化肥减施有机肥施用及秸秆还田下双季稻产量变化及光合特征研究

胡柯鑫，罗尊长，董春华，洪 曦，孙 梅， 谢 宜，周 旋，刘 杰，孙 耿

(1.湖南大学研究生院 隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125)

粮食的大幅增产，与我国化学氮肥的大量施入农田有着密不可分的关系[1]，同时氮肥利用效率低下依然是我们面临的重大问题[2]，亟须解决。化学氮肥大量施入农田后，在农田生态系统中发生一系列物理、化学与生物转化和迁移，这其中必然存在氮素养分的损失[3]，由此产生一系列的环境问题，例如土壤板结、酸化[4]，湖泊水体富营养化[5]，大气温室效应[6]等。钾素与氮素一样，都是作物生长所需的重要元素，土壤是作物钾素的主要来源[7]，优化氮、钾肥施用，提高氮、钾肥利用率，降低农业面源污染，都是目前急需解决的重大课题。

有机肥是一种含碳有机物料，经动植物发酵腐熟而成，具有改善土壤肥力、提供植物营养以及提高作物品质的能力，含有大量生理活性物质与有机、无机养分、微量元素，具有广阔的应用前景[8-9]。刘秀梅等[10]研究表明，商品有机肥施用可以达到培肥地力，改善土壤理化性质与减少环境污染的目的。温延臣等[11]同样发现，商品有机肥部分替代化肥能够保证作物稳产、高产，还能培肥地力，有利于土壤可持续利用。袁颖红等[12]研究发现，化肥配施有机肥可以促进水稻增产，提高水稻生育期叶片Pn、Gs、Tr与SPAD值，降低叶片Ci。研究表明，秸秆还田不仅是对秸秆资源的有效利用，还是作物对钾素的需求来源，在抑制叶片光合速率下降，提高钾素利用效率、化肥减施以及保障粮食产量方面都有着巨大潜力[13-15]。

前人对秸秆还田与有机无机配施对水稻产量的影响研究颇多[16-18]，但涉及对双季稻叶片光合特征的研究鲜有报道。本试验研究有机肥施用与晚稻秸秆还田早晚稻减施20%，30%及40%化肥氮、早稻减施40%化肥钾对双季稻产量、水稻叶片光合特性以及土壤养分含量的影响，结合水稻叶片光合特征，为双季稻化肥减施提供理论与数据支撑。

1 材料和方法

1.1 供试地点

于湖南省益阳市赫山区兰溪镇(N 28°34′33″，E 112°25′43″)进行试验。该区属于亚热带季风性湿润气候，季节分明，雨量充沛，分配较为均匀，热量资源丰富，年平均气温介于14～21 ℃，年平均降水量一般处于800～1 600 mm。试验地为红黄泥地块，质地为黏壤，其土壤耕层(0～20 cm)基本理化性质：pH值5.43，有机质22.1 g/kg，全氮2.18 g/kg，全磷0.86 g/kg，全钾14.8 g/kg；碱解氮181.0 mg/kg，有效磷26.0 mg/kg，速效钾99.8 mg/kg，缓效钾190.6 mg/kg。

1.2 供试材料

供试水稻品种：早稻-湘早籼45号，晚稻-玉针香。

供试肥料品种：尿素(含N 46.00%)，过磷酸钙(含P 12.00%)，氯化钾(含K 60.00%)，有机肥(含N 2.06%、P 0.64%、K 2.40%)由湖南泰谷生物科技有限责任公司生产。

1.3 试验设计

本试验采用随机区组设计，设6个处理，共设18个小区，小区面积40 m2(4 m×10 m)，小区用田埂分开，田埂上覆膜，防止肥水串流。水稻晚稻插植规格统一为长32株×宽25株。

早稻施肥：T1处理不施肥；T2处理施尿素(施用量：326.1 kg/hm2)，按基肥∶分蘖期∶穗肥=6∶2∶2，施入氯化钾(以K2O计)量：150 kg/hm2，过磷酸钙(以P2O5计)量：500.0 kg/hm2；T3、T4、T5分别按T2处理尿素量减施20%，30%和40%，钾肥量均减施40%，按基肥∶分蘖期∶穗肥=3∶4∶3施入；T3、T4、T5施用商品有机肥，施用量分别为1 500，2 250，3 000 kg/hm2。T2、T3、T4、T5处理磷肥、钾肥及商品有机肥作基肥一次性施入。

晚稻施肥：T1处理不施肥；T2处理施尿素(施用量：391.3 kg/hm2)，T3、T4、T5分别按T2处理尿素量减施20%，30%和40%，均按基肥∶分蘖期∶穗肥=6∶2∶2施入。T3、T4、T5施用商品有机肥，施用量分别为1 800，2 700，3 600 kg/hm2。T2、T3、T4、T5处理磷肥(以P2O5计，施用量：375.0 kg/hm2)、钾肥(以K2O计，施用量：200 kg/hm2)以及商品有机肥均作基肥一次性施入。T3、T4、T5处理晚稻秸秆留高茬，秸秆全部还田(具体施肥见表1)。

于水稻植株移栽前施入基肥，移栽后7～10 d施入分蘖肥，在移栽后40～50 d施入穗肥。早稻季：2018年4-7月，总历时94 d；晚稻季：2018年7-10月，总历时105 d。

表1 双季稻试验施肥情况Tab.1 Fertilization of double-season rice test

1.4 测定项目与方法

1.4.1 测定指标 试验开始前采取0～20 cm耕层土壤，测定土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾和缓效钾含量；早晚稻收获期取耕层土壤测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量；早晚稻水稻幼穗分化期测定叶片叶绿素含量(SPAD)与叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)；收获时每个小区单打单收单晒，测定其稻谷和稻草重量。

1.4.2 测定方法 土壤pH值采用水∶土=2.5∶1 (V/V)电位计法测定；土壤有机质含量、全氮、全磷和全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均采用常规分析方法测定[19]。

于水稻幼穗分化期选取倒三叶，使用SPAD 502 叶绿素含量测定仪测定叶片叶绿素含量(SPAD)，使用LI-6400(Portable Photosynthesis System)测定叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr)；水稻稻草质量与稻谷质量均采用磅秤称量。

1.5 数据处理

分别用Microsoft Office 2016和IBM SPSS Statistics 20.0进行作图和数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 对双季稻幼穗分化期叶片净光合速率(Pn)的影响

双季稻幼穗分化期倒三叶净光合速率如图1所示，早稻Pn以T2处理最高，较T1处理显著(P<0.05)高17.7%；其他处理表现为T3>T4>T5，其中T4处理较T2处理低6.8%，处理间无显著差异。晚稻以T4处理水稻Pn最高，T1处理最低；T4处理较T1、T2、T3和T5处理高22.9%，18.5%，7.4%和13.0%，与T1、T2处理存在显著(P<0.05)差异。

不同小写字母表示早稻或晚稻处理间 差异达5%显著水平。图2-6。 Different lowercase letters indicate that there is a significant difference of 5% between early rice and late rice treatments. The same as Fig.2-6.

2.2 对双季稻幼穗分化期叶片气孔导度(Gs)的影响

图2为双季稻不同处理水稻幼穗分化期倒三叶气孔导度，由图可知，早晚稻不同处理倒三叶Gs均以T1处理最低。早稻以T2处理水稻倒三叶Gs最高， T4和T5处理较其低22.4%与25.4%，差异显著(P<0.05)；晚稻处理中以T4处理倒三叶Gs最高，较T2、T3和T5处理高31.9%，6.9%与12.7%，与T1、T2处理存在显著(P<0.05)差异。早稻倒三叶叶片Gs表现为T2>T3>T4>T5>T1；晚稻倒三叶Gs表现为T4>T3>T5>T2>T1。

图2 双季稻水稻叶片气孔导度Fig.2 Stomatal conductivity of rice leaves in double-season rice

2.3 对双季稻幼穗分化期叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

双季稻不同处理幼穗分化期倒三叶胞间CO2浓度如图3所示，早稻不同处理间水稻倒三叶Ci存在显著(P<0.05)差异；晚稻不同处理水稻倒三叶Ci均显著(P<0.05)低于T1处理。早稻各处理水稻Ci表现为T5>T4>T3>T1>T2，T5处理最高，达到368.58 μmol/L，T3、T4与T5处理较T2处理高6.0%，17.6%以及18.8%，T4与T5处理间无显著差异；晚稻T2、T3、T4与T5处理较T1处理低12.5%，14.1%，17.6%与11.9%，T4处理较T2处理低5.8%。

图3 双季稻水稻叶片胞间CO2浓度Fig.3 Intercellular CO2 concentration of rice leaves in double-season rice

2.4 对双季稻幼穗分化期叶片蒸腾速率(Tr)的影响

双季稻不同处理幼穗分化期倒三叶蒸腾速率如图4所示，早稻与晚稻不同处理间均存在差异。早稻以T2处理倒三叶叶片Tr最高，较T1处理高18.2%，差异显著(P<0.05)；不同施肥处理叶片蒸腾速率表现为T2>T3>T4>T5，T2与T3、T4及T5均存在显著(P<0.05)差异，其中T4处理较T2处理低14.6%。晚稻处理中以T4处理叶片Tr最高，达到7.69 mmol/(m2·s)，较T2处理高8.6%，差异显著(P<0.05)。晚稻季叶片蒸腾速率均高于早稻季，较早稻季平均高61.6%。

图4 双季稻水稻叶片蒸腾速率Fig.4 Transpiration rate of rice leaves in double-season rice

2.5 对双季稻幼穗分化期叶片叶绿素含量(SPAD)的影响

图5为双季稻不同处理幼穗分化期倒三叶叶片叶绿素含量。早稻以T2处理倒三叶叶绿素含量最高，较T1处理高34.3%，存在显著(P<0.05)差异；其他处理表现为T2>T3>T5>T4，处理间无显著差异，T4处理较T2处理低11.0%。晚稻不同处理水稻倒三叶叶片叶绿素含量表现为T4>T5>T3>T2>T1，其中T4、T5处理较T2处理高22.4%及15.1%。

图5 双季稻幼穗分化期叶片叶绿素含量Fig.5 Chlorophyll content of leaves in double-season rice panicle stage

2.6 对双季稻收获期土壤理化性质的影响

双季稻收获期土壤速效养分与有机质含量如表2所示。早稻土壤碱解氮含量以T3处理最高，较T1处理高8.5%；晚稻土壤碱解氮含量以T4处理最高，较T2处理高2.2%。早晚稻土壤有效磷含量均以T4最高，较T2处理分别高28.2%与48.0%，均未达到显著差异。早稻土壤速效钾含量表现为T1>T5>T4>T3>T2，晚稻表现为T4>T5>T3>T2>T1。早晚稻土壤有机质含量较T2处理均有提高，分别提高4.3%与2.7%。

表2 双季稻收获期土壤理化性质Tab.2 Soil physicochemical properties of double-season rice harvest period

2.7 对双季稻产量的影响

图6为双季稻不同处理稻谷与稻草产量，早、晚稻稻谷产量均高于T1处理，且差异显著(P<0.05)。早稻稻谷产量以T4处理最高，较T1处理显著(P<0.05)高23.3%，较T2处理高7.5%；晚稻以同样T4处理最高，较T2处理高4.4%，无显著差异。早稻与晚稻稻谷产量不同处理均表现为T4>T5>T3>T2>T1。稻草产量早稻均以T3处理最高，显著(P<0.05)高于T1处理；晚稻以T4处理较高，显著(P<0.05)高于T2与T3处理。

表3为双季稻不同处理早晚稻总生物量与周年总产量。由表可知，不同处理早晚稻总生物量、稻谷与稻草周年产量均高于T1处理，存在显著差异(P<0.05)。早稻总生物量以T3处理最高，较T2处理高2.1%；晚稻总生物量以T4处理最高，较T2处理增产465 kg/hm2。稻谷与稻草周年总产量均以T4处理最高，分别较T2处理高6.0%与7.6%，差异不显著。稻谷与稻草周年总产量均表现为T4>T5>T3>T2>T1。

表3 双季稻总生物量与周年总产量Tab.3 Total biomass and annual production of double-season rice kg/hm2

2.8 相关性分析

表4为叶片生理指标与双季稻产量间以及其他生理指标间的相关性。除叶片Ci外，Pn、Gs以及SPAD值均与双季稻产量呈正相关关系，叶片Ci与其他生理指标均呈负相关。早稻稻草产量与叶片Pn及SPAD的正相关关系均达到显著水平。早稻叶片Pn与SPAD、Gs与Tr间均存在显著正相关。晚稻稻谷产量与叶片Ci间负相关关系达到极显著水平，与叶片Tr有显著正相关关系；叶片Pn与Gs、Tr与Ci分别呈极显著正相关与负相关关系，叶片Pn与Tr呈显著正相关。

3 讨论与结论

氮肥的合理施用保证水稻能实现稳产、高产[20]，本试验中，T4(早晚稻减施30%化肥氮，早稻减施40%化肥钾)处理早稻稻谷产量、晚稻稻谷产量、周年稻谷总产量分别较常规施肥处理提高7.5%，4.4%及6.0%，与陆强等[21]研究结果一致。双季稻稻谷产量均表现为T4>T5>T3，幼穗分化期水稻生理指标除叶片Ci外均表现为T3>T4>T5，这种差异可能是由于幼穗分化期有机肥养分释放与秸秆腐解缓慢，且秸秆腐解时微生物与水稻可能存在争“氮”现象，养分供应不足引起；双季稻产量以T4处理最高，可能由于减施30%化肥氮、40%化肥钾下施用有机肥配合秸秆还田养分的释放更加契合双季稻的需求[22-23]。

表4 双季稻产量与叶片光合特性间相关性Tab.4 Correlation between yield of double-season rice and photosynthetic characteristics of leaves

早稻季，不同减施处理Pn、Gs、Tr与SPAD值均表现为T2>T3>T4>T5，可能与有机肥肥效迟缓，秸秆腐解缓慢，养分供应较速效化肥(常规施肥)慢有关。晚稻季，水稻倒三叶叶片Pn、Gs与Tr均以T4处理最高，T5处理次之，表明有机肥施用秸秆还田下早晚稻减施30%化肥氮和早稻40%化肥钾处理能有效促进晚稻幼穗分化期叶片的光合作用，增加干物质累积，从而促进水稻增产。叶片Ci受叶片周围CO2浓度、气孔导度、叶肉导度与叶肉细胞的光合活性等因素决定[24]，早稻季叶片Ci表现为T5>T4>T3>T2，晚稻季叶片Ci以不施肥处理最高，显著高于其他处理，可能是由于水稻Pn越弱，细胞中CO2被用来进行光合作用的量降低，进而促进叶片胞间的CO2浓度(Ci)增高[25]，与相关性吻合。Gs受叶片蒸腾速率、光照强度以及土壤湿度等因素影响[26]，本研究早晚季水稻倒三叶叶片Gs均与Tr呈显著正相关，结果一致。晚稻季叶片Tr以T3与T4处理最高，且各处理明显高于早稻季，可能与晚稻季光照强温度高、蒸腾作用加强有关。叶片SPAD与氮素含量联系密切[27]，早稻季幼穗分化期叶片SPAD以常规施肥处理最高，均可能与有机肥的肥效迟缓，常规化肥氮素施入农田后迅速反应有关[28]；晚稻季以秸秆还田处理较高，可能与早稻秸秆腐解，一部分氮素被微生物消耗，到晚稻释放出来有关。

与常规施肥相比，T4处理双季稻收获期土壤速效养分与有机质含量均有所提高，差异不显著。研究表明，施用有机肥不仅可以增加土壤有机质含量，还可使土壤中碱解氮、有效磷与速效钾含量趋于协调，促进养分平衡，与本研究基本相符[29-30]。与常规施肥相比，早晚稻收获期土壤养分含量均以化肥氮钾减施处理较高，且获得较高产量，表明双季稻有机肥施用与秸秆还田下减施化肥氮、化肥钾可以提高肥料利用效率。早晚稻收获期相比，土壤碱解氮含量降低，速效钾含量升高，与试验结论吻合。

有机肥施用与秸秆还田下减施化肥氮钾均可使双季稻产量增加，叶片光合作用增强，土壤理化性质改善。其中，以早晚稻减施30%化肥氮、早稻减施40%钾的效果最佳，与常规施肥处理相比，双季稻周年稻谷产量提高6.0%；其早稻稻谷产量提高7.5%，倒三叶叶片Pn、Gs、Tr及SPAD降低，Ci提高；晚稻稻谷产量提高4.4%，倒三叶叶片Pn、Gs、Tr及SPAD提高，Ci降低，双季稻收获期土壤速效养分与有机质含量均有提高。