秸秆覆盖条件下不同施氮水平对春玉米产量及氮肥利用率的影响

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(1.黑龙江大学 农业资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引 言

黑龙江省作为粮食种植的第一大省，近年来春玉米每年种植面积在600万hm2以上，随着春玉米产量的不断提高，玉米秸秆量也在不断增加。受技术条件的限制，玉米秸秆的利用率并不高，大部分玉米秸秆被焚烧，从而引起大气污染等环境问题[1-2]。秸秆覆盖作为秸秆还田提高秸秆利用率的常见方式之一，对养分资源的循环利用和农业可持续发展具有重要作用。然而，玉米秸秆碳氮比值较高，在其分解过程中与土壤微生物争夺氮素而影响作物的生长[3-4]。为提高作物产量盲目地大量施用氮肥，不仅没有提升作物产量还会降低氮肥利用效率。因此，研究秸秆覆盖下氮肥配施量对作物产量的增加及氮肥利用效率的提高具有重要的意义。当前国内外秸秆覆盖的研究多数集中在土壤水分状况[5-7]、土壤肥力[8-10]及土壤温度等方面，只有少数的研究集中在秸秆覆盖后作物产量及肥料利用率上，且研究的结果还不一致[11-13]。关于秸秆覆盖配施氮肥对东北春玉米产量及在农田黑土上氮肥利用效率的研究还少有报导。本文以此为切入点，利用呼兰区秸秆还田试验研究平台，研究了不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米产量及氮肥利用效率的影响，旨为农田黑土区秸秆全量覆盖还田氮肥的合理施用及玉米增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2017年4月末在黑龙江省哈尔滨市呼兰区(126.58°E，45.90°N)进行。该实验区位于黑龙江省第一积温带，年平均气温3.3 ℃，7月份平均气温23.1 ℃，1月份平均气温19.4 ℃。年平均降水量505.4 mm，≥10 ℃的有效积温2 700 ℃，土壤类型为薄层黑土(均腐土，CST)，试验前土壤有机碳19.05 g·kg-1，全氮1.79 g·kg-1，全磷0.35 g·kg-1，速效氮134 mg·kg-1，有效磷76.6 mg·kg-1，pH为6.02。

1.2 试验设计

本试验始于2015年，每年秋天玉米收获后，将玉米秸秆破碎进行覆盖。试验包括了秸秆覆盖和施氮量水平两个因素，采用裂区试验设计，秸秆覆盖为主因素，施氮量水平为副因素，3次重复。秸秆覆盖包括秸秆覆盖、秸秆不覆盖两个处理，秸秆覆盖量为7 500 kg·hm-2，氮肥为尿素(含N 46%)，施氮量设4个施氮水平(纯N)(0、135 kg·hm-2、180 kg·hm-2、225 kg·hm-2)，所有施氮肥的处理，施氮量的2/3在玉米拔节期左右追施，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，P2O5为150 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)，K2O为75 kg·hm-2，试验每个副区的面积为24 m2，供试的玉米品种为当地主栽品种禾丰6号，于2017年5月5日人工播种，9月26日收获，整个生育期人工追肥、除草管理。

1.3 样品采集与测定

在春玉米的收获期，每个小区选取3个2 m2样方用于统计测产，重复3次，然后整个小区全部收获，风干后测春玉米产量并对春玉米产量构成因素进行调查，计算春玉米的穗数、穗粒数及百粒重。

1.4 计算公式及统计方法

氮肥农学效率(kg·kg-1)=(施氮区玉米产量-不施氮区玉米产量)/氮肥施用量[14]；

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮区产量/氮肥施用量[14];

利用SPSS20.0对数据进行分析，采用Duncan多重检验法对各个处理进行差异显著性检验，Sigma plot12.0绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米产量构成因素的影响

无论有无秸秆覆盖，春玉米株高、穗长及穗粗均呈现出随施氮量的增加而增加的趋势，且增加的幅度分别为1.08%～23.9%、3.23%～23.4%和2.65%～6.96%之间，施氮量在(纯N)225 kg·hm-2时，达到最高，见表1。与无秸秆覆盖相比，在施氮量(纯N)(0～180 kg·hm-2)较低时，秸秆覆盖降低了春玉米株高、穗长和穗粗，降低的幅度分别在2.71%～6.55%、4.26%～10.1%和3.92%～7.74%；而在施氮量(纯N)(225 kg·hm-2)较高时，秸秆覆盖使春玉米株高增加了6.41%、穗长增加6.38%、穗粗增加5.67%，且与其它施氮量水平之间差异达到了显著水平(P<0.05)，说明在施氮量较低的情况下，秸秆覆盖不利于春玉米生长，只有适当增加氮肥的施用量，秸秆覆盖才利于春玉米生长。不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米百粒重影响与对株高、穗长和穗粗的影响规律基本一致，在施氮量为(纯N)225 kg·hm-2时，秸秆覆盖比无秸秆覆盖百粒重增加4.29%。但施氮量(纯N)225 kg·hm-2与施氮量(纯N)180 kg·hm-2之间没有达到差异显著水平(P>0.05)。不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米秃尖、行数和行粒数影响没有表现出明显的变化规律。

表1 不同施氮量水平秸秆覆盖对春玉米产量构成因素的影响Table 1 Yield components in different nitrogen application rates under straw cover

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters mean significant difference at 0.05 level.The same is as below.

2.2 不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米产量的影响

无论有无秸秆覆盖，不同施氮量水平下春玉米产量变化的规律基本一致，均表现出随施氮量的增加春玉米产量呈现递增的趋势，见图1，施氮量在225 kg·hm-2时春玉米的产量最高，分别为12 046 kg·hm-2、12 928 kg·hm-2，其次为施氮量180 kg·hm-2时春玉米产量分别为11 321 kg·hm-2、10 834 kg·hm-2，不施氮肥的春玉米产量最低，分别为8 977 kg·hm-2、7 987 kg·hm-2。与无秸秆覆盖相比，秸秆覆盖施氮量在0、135 kg·hm-2、180 kg·hm-2水平下春玉米产量分别降低了11.0%、7.68%和4.30%。只有在施氮量达到225 kg·hm-2时，秸秆覆盖下春玉米产量显著高于无秸秆覆盖下春玉米产量6.82%(P<0.05)，说明只有在高氮水平下秸秆覆盖对春玉米产量的增加是有利的。本研究中的4个氮肥水平，以施氮量在225 kg·hm-2配合秸秆覆盖方式在实际运用的价值较高。

2.3 不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米氮肥利用效率的影响

用以表征农田肥料利用效率最常用的是肥料农学利用效率和肥料偏生产力。不同施氮量水平下秸秆覆盖对春玉米的肥料农学利用效率、肥料偏生产力的影响，见表2。不同施氮量水平氮肥农学利用效率呈现出随施氮量增加而增高的趋势，增加的幅度为8.27%～22.0%。与无秸秆覆盖相比，秸秆覆盖下不同施氮量水平春玉米氮肥农学利用效率较高，分别比无秸秆覆盖高1.59%、2.80%和8.32%。肥料偏生产力是指施氮区产量与氮肥施用量的比值。无论是有无秸秆覆盖，不同施氮量水平肥料偏生产力均呈现出随氮肥施用量的增加而降低的趋势，降低幅度分别在74.8%～53.5%和69.0%～57.5%之间。与无秸秆覆盖相比，秸秆覆盖下各施氮量水平降低幅度较小。

图1 不同施氮量水平秸秆覆盖对春玉米产量的影响Fig.1 Maize yields in different nitrogen application rates under straw cover

表2 不同施氮量水平秸秆覆盖对春玉米氮肥利用率的影响Table 2 Nitrogen utilizaiton efficiencies in different nitrogen application rates under straw cover

3 讨 论

关于秸秆覆盖对作物产量的影响，国内外很多研究认为，秸秆覆盖后主要减少土壤水分蒸发量，使玉米有一个适宜的水分环境，增强了土壤保墒的能力，提高了土壤水分的利用效率，从而对玉米的生长和产量产生影响。氮肥的施用是提高作物产量的有效手段之一[15]，但当施氮量达到一定水平后，作物产量会出现下降趋势[16]。本研究中，在低施氮量(纯N)(0～180 kg·hm-2)下秸秆覆盖后降低了春玉米株高、穗长、穗粗和百粒重等主要的产量构成因素，对春玉米的生长产生不利的影响，这与李洪文等研究认为秸秆覆盖后可增加玉米千粒重、提高产量的结论相反[17]，主要原因应与秸秆的覆盖量、研究区域的温度有关[18]。本研究中玉米秸秆覆盖是秸秆全部还田覆盖，秸秆覆盖量较大，导致春玉米生长初期地温偏低，使玉米生育期延迟，籽粒灌浆受到影响，进而使产量降低[19]。但在施氮量达到(纯N)225 kg·hm-2时，秸秆覆盖促进了春玉米的生长，增加了春玉米株高、穗长、穗粗、百粒重和产量，这进一步说明秸秆覆盖对玉米产量的影响与氮肥的供应水平有很大的关系。本研究将秸秆覆盖条件下氮肥施用量、产量进行相关性分析，结果显示氮肥施用量与产量间呈显著正相关关系(r=0.9015)，证明了玉米产量在秸秆覆盖条件下受氮肥施用量的影响。单鹤翔的研究曾指出，秸秆还田的条件下，土壤供氮水平是主要的影响因素[20]。秸秆覆盖下地温虽低，但充足的氮肥供应量提高了土壤养分，改善土壤的结构，促进根系的生长[21-22]，从而增强了春玉米的生长发育，使春玉米的产量高于无秸秆覆盖下春玉米的产量。本研究中，秸秆覆盖下春玉米氮肥农学利用效率表现出随施氮量的增加而增加的趋势，偏生产力随着施氮量的增加而呈递减的趋势，说明秸秆覆盖后作物产量及氮肥的利用效率与施氮量有关，综合考虑氮肥农学利用效率与偏生产力可以反映出施肥量实际价值，本研究中施氮量(纯N)225 kg·hm-2时，获得的产量最高，氮肥利用效率较高，偏生产力与施氮量(纯N)180 kg·hm-2时接近，进一步说明秸秆覆盖下适当提高氮肥的施用量在生产中实际运用的价值较高。

4 结 论

不同施氮量下秸秆覆盖对春玉米产量及氮肥利用效率产生影响。在低施氮量下(纯N)(0～180 kg·hm-2)，秸秆覆盖会降低春玉米株高、穗长、穗粗及百粒重等产量构成因素，不利于春玉米生长，降低产量；在高施氮量(纯N)225 kg·hm-2下，秸秆覆盖后促进玉米生长，提高玉米株高、穗长、穗粗和百粒重，增加春玉米的产量。秸秆覆盖利于氮肥农学利用效率的提高，且其随着施氮量的增加而增加，氮肥偏生产力则呈递减趋势，综合施氮量、秸秆覆盖和产量，以施氮量为225 kg·hm-2配合秸秆覆盖方式在实际运用的价值较高。

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