秸秆还田配施氮肥对春玉米水氮利用效率的影响

白 伟，张立祯，逄焕成，牛世伟，蔡 倩，孙占祥，安景文

(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)

东北地区是世界三大玉米黄金带之一，也是我国最大的玉米主产区，在我国粮食生产中具有重要的战略地位[1]。近年来，辽宁省每年玉米种植面积基本在2.0×106hm2以上，是我国重要的粮食生产基地之一，主要分布在铁岭、阜新、朝阳等辽西北地区[2]。东北地区玉米每公顷生产秸秆12 253 kg，产量居全国之首，由于水热资源、出苗率降低等因素的限制，秸秆还田仅占21.7%[3]。近几十年来，土地的分散经营，农民多以小型农机具作业，大型动力深翻、深松等作业面积越来越少，导致东北地区旱作农田耕层变浅，耕层深度仅15.10 cm；土壤容重偏高，平均为1.43 g/cm3；耕层有效土壤量减少，降低幅度27%[4]。东北旱作农田土壤耕层明显存在的“浅、实、少、薄”问题，已成为限制区域稳定产量能力和进一步提高粮食产量的重要障碍因素之一[5-6]。土壤耕作技术是解决旱地耕层问题的有效措施[7-9]，而秸秆还田是构建土壤耕作制度的重要方式，被越来越多的学者所重视[10-11]。秸秆还田能够调节作物生长，增加产量和改善品质[12-15]；能够优化土壤理化性状，提高水分利用效率[16-17]；能够调节碳氮平衡，提高氮素利用效率[18]。目前，辽西北地区耕层障碍问题突出、土壤理化性状恶化、有机质逐年降低、地力衰退是限制区域春玉米产量进一步提高的主要限制因素。如何利用秸秆还田来破解上述问题对于区域农业生产具有重要意义。由于秸秆还田当年效果不明显，全量还田春玉米出苗率低等制约，有关辽北地区秸秆还田配施氮肥对春玉米水氮利用效率影响的研究还较少。

本研究在深翻还田的基础上，设置了秸秆还田配施氮肥6个处理，探讨秸秆还田与施氮量对春玉米水氮利用效率的影响，旨在为区域确定适宜的秸秆还田模式，提高农田生产能力，实现作物的稳产高产提供理论依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 区域概况

辽北地区属中温带亚湿润季风大陆性气候，雨热同季。全年日照为2 700 h左右，年平均气温6.3 ℃，无霜期150 d；年平均降雨量为500～700 mm，主要集中在6-9月。玉米秸秆主要以农村燃料和焚烧为主，还田量低，耕作制度以一季春玉米为主，实行连年浅旋耕。

1.2 试验地点

试验于2014-2015年在辽宁省铁岭市铁岭县蔡牛镇张庄进行，逐日降雨量和平均温度如图1所示。试验土壤为棕壤，耕层土壤机质含量14.91 g/kg，全氮为1.32 g/kg、速效氮为85.0 mg/kg，全磷为0.61 g/kg、速效磷为27.4 mg/kg，全钾为12.4 g/kg、速效钾为113.2 mg/kg，pH值6.3。试验区地势平坦，无灌溉条件。

1.3 试验设计

本试验采用随机区组设计，共设6个处理，分别为S0F0：秸秆0.0 kg/hm2+纯NPK 0.0 kg/hm2；SN0：秸秆9 000 kg/hm2+纯N 0.0 kg/hm2+纯P 112.5 kg/hm2+纯K 90.0 kg/hm2；SN1：秸秆9 000 kg/hm2+纯N 112.5 kg/hm2+纯P 112.5 kg/hm2+纯K 90.0 kg/hm2；S0N2：秸秆0.0 kg/hm2+纯N 225.0 kg/hm2+纯P 112.50 kg/hm2+纯K 90.0 kg/hm2； SN2：秸秆9 000 kg/hm2+纯N 225.0 kg/hm2+纯P 112.5 kg/hm2+纯K 90.0 kg/hm2；SN3：秸秆9 000 kg/hm2+纯N 337.5 kg/hm2+纯P 112.5 kg/hm2+纯K 90.0 kg/hm2。供试品种为郑单958，种植密度为60 000株/hm2。试验区面积1 080 m2，小区面积60 m2，小区长10 m，宽6 m(10垄，垄距0.6 m)，3次重复。各肥料种类为尿素(含氮46.3%)，过磷酸钙(含P2O512%)，硫酸钾(含K2O 50%)。秸秆还田技术流程为收割机收获，同时粉碎秸秆铺于地表，用翻转犁深翻(深度为25～30 cm)还田，型号为1LYF-435，类型为铧式犁，犁体数左右各4，单铧耕幅35 cm，作业宽幅2 m，配套动力75～100马力，肥料在播种时一次性施入，其他管理按当地传统方式进行。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤理化性质测定 在试验开始前按常规方法测定土壤基本理化性质[19]。

1.4.2 产量及其构成因素 随机选取10 m2测产，折合成14%含水量(水分仪测定)的公顷产量，3次重复。按常规方法测定产量构成因素，15次重复。

1.4.3 干物质动态拟合 选择生长发育一致、叶片无病斑和破损的植株，分别在苗期(2014年5月26日、2015年5月29日)、拔节期(2014年6月27日、2015年6月29日)、吐丝期(2014年7月30日、2015年7月28日)、灌浆期(2014年9月3日、2015年9月1日)和收获期(2014年9月26日、2015年9月29日)测定，测定方法为烘箱105 ℃杀青60 min，85 ℃烘至恒重称干质量，5次重复。

干物质动态拟合方程用下面方程[20]计算：

①

式中，Wm为干物质最大积累量(g/m)，te为干物质最大积累量的时间(d)，tm为干物质最大生长速率的时间(d)，Cm为干物质最大生长速率((g/(m·d))，由Wm、te和tm计算得出Cm，计算公式如下：

②

1.4.4 土壤蓄水量 采用土钻取样，烘干法测定[21]，在作物主要生育期每10 cm一个层次，深度为0～100 cm测定土壤含水量，3次重复。

1.4.5 水分利用效率 作物耗水量：ET=R1-ΔW[21]

③

式中，ET为作物耗水量(mm)，R1为作物生育期降水量(mm)。ΔW为收获后和播种前土壤根层储水量的变化(mm)。因为试验小区地势平坦，径流和渗漏可以忽略不计；地下水埋深较大，可以忽略不计。

水分利用利率：WUE=GY/ET[22]

④

式中，WUE为籽粒(经济)产量水分利用效率(kg/(hm2·mm))。

1.4.6 土壤养分指标 土壤样品于2014，2015年收获后秸秆还田前，采取每个小区0～40 cm土层的混样，每10 cm为一层，每个小区随机采取3点，同层次的土壤混成一个土样，装入自封袋，9次重复，具体测定方法如1.4.1。

1.4.7 氮肥农学利用效率 氮肥农学利用效率(NAE)=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量[23]。

1.5 数据分析方法

用Excel作图，用SPSS 17.0做方差分析，采用Duncan法进行多重比较，显著水平为0.05。

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

从表1可以看出，不同处理对春玉米籽粒产量影响不同，2014年S0F0、SN0与S0N2、SN2、SN3差异显著(P<0.05)，大小表现为SN3>SN2>S0N2>SN0>S0F0，SN2比S0N2和S0F0分别增加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(P<0.05)，大小表现为SN2>S0N2>SN3>SN1>SN0>S0F0，SN2比S0N2、S0F0分别增加1.10%，35.29%，SN0比S0F0增加1.47%。说明秸秆还田能够增加一定的春玉米籽粒产量(1.10%～11.56%)。

秸秆还田配施氮肥在产量构成因素方面存在显著差异(P<0.05)，2014年穗行数SN0与SN1、SN2、SN3，S0N2与SN2差异均不显著(P>0.05)；行粒数SN0与SN1、SN2、SN3差异显著(P<0.05)，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；秃尖长SN0与SN2、SN3差异显著(P<0.05)，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；百粒质量SN0与SN2、SN3差异显著(P<0.05)，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)。2015年表现略有不同，穗行数SN0与SN1、SN2、SN3、S0N2与SN2差异均不显著(P>0.05)；行粒数SN0与SN2差异显著(P<0.05)，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；秃尖长和百粒质量差异不显著(P>0.05)。相关分析表明，行粒数和百粒质量与产量呈极显著正相关(r=0.874**、r=0.767**，n=9)。由此表明，秸秆还田配施氮肥是通过改善行粒数和百粒质量来提高作物产量的。

表1 秸秆还田配施氮肥对玉米产量及构成因素的影响Tab.1 Effect of straw returning plus nitrogen fertilizer on maize yield and yield components

注：数据为平均值±标准误。不同小写字母表示处理在5%水平上差异显著。表2-3、图2-3，5同。

Note：Date is mean± SE.Values followed by a different letter within a column for treatments are significantly different atP<0.05.The same as Tab.2-3，Fig.2-3，5.

2.2 秸秆还田配施氮肥对春玉米干物质动态模拟

干物质积累是作物产量形成的重要基础，采用干物质积累动态方程对各处理干物质积累过程进行模拟，所有方程的决定系数(R2)均达到0.996(n=9)以上，说明各方程模拟较好。参数求解后方差分析表明(表2)，2014年干物质最大生长速率(Cm)SN3与S0F0差异显著(P<0.05)，SN0与SN1、SN2、SN3，S0N2与SN2差异均不显著(P>0.05)，且随着施氮量的增加而增加；干物质最大积累量(Wm)SN1、S0N2、SN2、SN3与SN0和S0F0差异显著(P<0.05)，SN3比S0F0高28.43%，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)，也随着施氮量的增加而增大；干物质最大生长速率的时间(tm)S0N2、SN2、SN3与S0F0和SN0差异显著(P<0.05)，SN0比SN2、SN3分别延后13.11，13.83 d，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；干物质最大积累量的时间(te)差异不显著(P>0.05)。2015年与2014年表现略有不同，干物质最大生长速率(Cm)SN1、S0N2、SN2、SN3与S0F0和SN0差异显著(P<0.05)，且随着施氮量的增加而增加；干物质最大积累量(Wm)S0N2、SN2、SN3与SN1、SN0和S0F0差异显著(P<0.05)，也随着施氮量的增加而增大；干物质最大生长速率的时间(tm)SN1、S0N2、SN2、SN3与S0F0和SN0差异显著(P<0.05)；干物质最大积累量的时间(te)差异不显著(P>0.05)。由此表明，秸秆还田配施氮肥干物质最大生长速率(Cm)和干物质最大积累量(Wm)均随着施氮量的增加而增加，但秸秆未还田和不施氮肥处理干物质最大生长速率的时间(tm)却出现了延后，直接导致了干物质积累量的减少，相同施氮条件下，秸秆还田比秸秆不还田干物质最大生长速率的时间(tm)提前1.44 d，说明秸秆还田有利于春玉米干物质积累。

表2 干物质拟合参数方差分析Tab.2 Fitted parameters of the growth of above ground dry matter

2.3 秸秆还田配施氮肥对土壤蓄水量的影响

从图2可以看出，2014-2015年S0F0、SN0、SN1、S0N2、SN2和SN3 0～100 cm土层平均土壤蓄水量分别为254.32，269.26，276.23，277.50，266.62，268.38 mm，SN2低于S0N2。2014年降雨量为498.40 mm，收获期各处理大小表现为S0N2>SN1>SN0>SN2>SN3>S0F0，S0N2比S0F0增加17.89%。2015年降雨量为583.50 mm，与2014年表现不同，各处理土壤蓄水量整体要高于2014年，收获期各处理大小表现为S0N2>SN1>SN0>SN2>SN3>S0F0，S0N2比S0F0增加12.11%。由此表明，秸秆还田配施氮肥并未提高土壤蓄水能力，在相同施氮量条件下，收获期秸秆还田要低于秸秆不还田。

图2 秸秆还田配施氮肥对春玉米蓄水量的影响Fig.2 Effect of straw returning plus nitrogen fertilizer on water storage during periods

2.4 秸秆还田配施氮肥对春玉米水分利用效率的影响

春玉米水分利用效率分析结果表明(图3)，2014年春玉米水分利用效率SN3、SN2与SN0、S0F0差异显著(P<0.05)，大小表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0>S0F0，SN3比SN0和S0F0分别高55.97%和87.77%，S0N2与SN2差异均不显著(P>0.05)。2015年与2014年表现不同，SN3、SN2、S0N2、SN1与SN0、S0F0差异显著(P<0.05)，大小表现为SN2>S0N2>SN1>SN3>SN0>S0F0，SN2分别比SN0和S0F0高40.74%和46.35%；SN3、SN2、S0N2与SN1差异不显著(P>0.05)，SN0与S0F0差异不显著(P>0.05)，2年春玉米水分利用效率的不同主要是由降雨量不同所致。由此表明，秸秆还田配施氮肥能够提高作物水分利用效率，但在相同施氮条件下，秸秆还田比秸秆不还田均有一定程度的提高，但并未达到显著性差异(P>0.05)。

图3 秸秆还田配施氮肥对春玉米水分利用效率的影响Fig.3 Effect of straw returning plus nitrogen fertilizeron spring maize water use efficiency

2.5 秸秆还田配施氮肥对氮肥农学利用率的影响

2.5.1 产量与施氮量关系 施氮量与籽粒产量的关系分析结果表明(图4)，秸秆还田条件下，春玉米籽粒产量(y，kg/hm2)与施氮量(x，kg/hm2)呈二次曲线关系，回归方程为y=-0.049 3x2+27.765x+8 747.1(R2=0.993 5**，n=12)，当施氮量为282 kg/hm2时，获得最高产量为12 659.1 kg/hm2，与实际最高产量相差不大，综合分析认为，秸秆还田条件下，适宜的施氮量为225～282 kg/hm2，施氮量相比秸秆不还田要高，可能与秸秆腐解要消耗氮素有关。

图4 施氮量对春玉米产量的影响Fig.4 Effect of N application rate on yield of spring maize

2.5.2 氮肥农学利用率 氮肥农学利用率分析结果表明(图5)，2014年SN1、SN2与SN3差异显著(P<0.05)，SN1、SN2分别比SN3高33.95%和44.78%，并未表现出随着施氮量的增加而提高的趋势；SN2与S0N2差异显著(P<0.05)，SN2比S0N2提高40.92%，说明秸秆还田配施一定量的氮肥能够提高氮肥农学利用率。2015年与2014年表现不同，SN1与SN2、SN3差异显著(P<0.05)，SN1分别比SN2、SN3高56.52%，191.89%，但S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)，表现出了随着施氮量的增加氮肥利用效率逐渐降低的趋势。

图5 秸秆还田配施氮肥对氮肥农学利用率的影响Fig.5 Effect of straw returning plus nitrogen fertilizeron N agronomic efficiency

2.6 秸秆还田配施氮肥对土壤养分的影响

从表3可以看出，2014年土壤有机质含量SN3、SN2与SN1、SN0、S0F0差异显著(P<0.05)，大小表现为SN3>SN2>S0N2>SN1>SN0>S0F0，SN3比S0F0增加13.97%，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；2015年表现与2014年基本一致，SN3、SN2、S0N2与SN0、S0F0差异显著(P<0.05)，SN3比S0F0增加17.42%，SN3、S0N2、SN2与SN1差异不显著(P>0.05)，SN0和S0F0差异不显著(P>0.05)，说明秸秆还田配施氮肥耕层构造能够提高土壤有机质。2014年速效氮SN3与SN1、SN0、S0F0差异显著(P<0.05)，S0N2与SN2差异不显著(P>0.05)；2015年与2014年表现不同，速效氮各处理差异均不显著(P>0.05)。2014年有效磷各处理差异不显著(P>0.05)，2015年与2014年表现不同，SN3、SN2、S0N2、SN1与S0F0差异显著(P<0.05)。2014年有效钾各处理差异不显著(P>0.05)，2015年有效钾表现为SN3、SN2、S0N2、SN1与S0F0差异显著(P<0.05)。

3 讨论与结论

3.1 作物产量与干物质

秸秆还田配施氮肥能够促进作物干物质积累，增加作物产量[24-25]，主要是由于秸秆还田改善了土壤的水、肥、气、热状况，有利于作物根系的生长。但在不同类型区不同的还田方式、还田周期、还田时间导致增产的幅度也不同，解文艳等[26]研究认为，不同方式秸秆还田秋施肥具有显著增产效果，增产率为8.33%～16.19%；赵亚丽等[27]研究发现深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田与常规耕作+无秸秆还田相比，作物干物质积累量分别提高19.3%和22.9%。但也有相反的研究结论，全量秸秆还田导致作物产量降低，原因是在较瘠薄的土壤上施肥量不足，引起土壤微生物与作物的争氮效应[28]。本研究结果表明，秸秆还田配施氮肥能够增加春玉米产量，相同氮肥条件下，秸秆还田比秸秆不还田2 年增产幅度为1.10%～11.56%，增产的主要原因是由于百粒质量和行粒数的显著提高和秃尖的显著降低。秸秆还田配施氮肥干物质最大生长速率(Cm)和干物质最大积累量(Wm)均随着施氮量的增加而增加，相同施氮条件下，秸秆还田有利于春玉米干物质积累。本研究结果与前人相比增产幅度较小，主要是由区域自然条件、还田方式、还田时间、周期、配施氮肥数量的不同所致。

表3 秸秆还田配施氮肥对土壤养分的影响(0～40 cm)Tab.3 Effect of straw returning plus nitrogen fertilizer on soil nutrient

3.2 水分利用效率

秸秆还田配施氮肥通过改善土壤物理性状，提高作物水分利用效率，特别是通过与深松、深翻等土壤耕作措施相结合能够发挥更大的优势，其机理主要是深松、深翻等耕作措施进行秸秆还田，可以有效打破犁底层，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤渗水速度，提高旱地蓄水保墒性能[16，26-27]。但在不同类型区不同的还田方式、还田周期、还田时间导致作物水分利用效率提高的幅度也不同，赵亚丽等[27]研究发现，深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田比常规耕作+无秸秆还田水分利用效率分别提高15.9%和15.1%；解文艳等[26]研究发现，秸秆还田秋施肥比秸秆未还田玉米水分利用效率18年累计平均值提高2.24～3.17 kg/(hm2·mm)。本研究结果表明，秸秆还田配施氮肥能够增加土壤蓄水能力，相同施氮量条件下，秸秆还田比秸秆不还田提高作物水分利用效率，但差异并未达到显著水平，可能与秸秆腐解需要消耗一定的土壤水分有关，与前人研究结果略有不同，主要是由区域降雨量、土壤类型不同所致。

3.3 土壤养分

秸秆还田配施氮肥能够增加土壤有机质，提高土壤养分含量已经得到学者证实[29-30]。慕平等[31]研究发现，连年秸秆还田土壤养分均实现了提高，且还田时间越长，效果愈显著。杨宪龙等[32]研究发现，长期施氮和秸秆还田使累计氮肥利用率逐年升高，氮肥后效明显。隽英华等[23]研究认为，该区域正常的施氮量为180～209 kg/hm2，但本研究认为，辽西北地区秸秆还田适宜的配施氮肥量为225～282 kg/hm2，比本研究适宜施氮量要低，主要与未作秸秆还田处理有关。秸秆还田配施氮肥能够提高氮肥农学利用率，秸秆还田配施氮肥能够提高土壤有机质，但速效养分增加并不明显，与前人研究结果一致。秸秆还田改良土壤是一个长期和连续的过程，关于土壤养分研究还需要多年的定位试验进一步证实。

秸秆还田配施氮肥有利于春玉米干物质积累，能够提高春玉米产量，相同施氮条件下，2年秸秆还田比秸秆不还田增产1.10%～11.56%；秸秆还田配施氮肥能够增加土壤蓄水能力，提高春玉米水分利用效率；秸秆还田配施氮肥能够提高氮肥农学利用率，提高土壤有机质含量，但速效养分增加并不明显。因此，本研究认为秸秆还田量9 000 kg/hm2和配施氮肥225.0 kg/hm2是辽北棕壤区比较理想的还田方式，在该区域农业发展中具有一定的应用价值。关于秸秆还田配施氮肥的其他效应，土壤微生物、酶活性等科学问题仍需要进一步深入探讨。

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