秸秆还田配合氮肥减量对稻田土壤养分、碳库及水稻产量的影响

王保君，程旺大，陈 贵，沈亚强，张红梅

(浙江省嘉兴市农业科学研究院(所)，浙江 嘉兴 314016)

水稻是喜氮作物，增施氮肥是实现水稻稳产和高产的有效途径。然而，过多的氮肥施用不仅会使水稻徒长，病虫草害加剧，后期水稻倒伏概率增加，严重影响水稻产量[1]，而且也会明显降低氮肥的利用效率[2]。此外，长期单一地施用化肥也会对农田土壤结构产生负面影响[3]。

作物秸秆中富含大量的氮、磷、钾和微量元素，是重要的有机碳源[4]。秸秆还田作为秸秆回收利用的重要方式，不仅可以解决秸秆焚烧带来的环境污染等问题[5]，而且可以循环补充土壤养分，减少化肥施用量[6]。

农田土壤养分可以有效反映土壤肥力的内部状况，是农业丰产的有力保证。土壤有机碳不仅是作物生长的养分来源，而且也是土壤微生物生命活动重要的能量来源[7]。其中，土壤活性有机碳可以作为评价土壤质量的早期指标[8]。因此，土壤养分和土壤碳库可以用于反映秸秆还田和施肥措施的合理性。前人关于秸秆还田和施肥对土壤质量影响的研究较多[9-10]，但是将秸秆还田释放的氮素作为水稻整个生育期总供氮量的一部分，以相应地调减氮肥投入量，来开展秸秆还田和氮肥减量对稻田土壤和水稻产量影响的研究却较少。本研究通过大田试验，研究秸秆还田和氮肥减量对稻田土壤养分、碳库和水稻产量的影响，以期为我国农业减少氮肥投入量、优化农业资源利用提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年6月至2017年11月在浙江省嘉兴市秀洲区王江泾镇双桥试验基地(120°42′42″E， 30°50′20″N)进行。试验地属亚热带季风气候，海拔10 m，年平均气温15.5 ℃，年均降水量1 194 mm，年均日照时间1 950 h，年辐射量462 kJ·cm-2，年无霜期245 d。试验田土壤类型为长三角地区典型的青紫泥，0—20 cm土层土壤基本理化性状：有机质30.28 g·kg-1，全氮2.31 g·kg-1，速效磷13.52 mg·kg-1，速效钾56.13 mg·kg-1，铵态氮21.52 mg·kg-1，硝态氮6.28 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 试验设计

本试验采用2因素随机区组设计，分别为秸秆是否还田和供氮量2个因素。根据嘉兴当地施肥习惯，水稻整个生育期总供氮量设不施氮(N0)、低施氮量(NL)、中施氮量(NM)、高施氮量(NH)4个水平，共计8个处理，每处理重复3次，共24个试验小区，每小区面积36 m2(6 m×6 m)。小区间筑埂(埂宽40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止串水串肥。试验秸秆来源于上一年水稻收获后的秸秆，将秸秆混匀后经人工粉碎成5～10 cm的稻草段，用于当季水稻试验。所有秸秆还田处理均在当季水稻移栽前1个月内处理完毕。结合相关文献和当地生产实际，水稻秸秆全量还田的还田量约为7 500 kg·hm-2，水稻秸秆的含氮量为0.83%，当季秸秆腐解率为49.17%，因此秸秆全量还田后约相当于增施氮(以纯氮计)30 kg·hm-2[11-13]。本研究秸秆还田和施氮量处理方案如表1所示。

1.3 田间管理

本试验供试水稻品种为嘉58，耕作方式为单季稻—冬闲一熟制。试验进行2 a，分别于2016年6月19日和2017年6月25日人工移栽，移栽叶龄为5叶，移栽行株距为20.0 cm×16.7 cm，每穴2株。各处理氮肥施用量(以纯N计)按基肥、分蘖肥、穗肥用量2∶2∶1的比例分配。基肥于移栽前1 d施入，分蘖肥分别于2016年7月13日和2017年7月11日施入，穗肥分别于2016年8月8日和2017年8月7日施入。磷、钾肥全部作基肥施用，施用量(分别以P2O5、K2O计)分别为42、150 kg·hm-2。各处理水稻生长期间水分管理模式和病、虫、草害防治与当地常规田间管理相同。水稻收获时间分别为2016年11月5日和2017年11月13日。

1.4 测定内容及方法

在2017年11月12日，水稻收获前1 d取样，用土钻在试验地各小区采用五点取样法收集土层深度为0—20 cm的土壤样品，混合后带入实验室，剔除石块和动植物残体等杂质，测定土壤养分(全氮、速效磷、速效钾、铵态氮和硝态氮)和土壤碳库(总有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、土壤微生物碳)含量。土壤全氮采用半微量开氏消煮法测定[14]，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[14]，速效钾采用火焰光度计法测定[14]，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定[14]，硝态氮采用紫外分光光度法测定[14]，土壤总有机碳和可溶性有机碳采用重铬酸钾外加热氧化法测定[15-16]，土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化比色法测定[17]，土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法测定[18]。

表1试验处理方案

Table1Design of straw returning and nitrogen application methods

处理Treatment稻草还田量Straw returning amount/(kg·hm-2)施氮(N)量Application rate of N/(kg·hm-2)总供氮量Total application rate of N/(kg·hm-2)N0000NL0195195NM0270270NH0345345SN07500030SNL7500165195SNM7500240270SNH7500315345

水稻收获前每小区随机采集20穴水稻植株，用网袋装好，带回室内考种，主要测定总穗数、有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等。水稻成熟后，各小区单独收割脱粒晒干，测产。

1.5 数据处理及分析

仅选取2017年(第2年)试验数据进行分析，用SPSS 20.0软件进行方差分析，用Microsoft Office Excel 2003软件制图。

2 结果与分析

2.1 对稻田土壤养分的影响

由表2可知，在水稻整个生育期，在不同供氮水平下，秸秆还田处理对土壤养分含量的影响不尽相同：与N0相比，SN0处理的速效磷显著(P<0.05)增加了29.52%，铵态氮显著(P<0.05)减少了20.37%；与NL相比，SNL处理的全氮显著(P<0.05)增加了18.90%，铵态氮显著(P<0.05)减少了12.85%；与NM相比，SNM处理的有机质、全氮、速效磷和速效钾含量分别显著(P<0.05)增加了33.86%、13.83%、54.64%和21.60%，铵态氮显著(P<0.05)减少了13.69%；与NH相比，SNH处理的铵态氮显著(P<0.05)增加了10.41%。

无秸秆还田条件下，与N0相比，NL的全氮含量显著(P<0.05)减少了11.19%，铵态氮和硝态氮含量分别显著(P<0.05)增加了39.47%和106.38%，NM、NH的铵态氮含量分别显著(P<0.05)增加了20.63%、20.96%。在秸秆还田条件下，与SN0相比，SNL的速效磷、速效钾含量分别显著(P<0.05)减少了29.25%和16.90%，铵态氮和硝态氮含量分别显著(P<0.05)增加了52.65%和108.76%；SNM的全氮、铵态氮和硝态氮含量分别显著(P<0.05)增加了11.07%、30.76%和61.78%；SNH的铵态氮和硝态氮含量分别显著(P<0.05)增加了67.72%和71.97%。

2.2 对稻田土壤碳库的影响

由图1可知，在水稻整个生育期，在不同供氮水平下，秸秆还田处理对土壤碳库的影响各异：与N0相比，SN0处理的微生物碳含量显著(P<0.05)增加了54.68%，可溶性碳含量显著(P<0.05)减少了60.75%；与NL相比，SNL处理的可溶性碳含量显著(P<0.05)减少了69.09%；与NM相比，SNM处理的总有机碳含量显著(P<0.05)增加了33.81%，可溶性有机碳和微生物碳含量分别显著(P<0.05)减少了49.22%和32.36%；与NH相比，SNH的可溶性有机碳显著(P<0.05)减少了86.48%。

无秸秆还田条件下，与N0相比，NL的微生物碳含量显著(P<0.05)增加了106.76%，易氧化有机碳含量显著(P<0.05)减少了17.35%；NM的可溶性有机碳和微生物碳含量分别显著(P<0.05)增加了50.79%和117.31%；NH的可溶性有机碳含量显著(P<0.05)增加了35.90%。在秸秆还田条件下，与SN0相比，SNL和SNH处理的土壤碳库指标无显著变化；SNM处理的可溶性有机碳含量显著(P<0.05)增加95.06%。

表2不同处理对稻田土壤养分的影响

Table2Effect of different treatments on rice soil nutrition

处理Treatment有机质Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)速效磷Available P/(mg·kg-1)速效钾Available K/(mg·kg-1)铵态氮NH+4-N/(mg·kg-1)硝态氮NO-3-N/(mg·kg-1)N034.56±0.94 ab2.86±0.10 bc18.29±1.21 cd65.50±3.46 bc30.58±0.12 e7.52±0.33 cdNL32.00±1.03 b2.54±0.07 d14.68±1.27 d57.50±3.75 c42.65±0.54 a15.52±0.08 aNM31.19±1.09 b2.82±0.13 bcd16.49±1.39 cd62.50±4.33 bc36.89±0.62 c9.78±0.48 bcdNH31.49±3.11 b2.64±0.14 cd19.19±1.44 c60.00±4.62 c36.99±0.33 c9.76±1.03 bcdSN035.69±2.31 ab2.89±0.07 bc23.69±0.98 ab71.00±2.31 ab24.35±0.17 f6.28±0.60 dSNL35.04±3.09 ab3.02±0.11 ab16.76±2.08 cd59.00±2.60 c37.17±0.26 c13.11±2.78 abSNM41.75±2.69 a3.21±0.09 a25.50±1.10 a76.00±2.89 a31.84±0.16 d10.16±0.84 bcSNH30.93±2.68 b2.62±0.10 cd20.09±1.15 bc64.50±3.18 bc40.84±0.28 b10.80±0.28 bc

同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图1 不同处理对稻田土壤碳库的影响Fig.1 Effect of different treatments on rice soil carbon pool

2.3 对水稻产量的影响

由表3可知：在水稻整个生育期，除中施氮量条件下，与NL相比，SNL的结实率显著(P<0.05)降低了6.87%、千粒重显著(P<0.05)增加了11.23%外，在其他供氮水平下，秸秆还田处理对水稻产量构成因素并无显著影响。

无秸秆还田条件下，随着施氮量增加，水稻穗数增加。与N0相比，NL、NM、NH的穗数分别显著(P<0.05)增加了81.40%、106.98%、127.91%，千粒重分别显著(P<0.05)减少了11.64%、10.58%、14.33%，NH的穗粒数显著(P<0.05)降低了17.32%。在秸秆还田条件下，与SN0相比，SNL、SNM、SNH的穗数分别显著(P<0.05)增加了37.56%、79.19%、70.14%，SNM、SNH的千粒重分别显著(P<0.05)下降了11.11%、11.19%。

表3不同处理对水稻产量的影响

Table3Effect of different treatments on rice yield

处理Treatment穗数Spike number/(106 hm-2)穗粒数Grain numberper spike结实率Seed settingrate/%千粒重1000 grainweight/g实际产量Yield/(t·hm-2)N01.72±0.04 d139.71±1.23 ab93.21±0.68 a24.49±0.18 a6.01±1.05 bNL3.12±0.21 bc130.24±9.32 abc91.93±1.69 a21.64±0.49 b7.64±1.08 abNM3.56±0.28 abc130.91±2.47 abc90.82±1.84 a21.90±0.56 b7.73±1.07 abNH3.92±0.11 a115.51±4.63 c89.74±0.19 ab20.98±0.18 b8.73±1.07 abSN02.21±0.22 d126.75±3.78 abc88.83±2.58 ab24.04±0.20 a5.85±1.09 bSNL3.04±0.17 c147.10±13.90 a85.61±0.10 b24.07±1.64 a6.54±1.08 abSNM3.96±0.25 a136.40±9.08 abc90.63±0.74 a21.37±0.63 b9.49±1.13 aSNH3.76±0.38 ab123.01±5.53 bc90.06±1.93 ab21.35±0.41 b9.04±1.08 ab

在实际产量方面，SNM的产量最高，且显著(P<0.05)高于N0和SN0处理。同N0和SN0处理产量相比，SNM的产量分别显著(P<0.05)增加了57.90%、62.22%。

3 讨论

在土壤碳库方面：研究表明，秸秆还田配施常量化肥会增加土壤有机碳和活性有机碳含量[24-25]；吴玉红等[26]研究发现，秸秆还田配施减量15%化肥，土壤的有机碳及活性有机碳含量均增加。本研究表明，在2 a秸秆全量还田配施纯氮240 kg·hm-2条件下，稻田土壤的总有机碳和易氧化有机碳含量最高，而土壤可溶性有机碳含量和微生物碳含量却低于相同供氮水平下秸秆不还田的处理。这是因为土壤可溶性有机碳含量受土壤微生物活性的影响[27]。碳氮比是影响土壤微生物活性的重要因素[28]。秸秆还田替代部分氮肥，减少了氮肥用量，使得土壤碳氮比偏大，微生物活性减弱[29]，因而土壤可溶性有机碳含量减少。

在水稻产量方面，丁文金等[30]研究表明，秸秆还田氮肥减量处理对双季稻总产量不会产生明显的负面影响。黄容等[31]研究表明，秸秆全量覆盖配合氮肥减量20%～30%，能够提高水稻产量。本研究表明，秸秆全量还田配施纯氮240 kg·hm-2，水稻的穗数最多，且产量最高。

综上所述，合理的秸秆还田氮肥减量措施可以有效地改善稻田土壤养分和碳库状况，提高水稻产量。在本试验条件下，秸秆还田配施纯氮240 kg·hm-2为最优的秸秆还田氮肥减量模式，可为该地区制定合理的施肥及还田方案提供科学依据与数据参考。