油菜秸稈還田和化肥配施對水稻產量、養分吸收及土壤肥力的影響

石子建， 徐建祥， 李 韻， 汪壽根， 陳潤興， 余文慧， 雷 俊， 邵曉偉， 許竹溦

(衢州市農業林業科學研究院，浙江衢州 324000)

水稻與油菜輪作是浙江省主要的種植制度之一，面積達11.8萬hm2，占浙江省耕地面積的1/10左右[1]。為擴大糧油種植面積，在水稻種植補貼基礎上，浙江省對油菜規模化種植也出臺了補貼政策，鼓勵稻油輪作種植面積進一步增加，冬季種植油菜可以充分利用冬閑田，能有效提高稻田土壤質量，有利于溫室氣體減排[2-3]。油菜秸稈里含有植物生長所必需的營養元素，并含有大量的有機質，但是秸稈施入土壤后，養分釋放緩慢，單純地依靠秸稈還田不能滿足作物快速生長和當季作物高產的需求，因此需要配合化肥施用[4-5]。

化肥在穩定作物產量方面具有重要作用，但是化肥的不合理使用也會造成資源浪費、土壤肥力下降、農田面源污染等問題。有研究表明，在水稻與油菜輪作體系中，與農民習慣處理相比秸稈還田配施化肥可以提高作物周年產量17.5%～28.6%[6]。針對稻油輪作體系，采用水稻季氮素總量控制、分期調控，油菜季根層氮素養分管理等措施，可有效提高水稻、油菜的產量，提高肥料的使用率[7-8]。全國3 300組大田水稻試驗研究表明，相比農民習慣減少施氮量14.7%～18.1%，水稻產量卻可以增加10.8%～11.5%[9]。水稻、水稻、油菜3茬作物秸稈翻耕還田后，減施氮肥20%、增加密度30%的處理，可以滿足油菜、水稻、水稻3季作物正常生長，提高氮肥利用率[10]。

浙江省由于經濟社會發展、土地流轉以及糧油補貼政策變化等原因，稻油輪作種植面積會進一步擴大[11]，為實現農業廢棄物循環利用、減少化肥施用、提升農田肥力的目的，秸稈還田與無機肥料配施是未來我國大田作物肥料施用發展的趨勢[12]。綜上所述，研究油菜秸稈翻耕還田與肥料配合施用對耕層養分含量、養分吸收利用率和水稻產量的影響，可以為油菜秸稈資源化利用及化肥減量提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗地點位于浙江省衢州市龍游縣國家水稻區域試驗站(G320與Y717交界處)進行，試驗地 0～20 cm耕層土壤的養分狀況為有機質含量 22.8 g/kg、全氮含量1.34g/kg、速效磷含量 10.22 mg/kg、速效鉀含量83.0 mg/kg、pH值5.23。

1.2 試驗設計

試驗設置4個處理，T4處理為當地農民習慣施肥，即基肥施用丹王復合肥(N、P2O5、K2O含量均為17%) 705.9 kg/hm2，分蘗肥追施尿素(純N含量46%)130.4 kg/hm2，穗肥追施尿素130.4 kg/hm2、氯化鉀(純K2O含量60%)66.7 kg/hm2，換算為氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為240、120、160 kg/hm2；T3處理相對T4處理的肥料用量減少25%；T2處理相對T4處理的肥料用量減少62.5%；T1為不施肥處理。各處理的肥料運籌相同，氮肥的基肥、分蘗肥和穗肥的用量比為 2 ∶1 ∶1；磷肥全部基施；鉀肥的基肥、穗肥用量比為 3 ∶1。施肥方案詳見表1。

表1 不同處理的水稻施肥措施 kg/hm2

試驗小區排列方式為隨機區組，小區面積為 24 m2(長6 m、寬4 m)，設置3次重復，四周設1 m保護行。2020年10月30日免耕直播油菜，2021年5月2日收油菜籽，油菜秸稈全部翻耕還田，油菜品種為浙大622。按照當地水稻生產實際狀況，水稻采用直播的方式種植，2021年5月25日進行直播，10月12日收獲，供試水稻品種為甬優9號。水稻的田間管理方式包括病蟲害防治，按照高產管理的要求進行。

1.3 采樣及測定方法

小區按面積平均分為2個部分，其中一半小區用于2021年10月12日水稻收獲后測產；另一半小區連續采5穴地上部水稻帶回實驗室進行考種。使用烘箱進行烘干，稱量水稻籽粒干質量、秸稈干質量。采用粉碎機分別將籽粒和秸稈粉碎，施用濃硫酸-雙氧水消煮后測定水稻秸稈和籽粒的全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量。

水稻收獲后，每個小區按照“S”形分別選4個點取其0～20 cm耕作層的土壤。土壤混合均勻后，采用四分法取1/2的新鮮土壤測試土壤的微生物量氮和微生物量碳，其余1/2的土壤鋪勻后進行風干，磨細后根據土壤測試要求過篩，分析土壤的養分含量。土壤養分含量測定采用常規試驗方法：有機質含量使用重鉻酸鉀-濃硫酸加熱法測定；土壤pH值(水土比為2.5 ∶1.0)使用酸度計測定；全氮含量使用凱氏定氮法測定；速效氮含量應用擴散法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定；有效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗分光光度法測定；微生物量碳、氮含量使用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定。

1.4 數據處理

水稻氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養分吸收利用率的測算方法[6]如下：

化肥貢獻率=(用肥處理稻谷產量-不用肥處理稻谷產量)/用肥處理稻谷產量×100%；

養分積累總量(kg/hm2)=稻谷產量×稻谷養分含量+秸稈生物量×秸稈養分含量；

養分收獲指數=稻谷養分吸收量/養分積累總量×100%；

養分籽粒生產效率(g/g)=稻谷產量/養分積累總量；

養分偏生產力(g/g)=用肥處理稻谷產量/用肥量；

養分農學利用率(g/g)=(用肥處理產量-不用肥處理產量)/用肥量；

籽粒需肥量(kg/100 kg)=養分積累總量/稻谷產量×100；

試驗數據采用WPS 2019進行處理，處理間顯著性檢驗使用Duncan’s法，使用SPSS 22.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配施化肥對水稻產量和產量構成因子的影響

由表2可以看出，籽粒產量和秸稈產量均隨著化肥用量的增加而提高，其中T2、T3、T4處理的籽粒產量較不施肥處理的分別增加8.51%、24.82%、26.25%，表明肥料的使用對于提高水稻產量具有重要作用。T1、T2處理的籽粒產量和秸稈產量均顯著低于T3、T4處理，T3、T4處理的水稻產量和增產量差異均不顯著，表明施肥量高于T3處理后，繼續增加化肥施用量，并沒有使水稻的產量顯著提高。T3、T4處理相對T2處理的肥料貢獻率差異顯著，T3、T4處理間差異不顯著。對于水稻的產量構成因子，T2、T3、T4處理間株高差異不顯著，較不施肥處理有所增加。T3、T4處理的有效穗較T1處理顯著增加，T2處理較T1處理增加不顯著，T3、T4處理間差異不顯著。各處理間的穗長、穗粒數、結實率、千粒質量差異均不顯著。產量構成因素，施肥處理主要影響水稻的有效穗數進而影響產量。

表2 不同施肥處理的水稻產量和產量構成因子

2.2 秸稈還田配施化肥對水稻植株養分含量及養分積累量的影響

由圖1可以看出，不同的施肥處理對水稻秸稈和籽粒養分含量的影響是有差異的。秸稈中鉀含量最高，各處理秸稈鉀含量是氮含量的4.59～9.06倍，是磷含量的7.96～10.28倍；籽粒中氮含量最高，各處理籽粒氮含量是磷含量的2.60～3.44倍，是鉀含量的3.06～3.92倍。水稻秸稈中的氮含量隨著施肥水平的提高呈現遞增趨勢，T4處理的秸稈氮含量較其余處理差異顯著，T3處理與T1處理的秸稈氮含量差異顯著，與T2處理差異不顯著；T2、T3、T4處理的籽粒氮含量差異不顯著，但均與T1處理差異顯著，表明不施肥處理不僅對秸稈的氮含量有顯著影響，對籽粒氮含量也有顯著影響；在T2處理的施肥水平上繼續增加施肥量會提高秸稈氮含量但不會顯著影響籽粒氮含量。相較不施肥處理，施肥處理并沒有顯著影響秸稈和籽粒中的磷含量。T1處理的秸稈鉀含量相對T3、T4處理差異顯著，較T2處理偏低，但差異不顯著，T3、T4處理的秸稈鉀含量差異不顯著；各處理的籽粒鉀含量差異不顯著，表明不施肥處理會造成秸稈鉀含量顯著降低，但是不會影響籽粒鉀含量。

由表3可知，與T1處理比較，T2、T3、T4處理的籽粒氮積累量顯著增加，分別增加34.72%、64.75%、62.92%，T3、T4處理的籽粒氮積累量差異不顯著；T3、T4處理的秸稈氮積累量差異顯著，均較T1、T2處理差異顯著；各處理的地上部氮積累量差異顯著，與T1處理比較，T2、T3、T4處理分別增加29.39%、64.69%、96.06%；T2處理的氮收獲指數最高，T4處理的最低。隨著施肥量增加，籽粒磷積累量呈現遞增趨勢，T2、T3、T4處理的籽粒磷積累量較T1處理分別增加10.88%、24.49%、25.85%，T3、T4處理的籽粒磷積累量差異不顯著；T3、T4處理的秸稈磷積累量差異不顯著，與T1、T2處理均顯著增加；T3、T4處理的地上部磷積累量差異不顯著，較T1、T2處理均差異顯著，其中T2、T3、T4處理較T1處理分別增加9.45%、29.09%、27.27%；各處理的磷收獲指數差異不顯著。由圖1可知，籽粒和秸稈中磷含量差異不顯著，因此各處理磷積累量的不同主要是由于水稻籽粒產量和秸稈生物量的不同造成的。隨著施肥量增加，秸稈鉀積累量、籽粒鉀積累量以及地上部鉀積累量均不斷增加，而收獲指數呈現遞減趨勢。T3、T4處理的籽粒鉀積累量差異不顯著，與T1、T2處理均差異顯著；T2、T3、T4處理的秸稈鉀積累量與T1處理差異顯著，T3、T4處理的秸稈鉀積累量與T2處理也差異顯著；T2、T3、T4處理的地上部鉀積累量與T1處理差異顯著，較T1處理分別增加23.58%、60.35%、62.71%。

表3 不同處理對水稻氮、磷、鉀積累量的影響

2.3 秸稈還田配施化肥對水稻氮、磷、鉀肥利用率的影響

從表4可以看出，與T1處理相比，T2、T3、T4處理水稻的氮、鉀籽粒生產效率均呈下降趨勢，且各處理的氮籽粒生產效率差異顯著，T2、T3、T4處理水稻的鉀籽粒生產效率差異不顯著，但較不施肥處理顯著降低，各處理的磷籽粒生產效率差異不顯著。隨著肥料施用量的增加，氮、磷、鉀肥的偏生產力均呈現下降趨勢，且差異顯著，主要是因為T3、T4處理相對T2處理的化肥用量分別增加100%、167%，而水稻產量的增加比例遠低于肥料用量的增加比例，兩者差距越大，氮、磷、鉀肥的偏生產力降幅越大。T2、T3、T4處理的氮、磷、鉀農學利用率差異不顯著，均呈現先升高后降低的趨勢，其中T3處理的農學利用率最高；隨著化肥投入量的增加，籽粒需氮量、需鉀量均呈上升趨勢，各處理的籽粒需氮量均差異顯著，T3、T4處理的籽粒需鉀量相對T1處理差異顯著，各處理的籽粒需磷量差異不顯著。

表4 不同處理間水稻養分利用率的差異

2.4 秸稈還田配施化肥對土壤養分和微生物量碳、微生物量氮的影響

相對于化肥，秸稈在施入土壤后養分釋放較慢，不能及時為作物提供養分，所以要將秸稈還田與化肥使用結合起來，在油菜秸稈還田和化肥減量施用條件下，在當季的水稻試驗中各處理的土壤肥力指標變化也產生了不同的變化。從表5可以看出，施肥處理主要影響耕層土壤的pH值、速效氮含量、速效鉀含量，對有機質、全氮、速效磷含量的影響不顯著。肥料的施用降低了土壤的pH值，T4處理的pH值相對T1處理顯著降低；速效氮含量隨著施肥量增加呈現遞增趨勢，相對不施肥處理，T2、T3、T4處理較T1處理分別增加了3.29%、9.95%、13.76%，且T3、T4處理相對T1、T2處理均顯著增加；T4處理速效鉀含量較其余處理顯著增加，T2、T3處理較T1處理顯著增加。不同處理間的微生物量碳、微生物量氮含量差異均不顯著，但是C/N呈現遞減趨勢，且T4處理相對于T1、T2處理顯著降低，T3處理相對T1處理顯著降低。

表5 不同施肥處理對土壤養分含量和微生物量的影響

2.5 水稻產量和土壤養分的相關性

秸稈還田不但影響了作物產量，還影響了耕層土壤的養分狀況和微生物量碳氮比。由表6可知，水稻的產量與土壤速效氮含量呈顯著正相關，與微生物量碳含量、微生物碳氮比呈顯著負相關；土壤速效氮含量則與土壤微生物量氮含量呈顯著正相關，與微生物量碳含量、微生物碳氮比呈顯著或極顯著負相關；微生物量氮含量與微生物碳氮比呈極顯著負相關；pH值與土壤速效鉀含量極顯著負相關，與土壤微生物量氮含量呈顯著負相關。可見針對油菜秸稈還田條件下化肥減施，土壤速效氮含量可能是導致水稻產量差異的重要因素。

表6 不同處理下水稻產量與土壤養分的相關性

3 討論

3.1 秸稈還田配施化肥對作物產量的影響

作物產量是土壤肥力的綜合反映，化肥、秸稈以及有機肥等養分投入情況可影響作物產量。有研究表明，相對當地農民施肥習慣，減量20%～30%不會影響水稻當季正常生長和產量[13-14]，甚至會增加水稻產量[15]。而秸稈還田配施化肥相比單施化肥也可以增加作物產量[16-18]，水稻、油菜秸稈全部促腐還田配合減施化肥15%，相當于2季作物氮磷鉀肥施用共減少107 kg/hm2，可以保持作物穩產，減少成本投入[19]；油菜秸稈還田配合常規施肥產量最高，比無秸稈還田配合常規施肥增產2.28%[20]。

本試驗結果表明，油菜秸稈翻耕還田，水稻季化肥減量25%處理(T3)與農民習慣施肥處理(T4)相比不會造成水稻籽粒產量顯著降低，化肥減量62.5%處理(T2)的水稻籽粒產量相比T4處理顯著降低，減產14.05%。高肥和中肥投入能夠促進水稻分蘗，增加葉片葉綠素含量，促進其干物質積累和轉運，施用低肥雖然可以減少投入產出比，但對于水稻增收不利[21]。作物合理的施肥水平與土壤肥力水平、氣候條件、作物品種等因素關系密切[22]，因此作物合理的減肥量應綜合考慮。張耿苗等在浙江省諸暨市的水稻化肥減量試驗結果表明，純氮減施潛力為48.7 kg/hm2，磷肥為16.7 kg/hm2，鉀肥為29.2 kg/hm2[23]。油菜秸稈還田后基于水稻產量因素考量，與農民施肥習慣相比化肥減量25%處理不會造成水稻籽粒產量顯著降低，相當于減純氮60 kg/hm2、減磷肥30 kg/hm2、減鉀肥40 kg/hm2。

3.2 秸稈還田配施化肥對肥料利用率的影響

肥料合理減施維持水稻產量，減少農田肥料流失，提高肥料使用效率，尤其是增加肥料的偏生產力[14-15，24]。秸稈還田配施化肥相比單施化肥可以提高水稻秸稈養分含量，提高化肥使用效率[16，25-26]。本研究表明，水稻秸稈中鉀含量是氮含量的4.59～9.06倍，是磷含量的7.96～10.28倍；籽粒中氮含量是磷含量的2.60～3.44倍，是鉀含量的3.06～3.92倍。在油菜秸稈還田條件下，化肥減量處理(T2、T3)與T4處理相比水稻秸稈的氮含量顯著下降，化肥減量處理(T2、T3)與T4處理相比水稻籽粒的氮含量差異不顯著；與不施肥處理(T1)相比，施肥處理(T2、T3、T4)會造成籽粒氮含量顯著升高；不施肥對水稻秸稈和籽粒的磷含量無顯著影響；化肥減量處理(T2、T3)與T4處理相比不會顯著影響水稻秸稈和籽粒的鉀含量，不施肥處理(T1)相比施肥處理(T3、T4)會造成水稻秸稈鉀含量顯著下降，但是不會影響籽粒鉀含量。

減肥25%處理不會影響籽粒氮積累量，但是秸稈氮積累量顯著降低，減肥62.5%處理會造成秸稈和籽粒氮積累量均顯著降低；減肥25%處理不會影響籽粒和秸稈鉀積累量，減肥62.5%處理會造成秸稈和籽粒鉀積累量顯著降低，這與前人的研究結果[6]一致。在余姚、臨海和龍泉3個市，在平均減施氮肥19.3%和減施磷肥31.8%的情況下，水稻產量平均增加5.88%，氮肥偏生產力比對照分別提高50.26%、28.93%和44.29%[27]。本試驗結果表明，隨著施肥量增加，氮磷鉀肥的偏生產力均呈遞減趨勢，且差異顯著；不同處理間的氮肥籽粒生產效率呈現遞減趨勢，籽粒需氮肥量呈現遞增趨勢，且均差異顯著。

3.3 秸稈還田配施化肥對土壤肥力的影響

秸稈還田對提升土壤有機質、全氮、速效氮、速效磷尤其是速效鉀等養分含量有促進作用[28-30]，還可以降低耕層土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤理化性質，減少農田養分流失[31]。秸稈還田后養分釋放較慢，不能及時為作物提供養分，需要配合化肥施用，利用秸稈還田培肥地力的優勢，可以來探究秸稈還田后肥料減少施用對土壤理化性質的影響。本試驗結果顯示，油菜秸稈還田后，化肥減施對土壤速效氮含量、速效鉀、微生物碳氮比造成顯著影響，其中速效氮含量隨著施肥量增加呈現遞增趨勢，相對不施肥處理，T2、T3、T4處理較T1處理分別增加3.29%、9.95%、13.76%，且T3、T4處理相對T1、T2處理均顯著增加；T2、T3處理均使土壤速效鉀含量顯著下降。合理的肥料優化管理可以提高土壤微生物的代謝活性和碳源利用能力，增加土壤微生物多樣性，更有利于土壤生態環境穩定[32-33]。本試驗中隨著施肥量增加，微生物量氮含量呈現遞增趨勢，微生物量碳含量呈現遞減趨勢，微生物碳氮比也呈現下降趨勢，且T3、T4處理的微生物碳氮比相對不施肥處理顯著降低，這與前人的研究結果[34]一致。

4 結論

綜上所述，在油菜秸稈還田條件下，水稻季化肥減量62.5%處理(T2)相對T4處理水稻籽粒產量降低14.05%，化肥減量25%處理(T3)相對T4處理不會對水稻籽粒產量造成顯著影響。隨著施肥量增加，氮磷鉀肥的偏生產力均呈遞減趨勢，且差異顯著。化肥減量25%處理(T3)相對T4處理土壤速效氮含量略有降低，水稻秸稈氮含量則顯著下降，但并未顯著影響水稻籽粒氮含量，土壤速效氮含量與水稻產量呈顯著正相關；化肥減施處理(T2、T3)或者不施肥處理(T1)相對T4處理均未使土壤速效磷含量顯著下降，未對當季水稻秸稈和籽粒磷含量造成顯著影響，表明磷肥有較大減施空間；T3處理相對T4處理使土壤速效鉀含量顯著降低，但未對水稻秸稈和籽粒鉀含量有顯著影響。以上分析表明，油菜秸稈還田條件下，水稻當季減肥25%，即施用純氮肥、磷肥、鉀肥分別為180、90、120 kg/hm2不會造成水稻籽粒產量顯著降低，但為避免土壤速效氮含量和速效鉀含量的降低影響下季作物產量，建議下季水稻氮鉀肥可適當增加，而磷肥有減量25%以上的潛力。這為浙西地區在水稻、油菜輪作條件下油菜秸稈資源循環利用提供了科學依據。