不同秸秆还田处理对麦玉两熟制作物产量及氮素利用的影响

李 仟， 关小康， 杨明达， 王同朝， 刘春堂， 白田田， 张鹏钰， 卫 丽

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002； 2.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 3.河南省浚县丰黎种业有限公司，河南 鹤壁456250)



不同秸秆还田处理对麦玉两熟制作物产量及氮素利用的影响

李 仟1,2， 关小康1， 杨明达1， 王同朝1， 刘春堂3， 白田田1， 张鹏钰1， 卫 丽1,2

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002； 2.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 3.河南省浚县丰黎种业有限公司，河南 鹤壁456250)

采用大田试验，设置秸秆还田+常规施肥(T1)、秸秆还田+有机肥(T2)、秸秆还田+HM(菌种)还田剂(T3)和秸秆还田不施肥(对照,T0)4个处理，探讨不同秸秆还田处理对氮素利用和麦玉两熟作物产量的影响。结果表明，与对照相比，秸秆还田配施不同肥料或还田剂使冬小麦和夏玉米产量分别提高了37.7%～57.2%，33.0%～41.4%，其中T2和T3处理的增产效果更为显著。T3处理冬小麦的千粒重显著低于T2处理，但两者其他产量构成要素、产量及生物量的差异均不显著。与单施化肥(T1)相比，秸秆还田配施腐熟剂(T3)或有机肥(T2)处理氮素收获指数、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力在冬小麦季分别提高了1.0%～2.3%，8.2%～24.3%，8.3%～14.2%；在夏玉米季则分别提高了2.6%～3.3%，22.2%～39.0%，4.9%～5.1%。对周年氮素平衡来说，对照处理表现为氮素亏缺，T1，T2和T3处理均表现为氮素盈余；且同一氮素水平下，T3和T2处理比T1处理氮输出量分别增加了11.4%，14.7%。T3处理在秸秆还田配施肥料的基础上可以达到T2处理同样的增产效果；T3和T2处理可以明显提高作物氮素利用效果；从周年氮素平衡角度来说，在秸秆全量还田的基础上可以减少氮肥的施用量。

秸秆还田；有机肥；腐熟剂；产量；氮素利用效率；氮平衡

河南省是重要的粮食主产区之一，冬小麦-夏玉米两熟周年复种是其重要的耕作制度。作物秸秆作为重要的有机肥资源，科学合理还田一方面可以解决秸秆富足难以处理的问题，可以避免秸秆焚烧或堆积造成的环境污染和资源浪费，另一方面，秸秆施入土壤后可以改善土壤的理化性质，提高土壤微生物的含量，增加土壤有机质含量和矿质养分含量，起到培肥地力的作用，对作物的生长发育有益，可以提高作物产量并改善品质，并且秸秆还田与有机肥或化肥配施的增产效果更为显著[1,2]。但是秸秆腐解过程缓慢，并且在腐解过程中微生物与作物竞争氮，影响作物生长是影响秸秆还田技术快速推广的重要原因。如何使秸秆快速腐解，使其无害化、资源化，是研究推广及应用秸秆还田技术的关键。秸秆腐解剂中的功能微生物可以在秸秆腐解过程中分泌大量分解纤维素、木质素等的酶，能在较短时间内将作物秸秆腐解成有机肥，减少秸秆腐解过程带来的不利影响。秸秆还田可以加速秸秆腐解进程、提高土壤微生物活性、改善土壤养分状况和增加作物产量[3,4]；秸秆还田配施肥料也可以提高作物氮素利用效率，减少土壤硝态氮残留[5,6]。但目前的研究大多集中在秸秆还田对土壤物理性状、微生物酶活性及作物产量效应上，而对作物氮素利用和周年农田氮素平衡的报道较少。为此，本试验将秸秆还田结合还田剂及不同的肥料对冬小麦和夏玉米的产量及作物氮素利用效率进行了研究，旨在为推广合理的秸秆还田技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013年10月—2014年10月在河南省鹤壁市农业科学院试验园区内进行。前茬夏玉米收获后，秸秆全量还田。供试土壤为黏质潮土，试验开始前供试土壤农化性状见表1。

表1 供试土壤的理化性状Table 1 The soil physical and chemical properties of experiment site

1.2 试验处理设计及种植管理

试验采用单因素试验设计，在秸秆全量还田的基础上设置常规施肥(T1)；常规施肥+有机肥(T2)；常规施肥+HM(菌种)腐解剂(T3)；以不施肥(T0)作为对照，每个处理3次重复，试验小区面积66.7 m2。其中有机肥为阿维精有机肥225 kg·hm-2(养分含量标准：N，P，K>4%，有机质>30%，阿维菌素药渣>60%，生化黄腐酸钾>10%，菌丝体蛋白>10%；生产厂家为河北天道德美农业科技有限公司)，在冬小麦播前均匀撒施到地表，夏玉米苗期撒施到地表；HM(菌种)腐熟剂30 kg·hm-2(主要以有机物料为载体，有纤维素降解菌、半纤维素降解菌、木质素降解菌等有益复合菌种组成；生产厂家为河南省恒隆态生物工程股份有限公司)，与4倍细土搅拌均匀后，冬小麦播前随犁耕翻入耕层内，夏玉米苗期直接撒施到作物秸秆上。

冬小麦供试品种为西农979，夏玉米品种为郑单958。冬小麦于2013-10-23播种，播种量为210 kg·hm-2，行距为20 cm。田间夏玉米秸秆粉碎后(长度3～7 cm)全量(约7 000 kg·hm-2)还田，随耕地翻埋(深度25～30 cm)地下。冬小麦生育期施纯氮量为300 kg·hm-2，翻地时施用氮肥总量(复合肥N-P2O5-K2O：14-14-15)的70%于整地、划小区后施入；30%(尿素，含氮量46%)于冬小麦拔节期结合浇水施入，秸秆粉碎覆盖于地面。夏玉米于2014-06-17播种，种植密度为67 500 株·hm-2。夏玉米季施纯氮量为300 kg·hm-2，其中30%在5叶期施入(复合肥N-P2O5-K2O：14-14-15)；70%于大喇叭口期追施(尿素，含氮量46%)。冬小麦生长期间，地表滴灌3次，每次600 m3·hm-2；在夏玉米生育期内，地表滴灌4次，每次900 m3·hm-2，其他管理与大田一致。

1.3 测量指标和方法

冬小麦收获期每小区取长势均匀的2 m2样方，收获脱粒后晒干计产(子粒产量以13%水分计)；夏玉米在成熟期取小区中间两行长势均匀的20株样品，脱粒晒干(子粒含水率13%)计产。在冬小麦夏玉米收获期取样，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至质量恒定，样品粉碎后混合均匀，采用浓H2SO4-H2O2法消煮提取，全自动连续流动分析仪(AA3，BRAN-LuEBBE,德国)测定植株和子粒样品的全氮。

1.4 氮平衡计算方法及相关公式

氮平衡量=氮收入-氮支出=A-B=(A1+A2+A3+A4+A5)-(B1+B2)

A：氮收入；A1：氮肥量是冬小麦-夏玉米施用氮肥的总和；A2：(夏玉米)秸秆还田是指种植冬小麦时上茬夏玉米秸秆还田，其带入氮量为夏玉米秸秆还田量7 000 kg·hm-2，秸秆含氮0.65%，7 500×0.65%=48.75(kg·hm-2)； A3：灌溉水带入氮量，试验点周年灌水为360 m3，鲁如坤等[7]在河南封丘长期观测认为，全年灌水300 m3时，带入氮量9.45 kg·hm-2，因此，360×9.45/300=11.34(kg·hm-2)；A4：雨水带入氮量,试验点全年降雨387.3 mm，鲁如坤等[7]在河南封丘长期观测认为，周年降雨615 mm时，带入氮量4.35 kg·hm-2，因此,387.3×4.35/615=2.74(kg·hm-2)；A5：种子带入氮量约为5 kg·hm-2；B：氮输出； B1：冬小麦子粒带走氮量；B2：夏玉米秸秆和子粒带走氮量；作物收获指数=子粒产量/生物量。

植株氮素利用效率(nitrogen use efficiency，NUE，kg·kg-1)=子粒产量/植株氮素积累量×100%

氮肥生理利用率(nitrogen physiological use efficiency，NPE，kg·kg-1)=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区地上部植株氮积累量-不施氮区地上部植株氮积累量)×100%

氮肥偏生产力(partial factor productivity from applied nitrogen，PFPN，kg·kg-1)=子粒产量/施氮量

1.5 数据处理方法

试验数据采用Excel 2003和SPSS 17.0软件进行数据分析，处理间差异显著性采用Duncan多重比较检验。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田处理对冬小麦产量及其构成要素的影响

不同秸秆还田处理对冬小麦产量及其构成要素具有显著影响(表2)。产量构成要素中穗数和结实率表现为T2>T3>T1>T0，且前三者显著高于T0处理；T0处理的千粒重显著高于其余处理，同时，T2处理显著高于T3，T1处理。冬小麦的产量的表现与产量构成要素相似，其中T2处理的冬小麦产量显著高于T1，T0处理，略高于T3处理。3个施肥处理的生物量显著高于T0处理，且T2处理最高。冬小麦的收获指数则表现为T2，T3处理显著高于T0处理，但略高于T1处理。说明秸秆还田配施有机肥和配施腐熟剂处理能够通过增加穗数以及结实率来增加子粒产量，同时也提高了冬小麦收获指数。

2.2 不同秸秆还田处理对夏玉米产量及其构成要素的影响

不同秸秆还田处理对夏玉米产量及其构成要素的影响显著(表3)。夏玉米产量构成各要素表现为T2>T3>T1>T0，其中T2，T3处理的穗粗、穗粒数显著高于T0处理；秸秆还田施肥处理的穗长则显著高于T0处理，T2处理则略高于T3，T1处理。夏玉米的产量和生物量的表现和产量构成各要素相似：秸秆还田施肥处理的产量显著高于T0处理，T2处理则略高于T3和T1处理；T2，T3处理的生物量显著高于T0处理，但略高于T1处理。夏玉米的收获指数中，T2，T3处理最高，为0.42。说明秸秆还田配施有机肥和配施腐熟剂处理能够通过增加穗粒数以及百粒重来增加子粒产量，同时，也提高了夏玉米收获指数。

表2 不同秸秆还田处理对冬小麦产量及其构成要素的影响Table 2 Effect of different straw returning treatments on grain yield and its components of winter wheat

注：表中同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters in the same column mean significant difference (P<0.05). The same as below.

表3 不同秸秆还田处理对夏玉米产量及其构成要素的影响Table 3 Effect of different straw returning treatments on grain yield and its components of summer maize

2.3 不同秸秆还田处理对冬小麦氮素利用效率的影响

不同秸秆还田处理对冬小麦氮素利用效率影响显著(表4)。T0处理的植株氮素利用效率显著高于其余3处理。冬小麦的氮收获指数表现为T2>T3>T1>T0，且T2处理显著高于T0和T1处理。T2处理的氮肥生理利用率略高于其他处理，但差异不显著。T2处理的氮肥偏生产力显著高于T1处理，但与T3处理差异未达显著水平。说明秸秆还田配施有机肥和配施腐熟剂处理优化了氮的分配，提高子粒氮积累量，更有利于冬小麦吸收和利用氮素。

表4 不同秸秆还田处理对冬小麦氮素利用效率的影响Table 4 Effect of different straw returning treatments on N use efficiency of winter wheat

2.4 不同秸秆还田处理对夏玉米氮素利用效率的影响

不同秸秆还田处理对夏玉米氮素利用效率影响显著(表5)。T0处理的植株氮素利用效率显著高于T2,T3处理，但与T1处理差异不显著。夏玉米的氮收获指数表现为T2>T3>T1>T0，但处理间差异不显著。T2处理的氮肥生理利用率显著高于T1处理，但与T3处理差异未达显著水平。夏玉米的氮肥偏生产力和氮素产投比则表现为T2>T3>T1，但处理间差异不显著。说明秸秆还田配施有机肥和配施腐熟剂的还田处理优化了氮的分配，提高子粒氮积累量，更有利于夏玉米吸收和利用氮素。

2.5 不同秸秆还田处理对小麦玉米两熟周年氮素平衡的影响

农田氮素平衡系统中，氮输入包括氮肥、还田秸秆、灌溉水和雨水。氮输出包括作物携出(子粒和秸秆)、(化肥、土壤)氮的损失，其中氮的损失包括氨挥发、反硝化(N2O，NOX，N2)和NO3-N淋失。

表5 不同秸秆还田处理对夏玉米氮素利用效率的影响Table 5 Effect of different straw returning treatments on N use efficiency of summer maize

秸秆还田对冬小麦-夏玉米周年生产中氮素平衡的影响见表6。由表6可以看出，T0，T3，T2，T1的氮盈亏量分别为-132.31，302.96，292.11和340.22 kg·hm-2。说明单施秸秆会造成农田生态系统氮素亏缺，因此，秸秆还田需配施化肥；秸秆配施化肥造成农田生态系统氮素过量盈余，但是T3，T2处理较秸秆还田单施化肥的T1处理明显提高了氮的输出量，进而在同一施氮水平下降低了氮素盈余量，减少过多氮素在土壤中的积累，降低了氮素的浪费；同时，秸秆还田在保证作物产量的同时，也应当适量减施，进行高效可持续的农田耕作措施。

表6 冬小麦-夏玉米农田氮素平衡Table 6 Nitrogen balance of winter wheat-summer maize cropping system kg·hm-2

注：表中数据以冬小麦-夏玉米周年计算，没有考虑氮素淋溶、氨挥发损失和氮大气沉降补充。

Note: Data in the table were the annual total of winter wheat and summer maize, without considering nitrogen leaching and volatilization loss, and N atmospheric deposition input.

3 结论与讨论

本研究表明,秸秆还田不施肥时作物产量较低，而配施有机无机肥料后能够显著增加作物产量，尤其配施有机肥和秸秆腐熟剂时增产效果更明显。冬小麦的产量取决于有效穗数、千粒重，而夏玉米产量则取决于穗粒数、百粒重。经分析，在秸秆还田不施肥条件下，冬小麦、夏玉米各产量要素均明显降低，这可能因为秸秆碳氮比过高所致。在秸秆还田配施肥料时，尤其在配施有机肥和腐熟剂时，作物产量显著增加，可能是由于秸秆还田配施有机无机肥料，改善土壤理化性状[8,9]，增加土壤微生物量[10]，调节土壤的水、肥、气、热状况，使得作物产量构成要素明显提高，进而达到增产效果。

秸秆全量还田下，施同量氮肥，配施有机肥/秸秆腐熟剂比单施化肥提高了氮素收获指数、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力，增强了氮的再利用能力，优化了氮的分配，增加了子粒含氮量，为作物增产和改善品质创造了条件。其原因一方面可能是土壤中加入高碳氮比作物秸秆，有机肥和腐熟剂的添加带入相当一部分有机质和腐解秸秆的微生物，造成土壤氮的矿化作用加强[11]，加速秸秆腐解和养分释放，从而提高了土壤供氮潜力和供氮能力，解决了土壤微生物与作物竞争土壤氮源的问题[12]，有利于作物对氮素的吸收；另一方面，秸秆还田处理提高了植株叶绿素含量，促进光合作用与蒸腾作用[13]，进而促进了物质合成与转化。

在麦玉两熟制周年轮作情况下，考虑到农田麦玉两熟周年氮素平衡，基于秸秆还田的化学氮肥施用，并兼顾作物产量和农田氮素平衡，秸秆还田配施氮肥应适当减少，这与赵鹏等[14]的结论相似。

本研究在分析农田氮素平衡时，限于试验条件，未能计算矿质氮的淋溶、挥发损失，同时也未考虑土壤氮的矿化作用，而把土壤作为“黑箱”，仅考虑了“氮的表观输入和输出”，但宏观上仍然说明了秸秆还田配施有机物料对农田生态系统氮素平衡的影响。

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(责任编辑：常思敏)

Effects of different straw returning treatments on crop yield and nitrogen use of winter wheat-summer maize cropping system

LI Qian1,2, GUAN Xiaokang1, YANG Mingda1, WANG Tongchao1, LIU Chuntang3, BAI Tiantian1, ZHANG Pengyu1, WEI Li1,2

(1.Agronomy College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 2.National Engineering Research Center for Wheat of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 3.Seed Industry Co.LTD. of Xunxian County, Hebi 456250，China)

A field experiment has been conducted to illustrate the yield and nitrogen use of winter wheat-summer maize cropping system. Four treatments were applied, namely fully straw returned with conventional fertilization (T1), fully straw returned with organic fertilizer (T2), straw returned with HM straw-decomposing inoculant, (T3) and straw returned without fertilizer as control (T0). The results showed that the yield of winter wheat and summer maize under T1, T2, T3 was 37.7%～57.2% and 33.0%～41.4% higher than that of T0 respectively. The 1 000-grain weight of winter wheat under T3 treatment was lower than under T2 treatment, while there were no differences observed in other yield components, yield and biomass. Nitrogen harvest index, nitrogen physiological use efficiency and nitrogen partial productivity under T3 and T2 treatment increased by 1.0%～2.3%, 8.2%～24.3% and 8.3%～14.2% respectively in winter wheat and 2.6%～3.3%, 22.2%～39.0% and 4.9%～5.1% respectively in summer maize. Nitrogen was deficit under T0 treatment, while it was sufficient under T1, T2 and T3 treatments in terms of annual nitrogen balance. Nitrogen output under T3 and T2 treatment increased by 11.4%, 14.7% than T1 with the same nitrogen input level. It is concluded that fully straw returned with organic fertilizer or straw-decomposing inoculant could achieve the same effect on increa-sing crop yield and improving nitrogen efficiency. Under fully straw returned cropping system of Henan Province, nitrogen application should be decreased as consideration of annual nitrogen balance.

fully straw returned; organic fertilizer; straw-decomposing inoculant; crop yield; nitrogen use efficiency; annual nitrogen balance

2014-12-28

国家自然科学基金项目(31471452)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD14B08，2012BAD04B07)

李 仟(1988-)，女，河南新乡人，硕士研究生，主要从事旱作节水理论与技术研究。

卫 丽(1966-)，女，河南商丘人，研究员，博士。

1000-2340(2015)02-0171-06

S 314

A