麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对土壤氮素供应及直播稻产量的影响

彭志芸，吕旭，伍杂日曲，舒川海，谌洁，向开宏，杨志远，马均*

（1.四川农业大学水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130；2.宜宾市农业科学院，四川 宜宾 644000）

氮素是作物需求量大且在土壤中较缺乏的矿质元素，对调节和维持作物正常生长发育具有重要作用。土壤中能直接被作物吸收利用的氮有硝态氮、亚硝态氮、铵态氮、分子氮和一些可溶性有机氮[1]。相关研究表明，秸秆还田后的氮素释放能引起土壤氮素矿化的正激发效应，强化土壤的供氮能力[2]。严奉君[3]研究表明，秸秆还田后氮素释放能提高水稻前中期0～20 cm 土层全氮含量。秸秆还田还能提高微生物活性及数量[4]，而微生物量的增加可以加强土壤对铵态氮的固定，减少硝态氮的积累，降低氮肥的损失[5]。同时，秸秆腐解后的养分释放能提高土壤磷、钾含量，促进作物养分吸收，有助于增产增效[6]。

氮肥运筹能显著调控土壤氮素含量，进而影响稻株的氮素吸收和产量形成。王允青等[7]认为，杂交中籼稻氮肥施用以m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=4∶3∶3 为宜；布哈丽且木·阿不力孜等[8]研究结果显示，提高穗肥比例有利于水稻产量的提高。而在秸秆还田条件下，氮肥施用情况又有所不同。李勇等[9]研究表明，秸秆还田结合重基肥、轻蘖肥、补穗肥的施肥模式有较高的速效氮供应，有利于维持土壤氮素平衡，同时，水稻增产9.3%。严奉君[3]研究认为，秸秆覆盖条件下均衡施氮能平衡稻株氮素吸收量与土壤氮素含量，且水稻各时期氮素吸收量和氮肥利用效率显著提高，增产效应达极显著水平。

直播栽培水稻可以减轻用工强度，提升水稻生产效率[10]。麦−稻、油−稻模式是西南地区典型的轮作方式，在小麦、油菜收获后进行水稻直播，可有效地降低水稻生产成本，提高经济效益[11]。在生产上直播稻一般采取“前促、中控、后补”[12]的施肥策略。因此，本试验立足于麦−稻、油−稻轮作模式，设计了麦、油秸秆还田与3种氮肥运筹，研究秸秆还田与氮肥前移、后移及均衡施肥对土壤氮素供应及直播稻产量的影响，旨在为西南地区水稻绿色轻简化栽培的合理施肥提供理论依据和实践经验。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018 年和2019 年在四川农业大学崇州试验基地开展，供试品种为在四川地区广泛应用的优质杂交籼稻宜香优2115（全生育期157 d）。耕层土壤（0～20 cm）质地为砂壤土，其肥力情况（有机质、全氮、有效磷和速效钾含量）如表1 所示。水稻生育期间试验区气象数据由四川省气象局提供（图1）。

表1 试验田耕层土壤（0～20 cm）肥力状况Table 1 Fertility status of topsoil(0-20 cm)in the test field

图1 2018—2019年试验区水稻生育期平均气温和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during the growth period of rice in the experimental area from 2018 to 2019

1.2 试验设计

采用2 年定位试验和两因素裂区设计，麦茬田和油茬田同期播种。主区为秸秆处理：秸秆不还田（对照，M0）、秸秆全量翻埋还田（M1），2018 年、2019年小麦（油菜）秸秆还田量分别为5 300 kg/hm2（5 483 kg/hm2）、6 239 kg/hm2（6 993 kg/hm2）。副区在施氮量150 kg/hm2的基础上设3 种氮肥运筹模式：氮肥前移（N1）、均衡施氮（N2）、氮肥后移（N3），以不施氮肥为对照（N0）。供试水稻施肥管理：氮肥施用按不同运筹处理（表2）进行；磷肥75 kg/hm2，全作基肥施用；钾肥150 kg/hm2，按m（基肥）∶m（穗肥）=5∶5 施用。试验用肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。

表2 不同氮肥运筹模式下水稻各生育时期的施氮量Table 2 Nitrogen application amounts of rice at different growth stages under different nitrogen fertilizer management models kg/hm2

小麦（油菜）籽粒收获后秸秆经机器粉碎至5～10 cm，在旋耕整田时全量翻耕还田（M1），不还田（M0）处理将秸秆移出田间。水稻浸种后于2018 年5月15日采用人工模拟机械精量穴直播进行湿润播种，行间距为25 cm×20 cm，播量为3～5 粒/穴。2019 年为定位试验，在原小区内整田，于5 月18 日播种，整田和播种方式均与2018年一致。每个处理3 次重复，小区面积为15 m2，小区间筑埂（宽40 cm），并用塑料薄膜包裹，防止水肥互串。病虫草害防治等均按照常规田间管理进行。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土样全氮、铵态氮、硝态氮含量的测定

于水稻拔节期、齐穗期和成熟期采用5 点取样法，分别在各小区行间中点，用取土器分别对0～10、＞10～20 cm 土层进行取样。经自然风干、磨碎、过筛（100目）后，采用凯氏定氮法测定土样全氮含量，采用氯化钾浸提−靛酚蓝比色法测定其铵态氮含量，采用双波长紫外分光光度法测定其硝态氮含量[13]。

1.3.2 稻株氮素积累的测定

分别于拔节期、齐穗期、成熟期在每小区选取长势一致且无病虫害的水稻3 穴，在烘箱中以105 ℃杀青45 min 后，在80 ℃条件下烘干至恒量，称量、粉碎、过筛（100 目）后，用UDK169 型凯氏定氮仪（意大利Velp Scientifica公司）测定各生育期稻株全氮含量。

1.3.3 水稻产量统计

于成熟期去除边行水稻和按实际穴数进行收获，并按标准含水量13.5%计算水稻产量。

1.4 数据统计分析

用Excel 2007、DPS 6.5 软件进行数据分析，采用最小显著差数法（least significant difference,LSD）进行差异显著性检验（P＜0.05）。用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对土壤铵态氮含量的影响

秸秆处理仅对麦茬田成熟期0～10 cm 土层及油茬田齐穗期0～10 cm 土层的铵态氮含量有极显著的影响，氮肥运筹对直播稻不同生育期的土壤铵态氮含量有显著或极显著的调控效应，且有显著或极显著的互作效应（表3）。

相较秸秆不还田，秸秆还田后麦茬田直播稻各生育期0～10 cm 土层铵态氮含量均呈不同程度的减少，成熟期减少了32.21%，＞10～20 cm土层的铵态氮含量在齐穗后有一定增加。油茬田中秸秆还田后直播稻各生育期0～10 cm 土层铵态氮含量均较不还田高，拔节期、齐穗期、成熟期分别提高15.13%、9.00%、10.03%（表3）。

就氮肥运筹而言，在秸秆不还田情况下，齐穗期麦茬田0～10 cm土层铵态氮含量以N3处理最高，成熟期以N1处理最高。油茬田0～10 cm 土层铵态氮含量在水稻各生育期无显著差异，拔节期和齐穗期＞10～20 cm土层铵态氮含量为N1处理显著高于N2、N3处理。秸秆还田后，拔节期麦茬田0～10 cm土层铵态氮含量以N3处理最高，齐穗后以N1处理更高，＞10～20 cm土层铵态氮含量在水稻各生育期以N0处理较高。油茬田0～10 cm 土层铵态氮含量在水稻各生育期整体上以N1处理较高，拔节期＞10～20 cm 土层铵态氮含量表现为N3＞N2＞N1，齐穗后以N2处理更高（表3）。

表3 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对稻田各土层铵态氮含量的影响（2018年）Table 3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on ammonium nitrogen (NH＋4-N) content in each soil layer of paddy field under wheat(rape)-rice rotation(2018) mg/kg

2.2 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对土壤硝态氮含量的影响

秸秆处理及氮肥运筹对不同时期的土层硝态氮含量存在显著或极显著影响，且有显著或极显著的互作效应（表4）。

相较秸秆不还田，秸秆还田后，麦（油）茬田土层硝态氮含量在拔节期和齐穗期表现为有增有减，成熟期麦（油）茬田0～10、＞10～20 cm土层硝态氮含量较秸秆不还田均有不同程度的降低，分别减少44.22%（30.99%）、8.05%（20.09%）（表4）。

就氮肥运筹来看，在秸秆不还田情况下，麦茬田拔节期0～10、＞10～20 cm土层硝态氮含量表现为N1＞N2＞N3，齐穗后0～10 cm土层硝态氮含量以N2处理最高，齐穗期＞10～20 cm 土层硝态氮含量为N3处 理 较N1、N2处 理 显 著 提 高175.57%、171.43%。油茬田各时期0～10 cm土层硝态氮含量表现为N3处理最高，齐穗期＞10～20 cm 土层硝态氮含量以N2处理最高。秸秆还田后，麦（油）茬田0～10、＞10～20 cm土层硝态氮含量无明显变化规律，整体上以N1、N2处理较高（表4）。

表4 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对稻田各土层硝态氮含量的影响（2018年）Table 4 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on nitrate nitrogen (NO－3-N) content in each soil layer of paddy field under wheat(rape)-rice rotation(2018) mg/kg

2.3 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对土壤全氮含量的影响

从表5～6可知，2018年秸秆处理仅对麦茬田拔节期0～10 cm 土层及齐穗期、成熟期＞10～20 cm土层的全氮含量有显著或极显著影响，2019年则显著或极显著调控麦茬田＞10～20 cm土层各时期及油茬田＞10～20 cm 土层齐穗期的全氮含量，氮肥运筹对不同时期土层全氮含量有显著或极显著影响，且有不同程度的互作效应。

就年际间来看，2019 年成熟期麦（油）茬田0～10 cm 土层全氮含量较2018 成熟期在秸秆不还田、秸秆还田情况下分别提高了7.19%（10.00%）、4.09%（7.43%）。2 种秸秆还田模式下不施氮肥处理各时期的0～10、＞10～20 cm土层全氮含量整体低于其他处理，施用氮肥后除成熟期0～10 cm 土层外，2018年麦茬田0～10、＞10～20 cm土层全氮含量仍较秸秆不还田低，2019年麦茬田0～10 cm土层全氮含量较秸秆不还田差异减小。2年试验中油茬田土壤全氮含量在秸秆处理间差异较小。

就氮肥运筹而言，2018年麦（油）茬田0～10 cm土层的全氮含量在秸秆不还田条件下拔节期以N1处理较高，齐穗后N1处理显著低于N2、N3处理，秸秆还田后麦茬田土层全氮含量在水稻各生育期表现为N2处理低于N1、N3处理，油茬田各施氮处理差异不显著。2019 年麦茬田秸秆还田后拔节期N1处理全氮含量高于其他各处理，齐穗后各施氮处理全氮含量差异减小，油茬田土层全氮含量在水稻各生育期以N1处理较高。2 年试验中，麦（油）茬田＞10～20 cm土层全氮含量在水稻全生育过程中无明显变化规律，综合来看，各时期土层全氮含量以N1处理较高（表5～6）。

表5 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对稻田各土层全氮含量的影响（2018年）Table 5 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on total nitrogen content in each soil layer of paddy fieldunder wheat(rape)-rice rotation(2018) g/kg

2.4 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对直播稻氮素积累的影响

从图2可见：较秸秆不还田，秸秆还田处理下除2018年麦茬田直播稻拔节期的氮素积累量较低外，其他时期的氮素积累量均有所提高，2018 年麦茬田、油茬田直播稻成熟期氮素积累量较不还田提高7.13%、8.50%，2019 年增至15.17%、17.12%。就氮肥运筹而言，2018年拔节期麦（油）茬直播稻氮素积累量表现为N1＞N2＞N3，2019年在秸秆未还田情况下表现趋势一致，在秸秆还田后以N2处理氮素积累量更高。齐穗期和成熟期2 年趋势一致，在秸秆不还田时氮素积累量呈N3＞N2＞N1变化趋势，秸秆还田后则表现为N2＞N3＞N1。

图2 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对直播稻氮素积累的影响Fig.2 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on nitrogen accumulation in direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation

2.5 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对直播稻产量的影响

对比2年产量数据可知，2019年麦、油茬田直播稻较2018 年减产448、352 kg/hm2（图3）。2018 年麦、油茬田直播稻秸秆还田较不还田分别增产0.94%、1.43%，2019年增至6.60%、7.42%。对于氮肥运筹，麦（油）茬田直播稻在秸秆不还田时产量表现为N3＞N2＞N1，秸秆还田后产量表现为N2＞N3＞N1。

图3 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻产量的影响Fig.3 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on yield of direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation

2.6 麦（油）-稻轮作下土壤无机氮与直播稻氮素积累及产量的关系

由相关性分析（表7）可知：麦−稻轮作模式下0～10 cm 土层中拔节期铵态氮含量与稻株氮素积累总量及产量均呈显著正相关，齐穗期硝态氮含量、无机氮总含量与稻株氮素积累总量呈显著正相关；＞10～20 cm土层中仅拔节期硝态氮含量、无机氮总含量与稻株氮素积累总量呈显著或极显著负相关。油−稻轮作模式下0～10 cm土层中齐穗期硝态氮含量与稻株氮素积累总量及产量呈极显著正相关，成熟期铵态氮含量与稻株氮素积累总量及产量呈极显著负相关。

表7 麦（油）-稻轮作下0～20 cm土层无机氮含量与直播稻氮素积累总量及产量的相关性（2018年）Table 7 Correlation between inorganic nitrogen contents in the 0-20 cm soil layer and total nitrogen accumulation, yield of direct seeding rice under wheat(rape)-rice rotation(2018)

3 讨论

3.1 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对稻田氮素供应及稻株氮素吸收的影响作用

秸秆还田和化肥配施是提高土壤肥力的有效措施。王保君等[14]研究表明，秸秆还田配施240 kg/hm2的氮肥后土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、总有机碳含量显著提高，而铵态氮、可溶性有机碳和微生物碳含量显著减少；刘玲玲[15]研究也显示，秸秆还田配施氮肥后土壤铵态氮、硝态氮含量有所减少。本研究结果显示，麦−稻轮作模式下无机氮含量变化与上述研究一致，油−稻轮作模式下铵态氮含量有所增加。这可能与基础土壤肥力和秸秆还田种类有较大关系。在2种轮作模式下秸秆还田与不还田土壤全氮含量并无显著差异，但2018、2019年秸秆还田后麦（油）茬田直播稻的氮素积累总量较不还田提高了7.13%（8.50%）、15.17%（17.12%）。说明在相同的氮肥施用量下，秸秆还田后能促进稻株对氮素的吸收利用，且秸秆还田后2019年试验结束时麦（油）茬田0～10 cm 土层全氮含量较2018 年成熟期提高了4.09%（7.43%）。可见，秸秆连续还田后能充实土壤氮库，提高稻株氮素吸收能力。这与秸秆还田后自身的养分释放[16]以及能有效改善土壤结构、促进根系养分吸收[17]有较大关系。

表6 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对稻田各土层全氮含量的影响（2019年）Table 6 Effects of straw returning and nitrogen fertilizer management on total nitrogen content in each soil layer of paddy fieldunder wheat(rape)-rice rotation(2019) g/kg

土壤氮素含量主要取决于外源氮素投入和地上部稻株群体的吸收量。本研究中，拔节期0～10、＞10～20 cm土层总体上以氮肥前移（N1）处理的无机氮及全氮含量较大，这与前期大量氮肥施入有关。前期氮肥大量施入不利于根系的下扎[18]，而其中后期未施入氮肥，导致拔节后的物质生产能力不强，进一步影响其根系对土壤氮素的吸收利用，因此，N1处理下0～10 cm 土层铵态氮、硝态氮和全氮含量在水稻全生育期都维持在较高水平。林晶晶

等[19]指出，基肥对于稻株氮素吸收的贡献仅占4.13%～10.59%。可见，氮肥前移模式不利于稻株的氮素吸收，肥料浪费严重。白志刚[20]研究认为，提高穗肥比例能减少氮素流失，且水稻全生育期氮素积累量可提高9.10%～34.67%。本研究中，秸秆还田结合均衡施氮（N2）处理的直播稻氮素积累量显著高于其他处理，与严奉君等[21]的研究结果一致。

3.2 麦（油）-稻轮作下秸秆还田与氮肥运筹对直播稻产量的影响作用

前人研究发现，秸秆还田能培肥地力，提高水稻产量，且增产效应随还田时间延长而增加[22−23]。本研究中2 年试验结果显示，秸秆还田均能提高直播稻产量，且以第2年还田增产效果更好，再一次证实了前人的研究结果。本试验结果还显示，随氮肥后移量的提高，麦（油）茬直播稻产量在秸秆不还田情况下呈增大趋势，而秸秆还田后呈先增大后减小趋势。可见，在直播栽培水稻时，秸秆还田后氮肥后移量不宜太高，结合均衡施肥更利于直播稻产量的提高。

同时，本试验结果还表明，油−稻轮作模式下秸秆还田的增产效果较麦−稻轮作模式更佳，这可能与秸秆还田量和秸秆种类有较大关系。本研究2年秸秆还田量中油菜秸秆均大于小麦秸秆。武际等[24]研究表明，油菜秸秆的腐解率及养分释放量均优于小麦秸秆；严奉君[25]通过15N 标记发现，油菜秸秆还田后水稻对秸秆氮素吸收量较小麦秸秆还田后更高。由于本试验的麦−稻、油−稻轮作模式在不同田块间进行，模糊了不同田块间的土壤肥力差异，因此，后续有必要在同一土壤肥力条件下系统比较麦−稻、油−稻轮作周年作物养分吸收差异和产量形成，从而进一步指导农业生产。

3.3 麦（油）-稻轮作下土壤氮素供应与直播稻产量的关系

土壤中的无机氮是水稻可直接吸收利用的氮源之一，土壤氮素供应不足，无法满足水稻生长需要，会造成植株生长停滞，导致减产；而土壤氮素含量过高，则容易破坏土壤结构及养分保持，最终制约产量的提高[26]。外源氮素的投入是决定土壤无机氮含量多少的主要原因，合理的氮肥施入能促进稻株氮素吸收，维持土壤氮素平衡[27]。本试验中相关性分析结果表明，拔节期和齐穗期的土壤氮素供应有利于直播稻氮素吸收，提高产量。这可能是由于直播稻营养生长期群体质量大，群体吸氮量高[28]，故对土壤氮素的需求大。表明在直播水稻生产中通过均衡施肥保障水稻拔节和齐穗期充足的氮素供应更利于产量的提升。

4 结论

在麦−稻和油−稻2 种轮作模式下，秸秆还田均能提高齐穗期后直播稻的氮素积累量，但是土壤硝态氮和全氮含量较秸秆不还田处理有所降低。第2年秸秆还田后较第1 年土壤全氮含量有所提高，配合均衡施氮模式能显著提高麦（油）茬直播稻的氮素积累总量，增产显著。因此，2种轮作模式均可在秸秆还田条件下，通过氮肥的均衡施用，实现直播稻的高产稳产，以油−稻轮作模式下增产效果更佳。