李 仟， 關(guān)小康， 楊明達(dá)， 王同朝， 劉春堂， 白田田， 張鵬鈺， 衛(wèi) 麗

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 3.河南省?？h豐黎種業(yè)有限公司，河南 鶴壁456250)

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不同秸稈還田處理對(duì)麥玉兩熟制作物產(chǎn)量及氮素利用的影響

李 仟1,2， 關(guān)小康1， 楊明達(dá)1， 王同朝1， 劉春堂3， 白田田1， 張鵬鈺1， 衛(wèi) 麗1,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 3.河南省浚縣豐黎種業(yè)有限公司，河南 鶴壁456250)

采用大田試驗(yàn)，設(shè)置秸稈還田+常規(guī)施肥(T1)、秸稈還田+有機(jī)肥(T2)、秸稈還田+HM(菌種)還田劑(T3)和秸稈還田不施肥(對(duì)照,T0)4個(gè)處理，探討不同秸稈還田處理對(duì)氮素利用和麥玉兩熟作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照相比，秸稈還田配施不同肥料或還田劑使冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別提高了37.7%～57.2%，33.0%～41.4%，其中T2和T3處理的增產(chǎn)效果更為顯著。T3處理冬小麥的千粒重顯著低于T2處理，但兩者其他產(chǎn)量構(gòu)成要素、產(chǎn)量及生物量的差異均不顯著。與單施化肥(T1)相比，秸稈還田配施腐熟劑(T3)或有機(jī)肥(T2)處理氮素收獲指數(shù)、氮肥生理利用率和氮肥偏生產(chǎn)力在冬小麥季分別提高了1.0%～2.3%，8.2%～24.3%，8.3%～14.2%；在夏玉米季則分別提高了2.6%～3.3%，22.2%～39.0%，4.9%～5.1%。對(duì)周年氮素平衡來說，對(duì)照處理表現(xiàn)為氮素虧缺，T1，T2和T3處理均表現(xiàn)為氮素盈余；且同一氮素水平下，T3和T2處理比T1處理氮輸出量分別增加了11.4%，14.7%。T3處理在秸稈還田配施肥料的基礎(chǔ)上可以達(dá)到T2處理同樣的增產(chǎn)效果；T3和T2處理可以明顯提高作物氮素利用效果；從周年氮素平衡角度來說，在秸稈全量還田的基礎(chǔ)上可以減少氮肥的施用量。

秸稈還田；有機(jī)肥；腐熟劑；產(chǎn)量；氮素利用效率；氮平衡

河南省是重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，冬小麥-夏玉米兩熟周年復(fù)種是其重要的耕作制度。作物秸稈作為重要的有機(jī)肥資源，科學(xué)合理還田一方面可以解決秸稈富足難以處理的問題，可以避免秸稈焚燒或堆積造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，另一方面，秸稈施入土壤后可以改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤微生物的含量，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和礦質(zhì)養(yǎng)分含量，起到培肥地力的作用，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有益，可以提高作物產(chǎn)量并改善品質(zhì)，并且秸稈還田與有機(jī)肥或化肥配施的增產(chǎn)效果更為顯著[1,2]。但是秸稈腐解過程緩慢，并且在腐解過程中微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)氮，影響作物生長(zhǎng)是影響秸稈還田技術(shù)快速推廣的重要原因。如何使秸稈快速腐解，使其無害化、資源化，是研究推廣及應(yīng)用秸稈還田技術(shù)的關(guān)鍵。秸稈腐解劑中的功能微生物可以在秸稈腐解過程中分泌大量分解纖維素、木質(zhì)素等的酶，能在較短時(shí)間內(nèi)將作物秸稈腐解成有機(jī)肥，減少秸稈腐解過程帶來的不利影響。秸稈還田可以加速秸稈腐解進(jìn)程、提高土壤微生物活性、改善土壤養(yǎng)分狀況和增加作物產(chǎn)量[3,4]；秸稈還田配施肥料也可以提高作物氮素利用效率，減少土壤硝態(tài)氮?dú)埩鬧5,6]。但目前的研究大多集中在秸稈還田對(duì)土壤物理性狀、微生物酶活性及作物產(chǎn)量效應(yīng)上，而對(duì)作物氮素利用和周年農(nóng)田氮素平衡的報(bào)道較少。為此，本試驗(yàn)將秸稈還田結(jié)合還田劑及不同的肥料對(duì)冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量及作物氮素利用效率進(jìn)行了研究，旨在為推廣合理的秸稈還田技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年10月—2014年10月在河南省鶴壁市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行。前茬夏玉米收獲后，秸稈全量還田。供試土壤為黏質(zhì)潮土，試驗(yàn)開始前供試土壤農(nóng)化性狀見表1。

表1 供試土壤的理化性狀Table 1 The soil physical and chemical properties of experiment site

1.2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)及種植管理

試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在秸稈全量還田的基礎(chǔ)上設(shè)置常規(guī)施肥(T1)；常規(guī)施肥+有機(jī)肥(T2)；常規(guī)施肥+HM(菌種)腐解劑(T3)；以不施肥(T0)作為對(duì)照，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積66.7 m2。其中有機(jī)肥為阿維精有機(jī)肥225 kg·hm-2(養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)：N，P，K>4%，有機(jī)質(zhì)>30%，阿維菌素藥渣>60%，生化黃腐酸鉀>10%，菌絲體蛋白>10%；生產(chǎn)廠家為河北天道德美農(nóng)業(yè)科技有限公司)，在冬小麥播前均勻撒施到地表，夏玉米苗期撒施到地表；HM(菌種)腐熟劑30 kg·hm-2(主要以有機(jī)物料為載體，有纖維素降解菌、半纖維素降解菌、木質(zhì)素降解菌等有益復(fù)合菌種組成；生產(chǎn)廠家為河南省恒隆態(tài)生物工程股份有限公司)，與4倍細(xì)土攪拌均勻后，冬小麥播前隨犁耕翻入耕層內(nèi)，夏玉米苗期直接撒施到作物秸稈上。

冬小麥供試品種為西農(nóng)979，夏玉米品種為鄭單958。冬小麥于2013-10-23播種，播種量為210 kg·hm-2，行距為20 cm。田間夏玉米秸稈粉碎后(長(zhǎng)度3～7 cm)全量(約7 000 kg·hm-2)還田，隨耕地翻埋(深度25～30 cm)地下。冬小麥生育期施純氮量為300 kg·hm-2，翻地時(shí)施用氮肥總量(復(fù)合肥N-P2O5-K2O：14-14-15)的70%于整地、劃小區(qū)后施入；30%(尿素，含氮量46%)于冬小麥拔節(jié)期結(jié)合澆水施入，秸稈粉碎覆蓋于地面。夏玉米于2014-06-17播種，種植密度為67 500 株·hm-2。夏玉米季施純氮量為300 kg·hm-2，其中30%在5葉期施入(復(fù)合肥N-P2O5-K2O：14-14-15)；70%于大喇叭口期追施(尿素，含氮量46%)。冬小麥生長(zhǎng)期間，地表滴灌3次，每次600 m3·hm-2；在夏玉米生育期內(nèi)，地表滴灌4次，每次900 m3·hm-2，其他管理與大田一致。

1.3 測(cè)量指標(biāo)和方法

冬小麥?zhǔn)斋@期每小區(qū)取長(zhǎng)勢(shì)均勻的2 m2樣方，收獲脫粒后曬干計(jì)產(chǎn)(子粒產(chǎn)量以13%水分計(jì))；夏玉米在成熟期取小區(qū)中間兩行長(zhǎng)勢(shì)均勻的20株樣品，脫粒曬干(子粒含水率13%)計(jì)產(chǎn)。在冬小麥夏玉米收獲期取樣，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，樣品粉碎后混合均勻，采用濃H2SO4-H2O2法消煮提取，全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3，BRAN-LuEBBE,德國(guó))測(cè)定植株和子粒樣品的全氮。

1.4 氮平衡計(jì)算方法及相關(guān)公式

氮平衡量=氮收入-氮支出=A-B=(A1+A2+A3+A4+A5)-(B1+B2)

A：氮收入；A1：氮肥量是冬小麥-夏玉米施用氮肥的總和；A2：(夏玉米)秸稈還田是指種植冬小麥時(shí)上茬夏玉米秸稈還田，其帶入氮量為夏玉米秸稈還田量7 000 kg·hm-2，秸稈含氮0.65%，7 500×0.65%=48.75(kg·hm-2)； A3：灌溉水帶入氮量，試驗(yàn)點(diǎn)周年灌水為360 m3，魯如坤等[7]在河南封丘長(zhǎng)期觀測(cè)認(rèn)為，全年灌水300 m3時(shí)，帶入氮量9.45 kg·hm-2，因此，360×9.45/300=11.34(kg·hm-2)；A4：雨水帶入氮量,試驗(yàn)點(diǎn)全年降雨387.3 mm，魯如坤等[7]在河南封丘長(zhǎng)期觀測(cè)認(rèn)為，周年降雨615 mm時(shí)，帶入氮量4.35 kg·hm-2，因此,387.3×4.35/615=2.74(kg·hm-2)；A5：種子帶入氮量約為5 kg·hm-2；B：氮輸出； B1：冬小麥子粒帶走氮量；B2：夏玉米秸稈和子粒帶走氮量；作物收獲指數(shù)=子粒產(chǎn)量/生物量。

植株氮素利用效率(nitrogen use efficiency，NUE，kg·kg-1)=子粒產(chǎn)量/植株氮素積累量×100%

氮肥生理利用率(nitrogen physiological use efficiency，NPE，kg·kg-1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部植株氮積累量-不施氮區(qū)地上部植株氮積累量)×100%

氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity from applied nitrogen，PFPN，kg·kg-1)=子粒產(chǎn)量/施氮量

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，處理間差異顯著性采用Duncan多重比較檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素具有顯著影響(表2)。產(chǎn)量構(gòu)成要素中穗數(shù)和結(jié)實(shí)率表現(xiàn)為T2>T3>T1>T0，且前三者顯著高于T0處理；T0處理的千粒重顯著高于其余處理，同時(shí)，T2處理顯著高于T3，T1處理。冬小麥的產(chǎn)量的表現(xiàn)與產(chǎn)量構(gòu)成要素相似，其中T2處理的冬小麥產(chǎn)量顯著高于T1，T0處理，略高于T3處理。3個(gè)施肥處理的生物量顯著高于T0處理，且T2處理最高。冬小麥的收獲指數(shù)則表現(xiàn)為T2，T3處理顯著高于T0處理，但略高于T1處理。說明秸稈還田配施有機(jī)肥和配施腐熟劑處理能夠通過增加穗數(shù)以及結(jié)實(shí)率來增加子粒產(chǎn)量，同時(shí)也提高了冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)。

2.2 不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響顯著(表3)。夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成各要素表現(xiàn)為T2>T3>T1>T0，其中T2，T3處理的穗粗、穗粒數(shù)顯著高于T0處理；秸稈還田施肥處理的穗長(zhǎng)則顯著高于T0處理，T2處理則略高于T3，T1處理。夏玉米的產(chǎn)量和生物量的表現(xiàn)和產(chǎn)量構(gòu)成各要素相似：秸稈還田施肥處理的產(chǎn)量顯著高于T0處理，T2處理則略高于T3和T1處理；T2，T3處理的生物量顯著高于T0處理，但略高于T1處理。夏玉米的收獲指數(shù)中，T2，T3處理最高，為0.42。說明秸稈還田配施有機(jī)肥和配施腐熟劑處理能夠通過增加穗粒數(shù)以及百粒重來增加子粒產(chǎn)量，同時(shí)，也提高了夏玉米收獲指數(shù)。

表2 不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table 2 Effect of different straw returning treatments on grain yield and its components of winter wheat

注：表中同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters in the same column mean significant difference (P<0.05). The same as below.

表3 不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table 3 Effect of different straw returning treatments on grain yield and its components of summer maize

2.3 不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥氮素利用效率的影響

不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥氮素利用效率影響顯著(表4)。T0處理的植株氮素利用效率顯著高于其余3處理。冬小麥的氮收獲指數(shù)表現(xiàn)為T2>T3>T1>T0，且T2處理顯著高于T0和T1處理。T2處理的氮肥生理利用率略高于其他處理，但差異不顯著。T2處理的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于T1處理，但與T3處理差異未達(dá)顯著水平。說明秸稈還田配施有機(jī)肥和配施腐熟劑處理優(yōu)化了氮的分配，提高子粒氮積累量，更有利于冬小麥吸收和利用氮素。

表4 不同秸稈還田處理對(duì)冬小麥氮素利用效率的影響Table 4 Effect of different straw returning treatments on N use efficiency of winter wheat

2.4 不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米氮素利用效率的影響

不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米氮素利用效率影響顯著(表5)。T0處理的植株氮素利用效率顯著高于T2,T3處理，但與T1處理差異不顯著。夏玉米的氮收獲指數(shù)表現(xiàn)為T2>T3>T1>T0，但處理間差異不顯著。T2處理的氮肥生理利用率顯著高于T1處理，但與T3處理差異未達(dá)顯著水平。夏玉米的氮肥偏生產(chǎn)力和氮素產(chǎn)投比則表現(xiàn)為T2>T3>T1，但處理間差異不顯著。說明秸稈還田配施有機(jī)肥和配施腐熟劑的還田處理優(yōu)化了氮的分配，提高子粒氮積累量，更有利于夏玉米吸收和利用氮素。

2.5 不同秸稈還田處理對(duì)小麥玉米兩熟周年氮素平衡的影響

農(nóng)田氮素平衡系統(tǒng)中，氮輸入包括氮肥、還田秸稈、灌溉水和雨水。氮輸出包括作物攜出(子粒和秸稈)、(化肥、土壤)氮的損失，其中氮的損失包括氨揮發(fā)、反硝化(N2O，NOX，N2)和NO3-N淋失。

表5 不同秸稈還田處理對(duì)夏玉米氮素利用效率的影響Table 5 Effect of different straw returning treatments on N use efficiency of summer maize

秸稈還田對(duì)冬小麥-夏玉米周年生產(chǎn)中氮素平衡的影響見表6。由表6可以看出，T0，T3，T2，T1的氮盈虧量分別為-132.31，302.96，292.11和340.22 kg·hm-2。說明單施秸稈會(huì)造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素虧缺，因此，秸稈還田需配施化肥；秸稈配施化肥造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素過量盈余，但是T3，T2處理較秸稈還田單施化肥的T1處理明顯提高了氮的輸出量，進(jìn)而在同一施氮水平下降低了氮素盈余量，減少過多氮素在土壤中的積累，降低了氮素的浪費(fèi)；同時(shí)，秸稈還田在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)適量減施，進(jìn)行高效可持續(xù)的農(nóng)田耕作措施。

表6 冬小麥-夏玉米農(nóng)田氮素平衡Table 6 Nitrogen balance of winter wheat-summer maize cropping system kg·hm-2

注：表中數(shù)據(jù)以冬小麥-夏玉米周年計(jì)算，沒有考慮氮素淋溶、氨揮發(fā)損失和氮大氣沉降補(bǔ)充。

Note: Data in the table were the annual total of winter wheat and summer maize, without considering nitrogen leaching and volatilization loss, and N atmospheric deposition input.

3 結(jié)論與討論

本研究表明,秸稈還田不施肥時(shí)作物產(chǎn)量較低，而配施有機(jī)無機(jī)肥料后能夠顯著增加作物產(chǎn)量，尤其配施有機(jī)肥和秸稈腐熟劑時(shí)增產(chǎn)效果更明顯。冬小麥的產(chǎn)量取決于有效穗數(shù)、千粒重，而夏玉米產(chǎn)量則取決于穗粒數(shù)、百粒重。經(jīng)分析，在秸稈還田不施肥條件下，冬小麥、夏玉米各產(chǎn)量要素均明顯降低，這可能因?yàn)榻斩捥嫉冗^高所致。在秸稈還田配施肥料時(shí)，尤其在配施有機(jī)肥和腐熟劑時(shí)，作物產(chǎn)量顯著增加，可能是由于秸稈還田配施有機(jī)無機(jī)肥料，改善土壤理化性狀[8,9]，增加土壤微生物量[10]，調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱狀況，使得作物產(chǎn)量構(gòu)成要素明顯提高，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)效果。

秸稈全量還田下，施同量氮肥，配施有機(jī)肥/秸稈腐熟劑比單施化肥提高了氮素收獲指數(shù)、氮肥生理利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，增強(qiáng)了氮的再利用能力，優(yōu)化了氮的分配，增加了子粒含氮量，為作物增產(chǎn)和改善品質(zhì)創(chuàng)造了條件。其原因一方面可能是土壤中加入高碳氮比作物秸稈，有機(jī)肥和腐熟劑的添加帶入相當(dāng)一部分有機(jī)質(zhì)和腐解秸稈的微生物，造成土壤氮的礦化作用加強(qiáng)[11]，加速秸稈腐解和養(yǎng)分釋放，從而提高了土壤供氮潛力和供氮能力，解決了土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)土壤氮源的問題[12]，有利于作物對(duì)氮素的吸收；另一方面，秸稈還田處理提高了植株葉綠素含量，促進(jìn)光合作用與蒸騰作用[13]，進(jìn)而促進(jìn)了物質(zhì)合成與轉(zhuǎn)化。

在麥玉兩熟制周年輪作情況下，考慮到農(nóng)田麥玉兩熟周年氮素平衡，基于秸稈還田的化學(xué)氮肥施用，并兼顧作物產(chǎn)量和農(nóng)田氮素平衡，秸稈還田配施氮肥應(yīng)適當(dāng)減少，這與趙鵬等[14]的結(jié)論相似。

本研究在分析農(nóng)田氮素平衡時(shí)，限于試驗(yàn)條件，未能計(jì)算礦質(zhì)氮的淋溶、揮發(fā)損失，同時(shí)也未考慮土壤氮的礦化作用，而把土壤作為“黑箱”，僅考慮了“氮的表觀輸入和輸出”，但宏觀上仍然說明了秸稈還田配施有機(jī)物料對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡的影響。

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(責(zé)任編輯：常思敏)

Effects of different straw returning treatments on crop yield and nitrogen use of winter wheat-summer maize cropping system

LI Qian1,2, GUAN Xiaokang1, YANG Mingda1, WANG Tongchao1, LIU Chuntang3, BAI Tiantian1, ZHANG Pengyu1, WEI Li1,2

(1.Agronomy College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 2.National Engineering Research Center for Wheat of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 3.Seed Industry Co.LTD. of Xunxian County, Hebi 456250，China)

A field experiment has been conducted to illustrate the yield and nitrogen use of winter wheat-summer maize cropping system. Four treatments were applied, namely fully straw returned with conventional fertilization (T1), fully straw returned with organic fertilizer (T2), straw returned with HM straw-decomposing inoculant, (T3) and straw returned without fertilizer as control (T0). The results showed that the yield of winter wheat and summer maize under T1, T2, T3 was 37.7%～57.2% and 33.0%～41.4% higher than that of T0 respectively. The 1 000-grain weight of winter wheat under T3 treatment was lower than under T2 treatment, while there were no differences observed in other yield components, yield and biomass. Nitrogen harvest index, nitrogen physiological use efficiency and nitrogen partial productivity under T3 and T2 treatment increased by 1.0%～2.3%, 8.2%～24.3% and 8.3%～14.2% respectively in winter wheat and 2.6%～3.3%, 22.2%～39.0% and 4.9%～5.1% respectively in summer maize. Nitrogen was deficit under T0 treatment, while it was sufficient under T1, T2 and T3 treatments in terms of annual nitrogen balance. Nitrogen output under T3 and T2 treatment increased by 11.4%, 14.7% than T1 with the same nitrogen input level. It is concluded that fully straw returned with organic fertilizer or straw-decomposing inoculant could achieve the same effect on increa-sing crop yield and improving nitrogen efficiency. Under fully straw returned cropping system of Henan Province, nitrogen application should be decreased as consideration of annual nitrogen balance.

fully straw returned; organic fertilizer; straw-decomposing inoculant; crop yield; nitrogen use efficiency; annual nitrogen balance

2014-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471452)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B08，2012BAD04B07)

李 仟(1988-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事旱作節(jié)水理論與技術(shù)研究。

衛(wèi) 麗(1966-)，女，河南商丘人，研究員，博士。

1000-2340(2015)02-0171-06

S 314

A