秸稈還田與水氮管理對(duì)水稻氮素利用及土壤理化性質(zhì)的影響

孫園園，張橋，孫永健*，殷堯翥，劉芳艷，馬鵬，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；3.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都 610072)

作物秸稈中富含碳、氮等營養(yǎng)元素，秸稈還田可提高土壤養(yǎng)分，降低碳氮比[1]，還能有效調(diào)節(jié)土壤墑情，改善物理性狀，對(duì)促進(jìn)水肥資源的高效利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展成效顯著[2]。如何高效利用作物秸稈，減小秸稈的負(fù)面效應(yīng)，發(fā)揮前茬作物秸稈對(duì)后茬作物生長發(fā)育的促進(jìn)作用，前人對(duì)堆腐還田、促腐還田和直接還田等多種方式進(jìn)行了大量的研究：油菜秸稈堆腐發(fā)酵還田可提高土壤肥力，但前茬油菜秸稈若不能高效利用，則會(huì)抑制植物幼苗根系生長，并對(duì)環(huán)境造成污染[3–4]；秸稈還田配套合理的氮肥運(yùn)籌可顯著提高稻谷產(chǎn)量與氮肥利用率及稻米品質(zhì)[5–7]；水資源時(shí)空分布不均、水肥管理不合理會(huì)導(dǎo)致水稻肥水利用效率低、化肥面源污染日趨加重等[8–9]；合理的水氮管理方式可顯著提高水肥的利用效率[5,8–11]。但在秸稈還田的方式與水氮管理對(duì)水稻各時(shí)期的氮素吸收利用及土壤理化性質(zhì)的影響研究較少。

四川盆地作為油–稻輪作的主要地區(qū)，秸稈資源豐富，但存在水源不足、時(shí)空分布不均、肥料施用不合理、中低產(chǎn)田比例大等突出問題，如何在研究區(qū)域范圍內(nèi)合理有效的利用油菜秸稈資源，開展不同秸稈還田處理下水氮耦合對(duì)水稻氮素利用與土壤理化性質(zhì)影響的研究很有必要。本研究中，設(shè)不同秸稈還田方式、灌溉方式、氮肥運(yùn)籌3 因素裂區(qū)試驗(yàn)，探索秸稈還田下合理的水肥配施高產(chǎn)高效的栽培技術(shù)，以期為水稻提質(zhì)、豐產(chǎn)、綠色高效的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017、2018 年分別在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻所溫江試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)、眉山市東坡區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試水稻品種為宜香優(yōu)2115(秈型三系雜交稻，生育期150～154 d)。水稻均于4 月23 日播種，旱育秧，人工單株移栽(秧齡40 d)，行株距為33.3 cm×16.7 cm。前茬作物均為油菜。2017、2018年秸稈還田量分別為10 340.0、11 180.0 kg/hm2。試驗(yàn)田0～20 cm 土層土壤的理化性質(zhì)列于表1。各處理小區(qū)間用塑料薄膜包埂，小區(qū)面積為15.60 m2。

表1 試驗(yàn)田土壤的理化性狀Table 1 Physicochemical properties of soil in the experiments of different years

試驗(yàn)采用3 因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)。主區(qū)設(shè)堆腐還田(A1)和直接還田(A2)共2 種秸稈還田方式。按照文獻(xiàn)[12]的方法進(jìn)行堆腐還田：將油菜稈粉碎、鋪堆、潑灑腐熟劑、覆膜密封，堆腐8 d 秸稈呈深褐色腐爛狀態(tài)時(shí)視為秸稈腐熟；水稻栽插前用旋耕機(jī)(1GQN–180)整平田面后，人工將腐熟的油菜秸稈均勻拋撒到小區(qū)廂面上。直接還田即油菜機(jī)械化收割同時(shí)秸稈切碎還田，泡田后用旋耕機(jī)整平田面。裂區(qū)設(shè)淹灌(W1)和有氧灌溉(W2)共2 種灌溉方式：淹灌為移栽后田面保持1～3 cm 水層，收獲前7 d 自然落干；有氧灌溉即秧苗返青后各生育階段均以達(dá)到土壤水勢(shì)為–25 kPa 時(shí)進(jìn)行灌溉。裂裂區(qū)設(shè)0、75、150、225 kg/hm2共4 種施氮水平，分別記為N0、N1、N2、N3。其中基肥占40%，于移栽前1 d 施用；蘗肥占30%，于移栽后7 d 施用；穗肥占30%，于倒四葉、倒二葉分次等量施用。磷、鉀肥均作基肥施用，施用量分別為90 kg/hm2(P2O5)、150 kg/hm2(K2O)。試驗(yàn)共16 個(gè)處理：A1W1N0、A1W1N1、A1W1N2、A1W1N3、A1W2N0、A1W2N1、A1W2N2、A1W2N3、A2W1N0、A2W1N1、A2W1N2、A2W1N3、A2W2N0、A2W2N1、A2W2N2、A2W2N3。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 水稻氮含量測(cè)定及計(jì)產(chǎn)

分別于拔節(jié)期、抽穗期及成熟期按各小區(qū)取代表性植株6 穴，分莖鞘、葉片和穗3 部分烘干至恒重后粉碎，用FOSS–8400 定氮儀測(cè)定氮含量。按王海月等[13]的方法，計(jì)算上述各生育時(shí)期氮素積累量、抽穗至成熟期氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率及氮肥利用效率。各小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.2.2 土壤脲酶和硝態(tài)氮及銨態(tài)氮測(cè)定

分別于分蘗盛期(移栽后25 d)、拔節(jié)、抽穗和成熟期各小區(qū)按照5 點(diǎn)取樣法取耕層(0～20 cm)土樣。按照胡乃娟等[14]的方法測(cè)定土壤脲酶活性；按照趙春江[15]的方法測(cè)定土壤銨態(tài)氮(氯化鉀浸提–靛酚藍(lán)比色法)和硝態(tài)氮含量(還原蒸餾法)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和DPS 6.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試水稻的氮素利用特征和稻田土壤理化性質(zhì)及其方差分析結(jié)果

由表2 可知，秸稈還田、灌溉方式、施氮量各因素處理下各指標(biāo)均存在顯著差異。除氮素籽粒生產(chǎn)效率外，各指標(biāo)均表現(xiàn)為A1的顯著高于A2的，W2的顯著高于W1的；除氮素收獲指數(shù)、氮素籽粒生產(chǎn)效率(隨著施氮量的增加顯著降低)和成熟期土壤銨態(tài)氮(隨著施氮量的增加而增加)外，隨施氮量的增加，各指標(biāo)均先增加，N2的最高，隨后再繼續(xù)增加施氮量，各指標(biāo)降低。綜合各因素整體來看，油菜秸稈堆腐還田、有氧灌溉與配施150 kg/hm2氮肥的綜合管理模式在水稻產(chǎn)量、氮素利用及土壤理化性質(zhì)方面表現(xiàn)最優(yōu)。

表2 秸稈還田和水氮管理下的水稻產(chǎn)量和氮素利用特征及稻田土壤理化性質(zhì)Table 2 The rice yield, N utilization and soil physicochemical properties with straw returning and water and N management patterns

從各因素處理對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素利用特征及土壤理化指標(biāo)的交互效應(yīng)分析結(jié)果(表3)可知，秸稈還田、灌溉方式及施氮量對(duì)所測(cè)水稻各指標(biāo)和成熟期土壤理化指標(biāo)均存在顯著或極顯著的影響，且3 因素的互作效應(yīng)達(dá)顯著或極顯著水平。

表3 秸稈還田和水氮管理對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素利用特征及土壤理化指標(biāo)的影響及交互效應(yīng)分析結(jié)果Table 3 Analysis result of variance for rice yield, N utilization and soil physicochemical properties with straw returning and water and N management patterns

2.2 秸稈還田和水氮管理對(duì)水稻主要生育時(shí)期氮素積累的影響

由表4、表5 可知，與A2相比，除拔節(jié)和抽穗期葉片與抽穗期植株的A2W2N0及2017年成熟期葉片的A2W2N1外，相同水氮管理下，A1的各生育期植株及其各部位的氮素積累均不同程度提高，成熟期植株和穗部籽粒的氮積累量分別提高了9.7%～32.9%和7.5%～45.3%；同一秸稈還田和施氮量處理下，除2017 年抽穗期A1W1N0外，W2的各生育時(shí)期植株氮素積累量均不同程度的高于W1的；除2018 年成熟期穗的A2W2N1外，同一秸稈還田和灌溉方式內(nèi)，施氮處理各生育期主要營養(yǎng)器官氮積累量均顯著高于N0的，且除2017 年成熟期穗的A1W2N1外，各器官氮素積累量均先隨施氮量的增加而增加，N2的最高，再繼續(xù)提高施氮量，氮素積累量反而減少。

表4 2017年秸稈還田和水氮管理下的水稻各生育期的氮素積累量Table 4 The N accumulation at different growth stages of rice under straw returning and water and N management in 2017 kg/hm2

表4(續(xù)) kg/hm2

表5 2018年秸稈還田和水氮管理下的水稻各生育期的氮素積累量Table 5 The N accumulation at different growth stages of rice under straw returning and water and N management in 2018 kg/hm2

2.3 秸稈還田和水氮管理對(duì)水稻結(jié)實(shí)期氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

從表6 和表7 可知，除A2W2N2和A2W2N3外，相同水氮管理A1的抽穗至成熟期水稻莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率均高于A2的，相同施氮量處理的A1的W1的抽穗至成熟期水稻莖鞘氮素貢獻(xiàn)率均高于A2的；而相同水氮管理下抽穗至成熟期水稻葉片的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率則多為A2的高于A1的。各秸稈還田處理下，W2的莖鞘和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)率的平均值均大于W1的。相同秸稈還田和灌溉方式內(nèi)，抽穗至成熟期莖鞘的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率均先隨施氮量的增加而增大，N2的最大，之后繼續(xù)增加施氮量，這些指標(biāo)又變小。

表6 2017年秸稈還田和水氮管理下的水稻抽穗至成熟期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)狀況Table 6 The N translocation from heading to maturity stages of rice under straw returning and water and N management in 2017

表7 2018年秸稈還田和水氮管理下的水稻抽穗至成熟期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)狀況Table 7 The N translocation from heading to maturity stages of rice under straw returning and water and N management in 2018

2.4 秸稈還田和水氮管理對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素利用特征的影響

由表8 可知，稻谷產(chǎn)量以秸稈堆腐還田下有氧灌溉與施氮量150 kg/hm2處理的最高；與A2相比，同一水氮管理下A1增產(chǎn)7.3%～18.5%；同一秸稈還田和施氮量處理下，W2的產(chǎn)量不同程度的高于W1的；同一秸稈還田和灌溉方式內(nèi)，產(chǎn)量均先隨施氮量的增加而增加，N2的最高，再繼續(xù)提高施氮量，產(chǎn)量又減少；除N2和A2W2N0的氮素收獲指數(shù)外，同一水氮管理下A1的氮素收獲指數(shù)、氮肥表觀利用率(NPE)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE)均高于A2的；除A2W1N3的NAE 外，同一秸稈還田和施氮量處理下，與W1相比，W2不同程度地提高了NPE 和NAE；同一秸稈還田和灌溉方式內(nèi)，隨施氮量的增加NPE和NAE 先增加，以N2的最大，再增加施氮量反而會(huì)導(dǎo)致NPE 和NAE 的顯著下降，也會(huì)導(dǎo)致氮素干物質(zhì)及氮素籽粒生產(chǎn)效率不同程度的下降。

表8 秸稈還田和水氮管理下的水稻產(chǎn)量和氮素利用特征Table 8 The yields and N utilization characteristics of rice under straw returning and water and N management

2.5 秸稈還田和水氮管理對(duì)土壤脲酶活性的影響

由表9 可知，除A1W2N2外，同一秸稈還田和水氮管理下，土壤脲酶活性均隨水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)先增加，在拔節(jié)期達(dá)到最高點(diǎn)，隨后又逐漸下降；除A2W1N2和A2W2N0外，同一水氮管理和生育期內(nèi)，A1的土壤脲酶活性均高于A2的，各生育期A1的平均土壤脲酶活性較A2的提高了4.8%～9.7%，尤其以成熟期A1的平均土壤脲酶活性顯著高于A2的(表2)。從不同灌溉方式來看，在抽穗和成熟期，施氮處理(N1、N2、N3)的W2的平均脲酶活性分別較W1的增加7.5%和7.6%。同一秸稈還田和灌溉方式及生育期內(nèi)，在分蘗盛期和拔節(jié)期，除A1W2N3外，土壤脲酶活性均隨施氮量的增加呈不同程度的增加趨勢(shì)；而抽穗和成熟期，脲酶活性先隨施氮量的增加而增加，以N2的最高，繼續(xù)增加施氮量脲酶活性反而降低。

表9 秸稈還田和水氮管理下稻田土壤的脲酶活性Table 9 The soil urease activities of rice under straw returning and water and N management mg/(g·d)

2.6 秸稈還田和水氮管理對(duì)稻田土壤硝態(tài)氮的影響

由表10 可知，隨水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)，同一秸稈還田與水氮管理下，稻田土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從分蘗盛期到拔節(jié)期升高，隨后到抽穗期下降，到成熟期又有所升高，在拔節(jié)期達(dá)到最高值。同一水氮管理和生育期內(nèi)，A1的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于A2的，不同生育期A1的平均土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了2.3%～10.0%，且以抽穗期提高的最多。從不同灌溉方式來看，除分蘗盛期的A1W1N2和A1W1N3及分蘗盛期和拔節(jié)期的A2W1N3外，同一秸稈還田和施氮量及生育期內(nèi)，W2的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于W1的。就施氮量而言，同一秸稈還田和灌溉方式及生育期內(nèi)，分蘗盛期和拔節(jié)期的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施氮量的增加而增加，而抽穗和成熟期的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與銨態(tài)氮的不同，土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)先隨施氮量的增加而增后，以N2的最大，繼續(xù)增加施氮量，硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而降低。

表10 秸稈還田和水氮管理下稻田土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 10 The mass fractions of soil NH4+-N and NO3--N of rice under straw returning and water and N management mg/kg

2.7 秸稈還田和水氮管理對(duì)稻田土壤銨態(tài)氮的影響

從表10 可知，同一秸稈還田和水氮管理下，稻田土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)先增加，在抽穗期均達(dá)到最高點(diǎn)，隨后又下降。除A2W2N2外，同一水氮管理和生育期內(nèi)，A1的土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于A2的，不同生育期A1的平均土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較A2的提高了1.6%～11.1%，且以分蘗盛期提高的最大，成熟期提高的最小。從不同灌溉方式來看，除分蘗盛期和拔節(jié)期的A1W1N0、抽穗期的N3和成熟期的A2W1N3外，同一秸稈還田和施氮量及生育期內(nèi)，W2的土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于W1的。就施氮量而言，同一秸稈還田和灌溉方式內(nèi)，水稻各生育期稻田土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨施氮量的增加而不同程度的增加。

3 結(jié)論與討論

合理的水氮管理可有效提高水稻主要生育時(shí)期葉片、莖鞘、穗部氮素的積累，提高對(duì)氮素的吸收利用[5,16]，且節(jié)水灌溉條件下氮肥的施用利于根系對(duì)耕層土壤水分的利用，提高水肥利用效率[17]。何虎等[18]和徐國偉等[19]研究表明，在一定的施氮范圍內(nèi)，秸稈還田結(jié)合實(shí)地氮肥運(yùn)籌模式，利于產(chǎn)量及氮肥利用效率的協(xié)同提高。本研究中，秸稈還田方式與水氮管理對(duì)水稻氮素利用特征存在顯著或極顯著的影響。在不同秸稈還田方式下，水分和氮素互作能有效促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)；各秸稈還田處理下，W2的植株各器官氮素積累、莖鞘和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)率的平均值均大于W1的，表明在秸稈還田下，有氧灌溉可促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收，提高水稻抽穗前氮素積累，促進(jìn)結(jié)實(shí)期氮素向穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高氮素收獲指數(shù)，確保養(yǎng)分以滿足群體庫容和籽粒充實(shí)度。

王麒等[20]研究表明，秸稈還田下不同程度增施氮素可提高植株氮素積累。本研究中，與不施氮處理相比，秸稈堆腐還田配施合理的氮肥可顯著提高水稻各生育時(shí)期葉、莖鞘、穗的氮素積累，且除2017年成熟期葉片的A2W2N1外，均高于秸稈直接還田的。秸稈堆腐還田有利于秸稈中速效養(yǎng)分的釋放，并有助于水稻對(duì)秸稈中養(yǎng)分的吸收與利用，因此，相對(duì)于直接還田處理，秸稈堆腐還田的水稻群體構(gòu)建(葉片增大、有效分蘗數(shù)增多、莖稈粗壯等)增大，地上部干物質(zhì)積累相對(duì)較大，在秸稈處理間植株氮含量差異不顯著的基礎(chǔ)上，也直接促使植株氮素積累提高，這進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了筆者前期的研究結(jié)果[1,2,6,12]。相對(duì)于直接還田處理，秸稈堆腐還田顯著提高了抽穗期到成熟期的葉片、莖鞘各營養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)量，并增加了葉片與莖鞘氮素總轉(zhuǎn)運(yùn)量，促進(jìn)了穗部氮素積累；但植株群體構(gòu)建葉片較大，使氮素在葉片中滯留的較多，導(dǎo)致多數(shù)堆腐還田處理的葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率低于直接還田處理的。此外，2 年的施氮積累有差異，但變化趨勢(shì)一致，主要原因可能是2 年試驗(yàn)地點(diǎn)和基礎(chǔ)地力不同，且因氣候因素的影響，水稻對(duì)溫光的利用效率不同，導(dǎo)致了生育期植株的各器官氮素積累、分配、轉(zhuǎn)運(yùn)及生產(chǎn)效率的差異。

作物生長與土壤環(huán)境密不可分，而秸稈還田可對(duì)土壤溫度、濕度、容重和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等物理特性產(chǎn)生影響，還可影響土壤中氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)的含量[21–23]。在秸稈還田下，由于秸稈腐熟使土壤微生物大量繁殖及秸稈養(yǎng)分大量釋放到土壤中[24–25]，并通過土壤耕作方式[26]、水旱輪作模式[27]等管理措施，可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、降低耕層容重，增加不同耕層(0～5 cm 與5～15 cm)土壤的含水量，提高速效養(yǎng)分含量，達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力的目的。本研究中，除A2W1N2和A2W2N0外，同一水氮管理和生育期內(nèi)，秸稈堆腐還田的土壤脲酶活性均高于秸稈直接還田的，各生育期秸稈堆腐還田的平均土壤脲酶活性較秸稈直接還田的提高了4.8%～9.7%，尤其以成熟期秸稈堆腐還田的平均土壤脲酶活性顯著高于秸稈直接還田處理的。

本研究中，同一秸稈還田和施氮量及生育期內(nèi)，多數(shù)有氧灌溉處理的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于淹水灌溉處理的，成熟期有氧灌溉處理的平均土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于淹水灌溉處理的。其原因可能是淹水灌溉使土壤長期處于密閉狀態(tài)，影響土壤環(huán)境和秸稈腐解所致[28]。本研究中，隨著施氮量的增加，除A1W2N3外，土壤脲酶在分蘗盛期和拔節(jié)期呈遞增趨勢(shì)；在抽穂期和成熟期則先增加，在施氮量為150 kg/hm2時(shí)最高，繼續(xù)增加施氮量脲酶活性又反而降低。表明在秸稈堆腐還田處理下，有氧灌溉與適宜施氮量配施能更好地協(xié)調(diào)產(chǎn)量與氮肥生理利用效率，改善土壤理化性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)與氮肥高效利用的目的。

稻油輪作種植制度下，油菜秸稈堆腐還田與水氮管理可提高水稻氮肥利用效率，改善土壤理化性質(zhì)。本研究條件下，油菜秸稈堆腐還田、有氧灌溉與配施150 kg/hm2氮肥，可有效提高植株結(jié)實(shí)期氮素積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)率，增強(qiáng)水稻結(jié)實(shí)期土壤耕層脲酶活性，從而促進(jìn)水稻產(chǎn)量及氮肥利用率的同步提高。