浙北地區(qū)秸稈全量還田下氮肥用量對(duì)單季晚粳稻生長和土壤養(yǎng)分、碳庫的影響

王保君, 金海剛, 張紅梅, 沈亞強(qiáng), 陳 貴, 魯晨妮, 程旺大

(1.嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)環(huán)境研究所, 浙江 嘉興 314016; 2.海寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,浙江 嘉興 314400; 3.嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 生物技術(shù)研究所, 浙江 嘉興 314016)

水稻是我國重要的糧食作物，同時(shí)也是栽培過程中耗氮量較高的作物[1]。氮肥作為提高水稻產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素[2]，過量施用不僅促使水稻徒長，田間病蟲害加重，水稻子粒的充實(shí)度下降[3]，而且會(huì)造成土壤肥力下降[4]。此外，氮肥施用越多，流失到環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，勢(shì)必對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成不利影響[4]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在“十三五”規(guī)劃中明確提出，截至2020年要實(shí)現(xiàn)化肥使用量零增長的目標(biāo)[5]。因此，在當(dāng)前水稻生產(chǎn)過程中，明確合理的氮肥用量顯得尤為重要。

作物秸稈作為可再生資源，氮、磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量比較豐富。秸稈還田可以循環(huán)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，是我國秸稈資源化利用的主要方式[6]，也是提高氮肥利用率的有效途徑[7]。但是由于稻草的碳氮比(C/N)較高，稻草還田會(huì)爭(zhēng)奪土壤中的養(yǎng)分，短時(shí)間內(nèi)降低土壤有效氮含量，從而造成水稻生長前期缺氮的現(xiàn)象[8]。因此，在水稻秸稈全量還田下，合理的施用氮肥對(duì)土壤培肥和水稻增產(chǎn)都具有重要的意義。關(guān)于秸稈還田和氮肥調(diào)控對(duì)水稻生長和土壤質(zhì)量方面的報(bào)道不少[9-10]。但是，大多數(shù)報(bào)道只側(cè)重于秸稈還田和氮肥調(diào)控對(duì)水稻生長或土壤質(zhì)量等單方面的研究[11-12]。其中，裴鵬剛等[8]研究表明，秸稈還田耦合氮肥可以促進(jìn)水稻莖蘗發(fā)生和有效穗形成，增加光合同化物積累；張剛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在麥秸全量還田下，合理的施用氮肥，可以減少氮肥損失，提高氮肥利用率，增加水稻產(chǎn)量；王倩倩等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田條件下，氮磷鉀合理配施以及添加微生物菌劑可以提高土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性；徐學(xué)池等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田條件下，施用氮肥對(duì)土壤革蘭氏菌群落結(jié)構(gòu)、可溶性有機(jī)碳含量以及有機(jī)碳礦化速率產(chǎn)生一定程度的影響。目前，單季晚粳稻已經(jīng)成為浙江省糧食生產(chǎn)的主體種植模式。然而，在秸稈全量還田背景下，關(guān)于浙北地區(qū)氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻生長和稻田土壤方面影響的研究很少。本研究通過大田小區(qū)試驗(yàn)，以浙北地區(qū)種植面積最大的單季晚粳稻為研究對(duì)象，研究秸稈全量還田下，氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻生長和土壤養(yǎng)分、碳庫的影響，以期為浙北地區(qū)單季晚粳稻綠色高質(zhì)量生產(chǎn)，提供合理的施肥策略，優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

浙江北部水稻區(qū)主要包括嘉興市、湖州市和杭州市北部，其中嘉興市種植面積最大，歷來是浙江省水稻主產(chǎn)區(qū)，目前以單季常規(guī)晚粳稻種植為主，2019年單季常規(guī)晚粳稻種植面積占全市水稻面積的80.6%。試驗(yàn)于2017年在浙江省嘉興市秀洲區(qū)王江涇鎮(zhèn)雙橋村嘉興市農(nóng)科院試驗(yàn)園區(qū)(120°42′42″E,30°50′20″N)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5℃，年均降水量1 194 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 950 h，無霜期245 d。試驗(yàn)地為青紫泥土，試驗(yàn)條件能較好代表當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一般水平，0—20 cm土層基本養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)30.28 g/kg，全氮2.31 g/kg，速效磷13.52 mg/kg，速效鉀56.13 mg/kg，銨態(tài)氮21.52 mg/kg，硝態(tài)氮6.28 mg/kg，pH值6.45。2017年試驗(yàn)點(diǎn)月平均溫度和降水情況見圖1。

圖1 2017年試驗(yàn)點(diǎn)降水和氣溫變化

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與大田管理

本試驗(yàn)試供的常規(guī)晚粳稻品種為“秀水134”，當(dāng)水稻葉齡5葉時(shí)，于2017年6月25日進(jìn)行人工移栽，行株距為20 cm×16.7 cm，每穴2株。

試驗(yàn)根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓仕?以純氮計(jì))，設(shè)置4個(gè)處理：N0，不施氮；NL，165 kg/hm2；NM，240 kg/hm2；NH，315 kg/hm2。按隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為36 m2(6 m×6 m)，各小區(qū)筑埂寬度為40 cm，用塑料薄膜包裹，防止肥水互串。秸稈全量還田操作流程：根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際情況，2016年水稻收獲后，通過人工粉碎將稻草粉碎成5～10 cm的秸稈全部還田，還田量約為7 500 kg/hm2，冬前翻耕曬垡，用于2017年開展試驗(yàn)。試驗(yàn)試供氮肥為中顆粒尿素(N≥46%，河南心連心化肥有限公司生產(chǎn))，試供鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%，中化化肥有限公司生產(chǎn))，試供磷肥為粒狀過磷酸鈣(P2O5≥12%，海鹽北洋磷原物質(zhì)有限公司生產(chǎn))。其中，氮肥基肥(2017年6月24日)、分蘗肥(2017年7月11日)、穗肥(2017年8月7日)施用比例為2∶1∶1，P，K肥施用量分別為42，150 kg/hm2，均作基肥施用(表1)。水稻生長期間各處理的水漿管理模式和病、蟲、草害防治措施保持一致。2017年11月13日進(jìn)行水稻收獲。

表1 各處理肥料施用量及施肥時(shí)間

2.2 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

2.2.1 樣品采集 在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)分別取有代表性的水稻植株20穴，帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定水稻的干物質(zhì)重。水稻收獲前，每小區(qū)隨機(jī)取20穴水稻植株樣，用網(wǎng)袋裝好帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行室內(nèi)考種(測(cè)定水稻的穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率等指標(biāo))。在水稻收獲前1 d進(jìn)行土樣采集，采用五點(diǎn)取樣法使用土鉆采集土層深度為0—20 cm的土壤樣品，混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，用于土壤養(yǎng)分和碳庫的檢測(cè)。

2.2.2 指標(biāo)測(cè)定 各小區(qū)定點(diǎn)20穴作為觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量和統(tǒng)計(jì)水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)的株高和莖蘗數(shù)；在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)測(cè)定水稻葉綠素含量、葉長、葉寬。其中，水稻葉綠素含量用SPAD-502測(cè)定(Konica minolta，日本)，葉面積指數(shù)采用長×寬積系數(shù)法計(jì)算獲取[16]；在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)取好的水稻植株樣，105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重，計(jì)算干物質(zhì)質(zhì)量；水稻收獲前，田間小區(qū)統(tǒng)計(jì)水稻穗數(shù)，室內(nèi)考查穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等指標(biāo)。水稻理論產(chǎn)量通過有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重的乘積獲得。水稻成熟后，各小區(qū)單獨(dú)收割脫粒曬干，進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

采集的土壤全氮用半微量開氏消煮法[17]進(jìn)行測(cè)定，銨態(tài)氮用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[17]，硝態(tài)氮用紫外分光光度計(jì)測(cè)定[17]，速效磷用碳酸氫鈉—鉬銻抗比色法測(cè)定[17]，速效鉀用火焰光度計(jì)比色法測(cè)定[17]。土壤總有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定[17-18]，土壤易氧化有機(jī)碳用高錳酸鉀氧化比色法測(cè)定[19]。土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測(cè)定[20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用LSD法進(jìn)行多重比較，用Graphpad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行作圖制表。

3 結(jié)果與分析

3.1 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻生長的影響

3.1.1 對(duì)單季晚粳稻株高和分蘗數(shù)的影響 由圖2可知，在秸稈全量還田下，水稻株高和分蘗數(shù)隨著施氮量的增加而增加。各施氮處理在分蘗期和齊穗期的株高和分蘗數(shù)較不施氮處理均顯著(p<0.05)增高。同N0相比，NL，NM，NH分蘗期和齊穗期的株高分別顯著(p<0.05)增加了9.67%，10.64%，10.84%和7.36%，7.85%，11.30%；NL，NM，NH分蘗期和齊穗期的分蘗數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了50.00%，56.25%，96.87%和37.84%，54.06%，64.87%。秸稈全量還田下，3種施氮水平對(duì)水稻株高的影響差異不顯著。NH在水稻分蘗期的分蘗數(shù)較NL和NM處理分別顯著(p<0.05)增加了26.00%，31.25%。NH在水稻齊穗期的分蘗數(shù)較NL處理顯著(p<0.05)增加了23.23%。

圖2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻株高和分蘗數(shù)的影響

3.1.2 對(duì)單季晚粳稻葉面積指數(shù)的影響 由圖3可知，在秸稈全量還田下，隨著施氮量的增加，水稻生長在不同生育時(shí)期(分蘗期和齊穗期)的葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。與N0相比，NH分蘗期和齊穗期水稻葉面積指數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了21.77%，49.23%；NM齊穗期水稻葉面積指數(shù)顯著(p<0.05)增加了36.70%。在本試驗(yàn)條件下，NM和NH處理在齊穗期的葉面積指數(shù)顯著(p<0.05)高于N0和NL處理。

圖3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻葉面積指數(shù)的影響

3.1.3 對(duì)單季晚粳稻葉綠素含量的影響 由圖4可知，在秸稈全量還田下，施用氮肥可以顯著增加水稻不同生育時(shí)期(分蘗期、齊穗期和灌漿期)葉綠素含量，同N0相比，NL，NM，NH分蘗期、齊穗期和灌漿期葉綠素含量分別顯著(p<0.05)增加了13.50%，17.93%，17.05%；11.01%，12.87%，17.54%；24.21%，29.69%，33.55%。

圖4 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻葉綠素含量動(dòng)態(tài)的影響

3.1.4 對(duì)單季晚粳稻地上部分干物質(zhì)重的影響 由圖5可知，在秸稈全量還田下，隨著施氮量的增加，水稻分蘗期的地上部分干物質(zhì)重逐漸增加，在水稻灌漿期的地上部分干物質(zhì)重呈“先增后減”的趨勢(shì)。同N0相比，NM，NH分蘗期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了62.38%，88.35%；齊穗期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了79.58%，54.56%；NL，NM，NH灌漿期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了40.47%，86.67%，52.00%。在3種施氮水平下，灌漿期NM的地上部分干物質(zhì)重顯著(p<0.05)高于NL和NH施肥處理。

圖5 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻地上部分干物質(zhì)重動(dòng)態(tài)的影響

3.1.5 對(duì)單季晚粳稻產(chǎn)量的影響 由表2可知，在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，隨著施氮量的增加，水稻的有效穗數(shù)和理論產(chǎn)量均呈“先增后降”的趨勢(shì)，而水稻的千粒重卻逐漸減少。與N0相比，NL，NM，NH的穗數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了40.00%，77.50%，58.00%；NM和NH的千粒重則分別顯著(p<0.05)降低了7.52%，8.48%。在實(shí)際產(chǎn)量方面，隨著施氮量的增加，水稻的實(shí)際產(chǎn)量呈“先增后降”的趨勢(shì)。同N0相比，NM和NH的水稻產(chǎn)量分別顯著(p<0.05)增加了51.70%，38.61%。在3種施氮水平中，NM的實(shí)際產(chǎn)量最高。

表2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻產(chǎn)量的影響

3.2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻土壤養(yǎng)分的影響

由表3可知，在秸稈全量還田下，隨著施氮量的增加，稻田土壤的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量逐漸增加，而土壤的速效磷和速效鉀含量呈“先增后降”的趨勢(shì)。同N0相比，NL的全氮、速效鉀含量顯著(p<0.05)增加了8.70%，7.96%；NM的全氮、速效鉀、速效磷和銨態(tài)氮含量分別顯著(p<0.05)增加了10.00%，31.86%，43.16%，24.99%；NH的全氮、速效鉀、速效磷和銨態(tài)氮含量分別顯著(p<0.05)增加了11.74%，13.86%，26.54%，59.13%。此外，3種施氮水平下，NM的速效磷含量較NL和NH處理分別顯著(p<0.05)增加了30.13%，13.13%；速效鉀含量較NL和NH處理分別(p<0.05)顯著增加了22.13%，15.81%。

表3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻土壤養(yǎng)分的影響

3.3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻土壤碳庫的影響

從圖6可以看出，在秸稈全量還田下，隨著施氮量的增加，稻田土壤的可溶性有機(jī)碳和微生物碳的含量均呈“先增加后降低”的趨勢(shì)。與N0相比，NL，NM，NH的可溶性有機(jī)碳分別顯著(p<0.05)增加了65.33%，88.47%，84.28%；微生物有機(jī)碳含量分別顯著(p<0.05)增加了18.81%，37.10%，30.94%。在3種施肥水平下，NM的可溶性有機(jī)碳和微生物有機(jī)碳含量較NL處理分別顯著(p<0.05)增加了13.99%，6.99%。此外，在本試驗(yàn)條件下，在秸稈全量還田條件下，施用氮肥處理的稻田土壤總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量差異不顯著，這可能與試驗(yàn)開展年限有關(guān)。

圖6 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對(duì)單季晚粳稻土壤碳庫的影響

4 討 論

許多研究已表明，水稻秸稈全量還田配以合理的氮肥調(diào)控措施不僅可以促進(jìn)水稻生長發(fā)育和改善稻田土壤品質(zhì)，還可有效地降低氮肥濫用造成的環(huán)境污染問題。水稻分蘗對(duì)水稻總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)占60%左右[21]。合理施用氮肥可以降低水稻無效分蘗發(fā)生，提高水稻成穗率。裴鵬剛等[8]研究表明，秸稈還田量為6 000 kg/hm2，施用270 kg/hm2氮肥可以促進(jìn)水稻分蘗早發(fā)，增加水稻分蘗數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，水稻分蘗期和齊穗期水稻分蘗數(shù)均隨著施氮量的增加而增加，而在水稻生長后期，中量施氮(240 kg/hm2純氮)的有效穗數(shù)最多，與前人的研究結(jié)果一致[22]。葉面積指數(shù)(LAI)作為反映葉片覆蓋度、作物長勢(shì)以及產(chǎn)量潛力的重要指標(biāo)，對(duì)水稻生長和產(chǎn)量形成至關(guān)重要。張巍巍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水稻齊穗期的LAI為5.0～8.0，灌漿期為4.0～6.0，容易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。本研究表明，在秸稈全量還田下，LAI隨著施氮量的增加而增加，且各處理均在水稻抽穗期LAI達(dá)到最大值。葉綠素是光合作用的主要器官，參與光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，高量施氮(315 kg/hm2純氮)在齊穗期和灌漿期的葉綠素含量最高，但水稻的實(shí)際產(chǎn)量并不是最高。這可能是因?yàn)樵诟吡渴┑獥l件下，水稻吸收的光能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生理代謝需求，造成葉綠體“冗余”現(xiàn)象。此外，水稻群體較大，葉片間相互遮蔭，底層葉片光能吸收減弱，一定程度上降低了PSⅡ潛在活性和光合電子傳遞速率，導(dǎo)致群體光合效率降低，產(chǎn)量降低[24]。干物質(zhì)積累量是作物生長發(fā)育的重要指標(biāo)，也是籽粒產(chǎn)量形成重要的影響因素，水稻抽穗后干物質(zhì)的生產(chǎn)與產(chǎn)量形成密切相關(guān)[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈全量還田下，施用240 kg/hm2純氮水稻灌漿期地上部分干物質(zhì)重顯著高于其他處理，且收獲時(shí)產(chǎn)量最高。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的內(nèi)在表征。在秸稈全量還田下，合理的配施氮肥可以改善土壤養(yǎng)分狀況。本試驗(yàn)表明，秸稈全量還田，施用240 kg/hm2純氮土壤的速效磷和速效鉀含量均顯著高于其他處理，說明合理地施用氮肥可以促進(jìn)秸稈腐解，有利于秸稈中磷、鉀養(yǎng)分的釋放[26]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，土壤中銨態(tài)氮含量會(huì)隨著施氮量的增加而增加，氮肥用量是引起土壤銨態(tài)氮含量變化的重要因素[27]。

秸稈還田不僅是我國秸稈資源化利用的主要方式，也是農(nóng)田碳源輸入的重要途徑。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，施氮水平對(duì)土壤可溶性碳和微生物碳的影響變化一致，且施氮水平為240 kg/hm2純氮時(shí)，可溶性有機(jī)碳和微生物有機(jī)碳含量最高。這可能是因?yàn)榈静萁斩捴械暮枯^低，直接還田往往成為稻田土壤微生物群落豐盈度的限制因子[28]。在秸稈全量還田下，合理的施用氮肥可以促進(jìn)調(diào)節(jié)土壤C/N，促進(jìn)秸稈分解，為微生物的生長和發(fā)育提供大量碳源，提高土壤微生物活性[29]。同時(shí)，微生物大量繁殖通過植物根系分泌物產(chǎn)生大量的可溶性有機(jī)碳，從而提高了土壤可溶性有機(jī)碳含量[30]。

5 結(jié) 論

浙江北部地區(qū)在秸稈全量還田下，適宜的氮肥用量對(duì)促進(jìn)單季晚粳稻的生長和改善土壤養(yǎng)分、碳庫含量的具有積極的作用。在水稻生長方面，秸稈全量還田，施用240 kg/hm2(NM)和315 kg/hm2(NH)的水稻分蘗數(shù)、株高、葉面積系數(shù)、葉綠素含量及地上部分干物質(zhì)重等各項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)。在土壤養(yǎng)分和碳庫方面，隨著施氮量的增加，稻田土壤速效鉀、速效磷、可溶性有機(jī)碳和微生物有機(jī)碳含量均呈“先增后減”的趨勢(shì)。其中，在秸稈全量還田下，施用240 kg/hm2(NM)純氮，土壤的速效磷和速效鉀含量顯著高于其他施肥處理，且土壤碳庫含量高于其他處理。在產(chǎn)量方面，在秸稈全量還田下，施用240 kg/hm2的氮肥的水稻產(chǎn)量最高。因此，在本試驗(yàn)條件下，秸稈全量還田施用240 kg/hm2純氮是浙北地區(qū)單季晚粳稻種植較為適宜的氮肥調(diào)控模式。