秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

高日平，趙沛義，韓云飛，劉小月，高 宇，杜二小，任永峰，李煥春，張 鵬，梁廣榮

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院資源環(huán)境與檢測(cè)技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3.內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部?jī)?nèi)蒙古耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，內(nèi)蒙古 武川 011705；5.清水河縣農(nóng)牧和科技局，內(nèi)蒙古 清水河 011600）

秸稈作為一種可再生生物資源及重要的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品[1]，富含多種營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)[2]。秸稈高效、合理資源化利用是提升土壤耕作能力、減少農(nóng)田污染、緩解資源短缺以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[3]。內(nèi)蒙古黃土風(fēng)沙區(qū)主栽作物為玉米，種植面積大、范圍廣，占當(dāng)?shù)刈魑锓N植面積的60%以上[4]，該區(qū)域每年產(chǎn)生大量的秸稈，因此，如何變廢為寶、實(shí)現(xiàn)秸稈廢棄物的資源化利用就成為一個(gè)亟待解決的難題。研究表明，秸稈還田是秸稈肥料化利用的一種有效途徑[5-6]，還田后可提高土壤養(yǎng)分、改善土壤質(zhì)量[7]、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[8]，對(duì)提升土壤酶活性、微生物數(shù)量、作物產(chǎn)量[9-11]效果顯著，且適量配施氮肥[12]可提高秸稈還田利用率和秸稈礦化腐解速率，還田培肥增產(chǎn)效果更佳。作物產(chǎn)量一般取決于干物質(zhì)積累的多少，而干物質(zhì)積累量的90%～95%是直接或間接來(lái)自光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物[13]。光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，作物光合速率的高低和產(chǎn)量大小與實(shí)際生產(chǎn)中田間氮肥運(yùn)籌密切相關(guān)[14]。然而，內(nèi)蒙古黃土風(fēng)沙區(qū)鮮有關(guān)于秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米光合特性及產(chǎn)量形成的研究。鑒于此，本試驗(yàn)通過(guò)探究秸稈還田條件下不同氮肥施用量和施用比例對(duì)玉米葉面積指數(shù)、光合性能及產(chǎn)量的影響，擬從光合角度探討秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌影響產(chǎn)量的機(jī)理，以期為該區(qū)域秸稈還田下高效施氮制度提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

秸稈還田開始于2016年10月上旬，本試驗(yàn)于2019年5月10日—10月1日在內(nèi)蒙古清水河縣農(nóng)牧和科技局良種場(chǎng)試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地是典型的黃土高原溝壑區(qū)，旱坡地占90%以上，屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年降水量365 mm，年蒸發(fā)量2 577 mm，無(wú)霜期140 d，年平均氣溫7.1 ℃。土壤肥力為有機(jī)質(zhì)含量9.30 g/kg、全氮含量0.58 g/kg、堿解氮含量35.10 mg/kg、有效磷含量5.39 mg/kg、速效鉀含量102.60 mg/kg。試驗(yàn)期間月平均降雨量和月平均氣溫變化見圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣施肥用量一般為氮肥225 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2、鉀肥75 kg/hm2，施用方法為部分氮肥和全部磷、鉀肥基施，剩余氮肥于拔節(jié)期至孕穗期追施，追施比例為1∶2。根據(jù)前人研究結(jié)果[15-16]，試驗(yàn)設(shè)置播種前、大喇叭口期為玉米最佳施氮時(shí)期，在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)處理，分別為（1）FN：氮肥習(xí)慣施用（CK）；（2）FNS：氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田；（3）HNS：氮肥高量施用配合秸稈還田；（4）RN：氮肥后肥前移施用；（5）RNS：氮肥后肥前移施用配合秸稈還田。各處理小區(qū)面積均為96 m2（12 m×8 m），每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

氮肥習(xí)慣施用為基肥∶大喇叭口肥=1∶2，氮肥后肥前移施用為基肥∶大喇叭口肥=1∶1，基肥均勻拋撒于田間，春季播種前隨旋耕整地施入，大喇叭口肥用小型施肥罐隨灌水追入，氮肥高量施用配合秸稈還田尿素（純N）用量為270 kg/hm2，其余4 個(gè)處理尿素（純N）用量為225 kg/hm2，所有處理過(guò)磷酸鈣（P2O5150 kg/hm2）和硫酸鉀（K2O 75 kg/hm2）一次性基施。

玉米進(jìn)入完熟期后，采用大型玉米收獲機(jī)進(jìn)行收獲，同時(shí)將玉米秸稈粉碎（長(zhǎng)度為3～5 cm），并均勻拋撒于田間；采用液壓旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，旋耕深度為20～30 cm，可將秸稈翻埋至10～20 cm 土層，并進(jìn)行耙平，達(dá)到土壤深、松、平、碎、墑的狀態(tài)，還田量參考當(dāng)?shù)赝暝囼?yàn)結(jié)果，為6 000 kg/hm2。

2019年5月上旬播種，10月下旬收獲，播種方式為全覆膜雙壟溝播種植，小行距40 cm，大行距70 cm，株距30 cm，種植密度為52 500 株/hm2，供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N種星618。田間管理方式均一致，并與當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣相符。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 玉米葉面積指數(shù)測(cè)定 于玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期，各小區(qū)隨機(jī)選取3 株，用直尺法測(cè)定葉長(zhǎng)和葉寬，根據(jù)公式葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.75 計(jì)算葉面積，根據(jù)單位土地面積上的總綠葉面積與單位土地面積比計(jì)算葉面積指數(shù)。

1.3.2 玉米葉片光合參數(shù)測(cè)定 在玉米抽雄期、灌漿期，選擇晴朗無(wú)云的天氣，于各小區(qū)中間位置選取長(zhǎng)勢(shì)均一的3 株玉米，使用CIRAS-3 便攜式光合儀（美國(guó)PP Systems 公司），于9：00—11：00 測(cè)定玉米葉片凈光合速率（Pn），單位為μmol/（m2·s）；胞間CO2濃度（Ci），單位為μmol/mol；氣孔導(dǎo)度（Gs），單位為mmol/（m2·s）；蒸騰速率（Tr），單位為mmol/（m2·s）；葉片水蒸氣壓虧缺（VPD），單位為kPa；光合水分利用效率（WUE），單位為mmol/mol，結(jié)果取平均值。

1.3.3 玉米產(chǎn)量的測(cè)定 每小區(qū)隨機(jī)選10 m 長(zhǎng)雙行進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，按照14%含水率進(jìn)行折算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和繪制統(tǒng)計(jì)圖表，選用SPSS 25.0 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

由表1 可知，F(xiàn)N、FNS、HNS、RN、RNS 處理葉面積指數(shù)（LAI）均隨玉米生育時(shí)期的推移而變化顯著，總體呈先升高后降低的態(tài)勢(shì)，灌漿期LAI 均達(dá)到峰值。其中，全生育期LAI 以RNS 處理為最大，HNS 處理次之，F(xiàn)N（CK）和RN 處理較??；RNS、HNS、FNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)N（CK）與RN處理相比差異不顯著（P＞0.05），供氮水平達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加氮肥投入對(duì)玉米LAI 影響不明顯。玉米灌漿期時(shí)，RNS 處理、HNS 處理和FNS 處理相比FN（CK）LAI 分別提高6.74%、5.70%和5.18%，但FN（CK）＞RN 處理。氮肥施用配合秸稈還田可以促進(jìn)玉米光合器官的生長(zhǎng)發(fā)育，增大葉面積，提高群體LAI。

表1 不同處理玉米各生育時(shí)期LAI 變化

2.2 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米光合特性的影響

5 個(gè)處理玉米抽雄期、灌漿期葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、光合水分利用效率（WUE）、葉片水蒸氣壓虧缺（VPD）等光合參數(shù)見圖2。不同處理下，抽雄期玉米凈光合速率（Pn）變化范圍為30.43～38.19 μmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS ＞HNS ＞FNS ＞RN＞FN，說(shuō)明秸稈還田配合施用氮肥較單一施用氮肥可顯著提高葉片凈光合速率（P＜0.05），且不同氮肥管理方式提升效果不同；通過(guò)額外補(bǔ)增氮肥和氮肥后肥前移增加玉米前中期氮素投入，玉米葉片凈光合速率（Pn）顯著提高（P＜0.05）；秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 較FN（CK）凈光合速率（Pn）提高20.21%、21.69%、25.50%，F(xiàn)NS、HNS、RNS、RN 處理與FN（CK）差異顯著（P＜0.05）。灌漿期玉米凈光合速率（Pn）變化范圍為24.48～35.18 μmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN，RN 處理凈光合速率小于FN（CK），但未達(dá)到顯著差異水平（P＞0.05）；FNS、HNS、RNS 處理較FN（CK）凈光合速率（Pn）提高20.49%、24.49%、36.51%，F(xiàn)NS、HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。

不同處理下，玉米葉片蒸騰速率（Tr）與凈光合速率（Pn）變化規(guī)律一致，抽雄期玉米蒸騰速率（Tr）變化范圍為5.27～6.34 mmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞RN＞FN；秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 較常規(guī)不還田處理FN（CK）蒸騰速率（Tr）提高16.13%、18.98%、20.30%，F(xiàn)NS、HNS、RNS處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。灌漿期玉米蒸騰速率（Tr）變化范圍為5.44～6.69 mmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 較FN（CK）蒸騰速率（Tr） 提高10.64%、13.83%、18.62%，F(xiàn)NS、HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)N（CK）與RN 處理相比差異不顯著（P＞0.05）。2 個(gè)生育時(shí)期均以RNS 處理蒸騰速率（Tr）最大，說(shuō)明秸稈還田下氮肥后肥前移可提高玉米葉片蒸騰速率。

不同處理下，抽雄期玉米葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）變化范圍為318.78～378.22 mmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞RN≈FN；秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 較FN（CK）氣孔導(dǎo)度（Gs）提高11.50%、14.95%、18.65%，F(xiàn)NS、HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。灌漿期玉米氣孔導(dǎo)度（Gs）變化范圍為303.43～373.00 mmol/（m2·s），各處理由大到小順序依次為RNS≈HNS＞FNS＞RN＞FN；FNS、HNS、RNS 較FN（CK）氣孔導(dǎo)度（Gs）提高12.93%、22.43%、22.93%，F(xiàn)NS、HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)N（CK）與RN 處理相比差異不顯著（P＞0.05）。

不同處理下，抽雄期玉米葉片胞間CO2濃度（Ci）變化范圍為159.43～219.22 μmol/mol，各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 較FN（CK） 胞間CO2濃度（Ci） 提高14.59%、20.31%、34.49%，F(xiàn)NS、HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。灌漿期玉米胞間CO2濃度（Ci）變化范圍為152.31～201.33 μmol/mol，各處理由大到小順序依次為HNS＞RNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 較FN（CK）胞間CO2濃度（Ci）提高12.30%、20.47%、17.08%，F(xiàn)NS、HNS、RNS、RN 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。

不同處理下，抽雄期玉米葉片光合水分利用效率（WUE）變化范圍為5.51～6.22 mmol/mol，各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞RN＞FN；秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 較FN（CK）葉片光合水分利用效率提高6.72%、10.89%、12.89%，HNS、RNS 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。灌漿期玉米葉片光合水分利用效率（WUE）變化范圍為4.56～5.17 mmol/mol，各處理由大到小順序依次為RNS ＞HNS ＞FNS ＞RN ＞FN；FNS、HNS、RNS 較 FN（CK）葉片光合水分利用效率提高9.87%、12.50%、13.38%，F(xiàn)NS、HNS、RNS、RN 處理與FN（CK）相比差異顯著（P＜0.05）。

不同處理下，抽雄期、灌漿期玉米葉片水蒸氣壓虧缺（VPD） 變化范圍分別為1.69～1.80 kPa、2.08～2.23 kPa，但2 個(gè)生育時(shí)期各處理差異不顯著（P＞0.05），秸稈還田下不同氮肥管理方式對(duì)玉米水蒸氣壓虧缺（VPD）影響不明顯。

2.3 秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由圖3 可知，秸稈還田結(jié)合不同氮肥管理方式對(duì)玉米產(chǎn)量影響顯著（P＜0.05），籽粒產(chǎn)量變化范圍為10 580.5～12 039.8 kg/hm2，各處理由大到小順序依次為RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN，以RNS 處理籽粒產(chǎn)量最高，RN 處理籽粒產(chǎn)量最低；玉米莖稈產(chǎn)量變化范圍為21 412.3～24 444.7 kg/hm2，各處理由大到小順序依次為HNS＞RNS＞FNS＞FN＞RN，以HNS 處理莖稈產(chǎn)量最高，RN 處理莖稈產(chǎn)量最低；玉米生物產(chǎn)量總體表現(xiàn)為秸稈還田＞秸稈不還田，其中，秸稈不還田情況下，氮肥后肥前移施用（RN）較FN（CK）產(chǎn)量有所下降，但差異未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。與FN（CK）相比，秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 玉米籽粒產(chǎn)量分別提高5.30%、10.93%、11.41%，莖稈產(chǎn)量分別提高8.55%、13.80%、10.55%；秸稈還田結(jié)合施用氮肥相比單施氮肥玉米產(chǎn)量顯著提高（P＜0.05），且額外增補(bǔ)氮肥和氮肥后肥前移產(chǎn)量提升效果更明顯。秸稈還田條件下氮肥后肥前移施用優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田，且可以達(dá)到氮肥高量施用配合秸稈還田水平，滿足玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)要求。

3 討論與結(jié)論

葉片是作物吸收光能進(jìn)行光合作用最重要的器官，葉面積指數(shù)是作物群體光合性能的重要體現(xiàn)，可反映群體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)發(fā)育狀況。光合性能是決定作物光能利用率高低及獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵，不僅與作物種植密度、株形等因素相關(guān)，還與田間氮肥施用量、施用比例等密切相關(guān)。王進(jìn)斌等[17]研究表明，氮肥運(yùn)籌可顯著提高春玉米葉面積指數(shù)和光合特性，增加作物產(chǎn)量；李二珍等[15]通過(guò)氮肥分次施用研究表明，氮肥基施結(jié)合大喇叭口期追施可顯著提高玉米光合速率和產(chǎn)量，且最佳追肥時(shí)期為大喇叭口期。本研究與前人研究結(jié)果類似，試驗(yàn)結(jié)果表明，不同氮肥運(yùn)籌配合秸稈還田可提高玉米抽雄期和灌漿期葉面積指數(shù)、光合特性以及玉米產(chǎn)量。葉面積指數(shù)以氮肥后肥前移施用配合秸稈還田（RNS）最高，可以達(dá)到或優(yōu)于氮肥高量施用配合秸稈還田水平。這可能是由于過(guò)量氮素投入反而限制了玉米葉片的生長(zhǎng)發(fā)育，影響了玉米葉面積的增加。秸稈還田處理FNS、HNS、RNS 與FN（CK）間凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、光合水分利用效率（WUE）差異顯著（P＜0.05）；氮肥習(xí)慣施用（FN）與氮肥后肥前移（RN）總體上差異不顯著（P＞0.05），表現(xiàn)為秸稈還田處理＞秸稈不還田處理。這可能是由于秸稈還田后，促進(jìn)了微生物的分解，增加了作物冠層中CO2濃度，抑制了作物光呼吸，提高了作物的光合速率，增加了光合機(jī)構(gòu)的活性。另外，本試驗(yàn)研究表明，各處理間葉片水蒸氣壓虧缺（VPD）差異不顯著（P＞0.05）。葉片水蒸氣壓虧缺（VPD）是某一溫度下空氣的飽和水汽壓與實(shí)際水氣壓之差，本試驗(yàn)中各處理間葉片水蒸氣壓虧缺（VPD）有所差異，但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），這可能是由于當(dāng)前試驗(yàn)環(huán)境條件下玉米對(duì)葉片水蒸氣壓虧缺（VPD）反應(yīng)的敏感性較差，未表現(xiàn)出較大差異，這與李秧秧等[16]的研究結(jié)果一致。在產(chǎn)量方面，氮肥后肥前移施用配合秸稈還田優(yōu)于氮肥習(xí)慣施用配合秸稈還田，且可以達(dá)到氮肥高量施用配合秸稈還田水平。這可能是由于秸稈與氮肥配合施用較單一氮肥施用明顯降低了化肥對(duì)土壤微生物的抑制作用，提高了土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)了地上部玉米葉片的正常生長(zhǎng)發(fā)育和群體光合性能。后肥前移減少了全生育期作物氮素投入，免去了作物生育前期秸稈與土壤中微生物氮素爭(zhēng)奪，且秸稈中后期礦化分解釋放養(yǎng)分可保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，滿足了玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)要求。綜上所述，推薦氮肥后肥前移施用配合秸稈還田為內(nèi)蒙古黃土風(fēng)沙區(qū)秸稈還田高效施氮制度和玉米節(jié)本穩(wěn)產(chǎn)增效栽培模式。