秸秆还田与氮肥减施对旱地春玉米产量及生理指标的影响

张建军，党翼，赵刚，樊廷录*，王磊，程万莉，李尚中，王淑英，雷康宁，张朝伟*

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070)

秸秆还田以及氮肥使用方法是目前平衡农业生产中经济效益与环境效益的两项关键技术[1]。化肥对保证粮食安全非常重要，特别是氮肥对产量的贡献高达30%～50%[2]。秸秆还田不仅可培肥地力，而且能提高土壤的抗旱保墒能力，对涵养土壤水分及提高作物产量等方面具有良好的作用[3]。同时，秸秆还田配施氮肥在解决旱作农田“耕层变浅”“土壤紧实”“有效耕层土壤减少”等问题方面意义重大[4]。然而，为了有效应对近年提出的到2020年化肥使用量零增长行动方案及十九大报告中有关绿色生态循环发展理念，提出了合理利用有机养分资源，有机无机相结合，部分替代化肥减量绿色增效目标及长期过量或不合理施肥导致的肥料利用率低和生态环境污染等问题成为农业科技界关注的热点问题。减量施氮正是基于此背景下发展起来的一种高效施氮方式。已有研究表明：施入土壤中的氮肥50%以上通过氮素损失途径进入大气和水体中，造成严重的生态环境问题，如温室效应增加、水体富营养化等[5]。

秸秆还田在改善农田土壤水分条件、土壤蓄水保墒能力和增加作物产量及稳产性等方面已被许多研究所证实[6-7]。然而，秸秆在许多旱作区并没有得到充分利用，特别是西北黄土旱塬雨养农业区，玉米(Zeamays)秸秆数量及其养分资源量大，秸秆集中焚烧现象普遍，既污染了环境又浪费了资源，如何依据地域特点，充分合理利用秸秆养分资源，是实现化肥减施绿色增效的重要途径，必将成为未来西北黄土旱塬雨养农业区农业生产的一项主流技术。

近年来学者们的研究集中在等量施氮水平下秸秆还田的培肥增产效应[8-11]，而对陇东旱塬雨养农业区降水特征条件下，秸秆还田与减量施氮对旱地玉米产量、干物质积累、生理指标等方面的影响研究较少。因此，本研究针对陇东旱塬区季节性降水分配不均，自然降水与玉米需水错位的生产实际问题，研究秸秆还田与减量施氮对旱地春玉米产量、干物质积累、水分利用及生理生态指标的影响，旨在探明改变施肥方式对春玉米产量、干物质积累及生理指标等方面的影响，为秸秆还田与氮肥减施在农业生产上的应用提供理论依据，实现农业秸秆的循环利用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016-2018年在甘肃省农业科学院旱地农业研究所镇原旱地农业试验站(35°29′42″ N，107°29′36″ E)进行，土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土。该区年均降水量540 mm，其中7-9月占60%，年蒸发量1532 mm，年均气温8.3 ℃，无霜期170 d，海拔1279 m，为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候，属典型的旱作雨养农业区。2016、2017和2018年玉米生育期降水量分别为284.8、440.2和501.3 mm，但2017年正值玉米开花授粉和灌浆初期的7月中旬到下旬降水42.5 mm，较2016和2018年同期的103.3和137.7 mm分别减少58.9%和69.1%，干旱影响籽粒灌浆，玉米生理成熟比2016和2018年早8～10 d(表1)。

表1 2016-2018年玉米生育期及旬降水量Table 1 Precipitation during maize growth period in 2016-2018 (mm)

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设6个处理：1)常规施氮(F，225 kg·hm-2)；2)秸秆还田(TS，9000 kg·hm-2)；3)F+TS； 4)80% F+TS；5)60% F+TS；6)CK，不施氮磷肥，不还田。3次重复，小区面积4.4 m×5.0 m=22.0 m2。种植方式为宽膜全地面覆盖，地膜为普通聚乙烯膜，幅宽1.2 m，厚度0.01 mm。玉米品种先玉335，为耐密、抗逆性好的高产品种。种植行距55.0 cm，株距22.5 cm，8行区，密度7.5万株·hm-2。4月下旬播种，人工穴播，每穴保1苗，8月下旬至9月上旬收获。常规施氮 (当地农户普遍用量) 和秸秆按试验设计用量[覆膜前人工粉碎3～5 cm，耕层 (0～25 cm) 翻压还田]，磷肥 (含P2O516%的过磷酸钙) 1000 kg·hm-2覆膜前一次性施入耕层 (0～25 cm)土壤，整个生育期不再追施氮肥。2016和2017年还田玉米秸秆氮含量分别为6.3和6.7 g·kg-1，其他栽培管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1测定方法 1)土壤水分测定：采用土钻人工分层取土，烘干称重法测定，分别在玉米播种和收获时由地表向下依次取0～200 cm土层土壤，每20 cm作为一个取样层，先称湿土重，在105 ℃恒温下烘干12 h后称干土重，计算含水量(%)。

2)产量测定：收获前，每小区选择长势均匀一致处作为采样区，在此区域内按整行逐株取30株测产，脱粒后用谷物水分测定仪(PM-8188-A，北京布拉德科技发展有限公司)测定含水量，然后换算成标准含水量(14%)下的产量。另每小区取10株调查穗行数、行粒数，计算穗粒数，并测定百粒重。

3)干物质积累量：在玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、收获期各处理分别选取3株具有代表性植株的地上部分，置于样品袋中于105 ℃烘箱杀青30 min，85 ℃烘至恒重，冷却至室温后用百分之一天平称量。

4)光合参数测定：2018年于春玉米拔节期，从每个小区选择长势一致的植株3株，采用便携式光合系统测定仪LI-6400，在晴天上午9:00-11:00，测定玉米功能叶叶片净光合速率(photosynthetic rate,Pn)，同时得到气孔导度(stomata conductance，Gs)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、胞间二氧化碳浓度(intercellular CO2concentration，Ci)等光合参数，每片叶重复读取3个观测值，取其平均值作为1个测定值。

5)冠层温度(canopy temperature，CT)：2018年于春玉米拔节期，采用国产BAU-1型手持式红外测温仪选择晴朗无云的天气测定冠层温度，分辨率为0.1 ℃，响应时间为2～3 s，测定时视场角取5°，手持测温仪置于1.5 m高度左右，以30°瞄准小区内中间的冠层，测定点为群体生长一致、有代表性的部位。为减少测定误差, 每个小区重复测定30次，平均值作该次测定的CT值。

6)叶片叶绿素相对含量(soil and plant analyzer development，SPAD)测定：2018年于春玉米拔节期，选择晴朗无阴雨的上午(9:00-11:00)，用SPAD分析仪(SPAD-5200)测定春玉米功能叶SPAD读数值，每小区读取25 次，取其平均值作为1个测定值。

1.3.2计算公式 1)作物生育期耗水量[12](evapotranspiration，ET，mm)：ET=W1-W2+P。式中:W1、W2分别为播种前和收获后土壤贮水量(mm)，P为作物生育期降水量(mm)，通过campbell cr1000(美国)自动气象站记录仪获得。

2)作物水分利用效率[13](water use efficiency,WUE，kg·hm-2·mm-1)：WUE=Y/ET。式中：Y为含水量14%时玉米籽粒产量(kg·hm-2)，ET为作物耗水量(mm)。

3)土壤贮水量[14](soil water storage，W，mm)：W=10×h×a×b。式中:h为土层深度(cm)，a是土壤容重 (g·cm-3)，b是土壤质量含水量(%)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理、表格制作和作图，采用DPS 7.01统计软件进行方差分析(ANVOA)，利用LSD法多重比较(P=0.05和0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同处理玉米产量及水分利用效率变化

与常规施氮(F)及秸秆还田(TS)相比，秸秆还田配施不同比例氮肥在不同年份均能提高春玉米产量，但处理间存在一定差异(表2)。3年变化趋势均表现为80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，产量高低与生育期降水量及降水时期有关(表1)。 80% F+TS、60% F+TS、F+TS、F、TS、CK平均产量分别为11899.5、11109.5、10825.5、10631.5、9536.0和8099.0 kg·hm-2，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS较F分别提高了11.9%、4.5%和1.8%，差异不显著，较TS分别提高了24.8%、16.5%和13.5%，仅80% F+TS与TS差异显著，较CK分别提高了46.9%、37.2%和33.7%，差异显著。

在秸秆还田条件下，减量施氮与常规施氮相比，均能不同程度提高春玉米产量，差异不显著，3年均以减氮 20%增产效果最佳，再进一步增加减氮量，即减氮 40%，产量增加幅度减少，但仍高于常规施氮。80% F+TS、60% F+TS平均产量较F+TS分别增加9.9%和2.6%，差异不显著，较CK增加46.9%和37.2%，差异显著。

水分利用效率与产量变化趋势一致，秸秆还田配施不同比例氮肥在不同年份均能提高春玉米水分利用效率，其变化顺序为80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，但处理间存在一定差异，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS平均水分利用效率较F和TS分别提高了13.7%、9.0%、5.1%和26.0%、20.8%、16.5%，较CK分别提高了52.4%、46.1%、40.8%。而对秸秆还田配施不同比例氮肥的80% F+TS、60% F+TS 来说，减氮均能提高不同年份水分利用效率，以减氮20%处理水分利用效率变化最为明显，其次为减氮40%，均高于常规施氮处理，但同一年份处理间差异不显著，其中80% F+TS、60% F+TS平均水分利用效率较F+TS分别提高了8.2%和3.7%。

2.2 不同处理玉米产量构成变化

结果显示(表2)：产量构成中穗粒数不同年份均表现为秸秆还田配施不同比例氮肥高于秸秆(TS)和氮肥 (F)单施处理，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS平均穗粒数较F和TS分别增加了8.4%、4.9%、2.4%和12.6%、8.9%、6.3%，较CK提高了20.5%、16.5%、13.7%，而秸秆还田与不同比例氮肥配施较常规施氮均不同程度增加了穗粒数，相同年份差异不显著，其中80% F+TS、60% F+TS平均穗粒数较F+TS分别提高了5.9%、2.4%。百粒重处理间变化不明显，从平均值来看，其变化顺序为80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，其中80% F+TS和60% F+TS较 F+TS、F、TS、CK分别增加了2.9%、3.5%、9.1%、10.6%和1.6%、2.2%、7.8%、9.2%，而80% F+TS较60% F+TS增加了1.3%。

表2 不同处理玉米产量性状及水分利用效率变化Table 2 Change of maize yield component and water use efficiency in different treatments

注：同列不同小写字母表示在5%水平差异显著,下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level， the same below.

2.3 不同生育期0～2 m土层土壤贮水量变化

不同处理0～2 m土层土壤贮水量在玉米抽雄期和收获期差异显著，其他生育期差异不显著(表3)。玉米生育前期(播种至苗期) 秸秆还田与覆膜的双重保墒效应可有效改善0～2 m土层土壤贮水量，秸秆还田较氮肥单施(F)土壤贮水量增幅为1.0%～3.0%，较CK增幅为2.5%～4.7%。玉米进入拔节期后，耗水量逐渐增加，表现为各处理土壤贮水量均有所下降，秸秆还田表现出明显的蓄水保墒效应，较F处理增幅为1.5%～7.7%。抽雄期土壤贮水量的增加与阶段降水量(拔节至抽雄降水309.4 mm)有关，仍然表现为秸秆还田处理具有较高的土壤贮水量。灌浆期是玉米籽粒形态建成的关键时期，也是耗水量最大时期，此时表现为秸秆还田与减氮20%和40%处理土壤贮水量低于常规施氮，差异不显著，为80% F+TS、60% F+TS较F+TS土壤贮水量分别降低0.9%、3.5%。收获期降水补充及灌浆后期玉米耗水量的减少，使各处理土壤贮水量得到恢复，差异显著，其中80% F+TS 处理土壤贮水量显著低于其他处理，较 60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分别减少了0.8%、4.1%、5.5%和6.4%，其次为60% F+TS处理，较F+TS、F、TS、CK分别减少了3.3%、4.8%、5.7%和10.6%，土壤贮水量的降低与产量增加有关。

表3 不同生育时期0～2 m土层土壤贮水量变化(2018 年)Table 3 Change of soil water storage of 0-2 m soil layer in different duration period (2018) (mm)

2.4 不同处理玉米干物质积累变化

图1 不同生育时期平均干物质积累动态Fig.1 Dynamic of average dry-matter accumulation of different growing stage

从不同生育时期单株干物质3年平均积累量来看(图1)，其变化顺序为 80% F+TS>60% F+TS>F+TS>F>TS>CK，其中80% F+TS处理苗期干物质积累较其他处理增幅为31.1%～147.1%，拔节期为22.8%～123.6%，抽雄期为9.8%～68.5%，灌浆期为9.8%～68.5%，收获期为8.2%～65.2%；60%F+TS苗期增幅为5.1%～88.5%，拔节期为5.5%～82.1%，抽雄期为6.8%～53.5%，灌浆期为3.4%～44.0%，收获期为6.0%～52.7%。

2.5 不同处理玉米拔节期生理生态指标变化

由表4可知，秸秆还田与不同比例氮肥配施较秸秆(TS)或氮肥(F)单独施用能明显增加春玉米拔节期净光合速率，与CK差异显著，其中80% F+TS、60% F+TS、F+TS较 F和TS 分别提高了20.5%、8.4%、4.8%和28.0%、17.1%、13.8%，较CK分别提高了140.1%、108.5%和100.6%。而秸秆还田与不同氮肥配施处理间变化顺序为80% F+TS>60% F+TS>F+TS，差异不显著。其中80% F+TS较60% F+TS、F+TS分别增加了15.2%、19.7%，60% F+TS较F+TS增加了3.9%。气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均表现为秸秆还田配施不同比例氮肥处理高于F和TS，其中气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率处理80% F+TS较F和TS分别提高了82.8%、45.0%、45.0%和96.3%、45.5%、46.8%，处理60% F+TS分别提高了58.6%、23.6%、25.0%和70.4%、24.0%、26.6%，处理F+TS分别提高了31.0%、16.0%、8.8%和40.7%、16.4%、10.1%，而不同氮肥配施比例间变化顺序均为80% F+TS>60% F+TS>F+TS，其中气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率处理80% F+TS较60% F+TS和F+TS分别提高了15.2%、17.4%、16.0%和39.5%、25.0%、33.3%，处理60% F+TS较F+TS分别提高了21.0%、6.5%、14.9%。叶片叶绿素相对含量(SPAD)秸秆还田配施不同比例氮肥处理间差异不显著，以80% F+TS处理最高，较60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分别提高了5.8%、7.2%、8.7%、21.5%和22.9%，60% F+TS较F+TS、F、TS、CK分别提高了1.4%、2.8%、14.9%和16.1%。冠层温度秸秆还田配施不同比例氮肥处理间差异不显著，显著高于TS和CK，以80% F+TS最高，其次为60% F+TS，其中80% F+TS较60% F+TS、F+TS、F、TS、CK分别提高了0.1%、0.8%、1.7%、4.5%和5.1%，处理60% F+TS较F+TS、F、TS、CK分别提高了0.7%、1.6%、4.4%和4.9%。

表4 不同处理玉米拔节期生理生态指标变化(2018年)Table 4 Change of physiological and ecological indicator of jointing stage in different treatments (2018)

注：表中同列数据后对应的不同大小写字母分别表示1%和5%水平差异显著。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences at 1% and 5% level， respectively.

3 讨论

3.1 秸秆还田配施不同比例氮肥对春玉米干物质积累及生理指标的影响

光合作用是作物干物质积累的主要来源，而干物质是作物器官分化、产量形成的前提[15]。李廷亮等[16]研究认为，增施氮肥可改善作物的光合性能，促进干物质积累，但超过一定量后增产效果不明显。本研究结果表明，与F+TS相比，秸秆翻压还田与减量20%～40%氮肥配施可以提高玉米不同生育时期干物质积累量，以减氮20%效果最佳，其次为减氮40%处理。

叶片净光合速率和叶绿素相对含量(SPAD 值)是衡量作物光合作用和能力的重要指标[17]。段魏巍等[18]与高玉红等[19]研究发现，随着施氮量增加，穗位叶净光合速率(Pn)和叶绿素含量(Chl)增加。张丽丽等[20]研究认为，灌浆期内施氮量为180 kg·hm-2处理光合速率显著高于75 kg·hm-2。SPAD值可直观反映作物叶片叶绿素浓度，进而反映玉米植株氮素供应状况。李潮海等[21]研究认为，氮肥可以显著提高SPAD值。吴雅薇等[22]认为施氮可以显著提高灌浆结实期玉米叶片叶绿素含量。本研究结果发现，秸秆翻压还田与减量20%～40%氮肥配施能提高玉米拔节期叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度及SPAD值，这与已有研究结果不尽一致，原因是在陇东黄土旱塬雨养农业区，由于降水季节性分配不均，降水与需水错位，氮肥肥效的发挥受水分条件的限制，再加上秸秆还田与地膜覆盖双重蓄水保水作用，以水促肥，故表现出氮肥减施提高了春玉米光合性能和 SPAD值。

3.2 秸秆还田配施不同比例氮肥对春玉米产量的影响

众多研究表明，适当减少氮肥施用量不会对作物产量产生显著影响[23-25]。汪军等[26]指出，秸秆还田条件下合理配施氮肥能够明显改善土壤养分状况，但氮肥用量不宜过高。李锦等[27]认为，与常规施氮相比，减氮15%有一定增产效果，作物周年籽粒产量可提高7.2%，且30%减氮并未显著减少小麦(Triticumaestivum)和玉米籽粒产量以及小麦秸秆产量。而李恩尧等[28]认为，氮磷常规施肥减量20%范围内对玉米产量无显著影响，但减量30%表现减产。而对于季节性多变降水不能预测的陇东黄土旱塬，氮肥肥效的发挥一定程度上受到水分条件的限制，氮肥的过量施用必然加剧氮素损失，在保证作物需肥的基础上，适量减少氮肥用量可以降低氮肥损失。秸秆还田可以提高土壤有机质含量，增加土壤保水保肥性。本研究3年结果表明，秸秆翻压还田与减量20%～40%氮肥配施表现出不同程度的增产，平均产量较常规施氮增幅在2.6%～9.9%，但在减氮20%的基础上再进一步增加减氮量，即减氮40%，产量增加幅度减小，但仍高于常规施氮处理，产量增加是通过提高产量构成中的穗粒数和百粒重来实现的。原因可能是秸秆含有丰富的营养元素，被微生物分解后可为土壤直接补充氮素，再加上秸秆显著的稳温、保水作用也有利于土壤氮素的积累。

3.3 秸秆还田配施不同比例氮肥对春玉米水分利用特性的影响

国内对秸秆直接还田或者作为旱地覆盖保水的主要措施使用已有多年研究历史，积累了大量的资料和研究成果。对于西北旱地春玉米生产的重要挑战是通过科学的管理措施来提高玉米水分利用效率，而作物增产关键在于提高土壤供水能力及水分利用效率。旱地季节性多变降水不能预测，但栽培技术能高效集雨并合理利用[29]。Tisdall 等[30]认为秸秆还田与化肥配合施用，可以调控土壤水分，达到很好的水肥耦合效果，其主要通过调整作物耗水结构来提高水分利用效率。本研究结果表明：秸秆还田与减量20%～40%氮肥配施均能不同程度提高春玉米水分利用效率，增幅为3.7%～8.2%。

张忠学等[31]认为秸秆还田对土壤剖面水分的影响范围可达2 m，但其保水效果会随土壤深度的增加而减小。张素瑜等[32]研究表明，在轻旱和适宜土壤水分条件下，秸秆粉碎翻压还田可以改善土壤水分状况，增加土壤贮水量。张哲等[33]研究认为玉米不同生育时期的土壤蓄水效果与秸秆还田配施氮素水平有密切关系。侯贤清等[34]认为，秸秆还田配施不同氮肥用量在春玉米生育前期不利于保水，而生育中后期0～100 cm土层土壤贮水量均高于秸秆还田不施氮肥处理。本研究结果显示： 与F+TS相比，秸秆还田与减量20%～40%氮肥配施能提高抽雄前土壤贮水量，抽雄后土壤贮水量逐渐下降，虽然收获期有所恢复，但仍以减氮20%～40%处理土壤贮水量显著最低，降幅为3.3%～4.1%，贮水量的高低与产量增加相关，这与侯贤清等[34]研究结论不尽一致。说明秸秆还田的保水效果应考虑降水阶段及降水量，这需要做进一步研究。

4 结论

秸秆翻压还田与减量20%～40%氮肥配施能够不同程度提高春玉米产量和水分利用效率，差异不显著，以减氮20%效果最佳，其次为减氮40%，平均产量和水分利用效率较F+TS增幅为2.6%～9.9%和3.7%～8.2%。在玉米整个生育期，与TS和F相比，秸秆还田与一定比例的氮肥配施均能提高抽雄前土壤贮水量，抽雄后土壤贮水量逐渐下降，直至收获期。同时，秸秆翻压还田与减量20%～40%氮肥配施提高了玉米全生育期干物质积累量，优化了产量构成，改善了春玉米拔节期叶片光合性能及SPAD值。因此，在陇东黄土旱塬雨养农业区，60%～80% F+TS处理即秸秆翻压还田与氮肥减量20%～40%的配施方式是该地区最佳施氮种植模式。