秸秆还田条件下不同施氮量对玉米产量及土壤养分的影响

Effects of Different Nitrogen Application Rates on Maize Yield and Soil Nutrient under Condition of Straw Returning

冷冰涛 Bingtao LENG , 宋付朋 Fupeng SONG

1 山东郯城重坊农村经济经营管理站山东临沂 276100 Rural Economy Administration Station of Chongfang Town of Tancheng County, Shandong Province, Linyi 276100, China 2 山东农业大学资源与环境学院山东泰安 271018 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai′an 271018, China

摘要：

以夏玉米为研究对象，通过田间试验研究了定量秸秆还田条件下不同施氮量在玉米上的效应，以明确定量秸秆还田和不同氮量配施对玉米生长、氮素利用率和土壤养分的影响，为秸秆还田和科学施氮提供理论和实践依据。试验结果表明：在定量秸秆6 000 kg/hm²还田条件下，能有效提高玉米穗数、穗粒数、千粒重和产量，施氮量在180.0~270.0 kg/hm²时增产效果显著，比施氮量75.0 kg/hm²和150.0 kg/hm²增产20.33%~26.15%；秸秆还田配施氮量180.0~300.0 kg/hm²，能有效提高玉米植株吸氮量、氮肥利用率并降低土壤氮素依存率，是田间试验条件下玉米种植定量秸秆6 000 kg/hm²还田的最优配施氮量范围；在秸秆还田条件下，不同施氮量可以微调玉米根区土壤酸碱度；配施氮量270.0~300.0 kg/hm²时，可有效提升土壤中全氮含量，并有效调节土壤有效磷和速效钾含量。

关键词：

秸秆还田; 施氮量; 玉米; 氮素利用率; 土壤养分;

Abstract：

Taking summer maize as research object, by field experiment a study is carried out of the effect of different nitrogen application rates under condition of quantitative straw returning on maize, in order to understand the impact of quantitative straw returning and different nitrogen application rates on maize growth, nitrogen use efficiency and soil nutrient, providing theoretical and practical basis for straw returning and scientific application of nitrogen. Experimental results show that under condition of straw returning 6 000 kg/hm², maize ears, seeds per ear, thousand seed weight and yield are increased effectively, when nitrogen application rate is 180.0~270.0 kg/hm², the yield increase effect is significant, compared with nitrogen application rate of 75.0 kg/hm² and nitrogen application rate of 150.0 kg/hm², yield increases by 20.33%~26.15%; with straw returning, nitrogen application rate of 180.0~300.0 kg/hm² can improve nitrogen absorption content of maize and nitrogen use efficiency, and decrease soil nitrogen dependency rate, under field experimental conditions, this is the optimum range of nitrogen application rate with straw returning 6 000 kg/hm² for maize planting; under straw returning condition, different nitrogen application rates can adjust finely soil acidity or alkalinity in maize root area; when the nitrogen application rate is 270.0~300.0 kg/hm², total nitrogen content in soil can be promote effectively, soil available phosphorus and available potassium content can be promoted effectively.

Keyword：

straw returning; nitrogen application rate; maize; nitrogen use efficiency; soil nutrient;

秸秆是农作物的主要副产品，也是十分宝贵的生物资源^[1]。我国秸秆主要来源于粮食作物和蔬菜，其数量巨大、来源广泛，已成为我国重要的可再生有机资源。据研究，农作物秸秆平均养分含量(质量分数，下同)为N 0.6%，P₂O₅ 0.3%，K₂O 1.0%及C 40%~50%，还含有丰富的有机质和微生物^[2]。利用作物秸秆及残茬保护土壤，可有效维持土壤耕层生态系统的稳定性、提升肥力、蓄水保墒、保持水土、节约成本^[3]。由于受“重粮食生产，轻废物利用”思想的影响，加上农村生产力水平落后和农民环保意识淡薄，我国秸秆的利用率一直不高，整体利用率不足30%，且多以传统利用方式为主^[4-5]，大部分农作物秸秆被当作废弃物焚烧或遗弃在田间地头^[6]。

我国人多地少，施用化肥已成为提高粮食单产、解决粮食需求问题的主要途径，尤其氮肥的施用，对促进现代农业生产的发展起着重要作用。研究表明，如果停止施用氮肥，全世界农作物将减产40%~50%^[7]。我国是氮肥生产和消费大国，1980年后的10年中，我国氮肥施用量增加了40.8%，占世界氮肥施用总量的30%^[8]，但随着氮肥的大量施入及氮肥利用率的不断降低，其负面效应也随之加剧。

本研究以夏玉米为研究对象，通过对比分析定量秸秆还田条件下不同施氮量对土壤理化性质及玉米产量的影响，探索秸秆还田条件下玉米生长最适宜的氮肥施用量，从而解决我国秸秆利用率低和土壤大量施氮的矛盾，为我国玉米实际生产中氮肥施用的优化管理提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试秸秆：小麦秸秆，其养分含量为N 0.39%，P₂O₅ 0.28%，K₂O 1.04%。

供试肥料：普通颗粒尿素(N 46%)，山东中化平原化工有限公司；粉末状过磷酸钙(P₂O₅ 14%)，湖北祥云(集团)化工股份有限公司；硫酸钾(K₂O 51%)，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司。

供试土壤：土壤类型为棕壤(土壤系统分类为普通简育湿润淋溶土)，pH为6.51(水土质量比=2.5 :1.0)，电导率262.33 μS/cm，有机质10.82 g/kg，全氮0.61 g/kg，有效磷57.64 mg/kg，速效钾133.71 mg/kg。

供试玉米：郑单958。

1.2 试验设计

田间试验于2013—2014年在山东农业大学资源与环境学院南校区试验基地进行。试验共设9个处理(表 1)，每个处理3次重复，共27个小区，小区面积2 m×3 m=6(m²)。所有小区随机排列，试验田周边设有保护行，各小区的播种、灌溉等田间管理均分别按照常规方式进行。

表 1

试验方案

处理	施入N量/(kg·hm^-2)		施入P₂O₅量/(kg·hm^-2)		施入K₂O量/(kg·hm^-2)
处理	秸秆N	无机肥N	秸秆P₂O₅	无机肥P₂O₅	秸秆K₂O	无机肥K₂O
CK	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
S1F0	23.4	0.0	16.8	0.0	62.4	0.0
S0F1	0.0	300.0	0.0	120.0	0.0	300.0
S1F1	23.4	300.0	16.8	103.2	62.4	237.6
S1F2	23.4	270.0	16.8	103.2	62.4	237.6
S1F3	23.4	225.0	16.8	103.2	62.4	237.6
S1F4	23.4	180.0	16.8	103.2	62.4	237.6
S1F5	23.4	150.0	16.8	103.2	62.4	237.6
S1F6	23.4	75.0	16.8	103.2	62.4	237.6

秸秆收获后自然风干，然后经植株磨碎机打碎至平均长度3~5 cm，再用旋耕犁与肥料作为基肥一次性施入耕层20 cm，最后旋耕、耙平。除空白对照(CK)外，其他各处理均一次性施入秸秆6 000 kg/hm²，带入的N，P₂O₅和K₂O分别为23.4，16.8和62.4 kg/hm²；氮肥按300.0，270.0，225.0，180.0，150.0和75.0 kg/hm²施用；P₂O₅和K₂O的施用量分别用过磷酸钙和硫酸钾补充至120.0 kg/hm²和300.0 kg/hm²。

1.3 土壤样品取样及土壤养分的测定方法

试验测定玉米苗期、拔节期、抽穗期和成熟期0~20 cm耕层土壤全氮、有效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮和pH等指标，其中：土壤全氮测定采用半微量凯氏定氮法，有效磷测定采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用1 mol/L乙酸铵(pH为7.0)浸提-火焰光度法，硝态氮以及铵态氮含量采用0.01 mol/L CaC₂浸提-AA3型流动注射分析仪测定，pH的测定采用pH计法。

收获时对玉米产量进行测定，等指标于每小区取12株，考种后将籽粒晒干，通过换算将每小区产量折算成每公顷籽粒产量。

1.4 相关指标的计算方法

氮素利用率=(施氮区植株吸氮量-不施氮区植株吸氮量)/施氮量×100%

氮素依存率=无肥区植株吸氮量/施肥区植株吸氮量×100%

1.5 统计分析

田间调查和室内测定数据采用Excel和SAS程序软件(SAS Institute，1999)进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田条件下不同施氮量对玉米产量的影响

玉米穗粒数和千粒重可以反映玉米产量的高低，秸秆还田条件下不同施氮量对玉米穗粒数、千粒重和产量的影响见表 2。

表 2

秸秆还田条件下不同施氮量对玉米穗粒数、千粒重和产量的影响

处理	亩穗数/穗	穗粒数/粒	千粒重/g	产量/ (kg·hm^-2)
CK	4 632 ab	480 cd	254 bc	8 496 c
S1F0	4 447 b	435 d	240 c	7 040 c
S0F1	4 817 ab	561 d	271 abc	10 994 ab
S1F1	4 632 ab	553 a	276 abc	10 631 ab
S1F2	4 595 ab	555 a	296 a	11 302 a
S1F3	4 706 ab	569 a	273 abc	10 961 ab
S1F4	4 780 ab	546 ab	291 ab	11 384 a
S1F5	4 484 b	488 c	275 abc	9 024 bc
S1F6	4 928 a	499 bc	247 c	9 109 bc

从表 2可看出：秸秆还田条件下不同施氮量各处理的穗粒数均大于单施秸秆和空白处理，其中S1F3处理的穗粒数最大，达到569粒，较单施化肥处理提高1.43%；秸秆还田条件下不同施氮量各处理间玉米千粒重呈现先增大后减小趋势，在秸秆配施氮量180.0~270.0 kg/hm²时玉米千粒重较大，其中S1F2处理的千粒重比单施化肥处理大9.22%，差异显著。

秸秆还田条件下不同施氮量对玉米产量产生较大影响，各处理产量大小顺序为S1F4＞S1F2＞S0F1＞S1F3＞S1F1＞S1F6＞S1F5＞CK＞S1F0。S1F4处理的产量最高，比其余各处理的产量提高了0.72%~61.70%；S1F0处理的产量稍低于CK处理，但差异性不显著。

2.2 秸秆还田条件下不同施氮量对玉米氮素利用率的影响

秸秆还田条件下不同施氮量对玉米植株吸氮量、氮素利用率以及土壤氮素依存率的影响如表 3所示。

表 3

秸秆还田条件下不同施氮量对玉米植株吸氮量、氮素利用率以及土壤氮素依存率的影响

处理	施氮量/ (kg·hm^-2)	植株吸氮量/ (kg·hm^-2)	氮素利用率/%	土壤氮素依存率/%
CK	0.0	114.21 e
S1F0	0.0	130.73 d
S0F1	300.0	191.76 a	25.84	59.56
S1F1	300.0	195.82 a	27.20	58.32
S1F2	270.0	187.33 a	27.08	60.96
S1F3	225.0	173.43 b	26.32	65.85
S1F4	180.0	162.56 c	26.86	70.75
S1F5	150.0	156.31 c	28.06	73.07
S1F6	75.0	135.78 d	28.76	84.11

由表 3可看出：秸秆还田条件下不同施氮量处理的玉米植株吸氮量均高于单施秸秆处理和空白对照，分别高出3.86%~49.79%和18.89%~71.46%，差异显著；在不同施氮量处理之间，随着施氮量的减少，植株的吸氮量也随之降低，且S1F1处理的植株吸氮量最高，比植株吸氮量最低处理的S1F6高60.04 kg/hm²，差异显著。

从表 3还可看出：秸秆还田条件下不同施氮量处理的氮素利用率均高于单施化肥处理，分别高出1.86%~11.30%；不同施氮量处理之间氮素利用率随秸秆配施氮量的减少而呈现先降低后升高的趋势，其大小顺序为S1F6＞S1F5＞S1F1＞S1F2＞S1F4＞S1F3。尽管S1F5和S1F6处理的氮素利用率较高，但由于这2个处理植株吸氮量均较低，所以不能准确反映秸秆还田条件下不同施氮量对作物吸氮、固氮的促进作用；而S1F1和S1F2处理，即秸秆配施氮量270.0~300.0 kg/hm²时，氮素利用率比单施化肥处理高4.80%~5.26%，此时玉米植株吸氮量和氮素利用率都维持在较高水平。

2.3 秸秆还田条件下不同施氮量对土壤化学性状的影响

2.3.1 对土壤pH的影响

土壤pH可以反映土壤的酸碱状况，直接影响土壤养分的有效性和存在状态，是土壤重要的化学指标之一。秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤pH普遍高于单施化肥和空白处理，且不同施氮量处理之间土壤pH在玉米不同生育期总体呈现先升高后降低的趋势(图 1)。

图 1

玉米不同生育期土壤pH

从苗期至拔节期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤pH均高于单施化肥和空白处理，分别升高0.01~0.14和0.04~0.17，比单施秸秆处理降低了0.01~0.14；不同施氮量处理之间的土壤pH差异不显著，各处理间变幅较小，仅为0.13。从抽穗期至成熟期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤pH均比单施化肥处理高0.08~0.25；与空白和单施秸秆处理相比，分别升高了0.01~0.19和0.01~0.09；不同施氮量处理之间差异不显著，最大变幅仅为0.07。

2.3.2 对土壤硝态氮含量的影响

秸秆还田条件下不同施氮量处理对土壤硝态氮含量的影响见图 2。

图 2

玉米不同生育期土壤硝态氮含量

由图 2可见，秸秆还田条件下不同施氮量对土壤硝态氮含量具有保育作用，并以高量氮肥添加量(300.0 kg/hm²)的土壤硝态氮含量最为丰富。从苗期至拔节期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤硝态氮含量均高于单施秸秆处理，高出0.87%~156.10%；不同施氮量处理的土壤硝态氮含量的变化幅度为2.31~5.86 g/kg，以S1F1处理的土壤硝态氮含量最高，为5.86 g/kg，比其他处理高出24.68%~153.68%。从抽穗期至成熟期，与单施秸秆处理相比，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤硝态氮含量高出12.30%~258.24%；S1F1处理的土壤硝态氮含量最高，比其他施氮处理高出4.19%~218.68%。

2.3.3 对土壤铵态氮含量的影响

秸秆还田条件下不同施氮量处理对土壤铵态氮含量的影响见图 3。

图 3

玉米不同生育期土壤铵态氮含量

从图 3可见：在玉米的不同生育期，秸秆还田配施氮肥的模式在一定程度上提高了土壤铵态氮含量，并以高量氮肥添加量(270.0~300.0 kg/hm²)的土壤铵态氮含量最为丰富。从苗期至拔节期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤铵态氮含量比单施秸秆处理高出55.71%~134.98%，但是低于单施化肥处理18.58%~46.05%；不同施氮量处理的土壤铵态氮含量变化幅度为3.53~5.33 mg/kg，S1F1处理的土壤铵态氮含量最高，为5.33mg/kg，比其他施氮处理高出3.69%~50.99%。从抽穗期至成熟期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤铵态氮含量比单施秸秆处理高出41.16%~163.92%，但比单施化肥处理低8.56%~51.09%；不同施氮量处理的土壤铵态氮含量变化幅度为3.20~5.98 mg/kg，以S1F1处理的土壤铵态氮含量最高，比其他施氮处理高6.22%~86.88%。

2.3.4 对土壤有效磷含量的影响

在秸秆还田条件下，不同施氮量处理对玉米不同生育期土壤有效磷含量的影响不同(图 4)，以苗期和拔节期差异较大。在苗期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤有效磷含量比单施秸秆处理高55.35%~92.82%；不同施氮量处理之间土壤有效磷含量差异不显著，以S1F1处理的土壤有效磷含量最高，达38.99 mg/kg，比其他施氮处理高9.77%~24.13%。在拔节期，秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤有效磷含量比单施秸秆处理高57.65%~77.43%；不同施氮量处理的土壤有效磷含量变动范围在31.88~35.88 mg/kg，以S1F3处理的有效磷含量最高，达35.88 mg/kg，比其他施氮处理高9.77%~24.13%。

图 4

玉米不同生育期土壤有效磷含量

在秸秆还田条件下，不同施氮量处理较单施秸秆处理可以提高土壤有效磷含量，且随着氮肥施用量的减少，土壤有效磷的含量也逐渐降低。S1F1处理的土壤有效磷含量在玉米各个生育期均最大，说明秸秆还田条件下的氮肥施用量为300.0 kg/hm²时，最有利于土壤中有效磷的积累。其原因可能是秸秆配施高量氮肥可以促进土壤中微生物的活动，加快土壤秸秆的腐熟，从而提高土壤中有效磷含量。

2.3.5 对土壤速效钾含量的影响

秸秆还田条件下不同施氮量处理的土壤速效钾含量均低于单施化肥处理(图 5)。在玉米整个生育期中，前期土壤速效钾含量较高，随着玉米的生长发育，土壤速效钾含量逐渐降低，只有S1F2和S1F3处理可以将土壤速效钾含量维持在较高水平。其原因可能是秸秆配施高量氮肥可以促进玉米根系生长发育，提高玉米根系对土壤中速效钾的吸收能力。

图 5

玉米不同生育期土壤速效钾含量

3 结语

(1) 在6 000 kg/hm²秸秆还田的条件下，不同施氮量处理均可以提高玉米产量，并能有效提高玉米穗数、穗粒数、千粒重和产量；施氮量180.0~270.0 kg/hm²处理的增产效果显著，比施氮量为75.0 kg/hm²和150.0 kg/hm²处理增产20.33%~26.15%。

(2) 在秸秆还田条件下，配施氮量为180.0~300.0 kg/hm²时，玉米植株吸氮量和氮肥利用率均保持在较高水平，是定量秸秆6 000 kg/hm²还田最佳配施氮量范围。

(3) 在秸秆还田的条件下，不同施氮量可以微调玉米根区土壤的酸碱度；配施氮量270.0~300.0 kg/hm²时，可有效提升土壤中全氮、硝态氮和铵态氮含量，并有效调节土壤有效磷和速效钾含量。

ckwx 参考文献

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