秸稈還田與深施氮肥對水稻葉片生理特征、氮素利用及產量的影響

王興為 王志成

（1濮陽職業技術學院，河南濮陽457000；2 武漢理工大學馬克思主義學院，武漢430070 ；第一作者：wangxingwei2022@163.com）

氮（N）是生命體必需的礦質養分之一，在植物蛋白質、核酸等遺傳物質和代謝化合物相關的生理代謝等過程中發揮不可替代的作用[1]。在水稻生產上，產量的提高與氮肥施用息息相關。但目前，氮肥的不適當施用帶來的負面影響日趨嚴重，是導致氮肥利用效率下降、溫室效應加重、水體富營養化以及農田面源污染等的重要因素，因此，優化施肥技術是農業可持續性發展的關鍵[2]。為了提高作物氮肥利用率，前人提出了作物育種、緩釋控釋技術以及微生物應用等多種策略，并取得了一定成效[3]。研究表明，保持適宜的施肥深度比常規覆土施肥具有更高的養分利用率和收獲指數[4]。與表面撒施施肥方式相比，深層施肥可以通過減少氮損失來提高氮肥利用效率[5]，還可以提高根系酶代謝活性和作物產量[6]。

中國有著豐富的作物秸稈資源，20 世紀90年代以前，國內通常將作物秸稈作為燃料和牲畜飼料，但21 世紀以來秸稈的資源化利用顯著減少，隨意堆放或原田焚燒成為農作物秸稈處理的普遍作法[7]，這導致了區域空氣污染、溫室氣體排放和周邊火災的發生。秸稈是植物養分累積較多的器官之一。有研究表明，秸稈還田是提高稻-麥輪作系統作物產量和有機碳固存的有效措施[8]。KU 等[9]研究顯示，長期秸稈還田可使水稻產量增加9%。這可能與秸稈中含有大量的養分元素，可供給土壤微生物繁殖，從而顯著優化土壤團聚體結構及提高土壤脲酶和相關轉化酶活性有關[10]。

水稻是全球重要的糧食作物之一，促進水稻資源化生產對于保障糧食安全至關重要。目前關于秸稈還田或深施肥料對水稻生產的影響展開了一定的研究工作，發現秸稈分解釋放可以改變土壤的化學性質和養分狀態，且秸稈還田配合化肥施用可以促進纖維分解，從而使秸稈資源利用最大化[11]。深施氮肥結合秸稈覆蓋可改善水稻根際的營養效率和調節其根系構型，優良的水稻根系形態可有效促進水稻根系生長，促進養分吸收和物質合成[10,12]。然而關于秸稈還田與深施氮肥組配措施對河南水稻生產的影響鮮有報道。基于此，本研究探索了深施氮肥與秸稈還田對水稻籽粒產量、氮素利用及相關葉片生理特征的影響，以有助于優化氮肥利用技術和秸稈的處置。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗于2020年5—10 月在濮陽市天灌米業水稻試驗園區（35°42′16″N，114°47′39″E）進行。試驗園區屬亞熱帶與暖溫帶過渡區，年均氣溫16.7 ℃～18.5 ℃，無霜期約230 d，年均降雨量950～1 300 mm。供試田塊土壤為黃褐土，前茬水稻。田塊0～20 cm 土壤理化性質為：pH 7.94，容重1.85 g/cm3，有機質1.65%，堿解氮107.34 mg/kg，速效磷26.16 mg/kg，速效鉀114.72 mg/kg。

供試材料為河南省目前推廣的優良常規粳稻品種徐稻10 號和新豐7 號，種子均來自河南豐源種子有限公司。作物秸稈為水稻秸稈，為該試驗區收獲的水稻秸稈，采用機械切割為長8 cm 左右的小段。試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗設計

試驗采用三因素完全隨機區組設計：因素1，氮肥深施或土壤表面撒施；因素2，秸稈還田或不還田；因素3，徐稻10 號或新豐7 號。即在徐稻10 號、新豐7 號中設置5 個處理：DS，深施氮肥+秸稈還田；OS，氮肥土壤表面撒施+秸稈還田；DU，深施氮肥+秸稈不還田；OU，氮肥土壤表面撒施+秸稈不還田；CK，不施氮肥+秸稈不還田。其中，氮肥深施處理為用雙印牌玉米免耕深松全層施肥精播機（2BYFSF-3，河北雙印農業機械制造有限公司）將尿素準確施用于8 cm 土層處，秸稈還田處理用量為7 500 kg/hm2。各處理3 次重復，共30 個小區。

供試田塊為長方形，每個小區面積48 m2（8 m×6 m），小區間采用30 cm 寬的壟脊攔隔，并用白色塑料薄膜覆蓋，以確保小區水層獨立排灌。移栽前用旋耕機對試驗田進行翻耕，深度為20 cm。施氮處理純氮用量150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=10∶5∶12，磷鉀肥皆采用土表撒施，鉀肥50%基施，50%于抽穗期施。CK 不施氮肥，磷、鉀肥用量同上。2020年5 月11 日移栽秧苗，每叢插3株苗，種植密度45 000 株/hm2。田間病蟲害管理同當地水稻大田生產。

1.3 樣品采集及測定

于成熟期收獲水稻植株，將水稻根系、莖稈、葉部、籽粒分離，置于烘箱105 ℃下殺青30 min 使酶失活，70℃烘干至恒質量，將各部位粉碎過0.25 mm 篩孔，采用HNO3-H2SO4消化后用Bran Luebbe 連續流分析儀測定。

在每個小區中心收獲2 m×2 m 谷物，室內風干后考種，記錄單株穗粒數、千粒重及結實率等產量構成因子；14%水分含量時用電子天平稱重并記錄水稻籽粒質量，后折算成單位面積產量[13]。

于抽穗期收獲葉片保存于-20 ℃條件下，后用購自南京建成生物工程研究所的試劑盒測定劍葉谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、硝酸還原酶（NR）、谷氨酸脫氫酶（GDH）活性，試劑盒型號分別是A047-1-1、H625、A096-1-2 和A125-1-1。

于抽穗期晴天上午采用LI-6200 便攜式光合儀測定劍葉的凈光合速率（Pn），測定內室溫度設置為24 ℃±1 ℃，CO2濃度為450 μmol/mol，光量子密度為1 600 μmol/（m2·s）。采用葉綠素熒光系統測量劍葉的PSII 有效量子效率（Eq）。Eq=（Fm′-Fo′）/Fm′，式中Fm′為自然光照條件下的最大熒光參數，Fo′為自然光照下的最小熒光參數。

1.4 數據處理

氮素利用效率相關指標根據以下公式計算[14]：

植株氮素總吸收量（kg/hm2）=∑植株各器官干物質量×氮養分含量；

氮肥利用率=（施氮處理植株氮總吸收量-不施氮處理植株氮總吸收量）/施氮量×100%；

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮處理籽粒產量/施氮量；

氮素收獲指數（%）=籽粒氮素積累量/整株氮素積累量×100%；

氮素吸收效率（kg/kg）=植株地上部分氮素積累量/施氮量；

氮肥農學效率（kg/kg）=（施氮處理籽粒產量-不施氮處理籽粒產量）/施氮量。

采用Excel 2013 進行數據整理，采用SPSS 22.0 軟件進行三因素方差分析和最小顯著差法（LSD）統計分析（P＜0.05），采用Origin 2019 軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田與深施氮肥對水稻干物質累積影響

由圖1 可知，氮肥深施及秸稈還田均在一定程度上促進了水稻干物質累積。從品種上看，各處理間干物質累積量均是徐稻10 號大于新豐7 號，但品種間差異較小；就水稻各器官干物質累積量來看，表現為穗＞莖稈＞根系＞葉部，其中葉部約僅為穗的1/5。不論是徐稻10 號還是新豐7 號，各處理整株干物質累積量表現為DS＞DU＞OS＞OU＞CK，DS 處理顯著大于其他處理，CK顯著低于其他處理。其中，徐稻10 號DS 處理植株干物質總累積量較DU 處理顯著增加12.42%，OS 處理較OU 處理顯著增加10.99%，新豐7 號DS 處理植株干物質總累積量較DU 處理顯著增加10.14%，OS 處理較OU 處理顯著增加18.95%。表明氮肥深施對水稻干物質累積具有促進作用，且與秸稈還田配施效果更佳。

圖1 秸稈還田與深施氮肥對水稻干物質累積影響

2.2 秸稈還田與深施氮肥對水稻凈光合作用及PSII量子效率的影響

由圖2a 可知，無論是徐稻10 號還是新豐7 號，各處理凈光合速率（Pn）均表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK，CK 顯著低于其他處理，DS 處理顯著大于OU 處理和CK。其中，與OU 處理相比，徐稻10 號DU、OS 和DS 處理的Pn 提高24.08%～43.53%，新豐7 號提高18.17%～47.81%。由圖2b 可知，兩品種各處理PSII 有效量子效率（Eq）均表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK。與OU 處理相比，徐稻10 號DS、OS、DU 處理Eq 分別提高2.35%、1.38%和0.10%，但處理間差異均不顯著；新豐7 號DS、OS、DU 處理Eq 分別提高9.20%、6.97%和1.89%，其中，DS 和OS 處理顯著大于DU 和OU 處理。

圖2 秸稈還田與深施氮肥對水稻凈光合作用及PSII 量子效率的影響

2.3 秸稈還田與深施氮肥對水稻劍葉氮代謝酶活性的影響

由圖3 可知，無論是徐稻10 號還是新豐7 號，籽粒灌漿期劍葉的谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、硝酸還原酶（NR）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性均表現為DS、DU＞OS＞OU＞CK，除新豐7 號GDH 活性外，其他酶活性均表現為CK 顯著小于施氮處理；與OU 處理相比，徐稻10 號、新豐7 號的DS 處理GS 活性分別顯著提高25.04%和1.92%，GOGAT 活性分別顯著提高45.18%和16.40%，NR 活性分別顯著提高34.17%和59.75%，GDH 活性分別提高44.70%和12.50%。

圖3 秸稈還田與深施氮肥對水稻劍葉氮代謝酶活性的影響

2.4 秸稈還田與深施氮肥對水稻氮素累積與分布的影響

由表1 可知，氮肥施入深度與秸稈是否還田均影響著水稻各部位植株的氮累積與分布。徐稻10 號、新豐7 號各器官氮累積整體表現為葉部＜根系＜莖稈＜籽粒，表明氮素更傾向累積于籽粒，徐稻10 號、新豐7 號籽粒氮含量分別占總累積量的59.98%～63.10%和58.43%～64.38%。在根系中的氮累積量，徐稻10 號表現為DS＞DU＞OS＞OU＞CK，新豐7 號表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK；在莖稈、葉部及籽粒中的氮累積量兩品種均表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK。就整株氮累積量而言，徐稻10 號、新豐7 號DS 處理分別為116.51 kg/hm2和113.73 kg/hm2，與DS 處理相比，徐稻10 號CK、OS、DU和OD 處理分別顯著降低76.64%、14.69%、20.14%和23.06%，新豐7 號分別顯著降低43.95%、12.20%、18.27%和22.77%。方差分析表明，品種與施氮深度在葉部、籽粒及總累積量中存在交互作用，而施氮深度與秸稈還田在根系、莖稈及葉部存在交互作用。

表1 秸稈還田與深施氮肥對水稻氮素累積與分布的影響（單位：kg/hm2）

2.5 秸稈還田與深施氮肥對水稻產量及其構成因子的影響

由表2 可知，徐稻10 號、新豐7 號中的產量及其構成因子存在一定差異，但各處理規律基本一致。有效穗數，兩品種均表現為DS＞DU＞OS＞OU＞CK，其中DS處理顯著大于CK、OU、OS 處理。每穗總粒數，兩品種均以CK 最大，但各處理間無顯著差異。結實率，徐稻10 號表現為OS＞CK＞DS＞DU＞OU，新豐7 號表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK，但各處理間無顯著差異。千粒重，徐稻10 號表現為OS＞CK＞OU＞DS＞DU，DU、DS 處理顯著低于其他處理，其他處理比OS 處理顯著降低2.05%～4.81%；新豐7 號表現為OS＞DU＞OU＞DS＞CK，CK 顯著小于OS、DU、OU 處理。籽粒產量，徐稻10 號表現為DS＞DU＞OS＞OU＞CK，新豐7 號表現為DS＞OS＞DU＞OU＞CK，其中，與DS 處理相比，徐稻10 號的CK、OS、DU 和OU 處理分別顯著降低40.17%、23.04%、10.38%和31.87%，新豐7 號分別顯著降低44.17%、9.32%、10.66%和31.34%。

表2 秸稈還田與深施氮肥對水稻產量及其構成因子的影響

2.6 秸稈還田與深施氮肥對水稻氮素利用的影響

由表3 可知，氮收獲指數，徐稻10 號各處理表現為DS＞DU＞OS＞OU，DS 處理顯著高于OU、OS、DU 處理；新豐7 號各處理則表現為OS＞DS＞DU＞OU，DU 和OU 處理比DS 處理顯著降低1.94%～2.70%。氮肥利用率、氮肥偏生產力、氮吸收效率及氮肥農學效率兩品種均以DS 處理最大，OU 處理最低。與DS 處理相比，徐稻10 號OS、DU、OU 處理的氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力和氮吸收效率分別顯著降低32.87%～53.16%、25.85%%～77.89%、10.38%～31.88%和14.71%～25%，新豐7 號分別顯著降低27.76%～51.80%、21.08%～70.96%、9.32%～31.34%和13.64%～24.24%。方差分析表明，各處理的氮肥偏生產力、氮吸收效率在品種與施氮深度、施氮深度與秸稈還田存在顯著或極顯著交互作用，氮肥利用率、氮肥農學效率在品種與秸稈還田中存在顯著交互作用。

表3 秸稈還田與深施氮肥對水稻氮素利用的影響

3 討論與結論

作物秸稈還田、氮肥適當深施處理已成為減少氮損失及促進農田可持續發展的重要措施[15]。研究表明，秸稈還田與化肥土表撒施結合可以顯著提高稻-麥作物產量[16]。KAMINI 等[17]研究表明，長期施用作物秸稈和施鋅可以提高小麥產量并改善土壤容重、團粒結構及水穩定性等物理性質。王新媛等[18]報道，在小麥-玉米輪作區中，秸稈還田配施高氮肥能增加小麥產量和地上部吸氮量，同時可增加土壤硝態氮殘留量和氮盈余量。本研究中，秸稈還田、氮肥深施均在一定程度提高了水稻籽粒產量及其相關產量因子。然而，本文研究結果與一些研究結論不一致，例如SUN 等[19]研究顯示，秸稈還田配施尿素對水稻產量和氮素利用率無明顯效果。本研究結果表明，秸稈還田結合深施氮肥處理（DS）可以顯著提高水稻產量，這主要在于提高了水稻有效穗數和粒質量。

本研究中，相比OS、DU 和OU 處理，DS 具有更高的地上部和總干物質量，在籽粒灌漿期葉片具有更高的NR、GS 等相關氮代謝酶活性（圖3），葉片較高的氮素酶代謝能力是保障籽粒結實率和粒質量的重要前提。此外，本研究進一步表明，DS 處理水稻抽穗期劍葉亦具有較高的Pn 及Eq（圖2）。對于不同的施肥方式，深施氮肥的處理水稻葉片光合生理整體優于氮肥土表撒施處理，結合產量數據，與REA 等[20]凈光合速率、PSII 光反應中心的有效量子數量與水稻的生長和產量有關的研究結果及吳龍龍等[21]較高的Pn 可以促進水稻生長、較高的Eq 有利于產量和品質形成的結果相似。

本研究中秸稈還田或深施氮肥均顯著影響了水稻氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮吸收效率以及氮收獲指數，OS 處理的氮肥利用率、氮吸收效率以及氮收獲指數仍高于DU 處理（僅深施氮肥）（表3）。這可能是因為深施氮肥可以減緩氨的揮發[16,22-23]，而秸稈還田則可顯著增加土壤中的總氮濃度，促進作物氮吸收，減少土壤NO3--N 的溶淋[24]。前人研究表明，由于秸稈中存在一定量養分，可促進土壤微生物氮代謝，從而提高土壤氮活化和氮肥利用率[25]。本研究中，DS 處理顯著提高了水稻植株氮素累積量（表1）及相關氮利用指標（表3），整體高于單一秸稈還田或單一氮肥深施處理，這與相關研究結果趨于一致[26]。綜上，秸稈還田結合深施氮肥可促進葉片光合生理及酶活代謝能力，促進水稻生長及氮素累積，從而提高氮素利用率及水稻產量。