稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米產量、養分利用及徑流損失的影響

唐麗 謝勇 楊威 黃佳怡 黃卓江 何石福 榮湘民

摘要：【目的】研究稻草覆蓋或廂邊種植大豆等農藝措施對玉米產量、氮磷鉀養分利用和徑流損失的影響，為探索旱地作物高產高效種植的有效農藝措施提供科學依據?！痉椒ā坎捎锰镩g小區試驗，設不施肥且無農藝措施（CK）、施化肥但無農藝措施（CF）、施化肥+覆蓋稻草（CF+R）、施化肥+廂邊種植大豆（CF+S）和施化肥+稻草覆蓋+廂邊種植大豆（CF+R+S）5個處理，探討稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米產量、氮磷鉀養分利用及徑流損失的影響?！窘Y果】與CF處理相比，CF+R和CF+R+S處理的玉米產量分別顯著增加16.0%和23.2%（P<0.05，下同），玉米生育期內總徑流量分別顯著減少18.5%和22.0%，地上部氮素和鉀素累積量分別顯著提高20.1%和25.6%、15.2%和20.1%，磷素累積量無顯著變化（P>0.05，下同），氮、磷、鉀徑流損失量顯著減少33.6%和40.2%、38.0%和40.0%、38.8%和46.6%。CF+S處理對玉米增產和氮、鉀肥料增效的影響不顯著，未能有效攔截地表徑流和減少氮鉀養分的徑流損失，但可顯著減少17.7%的磷素養分損失?！窘Y論】稻草覆蓋或稻草覆蓋結合廂邊種植大豆的農藝措施能顯著增加玉米產量，顯著提高氮素和鉀素利用率，并顯著減少氮、磷和鉀素徑流損失。其中稻草覆蓋結合廂邊種植大豆農藝措施的增產效應、肥料利用效應和養分損失環境效應相對較佳，可在南方丘陵地區大田旱地作物種植中推廣應用。

關鍵詞： 玉米;稻草覆蓋;廂邊種植大豆;產量;養分利用;徑流損失

中圖分類號： S513.044? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）06-1204-07

Abstract：【Objective】In order to explore the effective agronomic measures for high-yield and high-efficiency cultivation in upland， the effects of the agronomic measures of rice-straw mulching and planting soybeans around maize blocks on yields， utilization and runoff losses of nitrogen（N）， phosphorus（P） and potassium（K） in crops systemstudied were studied. 【Method】Field plot experiments were conducted to investigate the effects of? rice-straw mulching and planting soybean around cultivated plots on maize yield，NPK nutrient utilization efficiency and runoff losses. Five treatments were set up，which were the control without fertilization and agronomic measures（CK），treatment of chemical fertilizer application without agronomic measures（CF），treatment of chemical fertilizer combined with rice-straw mulching（CF+R），treatment of chemical fertilizer combined with planting soybean around cultivated block（CF+S），treatment of chemical fertili-zer combined with rice-straw mulching and planting soybeans around cultivated block（CF+R+S）. 【Result】The results showed that compared with CF，the yield of maize treated with CF+R and CF+R+S could significantly increase by 16.0% and 23.2%（P<0.05，the same below），the total runoff volume during the growth period of maize significantly decrease by 18.5% and 22.0%，N and K accumulation of maize above ground significantly increased by 20.1% and 25.6%，? 15.2% and 20.1%，respectively，there was no significant change in P uptake（P>0.05，the same below）. Runoff N，P and K losses were significantly reduced by 33.6% and 40.2%，38.0% and 40.0%， 38.8% and 46.6%， respectively. CF+S had no significant effects on increased maize yield and N and K nutrient utilization efficiency. It could not effectively block surface runoff and soil N and K runoff losses，but its effect on on soil P runoff losses was significant，with a reduction rate of 17.7%. 【Conclusion】The agronomic measures of rice-straw mulching or rice-straw mulching combined with planting soybean around cultivated block can significantly increase maize yield and utilization efficiency of N and P， and significantly reduce runoff losses of N， P and K. Among them， the effects of rice-straw mulching combined with planting soybean around cultivated block on increasing yield， fertilizer use efficiency and nutrient loss are fine， which can be popularized and applied in dryland crop cultivation in southern hilly areas.

Key words： maize; rice-straw mulching; planting soybean around maize blocks; yield; nutrient utilization; runoff loss

收稿日期：2019-01-15

作者簡介：*為通訊作者，榮湘民（1965-），博士，教授，主要從事養分資源高效安全利用研究工作，E-mail：rongxm2005@126.com。唐麗（1993-），研究方向為農業面源污染，E-mail：382372941@qq.com

0 引言

【研究意義】玉米是我國的第二大經濟能源作物，不僅是重要的糧食和飼料作物，還是化工、燃料、醫藥等行業的重要原料（馮敏，2011）。目前我國玉米生產中大部分是依靠粗放型的增施化肥來獲得增產，而肥料養分損失嚴重，肥料投入量與增產效果不明顯甚至負相關，最終導致單位化肥投入糧食產出很低（張福鎖等，2008）。如何采取合理的農藝措施來減少氮磷鉀養分損失、培肥土壤及促進玉米增產增效成為當前亟需解決的重點問題。稻草覆蓋或廂邊合理種植作物是農業生產過程中保肥保水的有效農藝措施，能促進作物生長和降低旱地作物種植過程中水土流失和養分流失風險（楊書運和江昌俊，2010;彭輝輝等，2015）。因此，研究稻草覆蓋和廂邊種植大豆對春玉米產量、養分利用及徑流損失的影響，可為玉米增產和減少肥料資源損失提供科學依據?！厩叭搜芯窟M展】目前，關于稻草（秸稈）覆蓋種植的研究已有不少報道，并證實稻草（秸稈）覆蓋種植對作物產量的影響與稻草（秸稈）覆蓋量及施氮量有關。蔡太義等（2012）、高飛等（2012）研究表明，稻草覆蓋可增加0.35%～14.03%的玉米產量，其增幅與顯著性隨覆蓋量（0.45萬～1.35萬kg/ha）的增加而顯著增加。方旭飛等（2017）對不同玉米種植模式進行研究，發現秸稈覆蓋處理的玉米產量較傳統耕作處理顯著提高11.39%～13.74%，且與玉米單作或間作的種植模式無關。焦曉光等（2018）研究表明，秸稈覆蓋對玉米產量的影響與氮肥施用量有關，較高施氮量時，覆蓋秸稈可顯著提高玉米產量。國內外大量研究表明，稻草覆蓋有利于保持土壤水分，減少土壤溫度變化，改善土壤理化性狀，抑制雜草生長，提高作物產量和品質（何鐵光等，2008），且秸稈覆蓋比無秸稈覆蓋可有效降低氮、磷的徑流損失量，減少氮磷養分的流失（Hoang Fagerstrom et al.，2002;Bayala et al.，2005;Babalola et al.，2007;王靜等，2010;楊青森等，2011）。庹海波（2015）研究表明，稻草覆蓋可減少35%的茶園土壤地表徑流總量，減少24%～26%的總氮損失，減少12%～14%的總磷損失。廂邊合理種植作物是一種土壤水分、養分的生物攔截技術。設置生物攔截帶是防止農田水土流失和農田養分向水體遷移的一種有效措施，在國外早已廣泛應用。國內外試驗結果表明，生物攔截草帶可降低耕地土壤徑流中的氮磷含量，且不同形態氮磷養分攔截效率受攔截帶寬的影響較大（Borin et al.，2010;李偉等，2011;Cao et al.，2015;Patty et al.，2015）。李國棟等（2006）研究表明，生物攔截草帶可有效攔截蔬菜地土壤中的氮素通過地表徑流向水體遷移，且徑流氮攔截效率為42%～91%;聶軍等（2009）研究顯示，香根草生物籬使辣椒種植土壤的地表徑流量和土壤氮流失量分別降低41.9%和64.8%?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究內容多為單一秸稈覆蓋或生物攔截草帶對作物種植產量和氮磷養分損失的影響，而廂邊大豆生物攔截帶及其結合秸稈覆蓋的復合模式對作物種植產量和肥效影響的研究鮮見報道，且缺乏不同農藝措施下鉀素養分損失的研究報道?！緮M解決的關鍵問題】以不施肥和單施化肥為對照，研究稻草覆蓋或廂邊種植大豆等農藝措施對玉米產量、氮磷鉀養分利用及徑流損失的影響，旨在全面評價氮磷鉀養分利用和損失情況對不同農藝措施作用的反饋，為探索旱地作物高產高效種植的有效農藝措施提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試玉米品種為登海605，購自山東登海種業股份有限公司。供試稻草來源于當地周邊農戶在田間提前曬干而堆垛的秸稈，定量使用時均勻平鋪在土壤表面;供試大豆選用當地常規品種。供試肥料包括普通尿素（N 46%，湖南省湘農農業生產資料集團有限公司生產）、鈣鎂磷肥（P2O5 12%，湖北祥云化工股份有限公司生產）和氯化鉀（K2O 60%，俄羅斯生產）。

1. 2 試驗地概況

試驗于2017年在湖南省瀏陽市湖南農業大學試驗基地（東經113°49′，北緯28°19′）進行，該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，全年降水雨季在6—9月，年平均氣溫17 ℃，年均降水量1552 mm。試驗觀察期間（3月21日—7月8日）總降水量為986 mm，最大單次降水量為97 mm（4月23日），總共發生6次徑流事件。供試土壤的基本理化性狀詳見表1。

1. 3 試驗方法

采用田間小區試驗，設5個處理：處理1，不施肥且無農藝措施（CK）;處理2，施化肥但無農藝措施（CF）;處理3，施化肥+覆蓋稻草（CF+R）;處理4，施化肥+廂邊種植大豆（CF+S）;處理5，施化肥+稻草覆蓋+廂邊種植大豆（CF+R+S）。每處理3次重復，共15個小區，隨機區組排列。每小區面積為20 m2（5 m′4 m），由磚混水泥封面防滲筑埂而成，埂高110 cm，筑埂后填土80 cm，使田埂上表面距土面高30 cm。在小區一側修筑徑流收集池，收集池內壁長2.0 m，寬0.5 m，高1.0 m，池壁厚為0.3 m，池底部設置一個控制閥出水口，徑流收集池加石棉瓦蓋。收集池旁修筑深度為110 cm的排水溝，并通到本試驗區的總排水口，略向總排水口傾斜。小區另一側的水泥田埂邊鋪設相聯的灌水管道，并通向總進水口。

各處理的氮磷鉀肥施用量分別為N 240 kg/ha、P2O5 150 kg/ha和K2O 150 kg/ha。各施肥處理中，氮肥施用按4∶3∶3的基追比完成基肥、苗肥和穗肥（大喇叭口期）的3次施肥;鉀肥施用按1∶1的基追比完成基肥和穗肥（大喇叭口期）的2次施用;磷肥作基肥一次性施用。各小區內分2廂土種植玉米，稻草覆蓋小區的風干稻草覆蓋量為8000 kg/ha，廂邊種植大豆的小區在每廂土的四周種植一行大豆。每區種植112株玉米，種植密度為56000株/ha，大豆株間距為35 cm。玉米施肥方式為撒施后覆土混勻，其他栽培管理按照當地常規方法進行。

玉米于2017年3月21日施基肥、播種，4月19日施苗肥，5月18日施穗肥，7月8日收獲，全生育期104 d。

1. 4 樣品采集及測定

1. 4. 1 水樣采集與測定 降水引起的徑流事件產生之后，觀察記錄徑流液收集池內的水文尺刻度值，用體積法計算當次降水產生的徑流水量。

在徑流收集池內采集水樣前，先用專用木棍將水體攪拌均勻，再取部分水樣于500 mL塑料瓶內，立即加入1滴濃硫酸和1滴氯仿，且低溫保存，帶回實驗室于24 h內完成水樣指標分析。

水樣分析指標包括總氮磷鉀（TN、TP、TK）、溶解態氮磷（DN、DP）和顆粒態氮磷（PN、PP），分析方法均參照《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局，2002），即部分徑流水樣直接采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定TN含量，采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗比色法測定TP含量;部分徑流水樣經0.45 μm微孔濾膜抽濾后的濾液用于測定DN、DP和TK含量。其中，TK的測定采用火焰光度法，DN和DP的測定方法同TN和TP。PN和PP可通過差減法計算：PN=TN-DN，PP=TP-DP。

各時段徑流氮磷鉀損失量為各時段徑流體積乘以各時段相應氮磷鉀的濃度，總氮磷鉀負荷量為各時段氮磷鉀流失量之和。

1. 4. 2 植株樣采集與測定 玉米產量按小區收獲分別計產。玉米收獲期取植株樣進行全量氮磷鉀含量分析。植株干樣采用濃硫酸—雙氧水消煮，再分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度法測定玉米植株TN、TP和TK。

地上部春玉米的肥料利用率計算公式如下：

2 結果與分析

2. 1 稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米產量的影響

由圖1可看出，CF處理的玉米產量為5998 kg/ha;CF+R處理較CF處理顯著增產16.0%（P<0.05，下同）;CF+S處理較CF處理增產2.2%，差異未達顯著水平（P>0.05，下同）;CF+R+S處理玉米產量最高，較CF和CF+S處理分別顯著增加23.2%和20.5%，較CF+R處理增加6.2%，但差異不顯著。由此可知，在單施化肥的基礎上廂邊種植大豆對玉米產量無顯著影響，而采用稻草覆蓋的農藝措施可顯著提高玉米產量。

2. 2 稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米種植期間徑流量的影響

玉米種植期間總共發生6次徑流事件。由圖2可知，每次徑流事件發生后，稻草覆蓋處理的徑流體積較其他處理顯著減少，表明稻草覆蓋對于南方丘陵地區玉米種植起到減緩雨水沖刷和減少徑流損失的作用。整個玉米生長周期內，CK、CF、CF+R、CF+S和CF+R+S的總徑流體積分別為1008、919、749、909和717 m3/ha，其中CF+R和CF+R+S處理的總徑流體積較CF處理顯著減少18.5%和22.0%。CF+R和CF+R+S處理的徑流水體積差異不顯著，說明廂邊種植大豆對于土壤地表水的截留效果差。

2. 3 稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米氮磷鉀養分利用的影響

由表2可知，相比CF處理，CF+R和CF+R+S處理的地上部氮素（N）累積量分別增加20.1%和25.6%，差異達顯著水平;CF+S處理增加8.0%，差異不顯著。與CF+S處理的地上部N累積量比較，CF+R和CF+R+S處理分別高出11.2%和16.2%，差異均達顯著水平。從NUE來看，CF+R和CF+R+S處理分別達36.8%和39.1%，比CF和CF+S處理增加5.1%～10.8%（絕對值）。表明稻草覆蓋是提高南方丘陵地區春玉米氮肥利用率的有效農藝措施。

CF、CF+R、CF+S和CF+R+S處理的地上部磷素（P2O5）累積量在62.8～67.1 kg/ha，且差異均不顯著。表明稻草覆蓋或廂邊種植大豆均對玉米的磷素吸收無明顯影響。各施肥處理的PUE在27.6%～30.5%。

CF+R和CF+R+S處理的地上部鉀素（K2O）累積量較CF處理分別增加15.2%和20.1%，且差異均達顯著水平，但CF+S處理與CF處理差異不顯著。表明稻草覆蓋能促進玉米的鉀素吸收，廂邊種植大豆不影響玉米鉀素的吸收利用。CF+R、CF+S和CF+R+S的KUE較CF處理分別增加8.5%、4.4%和11.2%（絕對值）。

2. 4 稻草覆蓋和廂邊種植大豆對玉米氮磷鉀養分徑流損失的影響

由表3可知，CF+R和CF+R+S處理的TN損失較少，分別為8.1和7.3 kg/ha，比CF處理分別減少33.6%和40.2%，比CF+S處理分別減少23.6%和31.1%，且差異均達顯著水平。CF+S處理的TN損失量相比CF處理減少13.1%，但差異不顯著。從氮素損失的構成來看，DN損失占TN損失的78%～82%，是玉米土壤氮素徑流損失的主要形態。與CF處理的DN損失比較，CF+R和CF+R+S處理降低33.7%和41.8%，且差異均達顯著水平，CF+S處理降低12.2%，差異不顯著。由此可知，各處理間DN損失的變化趨勢與TN損失的規律相似。各處理PN損失僅與CK處理間差異達顯著水平，其他處理間差異不顯著，說明不同農藝措施對玉米種植過程中PN損失無影響。稻草覆蓋和廂邊種植大豆均可降低氮素徑流損失率，其中有稻草覆蓋的處理氮素徑流止損效果較好。

由表4可知，與CF處理的TP損失相比較，CF+R、CF+S和CF+R+S處理的TP損失分別減少38.0%、17.7%和40.0%，且差異均達顯著水平。與CF+S處理相比較，CF+R與CF+R+S處理的TP損失量分別減少24.7%和27.0%，差異也達顯著水平。CF+R處理與CF+R+S處理的TP損失差異不顯著。說明稻草覆蓋可大大減少玉米種植土壤磷素的徑流損失，效果明顯優于廂邊種植大豆的模式。從磷素損失的構成來看，DP損失占TP損失的82%～89%，是玉米土壤磷素徑流損失的主要形態。與CF處理的DP損失比較，CF+R、CF+S和CF+R+S處理分別降低35.1%、18.3%和36.1%，差異均達顯著水平。與CF+S處理相比較，CF+R和CF+R+S處理的DP損失量分別減少20.5%和21.8%，差異也達顯著水平。CF+R處理與CF+R+S處理的DP損失差異不顯著。由此可知，各處理間DP損失的變化趨勢與TP損失的規律相似。對于PP損失而言，CF+R與CF+R+S處理較CF處理減少52.5%和58.8%，且差異達顯著水平，CF+S處理與CF處理差異不顯著。有稻草覆蓋的處理P損失率為0.1%，低于CF和CF+S處理，說明有稻草覆蓋的處理磷素徑流止損效果很好。

由表5可知，與CF處理的TK損失相比較，CF+R和CF+R+S處理的TK損失分別減少38.8%和46.6%，且差異均達顯著水平，CF+S處理減少11.0%，差異不顯著。與CF+S處理相比，CF+R與CF+R+S處理的TK損失量分別減少31.3%和40.0%，差異達顯著水平。CF+R處理與CF+R+S處理的TK損失差異不顯著。說明稻草覆蓋可有效減少玉米種植土壤鉀素的徑流損失，而廂邊種植大豆模式對玉米種植土壤鉀素的徑流損失無攔截效應。

3 討論

稻草覆蓋可促進作物地上部養分的累積，提高肥料利用率，對作物產量增加有積極影響（劉迎新等，2007;卿國林，2009;鄭華斌，2009）。本研究結果表明，在單施化肥的基礎上，增加稻草覆蓋的農藝措施可使玉米顯著增產16.0%。其原因可能在于稻草覆蓋可阻擋太陽光線直射地表而引起土溫變化劇烈，調節土壤溫度，涵蓄土壤水分，利于玉米根系生長和養分吸收（黃傳偉等，2008;范洪杰等，2014）。彭輝輝等（2015）研究表明，稻草覆蓋可增加12.1%～28.8%的氮素地上部累積量，30.2%～54.7%的磷素地上部累積量和5.8%～17.7%的鉀素地上部累積量。本研究結果與彭輝輝等（2015）的結果相似，采用稻草覆蓋后，氮素地上部累積量增加20.1%～25.6%，磷素地上部累積量增加5.3%～6.8%，鉀素地上部累積量增加15.5%～20.1%。此外，稻草覆蓋可起到截留雨水的作用，減弱強降水對土壤的擊濺侵蝕和對土壤結構的破壞，防止濺散的土粒堵塞土壤孔隙，增加雨水入滲速率，從而減少徑流量及其養分流失（劉柳松等，2009），因此能發揮良好的水土保持和保肥效果。范洪杰（2013）的研究結果表明，稻草覆蓋可減少旱地作物種植過程中25.5%的徑流量。本研究發現，稻草覆蓋可減少17.6%～28.9%的徑流水量，同時減少土壤的養分損失，氮、磷、鉀素徑流損失分別減少23.6%～40.2%、27.0%～40.0%和31.3%～40.0%，與范洪杰（2013）的研究結果相似。

目前，有關玉米廂邊種植大豆的研究報道較少，而玉米間作大豆的研究較多，相關結果表明，玉米與大豆間作能顯著促進玉米增產和氮磷鉀養分累積量的增加（王心星等，2014;任媛媛等，2015），但也有研究表明大豆與玉米不存在間作優勢（趙建華等，2013）。本研究中玉米的產量和氮磷利用結果基本與后者類似，而鉀利用結果與前者相似。廂邊種植大豆的農藝措施在本研究中并未表現出有效的養分攔截效應，但已有的其他生物攔截措施均能有效減少養分損失，如香根草植物籬（許峰等，2000）、百喜草籬（Cao et al.，2015）等。其主要原因不僅在于攔截生物類型的差異，還可能與生物攔截帶寬有關。 研究表明，一定范圍內，生物攔截帶寬越寬，養分攔截效果越好（Borin et al.，2010;Cao et al.，2015;Patty et al.，2015）。本研究中大豆種植行數為單行，導致大豆對玉米種植的影響不顯著，CF、CF+R和CF+R+S處理的產量和肥料利用情況的比較均能說明此問題。稻草覆蓋和廂邊單行種植大豆的復合農藝措施應用效果與單獨覆蓋稻草比較無顯著差異，但存在增產增效的潛力，需要進一步研究稻草覆蓋和廂邊多行種植大豆的復合農藝措施應用效果。因此，若想發揮稻草覆蓋和廂邊種植大豆復合農藝措施的最大效應，還需深入探索以尋找到合適廂邊大豆種植帶寬（行數）。

4 結論

稻草覆蓋一方面可增加土壤地表覆蓋度和增強土壤的抗蝕性，顯著降低地表徑流體積;另一方面可涵蓄土壤氮磷鉀養分，減少徑流損失，提高作物對養分的吸收和利用。本研究中，稻草覆蓋或稻草覆蓋結合廂邊種植大豆的農藝措施能顯著增加玉米產量，顯著提高氮、鉀素利用率，并顯著減少氮、磷、鉀素徑流損失。其中稻草覆蓋結合廂邊種植大豆農藝措施的增產效應、肥料利用效應和養分損失環境效應相對較佳，可在南方丘陵地區大田旱地作物種植中推廣應用。

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（責任編輯 王 暉）