秸稈還田與氮肥運籌對東北粳稻產量及稻米品質的影響

劉月月 鄭浣彤 程兆偉 耿艷秋 邵璽文 郭麗穎* 袁晴欣 朱立群 蘇宇揚 徐佳睿 袁翊新 張琦

（1 吉林農業(yè)大學農學院，長春 130118；2 吉林省農業(yè)技術推廣總站，長春130033；第一作者：jlndlyy@163.com；*通訊作者：guoliying0621@163.com）

水稻是我國重要的糧食作物。長期以來，為了追求產量，生產上過量施用化學肥料特別是氮肥，而由此導致的稻田土壤肥力下降、水稻產量停滯不前和農業(yè)面源污染不斷加重等負面問題日益突出，嚴重制約著我國糧食的可持續(xù)生產[1]。隨著人民生活水平的提高，稻米品質問題日益引起人們的關注。因此，如何協(xié)同提高稻田土壤肥力和水稻產量，改善稻米品質，同時減少由于氮肥不合理施用導致的環(huán)境污染，實現(xiàn)稻田土壤的可持續(xù)利用和水稻可持續(xù)生產日益引起人們的關注[2]。秸稈還田作為構建生態(tài)農業(yè)的重要舉措，既可減少因秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染和資源浪費，還可培肥地力、促進水稻養(yǎng)分吸收、提高水稻產量、改善稻米品質[3-6]。特別是在氮肥合理施用下秸稈還田效果顯著[7]。合理的氮肥運籌是生產上提高水稻產量、調控稻米品質的一項重要栽培措施。前人對以秸稈還田、氮肥運籌來提高水稻產量、改善稻米品質的理論和技術進行了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，麥秸還田方式下，提高基蘗肥比例可以提高超級稻籽粒的千粒重，改善稻米的蒸煮與食味品質，但增加了稻米的堊白度、直鏈淀粉含量，降低了粗蛋白含量。氮肥基蘗肥∶穗肥為 5.5∶4.5 或6∶4 時可以較好地協(xié)調粒質量和米質[8]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下，適當減少穗肥施用比例有利于稻米食味品質的提高，氮肥基蘗肥∶穗肥為7∶3 或8∶2 時能協(xié)調優(yōu)質食味水稻高產優(yōu)質生產[7]。嚴奉君等[9]則認為，穗肥施氮越多，出糙率、精米率等加工品質相對越高。另外，秸稈還田條件下最適氮肥運籌模式還與稻區(qū)土壤肥力有關。在高土壤肥力稻區(qū)，基肥、蘗肥、穗肥比例為 5∶3∶2 時能夠實現(xiàn)同步提高水稻產量和稻米品質；而在低肥力稻區(qū)則以3∶3∶4 為適宜的氮肥運籌模式[6]。由于秸稈還田量、生態(tài)條件、水稻品種、土壤肥力等因素的不同，導致關于秸稈還田與氮素運籌對水稻產量及品質影響的研究結果不盡相同。且前人研究主要集中在南方稻區(qū)，北方水稻多年連作，地力消耗嚴重，秸稈還田與氮肥運籌相結合的栽培方式卻少有研究。本研究以吉粳88 為供試材料，在秸稈還田量為8.0 t/hm2條件下，比較了秸稈還田和秸稈不還田條件下不同氮肥運籌方式對東北稻區(qū)水稻產量和品質的影響，以期為東北稻區(qū)秸稈還田條件下水稻優(yōu)質高產生產提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018—2019 年在吉林農業(yè)大學試驗基地（125°41′70 E，43°81′68 N）進行。供試品種為吉粳 88，生育期143~145 d。試驗地前茬為水稻，耕層土壤有機質 3.92 g/kg、全氮 0.3 g/kg、速效磷 53.44 mg/kg、速效鉀148.06 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)試驗設計，主區(qū)為秸稈處理（S），副區(qū)為氮素運籌（N）。秸稈還田設2 個處理：S0，秸稈不還田；S，秸稈全量還田，還田量8.0 t/hm2。還田前一季試驗地水稻人工收割，脫粒后秸稈用粉碎機粉碎成長度為5～7 cm，曬干，打包作為還田材料。試驗季均勻施撒秸稈后灌水，并結合整地將秸稈翻埋入0～20 cm 土層。氮素運籌在施氮量（200 kg/hm2）確定情況下，根據(jù)基肥、分蘗肥、穗肥比例的不同，設 4 個處理：N1，7∶2∶1；N2，6∶3∶1；N3，5∶3∶2；N4，4∶3∶3。試驗小區(qū)純磷（P2O5）和純鉀（K2O）用量均為70 kg/hm2，其中磷肥作基肥一次性施入，鉀肥按照基肥與穗肥比為7∶3 施。每個小區(qū)面積20 m2，每個處理3 次重復。為防止各小區(qū)竄水竄肥，小區(qū)之間筑土埂并用黑色超微可降解膜包埂。

2018 年試驗于 4 月 12 日播種，5 月 24 日移栽；2019 年試驗于4 月9 日播種，5 月17 日移栽。插秧規(guī)格30.0 cm×16.5 cm，每叢3 株苗。移栽后保持3～4 cm淺水層，分蘗末期至拔節(jié)前排水曬田5 d，其他栽培措施同大田常規(guī)管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 籽粒灌漿

于抽穗期一次選擇并標記抽穗時間一致稻穗，每小區(qū)標記200 穗，開花至成熟期每隔5 d 取10 個標記的稻穗，分別摘下強勢粒（著生于穗頂部3 個一次枝梗上、除頂部第2 粒外的籽粒）和弱勢粒（穗基部3 個一次枝梗上著生在二次枝梗上、除頂部第1 粒外的籽粒），剔除未受精的空粒后，烘干去殼稱重[10]。

1.3.2 產量及產量構成因素

成熟期每小區(qū)除去邊行從各小區(qū)割取 50 叢，脫粒、去雜曬干后稱重，按照14%水分含量換算求取實際產量。每小區(qū)普查50 叢，計算有效穗數(shù)；取9 叢調查每穗粒數(shù)、結實率；以1 000 粒實粒樣本（干種子）稱重，重復3 次（誤差不超過 0.05 g），求千粒重及理論產量。

1.3.3 稻米品質

將水稻收獲脫粒，曬干3 個月后用風選機等風量風選，依照GB/T17891-1999《優(yōu)質稻谷》測定稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、長、寬等。采用近紅外谷物分析儀測定稻米的蛋白質含量和直鏈淀粉含量[11]。

1.4 參數(shù)計算

參照朱慶森等方法[12]，采用Richards 方法對籽粒灌漿過程進行擬合，并計算相應的灌漿特征參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素

從表1 可見，不同秸稈還田（SR）處理間差異不顯著，不同氮素運籌（NA）及其與秸稈還田互作效應（SR×NA）達顯著水平，不同處理年度間（Y）差異極顯著，而年度（Y）與秸稈還田（SR）、氮素運籌（NA）處理的互作效應均有極顯著差異。說明秸稈還田配以合理的氮肥運籌更利于提高水稻產量。

表1 秸稈還田與氮肥運籌條件下水稻產量的方差分析

從表 2 可見，SN1 和 SN2 處理的產量比 S0N1 和S0N2 處理高，SN3 和 SN4 處理則較 S0N3 和 S0N4 處理低。不同秸稈還田處理下不同氮肥運籌間產量趨勢不一致，在秸稈還田（S）條件下，隨基肥量占比的下降，產量逐漸降低；在秸稈不還田（S0）條件下，隨基肥量占比的下降，產量呈先增后減趨勢，以S0N3 處理產量最高，兩年間表現(xiàn)一致。秸稈還田（S）條件下最佳氮肥運籌處理（N1）產量高于秸稈不還田（S0）條件下最佳氮肥運籌處理（N3），分別高 7.50%（2018）、11.63%（2019）。

表2 秸稈還田與氮肥運籌下水稻產量及產量構成因素

不同處理產量構成因素則表現(xiàn)為，秸稈還田與秸稈不還田處理的穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率和千粒重大小在不同氮肥運籌間表現(xiàn)不同。秸稈還田（S）條件下，隨基肥量占比的下降，有效穗數(shù)和穗粒數(shù)逐漸降低；在秸稈不還田（S0）條件下，隨基肥量占比的下降，二者呈先增后減趨勢。群體穎花量差異是導致各處理間產量差異的主要原因，SN1 和SN2 處理的群體穎花量比S0N1 和 S0N2 高，SN3 和 SN4 處理則較 S0N3 和 S0N4低，各處理間差異顯著。在秸稈還田（S）條件下，隨基肥量占比的下降群體穎花量逐漸降低；在秸稈不還田（S0）條件下，隨基肥量占比的下降群體穎花量呈先增后減趨勢，以S0N3 處理最高。秸稈還田條件下最佳氮肥運籌處理（N1）的群體穎花量顯著高于秸稈不還田條件下最佳氮肥運籌處理（N3），分別高2.11%（2018）、4.76%（2019）。由此可知，在秸稈還田條件下，提高基蘗肥氮的比例，能有效地提高群體總穎花量，實現(xiàn)增產。

2.2 稻米品質

從表3 可見，稻米品質各指標在年份、氮素運籌以及二者間的交互效應有極顯著差異，部分指標在秸稈還田處理下差異不顯著，但年份與秸稈還田、秸稈還田與氮素二者互作效應，以及年份、秸稈和氮素三者互作效應均表現(xiàn)為顯著或極顯著差異。說明秸稈還田對稻米加工品質無顯著影響，但合理的氮素運籌可以顯著改善秸稈還田條件下的稻米品質。

表3 秸稈還田與氮肥運籌條件下稻米品質方差分析

2.2.1 加工品質和營養(yǎng)品質

由表4 可知，2018 年，秸稈還田處理與秸稈不還田相比，相同氮素運籌下稻米糙米率、精米率和整精米率下降，糙米率和整精米率各處理間差異不顯著。2019年，與 S0N1 和 S0N2 處理相比，SN1 和 SN2 處理的稻米糙米率、精米率和整精米率提高，S0N2 與SN2 處理間差異顯著。不同氮肥運籌間加工品質趨勢一致，在秸稈還田和秸稈不還田條件下，隨基肥氮占比的下降，糙米率、精米率和整精米率均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，以N2 處理最高（除2019 年整精米率在N3 處理最高）。說明適宜的氮肥后移可以提高稻米的加工品質。

表4 秸稈還田與氮肥運籌條件下水稻加工品質和營養(yǎng)品質 （單位：%）

秸稈還田提高了稻米蛋白質含量，SN1、SN2 和SN3 處理間差異顯著，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田蛋白質含量提高1.71%~6.05%（2018 年）和0.34%~7.94%（2019 年）。不同氮肥運籌間蛋白質含量隨基肥氮占比的下降而升高，兩年間表現(xiàn)一致。

2.2.2 外觀品質和蒸煮品質

由表5 可知，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理堊白粒率降低了 3.85~55.00%（2018 年）、60.65%~72.51%（2019 年），堊白度降低了4.00%~32.73%（2018年）、53.13~85.00%（2019 年）。其中，2019 年各處理間差異顯著。秸稈還田和秸稈不還田處理下，堊白粒率和堊白度均隨基肥氮占比的下降而下降，兩年間表現(xiàn)一致。說明秸稈還田可以改善稻米外觀品質，還田年份增加，影響越大；氮肥后移可以提高稻米的外觀品質。

從表5 可見，秸稈還田降低了各氮素運籌處理下的稻米直鏈淀粉含量，各處理間差異顯著，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理直鏈淀粉含量降低了8.83%~17.87%（2018）和 3.03%~5.19%（2019 年）。不同氮肥運籌處理間直鏈淀粉含量隨基肥氮占比的下降而降低，兩年間表現(xiàn)一致。

表5 秸稈還田與氮肥運籌條件下水稻外觀品質和蒸煮品質

2.3 水稻籽粒灌漿特性

從表6 可見，秸稈還田與氮素運籌影響籽粒灌漿特性，從而影響粒重形成。與秸稈不還田相比，秸稈還田降低了N1 和N2 處理下強、弱勢粒籽?；钴S灌漿期粒質量，但N3 和N4 處理的表現(xiàn)相反。秸稈還田和秸稈不還田處理下，籽?；钴S灌漿期粒質量隨基肥氮占比的下降呈先增后減的趨勢，以N2 處理最高。秸稈還田條件下最佳氮肥運籌處理的籽?；钴S灌漿期粒質量高于秸稈不還田條件下最佳氮肥運籌處理6.23%（強勢粒）、13.45%（弱勢粒）。說明秸稈還田和氮肥運籌對粒質量的調控程度弱勢粒大于強勢粒。

表6 2018 年秸稈還田與氮肥運籌條件下水稻強、弱勢粒灌漿特征參數(shù)

從表6 可見，不同粒位籽粒的平均灌漿速率、最大灌漿速率在秸稈處理和氮肥運籌處理間表現(xiàn)一致，強勢粒均高于弱勢粒，到達最大灌漿速率的時間強勢粒小于弱勢粒；與秸稈不還田相比，秸稈還田提高了各氮素運籌處理下水稻強、弱勢粒的最大灌漿速率和平均灌漿速率，對弱勢粒的影響更明顯；秸稈還田縮短了強勢粒籽粒到達最大灌漿速率的時間，但是延長了弱勢粒籽粒到達最大灌漿速率的時間，各處理間差異顯著；秸稈還田和秸稈不還田條件下，隨基肥氮占比的下降，籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率升高，籽粒到達最大灌漿速率的時間縮短。

從表7 可見，稻米糙米率、精米率和整精米率與籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率呈正相關關系；堊白粒率和堊白度與籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率呈負相關關系，其中與弱勢粒籽粒呈極顯著負相關。說明秸稈還田處理下籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率的提高，降低了稻米堊白粒率和堊白度。

表7 強、弱勢粒籽粒灌漿速率與稻米品質的相關性

3 討論

3.1 秸稈還田與氮肥運籌對水稻產量及產量構成因素的影響

秸稈還田作為一種重要的秸稈利用方式，符合未來稻作生產方向，即在降低農業(yè)資源污染與浪費的前提下，實現(xiàn)土壤肥力和水稻產量協(xié)同提高。已有大量研究報道了秸稈還田對水稻的增產作用[4-5]。然而，秸稈還田在實際生產中也面臨一些問題，如因為秸稈中C/N比較高，所以易導致微生物在分解秸稈時需要吸收較多的氮素，進而使作物與微生物之間產生爭氮現(xiàn)象。因此，在秸稈還田的同時，要配合氮肥的合理施用。研究表明，在秸稈不還田、控制氮肥總量的條件下，適度提高穗、粒肥的用量，能夠延緩水稻生育后期根系和葉片衰老[13]，提高水稻成穗率、每穗粒數(shù)、結實率和千粒重，進而獲得高產[14-15]。而在秸稈還田、施氮量不變的條件下，可通過氮肥的后肥前移，即適當增加基蘗肥比例，避免秸稈腐解過程中土壤微生物與水稻植株爭氮[16-18]。隨著秸稈腐解程度的加重，養(yǎng)分會緩慢釋放，改善水稻生育后期的養(yǎng)分狀況及土壤理化性狀，有利于水稻抽穗至成熟階段光合產物向籽粒運轉，促進籽粒干物質積累，提高產量[19-20]。前人關于秸稈還田與氮肥運籌對水稻產量及產量構成因子的影響進行了大量研究，但不同的研究其增產機制及最適氮肥運籌模式不同。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與氮肥運籌對粒質量的影響存在互作效應，秸稈還田條件下，氮肥前移可以顯著提高水稻弱勢籽粒的粒質量，其中基蘗肥∶穗肥為7∶3 時粒質量最大[21]。左文剛等[22]認為，秸稈還田條件下，氮肥前移可增加早稻的每穗粒數(shù)和結實率，但降低千粒重。姚如男等[23]研究認為，在玉米秸稈還田條件下，基肥∶蘗肥∶穗粒肥為7∶3∶0 時可以顯著提高晚稻單位面積有效穗數(shù)，顯著降低每穗粒數(shù)和結實率，對千粒重影響不大，晚稻產量最高。

本研究結果顯示，秸稈還田配以合理的氮肥運籌更利于提高水稻產量。在秸稈還田條件下，隨基肥氮占比的增大，群體總穎花量顯著提高，有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)逐漸升高。在基肥∶蘗肥∶穗肥為 7∶2∶1 的氮肥運籌模式下水稻產量最高，比秸稈不還田條件下最佳氮肥運籌處理（基肥∶蘗肥∶穗肥為 5∶3∶2） 產量提高 7.50%~11.63%。研究發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田相比，雖然秸稈還田降低了分蘗期和拔節(jié)期干物質積累量，但是差異不顯著，保證了水稻生育前期的物質積累[24]。這可能是因為前期增施的氮肥保證了氮肥供應，緩解了土壤微生物與水稻植株爭氮的情況，降低了秸稈還田前期對水稻分蘗的抑制作用，有利于形成有效穗數(shù)。隨著秸稈腐解程度的加深，養(yǎng)分得到釋放、土壤環(huán)境得以改善，克服了水稻生育后期由于養(yǎng)分不足所導致生長速率降低的現(xiàn)象[25-28]。本研究表明，秸稈還田有效供給了水稻光合代謝所需營養(yǎng)，延緩了水稻生育后期葉片光合速率的下降，促進物質向籽粒轉移，提高了水稻強、弱勢粒的最大灌漿速率和平均灌漿速率，尤其是對弱勢粒的影響更顯著，縮短了強勢粒籽粒到達最大灌漿速率的時間，提高水稻弱勢籽粒的粒質量。秸稈還田配以合適的氮肥運籌，將使水稻庫源關系得到改善，最終提高產量。

3.2 秸稈還田與氮肥運籌對稻米品質的影響

隨著人們對稻米品質的重視，水稻優(yōu)質栽培逐漸成為研究的熱點[29]。稻米品質的形成受品種特性、土壤生態(tài)環(huán)境、氣候條件、種植制度以及栽培技術等因素的影響[30-31]。氮素是水稻生長的重要營養(yǎng)元素，合理施用氮肥是提高稻米品質的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田搭配合理的氮肥運籌可以顯著提高稻米品質[7，9，32]。秸稈還田改善了土壤理化性狀、延緩了水稻生育后期葉片和根系衰老，在灌漿結實期群體光合物質生產能力及物質轉運功能較強，導致稻米蛋白質含量提高、堊白減少，顯著改善稻米的外觀及營養(yǎng)品質[6-7，9，33]。適當提高水稻生育中后期穗粒肥的比例可以顯著改善稻米的加工和營養(yǎng)品質[7，9，21]，但增加了稻米堊白，降低了稻米外觀品質。

本研究結果表明，在秸稈還田條件下，隨基肥氮占比的下降，稻米糙米率、精米率和整精米率均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，蛋白質含量提高，稻米堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量下降。在水稻生育后期，秸稈還田條件下，適宜的氮肥運籌使得秸稈充分腐解，改善了土壤性狀、提高了水稻的氮素利用效率、延緩功能葉衰老，水稻光合和輸導系統(tǒng)的功能仍保持較高水平，籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率提高，最終降低稻米的堊白粒率和堊白度，改善了稻米的外觀品質[34-35]；同時，由于穗粒肥氮提高，提高了水稻生育后期功能葉蛋白水解酶活性，使蛋白質降解得更加徹底，增加了抽穗后氮素向籽粒的運轉量，降低了直鏈淀粉含量[7，36]。有研究認為，雖然生育后期增施氮素降低了稻米的直鏈淀粉含量、提高了稻米蛋白質含量，但其膠稠度也變短，且蛋白質含量與食味值呈顯著負相關[37]。所以，為提高稻米的蒸煮和食味品質，可以將氮肥適當前移，進而協(xié)調淀粉合成與蛋白質含量兩者之間的平衡。因此，研究秸稈還田與氮肥運籌對稻米蒸煮特性和食味品質的影響，將來還需要從直鏈淀粉含量、淀粉精細結構、蛋白質含量及其組分分布等方面進行綜合判斷。

4 結論

秸稈還田提高了各氮素運籌處理下水稻強、弱勢粒的最大灌漿速率和平均灌漿速率，對弱勢粒的影響更明顯；在秸稈還田條件下，隨基肥氮占比的下降，產量逐漸降低，糙米率、精米率和整精米率均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，堊白粒率和堊白度呈下降趨勢。秸稈還田顯著提高了各氮素運籌（除N4）處理下的稻米蛋白質含量，顯著降低直鏈淀粉含量。秸稈還田配以基肥、分蘗肥與穗肥比為6∶3∶1 的氮肥運籌模式，能協(xié)調東北粳稻高產優(yōu)質生產。