秸秆还田结合减量施肥对水稻产量和土壤养分的影响

赵子婧 孙建平 戴相林 刘雅辉

摘要：为探明河北滨海稻区水稻秸秆还田条件下，最适的化学肥料施用体系，达到肥料减量和土壤培肥目的。在大田试验条件下，设置不同施肥方案：T1（常规施肥）、T2（减施氮肥5.74%，减施肥料19.97%）、T3（减施氮肥15.02%，减施肥料25.84%）、T4（减施氮肥20.88%，减施肥料34.01%）等4个处理，研究秸秆还田结合不同减量化施肥方案对水稻生长发育和产量及土壤养分的影响。结果表明，在秸秆还田模式下，减量化施肥处理均未对水稻生长发育产生负影响，并且保障了水稻产量;秸秆还田后，土壤养分含量相比还田前有所提高，相比于T1处理，减量施肥处理组有机质含量显著提高15%～24%，速效钾含量显著降低12%～21%，碱解氮和速效磷未形成显著性差异。其中T3处理组，水稻最高分蘖数、分蘖生长速率、有效穗数、结实率都显著提高，株高和千粒质量并未表现显著差异，水稻最终产量提高了17.14%。因此，在冀东水稻种植地区，秸秆还田与减量施肥T3（减施氮肥15.02%，减施肥料25.84%）的配施方式是该地区最优减量化栽培方式。

关键词：水稻;秸秆还田;减量施肥;产量;土壤养分

中图分类号： S511.06  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）10-0066-06

河北省水稻主要集中在唐山市-秦皇岛市滨海盐碱地区种植，种植面积约8万hm2，是河北省重要的粮食作物[1]。为保证作物产量，农户通常施用大量化肥来满足作物生长所需养分。同样，水稻生长发育过程中也离不开肥料，尤其是氮肥，可直接影响作物产量。合理配施磷肥能保证水稻分蘖，利于水稻增产;合理配施钾肥可改善水稻品质，提高水稻自身抗逆性[2-4]。因此肥料增施是提高产量的重要措施之一[5]。我国化肥施用量在世界居于前列，水稻作物上化肥施用量高达887.1万t，高于其他农作物施肥量[6]。为了追求作物高产，化肥过量施用的现象普遍存在。但长期过量施用化肥，导致肥料利用率低，氮肥利用率和磷肥利用率分别在30%、25%左右[7-8]，未被利用的氮磷钾等养分流失至生态环境中，导致地表水体富营养化，还会造成土壤酸化、地力衰退等一系列问题[9]。

针对长期过量施肥而导致的生态环境问题，减量化施肥得到迅速发展。20世纪90年代，一些欧洲发达国家在保证作物产量的前提下，减少化肥的施用量，降低了氮磷钾肥年均施用量[10]。为保证绿色生态持续发展，近几年，我国也开始在减量化施肥方面展开研究。目前，减量施肥的技术方法主要有测土配方施肥、水肥一体化、秸秆还田、配施有机肥等。作物秸秆作为可再生的生物质能资源之一，内含50%以上的光合作用产物，含有大量氮、磷、钾、镁等多种元素[11]，以及由碳、氢、氧等元素构成的有机质[12]。作物秸秆通过物理加工或微生物利用后可作为有机肥还田于土壤，增加土壤有机碳的含量[13-14]，同时释放氮磷钾等养分，满足作物养分需求并提高土壤养分含量[15]，减少化肥施用量[16-17]。秸秆还田结合减量施肥，既能保障作物产量，同时又提高了土壤有机质和养分的含量[18-19]。

河北省滨海稻区由于秋冬季地表温度低，水稻秸秆直接还田不能快速腐解，尤其秸秆快速腐解期与水稻返青分蘖期重叠，严重影响水稻秧苗的生长发育。低温腐解稻秆菌HT20应用于秸秆还田中可以加速秸秆腐解，并且在腐解过程中释放氮磷钾等，为水稻生长发育提供一定养分，可减施部分化肥，但是适宜的肥料施用体系目前还不清楚，因此，本研究通过大田试验，设计不同减量施肥方案，探究适宜河北省滨海稻区水稻秸秆配施HT20还田最优配套施肥技术，既保障水稻在整个生育期正常生长发育，又不影响水稻最终产量，以期为该区域水稻实际生产提供合理的减量化施肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验在河北省农林科学院滨海农业综合试验站（地理位置39°17′40″N，118°27′22″E）进行，试验站海拔2.5 m，属东部季风区暖温带半湿润季节型近海大陆性气候，年均气温为11.4 ℃。土壤类型为盐渍型滨海黏壤土，多年种植水稻;试验前取土样化验，耕层土壤的基本化学性质：pH值为 7.98，含有机质16.10 g/kg、碱解氮93.45 mg/kg、速效磷18.09 mg/kg、速效钾218.10 mg/kg。

供试水稻品种为滨稻18。供试美丹利复合肥含N 25%、P2O5 9%、K2O 11%，由河北美丹利化肥有限公司生产;供试有机硅功能复合肥含N 25%、P2O510%、K2O 15%，由河北硅谷肥业有限公司生产;尿素含N 46%;磷酸二铵含 N 18%、P2O5 46%;硫酸钾含K2O 52%。试验所用肥料购于当地农业生产资料市场。

1.2 试验设计

于2019年11月开始，2020年5月21日移栽，2020年10月结束。前茬作物为水稻，并在收获季节将低温稻秆腐解菌HT20（河北省农林科学院滨海农业研究所提供）喷洒于秸秆后进行翻耕还田处理，翻耕深度为10～15 cm，并灌水使土壤含水量接近饱和。

试验设置常规施肥和减量施肥4个处理（表1）。常规施肥T1，主要模拟农户习惯施肥;减量施肥T2，主要以美丹利复合肥为底肥，减施肥料19.97%，减施氮肥5.74%;减量施肥T3，主要以美丹利复合肥为底肥，减施肥料25.84%，减施氮肥15.02%;减量施肥T4，主要以硅谷缓释肥为底肥，减施肥料34.01%，减施氮肥20.88%。每个处理3次重复，随机排列。田间管理与常规管理一致。

1.3 试验测定项目与方法

1.3.1 形态指标测定

移栽后7 d（5月28日）開始调查单株株高，每个小区挂牌调查10穴，每7 d调查1次水稻单株株高。

移栽后7 d，选择生长发育状态一致的水稻秧苗进行标定，用竹竿（1.5 m）在每个小区标定3个点，每个点标记5穴，每隔7 d调查定点植株，记录每个小区水稻的分蘖动态，测定各个处理的最大分蘖数。

1.3.2 产量及其构成因素的测定

于水稻成熟期，在每个小区选取10穴代表性植株，测定其有效穗数（个/穴）、总粒数（粒/穴）、实粒数（粒/穴）、结实率（%）、千粒质量（g）等指标。

1.3.3 土样采集及分析

试验前后分别对耕作层土壤进行取样，采样深度为20 cm，化验土壤pH值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量等。采用水土体积比5 ∶1浸提，用PHSJ-4A型pH计测定土壤pH值;参照《土壤分析技术规范》测定土壤养分，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质，采用碱解扩散法测定碱解氮;采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷;采用原子吸收分光光度计法测定速效钾。

1.4 数据统计分析

利用Excel软件进行统计和数据作图处理，利用Minitab软件进行数据的显著度比较分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田结合不同施肥处理对水稻分蘖动态及成穗的影响

由图1、表2可知，随着水稻生育进程的推移，不同施肥模式下的水稻茎蘖数均表现为先下降再快速增加，达到最大茎蘖数后，缓慢回落，最后趋于平稳。在移栽初期，水稻茎蘖数先呈现下降趋势，主要是由于水稻苗移栽至大田后，小苗、弱苗不适应大田环境，自然衰亡。T2、T3处理组的水稻分蘖数在6月24日率先达到最高值，最高分蘖数分别为17.273、20.764个/穴，分蘖生长速率分别为0.332、0.459个/d;而T1、T4处理组的水稻分蘖数在7月2日到达最高值，晚于T2和T3处理组，最高分蘖数分别为17.714、17.012个/穴，分蘖生长速率分别为0.326、0.252个/d。相比于常规施肥T1处理组，减量施肥T3处理组的最高分蘖数和分蘖生长速率显著增加，T2、T4处理组未形成显著性差异。说明减量化施肥并未影响水稻分蘖生长速率，保障了水稻最高分蘖数。

4个施肥处理组的水稻茎蘖数在达到最大茎蘖数后，均开始回落，最终趋于稳定。T3处理组的最终有效茎蘖数为15.387个/穴，高于其他3个施肥组，但无效分蘖高达5.377个/穴，茎蘖数回落较大，导致其最终成穗率仅为74.30%。T2和T4处理组的最终有效茎蘖数分别为13.978个/穴和13.738个/穴，显著低于T3处理组，但与常规施肥T1处理组无显著性差异。T2和T4处理组的成穗率分别为81.26%和80.93%，略低于常规施肥T1处理组。减量化施肥处理组的成穗率均低于常规施肥T1处理组，但4种不同施肥处理组并未形成显著性差异，说明减量化施肥并未影响水稻成穗率。

2.2 秸秆还田结合不同施肥处理对水稻株高及株高生长速率动态变化的影响

由图2可知，随着水稻生育期的推进，不同施肥模式下水稻株高生长动态基本一致，均表现为逐渐增高，并且在孕穗成熟期株高趋于稳定。在整个生育期内，T2、T3处理组的株高与T1处理组相差不大。移栽 7 d 后，T4处理组的水稻株高低于其他3个施肥处理组，导致整个生育期内水稻株高均低于其他3个处理组，最终株高仅为97.57 cm，可能是由于T4处理组底肥主要以缓释肥为主，施用量少且养分释放缓慢，导致氮肥不足，影响水稻插秧返青期向上生长。说明过量减施肥料会对水稻株高有一定影响。

在水稻4个主要生长发育阶段，不同施肥措施下株高生长速率见图3。在水稻分蘖盛期，水稻株高生长速率达到最大，表明水稻分蘖盛期是水稻向上生长的关键时期。在水稻孕穗成熟期，水稻株高生長速率降为0.5 cm/d，水稻基本停止向上生长，株高趋于稳定。在水稻分蘖盛期，常规施肥T1处理组水稻株高生长速率达到最高 为1.24 cm/d，高于其他3个施肥组。说明高施肥量有助于水稻在分蘖盛期向上生长。

2.3 秸秆还田结合不同施肥处理对水稻产量构成因素的影响

在秸秆还田模式下，不同施肥措施对水稻产量构成因素的影响见表3，各处理组的产量构成因素之间存在显著性差异。减量施肥T3处理组的有效穗数高于其他3个施肥组，为15.51穗/穴，比其他3组分别提高了4.2%、12.4%、8.4%;减量施肥T2处理组的有效穗数最低，仅为13.67穗/穴，但未与T1形成显著性差异。减量施肥T3处理组的穗粒数略低于常规施肥T1处理组，但未形成显著性差异;减量施肥T2和T3处理组的穗粒数显著高于常规施肥T1处理组，T2处理组最高，为149.38粒/穗。减量施肥T3处理组的结实率为94.92%，相比T1提高了1.25百分点，且差异显著;减量施肥T2和T4的结实率分别为94.24%、94.72%，与T1、T3处理没有显著性差异，且略高于T1施肥组。4个施肥处理的水稻千粒质量并没有显著性差异，均在32 g左右。说明减量化施肥并未影响水稻产量构成因素，相反还有助于提高水稻穗粒数和结实率等相关指标。

2.4 秸秆还田结合不同施肥处理对水稻产量的影响

由图4可知，减量施肥T2、T3、T4 等3个处理组水稻最终产量均高于常规施肥T1处理组。常规施肥T1处理组的水稻产量为9 333 kg/hm2。减量施肥T2、T3、T4处理组水稻产量分别为9 933、10 933、10 100 kg/hm2，相比于T1施肥组，分别增产了6.43%、17.14%、8.21%。减量施肥T3处理组的增产效果最明显。说明减量化施肥处理并未影响水稻最终实际产量，还有助于提高水稻实际产量。

2.5 秸秆还田结合不同施肥处理对土壤理化性质的影响

试验前后土壤养分含量的变化见表4。秸秆还田结合不同施肥模式对土壤pH值的影响极小，但显著影响了土壤养分含量。在秸秆还田后，施加4种不同施肥方案，土壤有机质含量提高了40%～74% 碱解氮含量提高了51%～60% 速效磷含量提高了3%～21%，速效钾含量提高了4%～32%，说明秸秆还田结合施肥有利于提高土壤养分含量，改善土壤理化性状。在秸秆还田模式下，减量施肥处理组相比于常规施肥T1处理组，土壤有机质含量显著提高了15%～24%;土壤碱解氮和速效磷含量相差不大，未产生显著性差异;速效钾含量显著降低，可能由于水稻抽穗期未施钾肥，导致植物直接吸收土壤中速效钾。

3 结论与讨论

本研究结果表明，在秸秆还田模式下，减量施肥T2、T3、T4处理组均通过改善水稻农艺学性状保障了水稻产量，相比于常规施肥处理组 水稻产量分别提高了6.43%、17.14%、8.21%。同时，秸秆还田后，土壤养分含量有所提高，相比于常规施肥处理组，减量施肥T2、T3、T4处理组有机质含量显著提高，碱解氮和速效磷未形成显著性差异，速效钾含量显著降低。

众多研究表明，在秸秆还田模式下，适当减少化肥施用量不会对作物产量产生显著影响[20]，甚至合理的施氮策略能够有效提高早晚稻的实际产量[21]。从水稻最高茎蘖数、成穗率、结实率和千粒质量等农艺学性状来看，3个减量施肥处理组的农艺学性状指标并未显著低于常规施肥T1处理组，说明化肥减施并未显著影响水稻生长发育。但减量施肥T4处理组的水稻株高在整个生育期都显著低于常规施肥T1组，可能是由于T4处理组前期底肥施用量过低且释放缓慢，仅为375 kg/hm2，折合施氮量为93.75 kg/hm2，导致腐解微生物与植物争抢养分，致使在移栽返青期，水稻株高显著低于其他3个施肥组，虽追肥阶段提高了尿素施用量，株高生长速率加快，但最终株高仍然显著低于其他3个施肥处理组。因此，在秸秆还田模式下，要注重氮肥减施量，避免秸秆腐解过程中与水稻争夺养分，影响作物生长发育，从而影响作物产量[22-23]。更有研究表明，缓释肥和尿素配施可以达到减氮增效的目的，提高了氮肥利用率，保障了作物的产量[24]。本研究中T2和T3施肥组以美丹利稳定性长效复合肥为底肥，施用量为600 kg/hm2;T4施肥组以有机硅功能复合肥料为底肥，施用量为375 kg/hm2。因此在秸秆还田的基础上，减量化施肥处理组主要以缓释复合肥为前期底肥，尿素为后期氮肥追施，二者互相配施，提高肥料利用率，保障作物生长和最终产量。

本试验中秸秆还田提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，这与前人研究结果[25-26]一致。秸秆还田后土壤有机质含量相比还田前提高了40%～74%，但随着施氮量的减少，土壤有机质含量逐渐增加，T1施肥组的有机质含量显著低于其他3个减量施肥处理组，施氮量过高不一定利于土壤有机质含量的累积，这与前人研究结果[27]一致。秸秆还田后，土壤养分得到提高，尤其是碱解氮增幅较大，提高了51%～60%，随着氮肥施用量的减少，土壤碱解氮含量并未随着减少，可能氮肥还有继续减施的潜力。秸秆还田后土壤速效磷含量增加幅度较小，主要与秸秆中磷元素含量较低且释放少有关[28]。秸秆中的钾素主要以离子形态存在，释放速率快且释放量大，秸秆中95%钾离子均可释放到土壤中，进而提高土壤速效钾含量[29]，可以减少高钾和中钾土壤的钾肥施用量[30]。秸秆还田前，试验地土壤速效钾含量为218.10 mg/kg，为高钾土壤田块，常规钾肥用量仅为78 kg/hm2。秸秆还田后土壤速效钾含量提高4%～32%，随着钾肥量减施，土壤速效钾含量显著低于常规施肥处理组，主要原因为秸秆还田钾素更多地被作物吸收利用，致使土壤中速效钾含量增幅较低。

水稻秸秆还田结合合理的施肥量能够有效地提高土壤有机质含量，改善土壤养分，提高水稻产量。在河北滨海稻区水稻种植过程中，初步确定秸秆还田结合T3施肥组是目前较合理的减量化施肥方案，折合施N量315.6 kg/hm2，施P2O5量 54 kg/hm2，施K2O量66 kg/hm2，相比常规施肥方案，减施氮肥15.02%，总减施肥料为25.84%。在该施肥方案下，秸秆腐熟较快，避免腐解微生物与水稻争夺养分，同时秸秆腐熟后又会释放氮磷钾等养分，可以为水稻的生长发育提供养分，既保障水稻生长发育，又提高水稻实际产量，保障了农业生态绿色发展，为河北滨海稻区水稻秸秆资源循环利用提供了科学依据。

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