玉米秸秆还田条件下麦田氮素运转和籽粒产量对氮肥的响应

姜丽娜，胡乃月，马建辉，李金娜，杨娜娜，岳 影，李春喜

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453000)

玉米秸秆还田条件下麦田氮素运转和籽粒产量对氮肥的响应

姜丽娜，胡乃月，马建辉，李金娜，杨娜娜，岳 影，李春喜

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453000)

为给秸秆全部还田条件下豫北麦玉两熟高产地区冬小麦合理施用氮肥提供理论依据，以周麦18和济麦22为试材，于2011-2013年研究了不同施氮处理(小麦全生育期不施氮肥，及底施纯氮120 kg/hm2基础上拔节期分别追施0，60，100，140，180，210 kg/hm2)下麦田土壤和植株氮素含量的动态变化，分析了不同追氮量对植株氮素吸收、麦田氮肥利用率和籽粒产量的影响。结果表明，小麦植株氮素吸收积累和籽粒产量随施氮量的增加呈单峰曲线变化，周麦18和济麦22分别在220，260 kg/hm2和120，180 kg/hm2施氮量下植株氮素吸收积累达到峰值，籽粒产量较高。麦田氮流失量随施氮量增加呈先升后降变化趋势。秸秆还田配施适量氮肥能够显著提高氮肥偏生产力、氮肥农学利用率；随着施氮量的持续增加氮肥偏生产力、氮肥农学利用率显著降低。综合来看，玉米秸秆还田条件下兼顾氮肥效率和籽粒产量，豫北麦玉两熟区周麦18适宜的氮肥配施量为220～260 kg/hm2，种植济麦22适宜的氮肥配施量为120～180 kg/hm2。

冬小麦；秸秆还田；施氮量；氮含量；产量

小麦是重要粮食作物，全世界有35%～40%的人口以小麦作为主要粮食[1]。作为我国的第三大粮食作物，小麦的种植面积和籽粒产量分别占粮食作物的22%和20%，是我国主要的战略储备粮和商品粮[2]。在小麦生长过程中，施用化学氮肥是氮输入的主要方式。研究表明，合理施用氮肥可提高氮肥利用效率和小麦籽粒产量[3-4]，提高作物的干物质量、穗粒数和千粒质量[5-7]，是保证小麦优质高产的重要措施。过量施用氮肥会增加氮素损失，降低氮素利用效率[8]，引起土壤板结酸化，经地表流失和渗漏导致地下水和江河湖泊富营养化[9]，地表水及地下水硝酸盐含量过高以及大气污染等[10]。研究表明，全国合理施氮面积占播种面积的70%，过量施加氮肥的面积达到20%[11]。因此，合理施用氮肥提高氮肥利用效率具有重要意义。有机肥是土壤氮的重要来源，作物秸秆作为重要的有机肥资源之一，含有作物生长发育所必需的碳、氮、磷、钾等营养元素[12]。秸秆还田能够避免秸秆堆积或焚烧造成的资源浪费和环境污染，同时又可以改善土壤结构和理化性质[13]、培肥地力[14]，提高土壤保肥保水能力[15]，对小麦生育后期的光合作用有促进作用，秸秆还田配施有机肥或化肥能够显著增加作物产量[13-14]，有利于创建良好的农田生态环境。前人围绕秸秆还田的研究主要集中在土壤肥力[14]、气体排放[16]、土壤理化性质[13]、土壤微生物[17-18]等方面，本试验在豫北地区高产田前茬夏玉米秸秆全部还田条件下，设置了拔节期不同追氮处理，研究玉米秸秆还田配施氮肥对冬小麦氮素吸收利用的影响，以期为该区冬小麦合理施用氮肥和小麦生产可持续发展提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验设计

供试小麦品种为周麦18和济麦22。试验于2011-2013年在河南省鹤壁市浚县矩桥乡刘寨村(114°33′E，35°40′N)开展。前茬夏玉米秸秆全部还田，设置小麦全生育期不施氮肥处理(N0)和底施纯氮120 kg/hm2条件下拔节期分别追施0，60，100，140，180，210 kg/hm2处理(以N1、N2、N3、N4、N5、N6表示)。各处理随机区组排列，3次重复，小区面积60 m2(4 m×15 m)。试验连续进行2年，本试验数据为2012-2013年度研究结果。

2012年10月8日整地、施肥，其中N0处理施用农用硫酸钾(含K2O≥50%)112 kg/hm2，过磷酸钙(含P2O5≥16%)138 kg/hm2。N1～N6处理施用农用硫酸钾(含K2O≥50%)112 kg/hm2，磷酸二铵(含P2O5≥18%)304.86 kg/hm2，尿素(含N≥46.4%)148.61 kg/hm2，拔节期(2013年3月27日)结合灌水追施尿素。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 植株、土壤样品氮素含量测定 于播种前(2012年10月8日)、越冬期(2012年12月25日)、拔节期(2013年3月27日)、开花期(2013年5月2日)、灌浆期(2013年5月28日)、成熟期(2013年6月6日)取0～20 cm，20～40 cm土壤，风干后研磨过筛保存。同时，各小区随机取20株植株，分为地上部和根部，洗净、80 ℃烘干至质量恒定后粉碎保存。

土壤、植株样品以半微量凯氏定氮法[19]测定全氮含量。氮素表观损失参照氮素平衡模型[20]计算。1.2.2 产量 成熟期，各小区随机选取4.4 m2(4 m×1.1 m)，人工收割，脱粒，自然风干称质量，折合成公顷产量(kg/hm2)。同时各小区随机选取植株20株，调查其不孕小穗数、穗粒数、穗粒质量(g)及千粒质量(g)。

1.3 数据计算及统计分析

植株总氮素积累量(Total nitrogen accumulation amount，TNAA)、氮素养分利用效率(Nitrogen utilization efficiency，NUE)、氮素收获指数(Nitrogen harvest index，NHI)、氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity，NPFP)、氮肥农学利用效率(Nitrogen agronomic efficiency，NAE) 参照文献[21]计算。

试验数据的多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 追氮对小麦植株氮含量的影响

2.1.1 地上部 小麦植株地上部氮含量以拔节期最高，越冬期和灌浆期较低(表1)。周麦18、济麦22越冬期植株地上部氮素含量最低，拔节期迅速升高并达到最高值，开花期、灌浆期持续降低，成熟期较灌浆期略有增加。其中济麦22成熟期N1、N2处理植株地上部氮素含量增加至与开花期几乎持平。

表1 小麦植株地上部氮素含量Tab.1 Nitrogen content in aboveground wheat plant %

注：同行数据后不同小写字母表示0.05水平差异显著(P<0.05)。表2-5同。

Note：Different small letters following data in the same row mean significant difference at 0.05 level.The same as Tab.2-5.

越冬期，周麦18植株地上部氮含量以N3处理最高，显著高于N0、N1、N4、N6处理，济麦22植株氮含量在各施氮处理间差异不显著。拔节期，周麦18在N0、N1、N4处理下较高，显著高于N2、N3、N5、N6处理，济麦22则表现为N2、N4、N6处理较高，显著高于N0、N3、N5处理。开花期，周麦18植株氮含量表现为N4处理显著高于其他处理，济麦22表现为N1、N5处理显著高于其他处理。灌浆期，周麦18、济麦22植株氮素含量均以N3处理最高，显著高于其他处理。成熟期，周麦18植株氮含量以N3、N4处理较高，济麦22则表现为N2处理最高。

2.1.2 根部 随生育期推进，小麦根部氮含量呈现先升高后降低变化趋势，越冬至拔节期缓慢增加，拔节至开花期迅速增加并达到最高值，开花期至灌浆期呈降低趋势，成熟期略有降低(图1)。

图1 小麦根部氮含量Fig.1 Nitrogen content in wheat root

同一时期，周麦18根部氮含量高于济麦22，表明不同品种小麦根部对氮素吸收不同。从不同氮肥处理来看，均以N0处理下根系氮含量最低。周麦18在N3、N4处理下根系氮含量达到较高值，济麦22在N1、N2处理下根系氮含量达到较高值。因此，施加氮肥能提高根系的氮含量，但是施肥过量反而影响根部对氮素的吸收。

2.2 追氮对土壤氮含量的影响

不同处理下0～40 cm土壤氮含量如表2所示。2个品种土壤氮含量随着土层的加深，呈降低的趋势。随生育期推进，土壤各层氮含量变化趋势基本一致，表现为先升高后降低的趋势。其中周麦18的 N0处理和济麦22 N0、N1处理下，0～20cm土壤氮含量呈持续下降趋势。由于播前整地后施入基肥，越冬期土壤氮含量较播前有所增加；越冬期至拔节期小麦生长缓慢，氮吸收量较少，此时期土壤氮含量略有减少；拔节至灌浆期，土壤氮含量呈下降趋势，其中周麦18 0～20 cm N0处理、20～40 cm N6处理和济麦22 0～20 cm N3、N4处理略有波动。灌浆至成熟期，周麦18 0～20 cm 施氮处理和20～40 cm N0处理及济麦22 0～20 cm N1处理和20～40 cm N4处理下土壤氮含量略有增加；其他处理的土壤氮含量均略有减少。

由于上年度施肥处理的影响，播前2个品种0～20 cm，20～40 cm土壤氮含量随施氮量的增加呈持续增加的趋势，N6处理最高，N0处理最低。以越冬期各处理氮含量为标准，对于周麦18，成熟期0～20 cm土壤氮含量在N4、N6处理下减少较多，20～40 cm土壤氮含量在N2、N3处理下减少较多。对于济麦22，成熟期0～20 cm土壤氮含量在N2、N6处理下减少较多，20～40 cm土壤氮含量在N0、N1、N5处理下减少较多。

表2 土壤氮含量Tab.2 Nitrogen content in the soil g/kg

2.3 追氮对麦田氮素转运的影响

从氮素投入来看，0～40 cm土壤氮占总投入的93.62%～97.44%，是农田系统氮素的主要来源；其次是肥料氮投入，占总投入的0～5.39%(表3)。播前0～40 cm土壤氮为上季土壤氮素残留，肥料氮投入是农田系统中可调控的因素，因此，适量施加氮肥能够调节土壤-秸秆-植株系统的氮素平衡。从成熟期氮素分配情况看，0～40 cm土壤氮仍然占很大的分配比例，约占成熟期总氮的84.06%～90.01%；其次为植株氮，占成熟期总氮的9.95%～15.90%。氮流失量随着施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势，周麦18在N4施氮量下氮流失最多，显著高于其他施氮处理，其次为N2处理；济麦22在N2施氮量下氮流失最多，其次为N1处理。

各氮肥处理下成熟期植株氮表现为周麦18在N3施氮量下最高，其次为N4处理，与其他处理达显著性差异，这与其在N3、N4处理下植株氮含量较高有关。济麦22在N2施氮量下最高，其次为N1处理，与其他处理达显著性差异，与植株在N1、N2处理下根部氮含量较高有关。较高的植株氮积累量有利于产量的形成和提高。周麦18植株氮含量、氮积累量整体高于济麦22，主要是因为周麦18根部干物质、根部氮含量均高于济麦22。周麦18氮流失量均为负值可能是因为周麦18根系发达，吸收深层土壤氮(40 cm以下)的量较多所致。

表3 不同施氮水平下土壤-秸秆-植株系统中全氮的平衡Tab.3 Nitrogen balance in soil-corn straw-plant system under different nitrogen levels kg/hm2

2.4 追氮对小麦氮素利用效率的影响

施加氮肥，小麦植株地上部氮素总积累量增加 (表4)。周麦18在N3处理下氮素总积累量最高，与N0处理相比提高了29.94%，其次为N4处理，与N0处理相比提高了23.70%。济麦22在N2处理下氮素总积累量最高，与N0处理相比提高了16.50%，其次为N1处理，与N0处理相比提高了15.89%。随施氮量的不断增加，小麦植株氮素总积累量并未持续增加甚至有下降趋势。周麦18和济麦22分别在施氮量超过220，180 kg/hm2后，小麦植株氮素总积累量开始下降。

表4 不同施氮水平下冬小麦氮素利用效率Tab.4 Nitrogen utilization efficiencies of winter wheat under different levels

2个品种小麦氮素养分利用率均表现为N5处理显著高于其他氮肥处理。周麦18在N0处理下氮收获指数最高，显著高于N1、N2处理；济麦22在N1处理下氮收获指数最高，显著高于N0、N3、N4、N5、N6处理，因此过量施肥并不利于氮素向籽粒转移。2个品种小麦氮肥偏生产力均表现为随着施氮量的增加显著降低，N1处理显著高于其他氮肥处理。从氮肥农学利用率来看，周麦18随施氮量的增加呈先升后降趋势，N3处理下表现最高，且显著高于其他氮肥处理，N6处理最低；济麦22随施氮量的增加持续降低，N1处理最高，N6处理最低。氮肥农学利用率反映了氮肥对籽粒产量的贡献，可以看出周麦18氮肥农学利用率随施氮量的增加呈现先降后升再降的趋势，在施氮量超过220 kg/hm2后氮肥农学利用率持续降低；济麦22氮肥农学利用率随施氮量的增加呈现持续降低趋势，在施氮量为120 kg/hm2时最高。

2.5 追氮对小麦产量及产量相关因素的影响

从产量因素来看(表5)，周麦18千粒质量在N3、N4处理下较高，显著高于N0、N1处理；穗粒质量在N3处理下最高，显著高于N0处理；穗粒数在N4处理下较高，显著高于N0、N1、N5、N6处理；不孕小穗数表现为N3、N4、N5处理显著低于N0、N1、N2、N6。济麦22千粒质量表现为N1和N2处理显著高于N0处理；穗粒质量表现为N1和N2处理显著高于N0和N6处理；穗粒数在N2处理下最高，显著高于N0、N6处理；不孕小穗数在N2处理下最少，显著低于其他处理。追氮处理下，周麦18的千粒质量、穗粒数(除N1处理外)、穗粒质量(除N1、N2处理外)均高于济麦22，而不孕小穗数(除N1、N2处理外)低于济麦22，因此周麦18各追氮处理(除N1、N2处理外)的产量均高于济麦22。随施氮量的增加，籽粒产量呈先升高后降低的趋势，以N0处理表现最低，周麦18在N3、N4处理下产量较高，济麦22在N1、N2处理下产量较高，与不施氮肥处理相比，分别增加20.23%，20.37%和18.33%，20.27% 。

表5 追氮对小麦产量及产量构成因素的影响Tab.5 Effects of nitrogen fertilizer on wheat grain yield and yield characters

3 结论与讨论

施肥是提高作物产量的主要方式，但盲目施肥不仅浪费资源，还会破坏土壤质量，带来高的环境风险。作物秸秆作为一种廉价的可再生资源，含有农作物生长发育所必需的氮、磷、碳、钾等营养元素[22]，但秸秆C/N比值较高，在腐熟分解前期会影响土壤氮和肥料氮对作物的有效性，进而影响农作物的前期生长[23]，研究表明，适量施用氮肥能够调节秸秆C/N比例，增加玉米秸秆的氮素含量[24]。关于秸秆还田条件下施氮量对小麦氮素吸收利用效率的影响，前人的研究结果不尽一致。有研究表明，在秸秆还田条件下小麦整个生育期植株氮含量随生育期的进行呈单峰曲线变化，配施162.0～202.5，324.0 kg/hm2氮肥时高峰期分别在拔节、开花和孕穗期出现，配施243.0，283.5 kg/hm2氮肥时高峰期分别出现在越冬期和拔节至孕穗期；小麦植株吸氮强度在各生育时期均随施氮量的增加而增强[25]。与不施氮肥相比，适量施加氮肥显著提高了小麦的吸氮量；拔节期适当追肥，优化了氮的吸收[26-28]。本试验研究条件下，随小麦生育期的进行，植株氮含量的变化趋势与上述研究结果相似，在秸秆还田条件下小麦整个生育期植株氮含量呈单峰曲线变化。在本试验施氮条件下，植株氮含量峰值都出现在拔节期，越冬期植株氮含量相对较低；小麦植株吸氮强度在各个生育期随施氮量的增加呈单峰曲线变化，高氮量并不利于植株吸收利用更多的氮素。孙世友等[26]通过研究秸秆还田条件下习惯施肥和优化施肥(氮素总量比习惯施肥降低30%)对氮肥利用效率的影响，认为优化施肥能够显著提高冬小麦的氮肥利用率和农学效率。Shi等[28]研究了氮肥对水稻-小麦轮作系统氮素利用率的影响，认为适宜的施氮量和追肥量使氮素利用效率增加，随施氮量持续增加氮素农学效率和氮肥利用效率减小。本试验条件下，氮收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率均在低氮量下较高，而在最高施氮量下达到最小值，说明过量的氮肥并不能被植物吸收利用；周麦18在施氮量为220 kg/hm2时氮肥农学利用率达到最高，而济麦22在120 kg/hm2施氮量下氮肥农学利用率最高，不同小麦对氮素的吸收利用存在品种间差异。

玉米秸秆还田条件下氮肥投入是影响小麦产量高低的一个重要因素。有研究表明，在秸秆还田不施氮肥条件下，冬小麦产量明显降低，配施氮肥能够有效提高小麦籽粒产量，且小麦产量随施氮量的增加而增加，在243 kg/hm2氮肥水平下获得最高产量；但当施氮量超过243 kg/hm2时，产量有降低趋势[27]。刘骏等[22]研究表明玉米秸秆还田后施纯氮180 kg/hm2增加了小麦成穗数、千粒质量，提高了小麦籽粒产量；施纯氮270 kg/hm2抑制了小麦分蘖和穗的发育，降低了小麦穗粒数、千粒质量和籽粒产量。本试验研究表明，在秸秆还田条件下，小麦籽粒产量随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，周麦18在220，260 kg/hm2施氮量下，济麦22在120，180 kg/hm2施氮量下增加了小麦穗粒数，减少了不孕小穗数，同时获得最高产量。

本研究表明，在豫北高产地区，玉米秸秆全部还田后，随着追氮量的增加，2个供试小麦品种的氮素吸收积累和产量呈单峰曲线变化，周麦18在施氮量为220，260 kg/hm2时氮素吸收量较高，氮肥农学利用率较高，籽粒产量较不施氮分别增产20.23%，20.37%；济麦22在施氮量为120，180 kg/hm2时氮素吸收量较高，氮肥农学利用率较高，籽粒产量较不施氮分别增产18.33%，20.27%。表明适当施用氮肥利于高产区小麦氮素吸收且提高产量，过量施加氮肥不仅增加了成本且对产量具有负面影响。施加适量氮肥能够显著提高氮肥偏生产力、氮肥农学利用率，随着施氮量的增加氮肥偏生产力、氮肥农学利用率显著降低。

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Response of Nitrogen Translocation and Grain Yield in Wheat Field to Nitrogen Fertilizer under Condition of Corn Straw Returning

JIANG Lina，HU Naiyue，MA Jianhui，LI Jinna，YANG Nana，YUE Ying，LI Chunxi

(College of Life Sciences，Henan Normal University，Xinxiang 453000，China)

To provide the theoretical basis for rational nitrogen application in the high yield region of North Henan Province，the field experiments were carried out during 2011-2013 using Zhoumai 18 and Jimai 22 as materials.Under the condition of corn straw returning，7 nitrogen fertilizer levels were arranged：N0(no nitrogen application in whole growth stage)，and N1，N2，N3，N4，N5and N6，of which 0，60，100，140，180 and 210 kg/ha nitrogen were topdressed respectively at jointing stage under the condition of 120 kg/ha nitrogen as basic fertilizer.The dynamic change of nitrogen content in soil and wheat plants，the amount of nitrogen absorption in wheat plants，the nitrogen utilization efficiency in wheat and soil system and the grain yield under different fertilizer treatments were analyzed.The results showed that nitrogen accumulation of wheat plants and grain yield changed as a single peak curve with the increase of topdressing amount.For the treatments N3and N4，nitrogen accumulation in Zhoumai 18 plants was higher，and the grain yields was higher simultaneously，while Jimai 22 showed higher nitrogen accumulation and higher grain yields in N1and N2treatments. With the adding of nitrogen amount，nitrogen loss in wheat and soil system tended to rise first and then fall.Nitrogen partial factor productivity (NPFP) and nitrogen agronomic efficiency could be improved significantly with straw returning and proper nitrogen fertilizer application，but they tended to be lower with the continuous increase of nitrogen.In consideration of both nitrogen fertilizer efficiency and grain yield，the appropriate nitrogen application of Zhoumai 18 and Jimai 22 was 220-260 kg/ha and 120-180 kg/ha respectively under the condition of straw returning in wheat and corn double cropping area.

Winter wheat；Straw returning；Nitrogen application rate；Nitrogen content；Yield

2016-06-07

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B08；2013BAD07B14；2013BAD07B07)

姜丽娜(1973-)，女，河南延津人，教授，博士，主要从事作物生理生态研究。

李春喜(1964-)，男，河南封丘人，教授，博士，主要从事作物栽培生理研究。

S512.1；S311

A

1000-7091(2016)06-0177-08

10.7668/hbnxb.2016.06.028