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本试验于2015年10月至2017年6月在山东农业大学泰安试验田进行，试验材料选用小麦品种山农20。试验采用裂区试验设计，主区为秸秆还田量处理，分别为0kg ha-1(S0)、4500kg ha-1(S1)、9000kg ha-1(S2)，副区为施氮量处理，分别为0kg ha-1(N0)、150kg ha-1(N1)、225kg ha-1(N2)、300kg ha-1(N3)，每个处理设置3次重复。本研究设置不同秸秆还田量和施氮量处理，重点研究减氮模式下土壤结构、土壤养分的变化，试图阐明根系生长分布与土壤结构变化匹配、根系分布与土壤养分分布一致性等问题，挖掘根系的可塑性，深入理解“根系-土壤”互作机制，以期探索更绿色、更经济、更有效的秸秆还田模式。主要研究结果如下:
1.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦籽粒产量的影响
秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦籽粒产量。与秸秆不还田处理(S0)相比，两季秸秆还田处理平均增产10.31％(S1)和8.07％(S2)，这主要是由于千粒重增加引起的，且增产效应:S1（4500kg ha1）＞S2（9000kg ha-1）。与最高产量处理(S1N2)相比，150kg ha-1减氮(S1N1)处理产量减小了4.03‰但是PFPN、NUE、NHI分别提高了43.94％、9.19％和5.41％。秸秆不还田条件下，高氮(N2、N3)处理与低氮(N0、N1)处理之间冬小麦产量差异显著，与N2处理相比，N1处理冬小麦产量两季分别减小13.38％和17.91％。而秸秆还田条件下，2015-2016年小麦季N1减幅分别为8.38％(S1)、12.07％(S2)，2016-2017年小麦季N1减幅分别为4.03％(S1)、8.24％(S2)，第二年小麦季N1与N2产量差幅有所减小，说明秸秆还田不同程度上缓解了减氮(N1)引起的减产效应，且缓解效果与试验年限有一定关联。
秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦干物质积累(DMA)和收获指数(HI)。施氮量增加，冬小麦干物质积累逐渐增大，至N2处理达到最大值，继续提高施氮量，则干物质积累有所减小。产量与干物质积累呈显著正相关关系，而与收获指数则呈负相关关系，冬小麦产量的提高主要依赖于地上部干物质积累的增加。秸秆还田对于干物质积累因减氮(N1)而引起的降低有较好的减缓作用，这一定程度上补偿了减氮(N1)引起的干物质积累降低，对于减氮(N1)条件下产量的提高有很好的促进作用。
2.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素效率的影响
冬小麦地上部氮素积累(NAA)和籽粒氮素积累(NAG)对秸秆还田响应显著。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理地上部氮素积累和籽粒氮素积累分别增大10.91％和5.86％，且第二年比第一年增幅有所提高。此外，就增幅效果来看，S1处理要优于S2处理。施氮量显著影响地上部氮素积累和籽粒氮素积累，随着施氮量增加，冬小麦地上部氮素积累和籽粒氮素积累逐渐增大，至N2处理达到最大值，继续提高施氮量，则地上部氮素积累和籽粒氮素积累有所减小。产量与冬小麦地上部氮素积累、籽粒氮素积累均呈显著正相关关系，提高地上部植株氮素吸收并促进更多的氮素向籽粒转运，对于冬小麦产量的提高有很好的促进作用。
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高冬小麦氮肥偏生产力(PFPN)，在2016-2017年小麦季分别提高了11.24％(S1)和8.93％(S2)，S1处理提高效果要优于S2处理。同时，施氮量不同，秸秆还田提高的效应也有所差异，N1、N2、N3条件下分别提高了18.65％、3.77％和4.27％，N1处理要显著优于N2、N3处理。随着施氮量增加，冬小麦氮肥偏生产力均呈现降低趋势，且秸秆还田下N1处理氮素利用效率(NUE)显著高于其他氮肥处理，减氮(N1)处理一定程度上有利于提高氮肥偏生产力(PFPN)及氮素利用效率(NUE)。
3.不同秸秆还田量和施氮量对土壤结构的影响
不同秸秆还田量和施氮量显著影响土壤结构。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田有效降低土壤容重(2.41％-8.85％)，增大土壤孔隙度(3.42％-11.43％)，提高土壤大团聚体比例(15.01％.-48.57％)及其稳定性(4.00％-46.97％)，尤其是20-40cm犁底层土壤结构改善效应更为显著，且S1处理要优于S2还田量处理。对于下层土壤而言，减氮(N1)处理更有利于土壤孔隙度的提高，促进形成良好的水、肥、气、热条件。
4.不同秸秆还田量和施氮量对土壤养分的影响
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高各土层有机碳氮含量及储量，尤其是配施氮肥条件下，且不同秸秆还田量处理对土壤肥力的提升效果为:S1＞S2。而且，土壤有机质含量的提高显著促进了土壤大团聚体比例（R0.25）及平均重量直径(MWD)的增大，有利于土壤团聚体的稳定性，且这种促进作用随还田年限的增加而有所增强。
5.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦根系生长分布的影响
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高40-120cm土层根长密度及其所占总根长密度的比例，且下层根长密度的提高与40-60cm、60-80cm土层根长密度的大幅增加有较大关系。此外，减氮(N1)处理也可显著促进冬小麦根系在深层土壤中的生长延伸，与N2处理相比，N1处理40-120cm土层根长密度及其所占比例分别增大了24.89％和29.18％。
综合来看，秸秆还田条件下适量减氮有利于改善土壤结构（尤其是犁底层），优化根系生长及空间分布，促进根系“集中区”下移，促深根，提高下层土壤中根系群体容纳量，对于冬小麦水肥资源高效吸收利用及产量的协同提高具有重要意义。综合考虑产量效益、土壤效益、生态环境效益，在本研究区域，推荐4500kg ha-1玉米秸秆还田量搭配150kg ha-1施氮量的绿色增产增效耕作模式。
1.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦籽粒产量的影响
秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦籽粒产量。与秸秆不还田处理(S0)相比，两季秸秆还田处理平均增产10.31％(S1)和8.07％(S2)，这主要是由于千粒重增加引起的，且增产效应:S1（4500kg ha1）＞S2（9000kg ha-1）。与最高产量处理(S1N2)相比，150kg ha-1减氮(S1N1)处理产量减小了4.03‰但是PFPN、NUE、NHI分别提高了43.94％、9.19％和5.41％。秸秆不还田条件下，高氮(N2、N3)处理与低氮(N0、N1)处理之间冬小麦产量差异显著，与N2处理相比，N1处理冬小麦产量两季分别减小13.38％和17.91％。而秸秆还田条件下，2015-2016年小麦季N1减幅分别为8.38％(S1)、12.07％(S2)，2016-2017年小麦季N1减幅分别为4.03％(S1)、8.24％(S2)，第二年小麦季N1与N2产量差幅有所减小，说明秸秆还田不同程度上缓解了减氮(N1)引起的减产效应，且缓解效果与试验年限有一定关联。
秸秆还田量和施氮量显著影响冬小麦干物质积累(DMA)和收获指数(HI)。施氮量增加，冬小麦干物质积累逐渐增大，至N2处理达到最大值，继续提高施氮量，则干物质积累有所减小。产量与干物质积累呈显著正相关关系，而与收获指数则呈负相关关系，冬小麦产量的提高主要依赖于地上部干物质积累的增加。秸秆还田对于干物质积累因减氮(N1)而引起的降低有较好的减缓作用，这一定程度上补偿了减氮(N1)引起的干物质积累降低，对于减氮(N1)条件下产量的提高有很好的促进作用。
2.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦氮素效率的影响
冬小麦地上部氮素积累(NAA)和籽粒氮素积累(NAG)对秸秆还田响应显著。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理地上部氮素积累和籽粒氮素积累分别增大10.91％和5.86％，且第二年比第一年增幅有所提高。此外，就增幅效果来看，S1处理要优于S2处理。施氮量显著影响地上部氮素积累和籽粒氮素积累，随着施氮量增加，冬小麦地上部氮素积累和籽粒氮素积累逐渐增大，至N2处理达到最大值，继续提高施氮量，则地上部氮素积累和籽粒氮素积累有所减小。产量与冬小麦地上部氮素积累、籽粒氮素积累均呈显著正相关关系，提高地上部植株氮素吸收并促进更多的氮素向籽粒转运，对于冬小麦产量的提高有很好的促进作用。
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高冬小麦氮肥偏生产力(PFPN)，在2016-2017年小麦季分别提高了11.24％(S1)和8.93％(S2)，S1处理提高效果要优于S2处理。同时，施氮量不同，秸秆还田提高的效应也有所差异，N1、N2、N3条件下分别提高了18.65％、3.77％和4.27％，N1处理要显著优于N2、N3处理。随着施氮量增加，冬小麦氮肥偏生产力均呈现降低趋势，且秸秆还田下N1处理氮素利用效率(NUE)显著高于其他氮肥处理，减氮(N1)处理一定程度上有利于提高氮肥偏生产力(PFPN)及氮素利用效率(NUE)。
3.不同秸秆还田量和施氮量对土壤结构的影响
不同秸秆还田量和施氮量显著影响土壤结构。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田有效降低土壤容重(2.41％-8.85％)，增大土壤孔隙度(3.42％-11.43％)，提高土壤大团聚体比例(15.01％.-48.57％)及其稳定性(4.00％-46.97％)，尤其是20-40cm犁底层土壤结构改善效应更为显著，且S1处理要优于S2还田量处理。对于下层土壤而言，减氮(N1)处理更有利于土壤孔隙度的提高，促进形成良好的水、肥、气、热条件。
4.不同秸秆还田量和施氮量对土壤养分的影响
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高各土层有机碳氮含量及储量，尤其是配施氮肥条件下，且不同秸秆还田量处理对土壤肥力的提升效果为:S1＞S2。而且，土壤有机质含量的提高显著促进了土壤大团聚体比例（R0.25）及平均重量直径(MWD)的增大，有利于土壤团聚体的稳定性，且这种促进作用随还田年限的增加而有所增强。
5.不同秸秆还田量和施氮量对冬小麦根系生长分布的影响
与秸秆不还田处理相比，秸秆还田显著提高40-120cm土层根长密度及其所占总根长密度的比例，且下层根长密度的提高与40-60cm、60-80cm土层根长密度的大幅增加有较大关系。此外，减氮(N1)处理也可显著促进冬小麦根系在深层土壤中的生长延伸，与N2处理相比，N1处理40-120cm土层根长密度及其所占比例分别增大了24.89％和29.18％。
综合来看，秸秆还田条件下适量减氮有利于改善土壤结构（尤其是犁底层），优化根系生长及空间分布，促进根系“集中区”下移，促深根，提高下层土壤中根系群体容纳量，对于冬小麦水肥资源高效吸收利用及产量的协同提高具有重要意义。综合考虑产量效益、土壤效益、生态环境效益，在本研究区域，推荐4500kg ha-1玉米秸秆还田量搭配150kg ha-1施氮量的绿色增产增效耕作模式。