水肥优化管理下秸秆处理方式对玉米干物质积累和产量的影响

霍俊豪，刘蕊，蔺益民，邹晓霞，王维华

（青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109）

作为农业大国，我国农作物秸秆资源丰富，且近年来随着粮食产量不断提高，农作物秸秆总量整体上呈现持续增长的趋势。2017年全国主要农作物秸秆理论资源量约为8.84亿t，可收集资源量为7.36亿t［1］。秸秆还田是利用秸秆资源的直接、有效途径，既可以解决秸秆处理难的问题，又可以改善土壤理化性质［2］。但是还田秸秆的腐解过程受到各种环境因素的影响，不合理的秸秆还田利用方式会导致作物减产［3］。

还田秸秆的腐解会受到土壤含水量、氮肥施用、土壤微生物特性等因素的影响。土壤水分含量显著影响秸秆的腐解速度，继而影响作物生长［4，5］。研究表明，在水分有限条件下，秸秆腐解与土壤水分含量成正比，在充分灌水或水分较高时，土壤通透性及温度降低，秸秆的腐解速率降低［6］；但也有研究认为，高湿条件更利于促进秸秆腐解［7］。外源氮素的添加对农田物质循环有着重要影响。施用氮肥能够影响土壤微生物的活性，进而影响秸秆腐解。土壤微生物分解有机物较合适的碳氮比为25∶1，而秸秆本身的碳氮比较高，因此在秸秆还田的同时，要配合施入氮肥，缓解争氮和加快秸秆腐解［8］。外源氮肥添加配施秸秆腐解剂有助于提高土壤微生物群落多样性，促进秸秆腐解和养分释放［9］。石琳等［10］研究指出，腐熟剂与尿素配合施用的效果最佳；丁文成等［11］则指出，化肥氮与有机肥氮配施并结合施用秸秆腐熟剂能提高养分有效性，有助于提高作物产量。目前来看，有关缓控释氮肥与液体氮肥结合秸秆腐解剂对玉米产量影响的研究报道较少。

另外，生物炭是农作物秸秆开发利用的新兴技术，农作物秸秆在缺氧条件下热裂解形成稳定的富碳产物，有助于提高土壤肥力，被广泛用于改良农田土壤和增加作物产量［12，13［。近年来有关生物炭施用对作物产量影响的研究逐渐增多，而生物炭的施用效果与农田水肥管理也密切相关［12，14［。

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原典型的种植方式。为探索其最优水肥及秸秆处理措施，促进秸秆资源优化利用，提高作物产量，本研究以常规管理为对照，在2种水肥优化管理基础上设置3种秸秆处理方式，探究各处理对玉米干物质积累特征和产量的影响，以期为提高资源利用效率、促进农业绿色发展提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020年在山东省莱阳市团旺镇试验基地（120°58′E，36°75′N）进行。试验地为棕壤土。供试玉米品种为郑单958。供试普通化肥为金正大牌复合肥（15-15-15）及尿素（N 46%）；增效复混肥（22-8-10）由山东粮源生物科技有限公司生产；稳定尿素（N 45%）由河北冀衡赛瑞化工有限公司生产；液体尿素（N 30%）主成分为改性尿素硝酸铵溶液［15］。供试秸秆炭为小麦、玉米秸秆在缺氧、亚高温条件下热解形成的富碳产物，碳含量60%以上，秸秆炭施用量为4 500 kg/hm2。供试秸秆腐解剂由广州市微元生物科技有限公司生产，主要成分为粗纤维降解菌剂（有效活菌数≥2×1010cfu/g），腐解剂施用量为12.75 kg/hm2。试验期间气象条件如图1所示。6月28日整地，7月2日播种玉米，10月23日收获。

图1 试验期间气温与降雨量变化

1.2 试验设计

试验以常规管理措施为对照，在2种水肥优化管理的基础上设置3种秸秆处理方式，共7个处理，分别为：当地常规管理（漫灌+普通化肥）+秸秆还田（CK）、水肥优化Ⅰ（滴灌+增效复混肥+稳定尿素）+秸秆还田（SS）、水肥优化Ⅰ+秸秆还田+腐解剂（SSD）、水肥优化Ⅰ+秸秆炭（SSC）、水肥优化Ⅱ（水肥一体滴灌+增效复混肥+液体尿素）+秸秆还田（SF）、水肥优化Ⅱ+秸秆还田+腐解剂（SFD）、水肥优化Ⅱ+秸秆炭（SFC）。各处理施肥种类、施肥量及秸秆处理方式见表1。

表1 各处理施肥种类、施肥量与秸秆处理方式

小区长20 m，宽5 m。采用宽窄行种植，宽行距80 cm，窄行距45 cm，株距20 cm。随机区组排列，重复3次。

1.3 测定指标及方法

分别于玉米苗期（S1）、拔节期（S2）、大喇叭口期（S3）、吐丝期（S4）、灌浆期（S5）和成熟期（S6）取样，每处理取5株玉米的地上部，并分为叶片、茎鞘、籽粒和其它部位（苞叶、花丝、穗轴、雄穗和穗柄），于烘箱中105℃杀青30 min，然后75℃恒温烘干至恒重，冷却至室温后分别测定各部位干物质量。

玉米收获期，每小区随机选取长5 m、宽2.5 m（中间4行）的样方收取所有果穗，称重（kg），并从中选取具有代表性的15个果穗带回实验室进行考种，统计穗行数、行粒数、穗粒数，计算出籽率。利用PM-8188-A谷物水分测量仪（测定范围6%～40%，误差±0.5%）测量籽粒含水率。

玉米籽粒产量计算方法如下：

产量（kg/hm2）=取样区穗重×出籽率×（1-含水率）×10000/测产面积

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和作图，SPSS19.0软件进行相关性和多因素分析，用DPS 7.05数据处理系统采用LSD法对结果进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水肥优化管理下秸秆处理方式对玉米干物质积累的影响

2.1.1 对叶部干物质积累的影响 由表2可以看出，玉米叶片干物质重随生育进程呈现先升高后降低趋势，吐丝期达到最大值，此时SSC处理叶片干物质量最大，且显著高于CK、SSD、SF和SFC处理，分别提高10.6%、30.2%、16.6%和10.3%。就生育期内叶片干物质量的总体趋势而言，两种水肥优化管理下秸秆直接还田处理（SS、SF）叶片干物质量总体低于CK；水肥优化Ⅰ处理下，叶片干物质积累量总体高于水肥优化Ⅱ处理；而相同水肥管理下，秸秆炭处理（SSC、SFC）叶片干物质积累量总体高于秸秆直接还田（SS、SF）。

表2 不同处理下各生育期玉米叶片干物质量 （g/株）

2.1.2 对茎鞘干物质积累的影响 由表3可以看出，玉米生育期内，茎鞘干物质积累总体趋势为先升高后降低，吐丝期达到最大值，此时SS处理茎鞘干物质量最高，且显著高于CK、SF、SFD和SFC处理，分别达20.4%、15.7%、21.7%和9.7%。就生育期内茎鞘干物质量的总体趋势而言，水肥优化Ⅰ处理中，秸秆直接还田处理（SS）茎鞘干物质量各生育期均高于腐解剂处理（SSD），且在苗期和大喇叭口期达到显著水平；水肥优化Ⅱ处理中，秸秆炭处理（SFC）茎鞘干物质量，大喇叭口期后各生育期均高于腐解剂处理（SFD），且在吐丝期达到显著水平，此时增加10.9%。

表3 不同处理下各生育期玉米茎鞘干物质量 （g/株）

2.1.3 对籽粒干物质积累的影响 由表4可以看出，各处理玉米籽粒干物质量从大喇叭口期至成熟期呈现逐渐升高趋势，成熟期达到最大值，此时SSC处理籽粒干物质量最高，并显著高于其它各处理，SSD、SF、SFD和SFC处理籽粒干物质量均显著高于CK，SSD、SSC、SF、SFD和SFC籽粒干物质量较CK分别增加7.8%、20.4%、9.1%、10.2%和9.1%，但SS处理与CK之间无显著差异。水肥优化Ⅰ处理中，秸秆炭处理（SSC）籽粒干物质量在各生育期均显著高于直接还田（SS），添加腐解剂处理（SSD）除吐丝期外，其余生育期籽粒干物质量也均显著高于直接还田（SS）；水肥优化Ⅱ处理中，3种秸秆处理方式的籽粒干物质量仅在大喇叭口期存在显著差异，其余各生育期差异均不显著。

表4 不同处理下各生育期玉米籽粒干物质量 （g/株）

2.1.4 对其它部位干物质积累的影响 由表5可以看出，大喇叭口期开始，玉米植株生殖器官开始生长，各处理其它部位（苞叶、雄穗、穗柄、穗轴和花丝）总干物质量均在吐丝期达到最大值，此时SS、SSD、SSC、SF处理其它部位总干物质量分别比CK增加13.1%、9.0%、25.1%和13.4%，SFD、SFC处理比CK分别降低21.3%、17.0%。水肥优化Ⅰ处理下，成熟期SSC处理其它部位干物质量最高，较SS和SSD分别增加13.2%和26.7%；水肥优化Ⅱ处理下，SF处理（直接还田）其它部位干物质量显著高于SFD，与SFC差异不显著。

表5 不同处理下各生育期玉米其它部位干物质量 （g/株）

2.2 水肥优化管理下秸秆处理方式对玉米产量的影响

多因素分析结果（表6）表明，水肥优化和秸秆处理方式对玉米穗行数和穗粒数均无显著影响，对产量则均有显著或极显著影响；水肥优化对行粒数有显著影响；秸秆处理方式对玉米出籽率有显著影响，各处理均显著高于对照；水肥优化和秸秆处理的交互作用对行粒数有显著影响，对产量有极显著影响。

表6 不同处理对玉米产量及其构成要素的影响

SSD、SSC、SF、SFD和SFC处理玉米产量均显著高于CK，且比CK分别增产9.9%、21.8%、10.2%、14.2%和8.1%。水肥优化Ⅰ处理下，施用秸秆炭处理（SSC）和添加秸秆腐解剂处理（SSD）玉米产量显著高于秸秆直接还田（SS），分别增产41.2%和27.4%；但水肥优化Ⅱ处理下，不同秸秆处理方式间玉米产量差异不显著。相同秸秆处理方式下，水肥优化Ⅱ处理行粒数呈高于水肥优化Ⅰ和CK趋势，表明水肥一体化管理措施有助于增加玉米行粒数，为产量提高奠定了基础。水肥优化Ⅰ处理下可施加秸秆炭提高玉米产量，而在水肥优化Ⅱ处理下施加秸秆腐解剂更有利于产量提高。

3 讨论

秸秆还田是农业绿色生产的主要措施，通过还田秸秆的腐解可以提高土壤养分含量、改善土壤的理化性质，对提高作物产量有积极意义［16-18］。水分和肥料是影响作物产量的两大决定性因素，对秸秆腐解也有较大影响。本试验在2种水肥优化管理基础上设置3种秸秆处理方式，探究水肥优化管理下秸秆处理方式对玉米生长发育和产量的影响，表明：水肥优化Ⅰ中，施加腐解剂（SSD）和秸秆炭（SSC）处理玉米产量均显著高于秸秆直接还田（SS）处理；水肥优化Ⅱ中，施加腐解剂（SFD）和秸秆炭（SFC）处理玉米产量与秸秆直接还田（SF）无显著差异。这可能由于不同的水肥耦合模式对土壤微生物和土壤酶活性的影响不同，导致秸秆的腐解速率不同，从而影响土壤有效养分的供应也不同［19］，继而影响玉米产量。胡乃娟等［18］的研究也证实秸秆还田可以改变土壤微生物活性。腐熟剂能够促进秸秆的腐解速率，显著提高土壤养分［20］。生物炭因其多孔结构而有利于提高土壤孔隙度、降低容重，为植物生长提供良好环境，利于玉米增产［21，22］。本研究表明，在水肥优化Ⅰ处理（滴灌+增效复混肥+稳定尿素）下可施加秸秆炭提高玉米产量，而在水肥优化Ⅱ处理（水肥一体滴灌+增效复混肥+液体尿素）下可通过施加秸秆腐解剂提高玉米产量，与前人研究结果相符［23，24］。

干物质积累与分配对玉米产量形成至关重要［25］。优化灌溉施肥能够提高玉米生育后期籽粒的干物质积累量［26］。秸秆还田可以促进玉米干物质积累，提高成熟期玉米产量［27］。本研究中，叶片、茎鞘和其它部位干物质量随生育进程呈现先升高后降低趋势，各处理均在吐丝期达到最大值，之后茎叶等部位干物质流向籽粒，茎叶干物质量下降，籽粒干物质量增加，这表明前期营养器官干物质的积累可以为产量的形成奠定基础［28］。本试验玉米产量最高的SSC处理，灌浆期前各部位干物质量均较高，收获期却显著低于其它处理，证明了玉米营养器官干物质积累对产量的贡献。田树云等［29］研究指出，灌浆期是氮肥施用的关键时期，粒重取决于该阶段各部位干物质的转移量，但本研究中SS处理虽然前期营养器官干物质积累较高，但最终产量并不高。这可能是由于在减氮15%情况下，一次性底施增效复混肥结合单纯的秸秆还田并不能满足玉米生育后期的养分需求，因脱肥出现一定程度的早衰，导致灌浆不足（行粒数显著低于其它各处理）、产量下降；若在减氮15%情况下，一次性底施增效复混肥并秸秆还田时，添加秸秆腐解剂或用秸秆炭替代秸秆，均能有效提高玉米产量。可见，适宜的水肥管理措施和秸秆处理方式，对减少化肥用量、提高秸秆资源利用效率和作物产量具有积极意义，生产上应积极探索相关措施，推进农业绿色生产。

4 结论

水肥优化结合适宜的秸秆处理，能在有效降低氮肥用量（减氮15%）基础上，促进玉米中后期籽粒干物质积累，增加玉米行粒数，显著提高玉米产量。基于本研究，建议：在水肥优化Ⅰ处理（滴灌+增效复混肥+稳定尿素）下通过施加秸秆炭提高玉米产量，而在水肥优化Ⅱ处理（水肥一体滴灌+增效复混肥+液体尿素）下可通过施加秸秆腐解剂提高玉米产量。