稻草全量還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)雙季晚稻產(chǎn)量及其氮素吸收利用的影響

何 虎， 吳建富， 曾研華,2， 胡 凱， 黃 山， 曾勇軍， 潘曉華*， 石慶華*

(1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045；2 中國(guó)水稻研究所，水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310006)

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物秸稈非常豐富，其中稻草秸稈約占總秸稈的1/3，而在雙季稻區(qū)，稻草資源更加豐富[1]。稻草含有大量氮、 磷、 鉀等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，稻草還田對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤、 培肥地力，尤其是對(duì)緩解氮、 磷、 鉀比例失調(diào)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本有重要作用[2, 3]。在水稻生產(chǎn)中，合理的氮肥運(yùn)籌，不僅可以提高水稻的產(chǎn)量、 品質(zhì)和氮肥利用率，還可以減少因過(guò)量施用氮肥帶來(lái)的環(huán)境污染[4]。研究表明，稻草還田后配施氮肥，有利于保持和提高土壤氮素的有效性，顯著提高水稻氮素吸收轉(zhuǎn)化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收獲指數(shù)[5]。因此，研究稻草還田以及稻草還田后配施氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)和作用機(jī)理十分必要。國(guó)內(nèi)關(guān)于稻草還田下的氮肥運(yùn)籌已有不少研究[6-8]，稻草大多以部分還田和非切碎還田為主。在雙季稻區(qū)，隨著機(jī)收比例不斷增加(平原地區(qū)已達(dá)80%以上)，稻草全量原位還田面積迅速擴(kuò)大，然而早稻稻草還田后短時(shí)間內(nèi)并不能迅速分解，且有可能出現(xiàn)晚稻生育前期稻草分解導(dǎo)致微生物與晚稻“爭(zhēng)氮”，影響晚稻的生長(zhǎng)。因此，本試驗(yàn)通過(guò)研究早稻機(jī)收后稻草全量切碎還田下，不同施氮量及不同的施氮比例對(duì)晚稻產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響，旨在為稻草全量還田下水稻合理施用氮肥提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)施氮(N)水平，分別為0、 120、 180、 240 kg/hm2，分別用N0、 N1、 N2、 N3表示；在N2水平下增設(shè)稻草不還田對(duì)照(CK)。氮肥按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。在N2水平下設(shè)置不同施氮比例處理，即， 基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶0 ∶5、 5 ∶1 ∶4、 5 ∶2 ∶3、 5 ∶3 ∶2、 5 ∶4 ∶1、 5 ∶5 ∶0，分別用NP1、 NP2、 NP3、 NP4、 NP5和NP6表示。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積17.75m2，4次重復(fù)，小區(qū)間做埂，并用薄膜包埂，單灌單排。氮肥用尿素；磷肥用鈣鎂磷肥(600 kg/hm2)，全作基肥；鉀肥用氯化鉀(K2O 180 kg/hm2)，按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)總施氮量和各施氮比例中氮素僅指化學(xué)氮肥中氮素，不包含還田稻草所含氮素。

1.2 田間管理

采用日產(chǎn)久保田牌半喂入式收割機(jī)收割早稻，留茬高度5—10 cm，收割同時(shí)將稻草機(jī)械化切碎至5—15 cm(試驗(yàn)所設(shè)對(duì)照區(qū)稻草不切碎并將其全部移走)。試驗(yàn)田前茬為早稻，按照谷草比1 ∶1計(jì)算，稻草還田量2009、 2010年分別為6750 kg/hm2和7150 kg/hm2。收割之后，將稻草撒勻，灌水旋耕。兩年均采用濕潤(rùn)育秧，移栽密度為13.3 cm × 26.4 cm，每蔸2苗?；视谝圃郧? d施用，分蘗肥在移栽后7 d施用，穗肥于葉齡余數(shù)2左右施用，其他管理措施與一般高產(chǎn)田相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與計(jì)算方法

1.3.1 氮素積累和產(chǎn)量 在取樣區(qū)組，分別于移栽期、 分蘗期、 幼穗分化期(一次枝梗原基分化期)、 齊穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)取樣5蔸，去除地下部分，分裝后在105℃下殺青15 min，然后80℃烘至恒重。將上述樣品粉碎、 過(guò)80目篩后用Foss-2300全自動(dòng)定氮儀測(cè)定樣品含氮量。

成熟期調(diào)查有效穗并平均取樣5蔸，分別考查其各產(chǎn)量構(gòu)成因素。所有小區(qū)實(shí)收測(cè)定稻谷產(chǎn)量，脫粒后曬干揚(yáng)凈，稱重，換算標(biāo)準(zhǔn)含水率并計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 計(jì)算公式 氮肥利用率的計(jì)算，按葉全寶等[9]方法：

氮肥表觀利用率(%)=[(施氮區(qū)地上部總吸氮量-空白區(qū)地上部總吸氮量)/施氮量]×100；

氮素收獲指數(shù)=籽粒吸氮量/成熟期植株地上部氮素積累量；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)= (施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株地上部氮素積累量-空白區(qū)植株地上部氮素積累量) ；

氮素吸收率(%)= [施肥區(qū)植株地上部氮素積累量/(施肥區(qū)植株地上部氮素積累量+空白區(qū)植株地上部氮素積累量)]×100；

生產(chǎn)100 kg籽粒需氮量(kg)= (氮素積累量/稻谷產(chǎn)量)×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel和DPS軟件處理。表1、 表2為產(chǎn)量、 產(chǎn)量構(gòu)成因素、 氮素吸收和氮素利用率進(jìn)行的年度間方差分析，結(jié)果文中大多指標(biāo)年度間差異不顯著，所以本文結(jié)果中圖表內(nèi)數(shù)據(jù)均采用兩年數(shù)值平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運(yùn)籌對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.1.1 施氮量對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 表3可知，在稻草全量還田下，晚稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但當(dāng)施氮量超過(guò)180 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量下降，且處理間差異極顯著。在同一施氮(180 kg/hm2)水平下，稻草全量還田較不還田處理增產(chǎn)0.71 t/hm2，增幅為8.83%，差異極顯著。表明稻草全量還田配施適量的氮肥有利于提高水稻產(chǎn)量。

產(chǎn)量構(gòu)成因素中，稻草全量還田下單位面積有效穗數(shù)隨施氮量的增加而增加，而結(jié)實(shí)率則相反，處理間差異達(dá)顯著或極顯著水平；每穗粒數(shù)施氮處理間差異不明顯，但極顯著高于不施氮處理；千粒重各施氮處理均顯著高于不施氮處理。在同一施氮水平下，稻草全量還田較稻草不還田能顯著提高單位面積有效穗數(shù)、 結(jié)實(shí)率和千粒重，從而有利于產(chǎn)量的提高。

表1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的年度間差異(F值)

表2 氮素吸收及其利用率的年度間差異(F值)

表3 施氮量對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.1.2 不同穗肥比例對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 表4表明，稻草全量還田下，以NP3處理產(chǎn)量最高，達(dá)8.75 t/hm2，極顯著高于其他處理，較產(chǎn)量最低的NP6處理增產(chǎn)12.47%；單位面積的有效穗數(shù)隨分蘗肥比例的增加而逐漸減少，其中NP1、 NP2處理顯著高于其他處理；每穗粒數(shù)和千粒重均以NP3處理最大；結(jié)實(shí)率以NP2處理最大，NP4處理最小，處理間差異不顯著。說(shuō)明稻草全量還田下，以基蘗穗肥施氮比例為5 ∶2 ∶3時(shí)增產(chǎn)效果最好。

表4 稻草還田下不同施氮比例對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.2 施氮量對(duì)氮素吸收利用的影響

2.2.1 施氮量對(duì)氮素吸收的影響 從表5可以看出， 稻草還田后，氮素積累量隨施氮量增加而增加，處理間差異均達(dá)極顯著水平；除N3處理外，各處理水稻不同生育階段氮素積累量占總積累量的比率均表現(xiàn)為前期>中期>后期；水稻不同生育階段氮素積累均隨施氮量的增加而增加；除中期所占比率隨施氮量增加而增加外，前期和后期所占比率均隨施氮量增加而降低。同一施氮水平下，稻草全量還田與不還田處理(CK)相比，吸氮量差異不顯著，但表現(xiàn)為前期吸氮比率高于CK，中、 后期吸氮比例略低于CK。

表5 施氮量對(duì)晚稻氮素積累的影響

相關(guān)分析表明，施氮量與氮素積累量及各生育階段的氮素積累量均呈極顯著正相關(guān)(表6)。產(chǎn)量和氮素總積累呈二次拋物線極顯著正相關(guān)，與前、 中和后期的氮素積累量均呈正相關(guān)但不顯著(圖1)。有效穗與氮素總積累、 后期積累量均達(dá)到極顯著正相關(guān)，與中期積累量為顯著相關(guān)；結(jié)實(shí)率與各生育階段氮素積累量均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(表6)。

2.2.2 施氮量對(duì)氮肥利用的影響 表7可以看出， 稻草還田后，氮肥表現(xiàn)利用率隨施氮量增加而增加，且處理間差異極顯著，N3處理比N1處理高15.37個(gè)百分點(diǎn)；氮素收獲指數(shù)隨施氮量的增加而降低，N3處理僅為49.53%，與不施氮處理差異極顯著；N2處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高，N3處理的最低，二者差異極顯著；氮肥生理利用率隨施氮量的增加而降低，N3處理與N1、 N2處理差異極顯著；氮素的吸收率隨施氮量增加而增加，N3處理比N0處理高25.89個(gè)百分點(diǎn)，處理間差異極顯著；生產(chǎn)100 kg籽粒的需氮量隨施氮量的增加而增加，N3處理最高，處理間差異極顯著。

同一施氮水平下(N2)，稻草還田處理的氮肥表現(xiàn)利用率和吸收率分別比CK高5.12個(gè)百分點(diǎn)和1.26個(gè)百分點(diǎn)，氮素收獲指數(shù)比CK低5.68個(gè)百分點(diǎn)；氮肥農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率分別比CK高3.53 kg/kg和4.24 kg/kg，差異顯著；生產(chǎn)100 kg籽粒的需氮量略低于CK。

表6 氮素積累與施氮量、 產(chǎn)量及其構(gòu)成的相關(guān)性

圖1 氮素積累、 百公斤籽粒需氮量與產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationships between total N accumulation, N-requirement for 100 kg grain and yield

表7 施氮量對(duì)氮肥利用率的影響

相關(guān)分析(表8)， 施氮量與氮肥表觀利用率、 氮素吸收率、 生產(chǎn)100 kg籽粒需氮量均呈極顯著正相關(guān)，與收獲指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。產(chǎn)量與氮肥表觀利用率、 氮素吸收率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥農(nóng)學(xué)利用率呈顯著正相關(guān)。有效穗與氮肥表觀利用率和氮素吸收率呈極顯著正相關(guān)，與生產(chǎn)100 kg籽粒需氮量呈顯著正相關(guān)，與收獲指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。每穗粒數(shù)與氮肥的農(nóng)學(xué)利用率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥表觀利用率和生理利用率均為顯著正相關(guān)。結(jié)實(shí)率與表觀利用率、 氮素吸收率和100 kg 籽粒需氮量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與氮肥收獲指數(shù)呈顯著正相關(guān)。千粒重與氮肥的農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率呈極顯著正相關(guān)。按圖1中拋物線方程計(jì)算，生產(chǎn)100 kg籽粒需氮量為2.03 kg時(shí)，產(chǎn)量最高為8.66 t/hm2。

表8 氮素利用率和施氮量、 產(chǎn)量及其構(gòu)成的相關(guān)性

2.3 不同穗肥比例對(duì)氮素吸收利用的影響

2.3.1 不同穗肥比例對(duì)氮肥吸收的影響 從表9可以看出， 稻草全量還田下，氮素總積累量隨穗肥比例下降而降低，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6高17.91 kg/hm2。各處理氮素積累主要集中在前期(移栽-幼穗分化期)和中期(幼穗分化期—齊穗期)。前期的積累量和所占比率隨穗肥比例的下降而增大；中期的氮素積累量和比率隨穗肥比例的下降而減少，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6分別高43.72 kg/hm2和23.22個(gè)百分點(diǎn)；后期(齊穗期—成熟期)氮素積累和比率除不施穗肥處理外，其余均隨著穗肥比例而表現(xiàn)為先增大后降低的拋物線趨勢(shì)，均以NP3處理最高。相關(guān)分析也表明， 稻草還田后同一施氮水平下，穗肥的施氮量與氮素的總積累量、 中期積累量呈極顯著正相關(guān)(r分別為0.9523**和0.9653**)，穗肥的施氮量與前期氮素積累量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.9956**)。

2.3.2 不同穗肥比例對(duì)氮肥利用效率的影響 由表10可以看出，稻草全量還田后同一施氮水平下，氮肥的表現(xiàn)利用率和收獲指數(shù)均隨穗肥施用量的減少而降低，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6分別高9.95個(gè)百分點(diǎn)和5.83個(gè)百分點(diǎn)，且二者均呈極顯著差異。氮素的農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率均表現(xiàn)為隨著穗肥比例的減少呈先增加后降低趨勢(shì)，均以NP3處理最大，不施穗肥的處理NP6最低。氮素的吸收率隨著穗肥比例的減少而降低，但最大值和最小值間僅相差2.37個(gè)百分點(diǎn)。生產(chǎn)100 kg籽粒需氮量隨著穗肥比例的減少呈先降低后增加趨勢(shì)，NP4處理最低，僅為1.79 kg。

表9 稻草還田下不同穗肥比例對(duì)氮素積累的影響

表10 稻草還田下不同穗肥比例對(duì)氮肥利用的影響

相關(guān)分析表明，穗肥施用量與氮肥的表觀利用率、 收獲指數(shù)和氮素吸收率均呈極顯著正相關(guān)(r分別為0.9532**、 0.9695**、 0.9532**)。產(chǎn)量與氮肥的農(nóng)學(xué)利用率呈極顯著正相關(guān)(r=0.9987**)，與生理利用率達(dá)到顯著正相關(guān)(r=0.7725*)。產(chǎn)量構(gòu)成中，有效穗數(shù)與氮肥的表觀利用率、 收獲指數(shù)和氮素吸收率均呈極顯著正相關(guān)(r分別為0.9014**、 0.9190**、 0.8984**)。

3 討論與結(jié)論

3.1 稻草全量還田與水稻產(chǎn)量的問(wèn)題

3.2 稻草全量還田下的氮肥分配

水稻對(duì)不同生育期追施氮肥的吸收利用表現(xiàn)出較大差異，適當(dāng)增加穗粒肥比率，可以提高氮肥的吸收利用率與生產(chǎn)效率[17]。洪春來(lái)等[18]認(rèn)為在不增加氮肥總用量的前提下，秸稈全量還田前期適當(dāng)增大氮肥的施用比例，有利于降低土壤碳氮比，促進(jìn)秸稈的礦化分解，防止微生物爭(zhēng)氮帶來(lái)不利的影響。王國(guó)忠和楊佩珍[19]研究表明，實(shí)施秸稈全量還田后純氮在全生育期前中后期配比以 6.5 ∶0.5 ∶3為最佳。劉開(kāi)強(qiáng)[20]認(rèn)為，根據(jù)稻草養(yǎng)分釋放的先快后慢的特點(diǎn)，可以適當(dāng)降低基肥的比例，結(jié)合稻草養(yǎng)分釋放在水稻分蘗期適時(shí)追肥。本試驗(yàn)研究表明， 稻草全量還田后，氮肥運(yùn)籌以基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3產(chǎn)量最高，氮肥農(nóng)學(xué)、 生理利用率也最高，與前人研究結(jié)果一致[20-21]，說(shuō)明稻草全量還田適當(dāng)?shù)靥岣咔捌诘氖┑壤梢苑乐刮⑸锱c作物“爭(zhēng)氮”的矛盾，有利于提高水稻產(chǎn)量。

3.3 稻草全量還田下的氮素吸收利用

稻草還田有利于保持和提高土壤氮素的有效性，減少礦質(zhì)態(tài)氮在土壤中的累積和損失，從而間接地節(jié)省了部分化學(xué)氮肥的使用，適量稻草還田配施氮肥能顯著提高水稻氮素吸收轉(zhuǎn)化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收獲指數(shù)，提高P、 K的干物質(zhì)生產(chǎn)效率[5,18,20]。但也有研究認(rèn)為，稻草還田配施氮、 磷、 鉀肥會(huì)降低水稻對(duì)氮素的吸收[2]。本研究結(jié)果表明，稻草全量還田后，施氮越多，晚稻氮素的積累量、 氮肥表現(xiàn)利用率、 氮素的吸收率和生產(chǎn)100 kg籽粒的需氮量均隨之提高，其中氮肥農(nóng)學(xué)利用率以施氮180 kg/hm2最高；等施氮量下，氮素積累量隨穗肥施用比例下降而降低，氮素農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率以基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3處理的最高。配施適量氮肥后，稻草全量還田除收獲指數(shù)低于稻草不還田對(duì)照外，其余氮素積累和氮肥利用率均高于對(duì)照，特別是氮肥的表觀利用率極顯著高于對(duì)照，而農(nóng)學(xué)和生理利用率差異均達(dá)到顯著水平。

綜上所述，早稻稻草機(jī)械化全量還田下，配施適量的氮肥可以極顯著提高晚稻產(chǎn)量，且主要是通過(guò)后期提高結(jié)實(shí)率和千粒重來(lái)增加產(chǎn)量的。從產(chǎn)量效應(yīng)和氮肥的吸收利用率方面考慮，在雙季稻區(qū)早稻草全量還田后，晚稻適宜的施氮量是180 kg/hm2，最佳的氮肥運(yùn)籌是基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3。從生態(tài)環(huán)境方面和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面考慮，應(yīng)逐步減少氮肥的施入量，合理安排好氮肥的施用比例，加強(qiáng)稻草還田等有機(jī)肥的施入，以便保持土壤肥力，減少氮肥在環(huán)境中的殘留和浪費(fèi)，減少潛在的農(nóng)田環(huán)境污染，提高氮肥的利用效率。

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