冀中南地区小麦—玉米轮作体系秸秆还田下适宜施氮量的研究

刘环环，刘强，李艳宁

（1.石家庄市农业技术推广中心，河北 石家庄 050000；2.石家庄市藁城区农业技术推广中心，河北 藁城 052165）

玉米是我国播种面积最大的主要粮食作物，每年秸秆产量高达3.5 亿t[1]。玉米秸秆营养丰富，含碳量为45%～50%，还含有多种营养元素，是十分重要的有机肥源物质[2～4]。玉米秸秆还田技术是我国实施耕地质量保护与提升的重要技术模式，也是实现农业废弃物资源化再利用的重要途径[5，6]，小麦—玉米轮作是冀中南地区重要的种植体系[7]，秸秆还田技术应用比较广泛，不仅能减少秸秆焚烧造成的环境污染和资源浪费，还能促进土壤有机质积累，改善土壤结构，增加耕层速效氮含量而引发土壤氮矿化的正激发效应，提高微生物群落多样性和多种土壤酶的活性，为农作物健康生长提供了良好的土壤环境[8～12]。但秸秆具有较高的碳氮比，还田后腐解时碳氮比失衡造成土壤微生物跟作物竞争可利用的氮素，进而影响产量的进一步提高，因此秸秆还田后合理地进行氮肥运筹是小麦—玉米轮作体系科学管理的关键环节[13，14]。研究表明，秸秆还田后合理施肥有助于维持土壤酸碱平衡，促进土壤中有机氮的矿化和固定氮的转化，提高氮肥利用率，增加产量，并有助于改善作物品质[15～20]。但氮肥施用过量，不仅会抑制作物营养器官中的氮素向子粒转移，降低氮肥农学利用率，导致减产降质[21～23]；还会加剧氮素的挥发和淋溶，造成资源损失增大，且污染环境[24～27]。因此，探究秸秆还田条件下农田适宜施氮量对合理利用资源、减少化肥用量、保护生态环境具有重要意义。

国内外学者对玉米秸秆还田的作用进行了诸多研究，但大多只是针对单一的小麦或玉米进行跟踪，难以揭示玉米秸秆还田后对2 种作物氮肥用量与产量的关系。基于此，在冀中南地区玉米秸秆还田的基础上，进行不同施氮量对小麦和玉米产量结构以及氮素收获指数的影响试验，明确每种作物的最佳施氮量和最高产量，旨为该区域高效利用秸秆资源和优化施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河北省石家庄市藁城区进行。试验田土壤类型为轻壤质石灰性褐土，基础土壤养分含量为有机质23.32 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷23 mg/kg、速效钾 265 mg/kg，pH 值 7.4。

1.2 试验材料

小麦品种为藁优5766，玉米品种为郑单958。

所施肥料为尿素（N 含量46%，史丹利化肥股份有限公司）、重过磷酸钙（P2O5含量44%，新洋丰农业科技股份有限公司）、氯化钾（K2O 含量60%，中化化肥有限公司）和硫酸钾（K2O 含量52%，中化化肥有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 本研究是在前茬玉米秸秆切段（长3～5 cm） 还田的基础上开展的，试验时长为1 个小麦—玉米轮作周期，小麦阶段的试验结束后在原地块进行玉米阶段的试验。小麦和玉米的氮肥施用量均设无氮 （N0）、低氮 （N1）、中氮 （N2） 和高氮 （N3，当地常规施肥）4 个处理（表1），同一作物阶段不同处理的P2O5和K2O 施用量均相同。试验地两端设保护行，小区面积667 m2，3 次重复。

小麦 2020 年 10 月 14 日施用尿素 （N0、N1、N2、N3处理的施用量分别为 0.00、195.65、228.26 和260.87 kg/hm2）、重过磷酸钙204.55 kg/hm2和氯化钾125.00 kg/hm2做底肥，10 月 16 日播种；2021 年 4 月3 日追施尿素1 次，各处理的施用量均同其播种前；6月8 日收获。玉米2021 年6 月17 日播种并施入尿素 （N0、N1、N2、N3处理的施用量分别为 0.00、195.65、244.57 和293.48 kg/hm2）、重过磷酸钙136.36 kg/hm2和硫酸钾115.38 kg/hm2做底肥；8 月3 日追施尿素1次，各处理的施用量均同其播种前；9 月28 日收获。其他田间管理措施同常规。

1.3.2 测定项目与方法 作物成熟期，每小区均采取“S”型取样法选取3 个样点，每个样点均选取1 m 双行的样方，统计样点内的小麦穗数（玉米株数），计算单位面积穗数（株数）。作物收获时，各小区均单独收割，统计子粒产量和茎叶产量，计算谷草比（子粒产量/茎叶产量）；每小区均随机选取长势均匀的植株（小麦20 株，玉米10 株），测定穗粒数、千粒重、子粒氮素积累量和茎叶氮素积累量，计算氮素收获指数（子粒氮素积累总量/植株氮素积累总量×100%）。

将各作物的施氮量与其子粒产量作散点图，并对二者关系进行拟合，得到每种作物施氮量与其子粒产量的二元函数方程；然后，根据方程，计算得到每种作物的最佳施氮量及其最佳产量。

1.3.3 数据统计分析 利用SPSS 20 和Excel 软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下施氮量对作物产量的影响

施氮处理的小麦子粒和茎叶产量均显著＞N0处理，指标值顺序均为N2处理＞N1处理＞N3处理，其中，N2处理的子粒产量分别较N0、N1、N3处理提高12.94%、0.94%和4.42%且差异均达到了显著水平，而茎叶产量不同处理间差异均不显著；谷草比均＞N0处理，指标值顺序为N2处理＞N1处理＞N3处理，其中N1与N2处理差异不显著，但二者均与其他2 个处理差异达到了显著水平（表2）。表明N2处理效果最好，可以显著提高小麦子粒产量、茎叶产量和谷草比。进一步对N2与N1和N3处理的小麦子粒产量构成因素进行分析，结果显示，该处理下穗粒数和千粒重最高，单位面积穗数最少，其中千粒重与其他2 个施氮量处理差异均达到了显著水平。表明N2处理主要通过显著提高千粒重实现了子粒产量的明显提高。

表2 施氮量对小麦和玉米产量的影响Table 2 Effects of nitrogen application rate on the yield of wheat and maize

施氮处理的玉米子粒和茎叶产量均显著＞N0处理，指标值顺序均为N2处理＞N1处理＞N3处理，其中，N2与N1处理差异不显著，但二者均与N3处理差异达到了显著水平；谷草比均＞N0处理，指标值顺序为N2处理＞N1处理＞N3处理，其中N2与N1处理差异不显著，但二者均与其他2 个处理差异达到了显著水平。表明N2和N1处理均可以显著提高玉米子粒产量、茎叶产量和谷草比，二者效果基本相当，其中N2处理效果更好。进一步对N2和N1处理的玉米子粒产量构成因素进行分析，结果显示，N2处理下单位面积株数和穗粒数均略＜N1处理，而千粒重显著＞N1处理。表明N2处理主要通过显著提高千粒重实现了子粒产量的提高。

综上分析可以看出，秸秆还田下2 种作物均以中氮处理效果最好，可以显著改善作物的生长状况，提高子粒产量；而施氮量过高或过低，在一定程度上均面临减产的风险。这与前人的轮作体系中作物产量与氮肥用量呈二次曲线关系[28～30]研究结果相一致。本研究设置的高氮水平为当地习惯施肥，因此认为，该地区农业生产上秸秆还田后适当降低氮肥用量可以实现作物子粒高产。

2.2 秸秆还田下施氮量对植株氮素积累量和氮素收获指数的影响

施氮处理的小麦子粒氮素积累量和氮素收获指数均＞N0处理，指标值顺序为 N2处理＞N3处理＞N1处理，其中，子粒氮素积累量N2与N3处理差异不显著但二者均与N1处理差异达到了显著水平，而氮素收获指数不同处理间差异均达到了显著水平；茎叶氮素积累量均＞N0处理，指标值顺序为 N1处理＞N3处理＞N2处理，其中N1与N3处理差异不显著，但二者均与N2处理差异达到了显著水平（表3）。表明N2处理效果最好，可以显著促进茎叶中的氮素向子粒转移。

表3 施氮量对小麦和玉米氮素积累的影响Table 3 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of wheat and maize

施氮处理的玉米子粒氮素积累量和氮素收获指数均＞N0处理，指标值顺序为 N2处理＞N3处理＞N1处理，其中，N2与N3处理差异不显著，但二者的子粒氮素积累量均与N1处理差异达到了显著水平；茎叶氮素积累量均＞N0处理，指标值顺序为N3处理＞N2处理＞N1处理，其中N2与N3处理差异不显著，但二者均与N1处理差异达到了显著水平。表明N2处理效果最好，可以显著促进茎叶中的氮素向子粒转移。

综上分析可以看出，秸秆还田下2 种作物均以中氮处理效果最好，可以显著促进茎叶中的氮素向子粒转移，但施用过多会抑制这种效应。这与易镇邪等[31]氮肥用量过多会造成作物营养器官氮素转运率增加、抑制光合产物向子粒输送的研究结果相一致。因此，秸秆还田后合理配施氮肥对维持较高作物产量和提高氮素收获指数至关重要。

2.3 秸秆还田下施氮量与作物产量的关系

分别将小麦和玉米的施氮量（x）与其子粒产量（y）作散点图（图1 和2），并对二者关系进行拟合，得到小麦施氮量与子粒产量的二元函数方程为y=-0.047 2x2+14.393x+8 249.20（R2=0.962 4），玉米施氮量与子粒产量的二元函数方程为y=-0.048 9x2+18.417x+9 485.70（R2=0.986 2）。经计算，得到小麦的最佳施氮量为152.47 kg/hm2，最佳产量为9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量为188.31 kg/hm2，最佳产量为11 219.78 kg/hm2。

图1 氮肥施用量与小麦产量的关系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and wheat yield

3 结论与讨论

氮肥施用量显著影响玉米秸秆还田与氮肥的互作效应[12]。施氮量低于或超过最高产量的需求量时均不利于产量的提高，且施氮量过高还会加剧氮素损失，增加生产成本，污染环境[32，33]。随着秸秆还田比例的进一步提高，优化秸秆还田后氮肥施用管理措施，以达到减肥增效、改良土壤、保护环境的目的尤为重要。

本研究条件下，小麦和玉米的子粒产量均以中氮处理最高，表明秸秆还田下合理施用氮肥是作物获得高产的重要保证，这与刘晶等[34]和王博博等[35]的研究结果一致；秸秆还田后作物的子粒产量和氮素收获指数均随施氮量的增加呈先升高后降低的变化，且指标值均以中氮处理最大。此外，在本研究中还对作物施氮量与子粒产量进行耦合，以探明适合该地区的最佳施氮量，根据耦合曲线计算得到该地区小麦的最佳施氮量为152.47 kg/hm2，最佳产量为9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量为188.31 kg/hm2，最佳产量为11 219.78 kg/hm2。

本研究的作物最佳施氮量是根据作物施氮量—子粒产量的耦合曲线计算得到的，而在生产实际中作物品种和气候条件等均会对氮肥的转化和利用有一定的影响，但影响程度尚不清楚。今后应继续试验进行深入探讨，并通过多年分品种定位试验探究秸秆还田后小麦和玉米的最佳施氮量，以更好地指导当地粮食生产。此外，还应进一步探讨秸秆还田与氮素施用量的互作效应，确定合理的氮肥施用量、施用时间和施用方法等，形成技术规程指导当地农业生产，从而充分发挥秸秆还田增产提质、减肥增效的作用。