秸秆还田与施氮量对喀斯特地区杂交籼稻干物质积累和产量的影响

苏 卫 冯跃华 许桂玲 管正策 欧 达 张佳凤 王玲莉

(1贵州大学农学院,贵州 贵阳 550025；2贵州大学 山地植物资源保护与种植创新教育部重点实验室,贵州 贵阳 550025)

中国是农业大国,农作物秸秆资源丰富[1-2]。 近年来农村秸秆焚烧问题严重影响了人们的正常生活[3-5]。 为了减少秸秆资源浪费及不合理利用,秸秆还田已成为一项维持农业资源可持续发展的重要措施。 前人就秸秆还田对土壤理化性质、土壤肥力、稻田生态环境、作物生长及其产量等方面开展了一系列研究[6-10]。 长期以来,氮肥是保证我国水稻高产稳产的重要方式,但过量投入氮肥会使水稻易发生病虫害[11]、农田土壤肥力下降、农业污染加重[12]、氮肥综合效益降低[13],严重影响我国水稻的可持续发展[14]。前人研究表明,秸秆还田配施氮肥对作物产量有促进作用[15-16],减少化肥的施用并提高其利用率,可提高土壤养分的持续供给潜力[17-19],但有关贵州喀斯特地区秸秆还田与施氮量对水稻干物质特性影响的相关研究较少。 本试验拟研究秸秆还田与施氮量对水稻干物质生产特性的影响,以期通过秸秆还田与施氮量的最优组合,为贵州省喀斯特地区杂交籼稻绿色丰产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2018年在贵州省三穗县长吉镇(108°45′12.1″E、26°56′33.2″N)进行。 该地区属于北亚热带温和湿润季风气候,具有冬无严寒、夏无酷暑、雨热同季的特点,年平均气温14.9℃,最高气温38.4℃,最低气温-7.6℃,全年无霜期290 ～300 d,平均降水量1 147 mm。试验田土壤主要理化性状为有机质19.06 g·kg-1、速效钾 63.73 mg·kg-1、碱解氮 131.91 mg·kg-1、有效磷45.99 mg·kg-1、全氮2.05 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、全钾21.87 g·kg-1。

供试水稻品种：内5 优5399,购自四川省内江杂交水稻科技开发中心。

供试肥料：磷肥为CaP2H4O8(含P2O516%,贵州省贵定县农化化肥有限责任公司),钾肥为KCl(含K2O 60%,俄罗斯产,中化化肥控股有限公司),氮肥为CON2H4(含N 46.4%,贵州赤天化股份有限公司)。

1.2 试验设计

本试验为油菜-水稻两熟制下水稻季试验。 试验设秸秆还田(H)、施氮量(N)2 个因素。 采用裂区设计,其中,主区为秸秆还田(H),设2 种还田方式,分别为前茬油菜秸秆离田(H1)和前茬油菜秸秆还田(H2)；副区处理为施氮量(N),设4 个施氮量水平,分别为0(N1)、75(N2)、150(N3)和225 kg·hm-2(N4)。每个处理3 次重复,小区面积为22 m2。 氮肥采用分次施肥法,基肥、分蘖肥、穗肥、粒肥施氮量分别占35%、20%、30%、15%；磷肥和钾肥的用量分别为P2O596 kg·hm-2、K2O 135 kg·hm-2,磷肥作基肥一次施入,钾肥基施50%,幼穗分化期施50%,氮、磷、钾肥分别采用尿素、过磷酸钙、氯化钾。 每小区四周作高30 cm、宽20 cm 田埂包膜,包膜压深至地下30 cm,以防水肥渗透,重复间留70 cm 空降以便田间操作和调查。 水稻于4月8日育秧,5月27日移栽,行株距为30 cm×20 cm,田间管理与当地一般大田管理方法相同,于9月20日收获并测产。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高和最高茎蘖数 分别于水稻拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期取代表性植株4 株(成熟期6 株),测量其株高。 选长势较一致的连续10 穴,采用定点观察法,从返青期开始每隔7 d 进行一次茎蘖动态调查,测定其最高茎蘖数并按照公式计算成穗率(%)：

1.3.2 叶面积指数 根据每小区田间调查的平均茎蘖数,分别在拔节期、孕穗期、抽穗期取代表性植株4株,采用长宽法,测定其中1 株叶片的长(cm)和宽(cm),按照公式计算叶面积(cm2)：

然后采用称重法求出总叶面积,并按照公式计算叶面积指数：

1.3.3 干物质积累量、分配和转运 按每小区田间调查平均茎蘖数,分别于水稻关键生育期(拔节期、孕穗期、抽穗期),取代表性植株4 穴,拔节期、孕穗期将样品分成茎、叶、死叶三部分,抽穗期将样品分成茎、叶、穗、死叶四部分；在成熟期按每小区田间调查平均茎蘖数取植株6 穴,将样品分成茎、叶、实粒、秕粒、枝梗五个部分,分别测定其干物质重并计算各生育期干物质。测定时将各部位水稻样品各自装袋,于105℃杀青30 min,80℃烘干到恒重,称干物质重。 按照公式分别计算主要生育阶段(拔节期-抽穗期、抽穗期-成熟期)地上部分(叶、茎、穗)分配率(%)、干物质表观输出量(kg·hm-2)、干物质表观输出率(%)、茎鞘物质转化率(%)、茎鞘物质输出率(%)和穗后比例(%)：

1.3.4 产量和产量构成 于成熟期每小区割取具有代表性区域99 穴作为测产区,取样脱粒晒干风选后称其风干重。 称取30 g,采用烘干法测定实际含水量,按水分13.5%折算水稻实际产量。 根据田间调查的平均茎蘖数,每小区取代表性植株6 穴,作为考种样,并考察水稻的产量构成因素。

1.3.5 数据处理 利用SAS 9.0 软件进行统计分析；Microsoft Office Excel 2003 进行数据整理和计算。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与施氮量对水稻株高和最高分蘖数及成穗率的影响

由表1可知,施氮量对水稻关键生育期株高和最高分蘖数及成穗率均有极显著影响,秸秆处理主要影响孕穗期株高,施氮量与秸秆处理的交互作用对孕穗期株高、最高分蘖数均有极显著影响,对抽穗期株高、成穗率均有显著影响。 随着施氮量的增加,不同生育时期的株高大体均呈增高的趋势,在孕穗期、抽穗期和成熟期,N3与N4 处理间均无显著差异,但均显著高于N1、N2,且N1 与N2 之间差异显著；在拔节期,N3 显著高于N1、N2,但与N4 间无显著差异。 最高分蘖数随着施氮量的增加而增加,且各处理间差异显著,其中N4 最高。 成穗率随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,其中N1、N2 均显著高于N3、N4,但N1 与N2 间无显著差异,N3显著高于N4。 在拔节期、抽穗期和成熟期,秸秆处理对株高、最高分蘖数和成穗率的影响较小,但在孕穗期秸秆还田处理的株高显著高于秸秆离田。

表1 秸秆还田与施氮量对水稻株高和最高分蘖数及成穗率的影响Table1 Effects of straw returning and nitrogen application on plant height， maximum tillering number and earing rate of rice

2.2 秸秆还田与施氮量对水稻叶面积指数的影响

由表2可知,施氮量对各生育期水稻叶面积指数均有极显著影响,秸秆处理主要影响孕穗期的叶面积指数,施氮量和秸秆处理的交互作用对各生育期叶面积指数均有极显著影响。 随着施氮量的增加,各生育期的叶面积指数均呈逐渐增加的趋势,在拔节期和孕穗期N3 和N4 均显著高于N1 和N2,且N3 与N4 间差异显著,但N1 与N2 间无显著差异；在抽穗期各施氮处理间均差异显著,其中N4 显著高于其他处理。 对施氮量和三个时期的平均叶面积指数建立回归方程：y=2.7425e0.00263x(x：施氮量；y：叶面积指数)。 孕穗期秸秆还田的叶面积指数显著高于秸秆离田,而秸秆处理对拔节期和抽穗期叶面积指数的影响均较小。

2.3 秸秆还田与施氮量对水稻干物质积累的影响

由表3可知,施氮量对各生育期干物质的积累均有极显著影响,秸秆处理主要影响抽穗期干物质的积累。随着施氮量的增加,各生育期除抽穗期和成熟期N4 略低于N3 外,干物质均呈增加的趋势,其中N3 和N4 除在抽穗期外,均显著高于N1 和N2,且N3 与N4 间无显著差异,N1 和N2 处理除在孕穗期差异显著外,在其他时期均无显著差异。 抽穗期秸秆离田的干物质积累量显著高于秸秆还田,但在其他生育期差异不显著。

表2 秸秆还田与施氮量对水稻叶面积指数的影响Table2 Effect of straw returning and nitrogen application on leaf area index of rice

表3 秸秆还田与施氮量对水稻关键生育期干物质积累的影响Table3 Effect of straw returning and nitrogen application on dry matter accumulation during key growth stages of rice/(kg·hm-2)

2.4 秸秆还田与施氮量对水稻不同生育期干物质积累及总生物量的影响

由表4可知,施氮量对不同水稻生育阶段干物质和生物量有显著或极显著影响,秸秆处理主要影响水稻的移栽-拔节(生育前期)和抽穗-成熟(后期),而施氮量与秸秆处理的交互作用对水稻不同生育阶段干物质积累和总生物量均有极显著影响。 随着施氮量的增加,不同生育阶段干物质积累量大体上均呈增加的趋势,在生育前期(移栽-拔节)干物质积累在各处理间达到显著水平,N4 显著高于其他处理；在生育中期(拔节-抽穗)施氮处理高于未施氮处理(N1),且各施氮处理间差异不显著；在生育后期(抽穗-成熟)N3 和N4 显著高于N1和N2。 总生物量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,且各处理间达到显著水平,N3 显著高于其他处理。随着水稻的生长,秸秆还田对水稻生育前期干物质积累量有抑制作用,但促进水稻生育后期干物质的积累,对生育中期干物质的积累和总生物量的影响不大。 在生育前期,同一施氮水平(N1)下,秸秆还田的干物质积累显著低于秸秆离田,而在生育后期则相反。

表4 秸秆还田与施氮量对水稻生育期干物质积累量及生物量的影响Table4 Effects of straw returning and nitrogen application on dry matter accumulation and biomass during growth stage of rice /(kg·hm-2)

2.5 秸秆还田与施氮量对水稻关键生育期地上部分器官分配率

由表5可知,施氮量对水稻中后期地上部各器官分配率的影响极显著,秸秆处理对水稻后期地上部各器官分配率的影响极显著,对中期穗分配率影响显著,施氮量和秸秆处理的交互作用对水稻中后期地上部各器官分配率的影响与秸秆处理相似。 在生育中期,随着施氮量的增加茎分配率大体上呈减少的趋势,N1、N2、N3 显著高于N4；叶的分配率呈先增加后减少的趋势,其中以N3 处理为最高,显著高于N1、N2,穗的分配率正相反,N1、N4 显著高于N2、N3。 秸秆处理对茎叶的分配率影响不大,秸秆离田的穗分配率显著高于秸秆还田。 在生育后期,茎叶的分配率均为负值,而穗的分配率为正值。随施氮量的增加,穗的分配率呈先增加后减少的趋势,其中N1、N2 显著高于N3、N4,以N2 最高,且秸秆离田显著高于秸秆还田。

表5 秸秆还田与施氮量对水稻关键生育期地上部分器官分配率Table5 Distribution rate of above-ground organs in key growth stages of rice by straw returning and nitrogen application/%

2.6 秸秆还田与施氮量对水稻茎鞘和叶的物质转运特点及其比例

由表6可知,除秸秆处理对茎叶物质表观输出量的影响较小外,施氮量、秸秆处理和两者的交互作用对水稻茎鞘和叶的物质转运特点及其比例均有极显著影响。 施氮量对水稻茎鞘和叶的物质转运影响极显著,其中茎鞘物质输出率、茎鞘物质转化率和茎叶物质表观输出率变化规律相似,均表现为N2 显著高于其他处理；施氮量对茎叶物质表观输出量的影响表现为N2和N4 显著高于N1 和N3,但N2 与N4 间无显著差异；施氮量对穗后比例的影响表现为N3 和N4 显著高于N1 和N2。 秸秆处理对茎叶物质表观输出量的影响较小,但对茎鞘物质输出率、茎鞘物质转化率、茎叶物质的表观输出率和穗后比例的影响达到显著水平,其中秸秆离田的茎鞘物质输出率、茎鞘物质转化率和茎叶物质的表观输出率均显著高于秸秆还田,而秸秆还田的穗后比例显著高于秸秆离田。

2.7 秸秆还田与施氮量对水稻产量及构成因素的影响

由表7可知,施氮量对产量及其构成因素有显著或极显著影响,秸秆处理主要影响每穗总粒数和结实率,施氮量与秸秆处理的交互作用对每穗总粒数、结实率和产量有极显著影响。 随着施氮量的增加,产量呈先增加后降低的趋势,N3 显著高于其他处理。 在产量构成方面,每穗总粒数先增加后减小再增加,有效穗随着施氮量的增加而增加,每穗总粒数各处理间差异显

著,其中N4 显著高于其他处理；有效穗表现为N3 和N4 显著高于N1 和N2,且N3 与N4 间无显著差异；结实率随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,N2 显著高于其他处理,但N1、N3 和N4 三者间无显著差异；千粒重随着施氮量的增加呈下降的趋势,N4 显著低于其他处理。 秸秆还田的每穗总粒数显著高于秸秆离田,秸秆离田的结实率显著高于秸秆还田。 进一步分析产量发现,在N1 和N4 条件下,秸秆还田与秸秆离田处理间无显著差异,但在N2、N3 条件下,秸秆还田产量显著高于秸秆离田,其中H2N3 产量最高,达到9 758.02 kg·hm-2,较H1N3 和H1N1 分别增产2.6%、18.9%。

表6 秸秆还田与施氮量对水稻茎鞘和叶的物质转运特点及其比例的影响Table6 Effects of straw returning and nitrogen application on material transport characteristics and proportion of rice stem sheath and leaf

表7 秸秆还田与施氮量对水稻产量及构成因素的影响Table7 Effects of straw returning and nitrogen application on rice yield and components

3 讨论

本研究结果表明,随着施氮量的增加,水稻的产量和总生物量呈先增加后降低的趋势,说明随着施氮量增加水稻的有效穗和每穗总粒数增加,进而使水稻增产,但过量的氮肥会使水稻的千粒重和成穗率降低,从而使水稻的产量呈先增加后降低的趋势,这与前人研究[20-24]结果相同,表明适宜的施氮量可以促进水稻的生长,而过量施用氮肥则会导致水稻减产。 因此,在实际生产中,应合理施用氮肥,使其满足生产需要的同时不造成资源浪费。 本研究中,水稻株高、最高分蘖数、叶面积指数、关键生育期干物质积累、主要生育阶段干物质积累、有效穗、每穗总粒数和穗后比例总体呈增加的趋势。 这与武彪等[25]的研究结果一致,而千粒重、总生物量、成穗率和产量等方面变化不一致,这可能与试验地、品种特性和栽培措施等因素有关。

采用秸秆还田能够减少化肥的施用,提高经济效益,还可以减少秸秆燃烧或秸秆不合理利用所引发的负面效应。 本研究发现,秸秆还田降低了茎鞘物质输出率、茎鞘物质转化率、茎叶物质的表观率和结实率,影响了生育前期水稻干物质的积累,但秸秆还田增加了叶面积指数和每穗总粒数,促进了生育后期干物质的积累,说明秸秆还田对水稻生长发育的影响表现为前期抑制后期促进。 这可能是由于生育前期土壤微生物在分解秸秆过程中,需要与水稻争氮,导致土壤供氮减少,而使生育前期水稻的干物质积累减少；在生育后期,秸秆分解基本完成,土壤供氮充足,导致生育后期水稻的干物质积累增多,这与前人研究结果[26-29]一致。 本研究中,秸秆还田对产量的影响不明显,可能是秸秆还田的还田年限较短,秸秆未充分分解,也可能与前茬作物秸秆的还田量有关,但在配施等量氮肥后,秸秆还田的产量高于秸秆离田,说明秸秆还田配施氮肥能提高氮肥的利用率,从而使水稻的产量增加,这与汪军等[20]和袁玲等[30]的研究结果一致。 秸秆还田配施氮肥能够改善土壤特性,提高土壤肥力和改善稻田生态环境。 但秸秆还田配氮施肥如何改善土壤特性,提高土壤肥力和改善稻田生态环境,以及秸秆还田配氮施肥对水稻光合生理特性的影响还有待进一步深入研究。

4 结论

本研究结果表明,在油菜秸秆还田和施用150 kg·hm-2N 组合(H2N3)下杂交籼稻每穗总粒数、千粒重、结实率、有效穗、总生物量、叶面积指数等各项指标均较优,从而使水稻产量达到最高,为9 758.02 kg·hm-2。综合考虑油菜秸秆还田与施氮量对水稻生长发育、产量及其构成因素等的影响,贵州省喀斯特地区杂交籼稻最优组合为秸秆还田和施用氮肥量150 kg·hm-2。