稻草全量还田下氮肥运筹对双季晚稻产量及其氮素吸收利用的影响

何 虎， 吴建富， 曾研华,2， 胡 凯， 黄 山， 曾勇军， 潘晓华*， 石庆华*

(1 江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西南昌 330045；2 中国水稻研究所，水稻生物学国家重点实验室，浙江杭州 310006)

中国作为一个农业大国，作物秸秆非常丰富，其中稻草秸秆约占总秸秆的1/3，而在双季稻区，稻草资源更加丰富[1]。稻草含有大量氮、 磷、 钾等矿质营养元素，稻草还田对提高土壤有机质含量，改良土壤、 培肥地力，尤其是对缓解氮、 磷、 钾比例失调，提高农作物产量和品质，降低农业生产成本有重要作用[2, 3]。在水稻生产中，合理的氮肥运筹，不仅可以提高水稻的产量、 品质和氮肥利用率，还可以减少因过量施用氮肥带来的环境污染[4]。研究表明，稻草还田后配施氮肥，有利于保持和提高土壤氮素的有效性，显著提高水稻氮素吸收转化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收获指数[5]。因此，研究稻草还田以及稻草还田后配施氮肥的增产效应和作用机理十分必要。国内关于稻草还田下的氮肥运筹已有不少研究[6-8]，稻草大多以部分还田和非切碎还田为主。在双季稻区，随着机收比例不断增加(平原地区已达80%以上)，稻草全量原位还田面积迅速扩大，然而早稻稻草还田后短时间内并不能迅速分解，且有可能出现晚稻生育前期稻草分解导致微生物与晚稻“争氮”，影响晚稻的生长。因此，本试验通过研究早稻机收后稻草全量切碎还田下，不同施氮量及不同的施氮比例对晚稻产量和氮素吸收利用的影响，旨在为稻草全量还田下水稻合理施用氮肥提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设4个施氮(N)水平，分别为0、 120、 180、 240 kg/hm2，分别用N0、 N1、 N2、 N3表示；在N2水平下增设稻草不还田对照(CK)。氮肥按基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。在N2水平下设置不同施氮比例处理，即， 基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶0 ∶5、 5 ∶1 ∶4、 5 ∶2 ∶3、 5 ∶3 ∶2、 5 ∶4 ∶1、 5 ∶5 ∶0，分别用NP1、 NP2、 NP3、 NP4、 NP5和NP6表示。采用随机区组设计，小区面积17.75m2，4次重复，小区间做埂，并用薄膜包埂，单灌单排。氮肥用尿素；磷肥用钙镁磷肥(600 kg/hm2)，全作基肥；钾肥用氯化钾(K2O 180 kg/hm2)，按基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3施用。本试验设计总施氮量和各施氮比例中氮素仅指化学氮肥中氮素，不包含还田稻草所含氮素。

1.2 田间管理

采用日产久保田牌半喂入式收割机收割早稻，留茬高度5—10 cm，收割同时将稻草机械化切碎至5—15 cm(试验所设对照区稻草不切碎并将其全部移走)。试验田前茬为早稻，按照谷草比1 ∶1计算，稻草还田量2009、 2010年分别为6750 kg/hm2和7150 kg/hm2。收割之后，将稻草撒匀，灌水旋耕。两年均采用湿润育秧，移栽密度为13.3 cm × 26.4 cm，每蔸2苗。基肥于移栽前2 d施用，分蘖肥在移栽后7 d施用，穗肥于叶龄余数2左右施用，其他管理措施与一般高产田相同。

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 氮素积累和产量 在取样区组，分别于移栽期、 分蘖期、 幼穗分化期(一次枝梗原基分化期)、 齐穗期和成熟期按平均茎蘖数取样5蔸，去除地下部分，分装后在105℃下杀青15 min，然后80℃烘至恒重。将上述样品粉碎、 过80目筛后用Foss-2300全自动定氮仪测定样品含氮量。

成熟期调查有效穗并平均取样5蔸，分别考查其各产量构成因素。所有小区实收测定稻谷产量，脱粒后晒干扬净，称重，换算标准含水率并计算实际产量。

1.3.2 计算公式 氮肥利用率的计算，按叶全宝等[9]方法：

氮肥表观利用率(%)=[(施氮区地上部总吸氮量-空白区地上部总吸氮量)/施氮量]×100；

氮素收获指数=籽粒吸氮量/成熟期植株地上部氮素积累量；

氮肥农学利用率(kg/kg)= (施氮区产量-空白区产量)/施氮量；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮区产量-空白区产量)/(施氮区植株地上部氮素积累量-空白区植株地上部氮素积累量) ；

氮素吸收率(%)= [施肥区植株地上部氮素积累量/(施肥区植株地上部氮素积累量+空白区植株地上部氮素积累量)]×100；

生产100 kg籽粒需氮量(kg)= (氮素积累量/稻谷产量)×100。

1.4 数据处理

数据采用Excel和DPS软件处理。表1、 表2为产量、 产量构成因素、 氮素吸收和氮素利用率进行的年度间方差分析，结果文中大多指标年度间差异不显著，所以本文结果中图表内数据均采用两年数值平均数±标准差。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对产量及其构成因素的影响

2.1.1 施氮量对产量及其构成因素的影响 表3可知，在稻草全量还田下，晚稻产量随施氮量的增加而增加，但当施氮量超过180 kg/hm2时，产量下降，且处理间差异极显著。在同一施氮(180 kg/hm2)水平下，稻草全量还田较不还田处理增产0.71 t/hm2，增幅为8.83%，差异极显著。表明稻草全量还田配施适量的氮肥有利于提高水稻产量。

产量构成因素中，稻草全量还田下单位面积有效穗数随施氮量的增加而增加，而结实率则相反，处理间差异达显著或极显著水平；每穗粒数施氮处理间差异不明显，但极显著高于不施氮处理；千粒重各施氮处理均显著高于不施氮处理。在同一施氮水平下，稻草全量还田较稻草不还田能显著提高单位面积有效穗数、 结实率和千粒重，从而有利于产量的提高。

表1 产量及其构成因素的年度间差异(F值)

表2 氮素吸收及其利用率的年度间差异(F值)

表3 施氮量对产量及其构成因素的影响

2.1.2 不同穗肥比例对产量及其构成因素的影响 表4表明，稻草全量还田下，以NP3处理产量最高，达8.75 t/hm2，极显著高于其他处理，较产量最低的NP6处理增产12.47%；单位面积的有效穗数随分蘖肥比例的增加而逐渐减少，其中NP1、 NP2处理显著高于其他处理；每穗粒数和千粒重均以NP3处理最大；结实率以NP2处理最大，NP4处理最小，处理间差异不显著。说明稻草全量还田下，以基蘖穗肥施氮比例为5 ∶2 ∶3时增产效果最好。

表4 稻草还田下不同施氮比例对产量及其构成因素的影响

2.2 施氮量对氮素吸收利用的影响

2.2.1 施氮量对氮素吸收的影响 从表5可以看出， 稻草还田后，氮素积累量随施氮量增加而增加，处理间差异均达极显著水平；除N3处理外，各处理水稻不同生育阶段氮素积累量占总积累量的比率均表现为前期>中期>后期；水稻不同生育阶段氮素积累均随施氮量的增加而增加；除中期所占比率随施氮量增加而增加外，前期和后期所占比率均随施氮量增加而降低。同一施氮水平下，稻草全量还田与不还田处理(CK)相比，吸氮量差异不显著，但表现为前期吸氮比率高于CK，中、 后期吸氮比例略低于CK。

表5 施氮量对晚稻氮素积累的影响

相关分析表明，施氮量与氮素积累量及各生育阶段的氮素积累量均呈极显著正相关(表6)。产量和氮素总积累呈二次抛物线极显著正相关，与前、 中和后期的氮素积累量均呈正相关但不显著(图1)。有效穗与氮素总积累、 后期积累量均达到极显著正相关，与中期积累量为显著相关；结实率与各生育阶段氮素积累量均呈显著或极显著负相关(表6)。

2.2.2 施氮量对氮肥利用的影响 表7可以看出， 稻草还田后，氮肥表现利用率随施氮量增加而增加，且处理间差异极显著，N3处理比N1处理高15.37个百分点；氮素收获指数随施氮量的增加而降低，N3处理仅为49.53%，与不施氮处理差异极显著；N2处理的氮肥农学利用率最高，N3处理的最低，二者差异极显著；氮肥生理利用率随施氮量的增加而降低，N3处理与N1、 N2处理差异极显著；氮素的吸收率随施氮量增加而增加，N3处理比N0处理高25.89个百分点，处理间差异极显著；生产100 kg籽粒的需氮量随施氮量的增加而增加，N3处理最高，处理间差异极显著。

同一施氮水平下(N2)，稻草还田处理的氮肥表现利用率和吸收率分别比CK高5.12个百分点和1.26个百分点，氮素收获指数比CK低5.68个百分点；氮肥农学利用率和生理利用率分别比CK高3.53 kg/kg和4.24 kg/kg，差异显著；生产100 kg籽粒的需氮量略低于CK。

表6 氮素积累与施氮量、 产量及其构成的相关性

图1 氮素积累、 百公斤籽粒需氮量与产量的关系Fig.1 Relationships between total N accumulation, N-requirement for 100 kg grain and yield

表7 施氮量对氮肥利用率的影响

相关分析(表8)， 施氮量与氮肥表观利用率、 氮素吸收率、 生产100 kg籽粒需氮量均呈极显著正相关，与收获指数呈显著负相关。产量与氮肥表观利用率、 氮素吸收率呈极显著正相关，与氮肥农学利用率呈显著正相关。有效穗与氮肥表观利用率和氮素吸收率呈极显著正相关，与生产100 kg籽粒需氮量呈显著正相关，与收获指数呈显著负相关。每穗粒数与氮肥的农学利用率呈极显著正相关，与氮肥表观利用率和生理利用率均为显著正相关。结实率与表观利用率、 氮素吸收率和100 kg 籽粒需氮量呈极显著负相关，与氮肥收获指数呈显著正相关。千粒重与氮肥的农学利用率和生理利用率呈极显著正相关。按图1中抛物线方程计算，生产100 kg籽粒需氮量为2.03 kg时，产量最高为8.66 t/hm2。

表8 氮素利用率和施氮量、 产量及其构成的相关性

2.3 不同穗肥比例对氮素吸收利用的影响

2.3.1 不同穗肥比例对氮肥吸收的影响 从表9可以看出， 稻草全量还田下，氮素总积累量随穗肥比例下降而降低，不施分蘖肥处理NP1比不施穗肥处理NP6高17.91 kg/hm2。各处理氮素积累主要集中在前期(移栽-幼穗分化期)和中期(幼穗分化期—齐穗期)。前期的积累量和所占比率随穗肥比例的下降而增大；中期的氮素积累量和比率随穗肥比例的下降而减少，不施分蘖肥处理NP1比不施穗肥处理NP6分别高43.72 kg/hm2和23.22个百分点；后期(齐穗期—成熟期)氮素积累和比率除不施穗肥处理外，其余均随着穗肥比例而表现为先增大后降低的抛物线趋势，均以NP3处理最高。相关分析也表明， 稻草还田后同一施氮水平下，穗肥的施氮量与氮素的总积累量、 中期积累量呈极显著正相关(r分别为0.9523**和0.9653**)，穗肥的施氮量与前期氮素积累量呈极显著负相关(r=-0.9956**)。

2.3.2 不同穗肥比例对氮肥利用效率的影响 由表10可以看出，稻草全量还田后同一施氮水平下，氮肥的表现利用率和收获指数均随穗肥施用量的减少而降低，不施分蘖肥处理NP1比不施穗肥处理NP6分别高9.95个百分点和5.83个百分点，且二者均呈极显著差异。氮素的农学利用率和生理利用率均表现为随着穗肥比例的减少呈先增加后降低趋势，均以NP3处理最大，不施穗肥的处理NP6最低。氮素的吸收率随着穗肥比例的减少而降低，但最大值和最小值间仅相差2.37个百分点。生产100 kg籽粒需氮量随着穗肥比例的减少呈先降低后增加趋势，NP4处理最低，仅为1.79 kg。

表9 稻草还田下不同穗肥比例对氮素积累的影响

表10 稻草还田下不同穗肥比例对氮肥利用的影响

相关分析表明，穗肥施用量与氮肥的表观利用率、 收获指数和氮素吸收率均呈极显著正相关(r分别为0.9532**、 0.9695**、 0.9532**)。产量与氮肥的农学利用率呈极显著正相关(r=0.9987**)，与生理利用率达到显著正相关(r=0.7725*)。产量构成中，有效穗数与氮肥的表观利用率、 收获指数和氮素吸收率均呈极显著正相关(r分别为0.9014**、 0.9190**、 0.8984**)。

3 讨论与结论

3.1 稻草全量还田与水稻产量的问题

3.2 稻草全量还田下的氮肥分配

水稻对不同生育期追施氮肥的吸收利用表现出较大差异，适当增加穗粒肥比率，可以提高氮肥的吸收利用率与生产效率[17]。洪春来等[18]认为在不增加氮肥总用量的前提下，秸秆全量还田前期适当增大氮肥的施用比例，有利于降低土壤碳氮比，促进秸秆的矿化分解，防止微生物争氮带来不利的影响。王国忠和杨佩珍[19]研究表明，实施秸秆全量还田后纯氮在全生育期前中后期配比以 6.5 ∶0.5 ∶3为最佳。刘开强[20]认为，根据稻草养分释放的先快后慢的特点，可以适当降低基肥的比例，结合稻草养分释放在水稻分蘖期适时追肥。本试验研究表明， 稻草全量还田后，氮肥运筹以基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3产量最高，氮肥农学、 生理利用率也最高，与前人研究结果一致[20-21]，说明稻草全量还田适当地提高前期的施氮比例可以防止微生物与作物“争氮”的矛盾，有利于提高水稻产量。

3.3 稻草全量还田下的氮素吸收利用

稻草还田有利于保持和提高土壤氮素的有效性，减少矿质态氮在土壤中的累积和损失，从而间接地节省了部分化学氮肥的使用，适量稻草还田配施氮肥能显著提高水稻氮素吸收转化功能，提高氮肥利用效率，增加N、 P、 K的收获指数，提高P、 K的干物质生产效率[5,18,20]。但也有研究认为，稻草还田配施氮、 磷、 钾肥会降低水稻对氮素的吸收[2]。本研究结果表明，稻草全量还田后，施氮越多，晚稻氮素的积累量、 氮肥表现利用率、 氮素的吸收率和生产100 kg籽粒的需氮量均随之提高，其中氮肥农学利用率以施氮180 kg/hm2最高；等施氮量下，氮素积累量随穗肥施用比例下降而降低，氮素农学利用率和生理利用率以基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3处理的最高。配施适量氮肥后，稻草全量还田除收获指数低于稻草不还田对照外，其余氮素积累和氮肥利用率均高于对照，特别是氮肥的表观利用率极显著高于对照，而农学和生理利用率差异均达到显著水平。

综上所述，早稻稻草机械化全量还田下，配施适量的氮肥可以极显著提高晚稻产量，且主要是通过后期提高结实率和千粒重来增加产量的。从产量效应和氮肥的吸收利用率方面考虑，在双季稻区早稻草全量还田后，晚稻适宜的施氮量是180 kg/hm2，最佳的氮肥运筹是基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=5 ∶2 ∶3。从生态环境方面和农业可持续发展方面考虑，应逐步减少氮肥的施入量，合理安排好氮肥的施用比例，加强稻草还田等有机肥的施入，以便保持土壤肥力，减少氮肥在环境中的残留和浪费，减少潜在的农田环境污染，提高氮肥的利用效率。

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