内蒙古河套平原包括狼山以南的后套平原和大青山以南的土默川平原，是内蒙古自治区粮食主产区之一，每年生产粮食 445.0 万 t ^[1]，有“塞外米粮川”之称。内蒙古河套平原地势平坦，气候条件适宜，土壤肥沃，水源丰富，有利于粮食作物的生长。玉米已成为河套平原重要的粮食作物之一，常年播种面积在 2.67 万 hm² 左右，占总耕地面积的 25.6%，平均单产 11250 kg/hm²，属北方春玉米高产区^[2]。但是连年的种植导致土壤有机质含量下降，肥力差异较大，其中低肥力地区主要分布在包头市和土默特右旗^[3]。在肥力下降的背景下，当地以过量施氮来换取产量的提高，氮肥利用率较低，在 300 kg/hm² 施氮量下仅为 25%～35%^[4]，且大量农田氮素的淋溶及表观损失造成了严重的面源污染。

秸秆还田技术通过为土壤直接提供大量有机碳源，在土壤微生物的作用下分解矿化，释放养分，能有效增加土壤有机质含量，改良土壤团粒结构，协调土壤肥力比例，达到蓄水保墒、控制水土流失，提高土壤综合肥力的目的^[5-6]。Bronick 等^[7]研究表明，秸秆还田可以使 20～35 cm 耕层的土壤容重降低 6.2%～9.9%，土壤含水量提高 7.8%～22.9%。吴鹏年等^[8]研究表明，不同秸秆还田量和还田深度均能显著降低土壤容重及土壤紧实度。前人研究表明，秸秆还田和氮肥配合施用可以有效地提高秸秆的腐解率和矿化率，增加土壤中氮、磷、钾和有机质含量，改善土壤物理结构及化学性状^[9-11]，提高氮肥利用效率。

近年来，秸秆还田技术在内蒙古河套平原灌区被广泛应用，但是，因为缺少秸秆还田适宜施氮量的理论和技术依据，当地农民仍采用以往常用的施氮量，氮肥效率仍较低。为了明确该区域秸秆还田下的适宜施氮量，提高氮肥利用效率，本团队在该地区采取秸秆还田与氮肥配施的定位试验，研究秸秆还田配施不同量的氮肥对该地区土壤理化特性和氮肥利用效率的影响，旨在为内蒙古河套平原灌区秸秆还田配施适宜的施氮量、提高氮效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于 2019～2020 年在内蒙古包头市土默特右旗沟门镇北只图村内蒙古农业大学职业技术学院科技园区（40°59′N，110°56′E）进行。试验地前茬为玉米，土壤为砂壤土，土壤基础肥力特征见表1。该区属典型大陆性半干旱季风气候，年均降水量约为 351.6 mm，多集中在 6～9 月，年平均气温 2019 年为 19.79℃、2020 年为 18.68℃。

1.2 试验设计

2019 年采取随机区组试验设计，共计 6 个处理，分别为：秸秆还田不施氮（S-N0）、秸秆还田分别配施 165 kg/hm² （S-N165）、210 kg/hm² （S-N210）、255 kg/hm² （S-N255）、300 kg/hm² 氮 （S-N300），以秸秆不还田施用 300 kg/hm² 氮（NSN300）为对照，秸秆还田量为 28595.6 kg/hm²。

2020 年采取裂区试验设计，试验设秸秆处理和施肥量 2 个试验因素，以秸秆是否还田为主区，设 2 个水平：秸秆还田 27064.97 kg/hm² （S）、秸秆不还田（NS）；不同施肥梯度为副区，设 N0 （不施氮）、N165（氮 165 kg/hm²）、N210（氮 210 kg/hm²）、N255（ 氮 255 kg/hm²）、N300（ 氮 300 kg/hm²）5 个氮肥处理，以 N300 为对照组，共计 15 个处理，每个处理 3 次重复，小区面积为 198 m² （22 m×9 m）。

秸秆还田方式为秋季翻压还田，在玉米收获后先利用机械将秸秆粉碎，秸秆还田处理直接将粉碎后的秸秆翻压还田，翻压深度为 35～40 cm，秸秆不还田处理将粉碎后的秸秆利用机械将秸秆吸出试验地。

种植春玉米品种为先玉 335（XY335），种植密度为 8.25 万株 /hm²，行距 60 cm，株距 20 cm。磷钾肥于播前施入，磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 14%）750 kg/hm²，钾肥为硫酸钾（K₂O 50%）90 kg/hm²，氮肥为尿素（N 46%），于拔节期∶大喇叭口期为 3∶7 的比例追施，全生育期间灌水 4 次，分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后 20 d，采用畦田漫灌的方法，每次灌水量均为 75 mm。生育期内严格控制杂草及防治病虫害，2019 年于 4 月 20 日播种，10 月 2 日收获，2020 年于 4 月 21 日播种， 10 月 3 日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基础养分的测定

于播种前采集 0～40 cm 土层（每 20 cm 一层） 的土壤，采用总有机碳分析仪测定土壤总有机碳含量，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用比色法测定有效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量。

1.3.2 土壤含水量的测定

于玉米苗期、大喇叭口期、吐丝期、成熟期，采用铝盒法^[12]测定 0～100 cm 土层（每 20 cm 一层）的土壤含水量，每小区 3 次重复。

1.3.3 土壤容重及孔隙度的测定

于播前、成熟期采用环刀法测定 0～40 cm 土层的土壤容重、土壤孔隙度^[13]，每小区 3 次重复。

1.3.4 土壤紧实度的测定

于播前、成熟期采用 SC900 Soil Compaction Meter 测定 0～45 cm 土层每 2.5 cm 一层的土壤紧实度，每小区 3 次重复。

1.3.5 土壤三相比偏离值

依据土壤含水量、土壤容重及孔隙度计算。

1.3.6 测产与考种

在成熟期测定玉米产量，每小区选取 4 个未取样行，记录测产行的总株数、双穗数、空秆数等情况，测量 4 行的实际面积，折算公顷穗数。每小区连续取 20 穗，记录穗行数、行粒数，折算穗粒数。籽粒自然风干，测定 3 个百粒重和含水量，折算 14% 含水量的百粒重，并计算产量。

1.4 数据处理

1.4.1 各土壤物理指标计算公式

土壤容重（g/cm³）= 土样干重 / 土样体积（即环刀体积）。

土壤含水率（%）＝（鲜土重-干土重）/ 干土重 ×100

土壤固相（%）=1-孔隙度

土壤液相（%）= 含水率

土壤气相（%）= 孔隙度-含水率

三相比偏离值$（R）=\sqrt{（X-50{）}^2+（Y-25{）}^2+（Z-25{）}^2}$

式中，X 为所测土壤固相值，Y 为所测土壤液相值， Z 为所测土壤气相值。

1.4.2 产量计算公式

理论产量计算公式为：理论产量 = 公顷穗数 × 穗粒数 ×14% 含水量百粒重 ×0.85/10⁵。

1.4.3 氮肥利用效率计算公式

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/ 施氮量

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮区产量 / 施氮量

1.4.4 数据处理

采用 SPSS 22.0 对数据进行方差分析。采用最小显著极差法（SSR）进行多重比较，显著水平为 0.05，极显著水平为 0.01。采用 Excel 2016 进行图、表绘制及数据计算，采用 SigmaPlot 12.5 制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与氮肥配施对土壤容重的影响

由表2 可知，成熟期在 0～40 cm 土层中， S-N300 处理土壤容重最低，与 NS-N300 处理相比容重降低了 2.79%～3.98%（2019 年）；秸秆还田各处理与秸秆不还田各处理相比土壤容重降低，在 0～40 cm 土层中，N255 处理土壤容重降幅最大，为 4.06%～4.33%，其次是 N300 处理，容重降幅为 3.85%～3.90%；秸秆不还田各处理土壤容重变化幅度较小，各处理间差异均不显著（P>0.05），秸秆还田各处理中 S-N300 处理土壤容重最小，其次为 S-N255 处理，与 S-N300 处理相比，土壤容重分别升高了 0.19%～0.45%（2019 年）、0.21%～0.66%（2020 年），但差异不显著（P>0.05）；S-N0 处理土壤容重最大，与 S-N300 处理相比，土壤容重显著升高了 4.24%～5.03%（2020 年）。

2020 年成熟期秸秆还田各处理土壤容重较 2019 年成熟期秸秆还田各处理相比，S-N300、 S-N255、S-N210、S-N165、N0 分别下降了 4.68%、 4.57%、3.54%、2.95%、2.64%。

注：2019 年同列不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）；2020 年同列不同字母表示同一秸秆还田方式的处理间差异显著（P<0.05）。表4 同。

2.2 秸秆还田与氮肥配施对土壤三相比偏离值的影响

两年的土壤三相比偏离值（R 值）在秸秆还田条件下均随着施氮量的降低而升高。由图1 可知，2019 年，在 0～40 cm 土层中，S-N300 处理 R 值最低，与 NS-N300 处理相比显著降低了 36.94%～42.15%，与秸秆还田处理前相比显著降低了 35.32%～40.20%。其次是 S-N255 处理，与 S-N300 处理相比，升高了 3.43%～6.17%，且差异不显著（P>0.05），与 NS-N300 处理、处理前相比均显著降低了土壤 R 值（P<0.05）。

注：BT 为秸秆还田处理前，下同。柱上字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。

由图2 可知，2020 年，各处理土壤 R 值有随着玉米生育时期的推进而降低的趋势。成熟期 0～40 cm 土层，秸秆不还田各处理土壤 R 值变化幅度较小，在 0～40 cm 土层中，NS-N300 处理 R 值最小，其次为 NS-N255 处理，与 NS-N300 处理相比，增加了 3.67%～11.69%，差异不显著（P>0.05）。秸秆还田各处理均随着施氮量的降低而升高，S-N300 处理 R 值最小，其次为 S-N255 处理，与 S-N300 处理相比，增加了 5.64%～9.90%，差异不显著（P>0.05）。 S-N0 处理最大，与 S-N300 处理相比，显著增加 64.34%～80.26%。秸秆还田各处理与秸秆不还田各处理相比土壤 R 值均有所降低，在 0～20 cm 土层中，N255 处理降幅最大（32.68%），其次是 N300 处理（31.58%）；在 20～40 cm 土层中则表现为 N300>N255>N210>N165>N0。

土壤 R 值随着还田年限的变化而变化，2020 年成熟期秸秆还田各处理土壤 R 值较 2019 年成熟期秸秆还田各处理相比，S-N300、SN255、S-N210 处理分别降低了 17.75%、15.39%、 3.21%，而 S-N165、S-N0 处理分别增加了 1.67%、 0.84%。

2.3 秸秆还田与氮肥配施对土壤含水量的影响

如图3 所示，土壤含水量在玉米整个生育时期表现为先降低后升高的变化趋势，秸秆还田处理与秸秆不还田处理相比土壤含水量均有所提高。2019 年玉米整个生育期平均含水量 S-N300 （18.11%） 和 S-N255 处理（17.41%） 比 NS-N300 处理（13.51%）分别高出 34.04% 和 28.82%，且差异显著（P<0.05）；秸秆还田条件下随施氮量的减少，土壤含水量逐渐下降，与 S-N300 处理相比，降幅为 3.89%～15.21%。2020 年玉米整个生育期平均含水量，在秸秆不还田各处理为 13.81%～15.77%，变化幅度较小；在秸秆还田各处理中与 S-N300 处理相比，S-N255 处理降幅最小（2.77%），S-N0 处理降幅最大（22.79%）；秸秆还田各处理土壤含水量显著高于秸秆不还田， N255 处理增幅最大（22.77%），其次是 N300 处理（18.46%）。2020 年玉米整个生育期内秸秆还田不同施氮量下土壤平均含水量与 2019 年相比， S-N0、S-N165、S-N210 处理分别降低了 6.09%、 3.30%、1.68%，而 S-N255、S-N300 处理分别增加了 4.32%、3.12%。

注：柱上字母不同表示同一秸秆还田方式的处理间差异显著（P<0.05）。

2.4 秸秆还田与氮肥配施对土壤紧实度的影响

由图4 可知，在 2019 年秸秆还田各处理中， S-N300 处理紧实度最小，与 NS-N300 处理相比降低了 57.41%～76.89%，与秸秆还田处理前相比显著降低了 53.46%～57.06%；其次是 S-N255 处理，与 NS-N300 处理相比降低了 56.11%～76.03%，与处理前相比显著降低了 51.74%～55.75%，与 S-N300 处理相比，差异不显著（P>0.05）。

2020 年成熟期紧实度随着土层深度的增加呈现出先增加后降低再增加的变化趋势（图5），然而各处理间紧实度变化差异不大，0～45 cm 土层中，秸秆不还田各氮处理的紧实度均偏大，在 1868～2289 kPa 之间，且各氮肥处理间变化幅度较小。秸秆还田各处理中 S-N300 处理紧实度最小，其次为 S-N255 处理，比 S-N300 处理高 3.49%～18.98%，差异不显著（P>0.05）。 S-N0 处理最大，与 S-N300 处理相比显著增加了 33.98%～66.09%。秸秆还田各处理与秸秆不还田各处理相比，各土层土壤紧实度均有所下降，其中 0～15 cm 土层土壤紧实度降幅为 29.75%～49.04%；15～30 cm 土层土壤紧实度降幅为 1.92%～12.10%；30～45 cm 土层土壤紧实度降幅为 3.69%～13.93%。2020 年成熟期秸秆还田各处理较 2019 年成熟期秸秆还田各处理相比，土壤紧实度均有所下降，S-N300、SN255、S-N210、 S-N165、S-N0 降幅分别为 9.62%～49.04%、11.91%～44.66%、8.34%～31.63%、6.12%～30.59%、 1.92%～29.75%。

2.5 土壤物理性状的 F 检测

通过 F 检测可知（表3），秸秆还田极显著影响土壤各物理指标，施氮量对土壤 R 值、含水量、紧实度影响显著，但对土壤容重、孔隙度无显著影响。而秸秆还田与施氮量的互作显著影响土壤容重、含水量、土壤孔隙度，R 值、紧实度受秸秆还田与施氮量的互作影响不显著。

2.6 秸秆还田与氮肥配施对春玉米产量及氮肥利用效率的影响

由表4 可知，秸秆还田显著影响氮肥农学效率，氮肥处理对产量、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均有极显著影响，秸秆还田与氮肥的互作显著影响了氮肥偏生产力，但对产量、氮肥农学效率的影响较弱。2019 年秸秆还田各氮处理与秸秆不还田常规施氮处理相比，N300、N255 处理的产量分别提高了 1.02%、0.78%，但随着施氮量的继续下降，减产越明显，N210、N165、N0 处理与秸秆不还田常规施氮处理相比减产 2.11%～18.81%，且差异显著（P<0.05）；2020 年，秸秆不还田的春玉米产量随着施氮量的降低而降低，各氮处理间差异均显著（P<0.05）；秸秆还田各处理中 S-N300 处理产量最大（14.53 kg/hm²），其次为 S-N255（14.16 kg/hm²），与其相比差异不显著，其余处理与 S-N300 处理相比差异均显著（P<0.05）。秸秆还田与秸秆不还田各氮处理相比产量提高了 4.87%～7.25%，其中，N255 处理增幅最大，其次是 N300 处理。

注：NS 表示影响不显著，*、** 分别表示影响达到 P<0.05、P<0.01 显著水平。下同。

在秸秆还田条件下 2020 年的氮肥农学效率、氮肥偏生产力均高于 2019 年（表4），与秸秆不还田相比，秸秆还田各氮处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力均有所提高，其中 N255 处理增幅最大，分别提高了 12.82%、7.25%，而 N300 处理的增幅最小。

2.7 秸秆还田玉米最适施氮量的分析

由图6 可知，2019 年，秸秆还田条件下玉米最佳施氮量为 256.5671 kg/hm²，2020 年，秸秆还田条件下玉米最佳施氮量为 249.3045 kg/hm²，与 2019 年相比降低了 2.83%，与秸秆不还田最佳施氮量（274.1446kg/hm²）相比降低了 12.48%。以上说明，秸秆还田可使玉米最佳施氮量降低，第二年还田效果更好。

3 讨论

3.1 秸秆还田与氮肥配施对土壤物理性状的影响

秸秆还田可以改良土壤的物理性状，使其逐渐接近理想土壤结构^[14-15]。赵亚丽等^[16]认为，秸秆还田可降低土壤容重，提高土壤孔隙度；白伟等^[17] 研究表明，秸秆还田配施氮肥可打破犁底层，与不还田相比土壤容重降低了 3.2%；张亮等^[18]研究发现，秸秆还田可明显增加 0～60 cm 土层土壤含水量；李玮等^[19]研究表明，秸秆还田可显著降低 0～40 cm 土层土壤容重，提高 0～100 cm 土层土壤蓄水能力。本研究表明，秸秆还田极显著地影响了土壤容重、土壤 R 值、含水量及紧实度，施氮量对土壤 R 值、含水量、紧实度影响显著，而秸秆还田与施氮量的互作显著影响土壤容重、含水量、土壤孔隙度。这主要是因为秸秆还田，打破了犁底层，使原本的土壤物理结构遭到破坏，同时配施氮肥使耕层建立起了良好的物理结构，土壤容重、紧实度降低，孔隙度升高，从而达到蓄水保墒的效果^[20-23]。然而在秸秆还田条件下只配施少量氮肥或不施氮，反而会使土壤紧实度升高，降低土壤贮水能力。这可能是因为在施氮量较少的情况下秸秆腐解较慢，产生大量未完全腐解的秸秆，而秸秆的不完全腐熟使土壤温度增加，从而加快了水分的蒸发^[24]；在外源秸秆的加入下，激发了土壤中微生物的活性，增加了微生物数量^[25]，而土壤中可溶性有机碳、氮是为土壤微生物提供活动的主要能量来源^[26]，土壤活性有机碳、氮的大量矿化造成了土壤养分的流失和土壤结构的恶化。因此，在秸秆还田条件下只有配施合理的氮肥才会有效改善耕层土壤的物理性状。

3.2 不同土质秸秆还田最适施氮量差异

秸秆还田配施氮肥可提高土壤有机质、全氮含量，改善土壤物理结构，从而提高作物产量^[27]。侯贤清等^[28]研究认为，在宁夏扬黄灌区，玉米秸秆还田（9000 kg/hm²）配施 300 kg/hm² 的纯氮最适宜；吴立鹏等^[29]研究认为，在滨海盐碱地中，秸秆还田量 4500 kg/hm² 时配施 255 kg/hm² 的纯氮最适宜。由上述研究结果可知，在秸秆还田条件下，玉米最适施氮量受到生长环境、秸秆还田量的影响，最适施氮量的大致范围在 175～420 kg/hm² 之间。本试验研究表明，在内蒙古河套平原砂壤土地区，秸秆全量还田（27064.97 kg/hm²）配施 255 kg/ hm² 的纯氮最适宜，氮肥偏生产力提高了 23.19%、氮肥农学效率提高了 43.37%，这是由于秸秆全量还田配施一定量氮肥后，可显著增加土壤碳、氮含量，改善土壤物理结构，延长养分供应时间，为玉米生长提供了充足的养分，从而提高了玉米的产量及氮效率^[30]，同时适宜的氮肥处理能够调节土壤的碳氮比，提高土壤微生物活性及群落数量^[31]。但是，由于还田年限较短，秸秆还田与氮肥配施的增产幅度为 4.87%～7.25%，随还田年限的增加，增产幅度逐渐增大。

4 结论

秸秆还田条件下，土壤物理性状的改变会随着还田时间及施氮量的变化而变化。秸秆还田与适量氮肥配施可以降低土壤容重、紧实度，改良原有土壤使其逐渐接近理想型土壤，施氮量越低，变化幅度越小。秸秆还田两年后与不还田相比配施 255 kg/hm² 纯氮（N255）处理的土壤物理性状变化幅度最大，产量下降差异不显著，但显著提高了氮肥农学效率及氮肥偏生产力，因此，在内蒙古河套平原砂壤土地区，秸秆还田配施 255 kg/hm² 的纯氮最适宜，在改良土壤物理结构的同时，又能稳定玉米产量，提高氮肥利用率。

参考文献