双季稻秸秆还田与减施氮肥对水稻产量和品质的影响

袁 伟，陈婉华，王子阳，周正萍，刘世平

（扬州大学 江苏省作物遗传生理重点实验/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009）

【研究意义】我国是农业生产大国，年秸秆资源总量达1.04×109t，综合利用率达80.1%[1]，其中水稻秸秆约占25.1%。如果在水稻生产过程中将其还田腐解作为肥料，使其富含的碳、氮等营养元素和矿物元素充分释放出来[2]，这样不仅可以实现农业废弃物高效利用，变废为宝，还可以避免焚烧对生态环境造成污染，有效促进农业的可持续发展[3-4]。我国稻田单季氮肥用量平均为180 kg/hm2，比世界平均用量高75%左右[5]，肥水管理过程中，过高的氮肥投入会使其本身的利用率过低，未被吸收的氮素流失，是造成水体富营养化的主要因子之一，使水体中硝酸盐氮累积，直接或间接地导致了稻田生态系统内一系列不良反应[6-8]。而水稻秸秆全量还田下，我国当季化学氮肥可替代总量为99 万t，单位耕地面积化学氮肥可替代量为33.6 kg/hm2，化学氮肥替代潜力大[9]，在此基础上，适当减少氮肥的施用量，配合利用秸秆氮养分资源，可达到化学氮肥减量，降低生产成本的效果。【前人研究进展】近年来，随着秸秆还田技术的深入发展，国内外广大农业科研人员探索出许多关于秸秆还田的方式、数量、时间、翻压程度和病虫害防治等方面的成熟路线，基本探明了秸秆还田对作物生长、发育和产量形成，以及改良土壤的影响与作用[10-15]。已有研究表明秸秆还田后稻米的外观品质和加工品质有所改善,稻米的食味营养品质和蒸煮品质得到提高[16]。而另有研究显示，稻草全量还田反而比不还田处理的晚稻稻米的出糙率、精米率和整精米率等有所降低，蒸煮和营养品质得到显著改善[17]。【本研究切入点】有关双季稻秸秆还田与减施氮肥对水稻产量和品质影响的相关报道甚少[18-19]。江西地处长江中下游南岸，为南方双季稻稻作区，是我国重要的产粮大省之一，秸秆资源丰富，具有代表性。【拟解决的关键问题】本试验拟探明双季稻秸秆还田处理下，不同氮肥施用量对水稻产量和品质的影响,旨在为双季稻稻作区水稻高产、高效施肥与秸秆资源综合利用提供一定的理论依据和技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018—2019 年在江西上高县现代农业综合示范区（28.27N,115.12E）同一田内进行，供试土壤有机质含量为29.30 g/kg，全氮含量为1.92 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量依次为154.0，16.3，125.5 mg/kg，pH为5.3。

供试早稻品种为“潭两优39”，晚稻品种为“甬优538”。早稻和晚稻均按不同施氮量设6 个处理，均采用抛秧移栽的方式种植，早稻于3 月中旬开始软盘育秧，4 月中旬移栽，36 万穴/hm2，7 月中旬收获，施纯N量分别为0 kg/hm2（JN100）、90 kg/hm2（JN50）、126 kg/hm2（JN30）、162 kg/hm2（JN10）、180 kg/hm2（JN0），前茬水稻秸秆直接全量切碎还田，秸秆量约为9 000 kg/hm2，以秸秆不还田162 kg/hm2施N 量作为对照（CK）；晚稻于6 月下旬开始软盘育秧，7 月中旬移栽，30 万穴/hm2，11 月上旬收获，施纯N 量分别为0 kg/hm2（JN100）、135 kg/hm2（JN50）、189 kg/hm2（JN30）、243 kg/hm2（JN10）、270 kg/hm2（JN0），前茬水稻秸秆直接切碎全量还田，秸秆量约为7 500 kg/hm2，以秸秆不还田243 kg/hm2施N 量作为对照（CK），均为6 个处理，每个处理50 m2（12.5 m×4 m），重复2次。氮肥施肥比例为m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）＝5∶2∶3；磷、钾肥施用量早稻分别为90 kg/hm2（P2O5）和135 kg/hm2（K2O），晚稻分别为135 kg/hm2（P2O5）和135 kg/hm2（K2O），磷肥全部作为基肥施用，钾肥基肥和穗肥比例为6∶4，其它农艺管理措施与当地大田生产一致。各处理施肥量见表1。

表1 不同处理施肥量Tab.1 Fertilizer amount of different treatments kg/hm2

1.2 测定项目

在水稻成熟期调查穗数，每个处理各取5穴用于考种，测定每穗实粒数和千粒质量。各小区实收5 m2计产。稻米的品质指标，糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白大小、垩白度和胶稠度等采用GB/T17891—1999 和GB/T5009.9—2003 方法测定[20-21]；淀粉黏滞谱特性指标等采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司的Super 3型快速粘度分析仪测定，并用配套的TCW分析软件进行分析。

1.3 数据处理

2 年试验产量数据处理间趋势基本一致，所以本文仅取2019 年数据分析讨论。数据采用SPSS 16.0软件进行统计分析，LSD法进行多重比较（α=0.05）；Excel 2007软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 减氮对早稻产量构成因素的影响

由表2 可知，穗数随施氮量的增加而升高，以JN10 和JN0 最多，除不施氮区JN100 较低外，其余各处理间无显著差异，千粒质量有随施氮量增加而降低的趋势，JN100最高，其它处理间无明显差异。实际产量以JN30 最高，不施氮JN100 最低，约占最高产量的65%左右。秸秆还田条件下，除JN30 处理外，其余施氮处理的实粒数略有下降，从而导致产量比秸秆不还田处理略低，但差异不显著。

表2 不同处理对早稻产量及构成因素的影响Tab.2 Effects of N reduction on yield and its components of early rice

2.2 不同处理对早稻品质的影响

2.2.1 减氮对早稻加工品质的影响 适量施氮可以提高稻谷的出糙率，其中JN30 最高，CK 最低，施氮过量会使糙米率降低（表3）。精米率以JN30处理最高，比JN100提高了9%，增施氮肥对精米率的影响较大。秸秆不还田处理CK的整精米率最高，相较于秸秆还田JN10处理而言，提高了11.4%，秸秆还田降低了稻米的整精米率。

表3 不同处理对早稻加工品质的影响Tab.3 Effects of different treatments on the processing qualities of early rice

2.2.2 减氮对早稻外观品质的影响 试验数据表明（表4），在减氮秸秆还田处理下，JN10籽粒垩白粒率最低，显著地低于JN100 和JN30 处理，其余处理间均无显著差异。垩白大小和垩白度则均以JN10 处理最低，除CK 处理外显著低于其它处理。垩白大小其它处理间无显著差异。垩白度JN100、JN30 显著高于JN50和JN0处理，JN10垩白度最小。

表4 不同处理对早稻外观品质的影响Tab.4 Effects of different treatments on the appearance qualities of early rice

2.2.3 减氮对早稻蒸煮营养品质的影响 据表5 分析可得，秸秆还田处理下，直链淀粉与胶稠度同秸秆不还田CK 相比，均有所上升，其中以胶稠度的增加最为明显，上升了16.4%；而蛋白质的含量略有下降。随着施氮量的增加，稻米中的蛋白质含量有升高的趋势，而直链淀粉和胶稠度则表现为降低。

表5 不同处理对早稻蒸煮营养品质的影响Tab.5 Effects of different treatments on the nutritional and cooking qualities of early rice

2.2.4 减氮对早稻RVA谱特征值的影响 从表6可知，随着施氮量的增加，稻米RVA谱特征值热浆黏度和最终黏度逐渐下降，消减值除JN30 处理外，其余也呈下降趋势。峰值黏度与崩解值均在JN50 处理下达到最大值，然后随施氮量增加而减小。由此可见，减施氮肥能够提升稻米食味性。秸秆还田JN10 处理下，峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度以及消减值均比秸秆不还田处理CK高，说明秸秆还田有利于改善稻米的品质。

表6 不同处理对早稻RVA谱特征值的影响Tab.6 Effects of different treatments on RVA characteristic spectrum of early rice

2.3 减氮对晚稻产量构成因素的影响

水稻的产量构成受施氮量影响。如表7 所示，随着施氮增加，各处理的穗数增多，其中以JN0 为最多，JN100最少，实粒数以JN30最多，JN100最低。千粒质量随施氮量的变化不明显，以JN30为最高。实际产量以JN10 最高，且JN10、JN0 之间没有差异，说明氮肥减少10%对产量无影响。秸秆还田下，晚稻JN10的穗数、实粒数、千粒质量均高于秸秆不还田处理，最终产量JN10比CK增产了8%。

表7 不同处理对晚稻产量及构成因素的影响Tab.7 Effects of N reduction on yield and its components of late rice

2.4 不同处理对晚稻品质的影响

2.4.1 减氮对晚稻加工品质的影响 施用氮肥对晚稻的糙米率和精米率没有明显影响，而对整精米率影响显著；除JN50 外，其余处理的整精米率随施氮量的增加而提高（表8）。其中JN0 处理较JN100 处理提高了54.4%。秸秆还田处理JN10对糙米率和精米率的影响同样很小，但对整精米率影响较大，较秸秆不还田CK处理降低了19%。

表8 不同处理对晚稻加工品质的影响Tab.8 Effects of different treatments on the processing qualities of late rice

2.4.2 减氮对晚稻外观品质的影响 根据表9 所示，CK 处理下，晚稻的垩白粒率和垩白度最高，分别比最低和次低的JN10处理提高了40.7%和58.3%，说明秸秆还田可显著降低垩白米率和垩白度，而对垩白大小的影响不明显。随着氮肥用量的增加，晚稻的垩白粒率、垩白大小和垩白度总体呈下降趋势，其中垩白大小和垩白度受影响最为显著，JN0 处理较JN100 分别降低了29.7%和34%。这表明氮肥的施用有利于改善晚稻的外观品质。

表9 不同处理对晚稻外观品质的影响Tab.9 Effects of different treatments on the appearance qualities of late rice

2.4.3 减氮对晚稻蒸煮营养品质的影响 各处理间，蛋白质含量随着施氮量的增加而有所增加，但直链淀粉含量、胶稠度与氮肥量呈负相关。秸秆还田处理下，直链淀粉含量与胶稠度略有上升，而蛋白质含量则略微减少。说明氮肥对晚稻的蒸煮营养品质的影响较大，而秸秆还田对其作用不明显（表10）。

2.4.4 减氮对晚稻RVA 谱特征值的影响 淀粉RVA 谱特性是反映稻米食味性的重要指标。由表11 可知，秸秆还田JN10 处理下，峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度均高于秸秆不还田处理CK，但消减值恰好相反；秸秆还田对晚稻品质的改善有积极作用。不同氮肥水平下，峰值黏度与施肥量呈负相关；热浆黏度、崩解值以及最终黏度总体上随施氮量的上升而有下降的趋势，但消减值随施氮量的增加而上升。综合而言，减施氮肥对提高晚稻的品质较为有利。

表11 不同处理对晚稻RVA谱特征值的影响Tab.11 Effects of different treatments on RVA characteristic spectrum of late rice

3 讨论

关于秸秆还田对于提升水稻产量方面的作用，前人已做了不少研究。通过长期定位试验，王秋菊等[22]发现长期秸秆还田有利于提高水稻产量，比单施化肥处理增产14.17%。根据本试验结果显示，秸秆还田并减施氮肥条件下，早稻产量略有下降，这与朱利群等[23]研究结果相近，而同样条件下，却可以促进晚稻穗数、实粒数、千粒质量的增长，从而达到增产8%的效果，该结果与胡明芳等[24]发现的秸秆全量还田在晚稻上最优，增幅为8.23%的结论一致，原因在于秸秆后期的养分释放，有利于晚稻穗数和实粒数的形成。相同处理下，早、晚稻产量的增减差异可能与水稻品种、生育期、秸秆腐解时间，以及不同季节微生物对秸秆的腐解能力有关。同时，该结果也再次验证了刘世平等[25]提出的增产结论，即通过秸秆还田方式增加每穗粒数和结实率，最终实现水稻产量的提升。本研究还发现，减少10%的氮肥，均不影响早稻和晚稻的产量。

不同氮肥水平影响着水稻的品质。在本试验中，增施一定比例的氮肥无论对于早稻还是晚稻而言，其加工品质都可得到一定程度的改善，但施氮量过多则会使其下降，这与王秀芹等[26]研究一致；刘世平等[27]研究发现，小麦秸秆还田条件下，可提高稻米的岀糙率、精米率和整精米率,明显改善稻米的加工品质，而在本试验中，秸秆还田却降低了稻米的整精米率，但影响不显著。

秸秆还田处理下，水稻的垩白粒率和垩白度都变小，而直链淀粉与胶稠度有所增大，这与徐国伟等[28]的结论相当，原因是秸秆还田后，在颖花发育期因稻田养分供应增加，这促进了颖壳的增长，使籽粒变长，稻米的长宽比增加，结实期稻米胚乳的养分运输距离变短，从而降低了垩白度。这说明秸秆还田有利于改善稻米的外观品质与蒸煮食味品质。胡雅杰等[29]认为，减少氮肥用量后，蛋白质含量降低,而直链淀粉含量和胶稠度却有所增加，该结论与本试验结果吻合，秸秆腐解释放的氮素少于减施的氮肥对水稻生长的养分供应量，和蛋白质与直链淀粉的互补效应可能是造成这种现象的原因。

公认的食味较好的优质品种往往崩解值大,多数在100 RVU 以上,而消减值很小,一般25 RVU 以下[30]。李敏等[31]研究认为，提高施氮水平，峰值黏度和崩解值下降，消减值升高，热浆黏度、最终黏度无明显变化规律。而本试验研究证明，随着施氮量的增加，热浆黏度、崩解值以及最终黏度总体上随施氮量的上升而有下降的趋势，但消减值随施氮量的增加而上升，这与前人的研究结果基本一致。可见减施氮肥可以提高水稻的蒸煮食味品质。本研究发现，秸秆还田处理下，峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度均比秸秆不还田处理高，而消减值减小，这与陈梦云等[32]的结果大体一致。说明在生产中，秸秆全量还田能增大崩解值，降低消减值，使米饭适口性变好，从而有效提高其食味品质。

秸秆还田与减施氮肥，可综合提高水稻的加工品质、外观品质和蒸煮品质。综合考量产量和品质指标，秸秆还田可有效替代10%～30%的氮肥。