氮肥调控对浙北地区秸秆全量还田稻田土壤及水稻产量的影响

王保君，程旺大，陈 贵，沈亚强，沈 盟，袁 晔，王 蕾，张红梅

(嘉兴市农业科学研究院 生态环境研究所，浙江 嘉兴 314016)

氮素作为水稻生长必不可少的营养元素，与水稻生长发育和产量形成密切相关[1]。施肥是水稻生产过程的重要环节，农户往往通过多施氮肥以期获得高产[2]。然而，氮肥的过量使用不仅会降低氮肥利用效率，而且会对农田生态环境造成一定的负面影响[3-5]。

土壤养分作为土壤肥力的内部表征，是反映土壤供肥能力的有效指标[6]。土壤总有机碳对土壤保水保肥具有重要的作用[7]。土壤中的活性有机碳参与土壤的生化过程，影响土壤供肥能力，能够在土壤总有机碳变化之前反映土壤微小的变化，是反映土壤潜在生产力和由土壤管理措施引起的土壤有机质变化的早期指标[8]。土壤微生物作为土壤最活跃的组分，参与土壤养分循环，是反映土壤肥力变化、评价土壤质量的重要生物指标[9]。综上可知，土壤养分、碳库含量，及微生物数量可以作为评价农田管理措施的重要指标。

近年来，秸秆还田已经成为秸秆综合利用的主要方式。作物秸秆富含氮、磷、钾等营养元素，对循环补充土壤养分、改善土壤品质具有积极作用。杂交稻作为水稻生产先进技术的代表，具有苗期早发快、分蘖强、抗逆性强等特点，适于减氮降密的种植方式[10]。据调查统计，2017年浙江省水稻播种面积约73.6万 hm2，其中，杂交稻种植面积约占46.9%，分别是常规晚粳稻和早籼稻种植面积的1.2倍和3.3倍[11]。在秸秆全量还田背景下，氮肥调控对杂交稻生产尤为重要。前人关于秸秆还田和氮肥用量对土壤影响的报道已有很多[12-14]。但是，大多研究都集中在粳稻方面[15-17]，关于杂交稻的相关研究相对较少，而关于在秸秆全量还田下氮肥调控对浙北地区杂交稻土壤养分、总有机碳及其组分、土壤微生物活性的系统性研究则更为缺乏。本研究以杂交稻为试验材料，通过大田试验研究秸秆全量还田下氮肥调控对浙北地区稻田土壤养分、碳库和微生物活性的影响特点，旨在为优化浙北地区稻田氮肥用量、改善农田土壤生态环境提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年6月—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水稻青紫泥，0～20 cm土层土壤的基本理化性状：有机质36.28 g·kg-1，全氮2.21 g·kg-1，速效磷12.28 mg·kg-1，速效钾56.13 mg·kg-1，铵态氮20.32 mg·kg-1，硝态氮6.28 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 试验设计

以水稻品种嘉优中科6号为试验材料，连续开展2 a的秸秆全量还田大田定位试验。采取单因素随机区组设计，根据施氮水平(以纯氮计)设置4个处理：N0，不施氮；N1，225 kg·hm-2；N2，300 kg·hm-2；N3，375 kg·hm-2。每个处理重复3次，共设12个试验小区，每个小区面积为31.8 m2(6.0 m×5.3 m)。小区间筑埂(埂宽40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止串水串肥。试验秸秆全量还田系2015年水稻收获时稻草秸秆经人工粉碎为5～10 cm的小段全部还田，还田量约为7 500 kg·hm-2，冬前进行翻耕晒垡，用于2016年开展试验。2016年水稻收获时各试验小区的稻草秸秆经人工粉碎为5～10 cm的小段，分别全量还田于各试验小区，冬前进行翻耕晒垡，用于2017年水稻种植。

1.3 田间管理

耕作方式为单季稻—冬闲一熟制，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30 cm×15 cm，每穴1株。供试氮肥系河南心连心化肥有限公司生产的中颗粒尿素(N≥46%)，钾肥系中化化肥有限公司生产的氯化钾(K2O≥60%)，磷肥系海盐北洋磷原物质有限公司生产的粒状过磷酸钙(P2O5≥12%)。各处理的氮肥施用量按基肥、分蘖肥、穗肥用量2∶2∶1的比例施用。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。P、K肥全部作基肥施用，施用量分别为42 kg·hm-2(以P2O5计)和150 kg·hm-2(以K2O计)。各处理水稻生长期间的水分管理和病、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 样品采集与测定

1.4.1 水稻样品的采集与测定

2016—2017年水稻收获前每个小区随机采集20穴水稻植株，用网袋装好，带回室内考种，主要测定有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等指标。水稻成熟后，各小区单独收割脱粒晒干，进行测产。

1.4.2 土壤指标测定

于2017年11月12日，即水稻收获前1 d取样。用土钻在试验地各小区采用五点取样法收集0～20 cm土层的土壤样品，混合后带回实验室，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)、土壤碳库(总有机碳、可溶性碳、易氧化有机碳、微生物碳)和土壤微生物(细菌、真菌和放线菌)。

土壤全氮用半微量开氏消煮法测定[18]，速效磷采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定[18]，速效钾采用火焰光度计法测定[18]，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定[18]，硝态氮采用紫外分光光度计法测定[18]。

土壤总有机碳和可溶性碳采用重铬酸钾外加热氧化法测定[19-20]，土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化比色法测定[21]，土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法测定[22]。

土壤微生物测定：采用Mobio 12888型Power Soil DNA Isolation Kit土壤DNA提取试剂盒提取土壤微生物总DNA，按照说明书提取。其中，土壤称取量为0.25 g，洗脱液体积为100 μL。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成，引物序列及标准曲线等见表1。荧光定量PCR中采用的酶系宝日医生物技术(北京)有限公司的SYBR Green Premix ExTaqII(RR820A)。

1.5 数据处理与分析

试验数据用SPSS 20.0软件进行处理，用Microsoft Office Excel 2003软件制图做表。

表1 引物序列及其标准曲线Table 1 Primer sequences and corresponding standard curves

2 结果与分析

2.1 对土壤养分的影响

由表2可知，在秸秆全量还田条件下，各施氮处理(N1～N3)的土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量较不施氮处理(N0)均显著(P<0.05)增加。与N0相比，N1的土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量分别增加了7.14%、9.86%和54.74%，N2的全氮、铵态氮和硝态氮含量分别增加了32.59%、12.12%和58.34%，N3的全氮、铵态氮和硝态氮含量分别增加了28.57%、16.84%和61.72%。此外，N2处理的速效钾含量较N0显著(P<0.05)增加了20.16%，但其他处理的土壤速效钾含量并无显著差异。在本试验条件下，不同处理对土壤有机质含量无显著影响。

2.2 对土壤碳库的影响

由图1可知，与N0处理相比，N1的土壤易氧化有机碳含量显著(P<0.05)增加了21.70%；N2的可溶性碳、易氧化有机碳和微生物碳含量分别显著(P<0.05)增加了54.45%、29.57%和56.49%；N3的易氧化有机碳和微生物碳含量分别显著(P<0.05)增加了27.45%和49.79%。

表2 不同处理对土壤养分的影响Table 2 Effects of different treatments on Soil Nutrients

同列数据后无相同字母的表示处理间差异显著(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.

2.3 对土壤微生物的影响

由图2可知，与N0处理相比，N2的细菌、真菌和放线菌数量分别显著(P<0.05)增加了211.16%、241.61%和96.10%；N3的真菌数量显著(P<0.05)增加了231.54%。

2.4 对杂交稻产量的影响

方差分析结果显示，氮肥用量对水稻实际产量及其产量构成因素有显著(P<0.05)影响，不同年份对水稻实际产量及其产量构成因素无显著影响，但年份与氮肥用量的交互效用对穗粒数有显著(P<0.05)影响。与N0相比，N1处理2016—2017年的有效穗数、穗粒数和实际产量分别显著(P<0.05)增加了18.29%～18.60%、13.67%～16.37%和37.97%～45.47%；N2处理2016—2017年的有效穗数、穗粒数和实际产量分别显著(P<0.05)增加了26.29%～29.65%、15.76%～20.10%和41.85%～53.35%；N3处理2016—2017年的有效穗数和实际产量分别显著(P<0.05)增加了26.16%～33.71%和38.85%～47.57%，结实率显著(P<0.05)降低了9.38%～11.59%。

3 结论与讨论

本研究表明，在秸秆全量还田下，随着施氮量增加，杂交稻稻田土壤养分(有机质、全氮、速效磷、速效钾)含量、碳库(总有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物碳)含量、微生物(细菌、真菌和放线菌)数量和杂交稻产量均呈先增后减的趋势。其中，秸秆全量还田配施300 kg·hm-2纯N可以显著提高土壤养分含量、土壤活性有机碳含量和土壤微生物活性，增加作物产量。

图2 不同处理对土壤微生物的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil microorganisms

表3 不同处理对杂交稻产量的影响Table 3 Effects of different treatments on hybrid rice yield

秸秆全量还田下，合理的氮肥调控措施不仅可以避免因肥料滥用而引起的环境污染问题，而且可以有效地改善杂交稻土壤环境，提高杂交稻产量。在土壤养分方面，本研究表明，在秸秆全量还田下，随着施氮量的增加，杂交稻稻田土壤的有机质、全氮、速效钾和速效磷含量均表现出先增后减的趋势，与前人研究结果一致[23]。此外，本研究中，秸秆全量还田配施纯N 375 kg·hm-2的杂交稻稻田土壤铵态氮和硝态氮含量最高，这是因为稻田土壤铵态氮、硝态氮含量与施氮量密切相关[24]。

在土壤碳库方面：刘金山等[25]研究表明，过量施氮对土壤有机碳和微生物量碳没有显著影响；杨滨娟等[26]却研究发现，紫云英配施氮肥可以显著增加土壤活性有机碳含量。本研究发现，在秸秆全量还田下，施用氮肥不仅可以增加杂交稻稻田土壤总有机碳含量，而且可以增加土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物有机碳含量。这可能是由于秸秆全量还田会造成农田土壤C/N失衡，适量的增施氮肥可以弥补因土壤氮素缺乏而引起的土壤微生物活性降低[27]，从而提高土壤总有机碳和活性有机碳含量。其中，秸秆全量还田配施纯N 300 kg·hm-2的杂交稻土壤总有机碳和活性有机碳含量最高。

在土壤微生物方面，李秀英等[28]研究发现，化肥与作物秸秆长期配合施用可以显著增加土壤微生物的数量。本研究发现，在秸秆全量还田下，随着施氮量增加，杂交稻稻田土壤细菌、真菌和放线菌数量呈先增后减趋势，与陈松鹤等[29]的研究结果类似。本研究还发现，增施氮肥后杂交稻稻田土壤细菌数量变化幅度最大，表明细菌较真菌和放线菌对氮肥更敏感，这与前人研究结果一致[30]。

在产量方面：何虎等[31]研究表明，稻草全量还田下配施180 kg·hm-2纯N，淦鑫688水稻产量最高；成臣等[32]研究表明，甬尤1538配施225 kg·hm-2纯N，产量最高；陈培峰等[33]研究表明，在轻干湿交替灌溉下，甬尤1538配施300 kg·hm-2纯N有利于二次枝梗和颖花形成，在提高穗粒数的同时增加了籽粒粒重，提高了水稻产量。以上试验可能由于试验地点、种植品种、秸秆是否还田，以及田间水分管理措施的不同而导致试验结果不尽相同。在本研究条件下，综合2016—2017年的试验结果，以秸秆全量还田配施300 kg·hm-2纯N对嘉优中科6号的增产效果最佳。