秸稈還田配合氮肥減量對稻田土壤養(yǎng)分、碳庫及水稻產(chǎn)量的影響

王保君，程旺大，陳 貴，沈亞強(qiáng)，張紅梅

(浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院(所)，浙江 嘉興 314016)

水稻是喜氮作物，增施氮肥是實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的有效途徑。然而，過多的氮肥施用不僅會使水稻徒長，病蟲草害加劇，后期水稻倒伏概率增加，嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量[1]，而且也會明顯降低氮肥的利用效率[2]。此外，長期單一地施用化肥也會對農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。

作物秸稈中富含大量的氮、磷、鉀和微量元素，是重要的有機(jī)碳源[4]。秸稈還田作為秸稈回收利用的重要方式，不僅可以解決秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染等問題[5]，而且可以循環(huán)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，減少化肥施用量[6]。

農(nóng)田土壤養(yǎng)分可以有效反映土壤肥力的內(nèi)部狀況，是農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)的有力保證。土壤有機(jī)碳不僅是作物生長的養(yǎng)分來源，而且也是土壤微生物生命活動重要的能量來源[7]。其中，土壤活性有機(jī)碳可以作為評價土壤質(zhì)量的早期指標(biāo)[8]。因此，土壤養(yǎng)分和土壤碳庫可以用于反映秸稈還田和施肥措施的合理性。前人關(guān)于秸稈還田和施肥對土壤質(zhì)量影響的研究較多[9-10]，但是將秸稈還田釋放的氮素作為水稻整個生育期總供氮量的一部分，以相應(yīng)地調(diào)減氮肥投入量，來開展秸稈還田和氮肥減量對稻田土壤和水稻產(chǎn)量影響的研究卻較少。本研究通過大田試驗(yàn)，研究秸稈還田和氮肥減量對稻田土壤養(yǎng)分、碳庫和水稻產(chǎn)量的影響，以期為我國農(nóng)業(yè)減少氮肥投入量、優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年6月至2017年11月在浙江省嘉興市秀洲區(qū)王江涇鎮(zhèn)雙橋試驗(yàn)基地(120°42′42″E， 30°50′20″N)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔10 m，年平均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 194 mm，年均日照時間1 950 h，年輻射量462 kJ·cm-2，年無霜期245 d。試驗(yàn)田土壤類型為長三角地區(qū)典型的青紫泥，0—20 cm土層土壤基本理化性狀：有機(jī)質(zhì)30.28 g·kg-1，全氮2.31 g·kg-1，速效磷13.52 mg·kg-1，速效鉀56.13 mg·kg-1，銨態(tài)氮21.52 mg·kg-1，硝態(tài)氮6.28 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用2因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分別為秸稈是否還田和供氮量2個因素。根據(jù)嘉興當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，水稻整個生育期總供氮量設(shè)不施氮(N0)、低施氮量(NL)、中施氮量(NM)、高施氮量(NH)4個水平，共計(jì)8個處理，每處理重復(fù)3次，共24個試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)面積36 m2(6 m×6 m)。小區(qū)間筑埂(埂寬40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止串水串肥。試驗(yàn)秸稈來源于上一年水稻收獲后的秸稈，將秸稈混勻后經(jīng)人工粉碎成5～10 cm的稻草段，用于當(dāng)季水稻試驗(yàn)。所有秸稈還田處理均在當(dāng)季水稻移栽前1個月內(nèi)處理完畢。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際，水稻秸稈全量還田的還田量約為7 500 kg·hm-2，水稻秸稈的含氮量為0.83%，當(dāng)季秸稈腐解率為49.17%，因此秸稈全量還田后約相當(dāng)于增施氮(以純氮計(jì))30 kg·hm-2[11-13]。本研究秸稈還田和施氮量處理方案如表1所示。

1.3 田間管理

本試驗(yàn)供試水稻品種為嘉58，耕作方式為單季稻—冬閑一熟制。試驗(yàn)進(jìn)行2 a，分別于2016年6月19日和2017年6月25日人工移栽，移栽葉齡為5葉，移栽行株距為20.0 cm×16.7 cm，每穴2株。各處理氮肥施用量(以純N計(jì))按基肥、分蘗肥、穗肥用量2∶2∶1的比例分配。基肥于移栽前1 d施入，分蘗肥分別于2016年7月13日和2017年7月11日施入，穗肥分別于2016年8月8日和2017年8月7日施入。磷、鉀肥全部作基肥施用，施用量(分別以P2O5、K2O計(jì))分別為42、150 kg·hm-2。各處理水稻生長期間水分管理模式和病、蟲、草害防治與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理相同。水稻收獲時間分別為2016年11月5日和2017年11月13日。

1.4 測定內(nèi)容及方法

在2017年11月12日，水稻收獲前1 d取樣，用土鉆在試驗(yàn)地各小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法收集土層深度為0—20 cm的土壤樣品，混合后帶入實(shí)驗(yàn)室，剔除石塊和動植物殘?bào)w等雜質(zhì)，測定土壤養(yǎng)分(全氮、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)和土壤碳庫(總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、土壤微生物碳)含量。土壤全氮采用半微量開氏消煮法測定[14]，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[14]，速效鉀采用火焰光度計(jì)法測定[14]，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測定[14]，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定[14]，土壤總有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定[15-16]，土壤易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化比色法測定[17]，土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測定[18]。

表1試驗(yàn)處理方案

Table1Design of straw returning and nitrogen application methods

處理Treatment稻草還田量Straw returning amount/(kg·hm-2)施氮(N)量Application rate of N/(kg·hm-2)總供氮量Total application rate of N/(kg·hm-2)N0000NL0195195NM0270270NH0345345SN07500030SNL7500165195SNM7500240270SNH7500315345

水稻收獲前每小區(qū)隨機(jī)采集20穴水稻植株，用網(wǎng)袋裝好，帶回室內(nèi)考種，主要測定總穗數(shù)、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等。水稻成熟后，各小區(qū)單獨(dú)收割脫粒曬干，測產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

僅選取2017年(第2年)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析，用Microsoft Office Excel 2003軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對稻田土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，在水稻整個生育期，在不同供氮水平下，秸稈還田處理對土壤養(yǎng)分含量的影響不盡相同：與N0相比，SN0處理的速效磷顯著(P<0.05)增加了29.52%，銨態(tài)氮顯著(P<0.05)減少了20.37%；與NL相比，SNL處理的全氮顯著(P<0.05)增加了18.90%，銨態(tài)氮顯著(P<0.05)減少了12.85%；與NM相比，SNM處理的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著(P<0.05)增加了33.86%、13.83%、54.64%和21.60%，銨態(tài)氮顯著(P<0.05)減少了13.69%；與NH相比，SNH處理的銨態(tài)氮顯著(P<0.05)增加了10.41%。

無秸稈還田條件下，與N0相比，NL的全氮含量顯著(P<0.05)減少了11.19%，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別顯著(P<0.05)增加了39.47%和106.38%，NM、NH的銨態(tài)氮含量分別顯著(P<0.05)增加了20.63%、20.96%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL的速效磷、速效鉀含量分別顯著(P<0.05)減少了29.25%和16.90%，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別顯著(P<0.05)增加了52.65%和108.76%；SNM的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別顯著(P<0.05)增加了11.07%、30.76%和61.78%；SNH的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別顯著(P<0.05)增加了67.72%和71.97%。

2.2 對稻田土壤碳庫的影響

由圖1可知，在水稻整個生育期，在不同供氮水平下，秸稈還田處理對土壤碳庫的影響各異：與N0相比，SN0處理的微生物碳含量顯著(P<0.05)增加了54.68%，可溶性碳含量顯著(P<0.05)減少了60.75%；與NL相比，SNL處理的可溶性碳含量顯著(P<0.05)減少了69.09%；與NM相比，SNM處理的總有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)增加了33.81%，可溶性有機(jī)碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)減少了49.22%和32.36%；與NH相比，SNH的可溶性有機(jī)碳顯著(P<0.05)減少了86.48%。

無秸稈還田條件下，與N0相比，NL的微生物碳含量顯著(P<0.05)增加了106.76%，易氧化有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)減少了17.35%；NM的可溶性有機(jī)碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)增加了50.79%和117.31%；NH的可溶性有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)增加了35.90%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL和SNH處理的土壤碳庫指標(biāo)無顯著變化；SNM處理的可溶性有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)增加95.06%。

表2不同處理對稻田土壤養(yǎng)分的影響

Table2Effect of different treatments on rice soil nutrition

處理Treatment有機(jī)質(zhì)Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)速效磷Available P/(mg·kg-1)速效鉀Available K/(mg·kg-1)銨態(tài)氮NH+4-N/(mg·kg-1)硝態(tài)氮NO-3-N/(mg·kg-1)N034.56±0.94 ab2.86±0.10 bc18.29±1.21 cd65.50±3.46 bc30.58±0.12 e7.52±0.33 cdNL32.00±1.03 b2.54±0.07 d14.68±1.27 d57.50±3.75 c42.65±0.54 a15.52±0.08 aNM31.19±1.09 b2.82±0.13 bcd16.49±1.39 cd62.50±4.33 bc36.89±0.62 c9.78±0.48 bcdNH31.49±3.11 b2.64±0.14 cd19.19±1.44 c60.00±4.62 c36.99±0.33 c9.76±1.03 bcdSN035.69±2.31 ab2.89±0.07 bc23.69±0.98 ab71.00±2.31 ab24.35±0.17 f6.28±0.60 dSNL35.04±3.09 ab3.02±0.11 ab16.76±2.08 cd59.00±2.60 c37.17±0.26 c13.11±2.78 abSNM41.75±2.69 a3.21±0.09 a25.50±1.10 a76.00±2.89 a31.84±0.16 d10.16±0.84 bcSNH30.93±2.68 b2.62±0.10 cd20.09±1.15 bc64.50±3.18 bc40.84±0.28 b10.80±0.28 bc

同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖1 不同處理對稻田土壤碳庫的影響Fig.1 Effect of different treatments on rice soil carbon pool

2.3 對水稻產(chǎn)量的影響

由表3可知：在水稻整個生育期，除中施氮量條件下，與NL相比，SNL的結(jié)實(shí)率顯著(P<0.05)降低了6.87%、千粒重顯著(P<0.05)增加了11.23%外，在其他供氮水平下，秸稈還田處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素并無顯著影響。

無秸稈還田條件下，隨著施氮量增加，水稻穗數(shù)增加。與N0相比，NL、NM、NH的穗數(shù)分別顯著(P<0.05)增加了81.40%、106.98%、127.91%，千粒重分別顯著(P<0.05)減少了11.64%、10.58%、14.33%，NH的穗粒數(shù)顯著(P<0.05)降低了17.32%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL、SNM、SNH的穗數(shù)分別顯著(P<0.05)增加了37.56%、79.19%、70.14%，SNM、SNH的千粒重分別顯著(P<0.05)下降了11.11%、11.19%。

表3不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

Table3Effect of different treatments on rice yield

處理Treatment穗數(shù)Spike number/(106 hm-2)穗粒數(shù)Grain numberper spike結(jié)實(shí)率Seed settingrate/%千粒重1000 grainweight/g實(shí)際產(chǎn)量Yield/(t·hm-2)N01.72±0.04 d139.71±1.23 ab93.21±0.68 a24.49±0.18 a6.01±1.05 bNL3.12±0.21 bc130.24±9.32 abc91.93±1.69 a21.64±0.49 b7.64±1.08 abNM3.56±0.28 abc130.91±2.47 abc90.82±1.84 a21.90±0.56 b7.73±1.07 abNH3.92±0.11 a115.51±4.63 c89.74±0.19 ab20.98±0.18 b8.73±1.07 abSN02.21±0.22 d126.75±3.78 abc88.83±2.58 ab24.04±0.20 a5.85±1.09 bSNL3.04±0.17 c147.10±13.90 a85.61±0.10 b24.07±1.64 a6.54±1.08 abSNM3.96±0.25 a136.40±9.08 abc90.63±0.74 a21.37±0.63 b9.49±1.13 aSNH3.76±0.38 ab123.01±5.53 bc90.06±1.93 ab21.35±0.41 b9.04±1.08 ab

在實(shí)際產(chǎn)量方面，SNM的產(chǎn)量最高，且顯著(P<0.05)高于N0和SN0處理。同N0和SN0處理產(chǎn)量相比，SNM的產(chǎn)量分別顯著(P<0.05)增加了57.90%、62.22%。

3 討論

在土壤碳庫方面：研究表明，秸稈還田配施常量化肥會增加土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量[24-25]；吳玉紅等[26]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施減量15%化肥，土壤的有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量均增加。本研究表明，在2 a秸稈全量還田配施純氮240 kg·hm-2條件下，稻田土壤的總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量最高，而土壤可溶性有機(jī)碳含量和微生物碳含量卻低于相同供氮水平下秸稈不還田的處理。這是因?yàn)橥寥揽扇苄杂袡C(jī)碳含量受土壤微生物活性的影響[27]。碳氮比是影響土壤微生物活性的重要因素[28]。秸稈還田替代部分氮肥，減少了氮肥用量，使得土壤碳氮比偏大，微生物活性減弱[29]，因而土壤可溶性有機(jī)碳含量減少。

在水稻產(chǎn)量方面，丁文金等[30]研究表明，秸稈還田氮肥減量處理對雙季稻總產(chǎn)量不會產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。黃容等[31]研究表明，秸稈全量覆蓋配合氮肥減量20%～30%，能夠提高水稻產(chǎn)量。本研究表明，秸稈全量還田配施純氮240 kg·hm-2，水稻的穗數(shù)最多，且產(chǎn)量最高。

綜上所述，合理的秸稈還田氮肥減量措施可以有效地改善稻田土壤養(yǎng)分和碳庫狀況，提高水稻產(chǎn)量。在本試驗(yàn)條件下，秸稈還田配施純氮240 kg·hm-2為最優(yōu)的秸稈還田氮肥減量模式，可為該地區(qū)制定合理的施肥及還田方案提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。