彭志蕓,呂旭,伍雜日曲,舒川海,諶潔,向開宏,楊志遠(yuǎn),馬均*
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130;2.宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,四川 宜賓 644000)
氮素是作物需求量大且在土壤中較缺乏的礦質(zhì)元素,對(duì)調(diào)節(jié)和維持作物正常生長發(fā)育具有重要作用。土壤中能直接被作物吸收利用的氮有硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、分子氮和一些可溶性有機(jī)氮[1]。相關(guān)研究表明,秸稈還田后的氮素釋放能引起土壤氮素礦化的正激發(fā)效應(yīng),強(qiáng)化土壤的供氮能力[2]。嚴(yán)奉君[3]研究表明,秸稈還田后氮素釋放能提高水稻前中期0~20 cm 土層全氮含量。秸稈還田還能提高微生物活性及數(shù)量[4],而微生物量的增加可以加強(qiáng)土壤對(duì)銨態(tài)氮的固定,減少硝態(tài)氮的積累,降低氮肥的損失[5]。同時(shí),秸稈腐解后的養(yǎng)分釋放能提高土壤磷、鉀含量,促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收,有助于增產(chǎn)增效[6]。
氮肥運(yùn)籌能顯著調(diào)控土壤氮素含量,進(jìn)而影響稻株的氮素吸收和產(chǎn)量形成。王允青等[7]認(rèn)為,雜交中秈稻氮肥施用以m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=4∶3∶3 為宜;布哈麗且木·阿不力孜等[8]研究結(jié)果顯示,提高穗肥比例有利于水稻產(chǎn)量的提高。而在秸稈還田條件下,氮肥施用情況又有所不同。李勇等[9]研究表明,秸稈還田結(jié)合重基肥、輕蘗肥、補(bǔ)穗肥的施肥模式有較高的速效氮供應(yīng),有利于維持土壤氮素平衡,同時(shí),水稻增產(chǎn)9.3%。嚴(yán)奉君[3]研究認(rèn)為,秸稈覆蓋條件下均衡施氮能平衡稻株氮素吸收量與土壤氮素含量,且水稻各時(shí)期氮素吸收量和氮肥利用效率顯著提高,增產(chǎn)效應(yīng)達(dá)極顯著水平。
直播栽培水稻可以減輕用工強(qiáng)度,提升水稻生產(chǎn)效率[10]。麥?稻、油?稻模式是西南地區(qū)典型的輪作方式,在小麥、油菜收獲后進(jìn)行水稻直播,可有效地降低水稻生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益[11]。在生產(chǎn)上直播稻一般采取“前促、中控、后補(bǔ)”[12]的施肥策略。因此,本試驗(yàn)立足于麥?稻、油?稻輪作模式,設(shè)計(jì)了麥、油秸稈還田與3種氮肥運(yùn)籌,研究秸稈還田與氮肥前移、后移及均衡施肥對(duì)土壤氮素供應(yīng)及直播稻產(chǎn)量的影響,旨在為西南地區(qū)水稻綠色輕簡化栽培的合理施肥提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
試驗(yàn)于2018 年和2019 年在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)崇州試驗(yàn)基地開展,供試品種為在四川地區(qū)廣泛應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)雜交秈稻宜香優(yōu)2115(全生育期157 d)。耕層土壤(0~20 cm)質(zhì)地為砂壤土,其肥力情況(有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量)如表1 所示。水稻生育期間試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)由四川省氣象局提供(圖1)。
表1 試驗(yàn)田耕層土壤(0~20 cm)肥力狀況Table 1 Fertility status of topsoil(0-20 cm)in the test field
圖1 2018—2019年試驗(yàn)區(qū)水稻生育期平均氣溫和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during the growth period of rice in the experimental area from 2018 to 2019
采用2 年定位試驗(yàn)和兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì),麥茬田和油茬田同期播種。主區(qū)為秸稈處理:秸稈不還田(對(duì)照,M0)、秸稈全量翻埋還田(M1),2018 年、2019年小麥(油菜)秸稈還田量分別為5 300 kg/hm2(5 483 kg/hm2)、6 239 kg/hm2(6 993 kg/hm2)。副區(qū)在施氮量150 kg/hm2的基礎(chǔ)上設(shè)3 種氮肥運(yùn)籌模式:氮肥前移(N1)、均衡施氮(N2)、氮肥后移(N3),以不施氮肥為對(duì)照(N0)。供試水稻施肥管理:氮肥施用按不同運(yùn)籌處理(表2)進(jìn)行;磷肥75 kg/hm2,全作基肥施用;鉀肥150 kg/hm2,按m(基肥)∶m(穗肥)=5∶5 施用。試驗(yàn)用肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。
表2 不同氮肥運(yùn)籌模式下水稻各生育時(shí)期的施氮量Table 2 Nitrogen application amounts of rice at different growth stages under different nitrogen fertilizer management models kg/hm2
小麥(油菜)籽粒收獲后秸稈經(jīng)機(jī)器粉碎至5~10 cm,在旋耕整田時(shí)全量翻耕還田(M1),不還田(M0)處理將秸稈移出田間。水稻浸種后于2018 年5月15日采用人工模擬機(jī)械精量穴直播進(jìn)行濕潤播種,行間距為25 cm×20 cm,播量為3~5 粒/穴。2019 年為定位試驗(yàn),在原小區(qū)內(nèi)整田,于5 月18 日播種,整田和播種方式均與2018年一致。每個(gè)處理3 次重復(fù),小區(qū)面積為15 m2,小區(qū)間筑埂(寬40 cm),并用塑料薄膜包裹,防止水肥互串。病蟲草害防治等均按照常規(guī)田間管理進(jìn)行。
1.3.1 土樣全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的測定
于水稻拔節(jié)期、齊穗期和成熟期采用5 點(diǎn)取樣法,分別在各小區(qū)行間中點(diǎn),用取土器分別對(duì)0~10、>10~20 cm 土層進(jìn)行取樣。經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎、過篩(100目)后,采用凱氏定氮法測定土樣全氮含量,采用氯化鉀浸提?靛酚藍(lán)比色法測定其銨態(tài)氮含量,采用雙波長紫外分光光度法測定其硝態(tài)氮含量[13]。
1.3.2 稻株氮素積累的測定
分別于拔節(jié)期、齊穗期、成熟期在每小區(qū)選取長勢一致且無病蟲害的水稻3 穴,在烘箱中以105 ℃殺青45 min 后,在80 ℃條件下烘干至恒量,稱量、粉碎、過篩(100 目)后,用UDK169 型凱氏定氮儀(意大利Velp Scientifica公司)測定各生育期稻株全氮含量。
1.3.3 水稻產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)
于成熟期去除邊行水稻和按實(shí)際穴數(shù)進(jìn)行收獲,并按標(biāo)準(zhǔn)含水量13.5%計(jì)算水稻產(chǎn)量。
用Excel 2007、DPS 6.5 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用最小顯著差數(shù)法(least significant difference,LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。用Origin 9.0軟件作圖。
秸稈處理僅對(duì)麥茬田成熟期0~10 cm 土層及油茬田齊穗期0~10 cm 土層的銨態(tài)氮含量有極顯著的影響,氮肥運(yùn)籌對(duì)直播稻不同生育期的土壤銨態(tài)氮含量有顯著或極顯著的調(diào)控效應(yīng),且有顯著或極顯著的互作效應(yīng)(表3)。
相較秸稈不還田,秸稈還田后麥茬田直播稻各生育期0~10 cm 土層銨態(tài)氮含量均呈不同程度的減少,成熟期減少了32.21%,>10~20 cm土層的銨態(tài)氮含量在齊穗后有一定增加。油茬田中秸稈還田后直播稻各生育期0~10 cm 土層銨態(tài)氮含量均較不還田高,拔節(jié)期、齊穗期、成熟期分別提高15.13%、9.00%、10.03%(表3)。
就氮肥運(yùn)籌而言,在秸稈不還田情況下,齊穗期麥茬田0~10 cm土層銨態(tài)氮含量以N3處理最高,成熟期以N1處理最高。油茬田0~10 cm 土層銨態(tài)氮含量在水稻各生育期無顯著差異,拔節(jié)期和齊穗期>10~20 cm土層銨態(tài)氮含量為N1處理顯著高于N2、N3處理。秸稈還田后,拔節(jié)期麥茬田0~10 cm土層銨態(tài)氮含量以N3處理最高,齊穗后以N1處理更高,>10~20 cm土層銨態(tài)氮含量在水稻各生育期以N0處理較高。油茬田0~10 cm 土層銨態(tài)氮含量在水稻各生育期整體上以N1處理較高,拔節(jié)期>10~20 cm 土層銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為N3>N2>N1,齊穗后以N2處理更高(表3)。
表3 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)稻田各土層銨態(tài)氮含量的影響(2018年)Table 3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on ammonium nitrogen (NH+4-N) content in each soil layer of paddy field under wheat(rape)-rice rotation(2018) mg/kg
秸稈處理及氮肥運(yùn)籌對(duì)不同時(shí)期的土層硝態(tài)氮含量存在顯著或極顯著影響,且有顯著或極顯著的互作效應(yīng)(表4)。
相較秸稈不還田,秸稈還田后,麥(油)茬田土層硝態(tài)氮含量在拔節(jié)期和齊穗期表現(xiàn)為有增有減,成熟期麥(油)茬田0~10、>10~20 cm土層硝態(tài)氮含量較秸稈不還田均有不同程度的降低,分別減少44.22%(30.99%)、8.05%(20.09%)(表4)。
就氮肥運(yùn)籌來看,在秸稈不還田情況下,麥茬田拔節(jié)期0~10、>10~20 cm土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為N1>N2>N3,齊穗后0~10 cm土層硝態(tài)氮含量以N2處理最高,齊穗期>10~20 cm 土層硝態(tài)氮含量為N3處 理 較N1、N2處 理 顯 著 提 高175.57%、171.43%。油茬田各時(shí)期0~10 cm土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為N3處理最高,齊穗期>10~20 cm 土層硝態(tài)氮含量以N2處理最高。秸稈還田后,麥(油)茬田0~10、>10~20 cm土層硝態(tài)氮含量無明顯變化規(guī)律,整體上以N1、N2處理較高(表4)。
表4 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)稻田各土層硝態(tài)氮含量的影響(2018年)Table 4 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on nitrate nitrogen (NO-3-N) content in each soil layer of paddy field under wheat(rape)-rice rotation(2018) mg/kg
從表5~6可知,2018年秸稈處理僅對(duì)麥茬田拔節(jié)期0~10 cm 土層及齊穗期、成熟期>10~20 cm土層的全氮含量有顯著或極顯著影響,2019年則顯著或極顯著調(diào)控麥茬田>10~20 cm土層各時(shí)期及油茬田>10~20 cm 土層齊穗期的全氮含量,氮肥運(yùn)籌對(duì)不同時(shí)期土層全氮含量有顯著或極顯著影響,且有不同程度的互作效應(yīng)。
就年際間來看,2019 年成熟期麥(油)茬田0~10 cm 土層全氮含量較2018 成熟期在秸稈不還田、秸稈還田情況下分別提高了7.19%(10.00%)、4.09%(7.43%)。2 種秸稈還田模式下不施氮肥處理各時(shí)期的0~10、>10~20 cm土層全氮含量整體低于其他處理,施用氮肥后除成熟期0~10 cm 土層外,2018年麥茬田0~10、>10~20 cm土層全氮含量仍較秸稈不還田低,2019年麥茬田0~10 cm土層全氮含量較秸稈不還田差異減小。2年試驗(yàn)中油茬田土壤全氮含量在秸稈處理間差異較小。
就氮肥運(yùn)籌而言,2018年麥(油)茬田0~10 cm土層的全氮含量在秸稈不還田條件下拔節(jié)期以N1處理較高,齊穗后N1處理顯著低于N2、N3處理,秸稈還田后麥茬田土層全氮含量在水稻各生育期表現(xiàn)為N2處理低于N1、N3處理,油茬田各施氮處理差異不顯著。2019 年麥茬田秸稈還田后拔節(jié)期N1處理全氮含量高于其他各處理,齊穗后各施氮處理全氮含量差異減小,油茬田土層全氮含量在水稻各生育期以N1處理較高。2 年試驗(yàn)中,麥(油)茬田>10~20 cm土層全氮含量在水稻全生育過程中無明顯變化規(guī)律,綜合來看,各時(shí)期土層全氮含量以N1處理較高(表5~6)。
表5 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)稻田各土層全氮含量的影響(2018年)Table 5 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on total nitrogen content in each soil layer of paddy fieldunder wheat(rape)-rice rotation(2018) g/kg
從圖2可見:較秸稈不還田,秸稈還田處理下除2018年麥茬田直播稻拔節(jié)期的氮素積累量較低外,其他時(shí)期的氮素積累量均有所提高,2018 年麥茬田、油茬田直播稻成熟期氮素積累量較不還田提高7.13%、8.50%,2019 年增至15.17%、17.12%。就氮肥運(yùn)籌而言,2018年拔節(jié)期麥(油)茬直播稻氮素積累量表現(xiàn)為N1>N2>N3,2019年在秸稈未還田情況下表現(xiàn)趨勢一致,在秸稈還田后以N2處理氮素積累量更高。齊穗期和成熟期2 年趨勢一致,在秸稈不還田時(shí)氮素積累量呈N3>N2>N1變化趨勢,秸稈還田后則表現(xiàn)為N2>N3>N1。
圖2 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)直播稻氮素積累的影響Fig.2 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on nitrogen accumulation in direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation
對(duì)比2年產(chǎn)量數(shù)據(jù)可知,2019年麥、油茬田直播稻較2018 年減產(chǎn)448、352 kg/hm2(圖3)。2018 年麥、油茬田直播稻秸稈還田較不還田分別增產(chǎn)0.94%、1.43%,2019年增至6.60%、7.42%。對(duì)于氮肥運(yùn)籌,麥(油)茬田直播稻在秸稈不還田時(shí)產(chǎn)量表現(xiàn)為N3>N2>N1,秸稈還田后產(chǎn)量表現(xiàn)為N2>N3>N1。
圖3 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥管理對(duì)直播稻產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on yield of direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation
由相關(guān)性分析(表7)可知:麥?稻輪作模式下0~10 cm 土層中拔節(jié)期銨態(tài)氮含量與稻株氮素積累總量及產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān),齊穗期硝態(tài)氮含量、無機(jī)氮總含量與稻株氮素積累總量呈顯著正相關(guān);>10~20 cm土層中僅拔節(jié)期硝態(tài)氮含量、無機(jī)氮總含量與稻株氮素積累總量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。油?稻輪作模式下0~10 cm土層中齊穗期硝態(tài)氮含量與稻株氮素積累總量及產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),成熟期銨態(tài)氮含量與稻株氮素積累總量及產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)。
表7 麥(油)-稻輪作下0~20 cm土層無機(jī)氮含量與直播稻氮素積累總量及產(chǎn)量的相關(guān)性(2018年)Table 7 Correlation between inorganic nitrogen contents in the 0-20 cm soil layer and total nitrogen accumulation, yield of direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation(2018)
秸稈還田和化肥配施是提高土壤肥力的有效措施。王保君等[14]研究表明,秸稈還田配施240 kg/hm2的氮肥后土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、總有機(jī)碳含量顯著提高,而銨態(tài)氮、可溶性有機(jī)碳和微生物碳含量顯著減少;劉玲玲[15]研究也顯示,秸稈還田配施氮肥后土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量有所減少。本研究結(jié)果顯示,麥?稻輪作模式下無機(jī)氮含量變化與上述研究一致,油?稻輪作模式下銨態(tài)氮含量有所增加。這可能與基礎(chǔ)土壤肥力和秸稈還田種類有較大關(guān)系。在2種輪作模式下秸稈還田與不還田土壤全氮含量并無顯著差異,但2018、2019年秸稈還田后麥(油)茬田直播稻的氮素積累總量較不還田提高了7.13%(8.50%)、15.17%(17.12%)。說明在相同的氮肥施用量下,秸稈還田后能促進(jìn)稻株對(duì)氮素的吸收利用,且秸稈還田后2019年試驗(yàn)結(jié)束時(shí)麥(油)茬田0~10 cm 土層全氮含量較2018 年成熟期提高了4.09%(7.43%)。可見,秸稈連續(xù)還田后能充實(shí)土壤氮庫,提高稻株氮素吸收能力。這與秸稈還田后自身的養(yǎng)分釋放[16]以及能有效改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)根系養(yǎng)分吸收[17]有較大關(guān)系。
表6 麥(油)-稻輪作下秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)稻田各土層全氮含量的影響(2019年)Table 6 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on total nitrogen content in each soil layer of paddy fieldunder wheat(rape)-rice rotation(2019) g/kg
土壤氮素含量主要取決于外源氮素投入和地上部稻株群體的吸收量。本研究中,拔節(jié)期0~10、>10~20 cm土層總體上以氮肥前移(N1)處理的無機(jī)氮及全氮含量較大,這與前期大量氮肥施入有關(guān)。前期氮肥大量施入不利于根系的下扎[18],而其中后期未施入氮肥,導(dǎo)致拔節(jié)后的物質(zhì)生產(chǎn)能力不強(qiáng),進(jìn)一步影響其根系對(duì)土壤氮素的吸收利用,因此,N1處理下0~10 cm 土層銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮含量在水稻全生育期都維持在較高水平。林晶晶
等[19]指出,基肥對(duì)于稻株氮素吸收的貢獻(xiàn)僅占4.13%~10.59%??梢?,氮肥前移模式不利于稻株的氮素吸收,肥料浪費(fèi)嚴(yán)重。白志剛[20]研究認(rèn)為,提高穗肥比例能減少氮素流失,且水稻全生育期氮素積累量可提高9.10%~34.67%。本研究中,秸稈還田結(jié)合均衡施氮(N2)處理的直播稻氮素積累量顯著高于其他處理,與嚴(yán)奉君等[21]的研究結(jié)果一致。
前人研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田能培肥地力,提高水稻產(chǎn)量,且增產(chǎn)效應(yīng)隨還田時(shí)間延長而增加[22?23]。本研究中2 年試驗(yàn)結(jié)果顯示,秸稈還田均能提高直播稻產(chǎn)量,且以第2年還田增產(chǎn)效果更好,再一次證實(shí)了前人的研究結(jié)果。本試驗(yàn)結(jié)果還顯示,隨氮肥后移量的提高,麥(油)茬直播稻產(chǎn)量在秸稈不還田情況下呈增大趨勢,而秸稈還田后呈先增大后減小趨勢??梢姡谥辈ピ耘嗨緯r(shí),秸稈還田后氮肥后移量不宜太高,結(jié)合均衡施肥更利于直播稻產(chǎn)量的提高。
同時(shí),本試驗(yàn)結(jié)果還表明,油?稻輪作模式下秸稈還田的增產(chǎn)效果較麥?稻輪作模式更佳,這可能與秸稈還田量和秸稈種類有較大關(guān)系。本研究2年秸稈還田量中油菜秸稈均大于小麥秸稈。武際等[24]研究表明,油菜秸稈的腐解率及養(yǎng)分釋放量均優(yōu)于小麥秸稈;嚴(yán)奉君[25]通過15N 標(biāo)記發(fā)現(xiàn),油菜秸稈還田后水稻對(duì)秸稈氮素吸收量較小麥秸稈還田后更高。由于本試驗(yàn)的麥?稻、油?稻輪作模式在不同田塊間進(jìn)行,模糊了不同田塊間的土壤肥力差異,因此,后續(xù)有必要在同一土壤肥力條件下系統(tǒng)比較麥?稻、油?稻輪作周年作物養(yǎng)分吸收差異和產(chǎn)量形成,從而進(jìn)一步指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
土壤中的無機(jī)氮是水稻可直接吸收利用的氮源之一,土壤氮素供應(yīng)不足,無法滿足水稻生長需要,會(huì)造成植株生長停滯,導(dǎo)致減產(chǎn);而土壤氮素含量過高,則容易破壞土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分保持,最終制約產(chǎn)量的提高[26]。外源氮素的投入是決定土壤無機(jī)氮含量多少的主要原因,合理的氮肥施入能促進(jìn)稻株氮素吸收,維持土壤氮素平衡[27]。本試驗(yàn)中相關(guān)性分析結(jié)果表明,拔節(jié)期和齊穗期的土壤氮素供應(yīng)有利于直播稻氮素吸收,提高產(chǎn)量。這可能是由于直播稻營養(yǎng)生長期群體質(zhì)量大,群體吸氮量高[28],故對(duì)土壤氮素的需求大。表明在直播水稻生產(chǎn)中通過均衡施肥保障水稻拔節(jié)和齊穗期充足的氮素供應(yīng)更利于產(chǎn)量的提升。
在麥?稻和油?稻2 種輪作模式下,秸稈還田均能提高齊穗期后直播稻的氮素積累量,但是土壤硝態(tài)氮和全氮含量較秸稈不還田處理有所降低。第2年秸稈還田后較第1 年土壤全氮含量有所提高,配合均衡施氮模式能顯著提高麥(油)茬直播稻的氮素積累總量,增產(chǎn)顯著。因此,2種輪作模式均可在秸稈還田條件下,通過氮肥的均衡施用,實(shí)現(xiàn)直播稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),以油?稻輪作模式下增產(chǎn)效果更佳。