秸秆还田条件下氮肥用量对冬小麦生长发育及产量的影响

薛志伟，杨春玲

（安阳市农业科学院，河南安阳 455000）

秸秆是重要的农作物资源，具有改善土壤理化性状、提高土壤肥力等功能［1］。中国的秸秆资源丰富，且呈逐渐递增的趋势［2］。随着现代化农业机械化程度的提高，秸秆还田作为提高土壤肥力和改善土壤生态环境的重要措施得到广泛应用。秸秆还田措施作为保护性耕作的重要组成部分，不仅可以有效增加土壤的有机质含量，提高土壤的通透性，改善土壤养分结构，增加作物产量，同时能促进农田生态系统的可持续发展［3-5］。近年来，随着国家各种政策支持，秸秆还田率逐步提高。但大量作物秸秆被随意丢弃或焚烧的现象仍时有发生，不仅对环境造成非常恶劣的影响，而且极大地浪费秸秆资源［6，7］。

在现代农艺管理中，秸秆还田配施一定量的氮肥作为农田耕作的一种有效措施逐渐被农民广泛使用。氮肥是作物生长的重要因子，合理的氮素供应是提高小麦群体质量和增产的关键。它影响小麦叶绿素含量和光合速率，调节体内酶活性，协调碳氮代谢水平，促进干物质积累，在小麦产量形成过程中发挥重要的作用［8，9］。建国以来，农民为追求高产，对氮肥的依赖性加强，氮肥施用量越来越大。研究表明，在一定的施氮水平内，籽粒产量随施氮量的增加而增加，但较高的施氮量会导致小麦的抗逆性降低，不利于营养器官贮存物向籽粒的再分配，导致籽粒充实度降低［10，11］。以华北地区为例，农民在冬小麦生长季节氮肥施用量约为300 kg/hm2，而氮肥的利用率仅为20%［12，13］。研究表明，过量施用氮肥不仅提高了生产成本，影响小麦产量，还导致生态环境不断恶化，地表水富营养化、地下水污染、耕地质量退化等严重问题［14-16］。适宜的施氮量可满足秸秆腐熟过程中微生物对氮素的需求，促进秸秆分解矿化，协调碳、氮供应，改善土壤—作物体内的氮素转化，增加作物的干物质积累［17，18］。在玉米/小麦一年两熟耕作区，秸秆还田与氮肥配施可以提高土壤的蓄水保肥能力，促进小麦生育期内干物质积累，提高产量［19］。

安阳市位于河南省最北部，素有“豫北粮仓”之称，小麦常年种植面积和产量均占粮食作物的55%以上，是安阳市主要食粮和经济来源。目前，大力推进化肥减量提效，减少不合理投入，切实保护农业资源，发展绿色农业，实现农业与生态共赢发展已成为一种导向趋势。本研究于2019—2020年在安阳市农业科学院柏庄试验基地进行，主要分析秸秆还田条件下不同氮肥用量对冬小麦农艺性状和籽粒产量的影响，以期为秸秆还田和施肥技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2019年10月—2020年6月在柏庄基地（114°21′E、36°12′N）进行。试验田地势平坦，地力均匀，土壤质地为黏壤（潮褐土），耕层土壤基础养分含量为有机质19.1 g/kg、全氮1.0 g/kg、硝态氮8.7 mg/kg、铵态氮2.9 mg/kg、有效磷18.2 mg/kg、速效钾112.8 mg/kg。前茬作物为夏玉米，2019年9月30日收获。试验施磷肥（P2O5）150 kg/hm2、钾肥（K2O）90 kg/hm2同氮肥于耕前一起底施（不施氮处理除外），各处理氮肥基追比例均为1∶1，拔节期追施氮肥。土壤耕作深度30 cm，圆盘耙耙1次，同时撒施辛硫磷（防治地下害虫）。地面平整，随后统一播种。

供试小麦品种为安麦1350。2019年10月10日播种，种植密度为240×104株/hm2，行距20 cm。播前墒情好，3叶期人工间苗、定苗，保证苗齐、苗匀、苗壮，12月27日浇越冬水，2020年3月26日浇返青水，5月16日浇水促进灌浆。2020年3月2日使用麦欢和双氧·氯氟吡防治杂草。2020年5月5日喷洒联苯菊酯3%和啶虫脒3%微乳剂，每公顷使用450 g对水300 L均匀喷雾防治蚜虫。2020年6月8日收获。

1.2 试验设计

试验设置秸秆不还田不施氮（CK）、秸秆不还田常规施氮（N1）、秸秆还田减量施氮（N2）、秸秆还田常规施氮（N3）4个处理。3次重复，小区面积2.4 m×10 m。秸秆还田处理：夏玉米秸秆在耕作前用秸秆粉碎机切碎，并结合耕作全部混入耕层土壤中；秸秆不还田处理：夏玉米秸秆全部移出试验田。施氮肥水平分为不施氮、常规施氮300 kg/hm2和减量施氮225 kg/hm2。

1.3 试验测定项目与方法

（1）叶面积系数（LAI）［20］。于冬小麦开花期每小区随机选取有代表性的小麦植株10株，摘取全部绿叶，选取长势标准正常的10片绿叶，测量叶片中部的总宽度（a），然后从叶片中间截取5 cm长（b）的样段，烘干称重（A），截取后的剩余部分和其他样株的全部绿叶片再一起烘干称重（B），计算单位质量叶面积（S1）、小区总样株叶面积（S2）、平均单株叶面积（S3）和LAI。

S1（cm2/g）=（a×b）/A

S2（cm2）=S1（A+B）

S3（cm2/株）=S2/10

LAI=S3×基本苗数×10-8

（2）植株干质量。于冬小麦开花期每小区选取有代表性的植株10株，剪掉地下部，按照叶片、茎鞘、穗等器官分样，置于105℃烘箱中杀青30 min后，将温度调至80℃烘干至恒重，冷却后称质量，换算成单株干质量。

（3）土壤含水量。冬小麦收获后选择有代表性的地点，用土钻分层次（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50和50～60 cm）采取土样，每层取土100 g左右。盛装土样的铝盒称重记为w1，放入烘箱中在105℃温度下烘至恒重，然后将烘干的土样称重，获得干土加盒重记为w2，计算土样的质量含水量：

（4）产量。收获前调查各小区1 m双行固定样点的穗数，计算单位穗数。将各样点小麦整株连根收获进行室内考种，调查测定小穗数、穗粒数、千粒质量等指标。各小区脱粒自然风干，测定籽粒产量。

1.4 数据分析

使用SPSS 19.0和Excel 2017进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和添加氮肥对冬小麦农艺性状的影响

由表1可知，秸秆还田条件下不同氮肥用量对冬小麦基本苗影响不显著，对LAI和株高有一定的影响。CK处理株高最低；N1、N2、N3处理株高差异不显著，分别比CK高0.8%、1.5%、2.0%。N1、N2、N3处理间叶面积系数差异不显著，分别比CK增加21.4%、34.5%、32.1%。秸秆还田条件下，常规施氮和减量施氮处理小麦农艺性状差异不显著。

表1 各处理的冬小麦农艺性状Table 1 Agronomic characters of winter wheat under different treatments

2.2 秸秆还田和添加氮肥对植株干质量的影响

由表2可知，增施氮肥可提高冬小麦植株干质量，且秸秆和氮肥配施处理的平均值高于化肥单施处理。N1、N2、N3处理冬小麦单株干质量较CK分别增加4.0%、17.3%、21.3%，以N3处理最高，但是N2与N3处理间差异不显著。与CK相比，N1、N2、N3处理穗部干质量增加幅度最大，叶片干质量次之，茎鞘干质量最小。N2、N3处理的各器官干质量大于N1，N2和N3处理间穗、茎鞘和叶片干质量差异不显著。

表2 各处理的冬小麦植株干质量Table 2 Plant dry weight of winter wheat under different treatments g

2.3 秸秆还田和添加氮肥对土壤含水量的影响

由图1可以看出，随着土壤深度的增加，冬小麦收获后N2和N3处理的土壤含水量逐渐增加。N1与CK处理相比10～30 cm土壤含水量增加6.2%，30～60 cm土壤含水量减少7.8%。N2、N3处理0～60 cm土壤含水量无明显差异，与CK相比，分别增加11.9%～35.0%和10.3%～33.4%；与N1相比，分别增加12.6%～40.1%和11.6%～37.2%。不论施氮量多少，秸秆还田处理土壤含水量均高于秸秆不还田处理。秸秆还田条件下，常规施氮和减量施氮的0～60 cm土壤含水量无明显差异。

图1 各处理0～60 cm土层土壤含水量变化Fig.1 Soil moisture content of 0～60 cm soil under different treatments

2.4 秸秆还田和添加氮肥对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，秸秆还田条件下施加氮肥可显著提高冬小麦穗粒数、千粒质量和籽粒产量。N1、N2、N3处理与CK相比产量增幅为3.7%～10.1%，N3处理增产幅度最大，但是N2与N3处理间差异不显著。N1、N2、N3处理与CK相比，提高了有效穗数、穗粒数和千粒质量。从有效穗数看，N1、N2、N3处理分别比CK增加3.6%、8.2%、9.7%，平均增加7.2%。N2、N3处理的穗粒数和千粒重均显著高于N1处理。

表3 各处理冬小麦产量及其构成因素比较Table 3 Comparison of winter wheat yield and its components in different treatments

3 讨论

大量研究表明，秸秆还田配施氮肥可避免微生物在分解秸秆过程中与作物竞争土壤中的氮素，增加冬小麦中后期干物质积累［19］，从而提高作物产量［17，20］。秸秆还田条件下施用氮肥可增加小麦绿叶面积，有利于小麦生育后期光合作用产物的积累和运转。与对照相比，穗、叶片和茎鞘干质量变化幅度均为秸秆还田常规施氮＞秸秆还田减量施氮＞秸秆不还田常规施氮，即秸秆还田配施化肥对冬小麦增产效果高于单施化肥处理。本试验中秸秆还田条件下，施氮量225 kg/hm2的单株干质量、籽粒产量及单位面积产量与施氮量300 kg/hm2处理无显著差异，即氮肥用量减少25%的冬小麦产量并未明显减少，这与前人［21，22］结论相似，表明氮肥用量超过一定范围后，会降低干物质的运转效率，其对小麦籽粒产量的增长效果逐渐变小。

秸秆还田条件下，施氮量225和300 kg/hm2在小麦成熟后0～60 cm土层土壤含水量随土壤深度的增加而增加，土壤含水量高于其他处理，这与前人研究结果一致，即秸秆还田和施用氮肥会改善土壤的体积质量，增加土壤的保墒能力［23，24］。任爱霞等［25］研究表明，在水分充足条件下可增加施氮量以促进作物生长，增强耗水。本研究结果表明，在秸秆不还田条件下，单施化肥处理叶面积系数显著高于不施肥处理，收获后深层土壤含水量低于不施肥处理。这说明增施化肥可促进作物生长，加强深层土壤水分消耗，导致作物收获后土壤含水量偏低，这与刘晓宏等［26］的研究结果一致。

4 结论

本研究中秸秆还田+施用氮肥，可提高冬小麦叶面积系数，增加生育后期干物质积累，促进干物质向籽粒转移，增加产量。玉米秸秆全量粉碎还田，减量施氮（225 kg/hm2）和常规施氮（300 kg/hm2）处理冬小麦产量无显著差异，二者均显著高于秸秆不还田不施氮和秸秆不还田常规施氮（300 kg/hm2）处理。综合考虑经济和环境生态效益，安阳地区小麦栽培中采用秸秆还田配施氮肥225 kg/hm2最为适宜。