耕作模式与施氮量对土壤质量及冬小麦产量的调控效应

本试验于2011年10月至2016年6月连续5个冬小麦生长季在山东农业大学兖州试验田进行,采用当前生产上推广面积较大的冬小麦品种济麦22为试验材料。试验为裂区设计,主区为4种耕作模式,分别为连续5年旋耕,无秸秆还田(RT);连续5年旋耕,秸秆全量还田(RS);连续5年深耕,秸秆还田(DS);连续2年旋耕秸秆还田后第3年进行深耕还田(DS)。副区为3个施氮量,分别为当前推荐施氮量225 kgN hm-2(N225); 165kgNhm-2, 0.7 × N225, (N165) ; 300kgNhm-2, 1.3×N225, (N300) 。本试验研究了不同耕作模式和施氮量对冬小麦产量与氮素利用的影响,并从土壤物理、化学、生物探讨长期秸秆还田条件下土壤质量的变化。主要研究结果如下:1耕作模式和施氮量对冬小麦产量和氮素利用的影响在5年的试验周期内,与秸秆未还田处理(RT)相比,秸秆还田显著提高冬小麦产量。连续旋耕模式从第3年开始出现减产趋势,尤其是秸秆不还田处理,2015～2016年产量较2011～2012年下降1.85%～6.33%,增施氮肥可以降低减产幅度。连续深耕秸秆还田(DS)处理与连续2年旋耕秸秆还田后第3年进行深耕还田(RS/DS)处理则持续提高冬小麦籽粒产量,分别平均年增产4.51%与3.63%。在2011～2012与2012～2013年生长季,RS与DS处理籽粒产量无显著差异;2013～2014年生长季轮耕后,RS/DS处理较RS处理显著提高籽粒产量,增产幅度达5.84%～16.61%。无秸秆还田条件下,施氮量由当前推荐施氮量(N225)减少至0.7×N225 (N165),5年平均减产5.45%;施氮量提高至1.3 ×N225 (N300) , 5年平均籽粒产量则无显著提高。N165条件下,2015～2016生长季,RS/DS与DS处理冬小麦籽粒产量分别为8.94与9.00thm-2,与N225相比(9.20与9.25 t hm-2)无显著差异。这说明在合理的耕作模式下,适量减少氮肥投入依然可以保持冬小麦高产稳产。相关分析表明,籽粒产量与干物质积累量呈现显著正相关关系,这说明较高的干物质积累量是冬小麦获得高产的物质基础。在后3个生长季,与RT及RS处理相比,DS与RS/DS处理显著提高干物质积累量,收获指数却略有降低,且籽粒产量与收获指数之间均表现负相关关系,说明冬小麦籽粒产量的提高主要依赖于干物质积累量的增加。秸秆还田显著提高冬小麦地上部氮素积累量、籽粒氮素积累量与氮肥偏生产力,而且地上部氮素积累量与籽粒产量之间均呈现极显著正相关关系。在前3个生长季,秸秆还田处理并没有表现出较高的氮素利用效率,这主要是由于较高的地上部氮素积累量;随着还田年限的增加,2014～2016年2个生长季,秸秆还田处理氮素利用效率均显著高于秸秆未还田处理。微区稳定性同位素15N试验表明,与RS相比,DS与RS/DS处理显著提高秸秆氮素在冬小麦地上部与籽粒的分配量,有利于秸秆氮素的回收利用。2耕作模式和施氮量对土壤性状的影响经过连续5年秸秆还田,0～10、10～20与20～30cm 土层土壤容重降低,土壤孔隙度增加。在0～10 cm与10～20 cm 土层,增施氮肥可以降低容重,提高孔隙度;但在20～30 cm 土层,施氮量对土壤容重与孔隙度无显著影响。秸秆还田显著提高0～10、10～20与20～30 cm 土层土壤有机碳(SOC)与全氮(TN)含量;氮肥由165 kg hm-2增施至225 kg hm-2,各土层SOC与TN含量显著提高,继续增施氮肥至300 kg hm-2, TN含量继续升高,SOC含量无显著增加。秸秆还田显著提高3个土层土壤微生物多样性,并影响微生物群落结构组成,主要表现为提高变形菌门、硝化螺旋菌门与放线菌门的相对丰度,降低酸杆菌门相对丰度。土壤蔗糖酶、蛋白酶、脲酶、硝酸还原酶活性对秸秆还田和施氮量相应显著,与秸秆未还田处理相比,秸秆还田显著提高0～10、10～20与20～30 cm 土层土壤酶活性。在3个土层,土壤蔗糖酶、蛋白酶活性均随着施氮量的增加而显著提高;土壤脲酶、硝酸还原酶活性对施氮量的响应则在不同土层间差异显著。分别对3个土层土壤微生物多样性与土壤酶活性进行相关分析,结果表明,土壤微生物与土壤酶活性之间均呈现极显著性正相关关系(P<0.01)。在0～10cm 土层,SOC与TN含量、土壤微生物多样性与酶活性均呈现RS>RS/DS>DS>RT的趋势;但在10～20 cm、20～30cm 土层,上述土壤性状则表现为DS≈RS/DS>RS>RT。耕作模式对不同土层土壤性状调控效应的差异表明,长期旋耕秸秆还田可以显著改善0～10cm表层土壤性状,但对10～20cm、20～30cm土层土壤的改良作用相对较差;长期秸秆还田结合持续深耕或适期深耕可以显著改善3个土层土壤物理、化学与生物特性,均衡地提高耕层土壤质量。稳定性同位素15N试验表明,耕作方式对还田秸秆氮素截获量在不同土层之间差异显著。在 0～10 cm 土层表现为 RS≈RS/DS > DS;在10～20 cm 土层表现为 DS≈RS/DS >RS;在20～30cm 土层则表现为DS>RS/DS>RS,且各耕作处理差异显著。增施氮肥,各耕作处理秸秆氮素截获量均显著提高。3耕作模式和施氮量对土壤团聚体及碳氮库演变的影响与RT相比,秸秆还田处理显著提高土壤大团聚体质量比例,平均分别为17.16%、19.41%与15.89%,说明秸秆还田能更好地保护耕作层土壤免受侵蚀。各耕作处理土壤大团聚体质量比例在不同土层表现出不同趋势,在0～10 cm 土层,土壤大团聚体质量比例均表现为 RS > RS/DS > DS > TS;在 10～20、20～30 cm 土层则表现为 DS > RS/DS >RS > RT。经过连续5年土壤耕作和秸秆输入,3种秸秆还田措施土壤有机碳氮储量水平显著高于无秸秆还田的处理(RT),且连续旋耕处理(RT、RS)较DS、RS/DS处理在0～30 cm 土层表现较为明显的土壤碳氮储量表层富集与土层间差异较大的特征,而DS与RS/DS处理土壤碳氮储量在3个土层中的分布则较为平均。DS与RS/DS处理能够显著增加土壤有机碳氮储量,在2011～2016年,分别约有1.83 t hm-2与1.56thm-2的碳被固定,分别约有0.11t hm-2与0.10t hm-2的氮被固定。RT处理0～30cm 土壤有机碳氮储量分别以每年0.33～0.49t hm-2与0.09～0.24 t hm-2的速率被消耗;土壤有机碳储量的下降主要表现为0～10 cm 土层的损失,而土壤氮储量3个土层均表现不同程度的损失;增施氮肥可以显著减少土壤碳氮储量的损失。RS处理土壤有机碳储量则约以每年0.13 thm-2的速率增加;与土壤有机碳储量变化不同,土壤氮储量在N165与N225水平下5年分别损失0.56t hm-2与0.25t hm-2,且主要表现为20～30 cm氮储量的减少;在N300水平下,0～30 cm 土壤氮储量总体增加0.16t hm-2,但20～30 cm 土层氮储量略有减少。从土壤团聚体层面来分析,土壤大团聚体关联土壤碳库的变化是土壤有机碳库演变的主要原因。RT处理显著降低0～30cm 土壤大团聚体关联碳库,达1.55～2.34 t hm-2;秸秆还田处理显著提高土壤大团聚体关联土壤碳库,土壤微团聚体关联碳库水平则均有所下降,说明秸秆还田有利于土壤大团聚体的形成,进而提高大团聚体关联碳库。大团聚体氮储量的下降是造成RT处理土壤总氮库衰减的主要原因;土壤微团聚体氮储量的变化是RS处理土壤总氮库演变的主要原因;DS与RS/DS处理土壤团聚体氮储量的变化,则在不同施氮量下差异显著。