玉米是黑龙江省重要的粮食兼经济作物，其产量高低不仅关系到当地农民收入状况，也会对我国粮食安全产生影响^[1]。玉米属于对土壤氮吸收量较大的作物，长期单一栽培玉米会导致土壤肥力降低、引起氮素亏缺^[2]、造成土壤有机质消耗过快和耕地质量降低^[3]。玉米生产中，常常通过大量施用化学肥料的方式维持玉米产量，该种方式除了提高玉米栽培成本外，还会破坏土壤结构，降低耕地质量^[4]。作物秸秆是一种可再生资源，含有植物生长发育过程中所需的各种营养元素，通过秸秆还田可以补充土壤内大量的营养元素，长期的秸秆还田可以有效培肥土壤并提高土壤肥力^[5]。同时，大豆与玉米轮作能够显著扩充土壤氮库，在保持较高玉米产量的前提下可以减少氮肥施用量^[6]；大豆具有提高土壤肥力和后茬玉米产量的优点，所以在黑龙江中西部地区广泛开展了大豆-玉米轮作模式，结合大豆轮作补贴制度的实施，近些年该种栽培模式推广面积呈现出逐年增加的趋势^[7]。黑龙江省北大荒农垦集团有限公司九三分公司管理局所属大西江农场、尖山农场和七星泡农场，实施玉米-大豆轮作 6 年，土壤肥力已经明显得到提升，但是当地氮肥施用量和施用方式并未发生改变，按照各农场氮肥施用量是否还会对玉米-大豆轮作下玉米产量具有显著提升效应目前仍然不明确，在土壤得到充分培肥后，降低氮肥施用量以提高氮肥利用效率是否可行尚不清楚。因此，研究增加和减少施氮条件下大豆-玉米轮作体系下玉米生长、产量和氮肥利用效率的变化规律，可以为该体系下建立科学的施肥标准提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2021 年在黑龙江省北大荒农垦集团有限公司九三分公司大西江农场（48°58′33″N，124°57′8″E）、尖山农场（48°50′11″N，125°25′4″E） 以及七星泡农场（48°59′21″N，126°1′18″E）试验田内进行。试验区属寒温带半湿润区，作物一年一熟，无灌溉，为典型的旱地雨养农业。降水主要集中在多雨的 7、8 两个月，年平均降水量为 526.6 mm，年≥ 10℃有效积温为 2312.5℃，全年日照时数为 2532 h 左右，无霜期 120 d 左右。大西江农场、尖山农场和七星泡农场供试玉米品种分别为先达 101、德美亚 1 号和利合 528，均为当地主栽品种。试验土壤类型为黑土，土壤基本理化性质见表1。各试验点日平均气温、月总降水量和月总日照见表2。

1.2 试验设计

试验田种植方式为玉米-大豆-玉米轮作，自 2014 年开始玉米-大豆轮作、秸秆还田模式，大西江农场、尖山农场和七星泡农场玉米秸秆每年还田量平均为 8500 kg/hm²，大豆秸秆每年还田量平均为 2200 kg/hm² ，2020 年 3 个农场种植作物均为大豆。 根据 3 个农场当地推荐氮肥用量，试验设置 5 个处理，其中，N0 为空白对照，不施用任何肥料；N1 为不施氮肥；N2 为减氮处理，大西江、尖山、七星泡农场施氮量分别为当地推荐施用氮肥量的 83.2%、 80.7% 和 79.1%；N3 为各试验农场当地推荐氮肥施用量；N4 为增氮处理，大西江、尖山、七星泡农场施氮量分别为当地推荐施用氮肥量的 120.35%、121.02% 和 119.76%。各处理施肥量见表3。试验所用肥料为尿素（N 46%），重过磷酸钙（P₂O₅ 46%），磷酸二铵（N 18%，P₂O₅ 46%），硫酸钾（K₂O 50%）。试验施肥分为基肥和追肥，基肥和追肥施用养分量见表3。大西江农场、尖山农场和七星泡农场试验区面积分别为 0.792、1.98 和 0.66 hm²。大垄双行，垄宽 1.1 m，肥上播种，肥深 13～15 cm。大西江农场、尖山农场和七星泡农场种植密度每公顷分别为 8.6 万、8.8 万和 8.0 万株。2021 年玉米播种时间分别是 5 月 2 日、4 月 26 日和 4 月 28 日，收获时间在 9 月 23—24 日。播种前对试验地进行旋耕、耙平、划区和起垄等作业，旋耕深度 30 cm。

1.3 田间取样及测定项目

分别于玉米拔节期（出苗后 41 d）、大喇叭口期（58 d）、吐丝期（76 d）、灌浆期（96 d）测定玉米株高^[8]；株高使用钢卷尺（精度 0.1 cm）测定。在成熟期（131 d），每处理选取 6.6 m² 范围内的玉米穗测定玉米经济性状及产量（籽粒含水量为 14%）；成熟期进行植株田间取样，每处理选取 3 株玉米，用于养分吸收量的测定。玉米植株取样后在 105℃杀青 30 min 后于 80℃下烘干至恒重，称重，粉碎，用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，凯氏定氮法测植株全氮含量，钒钼黄比色法测植株全磷含量，火焰光度计测植株全钾含量^[9]。各项指标计算方法如下^[10]：

植株氮素积累量（kg/hm²）= 单株干重 × 植株含氮量 × 种植密度；

氮肥表观利用率（%）=（施氮肥区地上部分氮肥积累量-不施氮肥区地上部分氮肥积累量）/ 施氮量 ×100；

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮肥区产量 / 施氮肥量；

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮小区籽粒产量-不施氮小区籽粒产量）/ 施氮量

1.4 数据处理

表格制作使用 Excel 2010 软件，方差分析使用 DPS 7.05 软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与大豆-玉米轮作体系下施氮对玉米株高的影响

大西江农场、尖山农场和七星泡农场 3 个农场不同玉米品种之间株高有一定差异，其中利合 528 和先达 101 株高高于德美亚 1 号。从玉米各生育期株高（表4）来看，玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期和灌浆期，与不施用氮肥相比，施用氮肥显著增加玉米株高。大西江农场、尖山农场和七星泡农场氮肥用量分别在 143、142 和 134 kg/hm² 时，增加氮肥用量对株高均无显著性影响，表明氮肥用量在当地常规施氮量的 80% 水平时不会对玉米株高有明显的影响。

注：表内数值为平均值 ± 标准差，不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 秸秆还田与大豆-玉米轮作体系下施氮对玉米干物质的影响

大西江农场、尖山农场和七星泡农场 3 个试验点成熟期玉米干物质积累量（表5）表明，大西江农场减氮显著降低了玉米茎、叶和总干物质积累量，但对籽粒干物质积累量并无显著影响；增氮仅显著提高了茎和苞叶 + 轴干物质积累量，籽粒干物质积累量增加了 1.74%，无显著差异。尖山农场减氮仅茎干物质积累显著降低，叶片显著增加，苞叶 + 轴、总干物质积累量无显著变化，籽粒干物质积累量提高了 4.29%；增氮显著提高了茎、叶、苞叶 + 轴、总干物质积累量，籽粒提高了 5.51%，无显著差异；七星泡农场减氮显著降低了茎、苞叶 + 轴干物质积累量，籽粒干物质积累量降低了 6.86%，无显著差异；增氮并未对玉米茎、叶、苞叶 + 轴、总干物质积累量产生显著影响，籽粒降低了 4.28%，无显著差异。综上所述，3 个农场在当地推荐施氮量基础上增减氮肥对玉米营养器官干物质积累量产生了显著影响，但对籽粒干物质积累量的影响并未达到显著水平。

2.3 秸秆还田与大豆-玉米轮作体系下施氮对玉米穗性状的影响

从 3 个农场的玉米穗性状（表6）来看，大西江农场减氮处理穗重、穗粒数、百粒重、穗长分别降低了 6.97%、1.41%、7.82% 和 0.71%，无显著差异；增氮处理穗重、穗粒数、穗长、穗粗和行粒数分别提高了 4.28%、3.82%、1.09%、2.34% 和 1.05%，无显著差异。尖山农场减氮处理穗重增加了 1.39%，穗粒数、百粒重、穗长、行粒数分别降低了 4.27%、4.58%、 1.81% 和 1.02%，无显著差异；增氮使穗重、穗长、行粒数分别增加了 5.39%、3.38% 和 4.14%，无显著差异；七星泡农场减氮处理穗重和穗粒数分别降低了 2.22% 和 0.66%，无显著差异；增氮处理穗重、穗粒数、百粒重分别提高了 7.02%、4.37% 和 3.29%，无显著差异。综上所述，3 个农场在当地推荐施氮量基础上增减氮肥并未对玉米穗性状产生显著影响。

2.4 秸秆还田与大豆-玉米轮作体系下施氮对玉米产量和经济效益的分析

3 个农场玉米产量与产值结果见表7，大西江农场减氮处理产量、产值、经济效益分别提高了 2.48%、585 和 802 元 /hm²，增氮处理产量、产值分别提高了 0.72% 和 169 元 /hm²，经济效益降低了 30 元 /hm² 。尖山农场减氮处理产量、产值和经济效益分别提高了 4.29%、839 和 1031 元 /hm² ，增氮处理分别提高了 5.51%、1075 和 847 元 /hm²。七星泡农场减氮处理产量、产值和经济效益分别降低了 6.86%、 1644 和 1430 元 /hm² ，增氮分别降低了 4.28%、1024 和 1238 元 /hm²。综上所述，当地推荐施氮量基础上增氮或减氮均不会对玉米产量产生显著影响，大西江和尖山农场减氮会提高经济效益，但是七星泡农场减氮会降低经济效益。

2.5 秸秆还田与大豆-玉米轮作体系下施氮对玉米氮吸收和利用的影响

增氮和减氮会对玉米氮吸收和氮肥利用产生显著影响。大西江农场减氮处理籽粒氮吸收量提高了 4.68%，茎叶和总氮吸收量分别降低了 18.73% 和 4.09%，氮肥表观利用率、农学效率和偏生产力分别提高了 5.28%、29.49%、23.57%；增氮处理籽粒、茎叶、总氮吸收量分别提高了 1.77%、11.45% 和 5.39%，氮肥农学效率和偏生产力显著降低。尖山农场减氮和增氮均不会对籽粒氮吸收量产生显著影响，减氮显著降低了玉米茎叶和地上部总氮吸收量，氮肥农学效率和偏生产力分别提高了 41.06% 和 29.40%，差异达到了显著水平，增氮降低了氮肥农学效率和偏生产力。七星泡农场减氮处理籽粒、茎叶、地上部总氮吸收量分别降低了 6.52%、26.55% 和 14.92%，氮肥表观利用率和农学效率分别降低了 32.82% 和 12.99%，氮肥偏生产提高了 16.21%；增氮处理降低了籽粒氮吸收量，茎叶氮吸收量提高了 20.72%，氮肥农学效率和偏生产力显著降低。综上所述，在当地推荐施氮量基础上减氮和增氮不会对玉米籽粒氮吸收产生显著影响，减氮会显著提高氮肥偏生产力。

3 讨论

植物秸秆中含有各种营养元素，包括纤维素、半纤维素等各种碳源物质，因此植物秸秆是作物栽培中重要的养分资源^[11-12]，生产中进行秸秆还田实现了有机物向土壤内的有效输入，在降低养分施用量的情况下不会对作物产量产生显著影响，而且连年的秸秆还田有效提高了土壤肥力，保持作物高产^[13]。由于秸秆还田后提高了土壤养分供应量，因此连年的秸秆还田可以有效替代部分化肥投入，从而导致施肥增产效果不显著。本项研究结果表明，施用氮肥与不施氮肥处理相比显著提高了玉米株高，促进了玉米生长，这与在早熟禾^[14-16]上的研究结果一致，这可能与施氮改善了土壤养分供应情况有关。从不同氮肥施用量对株高的影响来看，在各农场推荐施氮量基础上降低 20% 左右不会对玉米株高产生显著影响，这可能与长期秸秆还田和轮作提高了土壤肥力有关。从玉米各器官干物质积累量变化上来看，氮肥施用量的增加会显著提高玉米茎、叶、苞叶等器官的干物质积累量，这与杨永胜^[17]、蔡丽君等^[18]、曾宪楠^[19]的研究结果一致，但是籽粒干物质积累量并未显著升高，这是否与氮肥供应过多导致玉米营养生长过旺有关还有待于进一步研究。玉米栽培中，施用氮肥会对玉米穗各项指标产生影响。本研究结果表明，施氮量降低至各农场常规施肥量 80% 左右时未对玉米穗重、穗粒数、百粒重、穗长和穗粗产生显著影响，这与程杏安等^[20] 的研究结果不同，分析原因认为可能与土壤肥力不同有关。

氮是提高玉米产量的重要营养元素^[21-22]，但是过高的氮肥施用量会降低施肥经济效益^[23]。本试验结果中施氮量降低至当地推荐施氮量 80% 左右时，对玉米的产量并未产生显著影响，这可能与连续 6 年秸秆还田与大豆-玉米轮作体系提高了土壤肥力和供氮能力有关。另外，施氮量为当地常规施肥量 80% 左右时并未对玉米总氮吸收产生影响，提高氮肥施用量仅会提高营养器官氮吸收量，这与焦峰等^[24]的研究结果相似，表明试验地在当地常规施氮基础上可以降低 20% 左右的氮肥施用量。作物栽培中秸秆还田比例达到 65% 以上时，化肥施用量可以降低 10%～20%^[25]，肥料利用率显著升高^[26-28]。本项研究结果与前人研究结果相似^[28]，但是七星泡农场氮肥表观利用效率表现为随着施氮量增加而增加的变化，这可能与 N0 处理所处地势较低和 2021 年七星泡农场降水量过多导致玉米田淹水，N3、N4 和 N5 所施氮肥随水流失有关。本研究结果中氮肥农学效率和氮肥偏生产力变化与韩宝文等^[29]的研究结果一致，表明在充分培肥的土壤上，提高氮肥施用量不利于玉米对施用氮肥的吸收和利用。

4 结论

秸秆还田条件下实施大豆-玉米轮作措施 6 年后，3 个农场较当地推荐氮肥用量降低 20% 不会对玉米株高、干物质积累量和玉米穗性状产生显著影响，增加氮肥用量会显著提高玉米茎和叶片干物质积累量，不能显著提高籽粒干物质积累量。3 个农场采用秸秆还田和实施大豆-玉米轮作措施，在当地推荐氮肥用量降低 20% 左右不会显著降低玉米产量和籽粒氮吸收量，有利于提高氮肥农学效率和氮肥偏生产力。

参考文献