土壤改良剂对中稻-再生稻产量与氮肥利用的影响

胡志华，徐小林，李大明，柳开楼，余喜初，叶会财，胡惠文

(江西省红壤研究所，国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 331717)

中稻-再生稻是通过采取适当的栽培措施，利用头季水稻收割后稻桩上休眠芽萌发成穗，实现一种两收的水稻种植模式[1-2]，具有生育期短、生产成本低、经济效益高等优点，对于稳定粮食产量及缓解生产中劳动力压力具有重要意义。我国再生稻种植历史悠久，围绕再生稻系统前人做了较为系统的研究，从再生稻高产品种选育及再生力遗传特性研究[3-7]，到再生稻产量与农艺性状，头季与再生季等关系研究[8-10]，再到再生稻合理施肥技术及肥料运筹探究[11-13]和头季留茬高度与再生稻产量及品质关系[14-15]等方面均有所涉及。这些研究在再生稻品种选育、合理施肥、适高留桩等层面取得了丰硕的成果，并集成组装了一系列高产高效栽培模式，为水稻-再生稻高产高效种植提供了理论与技术支撑。然而，当前农民生产仍以追求高产为主要目标，化肥不合理施用、中微肥投入低甚至不投入现象普遍存在，由此引起的稻田酸化加剧、潜育化及中微肥失衡日益成为制约水稻产量及氮肥高效利用的重要因子。过氧化钙、石灰、硅肥等是重要的土壤改良剂与中微肥，在改良稻田土壤、缓解稻田酸化及潜育化、重金属污染阻控等方面起着重要作用[16-19]，有利于水稻增产增收。以往研究多集中在不同栽培方式对再生稻产量及养分吸收的影响上，对中稻-再生稻氮肥利用研究较少，且多将头季与再生区分开来研究，然而，再生稻头季与再生季产量与养分积累存在一定的依存关系，但再生季产量远未达到再生季肥占头季施肥量的比例，有学者提出将水稻-再生稻作为一个系统研究其产量与养分吸收利用对于中稻-再生稻高产与养分高效利用具有突出的意义[20]。此外，以往关于过氧化钙、石灰、硅肥等调理剂方面的研究多侧重于其改良土壤属性，而关于对水稻生长及氮肥利用等方面研究较少。鉴此，本研究将中稻-再生稻头季与再生季作为一个有机整体，通过连续2 a的大田试验研究施用过氧化钙、硅肥、生物石灰等改良剂对中稻-再生稻系统产量、氮素吸收及利用特征等的影响，以期为中稻-再生稻高产与氮肥高效利用提供一定的理论支撑及技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2016-2017年在江西省南昌市进贤县江西省红壤研究所温圳试验基地(28°34′，116°11′)进行。试验点属中亚热带季风气候，年均降雨量1 727 mm，年蒸发量1 100 mm。年均气温17.7～18.5 ℃，最冷月(1月)平均气温为4.6 ℃，最热月(7月)平均气温为28.0～29.8 ℃。海拔高度25～30 m，为典型的低丘红壤地区，土壤类型为第四纪红黏土发育的潴育型水稻土，剖面构型为：A-P-W1-W2-G，试验前耕层土壤pH值5.13，有机质21.02 g/kg，全氮1.34 g/kg，全磷1.17 g/kg，全钾11.93 g/kg，有效氮119.41 mg/kg，有效磷16.00 mg/kg，速效钾60.33 mg/kg。

1.2 供试材料

供试水稻品种为准两优608(2016年)和晶两优华占(2017年)。

1.3 试验设计

试验采用单因素区组设计，试验设施用过氧化钙(CaO2)、施用生物石灰(Bi-CaO)、施用硅肥(SiO2)、常规施肥(NPK)和不施肥(NF)5个处理，小区面积为30 m2，3次重复。不同处理的具体方法为：施用过氧化钙(CaO2)处理，分别在基肥施用时、分蘖盛期、齐穗期和灌浆期按1∶1∶1∶1的比例施用过氧化钙，过氧化钙总用量折合活性氧总量为16 kg/hm2，所用CaO2为有效含量50%的粉末CaO2；施用生物石灰(Bi-CaO)处理，生物石灰为牡蛎贝壳粉，用量为1.5 t/hm2，全作基肥施用；施用硅肥(SiO2)处理，于施用基肥时1次性施入，用量为150 kg/hm2，供试硅肥为可溶性硅肥。

2016年于4月6日播种，4月30日移栽，供试品种为准两优608，2017年于4月10日播种，5月4日移栽，供试品种为晶两优华占，移栽规格为20 cm×20 cm。头季施肥折合纯N 195 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2，氮肥按基肥、蘖肥、穗肥质量比4∶3∶3施用，磷肥全作基肥施用，钾肥按基肥、穗肥质量比1∶1施用，基肥于移栽前一天施用，蘖肥于移栽后7 d施用，穗肥于水稻幼穗分化3-4期施用。再生季施肥折合纯N 105 kg/hm2，按促芽肥、促苗肥质量比3∶2施用，促芽肥于头季齐穗后15 d施用，促苗肥与头季收割后2～3 d施用，本试验所用氮、磷、钾肥料分别为尿素(N含量为46%)、钙镁磷肥(P2O5含量为12%)和氯化钾(K2O含量为60%)。2016年头季于2016年8月14日收割，2017年于8月16日收割，留茬高度均为30 cm，其余田间农事管理同当地一般高产栽培管理措施。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻干物质测定 分别于头季拔节期、齐穗期、成熟期、再生季25 d和成熟期，各小区按平均分蘖数取代表性植株，按茎、叶、穗分样，105 ℃下杀青30 min，85 ℃下烘干至恒质量后称量各部位质量。

1.4.2 水稻产量与产量构成 小区产量为各小区实打实收产量，成熟期调查各小区有效穗数，按平均数取代表性植株9株，风干后考种，主要考察穗粒数、结实率、千粒质量等指标。

1.4.3 植株氮素含量测定 将各时期的烘干样粉碎过0.178 mm筛，用H2SO4-H2O2法420 ℃消化2 h，采用半微量凯氏定氮法测氮含量[21]。

1.5 相关评价指标

肥料利用率计算方法[22-25]：

农学利用效率(Agronomic nitrogen efficiency，AEN)(kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量；

氮肥回收效率(N recovery efficiency，REN)=(施氮区氮累积量-不施氮区氮累积量)/施氮量×100%；

氮素干物质生产效率(N dry matter production efficiency，NDMPE)(g/g)：单株干物质积累量与单株N 积累量(TNA)的比值；

氮素偏生产力(N partial factor productivity，NPFP)(kg/kg)=产量/施氮量；

肥料氮贡献率(N fertilizer contribution rate，NCT)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100%；

肥料氮生理利用率(Physiological N use efficiency，PEN)(kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)；

土壤氮素依存率(Dependent rate of soil nitrogen，SNDR)=不施氮区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%。

1.6 数据处理

数据采用SAS 9.2数据分析软件进行统计分析，显著性检验采用Ducan法比较，并用Microsoft Excel 2010进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤改良剂对中稻-再生稻产量的影响

施用改良剂显著影响中稻-再生稻头季与再生季产量(图1)。施用改良剂中稻-再生稻头季产量均显著增加(P<0.05)，较常规施肥(NPK)与不施肥(NF)处理增幅分别为7.37%～13.78%(2016年)，12.39%～17.78%(2017年)，106.6%～119.0%(2016年)，142.8%～154.4%(2017年)。施用改良剂处理再生季产量均显著增加(P<0.05)，与NPK和NF处理相比分别增产493.3～933.3 kg/hm2(2016年)，840～982.2 kg/hm2(2017年)，1 791～2 231 kg/hm2(2016年)，1 630～1 772 kg/hm2(2017年)。

同一颜色柱上不同字母表示同一品种不同处理间在 0.05 水平差异显著。

施用土壤改良剂显著影响中稻-再生稻产量构成(表1)。与NF相比较，施肥处理(CaO2、Bi-CaO、SiO2、NPK)显著增加头季有效穗数与再生季有效穗数(P<0.05)，施用改良剂处理(CaCO2、Bi-CaO、SiO2)显著提高、头季穗粒数(P<0.05)；与NPK相比，施用土壤改良剂可显著增加头季与再生季有效穗数(P<0.05)，提高了头季穗粒数和结实率；各处理中稻-再生稻籽粒千粒质量及再生季结实率和穗粒数均无显著差异。

表1 土壤改良剂对中稻-再生稻产量构成的影响

注：数据后不同字母表示同一品种不同处理间在 0.05 水平差异显著。表2-4同。

Note：Values followed by different letters are significantly different among treatments for the same cultivar at the 0.05 level. The same as Tab.2-4.

2.2 施用土壤改良剂中稻-再生稻干物质积累响应

施用土壤改良剂显著影响中稻-再生稻干物质积累(表2)。中稻-再生稻各生育期内施用改良剂处理水稻干物质质量均较NPK和NF处理显著增加(P<0.05)，增幅分别为23.01%～85.65%，46.80%～194.59%。3种土壤改良剂处理间干物质在前期无显著差异，在头季成熟期施用过氧化钙(CaO2)水稻干物质质量显著高于施用石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)处理(P<0.05)，增幅为5.83%～13.57%，再生季施用过氧化钙水稻干物质于成熟期显著高于施用生物石灰处理(P<0.05)。

2.3 施用土壤改良剂中稻-再生稻氮素积累特征

施用土壤改良剂显著影响中稻-再生稻氮素吸收与积累(表3)。与NPK和NF处理相比，施用过氧化钙(CaO2)和硅肥(SiO2)处理中稻-再生稻各生育期植株氮素积累均显著增加，施用生物石灰(Bi-CaO)显著增加头季齐穗期、灌浆期、成熟期和再生季植株氮素积累。3种改良剂处理间头季氮素积累差异较小，再生季成熟期施用过氧化钙(CaO2)与生物石灰(Bi-CaO)处理氮素积累显著高于施用硅肥(SiO2)处理，且施用过氧化钙(CaO2)强于施用生物石灰(Bi-CaO)。

表2 施用土壤改良剂中稻-再生稻干物质积累特征

2.4 土壤改良剂对中稻-再生稻系统氮肥利用的影响

施用土壤改良剂显著影响中稻-再生稻系统氮肥利用(表4)。2 a的大田试验均显示，施用改良剂显著增加中稻-再生稻系统氮肥偏生产力(NPFP)和氮肥农学利用率(AEN)(P<0.05)，较NPK处理分别增加了2.92～6.81 kg/kg(2016年)，5.90～7.53 kg/kg(2017年)，4.76～6.18 kg/kg(2016年)，5.90～7.53 kg/kg(2017年)；与NPK相比，施用土壤改良剂显著提高了中稻-再生稻肥料氮贡献(NCT)和氮素回收率(REN)，增幅分别为6.32～9.65百分点，34.4～46.11百分点，但显著降低了中稻-再生稻系统土壤氮素依存率(SNDR)和氮肥生理利用率(PEN)，降幅分别为18.03～27.10百分点，20.91～36.61百分点；3种改良剂处理间差异主要表现为CaO2处理氮素回收率(REN)显著高于SiO2处理，及土壤氮素依存率(SNDR)显著低于SiO2处理。

表3 施用土壤改良剂对中稻-再生稻氮素积累的影响

表4 施用土壤改良剂对中稻-再生稻氮肥利用的影响

3 结论与讨论

3.1 施用土壤改良剂对中稻-再生稻产量与形成的影响

我国是世界上水稻生产与稻米消费大国，提升和稳定水稻产量是保障我国粮食安全关键，因此，在“双改单”日趋普遍的环境下发展再生稻种植对于维持水稻产量则具有重要意义。水稻生长与产量形成受到诸多土壤障碍因素的影响，如酸化、潜育化、中微量养分等[16，18，26-27]。石灰、过氧化钙、硅肥等属于重要的土壤改良剂，在缓解土壤酸化、平衡土壤中微营养、消除潜育化与缺氧、改善土壤容重等方面起到显著作用[18，26]，此外，过氧化钙与硅肥还是优良的肥料，在改善土壤氧环境的同时，还可以促进水稻根系生长、养分吸收、分蘖发生成穗、灌浆等生理生化过程，可显著提高水稻抗耐能力，进而显著提高水稻产量[28-29]。本研究结果表明，施用过氧化钙、硅肥、生物石灰等改良剂均可显著提高中稻-再生稻系统产量，头季与再生季产量较常规施肥处理均显著增加，头季产量增幅为7.37%～17.78%，再生季产量增加了493.3～982.2 kg/hm2，表明石灰、过氧化钙、硅肥等对水稻增产作用同样适用于中稻-再生稻系统，且对再生季水稻的增产作用大于对头季水稻产量的影响。本研究还发现，施用土壤改良剂显著提高了中稻-再生稻头季与再生季有效穗数，且显著提高头季的穗粒数与结实率。曾勇军等[27]研究发现，土壤pH值下降显著抑制双季稻分蘖的发生，进而显著降低双季稻产量。这表明施用过氧化钙等改良剂可显著降低土壤酸化对水稻产量的影响，其详细机制需进一步研究。

3.2 土壤改良剂促进中稻-再生稻氮素吸收与利用

氮素是水稻生长不可缺少的大量元素，且氮肥的增产效益可达76%[30]。此外，有研究表明水稻对土壤氮素的依存率在50%以上[31]，因此，生产中需要投入大量的氮肥以维持水稻的高产。统计资料显示我国氮肥使用量从1983年的1 192.53万t增加到2013年的3 080.07万t，增加了1.58倍[32]，远高于欧美发达地区和国际平均水平，然而我国氮肥当季利用约为30%～35%[33]，处于较低水平。氮肥利用率低，不仅造成资源的浪费，还对环境造成严重威胁，因此，采用合理措施提高氮肥利用对于农业高产高效及环境生态友好发展具有重要意义。本研究发现，施用土壤改良剂可显著促进中稻-再生稻对氮素的吸收与积累，且施用过氧化钙处理在后期效果最佳，这可能与过氧化钙改善土壤氧环境，促进根系生长，延缓水稻后期衰老有关[26，34]。氮肥农学利用率(AEN)和氮素回收率(REN)是衡量氮肥当年利用水平的重要指标，也是表观氮肥流失的重要因子，本研究发现，施用土壤改良剂显著提高了中稻-再生稻系统氮肥农学利用率(AEN)和氮素回收率(REN)，表明土壤改良剂在提高中稻-再生稻系统氮肥当季利用，减少氮肥流失具有显著作用。此外，施用土壤改良剂显著降低了中稻-再生稻土壤氮素依存率(SNDR)，这表明土壤改良剂可显著降低土壤氮素的损耗，有利于土壤氮素平衡与可持续发展，也间接说明了施用土壤改良剂是提高氮肥利用与维持土壤氮平衡的重要措施。氮肥偏生产力(NPFP)与肥料氮贡献率(NCT)是表观氮肥的生产效率的重要指标，本研究结果显示，试验所选土壤改良剂显著提高了中稻-再生稻系统氮肥偏生产力(NPFP)与肥料氮贡献率(NCT)，显著提高系统氮肥的生产效率。因此，土壤改良剂在提高中稻-再生稻系统氮肥利用，实现生产高效、生态可持续化具有重要意义。

3.3 3种土壤改良剂对中稻-再生稻产量氮素吸收与利用效果比较

过氧化钙(CaO2)、生物石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)是生产中常用的土壤改良剂，目前已在其对水稻、土壤影响及其作用机制方面开展了大量的研究[16-17，26，28，34-35]，然对于三者间效果差异比较方面的研究较少。本研究发现，过氧化钙(CaO2)、生物石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)均能显著提高中稻-再生稻系统水稻产量和氮肥的利用，但仍存在一定的差异。其中施用过氧化钙对中稻-再生稻后期干物质与氮素吸收积累的促进作用明显优于施用生物石灰与硅肥处理，这与胡志华等[34]研究结果较为一致。施用硅肥对中稻-再生稻干物质与氮素吸收积累的影响主要体现在齐穗期前，这符合了施用硅肥后水稻茎秆干物质积累特征[35]。在氮素利用方面，施用过氧化钙处理氮肥回收率优于施用生物石灰与硅肥处理，且土壤氮素依存率较低，而施用硅肥处理在提高氮肥偏生产力、肥料氮贡献率与氮肥农学利用率等方面优于施用生物石灰处理。综合水稻干物质积累与氮肥利用，施用过氧化钙与硅肥对中稻-再生稻促进作用优于施用生物石灰，然而其具体影响机制主要体现在水稻植株生长上还是土壤改良方面尚不十分清晰，需进一步研究。

施用土壤改良剂显著提高中稻-再生稻产量，头季产量增幅为7.37%～17.78%，再生季产量增加了493.3～982.2 kg/hm2；施用土壤改良剂对产量影响主要体现在头季与再生季有效穗和头季结实率及穗粒数的提升；施用土壤改良剂显著提高了中稻-再生稻系统氮肥偏生产力(NPFP)、肥料氮贡献率(NCT)、氮肥农学利用率(AEN)和氮素回收率(REN)，并显著降低其土壤氮素依存率(SNDR)和氮肥生理利用率(PEN)，显著促进了中稻-再生稻氮肥高效利用。