试验于2011— 2012和2012— 2013年生长季在山东兖州试验站进行, 前茬玉米收获后, 秸秆保留田间。试验地耕层(0~20 cm)土壤含有机质12.3 g kg^-1、全氮0.91 g kg^-1、硝态氮16.93 mg kg^-1、铵态氮5.64 mg kg^-1、速效磷8.6 mg kg^-1、速效钾57.5 mg kg^-1。

供试品种为济麦22, 种植密度为2.25× 10⁶株 hm^-2, 行距为25 cm。裂区试验设计, 主区因素为秸秆还田(田间玉米秸秆全量粉碎, 深耕翻埋还田)和无秸秆还田代号(玉米收获后将秸秆移出地块, 深耕), 副区为4个不同纯氮施量, 分别为适氮(225 kg hm^-2)、减氮(165 kg hm^-2)、增氮(300 kg hm^-2)和超氮(360 kg hm^-2)处理, 随机排列, 3次重复。耕地时施入50%氮肥、P₂O₅ 105 kg hm^-2和K₂O 75 kg hm^-2, 拔节期追施其余氮肥。小区面积为4 m × 15 m = 60 m², 小区间隔1 m。

1.2.1 氮效率 分别在开花期、成熟期取生长一致植株, 每处理10株, 将样品按照叶、茎+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒分开, 于105℃下杀青30 min, 70℃烘干至恒重后称重并粉碎混匀, 以H₂SO₄-H₂O₂联合消煮, 半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量。氮肥偏生产力(PFP_N, kg kg^-1) = 施氮小区产量/施氮量; 氮素利用效率(NUE, kg kg^-1) = 籽粒产量 / 植株吸氮量; 氮素收获指数(NHI, kg kg^-1) = 籽粒吸氮量/植株吸氮量。

1.2.2 土壤硝态氮含量 从每副区于播种前、拔节期、成熟期取0~120 cm土壤样品, 每30 cm分一层, 3次重复。称取10.0 g新鲜土样, 用1 mol L^-1 KCl溶液50 mL浸提, 振荡1 h后过滤, 用AA3连续流动分析仪(SFA CAF FIA BRAN+LUEBBE III)测定土壤硝态氮含量。

用Microsoft Excel 2003处理数据并作图; 在DPS7.05中完成统计分析, 用LSD法进行多重比较。

除减氮处理外, 相同施氮量下秸秆还田的干物质积累量高于无秸秆还田, 适氮、增氮和超氮处理分别提高9.6%、10.2%和8.2% (图1)。与无秸秆还田相比, 秸秆还田显著提高了花后干物质积累比例, 增幅达43.5%~61.7%。

图1

Fig. 1

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	图1 秸秆还田条件下不同施氮处理对冬小麦地上部干物质积累的影响S: 秸秆还田; NS: 无秸秆还田; N: 适氮; N-: 减氮; N+: 增氮; N++: 超氮。Fig. 1 Effect of nitrogen application on shoot dry matter accumulation in winter wheat under straw returning conditionS: straw returning; NS: non-straw returning; N: N-moderate; N-: N-reduced; N+: N-increased; N++: N-luxurious.

氮素再转运量及再转运氮素对籽粒的贡献率均表现为叶片> 茎+鞘> 穗轴+颖壳(表1)。减氮处理显著降低了花后各器官氮素向籽粒的转运量、贡献率以及营养器官氮素转移对籽粒的总贡献率。相对于颖壳+穗轴与茎+叶鞘, 叶片氮素再转运对籽粒的贡献率受施氮量影响更大。营养器官氮素转运对籽粒氮的贡献率为73%~86%, 可见花后营养器官氮素再转运是籽粒氮素的主要来源。除减氮处理外, 秸秆还田提高了营养器官氮素再转运的总贡献率, 尤以适氮处理的增幅最大(3.7%)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦不同器官氮素再转运及其对籽粒氮素贡献率的影响 Table 1 Effects of straw returning and N application on N remobilization and its contribution from different organs to grain (kg hm-2) 处理 Treatment 氮素再转运量 Amount of N remobilization 再转运氮素对籽粒的贡献率 Contribution of remobilized N to grain 叶片 Leaf 茎+叶鞘 Stem + sheath 穗轴+颖壳 Rachis + glume 叶片 Leaf 茎+叶鞘 Stem + sheath 穗轴+颖壳 Rachis + glume 总和 Total 2011-2012 无秸秆还田 Non-straw returning N 77.19 bc 52.91 b 51.14 a 0.35 ab 0.24 a 0.23 a 0.82 a N- 58.18 d 37.45 d 34.76 d 0.33 b 0.21 b 0.20 b 0.74 bc N+ 75.04 bc 47.48 c 47.40 ab 0.36 ab 0.23 a 0.23 a 0.82 a N++ 77.34 bc 43.87 c 38.74 c 0.38 a 0.23 a 0.19 b 0.80 ab 秸秆还田 Straw returning N 74.11 c 48.20 c 46.46 ab 0.37 a 0.24 a 0.23 a 0.84 a N- 61.64 d 38.69 d 37.99 cd 0.33 b 0.20 b 0.20 b 0.73 c N+ 82.29 ab 55.03 ab 51.75 a 0.36 ab 0.24 a 0.23 a 0.83 a N++ 86.34 a 57.85 a 52.29 a 0.36 ab 0.24 a 0.22 a 0.82 a 2012-2013 无秸秆还田 Non-straw returning N 73.36 b 56.47 c 49.60 cd 0.34 a 0.25 bc 0.23 b 0.82 ab N- 62.58 d 45.14 e 39.88 e 0.33 ab 0.24 c 0.21 c 0.78 b N+ 71.41 bc 63.23 b 53.03 bc 0.31 bcd 0.28 ab 0.23 b 0.82 ab N++ 64.98 cd 62.03 bc 44.12 d 0.30 cd 0.28 ab 0.20 c 0.78 b 秸秆还田 Straw returning N 78.80 a 71.48 a 60.61 a 0.32 abc 0.29 a 0.25 a 0.86 a N- 61.19 d 50.54 d 45.15 d 0.29 d 0.24 c 0.21 c 0.73 c N+ 65.77 cd 64.77 b 57.23 ab 0.29 d 0.29 a 0.25 a 0.83 a N++ 66.44 cd 57.25 c 47.95 d 0.30 c 0.26 bc 0.21 c 0.77 b N: N-moderate; N-: N-reduced; N+: N-increased; N++: N-luxurious. In each growing year, values followed by different letters are significantly different at P< 0.05 (LSD method). N: 适氮; N-: 减氮; N+: 增氮; N++: 超氮。同一年度中, 每列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05, LSD法)。

表1 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦不同器官氮素再转运及其对籽粒氮素贡献率的影响 Table 1 Effects of straw returning and N application on N remobilization and its contribution from different organs to grain (kg hm-2)

随着施氮量的增加, 氮肥偏生产力、氮素利用效率表现递减趋势, 且差异显著。适氮条件下, 秸秆还田提高氮肥偏生产力7.5%、氮素利用效率6.4%和氮素收获指数5.2%, 与无秸秆还田处理差异显著; 减氮条件下, 秸秆还田的氮肥偏生产力、氮素利用效率表现降低趋势, 且氮素利用效率显著低于无秸秆还田处理; 增氮条件下, 秸秆还田的氮素收获指数有所降低; 超氮条件下, 秸秆还田的氮素利用效率亦有所降低(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦氮效率的影响 Table 2 Effects of straw returning and N application on N efficiency of winter wheat (kg kg-1) 处理 Treatment 2011-2012 2012-2013 氮肥偏生产力 PFPN 氮素利用效率 NUE 氮素收获指数 NHI 氮肥偏生产力 PFPN 氮素利用效率 NUE 氮素收获指数 NHI 无秸秆还田 Non-straw returning N 31.93 c 25.02 c 0.79 a 33.37 c 27.78 c 0.76 b N- 45.10 a 31.81 a 0.74 b 46.96 a 32.69 a 0.80 ab N+ 25.04 d 25.59 cd 0.79 a 26.48 d 27.24 c 0.78 b N++ 21.23 e 24.80 d 0.75 b 22.11 e 28.32 bc 0.78 b 秸秆还田 Straw returning N 34.14 b 26.82 c 0.81 a 36.05 b 29.33 b 0.82 a N- 44.75 a 28.92 b 0.78 ab 46.26 a 29.69 b 0.83 a N+ 25.61 d 23.94 d 0.78 ab 27.19 d 27.77 c 0.77 b N++ 21.86 e 22.81 d 0.78 ab 22.41 e 27.50 c 0.76 b N: N-moderate; N-: N-reduced; N+: N-increased; N++: N-luxurious. PFPN: partial factor productivity of N applied; NUE: N use efficiency; NHI: N harvest index. In each growing year, values followed by different letters are significantly different at P< 0.05 (LSD method). N: 适氮; N-: 减氮; N+: 增氮; N++: 超氮。同一年度中, 每列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05, LSD法)。

表2 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦氮效率的影响 Table 2 Effects of straw returning and N application on N efficiency of winter wheat (kg kg-1)

2011— 2012年度播种前试验田地力均匀一致, 随机取6个点测定0~120 cm土壤硝态氮含量。各土层硝态氮含量均随施氮量的增加而升高。收获后, 秸秆还田各土层硝态氮累积量均低于无秸秆还田处理, 尤其是0~30 cm和30~60 cm土层, 其硝态氮累积量分别下降47.3%和54.2% (2011— 2012年度)及54.1%和68.3% (2012— 2013年度)。而无秸秆还田条件下, 2012— 2013年度除减氮外的其他处理的各土层硝态氮含量均较上一年度有所增加, 在60~90 cm和90~120 cm土层的增幅随施氮量的增多加大。2012— 2013年度收获后, 秸秆还田各处理60~120 cm土层硝态氮含量稳定在较低水平(表3)。说明秸秆还田显著降低了不同土层的硝态氮累积量, 而连续单施氮肥或过量施氮易导致土壤尤其是深层土壤硝态氮的过度积累, 增加地下水污染的风险。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 秸秆还田及氮肥用量对0~120 cm各土层土壤硝态氮积累的影响 Table 3 Effects of straw returning and N application rate on residual nitrate-N content in 0-120 cm soil layers (mg kg-1) 土层 Soil layer 处理 Treatment 2011-2012 2012-2013 播种前 Before sowing 拔节期 Jointing 收获后 After harvest 播种前 Before sowing 拔节期 Jointing 收获后 After harvest 0-30 cm 适氮 N-moderate NS 13.73 7.33 c 23.47 b 10.46 b 14.41 d 24.75 b S 13.73 4.23 e 12.37 e 8.94 b 11.78 e 8.69 e 减氮 N-decreased NS 13.73 6.55 d 21.05 c 13.82 a 13.86 d 20.27 c S 13.73 3.88 f 9.64 f 5.93 c 9.91 f 7.98 f 增氮 N-increased NS 13.73 9.66 b 24.98 ab 9.31 b 15.91 c 27.47 a S 13.73 4.47 e 15.84 d 8.73 b 14.21 d 9.39 d 超氮 N-luxurious NS 13.73 12.25 a 26.63 a 12.67 a 21.05 a 29.08 a S 13.73 5.14 d 21.69 c 12.04 a 18.39 b 21.08 c 30-60 cm 适氮 N-moderate NS 11.11 5.92 b 18.22 b 10.25 b 11.88 b 18.64 b S 11.11 2.44 e 8.36 e 8.82 c 11.58 b 7.39 f 减氮 N-decreased NS 11.11 4.88 c 20.75 a 9.80 b 10.06 c 17.13 c S 11.11 2.47 e 6.58 e 5.52 e 9.06 d 6.37 f 增氮 N-increased NS 11.11 6.15 b 17.95 b 8.86 c 11.27 c 21.16 a S 11.11 2.87 d 9.08 d 7.67 d 12.79 b 8.58 e 超氮 N-luxurious NS 11.11 11.10 a 21.80 a 12.5 a 15.76 a 22.94 a S 11.11 3.34 d 14.32 c 9.84 b 15.40 a 10.69 d 60-90 cm 适氮 N-moderate NS 8.39 3.29 b 10.95 a 9.99 a 11.30 b 11.70 a S 8.39 2.65 c 5.35 d 7.56 c 11.00 b 5.22 d 减氮 N-decreased NS 8.39 3.38 b 9.30 b 6.65 c 8.90 c 10.06 b S 8.39 2.41 d 4.11 e 4.73 d 8.24 c 3.72 e 增氮 N-increased NS 8.39 3.42 b 11.01 a 6.94 c 10.16 b 12.22 a S 8.39 2.55 c 8.60 b 6.17 c 12.74 a 7.09 c 超氮 N-luxurious NS 8.39 5.90 a 11.56 a 10.21 a 13.60 a 13.19 a S 8.39 2.69 c 7.14 c 9.06 b 12.44 a 7.60 c 90-120 cm 适氮 N-moderate NS 8.14 3.22 b 6.05 b 7.18 a 10.70 b 6.54 c S 8.14 2.50 c 4.57 c 6.96 a 10.58 b 4.87 e 减氮 N-decreased NS 8.14 3.28 b 5.15 c 5.90 b 8.80 c 5.06 d S 8.14 2.26 c 3.01 d 4.39 c 7.73 d 2.62 f 增氮 N-increased NS 8.14 3.22 b 7.05 a 6.88 a 9.41 c 8.29 b S 8.14 2.33 c 5.91 b 4.44 c 12.62 a 6.49 c 超氮 N-luxurious NS 8.14 5.16 a 7.29 a 7.45 a 13.60 a 9.78 a S 8.14 2.44 c 5.33 c 7.01 a 12.31 a 5.41 d NS: non-straw returning; S: straw returning. In each soil layer, values followed by different letters are significantly different at P< 0.05 (LSD method). NS: 无秸秆还田; S: 秸秆还田。每列数据后不同字母表示同一土层的处理间有显著差异(P< 0.05, LSD法)。

表3 秸秆还田及氮肥用量对0~120 cm各土层土壤硝态氮积累的影响 Table 3 Effects of straw returning and N application rate on residual nitrate-N content in 0-120 cm soil layers (mg kg-1)

在相同氮肥水平下, 与无秸秆还田相比, 秸秆还田显著降低穗数, 提高千粒重, 适氮处理增产效果显著, 2011— 2012年度增产6.9%, 2012— 2013年度增产8.0% (表4)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦产量和产量构成的影响 Table 4 Effects of straw returning and N application rate on yield and yield components of winter wheat 处理 Treatment 2011-2012 2012-2013 穗数 Spike number (× 106 hm-2) 穗粒数 Grain number per spike 千粒重 1000-grain weight (g) 产量 Yield (kg hm-2) 穗数 Spike number (× 106 hm-2) 穗粒数 Grain number per spike 千粒重 1000-grain weight (g) 产量 Yield (kg hm-2) 无秸秆还田 Non-straw returning N 7.62 a 31.27 a 39.20 bc 7662.60 bc 6.80 ab 34.28 ab 40.12 ab 8008.05 bc N- 7.02 b 29.03 b 39.79 bc 7441.50 bc 6.31 cd 32.20 bc 39.71 ab 7748.55 bc N+ 7.81 a 30.47 ab 38.96 c 7512.60 bc 6.95 a 32.74 b 39.37 b 7943.40 bc N++ 7.61 a 29.10 b 38.76 c 7641.45 bc 6.93 ab 32.65 b 39.07 b 7961.25 bc 秸秆还田 Straw returning N 6.88 bc 32.17 a 43.52 a 8193.45 a 6.71 abc 36.35 a 41.73 a 8650.95 a N- 6.57 c 31.70 a 41.94 ab 7384.05 c 6.14 d 35.19 a 41.65 a 7633.65 c N+ 6.81 bc 31.17 a 42.60 a 7683.15 bc 6.42 cd 32.05 bc 40.88 ab 8155.50 b N++ 6.63 bc 32.13 a 41.25 abc 7870.35 ab 6.53 bcd 30.26 c 40.38 ab 8068.20 b N: N-moderate; N-: N-reduced; N+: N-increased; N++: N-luxurious. In each growing year, values followed by different letters are significantly different at P< 0.05 (LSD method). N: 适氮; N-: 减氮; N+: 增氮; N++: 超氮。同一年度中, 每列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05, LSD法)。

表4 秸秆还田及氮肥用量对冬小麦产量和产量构成的影响 Table 4 Effects of straw returning and N application rate on yield and yield components of winter wheat

徐国伟等^{[17, 18, 19]}研究表明, 秸秆还田提高了水稻氮素收获指数、氮肥吸收效率、氮肥农学效率, 其原因是秸秆还田配施氮肥增强了水稻根系及叶片的硝酸还原酶活性, 从而促进了植株对氮素的吸收, 使植株总吸氮量增加, 同时减少了氮素在营养器官的残留。这与本研究中秸秆还田有利于花后营养器官氮素向籽粒转运的结果相符合。本研究中, 秸秆还田配施纯氮225 kg hm^-2提高了冬小麦氮肥生产效率、氮素吸收效率、氮素利用效率, 究其可能的原因, 一是秸秆还田提高了土壤C/N比, 提高了土壤微生物数量与活性, 引发了土壤氮素矿化的正激发效应, 提高了土壤氮素供应的潜力与能力, 有利于作物对氮素的吸收^[5]; 二是相对于单施氮肥, 秸秆还田减少了氮素的损失。徐新宇等^[21]利用同位素示踪技术, 发现秸秆还田减少了土壤氮素随渗漏水的流失。这与本试验秸秆还田能够减少硝态氮在深层土壤中积累的结果相吻合。土壤反硝化是土壤氮素转化的重要过程, 也是引起氮素损失和N₂O排放的重要途径, 潘志勇等^[13]和王改玲等^[14]研究表明, 秸秆还田条件下适量施用氮肥降低了土壤反硝化作用及N₂O的排放。

研究表明, 施用氮肥可显著提高作物产量; 但施氮量超过一定水平后, 产量降低^[22], 而且大量盈余的氮素会通过氨挥发、N₂O排放或淋溶而损失, 导致资源严重浪费和环境污染^[23]。Cui等^[24]研究表明, 与常规施氮量(180 kg hm^-2)相比, 施氮量300 kg hm^-2以上显著提高夏玉米田土壤硝态氮含量。在本试验条件下, 随着施氮量的增加, 0~120 cm土层硝态氮含量呈现递增趋势, 且0~90 cm土层差异显著。冬小麦收获后, 与减氮处理相比, 其他氮处理的各土层硝态氮含量均显著提高, 表明增施氮肥显著提高了土壤中硝态氮的累积量; 过量施氮超越了植株对氮素的吸收利用能力的极限, 引起了土壤中硝态氮的大量积累。连续单施氮肥加剧了土壤硝态氮的积累, 且随施氮量的增加增幅越大。秸秆还田后, 为微生物提供了充足的碳源, 微生物数量增加, 施入的氮素在微生物的作用下被土壤固持或转化为可溶性有机氮, 从而引起土壤矿质氮含量的显著下降, 但应调整还田秸秆与化学氮肥的比例, 协调氮素固持与作物吸收的关系^[20], 否则会影响当季作物对氮素的吸收利用。秸秆还田具有保存和提高土壤肥效的作用, 较单一施用化学氮肥可显著减少矿质氮的淋失^[21]。本试验中, 秸秆还田显著降低了各土层硝态氮含量, 且适氮处理显著提高了冬小麦的氮效率。秸秆还田下合理地调节化学氮肥施用量, 可以有效地协调土壤氮素的固持与供应状态, 使氮素的供应与作物吸氮相吻合^[25], 实现当季作物增产和培肥地力的双重目的。本试验秸秆施入量偏高, 秸秆还田量与化学氮肥的适宜比例尚需进一步研究。

据报道, 秸秆还田后冬小麦产量有增有减^{[5, 26, 27, 28, 29]}, 减产的主要原因是秸秆还田量与化学氮肥的配比不合适, 导致土壤碳氮失衡。本研究结果显示, 秸秆还田配施纯氮165 kg hm^-2时, 冬小麦产量降低。秸秆还田量过大或耕作方式不当, 会导致冬小麦播种质量差, 造成出苗率下降, 最终影响成穗^[30]。这与本试验秸秆还田穗数较未还田显著降低的结果一致。

秸秆还田对产量的正向效应可能源于秸秆还田提高了冬小麦花后旗叶SOD活性及可溶性蛋白含量, 降低POD活性及MDA含量, 抑制花后旗叶叶绿素降解, 减缓旗叶衰老, 延长光合时间和增强光合能力, 为提高产量奠定基础^{[27, 31, 32]}。在本研究中, 与单施氮肥相比, 秸秆还田配施纯氮225 kg hm^-2显著提高了冬小麦生物量及花后干物质积累的比例, 这种干物质积累特征有利于粒重的形成, 从而获得较高的经济产量。