小麥-玉米周年秸稈還田模式下氮肥利用特征的分析

宋朝玉，王圣健，宮明波，朱丕生，王瑞英，黃俊杰

（青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 青島 266100）

小麥-玉米周年輪作是黃淮海作物面積最大的種植模式之一，周年秸稈還田技術(shù)得到了大面積推廣。玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鎂、鈣和硫等營(yíng)養(yǎng)元素，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料資源［1］。隨著大型農(nóng)機(jī)具的發(fā)展和推廣，粉碎還田是玉米秸稈無(wú)害化處理利用的最佳途徑之一，也是土壤有機(jī)質(zhì)提升工程措施之一，同時(shí)秸稈還田還可以減少焚燒秸稈造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染［2］。大量研究表明，秸稈還田能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量［3-8］，提高腐殖質(zhì)數(shù)量、質(zhì)量而改良土壤結(jié)構(gòu)［9］，降低耕層土壤容重［10-12］，改善土壤蓄水保肥能力，提高水分利用率［13-15］，是一項(xiàng)重要的生物養(yǎng)地培肥地力的措施。李貴桐等［16］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈在腐解過(guò)程中，能夠促進(jìn)土壤微粒的團(tuán)聚，有效改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀，持續(xù)提高土壤肥力；霍竹等［17］研究表明秸稈還田可一定程度上延緩玉米葉片衰老，促進(jìn)夏玉米干物質(zhì)由莖稈向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)；沈?qū)W善等［18］研究表明，小麥、玉米秸稈連續(xù)全量還田可以顯著降低夏玉米的根倒率和莖折率，提高籽粒產(chǎn)量；慕平等［10］研究表明，隨玉米全量秸稈還田年限增加，耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷大幅增加，而有效磷變化幅度較小，根系衰退延遲，利于后期作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和產(chǎn)量的形成。長(zhǎng)期進(jìn)行秸稈還田后一般需要3～5年以上才能形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的新系統(tǒng)，土壤結(jié)構(gòu)和肥力指標(biāo)發(fā)生改變，氮素養(yǎng)分循環(huán)利用也會(huì)有一個(gè)新的特征。而很多研究進(jìn)行的定位時(shí)間較短，分析結(jié)果不能充分代表長(zhǎng)期秸稈還田模式下的氮素利用特征。

為了探討小麥玉米長(zhǎng)期周年秸稈還田模式下小麥玉米對(duì)氮素的吸收和利用特點(diǎn)，我們于2009年開(kāi)始了定位研究試驗(yàn)。以小麥秸稈覆蓋還田玉米秸稈不還田為對(duì)照模式，研究小麥秸稈覆蓋還田玉米秸稈粉碎還田模式下不同氮肥用量對(duì)小麥、玉米生長(zhǎng)和土壤肥力的影響。于2018—2019測(cè)定小麥玉米周年氮素循環(huán)利用指標(biāo)，分析氮素吸收利用特點(diǎn)，為長(zhǎng)期周年秸稈還田模式下氮肥周年高效施用提供理論依據(jù)，為農(nóng)戶提供合理的氮肥用量技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)地位于青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院城陽(yáng)作物試驗(yàn)場(chǎng)（東經(jīng) 36°17′57.94″，北緯 120°21′22.21″），屬于溫帶海洋性季風(fēng)氣候。從2009年冬小麥開(kāi)始定位研究，土壤類(lèi)型為棕壤，質(zhì)地為壤土，0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.69%、堿解氮88.6 mg／kg、速效磷 62.9 mg／kg和速效鉀 50.0 mg／kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以玉米秸稈還田（簡(jiǎn)稱(chēng)SR）、玉米秸稈不還田（簡(jiǎn)稱(chēng)NSR）為主因素，氮肥用量為輔因素進(jìn)行裂區(qū)設(shè)計(jì)。氮肥用量設(shè)純N 0、90、180、270、360 kg／hm2（即無(wú)氮、低氮、中氮、高氮、超高氮）5個(gè)水平，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次。冬小麥、夏玉米連作，小麥秸稈覆蓋還田，每季施肥量相同。氮肥基追比均為1∶1；P2O5用量為75 kg／hm2，K2O用量為150 kg／hm2，均作基肥施用?；嗜鍪┖笮?，追肥溝施。小區(qū)寬3.6 m，長(zhǎng)8 m。小麥行距0.20 m，按基本苗 300萬(wàn)株／hm2播種；玉米行距0.6 m，密度為 67 500株／hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

于小麥成熟期，每小區(qū)選擇2行1 m收獲地上部，按莖葉、籽粒分開(kāi)，105℃殺青30 min，90℃烘干至恒質(zhì)量，并稱(chēng)重，粉碎后取樣測(cè)定全氮含量；于玉米成熟期，選擇5株典型植株，按莖＋穗軸、葉片 ＋葉鞘、籽粒分開(kāi)，105℃殺青30 min，90℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎后取樣測(cè)定全氮含量。玉米收獲后每小區(qū)選5點(diǎn)取0～20 cm土層土樣混合，風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量。依照測(cè)定結(jié)果按以下公式［19，20]計(jì)算各指標(biāo)值。

植株氮積累量（NAA，kg／hm2）＝植株干物重×植株含氮；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（NAE，kg／kg）＝（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）／施氮量；

氮收獲指數(shù)（NHI）＝籽粒氮積累量／植株總氮積累量；

地上部植株氮肥吸收利用率（PRE，%）＝（施氮區(qū)地上部氮積累量-不施氮區(qū)地上部氮積累量）／施氮量 ×100；

氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP，kg／kg）＝施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量／施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖；采用DPS6.55軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式下小麥、玉米籽粒產(chǎn)量的比較

試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期玉米秸稈還田可以明顯提高小麥、玉米和周年產(chǎn)量，不同施氮水平增幅不同。在N180水平，SR處理的小麥、玉米和周年的產(chǎn)量較NSR處理分別增加5.46%、10.22%和5.11%。

小麥、玉米籽粒產(chǎn)量與施氮量呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)施氮量范圍內(nèi)呈先增后降的趨勢(shì)（圖1）。SR處理的小麥最高產(chǎn)量施氮量為 210.9 kg／hm2，比 NSR處理高 21.5 kg／hm2，SR處理的小麥最高產(chǎn)量比NSR處理高6.31%。SR處理的玉米最高產(chǎn)量施氮量為196.2 kg／hm2，比 NSR處理高 2.0 kg／hm2，SR處理的玉米最高產(chǎn)量比NSR處理高10.32%。

與NSR相比，SR處理的小麥產(chǎn)量在低氮水平差異較小，中氮、高氮、超高氮水平增產(chǎn)明顯；SR處理的玉米產(chǎn)量與施氮量函數(shù)圖像對(duì)稱(chēng)軸沒(méi)有明顯變化，而低氮、中氮、超高氮水平增產(chǎn)明顯。施氮條件下，長(zhǎng)期玉米秸稈還田明顯提高了小麥-玉米周年糧食產(chǎn)量。

圖1 不同模式下小麥、玉米單季及周年籽粒產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系

2.2 不同模式下植株含氮量的比較

2.2.1 籽粒含氮量 由表1看出，施氮量270 kg／hm2及以下時(shí)，SR處理的籽粒含氮量均高于NSR處理，表明長(zhǎng)期玉米秸稈還田提高了小麥的籽粒含氮量。而SR對(duì)玉米籽粒含氮量影響不明顯。

2.2.2 莖葉含氮量 SR處理的小麥莖葉含氮量比 NSR處理提高 0.37～1.03 g／kg，表明長(zhǎng)期玉米秸稈還田可提高小麥莖葉含氮量。SR處理的玉米莖稈含氮量稍高于NSR處理，而葉片含氮量與NSR處理無(wú)明顯差異（表1）。

表1 不同秸稈還田模式和施氮量對(duì)小麥、玉米含氮量的影響 （g／kg）

2.3 不同模式下氮積累量的比較

2.3.1 籽積氮積累量 在不同施氮水平下，SR處理的籽粒氮積累量均明顯高于NSR處理。SR處理的最高籽粒氮積累量對(duì)應(yīng)施氮量高于NSR處理，其中小麥季比 NSR處理高13.1 kg／hm2，玉米季比 NSR處理高9.3 kg／hm2（表2）。

2.3.2 地上部氮積累量 在不同施氮水平下，SR處理的地上部氮積累量明顯高于NSR處理。SR處理的最高地上部氮積累量對(duì)應(yīng)施氮量小麥季比NSR處理高17.1 kg／hm2，玉米季比NSR處理低4.4 kg／hm2。地上部最高氮積累量與對(duì)應(yīng)施氮量基本相等，上下差距在0.1～12.3 kg／hm2范圍內(nèi)（表2）。

表2 不同模式下氮積累量與施氮量的函數(shù)關(guān)系及解析

2.4 不同模式下氮利用效率指標(biāo)的比較

2.4.1 氮收獲指數(shù) 由表3看出，在不同施氮水平下，SR處理的小麥氮收獲指數(shù)比NSR低0.017～0.037。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)隨著施氮量增加，小麥氮收獲指數(shù)極顯著下降，但并未達(dá)到最低值。通過(guò)模擬函數(shù)解析可得小麥最高產(chǎn)量時(shí)SR處理的氮收獲指數(shù)為0.642，比NSR處理的氮收獲指數(shù)（0.673）低 0.031。玉米的氮收獲指數(shù)受秸稈還田影響不明顯。

2.4.2 地上部氮肥吸收利用率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的地上部氮肥吸收利用率明顯高于NSR。地上部氮肥吸收利用率隨施氮量增加極顯著下降，且與施氮量呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系（表4）。小麥最高產(chǎn)量時(shí)SR處理的地上部氮肥吸收利用率比NSR處理提高7.59%；玉米最高產(chǎn)量時(shí)SR處理的地上部氮肥吸收利用率比NSR處理提高10.23%。

2.4.3 氮肥農(nóng)學(xué)效率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率高于NSR。氮肥農(nóng)學(xué)效率隨施氮量增加呈極顯著下降趨勢(shì)，且與施氮量存在顯著的二次函數(shù)關(guān)系（表4）。小麥最高產(chǎn)量時(shí)SR處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率比NSR處理提高17.55%；玉米最高產(chǎn)量時(shí)SR處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率比NSR處理提高32.71%。

2.4.4 氮肥偏生產(chǎn)力 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的氮肥偏生產(chǎn)力高于NSR處理。氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加而顯著降低。

表3 不同秸稈還田模式和施氮量對(duì)氮肥利用指標(biāo)的影響

2.5 不同處理土壤肥力的比較

從表5可以看出，土壤全氮含量隨施氮量增加而顯著增加，土壤有機(jī)質(zhì)隨施氮量增加呈先升后降趨勢(shì)，以N180處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。在相同施氮水平下，SR的土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量均明顯高于NSR，表明長(zhǎng)期玉米秸稈還田可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

表4 不同模式下氮利用效率指標(biāo)與施氮量函數(shù)關(guān)系及解析

表5 不同秸稈還田模式和施氮量對(duì)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 長(zhǎng)期玉米秸稈還田對(duì)小麥、玉米氮積累的影響

長(zhǎng)期玉米秸稈還田提高了小麥籽粒和莖葉的含氮量、地上部氮積累量；而對(duì)玉米籽粒、莖葉含氮量影響不顯著，但明顯增加了玉米干物質(zhì)積累量，因此玉米地上部的氮積累量也明顯增加。

小麥和玉米地上部最高氮積累量時(shí)的施氮量均高于最高籽粒產(chǎn)量施氮量。表明隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高值時(shí)，地上部氮積累量還未達(dá)到最高值；施氮量超過(guò)最高產(chǎn)量施氮量后，莖稈＋葉會(huì)繼續(xù)吸收和積累更多的氮素，葉綠素和葉面積增加，但對(duì)增加籽粒產(chǎn)量并沒(méi)有貢獻(xiàn)；超過(guò)最高氮積累量的施氮量后，作物不能再吸收并積累氮素，過(guò)量的氮肥也就會(huì)留存到土壤中。過(guò)量施用氮肥后，會(huì)造成植株體氮素營(yíng)養(yǎng)不平衡，更容易促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)體的氮素積累，氮收獲指數(shù)下降，甚至抑制籽粒干物質(zhì)的積累［16，20］。N270、N360處理土壤全氮顯著增加，土壤堿解氮富集，土壤酸化，造成出苗障礙、小麥分蘗減少，成穗率降低，小麥玉米前期生長(zhǎng)發(fā)育受到明顯抑制；小麥和玉米葉片長(zhǎng)寬和厚度均明顯增加，葉色濃郁呈深綠色，莖稈粗壯，成熟期貪青晚熟，千粒重不升反降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低，特別是N360處理籽粒產(chǎn)量降幅較大。

3.2 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)氮素分配和利用的影響

增施氮肥顯著增加小麥地上部中莖葉氮積累量比重，降低小麥的氮收獲指數(shù)。玉米秸稈還田雖然也降低氮收獲指數(shù)，但由于秸稈氮礦化量有限［21］，因此作用并不顯著。

長(zhǎng)期玉米秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，顯著提高土壤肥力水平，增強(qiáng)土壤供肥能力和肥料利用率，這與前人研究結(jié)果一致［6，8，10，12］。玉米秸稈還田顯著提高小麥、玉米地上部氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力，表明長(zhǎng)期玉米秸稈還田可以顯著提高小麥玉米周年的氮肥利用率。這與勞秀榮［5］、劉立軍［19］、霍中洋［20］等的研究結(jié)果基本一致。

3.3 長(zhǎng)期玉米秸稈還田對(duì)小麥、玉米籽粒產(chǎn)量的影響

當(dāng)施氮量高于180 kg／hm2時(shí)，相同施氮水平下SR處理的小麥籽粒產(chǎn)量比NSR處理增產(chǎn)顯著，增幅在5.50%以上，且SR處理小麥最高產(chǎn)量比NSR的最高產(chǎn)量增產(chǎn)6.31%。施氮量在90～270 kg／hm2范圍內(nèi)，相同施氮水平下SR處理的玉米籽粒產(chǎn)量比NSR增產(chǎn)顯著，增幅在8.08%以上，且SR處理玉米最高產(chǎn)量比NSR最高產(chǎn)量增加10.32%。表明長(zhǎng)期玉米秸稈還田可以顯著提高小麥和玉米產(chǎn)量［7，8，17］，且在配施適量氮肥的情況下可以進(jìn)一步提高小麥玉米周年產(chǎn)量水平。

3.4 長(zhǎng)期秸稈還田模式下施氮量的推薦

巨曉棠［21］研究認(rèn)為，長(zhǎng)期采取秸稈還田措施，土壤系統(tǒng)在3～5年達(dá)到穩(wěn)定后，新系統(tǒng)的土壤供氮能力增強(qiáng)，秸稈氮主要對(duì)維持和培育土壤有機(jī)碳氮庫(kù)有利，但對(duì)推薦施氮量影響不大。本定位試驗(yàn) 2015—2016年試驗(yàn)結(jié)果［22，23］中 SR的小麥、玉米最高產(chǎn)量施氮量分別為216.11、207.3 kg／hm2，與本次試驗(yàn)分析的最高產(chǎn)量施氮量210.9、196.4 kg／hm2基本一致，表明本定位試驗(yàn)土壤主要養(yǎng)分基本達(dá)到一定的平衡狀態(tài)。

大田作物生產(chǎn)受氣候、耕作等因素影響較大，因此把推薦施氮量設(shè)定一個(gè)范圍既符合實(shí)際，也利于推廣和操作。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，把最高籽粒產(chǎn)量施氮量上下浮動(dòng)5%作為推薦施氮量。因此，地力和耕作條件與本研究地塊相似的小麥、玉米推薦施氮量如下：小麥秸稈覆蓋還田、玉米秸稈移出的地塊，小麥推薦施氮量為179.9～198.9 kg／hm2，玉米施氮量為184.5～203.9 kg／hm2；小麥秸稈覆蓋還田、玉米秸稈粉碎還田的地塊，小麥推薦施氮量為 200.4～221.4 kg／hm2，玉米施氮量為186.4～206.0 kg／hm2。