秸稈還田地不同水氮條件對水稻產量及土壤肥力的影響

王 偉, 朱利群, 王文博, 胡乃娟, 張政文, 卞新民,

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學 農學院, 江蘇 南京 210095)

秸稈還田地不同水氮條件對水稻產量及土壤肥力的影響

王 偉1, 朱利群2, 王文博2, 胡乃娟2, 張政文2, 卞新民1,2

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學 農學院, 江蘇 南京 210095)

摘要：[目的] 研究秸稈還田地不同水氮管理對水稻產量、土壤養分以及土壤酶活性的影響，為發展優質、高效生態農業提供理論支持。 [方法] 通過田間小區試驗，設計了3種灌溉方式共9個處理，并設置3個麥稈不還田處理為對照。 [結果] 施氮量為225 kg/hm2時，淺濕調控灌溉模式有利于控制水稻莖蘗量，降低水稻株高，形成合理的群體結構；不同水氮管理對水稻產量構成因素中的每穗總粒數、結實率無顯著影響，水稻有效穗數受灌溉措施及施氮量的影響較大，淺濕調控灌溉可以顯著提高水稻有效穗數和千粒重，從而提高水稻產量；施氮量為225 kg/hm2時，淺濕調控灌溉可以有效提高土壤有機質、全氮、有效磷、有效鉀的含量。秸稈還田可以顯著提高土壤蔗糖酶活性，降低土壤脲酶活性，而對土壤過氧化氫酶活性無顯著影響。秸稈還田地施氮量為225 kg/hm2時，淺濕調控灌溉對土壤蔗糖酶活性的提高最為顯著，而不同水氮條件對土壤脲酶活性的影響并不顯著。 [結論] 在秸稈還田地，當施氮量為225 kg/hm2時，淺濕調控灌溉可以有效提高水稻產量及土壤肥力。

關鍵詞：秸稈還田; 水肥耦合; 水稻產量; 土壤養分; 土壤酶活性

中國作為世界13個貧水國之一，水資源日趨匱乏且分布不均，同時又是世界第一大氮肥消費國。水稻作為中國重要的糧食作物，耗水量居各作物之首，水分和肥料是影響其生長發育的主要限制因子[1-2]。在傳統稻作生產中的水肥管理模式，不僅造成了水資源的嚴重浪費，而且引起了一系列的環境污染[3-4]。研究[5-8]表明，農作物秸稈中含有豐富的養分元素，是重要的有機肥源。秸稈還田具有改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，增加作物產量等作用。秸稈直接還田，既可充分利用秸稈資源，又可以減輕焚燒秸稈對生態環境的負面影響。因此，研究在秸稈還田條件下不同水氮管理對水稻產量性狀以及土壤肥力狀況的影響意義重大。以往研究主要集中在分別研究秸稈還田和水肥耦合對水稻產量及土壤氮素的影響，但將二者結合起來的研究相對較少。本試驗通過研究在秸稈還田條件下，不同水氮條件對水稻生長動態和產量、土壤養分以及土壤酶活性的影響，旨在充分發揮水肥對水稻產量、品質的協同作用，在獲得最大經濟效益的同時可減少對環境的污染，有利于發展優質、高效、生態農業。

1材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗于2012年6月至2012年11月在江蘇省南京市江寧區青龍村定位試驗田進行。試驗地區屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.4 ℃，降水量1 200 mm左右，日照時間2 135 h，常年降水時間116.3 d。試驗田種植模式為稻麥輪作，耕作方式為旋耕。試驗田前茬作物為小麥，秸稈還田小區前季作物秸稈通過收割機粉碎，長度大約為5～10 cm，全量還田；秸稈不還田小區，秸稈未打碎，全部清出。供試水稻品種為南粳5 055。試驗前耕層(0—20 cm)基礎土樣養分狀況為：有機質29.81 g/kg，堿解氮194.02 mg/kg，速效磷13.60 mg/kg，速效鉀51.45 mg/kg，pH值為7.34。

1.2　試驗設計與管理

在秸稈還田小區設不同灌溉方式和施氮量兩個因素，試驗采用裂區設計，灌溉方式為主區(表1)，分為： (1) 淹水灌溉(Y)。水稻移栽后田面一直保持1~3 cm水層，收獲前7 d自然落干； (2) 淺濕調控灌溉(Q)。“濕、曬、淺、間”灌溉：濕潤灌溉(移栽至孕穗前)+淺水灌溉(孕穗期)+干濕交替灌溉(抽穗至成熟期),淺水(1 cm左右)栽秧，移栽后5～7 d田間保持2 cm水層確保秧苗返青成活，之后至孕穗前田面不保持水層，土壤含水量為飽和含水量的70%～80%，無效分蘗期夠苗曬田；孕穗期土表保持1~3 cm水層；抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干； (3) 常規灌溉(C)。采用大田淹水灌溉方式，在移栽后35 d左右烤田4～5 d，其它生育期除擱田期外始終保持5~10 cm水層。施氮量為副區，施氮量分別為180 kg/hm2(低量施肥，D)，225 kg/hm2(中量施肥，Z)，270 kg/hm2(高量施肥，G)，并以相應灌溉方式的秸稈不還田處理為空白對照，施氮量以225 kg/hm2(Z)為準。每個處理3次重復，共36個小區，小區面積25 m2(5 m×5 m)，小區間筑埂(40 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥，其他田間管理按大面積生產田進行。所有處理氮肥按基肥、分蘗肥、穗肥用量比為6∶2∶2施用，分蘗肥在移栽后7 d施用，孕穗肥在穗分化期(枝梗分化期)施用。P2O5135 kg/hm2和K2O 210 kg/hm2，全部作基肥施用。2012年季水稻的插秧時間為2012年7月3日，收獲時間為2012年11月20日；栽插密度為2.55×105穴/hm2，每穴3～4苗。

表1　試驗設計方案

注：磷、鉀肥均作為基肥以復合肥的形式施入，復合肥中N∶P∶K為15∶15∶15；化肥用量均以純N計。12個處理英文縮寫由不同灌溉處理、還田方式和施肥處理的英文縮寫組合。

1.3　樣品采集與測定方法

1.3.1樣品采集于水稻收獲前(2012年11月19日)，在各小區內按對角線選取3個1 m2樣方，分別測定有效穗數、每穗粒數、千粒重，按小區單收計實際產量；同時按照五點取樣法在各試驗小區取土壤樣品，取樣深度為20 cm。

1.3.2測定方法與數據分析土壤有機質(SOM)采用重鉻酸鉀外加熱法[9]；土壤全氮(TN)采用半微量開氏法測定[9]；土壤有效磷(AP)采用鉬銻抗比色法測定[9]；土壤速效鉀(AK)采用火焰光度計比色法測定[9]；脲酶采用靛酚比色法[10]；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[11]；蔗糖酶采用二硝基水楊酸比色法[10]。

采用Excel進行初步整理、分析和繪制圖表，用SPSS 16.0進行方差分析和相關性分析。

2結果與分析

2.1　莖蘗和株高動態

2.1.1莖蘗動態由觀測數據分析可知，所有處理下水稻全生育期莖蘗動態變化規律完全一致，均表現出前期快速升高、分蘗期后逐漸減小的趨勢，但在水稻生育期的大部分時間內，淺濕調控灌溉處理的水稻莖蘗量低于淹水灌溉處理和常規灌溉處理。在移栽后40 d左右，所有處理的莖蘗量達到峰值，YHZ處理的莖蘗量最高，為552.31萬株/hm2，QHD處理最低，為492.92萬株/hm2。在相同的灌溉措施下，莖蘗量隨著氮肥施用量的減少而下降，但過量的施氮條件下，總莖蘗量不升反降。

2.1.2株高動態由各處理的觀測數據分析可知，所有處理的水稻生育前期的株高無明顯差異。進入生殖生長期，特別是孕穗、抽穗期后，控制灌溉下水稻株高增幅開始小于常規灌溉處理，降低了其莖稈生長對水肥的需要，導致生育末期控制灌溉處理下水稻株高略低。灌漿期后，調控灌溉下水稻最終株高平均比淹水灌溉處理降低約4.19 cm，降幅達4.36%，比常規灌溉處理降低約2.33 cm，降幅達2.47%。相比秸稈還田與不還田，3種灌溉方式下，前期水稻株高基本無差異，調控灌溉中QBZ甚至小幅超過QHZ，而在拔節期以后，秸稈還田處理均超過不還田處理，在相同的灌溉措施下，不同施氮水平下水稻株高的差異性不顯著。

2.2　水稻產量及產量構成因素

由表2分析可得，在相同的施氮水平下，QHZ處理的有效穗數較CHZ增幅為4.5%(p>0.5)，而較YHZ增幅則高達11.7%(p<0.05)，調控灌溉有效提高了水稻的有效穗數，說明在合理的施氮水平下，一定程度的水分脅迫有利于水稻最終有效穗數的增加，對最終水稻產量的提高具有積極的意義，而相比3種灌溉方式下，秸稈還田處理與不還田處理，有效穗數差異皆不顯著。不同灌溉方式、秸稈是否還田，對于每穗粒數的影響不顯著，而不同施氮水平下，可以看出降低施氮水平會減少每穗粒數。秸稈還田條件下，除QHD處理，調控灌溉下的千粒重高于其他兩種灌溉處理，其中QHZ處理與YHZ，CHZ均達到顯著性差異(p<0.05)。在相同水氮條件下，秸稈還田處理的千粒重高于秸稈不還田處理，其中YHZ與YBZ差異不顯著，而QHZ與QBZ，CHZ與CBZ差異達到顯著水平(p<0.05)，分別高出8.7%，9.5%。

相同灌溉方式下，降低或者提高施氮量均會使水稻產量呈現下降趨勢，除YHZ與YHD達到顯著差異(p<0.05)，其他均未達到顯著差異。同一施氮水平下，調控灌溉處理產量高于常規和淹水兩種灌溉處理，在低和中施氮水平，差異均達到顯著性水平(p<0.05)，QHZ較YHZ，CHZ分別增加了7.9%和7.2%，QHD較YHD，CHD分別增加了9.9%和6.5%，而高施氮水平則不顯著。3種灌溉方式下，秸稈還田處理產量均高于秸稈不還田處理，平均增幅為3.9%。

表2　不同處理對水稻產量及產量構成的影響

注：同一列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

2.3　土壤養分

由表3可以看出，調控灌溉處理下，有機質含量高于其他兩種灌溉處理。其中，中量施肥(Z)、高量施肥(G)施肥量水平差異達到顯著性水平(p<0.05)，但低量施肥(Z)施肥量水平下差異則不顯著。相比較秸稈還田處理與秸稈不還田處理，秸稈還田處理有機質含量顯著高于不還田處理，YHZ，QHZ，CHZ較YBZ，QBZ，CBZ分別高出7.5%，17.5%，12.3%。調控灌溉處理的全氮含量高于其他兩種灌溉處理，與淹水灌溉處理差異顯著(p<0.05)，秸稈還田處理顯著高于秸稈不還田處理(p<0.05)。不同處理下有效磷差異不顯著(p>0.05)。秸稈不還田條件下，調控灌溉有效磷顯著高于其他兩種灌溉方式(p<0.05)。秸稈還田條件下，中等施肥量下的調控灌溉處理的速效鉀高于其他兩種灌溉方式。相比秸稈還田與不還田處理，除QHZ速效鉀含量顯著高于QBZ(p<0.05)，YHZ與YBZ，CHZ與CBZ無顯著差異。

表3　不同處理對土壤養分的影響

2.4　土壤酶活性

2.4.1蔗糖酶活性由圖1可以看出，在相同施肥水平下，淺濕調控灌溉處理的蔗糖酶活性顯著高于其他兩種灌溉處理(p<0.05)，除低施肥量水平下常規淹水灌溉處理蔗糖酶活性顯著高于淹水灌溉處理(p<0.05)，其他施肥量水平下均無顯著差異(p>0.05)。相比秸稈還田處理與不還田處理，除YHD與YBZ差異不顯著(p>0.05)，秸稈還田處理蔗糖酶活性顯著高于不還田處理(p<0.05)。相同灌溉處理下，不同施肥量對蔗糖酶活性的影響除部分處理達到顯著差異，總體趨勢是差異不顯著。

圖1　不同處理對蔗糖酶活性的影響

2.4.2過氧化氫酶活性由圖2可以看出，同一施氮量水平下，淺濕調控處理下的過氧化氫酶活性高于其他兩種灌溉方式，其中與常規淹水灌溉處理差異不顯著(p>0.05)，與淹水灌溉處理差異顯著(p<0.05),YHD除外。相比秸稈還田與秸稈不還田處理，不同處理之間無顯著差異(p>0.05)。

圖2　不同處理對過氧化氫酶活性的影響

2.4.3脲酶活性由圖3可以看出，秸稈還田處理脲酶活性顯著高于秸稈不還田處理(p<0.05)。秸稈還田條件下，除QHZ脲酶活性顯著低于YHZ和CHZ(p<0.05)，其他處理間脲酶活性均無顯著性差異(p>0.05)。

圖3　不同處理對脲酶活性的影響

2.5　水稻產量、土壤養分以及土壤酶活性的相關性

由表4可以看出，水稻產量與土壤有機質、全氮、速效鉀以及蔗糖酶活性均呈顯著相關。土壤有機質含量與全氮、速效鉀、脲酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性均呈顯著相關，其中與脲酶活性呈負相關，與其他因子呈正相關。

表4　水稻產量、土壤養分以及土壤酶活性的相關性分析

注：*表示在0.05水平上相關性顯著(n=22)； **表示在0.01水平上相關性顯著(n=22)。

3結論與討論

本研究結果表明，在相同的灌溉措施下，莖蘗量隨著氮肥施用量的減少而下降，但過量的施氮條件下，總莖蘗量不升反降，可見適當減少氮肥的施用量，也有利于水稻形成合理的群體結構[11]。相同施肥量水平下，在持續的水分脅迫條件下，水稻生育前期的分蘗受到抑制，而由于后期的補償效應，使生育后期分蘗數并沒有顯著的降低，各處理間差異不大，最終水分脅迫并沒有影響到水稻分蘗的發生，這與陸建飛[12]等的研究結果一致。但也有報道認為，在節水灌溉條件下，水稻分蘗旺盛，持續時間更長且單株分蘗數多[13-14]。淺濕調控灌溉條件下有利于水稻株高的降低，這在一定程度上減少了莖稈生長對氮肥的消耗，使更多養分供給稻穗生長，同時株高的降低提高了水稻植株抽穗后的抗倒伏性，更符合高產型水稻的生長特性。而不同施氮水平對株高影響差異不顯著，秸稈還田可以增加株高，對于淹水處理尤為顯著。

水稻產量的形成是由多方面的因素所決定的，其中最主要的因素包括有效穗、每穗總粒數、結實率、千粒重等[15]。在秸稈還田條件下，不同水氮條件對水稻產量構成因素中的每穗總粒數、結實率無顯著影響。水稻有效穗數受灌溉措施及施氮量的影響較大，淺濕調控灌溉可以有效提高水稻有效穗數。適度的水分脅迫能使千粒重不同程度的上升。合理的灌溉和施肥管理措施會發揮水肥耦合效應的最大影響，起到水肥相濟的正面效果。在控制灌溉條件下，由于稻田土壤的水分和氧氣條件得到改善，有利于控制無效分蘗的發生及增加有效穗數，水稻的群體結構得到優化，最終表現為水稻產量的提高。有關不同水氮條件對水稻產量構成因素的研究結論不一，尤小濤等[16]、史鴻儒等[17]學者認為，隨氮肥施用量的增加水稻結實率及千粒重均有不同程度的降低，而陳新紅等[18]則認為增施氮肥可以增加水稻的有效穗數、結實率及千粒重。

本研究結果發現，秸稈還田可以有效提高土壤養分含量。在秸稈還田條件下，相同施肥量水平下，相比其他兩種灌溉方式，淺濕調控灌溉處理可以有效提高土壤有機質、全氮、有效磷、有效鉀的含量，分析產生的原因可能是在淺濕調控灌溉模式下,土壤處于干濕的交替過程中,土壤的通氣狀況良好,土壤溫度提升較快,這些因素都有利于土壤微生物和酶活性的提高,稻稈與土壤接觸更為充分,有利于土壤中微生物對稻稈的分解活動,從而促進了稻桿的腐解，進一步增加了土壤中氮磷鉀素的含量，這與劉世平等[19]研究的結果相似。而相同灌溉方式下，總體呈現出土壤養分隨著施肥量水平的提高而增加，過高的施肥量反而造成土壤養分的降低，但是差異并不顯著，這可能是因為施肥量梯度設置的過小。

土壤酶活性可以作為土壤肥力、土壤質量及土壤健康的重要指標。本研究結果發現，秸稈還田可以有效提高蔗糖酶活性，轉化酶活性強弱反映了土壤熟化程度和肥力水平,對增加土壤中營養物質起重要作用,轉化酶活性高,說明土壤生物活性好,土壤肥力高,土壤狀況良好；還發現秸稈還田會降低脲酶活性，從而延遲尿素的釋放,為作物的后期生長提供必要的氮源，這與閆超等[20]的研究結果一致；而對氧化氫酶的活性影響不明顯。在秸稈還田條件下，淺濕調控灌溉處理顯著提高了蔗糖酶活性，而對脲酶活性的降低并不顯著，分析產生的原因可能是由于土壤酶活性與土壤有機質含量、肥力狀況、土壤質地、pH值、及氣候條件都有關系，淺濕調控灌溉式下,土壤的通氣狀況、溫度、pH值等良好,從而有利于土壤酶活性的提高。而王波等[21]則認為節水稻作模式可以顯著提高脲酶活性，而對土壤蔗糖酶活性影響不顯著。最后，由相關性分析也可以看出，土壤養分狀況影響著土壤的酶活性，而土壤酶活性的高低又反過來影響著土壤的養分狀況，它們相互作用，相互影響，最終影響著水稻的產量狀況。

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Effects of Different Treatments of Fertilization and Irrigation on Rice Yield and Soil Fertility and Enzyme Activity in Wheat Straw Amendment Field

WANG Wei1, ZHU Liqun2, WANG Wenbo2, HU Naijuan2, ZHANG Zhengwen2, BIAN Xinmin1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing，Jiangsu210095,China; 2.CollegeofAgriculture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing，Jiangsu210095,China)

Abstract：[Objective] Field experiments were conducted to study effects of different treatments of fertilization and irrigation on rice yield, soil nutrient and enzyme activity under straw amendment, and to provide theoretical support for the development of high quality, highly effective ecoagriculture. [Methods] Through field experiment, we designed three kinds of irrigation patterns and three nitrogen levels, total of nine experimental treatments, and set up three no straw treatments as a control. [Results] The application rate of nitrogen fertilizer was 225 kg/hm2, the shallow wetland regulation irrigation mode can help control the tiller, reduce plant height, form a reasonable population structure. Different treatments of fertilization and irrigation had no significant effect on rice per panicle, seed setting rate, shallow wetlands regulation irrigation mode can effectively improve rice panicles and grain weight, thus improving rice yield. The rate of fertilizer was 225 kg/hm2, the shallow wetlands regulation irrigation mode can effectively improve the amount of SOM(soil organic matter), TN(tatl N), AP(availale P), AK(available K). Straw amendment can significantly improve soil invertase activity, reduce soil urease activity, while the soil catalase activity had no significant change. In straw amendment field, rate of nitrogen fertilizer was 225 kg/hm2, the shallow wetlands regulation irrigation mode improved the most signifycantly on soil invertase activity, but different treatments of fertilization and irrigation did not significantly reduce the soil urease activity. [Conclusion] In straw amendment field, when the rate of fertilizer was 225 kg/hm2, shallow wetlands regulation irrigation mode can effectively improve rice yield and soil fertility.

Keywords:straw amendment; different treatments of fertilization and irrigation; rice yield; soil nutrient; enzyme activity

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0043-06

中圖分類號：S158.2

通信作者：卞新民(1952—),男(漢族),江蘇省東臺市人,博士,教授,主要從事農業生態環境研究。E-mail:bjxlml@163.com。

收稿日期：2014-04-12修回日期：2014-05-30

資助項目：公益性行業(農業)科研專項“麥—稻兩熟區高效環保農作模式與配套技術研究與示范”(201103001)

第一作者：王偉(1988—),男(漢族),江蘇省東臺市人,碩士研究生,研究方向為農業生態。E-mail:13451870716@163.com。