耕作方式与施氮量对小麦玉米一年两熟农田土壤质量与生产力的影响

摘要

本研究于2011-2012年在山东省龙口市北马镇前诸留村和作物生物学国家重点实验室进行，以大田试验为主，结合室内生理生化分析，系统研究了秸秆还田下常规、耙耕、旋耕与免耕4种耕作方式和5种施氮量(N0，N1，N2，N3，N4在小麦季分别施用0，52.5，105，157.5和210kg/hm2N，在玉米季分别施用0，67.5，135，202.5和270kg/hm2 N)对土壤物理化学性状、微生物特性、氮素转化细菌及速率、干物质积累以及对作物产量、籽粒品质的影响，主要研究结果如下:
　　1、耕作、施氮量对作物产量的影响
　　在冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度下，旋耕与耙耕不会显著减少作物周年的产量;免耕的周年产量显著低于耙耕、旋耕与常规耕作处理。常规耕作与耙耕、旋耕耕作周年产量差异不显著，具体表现为:对于小麦产量最大的为常规耕作，耙耕、旋耕次之，免耕最低;而耙耕、旋耕比常规耕作显著性提高了玉米产量，免耕仍然最低。
　　施氮对作物产量的影响受耕作的影响不尽相同。但普遍表现为N3条件下，提高了小麦与玉米产量，进而提高了周年产量。对于小麦产量，N3处理的产量最高。而对于玉米的产量，N3处理产量最高，但耙耕与免耕下，N2的产量与N3处理无显著性差异，甚至在耙耕处理下N2高于N3的玉米产量，这可能与小麦季氮素没有充分利用而对玉米季产生的后效有关。因此，在秸秆还田后，可以通过减少施氮量来得到相应的产量输出。耙耕、旋耕与N3处理没有影响作物的品质。
　　2、耕作、旋氮量对土壤理化性状的影响
　　进一步深入分析农田作物的土壤生境得出结论:在高产田条件下，秸秆还田后显著提高了土壤肥力。旋耕、耙耕与免耕增加土壤容重。施氮量对土壤容重的影响不显著。耙耕、旋耕有利于小麦季SOC的积累，而常规耕作显著增加了玉米季SOC的积累。在免耕条件下，全年的STN显著高于其它处理，同时耙耕、旋耕显著增加了玉米季STN含量。随施氮量从N0增加到N3，SOC与STN显著增加。小麦和玉米生产的C/N分别在N3、N2处理下最低，这表明土壤中残留了较少的氮素，氮被作物充分地使用。随着施氮量的增加，氮肥的农学利用率、偏生产力和氮收获指数显著降低。在冬小麦的N3处理和夏玉米的N2处理氮肥利用率最高。
　　3、耕作、施氮量对碳代谢的影响
　　微生物特性随着季节有显著性变化。耙耕、旋耕与免耕提高了微生物量碳，同时也有较高的土壤呼吸速率;玉米秸秆进入大田时，对微生物有激发效应，提高了活跃微生物量及其活性;耙耕、旋耕提高了小麦生长季活跃微生物量及其活性;免耕的活跃微生物量低于其他处理，即使活性较高，仍然不利于秸秆利用，对产量不利。
　　高施氮量N4有较高的微生物量碳积累，其呼吸效率也高于N3处理，不利于作物产量提高。而N3的活跃微生物量与活性与N4周年趋势差异不大，甚至高于N4，提高了作物对微生物分解产物的利用。
　　4、耕作、施氮量对氮代谢的影响
　　耙耕、旋耕耕作提高了土壤中亚硝化细菌的菌落形成单位，且有较高的总硝化速率，可以为作物生长提供更多的可利用氮素;免耕可以提高亚硝化细菌菌落形成单位，但硝化速率低于耙耕、旋耕耕作，同时提高了反硝化细菌的菌落形成单位和反硝化速率，致使免耕氮素更多的转化为不能被作物所利用的形式而损失;常规耕作亚硝化细菌与反硝化细菌形成单位和速率也较低，尤其在玉米季，不利于土壤中氮素的转化吸收。
　　N3降低了小麦播种至拔节期的亚硝化细菌与反硝化细菌的菌落形成单位;在小麦开花至玉米大喇叭口期，N3提高了亚硝化细菌的菌落形成单位，对反硝化细菌菌落形成单位与N4无显著性差异，且N3总硝化速率与反硝化速率都小于N4，因此在N3条件下有更多的氮素被作物利用。
　　综合考虑，我们建议在黄淮海冬小麦夏玉米一年两熟种植制度下使用耙耕、旋耕耕作和施用N3(小麦157.5 kgN/hm2，玉米202.5 kgN/hm2)。由于本研究基于六年的耕作与施氮试验，旋耕、耙耕与免耕以及氮肥的减量在更长时间尺度上对农田生产力的影响仍然有待于进一步的观察。