長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響

彭成林，佀國涵，趙書軍，袁家富，呂洪九，徐祥玉，徐大兵，謝媛圓，周劍雄

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植保土肥研究所/國家土壤質(zhì)量洪山觀測實驗站，湖北 武漢 430064；2.潛江市后湖管理區(qū)農(nóng)業(yè)辦公室，湖北 潛江 433199）

稻 蝦[水 稻（Oryza sativaL.）-克 氏 原 螯 蝦（Procambarus clarkii）]共作模式是我國長江中下游地區(qū)一種稻田種養(yǎng)結(jié)合的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中引入克氏原螯蝦不僅能夠大幅提高水、肥和能量的利用率，增強稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力[1‐2]，而且促進(jìn)了系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)，阻止了稻田物質(zhì)流的外溢，使稻田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能得到改善和提高[3‐4]。目前，該模式成為江漢平原低湖地區(qū)水稻生產(chǎn)的主要模式之一。在稻蝦共作模式下，水稻秸稈的持續(xù)全量還田、水草的種植、飼料殘餌、小龍蝦的蛻殼及排泄物、水稻水肥管理措施等因素綜合影響土壤肥力[5]。相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤截存的氮和磷量，系統(tǒng)鉀表現(xiàn)盈余，水稻產(chǎn)量顯著提高[6‐9]。

由于水稻直播符合現(xiàn)代稻作輕簡化的發(fā)展方向，其應(yīng)用面積呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大趨勢，成為部分水稻種植地區(qū)的主要栽培方式［10‐11］。該栽培方式在稻蝦共作區(qū)域也得到快速發(fā)展。氮素是水稻產(chǎn)量最敏感的限制因素之一［12］，但是我國水稻氮肥當(dāng)季平均利用率僅為35%［13］。因此，提高氮素利用效率，降低氮素?fù)p失是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［14］。氮肥運籌對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成、氮肥利用率的提升起決定性作用[15‐16]。目前，關(guān)于氮肥運籌對水稻生長、產(chǎn)量、氮肥利用率的影響研究很多[15‐21]，但稻蝦共作模式下直播水稻上的氮肥研究很少［22］，且其研究的是施氮量［22］，關(guān)于氮肥的基肥、分蘗肥、穗肥配比研究尚未見報道。為此，研究長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響，以期為江漢平原低湖地區(qū)稻蝦共作模式下水稻的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗地位于湖北省潛江市白鷺湖農(nóng)場關(guān)山分場（30°11′36.07″N、112°43′22.68″E），屬于江漢平原低湖區(qū)，具北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。試驗前稻蝦共作模式（CR）和水稻單作模式（MR）耕作層土壤養(yǎng)分狀況見表1。

表1 試驗前稻田耕作層土壤養(yǎng)分含量Tab.1 Soil nutrient content of the experimental plots

供試水稻品種為中稻華潤2 號，是湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所和湖南亞華種子有限公司共同選育的常規(guī)水稻品種，達(dá)到了湖南省一等優(yōu)質(zhì)稻標(biāo)準(zhǔn)[23]。

1.2 試驗設(shè)計

稻蝦共作模式試驗田每年10 月至次年5 月，田面泡水養(yǎng)蝦，水深20～40 cm；而水稻單作模式試驗田冬季休耕，田不泡水；2 種模式每年6—9 月種植水稻，此期間水分管理等栽培管理措施基本一致，水稻秸稈全量還田。2 種模式的試驗田相鄰，其中稻蝦共作模式試驗田于2005 年水稻收割后挖蝦溝養(yǎng)蝦，2006 年為第1 年種植水稻，2021 年為連續(xù)第16年種植水稻。

試驗設(shè)6 個氮肥運籌處理（表2）：T1—T5 處理的純氮施用量均為105 kg/hm2，基肥分別占50%、40%、30%、20%、0；T6 處理不施氮肥。所有處理P2O5施用量均為31.5 kg/hm2，且全部作基肥；K2O 施用量為52.5 kg/hm2，其中基肥占50%、追肥占50%。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每處理設(shè)3 次重復(fù)，小區(qū)面積25 m2。各小區(qū)單獨起田埂，并用塑料薄膜覆蓋包埋，區(qū)組間留40 cm 寬的水溝，保證各小區(qū)能獨立排灌，田水互不滲竄，方便灌排水和農(nóng)事操作。試驗于6 月7 日播種，播種量為60 kg/hm2，人工撒直播，9月30日收割。

表2 各處理氮肥運籌情況Tab.2 Nitrogen fertilizer management of each treatment

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株全氮、全磷、全鉀含量 于成熟期，取各小區(qū)代表性稻株0.25 m2，測定秸稈和籽粒中的全氮、全磷、全鉀含量。植物樣品采用H2SO4-H2O2消煮，全氮、全磷含量采用SEAL Auto Analyzer3 連續(xù)流動分析儀測定，全鉀含量采用火焰光度計法測定，然后計算氮、磷、鉀積累量。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 成熟期，各處理取0.25 m2用于考種，測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量。各小區(qū)全部實收測產(chǎn)。

1.3.3 氮肥利用效率 參考張福鎖等[24]、鄒娟等[25]和劉宏斌等[26]的方法，用以下參數(shù)來表征氮肥的利用效率。

氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity from applied N，PFPN）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（Agronomic efficiency of applied N，AEN）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（Apparent recovery efficiency of applied N，AREN）=（施氮區(qū)作物吸氮量-無氮區(qū)作物吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥貢獻(xiàn)率（Fertilizer contribution rate of applied N，F(xiàn)CRN）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）／施氮區(qū)產(chǎn)量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用DPS 18.10 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著性檢驗（LSD）法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻氮、磷、鉀積累量的影響

由表3可知，對于水稻氮、磷、鉀的積累量，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，2種模式下均以不施氮肥處理最低，總體上與其他處理之間的差異均達(dá)到顯著水平。對于水稻單作模式，當(dāng)?shù)时壤秊?0%和20%時，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，氮、磷、鉀的積累量均較高。對于稻蝦共作模式，當(dāng)?shù)时壤秊?0%和0 時，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，氮、磷、鉀的積累量總體上均較高。在相同氮肥運籌方式下，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式秸稈+籽粒和籽粒中氮、磷、鉀積累量均增加。其中，秸稈+籽粒中氮、磷、鉀積累量分別增加24.4%、45.2%、15.8%，籽粒中氮、磷、鉀積累量分別增加27.0%、50.3%、36.5%。上述結(jié)果表明，水稻單作模式下氮基肥比例為30%和20%、稻蝦共作模式下氮基肥比例為20%和0，均有利于水稻對氮、磷、鉀的吸收；在相同氮肥運籌方式下，稻蝦共作模式較水稻單作模式能大幅促進(jìn)水稻對氮、磷、鉀的吸收。

表3 稻蝦共作和水稻單作模式下氮肥運籌對直播水稻氮、磷、鉀積累量的影響Tab.3 Effect of nitrogen fertilizer management on accumulation of nitrogen，phosphorus and potassium in direct?seeding rice under integrated rice-crayfish model and rice monoculture model kg/hm2

2.2 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表4可知，對于所有施氮處理，水稻單作模式下，氮基肥比例降至30%及以下時，產(chǎn)量均顯著高于氮基肥比例40%及以上處理，且有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量分別平均增加6.08%、-0.94%、4.42%和0.85%。稻蝦共作模式下，當(dāng)?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理，且氮基肥比例20%處理與0 處理間沒有顯著差異；氮基肥比例降至20%及以下時，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量分別較氮基肥比例30%及以上時平均增加1.31%、-0.91%、5.95%和0.55%。綜上，水稻單作模式下氮基肥比例降至30%及以下、稻蝦共作模式下氮基肥比例降至20%及以下，水稻增產(chǎn)主要是通過增加有效穗數(shù)和提高結(jié)實率來實現(xiàn)的。

表4 稻蝦共作和水稻單作模式下氮肥運籌對直播水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Tab.4 Effect of nitrogen fertilizer management on yield and its components of direct?seeding rice under integrated ricecrayfish model and rice monoculture model

相同氮肥運籌方式下，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式水稻有效穗數(shù)增加8.3%～16.3%，平均增加13.7%；穗粒數(shù)增加-6.9%～6.4%，平均增加-3.1%；結(jié)實率增加-1.8%～6.7%，平均增加1.9%；千粒質(zhì)量增加-0.4%～3.06%，平均增加2.1%。綜上，在相同氮肥運籌方式下，長期稻蝦共作模式相對水稻單作模式主要是通過增加有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)。

2.3 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻氮肥利用效率的影響

由表5 可知，水稻單作模式下，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥貢獻(xiàn)率總體以氮基肥比例20%處理最高，其次是氮基肥比例30%和0處理；氮肥表觀利用率以氮基肥比例30%處理最高。稻蝦共作模式下，當(dāng)?shù)时壤抵?0%及以下時，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥貢獻(xiàn)率均顯著高于其他處理，且氮基肥比例20%處理與0 處理間沒有顯著差異。總體而言，隨氮基肥比例的下降，2種模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻(xiàn)率總體上呈先上升后下降的趨勢，與產(chǎn)量的變化趨勢基本一致。

在相同氮基肥比例條件下，長期稻蝦共作模式氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥表觀利用率分別較水稻單作模式平均提高9.5%、21.3%，氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥貢獻(xiàn)率分別較水稻單作模式下降17.4%和24.5%。綜上，長期稻蝦共作模式相對于水稻單作模式能較大幅度提高氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率，但降低氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，直播稻營養(yǎng)生長期縮短，前中期物質(zhì)積累量相對偏低，中后期生長量大［27‐29］。楊波[30]以蘇北蘇中主推的4 個中粳水稻品種為試材，研究發(fā)現(xiàn)直播稻中期生長旺盛，物質(zhì)生產(chǎn)增加的同時增強了植株對氮素的吸收，中期氮素積累量大，至拔節(jié)期其氮素積累量接近手栽稻90%；同時，直播稻無效分蘗較多，雖然無效分蘗衰退時，氮素可以進(jìn)一步運輸至其他器官再利用，但這不僅在時間上具有一定的滯后性，同時也影響了該階段有效分蘗的正常生長；此外，直播稻氮素向籽粒輸送能力較差，在抽穗以后，其氮素積累能力較弱。因此，直播稻在不同生育時期對于氮素的需求與移栽水稻并不一致。喬月等［31］研究發(fā)現(xiàn)，直播稻基肥施較多的氮肥并不會顯著促進(jìn)苗期氮素吸收積累，氮肥適當(dāng)后移（基肥∶分蘗肥=4∶6）有助于直播稻的氮素吸收。張祖建等［32］認(rèn)為，氮肥運籌比例主要對穗粒數(shù)產(chǎn)生影響，在氮肥施用量270 kg/hm2、基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3 時產(chǎn)量最高。趙鋒等［33］在江漢平原的直播稻研究中發(fā)現(xiàn)，提高后期氮肥的施用比例，能顯著降低無效分蘗數(shù)，提高功能葉葉綠素含量、葉面積指數(shù)、光合速率和灌漿期葉片氮含量及植株氮積累量，從而形成合理群體，改善灌漿結(jié)實，提高產(chǎn)量，30%氮作基肥、30%氮作分蘗肥、40%氮作穗肥時產(chǎn)量最高。本研究綜合考慮產(chǎn)量、氮肥利用效率以及對磷、鉀吸收的促進(jìn)效果，稻蝦共作模式下氮基肥適宜比例為20%和0，水稻單作模式下氮基肥適宜比例為30%和20%，降低氮基肥比例（氮肥后移）能提高水稻產(chǎn)量，促進(jìn)水稻對氮的吸收，這與前人［30‐33］研究結(jié)果一致，但氮基肥適宜比例低于前人［30‐33］研究結(jié)果，且降低氮基肥比例還能促進(jìn)水稻對磷、鉀的吸收。

在稻蝦共作模式與水稻單作模式的對比研究方面，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤養(yǎng)分含量[6‐7]。與水稻單作模式相比，長期稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量大幅增加，氮肥利用效率提高，在施氮水平較低時，增產(chǎn)和提升效果更明顯［22］。佀國涵等[34]、劉卿君[35]也認(rèn)為，稻蝦共作模式可以顯著提高水稻產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，不施氮條件下，稻蝦共作模式產(chǎn)量較水稻單作模式增加了14.7%，增產(chǎn)幅度較大，與前人[22，34‐35]研究結(jié)果基本一致，主要原因可能是稻蝦共作模式相對于水稻單作模式提高了土壤基礎(chǔ)肥力。土壤基礎(chǔ)肥力是影響作物產(chǎn)量的重要因素[36]。土壤基礎(chǔ)肥力的提升有助于提高作物產(chǎn)量[37]。高地力稻田產(chǎn)量均高于低地力稻田，土壤基礎(chǔ)地力越高，水稻產(chǎn)量越高[38]。在稻蝦共作模式下，由于水稻秸稈的持續(xù)全量還田、水草的種植、飼料殘餌、小龍蝦的蛻殼及排泄物、水稻水肥管理措施等綜合因素提高了土壤肥力[9]，因此，產(chǎn)量顯著高于水稻單作模式。本研究結(jié)果表明，結(jié)合直播稻前中期物質(zhì)積累量相對偏低的營養(yǎng)特性，以及稻蝦共作模式對土壤基礎(chǔ)肥力的促進(jìn)作用，使其前期對化肥氮的依賴程度更低。因此，在相同施氮量條件下氮肥基施比例可降至20%甚至0亦可滿足前期對氮素的需求。

總而言之，本研究結(jié)果表明，稻蝦共作模式下，當(dāng)?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于氮基肥比例30%及以上的處理；水稻單作模式下，當(dāng)?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于氮基肥40%及以上的處理，且主要是通過增加有效穗數(shù)和結(jié)實率來實現(xiàn)增產(chǎn)的。隨氮基肥比例的下降，2種模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻(xiàn)率總體與產(chǎn)量的變化趨勢一致。稻蝦共作模式下氮基肥比例為20%和0、水稻單作模式下氮基肥比例為30%和20%，均有利于水稻對氮、磷、鉀的吸收。此外，長期稻蝦共作模式相對于水稻單作模式能較大幅度提高水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率，促進(jìn)水稻對氮、磷、鉀的吸收，且主要是通過增加有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)的。