杨晨璐, 刘兰清, 王维钰, 任广鑫, 冯永忠, 杨改河. 麦玉复种体系下秸秆还田与施氮对作物水氮利用 及产量的效应研究[J]. 中国农业科学, 2018, 51(9): 1664-1680 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.09.005
YANG ChenLu, LIU LanQing, WANG WeiYu, REN GuangXin, FENG YongZhong, YANG GaiHe. Effects of the Application of Straw Returning and Nitrogen Fertilizer on Crop Yields, Water and Nitrogen Utilization Under Wheat-Maize Multiple Cropping System[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(9): 1664-1680 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.09.005

0 引言

【研究意义】我国拥有丰富的秸秆资源,但其利用方式停留在较低水平,就地焚烧现象仍较普遍^[1];除秸秆外,肥料的利用情况也不容乐观,化肥投入量逐年倍增,生产率却大幅下降,过度施肥情况时有发生^[2]。关中平原是我国重要的商品粮产区,多年来该地农业生产一直存在明显的农业资源不合理利用问题^[3,4]。同延安等^[5]调查当地农户施肥情况时发现,麦玉种植过程中农户实际施氮量较推荐施氮量高出55—90 kg·hm^-2,长此以往,不仅造成资源浪费,更对环境产生威胁。冬小麦和夏玉米是关中地区重要的主粮作物,其总产约占当地粮食生产的97%（数据来自《陕西省统计年鉴2015》^[6]）。麦玉复种模式是关中地区农户主要的种植制度,研究麦玉复种模式下该地区农业生产对秸秆还田与氮肥合理配施的响应,对实现关中地区麦玉增产及资源高效利用具有重要意义。【前人研究进展】作物秸秆还田后可补充土壤养分、培肥地力^[7,8],改善土壤结构及理化性状^[9]、提高土壤保水保墒能力^[10,11],是重要的农业资源。近年来大量研究表明,单一秸秆还田处理下作物增产效果不明显。高亚军^[12]等认为其原因可能与秸秆还田后土壤水热条件的改变有关,而RATHKE等^[13]则指出土壤中的氮素供应缺乏是单一秸秆还田条件下实现作物增产的主要限制因素。同时,LI^[14,15]、KNOEPP^[16]及SU等^[17]从氮素利用的角度出发,认为秸秆还田条件下增施氮肥改变了土壤温度及含水量等环境因素,从而促进了作物对土壤水分及氮素的吸收利用,最终提高作物产量。可见,秸秆还田与合理配施氮肥对实现作物增产尤为重要。然而,施氮虽对作物增产有显著效果,但不科学的施用方式大大增加了农业生产中作物减产及氮素利用率降低的风险。杨宪龙等^[18]在陕西关中地区麦玉复种区的研究发现,小麦施氮在150—191 kg·hm^-2、玉米施氮在180 kg·hm^-2时均可获得较高的产量,施氮量过高不仅会引起作物产量明显降低,氮素利用率也显著下降。基于当前氮肥不合理的利用情况,在农户惯用施肥量的基础上适量减氮已成为近年来的研究热点。刘学军等^[19]研究得出,减量施氮条件下0—1 m土层的土壤氮素残留与损失量均显著低于常规施氮处理。YIN等^[20]研究发现,相较于试验地常规农业生产中采用的秸秆不还田配施氮220 kg·hm^-2处理,秸秆还田配施氮150 kg·hm^-2处理下冬小麦产量略有下降但与前者差异不显著,而氮肥表观损失率却减小7.2%。【本研究切入点】与传统施肥习惯相比,秸秆还田配合减量施氮对环境及经济效益的提高有重要意义。前人对于农业生产过程中秸秆还田与氮肥减量的研究多围绕作物产量、土壤氮素平衡等的影响,而针对秸秆还田与减量施氮对作物水分、养分利用及农业综合效益的多年效应方面的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究以关中地区传统的冬小麦-夏玉米复种模式为研究对象,分析当地常规施肥模式与秸秆还田配施减量氮肥条件下,冬小麦和夏玉米产量、水分与氮素利用情况及经济效益的变化情况,并在此基础上探究秸秆还田与减量施氮模式在当地推广实行的可行性,为关中地区制订麦玉增产增效制度及农业资源的高效利用提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究于2011年10月至2016年10月在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学校内的实验基地内（E108°07′,N34°17′,海拔525 m）进行。该地区位于关中平原中部,属典型的一年两熟农作区,为大陆性季风区半湿润半干旱气候;年均温12.9℃,年均降水量约为660 mm,年均蒸发量约为1 000 mm,土壤类型为塿土。2011年冬小麦播种前测定试验地0—20 cm土层土壤养分特征,其中有机质含量7.77 g·kg^-1,碱解氮含量32.7 mg·kg^-1,速效磷含量12.08 mg·kg^-1,速效钾含量145.65 mg·kg^-1。
试验期间当地气温与降雨情况见图1。2011—2012年冬小麦生育期总降水量为230.3 mm,主要集中于冬小麦分蘖期及灌浆期,夏玉米生育期总降水量为357.5 mm,占2012年总降水量的71.0%;2012—2013年冬小麦生育期总降水量为280.3 mm,主要集中于冬小麦灌浆期,夏玉米生育期总降水量为201.1 mm,占2013年总降水量的41.2%;2013—2014年冬小麦生育期总降水量为283.6 mm,主要集中于冬小麦孕穗期,夏玉米生育期总降水量为397.5 mm,占2014年总降水量的58.0%;2014—2015年冬小麦生育期总降水量为224.4 mm,主要集中于冬小麦孕穗期,夏玉米生育期总降水量为286.9 mm,占2015年总降水量的50.5%;2015—2016年冬小麦生育期总降水量为187.1 mm,主要集中于冬小麦孕穗期及灌浆期,夏玉米生育期总降水量为268.8 mm,占2016年总降水量的52.7%。
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图1试验区气温与降雨量变化
-->Fig. 1Changes of in monthly mean air temperature and monthly precipitation in the research area
-->

1.2 试验设计

本试验为长期定位监测试验,采用二因素裂区试验设计,主区为秸秆还田量,设2个水平,分别为秸秆还田（S）、秸秆不还田（S0）;副区为施氮量,设3个水平,分别为常规施氮（F1）、减量施氮（F0.8）、不施氮（F0）（常规施氮水平依据当地农户习惯设置,减量施氮水平参考前人研究中氮肥减量梯度^{[5, 21-22]}）。试验共6个处理组合,分别为S0F0、S0F0.8、S0F1、SF0、SF0.8、SF1（其中,S0F0为对照处理CK）。各试验处理的小区面积均为68.8 m²（8.6 m×8 m）,相互间隔0.5 m,顺序排列,所有处理均设3次重复。冬小麦供试品种为西农889,于每年10月上旬播种（2011年10月10日、2012年10月9日、2013年10月9日、2014年10月12日、2015年10月10日）,次年6月中旬收获;夏玉米供试品种为漯单9号,上茬冬小麦收获后立即播种（2012年6月14日、2013年6月13日、2014年6月16日、2015年6月14日、2016年6月15日）,同年10月初收获。
麦玉两作物秸秆还田方式均采用翻压还田。秸秆还田处理在前茬作物收获后,先利用秸秆粉碎机直接将作物秸秆粉碎后覆盖于地表,后利用旋耕机进行翻压还田;不还田处理在前茬作物收获后,人工拔除小区内所有秸秆及根茬,后进行旋耕。冬小麦施氮处理在旋耕前撒施尿素（总氮含量≥46%）和磷酸二铵（总氮含量≥18%）作为基肥,旋耕后,机械条播;夏玉米施氮处理在旋耕前撒施尿素（总氮含量≥46%）作为基肥,旋耕后,机械条播。麦玉两作物不施氮处理在旋耕前均不施用任何肥料。两作物生育期内均不追肥,尿素及磷酸二铵的具体用量见表1。
Table 1
表1
表1不同作物施肥及秸秆还田量
Table 1The fertilization amount and straw mulching amount of different crops

处理 Treatment	冬小麦 Winter wheat				夏玉米 Summer maize
	施氮量 Fertilization (kg·hm-2)			秸秆还田量 Straw application (kg·hm-2)	施氮量 Fertilization (kg·hm-2)			秸秆还田量 Straw application (kg·hm-2)
	尿素 Urea	磷酸二铵 DAP	纯氮含量 N amount		尿素 Urea	磷酸二铵 DAP	纯氮含量 N amount
S0F0	0	0	0	0	0	0	0	0
S0F0.8	300	300	190	0	300	0	137	0
S0F1	375	375	238	0	375	0	172	0
SF0	0	0	0	9000	0	0	0	5000
SF0.8	300	300	190	9000	300	0	137	5000
SF1	375	375	238	9000	375	0	172	5000

Urea and diammonium phosphate (DAP) contain more than 46% and more than 18.4% nitrogen, respectively; The estimate of the amount of nitrogen was based on nitrogen content in urea and diammonium phosphate, respectively尿素总氮含量≥46%,磷酸二铵总氮含量≥18%;表中“纯氮含量”为两种化肥含氮量推算所得
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冬小麦生育期内灌溉一次,时间为每年1月中旬（冬小麦越冬期内）;夏玉米生育期内灌溉一次,时间为每年7月中旬（夏玉米拔节期）,灌溉方式均为小区畦灌,灌溉量为120 mm（根据水表读数估算）。
除施肥及秸秆还田量不同外,各处理的其余田间管理均一致,与当地农事习惯相符。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤养分测定 冬小麦及夏玉米收获后,采用“5点取样法”采集各处理0—20 cm土层土壤样品,测定有机质、速效磷、速效钾、碱解氮含量。采集土样后自然风干,分别过孔径1 mm和0.15 mm筛。有机质测定采用重铬酸钾外加热法;速效磷采用碳酸氢钠浸提法;速效钾采用火焰光度法;碱解氮测定采用碱基扩散法。
1.3.2 土壤含水量及作物水分利用率测定 采用烘干称量法测定土壤含水量。自2011年冬小麦播种开始,在冬小麦每个生育时期内采集不同处理0—100 cm土层土样测定土壤含水量,每10 cm为一层,每个处理重复3次,直至作物收获。夏玉米土壤含水量取样及测定方法同冬小麦。
采用环刀法测定土壤容重。在作物播前及收后,用体积为100 cm³的环刀采集不同处理下0—100 cm的原状土样,每10 cm为1层,重复3次,密封带回实验室,烘干称重,测定土壤容重。
作物水分利用率WUE=Yd/ET^[23],式中,Yd 为作物单位面积产量（kg·hm^-2）;ET=SWSBFS -SWSHA+P,式中SWSBF 为播种前土壤贮水量,SWSHA为收获后土壤贮水量,P为作物全生育期降雨量。
土壤储水量SWS（mm）= WS×γ×d /100。式中,WS为土壤含水量（g·kg^-1）;γ为土壤容重（g·cm^-3）;d 为土壤深度（cm）。
1.3.3 作物产量及产量构成测定 冬小麦收获时,在相同处理内重复选样3次,样方面积1 m²,统计样方内的穗数;每个样方内随机选取10株小麦用于穗粒数的统计;最后将样方内所有小麦风干、脱粒,统计实际产量和千粒重。
夏玉米收获时,在相同处理内重复选样3次,样方面积4 m²（2 m×2 m）,统计样方内的穗数;每个样方内随机选取10穗玉米用于穗粒数的统计;最后将样方内所有玉米风干、脱粒,统计实际产量和百粒重。
1.3.4 作物氮素利用率 使用氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率说明作物的氮素利用情况^[24]。氮肥偏生产力PFP_N（kg·kg^-1）=作物产量/纯施氮量。氮肥农学利用效率AE_N（kg·kg^-1）=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/纯施氮量。

1.4 数据分析方法及软件

所有数据及图表均采用Excel 2010、SPSS 20.0、Origin 9.3软件进行分析处理,二因素方差分析采用LSD法进行。

2 结果

2.1 秸秆还田与氮肥对麦玉土壤养分和水分的影响

2.1.1 对土壤养分的影响 连续5年不同秸秆还田配施氮肥处理后,相比试验开始前试验地土壤养分含量（2011年冬小麦播种前）,秸秆还田条件下配施氮肥提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量;而秸秆不还田及秸秆还田不施氮处理均导致土壤速效磷含量降低（图2）。
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图2秸秆还田与施氮对冬小麦-夏玉米复种体系土壤养分含量的影响
-->Fig. 2Contents of soil nutrient under straw returning and nitrogen fertilizer in 0-20 cm soil layers after summer maize harvesting in 2016
-->

如图2所示,秸秆还田较不还田处理显著提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量（P<0.05）,分别增加6%—14%、8%—34%、3%—5%、3%—10%;常规施氮（F1）和减量施氮（F0.8）处理在两个秸秆还田水平下均较不施氮（F0）处理显著提高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量,且两秸秆还田水平下,F0.8和F1处理间有机质含量差异不显著,秸秆不还田水平下F0.8和F1处理间速效磷和速效钾含量差异不显著。
2.1.2 对播种前及收获后土壤储水量的影响 不同秸秆还田处理和施氮量下麦玉两作物播种前及收获后0—100cm土层储水量显著不同（图3）。麦玉5季播前土壤储水量均值均以SF1处理最高,分别为251 mm（麦）、235 mm（玉）;收后土壤储水量以SF0.8处理最高,分别为143 mm（麦）、179 mm（玉）。
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图32011—2016 年秸秆还田及施氮对麦玉播种前和收获后0—100 cm 土层土壤贮水量比较
A为冬小麦播种,B为冬小麦收获;C为夏玉米播种,D为夏玉米收获
-->Fig. 3Soil water storage under straw returning and nitrogen fertilizer in 0-100 cm soil layers before crop sowing and after crop harvesting in 2011-2016
A, B, C and D indicate winter wheat sowing, winter wheat harvest, summer maize sowing and summer maize harvest, respectively
-->

秸秆还田较不还田处理显著提高土壤储水量,5季冬小麦播前及收后土壤储水量均值分别增加5%—11%、12%—15%,夏玉米分别为4%—9%、11%—17%。逐年来看,2014—2015年秸秆还田对冬小麦播前土壤储水量的提高最大,达2%—24%;收后以2013—2014年最大,达13%—31%。对夏玉米而言,播前以2015—2016年最大,达7%—26%;收后以2012—2013年最大,达0.2%—35%。
施氮处理对土壤储水量的影响在S0水平下无明显规律,而施氮较不施氮处理在S水平下显著提高麦玉播前及收后土壤储水量。除2012—2013年冬小麦、2012—2014年夏玉米,其余各季麦玉播前土壤储水量均以SF1处理最高;同时,连续5季冬小麦及除2013—2014年外的其余4季夏玉米收后土壤储水量均表现为SF0.8处理最高。

2.2 秸秆还田与氮肥对麦玉产量及其构成因素、水氮利用效率的影响

2.2.1 对麦玉产量的影响 F检验表明,施氮对连续5季麦玉产量的影响均达到极显著水平（P<0.01）。除个别生长季,秸秆还田与秸秆还田×施氮的交互作用对麦玉产量的影响达到显著（P<0.05）或极显著水平（P<0.01）（表2）。
Table 2
表2
表2秸秆还田与施氮条件下冬小麦-夏玉米复种体系作物产量变化
Table 2Changes in crop yield of winter wheat-summer maize multiple cropping under different treatments

作物 Crop	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	产量 Grain yield (kg·hm-2)
			2011-2012	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2015-2016	均值Mean
冬小麦 Winter wheat	S0	F0	5030d	5010f	5205e	5171f	4531f	4989f
		F0.8	6394bc	6412c	6542c	6676d	5887d	6382c
		F1	6538a	6566b	6728b	6819c	6028c	6536d
	S	F0	5070d	5205e	5479d	5528e	4874e	5231e
		F0.8	6357c	6773a	7167a	7322b	6572b	6838b
		F1	6488ab	6880a	7259a	7466a	6727a	6964a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			0.33	91.81**	318.02**	334.99**	572.49**	426.01**
施氮Nitrogen fertilization (F)			1195.30**	1171.76**	1567.06**	1465.13**	1983.19**	3331.61**
秸秆还田×施氮 (S×F)			1.07	2.66	15.45**	10.27**	23.33**	13.65**
夏玉米 Summer maize	S0	F0	7738c	6860f	7837f	7275e	7295d	7428f
		F0.8	9056b	8218d	9223d	8664c	8710b	8790d
		F1	9216b	8393c	9338c	8763c	8866b	8928c
	S	F0	7795c	7085e	8185e	7610d	7643c	7669e
		F0.8	9185b	8691b	9829b	9258b	9270a	9241b
		F1	9407a	8824a	9971a	9424a	9442a	6407a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			8.196*	434.55**	319.47**	158.75**	37.19**	233.42**
施氮Nitrogen fertilization (F)			491.42**	3336.34**	1272.04**	634.19**	175.03**	1495.43**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.78	17.94**	9.43**	5.62*	0.82	7.71**

Different lowercase letters (a, b, c) showed significant difference under different treatments in same year at P<0.05. **, significant at P<0.01, *, significant at P<0.05. The same as below同一列中不同小写字母（a、b、c）表示同一年份内不同处理间差异显著（P<0.05）。**表示极显著（P<0.01）; *表示显著（P<0.05）。下同
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秸秆还田极显著影响了除第1季（2011—2012年）外其余4季冬小麦产量,较不还田处理各年依次显著提高4%—6%、5%—10%、7%—10%、8%—12%,增产效益呈现出逐年增加的趋势,至2015—2016年达到最大。对夏玉米而言,秸秆还田对第1季（2011—2012年）产量影响达到显著水平,较不还田处理显著提高1%—2%,同样,秸秆还田极显著提高了之后4季的产量,增幅分别为3%—6%、4%—7%、5%—8%、3%—7%,呈现出先增后降的趋势。
连续5季麦玉产量均随施氮量增加而提高,均以F1处理最高。秸秆还田和不还田水平下,冬小麦F1处理较冬小麦F0处理显著提高30%—38%和29%—33%,夏玉米则为21%—25%和19%—22%。冬小麦2012—2014年连续2季秸秆还田水平下,F1与F0.8处理间产量差异不显著;夏玉米2011—2012年、2014—2016年连续2季秸秆不还田水平下和2015—2016年秸秆还田水平下,F1与F0.8处理间产量差异均不显著。
2.2.2 对麦玉生物量及产量构成因素的影响 秸秆还田、施氮和秸秆还田×施氮的交互作用对麦玉生物量有显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）影响。其中,秸秆还田较不还田处理显著提高了除第1季以外其余4季冬小麦收获期生物量（表3）,分别达1%—4%、1%—11%、2%—30%、4%—19.0%;提高了连续5季夏玉米收获期生物量（表4）,分别达3%—7%、7%—10%、6%—10%、6%—11%、4%—9%。施氮较不施氮提高了麦玉收获期生物量,但连续5季冬小麦F1与F0.8处理间差异不显著,而夏玉米生物量随施氮量提高增加明显,仅2015—2016年SF1与SF0.8处理间无明显差异。
Table 3
表3
表3秸秆还田与施氮对冬小麦收获期地上部生物量及产量构成的影响
Table 3Above-ground biomass in harvest stage and yield of winter wheat components under different treatments

测定项目 Item	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	年份 Year
			2011-2012	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2015-2016
生物量 Biomass (kg·hm-2)	S0	F0	13641c	1385c	13018c	13780c	9558c
		F0.8	15791a	15485b	15671b	15723b	11697b
		F1	15990a	15668b	16059b	15670b	11842b
	S	F0	13803c	14015c	13183c	14047c	9917c
		F0.8	15261b	16020a	17326a	19150a	13820a
		F1	15641b	16220a	17123a	19291a	14090a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			8.39*	11.91**	61.82**	169.66**	115.27**
施氮Nitrogen fertilization (F)			119.53**	112.74**	354.60**	159.45**	541.87**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.79	1.12	10.79**	33.73**	17.28**
公顷穗数 Number of spike (×104·hm-2)	S0	F0	245.00b	277.00d	264.33c	286.67c	250.00e
		F0.8	470.33a	473.67c	478.33b	493.67b	424.00c
		F1	491.67a	481.00bc	494.00b	520.00b	460.00bc
	S	F0	247.00b	295.67d	279.00c	304.33c	388.00d
		F0.8	476.33a	500.00ab	545.00a	538.67a	582.00ab
		F1	500.00a	519.00a	557.00a	580.67a	582.00a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			0.29	21.18**	53.16**	10.49*	21.51**
施氮Nitrogen fertilization (F)			964.07**	529.04**	623.76**	182.86**	21.91**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.29	0.874	6.45	0.76	0.14
穗粒数 Grain number per spike	S0	F0	37.00d	38.00c	34.67c	34.33b	26.67d
		F0.8	41.33bc	42.33ab	39.33b	43.00a	32.00bc
		F1	45.33a	42.00ab	45.67a	47.33a	41.33a
	S	F0	39.00cd	40.00bc	37.33bc	36.33b	29.67cd
		F0.8	42.67ab	44.33a	45.33a	45.67a	36.67a
		F1	43.67ab	45.00a	44.33a	44.33a	35.00b
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			0.96	7.11*	4.36	0.11	0.12
施氮Nitrogen fertilization (F)			17.87**	11.34**	20.79**	15.34**	18.96**
秸秆还田×施氮 (S×F)			1.99	0.15	3.28	1.14	6.54*
千粒重 Thousand-grain weight (g)	S0	F0	37.98b	38.24b	37.37c	37.47b	27.64c
		F0.8	41.49a	41.83a	41.10b	44.20a	41.15a
		F1	40.64a	40.55ab	43.07a	44.30a	39.66ab
	S	F0	37.53b	38.33b	38.43c	37.97b	30.75bc
		F0.8	41.65a	40.93ab	41.70ab	44.33a	35.54b
		F1	41.95a	39.70ab	41.40ab	39.53b	35.35b
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			0.14	0.52	0.00	4.20	3.97
施氮Nitrogen fertilization (F)			30.96**	5.58*	31.31**	32.48**	6.24**
秸秆还田×施氮 (S×F)			1.92	0.18	3.16	6.37*	5.68*

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Table 4
表4
表4秸秆还田与施氮对夏玉米收获期地上部生物量及产量构成的影响
Table 4Above-ground biomass in harvest stage and yield components of summer maize under different treatments

测定项目 Item	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	年份 Year
			2012	2013	2014	2015	2016
生物量 Biomass (kg·hm-2)	S0	F0	12000e	10858f	12041f	11683f	11780e
		F0.8	14395c	13876d	15068d	14683d	14490c
		F1	15379b	14831c	16026c	15633c	15003b
	S	F0	12361d	11887e	13073e	12707e	12247d
		F0.8	15430b	15431b	16628b	16230b	15764a
		F1	15850a	15807a	17005a	16603a	16050a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			55.37**	234.04**	192.93**	162.64**	69.03**
施氮Nitrogen fertilization (F)			652.35**	988.19**	814.98**	686.90**	394.38**
秸秆还田×施氮 (S×F)			6.93*	5.69*	4.69*	3.96*	4.62*
公顷穗数 Number of spike (×104·hm-2)	S0	F0	5.08a	4.67a	4.67b	5.10a	5.04b
		F0.8	5.37a	5.27a	5.67ab	5.59a	5.67ab
		F1	5.75a	5.47a	6.00ab	5.73a	6.00ab
	S	F0	5.25a	5.00a	5.33ab	5.33a	5.25ab
		F0.8	5.42a	5.43a	6.33a	5.92a	6.14ab
		F1	5.55a	5.51a	6.67a	6.10a	6.21a
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			0.00	0.20	3.27	0.80	0.00
施氮Nitrogen fertilization (F)			0.37	3.80	4.73*	1.40	6.33*
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.38	0.20	0.00	0.20	0.39
穗粒数 Grain number per spike	S0	F0	368.67b	252.33b	396.67b	490.00c	463.67c
		F0.8	521.67a	469.00a	616.33a	578.67b	570.00a
		F1	487.33a	468.00a	585.33a	626.33a	538.00ab
	S	F0	401.33b	300.67b	413.33b	545.67b	497.00bc
		F0.8	536.00a	454.67a	610.00a	589.67ab	539.33ab
		F1	540.67a	448.00a	626.33a	582.00ab	524.67ab
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			5.80*	0.09	1.36	0.42	0.07
施氮Nitrogen fertilization (F)			44.74**	64.86**	86.58**	20.85**	10.82**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.68	2.08	0.87	6.41*	2.05
百粒重 Hundred-grain weight (g)	S0	F0	29.73d	26.15d	31.53e	30.50c	30.26d
		F0.8	31.56bcd	27.10c	35.26c	36.88b	35.08c
		F1	32.22abc	28.00b	35.50c	36.87b	35.07c
	S	F0	30.20cd	27.29c	33.44d	31.45c	31.20d
		F0.8	33.37a	28.86a	39.74b	38.60a	37.78a
		F1	34.48ab	28.61a	41.20a	37.71a	37.10ab
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			6.43*	34.42**	388.67**	5.94*	14.83**
施氮Nitrogen fertilization (F)			11.52**	26.22**	320.71**	82.97**	59.60**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.81	2.15	29.76**	0.33	1.14

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秸秆还田对冬小麦公顷穗数、夏玉米百粒重有显著或极显著影响;施氮对冬小麦公顷穗数、穗粒数、千粒重有显著或极显著影响,对夏玉米穗粒数、百粒重有极显著影响且在个别生长季对公顷穗数有显著影响;而秸秆还田×施氮的交互作用在个别生长季对冬小麦穗粒数与千粒重影响显著,对夏玉米穗粒数、百粒重影响显著或极显著。
秸秆还田处理提高了2011—2016年5季冬小麦及2012—2016年4季夏玉米的公顷穗数,但夏玉米处理间差异不显著（P<0.05）;同时提高了F0和F0.8水平下冬小麦穗粒数;并显著提高了F0.8及F1水平下夏玉米百粒重。施氮处理显著提高了冬小麦连续5季公顷穗数和穗粒数,其中F1与F0.8处理间差异仅在个别年份达到显著水平;同时施氮处理显著提高夏玉米2012—2014年3季穗粒数和2013—2016年4季百粒重,而除个别年份外,F1与F0.8处理间差异均不显著。
2.2.3 对麦玉水分利用效率的影响 秸秆还田显著提高了冬小麦和夏玉米水分利用效率（WUE）（P<0.05）,5季麦玉WUE均值分别增加4%—7%（麦）和8%—11%（玉）。除第1季冬小麦WUE在施氮水平下表现为S略低于S0外,秸秆还田提高了之后4季小麦WUE,增幅分别为5%—6%、5%—13%、3%—10%、6%—10%。而秸秆还田显著提高了夏玉米连续5季WUE,分别为5%—11%、7%—8%、7%—11%、5%—9%、8%—17%（图4）。
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图4秸秆还田与施氮条件下冬小麦-夏玉米复种体系水分利用率的变化
A和B分别表示冬小麦和夏玉米
-->Fig. 4Changes in WUE of winter wheat-summer maize rotation under straw returning and nitrogen fertilizer
A and B indicate winter wheat and summer maize
-->

施氮较不施氮处理显著提高两作物WUE,但施氮对WUE的影响在不同秸秆还田条件下出现差异。表现为S0水平下,麦玉WUE均随施氮量增大而显著提高,以S0F1处理最高;而S水平下,两作物WUE均值均以SF0.8处理最高。具体来看,自2013—2014年起,冬小麦SF0.8处理下WUE最高,且2013—2015年连续两季SF0.8与SF1处理间差异显著;而夏玉米自2012—2013年起,WUE表现为SF0.8高于SF1,且2011—2012、2013—2014和2015—2016季差异显著。分析麦玉5季WUE均值可知,两作物不同处理间均以SF0.8处理最高,分别为13.7 kg·mm^-1（麦）和19.6 kg·mm^-1（玉）（图4）。
2.2.4 对麦玉氮肥偏生产力和农学效率的影响 秸秆还田与施氮对麦玉氮肥偏生产力（PEP_N）和农学利用效率（AE_N）的影响达到显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）水平（2011—2012年除外）,而秸秆还田×施氮的交互作用仅在个别生长季对两作物PEP_N和AE_N影响显著或极显著（表5—6）。
Table 5
表5
表5秸秆还田与施氮对冬小麦及夏玉米氮肥偏生产力的影响
Table 5PEP_N of winter wheat and summer maize under straw returning and nitrogen fertilizer

作物 Crop	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	氮肥偏生产力PEPN (kg·kg-1)
			2011-2012	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2015-2016	均值Mean
冬小麦 Winter wheat	S0	F0.8	33.65a	33.74b	34.43b	35.14b	30.99b	33.59b
		F1	27.58b	27.71d	28.39d	28.77d	25.44d	27.58d
	S	F0.8	33.46a	35.65a	36.72a	38.54a	34.59a	35.99a
		F1	27.38b	29.03c	30.62c	31.54c	28.38c	29.88c
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			1.36	79.16**	279.22**	259.57**	482.22**
施氮Nitrogen fertilization (F)			1293.75**	1220.56**	1578.40**	1239.72**	1554.28**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.00	2.59	10.27*	3.04	4.80
夏玉米 Summer maize	S0	F0.8	66.10a	59.98b	67.32b	63.24b	63.58b	64.04b
		F1	53.58d	48.80d	54.59d	50.94d	51.55d	51.83d
	S	F0.8	60.87b	63.44a	71.40a	67.58a	67.67a	67.49a
		F1	54.59c	51.30c	57.95c	54.79c	54.90c	54.73c
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			7.98*	523.32**	347.78**	184.96**	33.37**
施氮Nitrogen fertilization (F)			1170.96**	8011.79**	3805.26**	1735.83**	370.82**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.05	13.20**	2.90	0.65	0.33

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Table 6
表6
表6秸秆还田与施氮对冬小麦及夏玉米氮肥农学利用效率的影响
Table 6AE_N of winter wheat and summer maize under straw returning and nitrogen fertilizer

作物 Crop	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	氮肥农学利用效率AEN (kg·kg-1)
			2011-2012	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2015-2016	均值Mean
冬小麦 Winter wheat	S0	F0.8	7.18a	7.38b	7.09c	7.92c	7.14c	7.33b
		F1	6.36b	6.78d	6.43d	6.95d	6.32d	6.53c
	S	F0.8	6.78b	8.25a	8.89a	9.44a	8.93a	8.46a
		F1	5.98c	7.06c	7.51b	8.18b	7.82b	7.31b
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			56.91**	79.66**	495.63**	676.65**	441.49**
施氮Nitrogen fertilization (F)			244.54**	168.94**	226.07**	447.11**	153.20**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.03	6.10*	34.08**	7.91*	3.50
夏玉米 Summer maize	S0	F0.8	9.62b	9.91c	10.11b	10.13b	10.32b	10.02b
		F1	8.59c	8.92d	8.73c	8.65c	9.13c	8.80c
	S	F0.8	10.14a	11.72a	12.00a	12.03a	11.88a	11.55a
		F1	9.37b	10.11b	10.38b	10.55b	10.46b	10.18b
显著性检验Significant level
秸秆还田Straw mulching (S)			1.94	39.83**	160.98**	188.40**	144.89**
施氮Nitrogen fertilization (F)			3.72	29.94**	116.09**	115.35**	118.12**
秸秆还田×施氮 (S×F)			0.07	1.66	0.68	0.00	0.869

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秸秆还田较不还田处理显著提高了两作物2012—2016年4季PEP_N,其中F0.8水平下秸秆还田较不还田处理分别增加6%—12%（麦）和6%—7%（玉）,F1水平下分别增加5%—12%（麦）和5%—8%（玉）。同时,秸秆还田显著提高2012—2016 4季冬小麦和连续5季夏玉米AE_N,其中SF0.8较S0F0.8处理分别增加12%—25%（麦）和9%—22%（玉）,SF1较S0F1处理分别增加4%—24%（麦）和5%—19%（玉）。
减量施氮（F0.8）较全量施氮（F1）处理在5季中均显著提高作物PEP_N和AE_N（P<0.05）,其中,冬小麦和夏玉米PEP_N在S水平下增幅分别为21%—22%（麦）和12%—24%（玉）,S0水平下增幅分别为12%—23%（麦）和23%—24%（玉）;而麦玉AE_N也表现出同样规律,SF0.8较SF1处理增加9%—14%（麦）和8%—16%（玉）,S0F0.8较S0F1处理分别增加13%—18%（麦）和11%—17%（玉）。
分析同种作物不同处理间PEP_N及AE_N的差异,两作物5季PEP_N及AE_N均值均以SF0.8处理最高,较最低的S0F1处理分别增加31%、30%（麦）和30%、31%（玉）。

2.3 不同秸秆还田与氮肥配施对冬小麦及夏玉米经济效益的影响

秸秆还田水平和施氮量的差异影响了麦玉生产投入与产出,最终引起净收益差异。两作物各处理的净收益均值均表现为SF0.8>SF1>S0F0.8>S0F1>SF0>S0F0,其中麦玉SF0.8处理下净收益均值较CK分别增加3 052元（麦）和2 145元（玉）（表7）。
Table 7
表7
表7不同年份间秸秆还田及施氮条件下冬小麦及夏玉米经济效益分析
Table 7Economic benefits of winter wheat and summer maize under straw returning and nitrogen fertilizer during 2012-2016

作物 Crop	秸秆还田水平 Straw mulching level	施氮水平 Nitrogen fertilization level	净收益 Net incomes (yuan/hm2)
			2011-2012	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2016-2017	均值Mean
冬小麦 Winter wheat	S0	F0	4263	4221	4630	4559	3215	4178
		F0.8	5997	6034	6307	6590	4934	5972
		F1	5891	5921	6291	6483	4822	5888
	S	F0	4649	4931	5505	5610	42356	4986
		F0.8	6221	7093	7921	8246	6670	7230
		F1	6086	6909	7705	8241	6589	7086
夏玉米 Summer maize	S0	F0	5768	4381	5931	5004	5037	5212
		F0.8	6662	5279	6938	5859	6091	6197
		F1	6607	5249	6808	6015	6029	6110
	S	F0	6162	4990	6805	5856	5911	5945
		F0.8	7321	6440	8317	7376	7395	7357
		F1	7255	6360	8252	7350	7379	7322

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秸秆还田较不还田处理提高了麦玉净收益均值,分别为808—1 258元和733—1 212元。同时,秸秆还田对冬小麦净收益的增加逐年上升,2011—2012年时仅为3%—9%,而2015—2016季时已达32%—37%;而对夏玉米净收益的增加表现为先增后降,2014—2015年达最高,为17%—25%,之后1年略有下降。秸秆还田处理对两作物净收益的影响与其对作物产量的影响趋势基本一致。
施氮量的选择影响净收益高低,施氮较不施氮处理提高两作物净收益,施氮处理中以减量施氮（F0.8）处理获得收益最大。从平均值看,冬小麦和夏玉米S0F0.8较S0F0处理分别提高1 794元和985元,SF0.8较SF0分别提高2 244元和1 312元;逐年来看,S和S0水平下冬小麦F0.8处理较F0处理分别提高34%—57%、36%—53%;夏玉米分别为19%—29%、15%—21%。
分析5季总体平均值,结合两作物净收益的逐年分析结果,秸秆还田配合减量施氮处理下两作物均获得最大的经济效益。

3 讨论

3.1 不同秸秆还田与氮肥配施对冬小麦及夏玉米产量的影响

秸秆还田能够维持和增加土壤微生物活性和数量^[25,26],增加土壤有机质含量^[27],也是提高土壤质量、优化农田环境^[28],提高作物产量的有效途径。近年来,许多****认为土壤中充足的氮素供应是在秸秆还田条件下实现作物增产的关键。陈金等^[29]在试验中发现,秸秆还田较秸秆不还田处理提高了冬小麦产量,2011—2012、2012—2013年在黄淮海麦区,3种较高氮素（超氮360 kg·hm^-2、增氮360 kg·hm^-2、适氮225 kg·hm^-2）供应水平下,秸秆还田较不还田处理产量增幅分别达2%—7%、1%—8%;而减氮（165 kg·hm^-2）水平下,两年内秸秆还田较不还田处理并未表现出明显增产效果。本研究中,常规施氮及减量施氮水平下,两作物5年产量的均值均表现为秸秆还田水平下各处理显著高于不还田水平,增幅分别为6%—7%（麦）和5%—6%（玉）;而不施氮时,秸秆还田处理依然增加了麦玉产量,增幅分别为5%、3%,明显低于氮素供应下产量的增幅。说明在维持较高的氮素供应水平时,秸秆还田对作物产量的提高更为明显,与前人研究结果基本一致^[29]。
施氮对作物增产有非常明显的效果,而施氮量的高低也直接影响了作物的产量表现。过量施氮不仅不会使作物产量增加,更会带来减产及土壤氮素残留过高等风险。李锦等^[30]的试验结果表明,秸秆还田条件下,在常规施氮（玉米188 kg·hm^-2、小麦150 kg·hm^-2）基础上减氮15%,并未引起麦玉明显减产,两作物周年产量反而较常规施氮水平增加1%和7%。本研究结果表明,秸秆还田水平一致时,常规施氮水平下麦玉两作物5季平均产量均表现为最高,节氮20%后两作物产量依然维持在较高水平。秸秆还田条件下,常规施氮较减量施氮处理的麦玉产量增幅均不足2%（麦玉增幅相同）;秸秆不还田条件下,常规施氮分别较减量施氮处理的作物产量增幅约为2%,其中冬小麦略高于2%,而夏玉米不足2%。说明常规施氮虽能维持较高的作物产量,但从节氮角度考虑,减量施氮具有更高的应用意义。研究结果与前人研究略有差异,这可能与减氮梯度的设置和选择有关。本研究参考前人设置的减氮梯度,设置了20%的减量施氮水平,意在探究秸秆还田与减量施氮对关中平原麦玉轮作模式下作物增产增效的可行性,对于减量施氮与秸秆还田对作物增产的长期效应及最适宜组合仍有待进一步研究。
秸秆还田与氮肥合理配施是实现作物高产的有效途径。杨宪龙等^[18]在2007—2011年的定位试验中发现,与农户习惯施氮量491 kg·hm^-2相比,优化施氮330 kg·hm^-2（较当地习惯施氮量减少27%）下连续4年的冬小麦产量与习惯施氮间无显著差异,并随着试验年限的增加,最后两季秸秆还田配施氮肥330 kg·hm^-2处理下,冬小麦产量远高于对应的秸秆不还田处理,增幅分别达19%和30%,呈逐年递增的趋势。比较本研究中两作物周年产量可知,即使在较高氮素供应水平（常规施氮及减量施氮）下,第1季（2011—2012年）麦玉产量在秸秆还田条件下也并未明显增加,秸秆还田处理下的冬小麦产量甚至低于不还田处理。随后4年（2012—2016年）,两作物产量在秸秆还田条件下显著提高,相同施氮处理间的增产率也均呈现出逐年递增的潜在趋势。说明秸秆还田与氮肥配施对作物的增产效果随种植年限的增加而越发显著,其原因可能与秸秆还田后的腐解特性有关。黄婷苗等^[31]认为,秸秆腐解初期会吸持土壤与肥料中的氮素,后期又将其释放以供作物生长,同时秸秆腐解释放出的秸秆氮仅有一小部分供作物吸收利用,因此作物对秸秆氮的当季利用率较低。而随着还田年限增加,土壤中存留了较多的秸秆氮素与化肥氮素,这可能是之后几年秸秆还田使作物产量逐年提高的原因。
另外,不同年份间作物生育期水分供应的差异对作物生长造成了不同程度的影响。分析本研究中两作物产量及其构成可知,秸秆还田与氮肥配施对冬小麦的公顷穗数的影响最为明显,是冬小麦增产的主要原因。一方面源于其扩大了作物光合面积,促进干物质分配积累,增加有效分蘖,提高分蘖成穗率,增加单位面积穗数与穗粒数^[32,33];另一方面与越冬期灌水有关,确保了冬小麦安全越冬、为返青保蓄水分,同时一定程度促进秸秆腐解,为返青提供良好的土壤条件,最终促进冬小麦分蘖成穗。而对于夏玉米,秸秆还田配施氮肥通过影响百粒重而实现产量提高。秸秆还田配施氮肥后,植株叶面积指数提高、叶片光合速率提高、灌浆期延长、促进光合产物向籽粒转移,最终促进干物质积累及粒重增加^[34,35];同时,不同年份间夏玉米生育期内降水量占年降水总量的41%—71%,加之在夏玉米拔节期前进行灌溉,保证了夏玉米花前及花后充足的水分供应。

3.2 不同秸秆还田与氮肥配施对冬小麦及夏玉米水肥利用的影响

秸秆还田能够减少土壤水分蒸发、增强土壤蓄水保墒能力、保证作物生长所需适宜的土壤水分条件^[36,37],是提高作物产量与水分利用率的有效措施。张亮等^[38]研究发现,施氮量相同（175 kg·hm^-2）时,玉米秸秆还田条件下冬小麦土壤表层（0—80 cm）及深层（140—180 cm）储水量较不还田处理明显提高,冬小麦水分利用率也显著增加;秸秆还田条件下,土壤储水量及作物水分利用率随施氮量的增加而增加,在秸秆还田配施氮肥262.5 kg·hm^-2时达到最高,但当施氮量达到350 kg·hm^-2时有所下降。本研究结果显示,施氮量一定时,连续5年秸秆还田条件下麦玉两作物播前及收后土壤储水量（0—100 cm）均高于不还田处理,说明秸秆还田能够提高土壤保墒能力;秸秆还田条件下,氮素供应充足时土壤储水量较不施氮处理有所增加,说明施氮可提高土壤储水量。同时,相同氮素水平下,秸秆还田条件的麦玉两作物水分利用率显著高于不还田处理,增幅分别达4%—7%（麦）和8%—11%（玉）,说明秸秆还田对作物水分利用率有显著的增加作用;秸秆还田条件下,减量施氮显著高于常规施氮处理而获得了最高的水分利用率,符合前人的研究结果 ^[39]。
秸秆还田与氮肥合理配施能促进作物对氮素的吸收,提高作物氮肥利用率。张维乐^[40]在稻麦轮作和稻油轮作体系中的试验结果证明,秸秆还田处理作物氮肥偏生产力均高于不还田处理,同时秸秆还田条件下高氮量的投入显著降低了作物氮肥偏生产力。前人研究表明,秸秆施入条件下,作物的氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力、氮肥表观利用率均显著高于秸秆不施入^[41,42]。本研究结果同样表明,在相同施氮水平下,秸秆还田明显提高了冬小麦与夏玉米的氮肥偏生产力及农学利用效率;而在秸秆还田条件下,减量施氮下两作物氮肥偏生产力及农学效率明显高于常规施氮处理,这也与前人研究结果基本一致^[17]。
与常规施肥习惯（秸秆不还田+常规施氮）相比,秸秆还田配施减量氮肥获得了最高的水肥利用率。从水分利用的角度考虑,秸秆还田对作物水分利用的影响可能在于对作物的耗水模式的改变,在作物生育前期抑制土壤水分的无效蒸发,生育后期则增强植株蒸腾、促进干物质积累,从而提高作物产量及水分利用率^[10];同时,与减量施氮相比,常规施氮易导致作物生育前期生长旺盛,造成土壤水分的过量消耗,而使生育后期水分缺乏,不利于作物的干物质积累^[43]。从养分利用的角度考虑,秸秆还田后能够替代一定量无机氮,减缓氮素的损失^[31],为土壤微生物提供充足碳源,有效协调土壤氮素的固持与供应,提高土壤矿质氮的生物有效性^[44],从而促进作物对氮素的吸收;而减量施氮处理有效节肥,潜在提高了氮肥的利用效率。
此外,本研究中两作物的水分利用率、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的年际变化呈现出与产量相近的趋势,即随着秸秆还田年限的增加,秸秆还田条件对于作物水肥资源利用效率的提升愈发明显;同时由于各年间两作物生育期水分供应的差异,两作物的土壤储水量、水分利用率、氮肥偏生产力与氮肥农学利用效率均表现出明显的年际间波动。

4 结论

整个研究周期内,秸秆还田提高了表层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量,同时提高了冬小麦和夏玉米播种前及收获后的土壤储水量,并显著提高了夏玉米及冬小麦的水分利用率（WUE）、氮肥偏生产力（PEP_N）、氮肥农学效率（AE_N）。对于产量及其构成因素,秸秆还田显著提高冬小麦的公顷穗数及夏玉米百粒重,进而促进作物的高产。尽管连续5年冬小麦及夏玉米的产量受外界气温和降雨的影响较大,表现出明显的年际间差异,但随秸秆还田年限增长,两作物秸秆还田的增产率均呈现出潜在的上升趋势。施氮同样能够促进土壤养分、作物产量、WUE提高,但秸秆还田配施氮肥对作物产量、土壤养分、WUE的提升效应均优于单一施用氮肥,特别是秸秆还田配施氮肥显著提高了冬小麦及夏玉米的氮肥偏生产力（PEP_N）及氮肥农学利用效率（AE_N）。随着试验年限增加,尽管秸秆还田与减量施氮（SF0.8）处理下作物产量并非处理间最高,但WUE、PEP_N、AE_N均表现为各处理中最优,且与关中地区农户习惯耕作（S0F1）处理相比表现出明显的优势。因而,从综合角度考虑,秸秆还田与减量施氮的组合更符合资源的高效利用与作物的增产增效。
The authors have declared that no competing interests exist.

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