长期玉米秸秆还田模式下氮肥用量对玉米生长发育及土壤养分的影响

宋朝玉，宫明波，高倩，王圣健，朱丕生，高峻岭

(1.青岛市农业科学研究院，山东 青岛 266100；2. 青岛市农业委员会，山东 青岛 266071)

长期玉米秸秆还田模式下氮肥用量对玉米生长发育及土壤养分的影响

宋朝玉1，宫明波1，高倩2，王圣健1，朱丕生1，高峻岭1

(1.青岛市农业科学研究院，山东 青岛 266100；2. 青岛市农业委员会，山东 青岛 266071)

采取两因素裂区设计，研究了长期玉米秸秆还田、不还田两种模式下氮肥用量对玉米生长发育、产量建成、土壤养分的影响。结果表明，长期玉米秸秆还田后，土壤有机质、速效钾含量明显提高，速效磷变化较小，株高、茎粗、穗位叶宽、穗长和子粒产量、淀粉含量增加，子粒粗蛋白含量降低。在玉米小口期、大口期，秸秆还田处理的地上部干重明显高于秸秆不还田处理。在长期玉米秸秆还田模式下，推荐夏玉米施氮量为207.3 kg/hm2，较秸秆不还田模式增加施氮量17.4 kg/hm2，可以增加子粒产量398.5 kg/hm2。

玉米秸秆还田；氮肥；土壤养分；产量；品质

玉米秸秆中含有丰富的氮、磷、钾、镁、钙和硫等营养元素，是农业生产中重要的肥料资源[1]。随着大型农机具的发展和推广，粉碎还田是玉米秸秆无害化处理利用的最佳途径之一，也是土壤有机质提升工程措施之一，同时还可以减少焚烧秸秆造成的资源浪费和环境污染[2]。大量研究表明，秸秆还田能够显著增加土壤有机质含量[3-8]，提高腐殖质数量、质量从而改良土壤结构[9]，降低耕层土壤容重[10-12]，改善土壤蓄水保肥能力，提高水分利用率[13-15]，是一项重要的生物养地培肥地力的措施。李贵桐等[16]研究发现，秸秆在腐解过程中，能够促进土壤微粒的团聚，有效改善土壤结构及理化性状，持续提高土壤肥力；霍竹等[17]研究表明秸秆还田可一定程度上延缓玉米叶片衰老，促进夏玉米干物质由茎秆向籽粒的转运；沈学善等[18]研究表明，小麦、玉米秸秆连续全量还田可以显著降低夏玉米的根倒率和茎折率，提高籽粒产量；慕平等[10]研究表明，随玉米全量秸秆还田年限增加，耕层土壤有机质、全氮、全磷大幅增加，而有效磷变化幅度较小，根系衰退延迟，利于后期作物对养分的吸收和产量的形成。玉米秸秆粉碎还田增加了土壤碳源，提高了土壤C/N比，打破了土壤原有养分平衡，影响土壤微生物活动。因此，氮肥的协调施用是秸秆还田模式下的核心问题。目前，在黄淮海小麦-玉米轮作区，在小麦秸秆覆盖还田、玉米秸秆粉碎还田模式下定位研究氮肥协调运筹对夏玉米发育、产量建成、土壤养分的报道较少。本研究团队从2009年设置了大田定位试验，以传统玉米秸秆不还田模式为对照，研究长期玉米秸秆还田模式下，不同氮肥用量对玉米、小麦生长发育、产量建成、土壤养分的影响。本研究分析了定位6年后2015年夏玉米试验结果，可为黄淮海小麦-玉米轮作区夏玉米生产提供参考。

1 材料与方法

1.1供试材料

试验地位于青岛市农业科学研究院作物试验场，从2009年冬小麦开始定位研究，基础土壤有机质含量为16.9 g/kg，碱解氮为88.6 mg/kg，速效磷为62.9 mg/kg，速效钾为50.0 mg/kg。供试氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)。玉米品种为郑单958。

1.2试验设计

试验以玉米秸秆还田(straw returning，简写为SR)、玉米秸秆不还田(no straw returning，简写为NSR)为主因素，氮肥用量为辅因素进行裂区设计。氮肥用量设0、90、180、270、360 kg/hm2(即无氮、低氮、中氮、高氮、超高氮) 5个水平，重复4次。冬小麦、夏玉米连作，每季施肥量相同。氮肥基追比均为1∶1。P2O5用量为75 kg/hm2，K2O用量为150 kg/hm2，均作基肥施用。小区宽3.6 m×8 m=28.8 m2，行距0.6 m，种植密度为67 500株/hm2。

1.3测定项目及方法

地上干物质动态调查：分别于玉米小喇叭口期、大喇叭口期、成熟期取样5株，称鲜重，105℃杀青30 min，90℃烘干至恒质量。

植株性状和产量性状调查：于蜡熟期，每小区连续选择代表性植株10株测定株高、穗位高、茎粗、穗位叶长和宽，计算穗位叶面积(长×宽×0.75)。收获前调查穗长、秃尖、穗行数、行粒数。收获风干后，测定子粒含水量，换算为含水量14%的标准产量。取样调查百粒重，并使用Foss谷物品质测定仪测定子粒粗蛋白和淀粉含量。

土壤性状的调查：试验结束后，每小区选5点取0～20 cm土壤，测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、有效钾含量和pH值。

1.4数据分析方法

使用DPS 6.55软件进行数据统计分析，使用Microsoft Excel 2007进行数据计算和作图。

2 结果与分析

2.1不同处理植株性状的比较

从表1可以看出，随施氮量增加，玉米株高先增后降，秸秆还田处理在N270、N360水平下降但不明显；秸秆不还田处理N270、N360水平下降显著，比N180分别降低16.2、18.4 cm。同一施氮水平，秸秆还田处理的株高均高于不还田处理。

施氮量对秸秆还田处理的穗位高影响较小，不同施氮水平间的穗位高差异不显著。秸秆不还田条件下，中、低施氮水平间的穗位高无差异，在N270、N360水平显著降低。在N270、N360水平下，秸秆还田处理的穗位分别高于不还田处理10.4、12.4 cm。

秸秆还田处理的茎粗随施氮量增加而增大，以N270水平最粗；秸秆不还田处理的茎粗以N90水平最粗，之后随施氮量增加逐渐降低。

表1 不同处理植株性状的比较 (cm)

注：表中同列数据后不同大、小写字母分别表示在0.01、0.05水平上差异显著。下表同。

由表2可以看出，施氮量增加时，秸秆还田处理的穗位叶长和叶面积逐渐增加，而秸秆不还田处理呈先增后减的趋势。在N0、N90水平秸秆不还田处理的穗位叶长和叶面积高于秸秆还田处理，N180水平时两处理基本相同。N270、N360水平秸秆不还田处理的穗位叶长、叶面积明显降低，其中穗位叶长比秸秆还田处理低10.0、10.9 cm，叶面积低73.6、77.3 cm2。

表2 不同处理穗位叶的比较

2.2不同处理对玉米干物质积累动态的影响

从图1 可以看出，在不同时期，不同处理地上部分的鲜重变化趋势不一致。秸秆还田处理在小口期鲜重随施氮量增加呈先增后减趋势，而秸秆不还田处理呈递增趋势；大口期地上鲜重均随施氮量增加而增加，无氮处理显著低于施氮处理；收获期地上鲜重随施氮量增加均呈先增后减的趋势。与大口期相比，收获期高氮、超高氮水平的鲜重下降显著，秸秆不还田处理无氮水平的鲜重增加显著。在同一施氮水平，小口期、大口期秸秆还田处理的鲜重均高于不还田处理，小口期的差距大于大口期。

从图2 可以看出，玉米地上部分干物质积累量变化趋势与鲜重相似。施氮量对秸秆还田处理小口期干重影响较小，而秸秆不还田处理随施氮量增加而明显增加；大口期地上干重随施氮量增加而增加，无氮处理显著低于施氮处理；收获期地上干物质量随施氮量增加呈先增后减趋势，以N90、N180水平干重最高。在同一施氮水平，秸秆还田处理的干重在小口期、大口期高于不还田处理，收获期仅有N180水平高于不还田处理。

图1 不同时期各处理地上部鲜重比较

图2 不同时期各处理地上部干物质积累比较

2.3不同处理穗部性状的比较

由表3看出，玉米穗长随施氮量增加而先增后减，秸秆还田处理以N180水平最长，秸秆不还田处理以N90水平最长。除无氮、低氮水平外，秸秆还田处理的穗长均大于秸秆不还田处理。不同处理的穗粒数差异不显著。子粒千粒重随施氮量增加呈先增后减趋势，秸秆还田处理以N180水平最高，秸秆不还田处理则以N90水平最高，二者均以N0水平最低。

2.4不同处理玉米子粒产量、品质的比较

从表4可以看出，玉米子粒产量随施氮量增加呈先增后降趋势，高氮、超高氮水平出现产量降低，且秸秆不还田处理降低幅度大。同一施氮水平，秸秆还田处理的子粒产量均高于秸秆不还田处理，增幅2.1%～10.3%，N180水平增幅为5.2%。

表3 不同处理穗部性状的比较

表4不同处理玉米子粒产量和品质的比较

处理产量(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

子粒粗蛋白含量随施氮量增加显著增加，秸秆还田处理N360水平比N0水平增加1.21个百分点，比N90水平增加0.63个百分点。同一施氮水平下，秸秆不还田处理的子粒粗蛋白比秸秆还田处理增加0.16～0.29个百分点。子粒淀粉含量随施氮量增加而降低，N360水平比N0水平降低1.03～0.56个百分点，同一施氮水平下，秸秆还田处理高于秸秆不还田处理0.11～0.75个百分点。

2.5试验后土壤养分含量的比较

经过6年的定位试验，土壤主要养分情况发生了显著变化。从表5可以看出，土壤有机质含量随施氮量增加呈先增后减趋势，秸秆还田模式下以N180水平最高，秸秆不还田模式下以N270水平最高。同一施氮水平，秸秆还田处理比不还田处理高0.12～0.29个百分点。秸秆还田处理平均每年增加0.04～0.08个百分点，比秸秆不还田处理平均每年多增加0.02～0.05个百分点。由此表明，秸秆还田可以有效增加土壤有机质含量，改善土壤结构。

随施氮量增加，土壤碱解氮含量显著增加，且秸秆不还田模式土壤碱解氮的增加速度快。在N180水平及以上，秸秆不还田处理均高于秸秆还田处理，在N180、N270水平达到了“丰富”级别， N360水平超过了150 mg/kg，达到了“极丰富”级别。

土壤速效磷含量基本随施氮量的增加而增加。同一施氮水平，秸秆不还田处理的速效磷均略高于秸秆还田处理。

随施氮量的增加，土壤速效钾含量呈显著增加趋势，同一施氮水平，秸秆还田处理的土壤速效钾含量均高于秸秆不还田处理，差值达到20.1～35.3 mg/kg。秸秆还田处理N180水平以上的土壤速效钾含量超过了100 mg/kg，达到“中等”级别，秸秆不还田处理在N360水平才达到“中等”级别。

表5 不同处理土壤养分状况的比较

3 讨论与结论

3.1玉米秸秆还田提高土壤有机质和改善养分结构

玉米秸秆长期还田后，明显增加了土壤有机质含量[3-8]，在中量氮肥供应下，平均每年比秸秆不还田增加0.048个百分点，比试验前平均每年增加0.068个百分点，与马永良等[7]研究的玉米秸秆还田比不还田每年增加0.057个百分点，比试验前每年增加0.10个百分点的结果基本一致。同一施氮水平，秸秆还田处理0～20 cm土层速效钾比秸秆不还田处理高20.1～35.3 mg/kg，但速效磷变化较小，这与慕平等[10]研究的结论一致。耕层土壤速效磷含量主要与化肥施用量有关，土壤速效钾含量与秸秆直接还田有关[6]。随着施氮量的增加，秸秆还田处理的碱解氮含量增加速度慢于秸秆不还田模式。玉米秸秆还田后，土壤有机质增多，氮肥利用率能够提高26%左右[19]，提高了子粒产量，减少了土壤中氮素留存量；而秸秆不还田时，玉米子粒产量低，带走的氮量少，土壤中氮留存量高，经年积累就造成了土壤氮素富集、盈余，高氮供应时，会较早出现盐害，抑制玉米生长发育。

3.2玉米秸秆还田能够明显促进玉米生长发育

与秸秆不还田相比，秸秆还田处理的株高、茎粗、穗位叶宽、穗长和子粒产量、淀粉含量增加，子粒蛋白质含量降低，这与慕平等[10]研究的株高、穗位高随秸秆还田年限增加而增加的结论一致。在高氮、超高氮供应水平下，秸秆还田处理的株高、穗位高、茎粗、穗位叶长和叶面积、穗长、子粒千粒重和产量降低幅度小；秸秆还田处理小口期、大口期的地上部干重明显高于秸秆不还田处理，后期促进养分向子粒转化，这与慕平等[10]研究结论相同。从田间表现来看，高氮、超高氮水平出现了不同程度的盐害症状，秸秆不还田处理比秸秆还田处理严重，土壤板结硬实，玉米叶片颜色深，生长缓慢，茎秆韧性降低。

3.3玉米秸秆长期还田模式下玉米最高产量的施氮量

在本试验条件下，玉米秸秆还田后能够明显提高玉米子粒产量，增幅达到2.1%～10.3%，与前人研究结果基本一致[8,10,12,14,17]。在小麦-玉米轮作区，长期玉米秸秆还田模式下夏玉米的推荐施氮量为207.3 kg/hm2，比秸秆不还田模式增加施氮量17.4 kg/hm2，子粒产量可以增加398.5 kg/hm2。

[1] 陈中玉,张祖立,白小虎.农作物秸秆的综合开发利用[J].农机化研究,2007(5):194-196.

[2] 赵其国,钱海燕.低碳经济与农业发展思考[J].生态环境学报,2009,18(5):1609-1614.

[3] 叶丽丽,王翠红,彭新华,等.秸秆还田对土壤质量影响研究进展[J].湖南农业科学,2010(19):52-55．

[4] 赵霞,姜军,刘京宝,等.垄作覆盖栽培对玉米生态生理效应研究进展[J].中国农学通报,2008,24(9): 398-402.

[5] 劳秀荣,吴子一,高燕春.长期秸秆还田改土培肥效应的研究[J].农业工程学报,2002,18(2):49-52.

[6] 王小彬,蔡典雄,张镜清,等.旱地玉米秸秆还田对土壤肥力的影响[J].中国农业科学,2000,33(4):54-61．

[7] 马永良,师宏奎,张书奎,等.玉米秸秆整株全量还田土壤理化性状的变化及其对后茬小麦生长的影响[J].中国农业大学学报,2003,8(增):42-46．

[8] 颜丽,宋杨,贺靖,等.玉米秸秆还田时间和还田方式对土壤肥力和作物产量的影响[J].土壤通报,2004，35(2):143-148．

[9] 戴志刚,鲁剑巍,李小坤,等.不同作物还田秸秆的养分释放特征试验[J].农业工程学报,2010,26(6):272-276.

[10] 慕平,张恩和,王汉宁，等.连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状及微生物量的影响[J].水土保持学报,2011,25(5):81-85.

[11] 江永红,宇振荣,马永良.秸秆还田对农田生态系统及作物生长的影响[J].土壤通报,2001,32(5):209-213．

[12] 吴婕,朱钟麟，郑家国，等.秸秆覆盖还田对土壤理化性质及作物产量的影响[J].西南农业学报,2006,19(2):192-195．

[13] 陈素英,张喜英,裴冬,等.秸秆覆盖对夏玉米田棵间蒸发和土壤温度的影响[J].灌溉排水学报,2004,23(4):32-36．

[14] 于舜章，陈雨海，周勋波,等.冬小麦期覆盖秸秆对夏玉米土壤水分动态变化及产量的影响[J].水土保持学报,2004，18(6):175-178．

[15] 陈素英,张喜英,胡春胜,等.秸秆覆盖对夏玉米生长过程及水分利用的影响[J].干旱地区农业研究,2002,20(4):55-66．

[16] 李贵桐,赵紫娟,黄元仿,等.秸秆还田对土壤氮素转化的影响[J].植物营养与肥料学报,2002,8(2):162-167.

[17] 霍竹,王璞,付晋峰.秸秆还田与氮肥施用对夏玉米物质生产的影响研究[J].中国生态农业学报,2006,14(2):95-98.

[18] 沈学善,李金才,屈会娟,等.砂姜黑土区小麦玉米秸秆全量还田对玉米抗倒性能的影响[J].中国农业科学,2011,44(10):2005-2012.

[19] 杨宪龙,路永莉，同延安,等.长期施氮和秸秆还田对小麦-玉米轮作体系土壤氮素平衡的影响[J].植物营养与肥料学报,2013,19(1):65-73.

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

国家重点研发计划课题“小麦-玉米周年水肥资源高效利用与耕作技术研究”(2017YFD031002)；山东省现代农业产业体系建设经费资助项目“山东省现代农业玉米产业体系综合试验站”(SDAIT-01-022-13)；山东省农业科学院院地合作项目(2015YDHZ09)

宋朝玉(1978—)，男，硕士，助理研究员，山东农学会理事，主要从事小麦、玉米高产高效栽培技术研究。E-mail:qingdaocrop@163.com