夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥產量和氮素利用的影響

李紅星，高 飛，任佰朝，趙 斌，劉 鵬，張吉旺

（山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

氮素是作物生長發育所必需的營養元素之一[1–2]，合理施用氮肥是實現作物高產的重要措施，而過量施氮會降低氮素利用率，導致作物減產[3–4]。自1978—2019年，中國糧食產量由3.05億t提升至6.64億t，農用化學氮肥(折純)用量由0.09億t增長到0.55億t[5–6]。農業生產中大量施用氮肥獲得高產的現象越發普遍。例如，黑龍江省在2017和2018年的玉米季內有57.1%和45.4%的農民存在施氮量偏高或過高現象[7]。農業生產中的氮肥用量已超過經濟最佳施用量，過量施氮不僅降低作物產量和品質，還會引起農田氮素污染[8–9]。

近年來，隨著我國氮肥資源緊缺和環境污染問題加重，農作物秸稈利用受到廣泛關注[10–12]。農作物秸稈富含各種營養元素，還田后可以提高土壤氮、磷、鉀等養分含量和改善土壤理化特性，對作物的增產增效具有重要意義[13–14]。劉玲等[15]在旱地潮土和馬力等[16]在紅壤水稻土的研究表明，秸稈還田下土壤表層有機碳含量分別顯著增加28.70%和29.62%。作物秸稈腐解過程中產生腐殖質并釋放氮素，增加土壤養分循環中的氮含量[17]。與單施有機肥相比，秸稈還田結合有機肥可顯著降低土壤氮素淋溶損失[18–19]。秸稈還田為農田耕地質量提高和資源可持續利用做出貢獻的同時也會帶來一些弊端，如農田溫室氣體外排增加[20]，因秸稈處理不當導致小麥苗期凍害率升高[21]，因碳分解引起的土壤氮流失加重等[22]。因此，如何提高作物秸稈和氮肥利用效率，減少資源浪費，保證農田土壤氮素可持續供給是農業生產中亟需解決的問題之一。

目前，國內外關于秸稈還田配施氮肥的研究主要集中在秸稈還田方式、還田秸稈種類、氮肥種類和氮肥用量對作物產量和土壤肥力的影響，關于夏玉米秸稈還田量對冬小麥產量和氮效率的影響及其減氮效應的研究相對較少[23–25]。本研究依托山東農業大學玉米創新中心長期(9年)秸稈還田試驗平臺[10]，通過研究不同玉米秸稈還田量配施氮肥進行長期還田后對冬小麥產量、地上部氮素積累量、氮素營養指數、氮素收獲指數、氮素吸收效率、氮素利用效率的影響，分析土壤對小麥不同生育時期的氮素供應能力和植株氮素虧缺程度，以期探尋提高氮素利用率，實現冬小麥高產高效的適宜玉米秸稈還田量和合理施氮量。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省泰安市山東農業大學玉米創新中心(東經117°12'，北緯36°18')的長期定位秸稈還田試驗田，該定位試驗始于2011年[10]。本試驗于2019—2021年進行，供試小麥品種為泰農18，玉米品種為登海605。試驗地位于溫帶大陸性季風氣候區，2019年10月—2021年6月的氣象資料由試驗地附近氣象站提供(圖1)。

圖1 試驗期間冬小麥生長季溫度和降水量(2019—2021)Fig.1 Temperature and precipitation across the growth stages of wheat from 2019 to 2021

1.2 試驗設計

在冬小麥–夏玉米周年生產體系中基于小麥秸稈全部還田，設計玉米秸稈全量、半量和無秸稈還田，2016年小麥季始，設置裂區試驗，在不同玉米秸稈還田量基礎上設2個施氮量，分別為高產施氮量[9](N 210 kg/hm2)、氮肥減施 15% (N 178.5 kg/hm2)，共計6個處理：夏玉米秸稈全量還田配施N 210 kg/hm2(SN)和 178.5 kg/hm2(S–15%N)、夏玉米秸稈半量還田配施 N 210 kg/hm2(1/2SN)和 178.5 kg/hm2(1/2S–15%N)、夏玉米秸稈不還田配施 N 210 kg/hm2(CKN)和 178.5 kg/hm2(CK–15%N)。每處理 3 次重復，小區面積為 30 m2(3 m×10 m)，隨機區組設計。小麥于10月中旬播種，播種量為133.5 kg/hm2；玉米于6月中旬播種，播種密度為67500株/hm2。小麥季和玉米季的磷肥和鉀肥的施用量為P2O575 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，在播前一次性施入；氮肥于小麥播種前施入50%，拔節期追施50%；玉米季氮肥用量與小麥季相同，在玉米播前和小喇叭口期按照4∶6的比例施用。兩季作物的耕作方式均為秸稈粉碎還田后，鏵式犁翻耕1遍，耕深20—30 cm，旋平后播種。其他管理措施按高產田水平進行田間管理。每個處理具體秸稈還田量詳見表1，各處理0—20 cm耕層土壤基礎肥地力見表2。

表1 小麥播前玉米秸稈還田量和施氮量(kg/hm2)Table 1 Quantity of maize straw incorporation and N application rate before wheat sowing

表2 小麥播前不同處理0—20 cm耕層土壤理化性狀(2019)Table 2 Physical and chemical properties of 0–20 cm soil layer under different treatments before wheat sowing in 2019

1.3 測定項目及方法

1.3.1 小麥生育進程中地上部氮素積累 分別于小麥拔節期、開花期和成熟期，取30株長勢均勻一致的植株，105℃殺青，75℃烘干至恒重，稱重后磨粉、經H2SO4–H2O2消煮，使用AA3連續流動分析儀測定其全氮含量[26]。

1.3.2 考種、測產 小麥成熟期，選取長勢均勻的2.0 m×1.5 m區域調查單位面積穗數，人工收割、脫粒、烘干，測定千粒重，3次重復。成熟期隨機選取30個單莖，調查穗粒數，每個處理3次重復。

1.3.3 土壤理化性質相關指標測定 2019年，于冬小麥播種前用土鉆法每小區鉆取0—20 cm耕層土壤，測定基礎地力。在采集小麥植株樣品的同時以20 cm為一層，分3層取0—60 cm土樣，每個小區取3個具有代表性的樣點，土樣保存于–20℃冰箱中。土壤無機氮(硝態氮、銨態氮)采用1 mol/L氯化鉀溶液浸提，土壤全氮采用H2SO4–H2O2消煮，使用AA3連續流動分析儀測定[10]。

1.4 計算方法

植株地上部氮素積累量=植株地上部干物質重×植株含氮量[13]

土壤無機態氮累積量=(土壤硝態氮含量+土壤銨態氮含量)×土壤容重(g/cm3)×土層厚度(cm)/10[19]

氮素營養指數=地上部實際吸收的氮量/標準氮量[27–28]。式中，標準氮量=ac×W-b(ac是每公頃土地生產1噸干物質需要的最小氮含量，值為0.053；W為實際干物質量(單位為噸)，b為常數0.44)

氮素收獲指數=籽粒氮積累量/植株總氮積累量[13]

氮素吸收效率=植株地上部氮素積累量/供氮量×100[28–30](土壤供氮量包括土壤氮和肥料氮，其中前者為小麥播前0—60 cm土層的硝態氮和銨態氮的總和)

吸收氮素利用效率=籽粒產量/成熟期地上部氮素積累量[28–30]

氮素利用率=籽粒產量/供氮量[28–30]

1.5 數據分析

試驗數據采用 Microsoft Excel 2013 計算，利用SPSS 16.0 軟件統計分析數據和 Sigmaplot 14.0 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表3可知，玉米秸稈還田和施氮量顯著影響小麥產量。與CKN處理相比，CK–15%N處理的兩年小麥產量平均顯著降低4.26%，而SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N處理的產量平均分別顯著增加12.79%、11.24%、12.63%和2.79%。

表3 秸稈還田量和施氮量對冬小麥產量及其構成因素的影響Table 3 Effects of straw incorporation and N application rate on winter wheat yield and its components

玉米秸稈還田和施氮量顯著影響小麥單位面積穗數、穗粒數和千粒重。與CKN處理相比，SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N處理的千粒重兩年平均分別顯著增加4.86%、4.24%、2.88%和4.03%，而CK–15%N處理的千粒重無顯著變化。與CKN處理相比，CK–15%N處理的單位面積穗數顯著降低3.51%。2020—2021年，SN、S–15%N和1/2SN處理的穗粒數比CKN處理分別顯著增加10.50%、9.54%和11.83%，而1/2S–15%N處理和CK–15%N處理的穗粒數比CKN處理分別顯著減少2.86%和2.48%，2019—2020年變化趨勢與2020—2021年基本一致。

2.2 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥土壤無機態氮累積量的影響

由表4可知，同一秸稈還田量下，施氮量減少導致小麥各處理0—60 cm土層土壤無機態氮累積量顯著降低。除CK–15%N處理以外，其余5個處理小麥成熟期土壤無機態氮累積量較拔節期均增加，其中秸稈還田處理主要增加0—20 cm和20—40 cm無機態氮含量，CKN處理主要增加40—60 cm無機態氮含量。小麥拔節期，1/2SN和CKN處理的兩年土壤無機態氮累積量均值最高。與CKN處理相比，SN、S–15%N和1/2S–15%N處理分別顯著減少9.02%、9.55%和12.87%。拔節期追肥后，各處理土壤無機態氮累積量顯著增加。小麥開花期，SN、S–15%N和1/2SN處理較CKN處理分別顯著增加29.04%、9.31%和16.86%；1/2S–15%N、CK–15%N處理分別較CKN處理顯著減少6.07%和22.28%。小麥成熟期，各處理土壤無機態氮累積量較開花期顯著降低。同一施氮量下，秸稈還田顯著增加土壤無機態氮累積量。SN和1/2SN處理較CKN分別顯著增加4.81%和3.19%；S–15%N和1/2S–15%N處理分別較CK–15%N處理顯著增加8.28%和5.15%。

表4 不同處理下0—60 cm土層土壤無機態氮累積量(kg/hm2)Table 4 Accumulation of in 0–60 cm soil layer under different treatments

2.3 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥地上部氮素積累量的影響

由圖2可以看出，小麥拔節期不同處理地上部氮素積累量存在顯著差異，1/2SN和CKN處理的氮素積累量最高。與CKN處理相比，SN、S–15%N和1/2S–15%N處理分別顯著減少3.19%、5.95%和15.52%。隨著小麥生育進程的推進，各處理地上部氮素積累量顯著增加。開花期SN和1/2SN處理無顯著差異，而較CKN處理分別顯著增加25.63%，30.07%；與CKN處理相比，S–15%N處理顯著增加12.61%，而CK–15%N處理顯著減少13.87%。成熟期SN、S–15%N和1/2SN處理的地上部氮素積累量無顯著性差異，較CKN處理分別顯著增加24.45%、22.81%和23.51%；與CKN處理相比，CK–15%N處理顯著減少7.94%。

圖2 秸稈還田量和施氮量對冬小麥地上部氮素積累量的影響Fig.2 Effects of straw returning rate and nitrogen application rate on aboveground nitrogen accumulation in winter wheat

2.4 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥氮素營養指數的影響

玉米秸稈還田量和施氮量顯著影響冬小麥各生育時期氮素營養指數，氮肥減施導致氮素營養指數顯著降低。小麥拔節期，除CKN處理以外的5個處理的氮素營養指數，與CKN處理的氮素營養指數(0.90)相比顯著降低8.14%～25.56%，說明小麥在該時期處于氮素虧缺狀態。與CKN處理相比，SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N處理氮素營養指數兩年均值分別顯著降低11.90%、13.60%、10.18%、22.08% 和 17.89% (圖3)。

4個玉米秸稈還田處理開花期和成熟期的氮素營養指數與拔節期相比均顯著升高(圖3)。SN處理的氮素營養指數大于1，兩個生育時期分別比CKN處理顯著增加28.66%和27.66%，處于氮素盈余狀態。S–15%N和1/2SN處理的氮素營養指數分別為0.98和1.08，分別比CKN顯著增加13.67%、21.59%，成熟期分別比CKN顯著增加20.66%、17.45%，兩個處理在生育后期均處于氮素最佳狀態(圖3)。綜上所述，玉米秸稈全量還田在保證小麥氮素處于最佳狀態下，還可減少小麥季部分化學氮肥施用量(S–15%N)，或在常規高產施氮量(N 210 kg/hm2)下，將一半的玉米秸稈還田(1/2SN)，來確保小麥各生育時期的氮素營養。

圖3 不同玉米秸稈還田量和施氮量下2019—2021年冬小麥各生育時期的氮素營養指數Fig.3 Nitrogen nutrition index across the growth stages of winter wheat from 2019 to 2021 as affected by maize straw incorporation and nitrogen application rates

2.5 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥氮素利用的影響

不同玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥氮素吸收利用具有顯著影響(表5)，在同一玉米秸稈還田量下，施氮量減少導致小麥氮素收獲指數、吸收氮素利用效率和氮素利用率顯著增加。1/2S–15%N、S–15%N處理的兩年平均氮素收獲指數較CKN分別顯著增加12.09%、6.07%；2020—2021年，1/2SN、CK–15%N處理分別比CKN顯著增加2.90%、4.35%；SN與CKN處理無顯著差異。兩季小麥，CK–15%N處理的吸收氮素利用效率較CKN處理顯著增加14.71%；與CKN處理相比，SN和S–15%N處理分別顯著降低10.68%和8.29%。S–15%N處理兩年的氮素吸收效率顯著高于其余5個處理，其中SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N處理氮素吸收率較CKN處理分別顯著增加16.99%、42.65%、27.15%、19.05%和7.64%。SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N處理的氮素利用率分別較CKN顯著增加10.41%、29.55%、14.19%、26.24%和21.39%。

表5 不同玉米秸稈還田量和施氮量下冬小麥的氮素利用率Table 5 Nitrogen utilization of winter wheat as affected by maize straw incorporation and nitrogen application rates

3 討論

3.1 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥產量及其構成的影響

玉米秸稈還田后，經過土壤微生物分解作用，釋放的營養物質影響土壤理化性質和小麥產量[31–32]。Usman等[33]研究報道，玉米秸稈還田對冬小麥產量具有顯著影響，秸稈還田和氮肥(N 200 kg/hm2)等比例4次分施(播種，播種后20、45和70天)較其余8種處理可獲得較高的產量和氮素利用率。本試驗結果表明，玉米秸稈還田顯著提高小麥產量，其中SN、S–15%N和1/2SN處理的小麥籽粒產量較CKN處理顯著增加，主要原因是千粒重的顯著增加(表3)；CK–15%N處理的產量較CKN處理顯著降低，主要是源于氮肥減施后單位面積穗數和穗粒數的降低[13,34]。玉米秸稈還田可顯著提高冬小麥的千粒重和穗粒數，進而增加產量，這是因為玉米秸稈長期還田后可顯著增加土壤速效鉀、速效磷和有機質含量，滿足小麥籽粒發育所需養分的供應量，進而促進小麥增產[10]。

3.2 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥土壤無機態氮累積量和地上部氮素積累量的影響

小麥季地上部氮素積累與轉運受氮肥類型、氮肥用量、土壤無機態氮累積量等因素的影響[13,33]。土壤中的有機態氮經礦化作用生成的無機態氮(硝態氮和銨態氮)是作物氮素吸收的重要來源[32–35]。除施用的氮肥外，秸稈中有機態氮也是小麥生長發育的重要氮源。在本研究中，1/2SN和CKN處理拔節期的氮素積累量顯著高于其余處理，這與1/2SN處理玉米秸稈還田量少有關，秸稈腐解時土壤微生物固碳爭氮作用較低，并且該處理施氮水平高，土壤無機態氮含量可滿足小麥生育前期氮素吸收和積累；CKN處理小麥生育初期不存在玉米秸稈腐解微生物爭奪氮素的情況，高施氮水平下土壤無機態氮含量可滿足小麥生育前期生長需求[31]。與CKN相比，SN和S–15%N處理拔節期地上部氮素積累量顯著降低，這可能是因為玉米秸稈全量還田腐解時土壤微生物固碳爭氮作用強烈，導致土壤無機態氮含量無法滿足小麥生育前期生長需求[13]。與拔節期相比，小麥花后各處理氮素積累量和土壤無機態氮累積量顯著提高[19,21]。與CKN相比，SN、S–15%N和1/2SN處理花后地上部氮素積累量均顯著增加，這是因為SN處理的施氮量和玉米秸稈還田量較高，玉米秸稈腐解釋放的氮素及長期秸稈還田后土壤本身所含無機態氮累積量可滿足小麥后期氮素需求，顯著提高花后氮素積累量；與SN處理相比，S–15%N處理的氮肥減施15%后花后地上部氮素積累量未顯著降低，這可能是因為玉米秸稈腐解后在小麥生育后期的供氮作用凸顯，提高土壤無機態氮含量，進而增加小麥地上部氮素吸收和積累[19]；1/2SN處理的花后氮素積累量能維持在較高水平，這與玉米秸稈還田量減半有關，玉米秸稈腐解時固碳爭氮作用減小，使土壤無機態氮含量相對較高，土壤氮素供應可滿足小麥生育后期的氮素需求(表4)。

3.3 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥氮素營養指數的影響

氮素營養指數是評價作物氮素盈虧和土壤供氮能力的重要診斷工具[31,36–37]。本試驗結果表明，玉米秸稈還田量和施氮量顯著影響冬小麥各個生育時期的氮素營養指數，其中施氮量與氮營養指數呈顯著正相關。玉米秸稈還田要經歷前期微生物腐解固碳爭氮作用和后期釋放氮素的過程[13,38]。小麥拔節期，SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N處理的氮素營養指數與CKN處理存在顯著差異。玉米秸稈還田后，前期腐解時土壤微生物對有效氮素的爭奪作用高于秸稈不還田，這可能導致土壤有效氮素無法被小麥充分吸收，使小麥生育前期處于氮素虧缺狀態，導致氮素營養指數降低[13]。CK–15%N處理與CKN處理相比，玉米秸稈均不還田，施氮量減少15%后導致小麥生育前期在低施氮水平下表現出氮素營養指數降低、氮素虧缺的結果。1/2SN處理為玉米秸稈半量還田，該處理的氮素營養指數顯著高于SN、S–15%N處理，這可能是因為秸稈腐解前期固碳爭氮作用小于秸稈全量還田[10]。小麥開花期和成熟期SN處理的氮素營養指數大于1，說明小麥處于氮素盈余狀態，這可能是因為在施氮量210 kg/hm2基礎上，秸稈全量還田腐解后期土壤供氮水平較高，引起小麥氮素盈余[34]。S–15%N和1/2SN處理的氮素營養指數分別為0.98和1.08，表明土壤供氮量在滿足小麥生長需求的同時不存在土壤氮素過度盈余，此時小麥氮素營養狀況最佳。

3.4 夏玉米秸稈還田量和施氮量對冬小麥氮素利用的影響

氮素收獲指數是反映氮素從營養器官向籽粒轉移能力的重要指標[13]；氮素利用率是指土壤單位供氮量生產籽粒的能力，氮素利用率可劃分為氮素吸收效率和吸收氮素利用效率[33,36]。本試驗結果表明，同一玉米秸稈還田量下，氮肥減施后氮素收獲指數、吸收氮素利用效率和氮素利用率顯著降低，這是因為氮肥減施后導致土壤供氮組成中化學氮肥的比例降低，進而使土壤總供氮量的值相對減小(表5)。SN、1/2SN和CKN處理的施化肥氮量相同，SN和1/2SN處理的地上部氮素積累量整體較CKN顯著增加，導致氮素吸收效率較CKN處理顯著增加；S–15%N處理的地上部氮素積累量顯著高于CKN處理，且施氮量減少，所以氮素吸收效率顯著高于其余5個處理。與CKN處理相比，玉米秸稈還田配施氮肥的4個處理不增加氮肥用量，而籽粒產量顯著提高，導致2020—2021年S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N處理小麥的氮素收獲指數和氮素利用率顯著升高(表5)。綜合分析各處理的氮肥利用效率和小麥產量可知，S–15%N和1/2SN處理的土壤氮肥供應可滿足小麥生育后期氮素需求，進而增加產量。但也有研究報道玉米秸稈還田配施氮肥后顯著降低冬小麥地上部氮素積累量，使氮肥回收率降低了4%～15.7%[39–40]，這與本研究結論存在爭議，具體原因仍需進一步探討。除此以外，本試驗設計的氮肥減施15%是否為秸稈還田下最優的氮肥用量仍需進一步研究討論。

4 結論

施氮量210 kg/hm2時，與秸稈不還田相比，玉米秸稈全量和半量還田顯著提高成熟期地上部氮素積累量和氮素利用率，顯著增加小麥穗粒數和千粒重，進而提高產量。與玉米秸稈全量還田配施氮肥210 kg/hm2(SN)相比，秸稈全量還田配施氮肥178.5 kg/hm2(S–15%N)或秸稈半量還田配施氮肥210 kg/hm2(1/2SN)，保證氮素營養指數處于最佳狀態，在實現小麥產量穩定的同時減少氮肥施入，提高玉米秸稈的資源化利用，為黃淮海地區冬小麥高產高效栽培提供可借鑒的理論依據。