秸秆还田与水分管理对双季水稻氮素吸收及氮肥 利用率的影响

谭亦杭 ，沈健林, ，蒋炳伸, ，李巧云，李勇, ，吴金水,

（1. 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125）

秸秆还田是促进农田养分循环的重要方式[1-2]，对提升地力有较好效果[3-5]，并可提高作物氮肥利用率[6-7]。我国的秸秆资源丰富，全国每年产秸秆约为7.6亿t，其肥量相当于770多万t氮肥、250万t磷肥（P2O5）、1300 t钾肥（K2O）[6]，尤其是在双季稻区域秸秆资源更为丰富[7]。研究表明，秸秆还田后可以改善土壤结构和理化性质[8-9]，增加农田土壤微生物活性[5,10]，显著提高土壤养分含量及氮素有效性[3,11-13]。秸秆还田条件下配合氮肥施用，会改善土壤和作物体内氮素之间转化，提高氮肥利用率[14-16]，提高水稻、小麦和玉米等作物产量[14,16-17]。如张刚等[14]对研究了麦秸全量还田对水稻产量和氮肥利用率的影响，结果表明秸秆还田平均增产达6.3%，平均提高氮肥的农学利用率和表观利用率为2.4 kg/kg和3.3%。Eagle等[15]在美国加州开展的稻田秸秆还田试验表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田可以节省化学氮肥（以纯N计）达25 kg/hm2，并且不减少水稻产量，从而可以提高氮肥利用率。何虎等[7]开展晚稻季秸秆全量还田研究表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田显著提高氮肥表观利用率达5%。

水分管理是水稻栽培中的重要环节，其通过影响土壤的供氧量、土壤氧化还原电位、土壤养分迁移而对水稻生产发育和养分吸收产生影响，进而影响养分利用效率[18-20]。水稻是耗水量之首的农作物，不合理的灌溉不仅不能带来高产量还会造成水资源浪费和环境污染[21]，因地制宜的水分管理能改善水稻生长发育，提高水稻产量及养分利用效率[19-20]。刘立军等[19]研究发现，与长期淹水相比，间歇灌溉（中期晒田）可显著提高水稻产量，对氮肥表观回收利用率可提高达3.2%～6.2%。Ye等[20]研究发现间歇灌溉较之长期淹水可显著提高氮肥回收利用率，提高幅度2.2%～3.2%。

氮肥是水稻生长中所需的大量元素之一，我国水稻生产中由于过量施肥、偏施化肥等问题导致氮肥利用率普遍偏低[19-20]。提高水稻生产中的氮素利用效率，对于实现水稻生产中资源高效与环境保护的协同具有重要意义。秸秆还田和水分管理作为水稻生产中的重要栽培管理措施，目前有关二者耦合作用对水稻氮素吸收及氮肥利用率的影响还尚不清楚。本研究以湖南省长沙县典型双季稻田为研究对象，设置三个秸秆还田水平和两种水分管理方式的两因子田间定位试验，于定位试验开展后的第5年通过测定早稻和晚稻季稻田土壤无机氮、微生物生物量氮动态、植株吸氮量动态以及收获期土壤主要肥力因子、水稻产量和植株各部分氮素累积量，分析秸秆还田和水分管理制度下水稻氮素吸收与氮肥利用率的特征及其影响因素，旨在为秸秆的合理利用及优化稻田氮素管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

田间试验在位于湖南省长沙县金井镇的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站进行。试验田地处 113°19′52″ E，28°33′04″ N，海拔100 m，多年平均气温17.5 ℃，多年平均降雨量为1 330 mm，降雨多集中在每年3—8月份，占年降雨量的60%以上，无霜期约为300 d。试验田土壤类型为花岗岩红壤发育的水稻土，俗称“麻沙泥”，0～20 cm耕层土壤基本理化性质为：全氮含量1.62 g/kg，全磷含量0.55 g/kg，全钾含量28.4 g/kg，有机碳含量17.5 g/kg，容重1.31 g/cm3，pH 为5.08。土壤机械组成中砂砾、粉粒和粘粒的质量分数分别为45.8%、28.6%和25.6%[22]。

1.2 试验设计

试验设置3个稻草还田量，即0、3.0和6.0 t/hm2（干重），分别相当于秸秆不还田、50%秸秆还田和100%秸秆还田；设置2个水分管理模式，间歇灌溉和长期淹水。并设置一个不施氮肥对照，具体处理设置见表1。秸秆还田采用前茬稻田稻草，铡成10 cm小段翻压还田，稻草于水稻移栽前按照前述的量全部一次性填埋于土壤耕作层10～15 cm处作基肥施用。间歇灌溉即在水稻移栽后稻田进行淹水，水稻分蘖盛期（约移栽后一个月）进行排水晒田，晒田时间约10 d，之后又重新复水，水层（5～10 cm）一直保持到收获前两星期，之后稻田开始排干。长期淹水即水稻整个生育期进行淹水，不进行中期晒田，水层一直保持到收获前两星期，之后稻田开始排干。除不施氮处理外，各处理的氮磷钾肥用量一致（表1），秸秆还田所产生的氮磷钾肥投入在总施肥量中减去。

表1 田间试验处理及施肥量（kg/hm2）Table 1 Field experiment treatments and fertilizers application rate (kg/hm2)

田间定位试验开始于2012年早稻季，种植双季稻，小区面积为5 m × 7 m，每处理重复3次。本研究于定位试验开展的第5年（2016年）进行，早稻品种为湘早143、晚稻品种为玉针香。早稻于4月28日移栽，行株距为20 cm × 16.7 cm。氮肥采用尿素，磷肥采用钙镁磷肥，钾肥采用氯化钾；氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥比例5∶3∶2分次施用，磷肥和钾肥作基肥一次性施用。各小区严格控制杂草生长，其他田间管理措施与当地大面积生产相一致。

1.3 样品采集与分析方法

试验期间采集土壤样品测定土壤速效氮和微生物生物量氮（MBN）动态，采集植物样测定植株生物量和植株含氮量。早晚稻季各取三次样，时间分别在分蘖期（6月2日，8月25日）、抽穗期（6月21日，9月24日）和成熟期（7月17日，11月3日），土壤样品和植株样品采集同步，晚稻收获期土样还测定主要土壤肥力因子（有机碳、全氮、全磷、pH、容重）。使用直径3 cm土钻采用五点取样法采取各小区0～20 cm的土壤。采集后的土壤样品在4℃保存，并于一星期内测定速效氮和MBN，土壤肥力因子土样经风干后1月内测定。

土壤常规理化指标分析参考《土壤农业化学分析方法》[23]，铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3

--N）采用0.5 mol/L K2SO4震荡浸提液过滤后，原液直接由流动分析仪（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical，德国）测定。MBN采用氯仿熏蒸0.5 mol/L K2SO4直接提取法，根据熏蒸土壤提取的总氮与不熏蒸土壤提取的总氮的差值再除以转换系数0.45计算得到MBN[24]，其中总氮采用消煮法转化为NH4+-N后采用流动分析仪测定。土壤有机碳、全氮、全磷、pH和容重分别采用重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法、氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法、电极法（水土比为2.5∶1）和环刀法测定。分蘖期、抽穗期和收获期植株样品为每小区根据平均分蘖数取代表性4株，根据4株的平均重量和田间小区插秧密度来确定分蘖期、抽穗期植株生物量，收获期生物量则根据全部小区收获来计产。分蘖期、抽穗期分别测定水稻根系和地上部含氮量，收获期测定水稻根系、留茬、秸秆和籽粒含氮量，植株总氮采用消煮法测定[23]。

1.4 数据分析与处理

生育期水稻总吸氮量（TNU，kg/hm2）计算方法为：

式中：RB为根系生物量（kg/hm2），RNC为根系含氮量（%），SB为秸秆生物量（kg/hm2），SNC为秸秆含氮量（%），GB为籽粒生物量（kg/hm2），GNC为籽粒含氮量（%）。

收获期作物带走的氮量（HNU，kg/hm2）采用下式计算：式中：HSB为收获期秸秆生物量（不包括留茬，kg/hm2），HSNC为收获期秸秆含氮量（%），HGB为收获期籽粒生物量（kg/hm2），HGNC为收获期籽粒含氮量（%）。

氮肥利用率（NUE，%）计算方法为：

式中：HNUN和HNU0分别为收获期施氮和对照处理作物带走氮量（kg/hm2），F为氮肥用量（kg/hm2）。

所有试验数据采用SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤速效氮含量动态变化

土壤铵态氮含量在早稻季分蘖期、抽穗期相对较高，分别为 7.4～16.3 mg/kg和 11.2～18.0 mg/kg，收获期相对较低，仅为2.7～4.8 mg/kg；在晚稻季分蘖期相对较高，为5.8～28.6 mg/kg，抽穗期和收获期相对较低，分别为1.9～14.3 mg/kg和5.8～11.8 mg/kg（图1）。不同处理间，早稻分蘖期CKN0PK处理土壤铵态氮显著低于其他处理，而施氮处理以NPK+HS+CF处理最低，其他处理间无显著差异。早稻抽穗期和收获期，秸秆还田处理较不还田处理土壤铵态氮含量均有提升，长期淹水处理较对应的间歇灌溉处理土壤铵态氮有一定的降低。晚稻分蘖期，秸秆还田处理较对应的秸秆不还田处理，土壤铵态氮均有较大提升，长期淹水处理较对应的间歇灌溉处理差别不显著；晚稻抽穗期，秸秆还田处理土壤铵态氮含量要高于秸秆不还田处理，长期淹水处理较对应的间歇灌溉处理土壤铵氮显著下降；晚稻收获期，间歇灌溉配合秸秆还田处理（NPK+LS+IF和NPK+HS+IF）土壤铵态氮含量要高于其他处理。

各处理早晚稻季土壤硝态氮含量总体较低（＜ 1 mg/kg），早稻季分蘖期至抽穗期呈显著下降，抽穗期至分蘖期变化相对平稳；晚稻季分蘖期至抽穗期有缓慢上升，抽穗期至收获期有较显著上升。由于土壤硝态氮含量较低，各处理间差别总体不显著。

2.2 土壤微生物生物量氮动态变化

早晚稻季不同生育期各处理土壤MBN含量变化幅度为15.5～67.1 mg/kg（图2）。早稻季土壤MBN含量总体上从分蘖期到收获期呈递增趋势，晚稻季土壤MBN从分蘖期到抽穗期表现为增加趋势，而后到收获期则表现为下降（图2）。除早稻分蘖期外，秸秆还田处理较相应的秸秆不还田处理土壤MBN均有较大提升；长期淹水处理较相应的间歇灌溉处理主要在早稻抽穗期和收获期对土壤MBN有较大提升，其他时期差别不显著。

图1 水稻不同生育期土壤铵态氮和硝态氮含量Fig. 1 Soil ammonium-N and nitrate-N contents during rice growing stages in the early and late rice seasons

表2为各处理2017年晚稻收获后土壤0～20 cm耕层土壤肥力因子变化。秸秆还田处理较之秸秆不还田处理提高了土壤有机碳及全氮含量和土壤pH，且高量秸秆还田下差异达到显著水平（P＜0.05），对土壤有机碳、全氮和pH的增幅可达10%～16%、14%～27%和1%～7%，但对土壤总磷、土壤容重的影响不显著。秸秆不还田条件下，长期淹水较之间歇灌溉降低了土壤有机碳及全氮和全磷含量，提高了土壤pH，对土壤容重有一定的提高；秸秆还田条件下，长期淹水较之间歇灌溉降低了土壤有机碳及全氮和全磷含量，同时也降低了土壤pH和土壤容重。

图2 水稻不同生育期土壤微生物生物量氮含量Fig. 2 Soil microbial biomass N contents during rice growing stages in the early and late rice seasons

表2 各处理0～20cm耕层土壤主要肥力因子变化Table 2 Changes of major soil fertility properties of the 0～20 cm tillage layer across the treatments

2.3 水稻氮素吸收动态与水稻产量、氮肥利用率

各处理水稻植株总吸氮量都随着生育期进行而逐渐增加，早稻季和晚稻季分蘖期、抽穗期、收获期总吸氮量分别为 17.5～50.5 kg/hm2、28.4～63.6 kg/hm2、47.1～96.5 kg/hm2和 39.2～84.4 kg/hm2、67.1～178 kg/hm2、89.0～182 kg/hm2， 不 同 稻 季 则表现为晚稻>早稻（图3）。早稻季无秸秆处理NPK+IF和NPK+CF的植株总吸氮量在各个生育期均高于秸秆还田处理NPK+LS+IF、NPK+HS+IF、NPK+HS+CF水稻总吸氮量。分蘖期植株总吸氮量高秸处理要显著低于低秸处理，而抽穗期和收获期两处理间的差异不显著。秸秆不还田条件下，长期淹水处理较间歇灌溉处理水稻吸氮量无显著差别；秸秆还田条件下，长期淹水处理总吸氮量在分蘖期要显著低于间歇灌溉处理，抽穗期和收获期也低于间歇灌溉处理，但没有显著差异。

晚稻季长期淹水条件下，秸秆还田处理（NPK+HS+CF）植株总吸氮量在各个生育期均高于秸秆不还田处理（NPK+CF）；在间歇灌溉条件下，植株总吸氮量主要表现为收获期高秸还田处理（NPK+HS+IF）显著高于无秸秆还田处理（NPK+IF），分蘖期和抽穗期不同秸秆还田量处理植株总吸氮量差别不显著。在无秸秆还田条件下，长期淹水较间歇灌溉显著降低植株分蘖期和抽穗期总吸氮量；秸秆还田条件下，长期淹水较间歇灌溉总体上对植株总吸氮量无显著影响。

图3 水稻不同生育期植株总吸氮量Fig. 3 Plant total N uptake during rice growing stages in the early and late rice seasons

从收获期水稻各部分的吸氮量来看（图4），早稻季施氮处理根、留茬、秸秆和籽粒各部分的吸氮量分别在 5.8～7.0、2.8～4.0、24.5～31.1 和 39.3～55.0 kg/hm2，其中收获时秸秆和籽粒带走的总氮量在70.5～84.8 kg/hm2。不同处理间，除留茬外，施氮处理的根系、秸秆和籽粒吸氮量显著高于不施氮处理。施氮处理间，根及留茬吸氮量各处理间无显著差异；秸秆还田处理较之秸秆不还田处理秸秆吸氮量无差异，高量秸秆还田处理籽粒吸氮量显著低于无秸秆还田处理。长期淹水处理秸秆吸氮量要显著高于间歇灌溉处理，而籽粒吸氮量与对应的间歇灌溉处理间无显著差异。

图4 收获期水稻不同部位吸氮量Fig. 4 The N uptake in different parts of rice plant in the early and late rice seasons

晚稻季施氮处理根、留茬、秸秆和籽粒各部分的吸氮量分别在 15.3～23.1、6.3～9.9、45.7～64.5 和74.8～84.5 kg/hm2，其中收获期秸秆和籽粒带走的氮量在120～149 kg/hm2。不施氮处理植株各部分吸氮量显著低于施氮处理。施氮处理间，根系和秸秆吸氮量均以高量秸秆还田处理显著高于秸秆不还田处理，留茬和籽粒吸氮量秸秆还田处理要高于秸秆不还田处理，但无显著差异；长期淹水处理较之对应的间歇灌溉处理植株各部分吸氮量略有下降，但无显著差异。

从各处理的产量来看（表3），施氮处理产量均显著高于对照处理。施氮处理间，早稻季高量秸秆还田显著降低了水稻籽粒产量，而长期淹水仅在秸秆还田条件下较间歇灌溉显著降低了水稻产量；晚稻季间歇灌溉条件下高秸还田的籽粒产量显著高于长期淹水下的无秸秆还田处理，其他处理间无显著差异，但表现为秸秆还田处理产量高于相应的秸秆不还田处理，间歇灌溉处理产量高于相应的长期淹水处理。

早稻季施氮处理的氮肥利用率在26%～38%之间，晚稻季在30%～51%之间（表3）。早稻季各处理的氮肥利用率与籽粒吸氮量趋势较为一致，高量秸秆还田较秸秆不还田显著降低氮肥利用率，长期淹水较间歇灌溉对氮肥利用率无显著影响。晚稻季秸秆还田较之秸秆不还田显著提高了氮肥利用率，而秸秆不还田条件下，长期淹水较之间歇灌溉显著降低了氮肥利用率。

2.4 秸秆还田和水分管理对水稻氮肥吸收、产量及氮肥利用率影响

表3 早晚稻籽粒产量与氮肥利用率Table 3 Rice grain yields and N use eff i ciency in the early and late rice seasons

由表4可以看出，早稻季水分管理显著影响收获期秸秆吸氮量，而秸秆还田对收获期秸秆吸氮量、籽粒吸氮量、总吸氮量、籽粒产量和氮肥利用率均有显著影响，水分管理和秸秆还田的交互作用也显著影响水稻产量。晚稻季水分管理对收获期秸秆、籽粒及总吸氮量、籽粒产量和氮肥利用率无显著影响，而秸秆还田显著影响收获期秸秆吸氮量、总吸氮量、籽粒产量及氮肥利用率，水分管理和秸秆还田的交互作用显著影响总吸氮量和氮肥利用率。

表4 秸秆还田和水分管理对早晚稻氮肥吸收、产量及氮肥利用率影响的F检验Table 4 F-test on the effects of straw incorporation and water management on the rice straw and grain N uptake, grain yield and N use eff i ciency in the early and late rice seasons

3 讨论

3.1 秸秆还田对水稻氮肥利用率的影响

本研究发现，双季稻体系早稻季秸秆还田降低氮肥利用率，而晚稻季秸秆还田则提高了氮肥利用效率。以往研究结果表明，秸秆还田主要从以下几个方面影响氮肥利用。一是秸秆还田后，提高了土壤有机质含量和土壤含氮量，提高了土壤矿质氮的生物有效性，从而可提高作物吸氮量和氮肥利用率[16,25-26]。二是秸秆还田后，土壤有机质含量增加，土壤对无机氮的持留能力增加，可以减少氮素损失，提高氮素利用效率[14,17]。三是秸秆还田后，如遇低温等条件，秸秆分解慢，作物根系下扎困难，易造成僵苗和烂根，从而影响作物氮素吸收[27-28]。本研究早稻生育前期，由于气温相对较低，土壤有机氮的矿化和秸秆的分解较慢，高量秸秆还田条件下土壤铵态氮和微生物生物量氮在水稻分蘖期较秸秆不还田均出现下降，且总吸氮量也随秸秆还田量的增加而显著下降。这表明早稻季水稻生育前期秸秆还田稻田土壤供氮能力低，水稻氮素吸收受到限制，从而影响水稻植株的生长发育。而分蘖期是水稻氮肥需要的关键期之一，氮素供应显著影响分蘖数[29-30]。本研究早稻抽穗期和收获期秸秆还田处理的土壤铵态氮和微生物生物量氮均有所提高，但植株的产量、吸氮量并未提高，从而导致了氮肥利用率下降。这也表明了水稻分蘖期的氮素供应对水稻整个生育期的氮素供应有重要影响，而秸秆还田稻田需防止秸秆分解慢导致的土壤氮素供应不足而对水稻氮素利用率产生影响。

本研究中秸秆还田条件下土壤有机碳和总氮含量较之秸秆不还田均出现了上升（表2），而晚稻季由于气温较高，土壤有机碳氮的矿化和秸秆的分解较快，使得土壤铵态氮和微生物生物量氮在水稻分蘖期较秸秆不还田均出现上升，提高了土壤氮素有效性，植株总吸氮量也随秸秆还田量的增加而显著增加，从而提高了氮肥利用率。这与何虎等[7]在江西的研究结果较为一致。

3.2 水分管理对水稻氮肥利用率的影响

本研究结果表明，两种水分管理方式对双季稻体系的氮肥利用效率没有显著差异。传统水稻栽培多采用长期淹水灌溉模式，这是因为长期淹水栽培具有抑制杂草生长、淋洗盐分、重金属等有毒物质等作用[20]。然而长期淹水也存在增加暴雨期田间养分径流损失和养分淋溶损失，加剧蒸腾降低水分利用效率，土壤通气性差、水稻根系发育不良、无效分蘖增加而导致水稻减产等不利因素[20-21]。相对于长期淹水，间歇灌溉由于采取了中期晒田，可以有效抑制无效分蘖、提高根系活力从而有利于水稻增产，并提高水分利用效率[20-21]。但间歇灌溉由于使稻田干湿交替多次发生，会增加氮素养分的硝化—反硝化损失，增加稻田N2O排放[31]。此外，晒田期如遇降雨，也将增加田间养分的淋溶和径流损失。从本研究的结果来看，两种水分管理方式下，长期淹水条件下土壤有机碳、全氮和全磷均较之间歇灌溉出现了较明显下降，土壤铵态氮含量也出现了较显著下降，表明水分状况对土壤氮素供应状况影响较大。长期淹水条件，氮磷的淋溶损失加大[20-21]，不利于土壤养分的累积，导致土壤全氮和全磷含量下降，作物的养分吸收量也将随之下降，从而不利于养分利用效率的提高。而间歇灌溉条件下，虽然土壤淋溶损失会下降，但中期排水晒田，会导致土壤及肥料速效养分的径流流失增加，也将导致作物可吸收利用的养分量减少。这可能是两种水分管理方式下水稻氮肥利用率并未出现显著差异的原因。鉴于长期淹水可能增加土壤养分的淋溶损失，而间歇灌溉可能增加土壤速效养分的径流损失，进一步优化稻田的水分管理方式仍十分有必要。

从表3的结果来看，秸秆还田与水分管理配合时，其交互作用分别对早稻季水稻籽粒产量以及晚稻季总吸氮量和氮肥利用率产生了显著影响。这可能主要是早稻季气温相对较低，此外如果稻田实行长期淹水和秸秆还田，稻田通气性较差而使秸秆分解速度下降，不利于水稻根系发育和秸秆养分的矿化归还，从而导致产量下降[27-28]。而晚稻季，气温相对较高，在长期淹水条件下，秸秆还田较之秸秆不还田，能显著提高氮肥利用率。这可能是由于长期淹水条件下，土壤通气性较差，土壤长期处于还原条件根系发育受到一定的影响[32]，导致养分吸收能力减弱。而秸秆还田后，土壤有机质提升[3-5]，土壤供肥保肥能力得到提升，从而改善水稻的氮素吸收，提高氮肥利用率。

4 结论

双季稻稻田，早稻季秸秆还田降低了分蘖期土壤氮素的有效性，导致水稻生育期内氮素吸收量显著下降，同时显著降低水稻籽粒产量及氮肥利用率，且氮肥利用率随秸秆还田量的增加而降低。晚稻季秸秆还田提高了生育期内土壤氮素有效性，提高了水稻生育期内氮素吸收量，增加水稻产量且显著提高氮肥利用率，氮肥利用率随秸秆还田量的增加而增加。间歇灌溉和长期淹水灌溉两种水分管理方式对水稻氮素吸收、籽粒产量及氮肥利用率的影响差异不显著。但早稻季秸秆还田配合长期淹水灌溉将加剧水稻产量和氮肥利用率下降。

综合来看，双季稻稻田实行间歇灌溉下的早稻季秸秆不还田、晚稻季秸秆全量还田（6 t/hm2）有利于获得较高水稻产量和氮肥利用率。

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