稻麥輪作系統中不同養分資源管理方式對水稻的影響

李慶魁　金夏明　單建明

摘要：通過田間試驗，采取不同的養分資源管理方式，包括不施氮肥（CK）、NPK均施、NPK均施+秸稈還田、NPK均施+開花1周后控水，從輪作系統的角度運籌養分，探究稻麥輪作系統耕層水分與養分調控對地上部水稻生長的影響，進而提高水稻產量以及肥料利用效率。結果表明，水稻季秸稈還田處理較常規NPK處理產量提高3.80%，成熟期的氮素積累量、生物量分別提高3.41%、4.40%，氮肥農學利用率、吸收利用率、生理偏生產力、生理利用率則分別提高9.61%、5.70%、3.80%、3.70%，說明秸稈還田能夠促進作物對養分的吸收，提高氮素利用效率和作物產量；花后控水與常規NPK處理產量相當，但是花后控水處理下花前存儲的干物質轉運率增長5.96百分點，說明花后控水能夠在不影響產量的情況下，減少灌溉次數，達到節約水資源的目的。因此，從水稻季來看，秸稈還田與花后控水可以作為提高稻麥輪作潛力的有效途徑，但仍需繼續從整個稻麥輪作周期進行進一步的研究。

關鍵詞：水稻；養分管理；稻麥輪作；產量潛力；秸稈還田；花后控水

中圖分類號： S511.06 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0161-05

收稿日期：2017-03-22

基金項目：江蘇省蘇州市產業技術創新專項（編號：SNG201630）。

作者簡介：李慶魁（1977—），男，山東鄆城人，碩士，講師，主要從事作物栽培技術、植物營養等研究與技術推廣工作。E-mail：1149032064@qq.com。 江蘇省最主要的作物種植模式是稻麥輪作，這屬于水旱輪作中常見的一種模式，水旱輪作是指在同一田塊上交替種植水稻和旱地作物（如小麥、油菜、馬鈴薯等）的種植方式[1]。水稻、小麥兩大糧食作物對江蘇省的糧食產量貢獻達85%，統計結果表明，我國水稻種植面積占世界水稻種植總面積的20%左右，其中稻麥輪作面積高達1 300萬hm2，總產占全國糧食產量的1/4以上[2]。因此，研究養分資源在稻麥輪作系統中的高效利用是十分重要的。

然而，目前我國水旱輪作系統中存在諸多問題。首先，養分資源管理沒有從整個水旱輪作系統的角度進行養分周年調配[3]。水旱輪作系統的顯著特征是土壤水分狀況的季節性干濕交替以及由此引起的土壤物理、化學和生物學過程隨作物季節的交替變化，而且形成了一個既不同于旱地又不同于濕地的特殊稻田生態系統[4]。水旱輪作系統養分資源管理不同于以往僅僅針對單季作物的優化施肥，應該從輪作系統的角度來實施養分資源的優化配置和綜合管理。但是如何在水旱輪作過程中協調水稻和旱地作物之間養分資源的周年調配、作物高產群體構建與養分調控、養分持續供應與環境保護之間的矛盾，在理論與實踐中一直未被解決[5-7]。其次，不合理的耕作措施以及單一施用化肥等，引起土壤板結、土壤耕作層變淺，導致生產力下降。有研究認為，秸稈還田能夠有效地改善土壤物理結構，培肥地力，還會緩解甚至避免因為焚燒秸稈而造成的資源浪費、環境污染以及對土壤生產力帶來的破壞[8]。但是秸稈還田對作物產量的影響會因為各地的農業因子不同而不同，需要從周年生產的角度去研究還田條件下稻麥兩季施氮量對水稻產量及其產量構成的影響以及是否會對整個輪作周年氮素礦化和循環有什么影響[9]。

此外，近年來氣候變化異常，季節性降水分配不均衡，因此灌溉水短缺也成為水旱輪作系統重要的限制因素，而水分對水稻來說是特別重要的限制因子[10-11]。可見，提高水稻的水分利用效率，對應對氣候變化具有重大的意義。目前國內研究較多的是水稻籽粒灌漿期土壤干旱對產量的影響。有結果表明，土壤干旱誘導的早衰導致籽粒灌漿期縮短，以致作物產量下降[12]。但也有研究表明，作物籽粒灌漿期土壤適度干旱能夠促進植株衰老，雖縮短灌漿持續期，但增大了籽粒灌漿速率[13]。但從整個輪作系統角度出發，水稻灌漿期控水干旱對水稻產量和土壤氮素的影響以及對下茬小麥和整個系統生產力的影響須進一步研究。由于這些問題的存在，水旱輪作系統中水分、養分不合理投入引起的資源浪費與生態環境問題已經非常嚴重，并引起了社會各界的廣泛關注。進一步發揮水旱輪作的生產潛力，實現水肥資源的高效利用、減輕其對環境的負面影響已成為我國農業可持續發展的重要一環。

本研究以稻麥輪作為對象，在深入認識水稻和小麥高產群體物質積累、養分需求及養分供應三大規律及其調控機理的基礎上，通過田間試驗，采取秸稈還田、花后控水等不同的養分資源管理方式，從水旱輪作條件下水分、養分狀況周期性變化的角度摸清稻麥輪作系統作物高產和養分高效利用的主要限制因子，同時通過一套有效的監測體系來評價養分管理的實際效果，不斷改進管理策略，實現作物高產與養分資源高效利用的同步，進而形成水旱輪作體系最佳養分管理技術。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

試驗于2013年6月開始在江蘇省太湖地區農業科學研究所試驗田進行。供試土壤為土壤肥力較高的黃泥土，耕層土壤基本理化性質：有機質含量為23.6 g/kg，全氮含量為 1.25 g/kg，速效鉀含量為152 mg/kg，速效磷含量為 8.4 mg/kg，pH值為6.7。供試水稻為江蘇省常規早熟晚粳稻品種鎮稻11號。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組排列設計。水稻季設CK（不施氮肥）、常規NPK均施、常規NPK均施+秸稈還田、常規NPK均施+開花1周后控水4個處理，每個處理4次重復。其中秸稈還田處理中秸稈為半量還田，在移苗前對田塊進行耕翻時，將秸稈切成小段翻埋入土壤中。花后控水處理開花1周后停止灌水。施肥種類為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。常規NPK均施處理施氮肥（尿素）240 kg/hm2，磷肥（過磷酸鈣） 60 kg/hm2，鉀肥（氯化鉀）90 kg/hm2。CK處理除不施氮肥外，其余同常規NPK均施。氮肥按基肥、分蘗肥、穗肥、粒肥各占施氮總量的30%、20%、25%、25%分4次施用；磷肥作基肥100% 1次施入；鉀肥則按50%基肥、50%穗肥分2次施用。水稻移栽日期為6月24日，種植密度為27.75萬穴/hm2，每穴定植2株，株行距為25 cm×13 cm。endprint

1.3 栽培管理

本試驗在整個生育期均采用高產高效管理模式進行，即在高效措施（充分利用土壤養分和環境養分基礎上，合理施用化肥，減少肥料施用量30%，降低化肥的損失，使肥料利用率提高20%，同時減少化肥向環境的排放）基礎上增加產量，在高產措施（充分保證作物生長階段所需養分，在高產栽培措施下，充分挖掘并發揮水稻品種的產量潛力，提升水稻的產量空間，使水稻再高產）基礎上尋求更高的肥料利用率，兩方面措施相互結合，綜合管理。

1.4 樣品采集

水稻移栽前1 d（6月23日）采集0～20 cm表層土壤樣品，以后分別在最大分蘗期（7月29日）、拔節期（8月15日）、孕穗期（8月28日）、開花期（9月17日）和成熟期（11月7日）采集0～20 cm表層土壤樣品，同時在每個小區采集水稻地上部植株樣品3穴，以測定其生物量與氮素吸收積累量。采集的土壤樣品在4 ℃保存。植株樣品于105 ℃殺青 30 min，70 ℃烘干至恒重。植株成熟后測各小區預先劃定的收獲區范圍內秸稈與籽粒的鮮質量，隨機取樣烘干，以折算產量和含氮量。

1.5 測定項目及方法

1.5.1 葉片SPAD值的測定 用葉綠素儀（SPAD520型）測定植株新完全展開葉，在葉片的上部、中部、下部分別重復測3～5次，取平均值，每個小區重復測定10張葉，平均值即作為SPAD值。

1.5.2 地上部生物量 植株鮮樣去根，用去離子水洗凈，分莖、葉、穗（生長后期），105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重（約72 h）后用百分之一天平稱質量。

1.5.3 土壤礦質氮含量 新鮮土壤充分混勻過2 mm篩后用0.01 mol/L的CaCl2浸提，180 r/min下振蕩60 min后過濾，浸提液中的銨態氮和硝態氮用連續流動分析儀（CFAAA3，Bran &Luebbe Inc.）測定。同時，用烘干法測定土壤含水量，折算成每千克干土所含的銨態氮和硝態氮含量。

1.5.4 產量及產量構成因素 成熟期在每個小區隨機調查30穴（株）植株的穗數，并隨機選其中3株植株，測定每穗總粒數、實粒數、飽粒千粒質量，并計算理論產量。實際產量測定樣方為5 m2。

1.5.5 干物質轉運量

干物質轉運量（DMT，kg/hm2）=花前干物質積累量-成熟時（秸稈+穗軸）干物質積累量；

干物質轉運效率（DMTE）=干物質轉移量/花前干物質積累量×100%。

1.5.6 植株吸氮量與氮素利用效率 成熟期植株樣殺青烘干后粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，得到待測液后，用連續流動分析儀（CFAAA3，Bran & Luebbe Inc.）測定待測液含氮量，計算植株含氮量，以估算各項氮素利用效率指標。同時根據單位面積地上部干物質量計算可得植株地上部吸氮量。

氮素農學利用率（nitrogen agronomic efficiency，AEN）（kg/kg）：施氮肥區與不施氮肥區稻谷產量之差與施氮水平的比值，即單位施氮量的產量增加量；氮肥吸收利用率（nitrogen recovery efficiency，REN）（%）：施氮肥區與不施氮肥區地上部氮素積累量之差與施氮量的比值；氮肥偏生產力（partial factor productivity of applied nitrogen，PFPN）（kg/kg）：單位面積植株籽粒產量與單位面積施氮量的比值；氮素生理利用率（nitrogen physiological efficiency，PEN）（kg/kg）：作物因施用氮肥而增加的產量與相應的氮素積累量的增加量的比值；氮素收獲指數（HI，nitrogen harvest index）為子粒氮素積累量與氮素累積總量的比值。

1.6 數據處理

數據用Microsoft Office Excel 2010和SAS軟件（9.0版本）進行ANOVA方差分析處理，并用LSD法對處理間進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同管理方式對水稻產量及地上部生物量的影響

2.1.1 不同管理方式對水稻產量的影響 與對照相比，NPK均施的3種處理下水稻產量、產量構成（有效穗數、穗粒數）以及收獲指數多顯著增加（表1），說明氮肥的施用對水稻生長有顯著影響。但是，NPK均施3種不同處理之間的水稻產量差異不顯著。與常規NPK處理相比，秸稈還田處理下水稻產量增加3.81%，花后控水處理則降低0.49%。花后控水處理下水稻產量降低，說明開花灌漿期控水干旱會影響水稻產量。有研究表明，強勢粒的灌漿一般要2周左右才能完成[14]，花后1周控水會導致籽粒灌漿期縮短。但是，控水可以增加水稻穗粒的結實率和提高收獲指數。2.1.2 不同管理方式對水稻地上部生物量的影響 與對照相比，在整個生育期內，NPK均施的3種處理均能顯著增加水稻地上部生物量（圖1），在成熟期生物量增加幅度在 57.52%～64.46%之間，表明施用氮肥能促進水稻地上部生物量的積累。與常規NPK相比，秸稈還田處理下苗期地上部生物量較低，可能是因為秸稈腐蝕相對較慢，沒有對水稻的地上部生物量的積累起到促進作用。有研究指出，秸稈還田后水稻生長要比無秸稈還田處理要慢些[15]。隨著生育期的推進，從拔節期開始秸稈還田處理地上部生物積累量迅速上升，在孕穗期增幅最大，并逐漸高于常規NPK處理。在水稻成熟期，秸稈還田處理下生物量提高4.40%。因此秸稈還田有利于水稻地上部生物量的積累，而花后控水可能因水稻受到水分脅迫促進干物質轉運，地上部生物量略低于常規NPK處理。

2.2 不同管理方式對水稻氮素利用率的影響

與常規NPK處理相比，秸稈還田處理下水稻氮素利用率的各項指標均有所提高（表2），說明秸稈還田能夠影響水稻對氮素的吸收與利用，有利于提高氮肥利用效率。與常規NPK處理相比，花后控水處理的氮肥吸收利用率降低488%，這可能是由于控水使后期土壤中養分形態發生變化，植株氮素吸收量低于常規NPK處理所致，而氮肥生理利用率較高則可能與花后控水處理促使干物質轉運增強有關。endprint

2.3 不同管理方式對土壤氮素養分含量的影響

2.3.1 不同管理方式對土壤銨態氮含量的影響 就整個生育期而言，土壤銨態氮含量表現為逐漸降低的趨勢（圖2）。由于施肥主要集中在水稻生長前期，尿素在土壤中發生水解作用產生大量銨態氮，導致銨態氮含量高。拔節期和孕穗期施入拔節肥與孕穗肥后，土壤銨態氮含量出現2個高峰。而隨著水稻生長速率加快，吸收氮量增加，土壤銨態氮含量持續降低，再加上水稻成熟前1周已停止灌水，土壤水分含量下降導致土壤中的銨態氮轉化為硝態氮[16-17]，至水稻成熟期土壤銨態氮含量降到最低。

與對照相比，NPK均施的3種處理下，在水稻各個生育階段土壤中銨態氮含量均偏高。這說明氮肥的施入能顯著影響土壤中的銨態氮含量。NPK均施的3種處理對土壤中銨態氮含量的影響曲線基本趨于一致。與常規NPK相比，從整個生育期看，秸稈還田處理土壤中銨態氮含量略低，這可能由于在秸稈還田初期，秸稈的施入向土壤中投入大量的碳，促進微生物繁殖，出現與作物“爭氮”的現象[17-19]，導致土壤中礦質氮被暫時固定。因此銨態氮含量要低于常規NPK處理。此外，由于試驗田是第1年秸稈還田，土壤中沒有形成固定的微生物群體，整個水稻生育期土壤氮素的固定與釋放還不穩定。拔節期和水稻灌漿期秸稈還田處理較常規NPK處理銨態氮含量高，可能與這一階段腐熟秸稈向土壤釋放氮素有關。

與常規NPK相比，花后控水處理下土壤中銨態氮含量有所降低。這主要由于控水之后土壤水分含量降低，氮素形態發生改變，銨態氮轉化為硝態氮。

2.3.2 不同管理方式對土壤硝態氮含量的影響 就整個生育期而言，土壤硝態氮含量表現為從分蘗期到拔節期略有降低，之后又開始升高，成熟期達到最高的變化趨勢（圖3）。前期，土壤硝態氮含量較低，淹水條件下，水稻生育前期施入的尿素發生水解作用首先形成銨態氮，而硝化作用被強烈抑制，銨態氮成為水田中土壤無機氮的主要存在形態。到生育后期，土壤硝態氮含量逐漸上升，是孕穗前追施氮肥的緣故，且此時降水相對生育前期有所減少，土壤干旱促使大量銨態氮發生硝化作用形成硝態氮。到成熟期土壤硝態氮含量又進一步升高，是由于成熟前停止灌水，土壤水分含量降低促使銨態氮轉化為硝態氮。與其他3種處理相比，花后控水在控水處理（9月24日）之前，土壤中硝態氮含量的影響曲線趨勢與其他處理基本相同。而在控水處理后，土壤中硝態氮含量呈明顯上升趨勢。這是由于控水之后導致水稻以黃酶作為主要的呼吸氧化酶[20]，從而促進對硝態氮的吸收，使干旱條件下水稻維持較高的氮素營養水平，促使土壤中大量的氮素發生硝化作用，以硝態氮的形式存在于土壤中。

2.4 不同管理方式對水稻生育期SPAD值及氮素積累量的影響

2.4.1 不同管理方式對SPAD值的影響 有研究指出，SPAD值與葉片氮素含量有很好的相關性[21]，在一定程度上可以作為診斷水稻對氮素需求狀況的一個指標。與對照相比，NPK均施的3個處理在各生育階段測得的SPAD值均偏高（圖4）。由此可見施用氮肥對于維持作物較高的氮素營養具有重要作用。與常規NPK相比，秸稈還田處理下水稻生長后期SPAD值略高于常規NPK處理。這可能與后期秸稈分解釋放一部分氮素有關。花后控水的SPAD值則要略低一點，這是由于SPAD值受到土壤水勢的影響[22]，控水處理之后土壤表現干旱，水勢下降，植株受到水分脅迫，對氮素養分的吸收受到抑制。

2.4.2 不同管理方式對氮素積累量的影響 與對照相比，在整個生育期內，NPK均施的3種處理增加了水稻的氮素積累量（圖5），在成熟期氮素積累量增長幅度在105.43%～117.12% 之間，說明氮肥的施入能夠顯著提高水稻對氮素的吸收與累積，促進作物生長。花后控水處理下植株氮素積累量與常規NPK處理在各生育階段基本保持一致。而秸稈還田在生育前期水稻植株氮素積累量略低，但是隨著生育期的延長，拔節期、開花期高于常規NPK處理，成熟期秸稈還田處理下氮素積累量提高3.41%。

2.5 不同管理方式對孕穗前水稻莖鞘物質轉運的影響

與對照相比，NPK均施的3種處理下孕穗前水稻莖鞘物質轉運量及轉運率有明顯增長（表3）。這表明氮肥的施用能提高水稻花后干物質積累量對產量的貢獻率，而降低花前儲存物質對產量的貢獻率。與常規NPK相比，花后控水處理下孕穗前莖鞘儲存物質的運轉率增長5.96百分點，說明花后控水能夠提高干物質向籽粒中的分配比率，使運轉效率提高[23]。這是由于在花后水分虧缺條件下，開花授粉后葉片制造的光和產物降低，水稻灌漿物質中來自花后光合產物的比例減少，而來自孕穗前莖、鞘中貯藏物質的比例增加[24]，因此導致轉運量與運轉率的提高。與常規NPK相比，秸稈還田處理下孕穗前莖鞘儲存物質轉運率減少5.53百分點，這可能是由于生長后期秸稈腐熟向土壤釋放氮素營養，促進水稻花后干物質的累積，降低花前儲存干物質的轉運。

3 討論

3.1 秸稈還田對水稻生長的影響

本研究結果表明，與常規NPK處理相比，秸稈還田后不僅可以增加水稻產量，而且可以提高氮肥利用效率。其原因主要有3個方面。首先，秸稈還田能夠改善土壤的物理性狀，如提高土壤保墑能力，調節耕層土壤溫度，改善土壤物理結構，增加作物根際透氣性等，為作物生長創造良好的環境[25]。其次，土壤微生物量在土壤生態系統可以作為判斷土壤肥力的一個指標。秸稈施入土壤后，秸稈碳被分解為有機質并被微生物所吸收成為其有機體的一部分，提高了土壤有機碳的積累，同時土壤微生物量增長，提高土壤肥力水平[26]，為水稻生長提供良好的養分供應環境。最后，大量的碳源為微生物提供豐富的能源物質，促進秸稈分解釋放礦物氮，使土壤氮素得到更新和補償，提升土壤的氮素水平[27]。

但是本研究中水稻的增產幅度較低，可能是由于本試驗為第1年秸稈還田，土壤結構并未得到有效改善，且土壤中沒有形成固定的微生物群體，故而對水稻生長的影響不顯著。眾多研究表明，長期秸稈還田對水稻確有明顯的增產作用[8，28-29]。endprint

總之秸稈還田具有良好的土壤效應、生物效應和農田生態效應，有利于提高氮素利用率和促進水稻生長發育，為水稻的高產、穩產打下了良好基礎。

3.2 花后控水對水稻生長的影響

本研究結果表明，花后控水主要通過改變土壤水分含量及養分狀況，對水稻的生長產生影響。首先，控水處理會通過改變氮素形態而提高土壤中硝態氮含量。盡管氮素形態很大程度上會影響植物對其的吸收與利用，但由于開花期之后水稻對氮素養分吸收較少，土壤硝態氮含量的提高對于水稻的最終產量無明顯影響。并且，土壤中含有大量的硝態氮，能夠為喜硝作物生長前期提供足夠的氮素營養，這可能有利于稻麥輪作體系中的后茬小麥的生長。其次，控水會導致水分脅迫，影響水稻正常生長。有研究指出，籽粒的形成與花前積累在莖鞘內干物質的再流轉有著很密切的關系，而水稻干物質的轉運在很大程度上受土壤水分的影響[30]。從本研究結果看，花后控水處理下，莖鞘內干物質轉運量對產量的貢獻比例明顯高于常規NPK處理，符合了前人關于適宜水分脅迫具有促進水稻莖鞘內貯藏物質向穗部轉運效應的結論[31-32]。水分脅迫條件下花前莖鞘內儲存的干物質轉運量及轉運效率的提高，實質上是水稻自身應對逆境的一種補償效應現象[33]。即當外界環境脅迫使花后光合產物積累受限時，花前儲存在莖鞘的干物質就作為選擇性緩沖碳庫以滿足水稻生長的需求。與干物質相似，適宜的水分脅迫可以提高營養器官中氮的轉運率[34]，動員水稻花前葉片和莖鞘中儲存的氮素參與再分配和再利用，減少水稻營養器官中氮的滯留，有利于提高氮素利用效率。因此在保證水稻產量的前提下，進行適宜的水分脅迫是提高水稻氮素利用率，同時減少灌溉次數、節約水資源的有效管理方式，更可能是一種有利于維持稻麥輪作周年生產力的有效途徑。

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