多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產(chǎn)量形成與氮素吸收利用的影響

胡明明 丁 峰 彭志蕓 向開宏 李 郁 張宇杰 楊志遠(yuǎn) 孫永健 馬 均

多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產(chǎn)量形成與氮素吸收利用的影響

胡明明 丁 峰 彭志蕓 向開宏 李 郁 張宇杰 楊志遠(yuǎn) 孫永健 馬 均*

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所 / 作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 611130

研究多元化種植模式下, 不同前茬秸稈還田與水氮管理對水稻產(chǎn)量形成、干物質(zhì)積累分配及氮素吸收利用的影響。2018—2019年以雜交稻F優(yōu)498為材料, 采用三因素裂裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)設(shè)置油菜-水稻(Py)、小麥-水稻(Px)、青菜-水稻(Pq) 3種種植模式秸稈還田, 裂區(qū)設(shè)置常規(guī)淹水灌溉(W0)和干濕交替灌溉(W1) 2種水分管理方式, 裂裂區(qū)設(shè)置不施氮處理(N0)、常規(guī)施氮處理(N1)、精量減氮處理(N2) 3個(gè)施氮水平, 分析測定了拔節(jié)期、齊穗期和成熟期不同處理下秸稈還田的腐解率、氮素釋放率、水稻各器官的干物質(zhì)積累分配、植株氮素吸收利用以及籽粒產(chǎn)量。結(jié)果表明, Py的平均產(chǎn)量分別較Px、Pq增加2.55%、13.99%, 主要原因是其有效穗數(shù)和千粒重較高; Py可促進(jìn)各營養(yǎng)器官干物質(zhì)和氮素積累, 有利于干物質(zhì)分配、提高莖鞘氮素貢獻(xiàn)率和氮肥利用率, Py各時(shí)期的平均干物質(zhì)積累總量、氮素積累總量分別比Px和Pq增加5.25%、7.48%和14.60%、17.30%, Py的氮肥偏生產(chǎn)力較Pq顯著增加24.90%, 但Py的秸稈腐解率和氮素釋放率較低。3種模式下W1處理的水稻產(chǎn)量分別比W0處理增加5.10% (Py)、1.76% (Px)和4.80% (Pq), W1處理可促進(jìn)秸稈腐解和氮素釋放, 促進(jìn)干物質(zhì)積累和氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn), 有利于Py和Px模式下的干物質(zhì)分配, 進(jìn)而提高氮肥利用率。同一秸稈還田和水分管理下, N2處理可促進(jìn)秸稈腐解和氮素釋放, 有利于干物質(zhì)分配和氮素轉(zhuǎn)運(yùn), 提高了齊穗期、成熟期莖鞘和葉片氮素積累量, 進(jìn)而提高氮肥利用率, N2處理的產(chǎn)量、干物質(zhì)積累量較N1處理略有下降, 但二者差異不顯著。綜合考慮分析, 油-稻種植模式下, 油菜秸稈還田配合干濕交替灌溉與精量減氮(120 kg hm–2)有利于干物質(zhì)積累分配、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn), 進(jìn)而提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力, 并可節(jié)約20%氮肥投入, 實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。

水稻; 多元化種植模式; 秸稈還田; 水氮管理; 產(chǎn)量形成; 氮素吸收利用

多元化種植模式是中國稻田重要的種植體系, 具有提高土地利用率, 保證糧食安全等優(yōu)點(diǎn), 其中油菜-水稻、小麥-水稻、青菜-水稻是中國常見的種植方式[1-2]。每到收獲時(shí)節(jié), 這幾種作物的秸稈也大量產(chǎn)生, 農(nóng)戶隨地丟棄或焚燒, 導(dǎo)致秸稈利用率相對較低, 并加重了環(huán)境污染[3-4]。秸稈還田是利用秸稈的有效途徑之一, 秸稈中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和中、微量元素, 秸稈還田后不僅能培肥地力、蓄水保墑, 還能促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用和降低施肥量[5-7]。實(shí)際生產(chǎn)中, 灌溉用水和氮肥投入是水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要限制因素, 但在水稻生產(chǎn)中存在水肥投入量大和利用率低的突出現(xiàn)象[8-9]。因此, 如何在多元化種植模式下, 將前茬作物秸稈還田與水氮管理綜合考慮, 在適當(dāng)減少水分用量的同時(shí), 根據(jù)土壤供氮量進(jìn)行精量減氮, 對于同步提高水稻產(chǎn)量和水肥利用效率至關(guān)重要。

前人關(guān)于秸稈還田、水分管理和施氮量對水稻產(chǎn)量、氮素吸收利用的影響做了相關(guān)研究。張斯梅等[10]研究發(fā)現(xiàn), 麥秸全量還田下, 較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥(300 kg hm–2)減氮20%配合氮肥前移, 有利于提高水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力, 促進(jìn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。張剛等[11]認(rèn)為, 秸稈還田配施氮肥(240 kg hm–2)能夠提高氮肥利用率, 增加產(chǎn)量, 降低氮肥損失, 秸稈還田較無秸稈還田增加氮肥農(nóng)學(xué)利用率1.4～3.4 kg kg–1, 而增加施氮量將降低氮肥農(nóng)學(xué)利用率的趨勢。吳宗釗等[12]研究表明, 輕干濕交替灌溉(66.7%)配施氮肥(180 kg hm–2)時(shí)水氮耦合效應(yīng)最佳, 適當(dāng)水分脅迫仍能獲得高產(chǎn), 并保持較高的氮肥利用效率。張宇杰等[13]揭示, 麥稈全量還田下, 干濕交替灌溉配合氮肥運(yùn)籌(基肥∶蘗肥∶穗肥=3∶3∶4)能夠促進(jìn)水稻主要生育時(shí)期秸稈氮素釋放, 提高地上部氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)能力, 提高氮肥回收利用率與水分利用率。目前, 前人研究多集中在單一類型秸稈還田或水氮耦合上, 忽略了多元化種植模式下, 前茬氮素投入在秸稈和土壤中殘留差異較大, 未能根據(jù)土壤供氮量進(jìn)行精確定氮, 且多元種植模式下秸稈還田、水分管理和施氮量間的交互作用對水稻干物質(zhì)積累分配、氮素吸收利用及產(chǎn)量形成的研究還不足。因此, 本試驗(yàn)以F優(yōu)498為材料, 在油菜-水稻、小麥- 水稻、青菜-水稻3種種植模式前茬秸稈還田下, 設(shè)置常規(guī)淹水灌溉和干濕交替灌溉, 常規(guī)施氮和精量減氮處理, 研究多因素共同作用對秸稈腐解率、氮素釋放率、水稻干物質(zhì)積累分配、氮素吸收利用和產(chǎn)量形成的影響, 以期為多元化種植體系秸稈還田利用與稻季水氮高效管理模式提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩NF優(yōu)498 (秈型三系雜交稻, 全生育期145～152 d)。于2018—2019年在四川省成都市崇州四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗(yàn)田進(jìn)行(30°42′N, 103°28′E)。試驗(yàn)地點(diǎn)為亞熱帶季風(fēng)氣候, 水稻季試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)由四川省氣象局提供, 氣象資料如圖1所示。耕層土壤(0～20 cm)質(zhì)地為沙壤土, 土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用三因素裂裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)設(shè)置3種種植模式秸稈還田: 油菜-水稻模式(Py), 油菜秸稈全量還田(6500 kg hm–2); 小麥-水稻模式(Px), 小麥秸稈全量還田(5000 kg hm–2); 青菜-水稻模式(Pq), 青菜殘留物全量還田(1000 kg hm–2)。裂區(qū)為2種水分管理方式, 設(shè)常規(guī)淹水灌溉(W0)和干濕交替灌溉(W1)。裂裂區(qū)設(shè)置3個(gè)施氮水平: 不施氮(N0: 0 kg hm–2); 常規(guī)施氮(N1: 150 kg hm–2); 精量減氮施肥(N2: 根據(jù)土壤供氮量以及氮肥當(dāng)季利用率減氮施肥)。

定氮公式[14]: 達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量的施氮量(kg hm–2) = (達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量的需氮量?土壤供氮量)/氮肥當(dāng)季利用率。

具體數(shù)據(jù)參考該田塊之前研究[15], 目標(biāo)產(chǎn)量10,000 kg hm–2, 每100 kg稻谷需氮量為1.83 kg, 土壤供氮量106.1 kg hm–2, 氮肥利用率為47.1%, 算得所需氮肥為165 kg hm–2, Py、Px、Pq下還田氮素分別45、25和20 kg hm–2, 最終算得Py、Px、Pq下N2施氮量分別為120、140和145 kg hm–2。

圖1 2018–2019年試驗(yàn)區(qū)水稻生育期平均氣溫和降雨量

表1 土壤基本理化性狀

2年均采用旱育秧, 2018年于3月18日播種, 5月19日移栽; 2019年于3月24日播種, 5月24日移栽。其中2019年為2018年的定位試驗(yàn), 2018年水稻收獲后, 冬季在相應(yīng)小區(qū)種植油菜、小麥和青菜。小區(qū)面積12 m2, 重復(fù)3次, 共計(jì)54個(gè)小區(qū), 行穴距為33.3 cm×16.7 cm, 單本移栽。氮肥為尿素(N≥46%), 按基肥∶蘗肥∶促花肥∶保花肥=3∶3∶2∶2施用, 基肥在移栽前1 d施入, 蘗肥在移栽后7 d施用, 促花肥與保花肥分別于倒4葉和倒2葉抽出時(shí)施用。磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%, 90 kg hm–2), 全作底肥一次性施入。鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%, 150 kg hm–2), 按基肥∶穗肥=7∶3施用。小區(qū)之間做田埂并用地膜包覆, 以免串水串肥, 其他田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式相同。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤理化性狀測定 在前茬作物收獲后, 灌水旋田前, 按照五點(diǎn)取樣法, 將土樣取回實(shí)驗(yàn)室, 自然風(fēng)干后磨細(xì), 過20目篩子, 用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)碳含量, 并換算成有機(jī)質(zhì); 用凱氏定氮法測土壤全氮; 用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮; 用碳酸氫鈉法測定速效磷; 用醋酸銨-火焰原子吸收分光光度法測定速效鉀。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 于成熟期各小區(qū)選取30穴調(diào)查有效穗數(shù), 并按平均有效穗數(shù)從每小區(qū)選取5穴進(jìn)行考種, 調(diào)查實(shí)粒數(shù)、空粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等指標(biāo), 待稻谷含水量為13.5%時(shí)實(shí)測產(chǎn)量。

1.3.3 秸稈腐解率及氮素釋放率 于水稻移栽前在每小區(qū)埋入裝40 g左右相應(yīng)秸稈的尼龍網(wǎng)袋(深7 cm處), 并在袋中裝入等量泥土以助秸稈腐解。于拔節(jié)期、齊穗期和成熟期分別取出網(wǎng)袋, 洗凈烘干后測定剩余秸稈重量, 后粉碎過篩用凱氏定氮法測定樣品中全氮含量, 計(jì)算秸稈腐解率及氮素釋放率。秸稈腐解率(%) = (試驗(yàn)前網(wǎng)袋內(nèi)秸稈質(zhì)量–網(wǎng)袋內(nèi)秸稈殘留質(zhì)量)/試驗(yàn)前網(wǎng)袋內(nèi)秸稈質(zhì)量×100%。秸稈氮素釋放率(%) = (原始秸稈質(zhì)量×原始秸稈氮素含量–剩余秸稈質(zhì)量×剩余秸稈氮素含量)/(原始秸稈質(zhì)量×原始秸稈氮素含量)×100%。

1.3.4 干物質(zhì)積累與分配 于水稻拔節(jié)期、齊穗期、成熟期各小區(qū)按平均莖蘗數(shù)取代表性植株3穴, 分莖、葉、穗(齊穗期和成熟期) 3個(gè)部分, 在105℃下殺青30 min, 后在80℃下烘干至恒重, 稱取各器官干物質(zhì)量, 計(jì)算植株干物質(zhì)積累與分配。(1) 莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2) =齊穗期莖鞘干物質(zhì)量?成熟期莖鞘干物質(zhì)量; (2) 葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2) = 齊穗期葉片干物質(zhì)量?成熟期葉片干物質(zhì)量; (3) 莖鞘干物質(zhì)輸出率(%) = 莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/齊穗期莖鞘干物質(zhì)量×100%; (4) 葉片干物質(zhì)輸出率(%) = 葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/齊穗期葉片干物質(zhì)量×100%; (5)莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%) = 莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期穗部干物質(zhì)量×100%; (6) 葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%) = 葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期穗部干物質(zhì)量 × 100%; (7) 收獲指數(shù)(HI) = 成熟期籽粒干重/成熟期植株總干重。

1.3.5 氮素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn) 將1.3.4樣本分別粉碎過篩, 采用濃H2SO4-H2O消煮, 凱氏定氮法測定各器官的全氮含量, 計(jì)算氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特性(全自動(dòng)高通量蒸餾滴定儀, UDK169 & Autokjel, 意大利)。(1) 莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2) = 齊穗期莖鞘氮積累量?成熟期莖鞘氮積累量; (2) 葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2) = 齊穗期葉片氮積累量?成熟期葉片氮積累量; (3) 莖鞘氮素輸出率(%) = 莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/齊穗期莖鞘氮素積累量×100%; (4) 葉片氮素輸出率(%) = 葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/齊穗期葉片氮素積累量×100%; (5) 莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%) = (莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期穗部氮素積累量)×100%; (6) 葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%) = (葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期穗部氮素積累量)×100%。

1.3.6 植株氮素利用 根據(jù)成熟期產(chǎn)量計(jì)算氮素農(nóng)學(xué)利用率及氮肥偏生產(chǎn)力。(1) 氮素農(nóng)學(xué)利用率(kg kg–1) = (施氮區(qū)作物產(chǎn)量?無氮區(qū)作物產(chǎn)量)/氮肥施用量; (2) 氮素偏生產(chǎn)力(kg kg–1) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), SPSS 25.0 (SPSS Institute Inc, 美國)軟件分析數(shù)據(jù), 并利用最小顯著差數(shù)(LSD)在<0.05水平上進(jìn)行差異顯著性比較。2年試驗(yàn)各處理下水稻產(chǎn)量及各測定指標(biāo)變化趨勢和重演性一致, 本文以2019年數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產(chǎn)量形成的影響

由表2可知, 不同種植模式下秸稈還田對水稻千粒重和產(chǎn)量的影響達(dá)極顯著水平, 水分管理與施氮量(每穗穎花數(shù)除外)對水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響達(dá)極顯著水平, 秸稈還田和水分管理交互作用(有效穗數(shù)除外)、秸稈還田和施氮量交互作用、水分管理和施氮量交互作用(結(jié)實(shí)率除外)對有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率的影響達(dá)顯著水平。

Py: 油菜-水稻模式, 油菜秸稈全量還田(6500 kg hm–2); Px: 小麥-水稻模式, 小麥秸稈全量還田(5000 kg hm–2); Pq: 青菜-水稻模式, 青菜殘留物全量還田(1000 kg hm–2)。W0: 常規(guī)淹水灌溉; W1: 干濕交替灌溉。N0: 不施氮, 0 kg hm–2; N1: 常規(guī)施氮, 150 kg hm–2; N2: 精量減氮施肥。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Py: rape-rice model, full return of rape straw (6500 kg hm–2); Px: wheat-rice model, full return of wheat straw (5000 kg hm–2); Pq: cabbage-rice model, full return of cabbage residue (1000 kg hm–2). W0: conventional flooding irrigation; W1: alternating wet and dry irrigation. N0: no N treatment, 0 kg hm–2; N1: conventional N application treatment, 150 kg hm–2; N2: precise N reduction. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments in the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同種植模式下秸稈還田的水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py的平均產(chǎn)量分別較Px、Pq增加2.55%、13.99%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的產(chǎn)量均表現(xiàn)為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻產(chǎn)量分別比W0處理增加5.10%、1.76%和4.80%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)N1>N2>N0, 但N1與N2處理間差異不顯著。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻產(chǎn)量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理下次之, PqW0N0處理下最低, PyW1N1與PyW1N2處理間差異不顯著, 但分別較PqW0N0處理顯著增產(chǎn)87.83%、85.96%。

從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看, 不同種植模式下秸稈還田的水稻有效穗數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為Py>Px>Pq, 但三者差異不顯著, 而每穗穎花數(shù)和結(jié)實(shí)率則表現(xiàn)為Px>Py>Pq。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均表現(xiàn)為W1>W0, 而每穗穎花數(shù)表現(xiàn)為W0>W1。同一秸稈還田和水分管理下, 施氮處理均能顯著增加水稻的有效穗數(shù)和千粒重, 有效穗數(shù)在N1處理最大, Py模式下N1處理與其余處理差異顯著, 而千粒重在N2處理最大, 各處理對每穗穎花數(shù)和結(jié)實(shí)率影響不顯著, 但N2較N1處理略有下降。

2.2 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對秸稈腐解率及氮素釋放率的影響

由表3可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理(拔節(jié)期N釋放率除外)、施氮量、秸稈還田和施氮量交互作用(成熟期期N釋放率除外)以及不同種植模式下秸稈還田×水分管理×施氮量三者間的交互作用, 對各指標(biāo)影響達(dá)顯著或極顯著水平(拔節(jié)期秸稈腐解率和成熟期N釋放率除外)。

(續(xù)表3)

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同類型的秸稈腐解和N釋放均表現(xiàn)為前期快, 中后期較慢的趨勢。不同種植模式下秸稈還田的腐解率、N釋放率均表現(xiàn)為Pq>Px>Py, Pq各時(shí)期的平均秸稈腐解率和N釋放率分別較Py增加133.13%、86.55%, Pq與其余處理差異顯著, Px與Py處理間差異不顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的秸稈腐解率和N釋放率均表現(xiàn)為W1>W0(除拔節(jié)期N釋放率), 但二者差異不顯著。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的秸稈腐解率和N釋放率多表現(xiàn)為N2>N1>N0, PqW1處理下僅拔節(jié)期的秸稈腐解率在N1、N2處理間差異顯著, PxW1、PyW1處理下N2處理的平均秸稈腐解率分別較N1處理增加8.56%、8.76%, PyW1N2與PyW1N1處理差異顯著, 同時(shí)PyW1N2的N釋放率(成熟期)較PyW1N1顯著增加2.92%。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)秸稈腐解率和N釋放率在PqW1N2處理下最高, 而PyW1N2處理下精確減氮能顯著提高各時(shí)期秸稈腐解率, 促進(jìn)N釋放。

2.3 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質(zhì)積累分配的影響

由表4可知, 不同種植模式下秸稈還田(拔節(jié)期莖鞘干物質(zhì)積累量與收獲指數(shù)除外)與施氮量(齊穗期穗干物質(zhì)積累量除外)對各指標(biāo)影響達(dá)極顯著水平, 以及二者的交互作用對齊穗期(穗干物質(zhì)積累量除外)、成熟期各器官的干物質(zhì)積累量影響達(dá)顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田對水稻各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py各時(shí)期的平均干物質(zhì)積累總量分別比Px、Pq增加5.25%、14.60%, 而3種模式下水稻的收獲指數(shù)差異不顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻干物質(zhì)積累量分別比W0處理增加1.40%、3.31%、1.82%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的干物質(zhì)積累量、收獲指數(shù)多表現(xiàn)為N1>N2, 但N1與N2處理間差異多不顯著。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻干物質(zhì)積累量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理下次之, PqW0N0處理下最低, PyW1N1與PyW1N2處理間差異不顯著。

由表5可知, 不同種植模式下秸稈還田對莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、貢獻(xiàn)率影響達(dá)顯著或極顯著水平, 施氮量對各指標(biāo)影響達(dá)極顯著水平, 秸稈還田和施氮量的交互作用對莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量影響達(dá)顯著水平, 水分管理、水分管理和施氮量的交互作用對葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量影響達(dá)顯著水平。

不同處理下水稻的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率、貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為莖鞘>葉。不同種植模式下秸稈還田對水稻莖鞘和葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率、貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率分別較Pq增加34.38%、2.25%、2.91% (莖鞘)和28.95%、1.34%、0.62% (葉)。同一秸稈還田處理下, 除Pq模式下莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為W0>W1, 其余處理多表現(xiàn)為W1>W0。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率、貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為N2>N1>N0, N0與其余處理差異顯著。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率多在PyW1N2處理下最高, PqW0N0處理下最低。

表4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質(zhì)積累的影響

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

表5 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表6可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量、秸稈還田和水分管理交互作用(成熟期莖鞘氮素積累量除外)、秸稈還田和施氮量交互作用, 以及三者交互作用(齊穗期穗和成熟期葉、穗氮素積累量除外)對各指標(biāo)影響達(dá)顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田對水稻各營養(yǎng)器官氮素積累量多表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py各時(shí)期的平均氮素積累總量分別比Px、Pq增加7.48%、17.30%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮素積累量均表現(xiàn)為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的水稻氮素積累量分別比W0處理增加6.75%、8.23%、4.66%。同一秸稈還田和水分管理下, 拔節(jié)期各營養(yǎng)器官氮素積累量均表現(xiàn)為N1>N2>N0, N1與N2處理間差異顯著, 齊穗期、成熟期莖鞘和葉片氮素積累量均表現(xiàn)為N2>N1>N0, 3種模式下W1N1均與W1N2處理差異顯著, 而N2處理的穗氮素積累量較N1處理略有下降。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻氮素積累量在PyW1N1處理下最高, PyW1N2處理次之, 但二者差異不顯著。

表6 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素積累量的影響

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

由表7可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量以及水分管理和施氮量的交互作用對各指標(biāo)影響達(dá)顯著或極顯著水平, 三者交互作用對葉片氮素分配影響達(dá)顯著水平。

不同處理下水稻的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率、貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為葉>莖鞘。不同種植模式下秸稈還田對水稻莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為Px>Py>Pq, 但處理間差異多不顯著, 而莖鞘氮素貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py較Pq處理顯著增加3.69%。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率多表現(xiàn)為W1>W0, 但二者差異不顯著。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率多表現(xiàn)為N2>N1>N0, 3種模式W1N2處理的莖鞘、葉片氮素貢獻(xiàn)率均顯著高于W1N1。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)、輸出率、貢獻(xiàn)率多在PXW1N2處理下最高。

表7 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

(續(xù)表7)

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.5 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素利用的影響

由表8可知, 不同種植模式下秸稈還田、水分管理、施氮量、秸稈還田和水分管理的交互作用以及水分管理和施氮量的交互作用對各指標(biāo)影響達(dá)顯著或極顯著水平。

不同種植模式下秸稈還田的水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力多表現(xiàn)為Py>Px>Pq, Py的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力較Pq平均增加21.12%、24.90%, 其中Py、Pq模式的氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著。同一秸稈還田處理下, 不同水分管理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別比W0處理增加24.90%、1.77%和7.94%, 氮肥偏生產(chǎn)力分別比W0處理增加8.90%、3.22%和5.40%。同一秸稈還田和水分管理下, 不同施氮量的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力多表現(xiàn)為N2>N1, 但N1與N2處理間差異多不顯著。秸稈還田結(jié)合水氮管理時(shí)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力均在PyW1N2處理下最高。

表8 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素利用的影響

(續(xù)表8)

處理同表2。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一種植模式下前茬秸稈還田處理間差異顯著(< 0.05)。方差分析中,*、**分別表示在0.05和0.01概率水平效果顯著, ns表示無顯著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

3 討論

3.1 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

秸稈還田能增加土壤通透性, 提高土壤微生物活性, 有利于秸稈與土壤間氮素的循環(huán)利用, 具有提高當(dāng)季和后茬作物產(chǎn)量的作用[16]。裴鵬剛等[17]研究表明, 秸稈還田耦合施氮量(180 kg hm–2)可促進(jìn)水稻有效穗數(shù)增加, 提高氮素和光合同化物積累, 使水稻顯著增產(chǎn)9.59%～23.51%。殷堯翥等[18]研究指出, 稻油輪作下油菜秸稈還田, 配合控制性交替灌溉與施氮量(150 kg hm–2)可顯著提高水稻齊穗期高效葉面積指數(shù), 促進(jìn)干物質(zhì)積累, 提高有效穗數(shù)和每穗粒數(shù), 進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)。諶潔等[19]研究表明, 與油菜-水稻模式相比, 青菜-水稻模式能顯著提高水稻積溫生產(chǎn)效率、降水生產(chǎn)效率, 2年平均增產(chǎn)達(dá)10.50%, 而本試驗(yàn)結(jié)果與其有所差異, 這可能是由于生態(tài)區(qū)溫光資源不同, 且前人主要針對于不同茬口, 并未進(jìn)行秸稈還田。本研究結(jié)果表明, 不同種植模式下秸稈還田的水稻有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均表現(xiàn)為Py>Px>Pq, 說明Py模式更能促進(jìn)有效穗數(shù)形成, 加快光合產(chǎn)物向穗部積累, 也可能是由于Py模式有利于土壤風(fēng)化, 提高土壤養(yǎng)分釋放速率, 最終增加產(chǎn)量[20]。3種模式下W1處理水稻的有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和產(chǎn)量較W0處理均有不同程度增加, N2處理的水稻產(chǎn)量較N1處理略有下降, 但二者之間差異不顯著, 這可能是由于土壤干濕交替變化能抑制無效分蘗的發(fā)生, 促進(jìn)根系生長, 提高水稻光合作用及干物質(zhì)積累, 有利于籽粒灌漿結(jié)實(shí)[21]。且相比于常規(guī)稻, F優(yōu)498為雜交稻, 其根系更為發(fā)達(dá)、密集、粗壯, 能夠更好的吸收土壤中的養(yǎng)分和水分, 同時(shí)提高了土壤的通氣性和透水性。綜上所述, PyW1N2處理下更能提升水肥利用效率, 可節(jié)省氮肥投入20%, 實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。

3.2 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對秸稈腐解率及氮素釋放率的影響

秸稈腐解過程中各種養(yǎng)分的釋放和土壤微生物的活動(dòng), 會改變土壤理化性狀, 進(jìn)而影響水稻生長及產(chǎn)量形成[22]。前人研究發(fā)現(xiàn), 不同類型的秸稈腐解、氮素釋放均表現(xiàn)為前期快, 中后期較慢的趨勢[23], 且麥稈＞油菜桿[24], 本試驗(yàn)結(jié)果與其一致, 這是因?yàn)楦馇捌诮斩捴幸追纸獾目扇苄曰衔锎罅酷尫?提高了土壤中的微生物數(shù)量及活性[25]; 而隨著還田時(shí)間增加, 秸稈中多為不易分解的纖維素等物質(zhì),導(dǎo)致微生物活性降低, 腐解率下降[26]。本研究結(jié)果表明, Pq模式下的秸稈腐解率、N釋放率均顯著高于其他種植模式, 但Px與Py處理間差異不顯著, 主要原因是青菜殘葉還田為菜葉, 腐解較快, 且小麥和油菜秸桿的C/N比較大, 超出了適宜微生物分解的秸桿C/N區(qū)間(25～30∶1)[27]。3種模式下秸稈腐解率和N釋放率多表現(xiàn)為W1>W0, N2>N1, 這可能是由于干濕交替灌溉能提高含氧量[13], 適量氮肥能降低土壤C/N比, 增強(qiáng)微生物及纖維素等水解酶活性, 促進(jìn)秸稈腐解[28]。

3.3 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻干物質(zhì)積累分配的影響

水稻產(chǎn)量的形成是干物質(zhì)積累與分配的結(jié)果。研究表明, 秸稈腐解過程中, 微生物活動(dòng)與秸稈分解消耗大量氮素, 導(dǎo)致水稻的氮素供應(yīng)不足, 從而抑制水稻生育前期干物質(zhì)積累, 但隨著秸稈養(yǎng)分的釋放, 能促進(jìn)水稻中后期干物質(zhì)積累[29]。與小麥秸稈還田相比, 油菜秸稈還田能抵消前期的抑制作用, 增加干物質(zhì)含量[20]。本研究結(jié)果表明, Py模式下水稻各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為最大, 這是由于Py模式的秸稈腐解率低于其他2種模式, 能保證前期水稻的供氮量, 而Pq模式的秸稈大量腐解, 與水稻生長形成爭氮。W1處理的干物質(zhì)積累量均大于W0, 原因可能為干濕交替灌溉可減少無效分蘗, 提高水稻生長潛力, 葉面積等個(gè)體性狀具有較大優(yōu)勢, 促進(jìn)了干物質(zhì)后期積累[18]。

花后干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配對水稻產(chǎn)量形成至關(guān)重要。唐海明等[30]研究認(rèn)為, 油菜秸稈還田可提高水稻莖、葉轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率, 促進(jìn)干物質(zhì)向穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)。顧俊榮等[31]研究發(fā)現(xiàn), 實(shí)地氮肥管理配合輕度干濕交替灌溉可顯著增加干物質(zhì)積累量, 促進(jìn)莖鞘干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究結(jié)果表明, Py模式下秸稈還田對水稻莖鞘和葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率、貢獻(xiàn)率均大于其他種植模式, 這是因?yàn)橛筒私斩掃€田在生育中后期仍能釋放部分營養(yǎng)物質(zhì), 更能增加莖葉干物質(zhì)貯存, 在齊穗期葉片的光合作用更強(qiáng), 有利于灌漿期光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。而W1N2處理有利于秸稈N釋放, 從而促進(jìn)了水稻合成轉(zhuǎn)化物質(zhì)。由此說明, PyW1N2處理不僅能提高水稻干物質(zhì)積累量, 更能實(shí)現(xiàn)干物質(zhì)由營養(yǎng)器官向穗部高效轉(zhuǎn)運(yùn), 對籽粒灌漿結(jié)實(shí)具有積極作用。

3.4 多元化種植模式下秸稈還田配合水氮管理對水稻氮素吸收利用的影響

氮素是植物生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素, 氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和利用是水稻高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[33]。前人研究表明, 秸稈還田提高了水稻生育中后期氮素積累, 有利于氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 具有增產(chǎn)和提高氮素利用效率的作用[34]。徐國偉等[35]研究認(rèn)為, 秸稈還田與實(shí)地氮肥管理可增強(qiáng)葉片硝酸還原酶活性, 促進(jìn)植株吸氮, 同時(shí)促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)運(yùn), 提高氮素收獲指數(shù)與氮肥利用效率, 本試驗(yàn)結(jié)果與其一致。孫永健等[36]研究發(fā)現(xiàn), 干濕交替灌溉有利于增加氮素積累, 以拔節(jié)期影響最大, 氮肥適當(dāng)后移能顯著提高抽穗后植株的吸氮量。本研究結(jié)果表明, Py模式下水稻各營養(yǎng)器官氮素積累量多表現(xiàn)為最大, 但莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、貢獻(xiàn)率略小于Px, 這可能是由于Py模式的秸稈腐解率低于Px, 雖有利于全生育期氮素積累, 但氮素轉(zhuǎn)運(yùn)略慢。W1N2處理有利于提高水稻的氮素積累量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、輸出率和貢獻(xiàn)率, 這可能是由于干濕交替灌溉可提高莖稈α-淀粉酶、β-淀粉酶活性, 增強(qiáng)氮代謝相關(guān)酶活性[37], N2處理有利于秸稈氮素釋放, 從而促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)分配。

氮肥利用率是決定水稻氮素稻谷生產(chǎn)效率的重要因素。嚴(yán)奉軍等[29]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田能有效增加水稻的氮肥回收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率, 其中油菜秸稈還田較小麥秸稈還田增幅更大, 本試驗(yàn)結(jié)果與其一致。趙峰等[38]研究表明, 油菜秸稈還田與氮肥配施顯著提高了水稻灌漿期的光合速率, 有利于物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化, 進(jìn)而提高氮肥利用率。本研究結(jié)果表明, PyW1N2處理下水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均達(dá)到最大, 究其原因是油菜秸稈還田下, 干濕交替灌溉配合精量減氮有利于干物質(zhì)和氮素積累, 促進(jìn)氮素由莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 從而提高氮肥利用率。

4 結(jié)論

與其他2種模式秸稈還田相比, 油菜-水稻種植模式下, 油菜秸稈還田的秸稈腐解率及氮素釋放率較低, 但其保證了水稻前期的干物質(zhì)和氮素積累, 與水稻爭氮效應(yīng)較輕, 同時(shí)秸稈養(yǎng)分緩慢釋放也促進(jìn)了生育中后期干物質(zhì)和氮素向穗部積累, 提高氮肥利用效率。油菜-水稻種植模式下, 油菜秸稈還田配合干濕交替灌溉與精量減氮(120 kg hm–2)可促進(jìn)水稻干物質(zhì)積累, 提高莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率、貢獻(xiàn)率, 同時(shí)有利于氮素吸收、增加莖葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率、貢獻(xiàn)率, 進(jìn)而提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力, 最終有利于水稻的有效穗數(shù)形成和籽粒灌漿, 并可節(jié)約20%氮肥使用, 實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)高效生產(chǎn)。

[1] 左琴, 劉彥伶, 李渝, 黃興成, 張雅蓉, 朱華清, 楊葉華, 熊涵, 張文安, 蔣太明. 長期不同輪作方式對黃壤區(qū)水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收及土壤養(yǎng)分含量的影響. 土壤通報(bào), 2023, 54: 881–888. Zuo Q, Liu Y L, Li Y, Huang X C, Zhang Y R, Zhu H Q, Yang Y H, Xiong H, Zhang W A, Jiang T M. Effects of long-term different cropping rotations on rice yield, nutrient uptake and soil nutrient contents in yellow soil region., 2023, 54: 881–888 (in Chinese with English abstract).

[2] 褚光, 陳松, 徐春梅, 劉元輝, 王丹英, 章秀福. 我國稻田種植制度的演化及展望. 中國稻米, 2021, 27(4): 63–65. Chu G, Chen S, Xu C M, Liu Y H, Wang D Y, Zhang X F. Development status and prospect of paddy multiple cropping system in China., 2021, 27(4): 63–65 (in Chinese with English abstract).

[3] Mehmood K, Wu Y J, Wang L Q, Yu S C, Li P F, Chen X, Li Z, Zhang Y B, Li M Y, Liu W P, Wang Y S, Liu Z R, Zhu Y N, Rosenfeld D H, Seinfeld J. Relative effects of open biomass burning and open crop straw burning on haze formation over central and eastern China: modeling study driven by constrained emissions., 2020, 20: 2419–2443.

[4] Zhang S J, Zhang G, Wang D J, Liu Q. Abiotic and biotic effects of long-term straw retention on reactive nitrogen runoff losses in a rice–wheat cropping system in the Yangtze Delta region., 2021, 305: 107162.

[5] Fan W, Wu J G, Ahmed S, Hu J, Chen X D, Li X H, Zhu W Y, Opoku-K Y. Short-term effects of different straw returning methods on the soil physicochemical properties and quality index in dryland farming in NE China., 2020, 12: 64–76.

[6] Fang Y Y, Nazaries L, Singh B K, Singh B P. Microbial mechanisms of carbon priming effects revealed during the interaction of crop residue and nutrient inputs in contrasting soils., 2018, 24: 2775–2790.

[7] Li Y, Ihsan M, Chi Y X, Wang D, Zhou X B. Straw return and nitrogen fertilization to maize regulate soil properties, microbial community, and enzyme activities under a dual cropping system., 2022, 13: 823963.

[8] Tolomio M, Borin M. Water table management to save water and reduce nutrient losses from agricultural fields: 6 years of experience in North-Eastern Italy., 2018, 201: 1–10.

[9] Dong Y J, Yuan J, Zhang G B, Ma J, Hilario P, Liu X J, Lu S H. Optimization of nitrogen fertilizer rate under integrated rice management in a hilly area of southwest China., 2020, 30: 759–768.

[10] 張斯梅, 顧克軍, 張傳輝, 顧東祥, 段增強(qiáng). 麥秸全量還田下減氮施肥對粳稻產(chǎn)量形成和氮素吸收利用的影響. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2023, 39(2): 360–367. Zhang S M, Gu K J, Zhang C H, Gu D X, Duan Z Q. Effects of reduced nitrogen fertilization on yield formation and nitrogen uptake and utilization ofrice under total wheat straw returning., 2023, 39(2): 360–367 (in Chinese with English abstract).

[11] 張剛, 王德建, 俞元春, 王燦, 莊錦貴. 秸稈全量還田與氮肥用量對水稻產(chǎn)量、氮肥利用率及氮素?fù)p失的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2016, 22: 877–885. Zhang G, Wang D J, Yu Y C, Wang C, Zhuang J G. Effects of straw incorporation plus nitrogen fertilizer on rice yield, nitrogen use efficiency and nitrogen loss., 2016, 22: 877–885 (in Chinese with English abstract).

[12] 吳宗釗, 原保忠. 水肥耦合對水稻生長、產(chǎn)量及氮素利用效率的影響. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2020, 31(4): 199–207. Wu Z Z, Yuan B Z. Effect of water and fertilizer coupling on growth, yield and nitrogen use efficiency of rice., 2020, 31(4): 199–207 (in Chinese with English abstract).

[13] 張宇杰, 王志強(qiáng), 馬鵬, 楊志遠(yuǎn), 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(chǎn)量的影響. 中國水稻科學(xué), 2022, 36: 388–398. Zhang Y J, Wang Z Q, Ma P, Yang Z Y, Sun Y J, Ma J. Effects of water-nitrogen coupling on nitrogen uptake, utilization and yield of rice under wheat straw returning., 2022, 36: 388–398 (in Chinese with English abstract).

[14] 凌啟鴻, 張洪程, 戴其根, 丁艷鋒, 凌勵(lì), 蘇祖芳, 徐茂, 闕金華, 王紹華. 水稻精確定量施氮研究. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38: 2457–2467. Ling Q H, Zhang H C, Dai Q G, Ding Y F, Ling L, Su Z F, Xu M, Que J H, Wang S H. Study on precise and quantitative N application in rice., 2005, 38: 2457–2467 (in Chinese with English abstract).

[15] 王春雨, 余華清, 何艷, 郭長春, 張紹文, 楊志遠(yuǎn), 馬均. 播栽方式與施氮量對雜交秈稻氮肥利用特征及產(chǎn)量的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25: 1792–1801. Wang C Y, Yu H Q, He Y, Guo C C, Zhang S W, Yang Z Y, Ma J. Characteristics of nitrogen accumulation and utilization inhybrid rice under different planting methods and nitrogen rates., 2017, 25: 1792–1801 (in Chinese with English abstract).

[16] Mi W H, Wu L H, Brookes P C, Liu Y L, Zhang X, Yang X. Changes in soil organic carbon fractions under integrated management systems in a low-productivity paddy soil given different organic amendments and chemical fertilizers., 2016, 163: 64–70.

[17] 裴鵬剛, 張均華, 朱練峰, 胡志華, 金千瑜. 秸稈還田耦合施氮水平對水稻光合特性、氮素吸收及產(chǎn)量形成的影響. 中國水稻科學(xué), 2015, 29: 282–290. Pei P G, Zhang J H, Zhu L F, Hu Z H, Jin Q Y. Effects of straw returning coupled with N application on rice photosynthetic characteristics, nitrogen uptake and grain yield formation., 2015, 29: 282–290 (in Chinese with English abstract).

[18] 殷堯翥, 郭長春, 孫永健, 武云霞, 余華清, 孫知白, 張橋, 王海月, 楊志遠(yuǎn), 馬均. 稻油輪作下油菜秸稈還田與水氮管理對雜交稻群體質(zhì)量和產(chǎn)量的影響. 中國水稻科學(xué), 2019, 33: 257–268. Yin Y Z, Guo C C, Sun Y J, Wu Y X, Yu H Q, Sun Z B, Zhang Q, Wang H Y, Yang Z Y, Ma J. Effects of rape straw retention and water and nitrogen management on population quality and yield of hybrid rice under rice-rape rotation., 2019, 33: 257–268 (in Chinese with English abstract).

[19] 諶潔, 呂騰飛, 王志強(qiáng), 王仲林, 林鄲, 李郁, 楊志遠(yuǎn), 孫永健,馬均. 青菜/油菜茬口下水稻栽植方式對溫光資源利用和產(chǎn)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2022, 33: 405–414. Chen J, Lyu T F, Wang Z Q, Wang Z L, Lin D, Li Y, Yang Z Y, Sun Y J, Ma J. Effects of planting methods on the utilization of temperature and sunshine resources and yield of rice under cabbage/rape-paddy cropping system., 2022, 33: 405–414 (in Chinese with English abstract).

[20] 嚴(yán)奉君. 多元種植模式下秸稈還田對作物產(chǎn)量形成及秸稈與土壤養(yǎng)分協(xié)同利用的影響. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 四川成都, 2018. Yan F J. Effects of Straw Returning on Crop Yield Formation and Synergistic Utilization of Straw and Soil Nutrients in Multi- cropping System. PhD Dissertation of Sichuan Agricultural University, Chengdu, Sichuan, China, 2018 (in Chinese with English abstract).

[21] 褚光, 展明飛, 朱寬宇, 王志琴, 楊建昌. 干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量與水分利用效率的影響. 作物學(xué)報(bào), 2016, 42: 1026–1036. Chu G, Zhan M F, Zhu K Y, Wang Z Q, Yang J C. Effects of alternate wetting and drying irrigation on yield and water use efficiency of rice., 2016, 42: 1026–1036 (in Chinese with English abstract).

[22] Liu B, Xia H, Jiang C C, Riaz M, Yang L, Chen Y F, Fan X P, Xia X. 14-year applications of chemical fertilizers and crop straw effects on soil labile organic carbon fractions, enzyme activities and microbial community in rice-wheat rotation of middle China., 2022, 841: 15608.

[23] 王子陽, 陳婉華, 袁偉, 馬賢超, 周正萍, 劉世平. 雙季稻地區(qū)不同類型水稻秸稈與還田深度對還田秸稈腐解進(jìn)程的影響. 中國土壤與肥料, 2022, 2(2): 170–174.Wang Z Y, Chen W H, Yuan W, Ma X C, Zhou Z P, Liu S P. Effects of different types of rice straw and returning depth on decomposition course of straw in double cropping rice region., 2022, 2(2): 170–174 (in Chinese with English abstract).

[24] 李逢雨, 孫錫發(fā), 馮文強(qiáng), 秦魚生, 王昌全, 涂仕華. 麥稈、油菜稈還田腐解速率及養(yǎng)分釋放規(guī)律研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 15: 374–380. Li F Y, Sun X F, Feng W Q, Qin Y S, Wang C Q, Tu S H. Nutrient release patterns and decomposing rates of wheat and rapeseed straw., 2009, 15: 374–380 (in Chinese with English abstract).

[25] 代文才, 高明, 蘭木羚, 黃容, 王金柱, 王子芳, 韓曉飛. 不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(2): 188–199. Dai W C, Gao M, Lan M L, Huang R, Wang J Z, Wang Z F, Han X F. Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields., 2017, 25(2): 188–199 (in Chinese with English abstract).

[26] 曾莉, 張鑫, 張水清, 王秀斌, 梁國慶, 周衛(wèi), 艾超, 張躍強(qiáng). 不同施氮量下潮土中小麥秸稈腐解特性及其養(yǎng)分釋放和結(jié)構(gòu)變化特征. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2020, 26: 1565–1577. Zeng L, Zhang X, Zhang S Q, Wang X B, Liang G Q, Zhou W, Ai C, Zhang Y Q. Characteristics of decomposition, nutrient release and structure change of wheat straw in a fluvo-aquic soil under different nitrogen application rates., 2020, 26: 1565–1577 (in Chinese with English abstract).

[27] álvaro-Fuentes J, Morell F, Madejón E, Lampurlanés J, Arrúe J, Cantero-Martínez C. Soil biochemical properties in a semiarid mediterranean agroecosystem as affected by long-term tillage and N fertilization., 2013, 129: 69–74.

[28] Guo L J, Zhang L, Liu L, Sheng F, Cao C G, Li C F. Effects of long-term no tillage and straw return on greenhouse gas emissions and crop yields from a rice-wheat system in central China., 2021, 322: 107650.

[29] 嚴(yán)奉君, 孫永健, 馬均, 徐徽, 李玥, 楊志遠(yuǎn), 蔣明金, 呂騰飛.秸稈覆蓋與氮肥運(yùn)籌對雜交稻根系生長及氮素利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21: 23–35. Yan F J, Sun Y J, Ma J, Xu H, Li Y, Yang Z Y, Jiang M J, Lyu T F. Effects of straw mulch and nitrogen management on root growth and nitrogen utilization characteristics of hybrid rice., 2015, 21: 23–35 (in Chinese with English abstract).

[30] 唐海明, 肖小平, 湯文光, 李超, 汪柯, 程凱凱, 郭立君, 孫耿.冬季覆蓋作物秸稈還田對水稻植株養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2018, 20(8): 63–73. Tang H M, Xiao X P, Tang W G, Li C, Wang K, Cheng K K, Guo L J, Sun G. Effects of covering paddy field by crop straw in winter on nutrition accumulation and translocation of rice plant., 2018, 20(8): 63–73 (in Chinese with English abstract).

[31] 顧俊榮, 董明輝, 趙步洪, 陳培峰, 季紅娟, 韓立宇. 不同水氮管理對水稻干物質(zhì)積累和莖鞘物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)及產(chǎn)量的影響. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2016, 30: 347–354. Gu J R, Dong M H, Zhao B H, Chen P F, Ji H J, Han L Y. Effects of dry matter accumulation and photosynthate transportation of stem and sheath and grain production under different water and nitrogen management in rice., 2016, 30: 347–354 (in Chinese with English abstract).

[32] 唐海明, 湯文光, 肖小平, 楊光立. 雙季稻區(qū)冬季覆蓋作物殘茬還田對水稻生物學(xué)特性和產(chǎn)量的影響. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(2): 213–219. Tang H M, Tang W G, Xiao X P, Yang G L. Effects of straw recycling of winter covering crop on biological characteristics of plants and yield of rice in paddy field., 2012, 34(2): 213–219 (in Chinese with English abstract).

[33] Pan J F, Liu Y Z, Zhong X H, Rubenito M L, Grant R S, Huang N R, Liang K M, Peng B L, Tian K. Grain yield, water productivity and nitrogen use efficiency of rice under different water management and fertilizer-N inputs in South China., 2017, 184: 191–200.

[34] 孔麗麗, 侯云鵬, 尹彩俠, 李前, 張磊, 趙胤凱, 徐新朋. 秸稈還田下寒地水稻實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高氮肥利用率的氮肥運(yùn)籌模式. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2021, 27: 1282–1293. Kong L L, Hou Y P, Yin C X, Li Q, Zhang L, Zhao Y K, Xu X P. Nitrogen fertilizer management for high nitrogen utilization efficiency and rice yield under straw incorporation in a cold region., 2021, 27: 1282–1293 (in Chinese with English abstract).

[35] 徐國偉, 談桂露, 王志琴, 劉立軍, 楊建昌. 秸稈還田與實(shí)地氮肥管理對直播水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及氮肥利用的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42: 2736–2746. Xu G W, Tan G L, Wang Z Q, Liu L J, Yang J C. Effects of wheat-residue application and site-specific nitrogen management on grain yield and quality and nitrogen use efficiency in direct-seeding rice., 2009, 42: 2736–2746 (in Chinese with English abstract).

[36] 孫永健, 孫園園, 劉樹金, 楊志遠(yuǎn), 程洪彪, 賈現(xiàn)文, 馬均. 水分管理和氮肥運(yùn)籌對水稻養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配的影響. 作物學(xué)報(bào), 2011, 37: 2221–2232. Sun Y J, Sun Y Y, Liu S J, Yang Z Y, Cheng H B, Jia X W, Ma J. Effects of water management and nitrogen application strategies on nutrient absorption, transfer, and distribution in rice., 2011, 37: 2221–2232 (in Chinese with English abstract).

[37] 徐國偉, 陸大克, 劉聰杰, 王賀正, 陳明燦, 李友軍. 干濕交替灌溉和施氮量對水稻內(nèi)源激素及氮素利用的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018, 34(7): 137–146. Xu G W, Lu D K, Liu C J, Wang H Z, Chen M C, Li Y J. Effect of alternate wetting and drying irrigation and nitrogen coupling on endogenous hormones, nitrogen utilization., 2018, 34(7): 137–146 (in Chinese with English abstract).

[38] 趙鋒, 程建平, 張國忠, 徐得澤, 吳建平, 吳繼洪, 楊兆林, 馬煥新. 氮肥運(yùn)籌和秸稈還田對直播稻氮素利用和產(chǎn)量的影響. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 50: 3701–3704. Zhao F, Cheng J P, Zhang G Z, Xu D Z, Wu J P, Wu J H, Yang Z L, Ma H X. Effect of nitrogen fertilizer regimes and returning straw on n availability and forming yield of direct-sowing rice., 2011, 50: 3701–3704 (in Chinese with English abstract).

Effects of straw returning to field combined with water and N management on rice yield formation and N uptake and utilization under diversified cropping patterns

HU Ming-Ming, DING Feng, PENG Zhi-Yun, XIANG Kai-Hong, LI Yu, ZHANG Yu-Jie, YANG Zhi-Yuan, SUN Yong-Jian, and MA Jun*

Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University / Sichuan Provincial Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation, Chengdu 611130, Sichuan, China

To study the effects of different precrop straw return and water and N management on rice yield formation, dry matter accumulation and distribution, and N uptake and utilization under diversified cropping patterns. In 2018–2019, hybrid rice F you 498 was used as the experimental material, and a three-factor split plot design was adopted. The main plot was conducted with three planting modes of rape-rice (Py), wheat-rice (Px), and cabbage-rice (Pq). In the field, the split area was equipped with two water management methods including conventional flooding irrigation (W0) and alternating wet and dry irrigation (W1). The split area was equipped with three N levels including no N treatment (N0), conventional N application treatment (N1), and precise N reduction (N2). The decomposition rate, N release rate, dry matter accumulation, and the distribution of various rice nutrient organs, plant N uptake and utilization of straw returned to the field under different treatments at jointing, heading, and maturity stages, and grain yield were analyzed and measured. The results showed that the average yield of Pyincreased by 2.55% and 13.99%, respectively, compared with Pxand Pq,mainly due to its higher effective panicles and 1000-grain weight. Pypromoted the accumulation of dry matter and N in various nutrient organs, which was beneficial to dry matter distribution, to improve the stem sheath N contribution rate and N fertilizer utilization rate, the average total dry matter accumulation and total N accumulation at each stage of Pyincreased by 5.25%, 7.48%, and 14.60%, 17.30%, respectively, compared with Pxand Pq. The partial factor productivity of N increased significantly by 24.90% compared with Pq, but the straw decomposition rate and N release rate of Pywere lower. The rice yield of W1treatment under the three modes increased by 5.10% (Py), 1.76% (Px), and 4.80% (Pq), respectively, compared with W0treatment. W1treatment promoted straw decomposition and N release, promote dry matter accumulation and N uptake and transport are beneficial to dry matter distribution in Pyand Pxmodes, thereby improving N fertilizer utilization efficiency. Under the same straw return and water management, N2treatment promoted straw decomposition and N release, which was beneficial to dry matter distribution and N transport, and increased N accumulation in stem sheaths and leaves at heading and maturity stages, thus improving N fertilizer utilization efficiency. However, the yields and dry matter accumulations in N2treatment decreased slightly compared with those in the N1treatment, but there was significant difference between them. Comprehensive analysis showed that under the rape-rice planting model, returning rapeseed straw to the field combined with alternating dry and wet irrigation and precise N reduction (120 kg hm–2) was beneficial to dry matter accumulation and distribution, N uptake and transport, and thus improving the agronomic efficiency of N, and partial factor productivity of N, and can save 20% of N fertilizer input to achieve stable and efficient rice production.

rice; diversified cropping patterns; straw returning to field; water and N management; yield formation; N uptake and utilization

10.3724/SP.J.1006.2024.32039

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), 四川省育種攻關(guān)專項(xiàng)(2016NYZ0051)和四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(18ZA0390)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program (2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), the Sichuan Provincial Breeding Research Project (2016NYZ0051), and the Sichuan Provincial Department of Education Key Project (18ZA0390).

馬均, E-mail: majunp2002@163.com

E-mail: 957937991@qq.com

2023-09-23;

2024-01-12;

2024-02-07.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240205.1149.002

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).