秸稈全量還田條件下減量施氮與碳氮調(diào)控對稻麥輪作系統(tǒng)的影響

白娜玲，呂衛(wèi)光，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，陸利民，楊業(yè)鳳，張翰林*

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海201403;2浦東新區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海201201)

氮是植物的主要營養(yǎng)元素之一，是限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的首要因素。氮肥的不合理施用會導(dǎo)致氮肥利用率降低、作物減產(chǎn)、生產(chǎn)成本增加和環(huán)境污染，制約著生態(tài)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)高效及可持續(xù)發(fā)展［1-2］。我國化肥施用量大，但利用率很低，氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%—35%［3］，過度施肥現(xiàn)象普遍較嚴(yán)重，從而引發(fā)由點(diǎn)到面的立體污染問題，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、土壤退化、溫室效應(yīng)加劇、生物多樣性衰減等。據(jù)估算，我國江河、湖泊中的氮素60%來自于化肥［4］。

稻麥秸稈長期連續(xù)還田可有效減小氮素施用過程中對環(huán)境的潛在威脅［5］，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力水平［6］，減少肥料投入［7］，提高作物產(chǎn)量［8］。秸稈還田的增產(chǎn)效應(yīng)隨還田時間延長而增加［5，9-10］。吳成龍等［11］研究發(fā)現(xiàn)，在稻麥輪作條件下，秸稈與氮肥配施后可以降低有機(jī)氮和無機(jī)氮的損失，且相互促進(jìn)了對方在作物-土壤系統(tǒng)的回收。張維樂等［2］指出，氮肥2 次施用配合秸稈還田處理的作物產(chǎn)量、地上部生物量及氮素吸收量均可以達(dá)到或優(yōu)于氮肥3 次施用的水平，在保證作物產(chǎn)量的前提下減少了氮肥的施用量。近年來，為促進(jìn)秸稈綜合利用，國家把秸稈機(jī)械化還田列為秸稈綜合利用的首選技術(shù)措施。

針對我國氮肥投入效率持續(xù)下降的現(xiàn)狀［12］，調(diào)整氮肥運(yùn)籌是保證作物產(chǎn)量與肥料利用率的重要手段。有研究指出，過量施氮會引起作物秸稈碳氮比下降，不利于增加土壤有機(jī)質(zhì)［12-13］;且不同氮肥基追比例可顯著影響水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子、不同時期葉片SPAD 值、地上部氮素累積量及氮素利用效率［14］。然而，目前秸稈連續(xù)還田后作物施肥仍多沿襲傳統(tǒng)的施肥水平，如何調(diào)整秸稈還田條件下的氮肥運(yùn)籌顯得尤為重要。針對上述問題，本試驗(yàn)進(jìn)行稻麥秸稈連續(xù)全量還田條件下氮肥減量化和碳氮調(diào)控施肥研究，探索秸稈全量還田條件下維持地力與產(chǎn)能的氮肥最佳投入量和基追肥比例，以期為秸稈全量還田條件下氮肥的合理施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1．1試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于上海市崇明島西部的三星鎮(zhèn)(31°4l'15″N，121°54'00″E) ，在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地試驗(yàn)田開展試驗(yàn)。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，平均海拔4 m，年均降水量1 003．7 mm，降水集中在4—9月，年均氣溫15．3 ℃，≥10 ℃年均積溫2 559．60 ℃。

1．2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻品種為‘光明粳2 號’，小麥品種為‘揚(yáng)麥87158’，種植制度為稻麥輪作制。試驗(yàn)時間為2010 年麥季開始至2013 年稻季結(jié)束。2010 年10 月試驗(yàn)開始時，供試土壤理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)19．50 g/kg，全氮1.10 g/kg，全磷1．90 g/kg，全鉀2．90 g/kg，速效氮16．21 mg/kg，速效磷22．16 mg/kg，速效鉀125．60 mg/kg，pH 8．60。秸稈切成10 cm 左右長度，機(jī)器耕翻還田;水稻試驗(yàn)小區(qū)采用機(jī)插秧，小麥采用撒播。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理設(shè)置3 個重復(fù)，每個處理小區(qū)面積為240 m2。水稻和小麥?zhǔn)┓时壤鶠榈?70%作基肥，10%作分蘗肥，20%作穗肥;鉀肥:40%作基肥，60%作分蘗肥。1．2．1 氮肥減量試驗(yàn)

稻季為S11:秸稈不還田+總N 300 kg/hm2，S12:麥秸稈全量還田+不施肥，S13:麥秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2，S14:麥秸稈全量還田+總N 300 kg/hm2，S15:麥秸稈全量還田+總N 337．5 kg/hm2。麥季為M11:秸稈不還田+ 總N 255 kg/hm2，M12: 稻秸稈全量還田+ 不施肥，M13: 稻秸稈全量還田+總N 210 kg/hm2，M14:稻秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2，M15:稻秸稈全量還田+總N 300 kg/hm2。施肥方案見表1。

表1 稻麥秸稈還田減量施氮試驗(yàn)方案Table 1 Scheme of nitrogen reduction application with straw returning to field kg·hm－2

1．2．2 碳氮調(diào)控施肥試驗(yàn)

稻季為S21: 秸稈不還田+ 總N 300 kg/hm2( 基肥追肥比5 ∶5) ，S22: 麥秸稈全量還田+ 總N 300 kg/hm2( 基肥追肥比5∶5) ，S23:麥秸稈全量還田+總N 300 kg/hm2( 基肥追肥比6∶4) ，S24:麥秸稈全量還田+總N 300 kg/hm2( 基肥追肥比7∶3) ，S25:麥秸稈全量還田+總N 300 kg/hm2( 基肥追肥比8∶2) 。麥季為M21:秸稈不還田+總N 255 kg/hm2( 基肥追肥比5∶5) ，M22: 稻秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2( 基肥追肥比5∶5) ，M23:稻秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2( 基肥追肥比6∶4) ，M24:稻秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2( 基肥追肥比7∶3) ，M25:稻秸稈全量還田+總N 255 kg/hm2( 基肥追肥比8∶2) 。施肥方案見表2。

表2 稻麥稈還田氮肥碳氮調(diào)控施肥方案Table 2 Scheme of carbon/nitrogen regulation with straw returning to field kg·hm－2

1．3測定項(xiàng)目及方法

在每季水稻和小麥苗期，調(diào)查水稻和小麥的苗情性狀，包括株高和分蘗數(shù)。收獲后各小區(qū)取樣考種，測定有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重以及每個小區(qū)作物的實(shí)際產(chǎn)量。

2013 年小麥和水稻收獲后采集土壤樣品。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用凱氏定氮法-自動定氮儀測定，全磷( 以P2O5計(jì)) 采用酸溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀( 以K2O 計(jì)) 采用氫氧化鈉熔融法-火焰光度計(jì)測定，速效氮采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷采用鹽酸-氟化胺提取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，土壤pH 采用電位法( 水∶土=2．5∶1) 測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1．4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16．0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1減量施氮及碳氮調(diào)控對土壤理化性質(zhì)的影響

經(jīng)過3 年試驗(yàn)后，稻季相同施氮量下( 表3) ，與秸稈不還田( S11) 處理相比，秸稈全量還田( S14) 處理增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀和速效氮磷含量，增幅分別為2．87%、14．50%、7．98%、7．85%、19．60%和25．64%。麥季相同施氮量下，與秸稈不還田( M11) 處理相比，秸稈全量還田( M14) 處理增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全量氮鉀和速效磷含量，增幅分別為2．08%、10．00%、4．69%和15．60%。增幅差異可能是因?yàn)樾←溄斩捄退窘斩捀獾蒯尫潘俾什煌?5］。秸稈全量還田條件下，無論稻季還是麥季，隨著施氮量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均有增加趨勢，但是過量施氮會導(dǎo)致養(yǎng)分增加不明顯，甚至降低。秸稈全量還田條件下，稻季施氮量為300 kg/hm2( S14) 時，相較于施氮量255 kg/hm2( S13) 處理，土壤全磷、速效氮磷鉀含量分別顯著增加3．60%、6．25%、45．54%、50．00%;但在施氮量為337．5 kg/hm2( S15)時，土壤速效磷含量反而略有降低。麥季土壤的施氮量為255 kg/hm2( M14) 時，相較于施氮量210 kg/hm2( M13) 處理，土壤全鉀、速效氮磷含量分別顯著增加4．38%、33．43%、30．03%，pH 及容重分別顯著降低2．11%和1．67%。在施氮量為300 kg/hm2( M15) 時，其養(yǎng)分含量相較于M14 處理增幅不顯著?？梢?，過度增施氮肥，對土壤養(yǎng)分增加效果不佳。此外，容重是重要的土壤物理參數(shù)，其變化可以反映土壤的松緊狀況。秸稈還田條件下有效的氮肥施用管理措施有助于土壤容重的下降和土壤孔隙度的增加［7］。

表3 稻麥秸稈全量還田減氮對土壤理化性質(zhì)的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction application on the physical and chemical properties of soil with total straw returning to field

經(jīng)過3 年的碳氮調(diào)控施肥處理后( 表4) ，稻麥秸稈還田使得土壤養(yǎng)分增加，pH、容重降低。稻季氮肥基追比調(diào)整后，土壤養(yǎng)分含量順序?yàn)?∶2 =7∶3 =6∶4 ＞5∶5，氮肥基追比例為7∶3( S24) 和8∶2( S25) 處理的土壤速效氮磷含量較5∶5( S22) 處理顯著增加10．54%—12．25%和15．75%，其他指標(biāo)變化不明顯。在麥季相同施氮量下，當(dāng)?shù)驶繁壤秊?∶3( M24) 和8∶2( M25) 時，相較于5∶5處理( M22) ，土壤速效氮磷鉀含量分別顯著增加25．88%—30．59%、16．15%—24．11%和11．11%，其他指標(biāo)變化不顯著。

2．2減量施氮和碳氮調(diào)控對麥稻生長的影響

在相同的施氮量下，秸稈全量還田( S14) 后，水稻分蘗期株高無明顯差異( 表5) ，但在其他生長時期秸稈全量還田( S14) 處理株高明顯高于秸稈不還田( S11) 處理，且抽穗期的單株分蘗數(shù)顯著增加4．00%。在相同的施氮量下，秸稈全量還田( M14) 后，小麥的株高在越冬期無顯著差異，但在其他生長時期株高均顯著高于秸稈不還田( M11) 處理，表明秸稈還田會在一定時期影響作物生長。秸稈全量還田條件下，施肥處理有助于作物株高的增長，施肥量越大株高越高，但到一定量后無顯著變化。與施用210 kg/hm2氮肥( M13) 處理相比，麥季施用255 kg/hm2氮肥( M14) 處理在返青期、拔節(jié)期和成熟期株高分別增加2.83%、3．02%和1．42%，但與施用300 kg/hm2氮肥( M15) 處理無顯著差異。與此類似的是，稻季最佳施氮量為300 kg/hm2( S14) ，拔節(jié)期水稻株高比施用255 kg/hm2氮肥( S13) 處理增加1．36%，抽穗期單株分蘗數(shù)增加4．00%。

在相同的施氮量和氮肥基追比例下( 表6) ，秸稈全量還田( S21) 處理的水稻分蘗期株高、拔節(jié)期株高和單株莖蘗數(shù)顯著低于秸稈不還田( S22) 處理，其他時期株高和單株莖蘗數(shù)無明顯差異。氮肥基追比例為6∶4( S23) 、7∶3( S24) 和8∶2( S25) 時，水稻株高和單株莖蘗數(shù)差異不顯著，但分蘗期、抽穗期、成熟期株高均顯著高于5∶5處理( S22) ，分別增加3．67%—7．37%、5．25%—5．92%、3．45%—4．53%;拔節(jié)期的單株莖蘗數(shù)增加4．17%—6．25%( P ＜0．05) 。秸稈全量還田( M22) 處理下，小麥苗期、返青期和拔節(jié)期的株高均低于秸稈不還田( M21) 處理，但隨著小麥生長和秸稈腐熟，成熟期秸稈還田處理株高反而顯著高于秸稈不還田處理(1．14%) 。基追肥比例為6∶4( M23) 、7∶3( M24) 、8∶2( M25) 時，苗期、越冬期、返青期和拔節(jié)期的小麥株高較5∶5( M22) 處理顯著增加，可見，增加前期施氮量，可以有效增加小麥株高。本研究表明，秸稈全量還田條件下前后施氮配比的調(diào)整有利于增加作物株高。

表6 稻麥秸稈全量還田碳氮調(diào)控對稻麥生長的影響Table 6 Effects of carbon/nitrogen regulation on the growth of rice and wheat with total straw returning to field

2．3減量施氮和碳氮調(diào)控對麥稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

稻麥秸稈還田與施肥可通過影響土壤養(yǎng)分和物理性狀進(jìn)而影響小麥和水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。本試驗(yàn)中，秸稈還田和施氮均有助于水稻和小麥穗粒數(shù)和千粒重的提高，因此理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量也相應(yīng)較高( 表7) 。秸稈全量還田( M14 和S14) 處理下小麥和水稻的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量比秸稈不還田( M11和S11) 分別高出6．84%、6．38%與13．51%、12．48%。稻麥產(chǎn)量隨著施氮量增加有所提升，但過高施氮量增產(chǎn)效果不佳。水稻施氮量300 kg/hm2( S14) 處理較255 kg/hm2( S13) 處理理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量分別顯著增加7．03%和3．89%，小麥?zhǔn)┑?55 kg/hm2( M14) 處理較210 kg/hm2( M13) 處理理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量分別增加2．05%和2．13%，但差異不顯著。水稻施氮量300 kg/hm2( S14) 處理和337．5 kg/hm2( S15)處理、小麥?zhǔn)┑?55 kg/hm2( M14) 處理和300 kg/hm2( M15) 處理間差異不顯著。

表7 秸稈全量還田減氮對稻麥產(chǎn)量的影響Table 7 Effects of nitrogen reduction application on the yield of rice and wheat with total straw returning to field

提高氮肥基肥施用比例同樣有助于水稻和小麥穗粒數(shù)、千粒重和有效穗數(shù)的提高，產(chǎn)量也相應(yīng)提高( 表8) 。本研究結(jié)果顯示，稻麥產(chǎn)量隨著基肥量的增加而增加，但小麥氮肥基追比例7∶3( M24) 和8∶2( M25) 處理、水稻氮肥基追比例7∶3( S24) 和8∶2( S25) 處理間差異不顯著。水稻和小麥的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量均為8∶2 =7∶3 ＞6∶4 ＞5∶5，即前期投入大量氮肥有助于提高作物產(chǎn)量。當(dāng)基追比例為7∶3( S24、M24) 和8∶2( S25、M25) 時，水稻的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量較5∶5( S22) 處理分別顯著增加了11．83%—12.18%和12．95%—13．08%，小麥的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量較5∶5( M22) 處理分別顯著增加了17．30%—17．95%和20．97%—21．77%，說明碳氮調(diào)控有利于麥稻產(chǎn)量的提高。

表8 秸稈全量還田碳氮調(diào)控對稻麥產(chǎn)量的影響Table 8 Effects of carbon/nitrogen regulation on the yield of rice and wheat with total straw returning to field

3 討論與結(jié)論

秸稈還田可部分取代氮肥的施用，有效改善土壤環(huán)境，增加土壤肥力，提高土壤碳匯能力［16-18］，是解決和促進(jìn)土壤養(yǎng)分保持和提高作物產(chǎn)量的重要管理手段［19］。本研究中，秸稈全量還田處理較秸稈不還田處理的耕層速效鉀含量并未明顯提高，可能與土壤自身理化性質(zhì)、秸稈特征及種植作物的吸收有關(guān)［20-21］。同時，秸稈全量還田可顯著提高作物穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量、干物質(zhì)積累比和氮素利用率。Bai 等［21］指出，秸稈還田可顯著增加冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量，且秸稈還田的增產(chǎn)優(yōu)勢在低產(chǎn)季節(jié)更加明顯。本研究結(jié)果顯示，秸稈釋放的氮素一定程度上可以滿足作物后期生長對氮素的需求。秸稈還田下施肥雖有利于作物產(chǎn)量提升，但過高施肥量的增產(chǎn)效果不佳［2］。科學(xué)施肥是指根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)，在合理施用有機(jī)肥料的基礎(chǔ)上，合理施用氮、磷、鉀及中微量元素等肥料，選擇適當(dāng)?shù)姆柿掀贩N，同時在合適的施肥時期，使用科學(xué)的施肥方法進(jìn)行施肥的技術(shù)方法體系［22］。農(nóng)作物施肥的三要素為:作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)［2］。本研究中，作物品種或土壤地力不同，對營養(yǎng)元素的需求量也不同，進(jìn)而施氮量也要調(diào)整。

秸稈前期快速腐解階段需要大量的營養(yǎng)，微生物生長和作物幼苗生長之間存在爭奪土壤無機(jī)氮的矛盾，作物幼苗會因缺氮而黃化、瘦弱、生長不良，從而導(dǎo)致當(dāng)年作物增產(chǎn)不明顯甚至減產(chǎn);而添加無機(jī)氮素可以緩和爭氮矛盾［2，20］。有研究指出，不同氮肥施用比例可影響作物肥料利用率和作物產(chǎn)量［23］，甚至肥料調(diào)控比秸稈還田能夠更顯著地提高作物產(chǎn)量［24］，因此需要加強(qiáng)氮肥施用的統(tǒng)籌調(diào)控。武際等［1］研究指出，“前氮后移”可以顯著提高小麥籽粒品質(zhì)，且基肥比例過低可能會影響作物早期生長發(fā)育。本試驗(yàn)中，秸稈全量還田后沒有出現(xiàn)苗期生長的不良問題，可能是由于在施肥時調(diào)整了氮肥在作物生長期間的比例，增加了前期氮肥用量的原因。倪進(jìn)斌等［25］研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)調(diào)控可顯著影響寒稻產(chǎn)量，且氮肥施用比例為基∶蘗∶穗=5∶3∶2時產(chǎn)量最高。本試驗(yàn)中，氮肥基追最佳比例為7∶3( S24、M24) 或8∶2( S25、M25) ，差異的原因可能是由于秸稈的投入加大了前期碳投入，需要前期加大氮素投入才能實(shí)現(xiàn)碳氮平衡，以利于作物產(chǎn)出。

稻麥秸稈全量連續(xù)還田和肥料運(yùn)籌均可提升土壤肥力、作物株高和作物產(chǎn)量。水稻施用300 kg/hm2( S14) 和小麥?zhǔn)┯?55 kg/hm2( M14) 氮肥時，土壤養(yǎng)分提升幅度最大，作物長勢與產(chǎn)量也達(dá)到最佳。因此，稻季最佳的施肥量為純氮300 kg/hm2，麥季最佳的施肥量為純氮255 kg/hm2。氮肥基追比例調(diào)控優(yōu)化結(jié)果顯示:隨著基肥比例的增加，土壤養(yǎng)分、株高和產(chǎn)量均有增加趨勢?；贩时?∶3( S24、M24) 和8∶2( S25、M25) 處理下，水稻和小麥產(chǎn)量顯著高于其他處理，且兩者之間無顯著差異。因此，綜合考慮土壤理化性狀、作物生長和產(chǎn)量，稻麥秸稈全量還田條件下最佳基追肥比均為7∶3和8∶2。