秸秆还田条件下氮肥前移对玉米产量及土壤养分的影响
高日平 赵沛义 韩云飞 刘小月 杜二小 高宇 任永峰 李焕春 张鹏 梁广荣
摘要 ? ?針对黄土高原地区秸秆还田氮肥施用不合理这一实际问题，于2019年在内蒙古清水河县进行秸秆还田与氮肥运筹小区试验，探究氮肥习惯施用（FN）、氮肥习惯施用配合秸秆还田（FNS）、氮肥高量施用配合秸秆还田（HNS）、氮肥后肥前移施用（RN）、氮肥后肥前移施用配合秸秆还田（RNS）下土壤养分及玉米产量变化规律。结果表明，秸秆还田结合氮肥施用提高了土壤有机质含量，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量显著增加，尤以氮肥后肥前移施用配合秸秆还田和氮肥高量施用配合秸秆还田提升效果最佳;在产量方面，秸秆不还田条件下，氮肥后肥前移施用较氮肥习惯施用有所下降，但未达到显著差异水平，秸秆还田处理氮肥习惯施用配合秸秆还田、氮肥高量施用配合秸秆还田、氮肥后肥前移施用配合秸秆还田较对照氮肥习惯施用籽粒产量分别提高5.30%、10.93%、11.41%，茎秆产量分别提高8.89%、14.16%、10.91%，以氮肥后肥前移施用配合秸秆还田处理氮肥偏生产力最高。由此说明，秸秆还田结合氮肥施用可培肥土壤和提高作物产量，氮肥后肥前移配合秸秆还田措施效果最好，可作为一种节本增产增效栽培技术模式在内蒙古黄土高原推广应用。
关键词 ? ?玉米;秸秆还田;氮肥前移;土壤养分;产量
中图分类号 ? ?S513;S318 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A
文章编号 ? 1007-5739（2020）19-0001-05
Effect ?of ?Forward ?Application ?of ?Nitrogen ?Fertilizer ?on ?Corn ?Yield ?and ?Soil ?Nutrient ?Under ?Straw ?Returning ?Condition
GAO Riping 1， 2， 3， 4 ? ?ZHAO Peiyi 1， 2， 3， 4 * ? ?HAN Yunfei 1， 2， 3， 4 ? ?LIU Xiaoyue 1， 2， 3， 4 ? ?DU Erxiao 1， 2， 3， 4 ? ?GAO Yu 2， 3， 4
REN Yongfeng 2， 3， 4 ? ?LI Huanchun 2， 3， 4 ? ?ZHANG Peng 2， 3， 4 ? ?LIANG Guangrong 5
（1 School of Agriculture， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot Inner Mongolia 010019; 2 Institute of Resources， Environment and Testing Technology， Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences， Inner Mongolia， Hohhot Inner Mongolia 010031; 3 Key Laboratory of Dry Farming， Inner Mongolia， Hohhot Inner Mongolia 010031; 4 Inner Mongolia Cultivated Land Conservation Science Observation and Experiment Station， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hohhot Inner Mongolia 011705; 5 Qingshuihe County Bureau of Agriculture， Animal Husbandry and Science and Technology， Qingshuihe Inner Mongolia 011600）
Abstract ? ?In view of the practical problem of unreasonable application of nitrogen fertilizer for straw returning to the field in the Loess Plateau， a plot experiment on straw returning and nitrogen fertilizer operation was carried out in Qingshuihe County， Inner Mongolia in 2019. The purpose of this study was to explore the changes of soil nutrients and cron yield under the habitual application of nitrogen fertilizer （FN）， the habitual application of nitrogen fertilizer combined with straw returning （FNS）， the high amount of nitrogen fertilizer combined with straw returning （HNS）， the forward application of nitrogen fertilizer after nitrogen application （RN）， and the forward application of nitrogen fertilizer combined with straw returning （RNS）. The results showed that straw returning combined with nitrogen fertilizer increased the content of soil organic matter， soil available nitrogen， available phosphorus and available potassium significantly， especially in the treatments of RNS and HNS. In terms of yield， under the condition of no straw returning to the field， the former application of RN after nitrogen fertilizer decreased compared with the habitual application of nitrogen fertilizer FN， but did not reach the level of significant difference. Compared with the control FN， the grain yield of straw returning treatments of FNS， HNS and RNS increased by 5.30%， 10.93%， 11.41%， and the stem yield increased by 8.55%， 13.80%， 10.55% respectively. The nitrogen partial productivity of RNS treatment was the highest. It indicated that straw returning combined with nitrogen fertilizer could fertilize the soil and increase crop yield， and the effect of nitrogen fertilizer moving forward combined with straw returning was the best， which could be popularized and applied as a cost-saving， yield-increasing and efficiency-increasing cultivation model in the Loess Plateau of Inner Mongolia.
Keywords ? ?corn; straw returning; forward application of nitrogen fertilizer; soil nutrient; yield
秸秆作为能量和养分的载体，富含多种营养源和有机物质[1-4]，但我国秸秆高产低用，焚烧和废弃率较高[5]，造成资源浪费和环境污染。农业农村部《2020年农业农村绿色发展工作要点》明确指出，要全面持续推进秸秆综合利用，提升农作物秸秆科学利用水平。秸秆直接还田作为秸秆资源化利用的最直接有效途径，可提高耕层土壤肥力[6-9]和改善土壤状况[10-12]，被大量推广应用。
氮是作物生长发育不可或缺的营养元素[13-14]，被称为“生命元素”，是影响作物产量提高和生理过程的首要因素[15]。氮肥的不合理施用会对作物生长造成负面影响，导致氮肥利用率和氮素利用率降低[16]，甚至造成作物减产和环境污染[17]。有研究表明，秸秆还田需额外增施氮肥，玉米田需多增施尿素75～150 kg/hm2，避免秸秆分解过程中土壤微生物与作物争夺氮素，造成作物前期缺氮[18]。
玉米作为内蒙古黄土高原地区主栽作物[19]，在氮肥施用方面重施追肥和后肥[20]，常以1/3的氮肥基施，剩余2/3氮肥于拔节期至孕穗期追施，但秸秆还田条件下，田间实际生产若依照传统氮肥后移和秸秆还田前期补氮进行氮肥管理，氮肥过剩导致秸秆还田的玉米田往往会出现玉米贪青晚熟的现象。前人学者研究表明，作物中后期土壤中秸秆经微生物分解开始缓慢释放氮素，可供给植物吸收利用[21]。秸秆还田不增加氮肥投入，如何调整和优化氮肥施用，利用前期多施用的氮素减少后期氮肥投入具有重要的现实意义。鉴于此，本研究在内蒙古清水河县玉米种植区开展秸秆还田条件下的氮肥运筹试验，探究秸秆还田条件下不同氮肥施用量和施用比例对土壤养分和玉米产量的影响，以期为该区域玉米秸秆还田下合理施氮制度和高效秸秆还田技术研发提供参考。
1 ? ?材料与方法
1.1 ? ?试验地概况
秸秆还田开始于2016年10月上旬，本试验于2019年5月10日至10月1日在内蒙古清水河县农牧和科技局良种场试验田进行。试验地是典型的黄土高原沟壑区，旱坡地占90%以上，属中温带半干旱大陆性季风气候;降雨量365 mm，蒸发量2 577 mm，无霜期140 d，年平均气温7.1 ℃。试验前采集0～40 cm土层土样测定土壤肥力指标，其结果为有机质含量10.45 g/kg、全氮含量0.58 g/kg、全磷含量1.15 g/kg、全钾含量24.50 g/kg、碱解氮含量35.10 mg/kg、有效磷含量16.52 mg/kg、速效钾含量102.60 mg/kg，pH值7.87，属低等肥力水平。
1.2 ? ?试验设计
据调查，当地农户习惯施肥一般氮、磷、钾肥施用量分别为225、150、75 kg/hm2，施用方法为部分氮肥和全部磷钾肥基施，剩余氮肥于拔节期至孕穗期追施，追施比例为1∶2。根据前人研究结果，播种前（基施）、大喇叭口期为玉米最佳施氮时期，在此基础上，试验共设置5个处理，分别为氮肥习惯施用（FN）、氮肥习惯施用配合秸秆还田（FNS）、氮肥高量施用配合秸秆还田（HNS）、氮肥后肥前移施用（RN）、氮肥后肥前移施用配合秸秆还田（RNS），其中以氮肥习惯施用（FN）为对照（CK）。每个处理设置3次重复，随机区组排列，各处理小区面积均为96 m2（12 m×8 m）。
1.3 ? ?试验实施
玉米进入完熟期后，采用大型玉米收获机进行收获，同时将玉米秸秆粉碎（长度为3～5 cm），并均匀抛撒于田间;采用液压旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度为20～30 cm，可将秸秆翻埋至10～20 cm土层，并进行耙平，达到土壤深、松、平、碎、墒的状态。玉米秸秆还田带入养分折算为纯N 39.12～45.36 kg/hm2、P2O5 5.4～6.8 kg/hm2、K2O 26.85～29.47 kg/hm2，还田量参考本地往年试验结果[4-5]，一般为6 000 kg/hm2。
供试玉米品种为当地主栽品种种星618，2019年5月上旬播种，10月下旬收获。播种方式为全覆膜双垄沟播种植，小行距40 cm，大行距70 cm，株距30 cm，种植密度为5.25万株/hm2。氮肥习惯施用为基肥∶大喇叭口肥=1∶2，氮肥后肥前移施用为基肥∶大喇叭口肥=1∶1。基肥均匀抛撒于田间，春季播种前随旋耕整地施入;大喇叭口肥用小型施肥罐随灌水追入。处理HNS尿素（纯N）施用量为270 kg/hm2，其余4个处理尿素（纯N）施用量为225 kg/hm2。所有处理均施过磷酸钙（P2O5 150 kg/hm2）和硫酸钾（K2O 75 kg/hm2），一次性底施。各处理其他田间管理方式均一致，并与当地农事习惯相符。
1.4 ? ?測定内容及方法
1.4.1 ? ?土壤养分测定。玉米收获后采集土壤样品，每个小区采用五点取样法，取0～40 cm土层土样，分为0～20 cm和20～40 cm 2个土层，去除杂质，分别装入灭菌自封袋混匀后带回实验室。自然风干过1 mm筛，用于测定土壤有机质和养分。油浴加热-重铬酸钾法测定土壤有机质含量，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤有效磷采用0.5 mo1/L NaHCO3浸提、钼锑抗吸光光度法测定，土壤速效钾采用火焰光度法测定[22]。
1.4.2 ? ?玉米产量测定。每小区随机选10 m双行进行产量测定，籽粒产量和茎秆产量均按照14%含水率进行折算。
1.4.3 ? ?氮肥偏生产力测定。计算公式为：
PFPN=Y/FN
其中，PFPN为氮肥偏生产力（kg/kg），Y為作物产量（kg/hm2），FN为氮肥施用量（kg/hm2）。
1.5 ? ?数据处理
试验数据采用Microsoft Excel 2016进行处理和绘制统计图表，选用SPSS 25.0数据处理系统进行显著性分析。
2 ? ?结果与分析
2.1 ? ?秸秆还田与氮肥运筹对土壤养分含量的影响
土壤有机质是植物所需各种有机、无机养分的源泉，往往用其含量的多少来衡量土壤肥力的高低。玉米秸秆作为一种高碳有机物质，还田后可为土壤供给有机物质。由图1可知，0～20 cm土层有机质含量变化范围为10.452～10.584 g/kg，20～40 cm土层有机质含量变化范围为9.352～9.461 g/kg，其中处理FNS、HNS、RNS土壤有机质0～20 cm土层含量较处理FN（CK）分别提高0.574%、1.148%和1.263%，20～40 cm土层分别较处理FN（CK）提高0.599%、1.080%和1.122%，秸秆还田与不还田处理间均表现为不显著，但秸秆还田处理土壤有机质有增长趋势，总体表现大于不还田处理。秸秆还田可增加0～40 cm土层有机质含量，改良耕层土壤结构，尤以秸秆还田条件下氮肥后肥前移处理土壤有机质含量提升幅度最大。
土壤碱解氮可有效反映土壤中某一阶段氮素变化特征，是评价土壤肥力的重要指标之一。由图2可知，秸秆还田结合氮肥施用可显著提高0～40 cm土层土壤碱解氮含量，且0～20 cm土层碱解氮含量高于20～40 cm土层，处理RN与处理FN（CK）之间无明显差异，但处理FNS、HNS、RNS与处理FN（CK）差异显著，其中处理FNS、HNS、RNS土壤碱解氮0～20 cm和20～40 cm土层含量相较于处理FN（CK）分别提高12.42%、25.23%、20.58%和10.95%、24.69%、19.06%，0～40 cm各处理碱解氮含量表现为处理HNS>处理RNS>处理FNS>处理FN（CK）>处理RN。
土壤有效磷的丰缺及供给状况直接影响作物生长发育。由图3可知，各处理土壤有效磷含量0～20 cm土层高于20～40 cm土层，处理FN（CK）与处理RN间无明显差异，处理FNS、HNS、RNS间差异也不显著，总体表现为秸秆还田>秸秆不还田。其中，处理FNS、HNS、RNS土壤有效磷0～20 cm土层含量较处理FN（CK）分别提高3.31%、4.27%、4.64%，20～40 cm土层较处理FN（CK）分别提高5.85%、6.13%、5.92%。
土壤速效钾含量高低直接影响着植物的钾素营养，秸秆还田措施对土壤钾的供应和活化有一定作用。由图4可知，秸秆还田可显著提高0～40 cm土层土壤速效钾含量，且0～20 cm土层高于20～40 cm土层。其中，处理FNS、HNS、RNS土壤速效钾0～20 cm土层含量较处理FN（CK）分别提高6.57%、15.12%、16.54%，20～40 cm土层较处理FN（CK）分别提高6.34%、10.99%、14.17%;处理RN与处理FN（CK）之间无明显差异。秸秆还田配施氮肥相较于单施氮肥可提高土壤速效钾含量，在秸秆还田条件下，氮肥后肥前移处理优于氮肥习惯施用处理。
2.2 ? ?秸秆还田与氮肥运筹对玉米产量及氮肥偏生产力的影响
作物产量是土壤生产力的综合反映。由表1可知，各处理籽粒产量表现为处理RNS>处理HNS>处理FNS>处理FN（CK）>处理RN，茎秆产量表现为处理HNS>处理RNS>处理FNS>处理RN>处理FN（CK），产量总体表现为秸秆还田>秸秆不还田。其中，秸秆还田处理FNS、HNS、RNS玉米籽粒产量相较于不还田处理FN（CK）分别提高5.30%、10.93%、11.41%，茎秆产量较处理FN（CK）分别提高8.89%、14.16%、10.91%，秸秆还田结合氮肥相较于单施氮肥玉米产量显著提高（P<0.05）。
各处理氮肥偏生产力表现为处理RNS>处理FNS>处理FN（CK）>处理RN>处理HNS，以处理RNS氮肥偏生产力最高，高氮量的投入降低了氮肥偏生产力。综上所述，秸秆还田条件下氮肥后肥前移施用可以优于氮肥习惯施用水平，且可以达到氮肥高量施用水平，满足玉米高产稳产的生产要求。
3 ? ?结论与讨论
关于秸秆还田配施氮肥培肥增产方面前人做了大量研究，李 ?玮等[23]研究表明，玉米秸秆还田结合氮肥可增加土壤氮素积累，提高土壤养分;汪 ?军等[24]研究认为，秸秆还田配施氮肥可提高土壤养分和有机质含量，提升效果与氮肥施用量有关，速效氮、磷、钾养分含量变化最显著;张维乐等[25]在14个地区3种不同作物上研究认为，秸秆还田与氮肥运筹可增加耕层土壤养分，且秸秆还田条件下进行氮肥后肥前移作物不减产，大部分试验区实现增产。
本研究结果表明，秸秆还田结合氮肥施用较单一氮肥施用土壤有机质和养分含量增加，这可能是由于化肥和秸秆还田配合明显降低了化肥对微生物的抑制作用，增强了微生物的生命活动，有利于养分的转化和有机质的分解，从而提高了土壤养分含量。秸秆还田条件下增加氮肥投入和氮肥后肥前移处理土壤有机质、碱解氮较氮肥习惯施用提升效果更明显，可能是秸秆作为一种外源有机物质还田后，通过前期额外补氮和氮素前移，增加了作物前期土壤氮素供应，刺激了秸秆周围的微生物大量繁殖，形成土壤微生物活动层，加速了秸秆中有机态养分的分解释放，从而提高了土壤有机质和碱解氮含量。
土壤有效磷和速效钾含量取决于其初始分布和外源施入，秸秆中磷、钾含量较高，还田腐解后可释放磷素和钾素，補充土壤中磷、钾含量，本试验各处理有效磷和速效钾变化规律与碱解氮规律一致，以氮肥高量施用配合秸秆还田和氮肥后肥前移施用配合秸秆还田处理含量较高，可能是氮肥对秸秆初期腐解速率的影响较大，加速秸秆中一些可溶性物质以及氨基酸的分解，提高了秸秆腐解速率，增加了秸秆中磷、钾元素的释放。另外，本研究发现，0～20 cm土层有机质和碱解氮含量高于20～40 cm土层，即秸秆还田增加的土壤有机质主要向土壤表层聚集，可能是土壤中作物常年残留根茬更多集中于0～20 cm土层，增加了土壤中腐殖质含量，表层碳、氮含量得到一定提升。
秸秆还田条件下氮肥后肥前移处理玉米产量可以达到或优于氮肥习惯配施水平，氮肥偏生产力最高，可能是通过后肥前移，增补了秸秆前期腐解所需的氮素供应，平衡了作物与秸秆之间的碳、氮收支，秸秆在微生物代谢作用下释放养分，可弥补作物生育后期氮素需求，提高了氮素利用率和增加了作物产量。
秸秆还田结合氮肥施用较单一氮肥施用提高了0～40 cm土层土壤养分含量，0～20 cm土层养分含量大于20～40 cm土层，总体表现为秸秆还田优于秸秆不还田，尤以秸秆还田结合氮肥后肥前移施用处理提升效果最好。在产量方面和氮肥利用率方面，秸秆还田可提高玉米籽粒产量和茎秆产量，氮肥后肥前移施用配合秸秆还田处理玉米产量优于氮肥习惯施用配合秸秆还田处理，且可以达到氮肥高量施用配合秸秆还田处理水平，氮肥后肥前移施用处理较氮肥高量施用处理可获得较高的氮肥偏生产力，减少氮素投入，提高肥料利用率，满足玉米稳产高产的要求。本试验在一定程度上模糊了不同玉米品种间氮效率的差异，有必要进一步开展不同试验点及不同品种间或不同作物的氮肥运筹试验，从而提高氮肥后肥前移的区域适应性，进一步指导生产。
4 ? ?参考文献
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基金项目 ? 内蒙古科技重大专项（2020ZD0005）;国家重点研发计划课题（2018YFD0800806）;内蒙古农牧业创新基金项目（CXJJ2017N12）;呼和浩特市科技计划项目（2019-农-7）。
作者简介 ? 高日平（1995—），男，内蒙古乌兰察布人，在读硕士研究生，从事旱地作物栽培与生理生态研究工作。
通信作者
收稿日期 ? 2020-06-03
