長期玉米秸稈還田模式下氮肥用量對玉米生長發育及土壤養分的影響

宋朝玉，宮明波，高倩，王圣健，朱丕生，高峻嶺

(1.青島市農業科學研究院，山東 青島 266100；2. 青島市農業委員會，山東 青島 266071)

長期玉米秸稈還田模式下氮肥用量對玉米生長發育及土壤養分的影響

宋朝玉1，宮明波1，高倩2，王圣健1，朱丕生1，高峻嶺1

(1.青島市農業科學研究院，山東 青島 266100；2. 青島市農業委員會，山東 青島 266071)

采取兩因素裂區設計，研究了長期玉米秸稈還田、不還田兩種模式下氮肥用量對玉米生長發育、產量建成、土壤養分的影響。結果表明，長期玉米秸稈還田后，土壤有機質、速效鉀含量明顯提高，速效磷變化較小，株高、莖粗、穗位葉寬、穗長和子粒產量、淀粉含量增加，子粒粗蛋白含量降低。在玉米小口期、大口期，秸稈還田處理的地上部干重明顯高于秸稈不還田處理。在長期玉米秸稈還田模式下，推薦夏玉米施氮量為207.3 kg/hm2，較秸稈不還田模式增加施氮量17.4 kg/hm2，可以增加子粒產量398.5 kg/hm2。

玉米秸稈還田；氮肥；土壤養分；產量；品質

玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鎂、鈣和硫等營養元素，是農業生產中重要的肥料資源[1]。隨著大型農機具的發展和推廣，粉碎還田是玉米秸稈無害化處理利用的最佳途徑之一，也是土壤有機質提升工程措施之一，同時還可以減少焚燒秸稈造成的資源浪費和環境污染[2]。大量研究表明，秸稈還田能夠顯著增加土壤有機質含量[3-8]，提高腐殖質數量、質量從而改良土壤結構[9]，降低耕層土壤容重[10-12]，改善土壤蓄水保肥能力，提高水分利用率[13-15]，是一項重要的生物養地培肥地力的措施。李貴桐等[16]研究發現，秸稈在腐解過程中，能夠促進土壤微粒的團聚，有效改善土壤結構及理化性狀，持續提高土壤肥力；霍竹等[17]研究表明秸稈還田可一定程度上延緩玉米葉片衰老，促進夏玉米干物質由莖稈向籽粒的轉運；沈學善等[18]研究表明，小麥、玉米秸稈連續全量還田可以顯著降低夏玉米的根倒率和莖折率，提高籽粒產量；慕平等[10]研究表明，隨玉米全量秸稈還田年限增加，耕層土壤有機質、全氮、全磷大幅增加，而有效磷變化幅度較小，根系衰退延遲，利于后期作物對養分的吸收和產量的形成。玉米秸稈粉碎還田增加了土壤碳源，提高了土壤C/N比，打破了土壤原有養分平衡，影響土壤微生物活動。因此，氮肥的協調施用是秸稈還田模式下的核心問題。目前，在黃淮海小麥-玉米輪作區，在小麥秸稈覆蓋還田、玉米秸稈粉碎還田模式下定位研究氮肥協調運籌對夏玉米發育、產量建成、土壤養分的報道較少。本研究團隊從2009年設置了大田定位試驗，以傳統玉米秸稈不還田模式為對照，研究長期玉米秸稈還田模式下，不同氮肥用量對玉米、小麥生長發育、產量建成、土壤養分的影響。本研究分析了定位6年后2015年夏玉米試驗結果，可為黃淮海小麥-玉米輪作區夏玉米生產提供參考。

1 材料與方法

1.1供試材料

試驗地位于青島市農業科學研究院作物試驗場，從2009年冬小麥開始定位研究，基礎土壤有機質含量為16.9 g/kg，堿解氮為88.6 mg/kg，速效磷為62.9 mg/kg，速效鉀為50.0 mg/kg。供試氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)。玉米品種為鄭單958。

1.2試驗設計

試驗以玉米秸稈還田(straw returning，簡寫為SR)、玉米秸稈不還田(no straw returning，簡寫為NSR)為主因素，氮肥用量為輔因素進行裂區設計。氮肥用量設0、90、180、270、360 kg/hm2(即無氮、低氮、中氮、高氮、超高氮) 5個水平，重復4次。冬小麥、夏玉米連作，每季施肥量相同。氮肥基追比均為1∶1。P2O5用量為75 kg/hm2，K2O用量為150 kg/hm2，均作基肥施用。小區寬3.6 m×8 m=28.8 m2，行距0.6 m，種植密度為67 500株/hm2。

1.3測定項目及方法

地上干物質動態調查：分別于玉米小喇叭口期、大喇叭口期、成熟期取樣5株，稱鮮重，105℃殺青30 min，90℃烘干至恒質量。

植株性狀和產量性狀調查：于蠟熟期，每小區連續選擇代表性植株10株測定株高、穗位高、莖粗、穗位葉長和寬，計算穗位葉面積(長×寬×0.75)。收獲前調查穗長、禿尖、穗行數、行粒數。收獲風干后，測定子粒含水量，換算為含水量14%的標準產量。取樣調查百粒重，并使用Foss谷物品質測定儀測定子粒粗蛋白和淀粉含量。

土壤性狀的調查：試驗結束后，每小區選5點取0～20 cm土壤，測定土壤有機質、堿解氮、速效磷、有效鉀含量和pH值。

1.4數據分析方法

使用DPS 6.55軟件進行數據統計分析，使用Microsoft Excel 2007進行數據計算和作圖。

2 結果與分析

2.1不同處理植株性狀的比較

從表1可以看出，隨施氮量增加，玉米株高先增后降，秸稈還田處理在N270、N360水平下降但不明顯；秸稈不還田處理N270、N360水平下降顯著，比N180分別降低16.2、18.4 cm。同一施氮水平，秸稈還田處理的株高均高于不還田處理。

施氮量對秸稈還田處理的穗位高影響較小，不同施氮水平間的穗位高差異不顯著。秸稈不還田條件下，中、低施氮水平間的穗位高無差異，在N270、N360水平顯著降低。在N270、N360水平下，秸稈還田處理的穗位分別高于不還田處理10.4、12.4 cm。

秸稈還田處理的莖粗隨施氮量增加而增大，以N270水平最粗；秸稈不還田處理的莖粗以N90水平最粗，之后隨施氮量增加逐漸降低。

表1 不同處理植株性狀的比較 (cm)

注：表中同列數據后不同大、小寫字母分別表示在0.01、0.05水平上差異顯著。下表同。

由表2可以看出，施氮量增加時，秸稈還田處理的穗位葉長和葉面積逐漸增加，而秸稈不還田處理呈先增后減的趨勢。在N0、N90水平秸稈不還田處理的穗位葉長和葉面積高于秸稈還田處理，N180水平時兩處理基本相同。N270、N360水平秸稈不還田處理的穗位葉長、葉面積明顯降低，其中穗位葉長比秸稈還田處理低10.0、10.9 cm，葉面積低73.6、77.3 cm2。

表2 不同處理穗位葉的比較

2.2不同處理對玉米干物質積累動態的影響

從圖1 可以看出，在不同時期，不同處理地上部分的鮮重變化趨勢不一致。秸稈還田處理在小口期鮮重隨施氮量增加呈先增后減趨勢，而秸稈不還田處理呈遞增趨勢；大口期地上鮮重均隨施氮量增加而增加，無氮處理顯著低于施氮處理；收獲期地上鮮重隨施氮量增加均呈先增后減的趨勢。與大口期相比，收獲期高氮、超高氮水平的鮮重下降顯著，秸稈不還田處理無氮水平的鮮重增加顯著。在同一施氮水平，小口期、大口期秸稈還田處理的鮮重均高于不還田處理，小口期的差距大于大口期。

從圖2 可以看出，玉米地上部分干物質積累量變化趨勢與鮮重相似。施氮量對秸稈還田處理小口期干重影響較小，而秸稈不還田處理隨施氮量增加而明顯增加；大口期地上干重隨施氮量增加而增加，無氮處理顯著低于施氮處理；收獲期地上干物質量隨施氮量增加呈先增后減趨勢，以N90、N180水平干重最高。在同一施氮水平，秸稈還田處理的干重在小口期、大口期高于不還田處理，收獲期僅有N180水平高于不還田處理。

圖1 不同時期各處理地上部鮮重比較

圖2 不同時期各處理地上部干物質積累比較

2.3不同處理穗部性狀的比較

由表3看出，玉米穗長隨施氮量增加而先增后減，秸稈還田處理以N180水平最長，秸稈不還田處理以N90水平最長。除無氮、低氮水平外，秸稈還田處理的穗長均大于秸稈不還田處理。不同處理的穗粒數差異不顯著。子粒千粒重隨施氮量增加呈先增后減趨勢，秸稈還田處理以N180水平最高，秸稈不還田處理則以N90水平最高，二者均以N0水平最低。

2.4不同處理玉米子粒產量、品質的比較

從表4可以看出，玉米子粒產量隨施氮量增加呈先增后降趨勢，高氮、超高氮水平出現產量降低，且秸稈不還田處理降低幅度大。同一施氮水平，秸稈還田處理的子粒產量均高于秸稈不還田處理，增幅2.1%～10.3%，N180水平增幅為5.2%。

表3 不同處理穗部性狀的比較

表4不同處理玉米子粒產量和品質的比較

處理產量(kg/hm2)SRNSR粗蛋白含量(%)SRNSR淀粉含量(%)SRNSRN07800.1dC7400.6dB8.03dD8.27cD73.26aA72.50aAN909055.8bcB8871.5abA8.61cC8.90bC72.85aAB72.53aAN1809741.0aA9262.7aA8.93bB9.09bBC72.27bB72.17abAN2709233.9bAB8707.9bA9.02bAB9.30aAB72.37bB72.00abAN3608732.3cB7914.0cB9.24aA9.43aA72.23bB71.94bA

子粒粗蛋白含量隨施氮量增加顯著增加，秸稈還田處理N360水平比N0水平增加1.21個百分點，比N90水平增加0.63個百分點。同一施氮水平下，秸稈不還田處理的子粒粗蛋白比秸稈還田處理增加0.16～0.29個百分點。子粒淀粉含量隨施氮量增加而降低，N360水平比N0水平降低1.03～0.56個百分點，同一施氮水平下，秸稈還田處理高于秸稈不還田處理0.11～0.75個百分點。

2.5試驗后土壤養分含量的比較

經過6年的定位試驗，土壤主要養分情況發生了顯著變化。從表5可以看出，土壤有機質含量隨施氮量增加呈先增后減趨勢，秸稈還田模式下以N180水平最高，秸稈不還田模式下以N270水平最高。同一施氮水平，秸稈還田處理比不還田處理高0.12～0.29個百分點。秸稈還田處理平均每年增加0.04～0.08個百分點，比秸稈不還田處理平均每年多增加0.02～0.05個百分點。由此表明，秸稈還田可以有效增加土壤有機質含量，改善土壤結構。

隨施氮量增加，土壤堿解氮含量顯著增加，且秸稈不還田模式土壤堿解氮的增加速度快。在N180水平及以上，秸稈不還田處理均高于秸稈還田處理，在N180、N270水平達到了“豐富”級別， N360水平超過了150 mg/kg，達到了“極豐富”級別。

土壤速效磷含量基本隨施氮量的增加而增加。同一施氮水平，秸稈不還田處理的速效磷均略高于秸稈還田處理。

隨施氮量的增加，土壤速效鉀含量呈顯著增加趨勢，同一施氮水平，秸稈還田處理的土壤速效鉀含量均高于秸稈不還田處理，差值達到20.1～35.3 mg/kg。秸稈還田處理N180水平以上的土壤速效鉀含量超過了100 mg/kg，達到“中等”級別，秸稈不還田處理在N360水平才達到“中等”級別。

表5 不同處理土壤養分狀況的比較

3 討論與結論

3.1玉米秸稈還田提高土壤有機質和改善養分結構

玉米秸稈長期還田后，明顯增加了土壤有機質含量[3-8]，在中量氮肥供應下，平均每年比秸稈不還田增加0.048個百分點，比試驗前平均每年增加0.068個百分點，與馬永良等[7]研究的玉米秸稈還田比不還田每年增加0.057個百分點，比試驗前每年增加0.10個百分點的結果基本一致。同一施氮水平，秸稈還田處理0～20 cm土層速效鉀比秸稈不還田處理高20.1～35.3 mg/kg，但速效磷變化較小，這與慕平等[10]研究的結論一致。耕層土壤速效磷含量主要與化肥施用量有關，土壤速效鉀含量與秸稈直接還田有關[6]。隨著施氮量的增加，秸稈還田處理的堿解氮含量增加速度慢于秸稈不還田模式。玉米秸稈還田后，土壤有機質增多，氮肥利用率能夠提高26%左右[19]，提高了子粒產量，減少了土壤中氮素留存量；而秸稈不還田時，玉米子粒產量低，帶走的氮量少，土壤中氮留存量高，經年積累就造成了土壤氮素富集、盈余，高氮供應時，會較早出現鹽害，抑制玉米生長發育。

3.2玉米秸稈還田能夠明顯促進玉米生長發育

與秸稈不還田相比，秸稈還田處理的株高、莖粗、穗位葉寬、穗長和子粒產量、淀粉含量增加，子粒蛋白質含量降低，這與慕平等[10]研究的株高、穗位高隨秸稈還田年限增加而增加的結論一致。在高氮、超高氮供應水平下，秸稈還田處理的株高、穗位高、莖粗、穗位葉長和葉面積、穗長、子粒千粒重和產量降低幅度小；秸稈還田處理小口期、大口期的地上部干重明顯高于秸稈不還田處理，后期促進養分向子粒轉化，這與慕平等[10]研究結論相同。從田間表現來看，高氮、超高氮水平出現了不同程度的鹽害癥狀，秸稈不還田處理比秸稈還田處理嚴重，土壤板結硬實，玉米葉片顏色深，生長緩慢，莖稈韌性降低。

3.3玉米秸稈長期還田模式下玉米最高產量的施氮量

在本試驗條件下，玉米秸稈還田后能夠明顯提高玉米子粒產量，增幅達到2.1%～10.3%，與前人研究結果基本一致[8,10,12,14,17]。在小麥-玉米輪作區，長期玉米秸稈還田模式下夏玉米的推薦施氮量為207.3 kg/hm2，比秸稈不還田模式增加施氮量17.4 kg/hm2，子粒產量可以增加398.5 kg/hm2。

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EffectsofNitrogenApplicationRateonMaizeGrowthandSoilNutrientsunderModeofLong-TermMaizeStrawReturning

Song Chaoyu1, Gong Mingbo1, Gao Qian2, Wang Shengjian1, Zhu Pisheng1, Gao Junling1

(1.QingdaoAcademyofAgriculturalSciences,Qingdao266100,China;2.QingdaoMunicipalRuralAffairsCommission，Qingdao266071,China)

Adopting two factors split plot design, under the modes of long-term maize straw returning(SR) and no straw returning(NSR), the effects of nitrogen application rate on maize growth and yield formation, soil nutrients were studied. The results showed that under the mode of SR, the soil organic matter and rapidly-available potassium content obviously increased, the rapidly-available phosphorus changed small, the plant height, stem diameter, ear leaf width, ear length and grain yield and starch content increased, the grain protein content decreased. At the small bellbottom stage and huge bellbottom stage, the dry weight under the SR treatment was higher than that of NSR treatment. Under the mode of SR, the recommend nitrogen application rate of summer maize was 207.3 kg/hm2, which increased by 17.4 kg/hm2than that of NSR treatment, and the grain yield increased by 398.5 kg/hm2.

Maize straw returning; Nitrogen fertilizer; Soil nutrient; Yield; Quality

S143.1+S513.062

A

1001-4942(2017)10-0055-05

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.012

2017-05-06

國家重點研發計劃課題“小麥-玉米周年水肥資源高效利用與耕作技術研究”(2017YFD031002)；山東省現代農業產業體系建設經費資助項目“山東省現代農業玉米產業體系綜合試驗站”(SDAIT-01-022-13)；山東省農業科學院院地合作項目(2015YDHZ09)

宋朝玉(1978—)，男，碩士，助理研究員，山東農學會理事，主要從事小麥、玉米高產高效栽培技術研究。E-mail:qingdaocrop@163.com