秸稈連續(xù)還田對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素利用的影響

蒙婼熙，王小利，段建軍，徐 彬，楊宏偉，梅婷婷

（1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2貴州大學(xué)煙草學(xué)院/貴州省煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

水稻作為世界第一大糧食作物，其增產(chǎn)、穩(wěn)定對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重大意義。為了確保糧食安全、確保糧食產(chǎn)量和品質(zhì)持續(xù)改善，中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)糧食安全。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈還田是一種重要的土壤培肥方法，而合理的秸稈還田對(duì)水稻、小麥的生長(zhǎng)及養(yǎng)分的有效利用有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)秸稈還田對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量及土壤肥力的影響進(jìn)行了大量的探討，認(rèn)為秸稈還田不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且可以降低土壤的容重，改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤中的有效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)，秸稈還田分解后會(huì)產(chǎn)生大量的N、P、K、中微量元素和有機(jī)物[1-3]。秸稈還田還能增加0～10 cm的土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)[4]，增加了土壤肥力，并在一定程度上促進(jìn)了農(nóng)作物的生長(zhǎng)。秸稈資源的合理利用，是使化肥和農(nóng)藥使用零增長(zhǎng)的有效途徑。一些研究表明，長(zhǎng)期使用秸稈還田可以提高土壤中的有機(jī)碳[5-6]和有機(jī)氮含量[7]。對(duì)華北褐潮土進(jìn)行了17 a 的定位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NPK+秸稈還田處理的小麥產(chǎn)量比NPK處理高，且達(dá)到顯著水平[8]。近年來(lái)，由于稻草還田技術(shù)的推廣和普及，許多有關(guān)稻草還田對(duì)水稻的生育和產(chǎn)量產(chǎn)生了一定的影響[9-10]，在充分肯定了秸稈還田的作用的同時(shí)，也清楚地認(rèn)識(shí)到了大量秸稈還田會(huì)造成秸稈腐解慢[11]，對(duì)水稻早期生長(zhǎng)的不利影響，特別是對(duì)分蘗和根系的生長(zhǎng)[12-14]，還會(huì)給土壤造成一定的負(fù)面影響[15]。因此，適宜還田量對(duì)秸稈高效利用有著十分重要的作用[16]。減少大規(guī)模的秸稈還田對(duì)水稻的不良影響，是目前急需解決的問(wèn)題。本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，探討了秸稈還田比例對(duì)水稻生產(chǎn)及氮素利用的影響，以期為秸稈還田后高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)區(qū)位于思南縣塘頭鎮(zhèn)(108°11'31.20″ E，27°45'43.92″N)，該區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)型氣候區(qū)，平均海拔395 m，年平均溫度為17.5℃，年平均降雨量1200 mm，年平均氣溫和降水如圖1 所示。供試土壤為水稻土，基本性質(zhì)：pH 5.86，有機(jī)質(zhì)29.62 g/kg，全氮1.39 g/kg，堿解氮133.00 mg/kg，有效磷37.16 mg/kg，速效鉀182.07 mg/kg。種植模式在2019年試驗(yàn)設(shè)置之前為水稻油菜輪作，之后改為單季水稻種植，冬季自然休閑。

圖1 2019—2021年水稻生長(zhǎng)期間平均溫度和降雨量

肥料包括尿素(N 46.2%)、過(guò)磷酸鈣(P2O516%)和氯化鉀(K2O 60%)；供試物料為水稻秸稈(S)，其主要特性：有機(jī)碳309.72 g/kg、全氮5.99 g/kg、全磷1.87 g/kg、全鉀25.89 g/kg。供試水稻品種為浙江勿忘農(nóng)種業(yè)有限公司生產(chǎn)的‘中浙優(yōu)8號(hào)’，其平均生育期為158.7 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理：（1）CK為不施肥；（2）S0為常規(guī)施肥(N：150 kg/hm2，P2O5：148 kg/hm2，K2O：230 kg/hm2)；（3）S1：常規(guī)施肥+秸稈還田5 t/hm2；（4）S2：常規(guī)施肥+秸稈還田10 t/hm2；（5）S3：常規(guī)施肥+秸稈還田15 t/hm2；（6）S4：常規(guī)施肥+秸稈還田20 t/hm2。重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。水稻秸稈于水稻移栽前一個(gè)月施入土壤，并隨著犁耕翻入土壤深層，充分?jǐn)噭蜻M(jìn)行腐解。在每年的4月中旬育秧、5月中旬插秧，水稻行株距為40 cm×20 cm。將氮肥的50%、磷肥的100%和鉀肥的50%混勻后作為基肥一次性施入，2019年化肥分3次追施：氮肥的20%作分蘗肥，氮肥的20%和鉀肥的50%作保花肥，氮肥的10%作促花肥。從2020年開始化肥分2次追施：氮肥的20%作分蘗肥，氮肥的30%和鉀肥的50%作穗肥，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

在9 月上旬水稻成熟后進(jìn)行采樣和測(cè)產(chǎn)。水稻樣品采集時(shí)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的9穴（約88株）的水稻地上部，分別測(cè)定穗數(shù)、穗粒數(shù)，千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量因素指標(biāo)，然后在105℃下殺青30 min，于60℃下烘干至恒重，測(cè)定其干物質(zhì)量。將樣品粉碎后，用H2SO4-H2O2進(jìn)行聯(lián)合消煮，凱氏定氮儀測(cè)定全N含量，并計(jì)算出植株的N累積量；每一小區(qū)全部收割后稱實(shí)際鮮產(chǎn)量，取100 g稻谷烘干后測(cè)定其水分含量，然后計(jì)算出水稻的產(chǎn)量。

1.4 氮素吸收和利用效率的計(jì)算[17-19]

計(jì)算公式如式(1)～(4)所示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2021 和SPSS 26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，多重比較采用LSD法，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知，與S0處理相比，其他秸稈還田處理增產(chǎn)幅度分別為8.08%～20.16%（2019 年）、3.00%～9.00%（2020 年）、7.65%～14.40%（2021 年），差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。造成產(chǎn)量差異的原因是秸稈還田處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重均高于S0處理，在2019 年提高幅度依次：5.29%～20.64%、2.96%～11.51%、0.44%～8.63%、0.62%～6.00%；在2020 年提高幅度依次為：8.20%～22.40%、8.87%～27.52%、0.40%～7.35%、0.83%～8.84%；在2021 年提高幅度依次為：9.69%～32.16、6.04%～19.70%、1.99%～5.56%、1.17%～10.72%。在不同秸稈處理間，籽粒產(chǎn)量、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及千粒重均表現(xiàn)為隨秸稈還田量的增加呈先增加后減少趨勢(shì)，其中以S3處理最高。在秸稈連續(xù)還田中，隨著還田年限的增加，穗粒數(shù)、千粒重以及產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)，而結(jié)實(shí)率變化不大、有效穗數(shù)呈遞減的趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明（表1），試驗(yàn)?zāi)攴莺徒斩掃€田對(duì)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重以及產(chǎn)量影響不顯著，而試驗(yàn)?zāi)攴莺徒斩掃€田兩因素交互作用對(duì)有效穗數(shù)和千粒重影響顯著，對(duì)穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及產(chǎn)量影響不顯著。

表1 秸稈還田量對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由圖2可知，水稻籽粒產(chǎn)量隨秸稈還田量增加呈先增加后降低的規(guī)律。通過(guò)擬合分析發(fā)現(xiàn)，不同年份水稻秸稈還田量和水稻籽粒產(chǎn)量之間均符合一元二次函數(shù)關(guān)系，2019 年在0.10 水平上顯著，2020 年和2021 年分別在0.01 水平和0.05 水平上顯著，秸稈還田量和水稻籽粒3年平均產(chǎn)量也符合一元二次函數(shù)關(guān)系，在0.01水平上顯著。2019、2020和2021年及3年平均秸稈還田量分別為12.07、14.11、15.43、15.36 t/hm2時(shí)，水稻籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高，依次為7.46、8.46、9.22、8.33 t/hm2。

圖2 籽粒產(chǎn)量與秸稈還田量的擬合關(guān)系

2.2 秸稈還田對(duì)水稻干物質(zhì)積累量的影響

方差分析結(jié)果如圖3 表明，試驗(yàn)?zāi)攴莺徒斩掃€田對(duì)干物質(zhì)積累影響不顯著，但兩因素對(duì)干物質(zhì)積累影響顯著。與S0處理相比，秸稈還田處理的干物質(zhì)積累量在2019年下降了0.05%～9.94%；在2020年，S1、S3、S4處理的干物質(zhì)積累量增幅依次為1.00%、3.46%、3.46%，而S2處理則下降4.77%；在2021 年干物質(zhì)積累量增幅為21.54%～34.67%，3年平均干物質(zhì)積累量增幅為5.49%～13.16%。隨著秸稈還田量的增加，在2019年干物質(zhì)積累量呈先增加后減少的趨勢(shì)；在2020 年，干物質(zhì)積累量呈先減少后增加的趨勢(shì)；在2021 年，干物質(zhì)積累量呈先增加后減少的趨勢(shì)，但與S0處理相比，秸稈還田處理間干物質(zhì)積累量沒(méi)有達(dá)到顯著性水平(P＞0.05)。

圖3 秸稈還田對(duì)水稻干物質(zhì)積累量的影響

2.3 秸稈連續(xù)還田下水稻產(chǎn)量與地上部氮素積累量的相關(guān)性

由圖4可知，秸稈連續(xù)還田3年，通過(guò)對(duì)水稻產(chǎn)量和地上部氮積累量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)3 年的產(chǎn)量與氮積累量之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而隨著秸稈還田時(shí)間的延長(zhǎng)，水稻氮積累量的相關(guān)系數(shù)逐漸增大，具體表現(xiàn)為r2021=0.927**＞r2020=0.926**＞r2019=0.723**，說(shuō)明秸稈連續(xù)還田與水稻地上部和產(chǎn)量間的相關(guān)性很密切。

圖4 水稻產(chǎn)量與氮素積累量的相關(guān)性

2.4 秸稈還田對(duì)氮素利用的影響

如圖5所示，方差分析結(jié)果表明，不同試驗(yàn)?zāi)攴莺徒斩掃€田處理對(duì)氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)有明顯的相關(guān)性，而且年份和秸稈還田處理的交互作用對(duì)氮肥生理利用率和氮素農(nóng)學(xué)效率達(dá)到極顯著水平。不同秸稈還田處理間，氮素生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)等指標(biāo)在不同年份間均隨著秸稈還田數(shù)量的增大呈現(xiàn)出先增后減的變化，以S3處理的秸稈還田量最高。與S0處理相比，3年平均氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)依次提高37.25%～66.40%、19.51%～26.49%、61.09%～78.61%和7.28%～15.11%，除與S3處理的氮肥偏生產(chǎn)力差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，S3處理的氮肥生理利用率、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)與其他處理差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

圖5 秸稈還田處理水稻氮素利用效率

3 結(jié)論

3年田間定位試驗(yàn)研究表明，與常規(guī)施肥處理比較，在常規(guī)施肥+秸稈還田量為15 t/hm2的條件下，水稻產(chǎn)量、氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)均有顯著的影響。在秸稈連續(xù)還田背景下，常規(guī)施肥加秸稈還田量為15 t/hm2處理的水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量、氮肥偏生產(chǎn)力以及氮素收獲指數(shù)在2021年比2019 年依次提高了24.43%、46.95%、45.06%、68.24%。從水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量以及氮素利用等方面綜合考慮，在黃壤地區(qū)，單季水稻種植模式下，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上，秸稈還田量為15 t/hm2效果最佳。

4 討論

4.1 秸稈連續(xù)還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

影響水稻產(chǎn)量的因素很多。據(jù)研究，水稻產(chǎn)量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素密切相關(guān)[20]。袁偉玲等[21]研究認(rèn)為，結(jié)實(shí)率對(duì)產(chǎn)量的高低起主要作用，需以穩(wěn)定高結(jié)實(shí)率為基礎(chǔ)來(lái)提高產(chǎn)量。也有研究表明每穗粒數(shù)和千粒重與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，是影響水稻產(chǎn)量的主要因素[22-24]。陳新紅等[25]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)秸稈還田量在6000 kg/hm2時(shí)，2個(gè)不同水稻品種比不還田處理的增產(chǎn)幅度分別提高了3.1%和11.8%，每穗粒數(shù)相比于秸稈不還田處理顯著增加，分別提高了12.4%和16.1%。袁玲等[26]進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10 a的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，結(jié)果表明：秸稈還田可以增加有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和實(shí)際產(chǎn)量。劉禹池等[27]在四川廣漢市進(jìn)行了7 a年的田間定位研究表明，在水稻-油菜輪作系統(tǒng)中，持續(xù)秸稈還田可以使水稻、油菜產(chǎn)量年均增長(zhǎng)6.1%和5.8%。陸強(qiáng)等[28]在江蘇常熟進(jìn)行了2 a的田間定位研究，結(jié)果表明：全量秸稈還田水稻、小麥年均增產(chǎn)分別為6.0%和8.8%。程曼等[29]對(duì)黃土旱塬地區(qū)的長(zhǎng)期秸稈覆蓋還田試驗(yàn)，結(jié)果顯示，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理后玉米產(chǎn)量年平均提高10.1%。這一系列報(bào)道表明，秸稈還田處理的水稻產(chǎn)量比不還田處理的水稻增產(chǎn)幅度大[30]，而且水稻產(chǎn)量與其構(gòu)成因素間存在復(fù)雜的關(guān)系，共同影響著水稻的產(chǎn)量。本研究結(jié)果也表明，秸稈還田比不還田處理的水稻增產(chǎn)幅度大，當(dāng)秸稈還田在15 t/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量增加20.16%（2019 年）、8.66%（2020 年）、14.40%（2021 年），有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均有顯著提高。但隨著秸稈還田年限的增加，稻谷產(chǎn)量增產(chǎn)幅度逐漸降低，這可能是在本研究中，秸稈還田年限短、平均溫度高、有效穗數(shù)降低、降雨量減少的緣故。秸稈還田之后的腐解過(guò)程中氮素不足[31]、水分消耗加大，在土壤水分不足時(shí)產(chǎn)生與作物競(jìng)爭(zhēng)水分的現(xiàn)象[32]，影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育。這與高亞軍等[33]研究結(jié)果相似，其研究表明秸稈還田會(huì)導(dǎo)致土壤的水分、養(yǎng)分以及溫度與外界環(huán)境不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致增產(chǎn)幅度下降。同時(shí)，TAKAHASHI等[34]對(duì)秸稈還田進(jìn)行了短期和長(zhǎng)期的對(duì)比研究，結(jié)果顯示，秸稈還田時(shí)間的長(zhǎng)短是最主要的影響因子。HUANG等[35]通過(guò)對(duì)全國(guó)稻草還田資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)秸稈還田后的年均氣溫、土壤養(yǎng)分狀況、還田年限、施肥等因素都會(huì)影響到秸稈還田后的平均增產(chǎn)率。

4.2 秸稈連續(xù)還田對(duì)氮素利用的影響

氮素作為作物生長(zhǎng)所必需的大量元素之一，其吸收利用影響著作物最終產(chǎn)量。已有研究表明，秸稈還田配施化肥后作物氮肥利用率顯著提高[36-37]。關(guān)于秸稈還田配施肥料將如何增加作物的氮素利用，趙峰等[38]認(rèn)為，秸稈還田配施氮肥提高了水稻的光合作用，促進(jìn)了物質(zhì)合成與轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高氮肥利用率。李貴桐等[39]研究認(rèn)為，將農(nóng)作物秸稈添加到土壤中，可以促進(jìn)土壤的微生物活性和數(shù)量的提高，從而增加土壤供氮潛能和能力，有利于作物對(duì)氮素的吸收。此外，王改玲等[40]的研究則表明，秸稈還田配施肥料減少了土壤氮素?fù)p失，起到了保存和提高土壤肥效的作用。本研究中：在常規(guī)施肥情況下，配施不同比例的秸稈還田可使氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)均有明顯提高，氮素生理利用率和氮素農(nóng)學(xué)效率在秸稈還田量為15 t/hm2時(shí)達(dá)到顯著性(P＜0.05)。究其原因，水稻秸稈配施肥料處理?xiàng)l件下水稻的吸氮量相對(duì)于單施肥料處理有增加的趨勢(shì)，表明水稻秸稈配施肥料能夠促進(jìn)水稻對(duì)氮的吸收利用，有利于穗粒數(shù)和千粒重的增加，進(jìn)而提高氮肥利用率并獲得較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。當(dāng)秸稈還田量為20 t/hm2時(shí)，氮肥生理利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)效率以及氮素收獲指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，這可能是由于秸稈還田量過(guò)大，除與水稻爭(zhēng)氮、爭(zhēng)氧外，還會(huì)產(chǎn)生大量的還原物質(zhì)，釋放出大量的氨氣，從而加劇了土壤的污染，導(dǎo)致水稻僵苗、爛根等問(wèn)題，從而對(duì)水稻的早期氮積累有很大的抑制作用[41]，進(jìn)而對(duì)氮素的利用率也有一定的影響[42]。另外，氮肥利用率隨秸稈還田年限也有明顯變化，這與CAO 等[43]研究結(jié)果一致，其指出長(zhǎng)期秸稈還田為土壤帶來(lái)足夠的碳，并刺激微生物活性，這可能會(huì)加速氮的轉(zhuǎn)化，提高水稻植株對(duì)N的吸收。

為了進(jìn)一步深入了解水稻秸稈配施肥料對(duì)土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響機(jī)制，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更為長(zhǎng)期的秸稈還田試驗(yàn)，并且從微生物學(xué)機(jī)理的角度來(lái)研究其產(chǎn)量增加機(jī)制也是必要的。此外，利用同位素示蹤技術(shù)結(jié)合大田試驗(yàn)來(lái)研究秸稈還田與肥料配施對(duì)土壤供氮和保氮能力以及氮素分配的影響，也有助于在深入了解其影響機(jī)制的條件下進(jìn)行合理的秸稈還田比例和配施肥料。