秸秆还田与花后灌溉提高春玉米产量及水氮利用效率

王永亮，胥子航，李申，梁哲铭，薛晓蓉，白炬，杨治平

秸秆还田与花后灌溉提高春玉米产量及水氮利用效率

王永亮，胥子航，李申，梁哲铭，薛晓蓉，白炬，杨治平

山西农业大学生态环境产业技术研究院/农业农村部盐碱土改良与利用重点实验室（学科群）/土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031

【目的】研究秸秆还田与花后灌溉量对春玉米产量及水氮利用效率的影响，探究实现黄土高原东部河谷平原区春玉米水氮可持续高效利用的有效管理措施。【方法】基于连续7年长期定位试验（2014—2020年），在2021—2022年开展田间试验，采用裂区设计，主区为秸秆还田（R）和无秸秆还田（U），副区为5个花后灌溉量0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）、200（I200） mm，分析春玉米花后干物质累积量与耗水量的关系，并研究不同处理对春玉米产量、经济效益以及水氮利用效率的影响。【结果】秸秆还田与花后灌溉量及二因素互作显著提高春玉米产量、经济效益及水氮利用效率。与无秸秆还田相比，秸秆还田后玉米增产15.1%—43.5%，经济效益提高15.9%—49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用效率、农学效率与偏生产力分别显著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%。花后干物质累积量与耗水量之间呈现二次函数关系，与无秸秆还田相比，秸秆还田处理表现出较强的花后水分生产力，同时，产量响应系数显示秸秆还田处理在受到干旱胁迫时具有更强的水分缓冲能力。秸秆还田条件下各花后灌溉量处理玉米籽粒产量、干物质累积量、氮素吸收量及水氮利用效率均以I150处理最高。此外，秸秆还田与花后灌溉均显著促进了春玉米花后根系生长，但过量灌溉（I200处理）则抑制根系生长。【结论】黄土高原东部河谷平原春玉米生产系统中，秸秆还田配合花后灌溉150 mm可实现春玉米最佳籽粒产量与水氮利用效率，因此可作为该地区春玉米水氮高效可持续利用的管理措施。

春玉米；秸秆还田；花后灌溉；水氮利用效率；产量响应系数

0 引言

【研究意义】传统农业产生了大量农作物秸秆，并且我国已明令禁止秸秆焚烧，因此，如何合理利用残留的农作物秸秆是农业生产中所面临的一个重要问题[1]。黄土高原东部河谷平原是黄土高原地区春玉米主产地之一，但有限的降雨及其年季间分布不均是造成该地区作物产量与水肥利用效率低下的重要因素，也是限制该地区农业发展的主要因素[2-3]。同时，不合理的灌溉制度难以与春玉米自身用水需求相协调，导致灌溉水资源浪费和土壤养分损失现象严重[4]，因此，优化灌溉制度提高水肥利用效率对实现该地区玉米高产高效目的具有重要意义。【前人研究进展】秸秆还田具有改善农田生态环境a、提高土壤质量以及蓄水保墒等作用，有利于作物根系对水分、养分的吸收，因此已逐渐成为农业生产中一种应用广泛的秸秆利用措施[5]。研究发现，秸秆还田可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，改善土壤含水量[6]。同时，秸秆还田经腐解后可以提高土壤养分，促进作物产量形成以及地上部氮素吸收[7]。大量研究表明，合理灌溉可以消除水分限制，调控土壤氮素转运及作物根系分布，有效提高作物产量与氮素利用效率[8]。罗帅等[9]研究表明，玉米产量与水分利用效率随灌溉量增加呈现抛物线趋势，但过量灌溉会抑制玉米根系对土壤养分的吸收，使地上部光热资源利用过度，生殖生长时间延后，灌浆时间缩短[10]，导致玉米减产[11-12]，同时过量灌溉还存在污染地下水的风险[13]，所以灌溉量的确定十分必要。然而，受不同地区降雨、地域、作物品种及田间管理措施不同的影响，实现玉米高产高效的最佳灌溉量也存在一定区域差异。已有研究表明，在黄土高原西部地区，施氮量为260 kg N·hm-2时可实现春玉米最高产量的全生育期灌溉量为327—409 mm[14]；在黄土高原南部地区，当全生育期灌溉量为350—425 mm时既能提高玉米产量与水分利用效率又能改善籽粒含氮量[15]；而在西北部边疆地区，膜下滴灌玉米最佳的生育期灌溉总量则高达525—600 mm[16]。【本研究切入点】目前有关秸秆还田措施的研究较多，多集中在土壤性状与培肥效应方面，已基本明确秸秆还田措施对作物生长发育及产量的促进作用[17-20]。然而，在黄土高原东部河谷平原区春玉米种植体系中，秸秆还田对春玉米水氮利用效率的相关研究较少。同时，由于该地区春季干旱严重，土壤含水量较低[21]，当地农户统一在播种前采用漫灌方式进行大面积灌溉（灌溉量约150 mm）来保证玉米出苗与花前生长，而对于该地区适宜的花后灌溉量的研究尚未有定论，并且与秸秆还田互作对春玉米生产的影响机理尚不明确。【拟解决的关键问题】本试验在连续7年长期定位试验（2014—2020年）的基础上，开展为期2年的春玉米田间定位试验，探究该地区秸秆还田与无秸秆还田条件下花后灌溉量对春玉米产量及水氮利用效率的影响，明确黄土高原东部河谷平原春玉米生产系统水氮高效可持续利用的管理措施，为该地区玉米高产、资源高效以及环境友好的农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2021—2022年山西农业大学东阳试验示范基地（112 °39 ′59 ″E，37 °33 ′20 ″N，海拔779.2 m）开展，该地区属于温带大陆性季风气候，年均气温为9.7 ℃，年均降雨量为440.7 mm，约70%的降雨集中在6—9月，2021—2022年春玉米生育期气温与降雨情况如图1所示，2021年春玉米生长季花前、花后与总降雨量分别为182.2、151.2和333.4 mm，属平水年，2022年分别为173.7、56.5和230.2 mm，属缺水年。试验地土壤类型为石灰性潮土，质地为砂壤土，萎蔫系数为5.8%，试验开始前0—40 cm土层基本理化性质为有机质6.6 g·kg-1、全氮0.6 g·kg-1、有效磷8.3 mg·kg-1、速效钾114.9 mg·kg-1、土壤容重1.5 g·cm-3。

图1 2021和2022年春玉米生育期降雨量与气温

1.2 试验设计与田间管理

基于连续7年长期定位试验（2014—2020年），采用裂区设计，主区为秸秆还田（R）与无秸秆还田（U）两种秸秆管理措施，副区为5个花后灌溉量，分别为0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）和200（I200）mm，共10个处理，重复3次。另外设计不施肥处理用于氮素利用率计算。秸秆还田方式为粉碎旋耕全量还田，即前茬玉米收获后，将残留的秸秆全部移出并用机器粉碎成长度5—10 cm的小段，霜冻前人工均匀平铺于小区地表，再进行旋耕还田处理，还田量约为7.5 t hm-2，还田后秸秆主要分布在0—20 cm土层。由于该地区春季干旱严重，两年内所有处理进行播前灌溉（灌溉量约150 mm）以保证玉米出苗。两年内花后灌溉时间为吐丝期取样后3天，日期分别为2021年7月27日和2022年8月4日。

玉米品种选用大丰30，种植密度为67 500株/hm2。小区面积为99 m2（11 m×9 m），所有小区周围均建起高度约20 cm的地垄，以防止地表径流。氮肥（含N量46%的尿素）施入量为225 kg N·hm-2，基肥与追肥按照1﹕2的比例分别在播前和十叶期施入。磷肥（含P2O512%的过磷酸钙）和钾肥（含 K2O 45%的硫酸钾）随基肥一次性施入，施入量分别为112.5 kg P2O5·hm-2、75 kg K2O·hm-2。2021年5月11日播种，10月1日收获测产；2022年5月23日播种，9月27日收获测产。

1.3 样品采集与指标测定

1.3.1 土壤水分与相关计算 用烘干法测定各处理播前（PT）、吐丝期（R1）、灌浆期（R3）和收获期（R6）0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土层的土壤含水量（%），重复3次。水分相关计算方法如下：

土壤贮水量（mm）=土壤含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土层深度（cm）×10；

耗水量（mm）=灌溉量（mm）+降雨量（mm）+播前0—100 cm土层贮水量（mm）-收获期0—100 cm土层贮水量（mm）；

水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒产量（kg·hm-2）/耗水量（mm）；

产量响应系数（Ky）：相对产量亏缺（1-Y/Ym）与相对耗水量亏缺（1-ET/ETm）之间的相关关系可表示为：

1-Y/Ym=Ky（1-ET/ETm）；

式中，Y为春玉米实际籽粒产量；Ym为试验期间春玉米最高籽粒产量；ET为春玉米生育期实际耗水量；ETm为试验期间春玉米生育期最大耗水量；Ky为春玉米产量响应系数。

1.3.2 玉米生物量、产量与氮素相关计算 各处理分别在吐丝期（R1）、灌浆期（R3）和成熟期（R6）采集3株植株样品，重复3次，再进行部位切分（包括茎、叶、穗轴和籽粒），放入烘箱105 ℃下杀青1 h，然后75 ℃下烘至恒重，称量干重后，用粉碎机粉碎样品，装入封口袋，用凯氏定氮仪测定全氮含量。

成熟期在每个小区中心划定出10 m2（5 m×2 m）的测产区进行测产，并记录穗粒数与百粒重，将籽粒干物质量换算成含有15.5%水分的标准产量。

氮素相关计算如下：

氮素吸收量（kg·hm-2）=植物全氮含量（%）×干物质累积量（kg·hm-2）；

氮素回收利用率（%）=（施氮处理地上部氮素吸收量-不施氮处理地上部氮素吸收量）/施氮量×100；

氮素农学效率（kg·kg-1）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量；

氮素偏生产力（kg·kg-1）=产量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）。

1.3.3 根系采集与相关计算 由于在2021年田间试验中发现过量灌溉（I200处理）存在减产风险，因此2022年决定研究花后0—100 cm土层根系生长，在蜡熟期（R5）以玉米为中心划定60 cm×24 cm的方形区域，按取土层次每层划分为20 cm×12 cm的土块，每株共取36块，将土块中所有玉米根系全部挑出，装于自封袋中，带回后用水将表面附着的土壤冲洗干净装于牛皮纸袋中，保存于4 ℃冰箱内，并尽快用根系扫描仪扫描获得根长（cm）与根表面积（cm2），再置于75 ℃烘箱内烘干至恒重并称量根干重（g）。根系相关计算如下：

根长密度（cm·cm-3）=根长/土块体积；

根干重密度（g·m-3）=根干重/土块体积；

根表面积密度（cm2·cm-3）=根表面积/土块体积。

1.3.4 经济效益相关计算 根据当地实际收支情况进行了经济效益相关计算：

经济效益（元/hm2）=籽粒产量×粮食价格-灌溉支出-其他支出；

其他支出（元/hm2）=肥料+种子+除草剂+机耕费+播种支出+收获支出+处理秸秆（清理/还田）。

玉米籽粒价格定为2.3 元/kg。灌溉水价格定为0.7 元/m3。肥料、种子、除草剂、翻耕、旋耕、播种、收获、秸秆清理和秸秆还田的支出分别为1800、600、638、900、750、225、525、500和850 元/hm2。

1.4 数据分析

试验数据利用Excel 2016进行前期处理，利用SPSS 20.0进行单因素方差分析（One way ANOVA）评估不同处理间的差异性，采用最小显著性差异法（The least significant difference，LSD）分析显著性（＜0.05为显著，＜0.01为极显著），利用Sigmaplot 14.0进行作图。

2 结果

2.1 春玉米产量及经济效益

秸秆还田、花后灌溉量和两因素的交互作用均显著影响春玉米产量和百粒重，而穗粒数主要受花后灌溉量与年际的影响（表1）。相同灌溉量下，秸秆还田处理两年的产量与百粒重均高于无秸秆还田处理，可增产15.1%—43.5%，百粒重提高8.6%—23.7%。相同秸秆处理条件下，产量和百粒重均以I150处理最高，与I0处理相比，灌溉处理增产14.4%—61.7%；与I150处理相比，I200处理产量和百粒重2021年显著降低，2022年差异不显著，但也有降低趋势，说明过量灌溉没有进一步提高春玉米产量，甚至存在减产风险。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对产量的影响两年内达到极显著水平（＜0.01）。两年内花后灌溉处理显著提高春玉米穗粒数，而不同秸秆处理间无显著差异。

秸秆还田、花后灌溉量及二者交互作用均显著影响经济效益（表1）。相同灌溉量下，秸秆还田处理两年内经济效益均高于无秸秆还田处理，增幅为15.9%—49.1%。相同秸秆处理条件下，经济效益均以I150处理最高，与I0处理相比，灌溉处理的经济效益显著提高18.8%—71.5%。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对经济效益的影响两年内达到显著水平（＜0.01）。

R表示秸秆还田处理；U表示无秸秆还田处理；I0、I50、I100、I150、I200表示花后灌溉量0、50、100、150、200 mm。同列数据后不同小写字母表示副区处理间的差异性（＜0.05）；ns、*、**和***分别表示不同因素影响显著性＞0.05、＜0.05、＜0.01和＜0.001。下同

R is straw returning treatment; U is no straw returning treatment; I0, I50, I100, I150, I200 refer to 0, 50, 100, 150, 200 mm irrigating rate at post-silking. Different lowercase letters after the same column of data is the differences between sub-factors (＜0.05); ns, *, **, and *** indicate significance of the influence of different factors＞0.05,＜0.05,＜0.01, and＜0.001, respectively. The same as below

2.2 春玉米干物质累积与叶面积指数

秸秆还田、花后灌溉量及二因素互作均显著影响春玉米干物质累积量（图2）。由于该试验探究花后灌溉量对春玉米的影响，所以花前所有小区管理措施相同，在R1时期才完成不同梯度灌溉，因此相同秸秆处理下，不同灌溉处理的花前干物质累积量均无显著差异。相同灌溉量下，与无秸秆还田相比，秸秆还田处理两年内花前干物质累积量显著提高26.1%—39.8%，同时，秸秆还田促进了春玉米花前叶面积发展，且两年内封垄时间较无秸秆还田处理提前2—4 d（图3），花后干物质累积量提高10.6%—53.2%；除RI200处理外，秸秆还田处理的花前花后玉米干物质累积量均显著高于无秸秆还田处理。相同秸秆处理条件下，两年内花后干物质累积量均以I150处理最高，与I0处理相比提高6.2%—85.9%，但过量灌溉会导致花后干物质累积量降低。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对花后干物质累积量的影响两年均达到极显著水平（＜0.01）。

2.3 春玉米耗水量与水分利用效率

春玉米耗水量和水分利用效率受秸秆还田、花后灌溉量的显著影响，年际降雨量的影响也较大（表2）。秸秆还田对春玉米生育期耗水量的影响达到显著水平（＜0.05）。秸秆还田提高土壤水分缓冲能力，使耗水量保持在一个合理区间，从而显著提高春玉米水分利用效率（表2）。花后灌溉显著提高春玉米生育期耗水量，相同秸秆处理条件下，耗水量随灌溉量的增加而增加，生育期耗水量均以I200处理最高，与I0处理相比，灌溉处理生育期耗水量分别增加6.2%—35.0%（2021年）和4.7%—38.6%（2022年）。

表2 不同处理春玉米耗水量与水分利用效率

相同灌溉量下，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田显著提高春玉米水分利用效率16.8%—36.9%。相同秸秆处理条件下，两年内各处理水分利用率均随花后灌溉量的增加呈现先升高后降低趋势，均以I150处理最高，且显著高于I200处理，说明过量灌溉会使春玉米水分利用效率显著降低。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对水分利用效率的影响两年内达到显著水平（＜0.05）。

2.4 春玉米花后干物质累积与耗水量相关关系

干物质累积量与生育期耗水量间关系是优化灌溉措施的重要理论基础。本研究中，花后干物质累积与耗水量之间呈现显著二次函数相关关系（图4）。R1—R3阶段，秸秆还田条件下耗水量为111.1 mm时，干物质累积量达到最大值9.2 t·hm-2；无秸秆还田条件下耗水量为112.3 mm时，干物质累积量达到最大值7.4 t·hm-2。在同等耗水量情况下，秸秆还田处理拟合干物质累积量普遍高于无秸秆还田处理，说明秸秆还田在该阶段水分利用效率高于无秸秆还田。R3—R6阶段，秸秆还田与无秸秆还田条件下耗水量分别为211.7和233.4 mm时，干物质累积量达到最大值5.4和4.7 t·hm-2。与无秸秆还田相比，秸秆还田处理下干物质累积量率先达到峰值，表现出较强的花后水分生产力。然而，当耗水量增加到一定程度时，干物质累积量降低，说明过量灌溉不利于春玉米花后生长发育与产量形成。

R1表示吐丝期，R3表示灌浆期，R6表示收获期 R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, and R6 is the harvest stage

2.5 春玉米产量响应系数

相对产量亏缺（1-Y/Ym）与相对耗水量亏缺（1-ET/ETm）间的斜率代表玉米产量响应系数（Ky），反映的是作物对于土壤水分胁迫的敏感程度。秸秆还田与无秸秆还田处理的Ky值分别为0.6063和0.8752（图5），说明秸秆还田措施下春玉米耗水量减少所引起的减产幅度小，即秸秆还田措施使春玉米在干旱胁迫下仍能保持较高的籽粒产量。

2.6 春玉米氮素吸收与利用

秸秆还田、花后灌溉量及二者的互作均显著影响春玉米氮素吸收量（图6），相同灌溉量下，与无秸秆还田相比，秸秆还田处理两年内籽粒氮素吸收量与氮素总吸收量显著提高11.9%—39.9%和10.4%— 37.0%。相同秸秆处理条件下，各处理两年内的籽粒氮素吸收量与总氮素吸收量均以I150处理最高，与I0处理相比显著提高15.7%—65.6%和9.6%—43.9%；与I150处理相比，I200处理的籽粒氮素吸收量两年均显著降低，氮素总吸收量在2021年显著降低，说明过量灌溉没有进一步促进春玉米氮素吸收。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对籽粒氮素吸收量的影响2021年达到极显著水平（＜0.01），2022年也达到显著水平（＜0.05），对氮素总吸收量的影响两年均达到显著水平（＜0.05）。

图5 春玉米相对产量亏缺（1-Y/Ym）与相对耗水量亏缺（1- ET/ETm）的相关关系

春玉米氮肥回收利用率、农学效率与偏生产力受秸秆还田、花后灌溉以及二者间的交互作用显著影响，而年份因素仅对氮肥回收利用效率影响显著（表3）。相同灌溉量下，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田两年内氮素回收利用率、农学效率与偏生产力分别显著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%— 43.6%。相同秸秆处理条件下，各灌溉处理氮肥回收利用率、农学效率与偏生产力两年内均以I150处理最高，与I0处理相比显著提高13.6%—82.3%、26.5%— 179.8%和14.4%—61.7%；与I150处理相比，I200处理氮肥回收利用率、农学效率与偏生产力2021年均显著降低，2022年差异不显著，但也有降低趋势，说明过低或过量灌溉均可降低氮肥利用效率与偏生产力。秸秆还田与花后灌溉量二因素互作对氮素利用效率的影响两年内达到显著水平（＜0.05）。

2.7 春玉米根长密度、根干重密度与根表面积密度

春玉米不同土层的根长密度、根干重密度与根表面积密度受秸秆还田与花后灌溉显著影响（图7）。相同灌溉量下，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理的根长密度、根干重密度与根表面积密度在0—10 cm土层提高8.1%—27.9%、4.9%—28.4%和11.6%— 46.1%，在10—100 cm土层差异不显著，说明秸秆还田显著促进了春玉米在浅层土壤中的根系生长。相同秸秆处理条件下，与I0处理相比，各处理根长密度在0—20 cm土层显著提高38.4%—143.0%，根干重密度在0—10 cm土层显著提高17.9%—53.9%，根表面积密度在0—20 cm土层显著提高22.4%—163.3%；与I150处理相比，秸秆还田条件下I200处理根长密度在40—100 cm土层显著降低68.3%—91.7%，根干重密度在10—100 cm土层显著降低37.6%—75.9%，根表面积密度在20—100 cm土层显著降低89.9%— 85.8%。与I150处理相比，无秸秆还田条件下I200处理根长密度在0—20 cm土层显著降低17.2%—18.7%，根干重密度在0—10 cm土层显著降低22.1%，根表面积密度在0—10 cm土层显著降低33.8%，说明过低或过高的灌溉量均会显著抑制春玉米根系生长。

图6 不同处理春玉米2021年和2022年籽粒吸收量与氮素总吸收量

表3 不同处理春玉米氮素利用效率与偏生产力

3 讨论

3.1 秸秆还田与花后灌溉对春玉米产量与水分利用效率的影响

秸秆还田与花后灌溉均可显著提高春玉米产量与水分利用效率，适宜的水分供给是实现春玉米高产高效的重要前提[22]，而秸秆还田蓄水保墒的能力又对春玉米生长发育起到了积极作用[23]。本研究通过2年的田间试验发现，相同秸秆处理条件下，花后灌溉使春玉米籽粒产量与水分利用效率提高14.4%— 61.7%（表1）和4.9%—29.9%（表2），籽粒产量与水分利用效率均随灌溉量的增加呈现出先升高后降低的趋势，与KRESOVIĆ等[24]的研究结果一致。相同灌溉量下，秸秆还田显著提高了春玉米产量（表1），最高籽粒产量分别达到了16.08（2021年）和14.45 t·hm-2（2022年），与近年来我国高产区春玉米产量（≥15 t·hm-2）相近[25]。秸秆还田在两年内实现了15.1%—43.5%的增产幅度，高于周怀平[26]等通过长期试验研究得出的11.6%—20.9%增产幅度，这主要是因为本研究中秸秆还田措施仅在花后无灌溉或低灌溉量处理（I0与I50处理）中表现出较高的增产幅度，同时秸秆不还田措施下I0与I50处理在花后受到干旱胁迫的影响，玉米根系生长受到抑制，且两年间花后强风天气频发，I0与I50处理均出现不同程度的倒伏现象，导致产量基数较小；而秸秆还田条件下较强的土壤水分缓冲力，使得玉米在花后受干旱胁迫的影响较小，进而促进籽粒灌浆，导致秸秆还田在低水量时具有较高的增产幅度。秸秆还田在增产的同时显著提高了水分利用效率（表2），增效幅度为16.8%—36.9%，水分利用效率最高达到25.6（2021年）和30.16 kg·hm-2·mm-1（2022年），高于我国黄土高原旱作区玉米水分利用效率的平均值21.5 kg·hm-2·mm-1[27]，原因可能是秸秆中含有的丰富氮元素可有效培肥地力，显著提高春玉米根系对养分的吸收能力，促进春玉米地上部氮素吸收，同时改善了土壤温度，从而提高产量与水分利用效率[28]。同时，水分利用效率通常受年际降雨量的影响，表现出较大的年际差异[29]，本研究2022年较低的玉米生育期降雨量（230.2 mm）可能也是导致该生长季玉米较高水分利用效率的原因。另外，增产使得经济效益显著提高，本研究两年秸秆还田与花后灌溉所带来的经济效益远高于灌溉支出（350—1 400元/hm2）和秸秆还田支出（850 元/hm2）（表1），与YIN等[30]研究结果一致。

图7 不同处理春玉米0—100 cm土层根长密度、根干重密度与根表面积密度

3.2 秸秆还田条件下春玉米耗水量与干物质累积量间相关关系

干物质累积量与耗水量之间通常表现出良好的函数相关关系[31-32]。本研究分别拟合两年内秸秆还田与无秸秆还田条件下的函数曲线发现，春玉米花后干物质累积量与耗水量之间呈现显著二次函数相关关系（图4），并根据函数表达式得出秸秆还田与无秸秆还田两种处理在R1—R3阶段干物质累积量达到峰值9.2和7.4 t·hm-2时，所需耗水量为111.1和112.3 mm；在R3—R6阶段干物质累积量达到峰值5.4和4.7 t·hm-2时，所需耗水量为211.7和233.4 mm，与ZHANG等[33]研究结果相似。耗水量继续增加导致干物质累积量下降的原因可能是灌溉量过高抑制了根系活力，不利于花后根系对土壤水分和养分的吸收与利用，从而影响地上部生物量增长[34]。产量-水分响应系数（Ky）代表作物对水分胁迫的耐受能力[35]。根据前人的研究结果，在某种管理措施下产量-水分响应系数（Ky）小于1.0时，作物对水分胁迫的耐受性较强，因此该措施在受到水分胁迫时的产量下降有限，节约灌溉用水并提高水分利用效率[36]。本研究得出，秸秆还田处理Ky值（0.6063）与无秸秆还田处理Ky值（0.8752）均小于1.0（图5），秸秆还田处理Ky值小于无秸秆还田处理，原因可能是秸秆还田改善了土壤孔隙度，增强了土壤蓄水能力，因此秸秆还田在受到水分胁迫时具有更强的缓冲能力[37]。

3.3 秸秆还田与花后灌溉对春玉米根系生长的影响

根系是作物吸收水分和营养物质的重要器官，此功能与根系在土壤中分布情况密切相关[38]。FAN等[39]研究发现，秸秆还田可促进春玉米根系生长，提高干物质累积量、氮素累积量、氮素利用效率以及偏生产力，原因是秸秆经过缓慢腐解而释放的秸秆氮素促进了根系对土壤氮素的吸收与利用[40]，而花后氮素累积是籽粒氮素的重要来源，是产量形成的关键，而籽粒氮素累积是由花后氮素累积和花前氮素累积转移共同作用的结果[41]，同时，合理灌溉能加速秸秆在土壤中的腐解，增强土壤供氮能力[42]。本研究也得到了相似结论，秸秆还田与花后灌溉均显著促进了春玉米花后根系生长（图7），秸秆还田与花后灌溉对春玉米根系生长的促进作用主要体现在浅层土壤，与ZHANG等[43]的研究结果相同。然而，蔡红光等[44]研究发现，土壤含水量过高会抑制春玉米花后的根系生长，进而影响产量形成。本研究也得到相同结论，花后灌溉显著提高了春玉米花后0—20 cm土层的根系生长，但过量灌溉导致花后根系生长受到抑制，进而影响花后地上部氮素吸收。另外，过高的灌溉量使花后土壤含水量显著升高，导致土壤通透性与土壤温度降低，微生物数量及微生物代谢强度也会随之降低，进而导致秸秆腐解速度下降，供氮能力减弱[45]。因此，合理的灌溉量是实现春玉米高产高效的关键。

3.4 秸秆还田与花后灌溉对春玉米氮素吸收与利用的影响

春玉米更高的花前干物质与氮素累积量有利于花后氮素向籽粒的转移。合理的灌溉量加速了秸秆氮素向土壤中的释放，进而促进花后氮素吸收与利用，有利于产量形成[46]。本研究得出，相同灌溉量下，秸秆还田春玉米两年花前干物质累积量显著提高，花后干物质累积量与成熟期籽粒氮素吸收量分别显著提高10.6%—53.2%和11.9%—39.9%（图2、图6），进而显著提高氮素回收利用率与农学利用效率，实现增产，偏生产力显著提高15.1%—43.6%（表3）。张刚等[47]的研究也得到相同结果，秸秆全量还田增加了作物籽粒与秸秆中氮素吸收量，进而提高作物氮素表观回收利用率与农学利用效率。本研究中，相同秸秆处理条件下，各灌溉处理籽粒氮素吸收量与氮素总吸收量分别显著提高15.7%—65.6%和9.6% —43.9%（图6），氮素利用效率与农学利用效率显著提高13.6%—82.3%和26.5%—179.8%（表3）。究其原因，水分是光合作用的原料，也是促进作物新陈代谢的重要物质，合理的水分供应促进了作物体内能量转化与养分吸收，进而提高养分利用效率[48]。于维祯等[49]研究也认为，合理的灌溉制度提高了作物叶面积发展，进而增强光合作用，这与本研究结果一致。因此，秸秆还田与花后灌溉量二因素互作使春玉米氮素吸收量、氮素利用效率以及偏生产力显著提高。

4 结论

秸秆还田与花后灌溉量二因素互作有利于春玉米干物质、氮素累积及根系生长，进而提高产量与水氮利用效率。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田可使春玉米增产15.1%—43.5%，经济效益提高15.9%— 49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用率、农学效率及偏生产力分别显著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%。秸秆还田条件下，花后灌溉150 mm时可实现最优干物质累积量与氮素吸收量，同时产量与水氮利用效率增幅最大。因此，秸秆还田配合花后灌溉量150 mm可作为黄土高原东部河谷平原春玉米生产系统中水氮高效可持续利用的管理措施。

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Straw Returning and Post-Silking Irrigating Improve the Grain Yield and Utilization of Water and Nitrogen of Spring Maize

WANG YongLiang, XU ZiHang, LI Shen, LIANG ZheMing, XUE XiaoRong, BAI Ju, YANG ZhiPing

Institute of Eco-environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Key Laboratory for Reclamation and Utilization of Saline-alkaline Soils (Discipline Cluster), Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shanxi Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031

【Objective】The irrigation system for spring maize production in the eastern Loess Plateau is unclear. In view of this, the effects of straw return and post-silking irrigation on grain yield and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were studied in order to explore effective management measures to achieve sustainable and efficient utilization of water and nitrogen in spring maize in the region, so as to provide a theoretical basis for the high yield, high resource efficiency, and environmentally friendly agricultural sustainable development of spring maize in the region.【Method】Based on a 7-year long-term positioning experiment (2014-2020), a field experiment was carried out from 2021 to 2022. A split design was applied for the treatments, the main factors included straw returning (R) and no straw returning (U), and sub-factors included five post-silking irrigation gradients (I0, I50, I100, I150, and I200 mm). The correlation between dry matter accumulation at post-silking and evapotranspiration of spring maize was analyzed, and the effects of different treatments on grain yield, economic benefits and use efficiency of water and nitrogen were studied.【Result】The grain yield, economic benefit and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were significantly improved by straw returning and irrigating at post-silking. Compared with conventional tillage, the grain yield, the economic benefit and the water use efficiency of straw returning treatment increased by 15.1%-43.5%, 15.9%-49.1%, and 16.8%-36.9%, respectively. The N recovery use efficiency, N agricultural efficiency, and N partial productivity of spring maize were significantly improved by 15.8%-62.0%, 26.5%-126.0%, and 15.1%-43.6%, respectively. The relationship between dry matter accumulation and evapotranspiration at post-silking was a quadratic function. Compared with conventional tillage, the straw returning treatment showed a stronger water productivity at post-silking. Though the yield response factor, the straw returning treatment had stronger water buffering capacity under water stress. Under the condition of straw returning, the grain yield and water and nitrogen use efficiency of the treatment with irrigation rate at post-silking were the highest under I150 treatment. In addition, the straw returning and irrigating at post-silking significantly promoted root growth of spring maize, but excessive irrigating (I200 treatment) inhibited root growth.【Conclusion】To sum up, in the spring maize production system in the eastern valley plain of the Loess Plateau, straw returning with the irrigating rate of 150 mm at post-silking could be used as a management measure for the efficient and sustainable use of water and nitrogen of spring maize.

spring maize; straw returning; post-silking irrigating; water and nitrogen use efficiency; yield response factor

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.009

2023-02-20；

2023-07-20

山西省科技重大专项计划（202201140601028）、山西省现代农业产业技术体系建设专项资金（2023CYJSTX01-14）、山西省科技成果转化引导专项（202104021301047）、山西农业大学博士科研启动项目（2021BQ123）

王永亮，E-mail：wangyongliang@sxau.edu.cn。通信作者白炬，E-mail：baiju@sxau.edu.cn。通信作者杨治平，E-mail：yzpsx0208@163.com

（责任编辑 李云霞）