浙北地区秸秆全量还田下氮肥用量对单季晚粳稻生长和土壤养分、碳库的影响

王保君, 金海刚, 张红梅, 沈亚强, 陈 贵, 鲁晨妮, 程旺大

(1.嘉兴市农业科学研究院 生态环境研究所, 浙江 嘉兴 314016; 2.海宁市农业农村局,浙江 嘉兴 314400; 3.嘉兴市农业科学研究院 生物技术研究所, 浙江 嘉兴 314016)

水稻是我国重要的粮食作物，同时也是栽培过程中耗氮量较高的作物[1]。氮肥作为提高水稻产量的重要营养元素[2]，过量施用不仅促使水稻徒长，田间病虫害加重，水稻子粒的充实度下降[3]，而且会造成土壤肥力下降[4]。此外，氮肥施用越多，流失到环境中的风险也随之增加，势必对农田生态环境造成不利影响[4]。农业农村部在“十三五”规划中明确提出，截至2020年要实现化肥使用量零增长的目标[5]。因此，在当前水稻生产过程中，明确合理的氮肥用量显得尤为重要。

作物秸秆作为可再生资源，氮、磷、钾等矿质营养元素含量比较丰富。秸秆还田可以循环补充土壤养分，是我国秸秆资源化利用的主要方式[6]，也是提高氮肥利用率的有效途径[7]。但是由于稻草的碳氮比(C/N)较高，稻草还田会争夺土壤中的养分，短时间内降低土壤有效氮含量，从而造成水稻生长前期缺氮的现象[8]。因此，在水稻秸秆全量还田下，合理的施用氮肥对土壤培肥和水稻增产都具有重要的意义。关于秸秆还田和氮肥调控对水稻生长和土壤质量方面的报道不少[9-10]。但是，大多数报道只侧重于秸秆还田和氮肥调控对水稻生长或土壤质量等单方面的研究[11-12]。其中，裴鹏刚等[8]研究表明，秸秆还田耦合氮肥可以促进水稻茎蘖发生和有效穗形成，增加光合同化物积累；张刚等[13]研究发现，在麦秸全量还田下，合理的施用氮肥，可以减少氮肥损失，提高氮肥利用率，增加水稻产量；王倩倩等[14]研究发现，在秸秆还田条件下，氮磷钾合理配施以及添加微生物菌剂可以提高土壤过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性；徐学池等[15]研究发现，在秸秆还田条件下，施用氮肥对土壤革兰氏菌群落结构、可溶性有机碳含量以及有机碳矿化速率产生一定程度的影响。目前，单季晚粳稻已经成为浙江省粮食生产的主体种植模式。然而，在秸秆全量还田背景下，关于浙北地区氮肥调控对单季晚粳稻生长和稻田土壤方面影响的研究很少。本研究通过大田小区试验，以浙北地区种植面积最大的单季晚粳稻为研究对象，研究秸秆全量还田下，氮肥调控对单季晚粳稻生长和土壤养分、碳库的影响，以期为浙北地区单季晚粳稻绿色高质量生产，提供合理的施肥策略，优化农业资源利用提供科学依据。

1 试验区概况

浙江北部水稻区主要包括嘉兴市、湖州市和杭州市北部，其中嘉兴市种植面积最大，历来是浙江省水稻主产区，目前以单季常规晚粳稻种植为主，2019年单季常规晚粳稻种植面积占全市水稻面积的80.6%。试验于2017年在浙江省嘉兴市秀洲区王江泾镇双桥村嘉兴市农科院试验园区(120°42′42″E,30°50′20″N)进行。试验区域位于浙江省北部，属于亚热带季风气候区，年平均气温15.5℃，年均降水量1 194 mm，年均日照时数1 950 h，无霜期245 d。试验地为青紫泥土，试验条件能较好代表当地生产一般水平，0—20 cm土层基本养分状况为：有机质30.28 g/kg，全氮2.31 g/kg，速效磷13.52 mg/kg，速效钾56.13 mg/kg，铵态氮21.52 mg/kg，硝态氮6.28 mg/kg，pH值6.45。2017年试验点月平均温度和降水情况见图1。

图1 2017年试验点降水和气温变化

2 试验设计与数据处理

2.1 试验设计与大田管理

本试验试供的常规晚粳稻品种为“秀水134”，当水稻叶龄5叶时，于2017年6月25日进行人工移栽，行株距为20 cm×16.7 cm，每穴2株。

试验根据当地施肥水平(以纯氮计)，设置4个处理：N0，不施氮；NL，165 kg/hm2；NM，240 kg/hm2；NH，315 kg/hm2。按随机区组排列，3次重复，共12个小区。小区面积为36 m2(6 m×6 m)，各小区筑埂宽度为40 cm，用塑料薄膜包裹，防止肥水互串。秸秆全量还田操作流程：根据当地生产实际情况，2016年水稻收获后，通过人工粉碎将稻草粉碎成5～10 cm的秸秆全部还田，还田量约为7 500 kg/hm2，冬前翻耕晒垡，用于2017年开展试验。试验试供氮肥为中颗粒尿素(N≥46%，河南心连心化肥有限公司生产)，试供钾肥为氯化钾(K2O≥60%，中化化肥有限公司生产)，试供磷肥为粒状过磷酸钙(P2O5≥12%，海盐北洋磷原物质有限公司生产)。其中，氮肥基肥(2017年6月24日)、分蘖肥(2017年7月11日)、穗肥(2017年8月7日)施用比例为2∶1∶1，P，K肥施用量分别为42，150 kg/hm2，均作基肥施用(表1)。水稻生长期间各处理的水浆管理模式和病、虫、草害防治措施保持一致。2017年11月13日进行水稻收获。

表1 各处理肥料施用量及施肥时间

2.2 样品采集及指标测定

2.2.1 样品采集 在水稻分蘖期(移栽后25 d)、齐穗期(移栽后45 d)和灌浆期(齐穗后20 d)分别取有代表性的水稻植株20穴，带回实验室用于测定水稻的干物质重。水稻收获前，每小区随机取20穴水稻植株样，用网袋装好带回实验室，进行室内考种(测定水稻的穗粒数、千粒重和结实率等指标)。在水稻收获前1 d进行土样采集，采用五点取样法使用土钻采集土层深度为0—20 cm的土壤样品，混合均匀后带回实验室，用于土壤养分和碳库的检测。

2.2.2 指标测定 各小区定点20穴作为观测点，测量和统计水稻分蘖期(移栽后25 d)、齐穗期(移栽后45 d)的株高和茎蘖数；在水稻分蘖期(移栽后25 d)、齐穗期(移栽后45 d)和灌浆期(齐穗后20 d)测定水稻叶绿素含量、叶长、叶宽。其中，水稻叶绿素含量用SPAD-502测定(Konica minolta，日本)，叶面积指数采用长×宽积系数法计算获取[16]；在水稻分蘖期(移栽后25 d)、齐穗期(移栽后45 d)和灌浆期(齐穗后20 d)取好的水稻植株样，105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重后称重，计算干物质质量；水稻收获前，田间小区统计水稻穗数，室内考查穗粒数、结实率、千粒重等指标。水稻理论产量通过有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重的乘积获得。水稻成熟后，各小区单独收割脱粒晒干，进行测产。

采集的土壤全氮用半微量开氏消煮法[17]进行测定，铵态氮用靛酚蓝比色法测定[17]，硝态氮用紫外分光光度计测定[17]，速效磷用碳酸氢钠—钼锑抗比色法测定[17]，速效钾用火焰光度计比色法测定[17]。土壤总有机碳和可溶性有机碳用重铬酸钾外加热氧化法测定[17-18]，土壤易氧化有机碳用高锰酸钾氧化比色法测定[19]。土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法测定[20]。

2.3 数据处理及分析

试验数据用SPSS 20.0统计软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用LSD法进行多重比较，用Graphpad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2010软件进行作图制表。

3 结果与分析

3.1 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻生长的影响

3.1.1 对单季晚粳稻株高和分蘖数的影响 由图2可知，在秸秆全量还田下，水稻株高和分蘖数随着施氮量的增加而增加。各施氮处理在分蘖期和齐穗期的株高和分蘖数较不施氮处理均显著(p<0.05)增高。同N0相比，NL，NM，NH分蘖期和齐穗期的株高分别显著(p<0.05)增加了9.67%，10.64%，10.84%和7.36%，7.85%，11.30%；NL，NM，NH分蘖期和齐穗期的分蘖数分别显著(p<0.05)增加了50.00%，56.25%，96.87%和37.84%，54.06%，64.87%。秸秆全量还田下，3种施氮水平对水稻株高的影响差异不显著。NH在水稻分蘖期的分蘖数较NL和NM处理分别显著(p<0.05)增加了26.00%，31.25%。NH在水稻齐穗期的分蘖数较NL处理显著(p<0.05)增加了23.23%。

图2 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻株高和分蘖数的影响

3.1.2 对单季晚粳稻叶面积指数的影响 由图3可知，在秸秆全量还田下，随着施氮量的增加，水稻生长在不同生育时期(分蘖期和齐穗期)的叶面积指数均呈现逐步增大的趋势。与N0相比，NH分蘖期和齐穗期水稻叶面积指数分别显著(p<0.05)增加了21.77%，49.23%；NM齐穗期水稻叶面积指数显著(p<0.05)增加了36.70%。在本试验条件下，NM和NH处理在齐穗期的叶面积指数显著(p<0.05)高于N0和NL处理。

图3 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻叶面积指数的影响

3.1.3 对单季晚粳稻叶绿素含量的影响 由图4可知，在秸秆全量还田下，施用氮肥可以显著增加水稻不同生育时期(分蘖期、齐穗期和灌浆期)叶绿素含量，同N0相比，NL，NM，NH分蘖期、齐穗期和灌浆期叶绿素含量分别显著(p<0.05)增加了13.50%，17.93%，17.05%；11.01%，12.87%，17.54%；24.21%，29.69%，33.55%。

图4 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻叶绿素含量动态的影响

3.1.4 对单季晚粳稻地上部分干物质重的影响 由图5可知，在秸秆全量还田下，随着施氮量的增加，水稻分蘖期的地上部分干物质重逐渐增加，在水稻灌浆期的地上部分干物质重呈“先增后减”的趋势。同N0相比，NM，NH分蘖期地上部分干物质重分别显著(p<0.05)增加了62.38%，88.35%；齐穗期地上部分干物质重分别显著(p<0.05)增加了79.58%，54.56%；NL，NM，NH灌浆期地上部分干物质重分别显著(p<0.05)增加了40.47%，86.67%，52.00%。在3种施氮水平下，灌浆期NM的地上部分干物质重显著(p<0.05)高于NL和NH施肥处理。

图5 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻地上部分干物质重动态的影响

3.1.5 对单季晚粳稻产量的影响 由表2可知，在产量构成因素方面，随着施氮量的增加，水稻的有效穗数和理论产量均呈“先增后降”的趋势，而水稻的千粒重却逐渐减少。与N0相比，NL，NM，NH的穗数分别显著(p<0.05)增加了40.00%，77.50%，58.00%；NM和NH的千粒重则分别显著(p<0.05)降低了7.52%，8.48%。在实际产量方面，随着施氮量的增加，水稻的实际产量呈“先增后降”的趋势。同N0相比，NM和NH的水稻产量分别显著(p<0.05)增加了51.70%，38.61%。在3种施氮水平中，NM的实际产量最高。

表2 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻产量的影响

3.2 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻土壤养分的影响

由表3可知，在秸秆全量还田下，随着施氮量的增加，稻田土壤的全氮、铵态氮和硝态氮含量逐渐增加，而土壤的速效磷和速效钾含量呈“先增后降”的趋势。同N0相比，NL的全氮、速效钾含量显著(p<0.05)增加了8.70%，7.96%；NM的全氮、速效钾、速效磷和铵态氮含量分别显著(p<0.05)增加了10.00%，31.86%，43.16%，24.99%；NH的全氮、速效钾、速效磷和铵态氮含量分别显著(p<0.05)增加了11.74%，13.86%，26.54%，59.13%。此外，3种施氮水平下，NM的速效磷含量较NL和NH处理分别显著(p<0.05)增加了30.13%，13.13%；速效钾含量较NL和NH处理分别(p<0.05)显著增加了22.13%，15.81%。

表3 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻土壤养分的影响

3.3 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻土壤碳库的影响

从图6可以看出，在秸秆全量还田下，随着施氮量的增加，稻田土壤的可溶性有机碳和微生物碳的含量均呈“先增加后降低”的趋势。与N0相比，NL，NM，NH的可溶性有机碳分别显著(p<0.05)增加了65.33%，88.47%，84.28%；微生物有机碳含量分别显著(p<0.05)增加了18.81%，37.10%，30.94%。在3种施肥水平下，NM的可溶性有机碳和微生物有机碳含量较NL处理分别显著(p<0.05)增加了13.99%，6.99%。此外，在本试验条件下，在秸秆全量还田条件下，施用氮肥处理的稻田土壤总有机碳和易氧化有机碳含量差异不显著，这可能与试验开展年限有关。

图6 秸秆全量还田氮肥调控对单季晚粳稻土壤碳库的影响

4 讨 论

许多研究已表明，水稻秸秆全量还田配以合理的氮肥调控措施不仅可以促进水稻生长发育和改善稻田土壤品质，还可有效地降低氮肥滥用造成的环境污染问题。水稻分蘖对水稻总产量的贡献占60%左右[21]。合理施用氮肥可以降低水稻无效分蘖发生，提高水稻成穗率。裴鹏刚等[8]研究表明，秸秆还田量为6 000 kg/hm2，施用270 kg/hm2氮肥可以促进水稻分蘖早发，增加水稻分蘖数。本研究发现，在秸秆全量还田下，水稻分蘖期和齐穗期水稻分蘖数均随着施氮量的增加而增加，而在水稻生长后期，中量施氮(240 kg/hm2纯氮)的有效穗数最多，与前人的研究结果一致[22]。叶面积指数(LAI)作为反映叶片覆盖度、作物长势以及产量潜力的重要指标，对水稻生长和产量形成至关重要。张巍巍等[23]研究发现，水稻齐穗期的LAI为5.0～8.0，灌浆期为4.0～6.0，容易实现高产。本研究表明，在秸秆全量还田下，LAI随着施氮量的增加而增加，且各处理均在水稻抽穗期LAI达到最大值。叶绿素是光合作用的主要器官，参与光能的吸收、传递和转化。本研究发现，在秸秆全量还田下，高量施氮(315 kg/hm2纯氮)在齐穗期和灌浆期的叶绿素含量最高，但水稻的实际产量并不是最高。这可能是因为在高量施氮条件下，水稻吸收的光能远远超过生理代谢需求，造成叶绿体“冗余”现象。此外，水稻群体较大，叶片间相互遮荫，底层叶片光能吸收减弱，一定程度上降低了PSⅡ潜在活性和光合电子传递速率，导致群体光合效率降低，产量降低[24]。干物质积累量是作物生长发育的重要指标，也是籽粒产量形成重要的影响因素，水稻抽穗后干物质的生产与产量形成密切相关[25]。本研究发现，秸秆全量还田下，施用240 kg/hm2纯氮水稻灌浆期地上部分干物质重显著高于其他处理，且收获时产量最高。

土壤养分是土壤肥力的内在表征。在秸秆全量还田下，合理的配施氮肥可以改善土壤养分状况。本试验表明，秸秆全量还田，施用240 kg/hm2纯氮土壤的速效磷和速效钾含量均显著高于其他处理，说明合理地施用氮肥可以促进秸秆腐解，有利于秸秆中磷、钾养分的释放[26]。此外，本研究还发现，在秸秆全量还田下，土壤中铵态氮含量会随着施氮量的增加而增加，氮肥用量是引起土壤铵态氮含量变化的重要因素[27]。

秸秆还田不仅是我国秸秆资源化利用的主要方式，也是农田碳源输入的重要途径。本研究发现，在秸秆全量还田下，施氮水平对土壤可溶性碳和微生物碳的影响变化一致，且施氮水平为240 kg/hm2纯氮时，可溶性有机碳和微生物有机碳含量最高。这可能是因为稻草秸秆中的含氮量较低，直接还田往往成为稻田土壤微生物群落丰盈度的限制因子[28]。在秸秆全量还田下，合理的施用氮肥可以促进调节土壤C/N，促进秸秆分解，为微生物的生长和发育提供大量碳源，提高土壤微生物活性[29]。同时，微生物大量繁殖通过植物根系分泌物产生大量的可溶性有机碳，从而提高了土壤可溶性有机碳含量[30]。

5 结 论

浙江北部地区在秸秆全量还田下，适宜的氮肥用量对促进单季晚粳稻的生长和改善土壤养分、碳库含量的具有积极的作用。在水稻生长方面，秸秆全量还田，施用240 kg/hm2(NM)和315 kg/hm2(NH)的水稻分蘖数、株高、叶面积系数、叶绿素含量及地上部分干物质重等各项指标均较优。在土壤养分和碳库方面，随着施氮量的增加，稻田土壤速效钾、速效磷、可溶性有机碳和微生物有机碳含量均呈“先增后减”的趋势。其中，在秸秆全量还田下，施用240 kg/hm2(NM)纯氮，土壤的速效磷和速效钾含量显著高于其他施肥处理，且土壤碳库含量高于其他处理。在产量方面，在秸秆全量还田下，施用240 kg/hm2的氮肥的水稻产量最高。因此，在本试验条件下，秸秆全量还田施用240 kg/hm2纯氮是浙北地区单季晚粳稻种植较为适宜的氮肥调控模式。