麦秸全量还田下水稻物质生产与分配对氮肥运筹的响应

梁红芳，张斯梅，顾克军，吕 冰，顾东祥，许 博

(1.扬州大学 生物科学与技术学院，江苏 扬州 225009；2.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏 南京 210014)

【研究意义】水稻是中国最重要的三大粮食作物之一，种植面积占我国粮食总种植面积的35 %，稻谷产量占我国粮食总产量的41 %，是单产最高的粮食作物[1-3]。我国秸秆资源产生量大且难以收集利用，还田是解决当前秸秆禁烧与实现其有效利用问题的最重要、最有效途径[4-5]。秸秆还田后腐解可以释放氮等营养元素，具有增加土壤肥力与固碳、改善土壤结构等功效[6]。氮是植物生长的关键限制因子，氮肥在水稻栽培生产中的投入是提高产量的有力措施，而氮肥的过量施用不仅对水稻增产不利，反而会降低氮肥利用率，同时大量盈余的氮素容易引发地下水硝酸盐污染、水体富营养化、温室效应等环境问题。因此，在秸秆还田条件下，合理的施氮量及分配不仅可以提高水稻产量，而且也是生产上提高氮效率、保护生态环境的重要措施之一。【前人研究进展】通过改进施肥措施，提高水稻产量、减轻环境污染是当前的研究热点之一，有关施氮量、施氮时期及分配比例等氮素管理措施对水稻产量形成、氮素吸收利用、温室气体排放等方面的研究较多，也不乏秸秆还田条件下氮肥运筹对水稻生长、氮素吸收和产量影响的报道，研究结果不尽一致[7-13]。徐国伟等[14]研究认为，秸秆还田和基于叶绿素仪测定值的实地氮肥管理有利于水稻生育后期群体光合生产和提高物质生产效率。陆强等[15]研究发现，稻麦轮作区秸秆全量还田下化肥施用量减少30 %的基础上配施有机肥，可以实现产量构成因素在较高的层次上协调统一,从而获得较高的产量,同时实现氮肥利用率的提高。刘禹池等[16]研究结果显示，在秸秆还田基础上增施氮肥，能够显著提高水稻产量,同时促进土壤有机质和养分在表土层富集。然而，麦秸全量还田下不同氮肥运筹对水稻物质生产与分配特性影响的系统性研究鲜有报道。江苏省是我国南方面积最大、最具代表性的稻麦两熟种植区，种植区面积约160万hm2。【本研究切入点】本研究结合江苏当地水稻生产的实际需要，研究小麦秸秆全量还田条件不同氮水平和氮运筹对水稻株高、干物质生产和分配的影响。探索麦秸全量还田下优化的水稻氮肥管理措施。【拟解决的关键问题】为秸秆还田利用和水稻高产高效栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在江苏省农业科学院试验大棚进行。采用盆栽土培的方式，每盆装土15 kg。供试材料为常规粳稻品种南粳9108，每盆栽 5 穴，单本移栽。小麦秸秆还田量按 7500 kg/hm2，盆栽每盆穴数与大田每 667 m2穴数比值按 5∶17 000折算[17]。秸秆切成长度为5 cm左右的小段，装入尼龙网袋，每袋装0 g，垂直埋入土壤，其余秸秆直接拌入土壤。

以不施氮为对照(CK)，施氮量设置2个水平，分别为常量施氮270 kg/hm2(A1)和减量施氮240 kg/hm2(A2)；每个氮水平下设置2个氮肥分配比例，分别为高比例基氮肥(B1，基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3)和高比例分蘖氮肥(B2，基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶5∶3)。氮肥选用尿素，分基肥、分蘖肥和穗肥3次施用。磷肥选用过磷酸钙，作为基肥一次施入。钾肥选用氯化钾，分基肥和穗肥 2 次施用。病虫草害防治同当地大面积生产。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 株高测定 移栽后，分别于分蘖期、孕穗期、抽穗期、蜡熟期、成熟期取样，测定株高。

1.2.2 干物质测定 测定过株高的植株样品，在105 ℃下杀青30 min, 在80 ℃下烘干至恒重，测定叶片、茎秆、叶鞘和穗部等各器官的干物质积累量。

1.3 计算方法及数据分析

干物质积累量(g·pot-1)=某生育时期某器官的干物重；干物质阶段积累量(g·pot-1)=某生育阶段后一时期某器官的干物质积累量-前一时期该器官的干物质积累量；干物质阶段积累速率(g·pot-1·d-1)=干物质阶段积累量/前后两时期间隔时间。

采用 Microsoft Excel进行数据的录入和计算，运用 SPSS软件进行统计分析，采用 LSD 法进行多重比较。

表1 不同氮肥运筹下水稻各生育期植株高度

2 结果与分析

2.1 水稻植株的高度

株高适宜是水稻高产的重要条件之一，水稻株高是制约其生物学产量的决定性因素之一[18]。由表1可知，麦秸全量还田下，不同氮肥运筹水稻株高均呈现出随生育进程逐渐上升的变化趋势。A1水平和A2水平株高平均值高于CK，其中孕穗期和抽穗期差异达显著水平。由此可见，施氮促进了水稻植株高度的增加。与A1水平相比，A2水平分蘖期和孕穗期株高平均值相差不大，抽穗期和成熟期株高显著降低。这说明减量施氮对水稻生长前期株高影响不大，但不利于水稻生长后期株高的增加。A1和A2水平下，除分蘖期外，B2株高平均值均高于B1，其中孕穗期差异达显著水平。

由表1还可以看出，分蘖期不同氮肥运筹处理间水稻株高差异不显著。孕穗期，株高平均值以处理A1B2最高，显著高于其他处理；处理A1B1和处理A2B2株高差异不显著，但显著高于处理A2B1。抽穗期，A1水平和A2水平下B2株高平均值高于B1，但差异不显著；以处理A1B2最高，较其他氮肥运筹处理高1.77 %～3.51 %，差异未达显著水平。成熟期，A1水平和A2水平下B2株高平均值高于B1，差异均未达显著水平；以处理A1B2最高，与处理A1B1差异不显著，但显著高于处理A2B1和处理A2B2。上述结果表明，麦秸全量还田下施氮有利于水稻株高的增加，减量施氮处理株高较常量施氮有所降低，适当增加分蘖氮肥比例有利于获得较高的植株高度。

2.2 水稻干物质积累量

由表2可知，不同氮肥运筹处理下水稻地上部干物质量随生育进程而增加，于成熟期达到最高值。与不施氮对照相比，施氮处理孕穗期至成熟期地上部干物质量显著增加，可见施氮促进了水稻地上部的干物质积累。与A1水平相比，除分蘖期外，A2水平地上部干物质量均有所降低，其中孕穗期和抽穗期差异达显著水平。孕穗期，处理A1B2地上部干物质量最高，其次是处理A1B1。抽穗期，处理A1B1水稻地上部干物质量最高，与处理A1B2差异不显著，但显著高于处理A2B1和处理A2B2。蜡熟期，处理A1B2水稻地上部干物质量最高，处理A2B2最低。成熟期，水稻地上部干物质量以处理A1B2最高，显著高于其他氮肥运筹处理，处理A1B1、处理A2B1和处理A2B2间差异未达显著水平。

表2 不同氮肥运筹下水稻各生育期的干物质量

表3 不同氮肥运筹下干物质阶段积累量

2.3 水稻干物质的阶段积累特性

由表3可知，不同氮肥运筹处理水稻干物质阶段积累量均呈现出先增加后下降的趋势，孕穗期至抽穗期阶段积累量平均值最大。与不施氮对照相比，施氮处理干物质阶段积累量增加，可见施氮促进了水稻干物质的阶段积累。与A1水平相比，除抽穗期至蜡熟期外，A2水平水稻干物质阶段积累量均有所降低，其中分蘖期至孕穗期、孕穗期至抽穗期差异达显著水平。由表3还可以看出，分蘖期至孕穗期，水稻干物质积累量以处理A1B2最高，其次是处理A1B1，处理A2B2最低。孕穗期至抽穗期，水稻干物质积累量以处理A1B1最高，处理A1B2次之。抽穗期至蜡熟期，水稻干物质积累量以处理A2B1最高，处理A1B1最低。蜡熟期至成熟期，水稻干物质积累量以处理A1B2最高，处理A1B1、处理A2B2和处理A2B1依次递减。

由表4可以看出，不同氮肥运筹处理水稻干物质阶段积累速率呈现出先快后慢的趋势，孕穗期至抽穗期阶段积累速率平均值最大。与不施氮对照相比，施氮可以提高水稻分蘖期至成熟期各阶段的干物质积累速率。分蘖期至孕穗期，水稻干物质积累速率以处理A1B2最高，较其他氮肥运筹处理高13.13 %～23.42 %，其次是处理A1B1。孕穗期至抽穗期，以处理A1B1最高，较其他氮肥运筹处理高7.09 %～13.82 %，处理A1B2、处理A2B2和处理A2B1呈依次递减趋势。抽穗期至蜡熟期，以处理A2B1最高，其次是处理A1B2，处理A1B1最低。蜡熟期至成熟期，水稻干物质积累速率以处理A2B1最低，较其他氮肥运筹处理低9.50 %～21.10 %。

表4 不同氮肥运筹下干物质阶段积累速

2.4 水稻叶片干物质分配特性

由表5可知，不同氮肥运筹处理水稻抽穗至成熟期叶片生物量呈现出逐渐降低的趋势，叶片生物量所占比例也是逐渐下降的。与不施氮对照相比，施氮处理叶片生物量显著增加，施氮促进了水稻叶片的干物质积累。与A1水平相比，A2水平叶片生物量平均值有所降低，差异未达显著水平。抽穗期，水稻叶片生物量以处理A1B1最高，较其他处理高3.82 %～16.50 %；该时期叶片生物量占总生物量的比例为22.09 %～22.93 %，以处理A2B2最高。蜡熟期，水稻叶片生物量以处理A1B2最高，较其他处理高10.11 %～10.48 %；该时期叶片生物量占总生物量的比例为15.74 %～16.71 %，以处理A1B2最高，处理A2B1最低。成熟期，水稻叶片生物量以处理A1B2最高，较其他处理高11.50 %～13.77 %；该时期叶片生物量所占比例为13.64 %～14.79 %，A1水平和A2水平下B2叶片生物量所占比例均高于B1，不同氮肥运筹处理中以处理A1B2最高，处理A2B1最低。

表5 水稻干物质在叶片中的积累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

2.5 水稻茎秆干物质分配特性

由表6可知，不同氮肥运筹处理水稻抽穗期至成熟期茎秆生物量及其占总生物量的比例呈现出逐渐降低的趋势。与不施氮对照相比，施氮处理茎秆生物量显著增加，施氮促进了水稻茎秆的干物质积累。与A1水平相比，A2水平茎秆生物量平均值有所降低，但差异不显著。抽穗期，水稻茎秆生物量以处理A1B1最高，其次是处理A1B2；该时期茎秆生物量占总生物量的比例为24.99 %～25.22 %，以处理A2B1最高，处理A1B2最低。蜡熟期，水稻茎秆生物量以处理A1B2最高，其次是处理A1B1；该时期茎秆生物量所占比例为17.44 %～19.16 %，以处理A1B1最高，处理A1B2次之，处理A2B2茎秆生物量所占比例最低。成熟期，水稻茎秆生物量以处理A1B2最高，较其他处理高1.47 %～16.27 %，处理A1B1、处理A2B1和处理A2B2呈现依次递减的趋势；该时期茎秆生物量所占比例为15.95 %～17.73 %，以处理A1B1最高，处理A2B2最低。

2.6 水稻叶鞘干物质分配特性

由表7可知，不同氮肥运筹处理水稻抽穗期至成熟期叶鞘生物量及其占总生物量的比例总体呈现出逐渐降低的趋势。与不施氮对照相比，施氮处理叶鞘生物量显著增加，施氮促进了水稻叶鞘的干物质积累。与A1水平相比，A2水平叶鞘生物量平均值有所降低，其中抽穗期差异达显著水平。抽穗期，水稻叶鞘生物量以处理A1B1最高，处理A1B2次之；该时期叶鞘生物量占总生物量的比例为34.15 %～36.92 %，以处理A1B1最高，其次是处理A1B2。

表7 水稻干物质在叶鞘中的积累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

蜡熟期，水稻叶鞘生物量以处理A1B2最高，较其他氮肥运筹处理高11.69 %～23.14 %；该时期叶鞘生物量所占比例为21.96 %～24.88 %，以处理A1B2最高，其次是处理A1B1，处理A2B2最低。成熟期，水稻叶鞘生物量以处理A1B2最高，较其他氮肥运筹处理高3.10 %～14.05 %，处理A1B1、处理A2B2和处理A2B1依次递减；该时期叶鞘生物量所占比例为18.81 %～20.97 %，以处理A1B1最高，其次是处理A1B2，处理A2B1叶鞘生物量所占比例最低。

2.7 水稻穗部干物质分配特性

由表8可知，不同氮肥运筹处理水稻抽穗至成熟期穗部生物量及其占总生物量的比例整体呈现出逐渐增加的趋势。与不施氮对照相比，施氮处理穗部生物量增加，施氮促进了水稻穗部的干物质积累。与A1水平相比，A2水平穗部生物量平均值增加但差异未达显著水平。抽穗期，水稻穗部生物量以处理A2B1最高，处理A2B2、处理A1B1和处理A1B2呈现依次递减的趋势；该时期穗部生物量占总生物量的比例为15.42 %～18.54 %，以处理A2B1最高。蜡熟期，水稻穗部生物量以处理A2B1最高，其次是处理A2B2；该时期穗部生物量占总生物量的比例为40.06 %～44.17 %，以处理A2B2最高，处理A1B2穗部生物量所占比例最低。成熟期，水稻穗部生物量以处理A2B1最高，较其他氮肥运筹处理高1.86 %～8.31 %；该时期穗部生物量所占比例为47.51 %～51.07 %，以处理A2B1最高，其次是处理A2B2，处理A1B1穗部生物量所占比例最低。

表8 水稻干物质在穗部的积累量(g·pot-1)及其分配比例(%)

3 讨 论

3.1 秸秆还田和氮肥运筹对水稻干物质积累的影响

秸秆还田改变了稻田的环境条件和养分供应，进而影响水稻植株的生长。关于秸秆还田对水稻干物质积累的影响，前人研究结果不一，认为麦秸还田不利于水稻前期生长但有利于其后期生长的研究报道较多[19-23]。采用不同的氮水平及氮运筹处理，由于氮素供应量和比例不同，必然影响水稻植株的生长，各生育期的干物质积累也会出现差异。杨林生等[24]研究认为，随氮水平的提高，水稻干物质快速累积持续期延长，水稻干物质累积量随之增加。水稻各生育阶段干物质积累量和积累比例存在差异，分蘖-抽穗期干物质积累量最大、积累比例最高，而抽穗-乳熟期干物质积累量最小、积累比例最低[25]。李晓峰等[9]研究结果显示，相同氮肥运筹模式下，秸秆全量还田处理水稻拔节期、移栽至拔节阶段的群体干物质积累量低于秸秆不还田处理，抽穗期、成熟期及拔节至抽穗、抽穗至成熟阶段的群体干物质积累量则高于秸秆不还田处理。氮肥运筹间表现为随基蘖氮肥占总施氮量比例的下降，拔节期及移栽至拔节阶段的群体干物质积累量下降，而抽穗期、成熟期及拔节至抽穗、抽穗至成熟阶段的群体干物质积累量呈现先增后减的趋势。当基蘖氮肥与穗氮肥比例为7∶3时，秸秆全量还田条件下的水稻群体干物质积累量最高。

本研究结果显示，麦秸全量还田下施氮促进了水稻地上部的干物质积累，不同氮肥运筹处理地上部干物质量均呈现出逐渐增加的趋势，减量施氮处理地上部干物质量较常量施氮处理有所降低。由于本试验氮肥减量有限，继续减少氮肥用量对水稻干物质积累的影响有待深入研究。本试验结果表明，麦秸全量还田下水稻孕穗期、蜡熟期和成熟期地上部干物质量均以常量施氮(270 kg/hm2)、高比例分蘖氮肥(基氮肥∶蘖氮肥∶穗氮肥=2∶5∶3)处理最大，说明麦秸全量还田下提高分蘖氮肥比例利于增加水稻中后期干物质积累。

3.2 秸秆还田和氮肥运筹对水稻干物质分配的影响

针对水稻各生育时期的干物质分配，前人就叶片、茎鞘等营养器官的生物量及分配比例做了不少研究[25-27]。秸秆还田条件下，水稻主要生育时期地上部干重表现为高于秸秆不还田对照，其中茎干重表现为秸秆还田处理低于秸秆不还田，但叶片和穗部干物重均以秸秆还田处理高于秸秆不还田；各主要生育时期茎干重占总干物质重的比例均以不施肥对照最高，叶片和穗部所占比例均以秸秆还田处理最高[28]。吴文革等[29]研究认为，施氮量明显影响群体质量，适宜施氮量能保证杂交中籼水稻在抽穗期维持较高的叶片干物质分配比例和单茎叶片重，有利于后期植株光合能力的提高和光合产物的积累,使后期物质积累的贡献率提高，从而增加产量。黄丽芬等[30]研究结果显示，不同氮素水平下水稻关键生育期干物质积累量差异显著，氮素水平对成熟期水稻茎鞘、根、穗的干物质分配比例影响显著，而对叶片干物质分配比例影响不显著。

本研究结果表明，从抽穗期至成熟期，水稻叶片生物量及其所占比例随生育进程逐渐下降，减量施氮处理叶片生物量较常量施氮处理有所降低，但差异未达显著水平。茎秆生物量及其占总生物量的比例呈现出逐渐降低的趋势，减量施氮处理茎秆生物量较常量施氮处理有所降低但差异不显著。叶鞘生物量及其占总生物量的比例逐渐降低，减量施氮处理叶鞘生物量较常量施氮处理有所下降，蜡熟期和成熟期水稻叶鞘生物量均以常量施氮(270 kg/hm2)、高比例分蘖氮肥(基氮肥∶蘖氮肥∶穗氮肥=2∶5∶3)处理最高。穗部生物量及其占总生物量的比例均呈现出逐渐增加的趋势，减量施氮处理穗部生物量高于常量施氮但差异不显著，其中减量施氮(240 kg/hm2)、高比例基氮肥(基氮肥∶蘖氮肥∶穗氮肥=5∶2∶3)处理的穗部生物量及其占总生物量的比例高于其他氮肥运筹处理。

4 结 论

麦秸全量还田条件下，减量施氮(240 kg/hm2)处理水稻生长中后期株高、地上部干物质量较常量施氮(270 kg/hm2)处理下降；常量施氮下提高分蘖氮肥比例(基肥∶分蘖肥∶穗肥= 2∶5∶3)，有利于水稻生长中后期株高和地上物干物质量的增加。水稻不同器官的干物质积累和分配特性存在差异，与常量施氮相比，减量施氮处理水稻抽穗期至成熟期叶片、茎秆、叶鞘干物质积累量及叶片、叶鞘占总生物量的比例降低，但穗部干物质积累量及其所占比例增加；常量和减量施氮下，高分蘖氮肥比例处理叶片干物质所占比例均高于高基氮肥比例(基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3)处理，而茎秆干物质所占比例则相反。综上可知，麦秸全量还田条件下，常量施氮时水稻中后期可获得较高的株高和地上部干物质量，总体上增加叶片、茎秆和叶鞘的生物量及分配比例。常量施氮下提高分蘖氮肥比例利于水稻上述营养器官的物质生产和积累，而减量施氮则有利于水稻穗部的物质积累和分配。