小麦-玉米周年秸秆还田模式下氮肥利用特征的分析

宋朝玉，王圣健，宫明波，朱丕生，王瑞英，黄俊杰

（青岛市农业科学研究院，山东 青岛 266100）

小麦-玉米周年轮作是黄淮海作物面积最大的种植模式之一，周年秸秆还田技术得到了大面积推广。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，同时秸秆还田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。长期进行秸秆还田后一般需要3～5年以上才能形成一个相对稳定的新系统，土壤结构和肥力指标发生改变，氮素养分循环利用也会有一个新的特征。而很多研究进行的定位时间较短，分析结果不能充分代表长期秸秆还田模式下的氮素利用特征。

为了探讨小麦玉米长期周年秸秆还田模式下小麦玉米对氮素的吸收和利用特点，我们于2009年开始了定位研究试验。以小麦秸秆覆盖还田玉米秸秆不还田为对照模式，研究小麦秸秆覆盖还田玉米秸秆粉碎还田模式下不同氮肥用量对小麦、玉米生长和土壤肥力的影响。于2018—2019测定小麦玉米周年氮素循环利用指标，分析氮素吸收利用特点，为长期周年秸秆还田模式下氮肥周年高效施用提供理论依据，为农户提供合理的氮肥用量技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验地位于青岛市农业科学研究院城阳作物试验场（东经 36°17′57.94″，北纬 120°21′22.21″），属于温带海洋性季风气候。从2009年冬小麦开始定位研究，土壤类型为棕壤，质地为壤土，0～20 cm耕层土壤有机质含量为1.69%、碱解氮88.6 mg／kg、速效磷 62.9 mg／kg和速效钾 50.0 mg／kg。

1.2 试验设计

试验以玉米秸秆还田（简称SR）、玉米秸秆不还田（简称NSR）为主因素，氮肥用量为辅因素进行裂区设计。氮肥用量设纯N 0、90、180、270、360 kg／hm2（即无氮、低氮、中氮、高氮、超高氮）5个水平，随机区组排列，重复4次。冬小麦、夏玉米连作，小麦秸秆覆盖还田，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。基肥撒施后旋耕，追肥沟施。小区宽3.6 m，长8 m。小麦行距0.20 m，按基本苗 300万株／hm2播种；玉米行距0.6 m，密度为 67 500株／hm2。

1.3 测定项目及方法

于小麦成熟期，每小区选择2行1 m收获地上部，按茎叶、籽粒分开，105℃杀青30 min，90℃烘干至恒质量，并称重，粉碎后取样测定全氮含量；于玉米成熟期，选择5株典型植株，按茎＋穗轴、叶片 ＋叶鞘、籽粒分开，105℃杀青30 min，90℃烘干至恒质量，粉碎后取样测定全氮含量。玉米收获后每小区选5点取0～20 cm土层土样混合，风干后测定土壤有机质、全氮含量。依照测定结果按以下公式［19，20]计算各指标值。

植株氮积累量（NAA，kg／hm2）＝植株干物重×植株含氮；

氮肥农学效率（NAE，kg／kg）＝（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）／施氮量；

氮收获指数（NHI）＝籽粒氮积累量／植株总氮积累量；

地上部植株氮肥吸收利用率（PRE，%）＝（施氮区地上部氮积累量-不施氮区地上部氮积累量）／施氮量 ×100；

氮肥偏生产力（NPFP，kg／kg）＝施氮区籽粒产量／施氮量。

1.4 数据统计分析

使用Microsoft Excel 2007进行数据计算和作图；采用DPS6.55软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同模式下小麦、玉米籽粒产量的比较

试验结果表明，长期玉米秸秆还田可以明显提高小麦、玉米和周年产量，不同施氮水平增幅不同。在N180水平，SR处理的小麦、玉米和周年的产量较NSR处理分别增加5.46%、10.22%和5.11%。

小麦、玉米籽粒产量与施氮量呈显著的二次函数关系，在本试验设计施氮量范围内呈先增后降的趋势（图1）。SR处理的小麦最高产量施氮量为 210.9 kg／hm2，比 NSR处理高 21.5 kg／hm2，SR处理的小麦最高产量比NSR处理高6.31%。SR处理的玉米最高产量施氮量为196.2 kg／hm2，比 NSR处理高 2.0 kg／hm2，SR处理的玉米最高产量比NSR处理高10.32%。

与NSR相比，SR处理的小麦产量在低氮水平差异较小，中氮、高氮、超高氮水平增产明显；SR处理的玉米产量与施氮量函数图像对称轴没有明显变化，而低氮、中氮、超高氮水平增产明显。施氮条件下，长期玉米秸秆还田明显提高了小麦-玉米周年粮食产量。

图1 不同模式下小麦、玉米单季及周年籽粒产量与施氮量的关系

2.2 不同模式下植株含氮量的比较

2.2.1 籽粒含氮量 由表1看出，施氮量270 kg／hm2及以下时，SR处理的籽粒含氮量均高于NSR处理，表明长期玉米秸秆还田提高了小麦的籽粒含氮量。而SR对玉米籽粒含氮量影响不明显。

2.2.2 茎叶含氮量 SR处理的小麦茎叶含氮量比 NSR处理提高 0.37～1.03 g／kg，表明长期玉米秸秆还田可提高小麦茎叶含氮量。SR处理的玉米茎秆含氮量稍高于NSR处理，而叶片含氮量与NSR处理无明显差异（表1）。

表1 不同秸秆还田模式和施氮量对小麦、玉米含氮量的影响 （g／kg）

2.3 不同模式下氮积累量的比较

2.3.1 籽积氮积累量 在不同施氮水平下，SR处理的籽粒氮积累量均明显高于NSR处理。SR处理的最高籽粒氮积累量对应施氮量高于NSR处理，其中小麦季比 NSR处理高13.1 kg／hm2，玉米季比 NSR处理高9.3 kg／hm2（表2）。

2.3.2 地上部氮积累量 在不同施氮水平下，SR处理的地上部氮积累量明显高于NSR处理。SR处理的最高地上部氮积累量对应施氮量小麦季比NSR处理高17.1 kg／hm2，玉米季比NSR处理低4.4 kg／hm2。地上部最高氮积累量与对应施氮量基本相等，上下差距在0.1～12.3 kg／hm2范围内（表2）。

表2 不同模式下氮积累量与施氮量的函数关系及解析

2.4 不同模式下氮利用效率指标的比较

2.4.1 氮收获指数 由表3看出，在不同施氮水平下，SR处理的小麦氮收获指数比NSR低0.017～0.037。在试验设计范围之内随着施氮量增加，小麦氮收获指数极显著下降，但并未达到最低值。通过模拟函数解析可得小麦最高产量时SR处理的氮收获指数为0.642，比NSR处理的氮收获指数（0.673）低 0.031。玉米的氮收获指数受秸秆还田影响不明显。

2.4.2 地上部氮肥吸收利用率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR处理的地上部氮肥吸收利用率明显高于NSR。地上部氮肥吸收利用率随施氮量增加极显著下降，且与施氮量呈显著的二次函数关系（表4）。小麦最高产量时SR处理的地上部氮肥吸收利用率比NSR处理提高7.59%；玉米最高产量时SR处理的地上部氮肥吸收利用率比NSR处理提高10.23%。

2.4.3 氮肥农学效率 由表3可知，在相同施氮水平下，SR处理的氮肥农学效率高于NSR。氮肥农学效率随施氮量增加呈极显著下降趋势，且与施氮量存在显著的二次函数关系（表4）。小麦最高产量时SR处理的氮肥农学效率比NSR处理提高17.55%；玉米最高产量时SR处理的氮肥农学效率比NSR处理提高32.71%。

2.4.4 氮肥偏生产力 由表3可知，在相同施氮水平下，SR处理的氮肥偏生产力高于NSR处理。氮肥偏生产力随施氮量增加而显著降低。

表3 不同秸秆还田模式和施氮量对氮肥利用指标的影响

2.5 不同处理土壤肥力的比较

从表5可以看出，土壤全氮含量随施氮量增加而显著增加，土壤有机质随施氮量增加呈先升后降趋势，以N180处理土壤有机质含量最高。在相同施氮水平下，SR的土壤全氮和有机质含量均明显高于NSR，表明长期玉米秸秆还田可以显著提高土壤有机质含量。

表4 不同模式下氮利用效率指标与施氮量函数关系及解析

表5 不同秸秆还田模式和施氮量对土壤全氮和有机质的影响

3 讨论与结论

3.1 长期玉米秸秆还田对小麦、玉米氮积累的影响

长期玉米秸秆还田提高了小麦籽粒和茎叶的含氮量、地上部氮积累量；而对玉米籽粒、茎叶含氮量影响不显著，但明显增加了玉米干物质积累量，因此玉米地上部的氮积累量也明显增加。

小麦和玉米地上部最高氮积累量时的施氮量均高于最高籽粒产量施氮量。表明随着施氮量的增加，籽粒产量达到最高值时，地上部氮积累量还未达到最高值；施氮量超过最高产量施氮量后，茎秆＋叶会继续吸收和积累更多的氮素，叶绿素和叶面积增加，但对增加籽粒产量并没有贡献；超过最高氮积累量的施氮量后，作物不能再吸收并积累氮素，过量的氮肥也就会留存到土壤中。过量施用氮肥后，会造成植株体氮素营养不平衡，更容易促进营养体的氮素积累，氮收获指数下降，甚至抑制籽粒干物质的积累［16，20］。N270、N360处理土壤全氮显著增加，土壤碱解氮富集，土壤酸化，造成出苗障碍、小麦分蘖减少，成穗率降低，小麦玉米前期生长发育受到明显抑制；小麦和玉米叶片长宽和厚度均明显增加，叶色浓郁呈深绿色，茎秆粗壮，成熟期贪青晚熟，千粒重不升反降，最终导致产量降低，特别是N360处理籽粒产量降幅较大。

3.2 长期秸秆还田对氮素分配和利用的影响

增施氮肥显著增加小麦地上部中茎叶氮积累量比重，降低小麦的氮收获指数。玉米秸秆还田虽然也降低氮收获指数，但由于秸秆氮矿化量有限［21］，因此作用并不显著。

长期玉米秸秆还田显著提高土壤有机质和全氮含量，改善土壤结构，显著提高土壤肥力水平，增强土壤供肥能力和肥料利用率，这与前人研究结果一致［6，8，10，12］。玉米秸秆还田显著提高小麦、玉米地上部氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力，表明长期玉米秸秆还田可以显著提高小麦玉米周年的氮肥利用率。这与劳秀荣［5］、刘立军［19］、霍中洋［20］等的研究结果基本一致。

3.3 长期玉米秸秆还田对小麦、玉米籽粒产量的影响

当施氮量高于180 kg／hm2时，相同施氮水平下SR处理的小麦籽粒产量比NSR处理增产显著，增幅在5.50%以上，且SR处理小麦最高产量比NSR的最高产量增产6.31%。施氮量在90～270 kg／hm2范围内，相同施氮水平下SR处理的玉米籽粒产量比NSR增产显著，增幅在8.08%以上，且SR处理玉米最高产量比NSR最高产量增加10.32%。表明长期玉米秸秆还田可以显著提高小麦和玉米产量［7，8，17］，且在配施适量氮肥的情况下可以进一步提高小麦玉米周年产量水平。

3.4 长期秸秆还田模式下施氮量的推荐

巨晓棠［21］研究认为，长期采取秸秆还田措施，土壤系统在3～5年达到稳定后，新系统的土壤供氮能力增强，秸秆氮主要对维持和培育土壤有机碳氮库有利，但对推荐施氮量影响不大。本定位试验 2015—2016年试验结果［22，23］中 SR的小麦、玉米最高产量施氮量分别为216.11、207.3 kg／hm2，与本次试验分析的最高产量施氮量210.9、196.4 kg／hm2基本一致，表明本定位试验土壤主要养分基本达到一定的平衡状态。

大田作物生产受气候、耕作等因素影响较大，因此把推荐施氮量设定一个范围既符合实际，也利于推广和操作。结合生产实际，把最高籽粒产量施氮量上下浮动5%作为推荐施氮量。因此，地力和耕作条件与本研究地块相似的小麦、玉米推荐施氮量如下：小麦秸秆覆盖还田、玉米秸秆移出的地块，小麦推荐施氮量为179.9～198.9 kg／hm2，玉米施氮量为184.5～203.9 kg／hm2；小麦秸秆覆盖还田、玉米秸秆粉碎还田的地块，小麦推荐施氮量为 200.4～221.4 kg／hm2，玉米施氮量为186.4～206.0 kg／hm2。