麥油稻輪作秸稈還田與施氮對(duì)水稻光合特性及產(chǎn)量的影響

彭志蕓，丁峰，諶潔，向開宏，馬鵬，郭長春，馬均*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，四川 溫江611130；2.作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 溫江611130)

籽粒產(chǎn)量和物質(zhì)積累主要來源于光合產(chǎn)物，良好的群體結(jié)構(gòu)、適宜的葉面積指數(shù)(LAI)和較高的光合速率是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要條件[1]。前茬作物秸稈中含有氮、磷、鉀等大量元素以及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)元素，是一種可靠的有機(jī)肥源[2]，還田后可明顯提高水稻分蘗成穗率，促進(jìn)稻株生長發(fā)育，增加抽穗期和成熟期葉面積指數(shù)(LAI)[3]，顯著提高水稻葉片凈光合速率[4]，開“源”擴(kuò)“庫”，達(dá)到增產(chǎn)的目的[5]。但秸稈物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，養(yǎng)分釋放緩慢，且腐解前期產(chǎn)生的乙酸、丙酸等物質(zhì)不利于水稻根系生長發(fā)育[6]；秸稈C/N較高[7]，前期微生物與作物爭氮現(xiàn)象嚴(yán)重，影響水稻氮素吸收。生產(chǎn)上，通常需要配施氮肥來進(jìn)行調(diào)控。

直播稻由于省去了育秧移栽等環(huán)節(jié)，勞動(dòng)生產(chǎn)效率大幅度提高，已在全國各地推廣應(yīng)用。相比移栽稻，直播稻具有根系淺、根數(shù)多且細(xì)[8]、分蘗節(jié)位低、分蘗能力強(qiáng)[9]、生育期較短[10]等特點(diǎn)；因此，其氮肥管理模式應(yīng)區(qū)別于移栽稻。研究[11-12]表明,直播稻適當(dāng)降低基蘗肥的施用比例，能顯著降低無效分蘗的數(shù)量，提高根系氧化活性、葉綠素含量、LAI 及光合速率，增加灌漿期葉片氮含量和植株氮積累量，提高產(chǎn)量。施肥方法的優(yōu)化對(duì)直播稻產(chǎn)量的提高具有重要意義。

麥茬稻和油茬稻是中國水稻種植的主體模式。資料[13]顯示，2015 年四川麥-稻、油-稻種植總面積分別達(dá)1.33×106、9.66×105hm2。麥-稻或油-稻輪作對(duì)于穩(wěn)定糧食安全、促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展、改善農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)都具有至關(guān)重要的作用。目前，關(guān)于輪作模式下的秸氮耦合研究較多，但主要局限于單一的輪作模式[14-15]，缺乏不同模式之間的系統(tǒng)比較。朱蕓等[16]研究指出，麥-稻、油-稻周年輪作體系養(yǎng)分收支平衡存在較大差異，這必然導(dǎo)致水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量特性的不同。本研究中，針對(duì)麥茬、油茬田同期開展試驗(yàn)，比較2 種輪作模式下前茬秸稈與氮肥配施對(duì)直播稻群體生長、光合特性及產(chǎn)量等影響的差異，旨在篩選2 種輪作方式下秸稈還田耦合氮肥管理的最佳模式，為水稻的輕簡化綠色栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及地力情況

試驗(yàn)于2018 年在四川省崇州市四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地開展，供試品種為宜香優(yōu)2115(三系中秈雜交稻，全生育期156.7 d)。耕層土壤(0～20 cm)質(zhì)地為砂壤土，主要化學(xué)性質(zhì)見表1。試驗(yàn)用肥選用尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)。

表1 試驗(yàn)田耕層土壤(0～20 cm)的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of topsoil(0–20 cm)in the test field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，麥茬、油茬稻同田同期播種。主區(qū)為2 種秸稈處理方式：M0，秸稈不還田(對(duì)照)；M1，秸稈全量翻埋還田。裂區(qū)設(shè)4 種氮肥管理模式：N0，對(duì)照，不施氮肥；N1，基肥、分蘗肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例為10∶0∶0∶0；N2，基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ实适┯帽壤秊?∶3∶2∶2；N3，基肥、分蘗肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例為2∶2∶3∶3。

小麥或油菜籽粒收獲后秸稈經(jīng)機(jī)器粉碎，長度約為10 cm，整田時(shí)用旋耕機(jī)全量翻耕還田(小麥、油菜秸稈還田量分別為5 300、5 483 kg/hm2)，不還田處理(M0)將秸稈移除田間。水稻浸種后于5 月15日采用上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的直播機(jī)2BDXS-10CP(25)進(jìn)行濕潤直播，行間距為25 cm×20 cm，播量為3～5 粒/穴。氮肥總用量為150 kg/hm2，按不同運(yùn)籌模式施用?；省⒎痔Y肥分別于2 葉期、5 葉期施用；促花肥、?；ǚ史謩e于倒4 葉、倒2 葉施用。磷肥(施肥量75 kg/hm2)作基肥，一次性施用。鉀肥(施肥量150 kg/hm2)用作基肥、穗肥，施用比例為1∶1。每個(gè)處理3 次重復(fù)。小區(qū)面積15 m2。小區(qū)間筑埂(寬40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止水肥互串。水分管理及病蟲草害防治等按照常規(guī)管理進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 劍葉SPAD 值的測(cè)定

稻株齊穗后開始，每隔7 d，每小區(qū)選具有代表性的稻株30 株，用便攜式SPAD-502 葉綠素儀，于14:00—16:00 測(cè)定劍葉中部及其上下1/3 處3 點(diǎn)的SPAD 值，結(jié)果取平均值。

1.3.2 葉面積的測(cè)定

于水稻拔節(jié)期和齊穗期按各小區(qū)的平均莖蘗數(shù)取3 穴稻株，用美國生產(chǎn)的CID-203 葉面積儀測(cè)定綠葉面積，并計(jì)算葉面積指數(shù)，其中高效葉面積為上3 葉的總?cè)~面積。

1.3.3 光合參數(shù)的測(cè)定

于齊穗后0、15、30 d，用美國生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀，測(cè)定劍葉凈光合速率(Pn)?？刂茥l件如下：CO2濃度400 μmol/mol，溫度30 ℃，光照1 200 μmol/(m2·s)。各小區(qū)選具代表性的主莖劍葉5 片，避開葉脈測(cè)定中部，每葉重復(fù)測(cè)定3 次。

1.3.4 干物質(zhì)積累量

于拔節(jié)期、齊穗期、成熟期按各小區(qū)的平均莖蘗數(shù)取3 穴稻株，分離莖鞘、葉和穗(拔節(jié)期除外)，105 ℃殺青45 min，80 ℃烘干至恒重。

1.3.5 考種與計(jì)產(chǎn)

于成熟期各小區(qū)隨機(jī)調(diào)查60 穴的莖蘗數(shù)，平均值記為有效穗。再取具代表性稻株5 穴，考查穗部性狀。收獲時(shí)各小區(qū)去邊行，按實(shí)收株數(shù)計(jì)產(chǎn)。

a.群體主義與個(gè)人主義.在中國人的傳統(tǒng)與民族精神里，注重群體與人際關(guān)系；而西方崇尚個(gè)人主義，強(qiáng)調(diào)獨(dú)立人格及對(duì)個(gè)性的尊重.如，外方管理者在其價(jià)值觀支配下所表現(xiàn)出的個(gè)人主義，往往被中方管理者理解為自私和沒有全局意識(shí)，從而產(chǎn)生矛盾.

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析

式中：A為葉面積衰減率；LAI1、LAI2分別為拔節(jié)期、齊穗期測(cè)定的葉面積指數(shù)；t1、t2分別為拔節(jié)及齊穗期測(cè)定的時(shí)間。

B=(W2－W1)/(T2－T1)。

式中：B為群體生長率；W1、W2分別為前后2個(gè)生育時(shí)期測(cè)定的群體干物質(zhì)量；T1、T2分別為前后2 個(gè)生育時(shí)期測(cè)定的時(shí)間。

用Microsoft Excel、Origin 9.0 及DPS 6.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻光合特性的影響

2.1.1 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻結(jié)實(shí)期劍葉SPAD 動(dòng)態(tài)的影響

由圖1 可見，2 種輪作模式下，齊穗后各處理水稻劍葉SPAD 值均隨生育進(jìn)程逐漸下降，于齊穗后21 d 時(shí)下降速率加快，N1處理呈近似直線下降趨勢(shì)，N2和N3處理下降速率有所減緩且變化較為平緩。不同氮肥管理下，水稻結(jié)實(shí)期劍葉SPAD 值從大到小依次為N3、N2、N1、N0，表明追施穗肥能有效減緩葉片衰老，延長葉片功能期，且N3較N2更利于維持結(jié)實(shí)期水稻葉片SPAD 值的穩(wěn)定。秸稈還田直播稻劍葉的SPAD 值較不還田的略高，但差異不顯著。

圖1 不同秸稈還田與氮肥管理模式下直播稻結(jié)實(shí)期劍葉的SPAD 值Fig.1 The SPAD values of the blade of direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.1.2 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻結(jié)實(shí)期劍葉光合速率的影響

從表2 可知，N0和N1處理在結(jié)實(shí)期葉片凈光合速率均較低，N2、N3在齊穗后15、30 d 凈光合速率顯著高于N0和N1的，可見，增施穗肥可顯著提高水稻結(jié)實(shí)期劍葉凈光合速率。除麥茬稻秸稈還田齊穗后30 d 和油茬稻秸稈不還田齊穗后30 d 下的劍葉凈光合速率N3顯著高于N2的外，其余時(shí)期N2、N3的劍葉凈光合速率差異均不顯著。秸稈還田下直播稻劍葉凈光合速率較不還田的高。

2.1.3 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻光合葉面積的影響

從表3 可以看出，氮肥管理對(duì)直播稻拔節(jié)期、齊穗期葉面積指數(shù)(LAI)，齊穗期高效葉面積指數(shù)(FHLAI)、高效葉面積率(FHLAR)、拔節(jié)期至齊穗期葉面積衰減率的影響達(dá)極顯著水平；秸稈處理對(duì)麥茬直播稻拔節(jié)期LAI、葉面積衰減率和油茬直播稻齊穗期LAI、FHLAI 有顯著影響；兩者互作對(duì)FHLAR 有極顯著影響，對(duì)油茬直播稻的FHLAI 有顯著影響。秸稈還田較不還田的光合物質(zhì)生產(chǎn)指標(biāo)(除麥/油茬稻拔節(jié)期LAI)總體上均有所提高，其中麥茬稻齊穗期的平均LAI、FHLAI 和FHLAR 較不還田的分別提高了13.92%、15.76%和0.51%，油茬稻的則分別提高10.75%、12.71%和0.77%。相對(duì)麥茬稻，油茬稻有更好的光合物質(zhì)生產(chǎn)表現(xiàn)，其拔節(jié)期LAI、齊穗期LAI、FHLAI 在秸稈還田下較麥茬稻的平均高3.10%、9.41%、7.27%；不還田下，平均高17.79%、6.37%、4.45%。在秸稈未還田下，隨氮肥后移量的增加，直播稻拔節(jié)期LAI 呈遞減趨勢(shì)，齊穗期LAI、FHLAI、FHLAR 和拔節(jié)至齊穗期葉面積衰減率從大到小依次為N3、N2、N1，秸稈還田時(shí)其大小依次為N2、N3、N1。

表3 不同秸稈還田與氮肥管理模式下直播稻的光合葉面積特征Table 3 Photoperiod area characters of live rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.2 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻干物質(zhì)積累的影響

從表4 可知，氮肥管理對(duì)2 種輪作模式下稻株的干物質(zhì)積累特征(除油茬稻拔節(jié)期單莖干質(zhì)量外)均有顯著或極顯著的調(diào)控效應(yīng)，秸稈處理對(duì)麥茬稻拔節(jié)期群體干質(zhì)量及播種至拔節(jié)期的群體生長率以及油茬稻齊穗期的干物質(zhì)積累和成熟期的群體干質(zhì)量調(diào)控效應(yīng)顯著，兩者互作對(duì)成熟期麥茬稻群體干質(zhì)量和油茬稻群體生長率有顯著影響。相較秸稈不還田，還田后麥/油茬稻拔節(jié)期干物質(zhì)積累量減少，但齊穗期和成熟期干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)顯著。麥茬稻成熟期的單莖干質(zhì)量、群體干質(zhì)量及拔節(jié)至齊穗期群體生長率在秸稈還田下較不還田分別提高了2.86%、2.11%和8.75%，油茬稻則分別提高3.99%、4.42%和7.90%。油茬稻各時(shí)期的平均干物質(zhì)積累量均高于麥茬稻，其成熟期單莖、群體干物質(zhì)積累量和全生育期群體生長率在秸稈還田下比麥茬稻高1.98%、3.74%、3.90%，不還田下高3.10%、6.09%、16.45%。從氮肥管理來看，拔節(jié)期N1、N2的物質(zhì)積累表現(xiàn)較好。齊穗期和成熟期的干物質(zhì)積累及積累速率在秸稈未還田時(shí)大小依次為N3、N2、N1；秸稈還田下，除油茬稻齊穗期單莖干質(zhì)量大小依次為N3、N2、N1外，其余指標(biāo)大小依次為N2、N3、N1。

表4 不同秸稈還田與氮肥管理模式下直播稻干物質(zhì)的積累特性Table 4 Accumulation of dry matter in direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.3 麥/油–稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

從表5 可以看出，氮肥管理對(duì)直播稻產(chǎn)量的影響達(dá)極顯著水平，秸稈處理對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，兩者互作對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因子均無顯著性影響。麥-稻輪作、油-稻輪作下秸稈還田較不還田分別增產(chǎn)0.96%～4.66%、0.60%～4.56%，油茬稻的產(chǎn)量較麥茬稻的產(chǎn)量在秸稈還田、不還田下分別提高了5.22%、4.71%。從氮肥管理來看，秸稈不還田時(shí)，產(chǎn)量從高至低依次為N3、N2、N1；秸稈還田時(shí)，產(chǎn)量從高至低依次為N2、N3、N1。表明2 種輪作方式下秸稈還田耦合N2的氮肥模式更利于直播稻產(chǎn)量的提高。

從產(chǎn)量構(gòu)成來看，氮肥管理對(duì)其影響均達(dá)顯著或極顯著水平。麥茬稻秸稈還田的平均千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率、每穗粒數(shù)較不還田的均有所增加，有效穗數(shù)略有減少；油茬稻秸稈還田的平均有效穗、結(jié)實(shí)率和每穗粒數(shù)較不還田的有所增加，千粒質(zhì)量有所降低。對(duì)比分析2 種輪作模式下氮肥管理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響，有效穗數(shù)從多至少依次為N1、N2、N3，除麥茬稻M1N2的每穗粒數(shù)高于M1N3的外，其他處理的每穗粒數(shù)從多至少依次為N3、N2、N1，N1的千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率均高于N2、N3的。綜合來看，2 種輪作模式下秸稈還田配合N2的氮肥管理均有較高的有效穗和每穗粒數(shù)，同時(shí)保持穩(wěn)定的千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率，從而獲得直播稻的高產(chǎn)。

表5 不同秸稈還田與氮肥管理模式下直播稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子Table 5 Yield and its components of direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

3 結(jié)論與討論

前茬作物秸稈是豐富的有機(jī)肥源。前人研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能培肥地力、提高水稻產(chǎn)量，且增產(chǎn)效應(yīng)隨還田時(shí)間延長而增加[17-18]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田能有效提高水稻結(jié)實(shí)期的劍葉凈光合速率、齊穗期葉面積指數(shù)和高效葉面積率，減緩葉片衰老，提高直播稻中后期群體生長速率，中后期干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)明顯，故而增產(chǎn)，這與李思平等[19]的研究結(jié)果一致。2 種輪作模式均在秸稈還田耦合基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ实适┯帽壤秊?∶3∶2∶2 的管理模式下產(chǎn)量表現(xiàn)最好；而在秸稈不還田時(shí)，以基肥、分蘗肥、促花肥、保花肥的氮肥施用比例為2∶2∶3∶3 的處理產(chǎn)量表現(xiàn)更佳。說明在秸稈還田下適當(dāng)增加基蘗肥配比可有效緩解因秸稈還田微生物與作物爭氮的矛盾，保障了直播稻前期分蘗的發(fā)生及干物質(zhì)的積累。

本研究結(jié)果表明，秸稈未還田時(shí)，直播稻產(chǎn)量隨穗肥比例增大而增加，當(dāng)耦合60%的穗肥比例時(shí)，有最好的產(chǎn)量表現(xiàn)，這與鄧安鳳等[20]的研究結(jié)果大致相同。究其原因，可能是足夠的穗肥處理保證了直播稻中后期的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，麥茬稻、油茬稻齊穗期SPAD 值、凈光合速率和LAI 均較大，后期物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)明顯。秸稈還田下，40%的穗肥處理產(chǎn)量最佳，表明秸稈還田下直播稻的氮肥管理中基蘗肥的比例不宜過少，這與趙鋒等[21]的研究結(jié)論相同。本試驗(yàn)N1處理，有效穗雖多，但后期無氮肥供應(yīng)，導(dǎo)致葉片早衰嚴(yán)重，后期光合物質(zhì)供應(yīng)不足，每穗穎花數(shù)急劇減少，因而穗型較小，產(chǎn)量較低；在N3處理中，氮肥后移較多，前期氮素供應(yīng)不足，影響水稻分蘗的發(fā)生，最終形成的有效穗較少，雖后期單莖光合物質(zhì)生產(chǎn)能力較強(qiáng)，但群體干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)不明顯，產(chǎn)量不高。

本試驗(yàn)中油-稻輪作模式下的直播稻產(chǎn)量高于麥-稻輪作，主要優(yōu)勢(shì)為有效穗較多，其他產(chǎn)量構(gòu)成因子間相互協(xié)調(diào)得較好。這源于油-稻輪作體系中前期的高群體生長速率(油-稻輪作在秸稈還田、不還田處理下，播種至拔節(jié)階段的干物質(zhì)積累速率高于麥茬稻的)，以及花后葉片強(qiáng)光合同化能力(齊穗期高效葉面積指數(shù))，保障了有效分蘗的充分形成，有利于庫容的充分構(gòu)建及籽粒灌漿，從而獲得較高的每穗粒數(shù)和穩(wěn)定的千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率。曹培等[22]的研究表明，油-稻輪作模式相比麥-稻輪作模式，更利于提高稻田耕層不同層次土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量，增加土壤固碳能力，可有效提高水稻季籽粒產(chǎn)量。另外，油菜秸稈C/N 較低[23-24]，利于微生物的腐解，也更有利于稻谷產(chǎn)量的提高。

綜合來看，2種輪作模式下，秸稈還田耦合基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ实牡适┯帽壤秊?∶3∶2∶2的氮肥管理模式能有效發(fā)揮直播稻穗數(shù)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)結(jié)實(shí)期葉片光合性能，促進(jìn)花后葉片、莖鞘將同化物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒，顯著提高直播稻產(chǎn)量，尤其以油-稻輪作模式下水稻的產(chǎn)量更高。