長期秸稈還田下有機無機配施及微量元素和緩釋肥的施用對雙季稻產量和肥料利用率的影響

李桂花，張雪凌，周吉祥，張建峰

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

紅壤性水稻土是種植雙季稻的主要土壤，集中分布在熱帶-亞熱帶地區。這些區域有充足的降雨和熱量，利于作物的生長，但同時土壤礦化淋溶強烈，使土壤呈現酸、粘、瘦的特征，因此，合理施肥是保證紅壤持續高產、穩產的重要措施。

大量試驗表明，很多施肥模式可以提高紅壤區雙季稻產量，并培肥地力。比如，適量氮肥條件下，長期有機無機配施是提高紅壤地力、保證產量的有效措施［1-2］。緩控釋氮肥的應用也比普通氮肥有效提高水稻產量6.1%～8.2%，氮肥利用率提高15.4%～38.4%［3］。施用植物生長第四大必需元素硫，也增加水稻產量0%～10%［4］。另外，微量元素的應用，也顯著增加水稻產量。比如，在土壤中施用鋅肥水稻產量平均增加15%，且土壤施用優于葉面噴施和種子處理［5］；另外，硅肥促進水稻生長及其對礦物養分的吸收，對早稻的增產量達到2.2%～30.0%，對晚稻的增產量達到3.9%～9.2%［6］，硅鋅配施也增加雙季稻產量10%左右［7］。

江西紅壤地區多年實施秸稈還田以培養土壤地力，在這種背景下，本文進一步研究了集成上述高效施肥模式對水稻產量、氮肥利用率和土壤肥力的影響，為這一地區養分持續高效利用和水稻增產提供科學依據。

1 材料與方法

試驗于江西省宜春市高安縣渡埠農場（28°15′26.0″ N，115°07′32.7″ E）進行。該區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年均降水量1680 mm，集中在4～6月，平均氣溫17.2℃。供試土壤為紅壤性水稻土，耕層主要性狀為pH 5.28，全氮1.69 g/kg，有機質23.62 g/kg，堿解氮184.0 mg/kg，有效磷44.5 mg/kg，速效鉀178.3 mg/kg，有效硅54.1 mg/kg，有效鋅1.72 mg/kg。

田 間 試 驗 始 于2013年4月，2016年11月 結束。試驗地長期秸稈還田并加腐熟劑。早稻4月25日～5月1日插秧，晚稻7月31日～8月2日插秧。試驗共設8個處理，除不施氮、磷及減氮處理外，氮磷鉀總量保持一致：（1）不施氮，施磷（化肥N+有機N/P2O5：0+0/90）；（2）不施化肥氮，施有機氮，施磷，施微肥（Si、Zn、S）（0+30/90/微）；（3）減化肥N 20%，不施磷（135+0/0）；（4）有機N替代20%化肥N，不施磷，施微肥（Si、Zn、S）（135+ 30/0/微）；（5）常規施氮磷（165+0/90）；（6）有機N代替20%化肥N，施磷（135+30/90）；（7） 在處理（6）基礎上增施微肥（135+30/90/微）；（8）在（7）基礎上用20%緩釋N代替化肥N［135（35緩+100） +30/90/微］。早稻常規施N量為165 kg/hm2，晚稻195 kg/hm2，磷鉀肥用量早晚稻一致。微肥SiO2、Zn、S施用量分別為30、3.45和30 kg/hm2。化肥用尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，緩釋肥N含量41.8%，有機肥（江蘇田娘農業科技有限公司）含水量30.1%，有機質47.8%，N 1.86%，P2O53.11%，K2O 0.85%；微肥用Na2SiO3·5H2O（SiO224%）、ZnSO4·H2O（Zn 36.3%，S 17.9%）、硫磺粉（S 99.9%）。除尿素外其余肥料均基施。采用隨機區組設計，4次重復，小區面積42 m2，用塑料薄膜覆泥作梗隔開，每個小區獨立排灌。各處理具體施肥量見表1。

表1 不同施肥處理早稻施肥量 （kg/hm2）

早稻和晚稻品種分別為當地主栽品種中嘉早17號和五豐優T025。早稻5月初移栽，7月下旬收獲；晚稻8月初移栽，11月初收獲。取1 m2進行考種。產量按全小區測定，土壤樣品在晚稻收獲后采集。測定籽粒和秸稈中的氮磷含量，分析土壤化學性狀［8］的變化。

利用公式（1）和（2）計算水稻氮肥效率。用SigmaPlot 12.5進行相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 年度間及同一年度不同施肥處理間早晚稻的產量變化

4年間早稻平均產量分別為7869、7067、7109和9316 kg/hm2，年度間差異顯著（P<0.05）。比較同一年份，與不施肥相比，施肥處理早稻產量達到顯著水平（表2，P<0.05），施肥處理間沒有差異。用有機替代部分無機肥、外加微量元素和緩釋肥料等處理與常規施肥相比，產量差異最高，可達7.6%，但沒有達到顯著水平。減氮處理在所有施氮處理中產量最低，但與常規施肥相比，也沒有達到顯著水平。

表2 不同施肥處理早稻產量 （kg/hm2）

晚稻產量結果與早稻相似，同一年度只有施肥處理與不施肥間差異顯著（表3，P<0.05）。與常規施肥相比，有機替代、添加微量元素和緩釋肥料、減氮20%處理，晚稻產量沒有顯著差異。年度間的產量差異大于肥料處理間差異。與早稻相比，不同年度間有高有低。

表3 不同施肥處理晚稻產量 （kg/hm2）

2.2 不同年份水稻考種數據及氣象因子分析

不同年份考種數據有差異。早稻季有效穗數、實粒數及實粒重都是產量最高的2016年顯著高于其它年份（表4，P<0.05）。日照長度也是2016年和2013年高于其它年份。晚稻季有效穗數、實粒數及實粒重也是產量最高的2014年顯著高于其它年份（表4，P<0.05）。平均溫度和日照長度沒有差異。但4年產量與有效穗數、實粒數及實粒重相關性不顯著，也與平均溫度和日照長度相關性不顯著（數據略）。

表4 不同年份6個施氮處理水稻考種數據及氣象因子分析

2.3 不同施肥處理早晚稻氮磷吸收和氮肥利用率

不同施肥處理影響籽粒吸氮量。以2016年早稻為例，氮磷配施且有機替代（含緩釋肥）處理（T6、T7、T8）籽粒吸氮量（除T6與T4、T5差異不顯著外）顯著高于其它處理（表5）。秸稈吸氮量與籽粒略有差異，除不施氮處理外，不施微量元素的3個處理（T3、T5、T6）與其它處理（T4、T7、T8）相比較低。不同施肥處理間氮肥表觀利用率差異不顯著（P=0.07）。籽粒吸磷量沒有差異。秸稈吸磷量只有T1和T3顯著低于其它處理，施用有機磷（T2）有效提高秸稈吸磷量。氮肥農學效率主要受產量和施氮量影響，所以早稻產量T6>T3、T8>T4、T7>T5，常規施肥方式最低，但處理間差異不顯著。

晚稻籽粒的吸氮量只有不施肥處理顯著低于其它處理（表6，P<0.05）。減氮處理（T3）秸稈吸氮量低于其它施肥處理。晚稻籽粒吸磷量除不施肥處理外，只有常規施肥（T5）最低。秸稈吸磷量只有不施磷肥的T3處理最低。2016年晚稻產量低，所以施氮最少的T3處理氮肥農學效率高于其它處理，但差異不顯著。氮肥表觀利用率與早稻一樣，施用緩釋肥的T8（高9%）和施用有機肥的T6、T7優于其它處理，但差異不顯著。

2.4 不同施肥處理土壤化學性質和微生物生物量的變化

4年不同施肥處理后，只有有效磷和速效鉀發生了變化，pH、有機質、全氮和微生物量碳和氮都沒有顯著差異（表7）。與常規施肥相比，有機無機配施有機質和全氮增加1.5%。

表7 不同施肥處理對土壤化學性質和微生物生物量的影響（2016年）

3 討論

3.1 不同年份早稻產量差異的主要原因

水稻產量的形成主要受溫度、光照（輻射強度）和葉面積指數的影響［9］。葉面積指數在不受水、氮脅迫的情況下，主要由不同生長階段來決定。生長階段主要由日平均溫度和光周期決定［9］。因此，我們分析了不同年份考種數據，以及產量與早晚稻生育期溫度和日照長度的相關性。雖然產量最高年份的有效穗數、實粒數及實粒重都顯著高于其它年份，但這些因子以及溫度、日照長度與產量間的相關性都沒有達到顯著水平。說明產量的形成需要過程的模擬，如Oryza 2000［9］、APSIM-Oryza［10］，而不能簡單應用平均值。即溫度和日照在整個生育過程的分布會影響作物生長量和產量的形成。

3.2 同一年份不同施肥處理對產量的影響

施肥目的是增加作物產量，同時維持或增加土壤肥力。與常規單施化肥相比，4年有機無機配施、外加微量元素等措施沒有顯著增加雙季稻產量。張成蘭等［11］在赤紅壤得到相同結果。他們發現，在多年冬季綠肥還田條件下，連續5年有機無機配施（1∶1，雞糞）和秸稈還田不能顯著增加雙季稻產量。其它紅壤長期定位試驗也發現，有機替代或有機無機配施需要較長時間才能增加產量。如江西進賢，30%有機替代（NPKM）與NPK相比，經過30年水稻增產量由0.6%提升到6.9%［12］。湖南望城經過32年秸稈還田和豬糞配施，早稻平均增產7.2%，晚稻平均增產6.7%［13］。江西南昌29年30%有機替代，早稻產量增加6.3%，晚稻增產7.8%［14］。而在地力中等的湖南祁陽，施氮量加倍［有機無機比1∶1，無機氮72.3 kg/（hm2·季），有機氮為腐熟牛糞］情況下，前5年雙季稻產量差異不明顯，后期NPK產量逐步降低，而NPKM產量基本維持，經過30年雙季稻平均增產19%［15］。說明在紅壤通過添加有機物料增加產量需要較長時間。相反，在肥力較低的祁陽紅壤，Li等［16］發現與農民單施化肥相比，秸稈還田（單季或雙季）或冬季紫云英還田（N投入增加50%～78%），4年雙季稻顯著增產8.5%～24.1%。說明基礎地力影響作物對不同肥料的響應。另外，他們發現有機物料的質量影響土壤養分的供應，有機物料的數量影響土壤有機質的提升。本試驗地經過長期秸稈還田，土壤肥力有了一定的提高，在此基礎上，用20%有機氮替換無機氮，可能在有機物料的質量和數量上都無法滿足快速增產的目的。另外為了便于推廣，我們選用商品有機肥，其中易分解碳氮含量較高，這些成分在厭氧條件下促進鐵、硫還原物質的產生［17］，不利于水稻生長，這可能也是影響產量的一個原因。

相反，在紅壤中施硅顯著降低有害性還原性物質（Fe2+和Mn2+）［18］，同時增加地上部氮磷養分的吸收［6］，增加機械抗性和生理抗性［19］，從而增加雙季稻產量［6，18，20］。但本研究在施硅情況下，地上部氮磷吸收量與不施硅相比沒有差異，水稻產量沒有增加。陳琨等［18］在四川紫色土得到相同結果。他們發現只有硅與鈣配施才能增加水稻產量10.6%，而單獨施鋅肥、硅肥對水稻增產效果不顯著。但在遼寧鹽堿地，不論是土施硅與鈣，還是葉面噴施硅肥，單季稻產量分別增加4.8%和14.3%，達到顯著水平［20］。他們認為硅肥主要通過增加分蘗和抗病性增加產量，我們測定的分蘗數沒有變化（數據略）。而劉紅芳等［21］在單季稻中發現，硅肥對產量的貢獻與施氮量有關。在常規施氮量下，不論是硅肥，還是硅鈣肥，對水稻產量無影響，對秸稈抗性也無影響；而施氮量為2.5倍時，兩種硅肥都促進維管束發育，抗倒伏，實現增產12.5%［21］。我們的施氮量屬常規水平，因此，硅肥對產量沒有效果。

另外，硫和鋅是參與作物酶活性和生理代謝的重要元素，增加水稻產量［5］。在本試驗條件下，與常規施肥相比，這兩個元素沒有增加雙季稻產量。孫玉桃等［4］得到相同結果。他們發現在田間施硫條件下，早稻增產3%，晚稻沒有效果，都沒有達到顯著水平。

總之，在不同施肥模式下，雙季稻產量與常規施肥相比沒有增加，主要原因還是試驗區長期秸稈還田。雖然每年有籽粒部分移出，但通過有機肥替代可以滿足微量元素的少量移出；同時因為有機肥替代率較低，所以4年替代后，增產效果不明顯。

3.3 氮肥農學利用效率和氮肥表觀利用率

相對而言，減氮條件下，氮肥農學效率因為施氮量低而增高。但本文因減氮條件下產量也下降，所以氮肥利用率沒有提高。不同施肥下氮肥農學利用效率范圍在15～25 kg/kg，與其它紅壤在相似施氮量下的利用效率相似［12，14］。不同施肥模式下，早稻氮肥農學效率高于晚稻，與劉益仁等［14］得到的結果相同，主要原因是早稻施氮量低于晚稻。

不同處理間氮肥表觀利用率沒有顯著差異，但相對而言緩釋肥效果最佳（T8）。Geng等［3］得到相同結果，表明緩釋肥利于作物吸氮。氮肥表觀利用率范圍在26%～41%，早稻高于晚稻。與湖南望城、江西進賢、江西南昌的紅壤長期定位試驗結果相同，利用率范圍（平均31%～44%）也接近［12-14］。相反，根據文獻和田間兩年試驗，葉廷紅等［22］發現晚稻氮肥表觀利用率略高于早稻。結果有差異的主要原因是施肥量和產量。本試驗地區常年晚稻產量略高于早稻，所以晚稻施氮量高于早稻，但本試驗的這4年，產量相似或低于早稻，所以氮肥利用率也低。

3.4 土壤肥力

長期秸稈還田條件下，用20%有機肥N替代化肥N，4年后稻田土壤有機質和全氮沒有顯著增加。主要原因是有機肥投入量（771 kg/hm2）與秸稈（5500～8000 kg/hm2）相比數量少。張成蘭等［11］在廣州赤紅壤得到相同結果。他們發現冬季綠肥還田條件下，長期有機無機配施（1∶1，雞糞）和秸稈還田，與NPK相比，土壤養分、酶活性和微生物多樣性都沒有顯著差異。湖南桃源紅壤試驗也發現，與NPK相比，添加秸稈與綠肥等有機物料需要9年以上才能使土壤有機碳顯著增加，同時增加微生物量碳氮［23］。湖南望城紅壤上秸稈與豬糞還田，與NPK相比，經過32年有機碳增加6%，而微生物量碳氮沒有差異［13］。而祁陽紅壤，5年時間秸稈與綠肥還田顯著增加了土壤有機質含量11%～23%［16］。說明有機肥料對土壤地力的影響和物料投入的數量、質量與土壤原有地力有關。

4 結論

集成紅壤增產增效的施肥模式，并應用于長期秸稈還田的江西紅壤。結果發現，不論是有機替代、添加微量元素、減氮、緩釋肥替代，都不能顯著增加雙季稻產量，也不能增加氮肥農學效率及表觀利用率。說明長期秸稈還田對水稻產量和地力起到很重要作用，在此基礎上，添加有機肥可以滿足雙季稻對微量元素的需求；緩釋肥的應用增加氮肥表觀利用率9%。