秸秆还田配施氮肥对东北春玉米光合性能和产量的影响

白 伟 张立祯 逄焕成 孙占祥 牛世伟 蔡 倩 安景文,*



秸秆还田配施氮肥对东北春玉米光合性能和产量的影响

白 伟1张立祯2逄焕成3孙占祥1牛世伟4蔡 倩1安景文4,*

1辽宁省农业科学院耕作栽培研究所, 辽宁沈阳110161;2中国农业大学资源与环境学院农业气象系, 北京100193;3中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京100081;4辽宁省农业科学院植物营养与环境研究所, 辽宁沈阳110161

秸秆还田配施氮肥是解决旱作农田“耕层变浅”、“土壤紧实”、“有效耕层土壤减少”问题的重要措施之一, 在旱作农业生产中具有重要意义。为探明秸秆深翻还田配施氮肥对东北春玉米光合性能和产量的影响, 本研究于2014—2015年在辽宁铁岭设置S0F0 (秸秆0 kg hm–2+纯NPK 0 kg hm–2)、SN0 (秸秆9000 kg hm–2+纯N 0 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2)、SN1 (秸秆9000 kg hm–2+纯N 112.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2)、S0N2 (秸秆0 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2, 当地传统种植方式, CK)、SN2 (秸秆9000 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2)、SN3 (秸秆9000 kg hm–2+纯N 337.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2) 6个处理开展了研究。结果表明, 秸秆还田配施氮肥对春玉米籽粒产量和生物产量影响显著, 秸秆还田9000 kg hm–2和配施氮肥225 kg hm–2处理的籽粒产量最高, 比秸秆不还田和施氮量225 kg hm–2处理(CK) 2年平均增产6.33%, 增产的主要原因是百粒重和行粒数的显著提高和秃尖的显著降低; 玉米籽粒产量并未随着施氮量的增加而持续增加; 相同施氮量条件下, 秸秆还田比秸秆不还田2年平均群体生物产量增加2.95%。秸秆还田配施氮肥能够增加春玉米株高、茎粗、叶面积, 提高叶绿素含量和光合作用, 相同施氮量条件下, 秸秆还田比秸秆不还田处理2年平均灌浆期叶面积增加2.71%, 光合速率提高4.80%。综合分析认为, 秸秆还田9000 kg hm–2和配施氮肥225 kg hm–2是辽北棕壤区春玉米生产比较理想的还田和施肥模式, 在该区域农业发展中具有一定的应用价值。

秸秆还田; 施氮量; 春玉米; 产量; 光合性能

玉米是我国第一粮食作物, 东北地区地处世界玉米生产的黄金带, 是我国玉米主产区[1]。辽宁省是我国13个粮食主产区之一, 每年种植玉米面积200万公顷以上, 其中辽西北地区占辽宁省的2/3以上, 对区域粮食安全具有重要意义[2]。我国实施家庭联产承包责任制以来, 由于土地零散, 多以小型农机具作业为主, 深翻、深松等大型农机作业面积越来越少, 直接造成了土壤耕层变浅, 犁底层加厚并上移, 耕层有效土壤数量减少, 土壤理化性状趋于恶化, 土壤缓冲能力下降, 玉米生产受到严重影响[3], 东北地区表现尤为明显[4-6]。耕层结构不合理和地力持续下降是制约旱地玉米产量提高的2个主要限制因子, 我国每年生产玉米秸秆约4亿吨左右, 秸秆中含有的氮、磷、钾等养分相当于全国目前化肥用量的1/3, 是一种非常重要的生物肥力资源[7-8]。秸秆还田配施氮肥是改善耕层性状的重要措施之一, 已经得到越来越多学者的认同, 也逐渐成为国内外研究的热点[9-12]。

秸秆还田能够改善土壤物理性状, 增加土壤团聚体, 降低土壤容重[13]; 能够增加土壤有机质, 提高地力, 减少氮素流失, 固定外源钾, 碳氮平衡, 增加土壤微生物量[14-15]; 能够增加土壤扩蓄增容能力, 降低水分蒸发速度, 提高降水利用效率和水分利用效率[16-20]; 能够促进作物生长、提高叶绿素含量、增加干物质、延长叶片功能、促进光合产物向籽粒转移等[21], 增加作物产量的同时改善作物品质[22-23]。但秸秆还田效应周期长, 全量还田影响出苗率, 还田方式不明确, 相关研究还较少。本研究在确定深翻还田是区域最佳还田耕作方式的基础上, 设置秸秆还田和施氮量两个因素, 探讨秸秆还田配施氮肥对春玉米光合性能和产量的影响, 旨在为辽西北地区春玉米生产确定适宜的秸秆还田方式和氮肥配施量, 提高土壤持续生产能力, 实现玉米高产和稳产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 区域概况

铁岭市位于辽宁省北部, 松辽平原中段, 地处北纬41°59′~43°29′, 东经123°27′~125°06′之间, 属中温带亚湿润季风大陆性气候, 日照充足, 四季分明, 雨热同季。全年日照为2700 h左右, 年平均降雨量为500~700 mm, 降雨量年际变化较大, 年内分配不均, 大部分集中在6月至9月份, 而春秋两季降水偏少。年蒸发量为1600 mm, 年平均气温6.3°C, 最低气温-31°C, 最高气温34.4°C, 无霜期150 d。该区域以春玉米种植为主, 平均耕层厚度14.56 cm, 犁底层厚度9.89 cm, 0~40 cm土壤容重1.38 g cm–3, 耕层有效土壤量1.97×106kg hm–2, 耕层浅、土壤容重大, 有效耕层土壤量少、地力持续下降一直是春玉米产量提高的重要限制因子[6]。

1.2 试验地点

辽宁省铁岭市铁岭县蔡牛镇张庄(辽北典型棕壤类型区), 2014年生育期内降雨量为498.40 mm, 平均温度为19.13°C; 2015年生育期内降雨量为583.50 mm, 平均温度为19.27°C, 逐日降雨量和平均温度如图1所示。试验土壤为棕壤, 耕层土壤含有机质14.9 g kg–1、全氮1.32 g kg–1、全磷0.61 g kg–1、全钾12.4 g kg–1、碱解氮85.0 mg kg–1、有效磷27.4 mg kg–1、速效钾113.2 mg kg–1、pH 6.3, 试验区地势平坦, 无灌溉条件。当地耕作制度以一季春玉米为主实行连年浅旋耕。

1.3 试验设计

采用随机区组设计, 共设6个处理, S0F0、SN0、SN1、S0N2、SN2和SN3。S0F0为秸秆0 kg hm–2+纯NPK 0 kg hm–2; SN0为秸秆9000 kg hm–2+纯N 0 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2, 纯K 90 kg hm–2; SN1为秸秆9000 kg hm–2+纯N 112.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2, 纯K 90 kg hm–2; S0N2为秸秆0 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2; SN2为秸秆9000 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2; SN3为秸秆9000 kg hm–2+纯N 337.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2, 其中氮肥为尿素(含氮46.3%), 磷肥为过磷酸钙(含P2O512%), 钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)。每个处理3次重复, 18个小区, 每个小区长10 m, 宽6 m (10垄, 垄距0.6 m), 小区面积60 m2, 试验区面积1080 m2。于2014年4月28日播种、9月25日收获, 2015年4月29日播种、9月30日收获; 供试品种为郑单958, 种植密度为60 000株 hm–2, 种植行距60 cm, 株距27 cm。采用玉米收割机收获, 同时将秸秆打碎覆盖于地表, 用翻转犁深翻(深度25~30 cm)还田, 播种时一次性施入肥料, 其他管理正常。

图1 试验地点2014–2015年生育期内降雨量和平均温度

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤理化性质测定 2014年播种前采用常规方法测定土壤基本理化性状[24]。

1.4.2 籽粒产量及其构成因素 收获玉米后, 随机取每个处理3个具有代表性的10 m2样区测产, 调查成穗数, 用水分仪测定水分, 按14%含水量折合成公顷籽粒产量。从每个样区取15株, 按常规方法测定穗行数、行粒数、秃尖、百粒重等产量构成因素。

1.4.3 群体生物产量 苗期(2014年5月25日、2015年5月30日)、拔节期(2014年6月26日、2015年6月28日)、吐丝期(2014年7月30日、2015年7月29日)、灌浆期(2014年9月2日、2015年9月1日)和收获期(2014年9月25日、2015年9月30日), 选择生长发育一致、叶片无病斑和破损的植株地上部, 烘箱105°C杀青60 min, 85°C烘至恒重称干重, 重复5次, 用单株干物质乘以密度折算成群体生物产量。

1.4.4 植株性状 包括玉米株高、茎粗和叶面积。从各处理选取10株代表性植株挂牌标记, 在苗期、拔节期和收获期用米尺测定株高; 用游标卡尺测定第2节间(基部扁面)茎粗; 叶面积(LA)=L(叶片最大长度)×A(最大宽度)×0.75。

1.4.5 叶绿素 在苗期、拔节期、吐丝期和灌浆期使用SPAD-502叶绿素计(日本美能达公司制造)测定穗位叶叶基、叶中、叶尖的叶绿素含量, 取10株平均值作为该叶片的SPAD值。

1.4.6 光合作用 灌浆期选择晴朗无云的天气采用LI-6400便携式光合作用系统[美国拉哥公司(LI-COR)生产]在田间直接测定光合特性(净光合速率n、气孔导度Gond、细胞间隙CO2浓度i、蒸腾速率r), 测定时光强为1200 μmol m–2s–1, 温度为32°C, 选每个处理有生长代表性的植株5株, 测定倒三叶(平时完全暴露在外面), 每个叶片测量3次, 取平均值。

1.5 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel整理分析试验数据并作图, 用SPSS 17.0软件作相关的统计分析, 采用Duncan’s法多重比较, 显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施氮肥对春玉米产量及构成因素的影响

由表1可知, 秸秆还田配施氮肥对春玉米籽粒产量影响显著(<0.05), 2014年S0F0、SN0与S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2> S0N2>SN0>S0F0, SN2比S0N2和S0F0增加11.56%、74.58%, SN0比S0F0增加10.87%; 2015年表现略有不同, S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN2>S0N2>SN3>SN1>SN0> S0F0, SN2比S0N2、S0F0增加1.10%、35.29%, SN0比S0F0增加1.47%。说明秸秆还田条件下, 随着施氮量的增加籽粒产量持续增加, 但增加到一定程度后不再增加; 在相同施氮量条件下, 秸秆还田比秸秆不还田2年平均增产6.33%。

表1 不同处理对春玉米产量及构成因素的影响

S0F0: 秸秆0 kg hm–2+纯NPK 0 kg hm–2; SN0: 秸秆9000 kg hm–2+纯N 0 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2, 纯K 90 kg hm–2; SN1: 秸秆9000 kg hm–2+纯N 112.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2, 纯K 90 kg hm–2; S0N2: 秸秆0 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2; SN2: 秸秆9000 kg hm–2+纯N 225 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2; SN3: 秸秆9000 kg hm–2+纯N 337.5 kg hm–2+纯P 112.5 kg hm–2+纯K 90 kg hm–2, 数据为平均值±标准误, 标以不同字母的值在5%水平上差异显著。

S0F0: 0 kg hm–2of straw plus 0 kg hm–2of pure NPK; SN0: 9000 kg hm–2of straw plus 0 kg hm–2of pure N plus 112.5 kg hm–2of pure P, and 90 kg hm–2of pure K; SN1: 9000 kg hm–2of straw plus 112.5 kg hm–2of pure N plus 112.5 kg hm–2of pure P, and 90 kg hm–2of pure K; S0N2: 0 kg hm–2of straw plus 225 kg hm–2of pure N plus 112.5 kg hm–2of pure P plus 90 kg hm–2of pure K; SN2: 9000 kg hm–2of straw plus 225 kg hm–2of pure N plus 112.5 kg hm–2of pure P plus 90 kg hm–2of pure K; SN3: 9000 kg hm–2of straw plus 337.5 kg hm–2of pure N plus 112.5 kg hm–2of pure P plus 90 kg hm–2of pure K. Data are mean± SE; values followed by a different letter within a column for treatments are significantly different at≤ 5%.

在产量构成因素方面, 秸秆还田配施氮肥的影响显著(<0.05), 2014年成穗数和穗行数差异不显著(>0.05), S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3的行粒数差异显著(<0.05), S0F0、SN0与S0N2、SN2、SN3的秃尖长差异显著(<0.05), SN2、SN3与S0F0、SN0、SN1的百粒重差异显著(<0.05); 2015年表现略有不同, SN0与其他处理的成穗数差异显著(<0.05), SN0与S0N2的穗行数差异显著(<0.05), SN2与S0F0、SN0的行粒数差异显著(<0.05), 秃尖长和百粒重差异不显著(>0.05)。相关分析表明, 产量与行粒数和百粒重呈极显著正相关(=0.874**、=0.767**), 与成穗数和穗行数不相关(=0.488、=0.540), 与秃尖长呈极显著负相关(=-0.783**)。由此表明, 秸秆还田配施氮肥增产的主要原因是百粒重和行粒数的显著提高和秃尖的显著降低。

2.2 秸秆还田配施氮肥对春玉米群体生物产量的影响

从图2可以看出, 秸秆还田配施氮肥对春玉米群体生物产量影响的两年趋势基本一致, 均为先快后慢的增长趋势。2014年5月25日, 玉米苗期各处理差异不显著(>0.05), 但到了拔节后期(6月26日) S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 这种差异一直持续到收获期, 表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0>S0F0, 收获期春玉米群体生物产量SN3分别比SN2、S0N2、SN1、SN0和S0F0增加3.98%、7.18%、15.48%、26.51%和28.22%。2015年收获期也表现为SN3>SN2>S0N2> SN1>SN0>S0F0, SN3分别比SN2、S0N2、SN1、SN0和S0F0增加2.62%、6.55%、31.79%、47.29%和48.88%, 相同施氮水平下, 春玉米群体生物产量秸秆还田比秸秆不还田2年平均增加2.95%。由此可见, 秸秆还田条件下, 随着施氮量的增加群体生物产量持续增加, 一定范围内群体生物产量越高则籽粒产量也越高。

图2 不同处理对春玉米群体生物产量的影响

处理缩写同表1。Abbreviations for the treatments are as described in Table 1.

2.3 秸秆还田配施氮肥对春玉米植株性状的影响

2.3.1 对春玉米株高的影响 从图3可以看出, 秸秆还田配施氮肥对春玉米苗期、拔节期和收获期株高影响显著(<0.05), 2014年苗期各处理差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0> S0F0, SN3比SN0和S0F0分别增加35.65%和46.06%; 拔节期SN1与S0F0、SN0、S0N2、SN2差异显著(<0.05), 表现为SN1>S0N2>SN2>SN0> S0F0, SN1比SN0和S0F0分别增加30.50%和23.95%; 收获期S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>S0N2> SN1>S0F0>SN0, SN3比S0F0和SN0分别高13.25%和17.56%。2015年苗期和收获期与2014年表现一致, 拔节期略有不同, S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2> S0N2>SN1>SN0>S0F0。由此表明, 秸秆还田配施一定数量的氮肥能够增加春玉米的株高, 但并未随着施氮量的增加而持续增加。

图3 不同处理对春玉米株高的影响

处理缩写同表1。Abbreviations for the treatments are as described in Table 1.

2.3.2 对春玉米茎粗的影响 从图4可以看出, 秸秆还田配施氮肥对春玉米苗期、拔节期和收获期茎粗影响显著(<0.05), 2014年苗期SN3与SN1、S0F0、SN0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN1> S0F0>SN0, SN3比SN0和S0F0分别增加27.77%和26.45%; 拔节期S0F0、SN0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN2>SN3>S0N2> SN1>S0F0>SN0, SN2比SN0和S0F0分别增加25.08%和20.07%; 收获期SN3、SN2与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 其中SN3最大, 分别比SN0、S0F0增加31.36%和33.89%。2015年苗期和拔节期与2014年表现略有不同, 苗期SN3与S0N2、SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3> S0N2>SN1>SN0>S0F0, SN3比SN0和S0F0分别增加27.23%和46.48%; 拔节期SN3、SN2与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>SN1> SN0>S0F0, SN3比SN0和S0F0分别增加27.76%和34.31%; 收获期与2014年表现一致。由此表明, 秸秆还田配施一定数量的氮肥能够增加春玉米的茎粗, 也并未随着施氮量的增加而持续增加。

图4 不同处理对春玉米茎粗的影响

处理缩写同表1。Abbreviations for the treatments are as described in Table 1.

2.3.3 对春玉米叶面积的影响 从图5可以看出, 秸秆还田配施氮肥2年单株叶面积在全生育期变化基本一致, 呈现先快速增大后缓慢变小的趋势。2014年苗期SN3、SN2与S0N2、SN1、S0F0、SN0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>S0N2>SN1> SN0>S0F0; 拔节期和吐丝期表现一致, S0F0、SN0与其他处理差异显著(<0.05), 这种差异一直保持到乳熟期, SN3比S0F0、SN0分别增加52.64%和62.13%。2015年苗期SN1与S0F0、SN0差异不显著(>0.05), 与SN3、SN2和S0N2差异显著(<0.05); 拔节期和吐丝期表现一致, SN1与其他处理差异均显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0 >S0F0; 灌浆期和乳熟期表现一致, S0F0、SN0与SN3、SN2与S0N2、SN1差异显著, 表现为SN3> SN2>S0N2>SN1>SN0>S0F0, SN3比S0F0、SN0分别增加42.44%和51.03%。相同施肥水平下, 玉米灌浆期叶面积秸秆还田比不还田2年平均增加2.71%。由此表明, 秸秆还田配施氮肥能够增加春玉米单株叶面积, 为促进叶片光合产物向籽粒转移, 提高春玉米籽粒产量奠定了基础。

图5 不同处理对春玉米单株叶面积的影响

处理缩写同表1。Abbreviations for the treatments are as described in Table 1.

2.4 秸秆还田配施氮肥对春玉米光合性能指标的影响

2.4.1 对春玉米叶绿素含量的影响 秸秆还田配施氮肥处理的春玉米穗位叶叶绿素含量2年均随生育期的推进呈单峰曲线变化, 于灌浆期达最大值(图6)。2014年全生育期平均值表现为SN3>S0N2>SN1> SN2> SN0>S0F0, SN3分别比SN0和S0F0增加17.13%和20.41%。2015年表现与2014年略有不同, 全生育期平均值表现为SN3>SN2>S0N2>SN1> SN0>S0F0, SN3分别比SN0和S0F0增加25.93%和29.99%。说明秸秆还田条件下, 随着施氮量的增加春玉米穗位叶叶绿素含量持续增加。

图6 不同处理对春玉米穗位叶叶绿素含量的影响

处理缩写同表1。Abbreviations for the treatments are as described in Table 1.

2.4.2 对春玉米光合特征的影响 玉米产量主要由吐丝期至乳熟期群体叶片光合特性, 特别是中上部叶片光合能力及较高光合能力所持续的时间决定[25]。通过对2014年和2015年两年灌浆期春玉米光合性能的方差分析表明(表2), 秸秆还田配施氮肥对春玉米光合性能影响显著(<0.05)。2014年光合速率, SN0、S0F0与SN1、S0N2、SN2、SN3差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0>S0F0, SN3比SN0和S0F0分别增加59.59%、62.94%, 相同施肥水平下, 秸秆还田比秸秆不还田2年平均增加4.80%。气孔导度, SN3与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN1>SN0>S0F0; 细胞间隙CO2浓度差异不显著(>0.05); 蒸腾速率, SN3与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN1>SN0>S0F0, SN3比SN0、S0F0增加57.14%、78.75%。2015年表现与2014年略有不同, 光合速率, SN3与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3>SN1>SN0>S0F0, SN3比SN0、S0F0增加36.25%和38.21%; 气孔导度, SN3、SN2与SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3> SN2>SN0> S0F0; 细胞间隙CO2浓度, SN3、SN2与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), 表现为SN3> SN2>SN1> SN0>S0F0; 蒸腾速率, SN3与SN1、SN0、S0F0差异显著(<0.05), SN3比SN0、S0F0增加35.71%、52.36%。说明秸秆还田配施一定数量氮肥能够提高春玉米叶片的光合性能, 促进同化产物形成, 但并未随着施氮量的增加而持续增加。

表2 不同处理对春玉米光合作用的影响

数据为平均值±标准误, 标以不同字母的值在5%水平上差异显著。处理缩写同表1。

Data is mean ± SE. Values followed by a different letter within a column for treatments are significantly different at≤ 5%. Treatments are as described in Table 1.

3 讨论

3.1 春玉米产量

秸秆还田配施氮肥通过改善土壤的水、肥、气、热状况, 为作物提供了一个良好的生长环境, 有利于作物生长发育, 增产效果显著[26]。但不同生态类型区秸秆还田增产幅度存在着差异, 周怀平等[27]利用长期定位试验研究发现, 秸秆还田具有明显的增产效果, 增产幅度为11.57%~20.92%; 战秀梅等[28]研究发现, 秸秆连年还田比秸秆不还田春玉米产量提高5.19%~5.89%。白伟等[29]研究发现, 秸秆还田比秸秆不还田增产3.25%, 但产量未随着施氮量的增加而增加。但也有研究表明, 秸秆还田对作物产量有负面影响, 全量秸秆还田与秸秆不还田相比作物产量并没有增加, 主要由于在半干旱区贫瘠的土壤上秸秆还田过多引起土壤微生物与作物的争氮效应[30]。本研究结果表明, 秸秆还田配施氮肥能够增加春玉米产量, 2年平均增产6.33%, 随着施氮量的增加产量也在增加, 但增加到一定程度后不再增加, 增产的主要原因是百粒重和行粒数的显著提高和秃尖的显著降低。与前人研究结果基本一致, 但增产幅度与前人相比较小, 主要是由于秸秆还田时间、方式、周期、施氮数量, 土壤类型、气候条件等因素的不同。

3.2 春玉米生长和光合性能

秸秆还田配施氮肥能够改善作物根系, 促进地上部的生长, 但在不同的气候条件和土壤类型下, 对作物生长发育影响也不同[31-32]。赵亚丽等[33]研究发现, 与常规耕作+无秸秆还田相比, 深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田处理的作物干物质积累量分别提高19.3%和22.9%, 同时能够增加夏玉米叶面积, 增加的机理主要是深松(耕)和秸秆还田可以疏松土壤, 改善渗透性。霍竹等[7]研究发现, 秸秆还田配施氮肥增加了夏玉米叶面积和干物质, 提高了叶片叶绿素含量和光合作用, 收获时秸秆还田不施氮比秸秆不还田不施氮干物质增加3.92%, 增加的主要原因是秸秆保水蓄墒, 增加土壤有机质含量并促进土壤中原有氮素的矿化。但也有研究表明, 秸秆还田配施氮肥对作物生长发育影响并不显著, 徐文强等[34]研究发现, 秸秆还田玉米株高、茎粗与叶面积均小于对照, 主要是由于在玉米生育前期秸秆还田的土壤温度与水分均显著低于对照, 作物生育后期随着秸秆腐解会出现补偿效应。本研究结果表明, 秸秆还田配施一定数量的氮肥能够增加春玉米的株高、茎粗、叶面积和光合性能, 但并未随着施氮量的增加而持续增加; 相同施氮条件下, 秸秆还田比秸秆不还田玉米灌浆期叶面积2年平均增加2.71%、光合速率增加4.80%。与前人研究结果基本一致。

3.3 秸秆还田与施氮量

由于区域生态环境、秸秆还田方式、还田量、还田周期、氮肥配施量不同, 研究者有着不同的结论。秸秆还田方式有多种分类, 我国主要有4种, 即秸秆覆盖还田、秸秆粉碎还田、秸秆堆肥还田和秸秆过腹还田[8]; 由于种植作物、土壤类型、耕作方式及气候条件等因素的差异, 不同学者得出的秸秆还田适宜量也不完全一致[35]; 还田周期要根据当地的农时季节、耕作制度确定, 在秸秆还田的同时, 还要配合施入一定数量的氮肥, 保持土壤合理的碳氮比[36]。高飞等[37]研究认为玉米秸秆粉碎还田9000 kg hm–2是四川宁南半干旱区最佳的还田方式; 蔡红光等[38]研究认为秸秆深翻还田是东北黑土区最佳的还田方式。周怀平等[15]研究认为不同的秸秆还田方式和不同降水年型对玉米产量和经济效益的影响存在明显差异, 在山西寿阳地区秸秆养畜粪肥还田优于秸秆覆盖还田和秸秆粉碎还田。本研究结果表明, 辽西北棕壤区最佳的方式为深翻还田, 还田量为9000 kg hm–2, 配施氮肥量为225 kg hm–2, 与前人研究结果略有不同, 主要由于降雨量、土壤条件等因素的不同。

4 结论

秸秆还田配施氮肥在辽西北地区春玉米生产中具有重要作用。本试验条件下, 秸秆还田9000 kg hm–2和配施氮肥225 kg hm–2玉米籽粒产量最高, 比秸秆不还田和施氮量225 kg hm–2(对照) 2年平均增产6.33%; 秸秆还田配施氮肥能够增加玉米株高、茎粗、叶面积, 提高叶绿素含量和光合作用, 相同施氮量条件下, 秸秆还田比不还田玉米灌浆期叶面积2年平均增加2.71%, 光合速率平均增加4.80%。综合分析认为秸秆还田9000 kg hm–2和配施氮肥225 kg hm–2是辽北棕壤区春玉米生产中比较理想的还田和施肥模式, 在该区域农业发展中具有一定的应用价值。

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Effects of Straw Returning Combined with Nitrogen Fertilizer on Photosynthetic Performance and Yield of Spring Maize in Northeast China

BAI Wei1, ZHANG Li-Zhen2, PANG Huan-Cheng3, SUN Zhan-Xiang1, NIU Shi-Wei4, CAI Qian1, and AN Jing-Wen4,*

1Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China;2Agricultural Meteorology Department, College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;3Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;4Institute of Plant Nutrition and the Environment, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China

Straw returning plus nitrogen fertilizer is one of the important measures to solve the problems of plough role getting shallow and solid with reduced effective soil, having a vital significance in dryland agriculture production. In the present study, a field experiment was conducted at Tieling city of Liaoning province in 2014-2015 with six treatments(0 kg ha–1of straw plus 0 kg ha–1of pure NPK, S0F0; 9000 kg ha–1of straw plus 0 kg ha–1of pure N, 112.5 kg ha–1of pure P, and 90 kg ha–1of pure K, SN0; 9000 kg ha–1of straw, 112.5 kg ha–1of pure N plus 112.5 kg ha–1of pure P, and 90 kg ha–1of pure K, SN1; 0 kg ha–1of straw plus 225 kg ha–1of pure N, 112.5 kg ha–1of pure P, 90 kg ha–1of pure K, S0N2; 9000 kg ha–1of straw plus 225 kg ha–1of pure N, 112.5 kg ha–1of pure P, 90 kg ha–1of pure K, SN2; 9000 kg ha–1of straw plus 337.5 kg ha–1of pure N, 112.5 kg ha–1of pure P, 90 kg ha–1of pure K, SN3). The yield of straw 9000 kg ha–1plus nitrogen 225 kg ha–1treatment was the highest, with an average increase of 6.33% in two years, and compared with no straw returning plus nitrogen 225 kg ha–1treatment which was mainly due to the significant increase of weight of 100-kernel and number of kernels per row and the decrease of bare top length. The yield did not increase with the increase of nitrogen application rates. Under the same nitrogen application rate, the average population biomass of straw returning treatment was increased by 2.95% compared with no straw returning. Straw returning plus nitrogen fertilizer increased the plant height, stem diameter, leaf area, SPAD and photosynthesis of maize, and under the same nitrogen application rate, compared with no straw returning, the leaf area and photosynthetic rate at filling stage were increased on an average of 2.71% and 4.80% in two years, respectively. In conclusion, 9000 kg ha–1of straw returning plus 225 kg ha–1of nitrogen fertilizer is an ideal mode in brown soil area of the northern Liaoning province, which has certain application value in this regional agricultural development.

Straw returning; Nitrogen; Spring maize; Yield; Photosynthesis

10.3724/SP.J.1006.2017.01845

本研究由国家公益性行业(农业)科研项目(201303130), 国家重点研发计划项目(2016YFD0300204)和辽宁省“百千万人才工程”项目(201746)资助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201303130), the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300204), and “Liaoning Bai-Qian-Wan Talent” Program (201746).

安景文, E-mail: jingwenan@126.com

E-mail: libai200008@126.com

2016-11-22; Accepted(接受日期): 2017-09-10; Published online(网络出版日期): 2017-09-28.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170928.1458.014.html