向曉玲，陳松鶴，高仁才，吳東明，陳艷琦，楊洪坤，樊高瓊

(四川農業(yè)大學 農學院，農業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，四川 成都 611130)

旱地冬小麥-夏玉米接茬種植的耕作制度，因其可以提高土地利用效率和增加單位面積經(jīng)濟收益，是我國北方較為常見的栽培模式[1]，近年來由于其便于機械化，在西南也逐漸盛行。輪作體系非?？粗刂苣晷б?，注重茬口銜接，但前茬的處理方式也會影響到后茬作物的生長[2]。秸稈還田是一種提高土壤肥力的重要栽培措施[3]，也是冬小麥-夏玉米輪作體系中的一個重要技術環(huán)節(jié)。前人已經(jīng)對秸稈還田的培肥土壤效應等做了大量研究[4]，但秸稈還田對后茬作物的效應有待進一步研究。我國北方主要為灌溉農業(yè)，而南方主要為雨養(yǎng)農業(yè)，研究西南丘陵區(qū)冬小麥-夏玉米新型種植模式下小麥季秸稈還田對后茬玉米生長的影響，對于明確該技術模式的周年效應及生理基礎有重要意義，有助于技術模式的推廣應用。

大量研究表明，秸稈還田不僅可以提高當季作物產量[5]，培肥土壤[6]、改善土壤生態(tài)環(huán)境[7]，而且秸稈腐解過程中釋放出礦質營養(yǎng)元素能夠補充土壤養(yǎng)分來維持土壤的農業(yè)生產力[8-10]，有利于后續(xù)作物產量的持續(xù)提升。但也有研究表明，長期秸稈還田會破壞土壤的碳氮平衡，因此，需要配施氮肥來平衡土壤氮素使作物獲得高產[11]。長期以來，施用氮肥一直是提高作物產量的重要措施[12]。然而越來越多的研究表明，氮肥施用過量導致其利用率降低、作物產量下降[13-14]。而且過量施用氮肥不僅造成諸如富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[15]，且氮素盈余易導致淋溶下滲污染水體[16]。因此，研究秸稈還田及施氮的后效作用具有重要的生產實踐意義。

鑒于此，本研究基于四川丘陵旱地冬干春旱、石灰性紫色土的氣候條件和土壤背景下，在冬小麥-夏玉米輪作體系第4年定位試驗基礎上，研究小麥季玉米秸稈還田與施氮對后茬玉米的生物量、產量及養(yǎng)分吸收利用的影響，以期為西南丘陵地區(qū)作物高產高效的種植制度提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗于2015年在四川省眉山市仁壽縣珠嘉鎮(zhèn)踏水村(30°04′ N，104°13′ E)進行，丘陵地貌，土壤類型為石灰性紫色土，屬亞熱帶季風濕潤氣候。試驗地采用冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度，玉米生育期氣象條件見圖1。本試驗采集2018，2019年夏玉米收獲期樣品進行分析研究。2015年試驗開始時土壤(0～20 cm)基礎肥力為：pH值7.82(土∶水= 1.0∶2.5)，有機質16.9 g/kg，全氮0.83 g/kg，全磷0.86 g/kg，全鉀13.96 g/kg。

1.2 試驗材料

夏玉米品種為正紅6號，由四川農業(yè)大學農學院選育。前茬小麥品種為川麥104，由四川省農業(yè)科學研究院提供。試驗中所用肥料分別為普通尿素(N 46.2%)，過磷酸鈣(P2O512.5%)和氯化鉀(K2O 60%)，均購于當?shù)剞r資市場。

1.3 試驗設計

前茬冬小麥采用二因素裂區(qū)設計，主區(qū)為玉米秸稈粉碎覆蓋(SM)與不覆蓋(NSM)，覆蓋量為6 000～8 000 kg/hm2(干質量)；裂區(qū)為3種氮水平為：0(N0)，120(N1)，180(N2)kg/hm2，共計6個處理，每個處理均設3次重復。主區(qū)間隔1.5 m，小區(qū)間隔為20 cm，小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m)。磷(P2O512.5%)和鉀(K2O 60%)用量均為75 kg/hm2。在前茬冬小麥原位小區(qū)，于冬小麥收獲后(5月中旬)穴播玉米，行距為1.0 m，穴距為0.33 m，每穴2株，密度為60 000 株/hm2，各小區(qū)氮(N 46.2%)、磷(P2O512.5%)和鉀(K2O 60%)用量相同，分別為225，75，75 kg/hm2，50%的氮肥和全部磷、鉀肥作底肥，另于拔節(jié)期追施剩余氮肥。其他管理措施同當?shù)卮筇?。兩季夏玉米收獲時間分別為2018年8月25日和2019年8月29日。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產量及產量構成 所有小區(qū)實收測產，并連續(xù)收獲20穗測定玉米穗長、穗粒數(shù)、百粒質量指標。

1.4.2 樣品采集 在玉米播種前，用土鉆按“S”形5點采樣法采集0～20 cm土層土樣，制成混合樣，并于室內風干后分別過0.15，0.85 mm孔徑篩留存，用于后續(xù)養(yǎng)分測定。在收獲期每個小區(qū)取長勢均勻、有代表性的玉米4株，在105 ℃下殺青30 min后，于80 ℃烘干至恒質量，稱質量后粉碎，用于后續(xù)養(yǎng)分測定。

1.4.3 土壤樣品測定 土壤pH值(水土比 2.5∶1.0)采用電位法測定；土壤有機質采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮用凱氏定氮法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；速效磷用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀用 1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定[17]。

1.4.4 植株養(yǎng)分測定 將植株樣品粉碎過0.25 mm孔徑篩，用H2SO4-H2O2消煮，采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量；釩鉬黃比色法測定全磷含量；火焰光度計法測定鉀含量[17]。根據(jù)生物量和養(yǎng)分含量計算植株養(yǎng)分吸收量。計算公式如下：

植株氮(磷、鉀)養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)=地上部生物量×氮(磷、鉀)含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016進行整理計算，用SPSS 19.0進行方差分析及相關性分析，Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對后茬夏玉米播種前土壤肥力的影響

定位試驗3-4 a后，秸稈還田是提高土壤有機質的主要因素(表1)，秸稈還田(SM)與不還田(NSM)相比，土壤有機質含量顯著提高，較NSM處理提高了34.1%(2 a均值)。同時，秸稈還田(SM)相比不還田(NSM)提高了土壤全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，分別較不還田(NSM)處理提高6.64%，7.34%，16.2%，14.3%(2 a均值)，前茬氮肥處理比不施氮處理(N0)顯著提高了土壤中的全氮含量，但降低了速效鉀含量并增加了速效磷含量。與N0處理相比，N1、N2處理下的全氮含量分別增加12.8%，13.3%，堿解氮含量分別增加6.31%，11.2%(2 a均值)。

表1 秸稈還田對夏玉米播種前土壤養(yǎng)分的影響Tab.1 Effects of straw mulching on soil nutrients of summer maize before sowing

2.2 秸稈還田與施氮對后茬玉米地上部生物量的影響

由圖2可知，秸稈還田、施氮與秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的生物量均有極顯著影響(P<0.01)。2018，2019年SM處理下玉米成熟期地上部生物量較NSM處理分別增加了34.7%，38.8%，差異極顯著(P<0.01)。與N0處理相比，施氮處理極顯著提高了地上部生物量，N1、N2處理較N0處理地上部生物量分別提高了29.9%，36.7%(2 a結果均值)。在不同處理間，地上部生物量表現(xiàn)為SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0(2 a結果均值)，且SMN0處理與NSMN2(2018年)和NSMN1處理(2019年)無顯著差異(P>0.05)，可見秸稈覆蓋下的生物量與不覆蓋下增施氮肥的作用相當。

2.3 秸稈還田與施氮對后茬玉米產量及產量構成的影響

小麥季秸稈還田和施氮極顯著影響后茬玉米的產量(表2)。2018，2019年，SM處理下的產量較NSM處理分別增加65.7%，30.7%；隨上季作物施氮量增加，玉米產量呈增加的趨勢。與N0處理相比，N1和N2玉米產量分別提高了41.5%，59.4%(2 a均值)，2 a均以N2處理下玉米產量最高。增產原因在于穗長、穗粒數(shù)和百粒質量有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)提高。SM處理與NSM處理相比，穗長增幅為7.4%～10.0%，穗粒數(shù)增幅為22.9%～24.2%，百粒質量增幅為18.1%～58.1%。N1處理下的穗長、穗粒數(shù)和百粒質量較N0處理分別增加了12.3%，29.1%，24.9%，N2處理下的依次為10.9%，25.2%，27.4%(2 a均值)。秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的百粒質量有極顯著影響，對穗長無顯著影響，而對穗粒數(shù)的影響2 a結果不一致。相關分析表明(表3)，穗長、穗粒數(shù)、百粒質量和產量之間均存在極顯著正相關關系(P<0.01)。百粒質量對產量的直接通徑系數(shù)最大，說明其是夏玉米產量增加的最主要貢獻因子，其次是穗長，穗粒數(shù)的增加可通過百粒質量和穗長的增加影響產量(表3)。

表2 秸稈還田及施氮對后茬夏玉米產量構成因子的影響Tab.2 Effects of straw mulching and nitrogen fertilizer on yield components in summer maize

表3 產量及其構成因素的相關系數(shù)及通徑分析Tab.3 Correlation coefficient and path analysis of yield and its components

2.4 秸稈還田與施氮對后茬玉米養(yǎng)分吸收的影響

由圖3可知，小麥季秸稈還田、施氮與秸稈還田×施氮的交互作用對后茬夏玉米的氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收均有極顯著影響(P<0.01)。與NSM處理相比，SM處理后茬玉米地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收分別增加47.2%，58.8%，45.0%(2 a均值)。SM處理下2018，2019年氮吸收量分別高36.0%，61.7%。N2和N1處理下玉米氮吸收量比N0處理分別高42.7%～45.6%，57.8%～73.3%。SMN0處理氮吸收量介于NSMN0和NSMN2處理，說明小麥季秸稈還田效應促進了后茬玉米氮素吸收。前茬秸稈還田后夏玉米磷和鉀的吸收與氮的吸收規(guī)律一致，均表現(xiàn)為SM處理極顯著高于NSM處理，且隨著施氮量的增加，磷和鉀的吸收量顯著提高(P<0.05)。不同處理間，磷和鉀的吸收量均表現(xiàn)為：SMN2>SMN1>NSMN2>SMN0>NSMN1>NSMN0。說明前茬玉米秸稈還田和施氮促進了玉米對磷和鉀的吸收。

2.5 秸稈還田與施氮對后茬玉米氮、磷、鉀肥偏生產力的影響

由表4可知，秸稈還田與施氮對后茬夏玉米氮肥偏生產力(PEPN)、磷肥偏生產力(PEPP)和鉀肥偏生產力(PEPK)的影響達到極顯著水平(P<0.01)，而秸稈還田×施氮的交互作用對PEPN、PEPP和PEPK的影響僅在2018年差異極顯著(表4)。秸稈還田極顯著提高了兩季夏玉米的PEPN、PEPP和PEPK，其中 SMN0較NSMN0的PEPN、PEPP和PEPK均增加了46.5%，SMN1處理較NSMN1處理增加39.6%，SMN2處理較NSMN2處理增加57.7%。

表4 秸稈還田及施氮對后茬夏玉米氮磷鉀肥偏生產力的影響Tab.4 Effects of straw mulching and nitrogen application on the partial factor productivity of nitrogen，phosphorus and potassium fertilizer in summer maize

3 討論與結論

3.1 麥-玉輪作體系下小麥季秸稈還田與氮肥施用改善土壤養(yǎng)分狀況，促進玉米增產

有機質含量的高低是土壤肥沃程度的重要指標。前人研究表明，紫色土有機質和速效磷含量低[18]，制約作物養(yǎng)分吸收。秸稈還田配施氮肥促進了秸稈的分解，提高了土壤有機質含量[19]，因此改善了土壤質量狀況[20]。在本研究中，小麥季秸稈覆蓋增加了玉米種植前土壤中的有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，提高了土壤肥力；同時，小麥季施用氮肥也使得土壤中的全氮和堿解氮更加充裕，為后茬作物的生長提供了營養(yǎng)需求的保障。李軍輝等[21]研究表明，夏閑期復種飼料油菜將其地上部還田有利于提高后作小麥的有機質含量并提高了小麥產量。本研究中，小麥季秸稈還田和施氮顯著增加了玉米產量，綜合產量以SMN2處理(秸稈還田+施氮180 kg/hm2)下最高。同時，SMN0處理與NSMN1和NSMN2處理玉米產量相當，說明秸稈還田下可以減少氮肥的用量不會降低后茬作物產量，主要由于秸稈還田提高了土壤對后茬玉米養(yǎng)分供應的能力，為作物生長提供充足的營養(yǎng)物質，進而增加了玉米籽粒產量[22-23]。有研究表明，秸稈還田配施氮肥通過提高植株葉面積指數(shù)、葉片光合速率及延長灌漿期和促進光合產物向籽粒轉移，最終提高了籽粒質量[24]。也有研究發(fā)現(xiàn)，前茬作物對秸稈氮的當季利用率低，土壤中存留了較多的秸稈氮素與化肥氮素[25]，有利于促進后茬玉米穗部形態(tài)建成。本研究中，秸稈還田與不還田處理相比，后茬玉米的穗長、穗粒數(shù)和百粒質量均有顯著的提高，并且百粒質量對產量的直接通徑系數(shù)最大，可能因為前茬秸稈覆蓋與施氮后，提高了土壤有機質與氮磷鉀養(yǎng)分含量，進而促進了玉米生物量增加，增大了源，從而促進籽粒灌漿。

3.2 前茬秸稈還田促進玉米養(yǎng)分吸收利用達到減氮效果

秸稈還田作為農業(yè)生產上的重要措施，因其在土壤中分解釋放植物生長必需的養(yǎng)分[25]，從而增加了作物的養(yǎng)分吸收和利用。本研究中，秸稈還田不僅顯著增加了后茬夏玉米地上部氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收，SMN0(秸稈還田+施氮0 kg/hm2)處理下，后茬玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收量介于NSMN1(秸稈不還田+施氮120 kg/hm2)和NSMN2(秸稈不還田+施氮180 kg/hm2)處理，說明玉米季同等施肥情況下，前茬秸稈覆蓋的持續(xù)效應促進了后茬玉米的養(yǎng)分吸收。也有研究表明，當季作物收獲后土壤氮殘留對后茬作物有一定的后效作用[21，26]。本研究也得到類似的結論。同時，前茬秸稈還田與不還田相比顯著提高了后茬夏玉米的氮、磷、鉀肥偏生產力，這與前人研究的結果基本一致[27]。因此，小麥季玉米秸稈還田的后效作用，是促進后茬夏玉米地上部養(yǎng)分吸收的重要因素，應考慮秸稈還田代替部分化肥的潛力以及持續(xù)效應。

西南丘陵區(qū)石灰性紫色土背景下，冬小麥-夏玉米輪作體系中，小麥季玉米秸稈還田和施氮提高了夏玉米播前土壤有機質和養(yǎng)分含量，促進后茬夏玉米氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收，增加地上部生物量和產量。