秸稈還田與氮肥減施對旱地春玉米產量及生理指標的影響

張建軍，黨翼，趙剛，樊廷錄*，王磊，程萬莉，李尚中，王淑英，雷康寧，張朝偉*

(1.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

秸稈還田以及氮肥使用方法是目前平衡農業生產中經濟效益與環境效益的兩項關鍵技術[1]。化肥對保證糧食安全非常重要，特別是氮肥對產量的貢獻高達30%～50%[2]。秸稈還田不僅可培肥地力，而且能提高土壤的抗旱保墑能力，對涵養土壤水分及提高作物產量等方面具有良好的作用[3]。同時，秸稈還田配施氮肥在解決旱作農田“耕層變淺”“土壤緊實”“有效耕層土壤減少”等問題方面意義重大[4]。然而，為了有效應對近年提出的到2020年化肥使用量零增長行動方案及十九大報告中有關綠色生態循環發展理念，提出了合理利用有機養分資源，有機無機相結合，部分替代化肥減量綠色增效目標及長期過量或不合理施肥導致的肥料利用率低和生態環境污染等問題成為農業科技界關注的熱點問題。減量施氮正是基于此背景下發展起來的一種高效施氮方式。已有研究表明：施入土壤中的氮肥50%以上通過氮素損失途徑進入大氣和水體中，造成嚴重的生態環境問題，如溫室效應增加、水體富營養化等[5]。

秸稈還田在改善農田土壤水分條件、土壤蓄水保墑能力和增加作物產量及穩產性等方面已被許多研究所證實[6-7]。然而，秸稈在許多旱作區并沒有得到充分利用，特別是西北黃土旱塬雨養農業區，玉米(Zeamays)秸稈數量及其養分資源量大，秸稈集中焚燒現象普遍，既污染了環境又浪費了資源，如何依據地域特點，充分合理利用秸稈養分資源，是實現化肥減施綠色增效的重要途徑，必將成為未來西北黃土旱塬雨養農業區農業生產的一項主流技術。

近年來學者們的研究集中在等量施氮水平下秸稈還田的培肥增產效應[8-11]，而對隴東旱塬雨養農業區降水特征條件下，秸稈還田與減量施氮對旱地玉米產量、干物質積累、生理指標等方面的影響研究較少。因此，本研究針對隴東旱塬區季節性降水分配不均，自然降水與玉米需水錯位的生產實際問題，研究秸稈還田與減量施氮對旱地春玉米產量、干物質積累、水分利用及生理生態指標的影響，旨在探明改變施肥方式對春玉米產量、干物質積累及生理指標等方面的影響，為秸稈還田與氮肥減施在農業生產上的應用提供理論依據，實現農業秸稈的循環利用。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016-2018年在甘肅省農業科學院旱地農業研究所鎮原旱地農業試驗站(35°29′42″ N，107°29′36″ E)進行，土壤類型為發育良好的覆蓋黑壚土。該區年均降水量540 mm，其中7-9月占60%，年蒸發量1532 mm，年均氣溫8.3 ℃，無霜期170 d，海拔1279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，屬典型的旱作雨養農業區。2016、2017和2018年玉米生育期降水量分別為284.8、440.2和501.3 mm，但2017年正值玉米開花授粉和灌漿初期的7月中旬到下旬降水42.5 mm，較2016和2018年同期的103.3和137.7 mm分別減少58.9%和69.1%，干旱影響籽粒灌漿，玉米生理成熟比2016和2018年早8～10 d(表1)。

表1 2016-2018年玉米生育期及旬降水量Table 1 Precipitation during maize growth period in 2016-2018 (mm)

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設6個處理：1)常規施氮(F，225 kg·hm-2)；2)秸稈還田(TS，9000 kg·hm-2)；3)F+TS； 4)80% F+TS；5)60% F+TS；6)CK，不施氮磷肥，不還田。3次重復，小區面積4.4 m×5.0 m=22.0 m2。種植方式為寬膜全地面覆蓋，地膜為普通聚乙烯膜，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm。玉米品種先玉335，為耐密、抗逆性好的高產品種。種植行距55.0 cm，株距22.5 cm，8行區，密度7.5萬株·hm-2。4月下旬播種，人工穴播，每穴保1苗，8月下旬至9月上旬收獲。常規施氮 (當地農戶普遍用量) 和秸稈按試驗設計用量[覆膜前人工粉碎3～5 cm，耕層 (0～25 cm) 翻壓還田]，磷肥 (含P2O516%的過磷酸鈣) 1000 kg·hm-2覆膜前一次性施入耕層 (0～25 cm)土壤，整個生育期不再追施氮肥。2016和2017年還田玉米秸稈氮含量分別為6.3和6.7 g·kg-1，其他栽培管理措施同一般高產田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1測定方法 1)土壤水分測定：采用土鉆人工分層取土，烘干稱重法測定，分別在玉米播種和收獲時由地表向下依次取0～200 cm土層土壤，每20 cm作為一個取樣層，先稱濕土重，在105 ℃恒溫下烘干12 h后稱干土重，計算含水量(%)。

2)產量測定：收獲前，每小區選擇長勢均勻一致處作為采樣區，在此區域內按整行逐株取30株測產，脫粒后用谷物水分測定儀(PM-8188-A，北京布拉德科技發展有限公司)測定含水量，然后換算成標準含水量(14%)下的產量。另每小區取10株調查穗行數、行粒數，計算穗粒數，并測定百粒重。

3)干物質積累量：在玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、收獲期各處理分別選取3株具有代表性植株的地上部分，置于樣品袋中于105 ℃烘箱殺青30 min，85 ℃烘至恒重，冷卻至室溫后用百分之一天平稱量。

4)光合參數測定：2018年于春玉米拔節期，從每個小區選擇長勢一致的植株3株，采用便攜式光合系統測定儀LI-6400，在晴天上午9:00-11:00，測定玉米功能葉葉片凈光合速率(photosynthetic rate,Pn)，同時得到氣孔導度(stomata conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(intercellular CO2concentration，Ci)等光合參數，每片葉重復讀取3個觀測值，取其平均值作為1個測定值。

5)冠層溫度(canopy temperature，CT)：2018年于春玉米拔節期，采用國產BAU-1型手持式紅外測溫儀選擇晴朗無云的天氣測定冠層溫度，分辨率為0.1 ℃，響應時間為2～3 s，測定時視場角取5°，手持測溫儀置于1.5 m高度左右，以30°瞄準小區內中間的冠層，測定點為群體生長一致、有代表性的部位。為減少測定誤差, 每個小區重復測定30次，平均值作該次測定的CT值。

6)葉片葉綠素相對含量(soil and plant analyzer development，SPAD)測定：2018年于春玉米拔節期，選擇晴朗無陰雨的上午(9:00-11:00)，用SPAD分析儀(SPAD-5200)測定春玉米功能葉SPAD讀數值，每小區讀取25 次，取其平均值作為1個測定值。

1.3.2計算公式 1)作物生育期耗水量[12](evapotranspiration，ET，mm)：ET=W1-W2+P。式中:W1、W2分別為播種前和收獲后土壤貯水量(mm)，P為作物生育期降水量(mm)，通過campbell cr1000(美國)自動氣象站記錄儀獲得。

2)作物水分利用效率[13](water use efficiency,WUE，kg·hm-2·mm-1)：WUE=Y/ET。式中：Y為含水量14%時玉米籽粒產量(kg·hm-2)，ET為作物耗水量(mm)。

3)土壤貯水量[14](soil water storage，W，mm)：W=10×h×a×b。式中:h為土層深度(cm)，a是土壤容重 (g·cm-3)，b是土壤質量含水量(%)。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理、表格制作和作圖，采用DPS 7.01統計軟件進行方差分析(ANVOA)，利用LSD法多重比較(P=0.05和0.01)。

2 結果與分析

2.1 不同處理玉米產量及水分利用效率變化

與常規施氮(F)及秸稈還田(TS)相比，秸稈還田配施不同比例氮肥在不同年份均能提高春玉米產量，但處理間存在一定差異(表2)。3年變化趨勢均表現為80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，產量高低與生育期降水量及降水時期有關(表1)。 80% F+TS、60% F+TS、F+TS、F、TS、CK平均產量分別為11899.5、11109.5、10825.5、10631.5、9536.0和8099.0 kg·hm-2，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS較F分別提高了11.9%、4.5%和1.8%，差異不顯著，較TS分別提高了24.8%、16.5%和13.5%，僅80% F+TS與TS差異顯著，較CK分別提高了46.9%、37.2%和33.7%，差異顯著。

在秸稈還田條件下，減量施氮與常規施氮相比，均能不同程度提高春玉米產量，差異不顯著，3年均以減氮 20%增產效果最佳，再進一步增加減氮量，即減氮 40%，產量增加幅度減少，但仍高于常規施氮。80% F+TS、60% F+TS平均產量較F+TS分別增加9.9%和2.6%，差異不顯著，較CK增加46.9%和37.2%，差異顯著。

水分利用效率與產量變化趨勢一致，秸稈還田配施不同比例氮肥在不同年份均能提高春玉米水分利用效率，其變化順序為80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，但處理間存在一定差異，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS平均水分利用效率較F和TS分別提高了13.7%、9.0%、5.1%和26.0%、20.8%、16.5%，較CK分別提高了52.4%、46.1%、40.8%。而對秸稈還田配施不同比例氮肥的80% F+TS、60% F+TS 來說，減氮均能提高不同年份水分利用效率，以減氮20%處理水分利用效率變化最為明顯，其次為減氮40%，均高于常規施氮處理，但同一年份處理間差異不顯著，其中80% F+TS、60% F+TS平均水分利用效率較F+TS分別提高了8.2%和3.7%。

2.2 不同處理玉米產量構成變化

結果顯示(表2)：產量構成中穗粒數不同年份均表現為秸稈還田配施不同比例氮肥高于秸稈(TS)和氮肥 (F)單施處理，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS平均穗粒數較F和TS分別增加了8.4%、4.9%、2.4%和12.6%、8.9%、6.3%，較CK提高了20.5%、16.5%、13.7%，而秸稈還田與不同比例氮肥配施較常規施氮均不同程度增加了穗粒數，相同年份差異不顯著，其中80% F+TS、60% F+TS平均穗粒數較F+TS分別提高了5.9%、2.4%。百粒重處理間變化不明顯，從平均值來看，其變化順序為80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，其中80% F+TS和60% F+TS較 F+TS、F、TS、CK分別增加了2.9%、3.5%、9.1%、10.6%和1.6%、2.2%、7.8%、9.2%，而80% F+TS較60% F+TS增加了1.3%。

表2 不同處理玉米產量性狀及水分利用效率變化Table 2 Change of maize yield component and water use efficiency in different treatments

注：同列不同小寫字母表示在5%水平差異顯著,下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level， the same below.

2.3 不同生育期0～2 m土層土壤貯水量變化

不同處理0～2 m土層土壤貯水量在玉米抽雄期和收獲期差異顯著，其他生育期差異不顯著(表3)。玉米生育前期(播種至苗期) 秸稈還田與覆膜的雙重保墑效應可有效改善0～2 m土層土壤貯水量，秸稈還田較氮肥單施(F)土壤貯水量增幅為1.0%～3.0%，較CK增幅為2.5%～4.7%。玉米進入拔節期后，耗水量逐漸增加，表現為各處理土壤貯水量均有所下降，秸稈還田表現出明顯的蓄水保墑效應，較F處理增幅為1.5%～7.7%。抽雄期土壤貯水量的增加與階段降水量(拔節至抽雄降水309.4 mm)有關，仍然表現為秸稈還田處理具有較高的土壤貯水量。灌漿期是玉米籽粒形態建成的關鍵時期，也是耗水量最大時期，此時表現為秸稈還田與減氮20%和40%處理土壤貯水量低于常規施氮，差異不顯著，為80% F+TS、60% F+TS較F+TS土壤貯水量分別降低0.9%、3.5%。收獲期降水補充及灌漿后期玉米耗水量的減少，使各處理土壤貯水量得到恢復，差異顯著，其中80% F+TS 處理土壤貯水量顯著低于其他處理，較 60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分別減少了0.8%、4.1%、5.5%和6.4%，其次為60% F+TS處理，較F+TS、F、TS、CK分別減少了3.3%、4.8%、5.7%和10.6%，土壤貯水量的降低與產量增加有關。

表3 不同生育時期0～2 m土層土壤貯水量變化(2018 年)Table 3 Change of soil water storage of 0-2 m soil layer in different duration period (2018) (mm)

2.4 不同處理玉米干物質積累變化

圖1 不同生育時期平均干物質積累動態Fig.1 Dynamic of average dry-matter accumulation of different growing stage

從不同生育時期單株干物質3年平均積累量來看(圖1)，其變化順序為 80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，其中80% F+TS處理苗期干物質積累較其他處理增幅為31.1%～147.1%，拔節期為22.8%～123.6%，抽雄期為9.8%～68.5%，灌漿期為9.8%～68.5%，收獲期為8.2%～65.2%；60%F+TS苗期增幅為5.1%～88.5%，拔節期為5.5%～82.1%，抽雄期為6.8%～53.5%，灌漿期為3.4%～44.0%，收獲期為6.0%～52.7%。

2.5 不同處理玉米拔節期生理生態指標變化

由表4可知，秸稈還田與不同比例氮肥配施較秸稈(TS)或氮肥(F)單獨施用能明顯增加春玉米拔節期凈光合速率，與CK差異顯著，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS較 F和TS 分別提高了20.5%、8.4%、4.8%和28.0%、17.1%、13.8%，較CK分別提高了140.1%、108.5%和100.6%。而秸稈還田與不同氮肥配施處理間變化順序為80% F+TS>60% F+TS>F+TS，差異不顯著。其中80% F+TS較60% F+TS、F+TS分別增加了15.2%、19.7%，60% F+TS較F+TS增加了3.9%。氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均表現為秸稈還田配施不同比例氮肥處理高于F和TS，其中氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率處理80% F+TS較F和TS分別提高了82.8%、45.0%、45.0%和96.3%、45.5%、46.8%，處理60% F+TS分別提高了58.6%、23.6%、25.0%和70.4%、24.0%、26.6%，處理F+TS分別提高了31.0%、16.0%、8.8%和40.7%、16.4%、10.1%，而不同氮肥配施比例間變化順序均為80% F+TS>60% F+TS>F+TS，其中氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率處理80% F+TS較60% F+TS和F+TS分別提高了15.2%、17.4%、16.0%和39.5%、25.0%、33.3%，處理60% F+TS較F+TS分別提高了21.0%、6.5%、14.9%。葉片葉綠素相對含量(SPAD)秸稈還田配施不同比例氮肥處理間差異不顯著，以80% F+TS處理最高，較60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分別提高了5.8%、7.2%、8.7%、21.5%和22.9%，60% F+TS較F+TS、F、TS、CK分別提高了1.4%、2.8%、14.9%和16.1%。冠層溫度秸稈還田配施不同比例氮肥處理間差異不顯著，顯著高于TS和CK，以80% F+TS最高，其次為60% F+TS，其中80% F+TS較60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分別提高了0.1%、0.8%、1.7%、4.5%和5.1%，處理60% F+TS較F+TS、F、TS、CK分別提高了0.7%、1.6%、4.4%和4.9%。

表4 不同處理玉米拔節期生理生態指標變化(2018年)Table 4 Change of physiological and ecological indicator of jointing stage in different treatments (2018)

注：表中同列數據后對應的不同大小寫字母分別表示1%和5%水平差異顯著。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences at 1% and 5% level， respectively.

3 討論

3.1 秸稈還田配施不同比例氮肥對春玉米干物質積累及生理指標的影響

光合作用是作物干物質積累的主要來源，而干物質是作物器官分化、產量形成的前提[15]。李廷亮等[16]研究認為，增施氮肥可改善作物的光合性能，促進干物質積累，但超過一定量后增產效果不明顯。本研究結果表明，與F+TS相比，秸稈翻壓還田與減量20%～40%氮肥配施可以提高玉米不同生育時期干物質積累量，以減氮20%效果最佳，其次為減氮40%處理。

葉片凈光合速率和葉綠素相對含量(SPAD 值)是衡量作物光合作用和能力的重要指標[17]。段魏巍等[18]與高玉紅等[19]研究發現，隨著施氮量增加，穗位葉凈光合速率(Pn)和葉綠素含量(Chl)增加。張麗麗等[20]研究認為，灌漿期內施氮量為180 kg·hm-2處理光合速率顯著高于75 kg·hm-2。SPAD值可直觀反映作物葉片葉綠素濃度，進而反映玉米植株氮素供應狀況。李潮海等[21]研究認為，氮肥可以顯著提高SPAD值。吳雅薇等[22]認為施氮可以顯著提高灌漿結實期玉米葉片葉綠素含量。本研究結果發現，秸稈翻壓還田與減量20%～40%氮肥配施能提高玉米拔節期葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度及SPAD值，這與已有研究結果不盡一致，原因是在隴東黃土旱塬雨養農業區，由于降水季節性分配不均，降水與需水錯位，氮肥肥效的發揮受水分條件的限制，再加上秸稈還田與地膜覆蓋雙重蓄水保水作用，以水促肥，故表現出氮肥減施提高了春玉米光合性能和 SPAD值。

3.2 秸稈還田配施不同比例氮肥對春玉米產量的影響

眾多研究表明，適當減少氮肥施用量不會對作物產量產生顯著影響[23-25]。汪軍等[26]指出，秸稈還田條件下合理配施氮肥能夠明顯改善土壤養分狀況，但氮肥用量不宜過高。李錦等[27]認為，與常規施氮相比，減氮15%有一定增產效果，作物周年籽粒產量可提高7.2%，且30%減氮并未顯著減少小麥(Triticumaestivum)和玉米籽粒產量以及小麥秸稈產量。而李恩堯等[28]認為，氮磷常規施肥減量20%范圍內對玉米產量無顯著影響，但減量30%表現減產。而對于季節性多變降水不能預測的隴東黃土旱塬，氮肥肥效的發揮一定程度上受到水分條件的限制，氮肥的過量施用必然加劇氮素損失，在保證作物需肥的基礎上，適量減少氮肥用量可以降低氮肥損失。秸稈還田可以提高土壤有機質含量，增加土壤保水保肥性。本研究3年結果表明，秸稈翻壓還田與減量20%～40%氮肥配施表現出不同程度的增產，平均產量較常規施氮增幅在2.6%～9.9%，但在減氮20%的基礎上再進一步增加減氮量，即減氮40%，產量增加幅度減小，但仍高于常規施氮處理，產量增加是通過提高產量構成中的穗粒數和百粒重來實現的。原因可能是秸稈含有豐富的營養元素，被微生物分解后可為土壤直接補充氮素，再加上秸稈顯著的穩溫、保水作用也有利于土壤氮素的積累。

3.3 秸稈還田配施不同比例氮肥對春玉米水分利用特性的影響

國內對秸稈直接還田或者作為旱地覆蓋保水的主要措施使用已有多年研究歷史，積累了大量的資料和研究成果。對于西北旱地春玉米生產的重要挑戰是通過科學的管理措施來提高玉米水分利用效率，而作物增產關鍵在于提高土壤供水能力及水分利用效率。旱地季節性多變降水不能預測，但栽培技術能高效集雨并合理利用[29]。Tisdall 等[30]認為秸稈還田與化肥配合施用，可以調控土壤水分，達到很好的水肥耦合效果，其主要通過調整作物耗水結構來提高水分利用效率。本研究結果表明：秸稈還田與減量20%～40%氮肥配施均能不同程度提高春玉米水分利用效率，增幅為3.7%～8.2%。

張忠學等[31]認為秸稈還田對土壤剖面水分的影響范圍可達2 m，但其保水效果會隨土壤深度的增加而減小。張素瑜等[32]研究表明，在輕旱和適宜土壤水分條件下，秸稈粉碎翻壓還田可以改善土壤水分狀況，增加土壤貯水量。張哲等[33]研究認為玉米不同生育時期的土壤蓄水效果與秸稈還田配施氮素水平有密切關系。侯賢清等[34]認為，秸稈還田配施不同氮肥用量在春玉米生育前期不利于保水，而生育中后期0～100 cm土層土壤貯水量均高于秸稈還田不施氮肥處理。本研究結果顯示： 與F+TS相比，秸稈還田與減量20%～40%氮肥配施能提高抽雄前土壤貯水量，抽雄后土壤貯水量逐漸下降，雖然收獲期有所恢復，但仍以減氮20%～40%處理土壤貯水量顯著最低，降幅為3.3%～4.1%，貯水量的高低與產量增加相關，這與侯賢清等[34]研究結論不盡一致。說明秸稈還田的保水效果應考慮降水階段及降水量，這需要做進一步研究。

4 結論

秸稈翻壓還田與減量20%～40%氮肥配施能夠不同程度提高春玉米產量和水分利用效率，差異不顯著，以減氮20%效果最佳，其次為減氮40%，平均產量和水分利用效率較F+TS增幅為2.6%～9.9%和3.7%～8.2%。在玉米整個生育期，與TS和F相比，秸稈還田與一定比例的氮肥配施均能提高抽雄前土壤貯水量，抽雄后土壤貯水量逐漸下降，直至收獲期。同時，秸稈翻壓還田與減量20%～40%氮肥配施提高了玉米全生育期干物質積累量，優化了產量構成，改善了春玉米拔節期葉片光合性能及SPAD值。因此，在隴東黃土旱塬雨養農業區，60%～80% F+TS處理即秸稈翻壓還田與氮肥減量20%～40%的配施方式是該地區最佳施氮種植模式。