麥稈還田下水氮耦合對水稻氮素吸收利用及產量的影響

張宇杰 王志強 馬鵬 楊志遠 孫永健 馬均

麥稈還田下水氮耦合對水稻氮素吸收利用及產量的影響

張宇杰 王志強 馬鵬 楊志遠 孫永健 馬均*

(四川農業大學 水稻研究所/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室, 四川 溫江 611130;*通信聯系人, E-mail: majunp2002@163.com)

【目的】研究麥稈還田下不同水氮耦合對麥茬雜交秈稻氮素吸收利用及產量的影響。【方法】以雜交稻F優498為材料，設置不同水分處理方式(干濕交替灌溉、淹水灌溉)、氮肥運籌[總氮150 kg/hm2，基肥∶蘗肥∶穗肥分別為3∶3∶4(N1)、7∶3∶0(N2)、不施氮(N0)]和秸稈還田(秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田)，測定還田秸稈氮素腐解率、水稻籽粒產量及主要生育時期各器官氮素吸收利用特征。【結果】干濕交替灌溉促進了秸稈氮素釋放，使水稻在拔節期后的地上部氮素積累量提高4.85%～33.92%，提高成熟期莖鞘氮素轉運能力，穗部氮素吸收量提高了10.73%～16.42%，最終提高有效穗數并增產2.51%～3.77%。秸稈還田釋放氮素營養，提高拔節期后的水稻地上部氮素積累量5.15%～53.21%和成熟期葉片氮素轉運能力，提高穗部氮素吸收量4.93%～ 43.91%，最終增產9.62%～18.33%。施氮促進了秸稈養分釋放，提高了水稻植株氮素吸收與轉運能力，增加了有效穗數并顯著增產16.21%～28.31%。對比干濕交替灌溉耦合優化施氮(N1)模式與淹水灌溉耦合傳統施氮(N2)模式，前者促進了各時期的秸稈養分釋放，提高了地上部氮素積累能力和莖鞘及葉片的氮素轉運能力，并顯著提高了氮肥回收利用率7.27%～26.06%。【結論】麥稈全量翻埋還田條件下，干濕交替灌溉耦合優化施氮的水氮耦合模式可促進秸稈氮素釋放，有效提高水稻氮素積累及利用能力，提高氮肥回收利用率與水分利用率，為本研究中最適水肥耦合模式。

雜交秈稻；秸稈還田；水氮耦合；氮肥利用率；產量

我國水稻(L.) 高產栽培技術不斷創新，水稻產量逐年提升，但普遍建立在高氮肥用量之上。谷類作物化肥用量是我國農作物化肥使用總量的主要貢獻因子[1]，其中以水稻的施肥水平最高。我國目前水稻大面積生產中，許多地區施氮達到250～350 kg/hm2，而實際起作用的只有150～200 kg/km2，這其中就有約30%的氮素損失[2]，氮肥施用量高但利用率低的問題尤其突出。我國人均水資源占有量不到世界平均水平，為水資源短缺國家。雖然近年來我國用水結構不斷優化，農田灌溉水有效利用系數穩定提升至0.56，但距離發達國家仍有一定差距[3]。王浩等[4]認為，我國水土資源錯位加劇，農業水資源脅迫度增加，未來農業干旱缺水態勢還將進一步加劇。我國秸稈總量居世界第一，在處理大量堆積秸稈時將秸稈用作肥料還田是最為快捷的處理辦法，且秸稈還田有利于土壤微粒團聚，并且可以較快提高土壤有機質含量，改善土壤理化性質[5]，對生態農業的發展具有重要意義。如今隨著水資源短缺問題的日益明顯及氮肥利用率的不斷下降，如何在秸稈還田條件下進行合理的水肥管理，實現水稻高產與水肥利用效率的協同提高，已成為我國水稻生產上亟待解決的問題。

我國目前常見的兩種水稻灌溉模式為傳統淹水灌溉與干濕交替灌溉，常規淹灌模式下，深層滲透現象和灌溉水田間流失現象嚴重，水分利用率低，且土壤養分易溶解流失[6, 7]。Belde等[8]研究發現，干濕交替灌溉比淹水灌溉的用水量減少15%～ 18%。眾多學者[9-12]指出，干濕交替灌溉下水稻氮素吸收量和氮素利用率都顯著高于淹水灌溉，但也有學者[13]認為，干濕交替灌溉減少了氮素在植株中的積累，反而降低了氮肥利用率。在節水灌溉模式下適宜的氮肥運籌對提高水稻氮吸收利用及產量作用顯著[14]。張自常等[15]認為，灌溉方式和氮肥運籌對水稻產量和稻米品質的影響具有明顯的互作效應。趙建紅等[16]也發現，灌溉方式和氮肥運籌對水稻群體各生育器官的氮素積累存在顯著影響，且兩者在莖葉的氮轉運量、莖鞘的氮轉運率、莖葉的氮貢獻率和穗氮增加量上存在極顯著的交互作用。秸稈還田可以有效改善土壤結構，提高土壤有機質含量，但是秸稈腐解前期需要消耗大量氮素，如果土壤中氮素匱乏則分解秸稈的微生物會與水稻根系爭奪氮素營養，并產生化感物質對根系產生毒害作用，抑制根系生長[17]。多名學者[18,19]研究表明，在秸稈還田條件下，氮肥施用量與灌水量對水稻生長及產量具有較大的影響，水稻產量隨氮肥施用量的增加呈現先增后降的趨勢。

眾學者目前針對水分管理、氮肥運籌以及秸稈還田對水稻生長發育及產量的影響已經做了大量探索。本研究采用當地農民在水稻栽培中慣用的常規淹水灌溉和傳統施氮模式，與節水農業推崇的干濕交替灌溉和適宜當地生產的優化施氮模式[20]，在稻麥輪作基礎上取小麥前茬作為還田秸稈，對麥稈還田下不同水氮耦合對水稻氮素利用、產量構成進行進一步探索，從多因素共同作用下探究秸稈氮素釋放規律，以明確水氮管理協同秸稈還田對水稻氮素吸收利用、產量形成的影響，以期為成都平原地區水稻綠色高產高效栽培提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年和2020年在四川省成都市溫江區四川農業大學水稻所試驗田進行(N30°43′，E103°51′)。試驗品種為中秈遲熟型雜交水稻F優498，主莖17片葉片，5個莖節，兩年間實際生育期141～143 d。試驗田土壤為砂壤土，土壤基礎理化性質見表1，水稻主要生育時期見表2，水稻全生育期氣象數據見圖1。兩年間自分蘗期開始日溫變化趨勢基本一致，2019年孕穗期降雨量偏高，2020年灌漿結實期降雨量偏高。

表1 耕層土壤(0－20 cm)基礎理化性質

表2 水稻主要生育時期

表3 試驗處理設置

W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。

W1 and W2, Alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2, Zero-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively.

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共6種水、氮、秸稈耦合模式，如表3所示。水分管理設干濕交替灌溉(W1)與淹水灌溉(W2) 兩種模式。干濕交替灌溉：淺水(1～2 cm)栽秧，移栽后5～7 d保持淺水層以確保秧苗返青成活，返青后至孕穗前保持田間濕潤，不建立水層，土壤含水量約為飽和含水量70%～ 80%，無效分蘗期夠苗曬田，孕穗期保持淺水層，抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干至土壤水勢為?25 kPa再灌水至淺水層，循環至收獲前7 d斷水。傳統淹水灌溉：水稻移栽后整個生育期保持淺水層 (1～2 cm)，無效分蘗期夠苗曬田，之后保持淺水層 (觀察到水面接近土壤1 cm時開閘放水，保持淹水狀態)，收獲前7 d斷水。在總施N量150 kg/hm2的基礎上，氮素處理設優化施氮(N1)、傳統施氮(N2) 和不施氮(N0) 三種模式。其氮肥運籌分別為基肥∶蘗肥∶穗肥為3∶3∶4和基肥∶蘗肥∶穗肥為7∶3∶0。基肥在移栽前1 d施用，蘗肥在移栽后7 d施用，穗肥均分為促花肥和保花肥，分別在倒4葉和倒2葉時等量施用。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P 12%)，施用量為75 kg/hm2，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，施用量為150 kg/hm2，磷、鉀肥作底肥一次性施用。

圖1 2019 – 2020年水稻生長季平均氣溫和降水量

Fig. 1. Mean temperature and precipitation during the growth seasons of rice in 2019 and 2020.

前茬為小麥，秸稈還田小區在前作收獲后將麥稈粉碎并全量翻埋還田，還田量約為5000 kg/hm2，秸稈不還田小區在小麥收獲后將秸稈移出。收集部分麥稈，風干后依照還田秸稈粉碎程度剪碎，裝入25 cm×15 cm的40目尼龍網袋中，每袋裝20 g，于水稻移栽后在秸稈還田小區每小區第3行與第7行每行等距取3點埋入裝有秸稈的尼龍網袋，深10 cm，水平放置，埋入時在袋中混入該小區原位土壤以輔助秸稈腐解，每小區共6個。試驗設3次重復，一共18個小區，小區面積13.5 m2，田埂用薄膜包覆，單灌單排，防止串水串肥。育秧方式采用旱育秧，人工移栽行株距為33.3 cm×16.7 cm。其他如病蟲草害防治等措施同當地一般大田水稻生產管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 秸稈氮素釋放率

于水稻移栽后10 d、分蘗盛期、拔節期、拔節后10 d、抽穗期和成熟期分別取出預先埋下的裝有秸稈的尼龍網袋，洗凈烘干后測定剩余秸稈質量，采用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定秸稈樣的全氮含量。計算秸稈氮素釋放率，并將秸稈氮素釋放率隨秸稈還田天數變化的曲線擬合Michaelis- Menten方程，其中0代表秸稈氮素釋放率，代表秸稈還田天數，max值代表最大氮素釋放率，m值代表達到最大氮素釋放率的一半時所需要的天數。

秸稈氮素釋放率(%)=(原始秸稈質量×原始秸稈氮素含量－剩余秸稈質量×剩余秸稈氮素含量)/(原始秸稈質量×原始秸稈氮素含量)×100%。

0=max[]/(m+[])。

1.3.2 植株氮素吸收利用特征

于水稻拔節期、抽穗期和成熟期按平均莖蘗數在各小區選取代表性植株5株，取植株地上部分，分葉、莖鞘、穗(抽穗期和成熟期)各器官在110℃下殺青1 h，在80 ℃下烘干，稱取干物質量，粉碎過80目篩，采用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定各器官的全氮含量。

氮素吸收量(kg/hm2)=該時期地上部干物質量×含氮量；

氮素收獲指數(%)=穗部含氮量/地上部含氮量×100%；

氮-稻谷生產效率(kg/kg)=稻谷產量/成熟期植株氮素吸收總量；

氮肥回收利用率(%)=(施氮區植株總氮素吸收量–無氮區植株總氮素吸收量)/總施氮量× 100%；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區稻谷產量－無氮區稻谷產量)/(施氮區植株總氮素吸收量―無氮區植株總氮素吸收量)；

氮肥農學利用率(kg/kg)=(施氮區稻谷產量－無氮區稻谷產量)/總施氮量；

莖鞘(葉片)氮素轉運量(kg/hm2)=抽穗期莖鞘(葉片)氮素積累量－成熟期莖鞘(葉片)氮素積累量；

莖鞘(葉片)氮素轉運貢獻率(%)=莖鞘(葉片)氮素轉運量/穗部氮素吸收量× 100%。

1.3.3 產量及其構成因素

于水稻成熟期，每小區除邊行外隨機選取20穴，調查有效穗數，然后按平均莖蘗數在各小區除邊行外選取代表性植株5株，考查實粒數、秕粒數、結實率、千粒重等產量構成因素。去除邊行后按實收計產。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016、Origin Pro 2017進行數據處理及繪圖，采用SPSS 25.0進行數據Tukey檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合與秸稈還田對產量及其構成的影響

由表4可知，兩年間產量變化趨勢一致，但產量構成因素之間存在差異。就水分管理而言，對比W1N0S0和W2N0S0，前者提高了有效穗數，增產2.51%～3.77%。就秸稈還田而言，對比W1N0S1和W1N0S0，前者降低了有效穗數但是提高了結實率和千粒重，顯著增產9.62%～18.33%；對比W2N0S1和W2N0S0，前者降低了每穗實粒數和結實率，但是提高了有效穗數，顯著增產11.39%～15.25%。就氮素處理而言，對比W1N1S1、W2N2S1和其不施氮處理，兩種施氮處理均降低了結實率，但是增加了有效穗數，顯著增產16.21%～28.31%；對比W1N1S1和W2N2S1，前者降低了有效穗數，其他產量構成因素在兩年間變化不一，最終前者產量高于后者0.33%～1.61%。

表4 不同水氮耦合協同秸稈還田對水稻產量及其構成因素的影響

數值格式為平均數±標準差，同列數值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達到5%顯著水平(=18,=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。

Mean ± standard deviation. Values flanked by different letters in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=18,=17). W1 and W2 are alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2 are non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0 are straw returning and no-straw returning, respectively.

不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達到5%顯著水平(n=12, df=11)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。T-10d、AS、JS、JS-10d、HS和MS分別為移栽后10 d、分蘗盛期、拔節期、拔節后10 d、抽穗期和成熟期。

Fig. 2. Effects of different water-nitrogen coupling on the nitrogen release rate of wheat straw.

W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。

Fig. 3. Michaelis-Menten equation fitting of straw nitrogen release rate with changing return days.

不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達到5%顯著水平(n=18, df=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。JS、HS和MS分別為拔節期、抽穗期和成熟期。

Fig. 4. Effects of different management patterns of water and fertilizer and straw returning on N accumulation of aboveground part of rice.

以上表明，各處理間產量構成因素除有效穗數有顯著差異外，其余產量構成因素雖然有變化但是差異都不顯著。與W2相比，W1可以通過提高有效穗數來提升產量。秸稈還田在不同水分管理模式下對產量構成因素的影響也不同，在W1下秸稈還田會降低有效穗數，但能通過提高結實率和千粒重來獲得增產；在W2下秸稈還田會降低每穗實粒數與結實率，但是能顯著提高有效穗數來獲得增產。施用氮素可以顯著提高有效穗數，對比W1N1S1與W2N2S1，前者雖然有效穗數低，但是可以通過提高其他的產量構成因素來獲得增產，具體表現為在2019年前者擁有更高的結實率與千粒重，在2020年前者擁有更高的每穗實粒數。

2.2 水氮耦合對秸稈氮素釋放規律的影響

由圖2可知，經過整個水稻季腐解，小麥秸稈累計氮素釋放率為46.04%～53.37%(2019年)和47.26%～58.86%(2020年)。將秸稈氮素釋放率隨秸稈還田天數變化的曲線擬合Michaelis-Menten方程。其中值(0)代表秸稈氮素釋放率，值(S)代表秸稈還田天數，max值代表最大氮素釋放率，m值代表達到最大氮素釋放率的一半時所需要的天數。如圖3所示，擬合結果良好(0.946＞2＞0.993)。

由圖3可知，秸稈還田后0～30 d快速腐解，30 d后腐解速率逐漸放緩。腐解30 d時秸稈氮素釋放率表現為W1N1S1＞W1N0S1＞W2N2S1≈W2N0S1；觀察各方程后半段值，各處理間差異顯著且變化規律相同，可知在緩慢釋放期內秸稈氮素釋放率為W1N1S1＞W1N0S1＞W2N2S1＞W2N0S1。結合圖3與圖2結果可知，在整個秸稈腐解時期均為W1N0S1＞W2N0S1和W1N1S1＞W2N2S1，且W1N1S1一直保持最高。說明W1可以提高秸稈的氮素釋放率，且W1耦合N1可以使秸稈氮素釋放速率達到最高。觀察各方程中m值， W1N1S1為8.861～10.944，W1N0S1為11.542～14.338，W2N2S1為12.946～16.244，W2N0S1為8.311～11.096，W1N1S1＜W2N2S1，說明W1N1S1達到最大氮素釋放率的一半所需要的天數少于W2N2S1。

可見，秸稈還田后0～30 d屬于快速腐解期，30 d后進入緩速腐解期。在N0下，W1可以促進秸稈的氮素釋放。施用氮肥后，W1N1在各時期均能有效促進秸稈的氮素釋放，且其最大氮素釋放率和釋放率增長速度均高于其他處理。

表5 不同水氮耦合協同秸稈還田對水稻氮素轉運及利用的影響

數值格式為平均數±標準差，同列數值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達到5%顯著水平(=18,=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優化施氮模式、傳統施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。NUP為穗氮吸收量；HNI為氮素收獲指數；PRFN為氮-稻谷生產效率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by the Tukey test(=18,=17). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2. Non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively. NUP is nitrogen uptake by panicle. HNI, Nitrogen harvest index. PRFN, Productivity of rice with nitrogen application.

2.3 水氮耦合與秸稈還田對水稻地上部氮素積累的影響

由圖4可知，就水分管理而言，對比W1N0S0和W2N0S0，二者在拔節期的地上部氮素積累量在兩年間存在差異，但在抽穗期和成熟期前者顯著高出后者8.68%～33.92%和4.85%～24.92%，表明W1較W2提高了水稻植株在生育后期的氮素吸收積累能力。就秸稈還田而言，W1N0S1在拔節期、抽穗期和成熟期的地上部氮素積累量比W1N0S0顯著高出9.39%～15.93%、15.93%～19.61%和6.84%～ 15.81%；W2N0S1比W2N0S0高出16.70%～42.02%、5.15%～53.21%和26.90%～28.97%，表明秸稈還田能增強水稻植株拔節后的氮素吸收積累能力。就氮素處理而言，W1N1S1和W2N2S1均顯著高于其N0處理，且前者在拔節期、抽穗期和成熟期分別比后者高出1.17%～2.58%、4.27%～11.89%和2.89%～ 3.24%，表明施用氮肥能顯著提升水稻的氮素吸收量，而W1耦合N1對水稻氮素吸收能力的提升大于W2耦合N2，二者在抽穗期時差異最明顯。

2.4 水氮耦合與秸稈還田對水稻氮素轉運及利用的影響

由表5可知，就水分管理而言，對比W1N0S0和W2N0S0，前者的莖鞘氮素轉運量顯著提升了31.36%～46.06%，貢獻率顯著提升了15.07%～ 54.17%，葉片氮素轉運量和貢獻率增減并存，變化幅度分別為?3.73%～22.85%和?10.81%～29.62%，穗氮吸收量顯著增加了10.73%～16.42%，氮素收獲指數降低了4.71%～9.37%，氮-稻谷生產效率降低了0.23%～21.47%，表明W1可以提高莖鞘氮素轉運能力，也能提高穗部對氮素的吸收，而W2可以提高氮素收獲指數和氮-稻谷生產效率。就秸稈還田而言，W1N0S1的葉片氮素轉運量相比W1N0S0顯著提升了31.12%～69.75%，貢獻率提升了10.32～69.94個百分點，穗氮吸收量提升了4.93%～6.96%；W2N0S1的葉片氮素轉運量相比W2N0S0顯著提升了23.86%～52.29%，貢獻率提升了10.75～35.92個百分點，穗氮吸收量顯著提升了16.18%～43.91%。表明S1可以提高葉片氮素轉運能力和穗部氮素吸收能力。就氮肥運籌而言，增施氮肥后W1N1S1和W2N2S1的莖鞘及葉片氮素轉運量、貢獻率、穗氮吸收量均顯著高于其他處理，表明施氮對水稻的氮素吸收、轉運、積累能力提升效果顯著；前者的莖鞘氮素轉運量和貢獻率分別顯著高于后者23.21%～41.28%和21.87%～26.67%，葉片氮素轉運量和貢獻率分別顯著高于后者17.53%～47.49%和7.39%～38.14%，穗氮吸收量高于后者0.7%～ 14.24%，氮素收獲指數也高于后者0.19%～10.92%，但是氮-稻谷生產效率低于后者0.57%～3.12%，表明W1N1S1能更有效地促進水稻從抽穗期到成熟期時氮素向穗部的轉運過程，但是因為其地上部積累氮素過多，反而導致了氮-稻谷生產效率的下降。除此之外，W1N1S1和W2N2S1的氮-稻谷生產效率也顯著低于其他N0處理和S0處理，表明隨著土壤中氮素含量的增加，水稻根系對氮素吸收速率的提升要快于穗部對氮素積累速率的提升。

由表6可知， W1N1S1的氮肥回收利用率比W2N2S1提高了7.27%～26.06%，但是氮肥生理利用率降低了19.86～23.65個百分點，氮肥農學利用率兩年間存在差異。表明W1N1S1可以更有效地促進水稻植株在生育期內對氮素營養的吸收積累；W2N2S1對氮素的吸收量雖然不及前者，但是對氮素的利用效率更高。

表6 不同水氮耦合協同秸稈還田對水稻氮素利用的影響

數值格式為平均數±標準差，同列數值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達到5%顯著水平(=6,=5)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N1和N2分別為優化施氮模式、傳統施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。NUE為氮肥回收利用率；NPE為氮肥生理利用率；NAE為氮肥農學利用率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=6,=5). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation. N1 and N2, Optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model. S1, Straw returning. NUE, Nitrogen use efficiency. NPE, Nitrogen physiological efficiency. NAE, Nitrogen agronomic efficiency.

3 討論

3.1 不同水氮耦合協同秸稈還田對水稻產量及其構成的影響

干濕交替灌溉是我國目前應用最為廣泛的節水灌溉技術。徐國偉等[21]在不同水氮耦合對水稻產量的影響研究中發現，干濕交替灌溉與淹水灌溉相比，平均增產2.74%。在輕干濕交替灌溉耦合中氮施肥水平下，氮肥農學利用率最高，達18.3 kg/kg。Zhang等[22]研究表明，施用氮肥后秸稈還田的產量較秸稈不還田平均增產2.49%。秸稈還田配合氮肥施用可以提高土壤養分供給能力，對作物產量有明顯提高。嚴奉君等[23]研究發現在不同氮肥運籌模式下，秸稈還田能增產6.5%～9.4%，且秸稈還田對水稻有效穗數、每穗粒數與千粒重有一定的調節作用。

本研究結果顯示，干濕交替灌溉可以提高有效穗數，使水稻增產2.51%～3.77%。秸稈還田在不同水分管理模式下對水稻產量構成因素的影響各有不同，在干濕交替灌溉下秸稈還田提高了結實率和千粒重，增產9.62%～18.33%；在淹水灌溉下秸稈還田提高了有效穗數，增產11.39%～15.25%；且秸稈還田后干濕交替灌溉的產量高于淹水灌溉0.87% ～6.54%。對比干濕交替灌溉耦合優化施氮模式和淹水灌溉耦合傳統施氮模式，后者擁有更高的有效穗數，表明提高基蘗肥比例有明顯的增穗效應，與王建明等[24]研究結果相符，但是前者的最終產量高于后者0.33%～1.61%。兩年試驗結果顯示，產量均為W1N1S1＞W2N2S1＞W1N0S1＞W2N0S1＞W1N0S0＞W0N0S0。不同年份的水稻產量構成因素有差異，2020年水稻結實率整體較低，可能是由于2020年8、9月份水稻灌漿結實期降雨量大、排水不及時，導致農田濕漬害加重，結實率降低，但其每穗實粒數和有效穗數出現補償性生長，故其產量變化不大。從節水與增產目的出發，在秸稈還田條件下干濕交替灌溉耦合優化施氮模式是本研究中最好的水氮耦合模式。

3.2 不同水氮耦合下秸稈氮素釋放率的差異

眾多學者[25,26]研究表明，作物秸稈還田后在微生物作用下逐步發生腐解，釋放出礦質營養元素，其養分含量和腐解過程會受到秸稈品種類型、土壤理化性質和還田方式等多種因素影響，養分釋放趨勢為隨腐解時間增加而升高并趨于穩定。李廷亮等[27]經統計分析發現，不同作物秸稈的氮素當季釋放率為50%～60%，小麥秸稈的氮素釋放率平均為51.4%。

本研究結果表明，小麥秸稈還田30 d時，氮素釋放率達38.85%～44.83%，水稻全生育期氮素釋放率為46.06%～58.86%。小麥秸稈在翻埋還田一個月內為快速腐解期，后進入緩慢腐解期。干濕交替灌溉下秸稈氮素釋放率優于淹水灌溉，這可能是由于秸稈中的木質素、纖維素等組分需在有氧條件下進行氧化、脫甲基、脫羧等一系列反應，而干濕交替灌溉可以提高土壤氧含量，更有利于秸稈腐解。干濕交替灌溉耦合優化施氮模式的秸稈氮素釋放率為所有處理中最高，增速也最快，且在拔節期和拔節后10 d與其他處理的差異最顯著，這可能是因為該時期進行曬田處理，導致田面水層落空時間長，土層氧氣含量充足并且溫度上升，好氧微生物活性提高并促進了秸稈腐解。可見干濕交替灌溉耦合優化施氮模式為秸稈還田下的最適水氮耦合模式。

在水稻生育后期，部分處理下的秸稈氮素釋放率出現負增長，前人研究中也出現了類似現象[28-30]。其原因可能是施用保花肥后土壤中有未被根系吸收的多余氮素富集，而成熟期水稻對土壤中氮素營養的需求減弱，富余的游離氮素沉降到尼龍網袋內被秸稈殘渣吸附積累，導致尼龍網袋內測量出的剩余秸稈氮素含量偏高；也可能是由于供試秸稈形態各異，越細小的秸稈擁有的比表面積越大，越容易與土壤環境中的微生物和酶接觸，在釋放等量養分的情況下其質量降低較少，導致秸稈氮素釋放率計算值偏低。

3.3 不同水氮耦合協同秸稈還田下水稻氮素吸收利用特征

水稻的氮素吸收與利用是產量形成的關鍵因素。除了不同種類的水稻有各自的氮素吸收利用特征外，水分管理、氮肥運籌、秸稈還田等田間管理措施也是水稻氮素吸收利用的重要影響因素。李曉峰等[31]提出，氮素吸收利用率的變化幅度與氮肥運籌密切相關，在氮肥運籌7∶3的情況下秸稈還田處理的氮素積累量與利用率提高幅度最大；王建明等[24]也認為，秸稈還田條件下水稻氮素吸收量隨著基蘗肥與穗肥比例的提高而提高；van Asten[32]等研究表明，秸稈還田能夠通過自身氮素分解固氮與增加外源氮素的固定量來提高氮肥利用率。

本研究結果顯示，干濕交替灌溉可以提高莖鞘氮素轉運能力和穗部氮素吸收能力，但是淹水灌溉下氮素收獲指數和氮-稻谷生產效率更高，這意味著淹水灌溉下的水稻地上部缺乏氮素營養，植株的氮素吸收積累能力弱于干濕交替灌溉。秸稈還田可以提高葉片氮素轉運能力和穗部氮素吸收能力。施用氮肥對水稻的莖鞘氮素轉運能力、葉片氮素轉運能力和穗部氮素吸收能力都有顯著提升。對比干濕交替灌溉耦合優化施氮模式和淹水灌溉耦合傳統施氮模式，前者的莖鞘及葉片氮素轉運能力都有顯著提高，2020年的穗氮吸收量和氮素收獲指數也有顯著提高。Liang等[33]認為，干濕交替灌溉可以減少農田氮素的徑流損失。本研究也表明，干濕交替灌溉耦合優化施氮模式可提高土壤中氮素的利用效率，并通過在生育中后期進行適當的氮素補給來提高水稻對氮素的吸收效率和莖葉對氮素的轉運利用能力，并促進氮素向穗部的轉移積累，以此達到高產。但是干濕交替灌溉耦合優化施氮模式的氮-稻谷生產效率低于淹水灌溉耦合傳統施氮模式且二者都顯著低于其他處理，說明隨著土壤中氮素含量的增加，根系對氮素吸收速率的提升快于穗部對氮素積累速率的提升，導致水稻將單位氮素營養轉化為稻谷產量的能力下降，但是從經濟收益上來看，秸稈還田和正確施用氮肥對水稻產量帶來的增產正效應要高于氮素轉化能力下降帶來的負效應。

本研究中干濕交替灌溉耦合優化施氮模式的氮肥回收利用率更高，而淹水灌溉耦合傳統施氮模式的氮肥生理利用率更高。表明干濕交替灌溉耦合優化施氮模式有利于增加水稻對氮素的吸收同化能力；而淹水灌溉耦合傳統施氮模式對水稻的氮素吸收能力提升雖然不及前者，但是該模式下水稻對單位氮素的利用效率更高，可以將同等量的氮素營養轉化為更多的稻谷產量。

4 結論

在麥稈還田條件下，干濕交替灌溉耦合優化施氮模式與淹水灌溉耦合傳統施氮模式相比，前者各時期的秸稈氮素釋放率均為最高，并促進了水稻地上部氮素積累，提高了莖鞘和葉片的氮素轉運利用能力，提升了穗氮吸收量，在略微增產的基礎上提高了氮肥回收利用率與水分利用效率。綜合來看，在水分管理、秸稈還田和氮素處理三方面協同作用下，干濕交替灌溉耦合優化施氮模式是本研究中針對成都平原地區麥茬雜交稻產量及水氮利用效率協同提高的最適水肥耦合模式。

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Effects of Water-nitrogen Coupling on Nitrogen Uptake, Utilization and Yield of Rice Under Wheat Straw Returning

ZHANG Yujie, WANG Zhiqiang, MA Peng, YANG Zhiyuan, SUN Yongjian, MA Jun*

(Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University/Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Wenjiang 611130, China; Corresponding author, E-mail: majunp2002@163.com)

【Objective】It is of significance to study the effects of different water and nitrogen coupling on nitrogen absorption, utilization and yield ofhybrid rice with wheat straw returning.【Method】The nitrogen decomposition rate, nitrogen absorption and utilization were analyzed under two water treatments, three N treatments and two straw returning treatments with F You 498 as material with wheat straw returning at main growth stages. The two water treatments were alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation and the straw returning treatments were full-burying returning and no straw returning and the N treatments were 150 kg/hm2of N application rates with three N regimes—the ratio of the basal fertilizer, tillering fertilizer and panicle fertilizer were 3∶3∶4 (N1), 7∶3∶0 (N2) and 0 (N0), respectively.【Result】The results showed that the alternative dry-wet irrigation promoted the release of straw nitrogen, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice after jointing by 4.85%－33.92%, improved the nitrogen transport capacity of stem and sheath at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 10.73%－16.42%, finally leading to an increase in the number of effective panicles and grain yield by 2.51%－3.77%. Straw returning (S1) released nitrogen nutrition, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 5.15%－53.21% and the nitrogen transport capacity of leaves at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 4.93%－43.91%, and finally increased the yield by 9.62%－18.33%. Nitrogen application promoted the release of straw nutrients and improved the nitrogen absorption and transport capacity of rice plants, increased the number of effective panicles and significantly increased the yield by 16.21%－28.31%. Compared with the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application (N1) mode, the flooding irrigation coupled with traditional nitrogen application (N2) mode promoted the release of straw nutrients, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 1.17%－11.89%. It improved the aboveground nitrogen accumulation capacity and nitrogen transport capacity of stems, sheaths and leaves, and significantly improved the nitrogen recovery and utilization rate by 7.27%－26.06%.【Conclusion】Under the conditions of full burying of wheat straw and returning to the field, the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application can promote the release of straw nitrogen, effectively improve the nitrogen accumulation and utilization capacity of rice, and improve the nitrogen recovery and utilization rate and water use efficiency. It is the most suitable water-fertilizer coupling model in this experiment.

hybrid rice; straw returning; water-nitrogen coupling; nitrogen use efficiency; yield

10.16819/j.1001-7216.2022.210803

2021-08-09；

2022-01-25。

國家重點研發計劃資助項目(2017YFD0301701, 2017YFD0301706)；四川省科技支撐計劃項目資助(2016NYZ0051)。