油稻稻秸秆还田下氮肥运筹对双季稻产量及氮素吸收利用的影响

肖小军，郑 伟，肖国滨，黄天宝，李亚贞，肖富良，韩德鹏，余跑兰，秦 超，吕伟生

（江西省红壤研究所／江西省红壤耕地保育重点实验室／农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，进贤 330046）

施用氮肥是调控作物群体生长的关键措施，对作物高产形成具有重要的影响［1］。氮肥的合理运筹，不仅能提高作物产量和氮肥利用效率［2，3］，改善农产品质量［4］，而且还能降低施用化学氮肥带来的环境污染［5］。无论是单季稻还是双季稻，以往普遍存在前期氮肥“一炮轰”造成利用率低的问题［2］，总体而言，氮肥分期施用、前肥后移有利于协同提高水稻产量和氮肥利用率［3］。因此，近年来水稻生产中的前氮后移技术正逐步推广，基本是按40%～60%基肥、20%～30%分蘖肥和20%～40%穗肥进行3次施用。随着作物机械收获的发展和禁止焚烧秸秆政策的实施，秸秆切碎全量还田已成为趋势，且机械耕作的应用也减少了秸秆还田对后茬耕作的干扰［6，7］。然而秸秆碳氮比较大，直接全量还田下腐解过程中存在微生物大量繁殖并与下季作物争氮现象，如果仍按照以往前肥后移的方式进行氮肥施用，常会导致水稻前期缺氮甚至僵苗［8，9］。为应对这一现象，实际生产上常在基肥中增施一定比例氮肥，但在水稻中后期，土壤中的微生物将缓慢释放可供作物吸收利用的氮素，这又容易导致水稻在前期增氮和氮肥后移的情况下发生贪青晚熟［10，11］。

稻油和稻麦水旱轮作是长江流域稻田的主要种植模式，其中江西、湖南双季稻区以油稻和油稻稻轮作为主［12，13］。目前关于水旱轮作秸秆还田下水稻氮肥运筹的研究较多，由于轮作制度、生态条件等不同，研究结论存在一定差异，而针对油稻稻三熟制的相关研究鲜见报道。胡雅杰等［14］研究表明，在稻麦轮作秸秆全量还田下，不增加氮肥总量，适当提高基肥施用比例，即可提高水稻群体质量、氮素吸收量和氮肥利用率。丛日环等［10］、张维乐等［11］研究发现，在秸秆还田下稻麦和稻油水旱轮作模式均可通过氮肥前移以保证水稻高产或稳产，同时维持较高的氮肥利用率。相比两熟制，三熟制秸秆还田量大且水稻季茬口紧，如何充分利用秸秆带入的氮素从而调控水稻季氮肥的施用是一个值得探究的课题。因此，本研究在江西三熟制区开展秸秆还田下双季稻的氮肥运筹试验，探究三熟秸秆全量还田后不同氮肥运筹对水稻产量及氮素吸收利用的影响，以期为该轮作模式氮肥调控和秸秆利用提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018年在江西省红壤研究所试验基地（东经116°20′24″，北纬28°15′30″）进行，前茬是三熟制油菜。试验地土壤母质为第四纪红色粘土，为亚热带典型红壤分布区。试验地肥力中等，pH5.25，有机质23.19 g／kg，全氮1.98 g／kg，碱解氮、有效磷及速效钾分别为148.74、26.38和123.69 mg／kg。水稻季（4～10月）各月的气温分布和日照时数变化如图1所示。

图1 水稻季各月的气温分布和日照时数变化Fig.1 Monthly air temperature and sunshine duration during rice growth season

1.2 供试材料

供试品种为籼型常规早稻中嘉早17（全生育期110 d左右）和籼型杂交晚稻早丰优华占（全生育期115 d左右）。氮肥为含氮46%的普通尿素，磷肥为含P2O512%的钙镁磷肥，钾肥为含K2O 60%的氯化钾。

1.3 试验设计

试验共设置5个氮肥运筹处理，分别为：（1）秸秆不还田＋氮肥3次施用（基肥∶蘖肥∶穗肥＝5∶3∶2，下同）（N3）；（2）秸秆还田＋氮肥3次施用（S＋N3）；（3）秸秆不还田＋氮肥2次施用（基肥∶蘖肥＝7∶3，下同）（N2）；（4）秸秆还田＋氮肥2次施用（S＋N2）；（5）秸秆还田＋高量氮肥3次施用，其中基肥增施20%氮肥（S＋HN3）。采用单因素随机区组设计，重复3次，小区面积8 m×5 m＝40 m2，总共15个小区。试验处理间作40 cm田埂并覆膜，以防止串水串肥。

早、晚稻常规施氮量分别为150 kg／hm2、165 kg／hm2，增施氮肥处理分别为180 kg／hm2、198 kg／hm2。磷肥一次性基施75 kg／hm2（P2O5），钾肥90 kg／hm2（K2O）分基肥和穗肥7∶3两次施用。试验前茬为三熟制早熟油菜阳光131，于头年10月22日全田套播，次年4月27日机械收获，秸秆粉碎全量还田（还田量约4000 kg／hm2）。早稻于4月2日播种，5月1号移栽，7月20日成熟测产；晚稻于6月29日播种，7月25日移栽，10月24日成熟测产。采用塑盘泥浆育秧和人工模拟机插，栽插规格25 cm×14 cm，早、晚稻每穴基本苗各为5根和3根。其他田间管理按一般高产栽培技术规程进行。

1.4 样品采集及测定方法

（1）地上部干物质积累量。成熟期，每小区按平均茎蘖法随机取6穴（小区边行不取），按茎、叶、穗各部位分开杀青、烘干、称重，测定各处理植株干物质积累情况。

（2）产量及其构成因素。成熟期，在每小区按平均茎蘖法随机取6穴（小区边行不取），作为考种样本，考查每穗总粒数、结实率、千粒重等产量构成因素。之后，每个小区采取人工单独收割250穴，脱粒后单独晒干称重，并换算成标准产量。

（3）植株含氮率。结合成熟期地上部干物质量测定，将植株样品用粉碎机粉碎，再用凯氏定氮仪Foss 2300测定含氮率。

1.5 相关指标计算

按彭少兵等［2］的方法计算氮素吸收量和氮肥利用效率指标：

作物地上部吸氮量（kg／hm2）＝成熟期单位面积地上部干物重×植株氮含率；

氮肥偏生产力（PFP，kg／kg）＝施肥区籽粒产量／施氮量

1.6 统计分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据整理与作图，采用DPS7.05进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 油稻稻秸秆还田下氮肥运筹对水稻产量的影响

在油稻稻三熟轮作下，无论早稻还是晚稻，N2处理产量最低，均显著低于其他处理，双季总产量降低了977.68～1694.37 kg／hm2，减产率达6.10%～10.12%（表1）。早、晚稻产量均以S＋HN3处理最高，但除N2处理外，与其他处理差异并不显著，表明油稻稻三熟秸秆还田下水稻增施20%氮肥对其产量的影响并不大。与S＋N3处理相比，早、晚稻S＋N2产量均呈现增产或稳产趋势，差异不显著；而相比N2处理，早、晚稻N3处理产量显著增加5.84%、7.14%。从双季水稻总产量来看，S＋N2略高于N3处理，增产2.48%。对秸秆还田和氮肥运筹进行双因素方差分析发现，二者在早稻季和晚稻季均存在显著的互作效应。结果表明，在油稻稻三熟秸秆还田条件下，氮肥2次施用（后氮前移）即可实现水稻高产和稳产。

表1 油稻稻秸秆还田下不同氮肥运筹处理的水稻产量比较Table 1 Effects of nitrogen application with residues incorporation on yield of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system kg／hm2

2.2 油稻稻秸秆还田下氮肥运筹对水稻地上部干物质积累量的影响

由图2可知，各处理地上部干物质积累量的差异与产量变化规律基本一致。在等量氮肥投入条件下，秸秆还田处理的地上部干物质积累量相比秸秆不还田处理有所提高，而秸秆还田条件下增加水稻季氮肥的用量对于提高地上部干物质积累量并无显著效果。除了S＋HN3处理，早、晚稻地上部干物质积累量均以S＋N2处理最高，分别达到13 027.76、13 801.48 kg／hm2，与S＋N3处理差异不显著，而与N2处理相比呈现为显著性增加，平均增加了1171.56 kg／hm2，增幅为9.57%。与N3处理相比，S＋N2处理早、晚稻季平均增加了377.73 kg／hm2，增幅为2.91%，差异未达显著水平。以上表明，在油稻稻三熟轮作下，秸秆还田并配合氮肥2次施用（后氮前移）能够保证水稻正常生长。

图2 油稻稻秸秆还田下不同氮肥运筹处理的水稻生物量变化Fig.2 Effects of nitrogen application with residues incorporation on biom ss of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system

2.3 油稻稻秸秆还田下氮肥运筹对水稻氮素吸收的影响

秸秆还田条件下，增加水稻季氮肥的用量并不能显著提高其氮素吸收量（表2）。在等氮肥用量条件下，S＋N3和S＋N2处理氮素吸收量最高，双季稻总量分别达到315.11和318.73 kg／hm2。秸秆还田处理的氮素吸收量显著高于秸秆不还田处理，其中S＋N2处理氮素吸收量较N2处理提高了33.83 kg／hm2（早稻15.73 kg／hm2、晚稻18.10 kg／hm2），增幅达11.48%（早稻10.89%、晚稻12.09%）。总体而言，在油稻稻三熟秸秆还田条件下，氮肥2次施用（后氮前移）可以满足水稻生育期氮素需求，氮素吸收量能够达到甚至优于3次施氮处理水平。

表2 油稻稻秸秆还田下不同氮肥运筹处理的水稻氮素吸收量Table 2 Effects of nitrogen application with residues incorporation on nitrogen up take of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system kg／hm2

2.4 油稻稻秸秆还田下氮肥运筹对水稻氮肥偏生产力的影响

无论是早稻还是晚稻，常规氮肥用量处理的氮肥偏生产力均显著高于增氮处理（图3）。其中以S＋N2处理最高，早、晚稻分别达到54.12和50.37 kg／kg，相比S＋HN3处理提高了15.42% 和14.68%。在等氮肥用量条件下，秸秆还田处理相比较秸秆不还田处理，氮肥偏生产力均有一定程度提高，其中S＋N2处理较N2处理早、晚稻季显著提高了8.65%和9.62%。与N3处理相比，S＋N2处理早、晚稻季分别提高了1.40和1.14 kg／kg，平均增幅为2.48%，但差异不显著。结果表明，在油稻稻三熟秸秆还田条件下，氮肥2次施用（后氮前移）能够明显提高氮肥利用率，增加氮肥用量则不利于氮肥偏生产力的提高。

图3 油稻稻秸秆还田下不同氮肥运筹处理的水稻氮肥偏生产力Fig.3 Effects of nitrogen application with residues incorporation on nitrogen partial factor productivity of double rice under rice-rice-rapeseed cropping system

3 讨论

作物产量是反映土壤生产力的综合指标，而调控肥料运筹是提高作物产量和肥料利用率的关键措施［2］。前人研究表明，在秸秆不还田和氮肥总量不变的条件下，适当调整施氮比例，进行部分氮肥的后移，即可实现土壤氮素供应与作物生长对氮素需求的高度匹配［16］。就水稻而言，大量研究普遍发现，氮肥分3～4次施用时产量与肥料利用率最高［3，17］。无秸杆还田时，长江流域单季稻基蘖肥与穗肥的比例以5.5（5～6）∶4.5（4～5）为宜，其中穗肥在倒4叶、倒2叶露尖时等量施用效果最好［3］；而长江流域双季稻基蘖肥与穗肥的比例以7.5（7～8）∶2.5（2～3）为宜，其中穗肥宜在倒2叶露尖时施用［1］；对于华南早晚兼用型双季稻，适当减少基蘖肥用量，增施穗肥和粒肥增产显著［17］。基于全国尺度的整合分析表明，秸秆还田显著提高水稻产量5.2%，且氮肥基蘖肥比例越高增产效果越显著［18］。在茬口较紧的条件下，前茬作物秸秆还田后水稻前期生长受到抑制，减蘖降穗效应明显，但中后期秸秆分解由微生物吸氮转为微生物释氮，从而促进群体生长［19］。在稻麦和稻油水旱轮作秸秆全量还田下，均可通过氮肥前移的方式保证当季或周年作物高产稳产，同时促进肥料利用率的提高［10，11，14］。本研究也表明，在油稻稻三熟制下，秸秆还田并配合氮肥2次施用（即后氮前移）可以满足水稻生育期的氮素需求，从而保证水稻正常生长。但与冬闲稻稻系统存在一定差异，特别是在早稻季。主要是因为，冬闲条件下有利于晚稻秸秆的腐解矿化，常规的3次施氮管理并不会导致翌年早稻生长前期的氮素固定和分蘖抑制，反而会促进早稻早生快发［19］；而冬季种植油菜条件下，油菜秸秆还田到早稻移栽间隔时间短，加之气温逐渐升高，大量高碳氮比的秸秆快速腐解造成微生物对土壤氮的固定，从而抑制水稻前期生长［6］。秸秆还田下实行氮肥前移，降低了前期土壤碳氮比，有利于秸秆的矿化分解，从而缓解微生物与水稻争氮带来的不利影响［10，14］。本试验在基肥中增施20%氮肥处理对产量的影响并不明显，但显著降低了氮肥偏生产力。这与前人提出的通过增加基蘖肥中的氮肥用量来促进水稻前期生长的结论相悖［20］。原因可能是，多熟制秸秆还田的节肥潜力更大［5］，且适宜三熟制种植的早晚稻品种生育期较短，氮肥用量本来就偏低［6，21，22］；另外，油菜是一种养地作物，冬季种植油菜并秸秆全量还田提高了养分归还量［11］。这也表明，长期实行油稻稻三熟制秸秆还田还有进一步培肥地力和降低化肥投入的潜力。

需要指出的是，本研究通过一年两季大田试验分析了油稻稻三熟秸秆还田下水稻季的氮肥前移效果，但未综合考虑生态环境、土壤肥力、轮作周期等因素的影响，因此，还有必要就不同生态区域、不同土壤养分供应能力、不同轮作周期等因素开展秸秆还田条件下的氮肥运筹研究，以进一步证实氮肥前移技术的普适性，从而更好地指导农业生产。此外，本研究中设计的氮肥运筹方式较少，其他氮肥运筹优化方式是否增产增效也有待于深入研究。

4 结论

在油稻稻三熟制下，秸秆还田和氮肥运筹对水稻产量的影响在早稻季和晚稻季均存在显著的互作效应，而水稻基肥中增施20%氮肥对产量的影响不明显，氮肥2次施用（即后氮前移）即可实现水稻高产和稳产。秸秆还田并配合氮肥2次施用（后氮前移）可以满足水稻生育期的氮素需求，从而保证水稻正常生长，氮素吸收量能够达到甚至优于3次施氮处理水平，并明显提高氮肥利用率，增加氮肥用量则不利于氮肥偏生产力的提高。总之，在油稻稻三熟秸秆还田条件下，氮肥2次施用（后氮前移）即可保证水稻正常生长，同步实现水稻丰产高效。