李 瑋， 喬玉強(qiáng)， 陳 歡， 曹承富， 杜世州， 趙 竹

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所， 安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

玉米秸稈還田配施氮肥對冬小麥土壤氮素表觀盈虧及產(chǎn)量的影響

李 瑋， 喬玉強(qiáng)， 陳 歡， 曹承富*， 杜世州， 趙 竹

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所， 安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

秸稈還田; 施氮量; 氮素盈余; 氮肥利用率; 冬小麥

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)秸稈還田和施氮量兩因素。其中秸稈處理為主區(qū)，玉米秸稈粉碎還田(S)和移除(R)兩種方式，秸稈還田量12000 kg/hm2；氮肥施用為副區(qū)，設(shè)置6個(gè)處理，施N量為0、162.0、 202.5、 243.0、 283.5、324.0 kg/hm2，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示，氮肥施用量見表1所示。小麥于拔節(jié)期追肥，基追比55 ∶45。P2O5、K2O年施用量為180 kg/hm2、180 kg/hm2，除N0(對照)之外，其余氮肥處理均施用磷鉀肥，且施用量一致，均在小麥播種時(shí)一次性基施。小麥10月中旬播種，小區(qū)面積21.6 m2，隨機(jī)排列，3次重復(fù)。

表1 不同處理施氮量(N kg/hm2)

1.3 田間取樣與測定方法

分別于播種前、拔節(jié)期、成熟期以20 cm為一層分3層取0—60 cm土樣，每個(gè)樣品均為多點(diǎn)采集混合而成，然后用“四分法”取出足夠樣品，保存于4℃冰箱中，4 d之內(nèi)測完。土壤硝態(tài)氮采用 2 mol/L KCl浸提，分光光度計(jì)雙波長(220 nm，275 nm)法測定[17]。

在采集土壤樣品的同時(shí)取地上部植物樣品20株(成熟期取單莖)，鮮樣在105℃下殺青30 min后，70℃烘干至恒重稱重，計(jì)算地上部干物重。樣品粉碎后H2SO4-H2O2消煮、半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量[18]。小麥成熟后實(shí)收每小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算方法

氮素表觀盈虧量(apparent nitrogen surplus amount)=(土壤無機(jī)氮起始總量+施氮量+土壤氮素的礦化量) -(土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)=(土壤無機(jī)氮起始總量+施氮量) -(土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?作物吸氮量)[19]；

植株氮積累量(nitrogen accumulation amount，NAA)=植株干物重×植株含氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率(nitrogen agronomic efficiency, NAE)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量[20]；

氮收獲指數(shù)(nitrogen harvest index，NHI)=籽粒氮積累量/植株總氮積累量[20]；

地上部植株氮肥吸收利用率(plant nitrogen recovery efficiency，PRE)=(施氮肥區(qū)地上部分氮積累量-不施氮肥區(qū)地上部分氮積累量)/施氮量×100%[20]；

籽粒氮肥吸收利用率(grain nitrogen recovery efficiency，GRE)=(施氮肥區(qū)籽粒氮積累量-不施氮肥區(qū)籽粒氮積累量)/施氮量×100%；

氮肥表觀回收率(apparent nitrogen recovery efficiency，NRE)=(施氮肥區(qū)植株氮積累量-不施氮肥區(qū)植株氮積累量)/施氮量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進(jìn)行處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期秸稈還田和施肥對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

從圖 1可以看出，秸稈還田和秸稈移除條件下，不同施氮水平的小麥產(chǎn)量變化規(guī)律不完全一致，但均以不施氮處理(N0)最低。秸稈還田配施N3水平(243.0 kg/hm2)的產(chǎn)量最高，為9858 kg/hm2；而秸稈移除條件下N4(283.5 kg/hm2)的產(chǎn)量最高，達(dá)9344 kg/hm2，前者高出后者5.5%。相比秸稈移除，秸稈還田在N2(202.5 kg/hm2)、N3、N4和N5(324.0 kg/hm2)施氮水平下小麥產(chǎn)量顯著提高，分別增產(chǎn)365、844、409和792 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為4.2%、9.3%、4.4%和8.9%，N3處理的增幅最高。

圖1 20112012年不同處理的小麥產(chǎn)量Fig.1 Yields of winter wheat in the cropping year 2011-2012 under different treatments[注(Note)：同一秸稈處理方式下，不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到0.05顯著水平 Different letters indicate significant among different treatments under the same straw treatment method at the 0.05 level.]

2.2 秸稈還田配施氮肥對土壤硝態(tài)氮累積的影響

由表 2可以看出，隨著氮肥用量的增加，秸稈還田和秸稈移除處理在小麥播種前和收獲后土壤剖面硝態(tài)氮積累量均呈增加的趨勢。不施肥條件下，0—60 cm土層的土壤硝態(tài)氮小麥?zhǔn)斋@后較播種前下降，其中秸稈還田處理下降幅度顯著高于秸稈移除處理，分別為101.3%和48.4%，主要是由于還田秸稈的腐爛分解消耗了一定量的有效氮；秸稈還田配施不同氮肥水平，N0、N1 處理小麥?zhǔn)斋@后土壤剖面硝態(tài)氮平均含量顯著降低，而N2、N3、N4和N5處理顯著增加，處理間差異顯著；秸稈移除單施氮肥，除N0處理之外，N1、N2、N3、N4和N5處理小麥?zhǔn)斋@后土壤剖面硝態(tài)氮平均含量高于播種前。

2.3 秸稈還田與施肥對冬小麥生育階段氮素表觀盈虧量的影響

施入土壤中的氮肥總量減去被作物吸收和殘留在土壤中無機(jī)氮外的那部分氮素被稱為氮素的表觀盈虧[21]。由表 3可以看出，播種到成熟階段，秸稈還田配施氮肥和單施氮肥處理，施氮均顯著增加了植株氮素積累量、 0—60 cm土層硝態(tài)氮?dú)埩袅考巴寥赖赜嗔俊?/p>

不施氮處理在各生育階段均出現(xiàn)氮素表觀虧缺，這主要與土壤的供氮量無法滿足小麥全生育期的吸氮量有關(guān)系。施氮處理在播種到成熟期均出現(xiàn)氮素表觀盈余，且氮素盈余量和土壤硝態(tài)氮?dú)埩艨偭侩S基肥和追肥比例的增加而增加；播種到拔節(jié)期，植株的氮素積累量隨基肥比例的增加而增加，N5處理顯著高于N1、N2、 N3和N4處理， 但拔節(jié)到成熟期N3處理顯著高于其它處理。同一施氮水平下，秸稈還田配施氮肥與單施氮肥在小麥各生育階段植株氮素積累量、硝態(tài)氮?dú)埩艨偭恳约暗赜澚繜o顯著差異。

表2 不同處理下0—60 cm 土層不同深度土壤硝態(tài)氮的累積(kg/hm2)

注(Note): 同一秸稈處理、同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同土層間差異達(dá)0.05顯著水平，同一行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平 Values followed by different small letters in the same column indicate significantly different at the 0.05 probability level, and values followed by different capital letters in the same row are significantly different among different treatments under the same straw treatment method at the 0.05 probability level.

2.4 長期秸稈還田和施肥對冬小麥氮肥利用效率的影響

由表4可以看出，施氮處理的氮素收獲指數(shù)顯著高于不施氮處理，隨施氮量的增加處理間無顯著差異；相同施氮量情況下，秸稈還田配施氮肥和單施氮肥間亦無顯著差異，表明秸稈還田和不同的施氮水平對小麥植株吸收氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)沒有顯著影響。氮肥農(nóng)學(xué)效率和籽粒吸收利用率分別反映了氮肥對籽粒產(chǎn)量和籽粒氮積累量的貢獻(xiàn)。氮肥農(nóng)學(xué)效率、地上部植株氮肥吸收利用率、籽粒氮肥吸收利用率均隨施氮量的增加而顯著降低。在相同施氮量條件下，秸稈還田配施氮肥可提高上述氮肥利用率的指標(biāo)值。

氮肥總表觀回收率和不同生育階段氮肥表觀回收率的表現(xiàn)趨勢不同(表4)。各氮肥處理間，播種到拔節(jié)期的基肥表觀回收率顯著高于拔節(jié)到成熟期的拔節(jié)肥表觀回收率，且均隨基肥和拔節(jié)肥的增加而呈下降的趨勢；不同氮肥處理間，N1、N2和N3水平在單施氮肥條件下播種到拔節(jié)期、拔節(jié)到成熟期的表觀回收率顯著高于秸稈還田配施氮肥處理，而N4和N5水平的變化趨勢相反；總表觀回收率也表現(xiàn)為隨施氮量的增加而下降?？傮w看來，施氮量較高的處理，秸稈還田配施氮肥對基肥和拔節(jié)肥的利用率顯著高于單施氮肥；施氮量較低的處理，單施氮肥對基肥和拔節(jié)肥的利用率較高，這主要與還田的秸稈腐爛分解需要消耗一定量氮素有關(guān)。

2.5 農(nóng)田氮素盈余與土壤剖面硝態(tài)氮積累量的關(guān)系

隨著農(nóng)田土壤氮素盈余量的增加，土壤0—60 cm剖面積累的硝態(tài)氮量隨之增加。由回歸方程可知，土壤氮素盈余值每增加100.0 kg/hm2，0—60 cm土壤剖面硝態(tài)氮的積累量秸稈還田配施氮肥和單施氮肥分別增加74.2和91.4 kg/hm2，單施氮肥的增加量顯著高于秸稈還田配施氮肥(圖2)。

表3 秸稈還田和施肥對小麥不同生育階段0—60 cm土層氮素表觀盈虧量的影響(kg/hm2)

注(Note): 同一行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平 Values followed by different letters in a row indicate significantly different at the 0.05 probability level.

3 討論與結(jié)論

表4 秸稈還田和施肥量對小麥氮素利用率的影響

注(Note): 同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一秸稈處理不同氮肥水平間差異達(dá)0.05顯著水平Values followed by different small letters in the same column are significantly different amont different treatments for the same straw treatment at the 0.05 probability level.

圖2 2012年小麥?zhǔn)斋@后土壤0—60 cm 剖面硝態(tài)氮積累與氮素盈余的關(guān)系Fig.2 Relationship between -N accumulation in 0—60 cm soil profiles and N surplus in 2012

本研究在分析農(nóng)田氮素盈虧時(shí)，沒有考慮秸稈還田對土壤礦化的激發(fā)效應(yīng)，僅考慮了氮的表觀輸入和輸出。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不施氮處理在小麥生長季表現(xiàn)為氮素虧缺，施氮顯著增加了0—60 cm土層的土壤氮素盈余量，且盈余量隨施氮量的增加而增加；無論秸稈還田與否，土壤氮素盈余與其相應(yīng)的0—60 cm土層土壤硝態(tài)氮積累呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其他學(xué)者也有類似的研究結(jié)果[30-31]。巨曉棠等[32]對華北平原北部冬小麥/夏玉米輪作體系的研究表明，氮肥施用量超過作物的需要量時(shí)，氮素盈余急劇增加。倪玉雪等[33]研究得出，秸稈50%還田和100%還田情況下，土壤氮素盈虧量與施氮量之間均呈線性極顯著正相關(guān)，且土壤氮庫達(dá)到平衡時(shí)的施N量分別是192.0 kg/hm2和166.0 kg/hm2。本研究條件下，玉米秸稈還田4年，小麥季施N 162.0 kg/hm2時(shí)土壤0—60 cm的氮素盈余39.9 kg/hm2，但較該施氮水平秸稈移除處理降低了小麥產(chǎn)量。所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，砂姜黑土玉米秸稈全量還田條件下，配施氮肥要略高于N162.0 kg/hm2，才能保證小麥產(chǎn)量不受秸稈還田的影響。

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Effects of combined maize straw and N application on soil nitrogen surplus amount and yield of winter wheat

LI Wei, QIAO Yu-qiang, CHEN Huan, CAO Cheng-fu*, DU Shi-zhou, ZHAO Zhu

(CropResearchInstitute,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences/AnhuiKeyLaboratoryofQualityImprovementofCrops,Hefei230031,China)

straw incorporation; nitrogen application rate; nitrogen surplus amount; nitrogen use efficiency; winter wheat

2014-01-20 接受日期： 2014-11-21 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-02-04

國家科技支撐計(jì)劃(2011BAD16B06，2012BAD04B09，2013BAD07B08)；安徽省農(nóng)科院院長青年基金(13B0217)；安徽省農(nóng)科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(11C0202,13C0212)資助。

李瑋(1980—)，女，甘肅定西人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究。E-mail: jtlw2007@163.com * 通信作者 E-mail: caocfu@126.com

S147.35; S512.1+1

A

1008-505X(2015)03-0561-10