测定项目及方法

土壤样品以五点取样法于每年6月中旬冬小麦收获后, 采集0~40 cm土层土样(20 cm/层)土壤样品经室内自然风干、剔除秸秆及小石块等杂物后, 研磨过筛(100目)待测.土壤样品测定方法为：有机碳(SOC)采用重铬酸钾容量法, 全氮(TN) 采用凯氏法消解, AA3型连续流动分析仪测定, 全磷(TP)采用H2SO4-HClO4消解[23].冬小麦成熟期, 去除边际效应各处理随机收获1 m2, 重复3次, 测定产量.

1.4 数据处理与分析

本研究土壤C ∶N、C ∶P和N ∶P均采用元素质量比.采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件对试验数据进行整理分析.不同处理间进行单因素方差分析及LSD多重比较(P < 0.05), 使用Origin 2021b进行数据的可视化.

2 结果与分析 2.1 秸秆还田配施化肥对土壤养分的影响

多因素方差分析表明(表 1), 施肥对表层(0~20 cm)土壤有机碳含量产生极显著影响(P < 0.001), 连续2 a试验结果表明(图 1), 与S0WF处理相比, S0NF和S0NPF处理均提高表层(0~20 cm)土壤有机碳含量.秸秆与施肥互作对表层(0~20 cm)土壤有机碳含量产生显著影响(P < 0.05), 连续2 a试验结果也表明, 与S0WF处理相比, SNPF处理显著提高表层(0~20 cm)土壤有机碳含量(P < 0.05).多因素方差分析表明, 秸秆和施肥及其互作对20~40 cm土壤有机碳含量无显著影响(P>0.05).

表 1 秸秆、施肥和年份及其交互作用对土壤养分指标的影响1) Table 1 Effects of straw, fertilization, year, and their interactions on soil nutrient indexes

不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) 图 1 秸秆还田配施化肥下土壤有机碳含量 Fig. 1 Soil organic carbon content under straw returning and fertilizer application

多因素方差分析表明(表 1), 秸秆、施肥和处理年份及其互作对表层(0~20 cm)土壤全氮含量均产生显著影响.由图 2分析可得, 随着秸秆还田时间的增加, SWF处理下表层(0~20 cm)土壤全氮含量显著高于S0WF(P＜0.05).随着施肥年份的增加, S0NF和S0NPF处理下表层(0~20 cm)土壤全氮含量均显著高于S0WF(P＜0.05).秸秆和施肥互作对表层(0~20 cm)土壤全氮含量也产生显著影响(P＜0.05), 与S0WF处理相比, SNF和SNPF处理均显著提高表层(0~20 cm)土壤全氮含量.多因素方差分析表明, 单一秸秆和施肥对20~40 cm土壤全氮含量无显著影响(P>0.05).但是施肥和处理年份互作对20~40 cm土壤全氮含量有显著性影响(P＜0.05), 2021年S0NF和S0NPF处理与2020年相比, 显著提高了20~40 cm土壤全氮含量(P＜0.05).

不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) 图 2 秸秆还田配施化肥下土壤全氮含量 Fig. 2 Soil total nitrogen content under straw returning and fertilizer application

多因素方差分析表明(表 1), 施肥显著影响表层(0~20 cm)土壤全磷含量(P＜0.01), 连续2 a试验结果表明S0NPF处理下表层(0~20 cm)土壤全磷含量显著低于S0WF处理(P＜0.05).由图 3分析可得, 秸秆和施肥互作对表层(0~20 cm)土壤全磷含量也产生极显著影响(P＜0.001), 连续2 a试验结果也表明, SNF和SNPF处理下, 表层(0~20 cm)土壤全磷含量高于SWF处理(P>0.05).多因素方差分析也表明, 秸秆处理和秸秆与施肥互作对20~40 cm土层全磷含量均产生显著影响(P＜0.01), 连续2 a试验结果表明, 与SWF处理相比, S0WF处理增加了20~40 cm土层全磷含量(P>0.05), SNPF处理显著增加了20~40 cm土层全磷含量(P＜0.05).

不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) 图 3 秸秆还田配施化肥下土壤全磷含量 Fig. 3 Soil total P content under straw returning and fertilizer application

2.2 秸秆还田配施化肥对土壤化学计量特征的影响

连续2 a试验结果表明, 不同处理下表层(0~20 cm)土壤C ∶N为7.19~14.70、C ∶P为5.49~14.31和N ∶P为0.70~1.10(表 2).由表 2多因素方差分析结果表明, 秸秆处理对表层(0~20 cm)土壤化学计量特征无显著影响(P>0.05), 施肥对表层(0~20 cm)土壤化学计量特征产生显著影响.随着施肥时间的增加, 在2021年与S0WF处理相比, S0NPF和S0NF处理均降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N(P>0.05).施肥对表层(0~20 cm)土壤C ∶P和N ∶P均产生极显著影响(P < 0.001), 连续2 a试验结果表明, 与S0WF处理相比, S0NF和S0NPF处理均提高表层(0~20 cm)土壤C ∶P, S0NPF处理显著提高表层(0~20 cm)土壤N ∶P(P＜0.05).秸秆还田与施肥互作对表层(0~20 cm)土壤化学计量特征无显著影响(P>0.05), 但是连续2 a试验结果表明, 与SWF处理相比, SNF处理能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N.

表 2 秸秆还田配施化肥下土壤化学计量特征1) Table 2 Soil stoichiometry under straw returning and fertilizer application

连续2 a试验结果表明, 不同处理下20~40 cm土壤C ∶N为5.89~12.08、C ∶P为4.95~9.83和N ∶P为0.67~0.96(表 2).由表 2多因素方差分析结果表明, 秸秆处理对20~40 cm土壤化学计量产生显著影响(P＜0.05), 随着秸秆还田时间的增加, 在2021年与S0WF处理相比, SWF处理均能显著提高20~40 cm土壤C ∶N和C ∶P.秸秆处理和施肥互作对20~40 cm土壤化学计量产生显著影响(P＜0.05), 随着处理时间的增加, 在2021年与SWF处理相比, SNF处理能够降低20~40 cm土壤C ∶N和C ∶P.

2.3 秸秆还田配施化肥对冬小麦产量的影响

由表 3多因素方差分析结果表明, 秸秆处理对冬小麦的产量表现出极显著影响(P < 0.001), 随着秸秆还田时间的增加, 2021年与2020年相比SWF处理产量提高了1.97%(表 3).施肥处理对冬小麦的产量表现出显著影响(P < 0.05), 连续2 a试验结果表明, 与S0WF相比, S0NF和S0NPF处理均显著提高冬小麦产量(P < 0.05).秸秆和施肥处理互作对冬小麦产量也产生影响(P>0.05), 连续2 a试验结果表明, 与S0WF相比, SNF和SNPF处理均提高冬小麦产量.

表 3 秸秆还田配施化肥对冬小麦产量的影响1) Table 3 Effects of straw returning and fertilizer application on winter wheat yield

2.4 冬小麦产量对土壤碳氮磷及化学计量特征变化的响应

由图 4可知, 产量与C ∶N呈显著正相关关系(P < 0.05)与C ∶P呈显著正相关关系(P < 0.01), N ∶P与年份(P < 0.001)、SOC(P < 0.01)、TN(P < 0.001)和C ∶P(P < 0.001)呈显著正相关关系, 与TP呈极显著负相关关系(P < 0.001).C ∶P与SOC和C ∶N呈显著正相关关系(P < 0.001), 与TP呈显著负相关关系(P < 0.001). C ∶N与SOC呈显著正相关关系(P < 0.001), 与年份(P < 0.01)和TP(P < 0.05)呈显著负相关关系.TN与年份(P < 0.001)和SOC (P < 0.05)呈显著正相关关系.

图 4 土壤碳氮磷含量及化学计量特征与冬小麦产量之间的相关性 Fig. 4 Correlation between soil C, N, P contents and stoichiometric characteristics and winter wheat yield

3 讨论 3.1 秸秆还田配施化肥对土壤养分的影响

有机碳作为农田生态系统中土壤生物化学循环的关键[24], 40 a田间定位试验表明, 秸秆还田配施化肥能显著增加0~20 cm土壤有机碳含量, 并且这一效应随着还田年限的增加, 其对土壤理化性质的改善作用越明显[25, 26].也有研究表明, 与单施化肥相比, 秸秆还田配施化肥对农田土壤的固碳效果更好[27].本研究也发现, 秸秆还田配施氮磷肥处理能显著增加0~20 cm土壤有机碳含量(图 1), 这与前人的研究结果一致.然而, 长期单施氮磷肥会加速土壤有机碳的分解, 最终导致土壤碳库一定程度地减少[28], 加之秸秆不还田移除了大量地上部有机物料, 致使微生物可利用的活性有机碳较少, 需要挖掘土壤原有有机碳来满足自身的碳需求, 因此会造成原有有机碳矿化加速, 导致土壤新形成的有机碳不能抵消原有有机碳的矿化, 从而导致有机碳逐年降低[29], 同样本研究连续2 a试验也证实了这一观点, 在秸秆不还田情况下单施氮磷肥, 0~20 cm土壤有机碳含量有下降的趋势(图 1).本研究也发现随着秸秆还田年限的增加, 秸秆还田配施氮磷肥处理与秸秆不还田配施氮肥相比显著增加20~40 cm土壤有机碳含量, 一方面是因为秸秆还田减少对20~40 cm土壤扰动[30], 另一方面可能是因为表层(0~20 cm)有机碳向下再分配的结果[31], 从而导致20~40 cm土壤有机碳含量显著增加.

种植制度和农田管理措施等人类活动对土壤全氮含量的调节有至关重要的作用.有研究表明, 秸秆还田可以减缓氮素下移趋势, 从而增加表层(0~20 cm)土壤氮素含量[32].秸秆还田添加氮肥加速秸秆腐解, 改善土壤团粒结构和土壤水分等物理状况[33], 从而促进作物的生长, 让更多的根茬归还土壤[34], 从而导致土壤耕层全氮含量的升高.同时由于禾本科作物秸秆C ∶N较高, 不易分解, 配施适量氮肥可以提高土壤脲酶活性和增加亚硝酸细菌等微生物数量促进氮素积累[35].本研究连续2 a试验结果也表明, 秸秆还田配施氮肥能够增加表层(0~20 cm)土壤全氮含量(图 1), 与前人的研究结果一致.

磷素作为生命系统的主要营养元素及生态系统中重要的养分限制因子.秸秆还田能够促进土壤微生物的繁殖和生长, 较高的微生物量对土壤磷的矿化能够起到很好的促进作用[36], 从而显著增加土壤磷素含量[37].也有研究表明, 秸秆还田对土壤全磷含量没有影响, 但是提高了土壤中速效磷含量[38].本研究结果表明秸秆还田下, 各处理对表层(0~20 cm)土壤全磷含量无显著影响, 但各处理促使20~40 cm土层全磷含量高于0~20 cm土壤, 可能的原因是秸秆还田增加了土壤有机碳的含量, 降低了土壤对磷素的吸附作用[39], 同时秸秆还田增加了土壤微生物的呼吸作用, 降低了对磷素的固持, 秸秆腐解过程中, 由于纤维素和木质素降解程度不同, 导致秸秆形成疏松多孔结构, 从而使得水分入渗更加容易, 使得土壤中的磷素随着水分迁移到深层土壤[40], 从而导致深层土壤磷含量升高.

3.2 秸秆还田配施化肥对土壤化学计量特征的影响

土壤C ∶N是土壤质量变化敏感指标之一, 土壤C ∶N与有机质的分解速率呈反比关系.连续2 a试验结果表明, 与秸秆不还田相比, 秸秆还田下表层(0~20 cm)土壤C ∶N为8.53~11.44, 小于全球土壤(14.30)[41]、中国农田土壤(11.90)[42]和西北农田土壤(12.90)[43], 整体处于中等偏低水平, 表明秸秆还田处理下微生物对有机质的分解速率较快不利于有机碳的固存, 但有利于植物生长吸收.同时连续2 a试验结果表明, 秸秆还田配施氮肥与秸秆还田不施肥相比能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N, 并且2021年试验结果表明, 与秸秆不还田不施肥相比, 秸秆还田配施氮肥能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N(P>0.05), 这表明秸秆还田配施氮肥能够有效调节土壤C ∶N, 缓解土壤微生物与作物“争氮”现象.

该地区化学计量比与其他地区进行比较可得, 该地区表层土壤C ∶P和N ∶P均小于全球土壤(C ∶P为186.00、N ∶P为13.10)、中国农田土壤(C ∶P为61.00、N ∶P为16.30)和西北农田土壤(C ∶P为40.30、N ∶P为1.90), 并且本研究结果也表明不同处理对表层土壤全磷含量无显著影响, 加之磷素在农田土壤中比较稳定, 因此不同处理对于表层土壤C ∶P和N ∶P的影响主要是通过影响表层土壤有机碳和全氮的含量所引起的, 综合可得, 该地区土壤碳氮含量仍处于较低水平.

3.3 秸秆还田配施化肥对冬小麦产量的影响

由于受秸秆还田年限、秸秆还田方式、土壤类型和气候条件等的影响, 对秸秆还田是否增产也存在不同的研究结果.研究表明秸秆还田会导致土壤的水分、养分和温度与外界环境不协调, 从而导致减产[44].有机物料(秸秆、有机肥)的添加可以改善土壤肥力增加土壤的碳氮库存[45], 然而秸秆还田会引起土壤C ∶N过高, 会造成微生物消耗土壤养分, 造成作物前期缺肥, 进而影响产量[46]. Meta分析结果表明[47], 秸秆还田可以通过改变土壤水分从而增产5.0%.王永鹏[48]的多点试验表明, 秸秆还田可通过提高土壤有机碳含量, 提高土壤养分从而达到增产6% ~12%.本研究结果表明, 在2020年秸秆不还田配施氮磷肥产量最高, 然而随着处理时间的增加, 在2021年秸秆还田配施氮磷肥处理下产量最高.分析其原因, 可能是秸秆还田配施氮磷肥对于土壤氮素的改善是一个长期缓慢的过程, 并且相关性分析(图 4)也表明, 土壤全氮与处理年份呈显著正相关关系(P < 0.001), 全氮与产量呈正相关关系(P>0.05), 因此长期秸秆还田配施氮磷肥才能达到培肥增产的目的.

4 结论

(1) 在关中地区长期秸秆还田能够改善土壤养分状况, 秸秆还田配施氮磷肥对表层(0~20 cm)土壤有机碳和全氮含量有提升作用.

(2) 从化学计量学角度来看, 秸秆还田配施氮肥能够降低表层(0~20 cm)土壤C ∶N, 该地区与全国其他地区相比, 农田土壤碳氮含量仍处于较低水平.

(3) 本研究发现土壤C ∶N和C ∶P是影响冬小麦产量变化的关键因子.

(4) 在2021年秸秆还田配施氮磷肥处理下冬小麦产量最高, 是优化区域农田养分管理、提高粮食生产能力的有效途径.

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