秸秆还田与水氮管理对水稻氮素利用及土壤理化性质的影响

孙园园，张桥，孙永健*，殷尧翥，刘芳艳，马鹏，马均

(1.四川农业大学水稻研究所，四川 温江 611130；2.作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 温江 611130；3.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都 610072)

作物秸秆中富含碳、氮等营养元素，秸秆还田可提高土壤养分，降低碳氮比[1]，还能有效调节土壤墒情，改善物理性状，对促进水肥资源的高效利用及农业可持续发展成效显著[2]。如何高效利用作物秸秆，减小秸秆的负面效应，发挥前茬作物秸秆对后茬作物生长发育的促进作用，前人对堆腐还田、促腐还田和直接还田等多种方式进行了大量的研究：油菜秸秆堆腐发酵还田可提高土壤肥力，但前茬油菜秸秆若不能高效利用，则会抑制植物幼苗根系生长，并对环境造成污染[3–4]；秸秆还田配套合理的氮肥运筹可显著提高稻谷产量与氮肥利用率及稻米品质[5–7]；水资源时空分布不均、水肥管理不合理会导致水稻肥水利用效率低、化肥面源污染日趋加重等[8–9]；合理的水氮管理方式可显著提高水肥的利用效率[5,8–11]。但在秸秆还田的方式与水氮管理对水稻各时期的氮素吸收利用及土壤理化性质的影响研究较少。

四川盆地作为油–稻轮作的主要地区，秸秆资源丰富，但存在水源不足、时空分布不均、肥料施用不合理、中低产田比例大等突出问题，如何在研究区域范围内合理有效的利用油菜秸秆资源，开展不同秸秆还田处理下水氮耦合对水稻氮素利用与土壤理化性质影响的研究很有必要。本研究中，设不同秸秆还田方式、灌溉方式、氮肥运筹3 因素裂区试验，探索秸秆还田下合理的水肥配施高产高效的栽培技术，以期为水稻提质、丰产、绿色高效的生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017、2018 年分别在四川农业大学水稻所温江试验农场、眉山市东坡区现代农业产业园试验基地进行。供试水稻品种为宜香优2115(籼型三系杂交稻，生育期150～154 d)。水稻均于4 月23 日播种，旱育秧，人工单株移栽(秧龄40 d)，行株距为33.3 cm×16.7 cm。前茬作物均为油菜。2017、2018年秸秆还田量分别为10 340.0、11 180.0 kg/hm2。试验田0～20 cm 土层土壤的理化性质列于表1。各处理小区间用塑料薄膜包埂，小区面积为15.60 m2。

表1 试验田土壤的理化性状Table 1 Physicochemical properties of soil in the experiments of different years

试验采用3 因素裂区设计，3 次重复。主区设堆腐还田(A1)和直接还田(A2)共2 种秸秆还田方式。按照文献[12]的方法进行堆腐还田：将油菜秆粉碎、铺堆、泼洒腐熟剂、覆膜密封，堆腐8 d 秸秆呈深褐色腐烂状态时视为秸秆腐熟；水稻栽插前用旋耕机(1GQN–180)整平田面后，人工将腐熟的油菜秸秆均匀抛撒到小区厢面上。直接还田即油菜机械化收割同时秸秆切碎还田，泡田后用旋耕机整平田面。裂区设淹灌(W1)和有氧灌溉(W2)共2 种灌溉方式：淹灌为移栽后田面保持1～3 cm 水层，收获前7 d 自然落干；有氧灌溉即秧苗返青后各生育阶段均以达到土壤水势为–25 kPa 时进行灌溉。裂裂区设0、75、150、225 kg/hm2共4 种施氮水平，分别记为N0、N1、N2、N3。其中基肥占40%，于移栽前1 d 施用；蘖肥占30%，于移栽后7 d 施用；穗肥占30%，于倒四叶、倒二叶分次等量施用。磷、钾肥均作基肥施用，施用量分别为90 kg/hm2(P2O5)、150 kg/hm2(K2O)。试验共16 个处理：A1W1N0、A1W1N1、A1W1N2、A1W1N3、A1W2N0、A1W2N1、A1W2N2、A1W2N3、A2W1N0、A2W1N1、A2W1N2、A2W1N3、A2W2N0、A2W2N1、A2W2N2、A2W2N3。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 水稻氮含量测定及计产

分别于拔节期、抽穗期及成熟期按各小区取代表性植株6 穴，分茎鞘、叶片和穗3 部分烘干至恒重后粉碎，用FOSS–8400 定氮仪测定氮含量。按王海月等[13]的方法，计算上述各生育时期氮素积累量、抽穗至成熟期氮素转运量、转运率和贡献率及氮肥利用效率。各小区实收计产。

1.2.2 土壤脲酶和硝态氮及铵态氮测定

分别于分蘖盛期(移栽后25 d)、拔节、抽穗和成熟期各小区按照5 点取样法取耕层(0～20 cm)土样。按照胡乃娟等[14]的方法测定土壤脲酶活性；按照赵春江[15]的方法测定土壤铵态氮(氯化钾浸提–靛酚蓝比色法)和硝态氮含量(还原蒸馏法)。

1.3 数据分析

采用Excel 2010 和DPS 6.5 进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 供试水稻的氮素利用特征和稻田土壤理化性质及其方差分析结果

由表2 可知，秸秆还田、灌溉方式、施氮量各因素处理下各指标均存在显著差异。除氮素籽粒生产效率外，各指标均表现为A1的显著高于A2的，W2的显著高于W1的；除氮素收获指数、氮素籽粒生产效率(随着施氮量的增加显著降低)和成熟期土壤铵态氮(随着施氮量的增加而增加)外，随施氮量的增加，各指标均先增加，N2的最高，随后再继续增加施氮量，各指标降低。综合各因素整体来看，油菜秸秆堆腐还田、有氧灌溉与配施150 kg/hm2氮肥的综合管理模式在水稻产量、氮素利用及土壤理化性质方面表现最优。

表2 秸秆还田和水氮管理下的水稻产量和氮素利用特征及稻田土壤理化性质Table 2 The rice yield, N utilization and soil physicochemical properties with straw returning and water and N management patterns

从各因素处理对水稻产量、氮素利用特征及土壤理化指标的交互效应分析结果(表3)可知，秸秆还田、灌溉方式及施氮量对所测水稻各指标和成熟期土壤理化指标均存在显著或极显著的影响，且3 因素的互作效应达显著或极显著水平。

表3 秸秆还田和水氮管理对水稻产量和氮素利用特征及土壤理化指标的影响及交互效应分析结果Table 3 Analysis result of variance for rice yield, N utilization and soil physicochemical properties with straw returning and water and N management patterns

2.2 秸秆还田和水氮管理对水稻主要生育时期氮素积累的影响

由表4、表5 可知，与A2相比，除拔节和抽穗期叶片与抽穗期植株的A2W2N0及2017年成熟期叶片的A2W2N1外，相同水氮管理下，A1的各生育期植株及其各部位的氮素积累均不同程度提高，成熟期植株和穗部籽粒的氮积累量分别提高了9.7%～32.9%和7.5%～45.3%；同一秸秆还田和施氮量处理下，除2017 年抽穗期A1W1N0外，W2的各生育时期植株氮素积累量均不同程度的高于W1的；除2018 年成熟期穗的A2W2N1外，同一秸秆还田和灌溉方式内，施氮处理各生育期主要营养器官氮积累量均显著高于N0的，且除2017 年成熟期穗的A1W2N1外，各器官氮素积累量均先随施氮量的增加而增加，N2的最高，再继续提高施氮量，氮素积累量反而减少。

表4 2017年秸秆还田和水氮管理下的水稻各生育期的氮素积累量Table 4 The N accumulation at different growth stages of rice under straw returning and water and N management in 2017 kg/hm2

表4(续) kg/hm2

表5 2018年秸秆还田和水氮管理下的水稻各生育期的氮素积累量Table 5 The N accumulation at different growth stages of rice under straw returning and water and N management in 2018 kg/hm2

2.3 秸秆还田和水氮管理对水稻结实期氮素转运的影响

从表6 和表7 可知，除A2W2N2和A2W2N3外，相同水氮管理A1的抽穗至成熟期水稻茎鞘氮素转运量、转运率均高于A2的，相同施氮量处理的A1的W1的抽穗至成熟期水稻茎鞘氮素贡献率均高于A2的；而相同水氮管理下抽穗至成熟期水稻叶片的氮素转运率和贡献率则多为A2的高于A1的。各秸秆还田处理下，W2的茎鞘和叶片氮素转运量及转运率的平均值均大于W1的。相同秸秆还田和灌溉方式内，抽穗至成熟期茎鞘的氮素转运量、转运率和贡献率均先随施氮量的增加而增大，N2的最大，之后继续增加施氮量，这些指标又变小。

表6 2017年秸秆还田和水氮管理下的水稻抽穗至成熟期的氮素转运状况Table 6 The N translocation from heading to maturity stages of rice under straw returning and water and N management in 2017

表7 2018年秸秆还田和水氮管理下的水稻抽穗至成熟期的氮素转运状况Table 7 The N translocation from heading to maturity stages of rice under straw returning and water and N management in 2018

2.4 秸秆还田和水氮管理对水稻产量及氮素利用特征的影响

由表8 可知，稻谷产量以秸秆堆腐还田下有氧灌溉与施氮量150 kg/hm2处理的最高；与A2相比，同一水氮管理下A1增产7.3%～18.5%；同一秸秆还田和施氮量处理下，W2的产量不同程度的高于W1的；同一秸秆还田和灌溉方式内，产量均先随施氮量的增加而增加，N2的最高，再继续提高施氮量，产量又减少；除N2和A2W2N0的氮素收获指数外，同一水氮管理下A1的氮素收获指数、氮肥表观利用率(NPE)、氮肥农学利用率(NAE)均高于A2的；除A2W1N3的NAE 外，同一秸秆还田和施氮量处理下，与W1相比，W2不同程度地提高了NPE 和NAE；同一秸秆还田和灌溉方式内，随施氮量的增加NPE和NAE 先增加，以N2的最大，再增加施氮量反而会导致NPE 和NAE 的显著下降，也会导致氮素干物质及氮素籽粒生产效率不同程度的下降。

表8 秸秆还田和水氮管理下的水稻产量和氮素利用特征Table 8 The yields and N utilization characteristics of rice under straw returning and water and N management

2.5 秸秆还田和水氮管理对土壤脲酶活性的影响

由表9 可知，除A1W2N2外，同一秸秆还田和水氮管理下，土壤脲酶活性均随水稻生育进程的推进先增加，在拔节期达到最高点，随后又逐渐下降；除A2W1N2和A2W2N0外，同一水氮管理和生育期内，A1的土壤脲酶活性均高于A2的，各生育期A1的平均土壤脲酶活性较A2的提高了4.8%～9.7%，尤其以成熟期A1的平均土壤脲酶活性显著高于A2的(表2)。从不同灌溉方式来看，在抽穗和成熟期，施氮处理(N1、N2、N3)的W2的平均脲酶活性分别较W1的增加7.5%和7.6%。同一秸秆还田和灌溉方式及生育期内，在分蘖盛期和拔节期，除A1W2N3外，土壤脲酶活性均随施氮量的增加呈不同程度的增加趋势；而抽穗和成熟期，脲酶活性先随施氮量的增加而增加，以N2的最高，继续增加施氮量脲酶活性反而降低。

表9 秸秆还田和水氮管理下稻田土壤的脲酶活性Table 9 The soil urease activities of rice under straw returning and water and N management mg/(g·d)

2.6 秸秆还田和水氮管理对稻田土壤硝态氮的影响

由表10 可知，随水稻生育进程的推进，同一秸秆还田与水氮管理下，稻田土壤硝态氮质量分数从分蘖盛期到拔节期升高，随后到抽穗期下降，到成熟期又有所升高，在拔节期达到最高值。同一水氮管理和生育期内，A1的土壤硝态氮质量分数均高于A2的，不同生育期A1的平均土壤硝态氮质量分数提高了2.3%～10.0%，且以抽穗期提高的最多。从不同灌溉方式来看，除分蘖盛期的A1W1N2和A1W1N3及分蘖盛期和拔节期的A2W1N3外，同一秸秆还田和施氮量及生育期内，W2的土壤硝态氮质量分数均高于W1的。就施氮量而言，同一秸秆还田和灌溉方式及生育期内，分蘖盛期和拔节期的土壤硝态氮质量分数随施氮量的增加而增加，而抽穗和成熟期的土壤硝态氮质量分数变化趋势与铵态氮的不同，土壤硝态氮质量分数先随施氮量的增加而增后，以N2的最大，继续增加施氮量，硝态氮质量分数反而降低。

表10 秸秆还田和水氮管理下稻田土壤的铵态氮和硝态氮质量分数Table 10 The mass fractions of soil NH4+-N and NO3--N of rice under straw returning and water and N management mg/kg

2.7 秸秆还田和水氮管理对稻田土壤铵态氮的影响

从表10 可知，同一秸秆还田和水氮管理下，稻田土壤铵态氮质量分数随水稻生育进程的推进先增加，在抽穗期均达到最高点，随后又下降。除A2W2N2外，同一水氮管理和生育期内，A1的土壤铵态氮质量分数均高于A2的，不同生育期A1的平均土壤铵态氮质量分数较A2的提高了1.6%～11.1%，且以分蘖盛期提高的最大，成熟期提高的最小。从不同灌溉方式来看，除分蘖盛期和拔节期的A1W1N0、抽穗期的N3和成熟期的A2W1N3外，同一秸秆还田和施氮量及生育期内，W2的土壤铵态氮质量分数均高于W1的。就施氮量而言，同一秸秆还田和灌溉方式内，水稻各生育期稻田土壤铵态氮质量分数均随施氮量的增加而不同程度的增加。

3 结论与讨论

合理的水氮管理可有效提高水稻主要生育时期叶片、茎鞘、穗部氮素的积累，提高对氮素的吸收利用[5,16]，且节水灌溉条件下氮肥的施用利于根系对耕层土壤水分的利用，提高水肥利用效率[17]。何虎等[18]和徐国伟等[19]研究表明，在一定的施氮范围内，秸秆还田结合实地氮肥运筹模式，利于产量及氮肥利用效率的协同提高。本研究中，秸秆还田方式与水氮管理对水稻氮素利用特征存在显著或极显著的影响。在不同秸秆还田方式下，水分和氮素互作能有效促进水稻对氮素的吸收、积累和转运；各秸秆还田处理下，W2的植株各器官氮素积累、茎鞘和叶片氮素转运量及转运率的平均值均大于W1的，表明在秸秆还田下，有氧灌溉可促进植株对氮素的吸收，提高水稻抽穗前氮素积累，促进结实期氮素向穗部的转运，提高氮素收获指数，确保养分以满足群体库容和籽粒充实度。

王麒等[20]研究表明，秸秆还田下不同程度增施氮素可提高植株氮素积累。本研究中，与不施氮处理相比，秸秆堆腐还田配施合理的氮肥可显著提高水稻各生育时期叶、茎鞘、穗的氮素积累，且除2017年成熟期叶片的A2W2N1外，均高于秸秆直接还田的。秸秆堆腐还田有利于秸秆中速效养分的释放，并有助于水稻对秸秆中养分的吸收与利用，因此，相对于直接还田处理，秸秆堆腐还田的水稻群体构建(叶片增大、有效分蘖数增多、茎秆粗壮等)增大，地上部干物质积累相对较大，在秸秆处理间植株氮含量差异不显著的基础上，也直接促使植株氮素积累提高，这进一步补充和完善了笔者前期的研究结果[1,2,6,12]。相对于直接还田处理，秸秆堆腐还田显著提高了抽穗期到成熟期的叶片、茎鞘各营养器官氮素的转运量，并增加了叶片与茎鞘氮素总转运量，促进了穗部氮素积累；但植株群体构建叶片较大，使氮素在叶片中滞留的较多，导致多数堆腐还田处理的叶片氮素转运率低于直接还田处理的。此外，2 年的施氮积累有差异，但变化趋势一致，主要原因可能是2 年试验地点和基础地力不同，且因气候因素的影响，水稻对温光的利用效率不同，导致了生育期植株的各器官氮素积累、分配、转运及生产效率的差异。

作物生长与土壤环境密不可分，而秸秆还田可对土壤温度、湿度、容重和团粒结构等物理特性产生影响，还可影响土壤中氮、磷、钾及有机质的含量[21–23]。在秸秆还田下，由于秸秆腐熟使土壤微生物大量繁殖及秸秆养分大量释放到土壤中[24–25]，并通过土壤耕作方式[26]、水旱轮作模式[27]等管理措施，可有效提高土壤有机质、降低耕层容重，增加不同耕层(0～5 cm 与5～15 cm)土壤的含水量，提高速效养分含量，达到改善土壤理化性质，提高土壤肥力的目的。本研究中，除A2W1N2和A2W2N0外，同一水氮管理和生育期内，秸秆堆腐还田的土壤脲酶活性均高于秸秆直接还田的，各生育期秸秆堆腐还田的平均土壤脲酶活性较秸秆直接还田的提高了4.8%～9.7%，尤其以成熟期秸秆堆腐还田的平均土壤脲酶活性显著高于秸秆直接还田处理的。

本研究中，同一秸秆还田和施氮量及生育期内，多数有氧灌溉处理的土壤铵态氮和硝态氮质量分数高于淹水灌溉处理的，成熟期有氧灌溉处理的平均土壤铵态氮和硝态氮质量分数均显著高于淹水灌溉处理的。其原因可能是淹水灌溉使土壤长期处于密闭状态，影响土壤环境和秸秆腐解所致[28]。本研究中，随着施氮量的增加，除A1W2N3外，土壤脲酶在分蘖盛期和拔节期呈递增趋势；在抽穂期和成熟期则先增加，在施氮量为150 kg/hm2时最高，继续增加施氮量脲酶活性又反而降低。表明在秸秆堆腐还田处理下，有氧灌溉与适宜施氮量配施能更好地协调产量与氮肥生理利用效率，改善土壤理化性质，实现水稻高产与氮肥高效利用的目的。

稻油轮作种植制度下，油菜秸秆堆腐还田与水氮管理可提高水稻氮肥利用效率，改善土壤理化性质。本研究条件下，油菜秸秆堆腐还田、有氧灌溉与配施150 kg/hm2氮肥，可有效提高植株结实期氮素积累量、转运量及转运率，增强水稻结实期土壤耕层脲酶活性，从而促进水稻产量及氮肥利用率的同步提高。