玉米秸秆还田配施氮肥对冬小麦土壤氮素表观盈亏及产量的影响

李 玮， 乔玉强， 陈 欢， 曹承富， 杜世州， 赵 竹

(安徽省农业科学院作物研究所， 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽合肥 230031)

玉米秸秆还田配施氮肥对冬小麦土壤氮素表观盈亏及产量的影响

李 玮， 乔玉强， 陈 欢， 曹承富*， 杜世州， 赵 竹

(安徽省农业科学院作物研究所， 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽合肥 230031)

秸秆还田; 施氮量; 氮素盈余; 氮肥利用率; 冬小麦

1 材料与方法

1.1 试验区概况

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设秸秆还田和施氮量两因素。其中秸秆处理为主区，玉米秸秆粉碎还田(S)和移除(R)两种方式，秸秆还田量12000 kg/hm2；氮肥施用为副区，设置6个处理，施N量为0、162.0、 202.5、 243.0、 283.5、324.0 kg/hm2，分别用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示，氮肥施用量见表1所示。小麦于拔节期追肥，基追比55 ∶45。P2O5、K2O年施用量为180 kg/hm2、180 kg/hm2，除N0(对照)之外，其余氮肥处理均施用磷钾肥，且施用量一致，均在小麦播种时一次性基施。小麦10月中旬播种，小区面积21.6 m2，随机排列，3次重复。

表1 不同处理施氮量(N kg/hm2)

1.3 田间取样与测定方法

分别于播种前、拔节期、成熟期以20 cm为一层分3层取0—60 cm土样，每个样品均为多点采集混合而成，然后用“四分法”取出足够样品，保存于4℃冰箱中，4 d之内测完。土壤硝态氮采用 2 mol/L KCl浸提，分光光度计双波长(220 nm，275 nm)法测定[17]。

在采集土壤样品的同时取地上部植物样品20株(成熟期取单茎)，鲜样在105℃下杀青30 min后，70℃烘干至恒重称重，计算地上部干物重。样品粉碎后H2SO4-H2O2消煮、半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[18]。小麦成熟后实收每小区产量。

1.4 计算方法

氮素表观盈亏量(apparent nitrogen surplus amount)=(土壤无机氮起始总量+施氮量+土壤氮素的矿化量) -(土壤无机氮残留量+作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)=(土壤无机氮起始总量+施氮量) -(土壤无机氮残留量+作物吸氮量)[19]；

植株氮积累量(nitrogen accumulation amount，NAA)=植株干物重×植株含氮量；

氮肥农学效率(nitrogen agronomic efficiency, NAE)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量[20]；

氮收获指数(nitrogen harvest index，NHI)=籽粒氮积累量/植株总氮积累量[20]；

地上部植株氮肥吸收利用率(plant nitrogen recovery efficiency，PRE)=(施氮肥区地上部分氮积累量-不施氮肥区地上部分氮积累量)/施氮量×100%[20]；

籽粒氮肥吸收利用率(grain nitrogen recovery efficiency，GRE)=(施氮肥区籽粒氮积累量-不施氮肥区籽粒氮积累量)/施氮量×100%；

氮肥表观回收率(apparent nitrogen recovery efficiency，NRE)=(施氮肥区植株氮积累量-不施氮肥区植株氮积累量)/施氮量×100%。

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 16.0和Excel 2003软件进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田和施肥对冬小麦籽粒产量的影响

从图 1可以看出，秸秆还田和秸秆移除条件下，不同施氮水平的小麦产量变化规律不完全一致，但均以不施氮处理(N0)最低。秸秆还田配施N3水平(243.0 kg/hm2)的产量最高，为9858 kg/hm2；而秸秆移除条件下N4(283.5 kg/hm2)的产量最高，达9344 kg/hm2，前者高出后者5.5%。相比秸秆移除，秸秆还田在N2(202.5 kg/hm2)、N3、N4和N5(324.0 kg/hm2)施氮水平下小麦产量显著提高，分别增产365、844、409和792 kg/hm2，增产率分别为4.2%、9.3%、4.4%和8.9%，N3处理的增幅最高。

图1 20112012年不同处理的小麦产量Fig.1 Yields of winter wheat in the cropping year 2011-2012 under different treatments[注(Note)：同一秸秆处理方式下，不同小写字母表示处理间差异达到0.05显著水平 Different letters indicate significant among different treatments under the same straw treatment method at the 0.05 level.]

2.2 秸秆还田配施氮肥对土壤硝态氮累积的影响

由表 2可以看出，随着氮肥用量的增加，秸秆还田和秸秆移除处理在小麦播种前和收获后土壤剖面硝态氮积累量均呈增加的趋势。不施肥条件下，0—60 cm土层的土壤硝态氮小麦收获后较播种前下降，其中秸秆还田处理下降幅度显著高于秸秆移除处理，分别为101.3%和48.4%，主要是由于还田秸秆的腐烂分解消耗了一定量的有效氮；秸秆还田配施不同氮肥水平，N0、N1 处理小麦收获后土壤剖面硝态氮平均含量显著降低，而N2、N3、N4和N5处理显著增加，处理间差异显著；秸秆移除单施氮肥，除N0处理之外，N1、N2、N3、N4和N5处理小麦收获后土壤剖面硝态氮平均含量高于播种前。

2.3 秸秆还田与施肥对冬小麦生育阶段氮素表观盈亏量的影响

施入土壤中的氮肥总量减去被作物吸收和残留在土壤中无机氮外的那部分氮素被称为氮素的表观盈亏[21]。由表 3可以看出，播种到成熟阶段，秸秆还田配施氮肥和单施氮肥处理，施氮均显著增加了植株氮素积累量、 0—60 cm土层硝态氮残留量及土壤氮素盈余量。

不施氮处理在各生育阶段均出现氮素表观亏缺，这主要与土壤的供氮量无法满足小麦全生育期的吸氮量有关系。施氮处理在播种到成熟期均出现氮素表观盈余，且氮素盈余量和土壤硝态氮残留总量随基肥和追肥比例的增加而增加；播种到拔节期，植株的氮素积累量随基肥比例的增加而增加，N5处理显著高于N1、N2、 N3和N4处理， 但拔节到成熟期N3处理显著高于其它处理。同一施氮水平下，秸秆还田配施氮肥与单施氮肥在小麦各生育阶段植株氮素积累量、硝态氮残留总量以及氮素盈亏量无显著差异。

表2 不同处理下0—60 cm 土层不同深度土壤硝态氮的累积(kg/hm2)

注(Note): 同一秸秆处理、同一列数据后不同小写字母表示不同土层间差异达0.05显著水平，同一行数据后不同大写字母表示处理间差异达0.05显著水平 Values followed by different small letters in the same column indicate significantly different at the 0.05 probability level, and values followed by different capital letters in the same row are significantly different among different treatments under the same straw treatment method at the 0.05 probability level.

2.4 长期秸秆还田和施肥对冬小麦氮肥利用效率的影响

由表4可以看出，施氮处理的氮素收获指数显著高于不施氮处理，随施氮量的增加处理间无显著差异；相同施氮量情况下，秸秆还田配施氮肥和单施氮肥间亦无显著差异，表明秸秆还田和不同的施氮水平对小麦植株吸收氮素的转运没有显著影响。氮肥农学效率和籽粒吸收利用率分别反映了氮肥对籽粒产量和籽粒氮积累量的贡献。氮肥农学效率、地上部植株氮肥吸收利用率、籽粒氮肥吸收利用率均随施氮量的增加而显著降低。在相同施氮量条件下，秸秆还田配施氮肥可提高上述氮肥利用率的指标值。

氮肥总表观回收率和不同生育阶段氮肥表观回收率的表现趋势不同(表4)。各氮肥处理间，播种到拔节期的基肥表观回收率显著高于拔节到成熟期的拔节肥表观回收率，且均随基肥和拔节肥的增加而呈下降的趋势；不同氮肥处理间，N1、N2和N3水平在单施氮肥条件下播种到拔节期、拔节到成熟期的表观回收率显著高于秸秆还田配施氮肥处理，而N4和N5水平的变化趋势相反；总表观回收率也表现为随施氮量的增加而下降。总体看来，施氮量较高的处理，秸秆还田配施氮肥对基肥和拔节肥的利用率显著高于单施氮肥；施氮量较低的处理，单施氮肥对基肥和拔节肥的利用率较高，这主要与还田的秸秆腐烂分解需要消耗一定量氮素有关。

2.5 农田氮素盈余与土壤剖面硝态氮积累量的关系

随着农田土壤氮素盈余量的增加，土壤0—60 cm剖面积累的硝态氮量随之增加。由回归方程可知，土壤氮素盈余值每增加100.0 kg/hm2，0—60 cm土壤剖面硝态氮的积累量秸秆还田配施氮肥和单施氮肥分别增加74.2和91.4 kg/hm2，单施氮肥的增加量显著高于秸秆还田配施氮肥(图2)。

表3 秸秆还田和施肥对小麦不同生育阶段0—60 cm土层氮素表观盈亏量的影响(kg/hm2)

注(Note): 同一行数据后不同字母表示处理间差异达0.05显著水平 Values followed by different letters in a row indicate significantly different at the 0.05 probability level.

3 讨论与结论

表4 秸秆还田和施肥量对小麦氮素利用率的影响

注(Note): 同一列数据后不同小写字母表示同一秸秆处理不同氮肥水平间差异达0.05显著水平Values followed by different small letters in the same column are significantly different amont different treatments for the same straw treatment at the 0.05 probability level.

图2 2012年小麦收获后土壤0—60 cm 剖面硝态氮积累与氮素盈余的关系Fig.2 Relationship between -N accumulation in 0—60 cm soil profiles and N surplus in 2012

本研究在分析农田氮素盈亏时，没有考虑秸秆还田对土壤矿化的激发效应，仅考虑了氮的表观输入和输出。结果发现，不施氮处理在小麦生长季表现为氮素亏缺，施氮显著增加了0—60 cm土层的土壤氮素盈余量，且盈余量随施氮量的增加而增加；无论秸秆还田与否，土壤氮素盈余与其相应的0—60 cm土层土壤硝态氮积累呈极显著正相关关系，其他学者也有类似的研究结果[30-31]。巨晓棠等[32]对华北平原北部冬小麦/夏玉米轮作体系的研究表明，氮肥施用量超过作物的需要量时，氮素盈余急剧增加。倪玉雪等[33]研究得出，秸秆50%还田和100%还田情况下，土壤氮素盈亏量与施氮量之间均呈线性极显著正相关，且土壤氮库达到平衡时的施N量分别是192.0 kg/hm2和166.0 kg/hm2。本研究条件下，玉米秸秆还田4年，小麦季施N 162.0 kg/hm2时土壤0—60 cm的氮素盈余39.9 kg/hm2，但较该施氮水平秸秆移除处理降低了小麦产量。所以在农业生产实践中，砂姜黑土玉米秸秆全量还田条件下，配施氮肥要略高于N162.0 kg/hm2，才能保证小麦产量不受秸秆还田的影响。

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Effects of combined maize straw and N application on soil nitrogen surplus amount and yield of winter wheat

LI Wei, QIAO Yu-qiang, CHEN Huan, CAO Cheng-fu*, DU Shi-zhou, ZHAO Zhu

(CropResearchInstitute,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences/AnhuiKeyLaboratoryofQualityImprovementofCrops,Hefei230031,China)

straw incorporation; nitrogen application rate; nitrogen surplus amount; nitrogen use efficiency; winter wheat

2014-01-20 接受日期： 2014-11-21 网络出版日期: 2015-02-04

国家科技支撑计划(2011BAD16B06，2012BAD04B09，2013BAD07B08)；安徽省农科院院长青年基金(13B0217)；安徽省农科院创新团队项目(11C0202,13C0212)资助。

李玮(1980—)，女，甘肃定西人，博士，助理研究员，主要从事农田生态系统养分循环研究。E-mail: jtlw2007@163.com * 通信作者 E-mail: caocfu@126.com

S147.35; S512.1+1

A

1008-505X(2015)03-0561-10