氮肥深施與秸稈還田對水稻干物質累積、氮素利用及產量的影響

唐玉琴

（安康職業技術學院，陜西 安康 725000）

0 引言

氮(N)是生命體需求量最大的元素之一，在蛋白質、核酸等遺傳物質和大分子化合物相關的生理代謝等過程中發揮著不可替代的作用［1］。對于水稻而言，谷物的收獲產量和食用品質與氮肥利用緊密相關。然而在實際農業生產中，施氮量與收獲產量之間存在一定閾值，當氮肥施用過多時，作物的氮肥利用率反而降低［2］。此外，由于氮肥不適當施用帶來的負面影響日趨嚴重，有研究表明，氮肥的不合理施用是導致溫室效應、水體富營養化以及農田面源污染等問題的主要原因。因此，優化施肥技術以提高作物氮利用率已成為發展可持續性農業的關鍵［3］。為了提高作物氮肥利用率，已經研發了作物育種、緩釋控釋技術以及均衡施肥等多種策略［4-6］，均取得了一定的效果，但優選出最佳氮素管理措施，仍是一個亟待探索的過程。

中國有著豐富的作物秸稈資源，1990年之前，國內通常將作物秸稈用作燃料和牲畜飼料，但21世紀以來，秸稈的資源化利用顯著減少，隨意堆放或原田焚燒成為處理農作物秸稈的常規方法［7］，這往往會導致空氣污染、溫室氣體排放和周邊火災的發生。秸稈是植物養分累積較多的器官之一，左婷等［8］研究表明，秸稈還田是提高稻—麥輪作系統作物產量和有機碳固存的有效措施，這可能與秸稈中含有大量的養分元素，可供給土壤微生物繁殖，從而顯著提高土壤團聚體、土壤脲酶和轉化酶活性有關［9］。

Lin等［10］研究表明，保持適宜的施肥深度比常規覆土施肥具有更高的養分利用率和收獲指數。與傳統施肥方式相比，適宜的深層施肥不僅可以通過減少氮損失來提高氮利用效率，還可以通過增強根系酶代謝活性來提高氮利用效率和糧食產量［6］。水稻是全球重要的谷物作物之一，促進水稻資源化生產對于保障人口持續增長的糧食安全至關重要。目前關于秸稈還田或深施肥料與水稻生產開展了一定的研究，發現秸稈分解釋放可以改變土壤的理化性質和養分狀態，秸稈還田配合化肥施用可以促進纖維分解，從而使秸稈資源利用最大化［11］。深施氮肥結合秸稈覆蓋可改善根際的營養效率和調節根系構型，優良的水稻根系形態可有效促進水稻根系生長，促進養分吸收和物質合成［12］。然而關于秸稈還田與深施氮肥組配措施對水稻生產的影響鮮有報道。基于此，本研究探索了深施氮肥與秸稈還田對水稻籽粒產量、氮素利用、根系形態性狀及相關生理特征等的影響，研究結果有助于為水稻施肥增效措施提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試地點與供試材料

試 驗 于2020—2021年（5—10月）在 陜 西 省安康市谷豐米業水稻試驗園區（32°32′47″N，109°15′23″E）進行。試驗園區地處亞熱帶大陸性季風氣候區，年均氣溫14.1~15.7 ℃，無霜期約200 d，年均降雨量550~900 mm。供試田塊土壤為褐土，前茬作物均為水稻（Oryza sativaL.）。0~20 cm土層土壤的理化性質：pH 值7.36，容重1.71 g/cm3，有機質含量1.56%，堿解氮含量118.42 mg/kg，速效磷含量23.56 mg/kg，速效鉀含量109.68 mg/kg。

供試水稻品種為漢香優755，是陜西省目前栽種的優良品種，種子來源于谷豐米業有限公司。作物秸稈為該試驗區收獲的水稻秸稈，采用機械切割為4 cm左右的小段。試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗設計

試驗采用3因素完全隨機區組設計，因素1：氮肥深施或土壤表面撒施；因素2：秸稈還田或不施用秸稈；因素3：栽種年份。分別在2020、2021年設置5個處理：深施氮肥+秸稈還田(DS)、氮肥土壤表面撒施+秸稈還田(ES)、深施氮肥+無秸稈還田(DO)、氮肥土壤表面撒施+無秸稈還田(EO)、不施氮肥+無秸稈還田作為對照(CK)；上述氮肥深施處理為施用尿素于土層5 cm處，秸稈還田處理用量為7500 kg/hm2。每個處理重復3次，共15個小區。

供試田塊為長方形，每個小區面積30 m2（6 m ×5 m），小區之間采用30 cm寬的壟脊攔隔，并用白色塑料薄膜覆蓋，以確保獨立的水層系統和灌溉。移栽前采用旋耕機對試驗田進行翻耕，深度為20 cm。采用雙印牌玉米免耕深松全層施肥精播機（2BYFSF-4，河北雙印農業機械制造有限公司）對土層5 cm處進行準確的深度施氮處理，非深施處理為土壤表面撒施，純氮用量為150 kg/hm2。氮、磷、鉀肥的施用質量比為N∶P2O5∶K2O=10∶5∶12，磷、鉀肥皆為土壤表面撒施，且50%的鉀肥用于基施，50%于抽穗期施用。CK處理不施氮肥，其他處理的磷、鉀肥施用量及施用方式同上。于栽種當年5月11日移栽稻苗，每穴2株，種植密度為45000株/hm2。田間病蟲害管理按當地水稻種植生產標準執行。

1.3 樣品采集及測定分析

于成熟期收獲水稻植株，將水稻的根系、莖稈、葉部、籽粒分離，置于105 ℃的烘箱殺青30 min使酶失活，65 ℃烘干至恒重，將各部位粉碎，然后過0.25 mm 篩孔，用HNO3-H2SO4消化。采用Bran Luebbe連續流分析儀(Bran Luebbe AA3, Hamburg, Germany)測定植株各器官的氮含量。采用LI-3100C葉面積儀（Li-3100C、Li-Cor、Biosciences, USA）分別于植株的幼苗期、分蘗期、抽穗期、授粉期以及灌漿期測定其葉面積。葉面積指數（LAI）=（單株葉面積×每塊地種植數）/地塊面積［13］。

在每個小區中心（2 m×2 m）收獲谷物，室內風干后烤種，記錄產量構成因子，產量測定包括單株穗粒數、千粒重及結實率等，在含水量為14%時采用電子天平稱重記錄水稻籽粒重，每公頃產量由取樣面積產量折算［14］。

1.4 數據處理與統計分析

使用Excel 2013軟件進行數據整理，采用SPSS 23.0軟件進行3因素方差分析和最小顯著差法(LSD)統計分析（P＜0.05），采用Origin 2019軟件進行圖形繪制。

氮素利用相關指標根據以下公式計算［15］：

植株氮素總吸收量(kg/hm2)=∑植株各器官干物質量×氮養分含量

氮肥利用率(%)=（施氮處理植株氮總吸收量-不施氮處理植株氮總吸收量)/施氮量×100%

氮肥偏生產力(kg/kg) =施氮處理籽粒產量/施氮量

氮素收獲指數(%)=籽粒氮素積累量/整株氮素積累量×100%

氮素吸收效率(kg/kg) =植株地上部分氮素積累量/施氮量

氮肥農學效率(kg/kg) =(施氮處理籽粒產量-不施氮籽粒產量)/施氮量

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻干物質含量的影響

由圖1可知，氮肥深施和秸稈還田在一定程度上均促進了水稻干物質累積。2020年各處理間的干物質累積大于2021年的，但2年之間的差距較小。就水稻各器官干物質累積量來看，表現為稻穗＞莖稈＞根系＞葉部，其中葉部的累積量最低，僅為整株稻穗的20%左右。在2020、2021年中，各處理整株干物質累積量皆以DS處理最高，均顯著大于其他處理；其中CK的干物質總積累量均為最低，且顯著低于其他處理；各處理的干物質總積累量排序為：DS＞DO＞ES＞EO＞CK。在2020、2021年中，DS的干物質總累積量較DO分別顯著提高了12.42%、10.14%，ES較EO分別顯著提高了10.99%、18.95%，表明氮肥深施對水稻干物質累積具有一定的促進作用，且配施秸稈還田效果更佳。

圖 1 不同處理對水稻成熟期干物質累積的影響

2.2 不同處理對水稻葉面積指數的影響

由圖2可知，2020、2021年各處理的葉面積指數隨著生育期的推進整體上呈先上升后下降的變化趨勢。從幼苗期開始，各處理的LAI開始快速上升，在分蘗期時達到峰值，從分蘗期到籽粒灌漿期整體上呈逐漸下降的趨勢。在分蘗期及灌漿期時，2020、2021年的LAI均以DS表現最高。

圖 2 不同處理對水稻葉面積指數的影響

2.3 不同處理對水稻氮素累積與分布的影響

由表1可知，在2020、2021年的田間試驗中，氮肥施入深度與秸稈還田均影響著水稻各部位的氮素累積量與分布情況，這2年各處理氮素累積量的分布規律基本一致。2020、2021年各部位的氮素累積量均呈籽粒＞莖稈＞根系＞葉部的分布規律，這2年籽粒的氮含量分別占總累積量的59.98%~63.09%、58.43%~64.39%。2020 年，根系的氮素累積量均表現為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，在莖稈、葉部及籽粒中表現均為CK＜EO＜DO＜ES＜DS。2020、2021年各處理中的氮素總累積量最高分別為116.51、113.73 kg/hm2；CK、ES、DO、EO的氮素總累積量較DS分別顯著降低43.39%、14.26%、20.14%、23.06%（2020），43.95%、12.20%、18.27%、22.77%（2021）。通 過 方 差 分 析表明，年份與施氮深度在葉部和籽粒存在交互作用，而施氮深度與秸稈還田在根系、莖稈及葉部存在交互作用。

表1 不同處理對水稻氮素累積與分布的影響 kg/hm2

2.4 不同處理對水稻產量及其構成因子的影響

由表2可知，2020、2021年水稻產量及其構成因子存在一定差距，但各處理規律基本一致。這2年各處理的有效穗數均表現為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，其中DS均顯著大于CK、EO、ES。各處理間的單穗總粒數均無顯著差異。2020年各處理的結實率表現為EO＜DO＜DS＜CK＜ES，且各處理間均無顯著差異，2021年則表現為CK＜EO＜DO＜ES＜DS，且除CK外，其他各處理間均無顯著差異。千粒重中，這2年ES均表現為最高，2020年其他各處理（CK、DS、EO、DO）比ES低2.05%~4.81%；2021年各處理中以CK最低，DS其次，兩者間無顯著差異，且CK顯著小于ES、DO、EO處理。由于水稻籽粒產量由有效穗數、單穗總粒數和千粒重構成，因此2020年水稻籽粒產量表現為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，2021年則表現為CK＜EO＜DO＜ES＜DS，其中分別在2020和2021年中， CK、ES、DO、EO較DS分別顯著降低了40.17%、23.04%、10.38%、31.87%(2020)，44.17%、9.32%、10.66%、31.34%(2021)。

2.5 不同處理對水稻氮素利用指標的影響

由表3可知，氮收獲指數中，2020年各處理表現為EO＜ES＜DO＜DS，DS顯著高于EO、ES、DO；2021年各處理則表現為EO＜DO＜DS＜ES，EO、DO、DS較ES相比降低了1.25~1.74個百分點。其他氮素利用指標中這2年均表現為DS最高，EO最低；ES、DO、EO這3個處理較DS，在氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力及氮素吸收效率等方面分別顯著降低了11.08~17.92個百分點、25.85%~79.33%、10.38%~31.88%、14.71%~25.00%（2020），9.25~17.26個百分點、21.08%～70.96%、9.32%~31.34%、13.64% ~24.24%（2021）。通過方差分析表明，各處理的氮肥偏生產力、氮素吸收效率在年份與施氮深度、施氮深度與秸稈還田存在顯著或極顯著交互作用，氮肥利用率、氮肥農學效率在年份與秸稈還田中存在顯 著交互作用。

表 2 不同處理對水稻產量及其構成因子的影響

表 3 不同處理對水稻氮素利用的影響

3 討論與結論

作物秸稈還田、適當深施氮肥已成為減少氮損失和促進農田可持續發展的重要措施［16］。本研究中，秸稈還田+深施氮肥處理(DS)在所有處理中效果最佳，其在水稻干物質累積量、水稻葉面積指數等方面均表現最高。向曉玲等［17］研究表明，秸稈還田可能通過優化土壤的理化性質和生物特性來為作物生長提供必要的能量和養分。因此本研究中水稻干物質累積量的提高和后期葉面積指數保持較高水平可能是多方面促進的結果。

Zhao等［18］研究表明，秸稈還田與化肥土壤表面撒施結合可以顯著提高稻—麥作物產量。此外，王新媛等［19］在小麥—玉米輪作區研究中發現秸稈還田配施高氮肥用量能提高小麥產量和地上部吸氮量，但同時也增加了土壤硝態氮殘留量和氮盈余量。本研究結果表明：秸稈還田、氮肥深施在一定程度上提高了水稻產量及其相關產量因子，這主要通過提高水稻有效穗數和千粒重實現的。然而Sun等［20］研究顯示，秸稈還田和尿素應用對水稻產量和氮素利用率方面無明顯效果，與本研究結果不一致。

本研究中秸稈還田或深施氮肥顯著或極顯著影響了水稻氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮素吸收效率以及氮素收獲指數，而秸稈還田處理(ES)的氮肥利用率、氮素吸收效率以及氮素收獲指數高于僅深施氮肥處理(DO)，這可能是因為深施氮肥可以減緩氨的揮發［18,21］。Wang等［22］的研究表明，由于秸稈中存在一定養分，可促進土壤微生物的氮代謝，從而提高土壤氮活化率與氮肥利用率。本研究中秸稈還田結合氮肥深施處理，顯著提高了水稻植株氮素累積量及相關氮利用指標，整體均優于單一秸稈還田和單一氮肥深施處理。這與相關研究結果基本一致［23］。