吉林省中部黑土區秸稈全量深翻還田條件下春玉米氮肥適宜用量研究

李興吉，王 嶺?，程 松，劉劍釗，王藝霖，逄 娜，梁 堯，張水梅，任 軍，蔡紅光*

（1 吉林農業大學資源與環境學院，吉林長春 130118；2 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室，吉林長春 130033）

東北黑土地肥力退化主要表現之一是黑土表層有機質減少。秸稈還田是增加土壤有機質含量和更新速率、提升土壤地力的重要措施之一[1-3]。然而，東北黑土區農田玉米收獲后水熱不足，秸稈腐解速度慢，翌年春耕整地后播種質量受到嚴重制約[4]。實施秸稈全量直接還田是最經濟有效的增碳培肥方式。目前生產上玉米秸稈全量還田以深翻和覆蓋兩種技術為主體。其中，王立春等[5]制定了深翻還田行業標準，并在黑土地保護利用試點縣逐年推廣，面積逐步擴大，6年田間定位試驗表明，此項技術可有效改善耕層土壤質量，提高土壤水分“保、蓄、供”能力，與普通生產田相比，有機質含量平均增加12.4%，容重下降6.8%～10.2%，耕層厚度增加至35 cm。在中部黑土區，此項技術解決了生產中耕層淺、實、少和土壤有機質下降以及養分過量消耗等諸多土壤肥力退化問題，構建了肥沃耕層，實現玉米高產穩產[6]。

氮肥是提高玉米產量的重要貢獻者，經估算，秸稈還田后的氮素釋放率達91.70%[7]，在補充土壤碳的同時，也可以有效補充土壤氮。曾研華等[8]研究表明，秸稈還田可以替代部分氮肥，有利于減少農田氮肥施用量，還田秸稈的氮肥可替代比例為10%～30%，說明秸稈還田后，氮素可實現減量施用，隨著還田時間的增加，秸稈養分腐解量增多，可同時滿足微生物代謝和玉米生長的氮素需求，秸稈氮對作物的氮素累積量貢獻率和秸稈氮素總利用率有顯著提高[9]。目前秸稈全量深翻還田后氮肥的減量施用技術尚需要系統研究，基于此，本研究在多年秸稈全量深翻還田的基礎上，通過3年的田間定位試驗，系統分析了不同氮肥處理下氮素累積、生物量、產量等指標的變化特征，進一步討論秸稈全量深翻還田后氮肥的減量施用，為吉林中部地區秸稈全量深翻還田后氮肥減施提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗田 (43°29′55″N，124°48′43″E)進行，該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷，夏季高溫多雨，年均降雨量540 mm，年均日照2743 h，年均有效積溫2800～3000℃，無霜期130～140 天，土壤類型為黑土。0—20 cm土層土壤基本理化性質為有機質3.18%、全氮1.56 g/kg、全磷0.46 g/kg、全鉀21.6 g/kg、pH 4.85；20—40 cm土層為有機質2.84%、全氮1.47 g/kg、全磷0.42 g/kg、全鉀21.3 g/kg、pH 5.07。該試驗區自2011年開始，每年秋收后均實施玉米秸稈全量深翻還田作業。

1.2 試驗設計

試驗于2017—2019年進行，雙因素設計，主因素為氮水平，共設7個氮水平，分別為N 0、60、120、180、240、300、360 kg/hm2。副因素為品種，分別為富民985 (Fumin 985)和翔玉211 (Xiangyu 211)，播種密度均為6萬株/hm2。每個處理3次重復，隨機區組排列，小區面積36.4 m2，磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量均為90 kg/hm2。40%的氮肥和全部磷鉀肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔節期追施。2017—2019年試驗區全年降雨量分別為524.4、598.3、606.0 mm (圖1)。

圖1 試驗區2017—2019年月平均降水量Fig. 1 Monthly precipitation during 2017-2019 in the experimental stations

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品于2017年玉米收獲后采集，采用五點采樣法，用土鉆分別采集0—20和20—40 cm土層土壤樣品，剔除動、植物殘體和石塊，風干后過2 mm篩待測。土壤基礎理化指標采用常規分析法測定。于抽雄期和成熟期采集Fumin 985植株樣本，抽雄期分為莖和葉兩部分，成熟期分為莖、葉和籽粒3部分，于105℃殺青30 min后，于80℃烘干至恒重，稱重并計算地上部干物重；采用H2SO4-H2O2消煮法，流動分析儀測定植株氮含量。

成熟期測產，調查穗鮮重和收獲穗數，取標準穗10穗風干脫粒、測含水量，以14%含水量折算玉米籽粒產量。另外選取標準穗10穗進行考種。

1.4 數據處理

采用Excel 2016處理數據，并用SPSS 23軟件檢驗處理間的差異顯著性(LSD方法)，Origin 2018軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理對產量及其組分的影響

方差分析結果(表1)表明，對于產量、百粒重、收獲穗數和穗粒數，年份、處理和品種3個因素均對其產生顯著影響，對于產量、穗粒數和百粒重，年份與處理間交互作用顯著，對于產量、收獲穗數和百粒重，年份與品種間交互作用顯著，施氮肥處理的產量和百粒重較N0處理均差異顯著，以N180處理最高，較不施氮分別增加31.3%、9.70%，施氮肥處理的收獲穗數和穗粒數較N0處理均差異顯著，以N120處理最高，較不施氮分別增加12.9%、15.2%，年際間，2017年產量較其他兩年差異顯著，百粒重、收獲穗數和穗粒數較其他兩年均有顯著差異。

表1 不同氮肥處理下玉米產量及構成因素Table 1 Yield and yield components of maize under different nitrogen treatments

2.2 不同氮肥處理對干物質積累量的影響

如圖2所示，結合3年總體趨勢來看，不同氮肥運籌處理下的干物質積累量均隨著生育期的推進而增加，從拔節期后開始，各施氮處理的干物質積累量與N0處理相比有明顯的差異，說明施氮對玉米干物質積累量作用顯著，吐絲期前各處理的干物質積累量上升較快，吐絲期至成熟期各處理的干物質積累量上升趨勢略緩慢，隨年際的變化，2018和2019年相比2017年N0處理的干物質積累量分別降低10.6%、21.4%。2017年拔節期，不同施氮處理的干物質積累量以N120處理最高，各處理的干物質積累量均無顯著差異，吐絲期不同施氮處理的干物質積累量以N180處理最高，與N0處理相比差異顯著，增加41.2%，與其他處理相比均無顯著差異，成熟期不同施氮處理的干物質積累量以N180處理最高，N180處理與N0處理相比差異顯著，增加47.4%，其他處理與N180處理相比無顯著差異。2018年拔節期，N180處理干物質積累最高，與N0處理相比差異顯著，增加87.5%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期N120處理干物質積累最高，各處理的干物質積累量均無顯著差異，成熟期N180處理干物質積累最高，N180處理與N0處理相比增加29.8%，N180處理與N360處理相比增加20.2%，其他處理與N180處理相比無顯著差異。2019年拔節期，N180處理干物質積累最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加114.4%、99.0%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期，N240處理干物質積累最高，各施氮處理較N0處理增幅10.9%～59.7%，成熟期N240處理干物質積累最高，N240處理與N0、N60、N360處理相比差異顯著，分別增加80.7%、26.1%、40.2%，其他處理與N240處理相比無顯著差異。

圖2 不同氮肥處理下玉米干物質積累量的變化Fig. 2 Change in dry matter accumulation of maize under different nitrogen treatments

2.3 不同氮肥處理對氮素累積量的影響

如圖3所示，結合3年不同生育期的氮素累積量來看，變化趨勢與干物質積累量一致，不同氮肥運籌處理下的氮積累量均隨著生育期的推進而增加，從拔節期開始，各施氮處理的氮積累量與N0處理相比有明顯的差異，吐絲期前各處理的氮積累量上升較快，吐絲期至成熟期各處理的氮積累量上升趨勢略緩慢。2017年拔節期，N180處理氮積累量最高，與N0、N300、N360處理相比差異顯著，分別增加98.5%、38.1%、49.0%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期N240處理氮累積量最高，與N0、N60、N120處理相比差異顯著，分別增加80.0%、28.1%、29.1%，其他處理與N240處理相比無顯著差異；成熟期N300處理氮累積量最高，N300處理與N0、N60、N120處理相比差異顯著，分別增加99.0%、40.8%、26.2%，其他處理與N300處理相比無顯著差異。2018年拔節期，N180處理氮累積量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加98.7%、49.0%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期N240處理氮累積量最高，與N0、N60、N120處理相比差異顯著，分別增加88.3%、31.8%、24.1%，其他處理與N240處理相比無顯著差異；成熟期N240處理氮累積量最高，N240處理與N0、N60處理相比差異顯著，分別增加81.0%、27.2%，其他處理與N240處理相比無顯著差異。2019年，拔節期N180處理氮累積量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加157.3%、95.7%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期N240處理氮累積量最高，各施氮處理較N0處理增幅54.4%～158.4%；成熟期N240處理氮累積量最高，N240處理與N0、N60、N120、N360處理相比差異顯著，分別增加123.9%、38.8%、19.6%、25.4%，其他處理與N240處理相比無顯著差異。

圖3 不同氮肥處理下玉米氮積累量的變化Fig. 3 Change in nitrogen accumulation in maize under different nitrogen treatments

2.4 不同生育時期玉米干物質積累

由表2可知，不同氮肥處理的莖、葉干物質積累量均于吐絲期至乳熟期達到最大值，乳熟期至蠟熟期干物質積累量逐漸下降，在拔節期N180處理的莖稈干物質積累量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加70.3%、54.1%，其他處理與N180處理相比無顯著差異。吐絲期N240處理的莖稈干物質積累量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加36.4%、19.6%，其他處理與N240處理相比無顯著差異；N240處理的葉干物質積累量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加29.4%、15.0%，其他處理與N240處理相比無顯著差異。成熟期N180處理的莖稈干物質積累量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加41.0%、22.5%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；N180處理的葉干物質積累量最高，較N0、N60、N120、N300、N360處理分別增加49.7%、20.9%、16.2%、15.0%、25.5%，N180處理的籽粒干物質積累量最高，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加57.2%、28.9%，其他處理與N180處理相比無顯著差異。

表2 不同生育時期玉米干物質積累(2017—2019平均值)Table 2 Dry matter accumulation in maize at different growth stages (2017-2019 average)

2.5 不同生育時期玉米氮素累積

由表3可知，不同氮肥處理的莖、葉氮累積量均于吐絲期至乳熟期達到最大值，乳熟期至蠟熟期氮累積量逐漸下降，拔節期N180處理的莖稈氮累積量最大，與N0、N360處理相比差異顯著，分別增加121.4%、63.2%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；吐絲期N240處理的莖稈氮累積量最大，較N0、N60、N120、N300、N360處理分別增加93.6%、46.8%、30.0%、13.8%、24.7%，N240處理的葉氮累積量最大，較N0、N60、N120、N180、N360處理分別增加125.9%、39.7%、32.6%、15.8%、13.0%，成熟期N360處理的莖稈氮累積量最大，較N0、N60、N120、N180處理分別增加125.0%、60.7%、25.0%、23.3%；N180處理的葉氮累積量最大，與N0、N60處理相比差異顯著，分別增加139.5%、33.8%，其他處理與N180處理相比無顯著差異；N240處理的籽粒氮累積量最大，較N0、N60、N120、N180、N360處理分別增加96.9%、37.9%、22.3%、14.2%、22.3%。2017年，N300處理氮還入量最高為68.9 kg/hm2，較N0、N360 處理分別增加155.0 %、15.2%；2019年，N240處理氮還入量最高為109.9 kg/hm2，較N0、N360 處理分別增加156.7%、33.4%。

表3 不同生育時期玉米氮素積累(2017—2019平均值)Table 3 Nitrogen accumulation in maize at different growth stages (2017-2019 average)

2.6 不同氮肥處理玉米開花前后地上部植株氮累積量分配比例

3年試驗結果(圖4)表明，不同施氮水平下花前(拔節期至吐絲期)與花后(吐絲期至成熟期)的氮累積量的分配規律基本一致，花前的氮積累量分配比例隨著施氮量的提高呈現先降后升的趨勢，花后的氮積累量分配比例隨著施氮量的提高呈現先升后降的趨勢，2017年以N240處理開花后的氮積累量分配比例最高，開花期前后的氮累積量的分配比例分別為60.3%、39.7%，其他處理與N240處理相比均無顯著差異。隨著年際的推移，2018、2019年均以N180處理花后的氮積累量分配比例最高，花前花后的氮累積量的分配比例分別為63.09%、36.91%和69.39%、30.61%，其中2018年其他處理的花后的氮積累量分配比例與N180處理相比均無顯著差異，2019年N180處理花后的氮積累量分配比例與N240、N300、N360處理相比差異較顯著，分別增加52.2%、77.9%、86.6%，其他處理與N180處理相比均無顯著差異。

圖4 不同氮肥處理開花前后地上部植株氮累積量比例Fig. 4 Nitrogen accumulation ratio in plant shoots before and after flowering under different N fertilizer treatments

2.7 不同產量水平下的氮肥適宜用量

如圖5所示，2017—2019年兩個玉米品種的產量均隨著施氮水平的提高呈現先上升后降低的趨勢，產量相對于施氮量的變化滿足二次曲線方程模型。依據方程計算，2017年富民985、翔玉211的最佳經濟產量分別為13171、13710 kg/hm2，適宜施氮量分別為165、167 kg/hm2；2018年播種后，5月1日至27日約1個月未降雨，影響苗期質量，導致最終產量偏低，適宜施肥量出現偏差，富民985和翔玉211的最佳經濟產量分別為10343和11361 kg/hm2，適宜施氮量分別為125和143 kg/hm2；2019年富民985和翔玉211的最佳經濟產量分別為12030和13243 kg/hm2，適宜施氮量分別為159和164 kg/hm2。2018、2019年N0處理的產量相比于2017年N0處理的產量分別降低10.9%、26.2%，2017年N180處理比N0處理產量增加23.2%，2019年N180處理比N0處理產量增加55.1%。隨種植年限的增加，適宜氮肥用量略有下降，但兩個品種間的適宜氮肥用量十分接近。基于此，以2017和2019年平均產量擬合出最佳經濟產量為13028 kg/hm2，適宜施氮量為162 kg/hm2。

圖5 不同氮肥用量處理玉米產量的變化Fig. 5 Changes of maize yield under different nitrogen application rates

3 討論

玉米秸稈還田可顯著提高土壤有機質含量，對土壤物理性狀具有明顯的改善作用，增強土壤的蓄水能力[10-12]，同時，秸稈中的氮、磷、鉀和硅等能夠有效補充土壤養分。本研究在多年秸稈全量深翻還田背景下，通過3年田間定位試驗，系統地研究了不同氮水平下氮素累積、生物量、產量變化特征。本研究中，春玉米干物質積累量隨著生育期的推進而增加，且每個生育期的干物質隨著施氮水平的提高呈現先上升后降低的趨勢，在施氮量大于240 kg/hm2時干物質積累量開始下降，表明氮肥施用過多并不能有效地促進玉米干物質的形成。吐絲期前各處理的干物質積累量上升較快，吐絲期至成熟期各處理的干物質積累量上升趨勢略緩慢[13]。地上部氮素積累趨勢從拔節期后開始，各施氮處理的氮積累量與N0處理相比有明顯的差異，吐絲期前各處理的氮積累量上升較快，吐絲期至成熟期各處理的氮積累量上升趨勢略緩慢，這與干物質積累量的變化趨勢一致。

作物生物量的累積量與養分的積累有著密切的關系，養分積累是生物量累積的基礎，也是作物產量形成的基礎。玉米生育期內吸收養分的能力強，充足的養分供應是玉米獲得高產的關鍵[14]，秸稈還田增加了土壤氮素來源，改變了土壤供氮特性[15]，本研究表明，不同氮水平下，秸稈理論帶入全氮養分量差異明顯，2017年，N300處理氮還入量最高為68.9 kg/hm2，較N0、N360處理分別增加155.0%、15.2%；2019年，N240處理氮還入量最高為109.9 kg/hm2，較N0、N360處理分別增加156.7%、33.4%，秸稈全量還田的氮還入量隨著施氮水平的升高而呈現先上升后降低的趨勢，隨著種植年限的增加，2019年N0處理的氮還入量較2017年增加58.3%，2019年N240處理的氮還入量較2017年增加78.0%，2019年N360處理的氮還入量較2017年增加37.6%，不同施氮水平的氮還入量隨著秸稈還田年限的增加而逐漸上升，這與閆宇婷等[15]研究結果一致。

本研究中，玉米產量均隨著施氮水平的提高呈現先上升后降低的趨勢。N0處理的產量隨著年限的增加而逐年遞減，2018、2019年相比于2017年分別降低10.9%、26.2%，各處理間差異也逐漸增大，2017年N180處理比N0處理產量增加23.2%，到2019年N180處理比N0處理產量增加55.1%。2018年由于氣候因素導致氮肥適宜用量出現偏差，但總體而言，在秸稈全量深翻還田后，隨著種植年限的增加，氮肥適宜用量有逐步降低的趨勢，說明秸稈還田釋放的氮素逐漸增加，彌補了氮素的損失，這與閆宇婷等[15]研究結果一致。

本研究以2017和2019年數據擬合方程，計算得出秸稈全量深翻還田后玉米最佳經濟產量13028 kg/hm2的條件下，適宜氮肥用量為162 kg/hm2；將2018年異常年份統籌考慮，結合3年的曲線方程擬合出最佳經濟產量為12228 kg/hm2，對應最佳經濟施氮量為163 kg/hm2。在本地區相似土壤肥力及種植環境下，葉東靖等[13]研究表明，秸稈離田后常規耕作不同氮水平下最佳經濟產量為12031 kg/hm2，最佳經濟施氮量為226 kg/hm2，鄭偉等[16]研究表明，秸稈離田后常規耕作最佳經濟產量為12592 kg/hm2，最佳經濟施氮量為227 kg/hm2。由此推算，經多年秸稈全量深翻還田后，促使土壤微生物數量增加以及活性增強，并加速土壤有機氮的礦化，替代了部分氮肥用量[17]，長期秸稈還田的累積效應，增加土壤有機質、改善土壤物理結構，為玉米減氮高產提供有利生長環境[18]。氮肥適宜用量有顯著降低的趨勢，降低幅度在35%以上[19]，這也表明秸稈全量還田具有明顯的減氮增效作用。

4 結論

在吉林中部黑土區，多年秸稈全量深翻還田條件下，氮肥水平、年份、品種及其交互作用均對產量產生顯著影響，但是氮肥的效應依然最重要。不同施氮水平下秸稈全量還田(均值9800 kg/hm2)帶入全氮養分量平均為101.5 kg/hm2；由于秸稈中積累的氮素持續回田，可進一步降低適宜氮肥的用量。本試驗中適宜氮肥用量為160～165 kg/hm2，產量水平保障在 12～13 t/hm2。