多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產量形成與氮素吸收利用的影響

胡明明 丁 峰 彭志蕓 向開宏 李 郁 張宇杰 楊志遠 孫永健 馬 均

多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產量形成與氮素吸收利用的影響

胡明明 丁 峰 彭志蕓 向開宏 李 郁 張宇杰 楊志遠 孫永健 馬 均*

四川農業大學水稻研究所 / 作物生理生態及栽培四川省重點實驗室, 四川成都 611130

研究多元化種植模式下, 不同前茬秸稈還田與水氮管理對水稻產量形成、干物質積累分配及氮素吸收利用的影響。2018—2019年以雜交稻F優498為材料, 采用三因素裂裂區設計, 主區設置油菜-水稻(Py)、小麥-水稻(Px)、青菜-水稻(Pq) 3種種植模式秸稈還田, 裂區設置常規淹水灌溉(W0)和干濕交替灌溉(W1) 2種水分管理方式, 裂裂區設置不施氮處理(N0)、常規施氮處理(N1)、精量減氮處理(N2) 3個施氮水平, 分析測定了拔節期、齊穗期和成熟期不同處理下秸稈還田的腐解率、氮素釋放率、水稻各器官的干物質積累分配、植株氮素吸收利用以及籽粒產量。結果表明, Py的平均產量分別較Px、Pq增加2.55%、13.99%, 主要原因是其有效穗數和千粒重較高; Py可促進各營養器官干物質和氮素積累, 有利于干物質分配、提高莖鞘氮素貢獻率和氮肥利用率, Py各時期的平均干物質積累總量、氮素積累總量分別比Px和Pq增加5.25%、7.48%和14.60%、17.30%, Py的氮肥偏生產力較Pq顯著增加24.90%, 但Py的秸稈腐解率和氮素釋放率較低。3種模式下W1處理的水稻產量分別比W0處理增加5.10% (Py)、1.76% (Px)和4.80% (Pq), W1處理可促進秸稈腐解和氮素釋放, 促進干物質積累和氮素吸收轉運, 有利于Py和Px模式下的干物質分配, 進而提高氮肥利用率。同一秸稈還田和水分管理下, N2處理可促進秸稈腐解和氮素釋放, 有利于干物質分配和氮素轉運, 提高了齊穗期、成熟期莖鞘和葉片氮素積累量, 進而提高氮肥利用率, N2處理的產量、干物質積累量較N1處理略有下降, 但二者差異不顯著。綜合考慮分析, 油-稻種植模式下, 油菜秸稈還田配合干濕交替灌溉與精量減氮(120 kg hm–2)有利于干物質積累分配、氮素吸收轉運, 進而提高氮肥農學利用率、氮肥偏生產力, 并可節約20%氮肥投入, 實現水稻穩產高效生產。

水稻; 多元化種植模式; 秸稈還田; 水氮管理; 產量形成; 氮素吸收利用

多元化種植模式是中國稻田重要的種植體系, 具有提高土地利用率, 保證糧食安全等優點, 其中油菜-水稻、小麥-水稻、青菜-水稻是中國常見的種植方式[1-2]。每到收獲時節, 這幾種作物的秸稈也大量產生, 農戶隨地丟棄或焚燒, 導致秸稈利用率相對較低, 并加重了環境污染[3-4]。秸稈還田是利用秸稈的有效途徑之一, 秸稈中含有豐富的有機質和中、微量元素, 秸稈還田后不僅能培肥地力、蓄水保墑, 還能促進養分循環利用和降低施肥量[5-7]。實際生產中, 灌溉用水和氮肥投入是水稻穩產高產的重要限制因素, 但在水稻生產中存在水肥投入量大和利用率低的突出現象[8-9]。因此, 如何在多元化種植模式下, 將前茬作物秸稈還田與水氮管理綜合考慮, 在適當減少水分用量的同時, 根據土壤供氮量進行精量減氮, 對于同步提高水稻產量和水肥利用效率至關重要。

前人關于秸稈還田、水分管理和施氮量對水稻產量、氮素吸收利用的影響做了相關研究。張斯梅等[10]研究發現, 麥秸全量還田下, 較當地常規施肥(300 kg hm–2)減氮20%配合氮肥前移, 有利于提高水稻氮肥農學利用率、氮肥偏生產力, 促進水稻穩產增產。張剛等[11]認為, 秸稈還田配施氮肥(240 kg hm–2)能夠提高氮肥利用率, 增加產量, 降低氮肥損失, 秸稈還田較無秸稈還田增加氮肥農學利用率1.4～3.4 kg kg–1, 而增加施氮量將降低氮肥農學利用率的趨勢。吳宗釗等[12]研究表明, 輕干濕交替灌溉(66.7%)配施氮肥(180 kg hm–2)時水氮耦合效應最佳, 適當水分脅迫仍能獲得高產, 并保持較高的氮肥利用效率。張宇杰等[13]揭示, 麥稈全量還田下, 干濕交替灌溉配合氮肥運籌(基肥∶蘗肥∶穗肥=3∶3∶4)能夠促進水稻主要生育時期秸稈氮素釋放, 提高地上部氮素積累及轉運能力, 提高氮肥回收利用率與水分利用率。目前, 前人研究多集中在單一類型秸稈還田或水氮耦合上, 忽略了多元化種植模式下, 前茬氮素投入在秸稈和土壤中殘留差異較大, 未能根據土壤供氮量進行精確定氮, 且多元種植模式下秸稈還田、水分管理和施氮量間的交互作用對水稻干物質積累分配、氮素吸收利用及產量形成的研究還不足。因此, 本試驗以F優498為材料, 在油菜-水稻、小麥- 水稻、青菜-水稻3種種植模式前茬秸稈還田下, 設置常規淹水灌溉和干濕交替灌溉, 常規施氮和精量減氮處理, 研究多因素共同作用對秸稈腐解率、氮素釋放率、水稻干物質積累分配、氮素吸收利用和產量形成的影響, 以期為多元化種植體系秸稈還田利用與稻季水氮高效管理模式提供理論及實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為當地主栽品種F優498 (秈型三系雜交稻, 全生育期145～152 d)。于2018—2019年在四川省成都市崇州四川農業大學水稻研究所試驗田進行(30°42′N, 103°28′E)。試驗地點為亞熱帶季風氣候, 水稻季試驗區氣象數據由四川省氣象局提供, 氣象資料如圖1所示。耕層土壤(0～20 cm)質地為沙壤土, 土壤基礎理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

采用三因素裂裂區設計, 主區設置3種種植模式秸稈還田: 油菜-水稻模式(Py), 油菜秸稈全量還田(6500 kg hm–2); 小麥-水稻模式(Px), 小麥秸稈全量還田(5000 kg hm–2); 青菜-水稻模式(Pq), 青菜殘留物全量還田(1000 kg hm–2)。裂區為2種水分管理方式, 設常規淹水灌溉(W0)和干濕交替灌溉(W1)。裂裂區設置3個施氮水平: 不施氮(N0: 0 kg hm–2); 常規施氮(N1: 150 kg hm–2); 精量減氮施肥(N2: 根據土壤供氮量以及氮肥當季利用率減氮施肥)。

定氮公式[14]: 達到目標產量的施氮量(kg hm–2) = (達到目標產量的需氮量?土壤供氮量)/氮肥當季利用率。

具體數據參考該田塊之前研究[15], 目標產量10,000 kg hm–2, 每100 kg稻谷需氮量為1.83 kg, 土壤供氮量106.1 kg hm–2, 氮肥利用率為47.1%, 算得所需氮肥為165 kg hm–2, Py、Px、Pq下還田氮素分別45、25和20 kg hm–2, 最終算得Py、Px、Pq下N2施氮量分別為120、140和145 kg hm–2。

圖1 2018–2019年試驗區水稻生育期平均氣溫和降雨量

表1 土壤基本理化性狀

2年均采用旱育秧, 2018年于3月18日播種, 5月19日移栽; 2019年于3月24日播種, 5月24日移栽。其中2019年為2018年的定位試驗, 2018年水稻收獲后, 冬季在相應小區種植油菜、小麥和青菜。小區面積12 m2, 重復3次, 共計54個小區, 行穴距為33.3 cm×16.7 cm, 單本移栽。氮肥為尿素(N≥46%), 按基肥∶蘗肥∶促花肥∶?；ǚ?3∶3∶2∶2施用, 基肥在移栽前1 d施入, 蘗肥在移栽后7 d施用, 促花肥與?；ǚ史謩e于倒4葉和倒2葉抽出時施用。磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%, 90 kg hm–2), 全作底肥一次性施入。鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%, 150 kg hm–2), 按基肥∶穗肥=7∶3施用。小區之間做田埂并用地膜包覆, 以免串水串肥, 其他田間管理措施與當地常規管理方式相同。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤理化性狀測定 在前茬作物收獲后, 灌水旋田前, 按照五點取樣法, 將土樣取回實驗室, 自然風干后磨細, 過20目篩子, 用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量, 并換算成有機質; 用凱氏定氮法測土壤全氮; 用堿解擴散法測定土壤堿解氮; 用碳酸氫鈉法測定速效磷; 用醋酸銨-火焰原子吸收分光光度法測定速效鉀。

1.3.2 產量及產量構成因素 于成熟期各小區選取30穴調查有效穗數, 并按平均有效穗數從每小區選取5穴進行考種, 調查實粒數、空粒數、結實率、千粒重等指標, 待稻谷含水量為13.5%時實測產量。

1.3.3 秸稈腐解率及氮素釋放率 于水稻移栽前在每小區埋入裝40 g左右相應秸稈的尼龍網袋(深7 cm處), 并在袋中裝入等量泥土以助秸稈腐解。于拔節期、齊穗期和成熟期分別取出網袋, 洗凈烘干后測定剩余秸稈重量, 后粉碎過篩用凱氏定氮法測定樣品中全氮含量, 計算秸稈腐解率及氮素釋放率。秸稈腐解率(%) = (試驗前網袋內秸稈質量–網袋內秸稈殘留質量)/試驗前網袋內秸稈質量×100%。秸稈氮素釋放率(%) = (原始秸稈質量×原始秸稈氮素含量–剩余秸稈質量×剩余秸稈氮素含量)/(原始秸稈質量×原始秸稈氮素含量)×100%。

1.3.4 干物質積累與分配 于水稻拔節期、齊穗期、成熟期各小區按平均莖蘗數取代表性植株3穴, 分莖、葉、穗(齊穗期和成熟期) 3個部分, 在105℃下殺青30 min, 后在80℃下烘干至恒重, 稱取各器官干物質量, 計算植株干物質積累與分配。(1) 莖鞘干物質轉運量(kg hm–2) =齊穗期莖鞘干物質量?成熟期莖鞘干物質量; (2) 葉片干物質轉運量(kg hm–2) = 齊穗期葉片干物質量?成熟期葉片干物質量; (3) 莖鞘干物質輸出率(%) = 莖鞘干物質轉運量/齊穗期莖鞘干物質量×100%; (4) 葉片干物質輸出率(%) = 葉片干物質轉運量/齊穗期葉片干物質量×100%; (5)莖鞘干物質轉運貢獻率(%) = 莖鞘干物質轉運量/成熟期穗部干物質量×100%; (6) 葉片干物質轉運貢獻率(%) = 葉片干物質轉運量/成熟期穗部干物質量 × 100%; (7) 收獲指數(HI) = 成熟期籽粒干重/成熟期植株總干重。

1.3.5 氮素吸收與轉運 將1.3.4樣本分別粉碎過篩, 采用濃H2SO4-H2O消煮, 凱氏定氮法測定各器官的全氮含量, 計算氮素積累與轉運特性(全自動高通量蒸餾滴定儀, UDK169 & Autokjel, 意大利)。(1) 莖鞘氮素轉運量(kg hm–2) = 齊穗期莖鞘氮積累量?成熟期莖鞘氮積累量; (2) 葉片氮素轉運量(kg hm–2) = 齊穗期葉片氮積累量?成熟期葉片氮積累量; (3) 莖鞘氮素輸出率(%) = 莖鞘氮素轉運量/齊穗期莖鞘氮素積累量×100%; (4) 葉片氮素輸出率(%) = 葉片氮素轉運量/齊穗期葉片氮素積累量×100%; (5) 莖鞘氮素轉運貢獻率(%) = (莖鞘氮素轉運量/成熟期穗部氮素積累量)×100%; (6) 葉片氮素轉運貢獻率(%) = (葉片氮素轉運量/成熟期穗部氮素積累量)×100%。

1.3.6 植株氮素利用 根據成熟期產量計算氮素農學利用率及氮肥偏生產力。(1) 氮素農學利用率(kg kg–1) = (施氮區作物產量?無氮區作物產量)/氮肥施用量; (2) 氮素偏生產力(kg kg–1) = 施氮區產量/施氮量。

1.4 數據計算和統計分析

采用Microsoft Excel 2016統計數據, SPSS 25.0 (SPSS Institute Inc, 美國)軟件分析數據, 并利用最小顯著差數(LSD)在<0.05水平上進行差異顯著性比較。2年試驗各處理下水稻產量及各測定指標變化趨勢和重演性一致, 本文以2019年數據結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產量形成的影響

由表2可知, 不同種植模式下秸稈還田對水稻千粒重和產量的影響達極顯著水平, 水分管理與施氮量(每穗穎花數除外)對水稻產量和產量構成因素的影響達極顯著水平, 秸稈還田和水分管理交互作用(有效穗數除外)、秸稈還田和施氮量交互作用、水分管理和施氮量交互作用(結實率除外)對有效穗數和結實率的影響達顯著水平。

Py: 油菜-水稻模式, 油菜秸稈全量還田(6500 kg hm–2); Px: 小麥-水稻模式, 小麥秸稈全量還田(5000 kg hm–2); Pq: 青菜-水稻模式, 青菜殘留物全量還田(1000 kg hm–2)。W0: 常規淹水灌溉; W1: 干濕交替灌溉。N0: 不施氮, 0 kg hm–2; N1: 常規施氮, 150 kg hm–2; N2: 精量減氮施肥。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Py: rape-rice model, full return of rape straw (6500 kg hm–2); Px: wheat-rice model, full return of wheat straw (5000 kg hm–2); Pq: cabbage-rice model, full return of cabbage residue (1000 kg hm–2). W0: conventional flooding irrigation; W1: alternating wet and dry irrigation. N0: no N treatment, 0 kg hm–2; N1: conventional N application treatment, 150 kg hm–2; N2: precise N reduction. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments in the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同種植模式下秸稈還田的水稻產量均表現為Py>Px>Pq, Py的平均產量分別較Px、Pq增加2.55%、13.99%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的產量均表現為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻產量分別比W0處理增加5.10%、1.76%和4.80%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的水稻產量均表現N1>N2>N0, 但N1與N2處理間差異不顯著。秸稈還田結合水氮管理時水稻產量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理下次之, PqW0N0處理下最低, PyW1N1與PyW1N2處理間差異不顯著, 但分別較PqW0N0處理顯著增產87.83%、85.96%。

從產量構成因素來看, 不同種植模式下秸稈還田的水稻有效穗數和千粒重均表現為Py>Px>Pq, 但三者差異不顯著, 而每穗穎花數和結實率則表現為Px>Py>Pq。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的有效穗數、結實率和千粒重均表現為W1>W0, 而每穗穎花數表現為W0>W1。同一秸稈還田和水分管理下, 施氮處理均能顯著增加水稻的有效穗數和千粒重, 有效穗數在N1處理最大, Py模式下N1處理與其余處理差異顯著, 而千粒重在N2處理最大, 各處理對每穗穎花數和結實率影響不顯著, 但N2較N1處理略有下降。

2.2 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對秸稈腐解率及氮素釋放率的影響

由表3可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理(拔節期N釋放率除外)、施氮量、秸稈還田和施氮量交互作用(成熟期期N釋放率除外)以及不同種植模式下秸稈還田×水分管理×施氮量三者間的交互作用, 對各指標影響達顯著或極顯著水平(拔節期秸稈腐解率和成熟期N釋放率除外)。

(續表3)

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同類型的秸稈腐解和N釋放均表現為前期快, 中后期較慢的趨勢。不同種植模式下秸稈還田的腐解率、N釋放率均表現為Pq>Px>Py, Pq各時期的平均秸稈腐解率和N釋放率分別較Py增加133.13%、86.55%, Pq與其余處理差異顯著, Px與Py處理間差異不顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的秸稈腐解率和N釋放率均表現為W1>W0(除拔節期N釋放率), 但二者差異不顯著。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的秸稈腐解率和N釋放率多表現為N2>N1>N0, PqW1處理下僅拔節期的秸稈腐解率在N1、N2處理間差異顯著, PxW1、PyW1處理下N2處理的平均秸稈腐解率分別較N1處理增加8.56%、8.76%, PyW1N2與PyW1N1處理差異顯著, 同時PyW1N2的N釋放率(成熟期)較PyW1N1顯著增加2.92%。秸稈還田結合水氮管理時秸稈腐解率和N釋放率在PqW1N2處理下最高, 而PyW1N2處理下精確減氮能顯著提高各時期秸稈腐解率, 促進N釋放。

2.3 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質積累分配的影響

由表4可知, 不同種植模式下秸稈還田(拔節期莖鞘干物質積累量與收獲指數除外)與施氮量(齊穗期穗干物質積累量除外)對各指標影響達極顯著水平, 以及二者的交互作用對齊穗期(穗干物質積累量除外)、成熟期各器官的干物質積累量影響達顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田對水稻各營養器官干物質積累量均表現為Py>Px>Pq, Py各時期的平均干物質積累總量分別比Px、Pq增加5.25%、14.60%, 而3種模式下水稻的收獲指數差異不顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的干物質積累量均表現為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻干物質積累量分別比W0處理增加1.40%、3.31%、1.82%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的干物質積累量、收獲指數多表現為N1>N2, 但N1與N2處理間差異多不顯著。秸稈還田結合水氮管理時水稻干物質積累量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理下次之, PqW0N0處理下最低, PyW1N1與PyW1N2處理間差異不顯著。

由表5可知, 不同種植模式下秸稈還田對莖鞘干物質轉運量、葉片干物質轉運量、貢獻率影響達顯著或極顯著水平, 施氮量對各指標影響達極顯著水平, 秸稈還田和施氮量的交互作用對莖鞘干物質轉運量影響達顯著水平, 水分管理、水分管理和施氮量的交互作用對葉片干物質轉運量影響達顯著水平。

不同處理下水稻的干物質轉運量、輸出率、貢獻率均表現為莖鞘>葉。不同種植模式下秸稈還田對水稻莖鞘和葉片干物質轉運量、輸出率、貢獻率均表現為Py>Px>Pq, Py的干物質轉運量、輸出率和貢獻率分別較Pq增加34.38%、2.25%、2.91% (莖鞘)和28.95%、1.34%、0.62% (葉)。同一秸稈還田處理下, 除Pq模式下莖鞘干物質轉運量、輸出率和貢獻率表現為W0>W1, 其余處理多表現為W1>W0。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的干物質轉運量、輸出率、貢獻率均表現為N2>N1>N0, N0與其余處理差異顯著。秸稈還田結合水氮管理時水稻干物質轉運量、輸出率和貢獻率多在PyW1N2處理下最高, PqW0N0處理下最低。

表4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質積累的影響

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

表5 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質轉運的影響

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素吸收轉運的影響

由表6可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量、秸稈還田和水分管理交互作用(成熟期莖鞘氮素積累量除外)、秸稈還田和施氮量交互作用, 以及三者交互作用(齊穗期穗和成熟期葉、穗氮素積累量除外)對各指標影響達顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田對水稻各營養器官氮素積累量多表現為Py>Px>Pq, Py各時期的平均氮素積累總量分別比Px、Pq增加7.48%、17.30%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮素積累量均表現為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻氮素積累量分別比W0處理增加6.75%、8.23%、4.66%。同一秸稈還田和水分管理下, 拔節期各營養器官氮素積累量均表現為N1>N2>N0, N1與N2處理間差異顯著, 齊穗期、成熟期莖鞘和葉片氮素積累量均表現為N2>N1>N0, 3種模式下W1N1均與W1N2處理差異顯著, 而N2處理的穗氮素積累量較N1處理略有下降。秸稈還田結合水氮管理時水稻氮素積累量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理次之, 但二者差異不顯著。

表6 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素積累量的影響

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

由表7可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量以及水分管理和施氮量的交互作用對各指標影響達顯著或極顯著水平, 三者交互作用對葉片氮素分配影響達顯著水平。

不同處理下水稻的氮素轉運量、輸出率、貢獻率均表現為葉>莖鞘。不同種植模式下秸稈還田對水稻莖鞘氮素轉運量、輸出率和葉片氮素轉運量、貢獻率均表現為Px>Py>Pq, 但處理間差異多不顯著, 而莖鞘氮素貢獻率表現為Py>Px>Pq, Py較Pq處理顯著增加3.69%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮素轉運量、輸出率和貢獻率多表現為W1>W0, 但二者差異不顯著。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的氮素轉運量、輸出率和貢獻率多表現為N2>N1>N0, 3種模式W1N2處理的莖鞘、葉片氮素貢獻率均顯著高于W1N1。秸稈還田結合水氮管理時水稻氮素轉運、輸出率、貢獻率多在PXW1N2處理下最高。

表7 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素轉運的影響

(續表7)

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.5 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素利用的影響

由表8可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量、秸稈還田和水分管理的交互作用以及水分管理和施氮量的交互作用對各指標影響達顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田的水稻氮肥農學利用率、氮肥偏生產力多表現為Py>Px>Pq, Py的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力較Pq平均增加21.12%、24.90%, 其中Py、Pq模式的氮肥偏生產力差異顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力均表現為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的氮肥農學利用率分別比W0處理增加24.90%、1.77%和7.94%, 氮肥偏生產力分別比W0處理增加8.90%、3.22%和5.40%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力多表現為N2>N1, 但N1與N2處理間差異多不顯著。秸稈還田結合水氮管理時水稻氮肥農學利用率、氮肥偏生產力均在PyW1N2處理下最高。

表8 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素利用的影響

(續表8)

處理同表2。同列數據后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

3 討論

3.1 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產量及產量構成因素的影響

秸稈還田能增加土壤通透性, 提高土壤微生物活性, 有利于秸稈與土壤間氮素的循環利用, 具有提高當季和后茬作物產量的作用[16]。裴鵬剛等[17]研究表明, 秸稈還田耦合施氮量(180 kg hm–2)可促進水稻有效穗數增加, 提高氮素和光合同化物積累, 使水稻顯著增產9.59%～23.51%。殷堯翥等[18]研究指出, 稻油輪作下油菜秸稈還田, 配合控制性交替灌溉與施氮量(150 kg hm–2)可顯著提高水稻齊穗期高效葉面積指數, 促進干物質積累, 提高有效穗數和每穗粒數, 進而達到高產。諶潔等[19]研究表明, 與油菜-水稻模式相比, 青菜-水稻模式能顯著提高水稻積溫生產效率、降水生產效率, 2年平均增產達10.50%, 而本試驗結果與其有所差異, 這可能是由于生態區溫光資源不同, 且前人主要針對于不同茬口, 并未進行秸稈還田。本研究結果表明, 不同種植模式下秸稈還田的水稻有效穗數、千粒重和產量均表現為Py>Px>Pq, 說明Py模式更能促進有效穗數形成, 加快光合產物向穗部積累, 也可能是由于Py模式有利于土壤風化, 提高土壤養分釋放速率, 最終增加產量[20]。3種模式下W1處理水稻的有效穗數、結實率、千粒重和產量較W0處理均有不同程度增加, N2處理的水稻產量較N1處理略有下降, 但二者之間差異不顯著, 這可能是由于土壤干濕交替變化能抑制無效分蘗的發生, 促進根系生長, 提高水稻光合作用及干物質積累, 有利于籽粒灌漿結實[21]。且相比于常規稻, F優498為雜交稻, 其根系更為發達、密集、粗壯, 能夠更好的吸收土壤中的養分和水分, 同時提高了土壤的通氣性和透水性。綜上所述, PyW1N2處理下更能提升水肥利用效率, 可節省氮肥投入20%, 實現水稻穩產高效生產。

3.2 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對秸稈腐解率及氮素釋放率的影響

秸稈腐解過程中各種養分的釋放和土壤微生物的活動, 會改變土壤理化性狀, 進而影響水稻生長及產量形成[22]。前人研究發現, 不同類型的秸稈腐解、氮素釋放均表現為前期快, 中后期較慢的趨勢[23], 且麥稈＞油菜桿[24], 本試驗結果與其一致, 這是因為腐解前期秸稈中易分解的可溶性化合物大量釋放,提高了土壤中的微生物數量及活性[25]; 而隨著還田時間增加, 秸稈中多為不易分解的纖維素等物質,導致微生物活性降低, 腐解率下降[26]。本研究結果表明, Pq模式下的秸稈腐解率、N釋放率均顯著高于其他種植模式, 但Px與Py處理間差異不顯著, 主要原因是青菜殘葉還田為菜葉, 腐解較快, 且小麥和油菜秸桿的C/N比較大, 超出了適宜微生物分解的秸桿C/N區間(25～30∶1)[27]。3種模式下秸稈腐解率和N釋放率多表現為W1>W0, N2>N1, 這可能是由于干濕交替灌溉能提高含氧量[13], 適量氮肥能降低土壤C/N比, 增強微生物及纖維素等水解酶活性, 促進秸稈腐解[28]。

3.3 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質積累分配的影響

水稻產量的形成是干物質積累與分配的結果。研究表明, 秸稈腐解過程中, 微生物活動與秸稈分解消耗大量氮素, 導致水稻的氮素供應不足, 從而抑制水稻生育前期干物質積累, 但隨著秸稈養分的釋放, 能促進水稻中后期干物質積累[29]。與小麥秸稈還田相比, 油菜秸稈還田能抵消前期的抑制作用, 增加干物質含量[20]。本研究結果表明, Py模式下水稻各營養器官干物質積累量均表現為最大, 這是由于Py模式的秸稈腐解率低于其他2種模式, 能保證前期水稻的供氮量, 而Pq模式的秸稈大量腐解, 與水稻生長形成爭氮。W1處理的干物質積累量均大于W0, 原因可能為干濕交替灌溉可減少無效分蘗, 提高水稻生長潛力, 葉面積等個體性狀具有較大優勢, 促進了干物質后期積累[18]。

花后干物質的轉運與分配對水稻產量形成至關重要。唐海明等[30]研究認為, 油菜秸稈還田可提高水稻莖、葉轉運率和貢獻率, 促進干物質向穗部的轉運。顧俊榮等[31]研究發現, 實地氮肥管理配合輕度干濕交替灌溉可顯著增加干物質積累量, 促進莖鞘干物質向籽粒轉運。本研究結果表明, Py模式下秸稈還田對水稻莖鞘和葉片干物質轉運量、輸出率、貢獻率均大于其他種植模式, 這是因為油菜秸稈還田在生育中后期仍能釋放部分營養物質, 更能增加莖葉干物質貯存, 在齊穗期葉片的光合作用更強, 有利于灌漿期光合產物向籽粒轉運[32]。而W1N2處理有利于秸稈N釋放, 從而促進了水稻合成轉化物質。由此說明, PyW1N2處理不僅能提高水稻干物質積累量, 更能實現干物質由營養器官向穗部高效轉運, 對籽粒灌漿結實具有積極作用。

3.4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素吸收利用的影響

氮素是植物生長發育不可或缺的營養元素, 氮素吸收轉運和利用是水稻高效生產的關鍵[33]。前人研究表明, 秸稈還田提高了水稻生育中后期氮素積累, 有利于氮素向籽粒轉運, 具有增產和提高氮素利用效率的作用[34]。徐國偉等[35]研究認為, 秸稈還田與實地氮肥管理可增強葉片硝酸還原酶活性, 促進植株吸氮, 同時促進氮素轉運, 提高氮素收獲指數與氮肥利用效率, 本試驗結果與其一致。孫永健等[36]研究發現, 干濕交替灌溉有利于增加氮素積累, 以拔節期影響最大, 氮肥適當后移能顯著提高抽穗后植株的吸氮量。本研究結果表明, Py模式下水稻各營養器官氮素積累量多表現為最大, 但莖鞘氮素轉運量、輸出率和葉片氮素轉運量、貢獻率略小于Px, 這可能是由于Py模式的秸稈腐解率低于Px, 雖有利于全生育期氮素積累, 但氮素轉運略慢。W1N2處理有利于提高水稻的氮素積累量、氮素轉運量、輸出率和貢獻率, 這可能是由于干濕交替灌溉可提高莖稈α-淀粉酶、β-淀粉酶活性, 增強氮代謝相關酶活性[37], N2處理有利于秸稈氮素釋放, 從而促進氮素轉運分配。

氮肥利用率是決定水稻氮素稻谷生產效率的重要因素。嚴奉軍等[29]研究發現, 秸稈還田能有效增加水稻的氮肥回收利用率和氮肥農學利用率, 其中油菜秸稈還田較小麥秸稈還田增幅更大, 本試驗結果與其一致。趙峰等[38]研究表明, 油菜秸稈還田與氮肥配施顯著提高了水稻灌漿期的光合速率, 有利于物質合成和轉化, 進而提高氮肥利用率。本研究結果表明, PyW1N2處理下水稻的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力均達到最大, 究其原因是油菜秸稈還田下, 干濕交替灌溉配合精量減氮有利于干物質和氮素積累, 促進氮素由莖葉向籽粒轉運, 從而提高氮肥利用率。

4 結論

與其他2種模式秸稈還田相比, 油菜-水稻種植模式下, 油菜秸稈還田的秸稈腐解率及氮素釋放率較低, 但其保證了水稻前期的干物質和氮素積累, 與水稻爭氮效應較輕, 同時秸稈養分緩慢釋放也促進了生育中后期干物質和氮素向穗部積累, 提高氮肥利用效率。油菜-水稻種植模式下, 油菜秸稈還田配合干濕交替灌溉與精量減氮(120 kg hm–2)可促進水稻干物質積累, 提高莖葉干物質轉運率、貢獻率, 同時有利于氮素吸收、增加莖葉氮素轉運率、貢獻率, 進而提高氮肥農學利用率和氮肥偏生產力, 最終有利于水稻的有效穗數形成和籽粒灌漿, 并可節約20%氮肥使用, 實現水稻穩產高效生產。

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Effects of straw returning to field combined with water and N management on rice yield formation and N uptake and utilization under diversified cropping patterns

HU Ming-Ming, DING Feng, PENG Zhi-Yun, XIANG Kai-Hong, LI Yu, ZHANG Yu-Jie, YANG Zhi-Yuan, SUN Yong-Jian, and MA Jun*

Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University / Sichuan Provincial Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation, Chengdu 611130, Sichuan, China

To study the effects of different precrop straw return and water and N management on rice yield formation, dry matter accumulation and distribution, and N uptake and utilization under diversified cropping patterns. In 2018–2019, hybrid rice F you 498 was used as the experimental material, and a three-factor split plot design was adopted. The main plot was conducted with three planting modes of rape-rice (Py), wheat-rice (Px), and cabbage-rice (Pq). In the field, the split area was equipped with two water management methods including conventional flooding irrigation (W0) and alternating wet and dry irrigation (W1). The split area was equipped with three N levels including no N treatment (N0), conventional N application treatment (N1), and precise N reduction (N2). The decomposition rate, N release rate, dry matter accumulation, and the distribution of various rice nutrient organs, plant N uptake and utilization of straw returned to the field under different treatments at jointing, heading, and maturity stages, and grain yield were analyzed and measured. The results showed that the average yield of Pyincreased by 2.55% and 13.99%, respectively, compared with Pxand Pq,mainly due to its higher effective panicles and 1000-grain weight. Pypromoted the accumulation of dry matter and N in various nutrient organs, which was beneficial to dry matter distribution, to improve the stem sheath N contribution rate and N fertilizer utilization rate, the average total dry matter accumulation and total N accumulation at each stage of Pyincreased by 5.25%, 7.48%, and 14.60%, 17.30%, respectively, compared with Pxand Pq. The partial factor productivity of N increased significantly by 24.90% compared with Pq, but the straw decomposition rate and N release rate of Pywere lower. The rice yield of W1treatment under the three modes increased by 5.10% (Py), 1.76% (Px), and 4.80% (Pq), respectively, compared with W0treatment. W1treatment promoted straw decomposition and N release, promote dry matter accumulation and N uptake and transport are beneficial to dry matter distribution in Pyand Pxmodes, thereby improving N fertilizer utilization efficiency. Under the same straw return and water management, N2treatment promoted straw decomposition and N release, which was beneficial to dry matter distribution and N transport, and increased N accumulation in stem sheaths and leaves at heading and maturity stages, thus improving N fertilizer utilization efficiency. However, the yields and dry matter accumulations in N2treatment decreased slightly compared with those in the N1treatment, but there was significant difference between them. Comprehensive analysis showed that under the rape-rice planting model, returning rapeseed straw to the field combined with alternating dry and wet irrigation and precise N reduction (120 kg hm–2) was beneficial to dry matter accumulation and distribution, N uptake and transport, and thus improving the agronomic efficiency of N, and partial factor productivity of N, and can save 20% of N fertilizer input to achieve stable and efficient rice production.

rice; diversified cropping patterns; straw returning to field; water and N management; yield formation; N uptake and utilization

10.3724/SP.J.1006.2024.32039

本研究由國家重點研發計劃項目(2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), 四川省育種攻關專項(2016NYZ0051)和四川省教育廳重點項目(18ZA0390)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program (2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), the Sichuan Provincial Breeding Research Project (2016NYZ0051), and the Sichuan Provincial Department of Education Key Project (18ZA0390).

馬均, E-mail: majunp2002@163.com

E-mail: 957937991@qq.com

2023-09-23;

2024-01-12;

2024-02-07.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240205.1149.002

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