稻草全量還田下氮肥運籌對雙季晚稻產量及其氮素吸收利用的影響

何 虎， 吳建富， 曾研華,2， 胡 凱， 黃 山， 曾勇軍， 潘曉華*， 石慶華*

(1 江西農業大學作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室，江西省作物生理生態與遺傳育種重點實驗室，江西南昌 330045；2 中國水稻研究所，水稻生物學國家重點實驗室，浙江杭州 310006)

中國作為一個農業大國，作物秸稈非常豐富，其中稻草秸稈約占總秸稈的1/3，而在雙季稻區，稻草資源更加豐富[1]。稻草含有大量氮、 磷、 鉀等礦質營養元素，稻草還田對提高土壤有機質含量，改良土壤、 培肥地力，尤其是對緩解氮、 磷、 鉀比例失調，提高農作物產量和品質，降低農業生產成本有重要作用[2, 3]。在水稻生產中，合理的氮肥運籌，不僅可以提高水稻的產量、 品質和氮肥利用率，還可以減少因過量施用氮肥帶來的環境污染[4]。研究表明，稻草還田后配施氮肥，有利于保持和提高土壤氮素的有效性，顯著提高水稻氮素吸收轉化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收獲指數[5]。因此，研究稻草還田以及稻草還田后配施氮肥的增產效應和作用機理十分必要。國內關于稻草還田下的氮肥運籌已有不少研究[6-8]，稻草大多以部分還田和非切碎還田為主。在雙季稻區，隨著機收比例不斷增加(平原地區已達80%以上)，稻草全量原位還田面積迅速擴大，然而早稻稻草還田后短時間內并不能迅速分解，且有可能出現晚稻生育前期稻草分解導致微生物與晚稻“爭氮”，影響晚稻的生長。因此，本試驗通過研究早稻機收后稻草全量切碎還田下，不同施氮量及不同的施氮比例對晚稻產量和氮素吸收利用的影響，旨在為稻草全量還田下水稻合理施用氮肥提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗設4個施氮(N)水平，分別為0、 120、 180、 240 kg/hm2，分別用N0、 N1、 N2、 N3表示；在N2水平下增設稻草不還田對照(CK)。氮肥按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。在N2水平下設置不同施氮比例處理，即， 基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶0 ∶5、 5 ∶1 ∶4、 5 ∶2 ∶3、 5 ∶3 ∶2、 5 ∶4 ∶1、 5 ∶5 ∶0，分別用NP1、 NP2、 NP3、 NP4、 NP5和NP6表示。采用隨機區組設計，小區面積17.75m2，4次重復，小區間做埂，并用薄膜包埂，單灌單排。氮肥用尿素；磷肥用鈣鎂磷肥(600 kg/hm2)，全作基肥；鉀肥用氯化鉀(K2O 180 kg/hm2)，按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。本試驗設計總施氮量和各施氮比例中氮素僅指化學氮肥中氮素，不包含還田稻草所含氮素。

1.2 田間管理

采用日產久保田牌半喂入式收割機收割早稻，留茬高度5—10 cm，收割同時將稻草機械化切碎至5—15 cm(試驗所設對照區稻草不切碎并將其全部移走)。試驗田前茬為早稻，按照谷草比1 ∶1計算，稻草還田量2009、 2010年分別為6750 kg/hm2和7150 kg/hm2。收割之后，將稻草撒勻，灌水旋耕。兩年均采用濕潤育秧，移栽密度為13.3 cm × 26.4 cm，每蔸2苗。基肥于移栽前2 d施用，分蘗肥在移栽后7 d施用，穗肥于葉齡余數2左右施用，其他管理措施與一般高產田相同。

1.3 測定項目與計算方法

1.3.1 氮素積累和產量 在取樣區組，分別于移栽期、 分蘗期、 幼穗分化期(一次枝梗原基分化期)、 齊穗期和成熟期按平均莖蘗數取樣5蔸，去除地下部分，分裝后在105℃下殺青15 min，然后80℃烘至恒重。將上述樣品粉碎、 過80目篩后用Foss-2300全自動定氮儀測定樣品含氮量。

成熟期調查有效穗并平均取樣5蔸，分別考查其各產量構成因素。所有小區實收測定稻谷產量，脫粒后曬干揚凈，稱重，換算標準含水率并計算實際產量。

1.3.2 計算公式 氮肥利用率的計算，按葉全寶等[9]方法：

氮肥表觀利用率(%)=[(施氮區地上部總吸氮量-空白區地上部總吸氮量)/施氮量]×100；

氮素收獲指數=籽粒吸氮量/成熟期植株地上部氮素積累量；

氮肥農學利用率(kg/kg)= (施氮區產量-空白區產量)/施氮量；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區產量-空白區產量)/(施氮區植株地上部氮素積累量-空白區植株地上部氮素積累量) ；

氮素吸收率(%)= [施肥區植株地上部氮素積累量/(施肥區植株地上部氮素積累量+空白區植株地上部氮素積累量)]×100；

生產100 kg籽粒需氮量(kg)= (氮素積累量/稻谷產量)×100。

1.4 數據處理

數據采用Excel和DPS軟件處理。表1、 表2為產量、 產量構成因素、 氮素吸收和氮素利用率進行的年度間方差分析，結果文中大多指標年度間差異不顯著，所以本文結果中圖表內數據均采用兩年數值平均數±標準差。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對產量及其構成因素的影響

2.1.1 施氮量對產量及其構成因素的影響 表3可知，在稻草全量還田下，晚稻產量隨施氮量的增加而增加，但當施氮量超過180 kg/hm2時，產量下降，且處理間差異極顯著。在同一施氮(180 kg/hm2)水平下，稻草全量還田較不還田處理增產0.71 t/hm2，增幅為8.83%，差異極顯著。表明稻草全量還田配施適量的氮肥有利于提高水稻產量。

產量構成因素中，稻草全量還田下單位面積有效穗數隨施氮量的增加而增加，而結實率則相反，處理間差異達顯著或極顯著水平；每穗粒數施氮處理間差異不明顯，但極顯著高于不施氮處理；千粒重各施氮處理均顯著高于不施氮處理。在同一施氮水平下，稻草全量還田較稻草不還田能顯著提高單位面積有效穗數、 結實率和千粒重，從而有利于產量的提高。

表1 產量及其構成因素的年度間差異(F值)

表2 氮素吸收及其利用率的年度間差異(F值)

表3 施氮量對產量及其構成因素的影響

2.1.2 不同穗肥比例對產量及其構成因素的影響 表4表明，稻草全量還田下，以NP3處理產量最高，達8.75 t/hm2，極顯著高于其他處理，較產量最低的NP6處理增產12.47%；單位面積的有效穗數隨分蘗肥比例的增加而逐漸減少，其中NP1、 NP2處理顯著高于其他處理；每穗粒數和千粒重均以NP3處理最大；結實率以NP2處理最大，NP4處理最小，處理間差異不顯著。說明稻草全量還田下，以基蘗穗肥施氮比例為5 ∶2 ∶3時增產效果最好。

表4 稻草還田下不同施氮比例對產量及其構成因素的影響

2.2 施氮量對氮素吸收利用的影響

2.2.1 施氮量對氮素吸收的影響 從表5可以看出， 稻草還田后，氮素積累量隨施氮量增加而增加，處理間差異均達極顯著水平；除N3處理外，各處理水稻不同生育階段氮素積累量占總積累量的比率均表現為前期>中期>后期；水稻不同生育階段氮素積累均隨施氮量的增加而增加；除中期所占比率隨施氮量增加而增加外，前期和后期所占比率均隨施氮量增加而降低。同一施氮水平下，稻草全量還田與不還田處理(CK)相比，吸氮量差異不顯著，但表現為前期吸氮比率高于CK，中、 后期吸氮比例略低于CK。

表5 施氮量對晚稻氮素積累的影響

相關分析表明，施氮量與氮素積累量及各生育階段的氮素積累量均呈極顯著正相關(表6)。產量和氮素總積累呈二次拋物線極顯著正相關，與前、 中和后期的氮素積累量均呈正相關但不顯著(圖1)。有效穗與氮素總積累、 后期積累量均達到極顯著正相關，與中期積累量為顯著相關；結實率與各生育階段氮素積累量均呈顯著或極顯著負相關(表6)。

2.2.2 施氮量對氮肥利用的影響 表7可以看出， 稻草還田后，氮肥表現利用率隨施氮量增加而增加，且處理間差異極顯著，N3處理比N1處理高15.37個百分點；氮素收獲指數隨施氮量的增加而降低，N3處理僅為49.53%，與不施氮處理差異極顯著；N2處理的氮肥農學利用率最高，N3處理的最低，二者差異極顯著；氮肥生理利用率隨施氮量的增加而降低，N3處理與N1、 N2處理差異極顯著；氮素的吸收率隨施氮量增加而增加，N3處理比N0處理高25.89個百分點，處理間差異極顯著；生產100 kg籽粒的需氮量隨施氮量的增加而增加，N3處理最高，處理間差異極顯著。

同一施氮水平下(N2)，稻草還田處理的氮肥表現利用率和吸收率分別比CK高5.12個百分點和1.26個百分點，氮素收獲指數比CK低5.68個百分點；氮肥農學利用率和生理利用率分別比CK高3.53 kg/kg和4.24 kg/kg，差異顯著；生產100 kg籽粒的需氮量略低于CK。

表6 氮素積累與施氮量、 產量及其構成的相關性

圖1 氮素積累、 百公斤籽粒需氮量與產量的關系Fig.1 Relationships between total N accumulation, N-requirement for 100 kg grain and yield

表7 施氮量對氮肥利用率的影響

相關分析(表8)， 施氮量與氮肥表觀利用率、 氮素吸收率、 生產100 kg籽粒需氮量均呈極顯著正相關，與收獲指數呈顯著負相關。產量與氮肥表觀利用率、 氮素吸收率呈極顯著正相關，與氮肥農學利用率呈顯著正相關。有效穗與氮肥表觀利用率和氮素吸收率呈極顯著正相關，與生產100 kg籽粒需氮量呈顯著正相關，與收獲指數呈顯著負相關。每穗粒數與氮肥的農學利用率呈極顯著正相關，與氮肥表觀利用率和生理利用率均為顯著正相關。結實率與表觀利用率、 氮素吸收率和100 kg 籽粒需氮量呈極顯著負相關，與氮肥收獲指數呈顯著正相關。千粒重與氮肥的農學利用率和生理利用率呈極顯著正相關。按圖1中拋物線方程計算，生產100 kg籽粒需氮量為2.03 kg時，產量最高為8.66 t/hm2。

表8 氮素利用率和施氮量、 產量及其構成的相關性

2.3 不同穗肥比例對氮素吸收利用的影響

2.3.1 不同穗肥比例對氮肥吸收的影響 從表9可以看出， 稻草全量還田下，氮素總積累量隨穗肥比例下降而降低，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6高17.91 kg/hm2。各處理氮素積累主要集中在前期(移栽-幼穗分化期)和中期(幼穗分化期—齊穗期)。前期的積累量和所占比率隨穗肥比例的下降而增大；中期的氮素積累量和比率隨穗肥比例的下降而減少，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6分別高43.72 kg/hm2和23.22個百分點；后期(齊穗期—成熟期)氮素積累和比率除不施穗肥處理外，其余均隨著穗肥比例而表現為先增大后降低的拋物線趨勢，均以NP3處理最高。相關分析也表明， 稻草還田后同一施氮水平下，穗肥的施氮量與氮素的總積累量、 中期積累量呈極顯著正相關(r分別為0.9523**和0.9653**)，穗肥的施氮量與前期氮素積累量呈極顯著負相關(r=-0.9956**)。

2.3.2 不同穗肥比例對氮肥利用效率的影響 由表10可以看出，稻草全量還田后同一施氮水平下，氮肥的表現利用率和收獲指數均隨穗肥施用量的減少而降低，不施分蘗肥處理NP1比不施穗肥處理NP6分別高9.95個百分點和5.83個百分點，且二者均呈極顯著差異。氮素的農學利用率和生理利用率均表現為隨著穗肥比例的減少呈先增加后降低趨勢，均以NP3處理最大，不施穗肥的處理NP6最低。氮素的吸收率隨著穗肥比例的減少而降低，但最大值和最小值間僅相差2.37個百分點。生產100 kg籽粒需氮量隨著穗肥比例的減少呈先降低后增加趨勢，NP4處理最低，僅為1.79 kg。

表9 稻草還田下不同穗肥比例對氮素積累的影響

表10 稻草還田下不同穗肥比例對氮肥利用的影響

相關分析表明，穗肥施用量與氮肥的表觀利用率、 收獲指數和氮素吸收率均呈極顯著正相關(r分別為0.9532**、 0.9695**、 0.9532**)。產量與氮肥的農學利用率呈極顯著正相關(r=0.9987**)，與生理利用率達到顯著正相關(r=0.7725*)。產量構成中，有效穗數與氮肥的表觀利用率、 收獲指數和氮素吸收率均呈極顯著正相關(r分別為0.9014**、 0.9190**、 0.8984**)。

3 討論與結論

3.1 稻草全量還田與水稻產量的問題

3.2 稻草全量還田下的氮肥分配

水稻對不同生育期追施氮肥的吸收利用表現出較大差異，適當增加穗粒肥比率，可以提高氮肥的吸收利用率與生產效率[17]。洪春來等[18]認為在不增加氮肥總用量的前提下，秸稈全量還田前期適當增大氮肥的施用比例，有利于降低土壤碳氮比，促進秸稈的礦化分解，防止微生物爭氮帶來不利的影響。王國忠和楊佩珍[19]研究表明，實施秸稈全量還田后純氮在全生育期前中后期配比以 6.5 ∶0.5 ∶3為最佳。劉開強[20]認為，根據稻草養分釋放的先快后慢的特點，可以適當降低基肥的比例，結合稻草養分釋放在水稻分蘗期適時追肥。本試驗研究表明， 稻草全量還田后，氮肥運籌以基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3產量最高，氮肥農學、 生理利用率也最高，與前人研究結果一致[20-21]，說明稻草全量還田適當地提高前期的施氮比例可以防止微生物與作物“爭氮”的矛盾，有利于提高水稻產量。

3.3 稻草全量還田下的氮素吸收利用

稻草還田有利于保持和提高土壤氮素的有效性，減少礦質態氮在土壤中的累積和損失，從而間接地節省了部分化學氮肥的使用，適量稻草還田配施氮肥能顯著提高水稻氮素吸收轉化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收獲指數，提高P、 K的干物質生產效率[5,18,20]。但也有研究認為，稻草還田配施氮、 磷、 鉀肥會降低水稻對氮素的吸收[2]。本研究結果表明，稻草全量還田后，施氮越多，晚稻氮素的積累量、 氮肥表現利用率、 氮素的吸收率和生產100 kg籽粒的需氮量均隨之提高，其中氮肥農學利用率以施氮180 kg/hm2最高；等施氮量下，氮素積累量隨穗肥施用比例下降而降低，氮素農學利用率和生理利用率以基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3處理的最高。配施適量氮肥后，稻草全量還田除收獲指數低于稻草不還田對照外，其余氮素積累和氮肥利用率均高于對照，特別是氮肥的表觀利用率極顯著高于對照，而農學和生理利用率差異均達到顯著水平。

綜上所述，早稻稻草機械化全量還田下，配施適量的氮肥可以極顯著提高晚稻產量，且主要是通過后期提高結實率和千粒重來增加產量的。從產量效應和氮肥的吸收利用率方面考慮，在雙季稻區早稻草全量還田后，晚稻適宜的施氮量是180 kg/hm2，最佳的氮肥運籌是基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3。從生態環境方面和農業可持續發展方面考慮，應逐步減少氮肥的施入量，合理安排好氮肥的施用比例，加強稻草還田等有機肥的施入，以便保持土壤肥力，減少氮肥在環境中的殘留和浪費，減少潛在的農田環境污染，提高氮肥的利用效率。

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