玉米秸稈還田條件下麥田氮素運轉和籽粒產量對氮肥的響應

姜麗娜，胡乃月，馬建輝，李金娜，楊娜娜，岳 影，李春喜

(河南師范大學 生命科學學院，河南 新鄉 453000)

玉米秸稈還田條件下麥田氮素運轉和籽粒產量對氮肥的響應

姜麗娜，胡乃月，馬建輝，李金娜，楊娜娜，岳 影，李春喜

(河南師范大學 生命科學學院，河南 新鄉 453000)

為給秸稈全部還田條件下豫北麥玉兩熟高產地區冬小麥合理施用氮肥提供理論依據，以周麥18和濟麥22為試材，于2011-2013年研究了不同施氮處理(小麥全生育期不施氮肥，及底施純氮120 kg/hm2基礎上拔節期分別追施0，60，100，140，180，210 kg/hm2)下麥田土壤和植株氮素含量的動態變化，分析了不同追氮量對植株氮素吸收、麥田氮肥利用率和籽粒產量的影響。結果表明，小麥植株氮素吸收積累和籽粒產量隨施氮量的增加呈單峰曲線變化，周麥18和濟麥22分別在220，260 kg/hm2和120，180 kg/hm2施氮量下植株氮素吸收積累達到峰值，籽粒產量較高。麥田氮流失量隨施氮量增加呈先升后降變化趨勢。秸稈還田配施適量氮肥能夠顯著提高氮肥偏生產力、氮肥農學利用率；隨著施氮量的持續增加氮肥偏生產力、氮肥農學利用率顯著降低。綜合來看，玉米秸稈還田條件下兼顧氮肥效率和籽粒產量，豫北麥玉兩熟區周麥18適宜的氮肥配施量為220～260 kg/hm2，種植濟麥22適宜的氮肥配施量為120～180 kg/hm2。

冬小麥；秸稈還田；施氮量；氮含量；產量

小麥是重要糧食作物，全世界有35%～40%的人口以小麥作為主要糧食[1]。作為我國的第三大糧食作物，小麥的種植面積和籽粒產量分別占糧食作物的22%和20%，是我國主要的戰略儲備糧和商品糧[2]。在小麥生長過程中，施用化學氮肥是氮輸入的主要方式。研究表明，合理施用氮肥可提高氮肥利用效率和小麥籽粒產量[3-4]，提高作物的干物質量、穗粒數和千粒質量[5-7]，是保證小麥優質高產的重要措施。過量施用氮肥會增加氮素損失，降低氮素利用效率[8]，引起土壤板結酸化，經地表流失和滲漏導致地下水和江河湖泊富營養化[9]，地表水及地下水硝酸鹽含量過高以及大氣污染等[10]。研究表明，全國合理施氮面積占播種面積的70%，過量施加氮肥的面積達到20%[11]。因此，合理施用氮肥提高氮肥利用效率具有重要意義。有機肥是土壤氮的重要來源，作物秸稈作為重要的有機肥資源之一，含有作物生長發育所必需的碳、氮、磷、鉀等營養元素[12]。秸稈還田能夠避免秸稈堆積或焚燒造成的資源浪費和環境污染，同時又可以改善土壤結構和理化性質[13]、培肥地力[14]，提高土壤保肥保水能力[15]，對小麥生育后期的光合作用有促進作用，秸稈還田配施有機肥或化肥能夠顯著增加作物產量[13-14]，有利于創建良好的農田生態環境。前人圍繞秸稈還田的研究主要集中在土壤肥力[14]、氣體排放[16]、土壤理化性質[13]、土壤微生物[17-18]等方面，本試驗在豫北地區高產田前茬夏玉米秸稈全部還田條件下，設置了拔節期不同追氮處理，研究玉米秸稈還田配施氮肥對冬小麥氮素吸收利用的影響，以期為該區冬小麥合理施用氮肥和小麥生產可持續發展提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

供試小麥品種為周麥18和濟麥22。試驗于2011-2013年在河南省鶴壁市浚縣矩橋鄉劉寨村(114°33′E，35°40′N)開展。前茬夏玉米秸稈全部還田，設置小麥全生育期不施氮肥處理(N0)和底施純氮120 kg/hm2條件下拔節期分別追施0，60，100，140，180，210 kg/hm2處理(以N1、N2、N3、N4、N5、N6表示)。各處理隨機區組排列，3次重復，小區面積60 m2(4 m×15 m)。試驗連續進行2年，本試驗數據為2012-2013年度研究結果。

2012年10月8日整地、施肥，其中N0處理施用農用硫酸鉀(含K2O≥50%)112 kg/hm2，過磷酸鈣(含P2O5≥16%)138 kg/hm2。N1～N6處理施用農用硫酸鉀(含K2O≥50%)112 kg/hm2，磷酸二銨(含P2O5≥18%)304.86 kg/hm2，尿素(含N≥46.4%)148.61 kg/hm2，拔節期(2013年3月27日)結合灌水追施尿素。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 植株、土壤樣品氮素含量測定 于播種前(2012年10月8日)、越冬期(2012年12月25日)、拔節期(2013年3月27日)、開花期(2013年5月2日)、灌漿期(2013年5月28日)、成熟期(2013年6月6日)取0～20 cm，20～40 cm土壤，風干后研磨過篩保存。同時，各小區隨機取20株植株，分為地上部和根部，洗凈、80 ℃烘干至質量恒定后粉碎保存。

土壤、植株樣品以半微量凱氏定氮法[19]測定全氮含量。氮素表觀損失參照氮素平衡模型[20]計算。1.2.2 產量 成熟期，各小區隨機選取4.4 m2(4 m×1.1 m)，人工收割，脫粒，自然風干稱質量，折合成公頃產量(kg/hm2)。同時各小區隨機選取植株20株，調查其不孕小穗數、穗粒數、穗粒質量(g)及千粒質量(g)。

1.3 數據計算及統計分析

植株總氮素積累量(Total nitrogen accumulation amount，TNAA)、氮素養分利用效率(Nitrogen utilization efficiency，NUE)、氮素收獲指數(Nitrogen harvest index，NHI)、氮肥偏生產力(Nitrogen partial factor productivity，NPFP)、氮肥農學利用效率(Nitrogen agronomic efficiency，NAE) 參照文獻[21]計算。

試驗數據的多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 追氮對小麥植株氮含量的影響

2.1.1 地上部 小麥植株地上部氮含量以拔節期最高，越冬期和灌漿期較低(表1)。周麥18、濟麥22越冬期植株地上部氮素含量最低，拔節期迅速升高并達到最高值，開花期、灌漿期持續降低，成熟期較灌漿期略有增加。其中濟麥22成熟期N1、N2處理植株地上部氮素含量增加至與開花期幾乎持平。

表1 小麥植株地上部氮素含量Tab.1 Nitrogen content in aboveground wheat plant %

注：同行數據后不同小寫字母表示0.05水平差異顯著(P<0.05)。表2-5同。

Note：Different small letters following data in the same row mean significant difference at 0.05 level.The same as Tab.2-5.

越冬期，周麥18植株地上部氮含量以N3處理最高，顯著高于N0、N1、N4、N6處理，濟麥22植株氮含量在各施氮處理間差異不顯著。拔節期，周麥18在N0、N1、N4處理下較高，顯著高于N2、N3、N5、N6處理，濟麥22則表現為N2、N4、N6處理較高，顯著高于N0、N3、N5處理。開花期，周麥18植株氮含量表現為N4處理顯著高于其他處理，濟麥22表現為N1、N5處理顯著高于其他處理。灌漿期，周麥18、濟麥22植株氮素含量均以N3處理最高，顯著高于其他處理。成熟期，周麥18植株氮含量以N3、N4處理較高，濟麥22則表現為N2處理最高。

2.1.2 根部 隨生育期推進，小麥根部氮含量呈現先升高后降低變化趨勢，越冬至拔節期緩慢增加，拔節至開花期迅速增加并達到最高值，開花期至灌漿期呈降低趨勢，成熟期略有降低(圖1)。

圖1 小麥根部氮含量Fig.1 Nitrogen content in wheat root

同一時期，周麥18根部氮含量高于濟麥22，表明不同品種小麥根部對氮素吸收不同。從不同氮肥處理來看，均以N0處理下根系氮含量最低。周麥18在N3、N4處理下根系氮含量達到較高值，濟麥22在N1、N2處理下根系氮含量達到較高值。因此，施加氮肥能提高根系的氮含量，但是施肥過量反而影響根部對氮素的吸收。

2.2 追氮對土壤氮含量的影響

不同處理下0～40 cm土壤氮含量如表2所示。2個品種土壤氮含量隨著土層的加深，呈降低的趨勢。隨生育期推進，土壤各層氮含量變化趨勢基本一致，表現為先升高后降低的趨勢。其中周麥18的 N0處理和濟麥22 N0、N1處理下，0～20cm土壤氮含量呈持續下降趨勢。由于播前整地后施入基肥，越冬期土壤氮含量較播前有所增加；越冬期至拔節期小麥生長緩慢，氮吸收量較少，此時期土壤氮含量略有減少；拔節至灌漿期，土壤氮含量呈下降趨勢，其中周麥18 0～20 cm N0處理、20～40 cm N6處理和濟麥22 0～20 cm N3、N4處理略有波動。灌漿至成熟期，周麥18 0～20 cm 施氮處理和20～40 cm N0處理及濟麥22 0～20 cm N1處理和20～40 cm N4處理下土壤氮含量略有增加；其他處理的土壤氮含量均略有減少。

由于上年度施肥處理的影響，播前2個品種0～20 cm，20～40 cm土壤氮含量隨施氮量的增加呈持續增加的趨勢，N6處理最高，N0處理最低。以越冬期各處理氮含量為標準，對于周麥18，成熟期0～20 cm土壤氮含量在N4、N6處理下減少較多，20～40 cm土壤氮含量在N2、N3處理下減少較多。對于濟麥22，成熟期0～20 cm土壤氮含量在N2、N6處理下減少較多，20～40 cm土壤氮含量在N0、N1、N5處理下減少較多。

表2 土壤氮含量Tab.2 Nitrogen content in the soil g/kg

2.3 追氮對麥田氮素轉運的影響

從氮素投入來看，0～40 cm土壤氮占總投入的93.62%～97.44%，是農田系統氮素的主要來源；其次是肥料氮投入，占總投入的0～5.39%(表3)。播前0～40 cm土壤氮為上季土壤氮素殘留，肥料氮投入是農田系統中可調控的因素，因此，適量施加氮肥能夠調節土壤-秸稈-植株系統的氮素平衡。從成熟期氮素分配情況看，0～40 cm土壤氮仍然占很大的分配比例，約占成熟期總氮的84.06%～90.01%；其次為植株氮，占成熟期總氮的9.95%～15.90%。氮流失量隨著施氮量的增加呈現先升高后降低的趨勢，周麥18在N4施氮量下氮流失最多，顯著高于其他施氮處理，其次為N2處理；濟麥22在N2施氮量下氮流失最多，其次為N1處理。

各氮肥處理下成熟期植株氮表現為周麥18在N3施氮量下最高，其次為N4處理，與其他處理達顯著性差異，這與其在N3、N4處理下植株氮含量較高有關。濟麥22在N2施氮量下最高，其次為N1處理，與其他處理達顯著性差異，與植株在N1、N2處理下根部氮含量較高有關。較高的植株氮積累量有利于產量的形成和提高。周麥18植株氮含量、氮積累量整體高于濟麥22，主要是因為周麥18根部干物質、根部氮含量均高于濟麥22。周麥18氮流失量均為負值可能是因為周麥18根系發達，吸收深層土壤氮(40 cm以下)的量較多所致。

表3 不同施氮水平下土壤-秸稈-植株系統中全氮的平衡Tab.3 Nitrogen balance in soil-corn straw-plant system under different nitrogen levels kg/hm2

2.4 追氮對小麥氮素利用效率的影響

施加氮肥，小麥植株地上部氮素總積累量增加 (表4)。周麥18在N3處理下氮素總積累量最高，與N0處理相比提高了29.94%，其次為N4處理，與N0處理相比提高了23.70%。濟麥22在N2處理下氮素總積累量最高，與N0處理相比提高了16.50%，其次為N1處理，與N0處理相比提高了15.89%。隨施氮量的不斷增加，小麥植株氮素總積累量并未持續增加甚至有下降趨勢。周麥18和濟麥22分別在施氮量超過220，180 kg/hm2后，小麥植株氮素總積累量開始下降。

表4 不同施氮水平下冬小麥氮素利用效率Tab.4 Nitrogen utilization efficiencies of winter wheat under different levels

2個品種小麥氮素養分利用率均表現為N5處理顯著高于其他氮肥處理。周麥18在N0處理下氮收獲指數最高，顯著高于N1、N2處理；濟麥22在N1處理下氮收獲指數最高，顯著高于N0、N3、N4、N5、N6處理，因此過量施肥并不利于氮素向籽粒轉移。2個品種小麥氮肥偏生產力均表現為隨著施氮量的增加顯著降低，N1處理顯著高于其他氮肥處理。從氮肥農學利用率來看，周麥18隨施氮量的增加呈先升后降趨勢，N3處理下表現最高，且顯著高于其他氮肥處理，N6處理最低；濟麥22隨施氮量的增加持續降低，N1處理最高，N6處理最低。氮肥農學利用率反映了氮肥對籽粒產量的貢獻，可以看出周麥18氮肥農學利用率隨施氮量的增加呈現先降后升再降的趨勢，在施氮量超過220 kg/hm2后氮肥農學利用率持續降低；濟麥22氮肥農學利用率隨施氮量的增加呈現持續降低趨勢，在施氮量為120 kg/hm2時最高。

2.5 追氮對小麥產量及產量相關因素的影響

從產量因素來看(表5)，周麥18千粒質量在N3、N4處理下較高，顯著高于N0、N1處理；穗粒質量在N3處理下最高，顯著高于N0處理；穗粒數在N4處理下較高，顯著高于N0、N1、N5、N6處理；不孕小穗數表現為N3、N4、N5處理顯著低于N0、N1、N2、N6。濟麥22千粒質量表現為N1和N2處理顯著高于N0處理；穗粒質量表現為N1和N2處理顯著高于N0和N6處理；穗粒數在N2處理下最高，顯著高于N0、N6處理；不孕小穗數在N2處理下最少，顯著低于其他處理。追氮處理下，周麥18的千粒質量、穗粒數(除N1處理外)、穗粒質量(除N1、N2處理外)均高于濟麥22，而不孕小穗數(除N1、N2處理外)低于濟麥22，因此周麥18各追氮處理(除N1、N2處理外)的產量均高于濟麥22。隨施氮量的增加，籽粒產量呈先升高后降低的趨勢，以N0處理表現最低，周麥18在N3、N4處理下產量較高，濟麥22在N1、N2處理下產量較高，與不施氮肥處理相比，分別增加20.23%，20.37%和18.33%，20.27% 。

表5 追氮對小麥產量及產量構成因素的影響Tab.5 Effects of nitrogen fertilizer on wheat grain yield and yield characters

3 結論與討論

施肥是提高作物產量的主要方式，但盲目施肥不僅浪費資源，還會破壞土壤質量，帶來高的環境風險。作物秸稈作為一種廉價的可再生資源，含有農作物生長發育所必需的氮、磷、碳、鉀等營養元素[22]，但秸稈C/N比值較高，在腐熟分解前期會影響土壤氮和肥料氮對作物的有效性，進而影響農作物的前期生長[23]，研究表明，適量施用氮肥能夠調節秸稈C/N比例，增加玉米秸稈的氮素含量[24]。關于秸稈還田條件下施氮量對小麥氮素吸收利用效率的影響，前人的研究結果不盡一致。有研究表明，在秸稈還田條件下小麥整個生育期植株氮含量隨生育期的進行呈單峰曲線變化，配施162.0～202.5，324.0 kg/hm2氮肥時高峰期分別在拔節、開花和孕穗期出現，配施243.0，283.5 kg/hm2氮肥時高峰期分別出現在越冬期和拔節至孕穗期；小麥植株吸氮強度在各生育時期均隨施氮量的增加而增強[25]。與不施氮肥相比，適量施加氮肥顯著提高了小麥的吸氮量；拔節期適當追肥，優化了氮的吸收[26-28]。本試驗研究條件下，隨小麥生育期的進行，植株氮含量的變化趨勢與上述研究結果相似，在秸稈還田條件下小麥整個生育期植株氮含量呈單峰曲線變化。在本試驗施氮條件下，植株氮含量峰值都出現在拔節期，越冬期植株氮含量相對較低；小麥植株吸氮強度在各個生育期隨施氮量的增加呈單峰曲線變化，高氮量并不利于植株吸收利用更多的氮素。孫世友等[26]通過研究秸稈還田條件下習慣施肥和優化施肥(氮素總量比習慣施肥降低30%)對氮肥利用效率的影響，認為優化施肥能夠顯著提高冬小麥的氮肥利用率和農學效率。Shi等[28]研究了氮肥對水稻-小麥輪作系統氮素利用率的影響，認為適宜的施氮量和追肥量使氮素利用效率增加，隨施氮量持續增加氮素農學效率和氮肥利用效率減小。本試驗條件下，氮收獲指數、氮肥偏生產力、氮肥農學利用率均在低氮量下較高，而在最高施氮量下達到最小值，說明過量的氮肥并不能被植物吸收利用；周麥18在施氮量為220 kg/hm2時氮肥農學利用率達到最高，而濟麥22在120 kg/hm2施氮量下氮肥農學利用率最高，不同小麥對氮素的吸收利用存在品種間差異。

玉米秸稈還田條件下氮肥投入是影響小麥產量高低的一個重要因素。有研究表明，在秸稈還田不施氮肥條件下，冬小麥產量明顯降低，配施氮肥能夠有效提高小麥籽粒產量，且小麥產量隨施氮量的增加而增加，在243 kg/hm2氮肥水平下獲得最高產量；但當施氮量超過243 kg/hm2時，產量有降低趨勢[27]。劉駿等[22]研究表明玉米秸稈還田后施純氮180 kg/hm2增加了小麥成穗數、千粒質量，提高了小麥籽粒產量；施純氮270 kg/hm2抑制了小麥分蘗和穗的發育，降低了小麥穗粒數、千粒質量和籽粒產量。本試驗研究表明，在秸稈還田條件下，小麥籽粒產量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，周麥18在220，260 kg/hm2施氮量下，濟麥22在120，180 kg/hm2施氮量下增加了小麥穗粒數，減少了不孕小穗數，同時獲得最高產量。

本研究表明，在豫北高產地區，玉米秸稈全部還田后，隨著追氮量的增加，2個供試小麥品種的氮素吸收積累和產量呈單峰曲線變化，周麥18在施氮量為220，260 kg/hm2時氮素吸收量較高，氮肥農學利用率較高，籽粒產量較不施氮分別增產20.23%，20.37%；濟麥22在施氮量為120，180 kg/hm2時氮素吸收量較高，氮肥農學利用率較高，籽粒產量較不施氮分別增產18.33%，20.27%。表明適當施用氮肥利于高產區小麥氮素吸收且提高產量，過量施加氮肥不僅增加了成本且對產量具有負面影響。施加適量氮肥能夠顯著提高氮肥偏生產力、氮肥農學利用率，隨著施氮量的增加氮肥偏生產力、氮肥農學利用率顯著降低。

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Response of Nitrogen Translocation and Grain Yield in Wheat Field to Nitrogen Fertilizer under Condition of Corn Straw Returning

JIANG Lina，HU Naiyue，MA Jianhui，LI Jinna，YANG Nana，YUE Ying，LI Chunxi

(College of Life Sciences，Henan Normal University，Xinxiang 453000，China)

To provide the theoretical basis for rational nitrogen application in the high yield region of North Henan Province，the field experiments were carried out during 2011-2013 using Zhoumai 18 and Jimai 22 as materials.Under the condition of corn straw returning，7 nitrogen fertilizer levels were arranged：N0(no nitrogen application in whole growth stage)，and N1，N2，N3，N4，N5and N6，of which 0，60，100，140，180 and 210 kg/ha nitrogen were topdressed respectively at jointing stage under the condition of 120 kg/ha nitrogen as basic fertilizer.The dynamic change of nitrogen content in soil and wheat plants，the amount of nitrogen absorption in wheat plants，the nitrogen utilization efficiency in wheat and soil system and the grain yield under different fertilizer treatments were analyzed.The results showed that nitrogen accumulation of wheat plants and grain yield changed as a single peak curve with the increase of topdressing amount.For the treatments N3and N4，nitrogen accumulation in Zhoumai 18 plants was higher，and the grain yields was higher simultaneously，while Jimai 22 showed higher nitrogen accumulation and higher grain yields in N1and N2treatments. With the adding of nitrogen amount，nitrogen loss in wheat and soil system tended to rise first and then fall.Nitrogen partial factor productivity (NPFP) and nitrogen agronomic efficiency could be improved significantly with straw returning and proper nitrogen fertilizer application，but they tended to be lower with the continuous increase of nitrogen.In consideration of both nitrogen fertilizer efficiency and grain yield，the appropriate nitrogen application of Zhoumai 18 and Jimai 22 was 220-260 kg/ha and 120-180 kg/ha respectively under the condition of straw returning in wheat and corn double cropping area.

Winter wheat；Straw returning；Nitrogen application rate；Nitrogen content；Yield

2016-06-07

國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B08；2013BAD07B14；2013BAD07B07)

姜麗娜(1973-)，女，河南延津人，教授，博士，主要從事作物生理生態研究。

李春喜(1964-)，男，河南封丘人，教授，博士，主要從事作物栽培生理研究。

S512.1；S311

A

1000-7091(2016)06-0177-08

10.7668/hbnxb.2016.06.028