夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦产量和氮素利用的影响

李红星，高 飞，任佰朝，赵 斌，刘 鹏，张吉旺

（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）

氮素是作物生长发育所必需的营养元素之一[1–2]，合理施用氮肥是实现作物高产的重要措施，而过量施氮会降低氮素利用率，导致作物减产[3–4]。自1978—2019年，中国粮食产量由3.05亿t提升至6.64亿t，农用化学氮肥(折纯)用量由0.09亿t增长到0.55亿t[5–6]。农业生产中大量施用氮肥获得高产的现象越发普遍。例如，黑龙江省在2017和2018年的玉米季内有57.1%和45.4%的农民存在施氮量偏高或过高现象[7]。农业生产中的氮肥用量已超过经济最佳施用量，过量施氮不仅降低作物产量和品质，还会引起农田氮素污染[8–9]。

近年来，随着我国氮肥资源紧缺和环境污染问题加重，农作物秸秆利用受到广泛关注[10–12]。农作物秸秆富含各种营养元素，还田后可以提高土壤氮、磷、钾等养分含量和改善土壤理化特性，对作物的增产增效具有重要意义[13–14]。刘玲等[15]在旱地潮土和马力等[16]在红壤水稻土的研究表明，秸秆还田下土壤表层有机碳含量分别显著增加28.70%和29.62%。作物秸秆腐解过程中产生腐殖质并释放氮素，增加土壤养分循环中的氮含量[17]。与单施有机肥相比，秸秆还田结合有机肥可显著降低土壤氮素淋溶损失[18–19]。秸秆还田为农田耕地质量提高和资源可持续利用做出贡献的同时也会带来一些弊端，如农田温室气体外排增加[20]，因秸秆处理不当导致小麦苗期冻害率升高[21]，因碳分解引起的土壤氮流失加重等[22]。因此，如何提高作物秸秆和氮肥利用效率，减少资源浪费，保证农田土壤氮素可持续供给是农业生产中亟需解决的问题之一。

目前，国内外关于秸秆还田配施氮肥的研究主要集中在秸秆还田方式、还田秸秆种类、氮肥种类和氮肥用量对作物产量和土壤肥力的影响，关于夏玉米秸秆还田量对冬小麦产量和氮效率的影响及其减氮效应的研究相对较少[23–25]。本研究依托山东农业大学玉米创新中心长期(9年)秸秆还田试验平台[10]，通过研究不同玉米秸秆还田量配施氮肥进行长期还田后对冬小麦产量、地上部氮素积累量、氮素营养指数、氮素收获指数、氮素吸收效率、氮素利用效率的影响，分析土壤对小麦不同生育时期的氮素供应能力和植株氮素亏缺程度，以期探寻提高氮素利用率，实现冬小麦高产高效的适宜玉米秸秆还田量和合理施氮量。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东省泰安市山东农业大学玉米创新中心(东经117°12'，北纬36°18')的长期定位秸秆还田试验田，该定位试验始于2011年[10]。本试验于2019—2021年进行，供试小麦品种为泰农18，玉米品种为登海605。试验地位于温带大陆性季风气候区，2019年10月—2021年6月的气象资料由试验地附近气象站提供(图1)。

图1 试验期间冬小麦生长季温度和降水量(2019—2021)Fig.1 Temperature and precipitation across the growth stages of wheat from 2019 to 2021

1.2 试验设计

在冬小麦–夏玉米周年生产体系中基于小麦秸秆全部还田，设计玉米秸秆全量、半量和无秸秆还田，2016年小麦季始，设置裂区试验，在不同玉米秸秆还田量基础上设2个施氮量，分别为高产施氮量[9](N 210 kg/hm2)、氮肥减施 15% (N 178.5 kg/hm2)，共计6个处理：夏玉米秸秆全量还田配施N 210 kg/hm2(SN)和 178.5 kg/hm2(S–15%N)、夏玉米秸秆半量还田配施 N 210 kg/hm2(1/2SN)和 178.5 kg/hm2(1/2S–15%N)、夏玉米秸秆不还田配施 N 210 kg/hm2(CKN)和 178.5 kg/hm2(CK–15%N)。每处理 3 次重复，小区面积为 30 m2(3 m×10 m)，随机区组设计。小麦于10月中旬播种，播种量为133.5 kg/hm2；玉米于6月中旬播种，播种密度为67500株/hm2。小麦季和玉米季的磷肥和钾肥的施用量为P2O575 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，在播前一次性施入；氮肥于小麦播种前施入50%，拔节期追施50%；玉米季氮肥用量与小麦季相同，在玉米播前和小喇叭口期按照4∶6的比例施用。两季作物的耕作方式均为秸秆粉碎还田后，铧式犁翻耕1遍，耕深20—30 cm，旋平后播种。其他管理措施按高产田水平进行田间管理。每个处理具体秸秆还田量详见表1，各处理0—20 cm耕层土壤基础肥地力见表2。

表1 小麦播前玉米秸秆还田量和施氮量(kg/hm2)Table 1 Quantity of maize straw incorporation and N application rate before wheat sowing

表2 小麦播前不同处理0—20 cm耕层土壤理化性状(2019)Table 2 Physical and chemical properties of 0–20 cm soil layer under different treatments before wheat sowing in 2019

1.3 测定项目及方法

1.3.1 小麦生育进程中地上部氮素积累 分别于小麦拔节期、开花期和成熟期，取30株长势均匀一致的植株，105℃杀青，75℃烘干至恒重，称重后磨粉、经H2SO4–H2O2消煮，使用AA3连续流动分析仪测定其全氮含量[26]。

1.3.2 考种、测产 小麦成熟期，选取长势均匀的2.0 m×1.5 m区域调查单位面积穗数，人工收割、脱粒、烘干，测定千粒重，3次重复。成熟期随机选取30个单茎，调查穗粒数，每个处理3次重复。

1.3.3 土壤理化性质相关指标测定 2019年，于冬小麦播种前用土钻法每小区钻取0—20 cm耕层土壤，测定基础地力。在采集小麦植株样品的同时以20 cm为一层，分3层取0—60 cm土样，每个小区取3个具有代表性的样点，土样保存于–20℃冰箱中。土壤无机氮(硝态氮、铵态氮)采用1 mol/L氯化钾溶液浸提，土壤全氮采用H2SO4–H2O2消煮，使用AA3连续流动分析仪测定[10]。

1.4 计算方法

植株地上部氮素积累量=植株地上部干物质重×植株含氮量[13]

土壤无机态氮累积量=(土壤硝态氮含量+土壤铵态氮含量)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)/10[19]

氮素营养指数=地上部实际吸收的氮量/标准氮量[27–28]。式中，标准氮量=ac×W-b(ac是每公顷土地生产1吨干物质需要的最小氮含量，值为0.053；W为实际干物质量(单位为吨)，b为常数0.44)

氮素收获指数=籽粒氮积累量/植株总氮积累量[13]

氮素吸收效率=植株地上部氮素积累量/供氮量×100[28–30](土壤供氮量包括土壤氮和肥料氮，其中前者为小麦播前0—60 cm土层的硝态氮和铵态氮的总和)

吸收氮素利用效率=籽粒产量/成熟期地上部氮素积累量[28–30]

氮素利用率=籽粒产量/供氮量[28–30]

1.5 数据分析

试验数据采用 Microsoft Excel 2013 计算，利用SPSS 16.0 软件统计分析数据和 Sigmaplot 14.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，玉米秸秆还田和施氮量显著影响小麦产量。与CKN处理相比，CK–15%N处理的两年小麦产量平均显著降低4.26%，而SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N处理的产量平均分别显著增加12.79%、11.24%、12.63%和2.79%。

表3 秸秆还田量和施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of straw incorporation and N application rate on winter wheat yield and its components

玉米秸秆还田和施氮量显著影响小麦单位面积穗数、穗粒数和千粒重。与CKN处理相比，SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N处理的千粒重两年平均分别显著增加4.86%、4.24%、2.88%和4.03%，而CK–15%N处理的千粒重无显著变化。与CKN处理相比，CK–15%N处理的单位面积穗数显著降低3.51%。2020—2021年，SN、S–15%N和1/2SN处理的穗粒数比CKN处理分别显著增加10.50%、9.54%和11.83%，而1/2S–15%N处理和CK–15%N处理的穗粒数比CKN处理分别显著减少2.86%和2.48%，2019—2020年变化趋势与2020—2021年基本一致。

2.2 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦土壤无机态氮累积量的影响

由表4可知，同一秸秆还田量下，施氮量减少导致小麦各处理0—60 cm土层土壤无机态氮累积量显著降低。除CK–15%N处理以外，其余5个处理小麦成熟期土壤无机态氮累积量较拔节期均增加，其中秸秆还田处理主要增加0—20 cm和20—40 cm无机态氮含量，CKN处理主要增加40—60 cm无机态氮含量。小麦拔节期，1/2SN和CKN处理的两年土壤无机态氮累积量均值最高。与CKN处理相比，SN、S–15%N和1/2S–15%N处理分别显著减少9.02%、9.55%和12.87%。拔节期追肥后，各处理土壤无机态氮累积量显著增加。小麦开花期，SN、S–15%N和1/2SN处理较CKN处理分别显著增加29.04%、9.31%和16.86%；1/2S–15%N、CK–15%N处理分别较CKN处理显著减少6.07%和22.28%。小麦成熟期，各处理土壤无机态氮累积量较开花期显著降低。同一施氮量下，秸秆还田显著增加土壤无机态氮累积量。SN和1/2SN处理较CKN分别显著增加4.81%和3.19%；S–15%N和1/2S–15%N处理分别较CK–15%N处理显著增加8.28%和5.15%。

表4 不同处理下0—60 cm土层土壤无机态氮累积量(kg/hm2)Table 4 Accumulation of in 0–60 cm soil layer under different treatments

2.3 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦地上部氮素积累量的影响

由图2可以看出，小麦拔节期不同处理地上部氮素积累量存在显著差异，1/2SN和CKN处理的氮素积累量最高。与CKN处理相比，SN、S–15%N和1/2S–15%N处理分别显著减少3.19%、5.95%和15.52%。随着小麦生育进程的推进，各处理地上部氮素积累量显著增加。开花期SN和1/2SN处理无显著差异，而较CKN处理分别显著增加25.63%，30.07%；与CKN处理相比，S–15%N处理显著增加12.61%，而CK–15%N处理显著减少13.87%。成熟期SN、S–15%N和1/2SN处理的地上部氮素积累量无显著性差异，较CKN处理分别显著增加24.45%、22.81%和23.51%；与CKN处理相比，CK–15%N处理显著减少7.94%。

图2 秸秆还田量和施氮量对冬小麦地上部氮素积累量的影响Fig.2 Effects of straw returning rate and nitrogen application rate on aboveground nitrogen accumulation in winter wheat

2.4 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素营养指数的影响

玉米秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦各生育时期氮素营养指数，氮肥减施导致氮素营养指数显著降低。小麦拔节期，除CKN处理以外的5个处理的氮素营养指数，与CKN处理的氮素营养指数(0.90)相比显著降低8.14%～25.56%，说明小麦在该时期处于氮素亏缺状态。与CKN处理相比，SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N处理氮素营养指数两年均值分别显著降低11.90%、13.60%、10.18%、22.08% 和 17.89% (图3)。

4个玉米秸秆还田处理开花期和成熟期的氮素营养指数与拔节期相比均显著升高(图3)。SN处理的氮素营养指数大于1，两个生育时期分别比CKN处理显著增加28.66%和27.66%，处于氮素盈余状态。S–15%N和1/2SN处理的氮素营养指数分别为0.98和1.08，分别比CKN显著增加13.67%、21.59%，成熟期分别比CKN显著增加20.66%、17.45%，两个处理在生育后期均处于氮素最佳状态(图3)。综上所述，玉米秸秆全量还田在保证小麦氮素处于最佳状态下，还可减少小麦季部分化学氮肥施用量(S–15%N)，或在常规高产施氮量(N 210 kg/hm2)下，将一半的玉米秸秆还田(1/2SN)，来确保小麦各生育时期的氮素营养。

图3 不同玉米秸秆还田量和施氮量下2019—2021年冬小麦各生育时期的氮素营养指数Fig.3 Nitrogen nutrition index across the growth stages of winter wheat from 2019 to 2021 as affected by maize straw incorporation and nitrogen application rates

2.5 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素利用的影响

不同玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素吸收利用具有显著影响(表5)，在同一玉米秸秆还田量下，施氮量减少导致小麦氮素收获指数、吸收氮素利用效率和氮素利用率显著增加。1/2S–15%N、S–15%N处理的两年平均氮素收获指数较CKN分别显著增加12.09%、6.07%；2020—2021年，1/2SN、CK–15%N处理分别比CKN显著增加2.90%、4.35%；SN与CKN处理无显著差异。两季小麦，CK–15%N处理的吸收氮素利用效率较CKN处理显著增加14.71%；与CKN处理相比，SN和S–15%N处理分别显著降低10.68%和8.29%。S–15%N处理两年的氮素吸收效率显著高于其余5个处理，其中SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N处理氮素吸收率较CKN处理分别显著增加16.99%、42.65%、27.15%、19.05%和7.64%。SN、S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N和CK–15%N处理的氮素利用率分别较CKN显著增加10.41%、29.55%、14.19%、26.24%和21.39%。

表5 不同玉米秸秆还田量和施氮量下冬小麦的氮素利用率Table 5 Nitrogen utilization of winter wheat as affected by maize straw incorporation and nitrogen application rates

3 讨论

3.1 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦产量及其构成的影响

玉米秸秆还田后，经过土壤微生物分解作用，释放的营养物质影响土壤理化性质和小麦产量[31–32]。Usman等[33]研究报道，玉米秸秆还田对冬小麦产量具有显著影响，秸秆还田和氮肥(N 200 kg/hm2)等比例4次分施(播种，播种后20、45和70天)较其余8种处理可获得较高的产量和氮素利用率。本试验结果表明，玉米秸秆还田显著提高小麦产量，其中SN、S–15%N和1/2SN处理的小麦籽粒产量较CKN处理显著增加，主要原因是千粒重的显著增加(表3)；CK–15%N处理的产量较CKN处理显著降低，主要是源于氮肥减施后单位面积穗数和穗粒数的降低[13,34]。玉米秸秆还田可显著提高冬小麦的千粒重和穗粒数，进而增加产量，这是因为玉米秸秆长期还田后可显著增加土壤速效钾、速效磷和有机质含量，满足小麦籽粒发育所需养分的供应量，进而促进小麦增产[10]。

3.2 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦土壤无机态氮累积量和地上部氮素积累量的影响

小麦季地上部氮素积累与转运受氮肥类型、氮肥用量、土壤无机态氮累积量等因素的影响[13,33]。土壤中的有机态氮经矿化作用生成的无机态氮(硝态氮和铵态氮)是作物氮素吸收的重要来源[32–35]。除施用的氮肥外，秸秆中有机态氮也是小麦生长发育的重要氮源。在本研究中，1/2SN和CKN处理拔节期的氮素积累量显著高于其余处理，这与1/2SN处理玉米秸秆还田量少有关，秸秆腐解时土壤微生物固碳争氮作用较低，并且该处理施氮水平高，土壤无机态氮含量可满足小麦生育前期氮素吸收和积累；CKN处理小麦生育初期不存在玉米秸秆腐解微生物争夺氮素的情况，高施氮水平下土壤无机态氮含量可满足小麦生育前期生长需求[31]。与CKN相比，SN和S–15%N处理拔节期地上部氮素积累量显著降低，这可能是因为玉米秸秆全量还田腐解时土壤微生物固碳争氮作用强烈，导致土壤无机态氮含量无法满足小麦生育前期生长需求[13]。与拔节期相比，小麦花后各处理氮素积累量和土壤无机态氮累积量显著提高[19,21]。与CKN相比，SN、S–15%N和1/2SN处理花后地上部氮素积累量均显著增加，这是因为SN处理的施氮量和玉米秸秆还田量较高，玉米秸秆腐解释放的氮素及长期秸秆还田后土壤本身所含无机态氮累积量可满足小麦后期氮素需求，显著提高花后氮素积累量；与SN处理相比，S–15%N处理的氮肥减施15%后花后地上部氮素积累量未显著降低，这可能是因为玉米秸秆腐解后在小麦生育后期的供氮作用凸显，提高土壤无机态氮含量，进而增加小麦地上部氮素吸收和积累[19]；1/2SN处理的花后氮素积累量能维持在较高水平，这与玉米秸秆还田量减半有关，玉米秸秆腐解时固碳争氮作用减小，使土壤无机态氮含量相对较高，土壤氮素供应可满足小麦生育后期的氮素需求(表4)。

3.3 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素营养指数的影响

氮素营养指数是评价作物氮素盈亏和土壤供氮能力的重要诊断工具[31,36–37]。本试验结果表明，玉米秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦各个生育时期的氮素营养指数，其中施氮量与氮营养指数呈显著正相关。玉米秸秆还田要经历前期微生物腐解固碳争氮作用和后期释放氮素的过程[13,38]。小麦拔节期，SN、S–15%N、1/2SN和1/2S–15%N处理的氮素营养指数与CKN处理存在显著差异。玉米秸秆还田后，前期腐解时土壤微生物对有效氮素的争夺作用高于秸秆不还田，这可能导致土壤有效氮素无法被小麦充分吸收，使小麦生育前期处于氮素亏缺状态，导致氮素营养指数降低[13]。CK–15%N处理与CKN处理相比，玉米秸秆均不还田，施氮量减少15%后导致小麦生育前期在低施氮水平下表现出氮素营养指数降低、氮素亏缺的结果。1/2SN处理为玉米秸秆半量还田，该处理的氮素营养指数显著高于SN、S–15%N处理，这可能是因为秸秆腐解前期固碳争氮作用小于秸秆全量还田[10]。小麦开花期和成熟期SN处理的氮素营养指数大于1，说明小麦处于氮素盈余状态，这可能是因为在施氮量210 kg/hm2基础上，秸秆全量还田腐解后期土壤供氮水平较高，引起小麦氮素盈余[34]。S–15%N和1/2SN处理的氮素营养指数分别为0.98和1.08，表明土壤供氮量在满足小麦生长需求的同时不存在土壤氮素过度盈余，此时小麦氮素营养状况最佳。

3.4 夏玉米秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素利用的影响

氮素收获指数是反映氮素从营养器官向籽粒转移能力的重要指标[13]；氮素利用率是指土壤单位供氮量生产籽粒的能力，氮素利用率可划分为氮素吸收效率和吸收氮素利用效率[33,36]。本试验结果表明，同一玉米秸秆还田量下，氮肥减施后氮素收获指数、吸收氮素利用效率和氮素利用率显著降低，这是因为氮肥减施后导致土壤供氮组成中化学氮肥的比例降低，进而使土壤总供氮量的值相对减小(表5)。SN、1/2SN和CKN处理的施化肥氮量相同，SN和1/2SN处理的地上部氮素积累量整体较CKN显著增加，导致氮素吸收效率较CKN处理显著增加；S–15%N处理的地上部氮素积累量显著高于CKN处理，且施氮量减少，所以氮素吸收效率显著高于其余5个处理。与CKN处理相比，玉米秸秆还田配施氮肥的4个处理不增加氮肥用量，而籽粒产量显著提高，导致2020—2021年S–15%N、1/2SN、1/2S–15%N处理小麦的氮素收获指数和氮素利用率显著升高(表5)。综合分析各处理的氮肥利用效率和小麦产量可知，S–15%N和1/2SN处理的土壤氮肥供应可满足小麦生育后期氮素需求，进而增加产量。但也有研究报道玉米秸秆还田配施氮肥后显著降低冬小麦地上部氮素积累量，使氮肥回收率降低了4%～15.7%[39–40]，这与本研究结论存在争议，具体原因仍需进一步探讨。除此以外，本试验设计的氮肥减施15%是否为秸秆还田下最优的氮肥用量仍需进一步研究讨论。

4 结论

施氮量210 kg/hm2时，与秸秆不还田相比，玉米秸秆全量和半量还田显著提高成熟期地上部氮素积累量和氮素利用率，显著增加小麦穗粒数和千粒重，进而提高产量。与玉米秸秆全量还田配施氮肥210 kg/hm2(SN)相比，秸秆全量还田配施氮肥178.5 kg/hm2(S–15%N)或秸秆半量还田配施氮肥210 kg/hm2(1/2SN)，保证氮素营养指数处于最佳状态，在实现小麦产量稳定的同时减少氮肥施入，提高玉米秸秆的资源化利用，为黄淮海地区冬小麦高产高效栽培提供可借鉴的理论依据。