水肥優化管理下秸稈處理方式對玉米干物質積累和產量的影響

霍俊豪，劉蕊，藺益民，鄒曉霞，王維華

（青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室，山東 青島 266109）

作為農業大國，我國農作物秸稈資源豐富，且近年來隨著糧食產量不斷提高，農作物秸稈總量整體上呈現持續增長的趨勢。2017年全國主要農作物秸稈理論資源量約為8.84億t，可收集資源量為7.36億t［1］。秸稈還田是利用秸稈資源的直接、有效途徑，既可以解決秸稈處理難的問題，又可以改善土壤理化性質［2］。但是還田秸稈的腐解過程受到各種環境因素的影響，不合理的秸稈還田利用方式會導致作物減產［3］。

還田秸稈的腐解會受到土壤含水量、氮肥施用、土壤微生物特性等因素的影響。土壤水分含量顯著影響秸稈的腐解速度，繼而影響作物生長［4，5］。研究表明，在水分有限條件下，秸稈腐解與土壤水分含量成正比，在充分灌水或水分較高時，土壤通透性及溫度降低，秸稈的腐解速率降低［6］；但也有研究認為，高濕條件更利于促進秸稈腐解［7］。外源氮素的添加對農田物質循環有著重要影響。施用氮肥能夠影響土壤微生物的活性，進而影響秸稈腐解。土壤微生物分解有機物較合適的碳氮比為25∶1，而秸稈本身的碳氮比較高，因此在秸稈還田的同時，要配合施入氮肥，緩解爭氮和加快秸稈腐解［8］。外源氮肥添加配施秸稈腐解劑有助于提高土壤微生物群落多樣性，促進秸稈腐解和養分釋放［9］。石琳等［10］研究指出，腐熟劑與尿素配合施用的效果最佳；丁文成等［11］則指出，化肥氮與有機肥氮配施并結合施用秸稈腐熟劑能提高養分有效性，有助于提高作物產量。目前來看，有關緩控釋氮肥與液體氮肥結合秸稈腐解劑對玉米產量影響的研究報道較少。

另外，生物炭是農作物秸稈開發利用的新興技術，農作物秸稈在缺氧條件下熱裂解形成穩定的富碳產物，有助于提高土壤肥力，被廣泛用于改良農田土壤和增加作物產量［12，13［。近年來有關生物炭施用對作物產量影響的研究逐漸增多，而生物炭的施用效果與農田水肥管理也密切相關［12，14［。

冬小麥-夏玉米輪作是華北平原典型的種植方式。為探索其最優水肥及秸稈處理措施，促進秸稈資源優化利用，提高作物產量，本研究以常規管理為對照，在2種水肥優化管理基礎上設置3種秸稈處理方式，探究各處理對玉米干物質積累特征和產量的影響，以期為提高資源利用效率、促進農業綠色發展提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020年在山東省萊陽市團旺鎮試驗基地（120°58′E，36°75′N）進行。試驗地為棕壤土。供試玉米品種為鄭單958。供試普通化肥為金正大牌復合肥（15-15-15）及尿素（N 46%）；增效復混肥（22-8-10）由山東糧源生物科技有限公司生產；穩定尿素（N 45%）由河北冀衡賽瑞化工有限公司生產；液體尿素（N 30%）主成分為改性尿素硝酸銨溶液［15］。供試秸稈炭為小麥、玉米秸稈在缺氧、亞高溫條件下熱解形成的富碳產物，碳含量60%以上，秸稈炭施用量為4 500 kg/hm2。供試秸稈腐解劑由廣州市微元生物科技有限公司生產，主要成分為粗纖維降解菌劑（有效活菌數≥2×1010cfu/g），腐解劑施用量為12.75 kg/hm2。試驗期間氣象條件如圖1所示。6月28日整地，7月2日播種玉米，10月23日收獲。

圖1 試驗期間氣溫與降雨量變化

1.2 試驗設計

試驗以常規管理措施為對照，在2種水肥優化管理的基礎上設置3種秸稈處理方式，共7個處理，分別為：當地常規管理（漫灌+普通化肥）+秸稈還田（CK）、水肥優化Ⅰ（滴灌+增效復混肥+穩定尿素）+秸稈還田（SS）、水肥優化Ⅰ+秸稈還田+腐解劑（SSD）、水肥優化Ⅰ+秸稈炭（SSC）、水肥優化Ⅱ（水肥一體滴灌+增效復混肥+液體尿素）+秸稈還田（SF）、水肥優化Ⅱ+秸稈還田+腐解劑（SFD）、水肥優化Ⅱ+秸稈炭（SFC）。各處理施肥種類、施肥量及秸稈處理方式見表1。

表1 各處理施肥種類、施肥量與秸稈處理方式

小區長20 m，寬5 m。采用寬窄行種植，寬行距80 cm，窄行距45 cm，株距20 cm。隨機區組排列，重復3次。

1.3 測定指標及方法

分別于玉米苗期（S1）、拔節期（S2）、大喇叭口期（S3）、吐絲期（S4）、灌漿期（S5）和成熟期（S6）取樣，每處理取5株玉米的地上部，并分為葉片、莖鞘、籽粒和其它部位（苞葉、花絲、穗軸、雄穗和穗柄），于烘箱中105℃殺青30 min，然后75℃恒溫烘干至恒重，冷卻至室溫后分別測定各部位干物質量。

玉米收獲期，每小區隨機選取長5 m、寬2.5 m（中間4行）的樣方收取所有果穗，稱重（kg），并從中選取具有代表性的15個果穗帶回實驗室進行考種，統計穗行數、行粒數、穗粒數，計算出籽率。利用PM-8188-A谷物水分測量儀（測定范圍6%～40%，誤差±0.5%）測量籽粒含水率。

玉米籽粒產量計算方法如下：

產量（kg/hm2）=取樣區穗重×出籽率×（1-含水率）×10000/測產面積

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理和作圖，SPSS19.0軟件進行相關性和多因素分析，用DPS 7.05數據處理系統采用LSD法對結果進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水肥優化管理下秸稈處理方式對玉米干物質積累的影響

2.1.1 對葉部干物質積累的影響 由表2可以看出，玉米葉片干物質重隨生育進程呈現先升高后降低趨勢，吐絲期達到最大值，此時SSC處理葉片干物質量最大，且顯著高于CK、SSD、SF和SFC處理，分別提高10.6%、30.2%、16.6%和10.3%。就生育期內葉片干物質量的總體趨勢而言，兩種水肥優化管理下秸稈直接還田處理（SS、SF）葉片干物質量總體低于CK；水肥優化Ⅰ處理下，葉片干物質積累量總體高于水肥優化Ⅱ處理；而相同水肥管理下，秸稈炭處理（SSC、SFC）葉片干物質積累量總體高于秸稈直接還田（SS、SF）。

表2 不同處理下各生育期玉米葉片干物質量 （g/株）

2.1.2 對莖鞘干物質積累的影響 由表3可以看出，玉米生育期內，莖鞘干物質積累總體趨勢為先升高后降低，吐絲期達到最大值，此時SS處理莖鞘干物質量最高，且顯著高于CK、SF、SFD和SFC處理，分別達20.4%、15.7%、21.7%和9.7%。就生育期內莖鞘干物質量的總體趨勢而言，水肥優化Ⅰ處理中，秸稈直接還田處理（SS）莖鞘干物質量各生育期均高于腐解劑處理（SSD），且在苗期和大喇叭口期達到顯著水平；水肥優化Ⅱ處理中，秸稈炭處理（SFC）莖鞘干物質量，大喇叭口期后各生育期均高于腐解劑處理（SFD），且在吐絲期達到顯著水平，此時增加10.9%。

表3 不同處理下各生育期玉米莖鞘干物質量 （g/株）

2.1.3 對籽粒干物質積累的影響 由表4可以看出，各處理玉米籽粒干物質量從大喇叭口期至成熟期呈現逐漸升高趨勢，成熟期達到最大值，此時SSC處理籽粒干物質量最高，并顯著高于其它各處理，SSD、SF、SFD和SFC處理籽粒干物質量均顯著高于CK，SSD、SSC、SF、SFD和SFC籽粒干物質量較CK分別增加7.8%、20.4%、9.1%、10.2%和9.1%，但SS處理與CK之間無顯著差異。水肥優化Ⅰ處理中，秸稈炭處理（SSC）籽粒干物質量在各生育期均顯著高于直接還田（SS），添加腐解劑處理（SSD）除吐絲期外，其余生育期籽粒干物質量也均顯著高于直接還田（SS）；水肥優化Ⅱ處理中，3種秸稈處理方式的籽粒干物質量僅在大喇叭口期存在顯著差異，其余各生育期差異均不顯著。

表4 不同處理下各生育期玉米籽粒干物質量 （g/株）

2.1.4 對其它部位干物質積累的影響 由表5可以看出，大喇叭口期開始，玉米植株生殖器官開始生長，各處理其它部位（苞葉、雄穗、穗柄、穗軸和花絲）總干物質量均在吐絲期達到最大值，此時SS、SSD、SSC、SF處理其它部位總干物質量分別比CK增加13.1%、9.0%、25.1%和13.4%，SFD、SFC處理比CK分別降低21.3%、17.0%。水肥優化Ⅰ處理下，成熟期SSC處理其它部位干物質量最高，較SS和SSD分別增加13.2%和26.7%；水肥優化Ⅱ處理下，SF處理（直接還田）其它部位干物質量顯著高于SFD，與SFC差異不顯著。

表5 不同處理下各生育期玉米其它部位干物質量 （g/株）

2.2 水肥優化管理下秸稈處理方式對玉米產量的影響

多因素分析結果（表6）表明，水肥優化和秸稈處理方式對玉米穗行數和穗粒數均無顯著影響，對產量則均有顯著或極顯著影響；水肥優化對行粒數有顯著影響；秸稈處理方式對玉米出籽率有顯著影響，各處理均顯著高于對照；水肥優化和秸稈處理的交互作用對行粒數有顯著影響，對產量有極顯著影響。

表6 不同處理對玉米產量及其構成要素的影響

SSD、SSC、SF、SFD和SFC處理玉米產量均顯著高于CK，且比CK分別增產9.9%、21.8%、10.2%、14.2%和8.1%。水肥優化Ⅰ處理下，施用秸稈炭處理（SSC）和添加秸稈腐解劑處理（SSD）玉米產量顯著高于秸稈直接還田（SS），分別增產41.2%和27.4%；但水肥優化Ⅱ處理下，不同秸稈處理方式間玉米產量差異不顯著。相同秸稈處理方式下，水肥優化Ⅱ處理行粒數呈高于水肥優化Ⅰ和CK趨勢，表明水肥一體化管理措施有助于增加玉米行粒數，為產量提高奠定了基礎。水肥優化Ⅰ處理下可施加秸稈炭提高玉米產量，而在水肥優化Ⅱ處理下施加秸稈腐解劑更有利于產量提高。

3 討論

秸稈還田是農業綠色生產的主要措施，通過還田秸稈的腐解可以提高土壤養分含量、改善土壤的理化性質，對提高作物產量有積極意義［16-18］。水分和肥料是影響作物產量的兩大決定性因素，對秸稈腐解也有較大影響。本試驗在2種水肥優化管理基礎上設置3種秸稈處理方式，探究水肥優化管理下秸稈處理方式對玉米生長發育和產量的影響，表明：水肥優化Ⅰ中，施加腐解劑（SSD）和秸稈炭（SSC）處理玉米產量均顯著高于秸稈直接還田（SS）處理；水肥優化Ⅱ中，施加腐解劑（SFD）和秸稈炭（SFC）處理玉米產量與秸稈直接還田（SF）無顯著差異。這可能由于不同的水肥耦合模式對土壤微生物和土壤酶活性的影響不同，導致秸稈的腐解速率不同，從而影響土壤有效養分的供應也不同［19］，繼而影響玉米產量。胡乃娟等［18］的研究也證實秸稈還田可以改變土壤微生物活性。腐熟劑能夠促進秸稈的腐解速率，顯著提高土壤養分［20］。生物炭因其多孔結構而有利于提高土壤孔隙度、降低容重，為植物生長提供良好環境，利于玉米增產［21，22］。本研究表明，在水肥優化Ⅰ處理（滴灌+增效復混肥+穩定尿素）下可施加秸稈炭提高玉米產量，而在水肥優化Ⅱ處理（水肥一體滴灌+增效復混肥+液體尿素）下可通過施加秸稈腐解劑提高玉米產量，與前人研究結果相符［23，24］。

干物質積累與分配對玉米產量形成至關重要［25］。優化灌溉施肥能夠提高玉米生育后期籽粒的干物質積累量［26］。秸稈還田可以促進玉米干物質積累，提高成熟期玉米產量［27］。本研究中，葉片、莖鞘和其它部位干物質量隨生育進程呈現先升高后降低趨勢，各處理均在吐絲期達到最大值，之后莖葉等部位干物質流向籽粒，莖葉干物質量下降，籽粒干物質量增加，這表明前期營養器官干物質的積累可以為產量的形成奠定基礎［28］。本試驗玉米產量最高的SSC處理，灌漿期前各部位干物質量均較高，收獲期卻顯著低于其它處理，證明了玉米營養器官干物質積累對產量的貢獻。田樹云等［29］研究指出，灌漿期是氮肥施用的關鍵時期，粒重取決于該階段各部位干物質的轉移量，但本研究中SS處理雖然前期營養器官干物質積累較高，但最終產量并不高。這可能是由于在減氮15%情況下，一次性底施增效復混肥結合單純的秸稈還田并不能滿足玉米生育后期的養分需求，因脫肥出現一定程度的早衰，導致灌漿不足（行粒數顯著低于其它各處理）、產量下降；若在減氮15%情況下，一次性底施增效復混肥并秸稈還田時，添加秸稈腐解劑或用秸稈炭替代秸稈，均能有效提高玉米產量?？梢姡m宜的水肥管理措施和秸稈處理方式，對減少化肥用量、提高秸稈資源利用效率和作物產量具有積極意義，生產上應積極探索相關措施，推進農業綠色生產。

4 結論

水肥優化結合適宜的秸稈處理，能在有效降低氮肥用量（減氮15%）基礎上，促進玉米中后期籽粒干物質積累，增加玉米行粒數，顯著提高玉米產量。基于本研究，建議：在水肥優化Ⅰ處理（滴灌+增效復混肥+穩定尿素）下通過施加秸稈炭提高玉米產量，而在水肥優化Ⅱ處理（水肥一體滴灌+增效復混肥+液體尿素）下可通過施加秸稈腐解劑提高玉米產量。