冀中南地區(qū)小麥—玉米輪作體系秸稈還田下適宜施氮量的研究

劉環(huán)環(huán)，劉強(qiáng)，李艷寧

（1.石家莊市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河北 石家莊 050000；2.石家莊市藁城區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河北 藁城 052165）

玉米是我國(guó)播種面積最大的主要糧食作物，每年秸稈產(chǎn)量高達(dá)3.5 億t[1]。玉米秸稈營(yíng)養(yǎng)豐富，含碳量為45%～50%，還含有多種營(yíng)養(yǎng)元素，是十分重要的有機(jī)肥源物質(zhì)[2～4]。玉米秸稈還田技術(shù)是我國(guó)實(shí)施耕地質(zhì)量保護(hù)與提升的重要技術(shù)模式，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化再利用的重要途徑[5，6]，小麥—玉米輪作是冀中南地區(qū)重要的種植體系[7]，秸稈還田技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，不僅能減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，還能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加耕層速效氮含量而引發(fā)土壤氮礦化的正激發(fā)效應(yīng)，提高微生物群落多樣性和多種土壤酶的活性，為農(nóng)作物健康生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境[8～12]。但秸稈具有較高的碳氮比，還田后腐解時(shí)碳氮比失衡造成土壤微生物跟作物競(jìng)爭(zhēng)可利用的氮素，進(jìn)而影響產(chǎn)量的進(jìn)一步提高，因此秸稈還田后合理地進(jìn)行氮肥運(yùn)籌是小麥—玉米輪作體系科學(xué)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13，14]。研究表明，秸稈還田后合理施肥有助于維持土壤酸堿平衡，促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化和固定氮的轉(zhuǎn)化，提高氮肥利用率，增加產(chǎn)量，并有助于改善作物品質(zhì)[15～20]。但氮肥施用過量，不僅會(huì)抑制作物營(yíng)養(yǎng)器官中的氮素向子粒轉(zhuǎn)移，降低氮肥農(nóng)學(xué)利用率，導(dǎo)致減產(chǎn)降質(zhì)[21～23]；還會(huì)加劇氮素的揮發(fā)和淋溶，造成資源損失增大，且污染環(huán)境[24～27]。因此，探究秸稈還田條件下農(nóng)田適宜施氮量對(duì)合理利用資源、減少化肥用量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米秸稈還田的作用進(jìn)行了諸多研究，但大多只是針對(duì)單一的小麥或玉米進(jìn)行跟蹤，難以揭示玉米秸稈還田后對(duì)2 種作物氮肥用量與產(chǎn)量的關(guān)系。基于此，在冀中南地區(qū)玉米秸稈還田的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同施氮量對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量結(jié)構(gòu)以及氮素收獲指數(shù)的影響試驗(yàn)，明確每種作物的最佳施氮量和最高產(chǎn)量，旨為該區(qū)域高效利用秸稈資源和優(yōu)化施肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在河北省石家莊市藁城區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤類型為輕壤質(zhì)石灰性褐土，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)23.32 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷23 mg/kg、速效鉀 265 mg/kg，pH 值 7.4。

1.2 試驗(yàn)材料

小麥品種為藁優(yōu)5766，玉米品種為鄭單958。

所施肥料為尿素（N 含量46%，史丹利化肥股份有限公司）、重過磷酸鈣（P2O5含量44%，新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司）、氯化鉀（K2O 含量60%，中化化肥有限公司）和硫酸鉀（K2O 含量52%，中化化肥有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本研究是在前茬玉米秸稈切段（長(zhǎng)3～5 cm） 還田的基礎(chǔ)上開展的，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為1 個(gè)小麥—玉米輪作周期，小麥階段的試驗(yàn)結(jié)束后在原地塊進(jìn)行玉米階段的試驗(yàn)。小麥和玉米的氮肥施用量均設(shè)無氮 （N0）、低氮 （N1）、中氮 （N2） 和高氮 （N3，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥）4 個(gè)處理（表1），同一作物階段不同處理的P2O5和K2O 施用量均相同。試驗(yàn)地兩端設(shè)保護(hù)行，小區(qū)面積667 m2，3 次重復(fù)。

小麥 2020 年 10 月 14 日施用尿素 （N0、N1、N2、N3處理的施用量分別為 0.00、195.65、228.26 和260.87 kg/hm2）、重過磷酸鈣204.55 kg/hm2和氯化鉀125.00 kg/hm2做底肥，10 月 16 日播種；2021 年 4 月3 日追施尿素1 次，各處理的施用量均同其播種前；6月8 日收獲。玉米2021 年6 月17 日播種并施入尿素 （N0、N1、N2、N3處理的施用量分別為 0.00、195.65、244.57 和293.48 kg/hm2）、重過磷酸鈣136.36 kg/hm2和硫酸鉀115.38 kg/hm2做底肥；8 月3 日追施尿素1次，各處理的施用量均同其播種前；9 月28 日收獲。其他田間管理措施同常規(guī)。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 作物成熟期，每小區(qū)均采取“S”型取樣法選取3 個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)均選取1 m 雙行的樣方，統(tǒng)計(jì)樣點(diǎn)內(nèi)的小麥穗數(shù)（玉米株數(shù)），計(jì)算單位面積穗數(shù)（株數(shù)）。作物收獲時(shí)，各小區(qū)均單獨(dú)收割，統(tǒng)計(jì)子粒產(chǎn)量和莖葉產(chǎn)量，計(jì)算谷草比（子粒產(chǎn)量/莖葉產(chǎn)量）；每小區(qū)均隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株（小麥20 株，玉米10 株），測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重、子粒氮素積累量和莖葉氮素積累量，計(jì)算氮素收獲指數(shù)（子粒氮素積累總量/植株氮素積累總量×100%）。

將各作物的施氮量與其子粒產(chǎn)量作散點(diǎn)圖，并對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合，得到每種作物施氮量與其子粒產(chǎn)量的二元函數(shù)方程；然后，根據(jù)方程，計(jì)算得到每種作物的最佳施氮量及其最佳產(chǎn)量。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用SPSS 20 和Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田下施氮量對(duì)作物產(chǎn)量的影響

施氮處理的小麥子粒和莖葉產(chǎn)量均顯著＞N0處理，指標(biāo)值順序均為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中，N2處理的子粒產(chǎn)量分別較N0、N1、N3處理提高12.94%、0.94%和4.42%且差異均達(dá)到了顯著水平，而莖葉產(chǎn)量不同處理間差異均不顯著；谷草比均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)镹2處理＞N1處理＞N3處理，其中N1與N2處理差異不顯著，但二者均與其他2 個(gè)處理差異達(dá)到了顯著水平（表2）。表明N2處理效果最好，可以顯著提高小麥子粒產(chǎn)量、莖葉產(chǎn)量和谷草比。進(jìn)一步對(duì)N2與N1和N3處理的小麥子粒產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，該處理下穗粒數(shù)和千粒重最高，單位面積穗數(shù)最少，其中千粒重與其他2 個(gè)施氮量處理差異均達(dá)到了顯著水平。表明N2處理主要通過顯著提高千粒重實(shí)現(xiàn)了子粒產(chǎn)量的明顯提高。

表2 施氮量對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on the yield of wheat and maize

施氮處理的玉米子粒和莖葉產(chǎn)量均顯著＞N0處理，指標(biāo)值順序均為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中，N2與N1處理差異不顯著，但二者均與N3處理差異達(dá)到了顯著水平；谷草比均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)镹2處理＞N1處理＞N3處理，其中N2與N1處理差異不顯著，但二者均與其他2 個(gè)處理差異達(dá)到了顯著水平。表明N2和N1處理均可以顯著提高玉米子粒產(chǎn)量、莖葉產(chǎn)量和谷草比，二者效果基本相當(dāng)，其中N2處理效果更好。進(jìn)一步對(duì)N2和N1處理的玉米子粒產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，N2處理下單位面積株數(shù)和穗粒數(shù)均略＜N1處理，而千粒重顯著＞N1處理。表明N2處理主要通過顯著提高千粒重實(shí)現(xiàn)了子粒產(chǎn)量的提高。

綜上分析可以看出，秸稈還田下2 種作物均以中氮處理效果最好，可以顯著改善作物的生長(zhǎng)狀況，提高子粒產(chǎn)量；而施氮量過高或過低，在一定程度上均面臨減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。這與前人的輪作體系中作物產(chǎn)量與氮肥用量呈二次曲線關(guān)系[28～30]研究結(jié)果相一致。本研究設(shè)置的高氮水平為當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥，因此認(rèn)為，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上秸稈還田后適當(dāng)降低氮肥用量可以實(shí)現(xiàn)作物子粒高產(chǎn)。

2.2 秸稈還田下施氮量對(duì)植株氮素積累量和氮素收獲指數(shù)的影響

施氮處理的小麥子粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)?N2處理＞N3處理＞N1處理，其中，子粒氮素積累量N2與N3處理差異不顯著但二者均與N1處理差異達(dá)到了顯著水平，而氮素收獲指數(shù)不同處理間差異均達(dá)到了顯著水平；莖葉氮素積累量均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)?N1處理＞N3處理＞N2處理，其中N1與N3處理差異不顯著，但二者均與N2處理差異達(dá)到了顯著水平（表3）。表明N2處理效果最好，可以顯著促進(jìn)莖葉中的氮素向子粒轉(zhuǎn)移。

表3 施氮量對(duì)小麥和玉米氮素積累的影響Table 3 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of wheat and maize

施氮處理的玉米子粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)?N2處理＞N3處理＞N1處理，其中，N2與N3處理差異不顯著，但二者的子粒氮素積累量均與N1處理差異達(dá)到了顯著水平；莖葉氮素積累量均＞N0處理，指標(biāo)值順序?yàn)镹3處理＞N2處理＞N1處理，其中N2與N3處理差異不顯著，但二者均與N1處理差異達(dá)到了顯著水平。表明N2處理效果最好，可以顯著促進(jìn)莖葉中的氮素向子粒轉(zhuǎn)移。

綜上分析可以看出，秸稈還田下2 種作物均以中氮處理效果最好，可以顯著促進(jìn)莖葉中的氮素向子粒轉(zhuǎn)移，但施用過多會(huì)抑制這種效應(yīng)。這與易鎮(zhèn)邪等[31]氮肥用量過多會(huì)造成作物營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率增加、抑制光合產(chǎn)物向子粒輸送的研究結(jié)果相一致。因此，秸稈還田后合理配施氮肥對(duì)維持較高作物產(chǎn)量和提高氮素收獲指數(shù)至關(guān)重要。

2.3 秸稈還田下施氮量與作物產(chǎn)量的關(guān)系

分別將小麥和玉米的施氮量（x）與其子粒產(chǎn)量（y）作散點(diǎn)圖（圖1 和2），并對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合，得到小麥?zhǔn)┑颗c子粒產(chǎn)量的二元函數(shù)方程為y=-0.047 2x2+14.393x+8 249.20（R2=0.962 4），玉米施氮量與子粒產(chǎn)量的二元函數(shù)方程為y=-0.048 9x2+18.417x+9 485.70（R2=0.986 2）。經(jīng)計(jì)算，得到小麥的最佳施氮量為152.47 kg/hm2，最佳產(chǎn)量為9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量為188.31 kg/hm2，最佳產(chǎn)量為11 219.78 kg/hm2。

圖1 氮肥施用量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and wheat yield

3 結(jié)論與討論

氮肥施用量顯著影響玉米秸稈還田與氮肥的互作效應(yīng)[12]。施氮量低于或超過最高產(chǎn)量的需求量時(shí)均不利于產(chǎn)量的提高，且施氮量過高還會(huì)加劇氮素?fù)p失，增加生產(chǎn)成本，污染環(huán)境[32，33]。隨著秸稈還田比例的進(jìn)一步提高，優(yōu)化秸稈還田后氮肥施用管理措施，以達(dá)到減肥增效、改良土壤、保護(hù)環(huán)境的目的尤為重要。

本研究條件下，小麥和玉米的子粒產(chǎn)量均以中氮處理最高，表明秸稈還田下合理施用氮肥是作物獲得高產(chǎn)的重要保證，這與劉晶等[34]和王博博等[35]的研究結(jié)果一致；秸稈還田后作物的子粒產(chǎn)量和氮素收獲指數(shù)均隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化，且指標(biāo)值均以中氮處理最大。此外，在本研究中還對(duì)作物施氮量與子粒產(chǎn)量進(jìn)行耦合，以探明適合該地區(qū)的最佳施氮量，根據(jù)耦合曲線計(jì)算得到該地區(qū)小麥的最佳施氮量為152.47 kg/hm2，最佳產(chǎn)量為9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量為188.31 kg/hm2，最佳產(chǎn)量為11 219.78 kg/hm2。

本研究的作物最佳施氮量是根據(jù)作物施氮量—子粒產(chǎn)量的耦合曲線計(jì)算得到的，而在生產(chǎn)實(shí)際中作物品種和氣候條件等均會(huì)對(duì)氮肥的轉(zhuǎn)化和利用有一定的影響，但影響程度尚不清楚。今后應(yīng)繼續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行深入探討，并通過多年分品種定位試驗(yàn)探究秸稈還田后小麥和玉米的最佳施氮量，以更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)。此外，還應(yīng)進(jìn)一步探討秸稈還田與氮素施用量的互作效應(yīng)，確定合理的氮肥施用量、施用時(shí)間和施用方法等，形成技術(shù)規(guī)程指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而充分發(fā)揮秸稈還田增產(chǎn)提質(zhì)、減肥增效的作用。