長期秸稈還田下有機(jī)無機(jī)配施及微量元素和緩釋肥的施用對雙季稻產(chǎn)量和肥料利用率的影響

李桂花，張雪凌，周吉祥，張建峰

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

紅壤性水稻土是種植雙季稻的主要土壤，集中分布在熱帶-亞熱帶地區(qū)。這些區(qū)域有充足的降雨和熱量，利于作物的生長，但同時(shí)土壤礦化淋溶強(qiáng)烈，使土壤呈現(xiàn)酸、粘、瘦的特征，因此，合理施肥是保證紅壤持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。

大量試驗(yàn)表明，很多施肥模式可以提高紅壤區(qū)雙季稻產(chǎn)量，并培肥地力。比如，適量氮肥條件下，長期有機(jī)無機(jī)配施是提高紅壤地力、保證產(chǎn)量的有效措施［1-2］。緩控釋氮肥的應(yīng)用也比普通氮肥有效提高水稻產(chǎn)量6.1%～8.2%，氮肥利用率提高15.4%～38.4%［3］。施用植物生長第四大必需元素硫，也增加水稻產(chǎn)量0%～10%［4］。另外，微量元素的應(yīng)用，也顯著增加水稻產(chǎn)量。比如，在土壤中施用鋅肥水稻產(chǎn)量平均增加15%，且土壤施用優(yōu)于葉面噴施和種子處理［5］；另外，硅肥促進(jìn)水稻生長及其對礦物養(yǎng)分的吸收，對早稻的增產(chǎn)量達(dá)到2.2%～30.0%，對晚稻的增產(chǎn)量達(dá)到3.9%～9.2%［6］，硅鋅配施也增加雙季稻產(chǎn)量10%左右［7］。

江西紅壤地區(qū)多年實(shí)施秸稈還田以培養(yǎng)土壤地力，在這種背景下，本文進(jìn)一步研究了集成上述高效施肥模式對水稻產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤肥力的影響，為這一地區(qū)養(yǎng)分持續(xù)高效利用和水稻增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于江西省宜春市高安縣渡埠農(nóng)場（28°15′26.0″ N，115°07′32.7″ E）進(jìn)行。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均降水量1680 mm，集中在4～6月，平均氣溫17.2℃。供試土壤為紅壤性水稻土，耕層主要性狀為pH 5.28，全氮1.69 g/kg，有機(jī)質(zhì)23.62 g/kg，堿解氮184.0 mg/kg，有效磷44.5 mg/kg，速效鉀178.3 mg/kg，有效硅54.1 mg/kg，有效鋅1.72 mg/kg。

田 間 試 驗(yàn) 始 于2013年4月，2016年11月 結(jié)束。試驗(yàn)地長期秸稈還田并加腐熟劑。早稻4月25日～5月1日插秧，晚稻7月31日～8月2日插秧。試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，除不施氮、磷及減氮處理外，氮磷鉀總量保持一致：（1）不施氮，施磷（化肥N+有機(jī)N/P2O5：0+0/90）；（2）不施化肥氮，施有機(jī)氮，施磷，施微肥（Si、Zn、S）（0+30/90/微）；（3）減化肥N 20%，不施磷（135+0/0）；（4）有機(jī)N替代20%化肥N，不施磷，施微肥（Si、Zn、S）（135+ 30/0/微）；（5）常規(guī)施氮磷（165+0/90）；（6）有機(jī)N代替20%化肥N，施磷（135+30/90）；（7） 在處理（6）基礎(chǔ)上增施微肥（135+30/90/微）；（8）在（7）基礎(chǔ)上用20%緩釋N代替化肥N［135（35緩+100） +30/90/微］。早稻常規(guī)施N量為165 kg/hm2，晚稻195 kg/hm2，磷鉀肥用量早晚稻一致。微肥SiO2、Zn、S施用量分別為30、3.45和30 kg/hm2?；视媚蛩?、過磷酸鈣、氯化鉀，緩釋肥N含量41.8%，有機(jī)肥（江蘇田娘農(nóng)業(yè)科技有限公司）含水量30.1%，有機(jī)質(zhì)47.8%，N 1.86%，P2O53.11%，K2O 0.85%；微肥用Na2SiO3·5H2O（SiO224%）、ZnSO4·H2O（Zn 36.3%，S 17.9%）、硫磺粉（S 99.9%）。除尿素外其余肥料均基施。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，小區(qū)面積42 m2，用塑料薄膜覆泥作梗隔開，每個(gè)小區(qū)獨(dú)立排灌。各處理具體施肥量見表1。

表1 不同施肥處理早稻施肥量 （kg/hm2）

早稻和晚稻品種分別為當(dāng)?shù)刂髟云贩N中嘉早17號和五豐優(yōu)T025。早稻5月初移栽，7月下旬收獲；晚稻8月初移栽，11月初收獲。取1 m2進(jìn)行考種。產(chǎn)量按全小區(qū)測定，土壤樣品在晚稻收獲后采集。測定籽粒和秸稈中的氮磷含量，分析土壤化學(xué)性狀［8］的變化。

利用公式（1）和（2）計(jì)算水稻氮肥效率。用SigmaPlot 12.5進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年度間及同一年度不同施肥處理間早晚稻的產(chǎn)量變化

4年間早稻平均產(chǎn)量分別為7869、7067、7109和9316 kg/hm2，年度間差異顯著（P<0.05）。比較同一年份，與不施肥相比，施肥處理早稻產(chǎn)量達(dá)到顯著水平（表2，P<0.05），施肥處理間沒有差異。用有機(jī)替代部分無機(jī)肥、外加微量元素和緩釋肥料等處理與常規(guī)施肥相比，產(chǎn)量差異最高，可達(dá)7.6%，但沒有達(dá)到顯著水平。減氮處理在所有施氮處理中產(chǎn)量最低，但與常規(guī)施肥相比，也沒有達(dá)到顯著水平。

表2 不同施肥處理早稻產(chǎn)量 （kg/hm2）

晚稻產(chǎn)量結(jié)果與早稻相似，同一年度只有施肥處理與不施肥間差異顯著（表3，P<0.05）。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)替代、添加微量元素和緩釋肥料、減氮20%處理，晚稻產(chǎn)量沒有顯著差異。年度間的產(chǎn)量差異大于肥料處理間差異。與早稻相比，不同年度間有高有低。

表3 不同施肥處理晚稻產(chǎn)量 （kg/hm2）

2.2 不同年份水稻考種數(shù)據(jù)及氣象因子分析

不同年份考種數(shù)據(jù)有差異。早稻季有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)及實(shí)粒重都是產(chǎn)量最高的2016年顯著高于其它年份（表4，P<0.05）。日照長度也是2016年和2013年高于其它年份。晚稻季有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)及實(shí)粒重也是產(chǎn)量最高的2014年顯著高于其它年份（表4，P<0.05）。平均溫度和日照長度沒有差異。但4年產(chǎn)量與有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)及實(shí)粒重相關(guān)性不顯著，也與平均溫度和日照長度相關(guān)性不顯著（數(shù)據(jù)略）。

表4 不同年份6個(gè)施氮處理水稻考種數(shù)據(jù)及氣象因子分析

2.3 不同施肥處理早晚稻氮磷吸收和氮肥利用率

不同施肥處理影響籽粒吸氮量。以2016年早稻為例，氮磷配施且有機(jī)替代（含緩釋肥）處理（T6、T7、T8）籽粒吸氮量（除T6與T4、T5差異不顯著外）顯著高于其它處理（表5）。秸稈吸氮量與籽粒略有差異，除不施氮處理外，不施微量元素的3個(gè)處理（T3、T5、T6）與其它處理（T4、T7、T8）相比較低。不同施肥處理間氮肥表觀利用率差異不顯著（P=0.07）。籽粒吸磷量沒有差異。秸稈吸磷量只有T1和T3顯著低于其它處理，施用有機(jī)磷（T2）有效提高秸稈吸磷量。氮肥農(nóng)學(xué)效率主要受產(chǎn)量和施氮量影響，所以早稻產(chǎn)量T6>T3、T8>T4、T7>T5，常規(guī)施肥方式最低，但處理間差異不顯著。

晚稻籽粒的吸氮量只有不施肥處理顯著低于其它處理（表6，P<0.05）。減氮處理（T3）秸稈吸氮量低于其它施肥處理。晚稻籽粒吸磷量除不施肥處理外，只有常規(guī)施肥（T5）最低。秸稈吸磷量只有不施磷肥的T3處理最低。2016年晚稻產(chǎn)量低，所以施氮最少的T3處理氮肥農(nóng)學(xué)效率高于其它處理，但差異不顯著。氮肥表觀利用率與早稻一樣，施用緩釋肥的T8（高9%）和施用有機(jī)肥的T6、T7優(yōu)于其它處理，但差異不顯著。

2.4 不同施肥處理土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量的變化

4年不同施肥處理后，只有有效磷和速效鉀發(fā)生了變化，pH、有機(jī)質(zhì)、全氮和微生物量碳和氮都沒有顯著差異（表7）。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)無機(jī)配施有機(jī)質(zhì)和全氮增加1.5%。

表7 不同施肥處理對土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量的影響（2016年）

3 討論

3.1 不同年份早稻產(chǎn)量差異的主要原因

水稻產(chǎn)量的形成主要受溫度、光照（輻射強(qiáng)度）和葉面積指數(shù)的影響［9］。葉面積指數(shù)在不受水、氮脅迫的情況下，主要由不同生長階段來決定。生長階段主要由日平均溫度和光周期決定［9］。因此，我們分析了不同年份考種數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)量與早晚稻生育期溫度和日照長度的相關(guān)性。雖然產(chǎn)量最高年份的有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)及實(shí)粒重都顯著高于其它年份，但這些因子以及溫度、日照長度與產(chǎn)量間的相關(guān)性都沒有達(dá)到顯著水平。說明產(chǎn)量的形成需要過程的模擬，如Oryza 2000［9］、APSIM-Oryza［10］，而不能簡單應(yīng)用平均值。即溫度和日照在整個(gè)生育過程的分布會影響作物生長量和產(chǎn)量的形成。

3.2 同一年份不同施肥處理對產(chǎn)量的影響

施肥目的是增加作物產(chǎn)量，同時(shí)維持或增加土壤肥力。與常規(guī)單施化肥相比，4年有機(jī)無機(jī)配施、外加微量元素等措施沒有顯著增加雙季稻產(chǎn)量。張成蘭等［11］在赤紅壤得到相同結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，在多年冬季綠肥還田條件下，連續(xù)5年有機(jī)無機(jī)配施（1∶1，雞糞）和秸稈還田不能顯著增加雙季稻產(chǎn)量。其它紅壤長期定位試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)替代或有機(jī)無機(jī)配施需要較長時(shí)間才能增加產(chǎn)量。如江西進(jìn)賢，30%有機(jī)替代（NPKM）與NPK相比，經(jīng)過30年水稻增產(chǎn)量由0.6%提升到6.9%［12］。湖南望城經(jīng)過32年秸稈還田和豬糞配施，早稻平均增產(chǎn)7.2%，晚稻平均增產(chǎn)6.7%［13］。江西南昌29年30%有機(jī)替代，早稻產(chǎn)量增加6.3%，晚稻增產(chǎn)7.8%［14］。而在地力中等的湖南祁陽，施氮量加倍［有機(jī)無機(jī)比1∶1，無機(jī)氮72.3 kg/（hm2·季），有機(jī)氮為腐熟牛糞］情況下，前5年雙季稻產(chǎn)量差異不明顯，后期NPK產(chǎn)量逐步降低，而NPKM產(chǎn)量基本維持，經(jīng)過30年雙季稻平均增產(chǎn)19%［15］。說明在紅壤通過添加有機(jī)物料增加產(chǎn)量需要較長時(shí)間。相反，在肥力較低的祁陽紅壤，Li等［16］發(fā)現(xiàn)與農(nóng)民單施化肥相比，秸稈還田（單季或雙季）或冬季紫云英還田（N投入增加50%～78%），4年雙季稻顯著增產(chǎn)8.5%～24.1%。說明基礎(chǔ)地力影響作物對不同肥料的響應(yīng)。另外，他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料的質(zhì)量影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)，有機(jī)物料的數(shù)量影響土壤有機(jī)質(zhì)的提升。本試驗(yàn)地經(jīng)過長期秸稈還田，土壤肥力有了一定的提高，在此基礎(chǔ)上，用20%有機(jī)氮替換無機(jī)氮，可能在有機(jī)物料的質(zhì)量和數(shù)量上都無法滿足快速增產(chǎn)的目的。另外為了便于推廣，我們選用商品有機(jī)肥，其中易分解碳氮含量較高，這些成分在厭氧條件下促進(jìn)鐵、硫還原物質(zhì)的產(chǎn)生［17］，不利于水稻生長，這可能也是影響產(chǎn)量的一個(gè)原因。

相反，在紅壤中施硅顯著降低有害性還原性物質(zhì)（Fe2+和Mn2+）［18］，同時(shí)增加地上部氮磷養(yǎng)分的吸收［6］，增加機(jī)械抗性和生理抗性［19］，從而增加雙季稻產(chǎn)量［6，18，20］。但本研究在施硅情況下，地上部氮磷吸收量與不施硅相比沒有差異，水稻產(chǎn)量沒有增加。陳琨等［18］在四川紫色土得到相同結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)只有硅與鈣配施才能增加水稻產(chǎn)量10.6%，而單獨(dú)施鋅肥、硅肥對水稻增產(chǎn)效果不顯著。但在遼寧鹽堿地，不論是土施硅與鈣，還是葉面噴施硅肥，單季稻產(chǎn)量分別增加4.8%和14.3%，達(dá)到顯著水平［20］。他們認(rèn)為硅肥主要通過增加分蘗和抗病性增加產(chǎn)量，我們測定的分蘗數(shù)沒有變化（數(shù)據(jù)略）。而劉紅芳等［21］在單季稻中發(fā)現(xiàn)，硅肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)與施氮量有關(guān)。在常規(guī)施氮量下，不論是硅肥，還是硅鈣肥，對水稻產(chǎn)量無影響，對秸稈抗性也無影響；而施氮量為2.5倍時(shí)，兩種硅肥都促進(jìn)維管束發(fā)育，抗倒伏，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)12.5%［21］。我們的施氮量屬常規(guī)水平，因此，硅肥對產(chǎn)量沒有效果。

另外，硫和鋅是參與作物酶活性和生理代謝的重要元素，增加水稻產(chǎn)量［5］。在本試驗(yàn)條件下，與常規(guī)施肥相比，這兩個(gè)元素沒有增加雙季稻產(chǎn)量。孫玉桃等［4］得到相同結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)在田間施硫條件下，早稻增產(chǎn)3%，晚稻沒有效果，都沒有達(dá)到顯著水平。

總之，在不同施肥模式下，雙季稻產(chǎn)量與常規(guī)施肥相比沒有增加，主要原因還是試驗(yàn)區(qū)長期秸稈還田。雖然每年有籽粒部分移出，但通過有機(jī)肥替代可以滿足微量元素的少量移出；同時(shí)因?yàn)橛袡C(jī)肥替代率較低，所以4年替代后，增產(chǎn)效果不明顯。

3.3 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥表觀利用率

相對而言，減氮條件下，氮肥農(nóng)學(xué)效率因?yàn)槭┑康投龈?。但本文因減氮條件下產(chǎn)量也下降，所以氮肥利用率沒有提高。不同施肥下氮肥農(nóng)學(xué)利用效率范圍在15～25 kg/kg，與其它紅壤在相似施氮量下的利用效率相似［12，14］。不同施肥模式下，早稻氮肥農(nóng)學(xué)效率高于晚稻，與劉益仁等［14］得到的結(jié)果相同，主要原因是早稻施氮量低于晚稻。

不同處理間氮肥表觀利用率沒有顯著差異，但相對而言緩釋肥效果最佳（T8）。Geng等［3］得到相同結(jié)果，表明緩釋肥利于作物吸氮。氮肥表觀利用率范圍在26%～41%，早稻高于晚稻。與湖南望城、江西進(jìn)賢、江西南昌的紅壤長期定位試驗(yàn)結(jié)果相同，利用率范圍（平均31%～44%）也接近［12-14］。相反，根據(jù)文獻(xiàn)和田間兩年試驗(yàn)，葉廷紅等［22］發(fā)現(xiàn)晚稻氮肥表觀利用率略高于早稻。結(jié)果有差異的主要原因是施肥量和產(chǎn)量。本試驗(yàn)地區(qū)常年晚稻產(chǎn)量略高于早稻，所以晚稻施氮量高于早稻，但本試驗(yàn)的這4年，產(chǎn)量相似或低于早稻，所以氮肥利用率也低。

3.4 土壤肥力

長期秸稈還田條件下，用20%有機(jī)肥N替代化肥N，4年后稻田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮沒有顯著增加。主要原因是有機(jī)肥投入量（771 kg/hm2）與秸稈（5500～8000 kg/hm2）相比數(shù)量少。張成蘭等［11］在廣州赤紅壤得到相同結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)冬季綠肥還田條件下，長期有機(jī)無機(jī)配施（1∶1，雞糞）和秸稈還田，與NPK相比，土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物多樣性都沒有顯著差異。湖南桃源紅壤試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，與NPK相比，添加秸稈與綠肥等有機(jī)物料需要9年以上才能使土壤有機(jī)碳顯著增加，同時(shí)增加微生物量碳氮［23］。湖南望城紅壤上秸稈與豬糞還田，與NPK相比，經(jīng)過32年有機(jī)碳增加6%，而微生物量碳氮沒有差異［13］。而祁陽紅壤，5年時(shí)間秸稈與綠肥還田顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量11%～23%［16］。說明有機(jī)肥料對土壤地力的影響和物料投入的數(shù)量、質(zhì)量與土壤原有地力有關(guān)。

4 結(jié)論

集成紅壤增產(chǎn)增效的施肥模式，并應(yīng)用于長期秸稈還田的江西紅壤。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是有機(jī)替代、添加微量元素、減氮、緩釋肥替代，都不能顯著增加雙季稻產(chǎn)量，也不能增加氮肥農(nóng)學(xué)效率及表觀利用率。說明長期秸稈還田對水稻產(chǎn)量和地力起到很重要作用，在此基礎(chǔ)上，添加有機(jī)肥可以滿足雙季稻對微量元素的需求；緩釋肥的應(yīng)用增加氮肥表觀利用率9%。