秸秆还田和氮肥用量对冬小麦产量和氮素利用的影响

王新媛，赵思达，郑险峰✉，王朝辉,2，何刚

1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100

0 引言

【研究意义】作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾等养分资源，合理利用作物秸秆是实现资源高效利用和农业可持续发展的重要途径之一，然而焚烧、丢弃秸秆的现象仍较普遍[1-2]。化肥在农业生产的应用为全球一半人口提供了食物[3]，施用化肥是提高作物产量的重要措施之一。然而，近年来过量施用化肥仍然突出。陕西关中平原的农户施肥调查结果显示，58%的农户在小麦生产中过量施用氮肥[4]。这不仅导致作物产量和品质降低，也造成资源浪费和环境污染[5-6]。冬小麦-夏玉米轮作是我国粮食作物生产的主要制度之一，秸秆还田是当前秸秆资源利用的主要方式之一。因此，研究小麦-玉米轮作区秸秆还田配施化学氮肥的产量效应及氮素吸收利用，对粮食生产和环境保护有重要意义。【前人研究进展】秸秆含有氮素养分，通常认为秸秆还田可替代部分化学氮肥。在陕西杨凌，连续5年秸秆还田在减少20%氮肥用量的条件下增加了小麦籽粒产量7%、提高了氮肥农学效率15%[7]。水稻秸秆还田在减施27%氮肥的条件下保持了稳产、提高氮肥农学效率 50%[8]。可见，秸秆还田在节约氮肥用量的同时能够稳产甚至增产，提高了化肥利用效率。然而，在陕西关中小麦-玉米轮作区常规施肥条件下，玉米秸秆全量还田未增加小麦产量[9]。青海连续19年的定位试验表明，在氮、磷、钾施肥用量相同条件下，小麦秸秆半量还田对小麦产量无影响、全量还田减产14%[10]。这说明通过田间定位试验研究小麦-玉米轮作体系下秸秆还田配施化学氮肥的产量效应是必要的。土壤硝态氮淋溶是水体和大气污染、生态环境恶化的重要影响因素[11]。较高的土壤硝态氮残留是引起土壤硝态氮淋溶的主要驱动力，因此减少土壤硝态氮残留利于降低由于硝态氮淋溶引起的环境风险。在山东兖州，玉米秸秆还田降低0—60 cm土层的硝态氮残留量51%—61%[12]。在云南大理，玉米秸秆还田降低油菜收获后根层土壤硝态氮残留量12%—55%[13]。然而，吉林四平试验报道在等量养分条件下，玉米秸秆全量还田增加玉米收获期0—40 cm土层硝态氮残留量 68%[14]。可见，秸秆还田对作物收获期土壤硝态氮残留量有重要影响，探索小麦-玉米轮作体系秸秆还田配施化学氮肥如何调控土壤硝态氮残留量，对减少土壤硝态氮淋溶和保护环境有重要意义。农田生态系统中养分输入和输出平衡对资源高效利用和环境保护十分重要[15]。秸秆还田和施氮量能调控作物氮素吸收利用，从而影响土壤氮素平衡。陕西关中小麦-玉米轮作区连续4年田间定位试验表明，在施氮量为330 kg·hm-2时，秸秆还田的作物累计吸氮量较秸秆不还田增加 13%，但对硝态氮残留量无影响[16]。河北连续4年小麦-玉米轮作田间定位试验表明，在施氮量为200 kg·hm-2时，秸秆还田较秸秆不还田的氮盈余量增加128%[17]。因此，研究小麦-玉米轮作体系中秸秆还田配施化学氮肥的氮素平衡对氮素吸收利用和环境保护有重要意义。【本研究切入点】与单施氮肥相比，秸秆还田配施化学氮肥对作物产量和环境有重要影响。然而，目前秸秆还田和化学氮肥应用的研究多基于短期田间试验，基于连续定位试验的小麦-玉米轮作体系，以作物氮素养分吸收-土壤硝态氮残留-土壤氮素平衡为主线的系统研究较少。【拟解决的关键问题】本研究通过连续7年田间定位试验，研究玉米秸秆还田配施化学氮肥对冬小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量、地上部吸氮量、土壤硝态氮残留量及土壤氮素平衡的影响，为秸秆还田条件下合理的氮肥管理以实现作物稳产、降低土壤硝态氮残留与淋溶提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2011—2018年在陕西省周至县终南镇王才屯村（东经 108°22′4″，北纬 34°07′20″）进行，试验点位于关中平原，属半湿润易旱气候，冬小麦-夏玉米轮作，一年两熟。当地年均气温13℃，平均海拔524 m，降水量674 mm，无霜期225 d。试验前0—20 cm 土层土壤的基本理化性状为：有机质 18.6 g·kg-1，全氮 1.13 g·kg-1，硝态氮 4.03 mg·kg-1，有效磷8.51 mg·kg-1，速效钾 188 mg·kg-1，pH 7.28，土壤容重1.21 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验始于2011年10月，采用裂区设计，主处理为玉米秸秆还田和不还田2个水平，其中秸秆还田是将玉米秸秆机械粉碎后全量还田，在小麦播种前深翻（30 cm）入土，然后撒施肥料，用旋耕机旋耕 20 cm，再用带有土壤压实器的播种机播种；秸秆不还田是将玉米秸秆移出田块，其他耕作措施同秸秆还田处理。副处理为5个施氮量处理，设置施氮水平分别为 0（N0）、84 kg·hm-2（N84，低氮肥用量）、168 kg·hm-2（N168，当地推荐氮肥用量）、252 kg·hm-2（N252，高氮肥用量）、336 kg·hm-2（N336，超高氮肥用量）。所有处理磷、钾肥用量一致。2011年磷肥（P2O5）施用量为150 kg·hm-2、钾肥（K2O）施用量为 135 kg·hm-2，2012—2018 年调整为 100 kg P2O5·hm-2和75 kg K2O·hm-2。氮肥用尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，60%氮肥和全部磷、钾肥在小麦播前作底肥一次施入，其余40%氮肥在拔节期追肥。试验共10个处理，各处理重复4次，小区面积为35 m2。冬小麦品种为周麦23，小麦生育期不灌水。小麦收获后种植夏玉米，品种每年均为郑单 958，播量 45 kg·hm-2，机械播种，施氮量 108 kg N·hm-2，磷肥用量138 kg P2O5·hm-2。冬小麦和夏玉米生长期间管理措施均与当地农户一致，按时防病虫害、除草。2011—2018年小麦播种量分别为 188、165、168、168、168、168、168 和 168 kg·hm-2，2012—2018 年玉米秸秆还田量分别为5 500、4 910、8 064、11 290、7 840、9 583 和 6 972 kg·hm-2。

1.3 测定项目

1.3.1 冬小麦籽粒产量 在冬小麦成熟期各小区随机选取3个1 m2大小、具有代表性的区域采集小麦植株，待小麦植株风干后脱粒、称重。取部分籽粒样品，于65℃烘干至恒重，测定风干样的水分含量，计算小麦籽粒产量，并测定公顷穗数、穗粒数和千粒重等指标。此外，在各小区随机采3个1 m长的小麦样段，用于测定植株各部分（籽粒、茎秆和颖壳）养分含量。小麦生物量和籽粒产量均以烘干质量表示。

1.3.2 土壤硝态氮残留量 冬小麦收获时，在每个小区采集0—200 cm土层土样，每20 cm为一个土层采集，用AA3连续流动分析仪测定土壤硝态氮含量。

土壤硝态氮残留量（kg·hm-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝态氮含量（mg·kg-1）/10。

1.3.3 籽粒含氮量及蛋白质含量 随机采取各小区3个1 m长样段的植物样品按照籽粒、茎叶、颖壳分开，于 105℃下杀青，65℃烘干至恒重、粉碎混匀。用H2SO4-H2O2消煮，用连续流动分析仪（Auto analysis 3）测定消煮液氮素含量，籽粒含氮量乘以5.7即为籽粒蛋白质含量[18]。

1.3.4 氮平衡 氮平衡=氮输入-氮输出。氮输入=种子带入氮+化肥氮+秸秆还田带入氮+干湿沉降氮。氮输出=籽粒携出氮+秸秆收获携出氮。

种子带入氮（kg·hm-2）=种子含氮量（g·kg-1）×播种量（kg·hm-2）/1000；

秸秆还田带入氮（kg·hm-2）=秸秆还田量（kg·hm-2）×秸秆含氮量（g·kg-1）/1000。

1.4 数据处理

用 Microsoft Excel 2013整理试验数据，采用SigmaPlot 12.5作图，用SAS 9.2统计软件进行裂区试验方差分析，秸秆还田为主区，氮肥用量为裂区。方差分析结果用最小显著差异法（LSD）在 P＜0.05水平进行多重比较。用回归分析模拟氮肥用量与产量、产量构成要素、籽粒蛋白质含量、地上部吸氮量及土壤硝态氮残留量间的相关关系。

2 结果

2.1 秸秆还田和氮肥用量调控冬小麦产量及其构成要素

分析连续7年的冬小麦产量发现（表1），秸秆还田对小麦产量无显著影响，而氮肥用量显著影响小麦产量。与N0相比，N84、N168、N252、N336分别增产18%、24%、29%和24%（图1-a）。秸秆还田和氮肥用量的交互效应对小麦籽粒产量有显著影响。这主要表现在当氮肥用量为252和336 kg·hm-2时，秸秆还田处理较不还田处理增产5%—6%。然而与N252相比，N336处理的小麦籽粒产量平均减少3%—5%，说明进一步增加氮肥用量未能进一步增产、甚至有减产风险。可见，尽管秸秆还田未显著增产，但秸秆还田合理配施氮肥有增产趋势，同时应注意超高氮肥用量的减产风险。

秸秆还田对产量构成要素无显著影响，而氮肥用量显著影响产量构成要素（表1）。与N0相比，施氮处理的小麦公顷穗数增加12%—16%（图1-b），穗粒数增加8%—11%（图1-c），千粒重减少3%—7%（图1-d）。秸秆还田和氮肥用量的交互效应显著影响公顷穗数。与秸秆不还田相比，秸秆还田的公顷穗数在氮肥用量为252和336 kg·hm-2时增加了5%—7%。

表1 小麦产量、产量构成要素、籽粒蛋白质含量、地上部吸氮量和土壤硝态氮残留量的方差分析Table 1 Analysis of variance of wheat grain yield, yield components, grain protein, aboveground N uptake, and NO3--N residue

2.2 秸秆还田和氮肥用量对籽粒蛋白质含量和地上部吸氮量的影响

分析籽粒蛋白质含量发现（表1），秸秆还田对小麦籽粒蛋白质含量无显著影响，氮肥用量显著影响小麦籽粒蛋白质含量。与N0相比，N84、N168、N252、N336处理的籽粒蛋白质含量分别增加16%、31%、32%、33%（图 2-a）。秸秆还田对小麦地上部吸氮量无显著差异，氮肥用量显著影响地上部吸氮量。与N0相比，N84、N168、N252、N336处理的地上部吸氮量分别增加36%、64%、72%、72%（图2-b）。秸秆还田和氮肥用量的交互效应对地上部吸氮量有显著影响。当氮肥用量为252和336 kg·hm-2时，秸秆还田处理的小麦地上部吸氮量较不还田的增加 5%—8%。总体来看，秸秆还田未显著增加地上部吸氮量；无论秸秆是否还田，增加氮肥用量均显著增加地上部吸氮量。

2.3 秸秆还田和氮肥用量对土壤硝态氮残留量及其分布的影响

分析冬小麦收获期0—200 cm土层的土壤硝态氮残留量可知（表 1），秸秆还田、氮肥用量及其交互作用均显著影响土壤硝态氮残留量。与秸秆不还田相比，秸秆还田的土壤硝态氮残留量平均增加18%（图3）。与N0相比，N84、N168、N252和N336处理的土壤硝态氮残留量分别增加了73%（56 kg N·hm-2）、327%（252 kg N·hm-2）、610%（469 kg N·hm-2）和881%（678 kg N·hm-2）。在 N0、N84、N168、N252、N336条件下，秸秆还田比秸秆不还田的土壤硝态氮残留量分别平均增加30%、7%、29%、20%、13%（图3）。可见，秸秆还田措施和增加氮肥用量均使得土壤硝态氮残留量增加；氮肥用量与土壤硝态氮残留量呈指数关系，当氮肥用量超过推荐量时，增加的土壤硝态氮残留量高于增加的氮肥用量。

在高氮肥用量条件下，秸秆还田有增加深层土壤硝态氮含量的能力。以2018年为例，在N252和N336条件下，秸秆还田显著增加了70—130 cm土层及130—170 cm土层的土壤硝态氮含量（图4）。然而，在N0、N84和N168条件下，秸秆还田对剖面土层的土壤硝态氮含量无显著影响。

2.4 秸秆还田和施氮量对表观氮素平衡的影响

与秸秆不还田相比，秸秆还田有额外的秸秆投入，7年平均增加氮素养分投入29 kg·hm-2（表2）。然而，秸秆还田未显著增加小麦地上部吸氮量（籽粒和秸秆氮携出），故秸秆还田显著增加了氮盈余。在N252、N336条件下，秸秆还田的氮盈余比秸秆不还田分别平均增加19%和15%。表2表明，氮盈余在N0、N84条件下为负值，这表明不施氮和低氮肥用量提供的氮素不足以满足作物生长所需氮素养分。N168处理在秸秆不还田条件下，土壤氮处于亏损状态，秸秆还田后有效地弥补了氮亏损，使其处于合理状态。进一步增加氮肥用量，将大幅增加土壤氮盈余量，势必会增大环境风险。

表2 2011-2018年冬小麦-夏玉米轮作体系表观氮素平衡Table 2 Apparent N balance of winter wheat-summer maize rotation system during 2011 to 2018 (kg·hm-2)

3 讨论

3.1 冬小麦籽粒产量及其构成要素

秸秆还田可改善土壤理化性质、维持土壤碳氮平衡、增加土壤有机质含量、改善土壤养分结构，从而增加作物产量[12,20]。本研究结果证明，秸秆还田和氮肥用量对小麦产量有显著的交互效应。当氮肥用量为252和336 kg·hm-2时，秸秆还田处理较不还田处理增产 5%—6%，这主要归因于公顷穗数的增加（图1）。

本研究结果表明，无论秸秆还田与否，施用氮肥均显著增加小麦产量，氮肥用量过高时小麦有减产风险。在北京昌平试验站，冬小麦-夏玉米-春玉米轮作体系连续13年的田间定位试验结果显示，高氮肥施入未能带来相应高的净能量产出，适量氮肥投入获得高的净能量产出和净能量产投比[21]。在山东禹城冬小麦-夏玉米轮作区连续22年田间试验也表明，高量施氮不能继续提高小麦产量[22]。氮肥过量投入造成小麦贪青晚熟，遇干热风天气致使小麦籽粒灌浆不足、千粒重降低，从而导致减产[23]。总的来看，秸秆还田配施氮肥用量能增加小麦公顷穗数，进而提高小麦产量。然而，超高氮肥用量有减产风险。

3.2 小麦收获期土壤硝态氮残留量

土壤硝态氮淋失是污染地下水、危害人类健康的重要途径之一。关中地区 50%—70%的降水集中在7—9月，冬小麦收获后残留在土壤的硝态氮在降水作用下易发生淋失[24]。因此，减少土壤硝态氮残留是降低土壤硝态氮淋溶的核心途径之一。硝态氮在土壤剖面的残留受施氮量和秸秆还田等因素影响[25]。本研究结果显示，施氮在增加作物产量的同时也会增加土壤硝态氮残留量。在陕西关中连续7年小麦-玉米轮作田间试验[26]以及加拿大连续 27年田间试验的结果均表明，施用氮肥显著增加土壤硝态氮残留量[27]。更重要的是，土壤硝态氮残留量随氮肥用量呈指数增长。这意味着当氮肥用量超过作物生长所需的推荐量时，增加的土壤硝态氮残留量高于增加的氮肥用量。可见，施用适量的氮肥对维持作物产量和土壤硝态氮残留量的平衡有积极效应。

与秸秆不还田相比，秸秆还田增加土壤硝态氮残留量18%。这一方面因为秸秆还田对土壤硝态氮具有一定的固持作用，在一定范围内有能力减少土壤硝态氮淋失[20]；另一方面玉米秸秆还田后为土壤提供了额外的氮素，当小麦产量和地上部吸氮量未显著增加时，则会有更多未被小麦吸收利用的氮素残留在土壤中。而当秸秆还田配施适宜氮肥显著增产时，许多报道表明秸秆还田可降低土壤剖面硝态氮残留。然而，当氮肥施用量严重过量时，残留的土壤硝态氮将可能超过秸秆的固持能力，从而导致淋溶。本研究在 N252和N336条件下，秸秆还田处理由于额外的秸秆氮投入导致土壤硝态氮残留量显著增加。这可能是由于较高的土壤硝态氮含量在降水作用下脱离秸秆固持能力的束缚，移动到下层土壤中[17]。总的来看，秸秆还田能增加小麦收获期残留的土壤氮素，但应防止过量施用肥料氮带来的土壤硝态氮淋溶风险。

3.3 土壤表观氮素平衡

过多的肥料氮施用会导致氮肥利用率降低、作物产量下降、品质降低[28]。施用的肥料氮一部分被作物吸收利用，一部分残留在土壤中。残留在土壤中的氮素养分或随降水淋溶到土壤深层、或随径流进入地表水，污染水资源[24]；或经氨挥发、硝化-反硝化作用以气体形式进入大气，污染大气[29-30]，保持土壤表观氮素平衡对维持作物稳产、降低环境污染具有重要意义。本研究结果表明，秸秆还田显著增加了小麦-玉米轮作体系的氮盈余量，这是由于秸秆还田增加了农田氮素养分的输入量，但并未增加籽粒产量、籽粒蛋白质含量和地上部吸氮量等输出项，从而增加了土壤氮盈余量。在河南滑县也报道了秸秆还田的氮盈余量比秸秆不还田增加 6%[31]。研究结果还表明，土壤氮盈余量随氮肥用量的增加而增加。相似的结果在江苏徐州试验站也有报道[32]。相对于秸秆还田，氮肥用量对土壤氮盈余量影响更大。尽管本研究在分析小麦-玉米轮作体系下农田氮素平衡时未考虑土壤净氮矿化和表观氮损失，但这并未低估秸秆还田和氮肥用量对农田生态系统表观氮素平衡的重要作用。

总的来看，秸秆还田与高氮肥用量结合有能力增加小麦产量，但导致土壤硝态氮残留量和氮盈余量较高，因此提高秸秆还田条件下的氮肥管理水平对粮食生产和环境保护非常重要。综合考虑小麦籽粒产量、小麦收获期土壤硝态氮残留量和土壤表观氮素平衡，秸秆还田配施 168 kg·hm-2氮肥能在维持小麦籽粒产量的同时使土壤硝态氮残留和土壤表观氮平衡处于理想状态。

4 结论

连续7年的田间定位试验表明秸秆还田未提高小麦产量、籽粒蛋白质含量和地上部吸氮量。与不施用氮肥相比，施用氮肥的籽粒产量、籽粒蛋白质含量和地上部吸氮量分别增加18%—29%、16%—33%和36%—72%。秸秆还田和氮肥用量对小麦产量和地上部吸氮量有交互效应。与秸秆不还田相比，秸秆还田在氮肥用量为252和336 kg·hm-2时平均增产5%—6%，平均增加地上部吸氮量5%—8%。秸秆还田使土壤硝态氮残留量平均增加 18%，增加的硝态氮主要分布在70—170 cm土层。施用氮肥使土壤硝态氮残留量平均增加73%—881%。采用秸秆还田和增加氮肥用量均增加氮盈余，相对于秸秆还田，氮肥用量对土壤氮盈余量影响更大。总的来看，秸秆还田配施高氮肥用量有能力增加小麦产量和地上部吸氮量，但同时增加了土壤硝态氮残留量和氮盈余量，导致更大的环境代价。综合考虑小麦籽粒产量、土壤硝态氮残留和土壤表观氮平衡等，全量秸秆还田（年均还田量7 933 kg·hm-2）配施168 kg·hm-2氮肥更利于维持小麦产量和保护生态环境。