麦-玉轮作玉米秸秆还田与施氮对后茬玉米产量和养分吸收的影响

向晓玲，陈松鹤，高仁才，吴东明，陈艳琦，杨洪坤，樊高琼

(四川农业大学 农学院，农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川 成都 611130)

旱地冬小麦-夏玉米接茬种植的耕作制度，因其可以提高土地利用效率和增加单位面积经济收益，是我国北方较为常见的栽培模式[1]，近年来由于其便于机械化，在西南也逐渐盛行。轮作体系非常看重周年效益，注重茬口衔接，但前茬的处理方式也会影响到后茬作物的生长[2]。秸秆还田是一种提高土壤肥力的重要栽培措施[3]，也是冬小麦-夏玉米轮作体系中的一个重要技术环节。前人已经对秸秆还田的培肥土壤效应等做了大量研究[4]，但秸秆还田对后茬作物的效应有待进一步研究。我国北方主要为灌溉农业，而南方主要为雨养农业，研究西南丘陵区冬小麦-夏玉米新型种植模式下小麦季秸秆还田对后茬玉米生长的影响，对于明确该技术模式的周年效应及生理基础有重要意义，有助于技术模式的推广应用。

大量研究表明，秸秆还田不仅可以提高当季作物产量[5]，培肥土壤[6]、改善土壤生态环境[7]，而且秸秆腐解过程中释放出矿质营养元素能够补充土壤养分来维持土壤的农业生产力[8-10]，有利于后续作物产量的持续提升。但也有研究表明，长期秸秆还田会破坏土壤的碳氮平衡，因此，需要配施氮肥来平衡土壤氮素使作物获得高产[11]。长期以来，施用氮肥一直是提高作物产量的重要措施[12]。然而越来越多的研究表明，氮肥施用过量导致其利用率降低、作物产量下降[13-14]。而且过量施用氮肥不仅造成诸如富营养化等环境问题[15]，且氮素盈余易导致淋溶下渗污染水体[16]。因此，研究秸秆还田及施氮的后效作用具有重要的生产实践意义。

鉴于此，本研究基于四川丘陵旱地冬干春旱、石灰性紫色土的气候条件和土壤背景下，在冬小麦-夏玉米轮作体系第4年定位试验基础上，研究小麦季玉米秸秆还田与施氮对后茬玉米的生物量、产量及养分吸收利用的影响，以期为西南丘陵地区作物高产高效的种植制度提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

该定位试验于2015年在四川省眉山市仁寿县珠嘉镇踏水村(30°04′ N，104°13′ E)进行，丘陵地貌，土壤类型为石灰性紫色土，属亚热带季风湿润气候。试验地采用冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度，玉米生育期气象条件见图1。本试验采集2018，2019年夏玉米收获期样品进行分析研究。2015年试验开始时土壤(0～20 cm)基础肥力为：pH值7.82(土∶水= 1.0∶2.5)，有机质16.9 g/kg，全氮0.83 g/kg，全磷0.86 g/kg，全钾13.96 g/kg。

1.2 试验材料

夏玉米品种为正红6号，由四川农业大学农学院选育。前茬小麦品种为川麦104，由四川省农业科学研究院提供。试验中所用肥料分别为普通尿素(N 46.2%)，过磷酸钙(P2O512.5%)和氯化钾(K2O 60%)，均购于当地农资市场。

1.3 试验设计

前茬冬小麦采用二因素裂区设计，主区为玉米秸秆粉碎覆盖(SM)与不覆盖(NSM)，覆盖量为6 000～8 000 kg/hm2(干质量)；裂区为3种氮水平为：0(N0)，120(N1)，180(N2)kg/hm2，共计6个处理，每个处理均设3次重复。主区间隔1.5 m，小区间隔为20 cm，小区面积为30 m2(6 m×5 m)。磷(P2O512.5%)和钾(K2O 60%)用量均为75 kg/hm2。在前茬冬小麦原位小区，于冬小麦收获后(5月中旬)穴播玉米，行距为1.0 m，穴距为0.33 m，每穴2株，密度为60 000 株/hm2，各小区氮(N 46.2%)、磷(P2O512.5%)和钾(K2O 60%)用量相同，分别为225，75，75 kg/hm2，50%的氮肥和全部磷、钾肥作底肥，另于拔节期追施剩余氮肥。其他管理措施同当地大田。两季夏玉米收获时间分别为2018年8月25日和2019年8月29日。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量及产量构成 所有小区实收测产，并连续收获20穗测定玉米穗长、穗粒数、百粒质量指标。

1.4.2 样品采集 在玉米播种前，用土钻按“S”形5点采样法采集0～20 cm土层土样，制成混合样，并于室内风干后分别过0.15，0.85 mm孔径筛留存，用于后续养分测定。在收获期每个小区取长势均匀、有代表性的玉米4株，在105 ℃下杀青30 min后，于80 ℃烘干至恒质量，称质量后粉碎，用于后续养分测定。

1.4.3 土壤样品测定 土壤pH值(水土比 2.5∶1.0)采用电位法测定；土壤有机质采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定；全氮用凯氏定氮法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾用 1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度计法测定[17]。

1.4.4 植株养分测定 将植株样品粉碎过0.25 mm孔径筛，用H2SO4-H2O2消煮，采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量；钒钼黄比色法测定全磷含量；火焰光度计法测定钾含量[17]。根据生物量和养分含量计算植株养分吸收量。计算公式如下：

植株氮(磷、钾)养分吸收量(kg/hm2)=地上部生物量×氮(磷、钾)含量。

1.5 数据分析

所有试验数据用Microsoft Excel 2016进行整理计算，用SPSS 19.0进行方差分析及相关性分析，Origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对后茬夏玉米播种前土壤肥力的影响

定位试验3-4 a后，秸秆还田是提高土壤有机质的主要因素(表1)，秸秆还田(SM)与不还田(NSM)相比，土壤有机质含量显著提高，较NSM处理提高了34.1%(2 a均值)。同时，秸秆还田(SM)相比不还田(NSM)提高了土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量，分别较不还田(NSM)处理提高6.64%，7.34%，16.2%，14.3%(2 a均值)，前茬氮肥处理比不施氮处理(N0)显著提高了土壤中的全氮含量，但降低了速效钾含量并增加了速效磷含量。与N0处理相比，N1、N2处理下的全氮含量分别增加12.8%，13.3%，碱解氮含量分别增加6.31%，11.2%(2 a均值)。

表1 秸秆还田对夏玉米播种前土壤养分的影响Tab.1 Effects of straw mulching on soil nutrients of summer maize before sowing

2.2 秸秆还田与施氮对后茬玉米地上部生物量的影响

由图2可知，秸秆还田、施氮与秸秆还田×施氮的交互作用对后茬夏玉米的生物量均有极显著影响(P<0.01)。2018，2019年SM处理下玉米成熟期地上部生物量较NSM处理分别增加了34.7%，38.8%，差异极显著(P<0.01)。与N0处理相比，施氮处理极显著提高了地上部生物量，N1、N2处理较N0处理地上部生物量分别提高了29.9%，36.7%(2 a结果均值)。在不同处理间，地上部生物量表现为SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0(2 a结果均值)，且SMN0处理与NSMN2(2018年)和NSMN1处理(2019年)无显著差异(P>0.05)，可见秸秆覆盖下的生物量与不覆盖下增施氮肥的作用相当。

2.3 秸秆还田与施氮对后茬玉米产量及产量构成的影响

小麦季秸秆还田和施氮极显著影响后茬玉米的产量(表2)。2018，2019年，SM处理下的产量较NSM处理分别增加65.7%，30.7%；随上季作物施氮量增加，玉米产量呈增加的趋势。与N0处理相比，N1和N2玉米产量分别提高了41.5%，59.4%(2 a均值)，2 a均以N2处理下玉米产量最高。增产原因在于穗长、穗粒数和百粒质量有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)提高。SM处理与NSM处理相比，穗长增幅为7.4%～10.0%，穗粒数增幅为22.9%～24.2%，百粒质量增幅为18.1%～58.1%。N1处理下的穗长、穗粒数和百粒质量较N0处理分别增加了12.3%，29.1%，24.9%，N2处理下的依次为10.9%，25.2%，27.4%(2 a均值)。秸秆还田×施氮的交互作用对后茬夏玉米的百粒质量有极显著影响，对穗长无显著影响，而对穗粒数的影响2 a结果不一致。相关分析表明(表3)，穗长、穗粒数、百粒质量和产量之间均存在极显著正相关关系(P<0.01)。百粒质量对产量的直接通径系数最大，说明其是夏玉米产量增加的最主要贡献因子，其次是穗长，穗粒数的增加可通过百粒质量和穗长的增加影响产量(表3)。

表2 秸秆还田及施氮对后茬夏玉米产量构成因子的影响Tab.2 Effects of straw mulching and nitrogen fertilizer on yield components in summer maize

表3 产量及其构成因素的相关系数及通径分析Tab.3 Correlation coefficient and path analysis of yield and its components

2.4 秸秆还田与施氮对后茬玉米养分吸收的影响

由图3可知，小麦季秸秆还田、施氮与秸秆还田×施氮的交互作用对后茬夏玉米的氮、磷和钾养分吸收均有极显著影响(P<0.01)。与NSM处理相比，SM处理后茬玉米地上部氮、磷、钾养分的吸收分别增加47.2%，58.8%，45.0%(2 a均值)。SM处理下2018，2019年氮吸收量分别高36.0%，61.7%。N2和N1处理下玉米氮吸收量比N0处理分别高42.7%～45.6%，57.8%～73.3%。SMN0处理氮吸收量介于NSMN0和NSMN2处理，说明小麦季秸秆还田效应促进了后茬玉米氮素吸收。前茬秸秆还田后夏玉米磷和钾的吸收与氮的吸收规律一致，均表现为SM处理极显著高于NSM处理，且随着施氮量的增加，磷和钾的吸收量显著提高(P<0.05)。不同处理间，磷和钾的吸收量均表现为：SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0。说明前茬玉米秸秆还田和施氮促进了玉米对磷和钾的吸收。

2.5 秸秆还田与施氮对后茬玉米氮、磷、钾肥偏生产力的影响

由表4可知，秸秆还田与施氮对后茬夏玉米氮肥偏生产力(PEPN)、磷肥偏生产力(PEPP)和钾肥偏生产力(PEPK)的影响达到极显著水平(P<0.01)，而秸秆还田×施氮的交互作用对PEPN、PEPP和PEPK的影响仅在2018年差异极显著(表4)。秸秆还田极显著提高了两季夏玉米的PEPN、PEPP和PEPK，其中 SMN0较NSMN0的PEPN、PEPP和PEPK均增加了46.5%，SMN1处理较NSMN1处理增加39.6%，SMN2处理较NSMN2处理增加57.7%。

表4 秸秆还田及施氮对后茬夏玉米氮磷钾肥偏生产力的影响Tab.4 Effects of straw mulching and nitrogen application on the partial factor productivity of nitrogen，phosphorus and potassium fertilizer in summer maize

3 讨论与结论

3.1 麦-玉轮作体系下小麦季秸秆还田与氮肥施用改善土壤养分状况，促进玉米增产

有机质含量的高低是土壤肥沃程度的重要指标。前人研究表明，紫色土有机质和速效磷含量低[18]，制约作物养分吸收。秸秆还田配施氮肥促进了秸秆的分解，提高了土壤有机质含量[19]，因此改善了土壤质量状况[20]。在本研究中，小麦季秸秆覆盖增加了玉米种植前土壤中的有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量，提高了土壤肥力；同时，小麦季施用氮肥也使得土壤中的全氮和碱解氮更加充裕，为后茬作物的生长提供了营养需求的保障。李军辉等[21]研究表明，夏闲期复种饲料油菜将其地上部还田有利于提高后作小麦的有机质含量并提高了小麦产量。本研究中，小麦季秸秆还田和施氮显著增加了玉米产量，综合产量以SMN2处理(秸秆还田+施氮180 kg/hm2)下最高。同时，SMN0处理与NSMN1和NSMN2处理玉米产量相当，说明秸秆还田下可以减少氮肥的用量不会降低后茬作物产量，主要由于秸秆还田提高了土壤对后茬玉米养分供应的能力，为作物生长提供充足的营养物质，进而增加了玉米籽粒产量[22-23]。有研究表明，秸秆还田配施氮肥通过提高植株叶面积指数、叶片光合速率及延长灌浆期和促进光合产物向籽粒转移，最终提高了籽粒质量[24]。也有研究发现，前茬作物对秸秆氮的当季利用率低，土壤中存留了较多的秸秆氮素与化肥氮素[25]，有利于促进后茬玉米穗部形态建成。本研究中，秸秆还田与不还田处理相比，后茬玉米的穗长、穗粒数和百粒质量均有显著的提高，并且百粒质量对产量的直接通径系数最大，可能因为前茬秸秆覆盖与施氮后，提高了土壤有机质与氮磷钾养分含量，进而促进了玉米生物量增加，增大了源，从而促进籽粒灌浆。

3.2 前茬秸秆还田促进玉米养分吸收利用达到减氮效果

秸秆还田作为农业生产上的重要措施，因其在土壤中分解释放植物生长必需的养分[25]，从而增加了作物的养分吸收和利用。本研究中，秸秆还田不仅显著增加了后茬夏玉米地上部氮、磷和钾养分的吸收，SMN0(秸秆还田+施氮0 kg/hm2)处理下，后茬玉米氮、磷、钾养分的吸收量介于NSMN1(秸秆不还田+施氮120 kg/hm2)和NSMN2(秸秆不还田+施氮180 kg/hm2)处理，说明玉米季同等施肥情况下，前茬秸秆覆盖的持续效应促进了后茬玉米的养分吸收。也有研究表明，当季作物收获后土壤氮残留对后茬作物有一定的后效作用[21，26]。本研究也得到类似的结论。同时，前茬秸秆还田与不还田相比显著提高了后茬夏玉米的氮、磷、钾肥偏生产力，这与前人研究的结果基本一致[27]。因此，小麦季玉米秸秆还田的后效作用，是促进后茬夏玉米地上部养分吸收的重要因素，应考虑秸秆还田代替部分化肥的潜力以及持续效应。

西南丘陵区石灰性紫色土背景下，冬小麦-夏玉米轮作体系中，小麦季玉米秸秆还田和施氮提高了夏玉米播前土壤有机质和养分含量，促进后茬夏玉米氮、磷和钾养分的吸收，增加地上部生物量和产量。