秸稈還田配合氮肥減量對稻田土壤養分、碳庫及水稻產量的影響

王保君，程旺大，陳 貴，沈亞強，張紅梅

(浙江省嘉興市農業科學研究院(所)，浙江 嘉興 314016)

水稻是喜氮作物，增施氮肥是實現水稻穩產和高產的有效途徑。然而，過多的氮肥施用不僅會使水稻徒長，病蟲草害加劇，后期水稻倒伏概率增加，嚴重影響水稻產量[1]，而且也會明顯降低氮肥的利用效率[2]。此外，長期單一地施用化肥也會對農田土壤結構產生負面影響[3]。

作物秸稈中富含大量的氮、磷、鉀和微量元素，是重要的有機碳源[4]。秸稈還田作為秸稈回收利用的重要方式，不僅可以解決秸稈焚燒帶來的環境污染等問題[5]，而且可以循環補充土壤養分，減少化肥施用量[6]。

農田土壤養分可以有效反映土壤肥力的內部狀況，是農業豐產的有力保證。土壤有機碳不僅是作物生長的養分來源，而且也是土壤微生物生命活動重要的能量來源[7]。其中，土壤活性有機碳可以作為評價土壤質量的早期指標[8]。因此，土壤養分和土壤碳庫可以用于反映秸稈還田和施肥措施的合理性。前人關于秸稈還田和施肥對土壤質量影響的研究較多[9-10]，但是將秸稈還田釋放的氮素作為水稻整個生育期總供氮量的一部分，以相應地調減氮肥投入量，來開展秸稈還田和氮肥減量對稻田土壤和水稻產量影響的研究卻較少。本研究通過大田試驗，研究秸稈還田和氮肥減量對稻田土壤養分、碳庫和水稻產量的影響，以期為我國農業減少氮肥投入量、優化農業資源利用提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年6月至2017年11月在浙江省嘉興市秀洲區王江涇鎮雙橋試驗基地(120°42′42″E， 30°50′20″N)進行。試驗地屬亞熱帶季風氣候，海拔10 m，年平均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 194 mm，年均日照時間1 950 h，年輻射量462 kJ·cm-2，年無霜期245 d。試驗田土壤類型為長三角地區典型的青紫泥，0—20 cm土層土壤基本理化性狀：有機質30.28 g·kg-1，全氮2.31 g·kg-1，速效磷13.52 mg·kg-1，速效鉀56.13 mg·kg-1，銨態氮21.52 mg·kg-1，硝態氮6.28 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 試驗設計

本試驗采用2因素隨機區組設計，分別為秸稈是否還田和供氮量2個因素。根據嘉興當地施肥習慣，水稻整個生育期總供氮量設不施氮(N0)、低施氮量(NL)、中施氮量(NM)、高施氮量(NH)4個水平，共計8個處理，每處理重復3次，共24個試驗小區，每小區面積36 m2(6 m×6 m)。小區間筑埂(埂寬40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止串水串肥。試驗秸稈來源于上一年水稻收獲后的秸稈，將秸稈混勻后經人工粉碎成5～10 cm的稻草段，用于當季水稻試驗。所有秸稈還田處理均在當季水稻移栽前1個月內處理完畢。結合相關文獻和當地生產實際，水稻秸稈全量還田的還田量約為7 500 kg·hm-2，水稻秸稈的含氮量為0.83%，當季秸稈腐解率為49.17%，因此秸稈全量還田后約相當于增施氮(以純氮計)30 kg·hm-2[11-13]。本研究秸稈還田和施氮量處理方案如表1所示。

1.3 田間管理

本試驗供試水稻品種為嘉58，耕作方式為單季稻—冬閑一熟制。試驗進行2 a，分別于2016年6月19日和2017年6月25日人工移栽，移栽葉齡為5葉，移栽行株距為20.0 cm×16.7 cm，每穴2株。各處理氮肥施用量(以純N計)按基肥、分蘗肥、穗肥用量2∶2∶1的比例分配。基肥于移栽前1 d施入，分蘗肥分別于2016年7月13日和2017年7月11日施入，穗肥分別于2016年8月8日和2017年8月7日施入。磷、鉀肥全部作基肥施用，施用量(分別以P2O5、K2O計)分別為42、150 kg·hm-2。各處理水稻生長期間水分管理模式和病、蟲、草害防治與當地常規田間管理相同。水稻收獲時間分別為2016年11月5日和2017年11月13日。

1.4 測定內容及方法

在2017年11月12日，水稻收獲前1 d取樣，用土鉆在試驗地各小區采用五點取樣法收集土層深度為0—20 cm的土壤樣品，混合后帶入實驗室，剔除石塊和動植物殘體等雜質，測定土壤養分(全氮、速效磷、速效鉀、銨態氮和硝態氮)和土壤碳庫(總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、土壤微生物碳)含量。土壤全氮采用半微量開氏消煮法測定[14]，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[14]，速效鉀采用火焰光度計法測定[14]，銨態氮采用靛酚藍比色法測定[14]，硝態氮采用紫外分光光度法測定[14]，土壤總有機碳和可溶性有機碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定[15-16]，土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化比色法測定[17]，土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測定[18]。

表1試驗處理方案

Table1Design of straw returning and nitrogen application methods

處理Treatment稻草還田量Straw returning amount/(kg·hm-2)施氮(N)量Application rate of N/(kg·hm-2)總供氮量Total application rate of N/(kg·hm-2)N0000NL0195195NM0270270NH0345345SN07500030SNL7500165195SNM7500240270SNH7500315345

水稻收獲前每小區隨機采集20穴水稻植株，用網袋裝好，帶回室內考種，主要測定總穗數、有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重等。水稻成熟后，各小區單獨收割脫粒曬干，測產。

1.5 數據處理及分析

僅選取2017年(第2年)試驗數據進行分析，用SPSS 20.0軟件進行方差分析，用Microsoft Office Excel 2003軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 對稻田土壤養分的影響

由表2可知，在水稻整個生育期，在不同供氮水平下，秸稈還田處理對土壤養分含量的影響不盡相同：與N0相比，SN0處理的速效磷顯著(P<0.05)增加了29.52%，銨態氮顯著(P<0.05)減少了20.37%；與NL相比，SNL處理的全氮顯著(P<0.05)增加了18.90%，銨態氮顯著(P<0.05)減少了12.85%；與NM相比，SNM處理的有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著(P<0.05)增加了33.86%、13.83%、54.64%和21.60%，銨態氮顯著(P<0.05)減少了13.69%；與NH相比，SNH處理的銨態氮顯著(P<0.05)增加了10.41%。

無秸稈還田條件下，與N0相比，NL的全氮含量顯著(P<0.05)減少了11.19%，銨態氮和硝態氮含量分別顯著(P<0.05)增加了39.47%和106.38%，NM、NH的銨態氮含量分別顯著(P<0.05)增加了20.63%、20.96%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL的速效磷、速效鉀含量分別顯著(P<0.05)減少了29.25%和16.90%，銨態氮和硝態氮含量分別顯著(P<0.05)增加了52.65%和108.76%；SNM的全氮、銨態氮和硝態氮含量分別顯著(P<0.05)增加了11.07%、30.76%和61.78%；SNH的銨態氮和硝態氮含量分別顯著(P<0.05)增加了67.72%和71.97%。

2.2 對稻田土壤碳庫的影響

由圖1可知，在水稻整個生育期，在不同供氮水平下，秸稈還田處理對土壤碳庫的影響各異：與N0相比，SN0處理的微生物碳含量顯著(P<0.05)增加了54.68%，可溶性碳含量顯著(P<0.05)減少了60.75%；與NL相比，SNL處理的可溶性碳含量顯著(P<0.05)減少了69.09%；與NM相比，SNM處理的總有機碳含量顯著(P<0.05)增加了33.81%，可溶性有機碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)減少了49.22%和32.36%；與NH相比，SNH的可溶性有機碳顯著(P<0.05)減少了86.48%。

無秸稈還田條件下，與N0相比，NL的微生物碳含量顯著(P<0.05)增加了106.76%，易氧化有機碳含量顯著(P<0.05)減少了17.35%；NM的可溶性有機碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)增加了50.79%和117.31%；NH的可溶性有機碳含量顯著(P<0.05)增加了35.90%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL和SNH處理的土壤碳庫指標無顯著變化；SNM處理的可溶性有機碳含量顯著(P<0.05)增加95.06%。

表2不同處理對稻田土壤養分的影響

Table2Effect of different treatments on rice soil nutrition

處理Treatment有機質Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)速效磷Available P/(mg·kg-1)速效鉀Available K/(mg·kg-1)銨態氮NH+4-N/(mg·kg-1)硝態氮NO-3-N/(mg·kg-1)N034.56±0.94 ab2.86±0.10 bc18.29±1.21 cd65.50±3.46 bc30.58±0.12 e7.52±0.33 cdNL32.00±1.03 b2.54±0.07 d14.68±1.27 d57.50±3.75 c42.65±0.54 a15.52±0.08 aNM31.19±1.09 b2.82±0.13 bcd16.49±1.39 cd62.50±4.33 bc36.89±0.62 c9.78±0.48 bcdNH31.49±3.11 b2.64±0.14 cd19.19±1.44 c60.00±4.62 c36.99±0.33 c9.76±1.03 bcdSN035.69±2.31 ab2.89±0.07 bc23.69±0.98 ab71.00±2.31 ab24.35±0.17 f6.28±0.60 dSNL35.04±3.09 ab3.02±0.11 ab16.76±2.08 cd59.00±2.60 c37.17±0.26 c13.11±2.78 abSNM41.75±2.69 a3.21±0.09 a25.50±1.10 a76.00±2.89 a31.84±0.16 d10.16±0.84 bcSNH30.93±2.68 b2.62±0.10 cd20.09±1.15 bc64.50±3.18 bc40.84±0.28 b10.80±0.28 bc

同列數據后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖1 不同處理對稻田土壤碳庫的影響Fig.1 Effect of different treatments on rice soil carbon pool

2.3 對水稻產量的影響

由表3可知：在水稻整個生育期，除中施氮量條件下，與NL相比，SNL的結實率顯著(P<0.05)降低了6.87%、千粒重顯著(P<0.05)增加了11.23%外，在其他供氮水平下，秸稈還田處理對水稻產量構成因素并無顯著影響。

無秸稈還田條件下，隨著施氮量增加，水稻穗數增加。與N0相比，NL、NM、NH的穗數分別顯著(P<0.05)增加了81.40%、106.98%、127.91%，千粒重分別顯著(P<0.05)減少了11.64%、10.58%、14.33%，NH的穗粒數顯著(P<0.05)降低了17.32%。在秸稈還田條件下，與SN0相比，SNL、SNM、SNH的穗數分別顯著(P<0.05)增加了37.56%、79.19%、70.14%，SNM、SNH的千粒重分別顯著(P<0.05)下降了11.11%、11.19%。

表3不同處理對水稻產量的影響

Table3Effect of different treatments on rice yield

處理Treatment穗數Spike number/(106 hm-2)穗粒數Grain numberper spike結實率Seed settingrate/%千粒重1000 grainweight/g實際產量Yield/(t·hm-2)N01.72±0.04 d139.71±1.23 ab93.21±0.68 a24.49±0.18 a6.01±1.05 bNL3.12±0.21 bc130.24±9.32 abc91.93±1.69 a21.64±0.49 b7.64±1.08 abNM3.56±0.28 abc130.91±2.47 abc90.82±1.84 a21.90±0.56 b7.73±1.07 abNH3.92±0.11 a115.51±4.63 c89.74±0.19 ab20.98±0.18 b8.73±1.07 abSN02.21±0.22 d126.75±3.78 abc88.83±2.58 ab24.04±0.20 a5.85±1.09 bSNL3.04±0.17 c147.10±13.90 a85.61±0.10 b24.07±1.64 a6.54±1.08 abSNM3.96±0.25 a136.40±9.08 abc90.63±0.74 a21.37±0.63 b9.49±1.13 aSNH3.76±0.38 ab123.01±5.53 bc90.06±1.93 ab21.35±0.41 b9.04±1.08 ab

在實際產量方面，SNM的產量最高，且顯著(P<0.05)高于N0和SN0處理。同N0和SN0處理產量相比，SNM的產量分別顯著(P<0.05)增加了57.90%、62.22%。

3 討論

在土壤碳庫方面：研究表明，秸稈還田配施常量化肥會增加土壤有機碳和活性有機碳含量[24-25]；吳玉紅等[26]研究發現，秸稈還田配施減量15%化肥，土壤的有機碳及活性有機碳含量均增加。本研究表明，在2 a秸稈全量還田配施純氮240 kg·hm-2條件下，稻田土壤的總有機碳和易氧化有機碳含量最高，而土壤可溶性有機碳含量和微生物碳含量卻低于相同供氮水平下秸稈不還田的處理。這是因為土壤可溶性有機碳含量受土壤微生物活性的影響[27]。碳氮比是影響土壤微生物活性的重要因素[28]。秸稈還田替代部分氮肥，減少了氮肥用量，使得土壤碳氮比偏大，微生物活性減弱[29]，因而土壤可溶性有機碳含量減少。

在水稻產量方面，丁文金等[30]研究表明，秸稈還田氮肥減量處理對雙季稻總產量不會產生明顯的負面影響。黃容等[31]研究表明，秸稈全量覆蓋配合氮肥減量20%～30%，能夠提高水稻產量。本研究表明，秸稈全量還田配施純氮240 kg·hm-2，水稻的穗數最多，且產量最高。

綜上所述，合理的秸稈還田氮肥減量措施可以有效地改善稻田土壤養分和碳庫狀況，提高水稻產量。在本試驗條件下，秸稈還田配施純氮240 kg·hm-2為最優的秸稈還田氮肥減量模式，可為該地區制定合理的施肥及還田方案提供科學依據與數據參考。