不同土壤背景下秸稈還田量對水稻產量構成及氮吸收利用的影響

解文孝，李建國，劉 軍，呂 軍，梁傳斌，潘爭艷，李蒙杉，史鴻儒

（1.遼寧省水稻研究所，遼寧 沈陽 110101；2.遼寧職業學院，遼寧 鐵嶺 112000；3.遼寧省農業發展服務中心，遼寧 沈陽 110034）

我國氮肥用量占全球氮肥用量的30%，成為世界第一大氮肥消費國。水稻種植面積約占世界水稻種植面積的20%，而中國水稻氮肥用量占全球水稻氮肥總量的37%左右［1］。然而隨著產量逐年提升，氮肥的投入不斷加大，過量氮肥會造成水稻對氮的奢侈吸收，因而氮肥的生理利用率、農學效率及吸收效率均將急劇下降。張紹林等［2］在太湖地區的研究結果表明，當稻田施氮量由46 kg/hm2增加到230 kg/hm2時，氮肥的生理利用率由N 45.0 kg/kg下降至22.7 kg/kg。中國稻田單位面積氮肥用量是日本的2倍，但兩者水稻產量卻相當［3］。氮肥利用率低和大量的氮素損失將導致一系列環境問題。施入土壤的氮素大多隨降水和灌溉水淋溶到土壤深層或隨徑流進入地表水，或經氨揮發、硝化-反硝化作用以氣體形態進入大氣，造成環境污染［4-7］。水稻秸稈中富含有機質以及氮、磷、鉀、鈣、鎂和硫等多種養分，是一種多用途的可再生資源。每公頃還田秸稈7500 kg，相當于施用土雜肥37500 kg、碳銨175.5 kg、過磷酸鈣93 kg、硫酸鉀71.25 kg，一年后土壤有機質相對提高0.05%～0.23%［8］。秸稈還田作為合理利用生物資源和促進農業可持續發展的一種有效方式，不僅能夠減少因秸稈焚燒帶來的環境污染和資源浪費，還可以優化農田生態環境和提高作物產量［9-12］。但由于北方冬季漫長、溫度偏低，秸稈還田技術的推廣和普及程度明顯低于南方，大量研究都集中在南方雙季稻區全量秸稈還田條件下，雖然北方也有少量報道但都基于單一土壤背景下，而有關北方不同土壤背景下的秸稈還田量對產量構成及氮肥利用效率的研究較少。本文針對遼寧省主栽稻區的3種土壤類型，研究討論了水稻秸稈還田量對北方粳稻遼粳2501生長特性、產量結構及氮肥利用效率的影響，以期為我國北方稻區因地制宜合理施用秸稈提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于2019年在遼寧省水稻研究所試驗基地（123°38′E，41°8′N）進行。屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，降雨充沛，主要集中在6～9月，年平均氣溫6.2～9.7℃，全年平均降水量600～800 mm。全年無霜期172～180 d，有效積溫3100℃。

1.1 供試材料與土樣采集

供試品種為遼粳2501，種子由遼寧省水稻研究所選育并提供。遼寧稻區土壤類型主要分為遼寧南部濱海鹽土、遼寧中部棕壤土和遼寧西部丘陵荒漠土，本試驗土壤采自代表3種土壤類型的典型地區，分別位于遼寧南部營口市水源鎮、遼寧中部沈陽市蘇家屯區和遼寧西部阜新市彰武縣大冷鄉，試驗前將其風干并撿去其中較大顆粒、作物根系等殘留雜質。經測定3類供試土壤的初始性狀詳見表1。供試秸稈均來自遼寧省水稻研究所試驗田上茬水稻，試驗前將收集到的秸稈經人工剪成約2 cm，混合均勻、風干、密封儲存備用。

表1 土壤理化性質對比

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽方式，設0、30%、50%、70%水稻秸稈還田處理，無秸稈還田為CK1（對照）、無氮和根茬還田為CK2（對照），共15個處理（表2）。每處理12盆，成熟期按平均有效穗數取3盆測定產量及穗部性狀，為避免邊行效應帶來的試驗誤差，每處理盆栽間距5 cm，最外側兩處理分別設保護行，并在測定時剔除首尾兩盆（邊行效應）。每處理的施肥量為尿素1.98 g、磷酸二銨0.8 g、硫酸鉀0.6 g，即按照當地本田常規施肥量尿 素375 kg/hm2、磷 酸 二 銨150 kg/hm2、硫 酸 鉀112.5 kg/hm2折算。水稻秸稈全量還田為44.7 g（按照9000 kg/hm2折算）。氮肥按照基肥∶蘗肥∶穗肥為5∶3∶2施用。磷肥、鉀肥和秸稈在移栽前以基肥形式一次性全層施入，待秸稈浸泡一周后插秧。栽培盆為普通塑料桶，規格為：上口內徑30 cm，底直徑22 cm，高25 cm，裝風干土6.5 kg，每盆呈三角形分布種植3株。

表2 試驗處理秸稈還田量

1.3 測定項目與分析方法

1.3.1 干物質

于拔節期、齊穗期每處理取3盆能代表平均分蘗數植株。剪去根后按莖葉、穗分類，在105℃殺青30 min，轉至70℃烘干至恒重，測定干物質量。

1.3.2 產量及其構成

于成熟期，每處理按平均數取3盆長勢均勻一致植株，風干后考種，測定樣本稻草、實粒、秕粒的干重。計算理論產量，折算成14%含水量。

1.3.3 分析方法

土壤容重采用環刀法每盆呈三角型取3點，采集土壤樣品均勻混合，風干后過篩待測。土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化外加熱法測定［13］。土壤全氮測定采用半微量凱氏定氮法［14］。堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法。

1.4 氮素吸收和利用效率的計算

參考文獻［15-18］，計算氮素吸收量和氮素利用效率：

氮素積累總量=成熟期單位面積全株地上部秸稈和籽粒氮素吸收量之和，即秸稈干重（W）×秸稈含氮量+籽粒干重×籽粒含氮量。

氮素收獲指數（%）=成熟期植株穗部氮積累量/植株氮素積累總量×100。

氮素農學效率（kg/kg）=（施氮肥處理稻谷產量-不施氮肥處理稻谷產量）/總施氮量。

氮肥利用率（%）= （施氮處理植株氮素積累量-不施氮處理植株氮素積累量）/施氮量×100。

氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮肥處理稻谷產量-不施氮肥處理稻谷產量）/（施氮處理總吸氮量-不施氮肥處理總吸氮量）。

氮肥偏生產力（kg/kg）=單位面積稻谷產量/單位面積施氮量。

1.5 數據分析

試驗數據統計分析采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件進行處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田量對水稻產量及構成因素的影響

由表3可知，秸稈還田對水稻平均產量的影響在土壤間表現為荒漠土>棕壤土>濱海鹽土。土壤內秸稈還田量對產量的影響不盡相同，在荒漠土、濱海鹽土和棕壤土背景下以50%、50%和70%秸稈還田量增產幅度最大，分別比對照（CK1）增加9.09%、9.55%和7.87%。這說明土壤間最佳秸稈還田量不完全一致，秸稈還田量并不與產量成正比。從產量構成因素上來看，秸稈還田能增加荒漠土和棕壤土的有效穗數，卻降低了濱海鹽土的有效穗數，但均未達到顯著水平。土壤間秸稈還田均能增加每穗穎花數，且在荒漠土、濱海鹽土和棕壤土中秸稈還田量分別為50%、50%和70%時達到最大穎花數。秸稈還田對結實率的影響在土壤間表現為：濱海鹽土結實率隨著秸稈還田量的增加而增加且達到了顯著差異水平，而在荒漠土中差異不顯著，棕壤土結實率隨著秸稈還田量的增加而降低且達到顯著差異水平。

表3 秸稈還田量對產量及其構成因素的影響

2.2 秸稈還田量對水稻干物質累積的影響

由圖1可知，不同土壤背景下氮肥和秸稈互作對干物質積累量的影響，在移栽至拔節期表現為隨著秸稈還田量的增加而降低，土壤間降低幅度為4.48%～28.30%，以濱海鹽土降幅最為明顯?；哪笼R穗期和成熟期干物質累積量變化趨勢相近，均隨著秸稈還田量的增加表現為先增加后降低的趨勢，當秸稈還田量達到50%時干物質積累量最高，分別比CK1（無秸稈）處理增加7.88%和6.83%；濱海鹽土背景下齊穗期和成熟期的干物質累積量均隨著秸稈還田量的增加而降低，與CK1處理相比降低了44.83%和21.30%；棕壤土背景下齊穗期和成熟期的干物質累積量隨著秸稈還田量的增加而顯著增加，比CK1處理增加了10.28%和12.29%。

2.3 秸稈還田量對氮素累積的影響

圖1 秸稈還田比例對各時期干物質積累特征的影響

表4 秸稈還田量對齊穗期和成熟期氮素累積的影響 （mg/g）

由表4可知，相同處理下齊穗期和成熟期植株氮素積累量在土壤間差異顯著，且表現為棕壤土>荒漠土>濱海鹽土。各處理齊穗期與成熟期氮素總積累量差異不顯著，但成熟期莖稈和葉片氮素積累量顯著降低，其中荒漠土、濱海鹽土和棕壤土齊穗期的平均氮素轉化率分別為71.79%、66.43%和64.84%，說明成熟期籽粒的氮素積累大部分源于齊穗期莖葉的氮素轉化。相關分析（表5）表明：不同土壤背景下籽粒氮素積累量與灌漿期葉片氮素轉移量均表現為極顯著正相關，相關系數土壤間表現為荒漠土>濱海鹽土>棕壤土，而籽粒氮素積累量與灌漿期莖稈氮素轉移量相關性在各土壤間表現不一，僅濱海鹽土中表現為顯著正相關，而其他土壤中相關不顯著。表明對籽粒氮素積累的貢獻率，灌漿期葉片氮素轉移量大于莖稈。

由表4可知，相同土壤背景下秸稈還田量對植株氮素積累表現不一，荒漠土成熟期總氮素積累量隨著秸稈還田量的增加呈增加趨勢，各處理與對照（CK1）均達到了顯著水平差異，且50%秸稈還田量最高，比對照增加8.95%；濱海鹽土成熟期總氮素積累量隨著秸稈還田量的增加而降低，與對照（CK1）相比各處理均達到顯著水平差異，其中70%秸稈還田量處理比對照降低21.38%；棕壤土成熟期總氮素積累量隨著秸稈還田量增加而增加，當70%秸稈還田量處理時達到顯著差異水平，比無秸稈還田增加4.01%。

表5 灌漿期莖稈、葉片氮素轉移量與籽粒氮素積累相關分析

2.4 秸稈還田對氮素吸收利用率的影響

由表6可知，不同土壤背景下的秸稈還田量對氮肥利用效率均產生顯著影響，荒漠土和棕壤土秸稈還田均能增加氮肥利用效率，當分別達到50%和70%還田量時最高，比對照（CK1）增加32.07%和18.66%。而濱海鹽土的氮肥利用效率隨著秸稈還田量增加而降低，70%還田量比對照（CK1）降低41.90%。土壤間的秸稈還田量僅在50%和70%還田量的濱海鹽土背景下顯著增加氮素收獲指數和收獲指數，其他處理均未產生顯著影響。在荒漠土、濱海鹽土（30%、50%還田量）和棕壤土背景下秸稈還田均能增加氮肥農學利用率，分別以50%、50%和70%還田量時最高，比對照增加了33.39%、25.00%和44.44%，而70%秸稈還田卻降低了濱海鹽土的氮肥農學利用率。在等量秸稈處理下土壤間氮肥生理利用率表現為荒漠土>濱海鹽土>棕壤土，濱海鹽土和棕壤土的氮肥生理利用率隨秸稈還田量增加呈增加趨勢，而荒漠土與其相反。秸稈還田均可增加氮肥偏生產力，荒漠土和濱海鹽土以50%還田量處理增幅最大，分別比對照（CK1）增加9.20%和9.55%，棕壤土在70%還田量處理增幅最大，比對照增加7.86%。

表6 秸稈還田對水稻氮素利用效率的影響

3 討論

3.1 秸稈還田量對產量及構成的影響

關于不同土壤背景下秸稈還田對下茬水稻產量的影響，前人進行了大量研究，但結果不盡一致。孫揚等［19］認為鹽漬化水田秸稈還田量30%～50%能增加產量4.0%～9.4%。李錄久等［20］認為，華中低產白土稻田秸稈還田和氮肥合理配施，可增加水稻產量12.9%。陳海飛等［21］認為，南方中低產黃泥田秸稈全量還田并以氮肥基、蘗、穗肥配比40-30-30可增加產量8.6%～15.9%。Xu等［22］、Zhao等［23］認為秸稈還田第一年未對產量產生顯著影響。本試驗表明在遼寧稻區氮肥基、蘗、追肥配比為5∶3∶2的條件下，棕壤土稻田70%秸稈還田量增產作用最為顯著，而荒漠土和濱海鹽土稻田50%秸稈還田量為宜。秸稈的氮素利用狀況既與秸稈本身物質結構有關，也與土壤類型等環境條件有關，秸稈還田前期由于秸稈中C/N較高，微生物在分解過程中會吸收大量氮素，存在與作物爭養分等現象，會造成前期生長量不足和脫肥現象，且隨著秸稈還田量的增加這種現象將更為明顯。而后期緩慢釋放的氮素為水稻幼穗分化提供營養，最終促進二次枝梗粒數的增加，有利于籽粒灌漿，增加產量［24-25］。另外，濱海鹽土稻田分蘗期的秸稈快速腐解不僅造成了與水稻爭肥爭氧現象，同時也改變了土壤微生物群落且加劇了鹽堿脅迫。Sun等［26］研究認為，土壤pH值是影響微生物群落結構最重要的因素之一，李鵬等［27］研究認為秸稈還田土壤pH值呈逐漸升高的趨勢，在360 d時pH值達到最大。而荒漠土有機質含量低、微生物群落少、土壤固持能力較差、秸稈腐解速率慢，因此都應嚴格控制秸稈還田比例。

3.2 秸稈還田量對干物質累積量的影響

李曉峰等［28］、朱斌等［29］研究表明，秸稈還田降低了水稻前期群體干物質積累量，但對于中后期水稻生長有促進作用。孫揚等［19］研究也表明，在鹽漬化水田秸稈還田量的增加對水稻前期生長影響較小，50%秸稈還田對水稻中后期生長具有顯著促進作用，而還田量達到70%時呈下降趨勢，這應與土壤環境對秸稈腐解規律的影響有關。大量學者研究均認為作物秸稈腐解速率均為“前快后慢”的趨勢，秸稈還田后30 d內腐解速率最快，因此該階段水稻爭肥現象明顯，造成對水稻生育前期干物質積累的抑制［24，30-31］。本研究結果表明土壤間秸稈還田量對各時期的水稻干物質積累影響不同。水稻拔節期干物質積累量均隨著秸稈還田量的增加而降低，這可能主要與秸稈前期快速腐解吸收大量氮素而抑制干物質的積累有關。在抽穗期和成熟期干物質積累量中荒漠土和棕壤土均表現為50%和70%秸稈還田量最高，而濱海鹽土隨著秸稈還田量增加而降低，這可能與秸稈在不同土壤環境中固持氮素和后期釋放氮素能力以及礦化后的速效氮素水平差異有關。

3.3 不同土壤背景下秸稈還田量對氮素吸收利用的影響

秸稈還田通過自身的氮素分解固氮與增加外源氮素的固定，從而增加氮肥的利用率，李曉峰等［28］研究認為在長江中下游黏土條件下，氮素吸收利用率的變化幅度及顯著性差異與氮肥運籌密切相關，在氮肥運籌7∶3情況下，秸稈還田處理的氮素積累總量、氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力提高幅度最大。李錄久等［20］和胡雅杰等［32］研究認為小麥秸稈還田下水稻氮素農學利用率和氮素生理利用率比無秸稈覆蓋處理下有所提高。本試驗結果顯示，秸稈還田均能提高在荒漠土和棕壤土背景下總氮素積累量，卻降低了濱海鹽土背景下總氮素積累量，土壤間總氮素積累量表現為棕壤土>荒漠土>濱海鹽土。不同土壤背景下的秸稈還田均能提高氮肥利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，這與前人研究結果基本一致，但隨著秸稈還田量的增加荒漠土和濱海鹽土表現為先增加后降低的趨勢。這可能與不同土壤生態效應下秸稈的腐解及固氮機制比較復雜，土壤有機質含量、理化性質和土壤微生物群落差異有關系?；哪劣袡C質含量低、土壤團粒結構差、土壤微生物總群數量低。當秸稈還田量增大時，秸稈腐解與大量微生物的繁殖消耗土壤中大量氮素，同時促進水中氧氣消耗以及硫化氫氣體的釋放，直接影響水稻特別是根系的生長及植株前期的氮素累積，植株對氮的吸收以及莖葉、籽粒之間的運移能力下降，最終導致產量下降。而濱海鹽土對氮肥的吸附能力強，總養分含量多，但難以被作物吸收，土壤長期處于還原條件，使得土壤質量差，好氣型微生物活性受到抑制，有機質分解緩慢，當秸稈還田量增大時，秸稈腐解不僅與水稻爭氮、爭氧且產生還原性物質并釋放大量氨氣，加劇土壤環境惡化，造成水稻僵苗、爛根等問題［33］，嚴重抑制了植株前期的氮素積累量。

4 結論

不同土壤背景下的秸稈還田量和氮肥耦合對水稻產量和氮肥吸收利用具有顯著影響。本試驗在總施氮量為200 kg/hm2、基-蘗-穗氮肥用量50-30-20處理條件下，荒漠土和濱海鹽土稻田均為50%秸稈還田產量最高，而棕壤土稻田為70%秸稈還田產量最高，秸稈還田抑制了分蘗期至拔節期的干物質和氮素積累，但促進了拔節期至齊穗期和齊穗期至成熟期階段的積累量。秸稈還田均能提高荒漠土、濱海鹽土和棕壤土稻田的氮肥利用效率、農學利用率和氮肥偏生產力，其中分別以50%、50%和70%秸稈還田量最高。本試驗為盆栽處理，與大田環境存在一定差異，文中數據僅為特定環境的相對值比較，并不能完全代表大田結果，關于大田試驗還有待日后進一步驗證。