冀中南地區小麥—玉米輪作體系秸稈還田下適宜施氮量的研究

劉環環，劉強，李艷寧

（1.石家莊市農業技術推廣中心，河北 石家莊 050000；2.石家莊市藁城區農業技術推廣中心，河北 藁城 052165）

玉米是我國播種面積最大的主要糧食作物，每年秸稈產量高達3.5 億t[1]。玉米秸稈營養豐富，含碳量為45%～50%，還含有多種營養元素，是十分重要的有機肥源物質[2～4]。玉米秸稈還田技術是我國實施耕地質量保護與提升的重要技術模式，也是實現農業廢棄物資源化再利用的重要途徑[5，6]，小麥—玉米輪作是冀中南地區重要的種植體系[7]，秸稈還田技術應用比較廣泛，不僅能減少秸稈焚燒造成的環境污染和資源浪費，還能促進土壤有機質積累，改善土壤結構，增加耕層速效氮含量而引發土壤氮礦化的正激發效應，提高微生物群落多樣性和多種土壤酶的活性，為農作物健康生長提供了良好的土壤環境[8～12]。但秸稈具有較高的碳氮比，還田后腐解時碳氮比失衡造成土壤微生物跟作物競爭可利用的氮素，進而影響產量的進一步提高，因此秸稈還田后合理地進行氮肥運籌是小麥—玉米輪作體系科學管理的關鍵環節[13，14]。研究表明，秸稈還田后合理施肥有助于維持土壤酸堿平衡，促進土壤中有機氮的礦化和固定氮的轉化，提高氮肥利用率，增加產量，并有助于改善作物品質[15～20]。但氮肥施用過量，不僅會抑制作物營養器官中的氮素向子粒轉移，降低氮肥農學利用率，導致減產降質[21～23]；還會加劇氮素的揮發和淋溶，造成資源損失增大，且污染環境[24～27]。因此，探究秸稈還田條件下農田適宜施氮量對合理利用資源、減少化肥用量、保護生態環境具有重要意義。

國內外學者對玉米秸稈還田的作用進行了諸多研究，但大多只是針對單一的小麥或玉米進行跟蹤，難以揭示玉米秸稈還田后對2 種作物氮肥用量與產量的關系。基于此，在冀中南地區玉米秸稈還田的基礎上，進行不同施氮量對小麥和玉米產量結構以及氮素收獲指數的影響試驗，明確每種作物的最佳施氮量和最高產量，旨為該區域高效利用秸稈資源和優化施肥技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省石家莊市藁城區進行。試驗田土壤類型為輕壤質石灰性褐土，基礎土壤養分含量為有機質23.32 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷23 mg/kg、速效鉀 265 mg/kg，pH 值 7.4。

1.2 試驗材料

小麥品種為藁優5766，玉米品種為鄭單958。

所施肥料為尿素（N 含量46%，史丹利化肥股份有限公司）、重過磷酸鈣（P2O5含量44%，新洋豐農業科技股份有限公司）、氯化鉀（K2O 含量60%，中化化肥有限公司）和硫酸鉀（K2O 含量52%，中化化肥有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 本研究是在前茬玉米秸稈切段（長3～5 cm） 還田的基礎上開展的，試驗時長為1 個小麥—玉米輪作周期，小麥階段的試驗結束后在原地塊進行玉米階段的試驗。小麥和玉米的氮肥施用量均設無氮 （N0）、低氮 （N1）、中氮 （N2） 和高氮 （N3，當地常規施肥）4 個處理（表1），同一作物階段不同處理的P2O5和K2O 施用量均相同。試驗地兩端設保護行，小區面積667 m2，3 次重復。

小麥 2020 年 10 月 14 日施用尿素 （N0、N1、N2、N3處理的施用量分別為 0.00、195.65、228.26 和260.87 kg/hm2）、重過磷酸鈣204.55 kg/hm2和氯化鉀125.00 kg/hm2做底肥，10 月 16 日播種；2021 年 4 月3 日追施尿素1 次，各處理的施用量均同其播種前；6月8 日收獲。玉米2021 年6 月17 日播種并施入尿素 （N0、N1、N2、N3處理的施用量分別為 0.00、195.65、244.57 和293.48 kg/hm2）、重過磷酸鈣136.36 kg/hm2和硫酸鉀115.38 kg/hm2做底肥；8 月3 日追施尿素1次，各處理的施用量均同其播種前；9 月28 日收獲。其他田間管理措施同常規。

1.3.2 測定項目與方法 作物成熟期，每小區均采取“S”型取樣法選取3 個樣點，每個樣點均選取1 m 雙行的樣方，統計樣點內的小麥穗數（玉米株數），計算單位面積穗數（株數）。作物收獲時，各小區均單獨收割，統計子粒產量和莖葉產量，計算谷草比（子粒產量/莖葉產量）；每小區均隨機選取長勢均勻的植株（小麥20 株，玉米10 株），測定穗粒數、千粒重、子粒氮素積累量和莖葉氮素積累量，計算氮素收獲指數（子粒氮素積累總量/植株氮素積累總量×100%）。

將各作物的施氮量與其子粒產量作散點圖，并對二者關系進行擬合，得到每種作物施氮量與其子粒產量的二元函數方程；然后，根據方程，計算得到每種作物的最佳施氮量及其最佳產量。

1.3.3 數據統計分析 利用SPSS 20 和Excel 軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田下施氮量對作物產量的影響

施氮處理的小麥子粒和莖葉產量均顯著＞N0處理，指標值順序均為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中，N2處理的子粒產量分別較N0、N1、N3處理提高12.94%、0.94%和4.42%且差異均達到了顯著水平，而莖葉產量不同處理間差異均不顯著；谷草比均＞N0處理，指標值順序為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中N1與N2處理差異不顯著，但二者均與其他2 個處理差異達到了顯著水平（表2）。表明N2處理效果最好，可以顯著提高小麥子粒產量、莖葉產量和谷草比。進一步對N2與N1和N3處理的小麥子粒產量構成因素進行分析，結果顯示，該處理下穗粒數和千粒重最高，單位面積穗數最少，其中千粒重與其他2 個施氮量處理差異均達到了顯著水平。表明N2處理主要通過顯著提高千粒重實現了子粒產量的明顯提高。

表2 施氮量對小麥和玉米產量的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on the yield of wheat and maize

施氮處理的玉米子粒和莖葉產量均顯著＞N0處理，指標值順序均為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中，N2與N1處理差異不顯著，但二者均與N3處理差異達到了顯著水平；谷草比均＞N0處理，指標值順序為N2處理＞N1處理＞N3處理，其中N2與N1處理差異不顯著，但二者均與其他2 個處理差異達到了顯著水平。表明N2和N1處理均可以顯著提高玉米子粒產量、莖葉產量和谷草比，二者效果基本相當，其中N2處理效果更好。進一步對N2和N1處理的玉米子粒產量構成因素進行分析，結果顯示，N2處理下單位面積株數和穗粒數均略＜N1處理，而千粒重顯著＞N1處理。表明N2處理主要通過顯著提高千粒重實現了子粒產量的提高。

綜上分析可以看出，秸稈還田下2 種作物均以中氮處理效果最好，可以顯著改善作物的生長狀況，提高子粒產量；而施氮量過高或過低，在一定程度上均面臨減產的風險。這與前人的輪作體系中作物產量與氮肥用量呈二次曲線關系[28～30]研究結果相一致。本研究設置的高氮水平為當地習慣施肥，因此認為，該地區農業生產上秸稈還田后適當降低氮肥用量可以實現作物子粒高產。

2.2 秸稈還田下施氮量對植株氮素積累量和氮素收獲指數的影響

施氮處理的小麥子粒氮素積累量和氮素收獲指數均＞N0處理，指標值順序為 N2處理＞N3處理＞N1處理，其中，子粒氮素積累量N2與N3處理差異不顯著但二者均與N1處理差異達到了顯著水平，而氮素收獲指數不同處理間差異均達到了顯著水平；莖葉氮素積累量均＞N0處理，指標值順序為 N1處理＞N3處理＞N2處理，其中N1與N3處理差異不顯著，但二者均與N2處理差異達到了顯著水平（表3）。表明N2處理效果最好，可以顯著促進莖葉中的氮素向子粒轉移。

表3 施氮量對小麥和玉米氮素積累的影響Table 3 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of wheat and maize

施氮處理的玉米子粒氮素積累量和氮素收獲指數均＞N0處理，指標值順序為 N2處理＞N3處理＞N1處理，其中，N2與N3處理差異不顯著，但二者的子粒氮素積累量均與N1處理差異達到了顯著水平；莖葉氮素積累量均＞N0處理，指標值順序為N3處理＞N2處理＞N1處理，其中N2與N3處理差異不顯著，但二者均與N1處理差異達到了顯著水平。表明N2處理效果最好，可以顯著促進莖葉中的氮素向子粒轉移。

綜上分析可以看出，秸稈還田下2 種作物均以中氮處理效果最好，可以顯著促進莖葉中的氮素向子粒轉移，但施用過多會抑制這種效應。這與易鎮邪等[31]氮肥用量過多會造成作物營養器官氮素轉運率增加、抑制光合產物向子粒輸送的研究結果相一致。因此，秸稈還田后合理配施氮肥對維持較高作物產量和提高氮素收獲指數至關重要。

2.3 秸稈還田下施氮量與作物產量的關系

分別將小麥和玉米的施氮量（x）與其子粒產量（y）作散點圖（圖1 和2），并對二者關系進行擬合，得到小麥施氮量與子粒產量的二元函數方程為y=-0.047 2x2+14.393x+8 249.20（R2=0.962 4），玉米施氮量與子粒產量的二元函數方程為y=-0.048 9x2+18.417x+9 485.70（R2=0.986 2）。經計算，得到小麥的最佳施氮量為152.47 kg/hm2，最佳產量為9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量為188.31 kg/hm2，最佳產量為11 219.78 kg/hm2。

圖1 氮肥施用量與小麥產量的關系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and wheat yield

3 結論與討論

氮肥施用量顯著影響玉米秸稈還田與氮肥的互作效應[12]。施氮量低于或超過最高產量的需求量時均不利于產量的提高，且施氮量過高還會加劇氮素損失，增加生產成本，污染環境[32，33]。隨著秸稈還田比例的進一步提高，優化秸稈還田后氮肥施用管理措施，以達到減肥增效、改良土壤、保護環境的目的尤為重要。

本研究條件下，小麥和玉米的子粒產量均以中氮處理最高，表明秸稈還田下合理施用氮肥是作物獲得高產的重要保證，這與劉晶等[34]和王博博等[35]的研究結果一致；秸稈還田后作物的子粒產量和氮素收獲指數均隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化，且指標值均以中氮處理最大。此外，在本研究中還對作物施氮量與子粒產量進行耦合，以探明適合該地區的最佳施氮量，根據耦合曲線計算得到該地區小麥的最佳施氮量為152.47 kg/hm2，最佳產量為9 346.44 kg/hm2；玉米的最佳施氮量為188.31 kg/hm2，最佳產量為11 219.78 kg/hm2。

本研究的作物最佳施氮量是根據作物施氮量—子粒產量的耦合曲線計算得到的，而在生產實際中作物品種和氣候條件等均會對氮肥的轉化和利用有一定的影響，但影響程度尚不清楚。今后應繼續試驗進行深入探討，并通過多年分品種定位試驗探究秸稈還田后小麥和玉米的最佳施氮量，以更好地指導當地糧食生產。此外，還應進一步探討秸稈還田與氮素施用量的互作效應，確定合理的氮肥施用量、施用時間和施用方法等，形成技術規程指導當地農業生產，從而充分發揮秸稈還田增產提質、減肥增效的作用。