麥秸全量還田下水稻物質(zhì)生產(chǎn)與分配對氮肥運(yùn)籌的響應(yīng)

梁紅芳，張斯梅，顧克軍，呂 冰，顧東祥，許 博

(1.揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014)

【研究意義】水稻是中國最重要的三大糧食作物之一，種植面積占我國糧食總種植面積的35 %，稻谷產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的41 %，是單產(chǎn)最高的糧食作物[1-3]。我國秸稈資源產(chǎn)生量大且難以收集利用，還田是解決當(dāng)前秸稈禁燒與實(shí)現(xiàn)其有效利用問題的最重要、最有效途徑[4-5]。秸稈還田后腐解可以釋放氮等營養(yǎng)元素，具有增加土壤肥力與固碳、改善土壤結(jié)構(gòu)等功效[6]。氮是植物生長的關(guān)鍵限制因子，氮肥在水稻栽培生產(chǎn)中的投入是提高產(chǎn)量的有力措施，而氮肥的過量施用不僅對水稻增產(chǎn)不利，反而會降低氮肥利用率，同時大量盈余的氮素容易引發(fā)地下水硝酸鹽污染、水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。因此，在秸稈還田條件下，合理的施氮量及分配不僅可以提高水稻產(chǎn)量，而且也是生產(chǎn)上提高氮效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】通過改進(jìn)施肥措施，提高水稻產(chǎn)量、減輕環(huán)境污染是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，有關(guān)施氮量、施氮時期及分配比例等氮素管理措施對水稻產(chǎn)量形成、氮素吸收利用、溫室氣體排放等方面的研究較多，也不乏秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌對水稻生長、氮素吸收和產(chǎn)量影響的報道，研究結(jié)果不盡一致[7-13]。徐國偉等[14]研究認(rèn)為，秸稈還田和基于葉綠素儀測定值的實(shí)地氮肥管理有利于水稻生育后期群體光合生產(chǎn)和提高物質(zhì)生產(chǎn)效率。陸強(qiáng)等[15]研究發(fā)現(xiàn)，稻麥輪作區(qū)秸稈全量還田下化肥施用量減少30 %的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量構(gòu)成因素在較高的層次上協(xié)調(diào)統(tǒng)一,從而獲得較高的產(chǎn)量,同時實(shí)現(xiàn)氮肥利用率的提高。劉禹池等[16]研究結(jié)果顯示，在秸稈還田基礎(chǔ)上增施氮肥，能夠顯著提高水稻產(chǎn)量,同時促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分在表土層富集。然而，麥秸全量還田下不同氮肥運(yùn)籌對水稻物質(zhì)生產(chǎn)與分配特性影響的系統(tǒng)性研究鮮有報道。江蘇省是我國南方面積最大、最具代表性的稻麥兩熟種植區(qū)，種植區(qū)面積約160萬hm2。【本研究切入點(diǎn)】本研究結(jié)合江蘇當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)的實(shí)際需要，研究小麥秸稈全量還田條件不同氮水平和氮運(yùn)籌對水稻株高、干物質(zhì)生產(chǎn)和分配的影響。探索麥秸全量還田下優(yōu)化的水稻氮肥管理措施?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為秸稈還田利用和水稻高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)大棚進(jìn)行。采用盆栽土培的方式，每盆裝土15 kg。供試材料為常規(guī)粳稻品種南粳9108，每盆栽 5 穴，單本移栽。小麥秸稈還田量按 7500 kg/hm2，盆栽每盆穴數(shù)與大田每 667 m2穴數(shù)比值按 5∶17 000折算[17]。秸稈切成長度為5 cm左右的小段，裝入尼龍網(wǎng)袋，每袋裝0 g，垂直埋入土壤，其余秸稈直接拌入土壤。

以不施氮為對照(CK)，施氮量設(shè)置2個水平，分別為常量施氮270 kg/hm2(A1)和減量施氮240 kg/hm2(A2)；每個氮水平下設(shè)置2個氮肥分配比例，分別為高比例基氮肥(B1，基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3)和高比例分蘗氮肥(B2，基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶5∶3)。氮肥選用尿素，分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用。磷肥選用過磷酸鈣，作為基肥一次施入。鉀肥選用氯化鉀，分基肥和穗肥 2 次施用。病蟲草害防治同當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 株高測定 移栽后，分別于分蘗期、孕穗期、抽穗期、蠟熟期、成熟期取樣，測定株高。

1.2.2 干物質(zhì)測定 測定過株高的植株樣品，在105 ℃下殺青30 min, 在80 ℃下烘干至恒重，測定葉片、莖稈、葉鞘和穗部等各器官的干物質(zhì)積累量。

1.3 計算方法及數(shù)據(jù)分析

干物質(zhì)積累量(g·pot-1)=某生育時期某器官的干物重；干物質(zhì)階段積累量(g·pot-1)=某生育階段后一時期某器官的干物質(zhì)積累量-前一時期該器官的干物質(zhì)積累量；干物質(zhì)階段積累速率(g·pot-1·d-1)=干物質(zhì)階段積累量/前后兩時期間隔時間。

采用 Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和計算，運(yùn)用 SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用 LSD 法進(jìn)行多重比較。

表1 不同氮肥運(yùn)籌下水稻各生育期植株高度

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻植株的高度

株高適宜是水稻高產(chǎn)的重要條件之一，水稻株高是制約其生物學(xué)產(chǎn)量的決定性因素之一[18]。由表1可知，麥秸全量還田下，不同氮肥運(yùn)籌水稻株高均呈現(xiàn)出隨生育進(jìn)程逐漸上升的變化趨勢。A1水平和A2水平株高平均值高于CK，其中孕穗期和抽穗期差異達(dá)顯著水平。由此可見，施氮促進(jìn)了水稻植株高度的增加。與A1水平相比，A2水平分蘗期和孕穗期株高平均值相差不大，抽穗期和成熟期株高顯著降低。這說明減量施氮對水稻生長前期株高影響不大，但不利于水稻生長后期株高的增加。A1和A2水平下，除分蘗期外，B2株高平均值均高于B1，其中孕穗期差異達(dá)顯著水平。

由表1還可以看出，分蘗期不同氮肥運(yùn)籌處理間水稻株高差異不顯著。孕穗期，株高平均值以處理A1B2最高，顯著高于其他處理；處理A1B1和處理A2B2株高差異不顯著，但顯著高于處理A2B1。抽穗期，A1水平和A2水平下B2株高平均值高于B1，但差異不顯著；以處理A1B2最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高1.77 %～3.51 %，差異未達(dá)顯著水平。成熟期，A1水平和A2水平下B2株高平均值高于B1，差異均未達(dá)顯著水平；以處理A1B2最高，與處理A1B1差異不顯著，但顯著高于處理A2B1和處理A2B2。上述結(jié)果表明，麥秸全量還田下施氮有利于水稻株高的增加，減量施氮處理株高較常量施氮有所降低，適當(dāng)增加分蘗氮肥比例有利于獲得較高的植株高度。

2.2 水稻干物質(zhì)積累量

由表2可知，不同氮肥運(yùn)籌處理下水稻地上部干物質(zhì)量隨生育進(jìn)程而增加，于成熟期達(dá)到最高值。與不施氮對照相比，施氮處理孕穗期至成熟期地上部干物質(zhì)量顯著增加，可見施氮促進(jìn)了水稻地上部的干物質(zhì)積累。與A1水平相比，除分蘗期外，A2水平地上部干物質(zhì)量均有所降低，其中孕穗期和抽穗期差異達(dá)顯著水平。孕穗期，處理A1B2地上部干物質(zhì)量最高，其次是處理A1B1。抽穗期，處理A1B1水稻地上部干物質(zhì)量最高，與處理A1B2差異不顯著，但顯著高于處理A2B1和處理A2B2。蠟熟期，處理A1B2水稻地上部干物質(zhì)量最高，處理A2B2最低。成熟期，水稻地上部干物質(zhì)量以處理A1B2最高，顯著高于其他氮肥運(yùn)籌處理，處理A1B1、處理A2B1和處理A2B2間差異未達(dá)顯著水平。

表2 不同氮肥運(yùn)籌下水稻各生育期的干物質(zhì)量

表3 不同氮肥運(yùn)籌下干物質(zhì)階段積累量

2.3 水稻干物質(zhì)的階段積累特性

由表3可知，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻干物質(zhì)階段積累量均呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，孕穗期至抽穗期階段積累量平均值最大。與不施氮對照相比，施氮處理干物質(zhì)階段積累量增加，可見施氮促進(jìn)了水稻干物質(zhì)的階段積累。與A1水平相比，除抽穗期至蠟熟期外，A2水平水稻干物質(zhì)階段積累量均有所降低，其中分蘗期至孕穗期、孕穗期至抽穗期差異達(dá)顯著水平。由表3還可以看出，分蘗期至孕穗期，水稻干物質(zhì)積累量以處理A1B2最高，其次是處理A1B1，處理A2B2最低。孕穗期至抽穗期，水稻干物質(zhì)積累量以處理A1B1最高，處理A1B2次之。抽穗期至蠟熟期，水稻干物質(zhì)積累量以處理A2B1最高，處理A1B1最低。蠟熟期至成熟期，水稻干物質(zhì)積累量以處理A1B2最高，處理A1B1、處理A2B2和處理A2B1依次遞減。

由表4可以看出，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻干物質(zhì)階段積累速率呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢，孕穗期至抽穗期階段積累速率平均值最大。與不施氮對照相比，施氮可以提高水稻分蘗期至成熟期各階段的干物質(zhì)積累速率。分蘗期至孕穗期，水稻干物質(zhì)積累速率以處理A1B2最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高13.13 %～23.42 %，其次是處理A1B1。孕穗期至抽穗期，以處理A1B1最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高7.09 %～13.82 %，處理A1B2、處理A2B2和處理A2B1呈依次遞減趨勢。抽穗期至蠟熟期，以處理A2B1最高，其次是處理A1B2，處理A1B1最低。蠟熟期至成熟期，水稻干物質(zhì)積累速率以處理A2B1最低，較其他氮肥運(yùn)籌處理低9.50 %～21.10 %。

表4 不同氮肥運(yùn)籌下干物質(zhì)階段積累速

2.4 水稻葉片干物質(zhì)分配特性

由表5可知，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻抽穗至成熟期葉片生物量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，葉片生物量所占比例也是逐漸下降的。與不施氮對照相比，施氮處理葉片生物量顯著增加，施氮促進(jìn)了水稻葉片的干物質(zhì)積累。與A1水平相比，A2水平葉片生物量平均值有所降低，差異未達(dá)顯著水平。抽穗期，水稻葉片生物量以處理A1B1最高，較其他處理高3.82 %～16.50 %；該時期葉片生物量占總生物量的比例為22.09 %～22.93 %，以處理A2B2最高。蠟熟期，水稻葉片生物量以處理A1B2最高，較其他處理高10.11 %～10.48 %；該時期葉片生物量占總生物量的比例為15.74 %～16.71 %，以處理A1B2最高，處理A2B1最低。成熟期，水稻葉片生物量以處理A1B2最高，較其他處理高11.50 %～13.77 %；該時期葉片生物量所占比例為13.64 %～14.79 %，A1水平和A2水平下B2葉片生物量所占比例均高于B1，不同氮肥運(yùn)籌處理中以處理A1B2最高，處理A2B1最低。

表5 水稻干物質(zhì)在葉片中的積累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

2.5 水稻莖稈干物質(zhì)分配特性

由表6可知，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻抽穗期至成熟期莖稈生物量及其占總生物量的比例呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。與不施氮對照相比，施氮處理莖稈生物量顯著增加，施氮促進(jìn)了水稻莖稈的干物質(zhì)積累。與A1水平相比，A2水平莖稈生物量平均值有所降低，但差異不顯著。抽穗期，水稻莖稈生物量以處理A1B1最高，其次是處理A1B2；該時期莖稈生物量占總生物量的比例為24.99 %～25.22 %，以處理A2B1最高，處理A1B2最低。蠟熟期，水稻莖稈生物量以處理A1B2最高，其次是處理A1B1；該時期莖稈生物量所占比例為17.44 %～19.16 %，以處理A1B1最高，處理A1B2次之，處理A2B2莖稈生物量所占比例最低。成熟期，水稻莖稈生物量以處理A1B2最高，較其他處理高1.47 %～16.27 %，處理A1B1、處理A2B1和處理A2B2呈現(xiàn)依次遞減的趨勢；該時期莖稈生物量所占比例為15.95 %～17.73 %，以處理A1B1最高，處理A2B2最低。

2.6 水稻葉鞘干物質(zhì)分配特性

由表7可知，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻抽穗期至成熟期葉鞘生物量及其占總生物量的比例總體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。與不施氮對照相比，施氮處理葉鞘生物量顯著增加，施氮促進(jìn)了水稻葉鞘的干物質(zhì)積累。與A1水平相比，A2水平葉鞘生物量平均值有所降低，其中抽穗期差異達(dá)顯著水平。抽穗期，水稻葉鞘生物量以處理A1B1最高，處理A1B2次之；該時期葉鞘生物量占總生物量的比例為34.15 %～36.92 %，以處理A1B1最高，其次是處理A1B2。

表7 水稻干物質(zhì)在葉鞘中的積累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

蠟熟期，水稻葉鞘生物量以處理A1B2最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高11.69 %～23.14 %；該時期葉鞘生物量所占比例為21.96 %～24.88 %，以處理A1B2最高，其次是處理A1B1，處理A2B2最低。成熟期，水稻葉鞘生物量以處理A1B2最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高3.10 %～14.05 %，處理A1B1、處理A2B2和處理A2B1依次遞減；該時期葉鞘生物量所占比例為18.81 %～20.97 %，以處理A1B1最高，其次是處理A1B2，處理A2B1葉鞘生物量所占比例最低。

2.7 水稻穗部干物質(zhì)分配特性

由表8可知，不同氮肥運(yùn)籌處理水稻抽穗至成熟期穗部生物量及其占總生物量的比例整體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。與不施氮對照相比，施氮處理穗部生物量增加，施氮促進(jìn)了水稻穗部的干物質(zhì)積累。與A1水平相比，A2水平穗部生物量平均值增加但差異未達(dá)顯著水平。抽穗期，水稻穗部生物量以處理A2B1最高，處理A2B2、處理A1B1和處理A1B2呈現(xiàn)依次遞減的趨勢；該時期穗部生物量占總生物量的比例為15.42 %～18.54 %，以處理A2B1最高。蠟熟期，水稻穗部生物量以處理A2B1最高，其次是處理A2B2；該時期穗部生物量占總生物量的比例為40.06 %～44.17 %，以處理A2B2最高，處理A1B2穗部生物量所占比例最低。成熟期，水稻穗部生物量以處理A2B1最高，較其他氮肥運(yùn)籌處理高1.86 %～8.31 %；該時期穗部生物量所占比例為47.51 %～51.07 %，以處理A2B1最高，其次是處理A2B2，處理A1B1穗部生物量所占比例最低。

表8 水稻干物質(zhì)在穗部的積累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

3 討 論

3.1 秸稈還田和氮肥運(yùn)籌對水稻干物質(zhì)積累的影響

秸稈還田改變了稻田的環(huán)境條件和養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而影響水稻植株的生長。關(guān)于秸稈還田對水稻干物質(zhì)積累的影響，前人研究結(jié)果不一，認(rèn)為麥秸還田不利于水稻前期生長但有利于其后期生長的研究報道較多[19-23]。采用不同的氮水平及氮運(yùn)籌處理，由于氮素供應(yīng)量和比例不同，必然影響水稻植株的生長，各生育期的干物質(zhì)積累也會出現(xiàn)差異。楊林生等[24]研究認(rèn)為，隨氮水平的提高，水稻干物質(zhì)快速累積持續(xù)期延長，水稻干物質(zhì)累積量隨之增加。水稻各生育階段干物質(zhì)積累量和積累比例存在差異，分蘗-抽穗期干物質(zhì)積累量最大、積累比例最高，而抽穗-乳熟期干物質(zhì)積累量最小、積累比例最低[25]。李曉峰等[9]研究結(jié)果顯示，相同氮肥運(yùn)籌模式下，秸稈全量還田處理水稻拔節(jié)期、移栽至拔節(jié)階段的群體干物質(zhì)積累量低于秸稈不還田處理，抽穗期、成熟期及拔節(jié)至抽穗、抽穗至成熟階段的群體干物質(zhì)積累量則高于秸稈不還田處理。氮肥運(yùn)籌間表現(xiàn)為隨基蘗氮肥占總施氮量比例的下降，拔節(jié)期及移栽至拔節(jié)階段的群體干物質(zhì)積累量下降，而抽穗期、成熟期及拔節(jié)至抽穗、抽穗至成熟階段的群體干物質(zhì)積累量呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)基蘗氮肥與穗氮肥比例為7∶3時，秸稈全量還田條件下的水稻群體干物質(zhì)積累量最高。

本研究結(jié)果顯示，麥秸全量還田下施氮促進(jìn)了水稻地上部的干物質(zhì)積累，不同氮肥運(yùn)籌處理地上部干物質(zhì)量均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，減量施氮處理地上部干物質(zhì)量較常量施氮處理有所降低。由于本試驗(yàn)氮肥減量有限，繼續(xù)減少氮肥用量對水稻干物質(zhì)積累的影響有待深入研究。本試驗(yàn)結(jié)果表明，麥秸全量還田下水稻孕穗期、蠟熟期和成熟期地上部干物質(zhì)量均以常量施氮(270 kg/hm2)、高比例分蘗氮肥(基氮肥∶蘗氮肥∶穗氮肥=2∶5∶3)處理最大，說明麥秸全量還田下提高分蘗氮肥比例利于增加水稻中后期干物質(zhì)積累。

3.2 秸稈還田和氮肥運(yùn)籌對水稻干物質(zhì)分配的影響

針對水稻各生育時期的干物質(zhì)分配，前人就葉片、莖鞘等營養(yǎng)器官的生物量及分配比例做了不少研究[25-27]。秸稈還田條件下，水稻主要生育時期地上部干重表現(xiàn)為高于秸稈不還田對照，其中莖干重表現(xiàn)為秸稈還田處理低于秸稈不還田，但葉片和穗部干物重均以秸稈還田處理高于秸稈不還田；各主要生育時期莖干重占總干物質(zhì)重的比例均以不施肥對照最高，葉片和穗部所占比例均以秸稈還田處理最高[28]。吳文革等[29]研究認(rèn)為，施氮量明顯影響群體質(zhì)量，適宜施氮量能保證雜交中秈水稻在抽穗期維持較高的葉片干物質(zhì)分配比例和單莖葉片重，有利于后期植株光合能力的提高和光合產(chǎn)物的積累,使后期物質(zhì)積累的貢獻(xiàn)率提高，從而增加產(chǎn)量。黃麗芬等[30]研究結(jié)果顯示，不同氮素水平下水稻關(guān)鍵生育期干物質(zhì)積累量差異顯著，氮素水平對成熟期水稻莖鞘、根、穗的干物質(zhì)分配比例影響顯著，而對葉片干物質(zhì)分配比例影響不顯著。

本研究結(jié)果表明，從抽穗期至成熟期，水稻葉片生物量及其所占比例隨生育進(jìn)程逐漸下降，減量施氮處理葉片生物量較常量施氮處理有所降低，但差異未達(dá)顯著水平。莖稈生物量及其占總生物量的比例呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，減量施氮處理莖稈生物量較常量施氮處理有所降低但差異不顯著。葉鞘生物量及其占總生物量的比例逐漸降低，減量施氮處理葉鞘生物量較常量施氮處理有所下降，蠟熟期和成熟期水稻葉鞘生物量均以常量施氮(270 kg/hm2)、高比例分蘗氮肥(基氮肥∶蘗氮肥∶穗氮肥=2∶5∶3)處理最高。穗部生物量及其占總生物量的比例均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，減量施氮處理穗部生物量高于常量施氮但差異不顯著，其中減量施氮(240 kg/hm2)、高比例基氮肥(基氮肥∶蘗氮肥∶穗氮肥=5∶2∶3)處理的穗部生物量及其占總生物量的比例高于其他氮肥運(yùn)籌處理。

4 結(jié) 論

麥秸全量還田條件下，減量施氮(240 kg/hm2)處理水稻生長中后期株高、地上部干物質(zhì)量較常量施氮(270 kg/hm2)處理下降；常量施氮下提高分蘗氮肥比例(基肥∶分蘗肥∶穗肥= 2∶5∶3)，有利于水稻生長中后期株高和地上物干物質(zhì)量的增加。水稻不同器官的干物質(zhì)積累和分配特性存在差異，與常量施氮相比，減量施氮處理水稻抽穗期至成熟期葉片、莖稈、葉鞘干物質(zhì)積累量及葉片、葉鞘占總生物量的比例降低，但穗部干物質(zhì)積累量及其所占比例增加；常量和減量施氮下，高分蘗氮肥比例處理葉片干物質(zhì)所占比例均高于高基氮肥比例(基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3)處理，而莖稈干物質(zhì)所占比例則相反。綜上可知，麥秸全量還田條件下，常量施氮時水稻中后期可獲得較高的株高和地上部干物質(zhì)量，總體上增加葉片、莖稈和葉鞘的生物量及分配比例。常量施氮下提高分蘗氮肥比例利于水稻上述營養(yǎng)器官的物質(zhì)生產(chǎn)和積累，而減量施氮則有利于水稻穗部的物質(zhì)積累和分配。