秸稈還田及施氮量對冬小麥產量及氮素利用效率的影響

韓明明,李文倩,陳金，李勇

(山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018)

秸稈還田及施氮量對冬小麥產量及氮素利用效率的影響

韓明明,李文倩,陳金，李勇

(山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018)

為研究秸稈還田和施氮量對冬小麥花后旗葉SPAD值、干物質積累、氮效率及產量的影響，以冬小麥濟麥22(JM22)為材料，于2015—2016年通過田間定位試驗測定冬小麥產量及氮效率。試驗采用裂區設計，主區為秸稈處理：秸稈還田(S1)與無秸稈還田(S0)；副區為氮肥處理：設置施氮水平分別為0 (N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)，基追比例均為1∶1。結果表明，秸稈還田顯著提高冬小麥花后旗葉SPAD值，同一時期SPAD值隨施氮量的增加而增加。與單施氮肥相比較，秸稈還田配施氮肥提高了花后干物質積累比例，增幅為0.24%～6.75%，增加施肥量有利于冬小麥全生育期干物質積累總量的提高。秸稈還田配施適量氮肥顯著提高了冬小麥氮效率，增加了穗粒數及千粒重最終達到提高產量的目的。

冬小麥；秸稈還田；氮效率；氮肥；產量

AbstractIn order to investigate the effects of straw returning and nitrogen application rate on the SPAD value of flag leaf after flowering, dry matter accumulation, nitrogen efficiency and yield of winter wheat variety Jimai 22 (JM22), the field experiment was conducted in 2015 to 2016, and the wheat yield and nitrogen efficiency were determined. The split block design was adopted in this study. The main plot was straw treatment including straw returning (S1) and no straw returning(S0). The subplot was nitrogen fertilizer treatment including four nitrogen fertilization rates of 0 (N1),180 kg/hm2(N2), 240 kg/hm2(N3) and 300 kg/hm2(N4) with the ratio of base to dress of 1∶1. The results indicated that straw returning obviously improved the SPAD value of flag leaf after flowering, and it increased with the increase of nitrogen application rate at the same period. Compared with the single nitrogen treatment, straw returning significantly increased the proportion of dry matter accumulation after anthesis with the increase amplitude of 0.24%～6.75%. Boosting the nitrogen application rate was contribute to the improvement of dry matter accumulation during the whole growing period. In short, straw returning with a moderate amount of nitrogen fertilizer was beneficial to improve the nitrogen efficiency, kernels per spike and thousand seed weight of winter wheat, thereby improve the grain yield.

KeywordsWinter wheat; Straw returning; Nitrogen efficiency; Nitrogen fertilizer; Grain yield

冬小麥是我國主要糧食作物之一，黃淮海區域的耕作制度主要是小麥-玉米輪作體系[1]。隨著我國農業種植結構的調整、優化和對農產品安全的社會需求不斷提高，化肥及化工衍生品在農業上的用量越來越大。氮素是作物生長發育必需的營養元素，氮肥運籌和施肥技術的改善是獲得作物高產的重要措施。一方面，化學肥料大幅度提高了我國的糧食產量,保障了糧食安全；另一方面，由于施肥量及施肥方法不當也引起了一系列的環境、資源和產投比下降等問題[2]。因此，“十三五”期間，我國對農業生產提出了化肥、農藥雙減的政策和要求。

近年來研究發現，秸稈還田是促進農業可持續發展和提高土壤生產力的有效途徑[3]。究其原因，秸稈還田在改善土壤物理結構、提高土壤肥力的同時，還能有效地提高土壤對氮素的吸附，從而降低氮素施用過程中對環境的潛在威脅[4]。我國秸稈資源豐富，據統計，我國作物秸稈年產量約7億噸，相當于350萬噸氮肥、800萬噸鉀肥、80萬噸磷肥，是土壤養分的重要補給源；其中玉米秸稈最為豐富，產量約為3億噸，占中國秸稈總量的40%左右[5]。

但現階段我國玉米秸稈存在還田率低、還田效果差[6，7]、農機農藝不配套[8，9]等問題。大量玉米秸稈被棄置或露天焚燒，不僅浪費資源，而且造成環境污染[10]。因此關于玉米秸稈還田的研究還有待繼續深入。當前研究表明，秸稈還田配施氮肥在不同程度上提高了土壤養分供應潛力[11]，一定程度上可以提高作物產量[12-14]，但在不同作物和不同種植制度中表現不同[15，16]。秸稈大量或全量還田需要配合施用化學氮肥從而避免微生物在分解秸稈的過程中與作物競爭土壤中的氮素[17-19]。秸稈還田后化學氮肥合理施用的問題日趨突出，農田養分管理技術亟待改進。前人的研究多集中在秸稈還田對作物生長及其環境效應的影響，而對于秸稈還田及氮肥運籌提高冬小麥產量及氮效率的研究仍待深入。因此，本試驗著重研究秸稈還田結合氮肥運籌對提高冬小麥產量及氮效率的影響，以期為黃淮東部秸稈還田增產增效及培肥地力提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1試驗地概況及材料

試驗于2015—2016小麥生長季，在山東農業大學農學實驗站(山東泰安，36°09′N，117°09′E)進行。試驗地土壤類型為棕壤，耕層(0～20 cm)土壤有機質含量為14.76 g/kg、全氮1.24 g/kg、速效磷9.60 mg/kg、速效鉀85.30 mg/kg、硝態氮12.79 mg/kg、銨態氮6.06 mg/kg，pH 值8.06。供試品種為濟麥22(JM22)。

1.2試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為秸稈處理，設置秸稈還田(S1)與無秸稈還田(S0)2個水平；副區為不同施氮量處理，設置施氮水平分別為0 (N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)。小麥種植密度為225×104株/hm2,行距25 cm。試驗所用磷肥(P2O5) 105 kg/hm2、鉀肥(K2O) 75 kg/hm2同氮肥處理于耕前一同基施，除不施氮處理，各處理氮肥基追比例均為1∶1，追施氮肥于拔節期開溝覆土追施。試驗地前茬為玉米，品種為鄭單958，種植密度 6.00×104株/hm2。玉米種植以及田間管理同當地大田生產，不作特殊處理，成熟期機械收獲，其中秸稈還田區域為秸稈粉碎全量旋耕還田，無秸稈還田處理區域秸稈直接移除。小區面積 3 m×3 m=9 m2，隨機區組排列，重復3次。

1.3測定項目與方法

1.3.1 旗葉SPAD值測定 每小區選取4個長勢均勻的單莖，用結繩法標記，從開花當天起利用SPAD儀測定標記旗葉SPAD值，而后每隔兩天測量一次，直至旗葉完全失綠為止。

1.3.2 植株干物質積累分配測定 按常規方法于冬小麥越冬期、拔節期、開花期和成熟期取樣，開花期和成熟期按以上方法分樣，在105℃下殺青30 min，75℃烘至恒重稱重，并計算干物質積累量及花前花后積累比例。

1.3.3 氮效率 分別于冬小麥開花期、成熟期每小區選取長勢均勻一致的植株樣品15株，將樣品按照籽粒、穗軸+穎殼、葉片、莖+葉鞘分開，于105℃下殺青30 min，75℃烘至恒重稱量并粉碎混勻，以濃H2SO4-H2O2消煮，半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量。利用氮素利用效率(NUE)、氮肥偏生產力(PFPN)、氮素收獲指數(NHI)、氮肥表觀利用率(RE)等指標來表征氮效率。NUE(kg/kg)=籽粒產量/地上部植株吸氮量；PFPN(kg/kg)=施氮小區產量/氮肥施用量；NHI(kg/kg)=籽粒吸氮量/地上部植株吸氮量；RE(%)=(施氮小區地上部分吸氮量-不施氮小區地上部分吸氮量)/施氮量×100。

1.3.4 產量及其構成因素 每處理收獲1 m2統計穗數，收獲后脫粒、晾干后稱重，計算產量，重復3次，每小區選取生長均勻一致的植株15株用于穗粒數的測定。

1.4數據統計分析

采用Microsoft Excel 2007及Sigma Plot 10.0整理數據并作圖，在DPS 7.05處理系統中完成統計分析，利用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1秸稈還田與施氮量對冬小麥花后旗葉SPAD值的影響

由圖1A可知，秸稈還田有助于維持冬小麥開花后期(花后12天以后)旗葉SPAD值，延緩旗葉失綠，延長功能高值持續期，S1處理的SPAD值明顯高于S0處理。由圖1B可知，秸稈還田條件下增加氮肥施用量有利于維持花后冬小麥旗葉SPAD值，至花后27天，各施氮處理的SPAD值差異明顯，其中以S1N4處理最高，S1N1處理最低。

圖1秸稈還田及施氮量對冬小麥花后旗葉SPAD值的影響

2.2秸稈還田與施氮量對冬小麥地上部干物質積累的影響

由圖2A可知，隨施氮量的增加各處理小麥地上部干物質積累總量逐漸增加。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田不施氮肥(N1)及配施低量氮肥(N2)有降低地上部干物質積累總量的趨勢，但差異均未達到顯著水平；秸稈還田配施中高施氮量(N3、N4)能顯著提高冬小麥干物質積累總量，與無秸稈還田相比分別提高了5.83%和3.88%。由圖2B可知，秸稈還田處理增加了花后干物質積累比例，增加幅度為0.24%～6.75%，秸稈還田條件下適當增加氮肥用量(S1N3)有利于花后干物質積累。

圖2 秸稈還田及施氮量對冬小麥地上部干物質積累(A)及干物質花前花后分配比例(B)的影響

2.3秸稈還田與氮肥運籌對冬小麥氮素積累的影響

由表1可知，在冬小麥各生育期，各處理氮素積累量隨施氮量的增加而逐漸增加。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理顯著或不顯著降低了冬小麥越冬期與拔節期氮素積累量，降低幅度為7.04%～17.35%與3.42%～10.04%。開花期和成熟期不施氮或配施低量氮肥(N1、N2)條件下，與無秸稈還田相比，秸稈還田有降低各處理氮素積累的趨勢；秸稈還田配施中高氮肥用量(N3、N4)時，有助于各時期氮素積累量。

表1 秸稈還田與施氮量對冬小麥氮素積累的影響(kg/hm2)

注：表中同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。*、 **分別表示在 0.05和 0.01水平上差異顯著，下表同。

2.4秸稈還田與施氮量對冬小麥氮素利用效率的影響

由表2可見，隨施氮量的增加冬小麥的氮效率逐漸降低，秸稈還田有提高冬小麥氮效率的趨勢。與無秸稈還田處理相比，除不施氮處理外其余各處理氮素利用效率均未達到顯著水平。在配施中低氮肥施用量(N3、N2)時，秸稈還田顯著提高了冬小麥氮素收獲指數，分別提高1.28%和2.06%；而不施氮(N1)或配施高量氮肥 (N4)時，秸稈還田對氮素收獲指數的影響不明顯。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田配施適量氮肥(N3)顯著提高了氮肥偏生產力，提高幅度為3.90%，其余處理差異均未達到顯著水平。秸稈還田顯著提高冬小麥氮肥表觀利用率，提高幅度為8.84%～14.68%。

2.5秸稈還田與施氮量對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表3可以看出，隨施氮量的增加，冬小麥籽粒產量顯著增加，原因是穗數與穗粒數的增加。而千粒重則隨施氮量增加呈逐漸降低趨勢。與無秸稈還田(S0N3)相比，秸稈還田配施適量氮肥(S1N3)顯著提高了冬小麥籽粒產量，增產4.15%，得益于穗粒數和千粒重的提升。秸稈還田降低了各處理穗數，對于穗粒數無顯著影響。在N1、N2、N4條件下，秸稈還田顯著增加冬小麥千粒重，提高幅度分別為2.47%、3.55%和4.11%，而在N3條件下差異較小。

表2秸稈還田與施氮量對冬小麥氮素利用的影響

處理氮素利用效率(kg/kg)氮素收獲指數氮肥偏生產力(kg/kg)氮肥表觀利用率(%)無秸稈還田S0N134.34b79.58aN234.73b77.41c45.05a40.06bN328.88c74.23e35.39c37.47cN426.79d73.59e29.49d35.62d秸稈還田S1N138.49a80.20aN236.05b78.40b45.44a43.60aN328.94c75.76d36.77b42.70aN426.96cd74.03e29.86d40.85bF值S13.84**13.71*4.52*67.73*N77.28**130.13**738.93**13.47*S×N4.16*1.541.301.97

表3秸稈還田與施氮量對冬小麥產量及其構成因素的影響

3 討論

3.1秸稈還田與施氮量對冬小麥氮效率的影響

游來勇等[20]研究表明，在稻麥輪作系統中與秸稈不還田處理比較，秸稈還田配施化肥水稻和小麥氮肥表觀利用率和農學利用率均顯著提高。胡雅杰等[21]研究表明，稻草還田可以提高水稻的氮素利用率、農學利用率和氮肥偏生產力。嚴奉君等[22]也認為，在不同土壤肥力下麥稈覆蓋處理的水稻氮素積累量、氮肥回收利用率以及氮肥農學利用率方面均較無秸稈覆蓋有明顯提高，表明秸稈覆蓋在不同土壤肥力下均能夠提高水稻氮肥吸收利用效率。Takahashi等[23]研究認為，秸稈還田條件下氮素吸收利用率有所提高。徐國偉等[24]研究結果表明，秸稈還田配施氮肥可以提高水稻的氮肥吸收利用率、農學利用率和生理利用率。秸稈添加對作物吸收氮素起著積極作用，減少氮素淋洗損失，增加氮素利用率,提高氮素有效性[25]。本試驗中秸稈還田提高了冬小麥的氮效率，提高氮肥施用量顯著降低冬小麥的氮效率。研究表明，施用氮肥可顯著提高作物產量，但施氮量超過一定水平后產量降低，而且大量盈余的氮素會通過氨揮發、N2O排放或淋溶而損失，導致資源嚴重浪費和環境污染[26，27]；分析原因，增施氮肥顯著提高了土壤中硝態氮的累積量為作物增加養分供應，過量施氮超越了植株對氮素的吸收利用能力的極限，引起了土壤中硝態氮的大量積累，且隨施氮量的增加增幅越大[28]。分析秸稈還田配施氮肥提高氮效率原因，一方面秸稈還田后提高土壤陽離子交換量，而陽離子交換量是評價土壤保水保肥能力和指導土壤改良的重要指標，一般陽離子交換量大，土壤保肥性能好，肥料流失量小，表現出良好的穩肥性，從而增加氮肥的利用率[29]；其次，還田的秸稈能夠通過自身的氮素分解與增加外源氮素的固定量減少氮素流失；同時玉米秸稈還田可促進氮素向有機氮的轉化，減少氮素的氣態損失[30]。另一方面，秸稈還田使氮肥的后效增加，提高了氮素利用效率，降低了氮素的表觀損失率[31]。再者，秸稈還田與化肥配施既補充輸入了有機碳源又改善土壤物理性狀，促進微生物對秸稈的分解，秸稈分解中產生的可利用的氮及其他營養元素促進了作物生長，增加了根的生長和根系分泌物，因而也促進了土壤微生物的生長和繁殖，顯著提高微生物碳氮量[32-34]，微生物的固持作用可以減少氮素的硝化淋溶量[35]，這是由于土壤微生物在分解秸稈過程中，需要同化土壤碳素和吸收速效氮素，以合成新的細胞體[36]。

3.2秸稈還田與施氮量對冬小麥產量的影響

已有大量研究表明，秸稈還田具有普遍的增產效應[37，38], 合理施用秸稈可以提高作物產量[39,40]，這是由于秸稈還田一方面向微生物提供碳源及溫熱的生長環境，增加微生物的多樣性，調節微生物群落配比，提高微生物活性，進而提高土壤供肥能力，有利于根系生長，提高吸收能力；另一方面還能夠緩和冬季地溫提高土壤酶活性和土壤蓄水保墑效果[41]。鄭成巖等[42]研究也表明，秸稈還田可以改善耕層土壤水分條件和地溫，提高作物的干物質累積量，從而達到增產的效果[10，11]。秸稈含有大量的碳、氮、磷、鉀等營養元素，是土壤養分重要的補給源[43]，但是秸稈還田還需要配合施用化學氮肥從而避免微生物在分解秸稈的過程中與作物競爭土壤中的氮素[12-14]。本試驗中，隨施氮量的增加各處理干物質積累總量顯著增加，與無秸稈還田相比較，秸稈還田配施較高施肥量顯著增加地上部干物質積累總量；秸稈還田配施氮肥增加了花后干物質積累比例，干物質階段積累量表現為出苗到開花期較低，而開花到成熟階段則較高，這種變化特征有利于產量的形成[44]。隨施氮量的增加各處理產量逐漸增加，但其增產幅度逐漸減小。與無秸稈還田相比，秸稈還田雖然降低了穗數，但是提高了穗粒數及千粒重進而達到增產的目的。

4 結論

秸稈還田與適宜的氮肥運籌可延長冬小麥花后旗葉SPAD值高值持續期，進而提高冬小麥生育后期干物質積累量，改善光合產物分配比例，提高氮素利用效率，且提高穗粒數及千粒重，最終達到提高籽粒產量的目的。秸稈全量粉碎旋耕還田條件下，以施氮量300 kg/hm2處理產量最高，與秸稈還田配施氮肥240 kg/hm2及單施氮肥300 kg/hm2處理無顯著差異。但無論秸稈還田與否，使用高量氮肥皆超出作物生長吸收與土壤固持量，降低肥料利用率，污染環境增加生產成本。因此，建議在與本試驗自然環境及生產條件相似的地區，秸稈全量粉碎還田條件下配施氮肥240 kg/hm2可兼顧產量、肥效及經濟效益。

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EffectsofStrawReturningandNitrogenApplicationRateonGrainYieldandNitrogenUseEfficiencyofWinterWheat

Han Mingming, Li Wenqian, Chen Jin, Li Yong

(CollegeofAgriculture,ShandongAgriculturalUniversity/StateKeyLaboratoryforCropBiology,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.018

2017-04-13

國家自然科學基金項目(31271661)；國家公益性行業(農業)科研專項(201203100；201203029)

韓明明(1989—)，男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，主要從事作物高產生理生態研究。E-mail: hanmingming0601@163.com

李勇，男，山東濰坊人，博士，副教授，主要從事作物高產生理生態研究。E-mail: woooowo@126.com

S512.1+1：S147.2

A

1001-4942(2017)09-0095-07