隋鵬祥，有德寶，安俊朋，張文可，田 平，梅 楠，王美佳，王 灃，蘇思慧，齊 華

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

東北春玉米區(qū)是我國最大的玉米產(chǎn)區(qū)，該區(qū)玉米秸稈年產(chǎn)量6849萬噸，占全國玉米秸稈總量31%[1]。該區(qū)玉米秸稈資源利用方式主要為燃料、飼料和秸稈還田，分別占35. 4%、30. 8%和 19. 8%[2]。玉米秸稈含有豐富的碳和大量的氮、磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素，秸稈還田后能增加作物產(chǎn)量和土壤含水量，提高土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，促進土壤酶和微生物活性[3–6]。

玉米秸稈C/N較高，還田后微生物會與作物競爭土壤中的無機氮，所以秸稈還田需要配施適量的氮肥[7]。趙鵬等[8]在河南冬小麥–夏玉米輪作系統(tǒng)的研究表明，玉米秸稈還田配施純氮270 kg/hm2能獲得最高的冬小麥產(chǎn)量。張哲等[9]在遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)的研究表明，全量秸稈還田配施210 kg/hm2氮肥能獲得較高的春玉米產(chǎn)量。呂艷杰等[10]在黑土區(qū)的研究表明，秸稈還田后配施240 kg/hm2氮肥春玉米產(chǎn)量最高。旱田秸稈還田后，獲得高產(chǎn)所配施的氮肥量會受年際間降雨和土壤肥力的影響而存在區(qū)域的差異性。

作物花后干物質(zhì)和氮素的積累及花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運會影響作物的產(chǎn)量和籽粒氮素積累量[11–14]。玉米花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)貢獻率為16%～22%[15]，花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運對籽粒氮素累積貢獻率為42%～62%[16]。秸稈還田和施氮量會影響花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)和氮素累積貢獻率，而且受氣候特征、土壤類型、栽培品種的作用。

本研究試驗設(shè)置在東北棕壤區(qū)，以研究秸稈還田和施氮量對春玉米生長發(fā)育的影響。擬解決的問題：1) 秸稈還田對春玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)和氮素積累、轉(zhuǎn)運的影響；2) 施氮量對春玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)和氮素積累、轉(zhuǎn)運的影響；3) 確定適合該區(qū)域的秸稈還田方式及配施氮量。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015—2016年在遼寧省鐵嶺市蔡牛鎮(zhèn)進行 (42°21′N，123°35′E，海拔 74 m)，供試土壤為棕壤，前茬作物為玉米，耕層 (0—20 cm) 土壤容重1.36 g/cm3，土壤pH 6.36，有機質(zhì)16.4 g/kg、全氮1.06 g/kg、堿解氮85.6 mg/kg、有效磷19.22 mg/kg、速效鉀81.5 mg/kg。在5—9月份，2015年、2016年及20年平均降雨量分別為352 mm、811 mm、543 mm。

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為鄭單958，種植密度為67500 株/hm2，5月1日播種，10月1日收獲。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)秸稈還田方式和施肥量兩個因素。其中秸稈還田方式為主因素 (T)，分為秸稈旋耕還田 (T1) 和秸稈翻耕還田 (T2)。副因素為施氮量 (N)，設(shè)5個水平：112.5 kg/hm2(N1)、187.5 kg/hm2(N2)、262.5 kg/hm2(N3)、337.5 kg/hm2(N4) 和 412.5 kg/hm2(N5)。2015年4月和10月分別做春耕和秋耕秸稈還田處理，旋耕還田15 cm，翻耕還田30 cm，秸稈還田后旋耕起壟。秸稈還田量均為6000 kg/hm2。還田的秸稈長度為2—20 cm (收割機打碎后，又經(jīng)過滅茬機再次處理)。磷、鉀肥用量為P2O575 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，1/3氮和全部磷鉀肥做基肥，在播種時側(cè)深施 (深度10 cm)。2/3氮在大喇叭口期追施。氮、磷肥分別為尿素 (N 46.4%) 和磷酸二銨 (N 18%，P2O546%)，鉀肥為氯化鉀 (K2O 60%)。小區(qū)行長10 m、行距0.6 m，16行區(qū)，小區(qū)面積96 m2，3次重復(fù)，共30個小區(qū)，隨機排列。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質(zhì)和氮素積累量 在玉米的開花期、成熟期各處理分別選取3株具有代表性植株的地上部分，置于樣品袋中于105℃烘箱殺青30 min，75℃烘至恒重，冷卻至室溫后用百分之一天平稱量。對采集的地上部植株進行分類，測定開花期 (葉片 + 葉鞘、莖稈) 和成熟期 (葉片 + 葉鞘、莖稈、苞葉 + 穗軸、籽粒) 地上部干物質(zhì)重。玉米植株烘干稱重后，用樣品粉碎機磨碎后過0.5 mm篩，稱取0.5000 g，用H2SO4–H2O2消煮，用8400全自動凱氏定氮儀測定消煮液中的全氮含量[17]。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在玉米收獲期，各小區(qū)選取有代表性的10穗玉米果穗，待風(fēng)干后于室內(nèi)考種，測定籽粒重、穗粒數(shù)、百粒重；用PM-8188-A型谷物水分測定儀測定籽粒水分，并折算為14%含水量的產(chǎn)量。

1.4 計算方法及數(shù)據(jù)分析

按照Cox等[18–20]的方法，計算開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)和氮素積累貢獻率。

開花期干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運量 (g/plant) = 開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量 – 成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量

開花期干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運率 (%) = (開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量 – 成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量) /開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量 × 100

花前營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻率 (%) = (開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量 – 成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)或氮素積累量)/籽粒干物質(zhì)或氮素積累量 × 100

花后干物質(zhì)或氮素積累量 (g/plant) = 成熟期干物質(zhì)或氮素積累量 – 開花期干物質(zhì)或氮素積累量

花后干物質(zhì)或氮素積累對籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻率 (%) = 100 – 花前積累干物質(zhì)或氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)或氮素積累貢獻率

干物質(zhì)或氮收獲指數(shù) = 籽粒干物質(zhì)或氮素積累量/成熟期地上部干物質(zhì)或氮素積累量

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理；SPSS 18.0軟件進行方差分析 (ANOVA) 和處理間顯著性檢驗 (Duncan’s) 和配對樣本T檢；Pearson相關(guān)分析；用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田和施氮量對春玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和干物質(zhì)與氮素積累量的影響

由表1可見，秸稈還田方式間穗粒數(shù)、地上部干物質(zhì)和氮素積累量差異達到顯著水平 (P＜ 0.05)，施氮量間各項指標差異均達到了顯著水平 (P＜ 0.05)，秸稈還田方式和施氮量互作也顯著影響地上部干物質(zhì)積累量 (P＜ 0.05)。秸稈旋耕較翻耕還田顯著降低了穗粒數(shù)，而地上部干物質(zhì)和氮素積累量的趨勢則相反 (P＜ 0.05)。N3、N4和N5處理的百粒重、產(chǎn)量、籽粒氮素積累量、地上部干物質(zhì)和氮素積累量分別較N1、N2處理增加了3.7%～24.2%、5.9%～21.1%、8.0%～69.1%、6.3%～26.1%、6.3%～68.9%(P＜ 0.05)，N4、N5處理較其他施氮量增加了穗數(shù)，而穗粒數(shù)趨勢則相反 (P＜ 0.05)。處理間比較，T1N5處理產(chǎn)量最高，T1N4處理籽粒氮素積累量、地上部干物質(zhì)和氮素積累量最大。

2.2 秸稈還田和施氮量對春玉米干物質(zhì)積累與分配的影響

秸稈還田方式顯著影響玉米成熟期莖稈重和總干物質(zhì)重，施氮量則顯著影響所有指標 (P＜ 0.05)(表2)。秸稈還田方式和施氮量互作顯著影響開花期莖稈重、總干物質(zhì)重和成熟期葉片 + 葉鞘重及總干物質(zhì)重 (P＜ 0.05)。在玉米成熟期，秸稈旋耕還田較翻耕還田莖稈重和總干物質(zhì)重顯著增加 (P＜ 0.05)。在玉米開花期，N3處理較其他施氮量處理的葉片 +葉鞘重、莖稈重和總干物質(zhì)重也顯著增加 (P＜ 0.05)。玉米成熟期，N3、N4和N5處理葉片 + 葉鞘重、籽粒重和總干物質(zhì)重較N1、N2處理分別提高了7.9%～20.5%、3.5%～18.8%、6.1%～21.6%(P＜0.05)。處理間比較，開花期T2N3處理的葉片 + 葉鞘重、莖稈重和總干物質(zhì)重最大，成熟期T1N4處理的葉片 + 葉鞘重、莖稈重和總干物質(zhì)重最大，但T1N3處理最終的籽粒重卻最高。

2.3 秸稈還田和施氮量對春玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

秸稈還田方式顯著影響收獲指數(shù)、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率、花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率，施氮量則顯著影響除收獲指數(shù)外的其他指標(P＜ 0.05)(表3)。秸稈還田方式和施氮量互作顯著影響除了花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率外的其他指標 (P＜ 0.05)。秸稈旋耕還田較翻耕還田顯著降低了收獲指數(shù)、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率，但提高了花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率 (P＜ 0.05)。N3較其他施氮量顯著提高了花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率，而花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率的趨勢則相反 (P＜ 0.05)。處理間比較，T2N4處理收獲指數(shù)最高，T2N3處理花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率均最大，T1N5處理花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)積累貢獻率最高。

表 1 秸稈還田方式和施氮量對2015—2016年玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素和干物質(zhì)、氮素積累量的影響Table 1 Effects of straw management and nitrogen application on maize yield and its components, dry matter and nitrogen accumulation in 2015 and 2016

2.4 秸稈還田和施氮量對春玉米氮素積累與分配的影響

由表4可以看出，秸稈還田方式顯著影響開花期葉片 + 葉鞘氮積累量、總氮積累量和成熟期莖稈氮積累量，施氮量顯著影響所有指標 (P＜ 0.05)。秸稈還田方式和施氮量互作顯著影響開花期和成熟期葉片 + 葉鞘氮積累量 (P＜ 0.05)。秸稈旋耕還田較翻耕還田顯著降低了開花期葉片 + 葉鞘氮積累量、總氮積累量，而成熟期莖稈氮積累量的趨勢則相反(P＜ 0.05)。N3、N4和N5處理開花期葉片 + 葉鞘氮積累量、總氮積累量分別較N1、N2處理提高了39.4%～120.3%、24.9%～77.6% (P＜ 0.05)，N3、N4和N5處理成熟期籽粒氮積累量較N1、N2處理增加了9.5%～58.5% (P＜ 0.05)。而且在成熟期，N4、N5處理葉片 + 葉鞘氮積累量和總氮積累量較其他施氮量分別提高了21.2%～82.5%、10.2%～62.9%(P＜ 0.05)。處理間比較，T2N5和T1N4處理分別在開花期和成熟期有最高的葉片 + 葉鞘氮積累量。

表 2 2016年不同秸稈還田方式及施氮量下春玉米干物質(zhì)積累量 (g/plant)Table 2 Dry matter accumulation as affected by the straw management and nitrogen application in 2016

表 3 不同秸稈還田方式與施氮量下春玉米開花前后營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運及對籽粒干物積累的影響Table 3 Dry matter transfer before and after flowering and their contribution to grain dry matter as affected by straw management and nitrogen application levels

表 4 2016年不同秸稈還田方式與施氮量下春玉米不同器官氮素積累量 (g/plant)Table 4 Nitrogen accumulation as affected by the straw management and nitrogen application in 2016

2.5 秸稈還田和施氮量對春玉米氮素轉(zhuǎn)運的影響

由表5可知，秸稈還田方式顯著影響花前氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前氮素轉(zhuǎn)運對籽粒氮素積累貢獻率、花后氮素積累量和花后氮素積累對籽粒氮素積累貢獻率 (P＜ 0.05)，施氮量顯著影響花前氮素轉(zhuǎn)運量和花后氮素積累量 (P＜ 0.05)。秸稈旋耕較翻耕還田顯著降低了花前氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前氮素轉(zhuǎn)運對籽粒氮素積累貢獻率，而花后氮素積累量和花后氮素積累對籽粒氮素積累貢獻率的趨勢則相反 (P＜ 0.05)。N3、N4和N5處理的花前氮素轉(zhuǎn)運量及花后氮素積累量分別較N1處理提高了70.5%～96.7%、25.6%～48.8% (P＜ 0.05)。處理間比較，T2N3處理花前氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率、花前氮素轉(zhuǎn)運對籽粒氮素積累貢獻率最高，T1N2處理花后氮素積累對籽粒氮素積累貢獻率最大。

3 討論與結(jié)論

本研究表明，秸稈旋耕還田較翻耕還田增加了春玉米地上部干物質(zhì)和氮素積累量。究其原因，旋耕還田的秸稈在土壤中分布更均勻，有利于秸稈腐解，促進了土壤微生物活性，加強了土壤礦化，從而提高了土壤的供氮能力，有利于作物對土壤氮素的吸收[5–6,21]；旋耕未打破犁底層，秸稈在土壤中均勻分布及犁底層的存在，降低了追施氮肥的淋溶損失，改善了玉米生育后期對土壤氮素的需求，促進了植株干物質(zhì)和氮素的積累[22]。

研究結(jié)果顯示，秸稈旋耕與翻耕還田的產(chǎn)量和籽粒氮素積累量并無顯著差異，但秸稈旋耕還田顯著提高了花后氮素積累量和花后干物質(zhì)和氮素積累對籽粒干物質(zhì)和氮素積累貢獻率，然而保留在莖稈中的干物質(zhì)和氮素積累量卻較高，導(dǎo)致收獲指數(shù)較低；而秸稈翻耕還田顯著增加了花前干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率，花前干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)和氮素積累貢獻率分別達到了12.4%、44.1%。秸稈旋耕還田顯著降低了開花期葉片 + 葉鞘氮素積累量、總氮積累量，可能是因為秸稈腐解促使微生物與作物競爭土壤中的無機氮所致，但是秸稈腐解釋放的氮素改善了玉米生育后期對氮素的需求[5,23–24]。衰老的特征之一就是氮代謝從同化向分配轉(zhuǎn)化[16]，本研究中秸稈旋耕還田較秸稈翻耕還田能防止早衰，提高了玉米生育后期植株干物質(zhì)和氮素積累量。

表 5 不同秸稈還田方式與施氮量下春玉米開花前后營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運及其對籽粒氮素積累的貢獻Table 5 Nitrogen transfer before and after flowering stage and their contribution to grain N as affected by straw management and nitrogen application

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，春玉米產(chǎn)量和籽粒氮素積累量、地上部干物質(zhì)和氮素積累量呈逐漸提高的趨勢。然而施氮量超過262.5 kg/hm2后，產(chǎn)量和籽粒氮素積累量增加不顯著。施氮量262.5～412.5 kg/hm2的產(chǎn)量、籽粒氮素積累量、地上部干物質(zhì)和氮素積累量較施氮量112.5～187.5 kg/hm2分別增加了5.9%～21.1%、8.0%～69.1%、6.3%～26.1%、6.3%～68.9%。呂鵬等[14]和張姍等[25]研究表明，夏玉米和冬小麥產(chǎn)量、籽粒氮素積累量、地上部干物質(zhì)和氮素積累量均隨施氮量增加而顯著增加。本研究表明，在雨水充沛年份，當(dāng)施氮量為112.5～187.5 kg/hm2時，地上部氮素積累量為164～223 kg/hm2，而施氮量為262.5～412.5 kg/hm2時，地上部氮積累量為237～277 kg/hm2。過量施用氮肥會使大量盈余的氮素通過氨揮發(fā)、N2O排放或淋溶而損失，導(dǎo)致資源嚴重浪費和環(huán)境污染。Cui等[26]研究表明，施肥量超過300 kg/hm2顯著提高夏玉米田土壤硝態(tài)氮含量。在本研究的氮肥梯度中，穗數(shù)隨著施氮量表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，穗粒數(shù)表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，而百粒重表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，可見過量施肥是通過增加穗數(shù)和百粒重來增加產(chǎn)量。

在本研究中，施氮量為262.5 kg/hm2時玉米花前干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率最高，花前干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運對籽粒干物質(zhì)和氮素積累貢獻率分別達到了16.7%、45.2%。呂鵬等[14]研究表明，過量施氮肥使營養(yǎng)體氮代謝過旺，導(dǎo)致運往籽粒的氮素減少。春亮等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在開花期氮素吸收能力強，有利于減緩葉片等光合器官中氮素的輸出，從而維持其較長的光合活性，促進子粒的結(jié)實。在本研究中，高氮肥較低氮肥處理在開花期和成熟期顯著增加了葉片 + 葉鞘的干物質(zhì)重和氮素積累量，通過保持植株生育后期較高的干物質(zhì)合成能力來增加百粒重，進而提高了產(chǎn)量。綜合考慮所測試的指標可以得出，短期秸稈旋耕還田和翻耕還田春玉米產(chǎn)量和籽粒氮素積累量差異不顯著，然而秸稈旋耕還田作業(yè)成本較低。當(dāng)施氮量為262.5 kg/hm2時能收獲較高的產(chǎn)量和籽粒氮素積累量，是春玉米秸稈全量還田初期較適宜的配施氮量。

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