秸秆还田及施氮量对冬小麦产量及氮素利用效率的影响

2017-10-17 05:31韩明明李文倩陈金李勇
山东农业科学 2017年9期
关键词:氮量冬小麦氮素

韩明明,李文倩,陈金,李勇

(山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室,山东 泰安 271018)

秸秆还田及施氮量对冬小麦产量及氮素利用效率的影响

韩明明,李文倩,陈金,李勇

(山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室,山东 泰安 271018)

为研究秸秆还田和施氮量对冬小麦花后旗叶SPAD值、干物质积累、氮效率及产量的影响,以冬小麦济麦22(JM22)为材料,于2015—2016年通过田间定位试验测定冬小麦产量及氮效率。试验采用裂区设计,主区为秸秆处理:秸秆还田(S1)与无秸秆还田(S0);副区为氮肥处理:设置施氮水平分别为0 (N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4),基追比例均为1∶1。结果表明,秸秆还田显著提高冬小麦花后旗叶SPAD值,同一时期SPAD值随施氮量的增加而增加。与单施氮肥相比较,秸秆还田配施氮肥提高了花后干物质积累比例,增幅为0.24%~6.75%,增加施肥量有利于冬小麦全生育期干物质积累总量的提高。秸秆还田配施适量氮肥显著提高了冬小麦氮效率,增加了穗粒数及千粒重最终达到提高产量的目的。

冬小麦;秸秆还田;氮效率;氮肥;产量

AbstractIn order to investigate the effects of straw returning and nitrogen application rate on the SPAD value of flag leaf after flowering, dry matter accumulation, nitrogen efficiency and yield of winter wheat variety Jimai 22 (JM22), the field experiment was conducted in 2015 to 2016, and the wheat yield and nitrogen efficiency were determined. The split block design was adopted in this study. The main plot was straw treatment including straw returning (S1) and no straw returning(S0). The subplot was nitrogen fertilizer treatment including four nitrogen fertilization rates of 0 (N1),180 kg/hm2(N2), 240 kg/hm2(N3) and 300 kg/hm2(N4) with the ratio of base to dress of 1∶1. The results indicated that straw returning obviously improved the SPAD value of flag leaf after flowering, and it increased with the increase of nitrogen application rate at the same period. Compared with the single nitrogen treatment, straw returning significantly increased the proportion of dry matter accumulation after anthesis with the increase amplitude of 0.24%~6.75%. Boosting the nitrogen application rate was contribute to the improvement of dry matter accumulation during the whole growing period. In short, straw returning with a moderate amount of nitrogen fertilizer was beneficial to improve the nitrogen efficiency, kernels per spike and thousand seed weight of winter wheat, thereby improve the grain yield.

KeywordsWinter wheat; Straw returning; Nitrogen efficiency; Nitrogen fertilizer; Grain yield

冬小麦是我国主要粮食作物之一,黄淮海区域的耕作制度主要是小麦-玉米轮作体系[1]。随着我国农业种植结构的调整、优化和对农产品安全的社会需求不断提高,化肥及化工衍生品在农业上的用量越来越大。氮素是作物生长发育必需的营养元素,氮肥运筹和施肥技术的改善是获得作物高产的重要措施。一方面,化学肥料大幅度提高了我国的粮食产量,保障了粮食安全;另一方面,由于施肥量及施肥方法不当也引起了一系列的环境、资源和产投比下降等问题[2]。因此,“十三五”期间,我国对农业生产提出了化肥、农药双减的政策和要求。

近年来研究发现,秸秆还田是促进农业可持续发展和提高土壤生产力的有效途径[3]。究其原因,秸秆还田在改善土壤物理结构、提高土壤肥力的同时,还能有效地提高土壤对氮素的吸附,从而降低氮素施用过程中对环境的潜在威胁[4]。我国秸秆资源丰富,据统计,我国作物秸秆年产量约7亿吨,相当于350万吨氮肥、800万吨钾肥、80万吨磷肥,是土壤养分的重要补给源;其中玉米秸秆最为丰富,产量约为3亿吨,占中国秸秆总量的40%左右[5]。

但现阶段我国玉米秸秆存在还田率低、还田效果差[6,7]、农机农艺不配套[8,9]等问题。大量玉米秸秆被弃置或露天焚烧,不仅浪费资源,而且造成环境污染[10]。因此关于玉米秸秆还田的研究还有待继续深入。当前研究表明,秸秆还田配施氮肥在不同程度上提高了土壤养分供应潜力[11],一定程度上可以提高作物产量[12-14],但在不同作物和不同种植制度中表现不同[15,16]。秸秆大量或全量还田需要配合施用化学氮肥从而避免微生物在分解秸秆的过程中与作物竞争土壤中的氮素[17-19]。秸秆还田后化学氮肥合理施用的问题日趋突出,农田养分管理技术亟待改进。前人的研究多集中在秸秆还田对作物生长及其环境效应的影响,而对于秸秆还田及氮肥运筹提高冬小麦产量及氮效率的研究仍待深入。因此,本试验着重研究秸秆还田结合氮肥运筹对提高冬小麦产量及氮效率的影响,以期为黄淮东部秸秆还田增产增效及培肥地力提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1试验地概况及材料

试验于2015—2016小麦生长季,在山东农业大学农学实验站(山东泰安,36°09′N,117°09′E)进行。试验地土壤类型为棕壤,耕层(0~20 cm)土壤有机质含量为14.76 g/kg、全氮1.24 g/kg、速效磷9.60 mg/kg、速效钾85.30 mg/kg、硝态氮12.79 mg/kg、铵态氮6.06 mg/kg,pH 值8.06。供试品种为济麦22(JM22)。

1.2试验设计

试验采用裂区设计,主区为秸秆处理,设置秸秆还田(S1)与无秸秆还田(S0)2个水平;副区为不同施氮量处理,设置施氮水平分别为0 (N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)、300 kg/hm2(N4)。小麦种植密度为225×104株/hm2,行距25 cm。试验所用磷肥(P2O5) 105 kg/hm2、钾肥(K2O) 75 kg/hm2同氮肥处理于耕前一同基施,除不施氮处理,各处理氮肥基追比例均为1∶1,追施氮肥于拔节期开沟覆土追施。试验地前茬为玉米,品种为郑单958,种植密度 6.00×104株/hm2。玉米种植以及田间管理同当地大田生产,不作特殊处理,成熟期机械收获,其中秸秆还田区域为秸秆粉碎全量旋耕还田,无秸秆还田处理区域秸秆直接移除。小区面积 3 m×3 m=9 m2,随机区组排列,重复3次。

1.3测定项目与方法

1.3.1 旗叶SPAD值测定 每小区选取4个长势均匀的单茎,用结绳法标记,从开花当天起利用SPAD仪测定标记旗叶SPAD值,而后每隔两天测量一次,直至旗叶完全失绿为止。

1.3.2 植株干物质积累分配测定 按常规方法于冬小麦越冬期、拔节期、开花期和成熟期取样,开花期和成熟期按以上方法分样,在105℃下杀青30 min,75℃烘至恒重称重,并计算干物质积累量及花前花后积累比例。

1.3.3 氮效率 分别于冬小麦开花期、成熟期每小区选取长势均匀一致的植株样品15株,将样品按照籽粒、穗轴+颖壳、叶片、茎+叶鞘分开,于105℃下杀青30 min,75℃烘至恒重称量并粉碎混匀,以浓H2SO4-H2O2消煮,半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量。利用氮素利用效率(NUE)、氮肥偏生产力(PFPN)、氮素收获指数(NHI)、氮肥表观利用率(RE)等指标来表征氮效率。NUE(kg/kg)=籽粒产量/地上部植株吸氮量;PFPN(kg/kg)=施氮小区产量/氮肥施用量;NHI(kg/kg)=籽粒吸氮量/地上部植株吸氮量;RE(%)=(施氮小区地上部分吸氮量-不施氮小区地上部分吸氮量)/施氮量×100。

1.3.4 产量及其构成因素 每处理收获1 m2统计穗数,收获后脱粒、晾干后称重,计算产量,重复3次,每小区选取生长均匀一致的植株15株用于穗粒数的测定。

1.4数据统计分析

采用Microsoft Excel 2007及Sigma Plot 10.0整理数据并作图,在DPS 7.05处理系统中完成统计分析,利用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1秸秆还田与施氮量对冬小麦花后旗叶SPAD值的影响

由图1A可知,秸秆还田有助于维持冬小麦开花后期(花后12天以后)旗叶SPAD值,延缓旗叶失绿,延长功能高值持续期,S1处理的SPAD值明显高于S0处理。由图1B可知,秸秆还田条件下增加氮肥施用量有利于维持花后冬小麦旗叶SPAD值,至花后27天,各施氮处理的SPAD值差异明显,其中以S1N4处理最高,S1N1处理最低。

图1秸秆还田及施氮量对冬小麦花后旗叶SPAD值的影响

2.2秸秆还田与施氮量对冬小麦地上部干物质积累的影响

由图2A可知,随施氮量的增加各处理小麦地上部干物质积累总量逐渐增加。与无秸秆还田处理相比,秸秆还田不施氮肥(N1)及配施低量氮肥(N2)有降低地上部干物质积累总量的趋势,但差异均未达到显著水平;秸秆还田配施中高施氮量(N3、N4)能显著提高冬小麦干物质积累总量,与无秸秆还田相比分别提高了5.83%和3.88%。由图2B可知,秸秆还田处理增加了花后干物质积累比例,增加幅度为0.24%~6.75%,秸秆还田条件下适当增加氮肥用量(S1N3)有利于花后干物质积累。

图2 秸秆还田及施氮量对冬小麦地上部干物质积累(A)及干物质花前花后分配比例(B)的影响

2.3秸秆还田与氮肥运筹对冬小麦氮素积累的影响

由表1可知,在冬小麦各生育期,各处理氮素积累量随施氮量的增加而逐渐增加。与无秸秆还田相比,秸秆还田处理显著或不显著降低了冬小麦越冬期与拔节期氮素积累量,降低幅度为7.04%~17.35%与3.42%~10.04%。开花期和成熟期不施氮或配施低量氮肥(N1、N2)条件下,与无秸秆还田相比,秸秆还田有降低各处理氮素积累的趋势;秸秆还田配施中高氮肥用量(N3、N4)时,有助于各时期氮素积累量。

表1 秸秆还田与施氮量对冬小麦氮素积累的影响(kg/hm2)

注:表中同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(P<0.05)。*、 **分别表示在 0.05和 0.01水平上差异显著,下表同。

2.4秸秆还田与施氮量对冬小麦氮素利用效率的影响

由表2可见,随施氮量的增加冬小麦的氮效率逐渐降低,秸秆还田有提高冬小麦氮效率的趋势。与无秸秆还田处理相比,除不施氮处理外其余各处理氮素利用效率均未达到显著水平。在配施中低氮肥施用量(N3、N2)时,秸秆还田显著提高了冬小麦氮素收获指数,分别提高1.28%和2.06%;而不施氮(N1)或配施高量氮肥 (N4)时,秸秆还田对氮素收获指数的影响不明显。与无秸秆还田处理相比,秸秆还田配施适量氮肥(N3)显著提高了氮肥偏生产力,提高幅度为3.90%,其余处理差异均未达到显著水平。秸秆还田显著提高冬小麦氮肥表观利用率,提高幅度为8.84%~14.68%。

2.5秸秆还田与施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可以看出,随施氮量的增加,冬小麦籽粒产量显著增加,原因是穗数与穗粒数的增加。而千粒重则随施氮量增加呈逐渐降低趋势。与无秸秆还田(S0N3)相比,秸秆还田配施适量氮肥(S1N3)显著提高了冬小麦籽粒产量,增产4.15%,得益于穗粒数和千粒重的提升。秸秆还田降低了各处理穗数,对于穗粒数无显著影响。在N1、N2、N4条件下,秸秆还田显著增加冬小麦千粒重,提高幅度分别为2.47%、3.55%和4.11%,而在N3条件下差异较小。

表2秸秆还田与施氮量对冬小麦氮素利用的影响

处理氮素利用效率(kg/kg)氮素收获指数氮肥偏生产力(kg/kg)氮肥表观利用率(%)无秸秆还田S0N134.34b79.58aN234.73b77.41c45.05a40.06bN328.88c74.23e35.39c37.47cN426.79d73.59e29.49d35.62d秸秆还田S1N138.49a80.20aN236.05b78.40b45.44a43.60aN328.94c75.76d36.77b42.70aN426.96cd74.03e29.86d40.85bF值S13.84**13.71*4.52*67.73*N77.28**130.13**738.93**13.47*S×N4.16*1.541.301.97

表3秸秆还田与施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响

3 讨论

3.1秸秆还田与施氮量对冬小麦氮效率的影响

游来勇等[20]研究表明,在稻麦轮作系统中与秸秆不还田处理比较,秸秆还田配施化肥水稻和小麦氮肥表观利用率和农学利用率均显著提高。胡雅杰等[21]研究表明,稻草还田可以提高水稻的氮素利用率、农学利用率和氮肥偏生产力。严奉君等[22]也认为,在不同土壤肥力下麦秆覆盖处理的水稻氮素积累量、氮肥回收利用率以及氮肥农学利用率方面均较无秸秆覆盖有明显提高,表明秸秆覆盖在不同土壤肥力下均能够提高水稻氮肥吸收利用效率。Takahashi等[23]研究认为,秸秆还田条件下氮素吸收利用率有所提高。徐国伟等[24]研究结果表明,秸秆还田配施氮肥可以提高水稻的氮肥吸收利用率、农学利用率和生理利用率。秸秆添加对作物吸收氮素起着积极作用,减少氮素淋洗损失,增加氮素利用率,提高氮素有效性[25]。本试验中秸秆还田提高了冬小麦的氮效率,提高氮肥施用量显著降低冬小麦的氮效率。研究表明,施用氮肥可显著提高作物产量,但施氮量超过一定水平后产量降低,而且大量盈余的氮素会通过氨挥发、N2O排放或淋溶而损失,导致资源严重浪费和环境污染[26,27];分析原因,增施氮肥显著提高了土壤中硝态氮的累积量为作物增加养分供应,过量施氮超越了植株对氮素的吸收利用能力的极限,引起了土壤中硝态氮的大量积累,且随施氮量的增加增幅越大[28]。分析秸秆还田配施氮肥提高氮效率原因,一方面秸秆还田后提高土壤阳离子交换量,而阳离子交换量是评价土壤保水保肥能力和指导土壤改良的重要指标,一般阳离子交换量大,土壤保肥性能好,肥料流失量小,表现出良好的稳肥性,从而增加氮肥的利用率[29];其次,还田的秸秆能够通过自身的氮素分解与增加外源氮素的固定量减少氮素流失;同时玉米秸秆还田可促进氮素向有机氮的转化,减少氮素的气态损失[30]。另一方面,秸秆还田使氮肥的后效增加,提高了氮素利用效率,降低了氮素的表观损失率[31]。再者,秸秆还田与化肥配施既补充输入了有机碳源又改善土壤物理性状,促进微生物对秸秆的分解,秸秆分解中产生的可利用的氮及其他营养元素促进了作物生长,增加了根的生长和根系分泌物,因而也促进了土壤微生物的生长和繁殖,显著提高微生物碳氮量[32-34],微生物的固持作用可以减少氮素的硝化淋溶量[35],这是由于土壤微生物在分解秸秆过程中,需要同化土壤碳素和吸收速效氮素,以合成新的细胞体[36]。

3.2秸秆还田与施氮量对冬小麦产量的影响

已有大量研究表明,秸秆还田具有普遍的增产效应[37,38], 合理施用秸秆可以提高作物产量[39,40],这是由于秸秆还田一方面向微生物提供碳源及温热的生长环境,增加微生物的多样性,调节微生物群落配比,提高微生物活性,进而提高土壤供肥能力,有利于根系生长,提高吸收能力;另一方面还能够缓和冬季地温提高土壤酶活性和土壤蓄水保墒效果[41]。郑成岩等[42]研究也表明,秸秆还田可以改善耕层土壤水分条件和地温,提高作物的干物质累积量,从而达到增产的效果[10,11]。秸秆含有大量的碳、氮、磷、钾等营养元素,是土壤养分重要的补给源[43],但是秸秆还田还需要配合施用化学氮肥从而避免微生物在分解秸秆的过程中与作物竞争土壤中的氮素[12-14]。本试验中,随施氮量的增加各处理干物质积累总量显著增加,与无秸秆还田相比较,秸秆还田配施较高施肥量显著增加地上部干物质积累总量;秸秆还田配施氮肥增加了花后干物质积累比例,干物质阶段积累量表现为出苗到开花期较低,而开花到成熟阶段则较高,这种变化特征有利于产量的形成[44]。随施氮量的增加各处理产量逐渐增加,但其增产幅度逐渐减小。与无秸秆还田相比,秸秆还田虽然降低了穗数,但是提高了穗粒数及千粒重进而达到增产的目的。

4 结论

秸秆还田与适宜的氮肥运筹可延长冬小麦花后旗叶SPAD值高值持续期,进而提高冬小麦生育后期干物质积累量,改善光合产物分配比例,提高氮素利用效率,且提高穗粒数及千粒重,最终达到提高籽粒产量的目的。秸秆全量粉碎旋耕还田条件下,以施氮量300 kg/hm2处理产量最高,与秸秆还田配施氮肥240 kg/hm2及单施氮肥300 kg/hm2处理无显著差异。但无论秸秆还田与否,使用高量氮肥皆超出作物生长吸收与土壤固持量,降低肥料利用率,污染环境增加生产成本。因此,建议在与本试验自然环境及生产条件相似的地区,秸秆全量粉碎还田条件下配施氮肥240 kg/hm2可兼顾产量、肥效及经济效益。

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EffectsofStrawReturningandNitrogenApplicationRateonGrainYieldandNitrogenUseEfficiencyofWinterWheat

Han Mingming, Li Wenqian, Chen Jin, Li Yong

(CollegeofAgriculture,ShandongAgriculturalUniversity/StateKeyLaboratoryforCropBiology,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.018

2017-04-13

国家自然科学基金项目(31271661);国家公益性行业(农业)科研专项(201203100;201203029)

韩明明(1989—),男,山东潍坊人,在读硕士研究生,主要从事作物高产生理生态研究。E-mail: hanmingming0601@163.com

李勇,男,山东潍坊人,博士,副教授,主要从事作物高产生理生态研究。E-mail: woooowo@126.com

S512.1+1:S147.2

A

1001-4942(2017)09-0095-07

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