水肥調控措施對水稻養分吸收及稻谷產量的影響

趙慶雷馬 惠劉奇華信彩云孫召文

(山東省農業科學院 濕地農業與生態研究所/山東省水稻工程技術研究中心,濟南 250100)

作為秸稈資源化利用最有效的途徑之一[1],持續秸稈還田可顯著提升土壤有機質含量,改善土壤物理性狀和生物學特性[2],秸稈分解后釋放養分可替代部分化學養分[3],秸稈還田配施化肥還可以改善土壤供肥能力[4],促進作物增產增收[5-6]。

在黃淮稻麥輪作區,秸稈還田后由于水肥調控管理不當,生產中出現了秸稈腐解前期與稻苗爭氮,水稻分蘗期出現黑根等影響水稻健康生長的一系列問題,影響到秸稈還田技術的推廣應用。有關秸稈還田后施氮和水分管理對水稻養分吸收及稻谷產量的影響已有了較多的研究報道[7-12],但針對黃淮稻麥輪作區秸稈還田問題,將氮肥運籌與水層管理措施相結合的相關研究還比較欠缺。本研究聚焦黃淮稻麥輪作區影響秸稈還田推廣的難點和癥結問題,將秸稈快速腐解與水稻健康生長統籌考慮,研究不同的水肥調控條件下水稻養分吸收特點及其對稻谷產量的影響特征,為稻麥輪作區秸稈還田工作提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地點位于山東省濟寧市任城區農豐農作物種植專業合作社(116°27′E,35°18′N),地處魯中南泰沂蒙山麓傾斜平原與魯西南黃泛平原交接洼地的中心地帶。該區屬暖溫帶季風氣候,年平均氣溫13℃～14℃,年降水量600～800 mm,年日照時數2 391.4 h,無霜期200 d。于2019年至2020年連續進行兩年試驗,因兩年數據規律基本一致,文中主要是2020年的數據。供試土壤為砂姜黑土,試驗前采集耕層土壤分析其基本理化性質,見表1。供試秸稈養分含量見表2。水稻供試品種為‘圣稻18’。

表1 試驗前土壤基本理化特性Table 1 Basic soil physical and chemical properties before experiment

表2 供試秸稈的基本養分含量Table 2 Contents of total N,P and K of crop residues

1.2 田間試驗設計

供試化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。肥料施用量分別為:N 276 kg·hm-2,P2O5135 kg·hm-2,K2O 78 kg·hm-2。氮肥分作基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4 次施用;磷肥全部用作基肥施用;鉀肥作基肥和穗肥各50%施用。作物種植方式為稻麥輪作,秸稈全量還田,一年兩熟。2019和2020年水稻育秧時間均為5月20日,水稻插秧時間均為6 月23 日,水稻收獲時間均為10月20日。試驗設計涉及氮肥施用比例和晾田排氣時間2個因素。其中氮肥施用比例即基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥的施用比例,共4種,分別為:F1,0∶2.8∶3.6∶3.6;F2,1.5∶2.5∶3.0∶3.0;F3,4.0∶1.8∶2.1∶2.1;F4,6.0∶1.2∶1.4∶1.4。插秧后水層管理措施分3種:S1,泡田后15 d自然耗干晾田;S2,泡田后25 d自然耗干晾田;S3,不晾田。試驗共設12 個處理,每個處理重復3 次,分別為F1S1、F1S2、F1S3、F2S1、F2S2、F2S3、F3S1、F3S2、F3S3、F4S1、F4S2、F4S3。水稻灌漿期后采用干濕交替灌水法,收獲前10 d停止灌水,晾田待收。

1.3 樣品采集與測定

水稻最高分蘗期、齊穗期和成熟期取樣。每處理取代表性稻株5穴,齊根割下,莖、葉、穗分別裝入牛皮紙袋。放入烘箱后105 ℃殺青30 min,然后烘至恒量。取出放入干燥器中冷卻至常溫后,將莖、葉、穗分別稱量記錄,然后粉碎,以H2SO4-H2O2消煮后,凱氏定氮法測定含氮量;鉬銻抗比色分光光度法測含磷量;火焰光度法測含鉀量[13]。

收獲期每小區隨機選取40穴,測定有效穗,每小區實割2 m2測產,實割2穴測定產量構成指標,主要包括穗長、穗粒數、實粒數、千粒質量、一次枝梗數和二次枝梗數等。

1.4 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥調控措施下水稻氮素吸收特征

由表3可知,氮肥運籌和插秧后水層管理措施顯著影響水稻對氮素的吸收。相同的水層管理措施下水稻各生育期植株含氮量均隨基施氮肥量的提高呈先增大后減小趨勢,相同的水層管理措施下處理F3植株含氮量在分蘗期、齊穗期和成熟期較其余處理最高增幅分別達38.9%、50%和30.21%。水層管理措施對水稻分蘗期氮素吸收無明顯影響;相同的氮肥施用比例下,水稻齊穗期和成熟期植株含氮量均表現為S1 最高,其次為S2,S3最低,S1植株吸氮量在齊穗期和成熟期較其他處理最高增幅分別達40.74%和12.61%。分析表3可以發現,水稻植株含氮量隨水稻發育進程呈逐漸下降趨勢,即分蘗期>齊穗期>成熟期。

表3 水肥調控措施下水稻植株含氮量Table 3 Nitrogen content of rice plants after water and fertilizer control measures

以上分析表明,基施氮肥促進水稻對氮素的吸收,但基施氮肥量超過40%后水稻吸氮量受到抑制。泡田后15 d晾田顯著提高水稻對氮素的吸收量。從水氮互作效應分析,處理F3S1 最有利于水稻對氮素的吸收。

2.2 不同水肥調控措施下水稻磷素吸收特征

由表4分析可知,氮肥運籌對整個生育期水稻植株含磷量無明顯影響。分蘗期水層管理措施對水稻磷素吸收無明顯影響。整體上看,水稻齊穗期相同的氮肥施用比例下,S1 植株含磷量最高,其次為S2,S3最低,S1植株吸磷量較其余處理最高增幅達19.21%。與齊穗期類似,相同的氮肥施用比例下水層管理措施對成熟期水稻植株含磷量影響顯著,整體上看S1最高,其次為S2,S3最低,S1植株吸磷量最高增幅達28.37%。以上分析表明,氮肥施用比例對水稻磷素吸收無顯著影響。水層管理措施對水稻生長前期吸磷量影響不顯著,泡田后15 d晾田顯著提升水稻分蘗期后對磷素的吸收能力。

表4 水肥調控措施下水稻植株含磷量Table 4 Phosphorus content of rice plants after water and fertilizer control measures

2.3 不同水肥調控措施下水稻鉀素吸收特征

由表5可知,氮肥施用比例對整個生育期水稻植株含鉀量均無明顯影響。分蘗期水層管理措施對水稻鉀素吸收無明顯影響。整體上看,水稻齊穗期相同的氮肥施用比例下,S1植株含鉀量最高,其次為S2,S3最低,S1植株吸鉀量最高增幅達62.73%。與齊穗期類似,相同的氮肥施用比例下水層管理措施對成熟期水稻植株含鉀量影響顯著,整體上看,S1最高,其次為S2,S3最低,S1植株吸鉀量最高增幅達42.31%。以上分析表明,氮肥施用比例對水稻鉀素吸收無顯著影響。水層管理措施對水稻生長前期吸鉀量影響不顯著,泡田后15 d晾田顯著提升水稻分蘗期后對鉀素的吸收能力。

表5 水肥調控措施下水稻植株含鉀量Table 5 Potassium content of rice plants after water and fertilizer control measures

2.4 不同水肥調控措施下水稻干物質積累特點

由表6可以發現,水層管理措施和氮肥施用比例對水稻地上部干物質積累影響顯著。水層管理措施對分蘗期水稻干物質積累無明顯影響;相同的氮肥施用比例下,齊穗期和成熟期水稻干物質積累量均表現為S1最高,其次為S2,S3最低,S1植株地上部干物質積累量在齊穗期和成熟期最高增幅分別達39.15%和42.31%。整體上看,水稻各生育期地上部干物質積累量均隨基施氮肥量的提高先增大后減小,至處理F3時達到最高,相同的水層管理措施下處理F3較其余處理在分蘗期、齊穗期和成熟期最高增幅分別達58.95%、21.43%和28.00%。

表6 水肥調控措施下水稻地上干物質積累Table 6 Dry matter accumulation of rice after water and fertilizer control measures

以上分析表明,基施氮肥量過大或過小都會影響水稻干物質的積累,最利于水稻干物質積累的氮肥施用比例為處理F3。泡田后15 d晾田是對水稻干物質積累最有利的水層管理措施。從水氮交互作用分析,基施適量氮肥條件下適時晾田促進了水稻干物質的積累,即處理F3S1 最有利于水稻地上部干物質的積累。

2.5 不同水肥調控措施對水稻產量構成的影響

由表7可知,水稻有效穗數受水層管理措施和氮肥施用比例的影響顯著:相同的水層管理措施下水稻有效穗數隨基施氮肥量的提高而增加,處理F4 較其余處理有效穗數最高增幅為34.35%;同一氮肥施用比例下S1有效穗數最高,其次為S2,S3最低,S1有效穗數較其余處理最高增幅達37.22%。水層管理措施和氮肥施用比例對水稻穗長無明顯影響。整體上看,相同的水層管理措施下水稻穗粒數隨基施氮肥量的提高先增加后降低,處理F3穗粒數較其余處理最高增幅達26.16%;同一氮肥施用比例下S1 穗粒數最高,其次為S2,S3最低,處理S1穗粒數較其余處理最高增幅達27.92%。氮肥施用比例對水稻結實率無明顯影響規律;相同的氮肥施用比例下,S1結實率最低,其次為S2,S3結實率最高。相同的水層管理措施下,水稻一次枝梗數和二次枝梗數整體上均隨基施氮肥量的提高先增多后減少;相同的氮肥施用比例下,S1一次枝梗數和二次枝梗數最高,S3最低。氮肥施用比例對千粒質量無明顯影響;整體上看,相同的氮肥施用比例下,S3千粒質量最高,S1 最低。相同的水層管理措施下,稻谷產量隨基施氮肥量的增加先提高后降低,處理F3 較其余處理稻谷產量最高增幅達18.18%;相同的氮肥施用比例下,S1稻谷產量最高,其次為S2,S3最低,處理S1較其余處理稻谷產量最高增幅達17.48%。

表7 水肥調控措施下水稻稻谷產量及其構成指標Table 7 Rice yield and its constituent indexes after water and fertilizer control measures

以上分析表明,水層管理措施和氮肥施用比例是影響水稻產量及其構成指標的重要農藝措施。基施氮肥促進了有效穗數、穗粒數、一次枝梗數、二次枝梗數和稻谷產量的提高,但基施氮肥量過高(F4)對穗粒數、一次枝梗數、二次枝梗數和稻谷產量的提高有抑制作用,綜合來看,F3是最利于稻谷增產的施氮方法。插秧后適時晾田使得水稻群體更加合理,水稻產量構成顯著改善:提高了有效穗數、穗粒數、一次枝梗數和二次枝梗數,同時降低了水稻結實率和千粒質量,總體上顯著提高了稻谷產量,其中處理S1對稻谷增產效果最好。從水氮交互作用分析,基施適量氮肥條件下適時晾田促進了水稻產量各構成指標更加協調合理,處理F3S1 水稻產量構成最合理,稻谷產量最高。

3 討論

3.1 水肥調控措施對水稻養分吸收及干物質積累的影響

養分積累是水稻產量形成的關鍵步驟之一。本研究表明,秸稈還田條件下氮肥施用比例是影響水稻氮素吸收的重要因素,且水稻氮素吸收量隨基施氮肥量的提高先增加后降低。這是由于,基施適量氮肥能夠調節秸稈腐解的碳氮比,減少或避免了微生物分解秸稈時與水稻爭氮[14],改善了水稻生長前期土壤氮素供應狀況[15],提升了水稻根系活力[16],而過量施用氮肥,導致秸稈腐解過程中碳氮比失衡,惡化了微生物繁殖環境[17],進而造成根系活力下降,水稻吸氮量降低。本研究表明,水稻干物質積累量隨基施氮肥量的提高先增加后降低,基施氮肥量過大會影響水稻干物質的積累。這是由于,秸稈還田條件下基施適量氮肥滿足了秸稈腐解和水稻生長兩方面的氮素需求[5],縮短了插秧后水稻緩苗時間,促進水稻早生快發,而基施過量的氮肥,擾亂了秸稈腐解和水稻生長的土壤環境,不利于水稻健康生長和干物質的積累。焦峰等[18]研究表明,基施氮肥方式對水稻干物質積累無影響,這可能是由于其研究中兩種基施氮肥方式及施肥量相同,區別僅在于基施氮肥的時間,一種是插秧時施入,另一種是氮肥和秸稈同時施入,這對水稻插秧后緩苗和生長影響有限。

本研究顯示,插秧后適時晾田顯著促進了水稻齊穗期后對氮、磷、鉀養分的吸收量,提高了干物質積累量,以泡田后15 d晾田效果最好。這可能是由于秸稈腐解過程中產生了H2S、CH4、N2O等氣體,這會導致土壤環境處于缺氧的還原狀態,形成的還原性物質沉積在根系表面,對水稻根系產生毒害,而晾田過程中使這些氣體順利排出,將土壤環境由還原狀態改為氧化狀態,改善了水稻根系的生長環境[19],促進根系的伸長,提高水稻對養分的吸收量,加快水稻的生長速度,提高干物質的積累量。

3.2 水肥調控措施對稻谷產量及其構成的影響

本研究表明,水稻有效穗數隨著基施氮肥量的提高而增大,而水稻穗粒數、一次枝梗數、二次枝梗數和稻谷產量均隨著基施氮肥量的提高先增大后減小,這與已有的研究基本一致[20],這可能是由于前期氮肥施用量過小時,施入的氮肥或土壤中原有的氮素養分被用來滿足秸稈腐解之用[21],影響到水稻前期的氮肥需求和健康生長;而充足的氮肥誘發了分蘗的形成,擴大了水稻生長群體,提高了分蘗的數量,最終增加了水稻有效穗數、促進幼穗分化,提高穗粒數和稻谷產量;但前期過量的氮肥供給會造成水稻生長群體太大,分蘗和有效穗數量太多,各產量構成指標比例失調[22],造成稻谷減產。本研究中泡田后15 d晾田因增加了土壤通透性,改善了水稻生長環境,促進水稻有效穗數、穗粒數、一次枝梗數、二次枝梗數和稻谷產量的提高。但泡田后15 d晾田降低了水稻結實率和千粒質量,分析原因可能是由于適時晾田增大了水稻生長群體,有效穗數和穗粒數增多,增大了水稻群體庫容量,這在相同的養分供給條件下降低了單粒碳水化合物的積累量。

4 結論

秸稈還田條件下氮肥運籌和水層管理措施是影響水稻養分吸收和產量構成的重要農藝措施。水稻生長前期適量的氮肥投入促進了氮素吸收和干物質積累,改善水稻產量構成,提高稻谷產量。插秧后適時晾田提高水稻對氮、磷、鉀養分的吸收量,增加水稻干物質的積累量,使得水稻產量各構成指標更加協調合理,促進水稻增產增收。從水氮互作效應分析,綜合考量各方面因素,處理F3S1是最佳的水肥調控措施。因此,黃淮稻麥輪作區秸稈還田條件下宜采用的氮肥施用方法為氮肥分基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4次施用,施肥量為施N 276 kg·hm-2,施用比例為4.0∶1.8∶2.1∶2.1;宜采用的水層管理措施為泡田后15 d晾田。