秸稈還田與施氮量對(duì)喀斯特地區(qū)雜交秈稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

蘇 衛(wèi) 馮躍華 許桂玲 管正策 歐 達(dá) 張佳鳳 王玲莉

(1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2貴州大學(xué) 山地植物資源保護(hù)與種植創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550025)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)作物秸稈資源豐富[1-2]。 近年來(lái)農(nóng)村秸稈焚燒問(wèn)題嚴(yán)重影響了人們的正常生活[3-5]。 為了減少秸稈資源浪費(fèi)及不合理利用,秸稈還田已成為一項(xiàng)維持農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要措施。 前人就秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤肥力、稻田生態(tài)環(huán)境、作物生長(zhǎng)及其產(chǎn)量等方面開(kāi)展了一系列研究[6-10]。 長(zhǎng)期以來(lái),氮肥是保證我國(guó)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要方式,但過(guò)量投入氮肥會(huì)使水稻易發(fā)生病蟲(chóng)害[11]、農(nóng)田土壤肥力下降、農(nóng)業(yè)污染加重[12]、氮肥綜合效益降低[13],嚴(yán)重影響我國(guó)水稻的可持續(xù)發(fā)展[14]。前人研究表明,秸稈還田配施氮肥對(duì)作物產(chǎn)量有促進(jìn)作用[15-16],減少化肥的施用并提高其利用率,可提高土壤養(yǎng)分的持續(xù)供給潛力[17-19],但有關(guān)貴州喀斯特地區(qū)秸稈還田與施氮量對(duì)水稻干物質(zhì)特性影響的相關(guān)研究較少。 本試驗(yàn)擬研究秸稈還田與施氮量對(duì)水稻干物質(zhì)生產(chǎn)特性的影響,以期通過(guò)秸稈還田與施氮量的最優(yōu)組合,為貴州省喀斯特地區(qū)雜交秈稻綠色豐產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年在貴州省三穗縣長(zhǎng)吉鎮(zhèn)(108°45′12.1″E、26°56′33.2″N)進(jìn)行。 該地區(qū)屬于北亞熱帶溫和濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,具有冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑、雨熱同季的特點(diǎn),年平均氣溫14.9℃,最高氣溫38.4℃,最低氣溫-7.6℃,全年無(wú)霜期290 ～300 d,平均降水量1 147 mm。試驗(yàn)田土壤主要理化性狀為有機(jī)質(zhì)19.06 g·kg-1、速效鉀 63.73 mg·kg-1、堿解氮 131.91 mg·kg-1、有效磷45.99 mg·kg-1、全氮2.05 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、全鉀21.87 g·kg-1。

供試水稻品種：內(nèi)5 優(yōu)5399,購(gòu)自四川省內(nèi)江雜交水稻科技開(kāi)發(fā)中心。

供試肥料：磷肥為CaP2H4O8(含P2O516%,貴州省貴定縣農(nóng)化化肥有限責(zé)任公司),鉀肥為KCl(含K2O 60%,俄羅斯產(chǎn),中化化肥控股有限公司),氮肥為CON2H4(含N 46.4%,貴州赤天化股份有限公司)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為油菜-水稻兩熟制下水稻季試驗(yàn)。 試驗(yàn)設(shè)秸稈還田(H)、施氮量(N)2 個(gè)因素。 采用裂區(qū)設(shè)計(jì),其中,主區(qū)為秸稈還田(H),設(shè)2 種還田方式,分別為前茬油菜秸稈離田(H1)和前茬油菜秸稈還田(H2)；副區(qū)處理為施氮量(N),設(shè)4 個(gè)施氮量水平,分別為0(N1)、75(N2)、150(N3)和225 kg·hm-2(N4)。每個(gè)處理3 次重復(fù),小區(qū)面積為22 m2。 氮肥采用分次施肥法,基肥、分蘗肥、穗肥、粒肥施氮量分別占35%、20%、30%、15%；磷肥和鉀肥的用量分別為P2O596 kg·hm-2、K2O 135 kg·hm-2,磷肥作基肥一次施入,鉀肥基施50%,幼穗分化期施50%,氮、磷、鉀肥分別采用尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀。 每小區(qū)四周作高30 cm、寬20 cm 田埂包膜,包膜壓深至地下30 cm,以防水肥滲透,重復(fù)間留70 cm 空降以便田間操作和調(diào)查。 水稻于4月8日育秧,5月27日移栽,行株距為30 cm×20 cm,田間管理與當(dāng)?shù)匾话愦筇锕芾矸椒ㄏ嗤?于9月20日收獲并測(cè)產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 株高和最高莖蘗數(shù) 分別于水稻拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、成熟期取代表性植株4 株(成熟期6 株),測(cè)量其株高。 選長(zhǎng)勢(shì)較一致的連續(xù)10 穴,采用定點(diǎn)觀察法,從返青期開(kāi)始每隔7 d 進(jìn)行一次莖蘗動(dòng)態(tài)調(diào)查,測(cè)定其最高莖蘗數(shù)并按照公式計(jì)算成穗率(%)：

1.3.2 葉面積指數(shù) 根據(jù)每小區(qū)田間調(diào)查的平均莖蘗數(shù),分別在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期取代表性植株4株,采用長(zhǎng)寬法,測(cè)定其中1 株葉片的長(zhǎng)(cm)和寬(cm),按照公式計(jì)算葉面積(cm2)：

然后采用稱重法求出總?cè)~面積,并按照公式計(jì)算葉面積指數(shù)：

1.3.3 干物質(zhì)積累量、分配和轉(zhuǎn)運(yùn) 按每小區(qū)田間調(diào)查平均莖蘗數(shù),分別于水稻關(guān)鍵生育期(拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期),取代表性植株4 穴,拔節(jié)期、孕穗期將樣品分成莖、葉、死葉三部分,抽穗期將樣品分成莖、葉、穗、死葉四部分；在成熟期按每小區(qū)田間調(diào)查平均莖蘗數(shù)取植株6 穴,將樣品分成莖、葉、實(shí)粒、秕粒、枝梗五個(gè)部分,分別測(cè)定其干物質(zhì)重并計(jì)算各生育期干物質(zhì)。測(cè)定時(shí)將各部位水稻樣品各自裝袋,于105℃殺青30 min,80℃烘干到恒重,稱干物質(zhì)重。 按照公式分別計(jì)算主要生育階段(拔節(jié)期-抽穗期、抽穗期-成熟期)地上部分(葉、莖、穗)分配率(%)、干物質(zhì)表觀輸出量(kg·hm-2)、干物質(zhì)表觀輸出率(%)、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率(%)、莖鞘物質(zhì)輸出率(%)和穗后比例(%)：

1.3.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成 于成熟期每小區(qū)割取具有代表性區(qū)域99 穴作為測(cè)產(chǎn)區(qū),取樣脫粒曬干風(fēng)選后稱其風(fēng)干重。 稱取30 g,采用烘干法測(cè)定實(shí)際含水量,按水分13.5%折算水稻實(shí)際產(chǎn)量。 根據(jù)田間調(diào)查的平均莖蘗數(shù),每小區(qū)取代表性植株6 穴,作為考種樣,并考察水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 利用SAS 9.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；Microsoft Office Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻株高和最高分蘗數(shù)及成穗率的影響

由表1可知,施氮量對(duì)水稻關(guān)鍵生育期株高和最高分蘗數(shù)及成穗率均有極顯著影響,秸稈處理主要影響孕穗期株高,施氮量與秸稈處理的交互作用對(duì)孕穗期株高、最高分蘗數(shù)均有極顯著影響,對(duì)抽穗期株高、成穗率均有顯著影響。 隨著施氮量的增加,不同生育時(shí)期的株高大體均呈增高的趨勢(shì),在孕穗期、抽穗期和成熟期,N3與N4 處理間均無(wú)顯著差異,但均顯著高于N1、N2,且N1 與N2 之間差異顯著；在拔節(jié)期,N3 顯著高于N1、N2,但與N4 間無(wú)顯著差異。 最高分蘗數(shù)隨著施氮量的增加而增加,且各處理間差異顯著,其中N4 最高。 成穗率隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),其中N1、N2 均顯著高于N3、N4,但N1 與N2 間無(wú)顯著差異,N3顯著高于N4。 在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期,秸稈處理對(duì)株高、最高分蘗數(shù)和成穗率的影響較小,但在孕穗期秸稈還田處理的株高顯著高于秸稈離田。

表1 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻株高和最高分蘗數(shù)及成穗率的影響Table1 Effects of straw returning and nitrogen application on plant height， maximum tillering number and earing rate of rice

2.2 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻葉面積指數(shù)的影響

由表2可知,施氮量對(duì)各生育期水稻葉面積指數(shù)均有極顯著影響,秸稈處理主要影響孕穗期的葉面積指數(shù),施氮量和秸稈處理的交互作用對(duì)各生育期葉面積指數(shù)均有極顯著影響。 隨著施氮量的增加,各生育期的葉面積指數(shù)均呈逐漸增加的趨勢(shì),在拔節(jié)期和孕穗期N3 和N4 均顯著高于N1 和N2,且N3 與N4 間差異顯著,但N1 與N2 間無(wú)顯著差異；在抽穗期各施氮處理間均差異顯著,其中N4 顯著高于其他處理。 對(duì)施氮量和三個(gè)時(shí)期的平均葉面積指數(shù)建立回歸方程：y=2.7425e0.00263x(x：施氮量；y：葉面積指數(shù))。 孕穗期秸稈還田的葉面積指數(shù)顯著高于秸稈離田,而秸稈處理對(duì)拔節(jié)期和抽穗期葉面積指數(shù)的影響均較小。

2.3 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻干物質(zhì)積累的影響

由表3可知,施氮量對(duì)各生育期干物質(zhì)的積累均有極顯著影響,秸稈處理主要影響抽穗期干物質(zhì)的積累。隨著施氮量的增加,各生育期除抽穗期和成熟期N4 略低于N3 外,干物質(zhì)均呈增加的趨勢(shì),其中N3 和N4 除在抽穗期外,均顯著高于N1 和N2,且N3 與N4 間無(wú)顯著差異,N1 和N2 處理除在孕穗期差異顯著外,在其他時(shí)期均無(wú)顯著差異。 抽穗期秸稈離田的干物質(zhì)積累量顯著高于秸稈還田,但在其他生育期差異不顯著。

表2 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻葉面積指數(shù)的影響Table2 Effect of straw returning and nitrogen application on leaf area index of rice

表3 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻關(guān)鍵生育期干物質(zhì)積累的影響Table3 Effect of straw returning and nitrogen application on dry matter accumulation during key growth stages of rice/(kg·hm-2)

2.4 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻不同生育期干物質(zhì)積累及總生物量的影響

由表4可知,施氮量對(duì)不同水稻生育階段干物質(zhì)和生物量有顯著或極顯著影響,秸稈處理主要影響水稻的移栽-拔節(jié)(生育前期)和抽穗-成熟(后期),而施氮量與秸稈處理的交互作用對(duì)水稻不同生育階段干物質(zhì)積累和總生物量均有極顯著影響。 隨著施氮量的增加,不同生育階段干物質(zhì)積累量大體上均呈增加的趨勢(shì),在生育前期(移栽-拔節(jié))干物質(zhì)積累在各處理間達(dá)到顯著水平,N4 顯著高于其他處理；在生育中期(拔節(jié)-抽穗)施氮處理高于未施氮處理(N1),且各施氮處理間差異不顯著；在生育后期(抽穗-成熟)N3 和N4 顯著高于N1和N2。 總生物量隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),且各處理間達(dá)到顯著水平,N3 顯著高于其他處理。隨著水稻的生長(zhǎng),秸稈還田對(duì)水稻生育前期干物質(zhì)積累量有抑制作用,但促進(jìn)水稻生育后期干物質(zhì)的積累,對(duì)生育中期干物質(zhì)的積累和總生物量的影響不大。 在生育前期,同一施氮水平(N1)下,秸稈還田的干物質(zhì)積累顯著低于秸稈離田,而在生育后期則相反。

表4 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻生育期干物質(zhì)積累量及生物量的影響Table4 Effects of straw returning and nitrogen application on dry matter accumulation and biomass during growth stage of rice /(kg·hm-2)

2.5 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻關(guān)鍵生育期地上部分器官分配率

由表5可知,施氮量對(duì)水稻中后期地上部各器官分配率的影響極顯著,秸稈處理對(duì)水稻后期地上部各器官分配率的影響極顯著,對(duì)中期穗分配率影響顯著,施氮量和秸稈處理的交互作用對(duì)水稻中后期地上部各器官分配率的影響與秸稈處理相似。 在生育中期,隨著施氮量的增加莖分配率大體上呈減少的趨勢(shì),N1、N2、N3 顯著高于N4；葉的分配率呈先增加后減少的趨勢(shì),其中以N3 處理為最高,顯著高于N1、N2,穗的分配率正相反,N1、N4 顯著高于N2、N3。 秸稈處理對(duì)莖葉的分配率影響不大,秸稈離田的穗分配率顯著高于秸稈還田。 在生育后期,莖葉的分配率均為負(fù)值,而穗的分配率為正值。隨施氮量的增加,穗的分配率呈先增加后減少的趨勢(shì),其中N1、N2 顯著高于N3、N4,以N2 最高,且秸稈離田顯著高于秸稈還田。

表5 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻關(guān)鍵生育期地上部分器官分配率Table5 Distribution rate of above-ground organs in key growth stages of rice by straw returning and nitrogen application/%

2.6 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻莖鞘和葉的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)及其比例

由表6可知,除秸稈處理對(duì)莖葉物質(zhì)表觀輸出量的影響較小外,施氮量、秸稈處理和兩者的交互作用對(duì)水稻莖鞘和葉的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)及其比例均有極顯著影響。 施氮量對(duì)水稻莖鞘和葉的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)影響極顯著,其中莖鞘物質(zhì)輸出率、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率和莖葉物質(zhì)表觀輸出率變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為N2 顯著高于其他處理；施氮量對(duì)莖葉物質(zhì)表觀輸出量的影響表現(xiàn)為N2和N4 顯著高于N1 和N3,但N2 與N4 間無(wú)顯著差異；施氮量對(duì)穗后比例的影響表現(xiàn)為N3 和N4 顯著高于N1 和N2。 秸稈處理對(duì)莖葉物質(zhì)表觀輸出量的影響較小,但對(duì)莖鞘物質(zhì)輸出率、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率、莖葉物質(zhì)的表觀輸出率和穗后比例的影響達(dá)到顯著水平,其中秸稈離田的莖鞘物質(zhì)輸出率、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率和莖葉物質(zhì)的表觀輸出率均顯著高于秸稈還田,而秸稈還田的穗后比例顯著高于秸稈離田。

2.7 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表7可知,施氮量對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著或極顯著影響,秸稈處理主要影響每穗總粒數(shù)和結(jié)實(shí)率,施氮量與秸稈處理的交互作用對(duì)每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量有極顯著影響。 隨著施氮量的增加,產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢(shì),N3 顯著高于其他處理。 在產(chǎn)量構(gòu)成方面,每穗總粒數(shù)先增加后減小再增加,有效穗隨著施氮量的增加而增加,每穗總粒數(shù)各處理間差異顯

著,其中N4 顯著高于其他處理；有效穗表現(xiàn)為N3 和N4 顯著高于N1 和N2,且N3 與N4 間無(wú)顯著差異；結(jié)實(shí)率隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),N2 顯著高于其他處理,但N1、N3 和N4 三者間無(wú)顯著差異；千粒重隨著施氮量的增加呈下降的趨勢(shì),N4 顯著低于其他處理。 秸稈還田的每穗總粒數(shù)顯著高于秸稈離田,秸稈離田的結(jié)實(shí)率顯著高于秸稈還田。 進(jìn)一步分析產(chǎn)量發(fā)現(xiàn),在N1 和N4 條件下,秸稈還田與秸稈離田處理間無(wú)顯著差異,但在N2、N3 條件下,秸稈還田產(chǎn)量顯著高于秸稈離田,其中H2N3 產(chǎn)量最高,達(dá)到9 758.02 kg·hm-2,較H1N3 和H1N1 分別增產(chǎn)2.6%、18.9%。

表6 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻莖鞘和葉的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)及其比例的影響Table6 Effects of straw returning and nitrogen application on material transport characteristics and proportion of rice stem sheath and leaf

表7 秸稈還田與施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Table7 Effects of straw returning and nitrogen application on rice yield and components

3 討論

本研究結(jié)果表明,隨著施氮量的增加,水稻的產(chǎn)量和總生物量呈先增加后降低的趨勢(shì),說(shuō)明隨著施氮量增加水稻的有效穗和每穗總粒數(shù)增加,進(jìn)而使水稻增產(chǎn),但過(guò)量的氮肥會(huì)使水稻的千粒重和成穗率降低,從而使水稻的產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢(shì),這與前人研究[20-24]結(jié)果相同,表明適宜的施氮量可以促進(jìn)水稻的生長(zhǎng),而過(guò)量施用氮肥則會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。 因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)合理施用氮肥,使其滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)不造成資源浪費(fèi)。 本研究中,水稻株高、最高分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)、關(guān)鍵生育期干物質(zhì)積累、主要生育階段干物質(zhì)積累、有效穗、每穗總粒數(shù)和穗后比例總體呈增加的趨勢(shì)。 這與武彪等[25]的研究結(jié)果一致,而千粒重、總生物量、成穗率和產(chǎn)量等方面變化不一致,這可能與試驗(yàn)地、品種特性和栽培措施等因素有關(guān)。

采用秸稈還田能夠減少化肥的施用,提高經(jīng)濟(jì)效益,還可以減少秸稈燃燒或秸稈不合理利用所引發(fā)的負(fù)面效應(yīng)。 本研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田降低了莖鞘物質(zhì)輸出率、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)化率、莖葉物質(zhì)的表觀率和結(jié)實(shí)率,影響了生育前期水稻干物質(zhì)的積累,但秸稈還田增加了葉面積指數(shù)和每穗總粒數(shù),促進(jìn)了生育后期干物質(zhì)的積累,說(shuō)明秸稈還田對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響表現(xiàn)為前期抑制后期促進(jìn)。 這可能是由于生育前期土壤微生物在分解秸稈過(guò)程中,需要與水稻爭(zhēng)氮,導(dǎo)致土壤供氮減少,而使生育前期水稻的干物質(zhì)積累減少；在生育后期,秸稈分解基本完成,土壤供氮充足,導(dǎo)致生育后期水稻的干物質(zhì)積累增多,這與前人研究結(jié)果[26-29]一致。 本研究中,秸稈還田對(duì)產(chǎn)量的影響不明顯,可能是秸稈還田的還田年限較短,秸稈未充分分解,也可能與前茬作物秸稈的還田量有關(guān),但在配施等量氮肥后,秸稈還田的產(chǎn)量高于秸稈離田,說(shuō)明秸稈還田配施氮肥能提高氮肥的利用率,從而使水稻的產(chǎn)量增加,這與汪軍等[20]和袁玲等[30]的研究結(jié)果一致。 秸稈還田配施氮肥能夠改善土壤特性,提高土壤肥力和改善稻田生態(tài)環(huán)境。 但秸稈還田配氮施肥如何改善土壤特性,提高土壤肥力和改善稻田生態(tài)環(huán)境,以及秸稈還田配氮施肥對(duì)水稻光合生理特性的影響還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,在油菜秸稈還田和施用150 kg·hm-2N 組合(H2N3)下雜交秈稻每穗總粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率、有效穗、總生物量、葉面積指數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu),從而使水稻產(chǎn)量達(dá)到最高,為9 758.02 kg·hm-2。綜合考慮油菜秸稈還田與施氮量對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素等的影響,貴州省喀斯特地區(qū)雜交秈稻最優(yōu)組合為秸稈還田和施用氮肥量150 kg·hm-2。