稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米产量、养分利用及径流损失的影响

唐丽 谢勇 杨威 黄佳怡 黄卓江 何石福 荣湘民

摘要：【目的】研究稻草覆盖或厢边种植大豆等农艺措施对玉米产量、氮磷钾养分利用和径流损失的影响，为探索旱地作物高产高效种植的有效农艺措施提供科学依据。【方法】采用田间小区试验，设不施肥且无农艺措施（CK）、施化肥但无农艺措施（CF）、施化肥+覆盖稻草（CF+R）、施化肥+厢边种植大豆（CF+S）和施化肥+稻草覆盖+厢边种植大豆（CF+R+S）5个处理，探讨稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米产量、氮磷钾养分利用及径流损失的影响。【结果】与CF处理相比，CF+R和CF+R+S处理的玉米产量分别显著增加16.0%和23.2%（P<0.05，下同），玉米生育期内总径流量分别显著减少18.5%和22.0%，地上部氮素和钾素累积量分别显著提高20.1%和25.6%、15.2%和20.1%，磷素累積量无显著变化（P>0.05，下同），氮、磷、钾径流损失量显著减少33.6%和40.2%、38.0%和40.0%、38.8%和46.6%。CF+S处理对玉米增产和氮、钾肥料增效的影响不显著，未能有效拦截地表径流和减少氮钾养分的径流损失，但可显著减少17.7%的磷素养分损失。【结论】稻草覆盖或稻草覆盖结合厢边种植大豆的农艺措施能显著增加玉米产量，显著提高氮素和钾素利用率，并显著减少氮、磷和钾素径流损失。其中稻草覆盖结合厢边种植大豆农艺措施的增产效应、肥料利用效应和养分损失环境效应相对较佳，可在南方丘陵地区大田旱地作物种植中推广应用。

关键词： 玉米;稻草覆盖;厢边种植大豆;产量;养分利用;径流损失

中图分类号： S513.044                            文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）06-1204-07

Abstract：【Objective】In order to explore the effective agronomic measures for high-yield and high-efficiency cultivation in upland， the effects of the agronomic measures of rice-straw mulching and planting soybeans around maize blocks on yields， utilization and runoff losses of nitrogen（N）， phosphorus（P） and potassium（K） in crops systemstudied were studied. 【Method】Field plot experiments were conducted to investigate the effects of  rice-straw mulching and planting soybean around cultivated plots on maize yield，NPK nutrient utilization efficiency and runoff losses. Five treatments were set up，which were the control without fertilization and agronomic measures（CK），treatment of chemical fertilizer application without agronomic measures（CF），treatment of chemical fertilizer combined with rice-straw mulching（CF+R），treatment of chemical fertilizer combined with planting soybean around cultivated block（CF+S），treatment of chemical fertili-zer combined with rice-straw mulching and planting soybeans around cultivated block（CF+R+S）. 【Result】The results showed that compared with CF，the yield of maize treated with CF+R and CF+R+S could significantly increase by 16.0% and 23.2%（P<0.05，the same below），the total runoff volume during the growth period of maize significantly decrease by 18.5% and 22.0%，N and K accumulation of maize above ground significantly increased by 20.1% and 25.6%，  15.2% and 20.1%，respectively，there was no significant change in P uptake（P>0.05，the same below）. Runoff N，P and K losses were significantly reduced by 33.6% and 40.2%，38.0% and 40.0%， 38.8% and 46.6%， respectively. CF+S had no significant effects on increased maize yield and N and K nutrient utilization efficiency. It could not effectively block surface runoff and soil N and K runoff losses，but its effect on on soil P runoff losses was significant，with a reduction rate of 17.7%. 【Conclusion】The agronomic measures of rice-straw mulching or rice-straw mulching combined with planting soybean around cultivated block can significantly increase maize yield and utilization efficiency of N and P， and significantly reduce runoff losses of N， P and K. Among them， the effects of rice-straw mulching combined with planting soybean around cultivated block on increasing yield， fertilizer use efficiency and nutrient loss are fine， which can be popularized and applied in dryland crop cultivation in southern hilly areas.

Key words： maize; rice-straw mulching; planting soybean around maize blocks; yield; nutrient utilization; runoff loss

收稿日期：2019-01-15

作者简介：*为通讯作者，荣湘民（1965-），博士，教授，主要从事养分资源高效安全利用研究工作，E-mail：rongxm2005@126.com。唐丽（1993-），研究方向为农业面源污染，E-mail：382372941@qq.com

0 引言

【研究意義】玉米是我国的第二大经济能源作物，不仅是重要的粮食和饲料作物，还是化工、燃料、医药等行业的重要原料（冯敏，2011）。目前我国玉米生产中大部分是依靠粗放型的增施化肥来获得增产，而肥料养分损失严重，肥料投入量与增产效果不明显甚至负相关，最终导致单位化肥投入粮食产出很低（张福锁等，2008）。如何采取合理的农艺措施来减少氮磷钾养分损失、培肥土壤及促进玉米增产增效成为当前亟需解决的重点问题。稻草覆盖或厢边合理种植作物是农业生产过程中保肥保水的有效农艺措施，能促进作物生长和降低旱地作物种植过程中水土流失和养分流失风险（杨书运和江昌俊，2010;彭辉辉等，2015）。因此，研究稻草覆盖和厢边种植大豆对春玉米产量、养分利用及径流损失的影响，可为玉米增产和减少肥料资源损失提供科学依据。【前人研究进展】目前，关于稻草（秸秆）覆盖种植的研究已有不少报道，并证实稻草（秸秆）覆盖种植对作物产量的影响与稻草（秸秆）覆盖量及施氮量有关。蔡太义等（2012）、高飞等（2012）研究表明，稻草覆盖可增加0.35%～14.03%的玉米产量，其增幅与显著性随覆盖量（0.45万～1.35万kg/ha）的增加而显著增加。方旭飞等（2017）对不同玉米种植模式进行研究，发现秸秆覆盖处理的玉米产量较传统耕作处理显著提高11.39%～13.74%，且与玉米单作或间作的种植模式无关。焦晓光等（2018）研究表明，秸秆覆盖对玉米产量的影响与氮肥施用量有关，较高施氮量时，覆盖秸秆可显著提高玉米产量。国内外大量研究表明，稻草覆盖有利于保持土壤水分，减少土壤温度变化，改善土壤理化性状，抑制杂草生长，提高作物产量和品质（何铁光等，2008），且秸秆覆盖比无秸秆覆盖可有效降低氮、磷的径流损失量，减少氮磷养分的流失（Hoang Fagerstrom et al.，2002;Bayala et al.，2005;Babalola et al.，2007;王静等，2010;杨青森等，2011）。庹海波（2015）研究表明，稻草覆盖可减少35%的茶园土壤地表径流总量，减少24%～26%的总氮损失，减少12%～14%的总磷损失。厢边合理种植作物是一种土壤水分、养分的生物拦截技术。设置生物拦截带是防止农田水土流失和农田养分向水体迁移的一种有效措施，在国外早已广泛应用。国内外试验结果表明，生物拦截草带可降低耕地土壤径流中的氮磷含量，且不同形态氮磷养分拦截效率受拦截带宽的影响较大（Borin et al.，2010;李伟等，2011;Cao et al.，2015;Patty et al.，2015）。李国栋等（2006）研究表明，生物拦截草带可有效拦截蔬菜地土壤中的氮素通过地表径流向水体迁移，且径流氮拦截效率为42%～91%;聂军等（2009）研究显示，香根草生物篱使辣椒种植土壤的地表径流量和土壤氮流失量分别降低41.9%和64.8%。【本研究切入点】前人研究内容多为单一秸秆覆盖或生物拦截草带对作物种植产量和氮磷养分损失的影响，而厢边大豆生物拦截带及其结合秸秆覆盖的复合模式对作物种植产量和肥效影响的研究鲜见报道，且缺乏不同农艺措施下钾素养分损失的研究报道。【拟解决的关键问题】以不施肥和单施化肥为对照，研究稻草覆盖或厢边种植大豆等农艺措施对玉米产量、氮磷钾养分利用及径流损失的影响，旨在全面评价氮磷钾养分利用和损失情况对不同农艺措施作用的反馈，为探索旱地作物高产高效种植的有效农艺措施提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试玉米品种为登海605，购自山东登海种业股份有限公司。供试稻草来源于当地周边农户在田间提前晒干而堆垛的秸秆，定量使用时均匀平铺在土壤表面;供试大豆选用当地常规品种。供试肥料包括普通尿素（N 46%，湖南省湘农农业生产资料集团有限公司生产）、钙镁磷肥（P2O5 12%，湖北祥云化工股份有限公司生产）和氯化钾（K2O 60%，俄罗斯生产）。

1. 2 试验地概况

试验于2017年在湖南省浏阳市湖南农业大学试验基地（东经113°49′，北纬28°19′）进行，该地区属亚热带季风性湿润气候，全年降水雨季在6—9月，年平均气温17 ℃，年均降水量1552 mm。试验观察期间（3月21日—7月8日）总降水量为986 mm，最大单次降水量为97 mm（4月23日），总共发生6次径流事件。供试土壤的基本理化性状详见表1。

1. 3 试验方法

采用田间小区试验，设5个处理：处理1，不施肥且无农艺措施（CK）;处理2，施化肥但无农艺措施（CF）;处理3，施化肥+覆盖稻草（CF+R）;处理4，施化肥+厢边种植大豆（CF+S）;处理5，施化肥+稻草覆盖+厢边种植大豆（CF+R+S）。每处理3次重复，共15个小区，随机区组排列。每小区面积为20 m2（5 m´4 m），由砖混水泥封面防渗筑埂而成，埂高110 cm，筑埂后填土80 cm，使田埂上表面距土面高30 cm。在小区一侧修筑径流收集池，收集池内壁长2.0 m，宽0.5 m，高1.0 m，池壁厚为0.3 m，池底部设置一个控制阀出水口，径流收集池加石棉瓦盖。收集池旁修筑深度为110 cm的排水沟，并通到本试验区的总排水口，略向总排水口倾斜。小区另一侧的水泥田埂边铺设相联的灌水管道，并通向总进水口。

各处理的氮磷钾肥施用量分别为N 240 kg/ha、P2O5 150 kg/ha和K2O 150 kg/ha。各施肥处理中，氮肥施用按4∶3∶3的基追比完成基肥、苗肥和穗肥（大喇叭口期）的3次施肥;钾肥施用按1∶1的基追比完成基肥和穗肥（大喇叭口期）的2次施用;磷肥作基肥一次性施用。各小区内分2厢土种植玉米，稻草覆盖小区的风干稻草覆蓋量为8000 kg/ha，厢边种植大豆的小区在每厢土的四周种植一行大豆。每区种植112株玉米，种植密度为56000株/ha，大豆株间距为35 cm。玉米施肥方式为撒施后覆土混匀，其他栽培管理按照当地常规方法进行。

玉米于2017年3月21日施基肥、播种，4月19日施苗肥，5月18日施穗肥，7月8日收获，全生育期104 d。

1. 4 样品采集及测定

1. 4. 1 水样采集与测定 降水引起的径流事件产生之后，观察记录径流液收集池内的水文尺刻度值，用体积法计算当次降水产生的径流水量。

在径流收集池内采集水样前，先用专用木棍将水体搅拌均匀，再取部分水样于500 mL塑料瓶内，立即加入1滴浓硫酸和1滴氯仿，且低温保存，带回实验室于24 h内完成水样指标分析。

水样分析指标包括总氮磷钾（TN、TP、TK）、溶解态氮磷（DN、DP）和颗粒态氮磷（PN、PP），分析方法均参照《水和废水监测分析方法》（国家环境保护总局，2002），即部分径流水样直接采用碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定TN含量，采用过硫酸钾氧化—钼锑抗比色法测定TP含量;部分径流水样经0.45 μm微孔滤膜抽滤后的滤液用于测定DN、DP和TK含量。其中，TK的测定采用火焰光度法，DN和DP的测定方法同TN和TP。PN和PP可通过差减法计算：PN=TN-DN，PP=TP-DP。

各时段径流氮磷钾损失量为各时段径流体积乘以各时段相应氮磷钾的浓度，总氮磷钾负荷量为各时段氮磷钾流失量之和。

1. 4. 2 植株样采集与测定 玉米产量按小区收获分别计产。玉米收获期取植株样进行全量氮磷钾含量分析。植株干样采用浓硫酸—双氧水消煮，再分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定玉米植株TN、TP和TK。

地上部春玉米的肥料利用率计算公式如下：

2 结果与分析

2. 1 稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米产量的影响

由图1可看出，CF处理的玉米产量为5998 kg/ha;CF+R处理较CF处理显著增产16.0%（P<0.05，下同）;CF+S处理较CF处理增产2.2%，差异未达显著水平（P>0.05，下同）;CF+R+S处理玉米产量最高，较CF和CF+S处理分别显著增加23.2%和20.5%，较CF+R处理增加6.2%，但差异不显著。由此可知，在单施化肥的基础上厢边种植大豆对玉米产量无显著影响，而采用稻草覆盖的农艺措施可显著提高玉米产量。

2. 2 稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米种植期间径流量的影响

玉米种植期间总共发生6次径流事件。由图2可知，每次径流事件发生后，稻草覆盖处理的径流体积较其他处理显著减少，表明稻草覆盖对于南方丘陵地区玉米种植起到减缓雨水冲刷和减少径流损失的作用。整个玉米生长周期内，CK、CF、CF+R、CF+S和CF+R+S的总径流体积分别为1008、919、749、909和717 m3/ha，其中CF+R和CF+R+S处理的总径流体积较CF处理显著减少18.5%和22.0%。CF+R和CF+R+S处理的径流水体积差异不显著，说明厢边种植大豆对于土壤地表水的截留效果差。

2. 3 稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米氮磷钾养分利用的影响

由表2可知，相比CF处理，CF+R和CF+R+S处理的地上部氮素（N）累积量分别增加20.1%和25.6%，差异达显著水平;CF+S处理增加8.0%，差异不显著。与CF+S处理的地上部N累积量比较，CF+R和CF+R+S处理分别高出11.2%和16.2%，差异均达显著水平。从NUE来看，CF+R和CF+R+S处理分别达36.8%和39.1%，比CF和CF+S处理增加5.1%～10.8%（绝对值）。表明稻草覆盖是提高南方丘陵地区春玉米氮肥利用率的有效农艺措施。

CF、CF+R、CF+S和CF+R+S处理的地上部磷素（P2O5）累积量在62.8～67.1 kg/ha，且差异均不显著。表明稻草覆盖或厢边种植大豆均对玉米的磷素吸收无明显影响。各施肥处理的PUE在27.6%～30.5%。

CF+R和CF+R+S处理的地上部钾素（K2O）累积量较CF处理分别增加15.2%和20.1%，且差异均达显著水平，但CF+S处理与CF处理差异不显著。表明稻草覆盖能促进玉米的钾素吸收，厢边种植大豆不影响玉米钾素的吸收利用。CF+R、CF+S和CF+R+S的KUE较CF处理分别增加8.5%、4.4%和11.2%（绝对值）。

2. 4 稻草覆盖和厢边种植大豆对玉米氮磷钾养分径流损失的影响

由表3可知，CF+R和CF+R+S处理的TN损失较少，分别为8.1和7.3 kg/ha，比CF处理分别减少33.6%和40.2%，比CF+S处理分别减少23.6%和31.1%，且差异均达显著水平。CF+S处理的TN损失量相比CF处理减少13.1%，但差异不显著。从氮素损失的构成来看，DN损失占TN损失的78%～82%，是玉米土壤氮素径流损失的主要形态。与CF处理的DN损失比较，CF+R和CF+R+S处理降低33.7%和41.8%，且差异均达显著水平，CF+S处理降低12.2%，差异不显著。由此可知，各处理间DN损失的变化趋势与TN损失的规律相似。各处理PN损失仅与CK处理间差异达显著水平，其他处理间差异不显著，说明不同农艺措施对玉米种植过程中PN损失无影响。稻草覆盖和厢边种植大豆均可降低氮素径流损失率，其中有稻草覆盖的处理氮素径流止损效果较好。

由表4可知，与CF处理的TP损失相比较，CF+R、CF+S和CF+R+S处理的TP损失分别减少38.0%、17.7%和40.0%，且差异均达显著水平。与CF+S处理相比较，CF+R与CF+R+S处理的TP损失量分别减少24.7%和27.0%，差异也达显著水平。CF+R处理与CF+R+S处理的TP损失差异不显著。说明稻草覆盖可大大减少玉米種植土壤磷素的径流损失，效果明显优于厢边种植大豆的模式。从磷素损失的构成来看，DP损失占TP损失的82%～89%，是玉米土壤磷素径流损失的主要形态。与CF处理的DP损失比较，CF+R、CF+S和CF+R+S处理分别降低35.1%、18.3%和36.1%，差异均达显著水平。与CF+S处理相比较，CF+R和CF+R+S处理的DP损失量分别减少20.5%和21.8%，差异也达显著水平。CF+R处理与CF+R+S处理的DP损失差异不显著。由此可知，各处理间DP损失的变化趋势与TP损失的规律相似。对于PP损失而言，CF+R与CF+R+S处理较CF处理减少52.5%和58.8%，且差异达显著水平，CF+S处理与CF处理差异不显著。有稻草覆盖的处理P损失率为0.1%，低于CF和CF+S处理，说明有稻草覆盖的处理磷素径流止损效果很好。

由表5可知，与CF处理的TK损失相比较，CF+R和CF+R+S处理的TK损失分别减少38.8%和46.6%，且差异均达显著水平，CF+S处理减少11.0%，差异不显著。与CF+S处理相比，CF+R与CF+R+S处理的TK损失量分别减少31.3%和40.0%，差异达显著水平。CF+R处理与CF+R+S处理的TK损失差异不显著。说明稻草覆盖可有效减少玉米种植土壤钾素的径流损失，而厢边种植大豆模式对玉米种植土壤钾素的径流损失无拦截效应。

3 讨论

稻草覆盖可促进作物地上部养分的累积，提高肥料利用率，对作物产量增加有积极影响（刘迎新等，2007;卿国林，2009;郑华斌，2009）。本研究结果表明，在单施化肥的基础上，增加稻草覆盖的农艺措施可使玉米显著增产16.0%。其原因可能在于稻草覆盖可阻挡太阳光线直射地表而引起土温变化剧烈，调节土壤温度，涵蓄土壤水分，利于玉米根系生长和养分吸收（黄传伟等，2008;范洪杰等，2014）。彭辉辉等（2015）研究表明，稻草覆盖可增加12.1%～28.8%的氮素地上部累积量，30.2%～54.7%的磷素地上部累积量和5.8%～17.7%的钾素地上部累积量。本研究结果与彭辉辉等（2015）的结果相似，采用稻草覆盖后，氮素地上部累积量增加20.1%～25.6%，磷素地上部累积量增加5.3%～6.8%，钾素地上部累积量增加15.5%～20.1%。此外，稻草覆盖可起到截留雨水的作用，减弱强降水对土壤的击溅侵蚀和对土壤结构的破坏，防止溅散的土粒堵塞土壤孔隙，增加雨水入渗速率，从而减少径流量及其养分流失（刘柳松等，2009），因此能发挥良好的水土保持和保肥效果。范洪杰（2013）的研究结果表明，稻草覆盖可减少旱地作物种植过程中25.5%的径流量。本研究发现，稻草覆盖可减少17.6%～28.9%的径流水量，同时减少土壤的养分损失，氮、磷、钾素径流损失分别减少23.6%～40.2%、27.0%～40.0%和31.3%～40.0%，与范洪杰（2013）的研究结果相似。

目前，有关玉米厢边种植大豆的研究报道较少，而玉米间作大豆的研究较多，相关结果表明，玉米与大豆间作能显著促进玉米增产和氮磷钾养分累积量的增加（王心星等，2014;任媛媛等，2015），但也有研究表明大豆与玉米不存在间作优势（赵建华等，2013）。本研究中玉米的产量和氮磷利用结果基本与后者类似，而钾利用结果与前者相似。厢边种植大豆的农艺措施在本研究中并未表现出有效的养分拦截效应，但已有的其他生物拦截措施均能有效减少养分损失，如香根草植物篱（许峰等，2000）、百喜草篱（Cao et al.，2015）等。其主要原因不仅在于拦截生物类型的差异，还可能与生物拦截带宽有关。 研究表明，一定范围内，生物拦截带宽越宽，养分拦截效果越好（Borin et al.，2010;Cao et al.，2015;Patty et al.，2015）。本研究中大豆种植行数为单行，导致大豆对玉米种植的影响不显著，CF、CF+R和CF+R+S处理的产量和肥料利用情况的比较均能说明此问题。稻草覆盖和厢边单行种植大豆的复合农艺措施应用效果与单独覆盖稻草比较无显著差异，但存在增产增效的潜力，需要进一步研究稻草覆盖和厢边多行种植大豆的复合农艺措施应用效果。因此，若想发挥稻草覆盖和厢边种植大豆复合农艺措施的最大效应，还需深入探索以寻找到合适厢边大豆种植带宽（行数）。

4 结论

稻草覆盖一方面可增加土壤地表覆盖度和增强土壤的抗蚀性，显著降低地表径流体积;另一方面可涵蓄土壤氮磷钾养分，减少径流损失，提高作物对养分的吸收和利用。本研究中，稻草覆盖或稻草覆盖结合厢边种植大豆的农艺措施能显著增加玉米产量，显著提高氮、钾素利用率，并显著减少氮、磷、钾素径流损失。其中稻草覆盖结合厢边种植大豆农艺措施的增产效应、肥料利用效应和养分损失环境效应相对较佳，可在南方丘陵地区大田旱地作物种植中推广应用。

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（责任编辑 王 晖）