秸稈還田與花后灌溉提高春玉米產(chǎn)量及水氮利用效率

王永亮，胥子航，李申，梁哲銘，薛曉蓉，白炬，楊治平

秸稈還田與花后灌溉提高春玉米產(chǎn)量及水氮利用效率

王永亮，胥子航，李申，梁哲銘，薛曉蓉，白炬，楊治平

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用重點實驗室（學(xué)科群）/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，太原 030031

【目的】研究秸稈還田與花后灌溉量對春玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響，探究實現(xiàn)黃土高原東部河谷平原區(qū)春玉米水氮可持續(xù)高效利用的有效管理措施。【方法】基于連續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年），在2021—2022年開展田間試驗，采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為秸稈還田（R）和無秸稈還田（U），副區(qū)為5個花后灌溉量0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）、200（I200） mm，分析春玉米花后干物質(zhì)累積量與耗水量的關(guān)系，并研究不同處理對春玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟效益以及水氮利用效率的影響?！窘Y(jié)果】秸稈還田與花后灌溉量及二因素互作顯著提高春玉米產(chǎn)量、經(jīng)濟效益及水氮利用效率。與無秸稈還田相比，秸稈還田后玉米增產(chǎn)15.1%—43.5%，經(jīng)濟效益提高15.9%—49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用效率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%?；ê蟾晌镔|(zhì)累積量與耗水量之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理表現(xiàn)出較強的花后水分生產(chǎn)力，同時，產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)顯示秸稈還田處理在受到干旱脅迫時具有更強的水分緩沖能力。秸稈還田條件下各花后灌溉量處理玉米籽粒產(chǎn)量、干物質(zhì)累積量、氮素吸收量及水氮利用效率均以I150處理最高。此外，秸稈還田與花后灌溉均顯著促進了春玉米花后根系生長，但過量灌溉（I200處理）則抑制根系生長?！窘Y(jié)論】黃土高原東部河谷平原春玉米生產(chǎn)系統(tǒng)中，秸稈還田配合花后灌溉150 mm可實現(xiàn)春玉米最佳籽粒產(chǎn)量與水氮利用效率，因此可作為該地區(qū)春玉米水氮高效可持續(xù)利用的管理措施。

春玉米；秸稈還田；花后灌溉；水氮利用效率；產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)

0 引言

【研究意義】傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了大量農(nóng)作物秸稈，并且我國已明令禁止秸稈焚燒，因此，如何合理利用殘留的農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所面臨的一個重要問題[1]。黃土高原東部河谷平原是黃土高原地區(qū)春玉米主產(chǎn)地之一，但有限的降雨及其年季間分布不均是造成該地區(qū)作物產(chǎn)量與水肥利用效率低下的重要因素，也是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[2-3]。同時，不合理的灌溉制度難以與春玉米自身用水需求相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致灌溉水資源浪費和土壤養(yǎng)分損失現(xiàn)象嚴(yán)重[4]，因此，優(yōu)化灌溉制度提高水肥利用效率對實現(xiàn)該地區(qū)玉米高產(chǎn)高效目的具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈還田具有改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境a、提高土壤質(zhì)量以及蓄水保墑等作用，有利于作物根系對水分、養(yǎng)分的吸收，因此已逐漸成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種應(yīng)用廣泛的秸稈利用措施[5]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，改善土壤含水量[6]。同時，秸稈還田經(jīng)腐解后可以提高土壤養(yǎng)分，促進作物產(chǎn)量形成以及地上部氮素吸收[7]。大量研究表明，合理灌溉可以消除水分限制，調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)運及作物根系分布，有效提高作物產(chǎn)量與氮素利用效率[8]。羅帥等[9]研究表明，玉米產(chǎn)量與水分利用效率隨灌溉量增加呈現(xiàn)拋物線趨勢，但過量灌溉會抑制玉米根系對土壤養(yǎng)分的吸收，使地上部光熱資源利用過度，生殖生長時間延后，灌漿時間縮短[10]，導(dǎo)致玉米減產(chǎn)[11-12]，同時過量灌溉還存在污染地下水的風(fēng)險[13]，所以灌溉量的確定十分必要。然而，受不同地區(qū)降雨、地域、作物品種及田間管理措施不同的影響，實現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效的最佳灌溉量也存在一定區(qū)域差異。已有研究表明，在黃土高原西部地區(qū)，施氮量為260 kg N·hm-2時可實現(xiàn)春玉米最高產(chǎn)量的全生育期灌溉量為327—409 mm[14]；在黃土高原南部地區(qū)，當(dāng)全生育期灌溉量為350—425 mm時既能提高玉米產(chǎn)量與水分利用效率又能改善籽粒含氮量[15]；而在西北部邊疆地區(qū)，膜下滴灌玉米最佳的生育期灌溉總量則高達525—600 mm[16]?！颈狙芯壳腥朦c】目前有關(guān)秸稈還田措施的研究較多，多集中在土壤性狀與培肥效應(yīng)方面，已基本明確秸稈還田措施對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的促進作用[17-20]。然而，在黃土高原東部河谷平原區(qū)春玉米種植體系中，秸稈還田對春玉米水氮利用效率的相關(guān)研究較少。同時，由于該地區(qū)春季干旱嚴(yán)重，土壤含水量較低[21]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶統(tǒng)一在播種前采用漫灌方式進行大面積灌溉（灌溉量約150 mm）來保證玉米出苗與花前生長，而對于該地區(qū)適宜的花后灌溉量的研究尚未有定論，并且與秸稈還田互作對春玉米生產(chǎn)的影響機理尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗在連續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年）的基礎(chǔ)上，開展為期2年的春玉米田間定位試驗，探究該地區(qū)秸稈還田與無秸稈還田條件下花后灌溉量對春玉米產(chǎn)量及水氮利用效率的影響，明確黃土高原東部河谷平原春玉米生產(chǎn)系統(tǒng)水氮高效可持續(xù)利用的管理措施，為該地區(qū)玉米高產(chǎn)、資源高效以及環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2021—2022年山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽試驗示范基地（112 °39 ′59 ″E，37 °33 ′20 ″N，海拔779.2 m）開展，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為9.7 ℃，年均降雨量為440.7 mm，約70%的降雨集中在6—9月，2021—2022年春玉米生育期氣溫與降雨情況如圖1所示，2021年春玉米生長季花前、花后與總降雨量分別為182.2、151.2和333.4 mm，屬平水年，2022年分別為173.7、56.5和230.2 mm，屬缺水年。試驗地土壤類型為石灰性潮土，質(zhì)地為砂壤土，萎蔫系數(shù)為5.8%，試驗開始前0—40 cm土層基本理化性質(zhì)為有機質(zhì)6.6 g·kg-1、全氮0.6 g·kg-1、有效磷8.3 mg·kg-1、速效鉀114.9 mg·kg-1、土壤容重1.5 g·cm-3。

圖1 2021和2022年春玉米生育期降雨量與氣溫

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

基于連續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年），采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為秸稈還田（R）與無秸稈還田（U）兩種秸稈管理措施，副區(qū)為5個花后灌溉量，分別為0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）和200（I200）mm，共10個處理，重復(fù)3次。另外設(shè)計不施肥處理用于氮素利用率計算。秸稈還田方式為粉碎旋耕全量還田，即前茬玉米收獲后，將殘留的秸稈全部移出并用機器粉碎成長度5—10 cm的小段，霜凍前人工均勻平鋪于小區(qū)地表，再進行旋耕還田處理，還田量約為7.5 t hm-2，還田后秸稈主要分布在0—20 cm土層。由于該地區(qū)春季干旱嚴(yán)重，兩年內(nèi)所有處理進行播前灌溉（灌溉量約150 mm）以保證玉米出苗。兩年內(nèi)花后灌溉時間為吐絲期取樣后3天，日期分別為2021年7月27日和2022年8月4日。

玉米品種選用大豐30，種植密度為67 500株/hm2。小區(qū)面積為99 m2（11 m×9 m），所有小區(qū)周圍均建起高度約20 cm的地壟，以防止地表徑流。氮肥（含N量46%的尿素）施入量為225 kg N·hm-2，基肥與追肥按照1﹕2的比例分別在播前和十葉期施入。磷肥（含P2O512%的過磷酸鈣）和鉀肥（含 K2O 45%的硫酸鉀）隨基肥一次性施入，施入量分別為112.5 kg P2O5·hm-2、75 kg K2O·hm-2。2021年5月11日播種，10月1日收獲測產(chǎn)；2022年5月23日播種，9月27日收獲測產(chǎn)。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

1.3.1 土壤水分與相關(guān)計算 用烘干法測定各處理播前（PT）、吐絲期（R1）、灌漿期（R3）和收獲期（R6）0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土層的土壤含水量（%），重復(fù)3次。水分相關(guān)計算方法如下：

土壤貯水量（mm）=土壤含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土層深度（cm）×10；

耗水量（mm）=灌溉量（mm）+降雨量（mm）+播前0—100 cm土層貯水量（mm）-收獲期0—100 cm土層貯水量（mm）；

水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）/耗水量（mm）；

產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)（Ky）：相對產(chǎn)量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1-ET/ETm）之間的相關(guān)關(guān)系可表示為：

1-Y/Ym=Ky（1-ET/ETm）；

式中，Y為春玉米實際籽粒產(chǎn)量；Ym為試驗期間春玉米最高籽粒產(chǎn)量；ET為春玉米生育期實際耗水量；ETm為試驗期間春玉米生育期最大耗水量；Ky為春玉米產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)。

1.3.2 玉米生物量、產(chǎn)量與氮素相關(guān)計算 各處理分別在吐絲期（R1）、灌漿期（R3）和成熟期（R6）采集3株植株樣品，重復(fù)3次，再進行部位切分（包括莖、葉、穗軸和籽粒），放入烘箱105 ℃下殺青1 h，然后75 ℃下烘至恒重，稱量干重后，用粉碎機粉碎樣品，裝入封口袋，用凱氏定氮儀測定全氮含量。

成熟期在每個小區(qū)中心劃定出10 m2（5 m×2 m）的測產(chǎn)區(qū)進行測產(chǎn)，并記錄穗粒數(shù)與百粒重，將籽粒干物質(zhì)量換算成含有15.5%水分的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

氮素相關(guān)計算如下：

氮素吸收量（kg·hm-2）=植物全氮含量（%）×干物質(zhì)累積量（kg·hm-2）；

氮素回收利用率（%）=（施氮處理地上部氮素吸收量-不施氮處理地上部氮素吸收量）/施氮量×100；

氮素農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=（施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量）/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=產(chǎn)量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）。

1.3.3 根系采集與相關(guān)計算 由于在2021年田間試驗中發(fā)現(xiàn)過量灌溉（I200處理）存在減產(chǎn)風(fēng)險，因此2022年決定研究花后0—100 cm土層根系生長，在蠟熟期（R5）以玉米為中心劃定60 cm×24 cm的方形區(qū)域，按取土層次每層劃分為20 cm×12 cm的土塊，每株共取36塊，將土塊中所有玉米根系全部挑出，裝于自封袋中，帶回后用水將表面附著的土壤沖洗干凈裝于牛皮紙袋中，保存于4 ℃冰箱內(nèi)，并盡快用根系掃描儀掃描獲得根長（cm）與根表面積（cm2），再置于75 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重并稱量根干重（g）。根系相關(guān)計算如下：

根長密度（cm·cm-3）=根長/土塊體積；

根干重密度（g·m-3）=根干重/土塊體積；

根表面積密度（cm2·cm-3）=根表面積/土塊體積。

1.3.4 經(jīng)濟效益相關(guān)計算 根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H收支情況進行了經(jīng)濟效益相關(guān)計算：

經(jīng)濟效益（元/hm2）=籽粒產(chǎn)量×糧食價格-灌溉支出-其他支出；

其他支出（元/hm2）=肥料+種子+除草劑+機耕費+播種支出+收獲支出+處理秸稈（清理/還田）。

玉米籽粒價格定為2.3 元/kg。灌溉水價格定為0.7 元/m3。肥料、種子、除草劑、翻耕、旋耕、播種、收獲、秸稈清理和秸稈還田的支出分別為1800、600、638、900、750、225、525、500和850 元/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2016進行前期處理，利用SPSS 20.0進行單因素方差分析（One way ANOVA）評估不同處理間的差異性，采用最小顯著性差異法（The least significant difference，LSD）分析顯著性（＜0.05為顯著，＜0.01為極顯著），利用Sigmaplot 14.0進行作圖。

2 結(jié)果

2.1 春玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟效益

秸稈還田、花后灌溉量和兩因素的交互作用均顯著影響春玉米產(chǎn)量和百粒重，而穗粒數(shù)主要受花后灌溉量與年際的影響（表1）。相同灌溉量下，秸稈還田處理兩年的產(chǎn)量與百粒重均高于無秸稈還田處理，可增產(chǎn)15.1%—43.5%，百粒重提高8.6%—23.7%。相同秸稈處理條件下，產(chǎn)量和百粒重均以I150處理最高，與I0處理相比，灌溉處理增產(chǎn)14.4%—61.7%；與I150處理相比，I200處理產(chǎn)量和百粒重2021年顯著降低，2022年差異不顯著，但也有降低趨勢，說明過量灌溉沒有進一步提高春玉米產(chǎn)量，甚至存在減產(chǎn)風(fēng)險。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對產(chǎn)量的影響兩年內(nèi)達到極顯著水平（＜0.01）。兩年內(nèi)花后灌溉處理顯著提高春玉米穗粒數(shù)，而不同秸稈處理間無顯著差異。

秸稈還田、花后灌溉量及二者交互作用均顯著影響經(jīng)濟效益（表1）。相同灌溉量下，秸稈還田處理兩年內(nèi)經(jīng)濟效益均高于無秸稈還田處理，增幅為15.9%—49.1%。相同秸稈處理條件下，經(jīng)濟效益均以I150處理最高，與I0處理相比，灌溉處理的經(jīng)濟效益顯著提高18.8%—71.5%。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對經(jīng)濟效益的影響兩年內(nèi)達到顯著水平（＜0.01）。

R表示秸稈還田處理；U表示無秸稈還田處理；I0、I50、I100、I150、I200表示花后灌溉量0、50、100、150、200 mm。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示副區(qū)處理間的差異性（＜0.05）；ns、*、**和***分別表示不同因素影響顯著性＞0.05、＜0.05、＜0.01和＜0.001。下同

R is straw returning treatment; U is no straw returning treatment; I0, I50, I100, I150, I200 refer to 0, 50, 100, 150, 200 mm irrigating rate at post-silking. Different lowercase letters after the same column of data is the differences between sub-factors (＜0.05); ns, *, **, and *** indicate significance of the influence of different factors＞0.05,＜0.05,＜0.01, and＜0.001, respectively. The same as below

2.2 春玉米干物質(zhì)累積與葉面積指數(shù)

秸稈還田、花后灌溉量及二因素互作均顯著影響春玉米干物質(zhì)累積量（圖2）。由于該試驗探究花后灌溉量對春玉米的影響，所以花前所有小區(qū)管理措施相同，在R1時期才完成不同梯度灌溉，因此相同秸稈處理下，不同灌溉處理的花前干物質(zhì)累積量均無顯著差異。相同灌溉量下，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理兩年內(nèi)花前干物質(zhì)累積量顯著提高26.1%—39.8%，同時，秸稈還田促進了春玉米花前葉面積發(fā)展，且兩年內(nèi)封壟時間較無秸稈還田處理提前2—4 d（圖3），花后干物質(zhì)累積量提高10.6%—53.2%；除RI200處理外，秸稈還田處理的花前花后玉米干物質(zhì)累積量均顯著高于無秸稈還田處理。相同秸稈處理條件下，兩年內(nèi)花后干物質(zhì)累積量均以I150處理最高，與I0處理相比提高6.2%—85.9%，但過量灌溉會導(dǎo)致花后干物質(zhì)累積量降低。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對花后干物質(zhì)累積量的影響兩年均達到極顯著水平（＜0.01）。

2.3 春玉米耗水量與水分利用效率

春玉米耗水量和水分利用效率受秸稈還田、花后灌溉量的顯著影響，年際降雨量的影響也較大（表2）。秸稈還田對春玉米生育期耗水量的影響達到顯著水平（＜0.05）。秸稈還田提高土壤水分緩沖能力，使耗水量保持在一個合理區(qū)間，從而顯著提高春玉米水分利用效率（表2）?；ê蠊喔蕊@著提高春玉米生育期耗水量，相同秸稈處理條件下，耗水量隨灌溉量的增加而增加，生育期耗水量均以I200處理最高，與I0處理相比，灌溉處理生育期耗水量分別增加6.2%—35.0%（2021年）和4.7%—38.6%（2022年）。

表2 不同處理春玉米耗水量與水分利用效率

相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田顯著提高春玉米水分利用效率16.8%—36.9%。相同秸稈處理條件下，兩年內(nèi)各處理水分利用率均隨花后灌溉量的增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，均以I150處理最高，且顯著高于I200處理，說明過量灌溉會使春玉米水分利用效率顯著降低。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對水分利用效率的影響兩年內(nèi)達到顯著水平（＜0.05）。

2.4 春玉米花后干物質(zhì)累積與耗水量相關(guān)關(guān)系

干物質(zhì)累積量與生育期耗水量間關(guān)系是優(yōu)化灌溉措施的重要理論基礎(chǔ)。本研究中，花后干物質(zhì)累積與耗水量之間呈現(xiàn)顯著二次函數(shù)相關(guān)關(guān)系（圖4）。R1—R3階段，秸稈還田條件下耗水量為111.1 mm時，干物質(zhì)累積量達到最大值9.2 t·hm-2；無秸稈還田條件下耗水量為112.3 mm時，干物質(zhì)累積量達到最大值7.4 t·hm-2。在同等耗水量情況下，秸稈還田處理擬合干物質(zhì)累積量普遍高于無秸稈還田處理，說明秸稈還田在該階段水分利用效率高于無秸稈還田。R3—R6階段，秸稈還田與無秸稈還田條件下耗水量分別為211.7和233.4 mm時，干物質(zhì)累積量達到最大值5.4和4.7 t·hm-2。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理下干物質(zhì)累積量率先達到峰值，表現(xiàn)出較強的花后水分生產(chǎn)力。然而，當(dāng)耗水量增加到一定程度時，干物質(zhì)累積量降低，說明過量灌溉不利于春玉米花后生長發(fā)育與產(chǎn)量形成。

R1表示吐絲期，R3表示灌漿期，R6表示收獲期 R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, and R6 is the harvest stage

2.5 春玉米產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)

相對產(chǎn)量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1-ET/ETm）間的斜率代表玉米產(chǎn)量響應(yīng)系數(shù)（Ky），反映的是作物對于土壤水分脅迫的敏感程度。秸稈還田與無秸稈還田處理的Ky值分別為0.6063和0.8752（圖5），說明秸稈還田措施下春玉米耗水量減少所引起的減產(chǎn)幅度小，即秸稈還田措施使春玉米在干旱脅迫下仍能保持較高的籽粒產(chǎn)量。

2.6 春玉米氮素吸收與利用

秸稈還田、花后灌溉量及二者的互作均顯著影響春玉米氮素吸收量（圖6），相同灌溉量下，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理兩年內(nèi)籽粒氮素吸收量與氮素總吸收量顯著提高11.9%—39.9%和10.4%— 37.0%。相同秸稈處理條件下，各處理兩年內(nèi)的籽粒氮素吸收量與總氮素吸收量均以I150處理最高，與I0處理相比顯著提高15.7%—65.6%和9.6%—43.9%；與I150處理相比，I200處理的籽粒氮素吸收量兩年均顯著降低，氮素總吸收量在2021年顯著降低，說明過量灌溉沒有進一步促進春玉米氮素吸收。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對籽粒氮素吸收量的影響2021年達到極顯著水平（＜0.01），2022年也達到顯著水平（＜0.05），對氮素總吸收量的影響兩年均達到顯著水平（＜0.05）。

圖5 春玉米相對產(chǎn)量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1- ET/ETm）的相關(guān)關(guān)系

春玉米氮肥回收利用率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力受秸稈還田、花后灌溉以及二者間的交互作用顯著影響，而年份因素僅對氮肥回收利用效率影響顯著（表3）。相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田兩年內(nèi)氮素回收利用率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%— 43.6%。相同秸稈處理條件下，各灌溉處理氮肥回收利用率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力兩年內(nèi)均以I150處理最高，與I0處理相比顯著提高13.6%—82.3%、26.5%— 179.8%和14.4%—61.7%；與I150處理相比，I200處理氮肥回收利用率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力2021年均顯著降低，2022年差異不顯著，但也有降低趨勢，說明過低或過量灌溉均可降低氮肥利用效率與偏生產(chǎn)力。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對氮素利用效率的影響兩年內(nèi)達到顯著水平（＜0.05）。

2.7 春玉米根長密度、根干重密度與根表面積密度

春玉米不同土層的根長密度、根干重密度與根表面積密度受秸稈還田與花后灌溉顯著影響（圖7）。相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理的根長密度、根干重密度與根表面積密度在0—10 cm土層提高8.1%—27.9%、4.9%—28.4%和11.6%— 46.1%，在10—100 cm土層差異不顯著，說明秸稈還田顯著促進了春玉米在淺層土壤中的根系生長。相同秸稈處理條件下，與I0處理相比，各處理根長密度在0—20 cm土層顯著提高38.4%—143.0%，根干重密度在0—10 cm土層顯著提高17.9%—53.9%，根表面積密度在0—20 cm土層顯著提高22.4%—163.3%；與I150處理相比，秸稈還田條件下I200處理根長密度在40—100 cm土層顯著降低68.3%—91.7%，根干重密度在10—100 cm土層顯著降低37.6%—75.9%，根表面積密度在20—100 cm土層顯著降低89.9%— 85.8%。與I150處理相比，無秸稈還田條件下I200處理根長密度在0—20 cm土層顯著降低17.2%—18.7%，根干重密度在0—10 cm土層顯著降低22.1%，根表面積密度在0—10 cm土層顯著降低33.8%，說明過低或過高的灌溉量均會顯著抑制春玉米根系生長。

圖6 不同處理春玉米2021年和2022年籽粒吸收量與氮素總吸收量

表3 不同處理春玉米氮素利用效率與偏生產(chǎn)力

3 討論

3.1 秸稈還田與花后灌溉對春玉米產(chǎn)量與水分利用效率的影響

秸稈還田與花后灌溉均可顯著提高春玉米產(chǎn)量與水分利用效率，適宜的水分供給是實現(xiàn)春玉米高產(chǎn)高效的重要前提[22]，而秸稈還田蓄水保墑的能力又對春玉米生長發(fā)育起到了積極作用[23]。本研究通過2年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，相同秸稈處理條件下，花后灌溉使春玉米籽粒產(chǎn)量與水分利用效率提高14.4%— 61.7%（表1）和4.9%—29.9%（表2），籽粒產(chǎn)量與水分利用效率均隨灌溉量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，與KRESOVI?等[24]的研究結(jié)果一致。相同灌溉量下，秸稈還田顯著提高了春玉米產(chǎn)量（表1），最高籽粒產(chǎn)量分別達到了16.08（2021年）和14.45 t·hm-2（2022年），與近年來我國高產(chǎn)區(qū)春玉米產(chǎn)量（≥15 t·hm-2）相近[25]。秸稈還田在兩年內(nèi)實現(xiàn)了15.1%—43.5%的增產(chǎn)幅度，高于周懷平[26]等通過長期試驗研究得出的11.6%—20.9%增產(chǎn)幅度，這主要是因為本研究中秸稈還田措施僅在花后無灌溉或低灌溉量處理（I0與I50處理）中表現(xiàn)出較高的增產(chǎn)幅度，同時秸稈不還田措施下I0與I50處理在花后受到干旱脅迫的影響，玉米根系生長受到抑制，且兩年間花后強風(fēng)天氣頻發(fā)，I0與I50處理均出現(xiàn)不同程度的倒伏現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)量基數(shù)較?。欢斩掃€田條件下較強的土壤水分緩沖力，使得玉米在花后受干旱脅迫的影響較小，進而促進籽粒灌漿，導(dǎo)致秸稈還田在低水量時具有較高的增產(chǎn)幅度。秸稈還田在增產(chǎn)的同時顯著提高了水分利用效率（表2），增效幅度為16.8%—36.9%，水分利用效率最高達到25.6（2021年）和30.16 kg·hm-2·mm-1（2022年），高于我國黃土高原旱作區(qū)玉米水分利用效率的平均值21.5 kg·hm-2·mm-1[27]，原因可能是秸稈中含有的豐富氮元素可有效培肥地力，顯著提高春玉米根系對養(yǎng)分的吸收能力，促進春玉米地上部氮素吸收，同時改善了土壤溫度，從而提高產(chǎn)量與水分利用效率[28]。同時，水分利用效率通常受年際降雨量的影響，表現(xiàn)出較大的年際差異[29]，本研究2022年較低的玉米生育期降雨量（230.2 mm）可能也是導(dǎo)致該生長季玉米較高水分利用效率的原因。另外，增產(chǎn)使得經(jīng)濟效益顯著提高，本研究兩年秸稈還田與花后灌溉所帶來的經(jīng)濟效益遠(yuǎn)高于灌溉支出（350—1 400元/hm2）和秸稈還田支出（850 元/hm2）（表1），與YIN等[30]研究結(jié)果一致。

圖7 不同處理春玉米0—100 cm土層根長密度、根干重密度與根表面積密度

3.2 秸稈還田條件下春玉米耗水量與干物質(zhì)累積量間相關(guān)關(guān)系

干物質(zhì)累積量與耗水量之間通常表現(xiàn)出良好的函數(shù)相關(guān)關(guān)系[31-32]。本研究分別擬合兩年內(nèi)秸稈還田與無秸稈還田條件下的函數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，春玉米花后干物質(zhì)累積量與耗水量之間呈現(xiàn)顯著二次函數(shù)相關(guān)關(guān)系（圖4），并根據(jù)函數(shù)表達式得出秸稈還田與無秸稈還田兩種處理在R1—R3階段干物質(zhì)累積量達到峰值9.2和7.4 t·hm-2時，所需耗水量為111.1和112.3 mm；在R3—R6階段干物質(zhì)累積量達到峰值5.4和4.7 t·hm-2時，所需耗水量為211.7和233.4 mm，與ZHANG等[33]研究結(jié)果相似。耗水量繼續(xù)增加導(dǎo)致干物質(zhì)累積量下降的原因可能是灌溉量過高抑制了根系活力，不利于花后根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收與利用，從而影響地上部生物量增長[34]。產(chǎn)量-水分響應(yīng)系數(shù)（Ky）代表作物對水分脅迫的耐受能力[35]。根據(jù)前人的研究結(jié)果，在某種管理措施下產(chǎn)量-水分響應(yīng)系數(shù)（Ky）小于1.0時，作物對水分脅迫的耐受性較強，因此該措施在受到水分脅迫時的產(chǎn)量下降有限，節(jié)約灌溉用水并提高水分利用效率[36]。本研究得出，秸稈還田處理Ky值（0.6063）與無秸稈還田處理Ky值（0.8752）均小于1.0（圖5），秸稈還田處理Ky值小于無秸稈還田處理，原因可能是秸稈還田改善了土壤孔隙度，增強了土壤蓄水能力，因此秸稈還田在受到水分脅迫時具有更強的緩沖能力[37]。

3.3 秸稈還田與花后灌溉對春玉米根系生長的影響

根系是作物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，此功能與根系在土壤中分布情況密切相關(guān)[38]。FAN等[39]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可促進春玉米根系生長，提高干物質(zhì)累積量、氮素累積量、氮素利用效率以及偏生產(chǎn)力，原因是秸稈經(jīng)過緩慢腐解而釋放的秸稈氮素促進了根系對土壤氮素的吸收與利用[40]，而花后氮素累積是籽粒氮素的重要來源，是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵，而籽粒氮素累積是由花后氮素累積和花前氮素累積轉(zhuǎn)移共同作用的結(jié)果[41]，同時，合理灌溉能加速秸稈在土壤中的腐解，增強土壤供氮能力[42]。本研究也得到了相似結(jié)論，秸稈還田與花后灌溉均顯著促進了春玉米花后根系生長（圖7），秸稈還田與花后灌溉對春玉米根系生長的促進作用主要體現(xiàn)在淺層土壤，與ZHANG等[43]的研究結(jié)果相同。然而，蔡紅光等[44]研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量過高會抑制春玉米花后的根系生長，進而影響產(chǎn)量形成。本研究也得到相同結(jié)論，花后灌溉顯著提高了春玉米花后0—20 cm土層的根系生長，但過量灌溉導(dǎo)致花后根系生長受到抑制，進而影響花后地上部氮素吸收。另外，過高的灌溉量使花后土壤含水量顯著升高，導(dǎo)致土壤通透性與土壤溫度降低，微生物數(shù)量及微生物代謝強度也會隨之降低，進而導(dǎo)致秸稈腐解速度下降，供氮能力減弱[45]。因此，合理的灌溉量是實現(xiàn)春玉米高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。

3.4 秸稈還田與花后灌溉對春玉米氮素吸收與利用的影響

春玉米更高的花前干物質(zhì)與氮素累積量有利于花后氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移。合理的灌溉量加速了秸稈氮素向土壤中的釋放，進而促進花后氮素吸收與利用，有利于產(chǎn)量形成[46]。本研究得出，相同灌溉量下，秸稈還田春玉米兩年花前干物質(zhì)累積量顯著提高，花后干物質(zhì)累積量與成熟期籽粒氮素吸收量分別顯著提高10.6%—53.2%和11.9%—39.9%（圖2、圖6），進而顯著提高氮素回收利用率與農(nóng)學(xué)利用效率，實現(xiàn)增產(chǎn)，偏生產(chǎn)力顯著提高15.1%—43.6%（表3）。張剛等[47]的研究也得到相同結(jié)果，秸稈全量還田增加了作物籽粒與秸稈中氮素吸收量，進而提高作物氮素表觀回收利用率與農(nóng)學(xué)利用效率。本研究中，相同秸稈處理條件下，各灌溉處理籽粒氮素吸收量與氮素總吸收量分別顯著提高15.7%—65.6%和9.6% —43.9%（圖6），氮素利用效率與農(nóng)學(xué)利用效率顯著提高13.6%—82.3%和26.5%—179.8%（表3）。究其原因，水分是光合作用的原料，也是促進作物新陳代謝的重要物質(zhì)，合理的水分供應(yīng)促進了作物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分吸收，進而提高養(yǎng)分利用效率[48]。于維禎等[49]研究也認(rèn)為，合理的灌溉制度提高了作物葉面積發(fā)展，進而增強光合作用，這與本研究結(jié)果一致。因此，秸稈還田與花后灌溉量二因素互作使春玉米氮素吸收量、氮素利用效率以及偏生產(chǎn)力顯著提高。

4 結(jié)論

秸稈還田與花后灌溉量二因素互作有利于春玉米干物質(zhì)、氮素累積及根系生長，進而提高產(chǎn)量與水氮利用效率。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田可使春玉米增產(chǎn)15.1%—43.5%，經(jīng)濟效益提高15.9%— 49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用率、農(nóng)學(xué)效率及偏生產(chǎn)力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%。秸稈還田條件下，花后灌溉150 mm時可實現(xiàn)最優(yōu)干物質(zhì)累積量與氮素吸收量，同時產(chǎn)量與水氮利用效率增幅最大。因此，秸稈還田配合花后灌溉量150 mm可作為黃土高原東部河谷平原春玉米生產(chǎn)系統(tǒng)中水氮高效可持續(xù)利用的管理措施。

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Straw Returning and Post-Silking Irrigating Improve the Grain Yield and Utilization of Water and Nitrogen of Spring Maize

WANG YongLiang, XU ZiHang, LI Shen, LIANG ZheMing, XUE XiaoRong, BAI Ju, YANG ZhiPing

Institute of Eco-environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Key Laboratory for Reclamation and Utilization of Saline-alkaline Soils (Discipline Cluster), Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shanxi Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031

【Objective】The irrigation system for spring maize production in the eastern Loess Plateau is unclear. In view of this, the effects of straw return and post-silking irrigation on grain yield and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were studied in order to explore effective management measures to achieve sustainable and efficient utilization of water and nitrogen in spring maize in the region, so as to provide a theoretical basis for the high yield, high resource efficiency, and environmentally friendly agricultural sustainable development of spring maize in the region.【Method】Based on a 7-year long-term positioning experiment (2014-2020), a field experiment was carried out from 2021 to 2022. A split design was applied for the treatments, the main factors included straw returning (R) and no straw returning (U), and sub-factors included five post-silking irrigation gradients (I0, I50, I100, I150, and I200 mm). The correlation between dry matter accumulation at post-silking and evapotranspiration of spring maize was analyzed, and the effects of different treatments on grain yield, economic benefits and use efficiency of water and nitrogen were studied.【Result】The grain yield, economic benefit and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were significantly improved by straw returning and irrigating at post-silking. Compared with conventional tillage, the grain yield, the economic benefit and the water use efficiency of straw returning treatment increased by 15.1%-43.5%, 15.9%-49.1%, and 16.8%-36.9%, respectively. The N recovery use efficiency, N agricultural efficiency, and N partial productivity of spring maize were significantly improved by 15.8%-62.0%, 26.5%-126.0%, and 15.1%-43.6%, respectively. The relationship between dry matter accumulation and evapotranspiration at post-silking was a quadratic function. Compared with conventional tillage, the straw returning treatment showed a stronger water productivity at post-silking. Though the yield response factor, the straw returning treatment had stronger water buffering capacity under water stress. Under the condition of straw returning, the grain yield and water and nitrogen use efficiency of the treatment with irrigation rate at post-silking were the highest under I150 treatment. In addition, the straw returning and irrigating at post-silking significantly promoted root growth of spring maize, but excessive irrigating (I200 treatment) inhibited root growth.【Conclusion】To sum up, in the spring maize production system in the eastern valley plain of the Loess Plateau, straw returning with the irrigating rate of 150 mm at post-silking could be used as a management measure for the efficient and sustainable use of water and nitrogen of spring maize.

spring maize; straw returning; post-silking irrigating; water and nitrogen use efficiency; yield response factor

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.009

2023-02-20；

2023-07-20

山西省科技重大專項計劃（202201140601028）、山西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（2023CYJSTX01-14）、山西省科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項（202104021301047）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動項目（2021BQ123）

王永亮，E-mail：wangyongliang@sxau.edu.cn。通信作者白炬，E-mail：baiju@sxau.edu.cn。通信作者楊治平，E-mail：yzpsx0208@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）