秸稈還田條件下減施氮肥對旱地冬小麥水氮利用、光合及產(chǎn)量的影響

王金金，劉小利，劉 佩，石紅霞，黎景來，寧燕珊，張 鵬，賈志寬，任小龍

(西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100)

作物秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等元素[1]，還田后有助于土壤蓄水保墑、培肥地力，改變農(nóng)田氮素平衡，增加作物產(chǎn)量[2-7]。長期秸稈還田可達到減氮節(jié)肥的效果[8-9]，也是農(nóng)田資源合理、有效利用和杜絕秸稈焚燒、改善生態(tài)環(huán)境的重要措施[10]，尤其是隨著機械化水平的提高，秸稈全量還田更加廣泛[11-12]。然而，秸稈的碳氮比較高, 在短期分解過程中會與土壤微生物爭奪氮素，影響土壤氮素和肥料氮素的有效性, 進一步影響作物生長[13]。研究表明，單一秸稈還田對作物的增產(chǎn)效果不明顯，其中土壤氮素供應缺乏是主要限制因素[14]。但實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)戶為追求作物高產(chǎn)，施氮量越來越大。據(jù)2004年在陜西中部地區(qū)調(diào)查，與推薦施氮量相比，69%的農(nóng)戶在小麥季平均過量施氮55 kg·hm-2[15]。在關中地區(qū)，農(nóng)民種植小麥的平均施氮量為152～265 kg·hm-2，施氮量超過233 kg·hm-2的農(nóng)戶比例達到26.85%，這與該地區(qū)推薦施氮量120～226 kg·hm-2相比，過量施氮現(xiàn)象明顯[16]。過量施氮不僅會引起嚴重的土壤環(huán)境問題，還會造成肥料利用率和作物生產(chǎn)力持續(xù)降低[17]。因此，探究半干旱區(qū)秸稈還田后農(nóng)田的最適施氮量對提高該地區(qū)作物產(chǎn)量和肥料高效利用有重要意義。

有關秸稈還田配施氮肥的研究已有很多。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下適量施氮可以明顯增加土壤儲水量，提高水分利用效率，延緩旗葉衰老，增強光合能力，增加粒重[18-19]。李瑋等認為，砂姜黑土區(qū)玉米秸稈全量還田(12 000 kg·hm-2)條件下，施氮202.5～243.0 kg·hm-2時冬小麥氮素利用效率和產(chǎn)量達到最高[20]。楊晨璐等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下施氮300 kg·hm-2可以促進資源高效利用和作物增產(chǎn)增效[21]。姜麗娜則認為，在秸稈還田條件下，小麥品種濟麥22的適宜施氮量為120～180 kg·hm-2，此施氮范圍可兼顧氮肥效率和籽粒產(chǎn)量[22]。不同施氮量對作物生長環(huán)境和經(jīng)濟效益的影響不同。適量減氮時小麥可獲得較高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[23]?？偟膩砜?，前人關于秸稈還田下施氮量的研究結論差異較大，沒有得出明確的施肥策略，并且此類研究多集中于秸稈還田與氮肥減量對作物產(chǎn)量、土壤氮素平衡、溫室氣體排放等的影響分析[24-28]，而針對秸稈還田與減量施氮對土壤水分、作物光合特性、氮素利用及農(nóng)業(yè)綜合效益方面影響的研究較少。本研究分析秸稈全量還田條件下，在農(nóng)民傳統(tǒng)施氮的基礎上，減施氮肥對冬小麥旗葉光合特性、水氮利用、產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響，以期為旱作秸稈還田條件下冬小麥合理施氮提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

本試驗于2017-2018年在西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學試驗基地(E108°04′，N35°20′)進行，該試驗地位于秦嶺北麓，渭河平原西部的頭道塬上。該地區(qū)年均氣溫13.5 ℃，≥0 ℃積溫4 800 ℃， 10 ℃積溫4 143 ℃，全年太陽總輻射為4.808×105J·cm-2，年平均降水量580.5 mm，年均蒸發(fā)量993.2 mm，屬暖溫帶半濕潤偏旱型氣候，且降雨主要集中在7-9月份。試驗田的地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地旱平地，土壤為土墊旱耕人為土，播前0～20 cm土壤有機質(zhì)含量11.97 g·kg-1，全氮含量1.31 g·kg-1，堿解氮含量20.53 mg·kg-1，速效磷含量22.34 mg·kg-1，速效鉀含量97.37 mg·kg-1，pH值為7.59，容重為1.25 g·cm-3。前茬作物為玉米。

1.2 2017-2018年降雨氣溫分布

試驗地冬小麥生長季多年平均降雨量為203.30 mm。2017-2018年冬小麥生長季降雨量為178.70 mm，屬于平水年，大于5 mm的有效降雨為113.70 mm(圖1)。整個小麥生長季降雨分布不均，降雨量與小麥生育期較適宜。 2017-2018年小麥生長季平均氣溫為9.00 ℃，越冬期平均氣溫為3.62 ℃，積溫為 322.20 ℃。

圖1 陜西楊凌2017-2018年小麥生育期降雨量分布

1.3 試驗設計

試驗地前茬玉米的秸稈全量粉碎還田，還田量約為9 000 kg·hm-2，秸稈含氮量為0.664%。供試小麥品種為西農(nóng)979。試驗設5個施氮水平，分別為0、75、 150 、225 和300 kg·hm-2，分別記為N0、N75、N150、N225、N300，其中N300代表關中地區(qū)農(nóng)民施氮水平。小區(qū)面積為18 m2(6 m×3 m)，3次重復，完全隨機排列。小麥于2017 年 10月24日播種，2018年6月6日收獲。所有處理均施75 kg P2O5·hm-2和120 kg K2O·hm-2，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，所有肥料均全部基施，在作物生長期間不灌溉，其他管理措施同一般大田。

1.4 采樣及測定項目與方法

1.4.1 土壤水分測定

小麥播前和成熟收獲時在株間用土鉆采集 0～200 cm土層土樣，0～20 cm土層每10 cm取1個土樣，20 cm以下土層每20 cm取1個土樣。采用烘干法測定土壤含水量。在小麥的三葉期、返青期、拔節(jié)期、揚花期和灌漿期采用TDR儀測定土壤含水量。計算土壤貯水量(W)、小麥生育期耗水量(ETa)和水分利用效率(WUE)。

W=h×p×b×10

Eta=W1-W2+Pr

WUE=Y/ETa

式中，W為土壤儲水量(mm)；h為土層深度(cm)；p為土壤容重(g·cm-3)；b土壤水分重量百分數(shù)(%);W1為播前土壤貯水量(mm)；W2為收獲后土壤貯水量(mm)；Pr為生育期有效降水量(mm)；Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4.2 作物光合特性測定

在小麥揚花期，選晴朗天氣的上午9∶00-11∶00間，用美國產(chǎn)LI-6400光合儀分別測定各處理旗葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，重復10次。

1.4.3 產(chǎn)量及其構成因素測定

在冬小麥成熟后，每個小區(qū)選取長勢一致且具有代表性的三行各1 m樣段，統(tǒng)計穗數(shù)；從中隨機選取20株小麥用于考察穗粒數(shù)；最后將樣 方內(nèi)所有小麥風干、脫粒，統(tǒng)計實際產(chǎn)量和千 粒重。

根據(jù)女性盆底功能障礙的特點及臨床表現(xiàn)，其可歸屬于中醫(yī)學“陰脫”、“ 遺溺”等病證范疇，其病因病機主要是由于年高體衰，或妊娠、產(chǎn)次過多，損傷臟腑功能，致脾腎虧虛，脾主肌肉，腎主攝納，脾腎虧虛則攝納之力減弱，致沖任不固而下脫，導致陰脫、遺溺等病證的發(fā)生。因此在治療本病時，總以健脾補腎、調(diào)理沖任為主。本研究選擇的會陰穴是任脈要穴，也是沖任及督脈之交會穴，具有統(tǒng)攝氣血運行、維持陰陽平衡的功效。溫針灸是一種針刺、艾灸的有機結合治療方法，用其刺激會陰穴可發(fā)揮大補元氣、升舉清陽、固脫止遺的作用。綜上，采用溫針灸治療女性盆底功能障礙效果理想，值得推廣。

1.4.4 作物氮素利用及經(jīng)濟效益計算

在冬小麥收獲測產(chǎn)后，計算氮素利用情況，并且統(tǒng)計氮肥價格以及籽粒產(chǎn)量價格，折算經(jīng)濟效益。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和SPSS 27.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計，采用Origin處理軟件進行樣本方差分析 Duncan’s 新復極差檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田下減氮對麥田土壤含水量的影響

小麥播前降雨比較集中，10月1日-23日降雨量達148.40 mm(圖1)，土壤墑情較好。三葉期和返青期降雨少，小麥植株弱小，地表覆蓋率低，但不同處理間各土層的土壤含水量差異較大，均表現(xiàn)為N0>N75>N225>N300>N150(圖2a、圖2b)。在生育中后期，降雨較豐富，氣溫高，水分蒸發(fā)強，小麥生長迅速，對水分的需求量大,不同處理間各土層的土壤含水量差異縮小(圖 2c～圖2e)。與N0處理相比，拔節(jié)期N75、 N150、N225、N300處理的土壤平均含水量分別降低7.38%、7.81%、7.18%和4.93%；開花期分別降低5.62%、8.57%、5.93%和4.05%；灌漿期N225處理微增，N75、N150和N300處理分別降低5.66%、3.78%和2.38%。小麥成熟收獲后， 0～20 cm土層含水量較灌漿期平均增加 5.83%，20～200 cm土層平均降低3.73%；不同處理間 0～200 cm土層平均含水量表現(xiàn)為N75>N0>N150>N225>N300(圖2f)。由此可見，在秸稈還田下，適當增施氮肥有利于小麥對土壤水分的吸收利用。

圖2 2017-2018年土壤水分動態(tài)變化

2.2 秸稈還田下減氮對冬小麥耗水量和水分利用效率的影響

隨施氮量的增加，收獲后的土壤貯水量逐漸減少，但小麥全生育期的耗水量呈增加趨勢(表1)。與N300處理相比，N0、N75、N150和N225處理收獲后的土壤貯水量分別增加3.63%、 3.06%、0.81%和0.25%，N0、N75、N150和N225處理的耗水量分別降低1.05%、0.33%、4.74%和3.99%，其中N150和N225處理的土壤貯水量和耗水量與N300處理差異均不顯著。不同處理的水分利用效率表現(xiàn)為N225>N150>N300>N75>N0，N225和N150處理較N300處理分別增加1.71%和0.59%，其中N225處理變化顯著，說明在秸稈還田下適當減施氮肥能夠促進小麥對土壤水分的高效利用。

表1 秸稈還田下施氮對冬小麥耗水量和水分利用效率的影響

2.3 秸稈還田下減氮對冬小麥光合特性的影響

隨著施氮量的增加，小麥旗葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)均表現(xiàn)為先增后減趨勢，均以N225處理最大(表2)。與N0處理相比，N75、N150、N225和N300處理的Pn分別增加12.63%、53.68、113.12%和 83.16%，Tr分別增加5.19%、61.48%、 155.93%和 128.89%，Gs分別增加1.11%、72.22%、 193.33%和147.78%。小麥旗葉Ci隨著施氮量的增加呈先減后增的趨勢，以N225處理最低。與N0處理相比，N75、N150、N225和N300處理的Ci分別降低9.72%、22.30%、27.09%和 15.84%。適量減施氮肥可促進小麥旗葉的水氣交換，進而改善光合性能。

表2 秸稈還田下施氮對冬小麥開花期旗葉光合參數(shù)的影響

2.4 秸稈還田下減氮對小麥產(chǎn)量及構成的影響

表3 秸稈還田下施氮對冬小麥產(chǎn)量及其構成的影響

2.5 秸稈還田下減氮對小麥氮素利用及經(jīng)濟效益的影響

隨著施氮量的增加，氮肥貢獻率呈先增后減的趨勢(圖3)，其中N225處理最高，較N300處理顯著增加，增幅為4.95%，N150處理與N300處理差異不顯著，說明在傳統(tǒng)施氮的基礎上，適量減少氮肥投入可提高氮肥對小麥產(chǎn)量的作用。氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學效率隨著施氮量的增加均呈逐漸降低的趨勢。相比于N300處理，N75、N150和N225處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別提高269.08%、98.25%和35.16%，氮肥農(nóng)學效率分別提高166.52%、95.74%和42.00%。

圖3 秸稈還田下施氮對氮素利用的影響

在所有處理中，N225處理的凈效益最高，其次為N150處理，兩個處理比N300處理分別增收332.40和169.20元·hm-2，其余處理的效益均減少；產(chǎn)投比均以N225和N150處理最大(表4)。由此說明在小麥傳統(tǒng)施氮的基礎上，適量施少氮肥施用量可以達到減投增收的目的。

表4 經(jīng)濟效益分析

3 討 論

在西北半干旱地區(qū)，水分對作物生長發(fā)育至關重要。在秸稈還田下施肥方式會影響冬小麥各生育時期的土壤水分狀況[29]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下，土壤儲水量及作物水分利用率隨施氮量的增加呈先增后減趨勢，在施氮262.5 kg·hm-2時達到最高，施氮量為350 kg·hm-2時明顯下降[30]。本研究中，秸稈還田配施適量氮肥有利于冬小麥充分吸收利用土壤水分。相比于傳統(tǒng)施氮(300 kg·hm-2)，施氮150和225 kg·hm-2時小麥收獲后土壤貯水量和生育期耗水量變化不顯著，水分利用效率分別略有和顯著提高，這與前人的研究結果相一致[31]。究其原因，秸稈還田條件下土壤無效蒸發(fā)減少，水分條件得到改善，增加了土壤養(yǎng)分的有效性，有利于冬小麥根系生長發(fā)育，促進植株對土壤養(yǎng)分和水分的吸收利用，同時對氮肥投入的要求已不同于傳統(tǒng)施氮，必須適當減少[32]。

光合作用是植物體內(nèi)重要的代謝過程，顯著影響著作物的生長和產(chǎn)量形成。氮肥對小麥光合特性調(diào)節(jié)有作用，可促進小麥增產(chǎn)[33-35]。光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度是作物葉片氣體交換和光合生理特性的重要指標。在本研究中，隨著施氮量的提高，小麥旗葉的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率整體上均呈先增后減的趨勢，均以N225處理最大；而胞間CO2濃度表現(xiàn)正好相反，呈先減后增趨勢，以N225處理最低。可見300 kg·hm-2傳統(tǒng)施氮量已過量，降低了小麥光合性能；施氮225 kg·hm-2最有利于葉片氣孔的氣體交換，進而促進光合作用。王東等對濟麥20研究指出，氮素與小麥光合性能的關系存在閾值效應，即在一定施氮量范圍內(nèi)，隨施氮量的增加，小麥旗葉光合性能逐漸增強，但超過閾值，小麥旗葉光合性能顯著降低，且影響籽粒產(chǎn)量[36]。其原因可能是適量施氮可促進小麥葉面積增大，葉片數(shù)增多，增大光合面積；施氮后葉綠素含量增加，光合能力提高，進而增強小麥對土壤水分的利用，增加作物產(chǎn)量。而過量施氮會降低小麥光合性能，原因可能與葉片氮素含量有關。有學者認為，小麥葉片光合速率與其氮素含量呈二次曲線關系，達到一定含氮量后不再繼續(xù)上升，反而下降[37-38]。高氮條件下小麥單位面積穗數(shù)增加，但群體過大，其不利于植株光合作用[39]。此外，施氮量也會通過影響作物根系的發(fā)育對植株養(yǎng)分和水分吸收產(chǎn)生作用，進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)形成[40]。

秸稈還田在目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要措施。本研究表明，秸稈還田配施氮肥可以明顯增加小麥產(chǎn)量，與徐蔣來等[41]的研究結論相同。前人研究指出，小麥施氮量和籽粒產(chǎn)量呈二次曲線關系，在一定閾值范圍內(nèi)，施氮能增加產(chǎn)量；當施氮量超過臨界值，投入產(chǎn)出率急劇下降，同時導致氮肥利用率降低和環(huán)境污染[42-43]。本研究結果與此一致。本研究中，與傳統(tǒng)施氮(N300)相比， N225處理顯著增產(chǎn)，N150處理的籽粒產(chǎn)量變化不顯著，說明在傳統(tǒng)施氮的基礎上配合秸稈還田，適量減氮有明顯的增產(chǎn)效應；從產(chǎn)量結構看，穗數(shù)隨著施氮量的增加呈線性增加，而穗粒數(shù)和千粒重均呈先增后降趨勢，說明過量施氮會導致群體過大，不利于穗部發(fā)育[42]，從而導致穗粒數(shù)減少，粒重下降，影響最終籽粒產(chǎn)量及水分和養(yǎng)分利用效率。本研究中，在關中平原地區(qū)，秸稈還田9 000 kg·hm-2下，相比N300處理，N225處理可顯著提高小麥的氮肥貢獻率，N150和N255處理可顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學效率，并且增加了經(jīng)濟效益，具有較高的產(chǎn)投比。一些研究中也得到相似的結論[43-45]。

綜合考慮，對于西北半干旱地區(qū)，秸稈還田下N300已過量，適量減施氮肥的N225處理可促進小麥對土壤水分和氮素的利用，改善葉片光合性能，具有顯著的增產(chǎn)增收效應；N150處理的籽粒產(chǎn)量與N300處理差異不顯著，且在土壤水分利用，氮素利用，經(jīng)濟效益等方面表現(xiàn)較優(yōu)；N75已經(jīng)嚴重減產(chǎn)減收。因此結合前人研究和生產(chǎn)實踐，關中平原玉米秸稈還田條件下冬小麥配施氮肥150～225 kg·hm-2較好。