秸稈還田水肥耦合對(duì)氮素利用的影響

何孝光，陳立冬，李志強(qiáng)，鄧彬彬，楊傳清

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.張家港市長(zhǎng)江防洪工程管理處，江蘇 蘇州 215600)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理的施肥是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因之一。秸稈還田條件下的水肥耦合不僅解決了秸稈的資源化利用，減少因秸稈焚燒對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)可以減少總氮流失和提高氮素利用水平。現(xiàn)有研究基本探明了秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量形成的影響[1- 3]以及改良土壤的重要作用[4- 5]，得到了秸稈還田結(jié)合實(shí)地氮肥管理可提高氮收獲指數(shù)、氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率和氮肥生產(chǎn)力的結(jié)論[6]，同時(shí)認(rèn)為小麥秸稈還田可明顯的減穗、改善稻米的蒸煮食味品質(zhì)以及提高氮肥利用率，水稻氮肥的利用效率受不同灌溉模式及氮肥水平的影響較大[7- 9]，在優(yōu)化肥料施用的處理下，可提高氮肥的偏生產(chǎn)力、利用率和農(nóng)學(xué)效率等指標(biāo)[10]。

本文通過盆栽試驗(yàn)，研究秸稈還田條件下水肥耦合對(duì)總氮流失和氮素利用的影響，尋找最佳的水肥耦合方案，為合理制定農(nóng)業(yè)灌溉制度、施肥方案提供參考依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省水肥、減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的污染、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

盆栽試驗(yàn)位于揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)水試驗(yàn)場(chǎng)人工栽培室，試驗(yàn)場(chǎng)地屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均溫度為14.8℃、日照時(shí)數(shù)2140h、降水量1020mm、無霜期220d。試驗(yàn)土壤為沙壤土，其中土壤中有機(jī)質(zhì)含量為1.12%，速效磷含量為8.513mg/kg，總磷含量為0.775g/kg，堿解氮含量為14.274mg/kg，總氮含量為0.526g/kg，土壤肥力中等，供試水稻品種為揚(yáng)梗9538。

盆栽試驗(yàn)采用塑料圓桶，圓桶上口直徑為35cm、桶底直徑為25cm、桶高30cm。試驗(yàn)塑料桶底部安設(shè)16mm直徑水平透水管道排水，排水管包裹透水土工布，上鋪10～20mm厚細(xì)沙，裝滿試驗(yàn)土壤。排水出口固定于桶壁，并安裝塑料球閥用于排水控制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)試驗(yàn)因子，分別為還田秸稈、土壤水分和施氮量。其中施N(純氮)水平為324、270、216kg/hm2；秸稈還田量S水平為0、4200、6000kg/hm2；水分脅迫W水平為分蘗后期水分脅迫、分蘗后期和結(jié)實(shí)后期水分脅迫、正常水分處理。選用L9(34)正交組合，具體正交情況如下表1，共9個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，對(duì)照1組。

試驗(yàn)管理措施除水分、養(yǎng)分、秸稈還田措施外，其它與普通大田農(nóng)業(yè)管理保持一致。對(duì)照區(qū)不施肥，其他處理相同。6月中旬插秧，至10月上、中旬收割。

試驗(yàn)施肥比例采用基肥(40%)、分蘗肥(20%)、拔節(jié)肥(40%)，將土壤與基肥混勻后裝入試驗(yàn)桶內(nèi)，稍加壓實(shí)；接著進(jìn)行灌水泡土，持續(xù)時(shí)間為3d；然后按每盆3株，將秧田內(nèi)秧苗移栽至試驗(yàn)桶內(nèi)，所有處理根據(jù)實(shí)際要求，均用相同的磷、鉀肥做底肥。運(yùn)用快速測(cè)定儀在水稻生產(chǎn)期間測(cè)定土壤含水量，同時(shí)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制灌水。試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案(盆栽)

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

為探明在秸稈還田條件下，水肥耦合對(duì)氮素利用和總氮流失的影響，本次試驗(yàn)主要針對(duì)秸稈總氮含量、試驗(yàn)后土壤總氮含量和水樣總氮含量以及產(chǎn)量進(jìn)行了測(cè)定。

其中秸稈總氮含量采用H2SO4-H2O2-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，土壤總氮含量采用開氏消煮-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，盆栽測(cè)桶排水總氮含量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定(取樣時(shí)間為8月15日、8月18日、8月25日、9月18日)。

2 結(jié)果分析

2.1 秸稈還田下水肥耦合對(duì)氮素利用的影響

2.1.1秸稈還田水肥耦合對(duì)氮素利用率的影響

(1)對(duì)植株氮素積累的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出在施肥量和秸稈還田量保持不變的前提下，隨著水分脅迫程度的增加，水稻單位植株總氮含量也隨之增加(W2>W1>W3)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，輕微的水分脅迫有助于水稻植株氮素的積累，但是在灌水量過多時(shí)，可能會(huì)抑制水稻氮素的積累，主要原因是土壤水分較多時(shí)，不利于氣體更新，抑制了水稻根呼吸，降低根系活性，抑制氮素的吸收。表2影響分析可以看出，施肥量的適度提高對(duì)水稻單位植株氮素積累有一定的促進(jìn)作用，但是增幅效果不明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在組合S1N1W2情況下，水稻單位植株總氮含量達(dá)到最高。

通過方差分析見表3可知，水稻單位植株氮素積累量與秸稈還田量、施肥量和水分控制相關(guān)性不顯著。

表2 不同因素對(duì)水稻單位植株總氮含量的影響

表3 不同因素對(duì)水稻單位植株總氮含量影響的方差分析

注：方差分析中P<0.05為顯著水平、P>0.05為不顯著水平、P<0.01為極顯著水平，下同。

(2)對(duì)氮肥吸收利用率的影響

在合理的肥料施用范圍內(nèi)，隨著氮肥施用量的增加，水稻氮素的吸收利用率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但當(dāng)施肥量超過一定范圍時(shí)(270kg/hm2)，水稻的氮素吸收利用率呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，由此可見，施肥量的適度增加有利于提高水稻氮素吸收利用率，見表4。秸稈還田對(duì)水稻氮素吸收利用有一定的促進(jìn)作用，但當(dāng)秸稈還田量超過4200kg/hm2后，水稻氮肥的吸收利用效率增長(zhǎng)較慢，原因是過量秸稈還田后，在微生物作用下大量的氮素用于秸稈的腐解，導(dǎo)致土壤中氮素下降，從而降低水稻植株對(duì)氮素的吸收利用。可見秸稈還田技術(shù)有利于水稻氮素的積累，適當(dāng)?shù)慕斩掃€田量有利于提高生產(chǎn)效率。適度的水分脅迫對(duì)水稻氮肥吸收利用有提高作用，過度的水分脅迫則不利于水稻氮肥吸收利用率的提高。

表4 不同因素對(duì)水稻氮肥吸收利用率的影響

根據(jù)方差分析見表5，水稻的氮肥吸收利用率與秸稈還田量、施肥量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與水分控制呈顯著相關(guān)關(guān)系，由此可見，水稻氮素吸收利用率受秸稈還田量、施肥量和水分控制影響較大。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理有效的運(yùn)用灌溉措施、耕作方式及植物營(yíng)養(yǎng)措施可提高肥料的吸收利用。試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻的氮肥吸收利用率在處理秸稈還田量(6000kg/hm2S3)、施肥量(270kg/hm2N2)、水分控制(分蘗后期水分脅迫W1)組合下達(dá)到最高。

表5 不同因素對(duì)氮肥吸收利用率影響的方差分析

2.1.2秸稈還田水肥耦合對(duì)氮素利用率的影響

根據(jù)影響分析見表6可知，水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率在適度的水分脅迫下可提高，但是在水分脅迫嚴(yán)重時(shí)，則抑制氮肥農(nóng)學(xué)利用率的提高。在適度的施肥范圍內(nèi)，隨著施肥量的增加，水稻氮素的農(nóng)學(xué)利用率呈增加趨勢(shì)，但是當(dāng)施純氮超過一定范圍時(shí)(270kg/hm2)，水稻氮肥的農(nóng)學(xué)利用率出現(xiàn)下降，且幅度較大。適度的秸稈還田對(duì)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率的提高有促進(jìn)作用，但是當(dāng)秸稈還田量超過4200kg/hm2時(shí)，水稻氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率呈下降趨勢(shì)，這是因還田秸稈量過大時(shí)，在秸稈腐殖質(zhì)化過程中微生物需消耗過量氮素，產(chǎn)生“微生物掘氮效應(yīng)”。試驗(yàn)結(jié)果表明，在組合S2N2W1條件下，氮肥的農(nóng)學(xué)利用率比較高。各因素對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率影響的方差分析結(jié)果表明見表7，施肥量、秸稈還田、水分控制對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率作用顯著。

表6 不同因素對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響

表7 不同因素對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率影響的方差分析

2.1.3秸稈還田下水肥耦合對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

根據(jù)影響分析結(jié)果見表8可知，氮肥偏生產(chǎn)力隨著施肥量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且施肥量越大，下降趨勢(shì)越明顯，呈現(xiàn)極顯著水平，同時(shí)可以看出，適當(dāng)?shù)慕档头柿系氖┯昧浚梢杂行У奶岣弋a(chǎn)量與施肥的經(jīng)濟(jì)效益。另外，根據(jù)水分控制分析結(jié)果可以看出，水分脅迫程度降低，可提高氮肥的偏生產(chǎn)力，而秸稈還田與氮肥偏生產(chǎn)力的相關(guān)性不顯著見表9。在S2N3W3處理下，氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)到最高，且肥料投入和產(chǎn)出比達(dá)到最高。

表8 不同因素對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

表9 不同因素對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力影響的方差分析

2.1.4秸稈還田下水肥耦合對(duì)土壤總氮含量的影響

見表10氮肥施用量從216kg/hm2增加到324kg/hm2時(shí)，可有效提高土壤的總氮含量。土壤的總氮含量隨秸稈還田量增加而提高，可是影響并不顯著，但秸稈可通過腐爛、降解等方式，可以有效的提高農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)含量，提升了土壤的肥力。在合理的水分管理范圍內(nèi)，充分的灌溉條件下，有利于秸稈腐殖質(zhì)化與土壤總氮含量的提高。通過方差分析見表11，土壤總氮含量與水分控制和施肥量相關(guān)性呈現(xiàn)顯著水平，而與秸稈還田的相關(guān)性不顯著。

在處理秸稈還田量(6000kg/hm2S3)、施肥量(324kg/hm2N1)、水分控制(正常處理W3)組合下，土壤中總氮含量最高，說明高量施肥、高量秸稈還、充分供水條件下，有利于土壤總氮的積累，從而提高土壤的肥力。

表10 不同因素對(duì)土壤總氮含量的影響

表11 不同因素對(duì)土壤總氮含量影響的方差分析

2.2 秸稈還田下水肥耦合對(duì)總氮流失的影響

對(duì)測(cè)桶排水定期取樣的水質(zhì)測(cè)定結(jié)果表明，不同因素水平對(duì)總氮流失影響排序?yàn)椋菏㎞量，N3>N1>N2；秸稈還田量，S1>S3>S2；水分控制，W3>W1>W2。在無秸稈還田條件下，土壤中總氮的排出量受植物吸收及植物固氮能力影響，肥料施用以后，土壤中總氮含量明顯增加，依據(jù)前期排水測(cè)量結(jié)果顯示，水體中總氮含量也隨之增加，隨著水稻生長(zhǎng)的需要，土壤中氮素被植物吸收，排入水體中總氮含量也相應(yīng)降低，在后期的排水總氮檢測(cè)中，由于植物吸收氮素含量的減少，同時(shí)隨著土壤總氮的釋放，水體中總氮含量會(huì)出現(xiàn)一定程度的上升，最終水體中總氮含量將穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。土壤總氮流失量變化呈先多后少的趨勢(shì)，并逐漸趨于平穩(wěn)。

根據(jù)影響分析見表12，在秸稈還田量(0kg/hm2S1)、施肥量(216kg/hm2N3)、水分控制(正常處理W3)組合下，試驗(yàn)水樣總氮含量最高，而在處理秸稈還田量(4200kg/hm2S2)、施肥量(270kg/hm2N2)、水分控制(分蘗后期、結(jié)實(shí)后期水分脅迫W2)組合處理下，水樣中總氮含量達(dá)到最低，分析認(rèn)為在保持中等施肥量、部分秸稈還田以及分蘗后期、結(jié)實(shí)后期水分脅迫條件下，氮素的利用相對(duì)較高，且水體的總氮含量也相對(duì)較低。

表12 不同因素對(duì)水樣總氮含量的影響

3 結(jié)論

(1)在合理的施肥范圍內(nèi)，水稻氮肥吸收利用率隨著施肥量和秸稈還田量的增加而增加，同時(shí)輕度的水分脅迫有利用水稻氮肥吸收利用；在秸稈全量還田下，土壤總氮含量達(dá)到最高；中等秸稈還田量及施肥量水平、分蘗后期及結(jié)實(shí)后期適當(dāng)水分脅迫有利于減少土壤總氮流失量。

(2)綜合考慮氮肥利用率和土壤總氮流失，中等秸稈還田量、施肥量(270kg/hm2)和分蘗后期水分脅迫組合為秸稈還田下的水稻最佳水肥耦合方案。研究對(duì)從源頭控制氮肥面源污染，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和區(qū)域水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

(3)由于本試驗(yàn)是屬于盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論受空間和土壤類型的限制，具有一定的局限性，應(yīng)進(jìn)一步考慮在田間進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。