秸秆还田条件下减施氮肥对旱地冬小麦水氮利用、光合及产量的影响

王金金，刘小利，刘 佩，石红霞，黎景来，宁燕珊，张 鹏，贾志宽，任小龙

(西北农林科技大学农学院/农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

作物秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾等元素[1]，还田后有助于土壤蓄水保墒、培肥地力，改变农田氮素平衡，增加作物产量[2-7]。长期秸秆还田可达到减氮节肥的效果[8-9]，也是农田资源合理、有效利用和杜绝秸秆焚烧、改善生态环境的重要措施[10]，尤其是随着机械化水平的提高，秸秆全量还田更加广泛[11-12]。然而，秸秆的碳氮比较高, 在短期分解过程中会与土壤微生物争夺氮素，影响土壤氮素和肥料氮素的有效性, 进一步影响作物生长[13]。研究表明，单一秸秆还田对作物的增产效果不明显，其中土壤氮素供应缺乏是主要限制因素[14]。但实际农业生产中，农户为追求作物高产，施氮量越来越大。据2004年在陕西中部地区调查，与推荐施氮量相比，69%的农户在小麦季平均过量施氮55 kg·hm-2[15]。在关中地区，农民种植小麦的平均施氮量为152～265 kg·hm-2，施氮量超过233 kg·hm-2的农户比例达到26.85%，这与该地区推荐施氮量120～226 kg·hm-2相比，过量施氮现象明显[16]。过量施氮不仅会引起严重的土壤环境问题，还会造成肥料利用率和作物生产力持续降低[17]。因此，探究半干旱区秸秆还田后农田的最适施氮量对提高该地区作物产量和肥料高效利用有重要意义。

有关秸秆还田配施氮肥的研究已有很多。研究发现，秸秆还田条件下适量施氮可以明显增加土壤储水量，提高水分利用效率，延缓旗叶衰老，增强光合能力，增加粒重[18-19]。李玮等认为，砂姜黑土区玉米秸秆全量还田(12 000 kg·hm-2)条件下，施氮202.5～243.0 kg·hm-2时冬小麦氮素利用效率和产量达到最高[20]。杨晨璐等研究发现，秸秆还田下施氮300 kg·hm-2可以促进资源高效利用和作物增产增效[21]。姜丽娜则认为，在秸秆还田条件下，小麦品种济麦22的适宜施氮量为120～180 kg·hm-2，此施氮范围可兼顾氮肥效率和籽粒产量[22]。不同施氮量对作物生长环境和经济效益的影响不同。适量减氮时小麦可获得较高的经济效益和环境效益[23]。总的来看，前人关于秸秆还田下施氮量的研究结论差异较大，没有得出明确的施肥策略，并且此类研究多集中于秸秆还田与氮肥减量对作物产量、土壤氮素平衡、温室气体排放等的影响分析[24-28]，而针对秸秆还田与减量施氮对土壤水分、作物光合特性、氮素利用及农业综合效益方面影响的研究较少。本研究分析秸秆全量还田条件下，在农民传统施氮的基础上，减施氮肥对冬小麦旗叶光合特性、水氮利用、产量及经济效益的影响，以期为旱作秸秆还田条件下冬小麦合理施氮提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

本试验于2017-2018年在西北农林科技大学农学试验基地(E108°04′，N35°20′)进行，该试验地位于秦岭北麓，渭河平原西部的头道塬上。该地区年均气温13.5 ℃，≥0 ℃积温4 800 ℃， 10 ℃积温4 143 ℃，全年太阳总辐射为4.808×105J·cm-2，年平均降水量580.5 mm，年均蒸发量993.2 mm，属暖温带半湿润偏旱型气候，且降雨主要集中在7-9月份。试验田的地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地旱平地，土壤为土垫旱耕人为土，播前0～20 cm土壤有机质含量11.97 g·kg-1，全氮含量1.31 g·kg-1，碱解氮含量20.53 mg·kg-1，速效磷含量22.34 mg·kg-1，速效钾含量97.37 mg·kg-1，pH值为7.59，容重为1.25 g·cm-3。前茬作物为玉米。

1.2 2017-2018年降雨气温分布

试验地冬小麦生长季多年平均降雨量为203.30 mm。2017-2018年冬小麦生长季降雨量为178.70 mm，属于平水年，大于5 mm的有效降雨为113.70 mm(图1)。整个小麦生长季降雨分布不均，降雨量与小麦生育期较适宜。 2017-2018年小麦生长季平均气温为9.00 ℃，越冬期平均气温为3.62 ℃，积温为 322.20 ℃。

图1 陕西杨凌2017-2018年小麦生育期降雨量分布

1.3 试验设计

试验地前茬玉米的秸秆全量粉碎还田，还田量约为9 000 kg·hm-2，秸秆含氮量为0.664%。供试小麦品种为西农979。试验设5个施氮水平，分别为0、75、 150 、225 和300 kg·hm-2，分别记为N0、N75、N150、N225、N300，其中N300代表关中地区农民施氮水平。小区面积为18 m2(6 m×3 m)，3次重复，完全随机排列。小麦于2017 年 10月24日播种，2018年6月6日收获。所有处理均施75 kg P2O5·hm-2和120 kg K2O·hm-2，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，所有肥料均全部基施，在作物生长期间不灌溉，其他管理措施同一般大田。

1.4 采样及测定项目与方法

1.4.1 土壤水分测定

小麦播前和成熟收获时在株间用土钻采集 0～200 cm土层土样，0～20 cm土层每10 cm取1个土样，20 cm以下土层每20 cm取1个土样。采用烘干法测定土壤含水量。在小麦的三叶期、返青期、拔节期、扬花期和灌浆期采用TDR仪测定土壤含水量。计算土壤贮水量(W)、小麦生育期耗水量(ETa)和水分利用效率(WUE)。

W=h×p×b×10

Eta=W1-W2+Pr

WUE=Y/ETa

式中，W为土壤储水量(mm)；h为土层深度(cm)；p为土壤容重(g·cm-3)；b土壤水分重量百分数(%);W1为播前土壤贮水量(mm)；W2为收获后土壤贮水量(mm)；Pr为生育期有效降水量(mm)；Y为作物产量(kg·hm-2)。

1.4.2 作物光合特性测定

在小麦扬花期，选晴朗天气的上午9∶00-11∶00间，用美国产LI-6400光合仪分别测定各处理旗叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，重复10次。

1.4.3 产量及其构成因素测定

在冬小麦成熟后，每个小区选取长势一致且具有代表性的三行各1 m样段，统计穗数；从中随机选取20株小麦用于考察穗粒数；最后将样 方内所有小麦风干、脱粒，统计实际产量和千 粒重。

根据女性盆底功能障碍的特点及临床表现，其可归属于中医学“阴脱”、“ 遗溺”等病证范畴，其病因病机主要是由于年高体衰，或妊娠、产次过多，损伤脏腑功能，致脾肾亏虚，脾主肌肉，肾主摄纳，脾肾亏虚则摄纳之力减弱，致冲任不固而下脱，导致阴脱、遗溺等病证的发生。因此在治疗本病时，总以健脾补肾、调理冲任为主。本研究选择的会阴穴是任脉要穴，也是冲任及督脉之交会穴，具有统摄气血运行、维持阴阳平衡的功效。温针灸是一种针刺、艾灸的有机结合治疗方法，用其刺激会阴穴可发挥大补元气、升举清阳、固脱止遗的作用。综上，采用温针灸治疗女性盆底功能障碍效果理想，值得推广。

1.4.4 作物氮素利用及经济效益计算

在冬小麦收获测产后，计算氮素利用情况，并且统计氮肥价格以及籽粒产量价格，折算经济效益。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS 27.0进行数据处理和统计，采用Origin处理软件进行样本方差分析 Duncan’s 新复极差检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下减氮对麦田土壤含水量的影响

小麦播前降雨比较集中，10月1日-23日降雨量达148.40 mm(图1)，土壤墒情较好。三叶期和返青期降雨少，小麦植株弱小，地表覆盖率低，但不同处理间各土层的土壤含水量差异较大，均表现为N0>N75>N225>N300>N150(图2a、图2b)。在生育中后期，降雨较丰富，气温高，水分蒸发强，小麦生长迅速，对水分的需求量大,不同处理间各土层的土壤含水量差异缩小(图 2c～图2e)。与N0处理相比，拔节期N75、 N150、N225、N300处理的土壤平均含水量分别降低7.38%、7.81%、7.18%和4.93%；开花期分别降低5.62%、8.57%、5.93%和4.05%；灌浆期N225处理微增，N75、N150和N300处理分别降低5.66%、3.78%和2.38%。小麦成熟收获后， 0～20 cm土层含水量较灌浆期平均增加 5.83%，20～200 cm土层平均降低3.73%；不同处理间 0～200 cm土层平均含水量表现为N75>N0>N150>N225>N300(图2f)。由此可见，在秸秆还田下，适当增施氮肥有利于小麦对土壤水分的吸收利用。

图2 2017-2018年土壤水分动态变化

2.2 秸秆还田下减氮对冬小麦耗水量和水分利用效率的影响

随施氮量的增加，收获后的土壤贮水量逐渐减少，但小麦全生育期的耗水量呈增加趋势(表1)。与N300处理相比，N0、N75、N150和N225处理收获后的土壤贮水量分别增加3.63%、 3.06%、0.81%和0.25%，N0、N75、N150和N225处理的耗水量分别降低1.05%、0.33%、4.74%和3.99%，其中N150和N225处理的土壤贮水量和耗水量与N300处理差异均不显著。不同处理的水分利用效率表现为N225>N150>N300>N75>N0，N225和N150处理较N300处理分别增加1.71%和0.59%，其中N225处理变化显著，说明在秸秆还田下适当减施氮肥能够促进小麦对土壤水分的高效利用。

表1 秸秆还田下施氮对冬小麦耗水量和水分利用效率的影响

2.3 秸秆还田下减氮对冬小麦光合特性的影响

随着施氮量的增加，小麦旗叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均表现为先增后减趋势，均以N225处理最大(表2)。与N0处理相比，N75、N150、N225和N300处理的Pn分别增加12.63%、53.68、113.12%和 83.16%，Tr分别增加5.19%、61.48%、 155.93%和 128.89%，Gs分别增加1.11%、72.22%、 193.33%和147.78%。小麦旗叶Ci随着施氮量的增加呈先减后增的趋势，以N225处理最低。与N0处理相比，N75、N150、N225和N300处理的Ci分别降低9.72%、22.30%、27.09%和 15.84%。适量减施氮肥可促进小麦旗叶的水气交换，进而改善光合性能。

表2 秸秆还田下施氮对冬小麦开花期旗叶光合参数的影响

2.4 秸秆还田下减氮对小麦产量及构成的影响

表3 秸秆还田下施氮对冬小麦产量及其构成的影响

2.5 秸秆还田下减氮对小麦氮素利用及经济效益的影响

随着施氮量的增加，氮肥贡献率呈先增后减的趋势(图3)，其中N225处理最高，较N300处理显著增加，增幅为4.95%，N150处理与N300处理差异不显著，说明在传统施氮的基础上，适量减少氮肥投入可提高氮肥对小麦产量的作用。氮肥偏生产力和氮肥农学效率随着施氮量的增加均呈逐渐降低的趋势。相比于N300处理，N75、N150和N225处理的氮肥偏生产力分别提高269.08%、98.25%和35.16%，氮肥农学效率分别提高166.52%、95.74%和42.00%。

图3 秸秆还田下施氮对氮素利用的影响

在所有处理中，N225处理的净效益最高，其次为N150处理，两个处理比N300处理分别增收332.40和169.20元·hm-2，其余处理的效益均减少；产投比均以N225和N150处理最大(表4)。由此说明在小麦传统施氮的基础上，适量施少氮肥施用量可以达到减投增收的目的。

表4 经济效益分析

3 讨 论

在西北半干旱地区，水分对作物生长发育至关重要。在秸秆还田下施肥方式会影响冬小麦各生育时期的土壤水分状况[29]。研究发现，秸秆还田条件下，土壤储水量及作物水分利用率随施氮量的增加呈先增后减趋势，在施氮262.5 kg·hm-2时达到最高，施氮量为350 kg·hm-2时明显下降[30]。本研究中，秸秆还田配施适量氮肥有利于冬小麦充分吸收利用土壤水分。相比于传统施氮(300 kg·hm-2)，施氮150和225 kg·hm-2时小麦收获后土壤贮水量和生育期耗水量变化不显著，水分利用效率分别略有和显著提高，这与前人的研究结果相一致[31]。究其原因，秸秆还田条件下土壤无效蒸发减少，水分条件得到改善，增加了土壤养分的有效性，有利于冬小麦根系生长发育，促进植株对土壤养分和水分的吸收利用，同时对氮肥投入的要求已不同于传统施氮，必须适当减少[32]。

光合作用是植物体内重要的代谢过程，显著影响着作物的生长和产量形成。氮肥对小麦光合特性调节有作用，可促进小麦增产[33-35]。光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度是作物叶片气体交换和光合生理特性的重要指标。在本研究中，随着施氮量的提高，小麦旗叶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率整体上均呈先增后减的趋势，均以N225处理最大；而胞间CO2浓度表现正好相反，呈先减后增趋势，以N225处理最低。可见300 kg·hm-2传统施氮量已过量，降低了小麦光合性能；施氮225 kg·hm-2最有利于叶片气孔的气体交换，进而促进光合作用。王东等对济麦20研究指出，氮素与小麦光合性能的关系存在阈值效应，即在一定施氮量范围内，随施氮量的增加，小麦旗叶光合性能逐渐增强，但超过阈值，小麦旗叶光合性能显著降低，且影响籽粒产量[36]。其原因可能是适量施氮可促进小麦叶面积增大，叶片数增多，增大光合面积；施氮后叶绿素含量增加，光合能力提高，进而增强小麦对土壤水分的利用，增加作物产量。而过量施氮会降低小麦光合性能，原因可能与叶片氮素含量有关。有学者认为，小麦叶片光合速率与其氮素含量呈二次曲线关系，达到一定含氮量后不再继续上升，反而下降[37-38]。高氮条件下小麦单位面积穗数增加，但群体过大，其不利于植株光合作用[39]。此外，施氮量也会通过影响作物根系的发育对植株养分和水分吸收产生作用，进而影响作物的产量和品质形成[40]。

秸秆还田在目前农业生产中被广泛应用，是农业可持续发展的一项重要措施。本研究表明，秸秆还田配施氮肥可以明显增加小麦产量，与徐蒋来等[41]的研究结论相同。前人研究指出，小麦施氮量和籽粒产量呈二次曲线关系，在一定阈值范围内，施氮能增加产量；当施氮量超过临界值，投入产出率急剧下降，同时导致氮肥利用率降低和环境污染[42-43]。本研究结果与此一致。本研究中，与传统施氮(N300)相比， N225处理显著增产，N150处理的籽粒产量变化不显著，说明在传统施氮的基础上配合秸秆还田，适量减氮有明显的增产效应；从产量结构看，穗数随着施氮量的增加呈线性增加，而穗粒数和千粒重均呈先增后降趋势，说明过量施氮会导致群体过大，不利于穗部发育[42]，从而导致穗粒数减少，粒重下降，影响最终籽粒产量及水分和养分利用效率。本研究中，在关中平原地区，秸秆还田9 000 kg·hm-2下，相比N300处理，N225处理可显著提高小麦的氮肥贡献率，N150和N255处理可显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学效率，并且增加了经济效益，具有较高的产投比。一些研究中也得到相似的结论[43-45]。

综合考虑，对于西北半干旱地区，秸秆还田下N300已过量，适量减施氮肥的N225处理可促进小麦对土壤水分和氮素的利用，改善叶片光合性能，具有显著的增产增收效应；N150处理的籽粒产量与N300处理差异不显著，且在土壤水分利用，氮素利用，经济效益等方面表现较优；N75已经严重减产减收。因此结合前人研究和生产实践，关中平原玉米秸秆还田条件下冬小麦配施氮肥150～225 kg·hm-2较好。