小麥-玉米周年秸稈還田模式下氮肥利用特征的分析

宋朝玉，王圣健，宮明波，朱丕生，王瑞英，黃俊杰

（青島市農業科學研究院，山東 青島 266100）

小麥-玉米周年輪作是黃淮海作物面積最大的種植模式之一，周年秸稈還田技術得到了大面積推廣。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，同時秸稈還田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。長期進行秸稈還田后一般需要3～5年以上才能形成一個相對穩定的新系統，土壤結構和肥力指標發生改變，氮素養分循環利用也會有一個新的特征。而很多研究進行的定位時間較短，分析結果不能充分代表長期秸稈還田模式下的氮素利用特征。

為了探討小麥玉米長期周年秸稈還田模式下小麥玉米對氮素的吸收和利用特點，我們于2009年開始了定位研究試驗。以小麥秸稈覆蓋還田玉米秸稈不還田為對照模式，研究小麥秸稈覆蓋還田玉米秸稈粉碎還田模式下不同氮肥用量對小麥、玉米生長和土壤肥力的影響。于2018—2019測定小麥玉米周年氮素循環利用指標，分析氮素吸收利用特點，為長期周年秸稈還田模式下氮肥周年高效施用提供理論依據，為農戶提供合理的氮肥用量技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗地位于青島市農業科學研究院城陽作物試驗場（東經 36°17′57.94″，北緯 120°21′22.21″），屬于溫帶海洋性季風氣候。從2009年冬小麥開始定位研究，土壤類型為棕壤，質地為壤土，0～20 cm耕層土壤有機質含量為1.69%、堿解氮88.6 mg／kg、速效磷 62.9 mg／kg和速效鉀 50.0 mg／kg。

1.2 試驗設計

試驗以玉米秸稈還田（簡稱SR）、玉米秸稈不還田（簡稱NSR）為主因素，氮肥用量為輔因素進行裂區設計。氮肥用量設純N 0、90、180、270、360 kg／hm2（即無氮、低氮、中氮、高氮、超高氮）5個水平，隨機區組排列，重復4次。冬小麥、夏玉米連作，小麥秸稈覆蓋還田，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。基肥撒施后旋耕，追肥溝施。小區寬3.6 m，長8 m。小麥行距0.20 m，按基本苗 300萬株／hm2播種；玉米行距0.6 m，密度為 67 500株／hm2。

1.3 測定項目及方法

于小麥成熟期，每小區選擇2行1 m收獲地上部，按莖葉、籽粒分開，105℃殺青30 min，90℃烘干至恒質量，并稱重，粉碎后取樣測定全氮含量；于玉米成熟期，選擇5株典型植株，按莖＋穗軸、葉片 ＋葉鞘、籽粒分開，105℃殺青30 min，90℃烘干至恒質量，粉碎后取樣測定全氮含量。玉米收獲后每小區選5點取0～20 cm土層土樣混合，風干后測定土壤有機質、全氮含量。依照測定結果按以下公式［19，20]計算各指標值。

植株氮積累量（NAA，kg／hm2）＝植株干物重×植株含氮；

氮肥農學效率（NAE，kg／kg）＝（施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量）／施氮量；

氮收獲指數（NHI）＝籽粒氮積累量／植株總氮積累量；

地上部植株氮肥吸收利用率（PRE，%）＝（施氮區地上部氮積累量-不施氮區地上部氮積累量）／施氮量 ×100；

氮肥偏生產力（NPFP，kg／kg）＝施氮區籽粒產量／施氮量。

1.4 數據統計分析

使用Microsoft Excel 2007進行數據計算和作圖；采用DPS6.55軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同模式下小麥、玉米籽粒產量的比較

試驗結果表明，長期玉米秸稈還田可以明顯提高小麥、玉米和周年產量，不同施氮水平增幅不同。在N180水平，SR處理的小麥、玉米和周年的產量較NSR處理分別增加5.46%、10.22%和5.11%。

小麥、玉米籽粒產量與施氮量呈顯著的二次函數關系，在本試驗設計施氮量范圍內呈先增后降的趨勢（圖1）。SR處理的小麥最高產量施氮量為 210.9 kg／hm2，比 NSR處理高 21.5 kg／hm2，SR處理的小麥最高產量比NSR處理高6.31%。SR處理的玉米最高產量施氮量為196.2 kg／hm2，比 NSR處理高 2.0 kg／hm2，SR處理的玉米最高產量比NSR處理高10.32%。

與NSR相比，SR處理的小麥產量在低氮水平差異較小，中氮、高氮、超高氮水平增產明顯；SR處理的玉米產量與施氮量函數圖像對稱軸沒有明顯變化，而低氮、中氮、超高氮水平增產明顯。施氮條件下，長期玉米秸稈還田明顯提高了小麥-玉米周年糧食產量。

圖1 不同模式下小麥、玉米單季及周年籽粒產量與施氮量的關系

2.2 不同模式下植株含氮量的比較

2.2.1 籽粒含氮量 由表1看出，施氮量270 kg／hm2及以下時，SR處理的籽粒含氮量均高于NSR處理，表明長期玉米秸稈還田提高了小麥的籽粒含氮量。而SR對玉米籽粒含氮量影響不明顯。

2.2.2 莖葉含氮量 SR處理的小麥莖葉含氮量比 NSR處理提高 0.37～1.03 g／kg，表明長期玉米秸稈還田可提高小麥莖葉含氮量。SR處理的玉米莖稈含氮量稍高于NSR處理，而葉片含氮量與NSR處理無明顯差異（表1）。

表1 不同秸稈還田模式和施氮量對小麥、玉米含氮量的影響 （g／kg）

2.3 不同模式下氮積累量的比較

2.3.1 籽積氮積累量 在不同施氮水平下，SR處理的籽粒氮積累量均明顯高于NSR處理。SR處理的最高籽粒氮積累量對應施氮量高于NSR處理，其中小麥季比 NSR處理高13.1 kg／hm2，玉米季比 NSR處理高9.3 kg／hm2（表2）。

2.3.2 地上部氮積累量 在不同施氮水平下，SR處理的地上部氮積累量明顯高于NSR處理。SR處理的最高地上部氮積累量對應施氮量小麥季比NSR處理高17.1 kg／hm2，玉米季比NSR處理低4.4 kg／hm2。地上部最高氮積累量與對應施氮量基本相等，上下差距在0.1～12.3 kg／hm2范圍內（表2）。

表2 不同模式下氮積累量與施氮量的函數關系及解析

2.4 不同模式下氮利用效率指標的比較

2.4.1 氮收獲指數 由表3看出，在不同施氮水平下，SR處理的小麥氮收獲指數比NSR低0.017～0.037。在試驗設計范圍之內隨著施氮量增加，小麥氮收獲指數極顯著下降，但并未達到最低值。通過模擬函數解析可得小麥最高產量時SR處理的氮收獲指數為0.642，比NSR處理的氮收獲指數（0.673）低 0.031。玉米的氮收獲指數受秸稈還田影響不明顯。

2.4.2 地上部氮肥吸收利用率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的地上部氮肥吸收利用率明顯高于NSR。地上部氮肥吸收利用率隨施氮量增加極顯著下降，且與施氮量呈顯著的二次函數關系（表4）。小麥最高產量時SR處理的地上部氮肥吸收利用率比NSR處理提高7.59%；玉米最高產量時SR處理的地上部氮肥吸收利用率比NSR處理提高10.23%。

2.4.3 氮肥農學效率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的氮肥農學效率高于NSR。氮肥農學效率隨施氮量增加呈極顯著下降趨勢，且與施氮量存在顯著的二次函數關系（表4）。小麥最高產量時SR處理的氮肥農學效率比NSR處理提高17.55%；玉米最高產量時SR處理的氮肥農學效率比NSR處理提高32.71%。

2.4.4 氮肥偏生產力 由表3可知，在相同施氮水平下，SR處理的氮肥偏生產力高于NSR處理。氮肥偏生產力隨施氮量增加而顯著降低。

表3 不同秸稈還田模式和施氮量對氮肥利用指標的影響

2.5 不同處理土壤肥力的比較

從表5可以看出，土壤全氮含量隨施氮量增加而顯著增加，土壤有機質隨施氮量增加呈先升后降趨勢，以N180處理土壤有機質含量最高。在相同施氮水平下，SR的土壤全氮和有機質含量均明顯高于NSR，表明長期玉米秸稈還田可以顯著提高土壤有機質含量。

表4 不同模式下氮利用效率指標與施氮量函數關系及解析

表5 不同秸稈還田模式和施氮量對土壤全氮和有機質的影響

3 討論與結論

3.1 長期玉米秸稈還田對小麥、玉米氮積累的影響

長期玉米秸稈還田提高了小麥籽粒和莖葉的含氮量、地上部氮積累量；而對玉米籽粒、莖葉含氮量影響不顯著，但明顯增加了玉米干物質積累量，因此玉米地上部的氮積累量也明顯增加。

小麥和玉米地上部最高氮積累量時的施氮量均高于最高籽粒產量施氮量。表明隨著施氮量的增加，籽粒產量達到最高值時，地上部氮積累量還未達到最高值；施氮量超過最高產量施氮量后，莖稈＋葉會繼續吸收和積累更多的氮素，葉綠素和葉面積增加，但對增加籽粒產量并沒有貢獻；超過最高氮積累量的施氮量后，作物不能再吸收并積累氮素，過量的氮肥也就會留存到土壤中。過量施用氮肥后，會造成植株體氮素營養不平衡，更容易促進營養體的氮素積累，氮收獲指數下降，甚至抑制籽粒干物質的積累［16，20］。N270、N360處理土壤全氮顯著增加，土壤堿解氮富集，土壤酸化，造成出苗障礙、小麥分蘗減少，成穗率降低，小麥玉米前期生長發育受到明顯抑制；小麥和玉米葉片長寬和厚度均明顯增加，葉色濃郁呈深綠色，莖稈粗壯，成熟期貪青晚熟，千粒重不升反降，最終導致產量降低，特別是N360處理籽粒產量降幅較大。

3.2 長期秸稈還田對氮素分配和利用的影響

增施氮肥顯著增加小麥地上部中莖葉氮積累量比重，降低小麥的氮收獲指數。玉米秸稈還田雖然也降低氮收獲指數，但由于秸稈氮礦化量有限［21］，因此作用并不顯著。

長期玉米秸稈還田顯著提高土壤有機質和全氮含量，改善土壤結構，顯著提高土壤肥力水平，增強土壤供肥能力和肥料利用率，這與前人研究結果一致［6，8，10，12］。玉米秸稈還田顯著提高小麥、玉米地上部氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力，表明長期玉米秸稈還田可以顯著提高小麥玉米周年的氮肥利用率。這與勞秀榮［5］、劉立軍［19］、霍中洋［20］等的研究結果基本一致。

3.3 長期玉米秸稈還田對小麥、玉米籽粒產量的影響

當施氮量高于180 kg／hm2時，相同施氮水平下SR處理的小麥籽粒產量比NSR處理增產顯著，增幅在5.50%以上，且SR處理小麥最高產量比NSR的最高產量增產6.31%。施氮量在90～270 kg／hm2范圍內，相同施氮水平下SR處理的玉米籽粒產量比NSR增產顯著，增幅在8.08%以上，且SR處理玉米最高產量比NSR最高產量增加10.32%。表明長期玉米秸稈還田可以顯著提高小麥和玉米產量［7，8，17］，且在配施適量氮肥的情況下可以進一步提高小麥玉米周年產量水平。

3.4 長期秸稈還田模式下施氮量的推薦

巨曉棠［21］研究認為，長期采取秸稈還田措施，土壤系統在3～5年達到穩定后，新系統的土壤供氮能力增強，秸稈氮主要對維持和培育土壤有機碳氮庫有利，但對推薦施氮量影響不大。本定位試驗 2015—2016年試驗結果［22，23］中 SR的小麥、玉米最高產量施氮量分別為216.11、207.3 kg／hm2，與本次試驗分析的最高產量施氮量210.9、196.4 kg／hm2基本一致，表明本定位試驗土壤主要養分基本達到一定的平衡狀態。

大田作物生產受氣候、耕作等因素影響較大，因此把推薦施氮量設定一個范圍既符合實際，也利于推廣和操作。結合生產實際，把最高籽粒產量施氮量上下浮動5%作為推薦施氮量。因此，地力和耕作條件與本研究地塊相似的小麥、玉米推薦施氮量如下：小麥秸稈覆蓋還田、玉米秸稈移出的地塊，小麥推薦施氮量為179.9～198.9 kg／hm2，玉米施氮量為184.5～203.9 kg／hm2；小麥秸稈覆蓋還田、玉米秸稈粉碎還田的地塊，小麥推薦施氮量為 200.4～221.4 kg／hm2，玉米施氮量為186.4～206.0 kg／hm2。