秸秆还田方式与施氮量对春玉米产量及干物质和氮素积累、转运的影响

隋鹏祥，有德宝，安俊朋，张文可，田 平，梅 楠，王美佳，王 沣，苏思慧，齐 华

（沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110866）

东北春玉米区是我国最大的玉米产区，该区玉米秸秆年产量6849万吨，占全国玉米秸秆总量31%[1]。该区玉米秸秆资源利用方式主要为燃料、饲料和秸秆还田，分别占35. 4%、30. 8%和 19. 8%[2]。玉米秸秆含有丰富的碳和大量的氮、磷、钾等矿质营养元素，秸秆还田后能增加作物产量和土壤含水量，提高土壤有机质和速效养分含量，促进土壤酶和微生物活性[3–6]。

玉米秸秆C/N较高，还田后微生物会与作物竞争土壤中的无机氮，所以秸秆还田需要配施适量的氮肥[7]。赵鹏等[8]在河南冬小麦–夏玉米轮作系统的研究表明，玉米秸秆还田配施纯氮270 kg/hm2能获得最高的冬小麦产量。张哲等[9]在辽西风沙半干旱区的研究表明，全量秸秆还田配施210 kg/hm2氮肥能获得较高的春玉米产量。吕艳杰等[10]在黑土区的研究表明，秸秆还田后配施240 kg/hm2氮肥春玉米产量最高。旱田秸秆还田后，获得高产所配施的氮肥量会受年际间降雨和土壤肥力的影响而存在区域的差异性。

作物花后干物质和氮素的积累及花前营养器官干物质和氮素向籽粒的转运会影响作物的产量和籽粒氮素积累量[11–14]。玉米花前营养器官干物质转运对籽粒干物质贡献率为16%～22%[15]，花前营养器官氮素转运对籽粒氮素累积贡献率为42%～62%[16]。秸秆还田和施氮量会影响花前营养器官干物质和氮素转运对籽粒干物质和氮素累积贡献率，而且受气候特征、土壤类型、栽培品种的作用。

本研究试验设置在东北棕壤区，以研究秸秆还田和施氮量对春玉米生长发育的影响。拟解决的问题：1) 秸秆还田对春玉米产量及干物质和氮素积累、转运的影响；2) 施氮量对春玉米产量及干物质和氮素积累、转运的影响；3) 确定适合该区域的秸秆还田方式及配施氮量。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2016年在辽宁省铁岭市蔡牛镇进行 (42°21′N，123°35′E，海拔 74 m)，供试土壤为棕壤，前茬作物为玉米，耕层 (0—20 cm) 土壤容重1.36 g/cm3，土壤pH 6.36，有机质16.4 g/kg、全氮1.06 g/kg、碱解氮85.6 mg/kg、有效磷19.22 mg/kg、速效钾81.5 mg/kg。在5—9月份，2015年、2016年及20年平均降雨量分别为352 mm、811 mm、543 mm。

1.2 试验设计

供试品种为郑单958，种植密度为67500 株/hm2，5月1日播种，10月1日收获。试验采用裂区设计，设秸秆还田方式和施肥量两个因素。其中秸秆还田方式为主因素 (T)，分为秸秆旋耕还田 (T1) 和秸秆翻耕还田 (T2)。副因素为施氮量 (N)，设5个水平：112.5 kg/hm2(N1)、187.5 kg/hm2(N2)、262.5 kg/hm2(N3)、337.5 kg/hm2(N4) 和 412.5 kg/hm2(N5)。2015年4月和10月分别做春耕和秋耕秸秆还田处理，旋耕还田15 cm，翻耕还田30 cm，秸秆还田后旋耕起垄。秸秆还田量均为6000 kg/hm2。还田的秸秆长度为2—20 cm (收割机打碎后，又经过灭茬机再次处理)。磷、钾肥用量为P2O575 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，1/3氮和全部磷钾肥做基肥，在播种时侧深施 (深度10 cm)。2/3氮在大喇叭口期追施。氮、磷肥分别为尿素 (N 46.4%) 和磷酸二铵 (N 18%，P2O546%)，钾肥为氯化钾 (K2O 60%)。小区行长10 m、行距0.6 m，16行区，小区面积96 m2，3次重复，共30个小区，随机排列。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质和氮素积累量 在玉米的开花期、成熟期各处理分别选取3株具有代表性植株的地上部分，置于样品袋中于105℃烘箱杀青30 min，75℃烘至恒重，冷却至室温后用百分之一天平称量。对采集的地上部植株进行分类，测定开花期 (叶片 + 叶鞘、茎秆) 和成熟期 (叶片 + 叶鞘、茎秆、苞叶 + 穗轴、籽粒) 地上部干物质重。玉米植株烘干称重后，用样品粉碎机磨碎后过0.5 mm筛，称取0.5000 g，用H2SO4–H2O2消煮，用8400全自动凯氏定氮仪测定消煮液中的全氮含量[17]。

1.3.2 产量及其构成因素 在玉米收获期，各小区选取有代表性的10穗玉米果穗，待风干后于室内考种，测定籽粒重、穗粒数、百粒重；用PM-8188-A型谷物水分测定仪测定籽粒水分，并折算为14%含水量的产量。

1.4 计算方法及数据分析

按照Cox等[18–20]的方法，计算开花期营养器官干物质和氮素转运对籽粒干物质和氮素积累贡献率。

开花期干物质或氮素转运量 (g/plant) = 开花期营养器官干物质或氮素积累量 – 成熟期营养器官干物质或氮素积累量

开花期干物质或氮素转运率 (%) = (开花期营养器官干物质或氮素积累量 – 成熟期营养器官干物质或氮素积累量) /开花期营养器官干物质或氮素积累量 × 100

花前营养器官干物质或氮素转运对籽粒干物质或氮素积累贡献率 (%) = (开花期营养器官干物质或氮素积累量 – 成熟期营养器官干物质或氮素积累量)/籽粒干物质或氮素积累量 × 100

花后干物质或氮素积累量 (g/plant) = 成熟期干物质或氮素积累量 – 开花期干物质或氮素积累量

花后干物质或氮素积累对籽粒干物质或氮素积累贡献率 (%) = 100 – 花前积累干物质或氮素转运对籽粒干物质或氮素积累贡献率

干物质或氮收获指数 = 籽粒干物质或氮素积累量/成熟期地上部干物质或氮素积累量

利用Microsoft Excel 2010进行数据整理；SPSS 18.0软件进行方差分析 (ANOVA) 和处理间显著性检验 (Duncan’s) 和配对样本T检；Pearson相关分析；用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和施氮量对春玉米产量、产量构成因素和干物质与氮素积累量的影响

由表1可见，秸秆还田方式间穗粒数、地上部干物质和氮素积累量差异达到显著水平 (P＜ 0.05)，施氮量间各项指标差异均达到了显著水平 (P＜ 0.05)，秸秆还田方式和施氮量互作也显著影响地上部干物质积累量 (P＜ 0.05)。秸秆旋耕较翻耕还田显著降低了穗粒数，而地上部干物质和氮素积累量的趋势则相反 (P＜ 0.05)。N3、N4和N5处理的百粒重、产量、籽粒氮素积累量、地上部干物质和氮素积累量分别较N1、N2处理增加了3.7%～24.2%、5.9%～21.1%、8.0%～69.1%、6.3%～26.1%、6.3%～68.9%(P＜ 0.05)，N4、N5处理较其他施氮量增加了穗数，而穗粒数趋势则相反 (P＜ 0.05)。处理间比较，T1N5处理产量最高，T1N4处理籽粒氮素积累量、地上部干物质和氮素积累量最大。

2.2 秸秆还田和施氮量对春玉米干物质积累与分配的影响

秸秆还田方式显著影响玉米成熟期茎秆重和总干物质重，施氮量则显著影响所有指标 (P＜ 0.05)(表2)。秸秆还田方式和施氮量互作显著影响开花期茎秆重、总干物质重和成熟期叶片 + 叶鞘重及总干物质重 (P＜ 0.05)。在玉米成熟期，秸秆旋耕还田较翻耕还田茎秆重和总干物质重显著增加 (P＜ 0.05)。在玉米开花期，N3处理较其他施氮量处理的叶片 +叶鞘重、茎秆重和总干物质重也显著增加 (P＜ 0.05)。玉米成熟期，N3、N4和N5处理叶片 + 叶鞘重、籽粒重和总干物质重较N1、N2处理分别提高了7.9%～20.5%、3.5%～18.8%、6.1%～21.6%(P＜0.05)。处理间比较，开花期T2N3处理的叶片 + 叶鞘重、茎秆重和总干物质重最大，成熟期T1N4处理的叶片 + 叶鞘重、茎秆重和总干物质重最大，但T1N3处理最终的籽粒重却最高。

2.3 秸秆还田和施氮量对春玉米干物质转运的影响

秸秆还田方式显著影响收获指数、花前干物质转运量和转运率、花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率、花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率，施氮量则显著影响除收获指数外的其他指标(P＜ 0.05)(表3)。秸秆还田方式和施氮量互作显著影响除了花前干物质转运率外的其他指标 (P＜ 0.05)。秸秆旋耕还田较翻耕还田显著降低了收获指数、花前干物质转运量和转运率、花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率，但提高了花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率 (P＜ 0.05)。N3较其他施氮量显著提高了花前干物质转运量和转运率、花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率，而花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率的趋势则相反 (P＜ 0.05)。处理间比较，T2N4处理收获指数最高，T2N3处理花前干物质转运量和转运率、花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率均最大，T1N5处理花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率最高。

表 1 秸秆还田方式和施氮量对2015—2016年玉米产量及产量构成因素和干物质、氮素积累量的影响Table 1 Effects of straw management and nitrogen application on maize yield and its components, dry matter and nitrogen accumulation in 2015 and 2016

2.4 秸秆还田和施氮量对春玉米氮素积累与分配的影响

由表4可以看出，秸秆还田方式显著影响开花期叶片 + 叶鞘氮积累量、总氮积累量和成熟期茎秆氮积累量，施氮量显著影响所有指标 (P＜ 0.05)。秸秆还田方式和施氮量互作显著影响开花期和成熟期叶片 + 叶鞘氮积累量 (P＜ 0.05)。秸秆旋耕还田较翻耕还田显著降低了开花期叶片 + 叶鞘氮积累量、总氮积累量，而成熟期茎秆氮积累量的趋势则相反(P＜ 0.05)。N3、N4和N5处理开花期叶片 + 叶鞘氮积累量、总氮积累量分别较N1、N2处理提高了39.4%～120.3%、24.9%～77.6% (P＜ 0.05)，N3、N4和N5处理成熟期籽粒氮积累量较N1、N2处理增加了9.5%～58.5% (P＜ 0.05)。而且在成熟期，N4、N5处理叶片 + 叶鞘氮积累量和总氮积累量较其他施氮量分别提高了21.2%～82.5%、10.2%～62.9%(P＜ 0.05)。处理间比较，T2N5和T1N4处理分别在开花期和成熟期有最高的叶片 + 叶鞘氮积累量。

表 2 2016年不同秸秆还田方式及施氮量下春玉米干物质积累量 (g/plant)Table 2 Dry matter accumulation as affected by the straw management and nitrogen application in 2016

表 3 不同秸秆还田方式与施氮量下春玉米开花前后营养器官干物质转运及对籽粒干物积累的影响Table 3 Dry matter transfer before and after flowering and their contribution to grain dry matter as affected by straw management and nitrogen application levels

表 4 2016年不同秸秆还田方式与施氮量下春玉米不同器官氮素积累量 (g/plant)Table 4 Nitrogen accumulation as affected by the straw management and nitrogen application in 2016

2.5 秸秆还田和施氮量对春玉米氮素转运的影响

由表5可知，秸秆还田方式显著影响花前氮素转运量和转运率、花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率、花后氮素积累量和花后氮素积累对籽粒氮素积累贡献率 (P＜ 0.05)，施氮量显著影响花前氮素转运量和花后氮素积累量 (P＜ 0.05)。秸秆旋耕较翻耕还田显著降低了花前氮素转运量和转运率、花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率，而花后氮素积累量和花后氮素积累对籽粒氮素积累贡献率的趋势则相反 (P＜ 0.05)。N3、N4和N5处理的花前氮素转运量及花后氮素积累量分别较N1处理提高了70.5%～96.7%、25.6%～48.8% (P＜ 0.05)。处理间比较，T2N3处理花前氮素转运量和转运率、花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率最高，T1N2处理花后氮素积累对籽粒氮素积累贡献率最大。

3 讨论与结论

本研究表明，秸秆旋耕还田较翻耕还田增加了春玉米地上部干物质和氮素积累量。究其原因，旋耕还田的秸秆在土壤中分布更均匀，有利于秸秆腐解，促进了土壤微生物活性，加强了土壤矿化，从而提高了土壤的供氮能力，有利于作物对土壤氮素的吸收[5–6,21]；旋耕未打破犁底层，秸秆在土壤中均匀分布及犁底层的存在，降低了追施氮肥的淋溶损失，改善了玉米生育后期对土壤氮素的需求，促进了植株干物质和氮素的积累[22]。

研究结果显示，秸秆旋耕与翻耕还田的产量和籽粒氮素积累量并无显著差异，但秸秆旋耕还田显著提高了花后氮素积累量和花后干物质和氮素积累对籽粒干物质和氮素积累贡献率，然而保留在茎秆中的干物质和氮素积累量却较高，导致收获指数较低；而秸秆翻耕还田显著增加了花前干物质和氮素转运量和转运率，花前干物质和氮素转运对籽粒干物质和氮素积累贡献率分别达到了12.4%、44.1%。秸秆旋耕还田显著降低了开花期叶片 + 叶鞘氮素积累量、总氮积累量，可能是因为秸秆腐解促使微生物与作物竞争土壤中的无机氮所致，但是秸秆腐解释放的氮素改善了玉米生育后期对氮素的需求[5,23–24]。衰老的特征之一就是氮代谢从同化向分配转化[16]，本研究中秸秆旋耕还田较秸秆翻耕还田能防止早衰，提高了玉米生育后期植株干物质和氮素积累量。

表 5 不同秸秆还田方式与施氮量下春玉米开花前后营养器官氮素转运及其对籽粒氮素积累的贡献Table 5 Nitrogen transfer before and after flowering stage and their contribution to grain N as affected by straw management and nitrogen application

本研究结果发现，随着施氮量的增加，春玉米产量和籽粒氮素积累量、地上部干物质和氮素积累量呈逐渐提高的趋势。然而施氮量超过262.5 kg/hm2后，产量和籽粒氮素积累量增加不显著。施氮量262.5～412.5 kg/hm2的产量、籽粒氮素积累量、地上部干物质和氮素积累量较施氮量112.5～187.5 kg/hm2分别增加了5.9%～21.1%、8.0%～69.1%、6.3%～26.1%、6.3%～68.9%。吕鹏等[14]和张姗等[25]研究表明，夏玉米和冬小麦产量、籽粒氮素积累量、地上部干物质和氮素积累量均随施氮量增加而显著增加。本研究表明，在雨水充沛年份，当施氮量为112.5～187.5 kg/hm2时，地上部氮素积累量为164～223 kg/hm2，而施氮量为262.5～412.5 kg/hm2时，地上部氮积累量为237～277 kg/hm2。过量施用氮肥会使大量盈余的氮素通过氨挥发、N2O排放或淋溶而损失，导致资源严重浪费和环境污染。Cui等[26]研究表明，施肥量超过300 kg/hm2显著提高夏玉米田土壤硝态氮含量。在本研究的氮肥梯度中，穗数随着施氮量表现为先降低后增加的趋势，穗粒数表现为逐渐降低的趋势，而百粒重表现为逐渐增加的趋势，可见过量施肥是通过增加穗数和百粒重来增加产量。

在本研究中，施氮量为262.5 kg/hm2时玉米花前干物质和氮素转运量和转运率最高，花前干物质和氮素转运对籽粒干物质和氮素积累贡献率分别达到了16.7%、45.2%。吕鹏等[14]研究表明，过量施氮肥使营养体氮代谢过旺，导致运往籽粒的氮素减少。春亮等[27]研究发现，在开花期氮素吸收能力强，有利于减缓叶片等光合器官中氮素的输出，从而维持其较长的光合活性，促进子粒的结实。在本研究中，高氮肥较低氮肥处理在开花期和成熟期显著增加了叶片 + 叶鞘的干物质重和氮素积累量，通过保持植株生育后期较高的干物质合成能力来增加百粒重，进而提高了产量。综合考虑所测试的指标可以得出，短期秸秆旋耕还田和翻耕还田春玉米产量和籽粒氮素积累量差异不显著，然而秸秆旋耕还田作业成本较低。当施氮量为262.5 kg/hm2时能收获较高的产量和籽粒氮素积累量，是春玉米秸秆全量还田初期较适宜的配施氮量。

参 考 文 献：

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