冬水田油菜秸秆还田和氮肥运筹对杂交稻干物质积累和产量的影响

黄 正,张荣萍,马 鹏,张 琪,周宁宁,阿什日轨,冯婷煜,周 林

(西南科技大学 生命科学与工程学院,四川 绵阳 621010)

一季杂交中稻或杂交中稻-再生稻是川南冬水田主要的水稻种植模式。冬水田因长期蓄水,出现土壤结构差,通气性差,水、肥、气、热协调能力差,潜育化养分增多等问题[1-2],对水稻生长发育造成不利影响。川南热量资源丰富,全年无霜期330 d以上,可满足一年两熟制轮作体系的积温要求。油-稻轮作体系作为长江流域常见的水旱轮作体系之一,在改善土壤氧化还原电位和团粒结构、增加土壤透气性、促进土壤潜在养分转化方面具有重要作用[3]。随着农业机械化程度的提高,秸秆粉碎后直接还田变得越发普遍[4]。秸秆还田在促进作物产量增加、改善土壤理化性状、提升土壤肥力状况与养分循环方面的作用已被许多研究所证实[5-8]。然而,秸秆还田后会导致土壤碳氮比增加,促进微生物大量繁殖,从而引发微生物与水稻的争氮现象,导致水稻前期生长发育减缓[9]。在生产上,常通过增加基蘖肥中氮肥用量或比例的方法来缓解微生物与水稻间争氮的矛盾,以确保水稻前期生长正常[10-13]。李晓峰等[14]认为,在小麦秸秆全量还田下,当施氮量为300 kg·hm-2,基蘖肥和穗肥的比例为7∶3时,水稻产量最高。严奉君等[15]认为,油菜秸秆全量还田下,当施氮量为135 kg·hm-2,基肥、分蘖肥、穗肥的比例为3∶3∶4时,水稻产量和氮肥利用率最高。郑浣彤等[16]认为,在水稻秸秆全量还田下,当施氮量为200 kg·hm-2时,水稻的干物质积累量、产量和氮肥利用效率达到最高。可见,由于生态区域、土壤状况、轮作制度等不同,秸秆全量还田下适宜的氮肥运筹存在一定差异。

基于川南地区冬水田土壤有效养分低和存在的“冷、毒”等问题,本试验重点研究冬水田旱作后油菜秸秆全量还田和氮肥运筹对杂交稻分蘖动态、干物质积累和产量的影响,以期为川南冬水田油-稻轮作下的秸秆科学还田与氮肥施用提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于乐山市井研县千佛镇试验基地(29.35°N,104.31°E)内。当地属亚热带季风性气候,年均气温17 ℃,全年无霜期335.6 d。试验田为川南特有的冬水田类型。在前茬水稻收获后,将冬水田放水排干,布设24个小区,小区四周扎埂,埂宽40 cm,埂高30 cm,埂上包膜,防止串水串肥,每个小区的面积为15 m2。

试验开展前,0～20 cm土层的基本理化性状如下:有机质含量18.7 g·kg-1,全氮含量1.78 g·kg-1,碱解氮含量93.7 mg·kg-1,全磷含量73 mg·kg-1,有效磷含量15.42 mg·kg-1,全钾含量11.37 g·kg-1,速效钾含量85.34 mg·kg-1,pH值6.5。

试验于2020年下半年开始。冬油菜采用育苗-移栽的方式,于8上旬左右育苗,9中下旬移栽,移栽株行距为30 cm×40 cm,至2021年4月中旬收获。2001年3月下旬进行水稻秧盘育秧,4月中旬进行水稻机插,机插株行距为18 cm×30 cm。供试油菜品种为宜油17,水稻品种为宜香优2115。

1.2 试验处理

油菜季,各试验小区的氮磷钾用量和施用方式一致。施氮量(以N计)为180 kg·hm-2,基追比1∶1;磷(以P2O5计)、钾(以K2O计)用量分别为120、150 kg·hm-2,磷钾肥统一作为底肥于油菜移栽前1 d施用。

水稻季,开展双因素随机区组试验。试验共设2种秸秆还田方式(T1,秸秆不还田;T2,秸秆还田)和4个氮肥处理(N1,不施氮肥的空白对照;N2、N3、N4,纯N用量统一为150 kg·hm-2,基肥、分蘖肥、穗肥的比例分别为5∶3∶2、3∶3∶4、3∶2∶5)。共8个处理,每个处理设3次重复。具体地:在不进行秸秆还田的小区,直接将该小区的油菜秸秆全部移除小区;在进行秸秆还田的小区,将油菜秸秆用粉碎机粉碎至5～7 cm,用小型旋耕机将秸秆全量翻埋入15 cm土层内。各处理下磷钾肥统一用作底肥,施用量分别为75 kg·hm-2(以P2O5计)和150 kg·hm-2(以K2O计)。水分管理采用控制性灌溉,其他均按当地大面积生产田管理。

试验所用氮、钾肥分别为中化化肥有限公司生产的尿素(N含量为46%)、氯化钾(K2O含量为60%),磷肥为绵阳市安州区隆联新科肥业有限公司生产的过磷酸钙(P2O5含量为16%)。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 分蘖动态

在水稻移栽后7 d,在每小区标记代表性水稻植株15穴,每隔7 d调查1次每穴水稻的分蘖数,直到水稻分蘖数下降为止。参照田广丽等[17]的方法,计算相对分蘖速率。

1.3.2 水稻主要生育期的干物质量

分别于最高分蘖期、齐穗期、成熟期,每小区取3穴水稻植株,去掉地下部,用自来水冲洗干净后打包,105 ℃杀青30 min,70 ℃烘至质量恒定,称量,计算地上部干物质量。

1.3.3 考种

水稻成熟时,选取20穴将其稻穗全部摘下,置于尼龙网袋内,风干至水分含量达13.5%时考种,测定有效穗数、每穗着粒数、结实率、千粒重,并计算理论产量。

1.4 数据分析

参照钟旭华等[18]的方法,计算氮肥偏生产力。

用Excel 2010软件整理数据,用DPS 7.0软件进行方差分析,显著性水平选定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与氮肥运筹对水稻分蘖动态的影响

随着移栽后天数的增加(7～42 d),各处理的分蘖数均呈先增加后减小的趋势,并在移栽后35 d达到最高值(表1),但相对分蘖速率在此期间整体呈下降趋势(表2)。无论是秸秆还田还是不还田,与不施氮的处理(N1)相比,施氮处理(N2、N3、N4)均能提高水稻的分蘖数。在T1处理下,移栽后的7～14、28～42 d,各施氮处理的分蘖数差异不显著;在T2处理下,移栽后的7～35 d,各施氮处理的分蘖数差异不显著。在35～42 d,T1处理下各施氮处理分蘖数降低,其降低速率(相对分蘖速率的绝对值)从高到低依次为N2>N4>N3,处理间差异显著;T2处理下各施氮处理分蘖数降低,其降低速率从高到低依次为N4>N3>N2,处理间差异显著。移栽42 d时,无论秸秆是否还田,N2、N3、N4处理的分蘖数均较N1处理显著增加。整体来看,前期各氮肥运筹对水稻的最高分蘖数无显著影响,但显著影响最高分蘖期后的水稻生长发育过程。相同施氮处理下,在移栽后7～28 d,秸秆还田处理显著提高水稻分蘖数,但28～42 d时,秸秆还田降低杂交稻的相对分蘖速率。

表1 不同处理对水稻分蘖数的影响Table 1 Effect of different treatments on tiller number of rice 104 hm-2

表2 不同处理对水稻相对分蘖速率的影响Table 2 Effects of different treatments on relative tillering rate of rice d-1

2.2 秸秆还田与氮肥运筹对水稻分蘖成穗率的影响

无论秸秆是否还田,与不施氮的N1处理相比,各施氮处理均显著降低了杂交稻的分蘖成穗率(图1),N2～N4处理的降幅分别在10.46%～14.90%、12.43%～12.99%、14.43%～15.04%。N2处理下,T2处理的分蘖成穗率较T1处理显著增加6.10%。

图2 不同处理对氮肥偏生产力的影响Fig.2 Effects of different treatments on N partial factor productivity

2.3 秸秆还田与氮肥运筹对水稻主要生育时期地上部干物质量的影响

秸秆还田、氮肥运筹,及二者互作对杂交稻各主要生育时期(最高分蘖期、齐穗期、成熟期)的干物质量均有显著影响(表3)。

表3 不同处理对水稻主要生育时期地上部干物质量的影响Table 3 Effects of different treatments on dry weight of aboveground part of rice under different growth periods t·hm-2

秸秆不还田条件下,从齐穗期到成熟期,随着基蘖肥后移增加,各施氮处理的水稻地上部干物质量均呈先增后降的趋势。在最高分蘖期,水稻地上部干物质量在N2、N3、N4处理下分别较N1处理显著增加41.41%、30.86%、36.33%;在齐穗期和成熟期,水稻地上部干物质量均在N3处理下最大,在成熟期时较N2、N4处理分别显著增加4.05%、10.84%。

秸秆还田条件下,从最高分蘖期到成熟期的水稻地上部干物质量均以N2处理最高。齐穗期时,N2处理的水稻地上部干物质量分别较N3、N4处理显著增加4.43%、7.35%。成熟期时,N2和N3处理的水稻地上部干物质量无显著差异,但均显著高于其他处理,N2、N3、N4处理分别较N1处理显著增加29.48%、28.65%、21.26%。

相同施氮处理下,秸秆还田有助于提高水稻各主要生育时期的地上部干物质量。在成熟期,N2、N3、N4处理的水稻地上部干物质量在T2处理下较T1处理分别增加8.94%、4.04%、8.58%。

2.4 秸秆还田与氮肥运筹对水稻产量及其组成的影响

秸秆还田、氮肥处理,及二者互作对水稻产量、有效穗数、每穗着粒数、结实率均影响显著。

在秸秆不还田条件下,各施氮处理的水稻产量从高到低依次为N3>N2>N4>N1(表4),且各处理间差异显著,N3处理较N1、N2、N4处理分别增产19.23%、3.76%、10.79%。在秸秆还田条件下,各施氮处理的水稻产量以N2、N3最高,二者之间并无显著差异,但均显著高于其他处理,N2处理较N1、N4处理分别增加19.05%、7.89%。相同施氮处理下,秸秆还田提高杂交稻产量。与T1处理相比,T2处理下N1、N2、N3、N4处理的水稻产量分别增加5.45%、8.81%、4.35%、7.69%。

表4 不同处理对水稻产量及其组成的影响Table 4 Effects of differenrt treamtments on rice yield and its componetnts

在秸秆不还田条件下,各施氮处理的有效穗数差异显著,从高到低依次为N3>N2>N4>N1,每穗着粒数以N3处理最高,显著高于N1和N4处理。在秸秆还田条件下,N2和N3处理的有效穗数、每穗着粒数最高,二者之间无显著差异,均显著高于N1处理。但无论秸秆是否还田,各施氮处理的千粒重、结实率均无显著差异。相同施氮处理下,秸秆还田提高了水稻的有效穗数、每穗着粒数、结实率,增幅分别在0.57%～2.45%、0.71%～2.91%、0.75%～3.19%。

2.5 秸秆还田与氮肥运筹对水稻氮肥偏生产力的影响

在秸秆不还田条件下,各施氮处理的氮肥偏生产力差异显著,从高到低依次为N3>N2>N4,N3较N2、N4处理分别增加3.73%、10.85%。在秸秆还田条件下,N2和N3处理的氮肥偏生产力无显著差异,但均显著高于N4处理,N2处理较N4处理的氮肥偏生产力增加7.90%。在相同施氮处理下,秸秆还田较不还田显著提高了氮肥偏生产力,在N2、N3、N4处理下增幅分别为8.79%、4.28%、7.74%。

3 讨论

氮是植物生长发育过程中的重要元素之一。氮素供应水平直接影响作物的群体建构和干物质积累过程[19]。已有研究表明,适宜的氮肥运筹在促进水稻前期分蘖,获得较好的群体数量和质量,提高群体光合物质生产能力上具有重要的作用[20]。在当前的农业生产中,如果秸秆不还田,适当减少基蘖肥、增加水稻后期追肥用量,可在保证田间最高苗的基础上,促进最高分蘖期后的物质积累,提高有效穗数和单穗重,实现作物高产[21]。本试验发现,在秸秆不还田的条件下,所设计的3种氮肥运筹方案对水稻最高分蘖期的分蘖数无显著影响,但会影响水稻最高分蘖期到齐穗期阶段的分蘖群体自疏过程。光合同化物供给水平影响水稻的分蘖生长和发育,同化物供应不足会引起分蘖生长停滞和死亡[22]。本研究中,在秸秆不还田的条件下,与N2处理相比,基蘖肥后移20%到穗肥(N3处理)可促进水稻成熟期的干物质积累,提高有效穗数,增加产量,提高氮肥偏生产力。这与前人结论相似。但若基蘖肥后移过多,会导致前期水稻分蘖群体质量下降,光合物质生产能力降低,不利于分蘖的生长发育,造成有效穗数减少和产量下降[23],这与本试验中N4处理的结果相似。上述结果说明,在水稻季,适当将茎蘖肥中的氮肥用量后移至穗肥,有利于水稻干物质积累量和产量的增加。

秸秆作为一种有机物,还田后可促进土壤碳氮比增加,刺激微生物的代谢活动,在水稻生长前期易出现微生物与水稻争氮的现象,从而影响作物前期生长[24]。因此,在生产上常通过穗氮前移来确保水稻前期生长中的氮肥供应,在水稻生长的中后期则主要利用秸秆腐解释放养分来促进水稻生长[25]。孔丽丽等[26]认为,在总施氮量(以N计)200 kg·hm-2的条件下,当基蘖肥与穗肥的比例由7∶3调整为8∶2时,可提高水稻的有效穗数和每穗着粒数,增加作物产量。在本研究中,在秸秆还田条件下,N4处理可能造成水稻生长前期的氮素供应量不足,无法缓解秸秆腐解过程中微生物与水稻争氮的矛盾,以及油菜秸秆腐解产生的有机酸等在水稻根际环境富集的问题,会抑制水稻根系建构和对氮磷等养分的吸收,致使水稻光合物质积累下降,分蘖发育减缓和死亡,造成其最高分蘖期的茎蘖数减少,以及最终的有效穗数和产量下降[27]。适当地将穗氮前移可缓解秸秆在易矿化分解阶段或半纤维素分解阶段对水稻生长的抑制作用,发挥秸秆还田对水稻生长中后期物质积累和分蘖成穗的正向促进作用。钟旭华等[28]也指出,分蘖成穗率与穗分化始期的干重及其占成熟期植株干重的比例呈显著负相关关系,因此应提高最高分蘖期后的物质积累,以进一步提高分蘖成穗率。在本试验中,在秸秆还田条件下,N2、N3处理促进了水稻从最高分蘖期到成熟期的干物质积累,提高了分蘖成穗率,促进了有效穗数和产量的增加。有研究表明,秸秆还田下,土壤基础肥力是影响水稻季氮肥运筹的重要因素之一,在土壤肥力较高的土壤上,可能存在不同氮肥运筹间水稻干物质积累和产量差异不显著的现象。范立慧等[20]发现,在高地力情况下,无论基蘖肥与穗肥的比例是7∶3、5∶5,还是3∶7,各处理之间的产量均无显著差异。在本试验中,秸秆还田条件下,N2与N3处理的产量差异不显著。可能的原因是,试验土壤氮素含量较高。同时,冬水田经过旱作后,促进了土壤中潜育化养分向有效养分的转化[29]。此外,油菜根系分泌的有机酸和油菜落叶等也有助于提高土壤氮、磷的有效性[30]。严奉君等[31]的试验也发现,在高土壤肥力下进行小麦秸秆还田,当基肥、分蘖肥、穗肥中氮的比例分别为5∶3∶2和3∶3∶4时,水稻产量、干物质积累量差异不显著。这些结果共同说明,在总氮量控制一定的基础上,土壤地力条件会影响氮肥运筹与秸秆还田在水稻生育建构和产量形成上作用的发挥。综合考虑秸秆还田与氮肥运筹,在本试验条件下,冬水田经油菜季栽培种植后,油菜秸秆全量还田配合基肥、分蘖肥、穗肥施用比例5∶3∶2的氮肥运筹,可实现最高产,产量为10.12 t·hm-2。

另外要说明的是,本研究仅表明秸秆还田搭配合理的氮肥施用方式在提高水稻氮肥利用效率和发挥秸秆还田正向促进作用上具有积极作用[32],但关于冬水田旱作后对其土壤理化性质、养分转化的影响,以及油菜秸秆还田后杂交稻养分吸收和根系构建等问题还需进一步深入探索。对其增产机理等,也还有待进一步研究。