秸稈還田配施硫肥對春玉米產(chǎn)量及硫素積累、分配特性的影響

周麗娟，耿玉輝，曹國軍，張美玲，李 昊

(吉林農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，吉林 長春 130118)

近年來，隨著糧食產(chǎn)量的不斷提高及氮磷鉀化肥的大量投入，土壤中、微量元素含量逐漸相對不足，并成為糧食產(chǎn)量進一步增加的限制因素[1-2]，土壤中、微量元素缺乏的國家和地區(qū)也明顯增加。硫含量一般占植物干物質(zhì)的0.1%～0.5%，是繼氮、磷、鉀之后的第四大營養(yǎng)元素[3]。缺硫會影響植物的產(chǎn)量及品質(zhì)[4]，進而影響人類的健康[5-8]。研究表明，硫參與葉綠素的合成并影響呼吸作用，從而調(diào)節(jié)植物的生長[9]。陳國安[10]研究發(fā)現(xiàn)，我國東北地區(qū)玉米、小麥、大豆均出現(xiàn)缺乏硫素癥狀。吳宇等[11]研究指出，在缺硫條件下，大豆種子中含硫氨基酸的蛋白的積累明顯下降，缺乏含硫氨基酸的β-conglycinin蛋白增加；Cys和Met是合成蛋白質(zhì)的必需氨基酸，充足的硫含量有利于富含Cys和Met的蛋白質(zhì)含量提高，降低籽粒中的氮硫比例，提高籽粒的營養(yǎng)價值，從而影響大豆的品質(zhì)。

中國是秸稈資源豐富的國家，每年產(chǎn)生的各種秸稈達8億t以上[12]，這些秸稈絕大部分被焚燒或被用來做飼料和燃料。秸稈中含有有機質(zhì)及豐富的營養(yǎng)元素[13-15]，實行玉米秸稈還田具有提高土壤肥力、改善土壤的理化性質(zhì)和增產(chǎn)等作用[16-18]。李榮等[19]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以提高玉米籽粒質(zhì)量以及水分利用效率。朱澤亮等[20]認為秸稈還田可以極大促進水稻的分蘗，提高植株高度及質(zhì)量。雖然目前對硫肥及秸稈還田的研究相對較多，但對秸稈還田配施硫肥對春玉米生長及硫素積累分配影響的研究報道相對較少。本研究探討了在秸稈還田的條件下配施硫肥對春玉米產(chǎn)量及硫素的積累、分配及轉(zhuǎn)運的影響，以期為硫素的合理調(diào)控及糧食的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2019年在吉林省乾安縣贊字鄉(xiāng)父字村進行，試驗土壤為黑鈣土，0～20 cm土壤耕層養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)為：有機質(zhì) 17.39 g·kg?1、有效氮 102.36 mg·kg?1、有效磷 35.86 mg·kg?1、速效鉀 109.38 mg·kg?1、有效硫 15.36 mg·kg?1，pH 7.86。試驗田常年采用玉米連作模式。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)分為秸稈還田(秸稈還田量為 12 000 kg·hm?2)和秸稈不還田 2 個水平，副區(qū)分為施硫 (施硫量為純硫 60 kg·hm?2)和不施硫2個水平，不施任何肥處理為對照(CK)，共包括CK、秸稈不還田不施硫、秸稈還田不施硫、秸稈不還田施硫、秸稈還田施硫 5個處理。試驗小區(qū)面積 39 m2(壟寬 0.65 m × 6 壟 × 10 m 長)，隨機區(qū)組排列，重復3次。硫肥作為基肥施用，因施用量較小，為了撒施均勻，用塑料盆將每個小區(qū)的硫肥與一定量土壤混勻后手施撒入壟溝內(nèi)。秸稈還田處理于春播前將秸稈粉碎覆于地面，通過旋耕將其與土壤充分混合，該地區(qū)農(nóng)民采用膜下滴灌。玉米品種為‘富民985’，每公頃種植70 000株。試驗田的氮磷鉀施用量參照當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量：4個試驗處理均施氮 240 kg·hm?2，其中基肥占總施氮量的 40%，拔節(jié)期與抽雄期再分別各追施30%氮肥；4個試驗處理均施 P2O5100 kg·hm?2、K2O 100 kg·hm?2，作為基肥一次性施入。5月9日播種，10月10日收獲，其他管理同常規(guī)大田管理技術(shù)。

1.3 取樣方法與時期

分別在春玉米的拔節(jié)期(播種后第55天)、喇叭口期(播種后第64天)、抽雄期(播種后第73天)、灌漿期(播種后第94天)、乳熟期(播種后第113天)、完熟期(播種后第130天)進行田間采樣。選擇大小和長勢均勻的玉米植株進行采集，每個時期均采集3株，按葉片、莖稈、穗部營養(yǎng)體(苞葉和穗軸)和籽粒分開，于恒溫箱內(nèi)在105 ℃條件下殺青30 min，再于80 ℃條件下烘至恒質(zhì)量后保存待測。

1.4 測定項目與方法

春玉米各器官中硫元素測定方法采用HNO3-HClO4消煮法和原子分光光度法。

硫素轉(zhuǎn)運量/(kg·hm?2)=營養(yǎng)體最大硫素積累量?成熟期營養(yǎng)體硫素積累量，

硫素轉(zhuǎn)運率=硫素轉(zhuǎn)運量/營養(yǎng)體最大硫素積累量×100%，

硫素轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率=硫素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒硫素積累量×100%。

于完熟期每處理取10 m2果穗，稱其總鮮質(zhì)量，按平均鮮穗質(zhì)量從中取10穗，待自然風干后考種，考察產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素(千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)等)，按含水量14%折算最終理論產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2019 和 SPSS Statistics 23進行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施硫肥對春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表1可知，施用硫肥顯著提高了春玉米的千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)，其中對穗粒數(shù)的提高更顯著，從而顯著提高了春玉米的產(chǎn)量，不同處理總體表現(xiàn)為秸稈還田施硫>秸稈不還田施硫>秸稈還田不施硫>秸稈不還田不施硫>CK。在無秸稈還田條件下，施硫的產(chǎn)量比不施硫提高11.70%；秸稈還田條件下，施硫的產(chǎn)量比不施硫增加11.98%，說明施用硫肥可以起到增產(chǎn)的效果。施用硫肥時，秸稈還田的春玉米產(chǎn)量比無秸稈還田提高7.73%；無硫肥施用時，秸稈還田的春玉米產(chǎn)量比無秸稈還田增加了7.46%，說明秸稈還田能夠起到增產(chǎn)的作用。秸稈與硫肥對產(chǎn)量無顯著交互效應(yīng)。

表 1 秸稈還田和施硫?qū)Υ河衩桩a(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響及方差分析1)Table 1 Effects of straw returning and sulfur fertilizer application on yield and yield components of spring maize and variance analysis

2.2 秸稈還田配施硫肥對春玉米硫素積累的影響

如圖1所示，隨著生育期的延長，春玉米植株中硫素積累量持續(xù)增加，至完熟期達到最大值；在灌漿期前硫素積累迅速，灌漿期至完熟期積累相對緩慢。其中CK處理硫素積累量最低，且在整個生育期硫素積累量增長曲線較為平緩，最大硫素積累量為 14.54 kg·hm?2，與其他 4 個處理存在顯著差異。秸稈還田施硫處理的硫素積累量達到最大值，為 34.16 kg·hm?2。各處理硫素積累量整體表現(xiàn)為秸稈還田施硫>秸稈不還田施硫>秸稈還田不施硫>秸稈不還田不施硫>CK。秸稈還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高35.06%；秸稈不還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高37.09%，且差異顯著，說明施用硫肥可以促進植物對硫的積累。在施用硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高11.37%；在不施硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高13.04%，說明秸稈還田也具有促進植株對硫素吸收積累的作用。秸稈還田施硫處理的硫素積累量比秸稈不還田不硫肥處理提高52.67%，說明秸稈還田配施硫肥可以進一步促進植株對硫素的積累。

圖 1 不同生育時期春玉米硫素的積累量Fig. 1 Accumulation amount of sulfur in spring maize at different growth stages

從圖2可以看出，春玉米硫素積累量在各個時期呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，各時期硫素積累量總體表現(xiàn)為秸稈還田施硫>秸稈不還田施硫>秸稈還田不施硫>秸稈不還田不施硫>CK。硫素積累量最高峰出現(xiàn)在抽雄期至灌漿期，此時期最大硫素積累量為秸稈還田施硫處理，達到 13.09 kg·hm?2，最低硫素積累量為 CK，積累量為 4.85 kg·hm?2。硫素積累速率的規(guī)律同硫素積累量不同，其最大速率出現(xiàn)在喇叭口期至抽雄期，其中最大積累速率為秸稈還田施硫處理，達到 0.70 kg·hm?2·d?1。各時期硫素積累量占總的硫素積累量比例的最高峰值出現(xiàn)在抽雄期至灌漿期，最高比例為秸稈還田施硫處理，達到38.33%，最低比例為CK的33.32%。

圖 2 不同生育時期春玉米硫素積累動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic changes of sulfur accumulation in spring maize at different growth stages

2.3 秸稈還田配施硫肥對春玉米器官中硫素積累 的影響

2.3.1 秸稈還田配施硫肥對春玉米葉片中硫素積累的影響 如圖3A所示，春玉米葉片中硫素積累量總體趨勢表現(xiàn)為拔節(jié)期至灌漿期硫素積累量不斷增加，至灌漿期達最大值，灌漿期至完熟期呈下降趨勢。4個試驗處理灌漿期的葉片硫素積累量都顯著高于CK，其中秸稈還田條件下，施用硫肥處理的葉片硫素積累量比不施硫肥處理提高49.67%，秸稈不還田條件下，施用硫肥處理的葉片硫素積累量比不施硫肥處理提高51.99%；施硫條件下，秸稈還田處理的硫素積累量比秸稈不還田提高21.23%，不施硫條件下，秸稈還田處理的硫素積累量比秸稈不還田提高23.10%。以上結(jié)果說明，秸稈還田和施硫都能夠促進春玉米葉片硫素的積累。秸稈還田配施硫肥處理的硫素積累量比秸稈不還田且不施硫肥處理增加84.25%，說明秸稈還田配施硫肥可以顯著提高春玉米葉片硫素的積累量。

圖 3 春玉米各器官硫素積累量Fig. 3 Sulfur accumulation amount in each organ of spring maize

2.3.2 秸稈還田配施硫肥對春玉米莖稈中硫素積累的影響 圖3B中，春玉米莖稈硫素積累量總體表現(xiàn)為先上升，至灌漿期達到最大值，灌漿期后開始下降。硫素積累速率最快的階段為抽雄期至灌漿期。在灌漿期，4個試驗處理的硫素積累量均比CK顯著增加。在秸稈還田條件下，施硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高42.66%，秸稈不還田條件下，施硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高34.35%，說明施用硫肥可以促進春玉米莖稈中硫素的積累；在施用硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高17.13%，在無硫肥施入條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高10.31%。秸稈還田施硫處理的硫素積累量比秸稈不還田不施硫提高57.37%，說明秸稈還田配施硫肥可以進一步促進莖稈中硫素的積累。

2.3.3 秸稈還田配施硫肥對春玉米穗部營養(yǎng)體中硫素積累的影響 由圖3C可以得出，春玉米穗部營養(yǎng)體硫素積累量呈持續(xù)增加趨勢，至完熟期達到最大值。春玉米穗部營養(yǎng)體的硫素積累量明顯低于莖稈和葉片。秸稈還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高46.69%，在秸稈不還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高67.54%，說明施用硫肥促進了春玉米穗部營養(yǎng)體的硫素積累；在施用硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高8.11%，在無硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高23.48%，說明秸稈還田具有促進春玉米穗部營養(yǎng)體硫素積累的作用。秸稈還田施硫的硫素積累量比秸稈不還田不施硫提高81.14%，說明秸稈還田配施硫肥能夠進一步促進春玉米穗部營養(yǎng)體硫素的積累。

2.3.4 秸稈還田配施硫肥對春玉米籽粒中硫素積累的影響 圖3D可以得出，各處理春玉米籽粒中硫素積累量持續(xù)增加，至完熟期達到最大值。在秸稈還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高31.02%，在無秸稈還田條件下，施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高35.58%；在施用硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高9.76%，在不施硫肥條件下，秸稈還田的硫素積累量比秸稈不還田提高13.57%。秸稈還田施硫的硫素積累量比秸稈不還田不施硫提高48.80%。以上結(jié)果說明，秸稈還田配施硫肥可以進一步促進春玉米籽粒中硫素的積累。

春玉米籽粒的硫素積累量在所有器官中最高，玉米植株中各器官硫素積累量整體表現(xiàn)為籽粒>葉片>莖稈>穗部營養(yǎng)體。

2.4 秸稈還田配施硫肥對春玉米營養(yǎng)器官硫素轉(zhuǎn)運的影響

由表2可知，不同處理莖稈的硫素轉(zhuǎn)運量差異顯著；在葉片的硫素轉(zhuǎn)運量上，秸稈還田施硫和秸稈不還田施硫與其他處理差異顯著。不同處理硫素總轉(zhuǎn)運量表現(xiàn)為秸稈還田施硫>秸稈不還田施硫>秸稈還田不施硫>秸稈不還田不施硫>CK。其中秸稈還田施硫的硫素總轉(zhuǎn)運量達到最高，為15.29 kg·hm?2，比秸稈不還田不施硫提高74.54%，說明秸稈還田配施硫肥促進了春玉米營養(yǎng)器官中硫素向籽粒中的轉(zhuǎn)運。在轉(zhuǎn)運率上，秸稈還田不施硫的莖稈轉(zhuǎn)運率顯著高于其他處理，但葉片轉(zhuǎn)運率和總轉(zhuǎn)運率在不同處理間差異不顯著。在硫素轉(zhuǎn)運量對籽粒貢獻率上，不同處理間的貢獻率大小與轉(zhuǎn)運量規(guī)律基本一致，其中秸稈還田施硫的總貢獻率為所有處理中最高，達到64.43%，比秸稈不還田施硫、秸稈還田不施硫、秸稈不還田不施硫及CK處理分別提高9.15%、11.53%、17.27%和18.61%。

表 2 秸稈還田和施硫?qū)Τ墒炱诖河衩字仓炅蛩剞D(zhuǎn)運特征的影響1)Table 2 Effects of straw returning and sulfur fertilizer application on sulfur transport characteristics of spring maize at mature stage

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈還田配施硫肥對春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

適宜的硫肥處理能夠提高小麥的穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量[21]，特別是施用硫肥對多穗型‘豫麥49’產(chǎn)量的提高幅度較大[22]。施用硫肥提高了小麥葉片的光合特性、干物質(zhì)積累[23]及籽粒產(chǎn)量[24]。施用鋅肥可以提高玉米的產(chǎn)量，比不施鋅肥增產(chǎn)5.2%，且在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)量隨著施鋅量的增加而增加[25]。因此，施用一定量的中、微量元素化肥有一定的增產(chǎn)作用。本研究中，秸稈還田施硫的產(chǎn)量比秸稈還田不施硫提高11.98%，秸稈不還田施硫比秸稈還田不施硫、秸稈不還田不施硫和CK的產(chǎn)量分別增加3.95%、11.70%和42.36%，說明施用硫肥對春玉米有一定的增產(chǎn)作用，這與前人的研究結(jié)論[26-27]基本符合。

秸稈還田影響植物生長發(fā)育主要通過2種方式，一是玉米秸稈中含有豐富的有機質(zhì)、氮磷鉀和中微量元素等養(yǎng)分，通過腐解直接釋放營養(yǎng)物質(zhì)供給作物生長發(fā)育；二是秸稈還田后能夠促進微生物大量繁殖，改善土壤微生物環(huán)境和理化特性，間接促進作物生長[28]，從而起到增產(chǎn)作用[29-31]。本試驗中秸稈還田施硫處理的產(chǎn)量比秸稈不還田施硫處理提高7.73%；秸稈還田施硫的產(chǎn)量比秸稈不還田不施硫增加20.34%，比CK增加53.37%，說明秸稈還田配施硫肥可以進一步提高春玉米產(chǎn)量。

3.2 秸稈還田配施硫肥對春玉米硫素積累的影響

研究指出施用硫肥提高了冬小麥地上部營養(yǎng)器官的硫含量，其中施用 112.5 和 150.0 kg·hm?2硫肥處理地上部營養(yǎng)器官的硫含量與不施用硫肥相比，均達顯著差異水平[32]。曹殿云[33]研究指出，適量的硫肥能夠促進玉米硫素吸收，完熟期施用80 kg·hm?2硫肥處理的地上部營養(yǎng)器官硫素積累量與不施用硫肥處理具有顯著差異。本研究中，在春玉米成熟期，秸稈不還田條件下，配施硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高37.09%；秸稈還田條件下，配施硫肥的硫素積累量比不施硫肥提高35.06%，再次證明施用硫肥促進春玉米對硫素的吸收和積累。曹殿云等[34]研究發(fā)現(xiàn)玉米對硫素的最高吸收強度出現(xiàn)在喇叭口期和抽雄期，本研究發(fā)現(xiàn)抽雄期的春玉米硫素積累速率在整個生育期中最高，說明在此時期一定要保證硫素的供應(yīng)。崔彥宏等[35]研究指出，夏玉米有2個硫素吸收高峰期，分別出現(xiàn)在喇叭口至抽雄期和吐絲后第30～45天，王空軍等[36]指出夏玉米吸收硫素有2個高峰期，分別為拔節(jié)期至大口期和開花期至乳熟期。本試驗中硫素吸收出現(xiàn)1個高峰期，是抽雄期至灌漿期。由于之前的研究材料都為夏玉米，本試驗的研究材料為春玉米，說明關(guān)鍵時期的養(yǎng)分補充要考慮不同品種的差異。

秸稈還田既能釋放各種大、中、微量元素，又能提高土壤對水、肥、氣、熱的供應(yīng)和協(xié)調(diào)能力[37]，從而促進作物對養(yǎng)分的吸收與積累[13, 38]。本研究中，至春玉米成熟期，秸稈還田施硫的硫素積累量比秸稈不還田施硫提高13.37%，證明秸稈還田可以促進春玉米對硫素的吸收和積累；秸稈還田施硫的硫素積累量比秸稈不還田不施硫提高52.67%，說明秸稈還田配施硫肥能夠進一步促進春玉米對硫素的吸收和積累。

3.3 秸稈還田配施硫肥對春玉米器官中硫素分配及轉(zhuǎn)運的影響

研究指出小麥開花前硫主要分配在葉片、莖稈和葉鞘中，后期則開始向籽粒轉(zhuǎn)運[39]。本研究春玉米葉片及莖稈中硫素積累量都在灌漿期達到最高峰，然后開始降低，而籽粒的硫素積累則從灌漿期開始持續(xù)增加至完熟期達到最高。春玉米營養(yǎng)生長時期硫素的積累以葉片和莖稈為主，后期則以籽粒為中心進行積累。劉寶存等[40]指出完熟期玉米植株器官硫素積累量大小趨勢為籽粒>葉片>莖稈>穗部器官，本研究在完熟期硫素積累量同樣表現(xiàn)為籽粒>葉片>莖稈>穗部營養(yǎng)體。秸稈還田可以促進植株對錳元素的吸收，植株的不同器官中錳的積累量始終高于對照[41]，而有機肥和無機肥配施可以顯著提升氮磷鉀養(yǎng)分在水稻中的積累[42]。本研究中，秸稈還田提高了各器官中硫素的積累，不配施硫肥條件下，秸稈還田處理玉米籽粒中硫素積累量比秸稈不還田提高13.57%，說明秸稈還田促進春玉米各器官的硫素積累。

王東等[43]研究指出由莖稈轉(zhuǎn)入籽粒的硫素最多，葉片中的硫素轉(zhuǎn)入量次之。本研究中秸稈還田施硫處理的莖稈硫素轉(zhuǎn)運量達到最高，為9.06 kg·hm?2，葉片轉(zhuǎn)運量最高為 6.23 kg·hm?2，與上述研究結(jié)果相符。有研究指出施用硫肥能夠促進硫的吸收利用，增加小麥花后氮、硫從營養(yǎng)器官中向籽粒轉(zhuǎn)運，增加總運轉(zhuǎn)量對籽粒硫素含量的貢獻率[32, 44]。本試驗中秸稈不還田施硫?qū)ψ蚜５目傌暙I率比不施硫提高7.44%，秸稈還田施硫?qū)ψ蚜５目傌暙I率比不施硫提高11.53%，說明施用硫肥提高了春玉米器官莖稈、葉片中硫素轉(zhuǎn)運量對籽粒的貢獻率。

3.4 結(jié)論

施用硫肥能夠促進春玉米的硫素積累，本研究中施用硫肥的硫素積累量比不施硫肥平均提高36.07%。玉米植株中各器官硫素積累量整體表現(xiàn)為籽粒>葉片>莖稈>穗部營養(yǎng)體。施硫提高了植株各器官中的硫素含量，并促進營養(yǎng)器官中硫素向籽粒轉(zhuǎn)運，提高了轉(zhuǎn)運硫素對籽粒中硫素的貢獻率。秸稈還田配施硫肥能夠進一步促進春玉米的硫素積累以及植株營養(yǎng)器官硫素向籽粒的轉(zhuǎn)運，并最終提高春玉米產(chǎn)量。