秸秆还田下氮肥运筹对白土田水稻产量和氮吸收利用的影响

李录久, 王家嘉, 吴萍萍, 黄厚宽, 蒋荫锡

(1安徽省农科院土壤肥料研究所, 安徽合肥 230031; 2肥西县土肥站, 安徽肥西 231200)



秸秆还田下氮肥运筹对白土田水稻产量和氮吸收利用的影响

李录久1, 王家嘉1, 吴萍萍1, 黄厚宽2, 蒋荫锡1

(1安徽省农科院土壤肥料研究所, 安徽合肥 230031; 2肥西县土肥站, 安徽肥西 231200)

氮肥运筹; 水稻产量; 氮素吸收利用效率; 秸秆还田; 白土

whitepaddysoil

安徽省水稻种植面积虽然较大, 但单位面积产量较低, 2012年平均为6.291t/hm2, 低于全国平均产量6.777t/hm2, 排在全国20位以后, 与江苏等高产省有较大差距[2], 除气候条件和栽培技术外, 主要原因是施肥不合理, 没有实行科学的氮肥运筹。调查表明[4], 农民习惯施肥氮肥基施比例过大, 导致前期水稻旺长, 无效分蘖多, 后期脱肥早衰, 最终影响了籽粒产量。氮肥运筹包括基肥和追肥比例对水稻产量[5-10]和氮素吸收量[11-16]影响的研究已有一些报道。这些研究表明, 合理的氮肥运筹能有效提高水稻产量, 提高肥料利用率。研究结果对推动水稻科学施肥发挥了重要作用。但是, 这些研究大多是在较高基础肥力土壤和高产栽培条件下进行的, 低产土壤较少, 低产白土鲜见报道, 特别是秸秆还田条件下。白土属于水稻土类潴育型水稻土亚类, 主要分布于安徽、 江苏等省的江淮丘陵地区, 粉砂含量高, 养分贫乏, 保肥供肥能力差, 是我国南方5大低产水稻土类型之一[17]。秸秆还田能提高土壤养分含量, 促进水稻生长发育[18]。为此, 开展了秸秆还田与氮肥运筹相结合试验, 以期为华中低产白土稻田水稻合理施肥、 提高水稻产量和氮肥利用效率提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验设计

试验于2011和2012年分别在安徽省长丰县罗塘乡(简称CF)和肥西县严店乡(简称FX)进行, 供试土壤为下蜀黄土发育而成的低产白土型水稻土。试验前两试点0—20cm耕层土壤养分状况:pH为5.48和5.57, 有机质含量20.9和25.6g/kg, 全氮含量1.49、 1.07g/kg, 全磷含量 1.06、 1.02g/kg, 有效磷为 5.0、 5.1mg/kg, 速效钾为42.2和62.6mg/kg。

2年两地试验处理内容完全一致, 在施化学氮肥(N)180kg/hm2基础上进行, 采用裂区设计, 试验主处理是小麦秸秆还田3000kg/hm2(简称S), 以不施秸秆为对照; 副处理为水稻氮肥运筹方式, 设置基肥-分蘖肥-穗肥施用百分比例分别为80-0-20、 60-20-20 和40-30-30共3种, 以N80-0-20、N60-20-20和N40-30-30表示, 以不施氮肥为对照CK, 构成7个处理: 1)CK; 2)N80-0-20; 3)N60-20-20; 4)N40-30-30; 5)N80-0-20+S; 6)N60-20-20+S; 7)N40-30-30+S。所有处理均施用磷(P2O5)90kg/hm2和钾(K2O)120kg/hm2等量磷钾肥。供试肥料: 氮肥为尿素(含N46%), 磷肥为磷酸二铵(含N18%,P2O546%, 对照CK处理用P2O5含量12%的普通过磷酸钙), 钾肥为氯化钾(含K2O60%)。所有磷、 钾肥作基肥, 与小麦秸秆一起在水稻移栽前一次性施入。小区面积4m×5m计20.0m2, 四次重复, 区组裂区内随机排列。小区间以田埂分隔, 并用塑料薄膜包埋, 单灌单排。供试水稻品种为当地主栽的丰良优6号, 栽插密度24cm×15cm约2.8×105hole/hm2。每年4月下旬水稻育秧, 6月初移栽, 9月底按小区单独收获计实产。其他栽培管理措施如病虫草害防治同当地一般大田水稻。

1.2测定项目和分析方法

水稻收获期每小区选100穴水稻调查有效穗数, 采集代表性植株5穴, 调查水稻穗长、 穗粒数、 饱满籽粒数、 空瘪粒数、 千粒重, 考察产量结构, 计算理论产量, 保留样品供养分测定。收获的同时测定地上部秸秆重量。土壤基本性状采用常规法分析, 参照《土壤农化分析》[19]进行; 植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮, 开氏半微量定氮法测定。

1.3氮素吸收与利用效率的计算

参考有关资料[4,8,9,15-17]计算氮素吸收量和氮利用效率:

氮素积累总量(totalnitrogenaccumulation,NTA,kg/hm2)=成熟期单位面积全株地上部秸秆和籽粒氮素吸收量之和, 即秸秆干物重(W)×秸秆含氮量+籽粒干重×籽粒含氮量。

氮素干物质生产效率(nitrogendrymatterproductionefficiency,NDMPE,kg/kgN) =单位面积水稻植株干物质重(W)/单位面积植株氮素积累总量。

氮素稻谷生产效率(nitrogengrainproductionefficiency,NGPE,kg/kgN) =单位面积水稻籽粒产量/单位面积植株N积累量。

氮素收获指数(Nharvestindex,NHI, %) =成熟期植株穗部氮积累量/植株氮素积累总量×100。

氮素农学效率(agronomyefficiencyofnitrogenapplied,NAE,kg/kgN) = (施氮肥处理稻谷产量-不施氮肥处理稻谷产量)/总施氮量。

氮肥利用率(nitrogenapparentrecoveryefficiency,NARE, %)=(施氮处理植株氮素积累量-不施氮处理植株氮素积累量)/施氮量×100。

生产百公斤水稻子粒需氮量(theamountofabsorbingnitrogenper100kggrains,100kg-AAN,Nkg/100kg)=氮素积累总量/稻谷产量×100。

氮肥偏生产力(partialfactorproductivityofnitrogen,NPFP,)=单位面积稻谷产量/单位面积施氮量。

氮肥生理利用率(physiologicalefficiencyofnitrogen,NPE,kg/kg)=(施氮肥处理稻谷产量-不施氮肥处理稻谷产量)/(施氮处理总吸氮量-不施氮肥处理总吸氮量)。

1.4数据处理

数据采用Excel软件和DPS7.05软件进行统计分析, 并用LSD(Leastsignificantdifferencetest)法进行样本平均数的差异显著性比较。统计分析时, 先按二因素裂区设计(2个秸秆还田, 3个氮肥配比)进行方差分析, 再将3个氮肥配比和对照CK在2个秸秆还田下的平均值当成一个单因素试验进行方差检验和多重比较。

2　结果与分析

2.1秸秆还田下不同氮肥运筹方式对水稻产量及其构成因素的影响

水稻产量方差分析结果, 2011年试验, 裂区主处理即施与不施秸秆间存在极显著差异, 副处理即不同氮肥基追比例间存在显著差异, 而秸秆还田与氮肥基追比例间的交互作用则不显著。2012年试验, 主处理间差异不显著, 副处理间存在显著差异, 两者间的交互作用也不显著。

表1　氮肥运筹方式对水稻产量及其构成因素的影响Table 1　Effect of different proportion of nitrogen application on rice yield and its components

注(Note): 数值后不同小、 大写字母表示处理间差异分别达5%和1%显著水平Valuesfollowedbydifferentsmallandcapitallettersmeansignificantatthe5%and1%levelsamongtreatments,respectively.

秸秆还田对白土稻田水稻产量及其构成也有明显影响(表1)。2011年长丰试验, 3种氮肥运筹方式下, 实施小麦秸秆直接还田后, 水稻籽粒产量较不施秸秆的对照分别提高23.4%、 15.0%和10.2%, 增产效应达显著或极显著水平, 前期施氮量即基肥用量较多的N80-0-20处理增产幅度最大, 其次是中等基肥用量的N60-20-20处理, 基肥用量最少的N40-30-30处理增产率最低。2012年肥西试验结果与此相似, 3种氮肥运筹方式下秸秆还田的增产率分别为5.5%、 1.4%和0.8%, 除N80-0-20外产量基本持平, 其原因可能是本年度当地干旱导致小麦秸秆腐解缓慢, 释放有效养分较少。这一结果也说明, 实施小麦秸秆直接还田条件下, 制定水稻氮肥运筹方案时, 必须保证一定比例的氮肥基肥用量, 才可能使秸秆及时腐解释放出有效养分供水稻生长发育, 特别是干旱条件下。

2.2秸秆还田下不同氮肥运筹方式对水稻植株含氮量及氮素吸收量的影响

2.2.1 对水稻植株含氮量的影响从表2可看出, 不同氮肥运筹方式对水稻植株含氮量有明显影响。增施氮肥后, 水稻籽粒和秸秆含氮量总体上较不施氮的对照均明显提高, 差异达显著水平。其中2011年长丰试验, 不施秸秆条件下, 3种氮肥运筹方式中, 中等基追肥用量的N60-20-20处理水稻籽粒含氮量最高, 较不施氮的对照提高11.3%, 同时秸秆氮含量降至最低, 降幅达15.8%, 差异达显著水平。但是, 继续减少基肥量而加大追肥量, 则会降低籽粒氮素含量而增加秸秆含氮量, 高量穗肥的N40-30-30处理, 籽粒含氮量较N80-0-20处理显著下降13.6%, 而秸秆氮素含量则显著升高10.6%。秸秆还田条件下, 水稻籽粒含氮量也是N60-20-20+S处理最高, 并且N40-30-30+S处理也明显高于对照CK和N80-0-20+S处理, 而秸秆氮素含量则随后期氮肥用量的增加而提高。2012年肥西试验结果与此相似, 无论是否实施小麦秸秆还田, 水稻籽粒含氮量均是氮肥基/追比例相近的60-20-20处理水稻籽粒含氮量最高, 而秸秆含氮量均随中后期追肥比例的加大而提高。这一结果说明后期氮肥用量过大可能导致秸秆含氮量过高, 造成水稻贪青晚熟; 适宜的氮肥运筹能有效提高水稻籽粒含氮量, 降低秸秆氮素含量, 促进氮向籽粒转移。

秸秆还田对水稻植株氮素含量也有明显影响(表2)。2011年长丰试验, 与不施秸秆的对照相比, 实施秸秆还田的3个处理, 水稻籽粒含氮量分别提高-6.6%、 10.0%和16.4%, 秸秆含氮量升高-4.0%、 21.1% 和10.1%, 表明秸秆还田条件下氮肥后移即增加分蘖肥和穗肥用量更能提高水稻籽粒含氮量, 同时增加秸秆氮素含量。2012年肥西试验与此有所不同, 水稻籽粒含氮量基本持平并略有下降, 秸秆氮素含量明显降低, 特别是N60-20-20+S处理, 其原因可能与气候有关。2012年当地遭遇干旱, 稻田中期缺水, 可能影响了小麦秸秆腐烂降解, 导致秸秆中的氮素等养分不能及时释放出来供水稻吸收利用, 后期水稻有所脱肥。

表2　氮肥不同施用比例对水稻含氮量和氮素吸收量的影响Table 2　Effect of different proportion of nitrogen application on content and absorption of nitrogen in rice

注(Note): 数值后不同小字母表示处理间差异达5%显著水平Valuesfollowedbydifferentsmalllettersmeansignificantatthe5%levelamongtreatments,respectively.

2.3秸秆还田下不同氮肥运筹方式对水稻氮素利用效率的影响

2.3.1 对氮素干物质生产效率、 稻谷生产效率、 收获指数和百公斤籽粒吸氮量的影响从表3可看出, 秸秆还田结合氮肥运筹方式对白土稻田水稻氮素干物质生产效率、 稻谷生产效率、 收获指数和百公斤籽粒吸氮量有明显的影响。2011年试验, 不施秸秆条件下, 3种氮肥运筹方式中, 基肥-分蘖肥-穗肥比例60-20-20的N60-20-20处理效果最好, 氮素干物质生产效率、 氮素稻谷生产效率、 氮收获指数均最高, 较N80-0-20处理分别提高5.96、 1.62和2.95个百分点; 其次是N40-30-30处理, 除NHI降低外,NDMPE和NGPE相应提高4.65和1.55个百分点。百公斤籽粒吸氮量,N60-20-20处理最低,N40-30-30处理接近最低。这一结果也说明, 适当减少氮肥基施用量, 增加中后期分蘖肥和穗肥用量, 能有效提高水稻氮素干物质生产效率、 稻谷生产效率和收获指数, 降低百公斤籽粒氮素吸收量。但是秸秆还田条件下, 结果有些不同, 除氮素收获指数N60-20-20+S处理最高外, 氮素干物质生产效率和氮素稻谷生产效率均随中后期追肥量的增加而下降,N40-30-30+S处理最低, 差异显著; 而百公斤籽粒吸氮量则是其最高, 表明秸秆还田后, 减少氮肥基施用量影响了前期水稻生长发育, 减少了植株干物质的积累, 同时后期追施氮肥增加了秸秆氮素积累量, 导致稻谷生产效率下降、 百公斤籽粒吸氮量升高。2012年试验有所差异, 无秸秆还田时,NDMPE、NGPE和NHI也像秸秆还田时一样, 均随后期追肥量的增加而下降, 而百公斤籽粒吸氮量则相应升高, 其原因也是如此。实施秸秆还田时, 其趋势与2011年基本一致(表3)。

2.3.2 对氮素农学效率、 氮肥利用率、 生理效率和偏生产力的影响表3可看出, 秸秆还田下不同氮肥运筹方式对白土稻田水稻氮素农学效率、 生理效率、 偏生产力和氮肥利用率也有较大的影响。2011年试验, 无论是否实施小麦秸秆还田, 3种氮肥运筹方式中均是氮肥适当后移, 即基肥-分蘖肥-穗肥比例60-20-20的处理, 氮素农学效率、 氮肥回收利用率和偏生产力3项指标达最高值, 较80-0-20比例处理农学效率分别提高籽粒4.90和2.44kg/kgN, 氮肥利用率提高7.82和21.29个百分点, 偏生产力提高4.90和2.44个百分点, 差异达显著水平; 其次是基肥-分蘖肥-穗肥比例40-30-30的处理, 除秸秆还田条件下氮农学效率较低外, 其他指标也明显高于80-0-20比例处理。氮素生理效率, 无秸秆还田条件下也是基-蘖-穗肥比例60-20-20的处理最高, 40-30-30比例次之(表3)。2012年试验结果与此相似,NAE、NARE和NPFP基本上也是60-20-20比例最高。

实施小麦秸秆直接还田也能有效提高水稻氮肥利用效率(表3)。与无秸秆的对照相比, 实施秸秆还田后, 3种氮肥运筹方式下, 2011年水稻氮素农学效率分别增加籽粒8.88、 6.42和4.23kg/kgN, 氮肥利用率提高16.1、 29.5和24.0个百分点, 相对提高55.6%、 80.4%和71.0%, 基肥-分蘖肥-穗肥运筹比例40-30-30的处理氮肥利用率提高的幅度最大。

表3　秸秆还田下氮肥运筹对水稻氮素利用效率的影响Table 3　Effect of the split nitrogen application strategies on the nitrogen efficiency of rice

注(Note):NDMPE—Nitrogendrymatterproductionefficiency;NGPE—Nitrogengrainproductionefficiency;NHI—Nharvestindex;NAE—Agronomyefficiencyofnitrogenapplied;NARE—Nitrogenapparentrecoveryefficiency;NPFP—Partialfactorproductivityofnitrogen;NPE—Physiologicalefficiencyofnitrogen. 数值后不同小字母表示处理间差异达5%显著水平Valuesfollowedbydifferentsmalllettersmeansignificantatthe5%levelamongtreatments,respectively.

3　讨论与结论

3.1秸秆还田下氮肥基追比例对水稻产量的影响

江淮丘陵白土区是安徽省一季稻重要产区, 水稻灌浆成熟期易遇到连阴雨天气导致倒伏而减产, 并影响收割, 农民习惯施肥较多采用“重施基肥、 早施分蘖肥”的氮肥运筹方式, 有的甚至不追肥, 这样水稻前期生长旺盛, 分蘖多, 依靠增加穗数来提高籽粒产量[4]。但是这种重施基肥的传统氮素施肥模式也有很多缺陷: 水稻无效分蘖多, 后期易脱肥早衰, 籽粒产量不高; 氮素流失多, 降低了肥料利用率, 增加了生产成本, 还加重了环境污染。现代稻作提倡氮肥后移, 适当减少基肥施用量, 增加后期追肥量, 在稳定适宜穗数的基础上, 增加穗粒数, 实现水稻高产[8-18]。但是, 试验条件不同, 适宜的氮肥基追比例差异较大[8-18], 特别是秸秆还田条件下。本研究表明, 基-蘖-穗肥比例60-20-20的处理最好、 水稻结实率提高, 每穗粒数明显增多, 籽粒产量最高, 增产效应显著, 表明合理的氮肥运筹方式即适当减少前期氮肥基肥用量增加中后期分蘖肥和穗肥用量, 可有效提高水稻籽粒产量。但是氮肥基施用量也不宜过低, 特别是秸秆还田条件下, 氮肥后移的N40-30-30处理, 增产不显著, 秸秆还田下甚至减产, 说明不宜盲目或过量进行氮肥后移, 否则前期氮肥供给不足会影响秸秆腐烂分解、 释放出有效养分供水稻生长发育以及养分的均衡供应, 影响移栽稻田水稻缓苗与分蘖, 导致有效分蘖不足, 降低成穗率, 从而影响水稻籽粒产量的提高, 与万靓军、 吴文革等在江苏、 安徽的研究结果59%和50 ∶25 ∶25基施比例相似而与北方存在较大差异, 可能北方水稻品种、 生育期和土壤条件等与此差异较大有关[4-5]。

3.2秸秆还田下氮肥基追比例对水稻氮素吸收利用的影响

3.3秸秆还田下氮肥基追比例对水稻氮素利用效率的影响

肥料利用效率是评价施肥效应的重要指标, 常用的是农学效率和回收利用率。吴文革等[4]研究表明, 增加穗肥比例提高了氮肥当季利用率、 回收率和收获指数, 早稻基 ∶蘖 ∶穗肥50 ∶25 ∶25的氮肥运筹模式最好, 氮肥农艺效率也最高。张满利等[9]指出, 合理的氮肥运筹方式能够显著提高水稻氮肥吸收利用率。胡健锋等[16]研究结果, 同一施氮水平下提高穗肥比例, 氮素运转效率、 收获指数、 农学效率、 生理利用率和氮素当季利用率增加, 稻谷生产效率降低。本研究发现, 适当减少氮肥基施用量, 增加中后期分蘖肥和穗肥用量, 能有效提高水稻氮素干物质生产效率、 稻谷生产效率、 收获指数、 氮素农学效率、 氮肥回收利用率和偏生产力, 降低百公斤籽粒氮素吸收量。但是, 氮肥基肥比例不宜过低、 氮后移比例不能过大, 否则会降低氮素利用效率, 与前人的研究结果一致。

以上分析说明, 氮肥基追比例运筹对水稻产量和氮素吸收利用具有多方面的影响。综合考虑水稻产量、 氮素吸收量和氮肥利用效率, 安徽省江淮丘陵低产白土单季稻区, 秸秆还田条件下, 水稻基肥-分蘖肥-穗肥施用比例, 以60-20-20运筹方式较为适宜, 水稻籽粒产量高, 籽粒含氮量升高、 氮吸收量增多, 氮肥利用效率提高。

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EffectofdifferentnitrogenapplicationonriceyieldandNuptakeofwhitesoilunderwheatstrawturnover

LILu-jiu1,WANGJia-jia1,WUPing-ping1,HUANGHou-kuan2,JIANGYin-xi1

(1 Soil and Fertilizer Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031,China;2 The Extension Center of Agricultural Technology at Feixi County, Feixi, Anhui 231200, China)

【Objectives】Effectsofdifferentnitrogen(N)ratiosofbasalandtopdressingapplicationonricegrowthandNuptakeintheconditionofwheatstrawdirectturnoverwerestudiedtoprovideascientificbaseforriceapplyingNrationallyinlow-yieldwhitepaddysoilofmiddleregionofChina.【Methods】Twolevelsofwheatstrawturnover(0and3000kg/hm2)andthreeNapplicationratiosofbasalandtopdressing(80-0-20, 60-20-20,and40-30-30),andNomittedtreatmentweredesigned,whichwerereorderedasN80-0-20,N60-20-20,N40-30-30,N80-0-20+S,N60-20-20+S,N40-30-30+SandCK,respectively.Therepresentativesampleswerecollectedtoinvestigatericeyieldcomponentsattheharvestperiod,andtheyieldsandNconcentrationsingrainandstrawwerealsomeasuredtodetermineNuptakeandnitrogenuseefficiency. 【Results】ThetreatmentofN60-20-20obtainsthehighestricegrainyieldswhichareincreasedby9.4%-12.9%in2011and7.4%-8.9%in2012,respectively,comparedwiththecontrolN80-0-20.Intheconditionofwheatstrawdirectturnover,ricegrainyieldsareincreasedby10.2%-23.4%and0.8%-5.5%,respectively,comparedwiththenostrawturnovertreatments.TheNcontentinricegrainsoftheN60-20-20treatmentreachesthehighest,whichis11.3%higherthanthatintheCKtreatment,whiletheNcontentsinstrawareincreasedwiththeincreaseofNtopdressingapplicationratioatthemid-lateperiod.IncreasingNapplicationrateoftopdressingcanpromotetheNcontentsingrainsandstrawintheconditionofwheatstrawturnover.ThetotalNuptakesinricegrainsreachthehighestfortheN60-20-20treatment,andaresignificantlyincreasedby13.7%and24.8%in2011and14.5%and9.2%in2012,respectively,comparedwiththeN80-0-20treatment.TheNuptakesinricestrawareincreasedwiththeincreaseofNtopdressingapplicationinmid-lateperiod,andtheuptakeofthetreatmentN40-30-30reachesthehighest.Thedrymatterproductionefficiency,grainproductionefficiencyandharvestindexofnitrogenreachtheirpeaksintheN60-20-20treatmentwithnowheatstrawturnover,inwhichtheamountofNabsorptionper100kggrainsdropstothelowest,whileacontraryresultshowswhenwheatstrawturnover.Theagronomyefficiency,apparentrecoveryefficiencyandpartialproductivityofnitrogenarealsosignificantlypromotedintheN60-20-20treatmentby4.90and2.44kggrainperkgN,and7.82and21.29,and4.90and2.44percentagepoints,respectively,comparedwiththeN80-0-20treatment.【Conclusions】Consideringricegrainyield,Nuptakeandnitrogenuseefficiency,the60-20-20Napplicationratioofbase-jointing-panicledevelopmentstagesissuitableforsingle-reasonriceinJianghuaihillylandregionwithlow-yieldwhitesoils,Anhuiprovinceundertheconditionofwheatstrawdirectturnover.

nitrogenapplication;riceyield;Nuptakeanduseefficiency;wheatstrawdirectturnover;

2014-04-01接受日期: 2014-10-31网络出版日期: 2015-12-08

国家科技支撑计划(2012BAD05B02); 公益性行业(农业)科研专项(201003016); 国际植物营养研究所(IPNI)项目资助。

李录久(1962—)，男，安徽长丰人，博士，研究员，主要从事植物营养与施肥研究。E-mail:lilujiu@yahoo.com.cn

S141.4;S511.062文献类型:A

1008-505X(2016)01-0254-09