秸稈覆蓋與氮肥運籌對雜交稻根系生長及氮素利用的影響

嚴奉君， 孫永健， 馬 均， 徐 徽， 李 玥， 楊志遠， 蔣明金， 呂騰飛

(四川農業大學水稻研究所， 農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室， 四川溫江 611130)

秸稈覆蓋與氮肥運籌對雜交稻根系生長及氮素利用的影響

嚴奉君， 孫永健*， 馬 均*， 徐 徽， 李 玥， 楊志遠， 蔣明金， 呂騰飛

(四川農業大學水稻研究所， 農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室， 四川溫江 611130)

【目的】在我國稻-麥、稻-油等多熟制區域，富含氮素的小麥、油菜等水稻前茬作物秸稈被大量棄置、焚燒，造成極大浪費和環境污染，與此同時，稻季氮肥投入量卻在逐年增加，因此在水稻生產中研究秸稈覆蓋與氮肥配合施用的理論與技術，對實現秸稈還田與減少氮肥用量具有重要意義。本試驗研究油菜、小麥2種秸稈覆蓋方式下，3種不同的氮肥運籌方式對雜交稻主要生育時期根系生長、氮素吸收利用特征及產量的影響，并探討其根系生長與氮素利用及產量間的關系，以期尋求最佳的秸稈還田與氮肥運籌搭配模式。【方法】本試驗以雜交稻F優498為材料，采用兩因素裂區試驗設計，主區為小麥秸稈覆蓋(S1)、油菜秸稈覆蓋(S2)和無秸稈覆蓋(S0)；副區為氮肥運籌模式，在135 kg/hm2總施氮量條件下，設置基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為5 ∶3 ∶2 (N1)；基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶3 ∶4(N2)；基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶1 ∶6(N3)3種氮肥運籌模式，以不施氮肥(N0)為對照。研究各處理雜交稻在移栽后20 d、移栽后30 d、齊穗期和成熟期根系生長及形態、各生育期的干物質與氮素積累，水稻莖鞘的干物質轉運、產量及其構成因子以及各時期氮素積累及利用效率，同時對各生育時期根系生長與氮素利用及產量間的關系進行分析。【結果】結果表明，小麥秸稈覆蓋均可有效促進雜交稻各生育時期的根系生長、改善根系形態、增加各時期的干物質與氮素積累，提高氮肥的利用效率及稻米產量。在不同種類秸稈覆蓋下，基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥(倒4葉齡期施入)為3 ∶3 ∶4(N2)時，可及時地對雜交水稻主要生育時期的根系生長進行調控，有效促進抽穗至成熟期的干物質積累與轉運率，提高水稻主要生育時期的氮素積累及氮肥利用效率，顯著增加稻谷產量，為本試驗中最優的氮肥管理模式；而氮肥后移比例過高(基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥運籌比例為3 ∶1 ∶6)，會限制齊穗期根系的生長，導致稻谷產量及氮肥利用效率降低。相關性分析表明，秸稈覆蓋與氮肥運籌下主要生育時期根干重、根體積、總根長與產量及氮素吸收利用均存在顯著或極顯著的正相關(r=0.38*_0.78**)，尤其以齊穗期的根體積與總根長、根干重與氮素累積、產量及氮素回收利用率的相關性最好。【結論】小麥秸稈、油菜秸稈覆蓋能夠有效促進雜交稻根系的生長，增加干物質與氮素積累，提高氮肥利用效率，且小麥秸稈覆蓋效果更顯著。秸稈覆蓋條件下，氮肥運籌以基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶3 ∶4時的水稻根系生長旺盛，物質生產能力強，氮肥利用效率最高。因此，小麥秸稈覆蓋與基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥以3 ∶3 ∶4的比例配合的水稻的產量最高，為最優組合。

秸稈覆蓋還田； 水稻； 根系； 氮素利用； 產量

農作物秸稈中富含大量的礦質營養元素，秸稈還田對保持土壤水分和提高土壤肥力及農業的可持續發展有重要作用。目前，我國是世界秸稈總產量最大的國家，僅2011年秸稈總產量就達到了8.63億噸，約占世界總產量的30%[1-3]。而隨著農村勞動力的轉移，農民為了搶農時、節約人力，對秸稈的處理方式通常是以私自焚燒為主，不僅污染環境，同時也浪費了資源。Pathak等[4]和Kumar等[5]研究表明，秸稈焚燒后，有機質與氮素幾乎沒有殘留，磷、鉀的殘留也僅為70%左右。同時，隨著化肥的廣泛使用，秸稈堆漚制有機肥迅速減少，且人們為追求作物高產而盲目地增加化肥用量(尤其是氮肥)，據FAO的資料，1961_1999年，全球氮肥用量(以純N計)，從11.6×106t 增加到111.9×106t，增加了9.6倍[6]。目前，我國蘇南地區的施氮量已達到300 kg/hm2，而我國化肥氮的利用效率卻一直只有30%左右[7]。為此在作物秸稈還田、氮肥運籌、提高秸稈資源化利用與氮肥利用效率，減少環境污染的理論和技術方面已有大量的研究。有研究結果表明，秸稈還田和合理的氮肥運籌能均衡土壤養分、改善土壤理化性質和稻米品質、提高稻谷產量和氮肥利用效率[8-10]。特別是在秸稈還田配合合理的氮肥運籌模式下，更能顯著提高稻谷產量與水稻的氮肥利用率，改善稻田土壤理化性質及稻米品質[11-12]。

然而，秸稈還田的研究多集中于秸稈翻耕還田模式，對秸稈覆蓋還田的研究較少，并且在秸稈翻耕還田與秸稈覆蓋還田過程中，由于秸稈所處的環境不同，導致其腐熟及養分釋放規律也具有較大的差異，但秸稈覆蓋還田對水稻生長以及氮肥利用效率的影響與秸稈翻耕還田是否一致，且在油—稻、麥—稻耕作制度下，油菜秸稈與小麥秸稈覆蓋對比的研究均報道較少，尤其缺乏不同作物秸稈覆蓋與氮肥運籌下水稻根系生長與產量形成及氮素利用效率關系的研究，且秸稈覆蓋與氮肥運籌間是否存在互作效應，均鮮見報道。為此，本試驗在前期研究的基礎上，選用應用廣泛且適宜在本地區種植的雜交中稻F優498為供試材料，研究不同作物秸稈覆蓋與氮肥運籌對雜交稻根系生長、氮肥利用及產量的影響，并探討秸稈覆蓋與氮肥運籌下雜交稻各生育時期根系生長與氮素利用效率及產量間的關系，以期進一步豐富和補充秸稈還田與氮肥運籌的水肥調控機理，達到保水節肥又高產高效的目的，為油—稻、麥—稻兩熟制地區秸稈還田技術體系提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013年在成都溫江四川農業大學水稻所八角村試驗田進行，試驗區域常年平均氣溫15.9℃，降雨量972 mm，日照時間1168h，相對濕度84%。供試品種為F優498(中秈遲熟型雜交稻，生育期145_152 d)。試驗田耕層(0—20 cm)土壤質地為砂壤土，含有機質23.65 g/kg，速效氮126.11 mg/kg，速效磷20.01 mg/kg，速效鉀122.86 mg/kg，pH 5.8。4月3日播種，旱育秧，5月19日移栽，采用前期研究[13-14]提出的寬窄行高產栽培方式(寬行40 cm、窄行26.7 cm、株距16.7 cm)，單株栽插，并在寬行進行作物秸稈覆蓋處理，便于秸稈覆蓋還田操作。試驗采用2因素裂區設計，秸稈覆蓋還田為主區，氮肥運籌為副區。

主區設小麥秸稈覆蓋(S1)和油菜秸稈覆蓋(S2)，并設無秸稈覆蓋為對照(S0)，兩種作物秸稈均為異地秸稈全部還田。秸稈全部還田量均為研究區域內小麥秸稈與油菜秸稈的平均產量[1-2](全田小麥秸稈5000 kg/hm2，全田油菜秸稈7000 kg/hm2)。將小麥、油菜秸稈收獲后切成5_10 cm小段，于水稻移栽后均勻覆蓋于寬行間。

副區為在施氮N 135 kg/hm2(尿素，含N 46%)(研究區域內常規施氮量為150 kg/hm2，作物秸稈含氮量為20_30 kg/hm2)的水平下，設基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥比例分別為5 ∶3 ∶2(N1)、3 ∶3 ∶4(N2)、3 ∶1 ∶6(N3)3種氮肥運籌模式，并設不施氮對照(N0)。蘗肥于移栽后7 d施用。N1與N2處理的穗肥于倒4葉期一次性施用，N3穗肥分別于倒4、倒2葉期分兩次等量施入(前期研究[13-14]表明，在穗肥比例超過40%以上一次性施入時，其水稻產量及氮肥利用率均大幅下降)。磷肥(過磷酸鈣)施用量為P2O590 kg/hm2，鉀肥(氯化鉀)施用量為K2O 150 kg/hm2，磷、鉀肥全部作基肥一次施入。每個處理3次重復，小區面積為15.4 m2，小區間筑埂(寬40 cm)，并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。按干濕交替灌溉、中期“夠苗曬田”方式進行水分管理，并準確記載每次灌水量，確保灌水量一致，整個水稻生育期灌溉水量為4150 m3/hm2，其他田間管理按大面積生產田進行。

1.2 測定項目和方法

1.2.1干物質積累 分別于移栽后20 d及30 d、拔節期、齊穗期與成熟期，按各小區平均莖蘗數取3株具有代表性的稻株，分根、莖、葉、穗(齊穗及成熟期)，105℃殺青30 min，在80℃下烘干直至恒重。

1.2.2 根系形態指標 分別于移栽后20 d及30 d、拔節期、齊穗期與成熟期，按各小區平均莖蘗數取3株具有代表性的稻株(以稻株為中心，按26.7 cm×16.7 cm、深30 cm土柱取根)，分別置于0.4 mm孔徑尼龍網袋中用流水沖凈，獲得完整根系，用Epson Expression 10000XL掃描儀及WinRHIZO Pro v.2009c分析軟件，測定總根長、根尖數、根直徑、根表面積與根體積等根系形態指標。

1.2.3氮素積累 將1.2.1中各時期烘干并稱重后的植株莖、葉、穗磨碎成粉，過0.2 mm孔徑篩，用濃H2SO4和定氮催化劑消煮，用FOSS-8400凱氏定氮儀測定氮含量。

1.2.4考種與計產 成熟期各小區取5株(每株莖蘗數為各小區的平均莖蘗數)為一個樣本，室內考種，測定穗粒數、實粒數、千粒重，計算結實率等性狀。各小區按實收株數計產。

1.3 參數計算

氮肥回收利用率(%)= (施氮區植株總吸氮量-無氮區植株總吸氮量)/施氮量×100

氮肥農學利用率(kg/kg)=(施氮區稻谷產量-無氮區稻谷產量)/施氮量

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區產量-無氮區產量)/(施氮區植株總吸氮量-無氮區植株總吸氮量)

結實期莖鞘干物質轉運率(%)= [(齊穗期莖鞘干重-成熟期莖鞘干重)/成熟期穗干重]×100

灌溉水生產力(kg/m3)=稻谷產量/灌溉用水量。

試驗數據用Microsoft Excel 2007、DPS 6.5與SPSS 17.0軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋與氮肥運籌對根系生長的影響

2.1.1 根系干重及根冠比 由表1可見，秸稈覆蓋與氮肥運籌對水稻各時期根干重與根冠比有一定影響，且秸稈覆蓋、氮肥運籌在移栽后30 d至成熟期對根干重有極顯著的影響并具有顯著或極顯著的互作效應。隨生育進程，秸稈覆蓋下各處理根冠比呈現逐漸減小的趨勢，而根干重有所波動，在生育前期，秸稈覆蓋下各氮肥處理根干重較無秸稈覆蓋(S0)均有所降低，但在生育中后期，其對水稻根系的生長卻起到了顯著的促進作用，各處理根干重均高于或顯著高于S0下的各處理，根冠比則隨各時期氮肥運籌的不同有所差異，其中S2下成熟期根干重與根冠比均顯著高于S0對應的氮肥運籌處理。 從不同氮肥運籌模式來看，各秸稈覆蓋處理下，施氮處理相對不施氮處理在不同生育時期根干重均呈不同程度的增加趨勢。秸稈覆蓋下各氮肥運籌處理根干重在生育前期隨氮肥前移量的增加而有所波動，表現為，在移栽20 d時，秸稈覆蓋下N1的根干重較N2減少8.3%_10.7%，但在移栽后30 d及齊穗期時，N2的根干重則小于N1處理；但在其他生育時期N2處理的根干重均高于N1和N3處理。

注(Note): S0—無秸稈覆蓋No straw mulch; S1—小麥秸稈覆蓋Wheat straw mulch; S2—油菜秸稈覆蓋Rape straw mulch. DAT— Days after the transplanting. 同列數據后不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Values followed by different letters in a column are significant among the treatments at the 5% level. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

2.1.2 根系的構型參數 從表2可以看出，秸稈覆蓋方式與氮肥運籌對各時期水稻根系生長的影響均達到顯著或極顯著水平，且存在顯著或極顯著的互作效應。在水稻全生育期，秸稈覆蓋下的各處理，各項根系指標均表現為先增加后減小的趨勢。從不同生育期來看，與S0相比，秸稈覆蓋對中后期根系各項指標均有明顯或顯著的促進作用；但在水稻生育前期，由于受秸稈腐熟規律差異的影響，S1、S2對根系各項指標的影響均有所差異。

在不同氮肥運籌模式下，兩種秸稈覆蓋均表現為在水稻生育前期其根表面積、根直徑均隨氮肥的后移而逐漸減小(N1>N2>N3)，但總根長、根體積則隨不同秸稈覆蓋而有所不同，在齊穗期、成熟期總根長與根直徑均以N2處理最高，其中在成熟期N2處理的各根系指標均顯著高于其他氮肥處理。

續表2 Table 2 continuous

注(Note): S0—無秸稈覆蓋No straw mulch; S1—小麥秸稈覆蓋Wheat straw mulch; S2—油菜秸稈覆蓋Rape straw mulch. TRL—Total root length; RD—Root diameter; TRSA—Total root surface area; TRV—Total root volume. 同列數據后不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Values followed by different letters in a column are significant among the treatments at the 5% level. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

表明秸稈覆蓋下N2的氮肥運籌模式可促進雜交稻各生育時期根系的平穩生長，從而保障了各時期雜交稻地上部的生長以及產量的形成。其中以S1N2和S2N2對雜交稻各時期根系形態指標的促進作用最為明顯。

2.2 秸稈還田與氮肥運籌對干物質積累及莖鞘物質轉運的影響

秸稈覆蓋、氮肥運籌對雜交稻各時期干物質積累均具有顯著或極顯著影響(表3)。秸稈覆蓋顯著提高了各氮肥運籌模式下花后期干物質的積累量，提高幅度達0.5%_13.5%。而在各時期的干物質積累由于受秸稈覆蓋的影響而有所差異，與S0相比，S1下各處理各時期的干物質積累均顯著提高；而在S2下，在移栽后30 d到齊穗期其干物質積累量與S0各處理差異不大，但在其他生育階段干物質積累量均顯著高于S0下的對應處理。秸稈覆蓋下各氮肥運籌模式的干物質積累量為： 在S1下，各氮肥運籌模式在生育前期的干物質積累量差異不大，但在齊穗期到成熟期N1、N2處理的干物質積累量均顯著高于N3處理；S2下，各氮肥運籌模式在移栽后20_30 d、齊穗期_成熟期的干物質積累量均隨氮肥后移量的增加逐漸減少。

而在莖鞘干物質轉運方面，秸稈覆蓋下莖鞘干物質輸出率與無秸稈覆蓋(S0)相比，差異較小，但莖鞘干物質的輸出率與轉運率均較S0有所降低。而秸稈覆蓋下各氮肥運籌模式的莖鞘干物質輸出率則隨不同的秸稈覆蓋而有所差異，在S1下，莖鞘干物質輸出量與輸出率均為N2>N3>N1，莖鞘干物質轉運率則是N1高于N2、N3處理。S2下，莖鞘干物質輸出量、輸出率與轉運率均以N2處理最高，莖鞘干物質輸出量與輸出率分別比N1提高了18.9%、12.8%，比N3提高了13.0%、12.7%。

注(Note): S0—無秸稈覆蓋No straw mulch; S1—小麥秸稈覆蓋Wheat straw mulch; S2—油菜秸稈覆蓋Rape straw mulch. 20-30 DAT—20 to 30 days after the transplanting. 30 DAT-HS—30 days after the transplanting to the heading stage. HS-RS—The heading stage to the ripening stage. 同列數據后不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Values followed by different letters in a column are significant among the treatments at the 5% level. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

2.3 秸稈覆蓋與氮肥運籌對水稻主要生育期氮素吸收及氮肥利用率的影響

表4顯示，秸稈覆蓋、氮肥運籌對水稻各生育階段氮素積累與氮素利用率均有一定的影響。與S0相比，秸稈覆蓋均在一定程度上提高了各氮肥運籌模式在各時期的氮素累積量、氮素農學利用率與氮素回收利用率，其中氮素總積累量增幅為2.0%_11.8%，但氮素生理利用率下降了5.9%_13.5%。比較S1和S2處理，S1下各氮肥運籌模式在齊穗期前的氮素累積量均高于S2下的相應各處理，但齊穗至成熟期氮素累積量均低于S2；而在總氮素積累量與氮肥利用率方面，S1下的各氮肥運籌模式除氮肥生理利用率以及齊穗至成熟期氮素積累量有所降低外，S1各處理的總氮素積累量、氮肥農學利用率均高于S2的相應各處理。

不同秸稈覆蓋下，隨著氮肥比例后移量的增加，齊穗至成熟期氮積累、氮素生理利用率、總吸氮量、氮肥回收利用率以及農學利用率均先增加后減小；而移栽后20_30 d氮積累量與移栽后30 d_齊穗期氮積累量分別表現為逐漸減小與逐漸增加的趨勢。表明秸稈覆蓋能夠有效地增加水稻各時期的氮積累量及氮肥利用率。同時秸稈覆蓋與合理的氮肥運籌模式相配合，更能夠顯著地提高各生育時期的氮素積累及氮肥利用率。小麥秸稈、油菜秸桿覆蓋在N2氮肥運籌模式下，其各時期氮素積累及氮肥利用率均具有顯著的優勢。

注(Note): S0—無秸稈覆蓋No straw mulch; S1—小麥秸稈覆蓋Wheat straw mulch; S2—油菜秸稈覆蓋Rape straw mulch. 20-30 DAT—20 to 30 days after the transplanting; 30 DAT-HS—30 days after the transplanting to the heading stage; HS-RS—The heading stage to the ripening stage. NPE—Nitrogen physiological efficiency; NRE—Nitrogen recovery efficiency; NAE—Nitrogen agronomy efficiency. 同列數據后不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Values followed by different letters in a column are significant among the treatments at the 5% level. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

2.4 秸稈覆蓋與氮肥運籌對稻谷產量及其構成因素的影響

表5結果表明，秸稈覆蓋、氮肥運籌對稻谷產量均有極顯著的影響。不同氮肥運籌模式下，與S0相比，秸稈覆蓋均表現為增產效應，且小麥秸稈覆蓋平均增產效應高于油菜秸稈覆蓋，其中小麥秸稈覆蓋的增產幅度為4.7%_9.4%，油菜秸稈覆蓋的增產幅度為0.6%_6.5%。而同種秸稈覆蓋下，隨氮肥穗肥后移量的增加其增產幅度均表現為N2>N1>N3(N2顯著高于N3)。表明秸稈覆蓋下，氮肥穗肥比例的適當提高能夠起到一定的增產作用，以N2運籌模式最佳(與S0N2相比，S1N2與S2N2分別增產9.4%、6.5%)，尤以S1N2的增產效應最好。

注(Note): S0—無秸稈覆蓋No straw mulch; S1—小麥秸稈覆蓋Wheat straw mulch; S2—油菜秸稈覆蓋Rape straw mulch. 同列數據后不同字母表示處理間在5%水平差異顯著Values followed by different letters in a column are significant among the treatments at the 5% level. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

由表5還可看出，秸稈覆蓋、氮肥運籌對水稻各產量構成因子及灌溉水生產力也均有一定的影響。不同秸稈覆蓋之間，其有效穗數、穗粒數及灌溉水生產力均為S1>S2>S0，而結實率與千粒重除在N1處理下S0>S1>S2外，其他處理均為S0>S2>S1。而在不同氮肥運籌模式下，兩種秸稈對各產量因子與灌溉水生產力的影響有所差異。在S1處理下，隨氮肥后移比例的增加其有效穗與灌溉水生產力先增加后減小；穗粒數先減少后增加；結實率與千粒重則呈逐漸增加的趨勢。而S2處理表現為除有效穗數隨氮肥后移比例的增加而有所減少外，其他各因子均呈先增加后減少的趨勢。表明秸稈覆蓋與氮肥運籌均能夠對水稻各產量構成因子(特別是有效穗、穗粒數與千粒重)有一定程度的調節作用，從而最終達到水稻高產與灌溉水高效利用的目的。

2.5 根系生長與氮肥吸收利用以及產量的關系

由表6可以看出，產量與各生育時期根干重、總根長以及根體積均呈極顯著的正相關關系，而與各時期的根冠比除在移栽后30 d有顯著的負相關外(r=-0.43*)，與其他各時期均無顯著相關性。總氮素積累量與各生育時期根干重、根體積與總根長呈顯著或極顯著的正相關，與成熟期根冠比呈顯著正相關(r=0.38*)，與移栽后30 d根冠比呈極顯著負相關(r=-0.50**)，而與其他各時期根冠比無顯著相關性。

注(Note): DAT—Days after the transplanting; TDW—Root dry weight; RSR—Root to shoot ratio; TRL—Total root length; TRV—Total root volume. 20-30 DAT—20 to 30 days after the transplanting; 30 DAT-HS—30 days after the transplanting to the heading stage. HS-RS—The heading stage to the ripening stage; NUE—N recovery efficiency. *, ** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

各生育期水稻根系生長與氮素積累量的相關性為： 移栽后20_30 d氮素積累量與移栽后20 d的根干重、總根長均呈顯著正相關(均為r=0.46*)；移栽后20 d的根體積與總根長、移栽后30 d的根體積、齊穗期和成熟期的總根長、根體積和根干重與各時期的氮素積累均呈顯著或極顯著的正相關關系。而移栽后30 d根冠比與移栽后20_30 d、移栽后30 d_齊穗期氮素積累量呈極顯著與顯著負相關(分別為r=-0.53**與-0.39*)。在根系生長與氮素回收利用率的關系方面，氮素回收利用率與移栽后20 d的根干重呈顯著負相關(r=-0.42*)，而與根冠比、根體積與總根長均有一定的負相關關系，但均不顯著；與移栽后30 d根體積、齊穗期總根長與根體積以及成熟期根干重均具有極顯著的正相關(r分別為0.49**、0.63**、0.53**與0.48**)。

3 討論

3.1 秸稈還田與氮肥運籌對水稻根系生長的影響

前人研究結果表明，還田秸稈(特別是在秸稈快速腐熟階段)分解過程中分離出大量的丁酸等化感化合物對水稻根系具有毒害和抑制作用[15-16]。本試驗研究顯示，在移栽后20 d時，秸稈覆蓋下各處理的根干重等均低于S0，但從移栽后30 d開始水稻根干重等根系各項指標開始逐漸高于S0，進一步證明秸稈覆蓋在水稻生育前期對根系生長有一定的抑制作用。但在水稻整個生育時期中，秸稈覆蓋對水稻根系生長具有顯著促進的作用[15]，并且在水稻生育后期起到了營養補充以及較厚的覆蓋層起到保水保溫作用，進而促進了水稻后期的根系生長。

本研究還發現，秸稈覆蓋下不同氮肥運籌對水稻根系生長也存在顯著影響，前期施肥量大的N1處理雖然能夠有效地降低在水稻生育前期由于秸稈腐熟引起的對根系生長的抑制作用，并增加了水稻根干重、總根長、根表面積以及根體積等，但其卻導致了生育中后期的營養供應不足，從而引起根系的早衰；而重施穗肥的N3處理雖然前期由于秸稈腐熟引起的對水稻根系的生長抑制作用較輕，而后期氮肥的大量施用可以促進水稻根系的快速生長，但由于前期氮肥施用不足以及秸稈腐熟引起的“爭肥現象”，導致根冠比失衡，最終影響了產量的形成；而N2處理，在水稻生育前期，雖然也存在秸稈腐熟對水稻根系產生的抑制作用，在生長的中后期，由秸稈腐熟釋放的養分以及無機氮肥的適量補充，促進了水稻根系的生長，有利于水稻穗部的發育和籽粒灌漿結實，從而提高了籽粒產量。

3.2 秸稈還田與氮肥運籌對水稻干物質積累及轉移的影響

前人在秸稈還田與氮肥運籌對水稻干物質積累影響方面的研究較多，但結論不一。有研究表明，在秸稈腐熟過程中，大量微生物的繁殖與對秸稈的分解會消耗土壤中大量的氮素[16]，引起與作物生長對氮素的競爭，造成對作物的氮素供應不足，從而影響作物生長，同時作物秸稈的腐熟速率均為“前快后慢”的趨勢[17]，因此，常會在水稻生育前期造成對干物質積累等的抑制[18]，本試驗結果顯示，與S0相比，秸稈覆蓋下各氮肥處理的干物質積累強度隨著水稻生育進程均呈現出由弱到強的特點，即對水稻前期的干物質積累均有一定的抑制作用，但對水稻中后期的干物質積累等方面均具有顯著的促進作用[19-20]。而從氮肥運籌來看，有研究表明，通過增加基蘗肥的施用比例能夠有效地降低或消除秸稈覆蓋后的抑制效應[21-22]。本研究結果發現，在水稻生長前期，秸稈覆蓋下雖然氮肥運籌比例的前移顯著增加了干物質的累積量，并且隨氮肥前移比例的增加而增加，但相對無秸稈覆蓋而言還是有所減少，且氮肥的過度前移也會影響后期的氮素供應；而在重施穗肥情況下，由于前期施肥量低，加之秸稈覆蓋的“爭肥”，容易出現“缺肥”現象，造成地上部群體過小，故而減少了各生育時期干物質的積累量；N2處理(基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶3 ∶4)，能有效地平衡前期與后期群體的發育，提高水稻中后期的干物質積累量，增加了莖鞘的干物質轉運量。

3.3 不同種類秸稈還田與氮肥運籌對水稻各時期氮素吸收及氮肥利用率的影響

秸稈還田能否代替一定的化肥施用量與養分利用效率一直為許多學者所關心的問題[23-24]，Van Asten等[24]認為秸稈還田能夠通過自身的氮素分解固氮與增加外源氮素的固定量，從而增加了氮肥的利用率。本試驗結果也顯示，秸稈覆蓋下水稻總氮素積累、氮素農學利用率與氮素生理利用率均比無秸稈覆蓋處理高，這與上述結論是一致的。然而小麥秸稈覆蓋與油菜秸稈覆蓋相比，小麥秸稈覆蓋還田下的水稻各生育時期的氮素積累量以及總吸氮量都顯著高于油菜秸稈覆蓋還田，而且各個生育階段的氮素積累速率也有顯著差異。其主要原因在于秸稈覆蓋于寬行中，而油菜秸稈較高的質量與體積，導致在實施水稻干濕交替灌溉模式時油菜秸稈較小麥秸稈更難獲得較好的腐熟所需環境，影響了油菜秸稈腐熟進展與氮釋放；與此同時，大量油菜桿的腐熟也導致有害物質的聚集影響了水稻生育前期根系的生長，進而減小了水稻氮素的吸收，但由于其較好的保水保濕的作用能夠有效地保證生育中后期的根系生長，從而促進了氮素的后期積累。而不同氮肥運籌條件下，N3較N1、N2的氮素吸收利用率均有所減少[19,21]。同時，秸稈覆蓋能夠有效地減少水稻田間水分蒸發，增加了灌溉水生產力(0.5%_9.7%)。與水稻各時期干物質積累規律相關性表明，各時期干物質積累量與氮素積累量、產量均呈極顯著正相關關系(r=0.47**_0.93**)，同時各時期氮素積累與根系相關性分析結果也表明，水稻各時期根干重、根體積以及總根長與總氮積累均呈顯著或極顯著的正相關(r=0.38*_0.78**)，因而促進各時期的根系生長能顯著地增加產量與總的氮素積累，進一步表明了小麥、油菜稈覆蓋與合理的氮肥運籌配合能夠有效地促進水稻根系生長，改善水稻關鍵生育時期根干重、總根長等根系形態特征，從而保證水稻地上、地下部的協調生長，促進水稻生育期的干物質快速積累及氮素吸收，最終實現水稻各生育時期的氮素積累及總氮積累、產量及灌溉水生產力的同步增加。然而，增加移栽后20 d根系干重能夠顯著增加氮素的積累，但也導致氮肥回收利用率顯著降低(r=-0.42*)，而增加齊穗期根體積與總根長、成熟期的根干重能夠對氮素回收利用率起到極顯著的促進作用，這是否由于生育前期秸稈的腐熟，導致氮素的大量消耗以及產生的有害物質對水稻根系生長的抑制作用， 但前期的快速腐熟能夠加快秸稈的養分釋放，從而促進后期的氮素積累與利用效率的增加有待于進一步研究。

3.4 秸稈覆蓋與氮肥運籌對雜交稻產量的影響

有研究表明，秸稈還田能夠顯著提高水稻產量，陳培峰等[25]與李勇等[26]的研究表明，小麥秸稈翻耕還田較不還田處理，顯著增加了水稻的有效穗數且增產幅度達6.1%_14.5%；同時，麥稈還田處理下氮肥穗肥比例前移(基蘗肥 ∶穗肥分別為6.5 ∶3.5與7 ∶3)時與穗肥不前移運籌模式(基蘗肥 ∶穗肥為5 ∶5)相比能夠更顯著地提高水稻的有效穗數、千粒重以及產量。本試驗研究表明，小麥與油菜秸稈覆蓋均顯著提高了水稻產量，增產幅度分別達到了4.7%_9.4%與0.6%_6.5%。而從秸稈還田下不同氮肥運籌模式對水稻產量構成因素的影響來看，小麥秸稈與油菜秸稈覆蓋處理下均表現為N2(基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶3 ∶4)較N3處理(基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為3 ∶1 ∶6)的有效穗數、千粒重與結實率以及產量均顯著提高。較氮肥后移模式，雖然N1(基肥 ∶蘗肥 ∶穗肥為5 ∶3 ∶2)在有效穗、產量等方面有所提高，但與N2運籌模式相比在結實率、千粒重與產量方面均有所下降，最終導致產量相對N2處理有所降低。比較油菜、小麥兩種秸稈覆蓋對產量的影響，其結果顯示，麥稈覆蓋較油菜稈覆蓋增產效果更佳(增產幅度為2.8%_4.1%)。同時，秸稈覆蓋能夠有效地減少水稻田間水分蒸發，增加了灌溉水生產力(0.5%_9.7%)。與根系相關性的分析表明，產量與水稻各生育時期根干重、根冠比、總根長等根系形態特征均呈顯著或極顯著的正相關關系，表明秸稈覆蓋對水稻根系生長的有效促進，也是提高水稻產量的重要因素[16,27]。

4 結論

本研究結果表明，油菜、小麥秸稈覆蓋均能夠有效的提高雜交稻各生育時期根系生長、干物質與氮素積累，提高氮肥的利用效率，其中，小麥秸稈覆蓋優于油菜秸稈覆蓋。不同秸稈覆蓋下，以基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥為3 ∶3 ∶4的氮肥運籌模式能及時對主要生育時期的根系生長進行調控，增加有效穗數，提高抽穗至成熟期的物質轉運率與氮肥利用率，增加稻谷產量；同時，從不同生育時期根系指標與氮素吸收利用及產量的相關性分析結果可以看出，促進水稻各生育時期(尤其是齊穗期)根系的生長能夠顯著地促進氮素的利用以及產量的提高。

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Effects of straw mulch and nitrogen management on root growth and nitrogen utilization characteristics of hybrid rice

YAN Feng-jun, SUN Yong-jian*, MA Jun*, XU Hui, LI Yue, YANG Zhi-yuan, JIANG Ming-jin, Lü Teng-fei

(RiceResearchInstituteofSichuanAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofCropPhysiologyandEcologyandCultivationinSouthwest,MinistryofAgriculture,Wenjiang,Sichuan611130,China)

【Objectives】 In rice-wheat rotation, rice-rape rotation and other multi-cropping regions in China, large amounts of wheat or rape straw or other straws of rice fore-rotation crop were discarded or burned, which caused serious environmental pollution and resource waste. Hence, it has significant meaning to investigate a win-win mode between straw mulch and nitrogen (N) management. To explore the optimal straw mulch and N management mode, effects of the straw mulch and N management on root growth, N uptake and utilization and dry matter accumulation in main growth stages of hybrid rice (Fyou 498) were evaluated in this research. 【Methods】 The experiment was conducted in the experimental field of Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University in 2013.A split-plot design was used, with the main plots under wheat straw mulch (S1), rape straw mulch (S2) and no straw mulch (S0), N management as sub-plots combined with three N management practices under N 135 kg/ha rate in this study. Three N application ratios were applied on different splits: a) 3 splits: 50% basal, 30% 7 d after transplanting (7 DAT), and 20% panicle N-fertilizer according to different leaf ages at 4th leaves emerged from the top (N1), b) 3 splits: 30% basal, 30% 7 DAT, 40% panicle N-fertilizer at 4th leaves emerged from the top (N2), c) 4 splits: 30% basal, 10% 7 DAT, 60% panicle N-fertilizer equally at 4th and 2nd leaves emerged from the top (N3), in addition, no N application (N0) was set as control. Root growth, morphological characteristics, dry matter and N accumulation, dry matter transportation in stems and sheaths, and N utilization on 20 DAT and 30 DAT and at the filling stage and ripping stage were studied. At the same time, the correlation coefficients among root growth, N uptake and utilization, and grain yield were also analyzed in this research. 【Results】 The results showed that the wheat straw mulch generally improves the dry matter accumulation and N uptake of rice, promotes the root growth and N utilization efficiency, and increases the grain yield significantly. The rape straw mulch could also increase the grain yield remarkably, but not as much as the wheat straw mulch. As for the N management practice, the N 30% basal, 30% 7 DAT and 40% panicle N management practice (N2) is the optimal N-fertilizer management practice in all straw mulch treatments. The optimal N-fertilizer management practice regulates the root growth at the main growth stage efficiently, improves dry matter transportation in stems and sheaths, promotes the N utilization efficiency, and increases the grain yield significantly. When the panicle N-fertilizer ratio increases to 60%, the root growth is poor, especially at the heading stage, the grain yield and N utilization decrease. The correlation coefficients among the root growth, N uptake and utilization and grain yield are as follows: under the straw mulch and N-fertilizer management, the root dry weight, total root volume and total root length generally have significant or extremely significant and positive correlations with the grain yield and N uptake and utilization at the main growing stage of rice (r=0.38*-0.78**). 【Conclusions】 Compared with the no straw mulch treatment, the straw mulch could promote the root growth, N utilization efficiency, dry matter and nitrogen accumulation and grain yield, especially for the treatments with the wheat straw mulch. The combination of the straw mulch and 30% basal, 30% 7 DAT and 40% panicle N management practice (N2) could regulate the root growth, promote N utilization efficiency, and increase the dry matter and N accumulation and grain yield more efficiently. Among all the treatments, the wheat straw mulch with 30% basal, 30% 7 DAT and 40% panicle N management practice (N2) is the optimal mode in this research.

straw mulch; rice; root; nitrogen utilization; grain yield

2013-12-18 接受日期： 2014-06-06

國家自然科學基金(31101117)； 農業部作物生理生態與耕作重點實驗室開放課題(201303)； 國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAd16B05， 2012BAd04B13， 2013BAd07B13)； 四川省育種攻關專項(2011NZ0098-15)資助。

嚴奉君(1989—)， 男， 重慶豐都人， 碩士研究生， 主要從事水稻栽培生理研究。 E-mail: yfjun1989@126.com * 通信作者 E-mail: yongjians1980@163.com; majunp2002@163.com

S511.062.01

A

1008-505X(2015)01-0023-13