麥-玉輪作玉米秸稈還田與施氮對后茬玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

向曉玲，陳松鶴，高仁才，吳東明，陳艷琦，楊洪坤，樊高瓊

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，四川 成都 611130)

旱地冬小麥-夏玉米接茬種植的耕作制度，因其可以提高土地利用效率和增加單位面積經(jīng)濟收益，是我國北方較為常見的栽培模式[1]，近年來由于其便于機械化，在西南也逐漸盛行。輪作體系非常看重周年效益，注重茬口銜接，但前茬的處理方式也會影響到后茬作物的生長[2]。秸稈還田是一種提高土壤肥力的重要栽培措施[3]，也是冬小麥-夏玉米輪作體系中的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)。前人已經(jīng)對秸稈還田的培肥土壤效應(yīng)等做了大量研究[4]，但秸稈還田對后茬作物的效應(yīng)有待進一步研究。我國北方主要為灌溉農(nóng)業(yè)，而南方主要為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，研究西南丘陵區(qū)冬小麥-夏玉米新型種植模式下小麥季秸稈還田對后茬玉米生長的影響，對于明確該技術(shù)模式的周年效應(yīng)及生理基礎(chǔ)有重要意義，有助于技術(shù)模式的推廣應(yīng)用。

大量研究表明，秸稈還田不僅可以提高當季作物產(chǎn)量[5]，培肥土壤[6]、改善土壤生態(tài)環(huán)境[7]，而且秸稈腐解過程中釋放出礦質(zhì)營養(yǎng)元素能夠補充土壤養(yǎng)分來維持土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[8-10]，有利于后續(xù)作物產(chǎn)量的持續(xù)提升。但也有研究表明，長期秸稈還田會破壞土壤的碳氮平衡，因此，需要配施氮肥來平衡土壤氮素使作物獲得高產(chǎn)[11]。長期以來，施用氮肥一直是提高作物產(chǎn)量的重要措施[12]。然而越來越多的研究表明，氮肥施用過量導(dǎo)致其利用率降低、作物產(chǎn)量下降[13-14]。而且過量施用氮肥不僅造成諸如富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[15]，且氮素盈余易導(dǎo)致淋溶下滲污染水體[16]。因此，研究秸稈還田及施氮的后效作用具有重要的生產(chǎn)實踐意義。

鑒于此，本研究基于四川丘陵旱地冬干春旱、石灰性紫色土的氣候條件和土壤背景下，在冬小麥-夏玉米輪作體系第4年定位試驗基礎(chǔ)上，研究小麥季玉米秸稈還田與施氮對后茬玉米的生物量、產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響，以期為西南丘陵地區(qū)作物高產(chǎn)高效的種植制度提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗于2015年在四川省眉山市仁壽縣珠嘉鎮(zhèn)踏水村(30°04′ N，104°13′ E)進行，丘陵地貌，土壤類型為石灰性紫色土，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。試驗地采用冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度，玉米生育期氣象條件見圖1。本試驗采集2018，2019年夏玉米收獲期樣品進行分析研究。2015年試驗開始時土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力為：pH值7.82(土∶水= 1.0∶2.5)，有機質(zhì)16.9 g/kg，全氮0.83 g/kg，全磷0.86 g/kg，全鉀13.96 g/kg。

1.2 試驗材料

夏玉米品種為正紅6號，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院選育。前茬小麥品種為川麥104，由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。試驗中所用肥料分別為普通尿素(N 46.2%)，過磷酸鈣(P2O512.5%)和氯化鉀(K2O 60%)，均購于當?shù)剞r(nóng)資市場。

1.3 試驗設(shè)計

前茬冬小麥采用二因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為玉米秸稈粉碎覆蓋(SM)與不覆蓋(NSM)，覆蓋量為6 000～8 000 kg/hm2(干質(zhì)量)；裂區(qū)為3種氮水平為：0(N0)，120(N1)，180(N2)kg/hm2，共計6個處理，每個處理均設(shè)3次重復(fù)。主區(qū)間隔1.5 m，小區(qū)間隔為20 cm，小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m)。磷(P2O512.5%)和鉀(K2O 60%)用量均為75 kg/hm2。在前茬冬小麥原位小區(qū)，于冬小麥收獲后(5月中旬)穴播玉米，行距為1.0 m，穴距為0.33 m，每穴2株，密度為60 000 株/hm2，各小區(qū)氮(N 46.2%)、磷(P2O512.5%)和鉀(K2O 60%)用量相同，分別為225，75，75 kg/hm2，50%的氮肥和全部磷、鉀肥作底肥，另于拔節(jié)期追施剩余氮肥。其他管理措施同當?shù)卮筇?。兩季夏玉米收獲時間分別為2018年8月25日和2019年8月29日。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 所有小區(qū)實收測產(chǎn)，并連續(xù)收獲20穗測定玉米穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量指標。

1.4.2 樣品采集 在玉米播種前，用土鉆按“S”形5點采樣法采集0～20 cm土層土樣，制成混合樣，并于室內(nèi)風(fēng)干后分別過0.15，0.85 mm孔徑篩留存，用于后續(xù)養(yǎng)分測定。在收獲期每個小區(qū)取長勢均勻、有代表性的玉米4株，在105 ℃下殺青30 min后，于80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量后粉碎，用于后續(xù)養(yǎng)分測定。

1.4.3 土壤樣品測定 土壤pH值(水土比 2.5∶1.0)采用電位法測定；土壤有機質(zhì)采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮用凱氏定氮法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；速效磷用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀用 1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定[17]。

1.4.4 植株養(yǎng)分測定 將植株樣品粉碎過0.25 mm孔徑篩，用H2SO4-H2O2消煮，采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量；釩鉬黃比色法測定全磷含量；火焰光度計法測定鉀含量[17]。根據(jù)生物量和養(yǎng)分含量計算植株養(yǎng)分吸收量。計算公式如下：

植株氮(磷、鉀)養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)=地上部生物量×氮(磷、鉀)含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016進行整理計算，用SPSS 19.0進行方差分析及相關(guān)性分析，Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對后茬夏玉米播種前土壤肥力的影響

定位試驗3-4 a后，秸稈還田是提高土壤有機質(zhì)的主要因素(表1)，秸稈還田(SM)與不還田(NSM)相比，土壤有機質(zhì)含量顯著提高，較NSM處理提高了34.1%(2 a均值)。同時，秸稈還田(SM)相比不還田(NSM)提高了土壤全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，分別較不還田(NSM)處理提高6.64%，7.34%，16.2%，14.3%(2 a均值)，前茬氮肥處理比不施氮處理(N0)顯著提高了土壤中的全氮含量，但降低了速效鉀含量并增加了速效磷含量。與N0處理相比，N1、N2處理下的全氮含量分別增加12.8%，13.3%，堿解氮含量分別增加6.31%，11.2%(2 a均值)。

表1 秸稈還田對夏玉米播種前土壤養(yǎng)分的影響Tab.1 Effects of straw mulching on soil nutrients of summer maize before sowing

2.2 秸稈還田與施氮對后茬玉米地上部生物量的影響

由圖2可知，秸稈還田、施氮與秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的生物量均有極顯著影響(P<0.01)。2018，2019年SM處理下玉米成熟期地上部生物量較NSM處理分別增加了34.7%，38.8%，差異極顯著(P<0.01)。與N0處理相比，施氮處理極顯著提高了地上部生物量，N1、N2處理較N0處理地上部生物量分別提高了29.9%，36.7%(2 a結(jié)果均值)。在不同處理間，地上部生物量表現(xiàn)為SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0(2 a結(jié)果均值)，且SMN0處理與NSMN2(2018年)和NSMN1處理(2019年)無顯著差異(P>0.05)，可見秸稈覆蓋下的生物量與不覆蓋下增施氮肥的作用相當。

2.3 秸稈還田與施氮對后茬玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

小麥季秸稈還田和施氮極顯著影響后茬玉米的產(chǎn)量(表2)。2018，2019年，SM處理下的產(chǎn)量較NSM處理分別增加65.7%，30.7%；隨上季作物施氮量增加，玉米產(chǎn)量呈增加的趨勢。與N0處理相比，N1和N2玉米產(chǎn)量分別提高了41.5%，59.4%(2 a均值)，2 a均以N2處理下玉米產(chǎn)量最高。增產(chǎn)原因在于穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)提高。SM處理與NSM處理相比，穗長增幅為7.4%～10.0%，穗粒數(shù)增幅為22.9%～24.2%，百粒質(zhì)量增幅為18.1%～58.1%。N1處理下的穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量較N0處理分別增加了12.3%，29.1%，24.9%，N2處理下的依次為10.9%，25.2%，27.4%(2 a均值)。秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的百粒質(zhì)量有極顯著影響，對穗長無顯著影響，而對穗粒數(shù)的影響2 a結(jié)果不一致。相關(guān)分析表明(表3)，穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。百粒質(zhì)量對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)最大，說明其是夏玉米產(chǎn)量增加的最主要貢獻因子，其次是穗長，穗粒數(shù)的增加可通過百粒質(zhì)量和穗長的增加影響產(chǎn)量(表3)。

表2 秸稈還田及施氮對后茬夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Tab.2 Effects of straw mulching and nitrogen fertilizer on yield components in summer maize

表3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)系數(shù)及通徑分析Tab.3 Correlation coefficient and path analysis of yield and its components

2.4 秸稈還田與施氮對后茬玉米養(yǎng)分吸收的影響

由圖3可知，小麥季秸稈還田、施氮與秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收均有極顯著影響(P<0.01)。與NSM處理相比，SM處理后茬玉米地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收分別增加47.2%，58.8%，45.0%(2 a均值)。SM處理下2018，2019年氮吸收量分別高36.0%，61.7%。N2和N1處理下玉米氮吸收量比N0處理分別高42.7%～45.6%，57.8%～73.3%。SMN0處理氮吸收量介于NSMN0和NSMN2處理，說明小麥季秸稈還田效應(yīng)促進了后茬玉米氮素吸收。前茬秸稈還田后夏玉米磷和鉀的吸收與氮的吸收規(guī)律一致，均表現(xiàn)為SM處理極顯著高于NSM處理，且隨著施氮量的增加，磷和鉀的吸收量顯著提高(P<0.05)。不同處理間，磷和鉀的吸收量均表現(xiàn)為：SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0。說明前茬玉米秸稈還田和施氮促進了玉米對磷和鉀的吸收。

2.5 秸稈還田與施氮對后茬玉米氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力的影響

由表4可知，秸稈還田與施氮對后茬夏玉米氮肥偏生產(chǎn)力(PEPN)、磷肥偏生產(chǎn)力(PEPP)和鉀肥偏生產(chǎn)力(PEPK)的影響達到極顯著水平(P<0.01)，而秸稈還田×施氮的交互作用對PEPN、PEPP和PEPK的影響僅在2018年差異極顯著(表4)。秸稈還田極顯著提高了兩季夏玉米的PEPN、PEPP和PEPK，其中 SMN0較NSMN0的PEPN、PEPP和PEPK均增加了46.5%，SMN1處理較NSMN1處理增加39.6%，SMN2處理較NSMN2處理增加57.7%。

表4 秸稈還田及施氮對后茬夏玉米氮磷鉀肥偏生產(chǎn)力的影響Tab.4 Effects of straw mulching and nitrogen application on the partial factor productivity of nitrogen，phosphorus and potassium fertilizer in summer maize

3 討論與結(jié)論

3.1 麥-玉輪作體系下小麥季秸稈還田與氮肥施用改善土壤養(yǎng)分狀況，促進玉米增產(chǎn)

有機質(zhì)含量的高低是土壤肥沃程度的重要指標。前人研究表明，紫色土有機質(zhì)和速效磷含量低[18]，制約作物養(yǎng)分吸收。秸稈還田配施氮肥促進了秸稈的分解，提高了土壤有機質(zhì)含量[19]，因此改善了土壤質(zhì)量狀況[20]。在本研究中，小麥季秸稈覆蓋增加了玉米種植前土壤中的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，提高了土壤肥力；同時，小麥季施用氮肥也使得土壤中的全氮和堿解氮更加充裕，為后茬作物的生長提供了營養(yǎng)需求的保障。李軍輝等[21]研究表明，夏閑期復(fù)種飼料油菜將其地上部還田有利于提高后作小麥的有機質(zhì)含量并提高了小麥產(chǎn)量。本研究中，小麥季秸稈還田和施氮顯著增加了玉米產(chǎn)量，綜合產(chǎn)量以SMN2處理(秸稈還田+施氮180 kg/hm2)下最高。同時，SMN0處理與NSMN1和NSMN2處理玉米產(chǎn)量相當，說明秸稈還田下可以減少氮肥的用量不會降低后茬作物產(chǎn)量，主要由于秸稈還田提高了土壤對后茬玉米養(yǎng)分供應(yīng)的能力，為作物生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，進而增加了玉米籽粒產(chǎn)量[22-23]。有研究表明，秸稈還田配施氮肥通過提高植株葉面積指數(shù)、葉片光合速率及延長灌漿期和促進光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移，最終提高了籽粒質(zhì)量[24]。也有研究發(fā)現(xiàn)，前茬作物對秸稈氮的當季利用率低，土壤中存留了較多的秸稈氮素與化肥氮素[25]，有利于促進后茬玉米穗部形態(tài)建成。本研究中，秸稈還田與不還田處理相比，后茬玉米的穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量均有顯著的提高，并且百粒質(zhì)量對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)最大，可能因為前茬秸稈覆蓋與施氮后，提高了土壤有機質(zhì)與氮磷鉀養(yǎng)分含量，進而促進了玉米生物量增加，增大了源，從而促進籽粒灌漿。

3.2 前茬秸稈還田促進玉米養(yǎng)分吸收利用達到減氮效果

秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要措施，因其在土壤中分解釋放植物生長必需的養(yǎng)分[25]，從而增加了作物的養(yǎng)分吸收和利用。本研究中，秸稈還田不僅顯著增加了后茬夏玉米地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收，SMN0(秸稈還田+施氮0 kg/hm2)處理下，后茬玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收量介于NSMN1(秸稈不還田+施氮120 kg/hm2)和NSMN2(秸稈不還田+施氮180 kg/hm2)處理，說明玉米季同等施肥情況下，前茬秸稈覆蓋的持續(xù)效應(yīng)促進了后茬玉米的養(yǎng)分吸收。也有研究表明，當季作物收獲后土壤氮殘留對后茬作物有一定的后效作用[21，26]。本研究也得到類似的結(jié)論。同時，前茬秸稈還田與不還田相比顯著提高了后茬夏玉米的氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力，這與前人研究的結(jié)果基本一致[27]。因此，小麥季玉米秸稈還田的后效作用，是促進后茬夏玉米地上部養(yǎng)分吸收的重要因素，應(yīng)考慮秸稈還田代替部分化肥的潛力以及持續(xù)效應(yīng)。

西南丘陵區(qū)石灰性紫色土背景下，冬小麥-夏玉米輪作體系中，小麥季玉米秸稈還田和施氮提高了夏玉米播前土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，促進后茬夏玉米氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收，增加地上部生物量和產(chǎn)量。