油稻稻秸稈還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)雙季稻產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響

肖小軍，鄭 偉，肖國(guó)濱，黃天寶，李亞貞，肖富良，韓德鵬，余跑蘭，秦 超，呂偉生

（江西省紅壤研究所／江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，進(jìn)賢 330046）

施用氮肥是調(diào)控作物群體生長(zhǎng)的關(guān)鍵措施，對(duì)作物高產(chǎn)形成具有重要的影響［1］。氮肥的合理運(yùn)籌，不僅能提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率［2，3］，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量［4］，而且還能降低施用化學(xué)氮肥帶來(lái)的環(huán)境污染［5］。無(wú)論是單季稻還是雙季稻，以往普遍存在前期氮肥“一炮轟”造成利用率低的問(wèn)題［2］，總體而言，氮肥分期施用、前肥后移有利于協(xié)同提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率［3］。因此，近年來(lái)水稻生產(chǎn)中的前氮后移技術(shù)正逐步推廣，基本是按40%～60%基肥、20%～30%分蘗肥和20%～40%穗肥進(jìn)行3次施用。隨著作物機(jī)械收獲的發(fā)展和禁止焚燒秸稈政策的實(shí)施，秸稈切碎全量還田已成為趨勢(shì)，且機(jī)械耕作的應(yīng)用也減少了秸稈還田對(duì)后茬耕作的干擾［6，7］。然而秸稈碳氮比較大，直接全量還田下腐解過(guò)程中存在微生物大量繁殖并與下季作物爭(zhēng)氮現(xiàn)象，如果仍按照以往前肥后移的方式進(jìn)行氮肥施用，常會(huì)導(dǎo)致水稻前期缺氮甚至僵苗［8，9］。為應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)上常在基肥中增施一定比例氮肥，但在水稻中后期，土壤中的微生物將緩慢釋放可供作物吸收利用的氮素，這又容易導(dǎo)致水稻在前期增氮和氮肥后移的情況下發(fā)生貪青晚熟［10，11］。

稻油和稻麥水旱輪作是長(zhǎng)江流域稻田的主要種植模式，其中江西、湖南雙季稻區(qū)以油稻和油稻稻輪作為主［12，13］。目前關(guān)于水旱輪作秸稈還田下水稻氮肥運(yùn)籌的研究較多，由于輪作制度、生態(tài)條件等不同，研究結(jié)論存在一定差異，而針對(duì)油稻稻三熟制的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。胡雅杰等［14］研究表明，在稻麥輪作秸稈全量還田下，不增加氮肥總量，適當(dāng)提高基肥施用比例，即可提高水稻群體質(zhì)量、氮素吸收量和氮肥利用率。叢日環(huán)等［10］、張維樂(lè)等［11］研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田下稻麥和稻油水旱輪作模式均可通過(guò)氮肥前移以保證水稻高產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)，同時(shí)維持較高的氮肥利用率。相比兩熟制，三熟制秸稈還田量大且水稻季茬口緊，如何充分利用秸稈帶入的氮素從而調(diào)控水稻季氮肥的施用是一個(gè)值得探究的課題。因此，本研究在江西三熟制區(qū)開(kāi)展秸稈還田下雙季稻的氮肥運(yùn)籌試驗(yàn)，探究三熟秸稈全量還田后不同氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響，以期為該輪作模式氮肥調(diào)控和秸稈利用提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年在江西省紅壤研究所試驗(yàn)基地（東經(jīng)116°20′24″，北緯28°15′30″）進(jìn)行，前茬是三熟制油菜。試驗(yàn)地土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅色粘土，為亞熱帶典型紅壤分布區(qū)。試驗(yàn)地肥力中等，pH5.25，有機(jī)質(zhì)23.19 g／kg，全氮1.98 g／kg，堿解氮、有效磷及速效鉀分別為148.74、26.38和123.69 mg／kg。水稻季（4～10月）各月的氣溫分布和日照時(shí)數(shù)變化如圖1所示。

圖1 水稻季各月的氣溫分布和日照時(shí)數(shù)變化Fig.1 Monthly air temperature and sunshine duration during rice growth season

1.2 供試材料

供試品種為秈型常規(guī)早稻中嘉早17（全生育期110 d左右）和秈型雜交晚稻早豐優(yōu)華占（全生育期115 d左右）。氮肥為含氮46%的普通尿素，磷肥為含P2O512%的鈣鎂磷肥，鉀肥為含K2O 60%的氯化鉀。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)氮肥運(yùn)籌處理，分別為：（1）秸稈不還田＋氮肥3次施用（基肥∶蘗肥∶穗肥＝5∶3∶2，下同）（N3）；（2）秸稈還田＋氮肥3次施用（S＋N3）；（3）秸稈不還田＋氮肥2次施用（基肥∶蘗肥＝7∶3，下同）（N2）；（4）秸稈還田＋氮肥2次施用（S＋N2）；（5）秸稈還田＋高量氮肥3次施用，其中基肥增施20%氮肥（S＋HN3）。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，小區(qū)面積8 m×5 m＝40 m2，總共15個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)處理間作40 cm田埂并覆膜，以防止串水串肥。

早、晚稻常規(guī)施氮量分別為150 kg／hm2、165 kg／hm2，增施氮肥處理分別為180 kg／hm2、198 kg／hm2。磷肥一次性基施75 kg／hm2（P2O5），鉀肥90 kg／hm2（K2O）分基肥和穗肥7∶3兩次施用。試驗(yàn)前茬為三熟制早熟油菜陽(yáng)光131，于頭年10月22日全田套播，次年4月27日機(jī)械收獲，秸稈粉碎全量還田（還田量約4000 kg／hm2）。早稻于4月2日播種，5月1號(hào)移栽，7月20日成熟測(cè)產(chǎn)；晚稻于6月29日播種，7月25日移栽，10月24日成熟測(cè)產(chǎn)。采用塑盤(pán)泥漿育秧和人工模擬機(jī)插，栽插規(guī)格25 cm×14 cm，早、晚稻每穴基本苗各為5根和3根。其他田間管理按一般高產(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

1.4 樣品采集及測(cè)定方法

（1）地上部干物質(zhì)積累量。成熟期，每小區(qū)按平均莖蘗法隨機(jī)取6穴（小區(qū)邊行不?。?，按莖、葉、穗各部位分開(kāi)殺青、烘干、稱重，測(cè)定各處理植株干物質(zhì)積累情況。

（2）產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。成熟期，在每小區(qū)按平均莖蘗法隨機(jī)取6穴（小區(qū)邊行不?。鳛榭挤N樣本，考查每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。之后，每個(gè)小區(qū)采取人工單獨(dú)收割250穴，脫粒后單獨(dú)曬干稱重，并換算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

（3）植株含氮率。結(jié)合成熟期地上部干物質(zhì)量測(cè)定，將植株樣品用粉碎機(jī)粉碎，再用凱氏定氮儀Foss 2300測(cè)定含氮率。

1.5 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

按彭少兵等［2］的方法計(jì)算氮素吸收量和氮肥利用效率指標(biāo)：

作物地上部吸氮量（kg／hm2）＝成熟期單位面積地上部干物重×植株氮含率；

氮肥偏生產(chǎn)力（PFP，kg／kg）＝施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量／施氮量

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，采用DPS7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 油稻稻秸稈還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

在油稻稻三熟輪作下，無(wú)論早稻還是晚稻，N2處理產(chǎn)量最低，均顯著低于其他處理，雙季總產(chǎn)量降低了977.68～1694.37 kg／hm2，減產(chǎn)率達(dá)6.10%～10.12%（表1）。早、晚稻產(chǎn)量均以S＋HN3處理最高，但除N2處理外，與其他處理差異并不顯著，表明油稻稻三熟秸稈還田下水稻增施20%氮肥對(duì)其產(chǎn)量的影響并不大。與S＋N3處理相比，早、晚稻S＋N2產(chǎn)量均呈現(xiàn)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)趨勢(shì)，差異不顯著；而相比N2處理，早、晚稻N3處理產(chǎn)量顯著增加5.84%、7.14%。從雙季水稻總產(chǎn)量來(lái)看，S＋N2略高于N3處理，增產(chǎn)2.48%。對(duì)秸稈還田和氮肥運(yùn)籌進(jìn)行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，二者在早稻季和晚稻季均存在顯著的互作效應(yīng)。結(jié)果表明，在油稻稻三熟秸稈還田條件下，氮肥2次施用（后氮前移）即可實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

表1 油稻稻秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌處理的水稻產(chǎn)量比較Table 1 Effects of nitrogen application with residues incorporation on yield of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system kg／hm2

2.2 油稻稻秸稈還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻地上部干物質(zhì)積累量的影響

由圖2可知，各處理地上部干物質(zhì)積累量的差異與產(chǎn)量變化規(guī)律基本一致。在等量氮肥投入條件下，秸稈還田處理的地上部干物質(zhì)積累量相比秸稈不還田處理有所提高，而秸稈還田條件下增加水稻季氮肥的用量對(duì)于提高地上部干物質(zhì)積累量并無(wú)顯著效果。除了S＋HN3處理，早、晚稻地上部干物質(zhì)積累量均以S＋N2處理最高，分別達(dá)到13 027.76、13 801.48 kg／hm2，與S＋N3處理差異不顯著，而與N2處理相比呈現(xiàn)為顯著性增加，平均增加了1171.56 kg／hm2，增幅為9.57%。與N3處理相比，S＋N2處理早、晚稻季平均增加了377.73 kg／hm2，增幅為2.91%，差異未達(dá)顯著水平。以上表明，在油稻稻三熟輪作下，秸稈還田并配合氮肥2次施用（后氮前移）能夠保證水稻正常生長(zhǎng)。

圖2 油稻稻秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌處理的水稻生物量變化Fig.2 Effects of nitrogen application with residues incorporation on biom ss of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system

2.3 油稻稻秸稈還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻氮素吸收的影響

秸稈還田條件下，增加水稻季氮肥的用量并不能顯著提高其氮素吸收量（表2）。在等氮肥用量條件下，S＋N3和S＋N2處理氮素吸收量最高，雙季稻總量分別達(dá)到315.11和318.73 kg／hm2。秸稈還田處理的氮素吸收量顯著高于秸稈不還田處理，其中S＋N2處理氮素吸收量較N2處理提高了33.83 kg／hm2（早稻15.73 kg／hm2、晚稻18.10 kg／hm2），增幅達(dá)11.48%（早稻10.89%、晚稻12.09%）?？傮w而言，在油稻稻三熟秸稈還田條件下，氮肥2次施用（后氮前移）可以滿足水稻生育期氮素需求，氮素吸收量能夠達(dá)到甚至優(yōu)于3次施氮處理水平。

表2 油稻稻秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌處理的水稻氮素吸收量Table 2 Effects of nitrogen application with residues incorporation on nitrogen up take of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system kg／hm2

2.4 油稻稻秸稈還田下氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻氮肥偏生產(chǎn)力的影響

無(wú)論是早稻還是晚稻，常規(guī)氮肥用量處理的氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于增氮處理（圖3）。其中以S＋N2處理最高，早、晚稻分別達(dá)到54.12和50.37 kg／kg，相比S＋HN3處理提高了15.42% 和14.68%。在等氮肥用量條件下，秸稈還田處理相比較秸稈不還田處理，氮肥偏生產(chǎn)力均有一定程度提高，其中S＋N2處理較N2處理早、晚稻季顯著提高了8.65%和9.62%。與N3處理相比，S＋N2處理早、晚稻季分別提高了1.40和1.14 kg／kg，平均增幅為2.48%，但差異不顯著。結(jié)果表明，在油稻稻三熟秸稈還田條件下，氮肥2次施用（后氮前移）能夠明顯提高氮肥利用率，增加氮肥用量則不利于氮肥偏生產(chǎn)力的提高。

圖3 油稻稻秸稈還田下不同氮肥運(yùn)籌處理的水稻氮肥偏生產(chǎn)力Fig.3 Effects of nitrogen application with residues incorporation on nitrogen partial factor productivity of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system

3 討論

作物產(chǎn)量是反映土壤生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)，而調(diào)控肥料運(yùn)籌是提高作物產(chǎn)量和肥料利用率的關(guān)鍵措施［2］。前人研究表明，在秸稈不還田和氮肥總量不變的條件下，適當(dāng)調(diào)整施氮比例，進(jìn)行部分氮肥的后移，即可實(shí)現(xiàn)土壤氮素供應(yīng)與作物生長(zhǎng)對(duì)氮素需求的高度匹配［16］。就水稻而言，大量研究普遍發(fā)現(xiàn)，氮肥分3～4次施用時(shí)產(chǎn)量與肥料利用率最高［3，17］。無(wú)秸桿還田時(shí)，長(zhǎng)江流域單季稻基蘗肥與穗肥的比例以5.5（5～6）∶4.5（4～5）為宜，其中穗肥在倒4葉、倒2葉露尖時(shí)等量施用效果最好［3］；而長(zhǎng)江流域雙季稻基蘗肥與穗肥的比例以7.5（7～8）∶2.5（2～3）為宜，其中穗肥宜在倒2葉露尖時(shí)施用［1］；對(duì)于華南早晚兼用型雙季稻，適當(dāng)減少基蘗肥用量，增施穗肥和粒肥增產(chǎn)顯著［17］。基于全國(guó)尺度的整合分析表明，秸稈還田顯著提高水稻產(chǎn)量5.2%，且氮肥基蘗肥比例越高增產(chǎn)效果越顯著［18］。在茬口較緊的條件下，前茬作物秸稈還田后水稻前期生長(zhǎng)受到抑制，減蘗降穗效應(yīng)明顯，但中后期秸稈分解由微生物吸氮轉(zhuǎn)為微生物釋氮，從而促進(jìn)群體生長(zhǎng)［19］。在稻麥和稻油水旱輪作秸稈全量還田下，均可通過(guò)氮肥前移的方式保證當(dāng)季或周年作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時(shí)促進(jìn)肥料利用率的提高［10，11，14］。本研究也表明，在油稻稻三熟制下，秸稈還田并配合氮肥2次施用（即后氮前移）可以滿足水稻生育期的氮素需求，從而保證水稻正常生長(zhǎng)。但與冬閑稻稻系統(tǒng)存在一定差異，特別是在早稻季。主要是因?yàn)椋e條件下有利于晚稻秸稈的腐解礦化，常規(guī)的3次施氮管理并不會(huì)導(dǎo)致翌年早稻生長(zhǎng)前期的氮素固定和分蘗抑制，反而會(huì)促進(jìn)早稻早生快發(fā)［19］；而冬季種植油菜條件下，油菜秸稈還田到早稻移栽間隔時(shí)間短，加之氣溫逐漸升高，大量高碳氮比的秸稈快速腐解造成微生物對(duì)土壤氮的固定，從而抑制水稻前期生長(zhǎng)［6］。秸稈還田下實(shí)行氮肥前移，降低了前期土壤碳氮比，有利于秸稈的礦化分解，從而緩解微生物與水稻爭(zhēng)氮帶來(lái)的不利影響［10，14］。本試驗(yàn)在基肥中增施20%氮肥處理對(duì)產(chǎn)量的影響并不明顯，但顯著降低了氮肥偏生產(chǎn)力。這與前人提出的通過(guò)增加基蘗肥中的氮肥用量來(lái)促進(jìn)水稻前期生長(zhǎng)的結(jié)論相悖［20］。原因可能是，多熟制秸稈還田的節(jié)肥潛力更大［5］，且適宜三熟制種植的早晚稻品種生育期較短，氮肥用量本來(lái)就偏低［6，21，22］；另外，油菜是一種養(yǎng)地作物，冬季種植油菜并秸稈全量還田提高了養(yǎng)分歸還量［11］。這也表明，長(zhǎng)期實(shí)行油稻稻三熟制秸稈還田還有進(jìn)一步培肥地力和降低化肥投入的潛力。

需要指出的是，本研究通過(guò)一年兩季大田試驗(yàn)分析了油稻稻三熟秸稈還田下水稻季的氮肥前移效果，但未綜合考慮生態(tài)環(huán)境、土壤肥力、輪作周期等因素的影響，因此，還有必要就不同生態(tài)區(qū)域、不同土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力、不同輪作周期等因素開(kāi)展秸稈還田條件下的氮肥運(yùn)籌研究，以進(jìn)一步證實(shí)氮肥前移技術(shù)的普適性，從而更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，本研究中設(shè)計(jì)的氮肥運(yùn)籌方式較少，其他氮肥運(yùn)籌優(yōu)化方式是否增產(chǎn)增效也有待于深入研究。

4 結(jié)論

在油稻稻三熟制下，秸稈還田和氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量的影響在早稻季和晚稻季均存在顯著的互作效應(yīng)，而水稻基肥中增施20%氮肥對(duì)產(chǎn)量的影響不明顯，氮肥2次施用（即后氮前移）即可實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。秸稈還田并配合氮肥2次施用（后氮前移）可以滿足水稻生育期的氮素需求，從而保證水稻正常生長(zhǎng)，氮素吸收量能夠達(dá)到甚至優(yōu)于3次施氮處理水平，并明顯提高氮肥利用率，增加氮肥用量則不利于氮肥偏生產(chǎn)力的提高。總之，在油稻稻三熟秸稈還田條件下，氮肥2次施用（后氮前移）即可保證水稻正常生長(zhǎng)，同步實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)高效。