深翻后施肥对头季-再生季水稻产能和氮素吸收利用效率的影响

摘要：为揭示深翻对头季-再生季水稻产能和氮素吸收利用效率的影响，以及深翻后如何调整化学肥料用量，于2023年3—10月在湖北省洪湖市开展田间试验，研究旋耕和深翻模式下不同化肥用量对头季-再生季水稻产量构成、氮素吸收和利用效率的影响。结果表明，与旋耕相比，深翻后常规施肥量减少30%（70%NPK）、常规施肥（NPK）和常规施肥量增加30%（130%NPK）处理周年水稻产量分别增加5.03%、8.56%和14.26%，这主要是由于头季稻每穗粒数的增加。旋耕模式下施肥量对周年水稻产量的影响较小，而深翻后随着施肥量的增加，周年水稻产量也逐渐增加。深翻后，70%NPK、NPK和130%NPK处理周年水稻干物质累积量比旋耕分别增加20.75%、15.79%和28.14%；不论旋耕还是深翻，施肥量对周年水稻干物质累积量的影响较小。不论旋耕还是深翻，随着施肥量的增加，周年水稻氮素积累量在逐渐增加，深翻后，70%NPK、NPK和130%NPK处理周年水稻氮素积累量比旋耕分别增加22.20%、19.14%和29.68%。深翻后，70%NPK和NPK处理周年水稻氮肥农学利用率比旋耕降低36.09%和18.93%，但是130%NPK处理则增加42.24%。随着施肥量的增加，周年水稻氮肥偏生产力降低，不同耕作模式间差异较小。在当地常规施肥量条件下，与旋耕相比，深翻能够增加周年水稻产量，且深翻后减少30%施肥量对周年水稻产量影响较小，而增加30%施肥量仍然有较好的增产效果。

关键词：头季稻；再生稻；耕作方式；肥料运筹；水稻产能；氮素利用率

中图分类号：S511.06" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）24-0072-07

收稿日期：2024-07-25

基金项目：国家重点研发计划（编号：2021YFD190120403）。

作者简介：王煜杰（1999—），男，河南三门峡人，硕士研究生，主要从事水稻养分管理研究。E-mail：19526222089@163.com。

通信作者：徐大兵，博士，副研究员，主要从事土壤连作障碍修复研究。E-mail：xudb@hbaas.ac.cn。

旋耕是目前农业生产中普遍利用的耕作方式之一，能够有效疏松耕层土壤，降低土壤容重，但是长期旋耕会造成犁底层加厚、耕层变浅、作物根系难以下扎，进而影响作物生长发育和养分吸收。有研究表明，耕层变浅后会导致水稻对肥料的需求越发强烈，增产潜力下降，产量难以提升^［1］。为加深耕层，构建合理的耕层结构，国内外众多学者在秸秆还田、机械深松、稻田深翻整地等方面进行了大量的研究^［2-3］，其中陈梦楠等的研究表明，深翻能够改良土壤结构，促进水稻生长，提高水稻产量^［4］。然而，深翻也不能连年进行，连年深翻耕作可能会造成一些负面影响^［5］。邓妍等研究发现，频繁扰动土层会造成土壤水分大量流失，而且往往会把过多生土翻上来，导致耕层养分不足，进而造成作物减产^［6］。稻田耕作制度是整个农田耕作制度的重要组成部分，在增加稻谷生产、维护粮食安全方面发挥着重要的、不可替代的作用，通过对稻田耕作制度进行不断调整与改革，实现稻田生态系统的经济效益、社会效益和生态效益同步增长、协调发展，是值得研究和探索的紧迫问题。于淑婷等研究发现，深翻对于改善土壤结构、提高土壤肥力有显著效果，将深翻等耕作措施进行轮流实施可能是解决旋耕弊端的有效途径^［7］。有时候仅仅依靠深翻并不能增产，还需要配合采取其他措施，比如秸秆还田、有机肥配施、生物耕作、绿肥还田等^［7-8］。王瑾瑜等研究发现，深翻20 cm可增加耕层厚度，显著降低 0～20 cm耕层土壤容重与紧实度，且耕作深度为 20 cm 时，结合有机无机培肥，可在改良稻田土壤紧实化的同时减少水分、养分流失，可作为一种有效的稻田土壤培肥和耕层构建模式^［8］。

目前，国内对于稻田深翻的研究主要集中在东北黑土区域。地处长江中下游的江汉平原，作为我国的水稻主产区之一，由于常年旋耕，导致耕层普遍变浅，犁底层增厚，然而目前有关深翻在拓深耕层厚度、增加水稻产能方面的研究尚不多见。因此，本研究以头季、再生季水稻为研究对象，探讨常规旋耕和深翻模式下化肥减量对水稻产量构成、氮素吸收和利用效率的影响，以期为瘠薄型中低产田的改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于湖北省洪湖市乌林镇四屋门村（113°47.5′98.0″E，29°82.5′45.8″N），年均气温16.6 ℃，年均降水量1 060.1 mm，无霜期332 d。供试土壤为长江冲积物发育的水稻土，0～20 cm土层基本理化性质为：pH值 6.20、有机质含量 32.00 g/kg、碱解氮含量129.80 mg/kg、有效磷含量17.50 mg/kg、速效钾含量109.20 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置2种耕作方式：旋耕（12 cm，记作RT）和深翻（20 cm，记作DP）。设置8个处理：处理1，旋耕+不施氮肥，磷钾肥同常规施肥（RT+PK）；处理2，旋耕+70%常规施肥（RT+70%NPK）；处理3，旋耕+常规施肥（全生育期纯氮、纯磷、纯钾）（RT+NPK）；处理4，旋耕+130%常规施肥（RT+130%NPK）；处理5，深翻20 cm+不施氮肥，磷钾肥同常规施肥（DP+PK）；处理6，深翻 20 cm+70%常规施肥（DP+70%NPK）；处理7，深翻20 cm+常规施肥（DP+NPK）；处理8，深翻 20 cm+130%常规施肥（DP+130%NPK）。每个处理设置3个重复，随机区组排列。每个小区在施肥前单独做好田埂，田埂高出田面20 cm，田埂间沟宽50 cm，小区面积 20 m2（5 m×4 m），保护行宽2 m。

试验于2023年3月28日播种育苗，4月25日人工移栽（密度为16万株/hm2），8月9日收获头季稻，头季稻收割时留桩45 cm，10月28日收获再生稻。施肥情况如表1所示。田间病虫害管理同当地常规操作一致。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 水稻地上部干物重

分别于水稻移栽后100 d（头季成熟期）和180 d（再生季成熟期），齐地收割地上部植株，分器官（茎、叶、穗）于105 ℃下杀青30 min，70 ℃下烘干至恒重，称取不同部位干物重。

1.3.2 产量及产量构成因子的测定

水稻收获时，每个小区全部收割测产，收割后脱粒并将稻谷晒干，清除杂质和空瘪粒后称量稻谷重量。从小区内选1处代表性区域取10蔸测定产量构成因子，记录有效穗数，再将植株其余部分分为茎、叶、穗在 105 ℃ 下杀青30 min后，在70 ℃下烘干至恒重，用于最后计算每穗粒数、结实率、千粒重，具体计算公式如下：

每穗粒数=（实粒数+瘪粒数）/穴穗数；

结实率=饱粒数/（饱粒数+瘪粒数）×100%；

千粒重=实粒重/实粒数×1 000。

1.3.3 氮素吸收与氮素利用效率

将烘干样品粉碎过筛后，采用H2SO4-H2O2进行消煮，连续流动分析仪（AA3，Seal公司，德国）测定全氮含量，根据样品干重计算氮素积累量和氮肥吸收利用率。计算公式如下：

氮素积累量=干物质积累量×养分含量；

氮肥农学利用率（AEN）=（Y-Y0）/F；

氮肥偏生产力（PFPN）=Y/F。

式中：Y为施氮后所获得的作物产量；Y0为不施氮处理作物的产量；F代表氮肥的投入量。

1.4 数据分析

采用SPSS 26.0对各项数据进行方差分析和显著性检验（用LSD进行组间差异性检验），采用Origin 2022绘制图形。

2 结果与分析

2.1 产量及产量构成因子

2.1.1 水稻产量

对于头季稻而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的产量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加8.79%、5.74%、4.22%、5.60%，但处理间差异均不显著。不论在RT还是在DP条件下，不同施肥处理间水稻产量差异均不显著（图1-a）。

对于再生稻而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的产量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加0.45%、0.19%、20.43%、29.62%；RT+NPK处理的产量比RT+70%NPK处理降低11.99%，比RT+130%NPK处理降低4.66%；DP+NPK处理的产量比DP+70%NPK处理提高5.79%，比DP+130%NPK处理降低11.42%（图1-b）。

对于周年水稻产量来说，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的产量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加7.01%、5.03%、8.56%、14.26%；RT耕作模式下各处理间差异均不显著；DP+NPK的产量比DP+70%NPK处理提高1.72%，比DP+130%NPK处理降低6.15%。耕作和施肥对头季稻、再生稻以及周年产量均无显著互作效应（图1-c）。

2.1.2 头季和再生季水稻产量构成因子

由表2可见，从有效穗数来看，头季稻在RT耕作模式下，RT+NPK处理分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理提高5.48%和16.19%；再生稻在RT耕作模式下，RT+NPK处理分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理提高22.34%和17.36%。头季稻的千粒重在RT耕作模式下，RT+NPK处理分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理增加1.15%和2.06%。再生稻的每穗粒数在RT耕作模式下，RT+NPK处理分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理增加了12.61%和3.48%；再生稻的每穗粒数在DP耕作模式下，DP+NPK处理分别比DP+70%NPK和DP+130%NPK处理增加34.54%和7.52%。方差分析结果表明，对于头季稻，不同耕作方式对每穗粒数影响显著，耕作与施肥2个因子之间有显著互作效应；对于再生稻，不同耕作方式对有效穗数影响显著。

2.2 头季和再生季水稻收获期地上部干物质积累量

对于头季稻而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、 DP+130%NPK处理的地上部干物质积累量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加7.71%、27.75%、12.28%、27.88%；在RT耕作模式下，RT+NPK处理的地上部干物质积累量分别比RT+70%NPK和130%NPK处理增加10.38%和15.12%；在DP耕作模式下，DP+NPK处理的地上部干物质积累量比DP+70%NPK处理减少2.99%，比DP+130%NPK处理增加1.08%（图2-a）。

对于再生稻而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的地上部干物质积累量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%处理增加22.16%、10.50%、22.03%、28.52%；在RT耕作模式下，RT+NPK处理的地上部干物质积累量分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理减少9.18%和3.80%；在DP耕作模式下，DP+NPK处理的地上部干物质积累量分别比DP+70%NPK和DP+130%NPK处理减少0.29%和8.66%（图2-b）。对于周年干物质积累量而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的地上部干物质积累量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加12.96%、20.75%、15.79%、28.14%。不论在RT还是在DP条件下，70%NPK、NPK、130%NPK这3种施肥处理间的差异均不显著。方差分析结果表明，耕作和施肥对头季稻收获期、再生稻收获期以及周年水稻地上部干物质积累量均无显著互作效应（图2-c）。

2.3 头季稻和再生稻收获期地上部氮素积累量

对于头季稻而言，DP+PK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的地上部氮素积累量分别比RT+PK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加4.75%、10.70%和25.41%；在RT耕作模式下，RT+NPK处理的地上部氮素积累量比RT+70%NPK减少了7.22%，比RT+130%NPK增加了3.88%；在DP耕作模式下，DP+NPK处理的地上部氮素积累量比DP+70%NPK处理增加30.13%，比DP+130%NPK处理减少8.30%（图3-a）。

对于再生稻而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的地上部氮素积累量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130% NPK处理增加37.45%、13.14%、39.52%和38.20%；在RT耕作模式下，RT+NPK处理的地上部氮素积累量分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理减少2.48%和14.20%；在DP耕作模式下，DP+NPK处理的地上部氮素积累量比DP+70%NPK处理增加20.27%，比DP+130%NPK处理减少13.38%（图3-b）。

对于周年水稻地上部氮素积累量而言，DP+PK、DP+70%NPK、DP+NPK、DP+130%NPK处理的地上部氮素积累量分别比RT+PK、RT+70%NPK、RT+NPK、RT+130%NPK处理增加16.62%、22.20%、19.14%和29.68%；在RT耕作模式下，RT+NPK处理的地上部氮素积累量比RT+70%NPK增加了10.89%，比RT+130%NPK处理减少了2.15%；在DP耕作模式下，DP+NPK处理的地上部氮素积累量比DP+70%NPK处理增加8.12%，比DP+130%NPK则减少10.11%。方差分析结果表明，耕作和施肥对头季稻收获期、再生稻收获期以及周年地上部氮素积累量均无显著互作效应（图3-c）。

2.4 氮素利用率

2.4.1 氮肥农学利用率

在RT耕作模式下，RT+NPK处理头季稻的氮肥农学利用率比RT+70%NPK处理减少35.55%，比RT+130%NPK处理增加57.10%；RT+NPK处理再生稻的氮肥农学利用率分别比RT+70%NPK和RT+130%NPK处理减少40.59%和6.91%；RT+NPK处理周年水稻的氮肥农学利用率比RT+70%NPK处理减少21.33%，比RT+130%NPK处理增加85.92%。在DP耕作模式下，DP+NPK处理头季稻的氮肥农学利用率比DP+70%NPK处理减少24.60%，比DP+130%NPK处理增加11.17%；DP+NPK处理再生稻的氮肥农学利用率分别比DP+70%NPK处理和DP+130%NPK处理减少3.69%和16.53%。对于周年水稻，在常规施肥的基础上，减少30%化肥用量对氮肥农学利用率没有显著影响，增加30%化肥用量氮肥农学利用率减少5.63%（表3）。

2.4.2 氮肥偏生产力

对于头季稻来说，RT+NPK处理的氮肥偏生产力比RT+70%NPK处理减少28.24% 比RT+130%NPK处理增加30.65%；DP+NPK处理的氮肥偏生产力比DP+70%NPK处理减少29.85%，比DP+130%NPK处理增加25.58%。对于再生稻来说，RT+NPK处理的氮肥偏生产力比RT+70%NPK处理减少25.80%，比RT+130%NPK处理增加15.14%；DP+NPK处理的氮肥偏生产力比DP+70%NPK处理减少38.51%，比DP+130%NPK处理增加23.95%。对于周年氮肥偏生产力来说，RT+NPK处理比RT+70%NPK处理减少33.34%，比RT+130%NPK处理增加22.41%；DP+NPK处理比DP+70%NPK处理减少32.19%，比DP+130%NPK处理增加25.17%（表4）。

3 讨论

3.1 深翻后施肥对头季-再生季水稻产量及其构成因子的影响

众多研究表明，深翻能够提高水稻产量^［9-11］。在本研究中，常规施肥条件下，与旋耕相比，深翻处理头季稻、再生稻以及周年水稻产量分别增加4.22%、20.43%和8.56%。这与前人的研究结果一致，其原因可能是深翻促进根系下扎生长，能够吸收较多养分而获得增产^［11］。陈敏等的研究表明，深翻后土壤养分含量低于旋耕处理，需要增加肥料的投入才能获得更高的产量^［12］。肥料的施用是作物高产稳产的保障，在深翻的基础上，通过优化施肥能够提高肥料利用率，从而增加水稻产量^［13-15］。本研究设置70%NPK、NPK（当地目前常规施肥量）、130%NPK等3种不同的施肥量处理，深翻处理下3种施肥量处理的周年水稻产量分别比旋耕条件下增加5.03%、8.56%和14.26%。由此可见，深翻后随着施肥量的增加，水稻产量逐渐增加。

研究表明，影响头季再生季水稻产量的关键构成因子主要是有效穗数、每穗粒数和结实率^［16-18］。在本研究中，影响头季再生季水稻产量的关键因子是每穗粒数和结实率，对于有效穗数和每穗粒数而言，在头季稻和再生稻上的表现不一，但是总体而言，与旋耕相比，深翻有增加有效穗数和每穗粒数的趋势，这与前人的研究结果^［19-21］一致。

3.2 深翻后施肥对头季-再生季水稻干物质积累量和氮素积累量的影响

干物质是衡量植物有机物积累、营养成分含量的一个重要指标。氮肥的施用是提高水稻生物量和产量的主要措施之一^［22-24］。本研究中，在70%NPK、NPK和130%NPK施肥条件下，深翻处理周年干物重比旋耕处理分别增加20.75%、15.79%和28.14%，这是由于深翻为头季-再生季水稻生长提供了更好的土壤环境，使水稻更好地吸收养分和进行干物质积累与分配^［25-26］。在常规施肥的基础上，减少30%化肥用量或者增加30%化肥用量，对干物质累积并没有显著的影响。

适宜的氮、磷、钾等营养元素能够增加水稻的生物量，提高干物质转运水平，为实现水稻高产奠定物质基础^［27］。本研究中，在常规施肥条件下，深翻分别比旋耕模式下的头季稻、再生稻以及周年氮素积累量增加10.70%、39.52%和19.14%，这与前人的研究结果^［22］一致。深翻后在常规施肥的基础上，减少30%化肥用量处理头季和周年水稻氮素积累量分别减少21.08%和11.42%，增加30%化肥用量后头季稻、再生稻以及周年氮素积累量分别增加25.41%、38.19%、29.68%。由此可见，深翻后在常规施肥的基础上，增施30%化肥能够有效增加头季-再生季水稻的氮素积累量。

3.3 深翻后施肥对头季-再生季水稻氮素利用率的影响

氮肥农学利用率和氮肥偏生产力随着施肥量的降低而增加^［28-30］。深翻后在常规施肥的基础上，减少30%化肥用量处理头季稻、再生稻的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力分别增加32.62%和42.55%、3.83%和62.62%；在常规施肥的基础上，减少30%化肥用量处理周年水稻氮肥偏生产力增加47.47%，氮肥农学利用率没有受到显著影响。深翻后，70%NPK和NPK处理周年水稻氮肥农学利用率比旋耕降低了36.09%和18.93%，但是深翻后130%NPK处理则增加了42.24%。随着施肥量的增加，周年水稻氮肥偏生产力显著降低，不同耕作模式间差异较小。

4 结论

旋耕模式下施肥量对周年水稻产量的影响较小，而深翻后随着施肥量的增加，周年水稻产量也逐渐增加；不论旋耕还是深翻，施肥量对周年水稻干物质累积量影响较小，但是随着施肥量的增加，周年水稻氮素积累量在逐渐增加，与旋耕相比，深翻后，70%NPK、NPK和130%NPK处理周年水稻氮素积累量增加。与旋耕相比，深翻后70%NPK和NPK处理周年水稻氮肥农学利用率降低，130%NPK处理周年水稻氮肥农学利用率则增加；随着施肥量的增加，周年水稻氮肥偏生产力显著降低，不同耕作模式间差异较小。因此，在当地常规施肥量条件下，与旋耕相比，深翻能够增加周年水稻产量，且深翻后减少30%施肥量对周年水稻产量影响较小，而增加30%施肥量仍然有较好的增产效果。

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