秸秆还田与氮肥运筹对玉米光合特性及产量的影响

高日平，赵沛义，韩云飞，刘小月，高 宇，杜二小，任永峰，李焕春，张 鹏，梁广荣

（1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古旱作农业重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010031；4.农业农村部内蒙古耕地保育科学观测实验站，内蒙古 武川 011705；5.清水河县农牧和科技局，内蒙古 清水河 011600）

秸秆作为一种可再生生物资源及重要的农业副产品[1]，富含多种营养元素和有机物质[2]。秸秆高效、合理资源化利用是提升土壤耕作能力、减少农田污染、缓解资源短缺以及农业可持续发展的重要手段[3]。内蒙古黄土风沙区主栽作物为玉米，种植面积大、范围广，占当地作物种植面积的60%以上[4]，该区域每年产生大量的秸秆，因此，如何变废为宝、实现秸秆废弃物的资源化利用就成为一个亟待解决的难题。研究表明，秸秆还田是秸秆肥料化利用的一种有效途径[5-6]，还田后可提高土壤养分、改善土壤质量[7]、增加土壤有机质含量[8]，对提升土壤酶活性、微生物数量、作物产量[9-11]效果显著，且适量配施氮肥[12]可提高秸秆还田利用率和秸秆矿化腐解速率，还田培肥增产效果更佳。作物产量一般取决于干物质积累的多少，而干物质积累量的90%～95%是直接或间接来自光合作用生产的有机物[13]。光合作用是作物产量形成的基础，作物光合速率的高低和产量大小与实际生产中田间氮肥运筹密切相关[14]。然而，内蒙古黄土风沙区鲜有关于秸秆还田下不同氮肥运筹对玉米光合特性及产量形成的研究。鉴于此，本试验通过探究秸秆还田条件下不同氮肥施用量和施用比例对玉米叶面积指数、光合性能及产量的影响，拟从光合角度探讨秸秆还田下不同氮肥运筹影响产量的机理，以期为该区域秸秆还田下高效施氮制度提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

秸秆还田开始于2016年10月上旬，本试验于2019年5月10日—10月1日在内蒙古清水河县农牧和科技局良种场试验田进行。试验地是典型的黄土高原沟壑区，旱坡地占90%以上，属中温带半干旱大陆性季风气候区。年降水量365 mm，年蒸发量2 577 mm，无霜期140 d，年平均气温7.1 ℃。土壤肥力为有机质含量9.30 g/kg、全氮含量0.58 g/kg、碱解氮含量35.10 mg/kg、有效磷含量5.39 mg/kg、速效钾含量102.60 mg/kg。试验期间月平均降雨量和月平均气温变化见图1。

1.2 试验设计

据调查，当地农户习惯施肥用量一般为氮肥225 kg/hm2、磷肥150 kg/hm2、钾肥75 kg/hm2，施用方法为部分氮肥和全部磷、钾肥基施，剩余氮肥于拔节期至孕穗期追施，追施比例为1∶2。根据前人研究结果[15-16]，试验设置播种前、大喇叭口期为玉米最佳施氮时期，在此基础上，试验共设置5 个处理，分别为（1）FN：氮肥习惯施用（CK）；（2）FNS：氮肥习惯施用配合秸秆还田；（3）HNS：氮肥高量施用配合秸秆还田；（4）RN：氮肥后肥前移施用；（5）RNS：氮肥后肥前移施用配合秸秆还田。各处理小区面积均为96 m2（12 m×8 m），每个处理设置3 次重复，随机区组排列。

氮肥习惯施用为基肥∶大喇叭口肥=1∶2，氮肥后肥前移施用为基肥∶大喇叭口肥=1∶1，基肥均匀抛撒于田间，春季播种前随旋耕整地施入，大喇叭口肥用小型施肥罐随灌水追入，氮肥高量施用配合秸秆还田尿素（纯N）用量为270 kg/hm2，其余4 个处理尿素（纯N）用量为225 kg/hm2，所有处理过磷酸钙（P2O5150 kg/hm2）和硫酸钾（K2O 75 kg/hm2）一次性基施。

玉米进入完熟期后，采用大型玉米收获机进行收获，同时将玉米秸秆粉碎（长度为3～5 cm），并均匀抛撒于田间；采用液压旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度为20～30 cm，可将秸秆翻埋至10～20 cm 土层，并进行耙平，达到土壤深、松、平、碎、墒的状态，还田量参考当地往年试验结果，为6 000 kg/hm2。

2019年5月上旬播种，10月下旬收获，播种方式为全覆膜双垄沟播种植，小行距40 cm，大行距70 cm，株距30 cm，种植密度为52 500 株/hm2，供试玉米品种为当地主栽品种种星618。田间管理方式均一致，并与当地农事习惯相符。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 玉米叶面积指数测定 于玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期，各小区随机选取3 株，用直尺法测定叶长和叶宽，根据公式叶面积=叶长×叶宽×0.75 计算叶面积，根据单位土地面积上的总绿叶面积与单位土地面积比计算叶面积指数。

1.3.2 玉米叶片光合参数测定 在玉米抽雄期、灌浆期，选择晴朗无云的天气，于各小区中间位置选取长势均一的3 株玉米，使用CIRAS-3 便携式光合仪（美国PP Systems 公司），于9：00—11：00 测定玉米叶片净光合速率（Pn），单位为μmol/（m2·s）；胞间CO2浓度（Ci），单位为μmol/mol；气孔导度（Gs），单位为mmol/（m2·s）；蒸腾速率（Tr），单位为mmol/（m2·s）；叶片水蒸气压亏缺（VPD），单位为kPa；光合水分利用效率（WUE），单位为mmol/mol，结果取平均值。

1.3.3 玉米产量的测定 每小区随机选10 m 长双行进行产量测定，按照14%含水率进行折算。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行试验数据处理和绘制统计图表，选用SPSS 25.0 数据处理系统进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与氮肥运筹对玉米叶面积指数的影响

由表1 可知，FN、FNS、HNS、RN、RNS 处理叶面积指数（LAI）均随玉米生育时期的推移而变化显著，总体呈先升高后降低的态势，灌浆期LAI 均达到峰值。其中，全生育期LAI 以RNS 处理为最大，HNS 处理次之，FN（CK）和RN 处理较小；RNS、HNS、FNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05），FN（CK）与RN处理相比差异不显著（P＞0.05），供氮水平达到一定程度后，继续增加氮肥投入对玉米LAI 影响不明显。玉米灌浆期时，RNS 处理、HNS 处理和FNS 处理相比FN（CK）LAI 分别提高6.74%、5.70%和5.18%，但FN（CK）＞RN 处理。氮肥施用配合秸秆还田可以促进玉米光合器官的生长发育，增大叶面积，提高群体LAI。

表1 不同处理玉米各生育时期LAI 变化

2.2 秸秆还田与氮肥运筹对玉米光合特性的影响

5 个处理玉米抽雄期、灌浆期叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、光合水分利用效率（WUE）、叶片水蒸气压亏缺（VPD）等光合参数见图2。不同处理下，抽雄期玉米净光合速率（Pn）变化范围为30.43～38.19 μmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS ＞HNS ＞FNS ＞RN＞FN，说明秸秆还田配合施用氮肥较单一施用氮肥可显著提高叶片净光合速率（P＜0.05），且不同氮肥管理方式提升效果不同；通过额外补增氮肥和氮肥后肥前移增加玉米前中期氮素投入，玉米叶片净光合速率（Pn）显著提高（P＜0.05）；秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 较FN（CK）净光合速率（Pn）提高20.21%、21.69%、25.50%，FNS、HNS、RNS、RN 处理与FN（CK）差异显著（P＜0.05）。灌浆期玉米净光合速率（Pn）变化范围为24.48～35.18 μmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN，RN 处理净光合速率小于FN（CK），但未达到显著差异水平（P＞0.05）；FNS、HNS、RNS 处理较FN（CK）净光合速率（Pn）提高20.49%、24.49%、36.51%，FNS、HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。

不同处理下，玉米叶片蒸腾速率（Tr）与净光合速率（Pn）变化规律一致，抽雄期玉米蒸腾速率（Tr）变化范围为5.27～6.34 mmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞RN＞FN；秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 较常规不还田处理FN（CK）蒸腾速率（Tr）提高16.13%、18.98%、20.30%，FNS、HNS、RNS处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。灌浆期玉米蒸腾速率（Tr）变化范围为5.44～6.69 mmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 较FN（CK）蒸腾速率（Tr） 提高10.64%、13.83%、18.62%，FNS、HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05），FN（CK）与RN 处理相比差异不显著（P＞0.05）。2 个生育时期均以RNS 处理蒸腾速率（Tr）最大，说明秸秆还田下氮肥后肥前移可提高玉米叶片蒸腾速率。

不同处理下，抽雄期玉米叶片气孔导度（Gs）变化范围为318.78～378.22 mmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞RN≈FN；秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 较FN（CK）气孔导度（Gs）提高11.50%、14.95%、18.65%，FNS、HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。灌浆期玉米气孔导度（Gs）变化范围为303.43～373.00 mmol/（m2·s），各处理由大到小顺序依次为RNS≈HNS＞FNS＞RN＞FN；FNS、HNS、RNS 较FN（CK）气孔导度（Gs）提高12.93%、22.43%、22.93%，FNS、HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05），FN（CK）与RN 处理相比差异不显著（P＞0.05）。

不同处理下，抽雄期玉米叶片胞间CO2浓度（Ci）变化范围为159.43～219.22 μmol/mol，各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 较FN（CK） 胞间CO2浓度（Ci） 提高14.59%、20.31%、34.49%，FNS、HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。灌浆期玉米胞间CO2浓度（Ci）变化范围为152.31～201.33 μmol/mol，各处理由大到小顺序依次为HNS＞RNS＞FNS＞FN＞RN；FNS、HNS、RNS 较FN（CK）胞间CO2浓度（Ci）提高12.30%、20.47%、17.08%，FNS、HNS、RNS、RN 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。

不同处理下，抽雄期玉米叶片光合水分利用效率（WUE）变化范围为5.51～6.22 mmol/mol，各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞RN＞FN；秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 较FN（CK）叶片光合水分利用效率提高6.72%、10.89%、12.89%，HNS、RNS 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。灌浆期玉米叶片光合水分利用效率（WUE）变化范围为4.56～5.17 mmol/mol，各处理由大到小顺序依次为RNS ＞HNS ＞FNS ＞RN ＞FN；FNS、HNS、RNS 较 FN（CK）叶片光合水分利用效率提高9.87%、12.50%、13.38%，FNS、HNS、RNS、RN 处理与FN（CK）相比差异显著（P＜0.05）。

不同处理下，抽雄期、灌浆期玉米叶片水蒸气压亏缺（VPD） 变化范围分别为1.69～1.80 kPa、2.08～2.23 kPa，但2 个生育时期各处理差异不显著（P＞0.05），秸秆还田下不同氮肥管理方式对玉米水蒸气压亏缺（VPD）影响不明显。

2.3 秸秆还田与氮肥运筹对玉米产量的影响

由图3 可知，秸秆还田结合不同氮肥管理方式对玉米产量影响显著（P＜0.05），籽粒产量变化范围为10 580.5～12 039.8 kg/hm2，各处理由大到小顺序依次为RNS＞HNS＞FNS＞FN＞RN，以RNS 处理籽粒产量最高，RN 处理籽粒产量最低；玉米茎秆产量变化范围为21 412.3～24 444.7 kg/hm2，各处理由大到小顺序依次为HNS＞RNS＞FNS＞FN＞RN，以HNS 处理茎秆产量最高，RN 处理茎秆产量最低；玉米生物产量总体表现为秸秆还田＞秸秆不还田，其中，秸秆不还田情况下，氮肥后肥前移施用（RN）较FN（CK）产量有所下降，但差异未达到显著水平（P＞0.05）。与FN（CK）相比，秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 玉米籽粒产量分别提高5.30%、10.93%、11.41%，茎秆产量分别提高8.55%、13.80%、10.55%；秸秆还田结合施用氮肥相比单施氮肥玉米产量显著提高（P＜0.05），且额外增补氮肥和氮肥后肥前移产量提升效果更明显。秸秆还田条件下氮肥后肥前移施用优于氮肥习惯施用配合秸秆还田，且可以达到氮肥高量施用配合秸秆还田水平，满足玉米高产、稳产要求。

3 讨论与结论

叶片是作物吸收光能进行光合作用最重要的器官，叶面积指数是作物群体光合性能的重要体现，可反映群体结构和生长发育状况。光合性能是决定作物光能利用率高低及获得高产的关键，不仅与作物种植密度、株形等因素相关，还与田间氮肥施用量、施用比例等密切相关。王进斌等[17]研究表明，氮肥运筹可显著提高春玉米叶面积指数和光合特性，增加作物产量；李二珍等[15]通过氮肥分次施用研究表明，氮肥基施结合大喇叭口期追施可显著提高玉米光合速率和产量，且最佳追肥时期为大喇叭口期。本研究与前人研究结果类似，试验结果表明，不同氮肥运筹配合秸秆还田可提高玉米抽雄期和灌浆期叶面积指数、光合特性以及玉米产量。叶面积指数以氮肥后肥前移施用配合秸秆还田（RNS）最高，可以达到或优于氮肥高量施用配合秸秆还田水平。这可能是由于过量氮素投入反而限制了玉米叶片的生长发育，影响了玉米叶面积的增加。秸秆还田处理FNS、HNS、RNS 与FN（CK）间净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、光合水分利用效率（WUE）差异显著（P＜0.05）；氮肥习惯施用（FN）与氮肥后肥前移（RN）总体上差异不显著（P＞0.05），表现为秸秆还田处理＞秸秆不还田处理。这可能是由于秸秆还田后，促进了微生物的分解，增加了作物冠层中CO2浓度，抑制了作物光呼吸，提高了作物的光合速率，增加了光合机构的活性。另外，本试验研究表明，各处理间叶片水蒸气压亏缺（VPD）差异不显著（P＞0.05）。叶片水蒸气压亏缺（VPD）是某一温度下空气的饱和水汽压与实际水气压之差，本试验中各处理间叶片水蒸气压亏缺（VPD）有所差异，但未达到显著水平（P＞0.05），这可能是由于当前试验环境条件下玉米对叶片水蒸气压亏缺（VPD）反应的敏感性较差，未表现出较大差异，这与李秧秧等[16]的研究结果一致。在产量方面，氮肥后肥前移施用配合秸秆还田优于氮肥习惯施用配合秸秆还田，且可以达到氮肥高量施用配合秸秆还田水平。这可能是由于秸秆与氮肥配合施用较单一氮肥施用明显降低了化肥对土壤微生物的抑制作用，提高了土壤养分含量，促进了地上部玉米叶片的正常生长发育和群体光合性能。后肥前移减少了全生育期作物氮素投入，免去了作物生育前期秸秆与土壤中微生物氮素争夺，且秸秆中后期矿化分解释放养分可保证作物正常生长发育，满足了玉米高产、稳产要求。综上所述，推荐氮肥后肥前移施用配合秸秆还田为内蒙古黄土风沙区秸秆还田高效施氮制度和玉米节本稳产增效栽培模式。