王永亮，胥子航，李申，梁哲銘，薛曉蓉，白炬，楊治平

秸稈還田與花后灌溉提高春玉米產量及水氮利用效率

王永亮，胥子航，李申，梁哲銘，薛曉蓉，白炬，楊治平

山西農業(yè)大學生態(tài)環(huán)境產業(yè)技術研究院/農業(yè)農村部鹽堿土改良與利用重點實驗室（學科群）/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，太原 030031

【目的】研究秸稈還田與花后灌溉量對春玉米產量及水氮利用效率的影響，探究實現黃土高原東部河谷平原區(qū)春玉米水氮可持續(xù)高效利用的有效管理措施?！痉椒ā炕谶B續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年），在2021—2022年開展田間試驗，采用裂區(qū)設計，主區(qū)為秸稈還田（R）和無秸稈還田（U），副區(qū)為5個花后灌溉量0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）、200（I200） mm，分析春玉米花后干物質累積量與耗水量的關系，并研究不同處理對春玉米產量、經濟效益以及水氮利用效率的影響?！窘Y果】秸稈還田與花后灌溉量及二因素互作顯著提高春玉米產量、經濟效益及水氮利用效率。與無秸稈還田相比，秸稈還田后玉米增產15.1%—43.5%，經濟效益提高15.9%—49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用效率、農學效率與偏生產力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%。花后干物質累積量與耗水量之間呈現二次函數關系，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理表現出較強的花后水分生產力，同時，產量響應系數顯示秸稈還田處理在受到干旱脅迫時具有更強的水分緩沖能力。秸稈還田條件下各花后灌溉量處理玉米籽粒產量、干物質累積量、氮素吸收量及水氮利用效率均以I150處理最高。此外，秸稈還田與花后灌溉均顯著促進了春玉米花后根系生長，但過量灌溉（I200處理）則抑制根系生長?！窘Y論】黃土高原東部河谷平原春玉米生產系統(tǒng)中，秸稈還田配合花后灌溉150 mm可實現春玉米最佳籽粒產量與水氮利用效率，因此可作為該地區(qū)春玉米水氮高效可持續(xù)利用的管理措施。

春玉米；秸稈還田；花后灌溉；水氮利用效率；產量響應系數

0 引言

【研究意義】傳統(tǒng)農業(yè)產生了大量農作物秸稈，并且我國已明令禁止秸稈焚燒，因此，如何合理利用殘留的農作物秸稈是農業(yè)生產中所面臨的一個重要問題[1]。黃土高原東部河谷平原是黃土高原地區(qū)春玉米主產地之一，但有限的降雨及其年季間分布不均是造成該地區(qū)作物產量與水肥利用效率低下的重要因素，也是限制該地區(qū)農業(yè)發(fā)展的主要因素[2-3]。同時，不合理的灌溉制度難以與春玉米自身用水需求相協(xié)調，導致灌溉水資源浪費和土壤養(yǎng)分損失現象嚴重[4]，因此，優(yōu)化灌溉制度提高水肥利用效率對實現該地區(qū)玉米高產高效目的具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈還田具有改善農田生態(tài)環(huán)境a、提高土壤質量以及蓄水保墑等作用，有利于作物根系對水分、養(yǎng)分的吸收，因此已逐漸成為農業(yè)生產中一種應用廣泛的秸稈利用措施[5]。研究發(fā)現，秸稈還田可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，改善土壤含水量[6]。同時，秸稈還田經腐解后可以提高土壤養(yǎng)分，促進作物產量形成以及地上部氮素吸收[7]。大量研究表明，合理灌溉可以消除水分限制，調控土壤氮素轉運及作物根系分布，有效提高作物產量與氮素利用效率[8]。羅帥等[9]研究表明，玉米產量與水分利用效率隨灌溉量增加呈現拋物線趨勢，但過量灌溉會抑制玉米根系對土壤養(yǎng)分的吸收，使地上部光熱資源利用過度，生殖生長時間延后，灌漿時間縮短[10]，導致玉米減產[11-12]，同時過量灌溉還存在污染地下水的風險[13]，所以灌溉量的確定十分必要。然而，受不同地區(qū)降雨、地域、作物品種及田間管理措施不同的影響，實現玉米高產高效的最佳灌溉量也存在一定區(qū)域差異。已有研究表明，在黃土高原西部地區(qū)，施氮量為260 kg N·hm-2時可實現春玉米最高產量的全生育期灌溉量為327—409 mm[14]；在黃土高原南部地區(qū)，當全生育期灌溉量為350—425 mm時既能提高玉米產量與水分利用效率又能改善籽粒含氮量[15]；而在西北部邊疆地區(qū)，膜下滴灌玉米最佳的生育期灌溉總量則高達525—600 mm[16]。【本研究切入點】目前有關秸稈還田措施的研究較多，多集中在土壤性狀與培肥效應方面，已基本明確秸稈還田措施對作物生長發(fā)育及產量的促進作用[17-20]。然而，在黃土高原東部河谷平原區(qū)春玉米種植體系中，秸稈還田對春玉米水氮利用效率的相關研究較少。同時，由于該地區(qū)春季干旱嚴重，土壤含水量較低[21]，當地農戶統(tǒng)一在播種前采用漫灌方式進行大面積灌溉（灌溉量約150 mm）來保證玉米出苗與花前生長，而對于該地區(qū)適宜的花后灌溉量的研究尚未有定論，并且與秸稈還田互作對春玉米生產的影響機理尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】本試驗在連續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年）的基礎上，開展為期2年的春玉米田間定位試驗，探究該地區(qū)秸稈還田與無秸稈還田條件下花后灌溉量對春玉米產量及水氮利用效率的影響，明確黃土高原東部河谷平原春玉米生產系統(tǒng)水氮高效可持續(xù)利用的管理措施，為該地區(qū)玉米高產、資源高效以及環(huán)境友好的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2021—2022年山西農業(yè)大學東陽試驗示范基地（112 °39 ′59 ″E，37 °33 ′20 ″N，海拔779.2 m）開展，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為9.7 ℃，年均降雨量為440.7 mm，約70%的降雨集中在6—9月，2021—2022年春玉米生育期氣溫與降雨情況如圖1所示，2021年春玉米生長季花前、花后與總降雨量分別為182.2、151.2和333.4 mm，屬平水年，2022年分別為173.7、56.5和230.2 mm，屬缺水年。試驗地土壤類型為石灰性潮土，質地為砂壤土，萎蔫系數為5.8%，試驗開始前0—40 cm土層基本理化性質為有機質6.6 g·kg-1、全氮0.6 g·kg-1、有效磷8.3 mg·kg-1、速效鉀114.9 mg·kg-1、土壤容重1.5 g·cm-3。

圖1 2021和2022年春玉米生育期降雨量與氣溫

1.2 試驗設計與田間管理

基于連續(xù)7年長期定位試驗（2014—2020年），采用裂區(qū)設計，主區(qū)為秸稈還田（R）與無秸稈還田（U）兩種秸稈管理措施，副區(qū)為5個花后灌溉量，分別為0（I0）、50（I50）、100（I100）、150（I150）和200（I200）mm，共10個處理，重復3次。另外設計不施肥處理用于氮素利用率計算。秸稈還田方式為粉碎旋耕全量還田，即前茬玉米收獲后，將殘留的秸稈全部移出并用機器粉碎成長度5—10 cm的小段，霜凍前人工均勻平鋪于小區(qū)地表，再進行旋耕還田處理，還田量約為7.5 t hm-2，還田后秸稈主要分布在0—20 cm土層。由于該地區(qū)春季干旱嚴重，兩年內所有處理進行播前灌溉（灌溉量約150 mm）以保證玉米出苗。兩年內花后灌溉時間為吐絲期取樣后3天，日期分別為2021年7月27日和2022年8月4日。

玉米品種選用大豐30，種植密度為67 500株/hm2。小區(qū)面積為99 m2（11 m×9 m），所有小區(qū)周圍均建起高度約20 cm的地壟，以防止地表徑流。氮肥（含N量46%的尿素）施入量為225 kg N·hm-2，基肥與追肥按照1﹕2的比例分別在播前和十葉期施入。磷肥（含P2O512%的過磷酸鈣）和鉀肥（含 K2O 45%的硫酸鉀）隨基肥一次性施入，施入量分別為112.5 kg P2O5·hm-2、75 kg K2O·hm-2。2021年5月11日播種，10月1日收獲測產；2022年5月23日播種，9月27日收獲測產。

1.3 樣品采集與指標測定

1.3.1 土壤水分與相關計算 用烘干法測定各處理播前（PT）、吐絲期（R1）、灌漿期（R3）和收獲期（R6）0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土層的土壤含水量（%），重復3次。水分相關計算方法如下：

土壤貯水量（mm）=土壤含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土層深度（cm）×10；

耗水量（mm）=灌溉量（mm）+降雨量（mm）+播前0—100 cm土層貯水量（mm）-收獲期0—100 cm土層貯水量（mm）；

水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒產量（kg·hm-2）/耗水量（mm）；

產量響應系數（Ky）：相對產量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1-ET/ETm）之間的相關關系可表示為：

1-Y/Ym=Ky（1-ET/ETm）；

式中，Y為春玉米實際籽粒產量；Ym為試驗期間春玉米最高籽粒產量；ET為春玉米生育期實際耗水量；ETm為試驗期間春玉米生育期最大耗水量；Ky為春玉米產量響應系數。

1.3.2 玉米生物量、產量與氮素相關計算 各處理分別在吐絲期（R1）、灌漿期（R3）和成熟期（R6）采集3株植株樣品，重復3次，再進行部位切分（包括莖、葉、穗軸和籽粒），放入烘箱105 ℃下殺青1 h，然后75 ℃下烘至恒重，稱量干重后，用粉碎機粉碎樣品，裝入封口袋，用凱氏定氮儀測定全氮含量。

成熟期在每個小區(qū)中心劃定出10 m2（5 m×2 m）的測產區(qū)進行測產，并記錄穗粒數與百粒重，將籽粒干物質量換算成含有15.5%水分的標準產量。

氮素相關計算如下：

氮素吸收量（kg·hm-2）=植物全氮含量（%）×干物質累積量（kg·hm-2）；

氮素回收利用率（%）=（施氮處理地上部氮素吸收量-不施氮處理地上部氮素吸收量）/施氮量×100；

氮素農學效率（kg·kg-1）=（施氮處理產量-不施氮處理產量）/施氮量；

氮素偏生產力（kg·kg-1）=產量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）。

1.3.3 根系采集與相關計算 由于在2021年田間試驗中發(fā)現過量灌溉（I200處理）存在減產風險，因此2022年決定研究花后0—100 cm土層根系生長，在蠟熟期（R5）以玉米為中心劃定60 cm×24 cm的方形區(qū)域，按取土層次每層劃分為20 cm×12 cm的土塊，每株共取36塊，將土塊中所有玉米根系全部挑出，裝于自封袋中，帶回后用水將表面附著的土壤沖洗干凈裝于牛皮紙袋中，保存于4 ℃冰箱內，并盡快用根系掃描儀掃描獲得根長（cm）與根表面積（cm2），再置于75 ℃烘箱內烘干至恒重并稱量根干重（g）。根系相關計算如下：

根長密度（cm·cm-3）=根長/土塊體積；

根干重密度（g·m-3）=根干重/土塊體積；

根表面積密度（cm2·cm-3）=根表面積/土塊體積。

1.3.4 經濟效益相關計算 根據當地實際收支情況進行了經濟效益相關計算：

經濟效益（元/hm2）=籽粒產量×糧食價格-灌溉支出-其他支出；

其他支出（元/hm2）=肥料+種子+除草劑+機耕費+播種支出+收獲支出+處理秸稈（清理/還田）。

玉米籽粒價格定為2.3 元/kg。灌溉水價格定為0.7 元/m3。肥料、種子、除草劑、翻耕、旋耕、播種、收獲、秸稈清理和秸稈還田的支出分別為1800、600、638、900、750、225、525、500和850 元/hm2。

1.4 數據分析

試驗數據利用Excel 2016進行前期處理，利用SPSS 20.0進行單因素方差分析（One way ANOVA）評估不同處理間的差異性，采用最小顯著性差異法（The least significant difference，LSD）分析顯著性（＜0.05為顯著，＜0.01為極顯著），利用Sigmaplot 14.0進行作圖。

2 結果

2.1 春玉米產量及經濟效益

秸稈還田、花后灌溉量和兩因素的交互作用均顯著影響春玉米產量和百粒重，而穗粒數主要受花后灌溉量與年際的影響（表1）。相同灌溉量下，秸稈還田處理兩年的產量與百粒重均高于無秸稈還田處理，可增產15.1%—43.5%，百粒重提高8.6%—23.7%。相同秸稈處理條件下，產量和百粒重均以I150處理最高，與I0處理相比，灌溉處理增產14.4%—61.7%；與I150處理相比，I200處理產量和百粒重2021年顯著降低，2022年差異不顯著，但也有降低趨勢，說明過量灌溉沒有進一步提高春玉米產量，甚至存在減產風險。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對產量的影響兩年內達到極顯著水平（＜0.01）。兩年內花后灌溉處理顯著提高春玉米穗粒數，而不同秸稈處理間無顯著差異。

秸稈還田、花后灌溉量及二者交互作用均顯著影響經濟效益（表1）。相同灌溉量下，秸稈還田處理兩年內經濟效益均高于無秸稈還田處理，增幅為15.9%—49.1%。相同秸稈處理條件下，經濟效益均以I150處理最高，與I0處理相比，灌溉處理的經濟效益顯著提高18.8%—71.5%。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對經濟效益的影響兩年內達到顯著水平（＜0.01）。

R表示秸稈還田處理；U表示無秸稈還田處理；I0、I50、I100、I150、I200表示花后灌溉量0、50、100、150、200 mm。同列數據后不同小寫字母表示副區(qū)處理間的差異性（＜0.05）；ns、*、**和***分別表示不同因素影響顯著性＞0.05、＜0.05、＜0.01和＜0.001。下同

R is straw returning treatment; U is no straw returning treatment; I0, I50, I100, I150, I200 refer to 0, 50, 100, 150, 200 mm irrigating rate at post-silking. Different lowercase letters after the same column of data is the differences between sub-factors (＜0.05); ns, *, **, and *** indicate significance of the influence of different factors＞0.05,＜0.05,＜0.01, and＜0.001, respectively. The same as below

2.2 春玉米干物質累積與葉面積指數

秸稈還田、花后灌溉量及二因素互作均顯著影響春玉米干物質累積量（圖2）。由于該試驗探究花后灌溉量對春玉米的影響，所以花前所有小區(qū)管理措施相同，在R1時期才完成不同梯度灌溉，因此相同秸稈處理下，不同灌溉處理的花前干物質累積量均無顯著差異。相同灌溉量下，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理兩年內花前干物質累積量顯著提高26.1%—39.8%，同時，秸稈還田促進了春玉米花前葉面積發(fā)展，且兩年內封壟時間較無秸稈還田處理提前2—4 d（圖3），花后干物質累積量提高10.6%—53.2%；除RI200處理外，秸稈還田處理的花前花后玉米干物質累積量均顯著高于無秸稈還田處理。相同秸稈處理條件下，兩年內花后干物質累積量均以I150處理最高，與I0處理相比提高6.2%—85.9%，但過量灌溉會導致花后干物質累積量降低。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對花后干物質累積量的影響兩年均達到極顯著水平（＜0.01）。

2.3 春玉米耗水量與水分利用效率

春玉米耗水量和水分利用效率受秸稈還田、花后灌溉量的顯著影響，年際降雨量的影響也較大（表2）。秸稈還田對春玉米生育期耗水量的影響達到顯著水平（＜0.05）。秸稈還田提高土壤水分緩沖能力，使耗水量保持在一個合理區(qū)間，從而顯著提高春玉米水分利用效率（表2）?；ê蠊喔蕊@著提高春玉米生育期耗水量，相同秸稈處理條件下，耗水量隨灌溉量的增加而增加，生育期耗水量均以I200處理最高，與I0處理相比，灌溉處理生育期耗水量分別增加6.2%—35.0%（2021年）和4.7%—38.6%（2022年）。

表2 不同處理春玉米耗水量與水分利用效率

相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田顯著提高春玉米水分利用效率16.8%—36.9%。相同秸稈處理條件下，兩年內各處理水分利用率均隨花后灌溉量的增加呈現先升高后降低趨勢，均以I150處理最高，且顯著高于I200處理，說明過量灌溉會使春玉米水分利用效率顯著降低。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對水分利用效率的影響兩年內達到顯著水平（＜0.05）。

2.4 春玉米花后干物質累積與耗水量相關關系

干物質累積量與生育期耗水量間關系是優(yōu)化灌溉措施的重要理論基礎。本研究中，花后干物質累積與耗水量之間呈現顯著二次函數相關關系（圖4）。R1—R3階段，秸稈還田條件下耗水量為111.1 mm時，干物質累積量達到最大值9.2 t·hm-2；無秸稈還田條件下耗水量為112.3 mm時，干物質累積量達到最大值7.4 t·hm-2。在同等耗水量情況下，秸稈還田處理擬合干物質累積量普遍高于無秸稈還田處理，說明秸稈還田在該階段水分利用效率高于無秸稈還田。R3—R6階段，秸稈還田與無秸稈還田條件下耗水量分別為211.7和233.4 mm時，干物質累積量達到最大值5.4和4.7 t·hm-2。與無秸稈還田相比，秸稈還田處理下干物質累積量率先達到峰值，表現出較強的花后水分生產力。然而，當耗水量增加到一定程度時，干物質累積量降低，說明過量灌溉不利于春玉米花后生長發(fā)育與產量形成。

R1表示吐絲期，R3表示灌漿期，R6表示收獲期 R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, and R6 is the harvest stage

2.5 春玉米產量響應系數

相對產量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1-ET/ETm）間的斜率代表玉米產量響應系數（Ky），反映的是作物對于土壤水分脅迫的敏感程度。秸稈還田與無秸稈還田處理的Ky值分別為0.6063和0.8752（圖5），說明秸稈還田措施下春玉米耗水量減少所引起的減產幅度小，即秸稈還田措施使春玉米在干旱脅迫下仍能保持較高的籽粒產量。

2.6 春玉米氮素吸收與利用

秸稈還田、花后灌溉量及二者的互作均顯著影響春玉米氮素吸收量（圖6），相同灌溉量下，與無秸稈還田相比，秸稈還田處理兩年內籽粒氮素吸收量與氮素總吸收量顯著提高11.9%—39.9%和10.4%— 37.0%。相同秸稈處理條件下，各處理兩年內的籽粒氮素吸收量與總氮素吸收量均以I150處理最高，與I0處理相比顯著提高15.7%—65.6%和9.6%—43.9%；與I150處理相比，I200處理的籽粒氮素吸收量兩年均顯著降低，氮素總吸收量在2021年顯著降低，說明過量灌溉沒有進一步促進春玉米氮素吸收。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對籽粒氮素吸收量的影響2021年達到極顯著水平（＜0.01），2022年也達到顯著水平（＜0.05），對氮素總吸收量的影響兩年均達到顯著水平（＜0.05）。

圖5 春玉米相對產量虧缺（1-Y/Ym）與相對耗水量虧缺（1- ET/ETm）的相關關系

春玉米氮肥回收利用率、農學效率與偏生產力受秸稈還田、花后灌溉以及二者間的交互作用顯著影響，而年份因素僅對氮肥回收利用效率影響顯著（表3）。相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田兩年內氮素回收利用率、農學效率與偏生產力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%— 43.6%。相同秸稈處理條件下，各灌溉處理氮肥回收利用率、農學效率與偏生產力兩年內均以I150處理最高，與I0處理相比顯著提高13.6%—82.3%、26.5%— 179.8%和14.4%—61.7%；與I150處理相比，I200處理氮肥回收利用率、農學效率與偏生產力2021年均顯著降低，2022年差異不顯著，但也有降低趨勢，說明過低或過量灌溉均可降低氮肥利用效率與偏生產力。秸稈還田與花后灌溉量二因素互作對氮素利用效率的影響兩年內達到顯著水平（＜0.05）。

2.7 春玉米根長密度、根干重密度與根表面積密度

春玉米不同土層的根長密度、根干重密度與根表面積密度受秸稈還田與花后灌溉顯著影響（圖7）。相同灌溉量下，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理的根長密度、根干重密度與根表面積密度在0—10 cm土層提高8.1%—27.9%、4.9%—28.4%和11.6%— 46.1%，在10—100 cm土層差異不顯著，說明秸稈還田顯著促進了春玉米在淺層土壤中的根系生長。相同秸稈處理條件下，與I0處理相比，各處理根長密度在0—20 cm土層顯著提高38.4%—143.0%，根干重密度在0—10 cm土層顯著提高17.9%—53.9%，根表面積密度在0—20 cm土層顯著提高22.4%—163.3%；與I150處理相比，秸稈還田條件下I200處理根長密度在40—100 cm土層顯著降低68.3%—91.7%，根干重密度在10—100 cm土層顯著降低37.6%—75.9%，根表面積密度在20—100 cm土層顯著降低89.9%— 85.8%。與I150處理相比，無秸稈還田條件下I200處理根長密度在0—20 cm土層顯著降低17.2%—18.7%，根干重密度在0—10 cm土層顯著降低22.1%，根表面積密度在0—10 cm土層顯著降低33.8%，說明過低或過高的灌溉量均會顯著抑制春玉米根系生長。

圖6 不同處理春玉米2021年和2022年籽粒吸收量與氮素總吸收量

表3 不同處理春玉米氮素利用效率與偏生產力

3 討論

3.1 秸稈還田與花后灌溉對春玉米產量與水分利用效率的影響

秸稈還田與花后灌溉均可顯著提高春玉米產量與水分利用效率，適宜的水分供給是實現春玉米高產高效的重要前提[22]，而秸稈還田蓄水保墑的能力又對春玉米生長發(fā)育起到了積極作用[23]。本研究通過2年的田間試驗發(fā)現，相同秸稈處理條件下，花后灌溉使春玉米籽粒產量與水分利用效率提高14.4%— 61.7%（表1）和4.9%—29.9%（表2），籽粒產量與水分利用效率均隨灌溉量的增加呈現出先升高后降低的趨勢，與KRESOVI?等[24]的研究結果一致。相同灌溉量下，秸稈還田顯著提高了春玉米產量（表1），最高籽粒產量分別達到了16.08（2021年）和14.45 t·hm-2（2022年），與近年來我國高產區(qū)春玉米產量（≥15 t·hm-2）相近[25]。秸稈還田在兩年內實現了15.1%—43.5%的增產幅度，高于周懷平[26]等通過長期試驗研究得出的11.6%—20.9%增產幅度，這主要是因為本研究中秸稈還田措施僅在花后無灌溉或低灌溉量處理（I0與I50處理）中表現出較高的增產幅度，同時秸稈不還田措施下I0與I50處理在花后受到干旱脅迫的影響，玉米根系生長受到抑制，且兩年間花后強風天氣頻發(fā)，I0與I50處理均出現不同程度的倒伏現象，導致產量基數較??；而秸稈還田條件下較強的土壤水分緩沖力，使得玉米在花后受干旱脅迫的影響較小，進而促進籽粒灌漿，導致秸稈還田在低水量時具有較高的增產幅度。秸稈還田在增產的同時顯著提高了水分利用效率（表2），增效幅度為16.8%—36.9%，水分利用效率最高達到25.6（2021年）和30.16 kg·hm-2·mm-1（2022年），高于我國黃土高原旱作區(qū)玉米水分利用效率的平均值21.5 kg·hm-2·mm-1[27]，原因可能是秸稈中含有的豐富氮元素可有效培肥地力，顯著提高春玉米根系對養(yǎng)分的吸收能力，促進春玉米地上部氮素吸收，同時改善了土壤溫度，從而提高產量與水分利用效率[28]。同時，水分利用效率通常受年際降雨量的影響，表現出較大的年際差異[29]，本研究2022年較低的玉米生育期降雨量（230.2 mm）可能也是導致該生長季玉米較高水分利用效率的原因。另外，增產使得經濟效益顯著提高，本研究兩年秸稈還田與花后灌溉所帶來的經濟效益遠高于灌溉支出（350—1 400元/hm2）和秸稈還田支出（850 元/hm2）（表1），與YIN等[30]研究結果一致。

圖7 不同處理春玉米0—100 cm土層根長密度、根干重密度與根表面積密度

3.2 秸稈還田條件下春玉米耗水量與干物質累積量間相關關系

干物質累積量與耗水量之間通常表現出良好的函數相關關系[31-32]。本研究分別擬合兩年內秸稈還田與無秸稈還田條件下的函數曲線發(fā)現，春玉米花后干物質累積量與耗水量之間呈現顯著二次函數相關關系（圖4），并根據函數表達式得出秸稈還田與無秸稈還田兩種處理在R1—R3階段干物質累積量達到峰值9.2和7.4 t·hm-2時，所需耗水量為111.1和112.3 mm；在R3—R6階段干物質累積量達到峰值5.4和4.7 t·hm-2時，所需耗水量為211.7和233.4 mm，與ZHANG等[33]研究結果相似。耗水量繼續(xù)增加導致干物質累積量下降的原因可能是灌溉量過高抑制了根系活力，不利于花后根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收與利用，從而影響地上部生物量增長[34]。產量-水分響應系數（Ky）代表作物對水分脅迫的耐受能力[35]。根據前人的研究結果，在某種管理措施下產量-水分響應系數（Ky）小于1.0時，作物對水分脅迫的耐受性較強，因此該措施在受到水分脅迫時的產量下降有限，節(jié)約灌溉用水并提高水分利用效率[36]。本研究得出，秸稈還田處理Ky值（0.6063）與無秸稈還田處理Ky值（0.8752）均小于1.0（圖5），秸稈還田處理Ky值小于無秸稈還田處理，原因可能是秸稈還田改善了土壤孔隙度，增強了土壤蓄水能力，因此秸稈還田在受到水分脅迫時具有更強的緩沖能力[37]。

3.3 秸稈還田與花后灌溉對春玉米根系生長的影響

根系是作物吸收水分和營養(yǎng)物質的重要器官，此功能與根系在土壤中分布情況密切相關[38]。FAN等[39]研究發(fā)現，秸稈還田可促進春玉米根系生長，提高干物質累積量、氮素累積量、氮素利用效率以及偏生產力，原因是秸稈經過緩慢腐解而釋放的秸稈氮素促進了根系對土壤氮素的吸收與利用[40]，而花后氮素累積是籽粒氮素的重要來源，是產量形成的關鍵，而籽粒氮素累積是由花后氮素累積和花前氮素累積轉移共同作用的結果[41]，同時，合理灌溉能加速秸稈在土壤中的腐解，增強土壤供氮能力[42]。本研究也得到了相似結論，秸稈還田與花后灌溉均顯著促進了春玉米花后根系生長（圖7），秸稈還田與花后灌溉對春玉米根系生長的促進作用主要體現在淺層土壤，與ZHANG等[43]的研究結果相同。然而，蔡紅光等[44]研究發(fā)現，土壤含水量過高會抑制春玉米花后的根系生長，進而影響產量形成。本研究也得到相同結論，花后灌溉顯著提高了春玉米花后0—20 cm土層的根系生長，但過量灌溉導致花后根系生長受到抑制，進而影響花后地上部氮素吸收。另外，過高的灌溉量使花后土壤含水量顯著升高，導致土壤通透性與土壤溫度降低，微生物數量及微生物代謝強度也會隨之降低，進而導致秸稈腐解速度下降，供氮能力減弱[45]。因此，合理的灌溉量是實現春玉米高產高效的關鍵。

3.4 秸稈還田與花后灌溉對春玉米氮素吸收與利用的影響

春玉米更高的花前干物質與氮素累積量有利于花后氮素向籽粒的轉移。合理的灌溉量加速了秸稈氮素向土壤中的釋放，進而促進花后氮素吸收與利用，有利于產量形成[46]。本研究得出，相同灌溉量下，秸稈還田春玉米兩年花前干物質累積量顯著提高，花后干物質累積量與成熟期籽粒氮素吸收量分別顯著提高10.6%—53.2%和11.9%—39.9%（圖2、圖6），進而顯著提高氮素回收利用率與農學利用效率，實現增產，偏生產力顯著提高15.1%—43.6%（表3）。張剛等[47]的研究也得到相同結果，秸稈全量還田增加了作物籽粒與秸稈中氮素吸收量，進而提高作物氮素表觀回收利用率與農學利用效率。本研究中，相同秸稈處理條件下，各灌溉處理籽粒氮素吸收量與氮素總吸收量分別顯著提高15.7%—65.6%和9.6% —43.9%（圖6），氮素利用效率與農學利用效率顯著提高13.6%—82.3%和26.5%—179.8%（表3）。究其原因，水分是光合作用的原料，也是促進作物新陳代謝的重要物質，合理的水分供應促進了作物體內能量轉化與養(yǎng)分吸收，進而提高養(yǎng)分利用效率[48]。于維禎等[49]研究也認為，合理的灌溉制度提高了作物葉面積發(fā)展，進而增強光合作用，這與本研究結果一致。因此，秸稈還田與花后灌溉量二因素互作使春玉米氮素吸收量、氮素利用效率以及偏生產力顯著提高。

4 結論

秸稈還田與花后灌溉量二因素互作有利于春玉米干物質、氮素累積及根系生長，進而提高產量與水氮利用效率。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田可使春玉米增產15.1%—43.5%，經濟效益提高15.9%— 49.1%，水分利用效率提高16.8%—36.9%，氮素回收利用率、農學效率及偏生產力分別顯著提高15.8%—62.0%、26.5%—126.0%和15.1%—43.6%。秸稈還田條件下，花后灌溉150 mm時可實現最優(yōu)干物質累積量與氮素吸收量，同時產量與水氮利用效率增幅最大。因此，秸稈還田配合花后灌溉量150 mm可作為黃土高原東部河谷平原春玉米生產系統(tǒng)中水氮高效可持續(xù)利用的管理措施。

[1] 喬遠, 楊歡, 雒金麟, 汪思嫻, 梁藍月, 陳新平, 張務帥. 西北地區(qū)玉米生產投入及生態(tài)環(huán)境風險評價. 中國農業(yè)科學, 2022, 55(5): 962-976. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.05.010.

QIAO Y, YANG H, LUO J L, WANG S X, LIANG L Y, CHEN X P, ZHANG W S. Inputs and ecological environment risks assessment of maize production in northwest China. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(5): 962-976. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.05.010. (in Chinese)

[2] 殷文, 柴強, 胡發(fā)龍, 樊志龍, 范虹, 于愛忠, 趙財. 干旱內陸灌區(qū)不同秸稈還田方式下春小麥田土壤水分利用特征. 中國農業(yè)科學, 2019, 52(7): 1247-1259. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.07.012.

YIN W, CHAI Q, HU F L, FAN Z L, FAN H, YU A Z, ZHAO C. Characteristics of soil water utilization in spring wheat field with different straw retention approaches in dry inland irrigation areas. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(7): 1247-1259. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2019.07.012. (in Chinese)

[3] 殷文, 柴強, 于愛忠, 趙財, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范虹, 郭瑤. 間作小麥秸稈還田對地膜覆蓋玉米灌漿期冠層溫度及光合生理特性的影響. 中國農業(yè)科學, 2020, 53(23): 4764-4776. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2020.23.004.

YIN W, CHAI Q, YU A Z, ZHAO C, FAN Z L, HU F L, FAN H, GUO Y. Effects of intercropped wheat straw retention on canopy temperature and photosynthetic physiological characteristics of intercropped maize mulched with plastic during grain filling stage. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(23): 4764-4776. doi: 10.3864/j. issn.0578-1752.2020.23.004. (in Chinese)

[4] 李敖, 張元紅, 溫鵬飛, 王瑞, 董朝陽, 寧芳, 李軍. 耕作、施氮和密度及其互作對旱地春玉米土壤水分及產量形成的影響. 中國農業(yè)科學, 2020, 53(10): 1959-1970. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752. 2020.10.004.

LI A, ZHANG Y H, WEN P F, WANG R, DONG Z Y, NING F, LI J. Effects of tillage, nitrogen application, planting density and their interaction on soil moisture and yield formation of spring maize in dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(10): 1959-1970. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752. 2020.10.004. (in Chinese)

[5] 徐文強, 楊祁峰, 牛芬菊, ?？×x, 熊春蓉, 張永祥. 秸稈還田與覆膜對土壤理化特性及玉米生長發(fā)育的影響. 玉米科學, 2013, 21(3): 87-93, 99.

XU W Q, YANG Q F, NIU F J, NIU J Y, XIONG C R, ZHANG Y X. Effects of stalk returned to the field and film mulching on the soil physical and chemical characteristics and the maize growth. Journal of Maize Sciences, 2013, 21(3): 87-93, 99. (in Chinese)

[6] 馬勝蘭, 況福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波. 秸稈還田量對川中丘陵冬小麥-夏玉米輪作體系土壤物理特性的影響. 中國農業(yè)科學, 2023, 56(7): 1344-1358. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752. 2023.07.012.

MA S L, KUANG F H, LIN H Y, CUI J F, TANG J L, ZHU B, PU Q B. Effects of straw incorporation quantity on soil physical characteristics of winter wheat-summer maize rotation system in the central hilly area of Sichuan Basin. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(7): 1344-1358. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.012. (in Chinese)

[7] LEHTINEN T, SCHLATTER N, BAUMGARTEN A, BECHINI L, KRüGER J, GRIGNANI C, ZAVATTARO L, COSTAMAGNA C, SPIEGEL H. Effect of crop residue incorporation on soil organic carbon and greenhouse gas emissions in European agricultural soils. Soil Use and Management, 2014, 30(4): 524-538.

[8] 王旭敏, 雒文鶴, 劉朋召, 張琦, 王瑞, 李軍. 節(jié)水減氮對夏玉米干物質和氮素積累轉運及產量的調控效應. 中國農業(yè)科學, 2021, 54(15): 3183-3197. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.004.

WANG X M, LUO W H, LIU P Z, ZHANG Q, WANG R, LI J. Regulation effects of water saving and nitrogen reduction on dry matter and nitrogen accumulation, transportation and yield of summer maize. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(15): 3183-3197. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.15.004. (in Chinese)

[9] 羅帥, 馮浩, 李成, 舒方瑜, 董勤各. 旱區(qū)壟膜溝灌不同灌水量對土壤水鹽及春玉米產量的影響. 水土保持學報, 2021, 35(4): 259-266.

LUO S, FENG H, LI C, SHU F Y, DONG Q G. Effects of different irrigation amounts on soil water and salt and yield of spring maize under ridge with film mulching and furrow irrigation in arid area. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(4): 259-266. (in Chinese)

[10] 栗麗, 洪堅平, 王宏庭, 謝英荷, 張璐, 鄧樹元, 單杰, 李云剛. 施氮與灌水對夏玉米土壤硝態(tài)氮積累、氮素平衡及其利用率的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2010, 16(6): 1358-1365.

LI L, HONG J P, WANG H T, XIE Y H, ZHANG L, DENG S Y, SHAN J, LI Y G. Effects of nitrogen application and irrigation on soil nitrate accumulation, nitrogen balance and use efficiency in summer maize. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(6): 1358-1365. (in Chinese)

[11] 劉夢潔, 梁飛, 李全勝, 田宇欣, 王國棟, 賈宏濤. 膜下滴灌與細流溝灌對玉米生長及產量的影響. 中國農業(yè)科學, 2023, 56(8): 1515-1530. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.008.

LIU M J, LIANG F, LI Q S, TIAN Y X, WANG G D, JIA H T. Effects of drip irrigation under film and trickle furrow irrigation on maize growth and yield. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(8): 1515-1530. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.008. (in Chinese)

[12] PAYERO J O, TARKALSON D D, IRMAK S, DAVISON D, PETERSEN J L. Effect of irrigation amounts applied with subsurface drip irrigation on corn evapotranspiration, yield, water use efficiency, and dry matter production in a semiarid climate. Agricultural Water Management, 2008, 95(8): 895-908.

[13] 張經廷, 王志敏, 周順利. 夏玉米不同施氮水平土壤硝態(tài)氮累積及對后茬冬小麥的影響. 中國農業(yè)科學, 2013, 46(6): 1182-1190. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.06.011.

ZHANG J T, WANG Z M, ZHOU S L. Soil nitrate N accumulation under different N-fertilizer rates in summer maize and its residual effects on subsequent winter wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(6): 1182-1190. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.06.011. (in Chinese)

[14] 嚴富來, 張富倉, 范興科, 王英, 侯翔皓, 何瓊. 基于評價模型的寧夏沙土春玉米最佳灌水施氮量研究. 農業(yè)機械學報, 2020, 51(9): 258-265.

YAN F L, ZHANG F C, FAN X K, WANG Y, HOU X H, HE Q. Optimal irrigation and nitrogen application amounts for spring maize based on evaluation model in sandy soil area in Ningxia. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 258-265. (in Chinese)

[15] 劉小剛, 張富倉, 楊啟良, 王金鳳, 李志軍. 交替隔溝灌溉條件下玉米群體水氮利用研究. 農業(yè)機械學報, 2011, 42(5): 100-105.

LIU X G, ZHANG F C, YANG Q L, WANG J F, LI Z J. Group use of water and nitrogen on maize under alternative furrow irrigation. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(5): 100-105. (in Chinese)

[16] 唐光木, 何紅, 楊金鈺, 徐萬里. 灌溉定額對膜下滴灌玉米生理性狀及產量的影響. 水土保持研究, 2014, 21(3): 293-297.

TANG G M, HE H, YANG J Y, XU W L. Effect of irrigation quota on physiological characteristic and yield in drip irrigation under mulch of maize. Research of Soil and Water Conservation, 2014, 21(3): 293-297. (in Chinese)

[17] 王維鈺, 喬博, Kashif AKHTAR, 袁率, 任廣鑫, 馮永忠. 免耕條件下秸稈還田對冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸及土壤水熱狀況的影響. 中國農業(yè)科學, 2016, 49(11): 2136-2152. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2016.11.010.

WANG W Y, QIAO B, AKHTAR K, YUAN S, REN G X, FENG Y Z. Effects of straw returning to field on soil respiration and soil water heat in winter wheat- summer maize rotation system under No tillage. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(11): 2136-2152. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2016.11.010. (in Chinese)

[18] 楊竣皓, 駱永麗, 陳金, 金敏, 王振林, 李勇. 秸稈還田對我國主要糧食作物產量效應的整合(Meta)分析. 中國農業(yè)科學, 2020, 53(21): 4415-4429. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.010.

YANG J H, LUO Y L, CHEN J, JIN M, WANG Z L, LI Y. Effects of main food yield under straw return in China: a meta-analysis. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(21): 4415-4429. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2020.21.010. (in Chinese)

[19] 姜英, 王崢宇, 廉宏利, 王美佳, 蘇業(yè)涵, 田平, 隋鵬祥, 馬梓淇, 王英儼, 孟廣鑫, 孫悅, 李從鋒, 齊華. 耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產量的影響. 中國農業(yè)科學, 2020, 53(15): 3071-3082. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.15.008.

JIANG Y, WANG Z Y, LIAN H L, WANG M J, SU Y H, TIAN P, SUI P X, MA Z Q, WANG Y Y, MENG G X, SUN Y, LI C F, QI H. Effects of tillage and straw incorporation method on root trait at silking stage and grain yield of spring maize in northeast China. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(15): 3071-3082. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2020.15.008. (in Chinese)

[20] 路文濤, 賈志寬, 高飛, 李永平, 侯賢清. 秸稈還田對寧南旱作農田土壤水分及作物生產力的影響. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2011, 30(1): 93-99.

LU W T, JIA Z K, GAO F, LI Y P, HOU X Q. Effects of straw returning on soil water and crop productivity in the rainfed area of southern Ningxia, China. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(1): 93-99. (in Chinese)

[21] 張祖光, 郝衛(wèi)平, 李昊儒, 毛麗麗, 高翔. 山西省春玉米生育期干旱特征分析. 中國農業(yè)氣象, 2015, 36(6): 754-761.

ZHANG Z G, HAO W P, LI H R, MAO L L, GAO X. Analysis on the drought characteristics in different growth stages of spring maize in Shanxi Province. Chinese Journal of Agrometeorology, 2015, 36(6): 754-761. (in Chinese)

[22] XU X P, HE P, PAMPOLINO M F, JOHNSTON A M, QIU S J, ZHAO S C, CHUAN L M, ZHOU W. Fertilizer recommendation for maize in China based on yield response and agronomic efficiency. Field Crops Research, 2014, 157: 27-34.

[23] YANG H K, XIAO Y, ZHANG X, HUANG X L, FAN G Q. Maize straw mulching with uniconazole application increases the tillering capacity and grain yield of dryland winter wheat (L.). Field Crops Research, 2022, 284: 108573.

[24] KRESOVI? B, TAPANAROVA A, TOMI? Z, ?IVOTI? L, VUJOVI? D, SREDOJEVI? Z, GAJI? B. Grain yield and water use efficiency of maize as influenced by different irrigation regimes through sprinkler irrigation under temperate climate. Agricultural Water Management, 2016, 169: 34-43.

[25] LIU C, LU M, CUI J, LI B, FANG C M. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils: a meta-analysis. Global Change Biology, 2014, 20(5): 1366-1381.

[26] 周懷平, 解文艷, 關春林, 楊振興, 李紅梅. 長期秸稈還田對旱地玉米產量、效益及水分利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2013, 19(2): 321-330.

ZHOU H P, XIE W Y, GUAN C L, YANG Z X, LI H M. Effects of long-term straw-returning on corn yield, economic benefit and water use in arid farming areas. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 321-330. (in Chinese)

[27] ZHANG S L, SADRAS V, CHEN X P, ZHANG F S. Water use efficiency of dryland maize in the Loess Plateau of China in response to crop management. Field Crops Research, 2014, 163: 55-63.

[28] 趙亞麗, 薛志偉, 郭海斌, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對冬小麥-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影響. 中國農業(yè)科學, 2014, 47(17): 3359-3371. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.17.004.

ZHAO Y L, XUE Z W, GUO H B, MU X Y, LI C H. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the winter wheat and summer maize rotation system. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(17): 3359-3371. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2014.17.004. (in Chinese)

[29] 高艷梅, 孫敏, 高志強, 崔凱, 趙紅梅, 楊珍平, 郝興宇. 不同降水年型旱地小麥覆蓋對產量及水分利用效率的影響. 中國農業(yè)科學, 2015, 48(18): 3589-3599. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.18.003.

GAO Y M, SUN M, GAO Z Q, CUI K, ZHAO H M, YANG Z P, HAO X Y. Effects of mulching on grain yield and water use efficiency of dryland wheat in different rainfall years. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(18): 3589-3599. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.18.003. (in Chinese)

[30] YIN W, GUO Y, HU F L, FAN Z L, FENG F X, ZHAO C, YU A Z, CHAI Q. Wheat-maize intercropping with reduced tillage and straw retention: a step towards enhancing economic and environmental benefits in arid areas. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1328.

[31] AYARS J E, PHENE C J, HUTMACHER R B, DAVIS K R, SCHONEMAN R A, VAIL S S, MEAD R M. Subsurface drip irrigation of row crops: a review of 15 years of research at the Water Management Research Laboratory. Agricultural Water Management, 1999, 42(1): 1-27.

[32] EL-HENDAWY S E, SCHMIDHALTER U. Optimal coupling combinations between irrigation frequency and rate for drip-irrigated maize grown on sandy soil. Agricultural Water Management, 2010, 97(3): 439-448.

[33] ZHANG X Y, QIN W L, CHEN S Y, SHAO L W, SUN H Y. Responses of yield and WUE of winter wheat to water stress during the past three decades—a case study in the North China Plain. Agricultural Water Management, 2017, 179: 47-54.

[34] 鄒宇鋒, 蔡煥杰, 張體彬, 王云霏, 徐家屯. 河套灌區(qū)不同灌溉方式春玉米耗水特性與經濟效益分析. 農業(yè)機械學報, 2020, 51(9): 237-248.

ZOU Y F, CAI H J, ZHANG T B, WANG Y F, XU J T. Water use characteristics and profit analysis of spring maize production with different irrigation methods in Hetao irrigation district. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 237-248. (in Chinese)

[35] GEN?O?LAN C, ALTUNBEY H, GEN?O?LAN S. Response of green bean (L.) to subsurface drip irrigation and partial rootzone-drying irrigation. Agricultural Water Management, 2006, 84(3): 274-280.

[36] ?OLAK Y B, YAZAR A, G?NEN E, ERO?LU E ?. Yield and quality response of surface and subsurface drip-irrigated eggplant and comparison of net returns. Agricultural Water Management, 2018, 206: 165-175.

[37] 薛澄, 王朝輝, 李富翠, 趙護兵, 周玲, 李小涵. 渭北旱塬不同施肥與覆蓋栽培對冬小麥產量形成及土壤水分利用的影響. 中國農業(yè)科學, 2011, 44(21): 4395-4405. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2011. 21.008.

XUE C, WANG Z H, LI F C, ZHAO H B, ZHOU L, LI X H. Effects of different fertilization and mulching cultivation methods on yield and soil water use of winter wheat on Weibei dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(21): 4395-4405. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2011.21.008. (in Chinese)

[38] LYNCH J. Root architecture and plant productivity. Plant Physiology, 1995, 109(1): 7-13.

[39] FAN Y F, GAO J L, SUN J Y, LIU J A, SU Z J, WANG Z G, YU X F, HU S P. Effects of straw returning and potassium fertilizer application on root characteristics and yield of spring maize in China Inner Mongolia. Agronomy Journal, 2021, 113(5): 4369-4385.

[40] QUAN Z, LI S L, ZHU F F, ZHANG L M, HE J Z, WEI W X, FANG Y T. Fates of15N-labeled fertilizer in a black soil-maize system and the response to straw incorporation in Northeast China. Journal of Soils and Sediments, 2018, 18(4): 1441-1452.

[41] CIAMPITTI I A, VYN T J. Physiological perspectives of changes over time in maize yield dependency on nitrogen uptake and associated nitrogen efficiencies: a review. Field Crops Research, 2012, 133: 48-67.

[42] 蔣炳伸, 沈健林, 王娟, 李勇, 吳金水. 秸稈還田稻田土壤生物有效性磷及水稻磷吸收. 水土保持學報, 2020, 34(6): 309-317.

JIANG B S, SHEN J L, WANG J, LI Y, WU J S. Effect of straw incorporation on biologically-based phosphorus fractions and phosphorus uptake by rice in paddy field. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(6): 309-317. (in Chinese)

[43] ZHANG M M, SONG D P, PU X, DANG P F, QIN X L, SIDDIQUE K H M. Effect of different straw returning measures on resource use efficiency and spring maize yield under a plastic film mulch system. European Journal of Agronomy, 2022, 134: 126461.

[44] 蔡紅光, 袁靜超, 閆孝貢, 劉劍釗, 張秀芝, 張洪喜, 魏雯雯, 任軍. 不同灌溉方式對春玉米根系分布、養(yǎng)分累積及產量的影響. 玉米科學, 2014, 22(4): 109-113.

CAI H G, YUAN J C, YAN X G, LIU J Z, ZHANG X Z, ZHANG H X, WEI W W, REN J. Effect of irrigation on root distribution, nutrient accumulation and grain yield in spring maize. Journal of Maize Sciences, 2014, 22(4): 109-113. (in Chinese)

[45] 宮秀杰, 錢春榮, 曹旭, 于洋, 郝玉波, 李梁, 葛選良, 姜宇博. 玉米秸稈還田配施氮肥對土壤酶活、土壤養(yǎng)分及秸稈腐解率的影響. 玉米科學, 2020, 28(2): 151-155.

GONG X J, QIAN C R, CAO X, YU Y, HAO Y B, LI L, GE X L, JIANG Y B. Effects of nitrogen fertilizer on soil enzymatic activity, soil nutrients and decomposition rate of maize straw. Journal of Maize Sciences, 2020, 28(2): 151-155. (in Chinese)

[46] 王澤林, 白炬, 李陽, 岳善超, 李世清. 氮肥施用和地膜覆蓋對旱作春玉米氮素吸收及分配的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2019, 25(1): 74-84.

WANG Z L, BAI J, LI Y, YUE S C, LI S Q. Effects of nitrogen application and plastic film mulching on nitrogen uptake and allocation in dry-land spring maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(1): 74-84. (in Chinese)

[47] 張剛, 王德建, 俞元春, 王燦, 莊錦貴. 秸稈全量還田與氮肥用量對水稻產量、氮肥利用率及氮素損失的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2016, 22(4): 877-885.

ZHANG G, WANG D J, YU Y C, WANG C, ZHUANG J G. Effects of straw incorporation plus nitrogen fertilizer on rice yield, nitrogen use efficiency and nitrogen loss. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(4): 877-885. (in Chinese)

[48] 魏廷邦, 柴強, 王偉民, 王軍強. 水氮耦合及種植密度對綠洲灌區(qū)玉米光合作用和干物質積累特征的調控效應. 中國農業(yè)科學, 2019, 52(3): 428-444. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.03.004.

WEI T B, CHAI Q, WANG W M, WANG J Q. Effects of coupling of irrigation and nitrogen application as well as planting density on photosynthesis and dry matter accumulation characteristics of maize in oasis irrigated areas. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(3): 428-444. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.03.004. (in Chinese)

[49] 于維禎, 張曉馳, 胡娟, 邵靖宜, 劉鵬, 趙斌, 任佰朝. 弱光澇漬復合脅迫對夏玉米產量及光合特性的影響. 中國農業(yè)科學, 2021, 54(18): 3834-3846. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.004.

YU W Z, ZHANG X C, HU J, SHAO J Y, LIU P, ZHAO B, REN B Z. Combined effects of shade and waterlogging on yield and photosynthetic characteristics of summer maize. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(18): 3834-3846. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021. 18.004. (in Chinese)

Straw Returning and Post-Silking Irrigating Improve the Grain Yield and Utilization of Water and Nitrogen of Spring Maize

WANG YongLiang, XU ZiHang, LI Shen, LIANG ZheMing, XUE XiaoRong, BAI Ju, YANG ZhiPing

Institute of Eco-environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Key Laboratory for Reclamation and Utilization of Saline-alkaline Soils (Discipline Cluster), Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shanxi Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031

【Objective】The irrigation system for spring maize production in the eastern Loess Plateau is unclear. In view of this, the effects of straw return and post-silking irrigation on grain yield and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were studied in order to explore effective management measures to achieve sustainable and efficient utilization of water and nitrogen in spring maize in the region, so as to provide a theoretical basis for the high yield, high resource efficiency, and environmentally friendly agricultural sustainable development of spring maize in the region.【Method】Based on a 7-year long-term positioning experiment (2014-2020), a field experiment was carried out from 2021 to 2022. A split design was applied for the treatments, the main factors included straw returning (R) and no straw returning (U), and sub-factors included five post-silking irrigation gradients (I0, I50, I100, I150, and I200 mm). The correlation between dry matter accumulation at post-silking and evapotranspiration of spring maize was analyzed, and the effects of different treatments on grain yield, economic benefits and use efficiency of water and nitrogen were studied.【Result】The grain yield, economic benefit and use efficiency of water and nitrogen of spring maize were significantly improved by straw returning and irrigating at post-silking. Compared with conventional tillage, the grain yield, the economic benefit and the water use efficiency of straw returning treatment increased by 15.1%-43.5%, 15.9%-49.1%, and 16.8%-36.9%, respectively. The N recovery use efficiency, N agricultural efficiency, and N partial productivity of spring maize were significantly improved by 15.8%-62.0%, 26.5%-126.0%, and 15.1%-43.6%, respectively. The relationship between dry matter accumulation and evapotranspiration at post-silking was a quadratic function. Compared with conventional tillage, the straw returning treatment showed a stronger water productivity at post-silking. Though the yield response factor, the straw returning treatment had stronger water buffering capacity under water stress. Under the condition of straw returning, the grain yield and water and nitrogen use efficiency of the treatment with irrigation rate at post-silking were the highest under I150 treatment. In addition, the straw returning and irrigating at post-silking significantly promoted root growth of spring maize, but excessive irrigating (I200 treatment) inhibited root growth.【Conclusion】To sum up, in the spring maize production system in the eastern valley plain of the Loess Plateau, straw returning with the irrigating rate of 150 mm at post-silking could be used as a management measure for the efficient and sustainable use of water and nitrogen of spring maize.

spring maize; straw returning; post-silking irrigating; water and nitrogen use efficiency; yield response factor

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.009

2023-02-20；

2023-07-20

山西省科技重大專項計劃（202201140601028）、山西省現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金（2023CYJSTX01-14）、山西省科技成果轉化引導專項（202104021301047）、山西農業(yè)大學博士科研啟動項目（2021BQ123）

王永亮，E-mail：wangyongliang@sxau.edu.cn。通信作者白炬，E-mail：baiju@sxau.edu.cn。通信作者楊治平，E-mail：yzpsx0208@163.com

（責任編輯 李云霞）