水肥调控措施对水稻养分吸收及稻谷产量的影响

赵庆雷马 惠刘奇华信彩云孙召文

(山东省农业科学院 湿地农业与生态研究所/山东省水稻工程技术研究中心,济南 250100)

作为秸秆资源化利用最有效的途径之一[1],持续秸秆还田可显著提升土壤有机质含量,改善土壤物理性状和生物学特性[2],秸秆分解后释放养分可替代部分化学养分[3],秸秆还田配施化肥还可以改善土壤供肥能力[4],促进作物增产增收[5-6]。

在黄淮稻麦轮作区,秸秆还田后由于水肥调控管理不当,生产中出现了秸秆腐解前期与稻苗争氮,水稻分蘖期出现黑根等影响水稻健康生长的一系列问题,影响到秸秆还田技术的推广应用。有关秸秆还田后施氮和水分管理对水稻养分吸收及稻谷产量的影响已有了较多的研究报道[7-12],但针对黄淮稻麦轮作区秸秆还田问题,将氮肥运筹与水层管理措施相结合的相关研究还比较欠缺。本研究聚焦黄淮稻麦轮作区影响秸秆还田推广的难点和症结问题,将秸秆快速腐解与水稻健康生长统筹考虑,研究不同的水肥调控条件下水稻养分吸收特点及其对稻谷产量的影响特征,为稻麦轮作区秸秆还田工作提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地点位于山东省济宁市任城区农丰农作物种植专业合作社(116°27′E,35°18′N),地处鲁中南泰沂蒙山麓倾斜平原与鲁西南黄泛平原交接洼地的中心地带。该区属暖温带季风气候,年平均气温13℃～14℃,年降水量600～800 mm,年日照时数2 391.4 h,无霜期200 d。于2019年至2020年连续进行两年试验,因两年数据规律基本一致,文中主要是2020年的数据。供试土壤为砂姜黑土,试验前采集耕层土壤分析其基本理化性质,见表1。供试秸秆养分含量见表2。水稻供试品种为‘圣稻18’。

表1 试验前土壤基本理化特性Table 1 Basic soil physical and chemical properties before experiment

表2 供试秸秆的基本养分含量Table 2 Contents of total N,P and K of crop residues

1.2 田间试验设计

供试化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。肥料施用量分别为:N 276 kg·hm-2,P2O5135 kg·hm-2,K2O 78 kg·hm-2。氮肥分作基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥4 次施用;磷肥全部用作基肥施用;钾肥作基肥和穗肥各50%施用。作物种植方式为稻麦轮作,秸秆全量还田,一年两熟。2019和2020年水稻育秧时间均为5月20日,水稻插秧时间均为6 月23 日,水稻收获时间均为10月20日。试验设计涉及氮肥施用比例和晾田排气时间2个因素。其中氮肥施用比例即基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥的施用比例,共4种,分别为:F1,0∶2.8∶3.6∶3.6;F2,1.5∶2.5∶3.0∶3.0;F3,4.0∶1.8∶2.1∶2.1;F4,6.0∶1.2∶1.4∶1.4。插秧后水层管理措施分3种:S1,泡田后15 d自然耗干晾田;S2,泡田后25 d自然耗干晾田;S3,不晾田。试验共设12 个处理,每个处理重复3 次,分别为F1S1、F1S2、F1S3、F2S1、F2S2、F2S3、F3S1、F3S2、F3S3、F4S1、F4S2、F4S3。水稻灌浆期后采用干湿交替灌水法,收获前10 d停止灌水,晾田待收。

1.3 样品采集与测定

水稻最高分蘖期、齐穗期和成熟期取样。每处理取代表性稻株5穴,齐根割下,茎、叶、穗分别装入牛皮纸袋。放入烘箱后105 ℃杀青30 min,然后烘至恒量。取出放入干燥器中冷却至常温后,将茎、叶、穗分别称量记录,然后粉碎,以H2SO4-H2O2消煮后,凯氏定氮法测定含氮量;钼锑抗比色分光光度法测含磷量;火焰光度法测含钾量[13]。

收获期每小区随机选取40穴,测定有效穗,每小区实割2 m2测产,实割2穴测定产量构成指标,主要包括穗长、穗粒数、实粒数、千粒质量、一次枝梗数和二次枝梗数等。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥调控措施下水稻氮素吸收特征

由表3可知,氮肥运筹和插秧后水层管理措施显著影响水稻对氮素的吸收。相同的水层管理措施下水稻各生育期植株含氮量均随基施氮肥量的提高呈先增大后减小趋势,相同的水层管理措施下处理F3植株含氮量在分蘖期、齐穗期和成熟期较其余处理最高增幅分别达38.9%、50%和30.21%。水层管理措施对水稻分蘖期氮素吸收无明显影响;相同的氮肥施用比例下,水稻齐穗期和成熟期植株含氮量均表现为S1 最高,其次为S2,S3最低,S1植株吸氮量在齐穗期和成熟期较其他处理最高增幅分别达40.74%和12.61%。分析表3可以发现,水稻植株含氮量随水稻发育进程呈逐渐下降趋势,即分蘖期>齐穗期>成熟期。

表3 水肥调控措施下水稻植株含氮量Table 3 Nitrogen content of rice plants after water and fertilizer control measures

以上分析表明,基施氮肥促进水稻对氮素的吸收,但基施氮肥量超过40%后水稻吸氮量受到抑制。泡田后15 d晾田显著提高水稻对氮素的吸收量。从水氮互作效应分析,处理F3S1 最有利于水稻对氮素的吸收。

2.2 不同水肥调控措施下水稻磷素吸收特征

由表4分析可知,氮肥运筹对整个生育期水稻植株含磷量无明显影响。分蘖期水层管理措施对水稻磷素吸收无明显影响。整体上看,水稻齐穗期相同的氮肥施用比例下,S1 植株含磷量最高,其次为S2,S3最低,S1植株吸磷量较其余处理最高增幅达19.21%。与齐穗期类似,相同的氮肥施用比例下水层管理措施对成熟期水稻植株含磷量影响显著,整体上看S1最高,其次为S2,S3最低,S1植株吸磷量最高增幅达28.37%。以上分析表明,氮肥施用比例对水稻磷素吸收无显著影响。水层管理措施对水稻生长前期吸磷量影响不显著,泡田后15 d晾田显著提升水稻分蘖期后对磷素的吸收能力。

表4 水肥调控措施下水稻植株含磷量Table 4 Phosphorus content of rice plants after water and fertilizer control measures

2.3 不同水肥调控措施下水稻钾素吸收特征

由表5可知,氮肥施用比例对整个生育期水稻植株含钾量均无明显影响。分蘖期水层管理措施对水稻钾素吸收无明显影响。整体上看,水稻齐穗期相同的氮肥施用比例下,S1植株含钾量最高,其次为S2,S3最低,S1植株吸钾量最高增幅达62.73%。与齐穗期类似,相同的氮肥施用比例下水层管理措施对成熟期水稻植株含钾量影响显著,整体上看,S1最高,其次为S2,S3最低,S1植株吸钾量最高增幅达42.31%。以上分析表明,氮肥施用比例对水稻钾素吸收无显著影响。水层管理措施对水稻生长前期吸钾量影响不显著,泡田后15 d晾田显著提升水稻分蘖期后对钾素的吸收能力。

表5 水肥调控措施下水稻植株含钾量Table 5 Potassium content of rice plants after water and fertilizer control measures

2.4 不同水肥调控措施下水稻干物质积累特点

由表6可以发现,水层管理措施和氮肥施用比例对水稻地上部干物质积累影响显著。水层管理措施对分蘖期水稻干物质积累无明显影响;相同的氮肥施用比例下,齐穗期和成熟期水稻干物质积累量均表现为S1最高,其次为S2,S3最低,S1植株地上部干物质积累量在齐穗期和成熟期最高增幅分别达39.15%和42.31%。整体上看,水稻各生育期地上部干物质积累量均随基施氮肥量的提高先增大后减小,至处理F3时达到最高,相同的水层管理措施下处理F3较其余处理在分蘖期、齐穗期和成熟期最高增幅分别达58.95%、21.43%和28.00%。

表6 水肥调控措施下水稻地上干物质积累Table 6 Dry matter accumulation of rice after water and fertilizer control measures

以上分析表明,基施氮肥量过大或过小都会影响水稻干物质的积累,最利于水稻干物质积累的氮肥施用比例为处理F3。泡田后15 d晾田是对水稻干物质积累最有利的水层管理措施。从水氮交互作用分析,基施适量氮肥条件下适时晾田促进了水稻干物质的积累,即处理F3S1 最有利于水稻地上部干物质的积累。

2.5 不同水肥调控措施对水稻产量构成的影响

由表7可知,水稻有效穗数受水层管理措施和氮肥施用比例的影响显著:相同的水层管理措施下水稻有效穗数随基施氮肥量的提高而增加,处理F4 较其余处理有效穗数最高增幅为34.35%;同一氮肥施用比例下S1有效穗数最高,其次为S2,S3最低,S1有效穗数较其余处理最高增幅达37.22%。水层管理措施和氮肥施用比例对水稻穗长无明显影响。整体上看,相同的水层管理措施下水稻穗粒数随基施氮肥量的提高先增加后降低,处理F3穗粒数较其余处理最高增幅达26.16%;同一氮肥施用比例下S1 穗粒数最高,其次为S2,S3最低,处理S1穗粒数较其余处理最高增幅达27.92%。氮肥施用比例对水稻结实率无明显影响规律;相同的氮肥施用比例下,S1结实率最低,其次为S2,S3结实率最高。相同的水层管理措施下,水稻一次枝梗数和二次枝梗数整体上均随基施氮肥量的提高先增多后减少;相同的氮肥施用比例下,S1一次枝梗数和二次枝梗数最高,S3最低。氮肥施用比例对千粒质量无明显影响;整体上看,相同的氮肥施用比例下,S3千粒质量最高,S1 最低。相同的水层管理措施下,稻谷产量随基施氮肥量的增加先提高后降低,处理F3 较其余处理稻谷产量最高增幅达18.18%;相同的氮肥施用比例下,S1稻谷产量最高,其次为S2,S3最低,处理S1较其余处理稻谷产量最高增幅达17.48%。

表7 水肥调控措施下水稻稻谷产量及其构成指标Table 7 Rice yield and its constituent indexes after water and fertilizer control measures

以上分析表明,水层管理措施和氮肥施用比例是影响水稻产量及其构成指标的重要农艺措施。基施氮肥促进了有效穗数、穗粒数、一次枝梗数、二次枝梗数和稻谷产量的提高,但基施氮肥量过高(F4)对穗粒数、一次枝梗数、二次枝梗数和稻谷产量的提高有抑制作用,综合来看,F3是最利于稻谷增产的施氮方法。插秧后适时晾田使得水稻群体更加合理,水稻产量构成显著改善:提高了有效穗数、穗粒数、一次枝梗数和二次枝梗数,同时降低了水稻结实率和千粒质量,总体上显著提高了稻谷产量,其中处理S1对稻谷增产效果最好。从水氮交互作用分析,基施适量氮肥条件下适时晾田促进了水稻产量各构成指标更加协调合理,处理F3S1 水稻产量构成最合理,稻谷产量最高。

3 讨论

3.1 水肥调控措施对水稻养分吸收及干物质积累的影响

养分积累是水稻产量形成的关键步骤之一。本研究表明,秸秆还田条件下氮肥施用比例是影响水稻氮素吸收的重要因素,且水稻氮素吸收量随基施氮肥量的提高先增加后降低。这是由于,基施适量氮肥能够调节秸秆腐解的碳氮比,减少或避免了微生物分解秸秆时与水稻争氮[14],改善了水稻生长前期土壤氮素供应状况[15],提升了水稻根系活力[16],而过量施用氮肥,导致秸秆腐解过程中碳氮比失衡,恶化了微生物繁殖环境[17],进而造成根系活力下降,水稻吸氮量降低。本研究表明,水稻干物质积累量随基施氮肥量的提高先增加后降低,基施氮肥量过大会影响水稻干物质的积累。这是由于,秸秆还田条件下基施适量氮肥满足了秸秆腐解和水稻生长两方面的氮素需求[5],缩短了插秧后水稻缓苗时间,促进水稻早生快发,而基施过量的氮肥,扰乱了秸秆腐解和水稻生长的土壤环境,不利于水稻健康生长和干物质的积累。焦峰等[18]研究表明,基施氮肥方式对水稻干物质积累无影响,这可能是由于其研究中两种基施氮肥方式及施肥量相同,区别仅在于基施氮肥的时间,一种是插秧时施入,另一种是氮肥和秸秆同时施入,这对水稻插秧后缓苗和生长影响有限。

本研究显示,插秧后适时晾田显著促进了水稻齐穗期后对氮、磷、钾养分的吸收量,提高了干物质积累量,以泡田后15 d晾田效果最好。这可能是由于秸秆腐解过程中产生了H2S、CH4、N2O等气体,这会导致土壤环境处于缺氧的还原状态,形成的还原性物质沉积在根系表面,对水稻根系产生毒害,而晾田过程中使这些气体顺利排出,将土壤环境由还原状态改为氧化状态,改善了水稻根系的生长环境[19],促进根系的伸长,提高水稻对养分的吸收量,加快水稻的生长速度,提高干物质的积累量。

3.2 水肥调控措施对稻谷产量及其构成的影响

本研究表明,水稻有效穗数随着基施氮肥量的提高而增大,而水稻穗粒数、一次枝梗数、二次枝梗数和稻谷产量均随着基施氮肥量的提高先增大后减小,这与已有的研究基本一致[20],这可能是由于前期氮肥施用量过小时,施入的氮肥或土壤中原有的氮素养分被用来满足秸秆腐解之用[21],影响到水稻前期的氮肥需求和健康生长;而充足的氮肥诱发了分蘖的形成,扩大了水稻生长群体,提高了分蘖的数量,最终增加了水稻有效穗数、促进幼穗分化,提高穗粒数和稻谷产量;但前期过量的氮肥供给会造成水稻生长群体太大,分蘖和有效穗数量太多,各产量构成指标比例失调[22],造成稻谷减产。本研究中泡田后15 d晾田因增加了土壤通透性,改善了水稻生长环境,促进水稻有效穗数、穗粒数、一次枝梗数、二次枝梗数和稻谷产量的提高。但泡田后15 d晾田降低了水稻结实率和千粒质量,分析原因可能是由于适时晾田增大了水稻生长群体,有效穗数和穗粒数增多,增大了水稻群体库容量,这在相同的养分供给条件下降低了单粒碳水化合物的积累量。

4 结论

秸秆还田条件下氮肥运筹和水层管理措施是影响水稻养分吸收和产量构成的重要农艺措施。水稻生长前期适量的氮肥投入促进了氮素吸收和干物质积累,改善水稻产量构成,提高稻谷产量。插秧后适时晾田提高水稻对氮、磷、钾养分的吸收量,增加水稻干物质的积累量,使得水稻产量各构成指标更加协调合理,促进水稻增产增收。从水氮互作效应分析,综合考量各方面因素,处理F3S1是最佳的水肥调控措施。因此,黄淮稻麦轮作区秸秆还田条件下宜采用的氮肥施用方法为氮肥分基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥4次施用,施肥量为施N 276 kg·hm-2,施用比例为4.0∶1.8∶2.1∶2.1;宜采用的水层管理措施为泡田后15 d晾田。