秸稈還田結合減量施肥對水稻產量和土壤養分的影響

趙子婧 孫建平 戴相林 劉雅輝

摘要：為探明河北濱海稻區水稻秸稈還田條件下，最適的化學肥料施用體系，達到肥料減量和土壤培肥目的。在大田試驗條件下，設置不同施肥方案：T1（常規施肥）、T2（減施氮肥5.74%，減施肥料19.97%）、T3（減施氮肥15.02%，減施肥料25.84%）、T4（減施氮肥20.88%，減施肥料34.01%）等4個處理，研究秸稈還田結合不同減量化施肥方案對水稻生長發育和產量及土壤養分的影響。結果表明，在秸稈還田模式下，減量化施肥處理均未對水稻生長發育產生負影響，并且保障了水稻產量;秸稈還田后，土壤養分含量相比還田前有所提高，相比于T1處理，減量施肥處理組有機質含量顯著提高15%～24%，速效鉀含量顯著降低12%～21%，堿解氮和速效磷未形成顯著性差異。其中T3處理組，水稻最高分蘗數、分蘗生長速率、有效穗數、結實率都顯著提高，株高和千粒質量并未表現顯著差異，水稻最終產量提高了17.14%。因此，在冀東水稻種植地區，秸稈還田與減量施肥T3（減施氮肥15.02%，減施肥料25.84%）的配施方式是該地區最優減量化栽培方式。

關鍵詞：水稻;秸稈還田;減量施肥;產量;土壤養分

中圖分類號： S511.06? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）10-0066-06

河北省水稻主要集中在唐山市-秦皇島市濱海鹽堿地區種植，種植面積約8萬hm2，是河北省重要的糧食作物[1]。為保證作物產量，農戶通常施用大量化肥來滿足作物生長所需養分。同樣，水稻生長發育過程中也離不開肥料，尤其是氮肥，可直接影響作物產量。合理配施磷肥能保證水稻分蘗，利于水稻增產;合理配施鉀肥可改善水稻品質，提高水稻自身抗逆性[2-4]。因此肥料增施是提高產量的重要措施之一[5]。我國化肥施用量在世界居于前列，水稻作物上化肥施用量高達887.1萬t，高于其他農作物施肥量[6]。為了追求作物高產，化肥過量施用的現象普遍存在。但長期過量施用化肥，導致肥料利用率低，氮肥利用率和磷肥利用率分別在30%、25%左右[7-8]，未被利用的氮磷鉀等養分流失至生態環境中，導致地表水體富營養化，還會造成土壤酸化、地力衰退等一系列問題[9]。

針對長期過量施肥而導致的生態環境問題，減量化施肥得到迅速發展。20世紀90年代，一些歐洲發達國家在保證作物產量的前提下，減少化肥的施用量，降低了氮磷鉀肥年均施用量[10]。為保證綠色生態持續發展，近幾年，我國也開始在減量化施肥方面展開研究。目前，減量施肥的技術方法主要有測土配方施肥、水肥一體化、秸稈還田、配施有機肥等。作物秸稈作為可再生的生物質能資源之一，內含50%以上的光合作用產物，含有大量氮、磷、鉀、鎂等多種元素[11]，以及由碳、氫、氧等元素構成的有機質[12]。作物秸稈通過物理加工或微生物利用后可作為有機肥還田于土壤，增加土壤有機碳的含量[13-14]，同時釋放氮磷鉀等養分，滿足作物養分需求并提高土壤養分含量[15]，減少化肥施用量[16-17]。秸稈還田結合減量施肥，既能保障作物產量，同時又提高了土壤有機質和養分的含量[18-19]。

河北省濱海稻區由于秋冬季地表溫度低，水稻秸稈直接還田不能快速腐解，尤其秸稈快速腐解期與水稻返青分蘗期重疊，嚴重影響水稻秧苗的生長發育。低溫腐解稻稈菌HT20應用于秸稈還田中可以加速秸稈腐解，并且在腐解過程中釋放氮磷鉀等，為水稻生長發育提供一定養分，可減施部分化肥，但是適宜的肥料施用體系目前還不清楚，因此，本研究通過大田試驗，設計不同減量施肥方案，探究適宜河北省濱海稻區水稻秸稈配施HT20還田最優配套施肥技術，既保障水稻在整個生育期正常生長發育，又不影響水稻最終產量，以期為該區域水稻實際生產提供合理的減量化施肥方案。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗在河北省農林科學院濱海農業綜合試驗站（地理位置39°17′40″N，118°27′22″E）進行，試驗站海拔2.5 m，屬東部季風區暖溫帶半濕潤季節型近海大陸性氣候，年均氣溫為11.4 ℃。土壤類型為鹽漬型濱海黏壤土，多年種植水稻;試驗前取土樣化驗，耕層土壤的基本化學性質：pH值為 7.98，含有機質16.10 g/kg、堿解氮93.45 mg/kg、速效磷18.09 mg/kg、速效鉀218.10 mg/kg。

供試水稻品種為濱稻18。供試美丹利復合肥含N 25%、P2O5 9%、K2O 11%，由河北美丹利化肥有限公司生產;供試有機硅功能復合肥含N 25%、P2O510%、K2O 15%，由河北硅谷肥業有限公司生產;尿素含N 46%;磷酸二銨含 N 18%、P2O5 46%;硫酸鉀含K2O 52%。試驗所用肥料購于當地農業生產資料市場。

1.2 試驗設計

于2019年11月開始，2020年5月21日移栽，2020年10月結束。前茬作物為水稻，并在收獲季節將低溫稻稈腐解菌HT20（河北省農林科學院濱海農業研究所提供）噴灑于秸稈后進行翻耕還田處理，翻耕深度為10～15 cm，并灌水使土壤含水量接近飽和。

試驗設置常規施肥和減量施肥4個處理（表1）。常規施肥T1，主要模擬農戶習慣施肥;減量施肥T2，主要以美丹利復合肥為底肥，減施肥料19.97%，減施氮肥5.74%;減量施肥T3，主要以美丹利復合肥為底肥，減施肥料25.84%，減施氮肥15.02%;減量施肥T4，主要以硅谷緩釋肥為底肥，減施肥料34.01%，減施氮肥20.88%。每個處理3次重復，隨機排列。田間管理與常規管理一致。

1.3 試驗測定項目與方法

1.3.1 形態指標測定

移栽后7 d（5月28日）開始調查單株株高，每個小區掛牌調查10穴，每7 d調查1次水稻單株株高。

移栽后7 d，選擇生長發育狀態一致的水稻秧苗進行標定，用竹竿（1.5 m）在每個小區標定3個點，每個點標記5穴，每隔7 d調查定點植株，記錄每個小區水稻的分蘗動態，測定各個處理的最大分蘗數。

1.3.2 產量及其構成因素的測定

于水稻成熟期，在每個小區選取10穴代表性植株，測定其有效穗數（個/穴）、總粒數（粒/穴）、實粒數（粒/穴）、結實率（%）、千粒質量（g）等指標。

1.3.3 土樣采集及分析

試驗前后分別對耕作層土壤進行取樣，采樣深度為20 cm，化驗土壤pH值、有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量等。采用水土體積比5 ∶1浸提，用PHSJ-4A型pH計測定土壤pH值;參照《土壤分析技術規范》測定土壤養分，采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質，采用堿解擴散法測定堿解氮;采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷;采用原子吸收分光光度計法測定速效鉀。

1.4 數據統計分析

利用Excel軟件進行統計和數據作圖處理，利用Minitab軟件進行數據的顯著度比較分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田結合不同施肥處理對水稻分蘗動態及成穗的影響

由圖1、表2可知，隨著水稻生育進程的推移，不同施肥模式下的水稻莖蘗數均表現為先下降再快速增加，達到最大莖蘗數后，緩慢回落，最后趨于平穩。在移栽初期，水稻莖蘗數先呈現下降趨勢，主要是由于水稻苗移栽至大田后，小苗、弱苗不適應大田環境，自然衰亡。T2、T3處理組的水稻分蘗數在6月24日率先達到最高值，最高分蘗數分別為17.273、20.764個/穴，分蘗生長速率分別為0.332、0.459個/d;而T1、T4處理組的水稻分蘗數在7月2日到達最高值，晚于T2和T3處理組，最高分蘗數分別為17.714、17.012個/穴，分蘗生長速率分別為0.326、0.252個/d。相比于常規施肥T1處理組，減量施肥T3處理組的最高分蘗數和分蘗生長速率顯著增加，T2、T4處理組未形成顯著性差異。說明減量化施肥并未影響水稻分蘗生長速率，保障了水稻最高分蘗數。

4個施肥處理組的水稻莖蘗數在達到最大莖蘗數后，均開始回落，最終趨于穩定。T3處理組的最終有效莖蘗數為15.387個/穴，高于其他3個施肥組，但無效分蘗高達5.377個/穴，莖蘗數回落較大，導致其最終成穗率僅為74.30%。T2和T4處理組的最終有效莖蘗數分別為13.978個/穴和13.738個/穴，顯著低于T3處理組，但與常規施肥T1處理組無顯著性差異。T2和T4處理組的成穗率分別為81.26%和80.93%，略低于常規施肥T1處理組。減量化施肥處理組的成穗率均低于常規施肥T1處理組，但4種不同施肥處理組并未形成顯著性差異，說明減量化施肥并未影響水稻成穗率。

2.2 秸稈還田結合不同施肥處理對水稻株高及株高生長速率動態變化的影響

由圖2可知，隨著水稻生育期的推進，不同施肥模式下水稻株高生長動態基本一致，均表現為逐漸增高，并且在孕穗成熟期株高趨于穩定。在整個生育期內，T2、T3處理組的株高與T1處理組相差不大。移栽 7 d 后，T4處理組的水稻株高低于其他3個施肥處理組，導致整個生育期內水稻株高均低于其他3個處理組，最終株高僅為97.57 cm，可能是由于T4處理組底肥主要以緩釋肥為主，施用量少且養分釋放緩慢，導致氮肥不足，影響水稻插秧返青期向上生長。說明過量減施肥料會對水稻株高有一定影響。

在水稻4個主要生長發育階段，不同施肥措施下株高生長速率見圖3。在水稻分蘗盛期，水稻株高生長速率達到最大，表明水稻分蘗盛期是水稻向上生長的關鍵時期。在水稻孕穗成熟期，水稻株高生長速率降為0.5 cm/d，水稻基本停止向上生長，株高趨于穩定。在水稻分蘗盛期，常規施肥T1處理組水稻株高生長速率達到最高 為1.24 cm/d，高于其他3個施肥組。說明高施肥量有助于水稻在分蘗盛期向上生長。

2.3 秸稈還田結合不同施肥處理對水稻產量構成因素的影響

在秸稈還田模式下，不同施肥措施對水稻產量構成因素的影響見表3，各處理組的產量構成因素之間存在顯著性差異。減量施肥T3處理組的有效穗數高于其他3個施肥組，為15.51穗/穴，比其他3組分別提高了4.2%、12.4%、8.4%;減量施肥T2處理組的有效穗數最低，僅為13.67穗/穴，但未與T1形成顯著性差異。減量施肥T3處理組的穗粒數略低于常規施肥T1處理組，但未形成顯著性差異;減量施肥T2和T3處理組的穗粒數顯著高于常規施肥T1處理組，T2處理組最高，為149.38粒/穗。減量施肥T3處理組的結實率為94.92%，相比T1提高了1.25百分點，且差異顯著;減量施肥T2和T4的結實率分別為94.24%、94.72%，與T1、T3處理沒有顯著性差異，且略高于T1施肥組。4個施肥處理的水稻千粒質量并沒有顯著性差異，均在32 g左右。說明減量化施肥并未影響水稻產量構成因素，相反還有助于提高水稻穗粒數和結實率等相關指標。

2.4 秸稈還田結合不同施肥處理對水稻產量的影響

由圖4可知，減量施肥T2、T3、T4 等3個處理組水稻最終產量均高于常規施肥T1處理組。常規施肥T1處理組的水稻產量為9 333 kg/hm2。減量施肥T2、T3、T4處理組水稻產量分別為9 933、10 933、10 100 kg/hm2，相比于T1施肥組，分別增產了6.43%、17.14%、8.21%。減量施肥T3處理組的增產效果最明顯。說明減量化施肥處理并未影響水稻最終實際產量，還有助于提高水稻實際產量。

2.5 秸稈還田結合不同施肥處理對土壤理化性質的影響

試驗前后土壤養分含量的變化見表4。秸稈還田結合不同施肥模式對土壤pH值的影響極小，但顯著影響了土壤養分含量。在秸稈還田后，施加4種不同施肥方案，土壤有機質含量提高了40%～74% 堿解氮含量提高了51%～60% 速效磷含量提高了3%～21%，速效鉀含量提高了4%～32%，說明秸稈還田結合施肥有利于提高土壤養分含量，改善土壤理化性狀。在秸稈還田模式下，減量施肥處理組相比于常規施肥T1處理組，土壤有機質含量顯著提高了15%～24%;土壤堿解氮和速效磷含量相差不大，未產生顯著性差異;速效鉀含量顯著降低，可能由于水稻抽穗期未施鉀肥，導致植物直接吸收土壤中速效鉀。

3 結論與討論

本研究結果表明，在秸稈還田模式下，減量施肥T2、T3、T4處理組均通過改善水稻農藝學性狀保障了水稻產量，相比于常規施肥處理組 水稻產量分別提高了6.43%、17.14%、8.21%。同時，秸稈還田后，土壤養分含量有所提高，相比于常規施肥處理組，減量施肥T2、T3、T4處理組有機質含量顯著提高，堿解氮和速效磷未形成顯著性差異，速效鉀含量顯著降低。

眾多研究表明，在秸稈還田模式下，適當減少化肥施用量不會對作物產量產生顯著影響[20]，甚至合理的施氮策略能夠有效提高早晚稻的實際產量[21]。從水稻最高莖蘗數、成穗率、結實率和千粒質量等農藝學性狀來看，3個減量施肥處理組的農藝學性狀指標并未顯著低于常規施肥T1處理組，說明化肥減施并未顯著影響水稻生長發育。但減量施肥T4處理組的水稻株高在整個生育期都顯著低于常規施肥T1組，可能是由于T4處理組前期底肥施用量過低且釋放緩慢，僅為375 kg/hm2，折合施氮量為93.75 kg/hm2，導致腐解微生物與植物爭搶養分，致使在移栽返青期，水稻株高顯著低于其他3個施肥組，雖追肥階段提高了尿素施用量，株高生長速率加快，但最終株高仍然顯著低于其他3個施肥處理組。因此，在秸稈還田模式下，要注重氮肥減施量，避免秸稈腐解過程中與水稻爭奪養分，影響作物生長發育，從而影響作物產量[22-23]。更有研究表明，緩釋肥和尿素配施可以達到減氮增效的目的，提高了氮肥利用率，保障了作物的產量[24]。本研究中T2和T3施肥組以美丹利穩定性長效復合肥為底肥，施用量為600 kg/hm2;T4施肥組以有機硅功能復合肥料為底肥，施用量為375 kg/hm2。因此在秸稈還田的基礎上，減量化施肥處理組主要以緩釋復合肥為前期底肥，尿素為后期氮肥追施，二者互相配施，提高肥料利用率，保障作物生長和最終產量。

本試驗中秸稈還田提高了土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量，這與前人研究結果[25-26]一致。秸稈還田后土壤有機質含量相比還田前提高了40%～74%，但隨著施氮量的減少，土壤有機質含量逐漸增加，T1施肥組的有機質含量顯著低于其他3個減量施肥處理組，施氮量過高不一定利于土壤有機質含量的累積，這與前人研究結果[27]一致。秸稈還田后，土壤養分得到提高，尤其是堿解氮增幅較大，提高了51%～60%，隨著氮肥施用量的減少，土壤堿解氮含量并未隨著減少，可能氮肥還有繼續減施的潛力。秸稈還田后土壤速效磷含量增加幅度較小，主要與秸稈中磷元素含量較低且釋放少有關[28]。秸稈中的鉀素主要以離子形態存在，釋放速率快且釋放量大，秸稈中95%鉀離子均可釋放到土壤中，進而提高土壤速效鉀含量[29]，可以減少高鉀和中鉀土壤的鉀肥施用量[30]。秸稈還田前，試驗地土壤速效鉀含量為218.10 mg/kg，為高鉀土壤田塊，常規鉀肥用量僅為78 kg/hm2。秸稈還田后土壤速效鉀含量提高4%～32%，隨著鉀肥量減施，土壤速效鉀含量顯著低于常規施肥處理組，主要原因為秸稈還田鉀素更多地被作物吸收利用，致使土壤中速效鉀含量增幅較低。

水稻秸稈還田結合合理的施肥量能夠有效地提高土壤有機質含量，改善土壤養分，提高水稻產量。在河北濱海稻區水稻種植過程中，初步確定秸稈還田結合T3施肥組是目前較合理的減量化施肥方案，折合施N量315.6 kg/hm2，施P2O5量 54 kg/hm2，施K2O量66 kg/hm2，相比常規施肥方案，減施氮肥15.02%，總減施肥料為25.84%。在該施肥方案下，秸稈腐熟較快，避免腐解微生物與水稻爭奪養分，同時秸稈腐熟后又會釋放氮磷鉀等養分，可以為水稻的生長發育提供養分，既保障水稻生長發育，又提高水稻實際產量，保障了農業生態綠色發展，為河北濱海稻區水稻秸稈資源循環利用提供了科學依據。

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