作为农业大国，我国国民经济发展的基础是农业。但由于人口基数大，我国人均耕地占有量少，加上土地利用不合理，土壤质量持续下降，严重影响了农业的可持续发展[1]。农作物种植会产生大量的作物秸秆，而秸秆中富含的钾、氮及碳等元素，有利于促进土壤中微生物繁殖，对改善农田生态系统、节约农业生产成本和走可持续农业发展道路具有重要意义。但当前阶段秸秆弃置及露天焚烧情况严重，秸秆还田利用率较低，存在严重的资源浪费及环境污染问题[2]。近年来，关于秸秆还田与氮肥互作耕种模式的研究逐渐开展。李培培等[3]在研究中选取秸秆全量还田、秸秆全量炭化还田、秸秆半量炭化还田及无还田4个处理进行田间试验，探究了不同秸秆处理还田方式对潮土硝化微生物的影响，结果表明，全量炭化还田更能提高土壤硝化活性，改善部分土壤理化性质。柴如山等[4]对2013-2017年秸秆还田条件下化学氮肥替代情况进行研究，结果显示，合理利用秸秆氮养分资源是实现化学氮肥减量的重要途径。丛萍等[5]在研究中选取高、中、低不同秸秆还田量进行深埋还田试验，结果显示，12～18 t/hm2秸秆一次性深埋还田，可显著提高亚表层土壤肥力质量，是黄淮海北部地区培肥土壤的有效措施。吴玉红等[6]研究显示，秸秆还田与氮肥互作可有效提升土壤肥力，辅助提高作物产量，但不同互作模式的效果表现不同。已有研究对于秸秆还田的处理方式以及研究选取的指标不尽相同，受环境、地域影响，不同地区的处理结果亦存在差异。
为探究山西汾阳(山西省晋中盆地)最佳的秸秆还田与氮肥互作模式，本研究以晋麦106号为供试材料，通过裂区试验，分析不同秸秆还田、氮肥互作模式下的土壤质量及小麦产量，以期为土壤培肥、小麦增产提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
长期定位试验于2015年10月-2017年6月在山西汾阳(山西省晋中盆地)开展，地理坐标为东经111°25′～113°09′，北纬37°27′。该地属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥；年平均气温10 ℃，无霜期平均170 d，年均降水量426 mm；试验地耕层(0～20 cm)土壤肥力均匀，含碱解氮55.97 mg/kg、速效钾91.49 mg/kg、速效磷10.57 mg/kg。
1.2 试验材料
供试小麦品种为晋麦106号。
1.3 试验设计
研究采用裂区试验设计，属于长期定位试验的一部分。其中，主试验区根据秸秆还田量进行划分，主要分为无还田(NS)、半量还田(HS)以及全量还田(S)3个处理；副区为施氮量，设全量施氮(F1)、80%施氮(F0.8)、不施氮肥(F0)3个水平。根据秸秆还田量及施氮量水平，分9个试验组合：NSF1、NSF0.8、NSF0、HSF1、HSF0.8、HSF0、SF1、SF0.8、SF0。采用机械条播，播种量为210 kg/hm2，播幅9 行，于每年9月下旬-10月上旬播种。其中，秸秆全量还田处理是先将秸秆进行粉碎，随后将秸秆残渣在地表进行有效覆盖，并采用翻压的形式进行还田；半量还田处理是在上述操作的过程中通过隔行拔除的形式对秸秆量进行减半处理，随后进行翻压还田；不还田处理是在对全部秸秆进行拔除后，采用旋耕的方式对田地进行处理。小麦施肥处理在旋耕之前进行，F1和F0.8处理均撒施尿素和磷酸二铵。F1处理下，施肥量分别为：尿素375 kg/hm2、磷酸二铵375 kg/hm2，含氮量238 kg/hm2。F0.8处理下，施肥量分别为：尿素300 kg/hm2、磷酸二铵300 kg/hm2，含氮量190 kg/hm2。S处理下，秸秆还田量为9 t/hm2，HS处理下，秸秆还田量为4.5 t/hm2。于每年12月上旬，在小麦越冬期，采用小区畦灌的方式对其进行灌溉，灌溉水量控制为100 mm。其余田间管理方式均和当地农业习惯保持一致。
1.4 测定指标及方法
1.4.1 土壤容重测定[7] 每年在小麦播种前用环刀法进行测定。用环刀在不同处理裂区内的0～40 cm 土层采集原状土样，每10 cm为一层，各裂区均重复3次，密封好并带回实验室进行烘干称质量，计算土壤容重。
①
式中， ρ表示土壤容重；g表示环刀内土壤湿样质量；v表示环刀容积；w表示土壤样品含水量。
1.4.2 土壤养分层化比测定[8] 用土钻采集0～40 cm土层土壤，每10 cm为一层，各裂区均重复采集3次。将土壤样品风干后，磨碎过筛。采用重铬酸钾外加热法测定土壤中有机碳含量；采用HClO4-H2SO4法测定土壤中全磷含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。
土壤养分层化比
②
1.4.3 土壤酶活性测定[9] 在小麦收获后，于各裂区采集0～40 cm土层土壤，每10 cm为一层，各裂区均重复采集3次。将土样过筛，于4 ℃冰箱保存。采用高锰酸钾滴定法测定土样过氧化氢酶活性；采用磷酸苯二钠比色法测定土样碱性磷酸酶活性。
1.4.4 小麦产量测定 采取“S”字形在各裂区进行采样，各裂区选样面积均为1 m2(1 m×1 m)，将样方内小麦植株脱粒，统计产量。
1.5 数据处理分析
研究获取数据录入Excel 2018；采用SPSS 22.0软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 土壤容重分析
对2015-2017年两季麦田土壤容重变化统计可知，相同处理下，0～20 cm土层土壤容重低于20～40 cm土层；相同秸秆还田量下，施氮量变化对20～40 cm土层土壤容重变化影响相对较小；秸秆还田与施氮互作下，伴随秸秆还田量增加，土壤容重下降；其中，HSF1和SF1处理下10～20 cm土层土壤容重最低；秸秆还田和施氮互作会引起土壤容重的变化，全量秸秆还田配施全量氮肥能降低土壤 0～20 cm土层土壤容重(表1)。
表1 不同土层土壤容重变化
Tab.1 Changes in soil bulk density of different soil layers g/m3
年份Years处理Treatment土层深度/cmSolid depth0～1010～2020～3030～402015-2016NSF01.48±0.00bc1.53±0.01ab1.60±0.00abc1.65±0.00aNSF0.81.52±0.01a1.54±0.00a1.61±0.01ab1.65±0.01aNSF11.44±0.01d1.43±0.01d1.61±0.00a1.65±0.01aHSF01.46±0.01c1.53±0.01a1.60±0.01abc1.65±0.01aHSF0.81.49±0.01bc1.52±0.01ab1.57±0.03c1.64±0.01bcHSF11.43±0.01d1.41±0.01ef1.60±0.01abc1.63±0.00bcSF01.43±0.01d1.51±0.01bc1.61±0.01ab1.59±0.01cSF0.81.50±0.01ab1.50±0.01c1.58±0.01bc1.62±0.01bSF11.43±0.01d1.40±0.00f1.58±0.00bc1.61±0.01bc2016-2017NSF01.49±0.01b1.52±0.00a1.63±0.00ab1.66±0.01aNSF0.81.51±0.00a1.50±0.00ab1.61±0.01bc1.66±0.00abNSF11.44±0.00d1.45±0.00cd1.63±0.01a1.66±0.01abHSF01.47±0.01c1.50±0.01b1.60±0.01cd1.67±0.01aHSF0.81.50±0.01ab1.49±0.01b1.60±0.01cd1.63±0.01cHSF11.44±0.01d1.44±0.01d1.61±0.01bc1.64±0.01bcSF01.46±0.00c1.50±0.01ab1.59±0.01cd1.64±0.01bcSF0.81.49±0.01b1.47±0.01c1.58±0.01d1.62±0.01cSF11.42±0.01e1.41±0.01e1.60±0.00cd1.63±0.00c
注：不同小写字母表示采用不同处理方法的小麦在同一年时间内表现出显著的差异性(P<0.05)。表2-4同。
Note: The lowercase letters in the table represent that the wheat with different treatment methods show significant differences in the same year (P<0.05).The same as Tab.2-4.
2.2 土壤养分层化比分析
对2015-2017年两季麦田土壤养分层化比分析可知，不同处理下土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮以及全磷等养分层化比均存在差异；SF1处理下养分层化比最小。说明在全量秸秆还田+全量施氮处理下，对0～20 cm土层及20～40 cm土层养分均存在影响，0～40 cm耕层土壤均可获取充足养分。其他处理对0～20 cm土层及20～40 cm土层养分影响差异较大，20～40 cm土层养分获取不足，养分分布不均匀(表2)。
2.3 土壤酶活性分析
对2015-2017年两季麦田土壤酶活性分析可知(表3)，SF1处理下，土壤过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性均最高。其中，2016年，不同处理下，0～20 cm土层土壤过氧化氢酶活性差异均不显著(P>0.05)；SF1处理下，20～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性显著高于其他处理(P<0.05)；SF1处理下，0～40 cm土层土壤碱性磷酸酶活性最高。2017年，0～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性在SF1处理下最高，SF1处理下，可有效加速过氧化氢的分解，减轻土壤过氧化氢的毒害作用，提升土壤质量；土壤磷酸酶高对有机磷的矿化及植物的磷素营养有重要影响，亦可有效增加土壤肥力(表3)。
表2 不同处理下土壤养分层化比变化
Tab.2 Changes of soil nutrient stratification ratio under different treatments
年份Years处理Treatment土壤养分层化比值 Stratification ratio of soil nutrients有机碳Organic carbon碱解氮Available nitrogen速效磷Available phosphorus速效钾Available potassium全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus2016NSF01.40±0.02bcd2.17±0.09c4.29±0.11ab2.32±0.01abc1.89±0.05abc1.56±0.01bNSF0.81.84±0.01ad2.02±0.03bc2.93±0.09a2.32±0.05abc1.95±0.02abc1.24±0.01aNSF11.81±0.04ad2.02±0.01bc2.94±0.08a2.29±0.03b1.75±0.01a1.52±0.02bHSF01.22±0.01abc2.46±0.05ab3.16±0.06c2.29±0.04b1.56±0.01ac1.48±0.03bHSF0.81.26±0.03abc2.02±0.01ad3.18±0.10c2.27±0.01b1.77±0.01a1.38±0.01aHSF11.26±0.03abc1.98±0.01ab3.06±0.09c2.25±0.01b1.75±0.03a1.37±0.01acSF01.21±0.01abc2.01±0.01a3.55±0.11b2.36±0.01abc1.54±0.01abc1.47±0.01bSF0.81.23±0.02abc1.98±0.01ab3.08±0.06c2.21±0.01a1.67±0.02a1.51±0.05bSF11.17±0.01e1.93±0.01a2.82±0.05ab2.11±0.05a1.34±0.01b1.23±0.01a2017NSF01.35±0.04b2.17±0.02b1.85±0.01abc1.49±0.01bc1.54±0.01ac1.49±0.06bNSF0.81.22±0.05a2.08±0.04cd1.78±0.01ac1.33±0.01acd1.61±0.01a1.52±0.04bNSF11.26±0.03a1.93±0.02ab2.07±0.02ab1.52±0.03bc1.55±0.01a1.51±0.05bHSF01.46±0.07abc2.46±0.05ab1.65±0.01c1.55±0.02bc1.43±0.01cd1.36±0.01cHSF0.81.27±0.02a2.02±0.01c1.73±0.05ac1.48±0.01c1.57±0.03a1.36±0.01cHSF11.20±0.04a1.94±0.01ab1.76±0.01ac1.36±0.01a1.56±0.01a1.36±0.02cSF01.37±0.04bc2.01±0.01ad1.72±0.03ac1.60±0.02bc1.41±0.05cd1.39±0.03cSF0.81.20±0.01a2.05±0.04ad1.68±0.01c1.47±0.01b1.49±0.02a1.32±0.03aSF11.11±0.01ab1.91±0.01ab1.55±0.01bc1.31±0.01ac1.31±0.01b1.32±0.02a
表3 不同处理下土壤酶活性变化
Tab.3 Variation of soil enzyme activities under different treatments
年份Years处理Treatment过氧化氢酶活性/(mL/(g·h)) Activities of catalase碱性磷酸酶活性/(mg/g)Activities of alkaline phosphatase0～20 cm20～40 cm0～20 cm20～40 cm2016NSF03.74±0.08a2.20±0.05d4.71±0.09e1.80±0.02dNSF0.83.75±0.09a2.18±0.04d7.09±0.14g2.54±0.05dNSF13.77±0.10a2.20±0.05d7.23±0.10g3.07±0.05bHSF03.77±0.11a2.39±0.06c5.97±0.09f2.86±0.01bHSF0.83.78±0.09a2.25±0.03d8.11±0.12h2.98±0.02bHSF13.75±0.08a2.20±0.01d8.25±0.15h3.14±0.04bSF03.74±0.08a2.19±0.01d6.81±0.09g2.78±0.03bSF0.83.76±0.05a2.22±0.03d8.21±0.05h4.03±0.08eSF13.79±0.09a3.18±0.07b8.34±0.09h4.25±0.07e2017NSF03.71±0.08a2.51±0.05d1.71±0.02d0.23±0.01iNSF0.84.48±0.13e3.52±0.08ab1.85±0.01d0.82±0.01dNSF14.48±0.08e3.61±0.09ab2.02±0.04d0.99±0.00dHSF03.75±0.12a2.93±0.01b1.83±0.02d0.22±0.00iHSF0.84.09±0.10e3.75±0.04a2.17±0.03dc0.92±0.01iHSF14.48±0.12e3.78±0.07a2.21±0.05dc1.06±0.01dSF03.82±0.05ab2.92±0.05bc1.85±0.01d0.70±0.01iSF0.84.61±0.07e3.76±0.05a2.11±0.02d1.05±0.03dSF14.72±0.11e4.49±0.10e2.27±0.03d1.22±0.02d
2.4 作物产量分析
对2015-2017年两季小麦产量分析可知(表4)，SF1处理下，小麦产量最高。2016年小麦分析可知，SF1条件下产量最高，SF1处理条件下产量显著高于其他处理条件(P<0.05)；2017年小麦分析可知，SF0.8、SF1条件下产量高于其他处理条件(P<0.05)。其中，SF1条件下产量最高。
表4 不同处理下小麦产量变化
Tab.4 Variation of wheat yield under different treatments
年份Years处理Treatment产量/(kg /hm2)Yield年份Years处理Treatment产量/(kg/hm2)Yield2016 NSF04 503.20±123.24a2017 NSF05 216.32±129.55bNSF0.85 914.27±134.67bNSF0.86 858.36±135.42cNSF16 068.08±134.92bNSF16 902.63±135.97cHSF04 381.27±124.00aHSF05 484.81±130.34bHSF0.86 101.13±135.07bHSF0.87 092.47±134.65cHSF16 269.37±134.58bHSF17 483.21±129.58cdSF04 938.00±123.96aSF05 790.50±132.64bSF0.86 516.42±130.57cSF0.87 752.95±130.25eSF16 822.17±132.40dSF17 842.77±132.67e
3 结论与讨论
土壤容重是衡量土壤质量的重要物理性质之一，其主要通过改变土壤孔隙度而影响作物养分运输及根系生长[10-11]。相关研究表明[12]，秸秆还田处理可打破亚表土层，有效降低土壤容重。本研究显示，相同处理下，0～20 cm土层土壤容重低于20～40 cm土层；秸秆还田与施氮互作下，随秸秆还田量增加，土壤容重下降。表明秸秆还田可有效降低土壤坚实度，增加土壤孔隙度，进而降低土壤容重。通过秸秆还田处理，作物秸秆腐解后，可为土壤提供丰富的纤维素、碳氮磷钾及微量元素等，可增加土壤有机质含量，改善土壤质量[13-15]。本研究中养分层化比分析结果显示，不同处理下土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮以及全磷等养分层化比存在差异。SF1处理下养分层化比最小，全量还田+全量施氮处理下，对0～20 cm土层及20～40 cm土层养分均有影响，0～40 cm耕层土壤均可获取充足养分。土壤酶主要参与土壤物质转化以及养分释放、固定，土壤酶活性的高低是土壤肥力的重要体现形式[16-18]。作物秸秆携带大量的获得性微生物，通过秸秆还田可有效增加土壤微生物含量，进而增强土壤酶活性[19-20]。本研究显示，SF1处理下，土壤过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性最高。分析其原因，可能是受土壤与外界物质交换、能量交换能力的影响，0～20 cm 土层土壤微生物繁殖能力高于20～40 cm土层，故其土壤酶活性亦高于20～40 cm土层。
通过秸秆还田与施氮互作，可降低土壤容重，改善土壤结构，有效抑制土壤水分蒸发，保水保墒[21-23]。同时，秸秆还田与施氮互作对土壤养分及酶活性的提高，为作物生长提高了良好的土壤环境，可有效促进作物根系发育，达到增产的目的[24-25]。研究显示，SF0.8、SF1条件下小麦产量显著高于其他处理(P<0.05)，表明该互作条件下的培肥增产效果最佳。
秸秆还田与施氮互作可影响土壤质量及小麦产量。研究结果可为合理利用农业废弃物，促进农业可持续发展奠定良好的基础。
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