吉林省中部黑土区秸秆全量深翻还田条件下春玉米氮肥适宜用量研究

李兴吉，王 岭†，程 松，刘剑钊，王艺霖，逄 娜，梁 尧，张水梅，任 军，蔡红光*

（1 吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130118；2 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林长春 130033）

东北黑土地肥力退化主要表现之一是黑土表层有机质减少。秸秆还田是增加土壤有机质含量和更新速率、提升土壤地力的重要措施之一[1-3]。然而，东北黑土区农田玉米收获后水热不足，秸秆腐解速度慢，翌年春耕整地后播种质量受到严重制约[4]。实施秸秆全量直接还田是最经济有效的增碳培肥方式。目前生产上玉米秸秆全量还田以深翻和覆盖两种技术为主体。其中，王立春等[5]制定了深翻还田行业标准，并在黑土地保护利用试点县逐年推广，面积逐步扩大，6年田间定位试验表明，此项技术可有效改善耕层土壤质量，提高土壤水分“保、蓄、供”能力，与普通生产田相比，有机质含量平均增加12.4%，容重下降6.8%～10.2%，耕层厚度增加至35 cm。在中部黑土区，此项技术解决了生产中耕层浅、实、少和土壤有机质下降以及养分过量消耗等诸多土壤肥力退化问题，构建了肥沃耕层，实现玉米高产稳产[6]。

氮肥是提高玉米产量的重要贡献者，经估算，秸秆还田后的氮素释放率达91.70%[7]，在补充土壤碳的同时，也可以有效补充土壤氮。曾研华等[8]研究表明，秸秆还田可以替代部分氮肥，有利于减少农田氮肥施用量，还田秸秆的氮肥可替代比例为10%～30%，说明秸秆还田后，氮素可实现减量施用，随着还田时间的增加，秸秆养分腐解量增多，可同时满足微生物代谢和玉米生长的氮素需求，秸秆氮对作物的氮素累积量贡献率和秸秆氮素总利用率有显著提高[9]。目前秸秆全量深翻还田后氮肥的减量施用技术尚需要系统研究，基于此，本研究在多年秸秆全量深翻还田的基础上，通过3年的田间定位试验，系统分析了不同氮肥处理下氮素累积、生物量、产量等指标的变化特征，进一步讨论秸秆全量深翻还田后氮肥的减量施用，为吉林中部地区秸秆全量深翻还田后氮肥减施提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验田 (43°29′55″N，124°48′43″E)进行，该地区属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷，夏季高温多雨，年均降雨量540 mm，年均日照2743 h，年均有效积温2800～3000℃，无霜期130～140 天，土壤类型为黑土。0—20 cm土层土壤基本理化性质为有机质3.18%、全氮1.56 g/kg、全磷0.46 g/kg、全钾21.6 g/kg、pH 4.85；20—40 cm土层为有机质2.84%、全氮1.47 g/kg、全磷0.42 g/kg、全钾21.3 g/kg、pH 5.07。该试验区自2011年开始，每年秋收后均实施玉米秸秆全量深翻还田作业。

1.2 试验设计

试验于2017—2019年进行，双因素设计，主因素为氮水平，共设7个氮水平，分别为N 0、60、120、180、240、300、360 kg/hm2。副因素为品种，分别为富民985 (Fumin 985)和翔玉211 (Xiangyu 211)，播种密度均为6万株/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积36.4 m2，磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量均为90 kg/hm2。40%的氮肥和全部磷钾肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔节期追施。2017—2019年试验区全年降雨量分别为524.4、598.3、606.0 mm (图1)。

图1 试验区2017—2019年月平均降水量Fig. 1 Monthly precipitation during 2017-2019 in the experimental stations

1.3 样品采集与测定

土壤样品于2017年玉米收获后采集，采用五点采样法，用土钻分别采集0—20和20—40 cm土层土壤样品，剔除动、植物残体和石块，风干后过2 mm筛待测。土壤基础理化指标采用常规分析法测定。于抽雄期和成熟期采集Fumin 985植株样本，抽雄期分为茎和叶两部分，成熟期分为茎、叶和籽粒3部分，于105℃杀青30 min后，于80℃烘干至恒重，称重并计算地上部干物重；采用H2SO4-H2O2消煮法，流动分析仪测定植株氮含量。

成熟期测产，调查穗鲜重和收获穗数，取标准穗10穗风干脱粒、测含水量，以14%含水量折算玉米籽粒产量。另外选取标准穗10穗进行考种。

1.4 数据处理

采用Excel 2016处理数据，并用SPSS 23软件检验处理间的差异显著性(LSD方法)，Origin 2018软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理对产量及其组分的影响

方差分析结果(表1)表明，对于产量、百粒重、收获穗数和穗粒数，年份、处理和品种3个因素均对其产生显著影响，对于产量、穗粒数和百粒重，年份与处理间交互作用显著，对于产量、收获穗数和百粒重，年份与品种间交互作用显著，施氮肥处理的产量和百粒重较N0处理均差异显著，以N180处理最高，较不施氮分别增加31.3%、9.70%，施氮肥处理的收获穗数和穗粒数较N0处理均差异显著，以N120处理最高，较不施氮分别增加12.9%、15.2%，年际间，2017年产量较其他两年差异显著，百粒重、收获穗数和穗粒数较其他两年均有显著差异。

表1 不同氮肥处理下玉米产量及构成因素Table 1 Yield and yield components of maize under different nitrogen treatments

2.2 不同氮肥处理对干物质积累量的影响

如图2所示，结合3年总体趋势来看，不同氮肥运筹处理下的干物质积累量均随着生育期的推进而增加，从拔节期后开始，各施氮处理的干物质积累量与N0处理相比有明显的差异，说明施氮对玉米干物质积累量作用显著，吐丝期前各处理的干物质积累量上升较快，吐丝期至成熟期各处理的干物质积累量上升趋势略缓慢，随年际的变化，2018和2019年相比2017年N0处理的干物质积累量分别降低10.6%、21.4%。2017年拔节期，不同施氮处理的干物质积累量以N120处理最高，各处理的干物质积累量均无显著差异，吐丝期不同施氮处理的干物质积累量以N180处理最高，与N0处理相比差异显著，增加41.2%，与其他处理相比均无显著差异，成熟期不同施氮处理的干物质积累量以N180处理最高，N180处理与N0处理相比差异显著，增加47.4%，其他处理与N180处理相比无显著差异。2018年拔节期，N180处理干物质积累最高，与N0处理相比差异显著，增加87.5%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期N120处理干物质积累最高，各处理的干物质积累量均无显著差异，成熟期N180处理干物质积累最高，N180处理与N0处理相比增加29.8%，N180处理与N360处理相比增加20.2%，其他处理与N180处理相比无显著差异。2019年拔节期，N180处理干物质积累最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加114.4%、99.0%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期，N240处理干物质积累最高，各施氮处理较N0处理增幅10.9%～59.7%，成熟期N240处理干物质积累最高，N240处理与N0、N60、N360处理相比差异显著，分别增加80.7%、26.1%、40.2%，其他处理与N240处理相比无显著差异。

图2 不同氮肥处理下玉米干物质积累量的变化Fig. 2 Change in dry matter accumulation of maize under different nitrogen treatments

2.3 不同氮肥处理对氮素累积量的影响

如图3所示，结合3年不同生育期的氮素累积量来看，变化趋势与干物质积累量一致，不同氮肥运筹处理下的氮积累量均随着生育期的推进而增加，从拔节期开始，各施氮处理的氮积累量与N0处理相比有明显的差异，吐丝期前各处理的氮积累量上升较快，吐丝期至成熟期各处理的氮积累量上升趋势略缓慢。2017年拔节期，N180处理氮积累量最高，与N0、N300、N360处理相比差异显著，分别增加98.5%、38.1%、49.0%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期N240处理氮累积量最高，与N0、N60、N120处理相比差异显著，分别增加80.0%、28.1%、29.1%，其他处理与N240处理相比无显著差异；成熟期N300处理氮累积量最高，N300处理与N0、N60、N120处理相比差异显著，分别增加99.0%、40.8%、26.2%，其他处理与N300处理相比无显著差异。2018年拔节期，N180处理氮累积量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加98.7%、49.0%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期N240处理氮累积量最高，与N0、N60、N120处理相比差异显著，分别增加88.3%、31.8%、24.1%，其他处理与N240处理相比无显著差异；成熟期N240处理氮累积量最高，N240处理与N0、N60处理相比差异显著，分别增加81.0%、27.2%，其他处理与N240处理相比无显著差异。2019年，拔节期N180处理氮累积量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加157.3%、95.7%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期N240处理氮累积量最高，各施氮处理较N0处理增幅54.4%～158.4%；成熟期N240处理氮累积量最高，N240处理与N0、N60、N120、N360处理相比差异显著，分别增加123.9%、38.8%、19.6%、25.4%，其他处理与N240处理相比无显著差异。

图3 不同氮肥处理下玉米氮积累量的变化Fig. 3 Change in nitrogen accumulation in maize under different nitrogen treatments

2.4 不同生育时期玉米干物质积累

由表2可知，不同氮肥处理的茎、叶干物质积累量均于吐丝期至乳熟期达到最大值，乳熟期至蜡熟期干物质积累量逐渐下降，在拔节期N180处理的茎秆干物质积累量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加70.3%、54.1%，其他处理与N180处理相比无显著差异。吐丝期N240处理的茎秆干物质积累量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加36.4%、19.6%，其他处理与N240处理相比无显著差异；N240处理的叶干物质积累量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加29.4%、15.0%，其他处理与N240处理相比无显著差异。成熟期N180处理的茎秆干物质积累量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加41.0%、22.5%，其他处理与N180处理相比无显著差异；N180处理的叶干物质积累量最高，较N0、N60、N120、N300、N360处理分别增加49.7%、20.9%、16.2%、15.0%、25.5%，N180处理的籽粒干物质积累量最高，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加57.2%、28.9%，其他处理与N180处理相比无显著差异。

表2 不同生育时期玉米干物质积累(2017—2019平均值)Table 2 Dry matter accumulation in maize at different growth stages (2017-2019 average)

2.5 不同生育时期玉米氮素累积

由表3可知，不同氮肥处理的茎、叶氮累积量均于吐丝期至乳熟期达到最大值，乳熟期至蜡熟期氮累积量逐渐下降，拔节期N180处理的茎秆氮累积量最大，与N0、N360处理相比差异显著，分别增加121.4%、63.2%，其他处理与N180处理相比无显著差异；吐丝期N240处理的茎秆氮累积量最大，较N0、N60、N120、N300、N360处理分别增加93.6%、46.8%、30.0%、13.8%、24.7%，N240处理的叶氮累积量最大，较N0、N60、N120、N180、N360处理分别增加125.9%、39.7%、32.6%、15.8%、13.0%，成熟期N360处理的茎秆氮累积量最大，较N0、N60、N120、N180处理分别增加125.0%、60.7%、25.0%、23.3%；N180处理的叶氮累积量最大，与N0、N60处理相比差异显著，分别增加139.5%、33.8%，其他处理与N180处理相比无显著差异；N240处理的籽粒氮累积量最大，较N0、N60、N120、N180、N360处理分别增加96.9%、37.9%、22.3%、14.2%、22.3%。2017年，N300处理氮还入量最高为68.9 kg/hm2，较N0、N360 处理分别增加155.0 %、15.2%；2019年，N240处理氮还入量最高为109.9 kg/hm2，较N0、N360 处理分别增加156.7%、33.4%。

表3 不同生育时期玉米氮素积累(2017—2019平均值)Table 3 Nitrogen accumulation in maize at different growth stages (2017-2019 average)

2.6 不同氮肥处理玉米开花前后地上部植株氮累积量分配比例

3年试验结果(图4)表明，不同施氮水平下花前(拔节期至吐丝期)与花后(吐丝期至成熟期)的氮累积量的分配规律基本一致，花前的氮积累量分配比例随着施氮量的提高呈现先降后升的趋势，花后的氮积累量分配比例随着施氮量的提高呈现先升后降的趋势，2017年以N240处理开花后的氮积累量分配比例最高，开花期前后的氮累积量的分配比例分别为60.3%、39.7%，其他处理与N240处理相比均无显著差异。随着年际的推移，2018、2019年均以N180处理花后的氮积累量分配比例最高，花前花后的氮累积量的分配比例分别为63.09%、36.91%和69.39%、30.61%，其中2018年其他处理的花后的氮积累量分配比例与N180处理相比均无显著差异，2019年N180处理花后的氮积累量分配比例与N240、N300、N360处理相比差异较显著，分别增加52.2%、77.9%、86.6%，其他处理与N180处理相比均无显著差异。

图4 不同氮肥处理开花前后地上部植株氮累积量比例Fig. 4 Nitrogen accumulation ratio in plant shoots before and after flowering under different N fertilizer treatments

2.7 不同产量水平下的氮肥适宜用量

如图5所示，2017—2019年两个玉米品种的产量均随着施氮水平的提高呈现先上升后降低的趋势，产量相对于施氮量的变化满足二次曲线方程模型。依据方程计算，2017年富民985、翔玉211的最佳经济产量分别为13171、13710 kg/hm2，适宜施氮量分别为165、167 kg/hm2；2018年播种后，5月1日至27日约1个月未降雨，影响苗期质量，导致最终产量偏低，适宜施肥量出现偏差，富民985和翔玉211的最佳经济产量分别为10343和11361 kg/hm2，适宜施氮量分别为125和143 kg/hm2；2019年富民985和翔玉211的最佳经济产量分别为12030和13243 kg/hm2，适宜施氮量分别为159和164 kg/hm2。2018、2019年N0处理的产量相比于2017年N0处理的产量分别降低10.9%、26.2%，2017年N180处理比N0处理产量增加23.2%，2019年N180处理比N0处理产量增加55.1%。随种植年限的增加，适宜氮肥用量略有下降，但两个品种间的适宜氮肥用量十分接近。基于此，以2017和2019年平均产量拟合出最佳经济产量为13028 kg/hm2，适宜施氮量为162 kg/hm2。

图5 不同氮肥用量处理玉米产量的变化Fig. 5 Changes of maize yield under different nitrogen application rates

3 讨论

玉米秸秆还田可显著提高土壤有机质含量，对土壤物理性状具有明显的改善作用，增强土壤的蓄水能力[10-12]，同时，秸秆中的氮、磷、钾和硅等能够有效补充土壤养分。本研究在多年秸秆全量深翻还田背景下，通过3年田间定位试验，系统地研究了不同氮水平下氮素累积、生物量、产量变化特征。本研究中，春玉米干物质积累量随着生育期的推进而增加，且每个生育期的干物质随着施氮水平的提高呈现先上升后降低的趋势，在施氮量大于240 kg/hm2时干物质积累量开始下降，表明氮肥施用过多并不能有效地促进玉米干物质的形成。吐丝期前各处理的干物质积累量上升较快，吐丝期至成熟期各处理的干物质积累量上升趋势略缓慢[13]。地上部氮素积累趋势从拔节期后开始，各施氮处理的氮积累量与N0处理相比有明显的差异，吐丝期前各处理的氮积累量上升较快，吐丝期至成熟期各处理的氮积累量上升趋势略缓慢，这与干物质积累量的变化趋势一致。

作物生物量的累积量与养分的积累有着密切的关系，养分积累是生物量累积的基础，也是作物产量形成的基础。玉米生育期内吸收养分的能力强，充足的养分供应是玉米获得高产的关键[14]，秸秆还田增加了土壤氮素来源，改变了土壤供氮特性[15]，本研究表明，不同氮水平下，秸秆理论带入全氮养分量差异明显，2017年，N300处理氮还入量最高为68.9 kg/hm2，较N0、N360处理分别增加155.0%、15.2%；2019年，N240处理氮还入量最高为109.9 kg/hm2，较N0、N360处理分别增加156.7%、33.4%，秸秆全量还田的氮还入量随着施氮水平的升高而呈现先上升后降低的趋势，随着种植年限的增加，2019年N0处理的氮还入量较2017年增加58.3%，2019年N240处理的氮还入量较2017年增加78.0%，2019年N360处理的氮还入量较2017年增加37.6%，不同施氮水平的氮还入量随着秸秆还田年限的增加而逐渐上升，这与闫宇婷等[15]研究结果一致。

本研究中，玉米产量均随着施氮水平的提高呈现先上升后降低的趋势。N0处理的产量随着年限的增加而逐年递减，2018、2019年相比于2017年分别降低10.9%、26.2%，各处理间差异也逐渐增大，2017年N180处理比N0处理产量增加23.2%，到2019年N180处理比N0处理产量增加55.1%。2018年由于气候因素导致氮肥适宜用量出现偏差，但总体而言，在秸秆全量深翻还田后，随着种植年限的增加，氮肥适宜用量有逐步降低的趋势，说明秸秆还田释放的氮素逐渐增加，弥补了氮素的损失，这与闫宇婷等[15]研究结果一致。

本研究以2017和2019年数据拟合方程，计算得出秸秆全量深翻还田后玉米最佳经济产量13028 kg/hm2的条件下，适宜氮肥用量为162 kg/hm2；将2018年异常年份统筹考虑，结合3年的曲线方程拟合出最佳经济产量为12228 kg/hm2，对应最佳经济施氮量为163 kg/hm2。在本地区相似土壤肥力及种植环境下，叶东靖等[13]研究表明，秸秆离田后常规耕作不同氮水平下最佳经济产量为12031 kg/hm2，最佳经济施氮量为226 kg/hm2，郑伟等[16]研究表明，秸秆离田后常规耕作最佳经济产量为12592 kg/hm2，最佳经济施氮量为227 kg/hm2。由此推算，经多年秸秆全量深翻还田后，促使土壤微生物数量增加以及活性增强，并加速土壤有机氮的矿化，替代了部分氮肥用量[17]，长期秸秆还田的累积效应，增加土壤有机质、改善土壤物理结构，为玉米减氮高产提供有利生长环境[18]。氮肥适宜用量有显著降低的趋势，降低幅度在35%以上[19]，这也表明秸秆全量还田具有明显的减氮增效作用。

4 结论

在吉林中部黑土区，多年秸秆全量深翻还田条件下，氮肥水平、年份、品种及其交互作用均对产量产生显著影响，但是氮肥的效应依然最重要。不同施氮水平下秸秆全量还田(均值9800 kg/hm2)带入全氮养分量平均为101.5 kg/hm2；由于秸秆中积累的氮素持续回田，可进一步降低适宜氮肥的用量。本试验中适宜氮肥用量为160～165 kg/hm2，产量水平保障在 12～13 t/hm2。