麦秆还田下水氮耦合对水稻氮素吸收利用及产量的影响

张宇杰 王志强 马鹏 杨志远 孙永健 马均

麦秆还田下水氮耦合对水稻氮素吸收利用及产量的影响

张宇杰 王志强 马鹏 杨志远 孙永健 马均*

(四川农业大学 水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室, 四川 温江 611130;*通信联系人, E-mail: majunp2002@163.com)

【目的】研究麦秆还田下不同水氮耦合对麦茬杂交籼稻氮素吸收利用及产量的影响。【方法】以杂交稻F优498为材料，设置不同水分处理方式(干湿交替灌溉、淹水灌溉)、氮肥运筹[总氮150 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥分别为3∶3∶4(N1)、7∶3∶0(N2)、不施氮(N0)]和秸秆还田(秸秆全量翻埋还田、秸秆不还田)，测定还田秸秆氮素腐解率、水稻籽粒产量及主要生育时期各器官氮素吸收利用特征。【结果】干湿交替灌溉促进了秸秆氮素释放，使水稻在拔节期后的地上部氮素积累量提高4.85%～33.92%，提高成熟期茎鞘氮素转运能力，穗部氮素吸收量提高了10.73%～16.42%，最终提高有效穗数并增产2.51%～3.77%。秸秆还田释放氮素营养，提高拔节期后的水稻地上部氮素积累量5.15%～53.21%和成熟期叶片氮素转运能力，提高穗部氮素吸收量4.93%～ 43.91%，最终增产9.62%～18.33%。施氮促进了秸秆养分释放，提高了水稻植株氮素吸收与转运能力，增加了有效穗数并显著增产16.21%～28.31%。对比干湿交替灌溉耦合优化施氮(N1)模式与淹水灌溉耦合传统施氮(N2)模式，前者促进了各时期的秸秆养分释放，提高了地上部氮素积累能力和茎鞘及叶片的氮素转运能力，并显著提高了氮肥回收利用率7.27%～26.06%。【结论】麦秆全量翻埋还田条件下，干湿交替灌溉耦合优化施氮的水氮耦合模式可促进秸秆氮素释放，有效提高水稻氮素积累及利用能力，提高氮肥回收利用率与水分利用率，为本研究中最适水肥耦合模式。

杂交籼稻；秸秆还田；水氮耦合；氮肥利用率；产量

我国水稻(L.) 高产栽培技术不断创新，水稻产量逐年提升，但普遍建立在高氮肥用量之上。谷类作物化肥用量是我国农作物化肥使用总量的主要贡献因子[1]，其中以水稻的施肥水平最高。我国目前水稻大面积生产中，许多地区施氮达到250～350 kg/hm2，而实际起作用的只有150～200 kg/km2，这其中就有约30%的氮素损失[2]，氮肥施用量高但利用率低的问题尤其突出。我国人均水资源占有量不到世界平均水平，为水资源短缺国家。虽然近年来我国用水结构不断优化，农田灌溉水有效利用系数稳定提升至0.56，但距离发达国家仍有一定差距[3]。王浩等[4]认为，我国水土资源错位加剧，农业水资源胁迫度增加，未来农业干旱缺水态势还将进一步加剧。我国秸秆总量居世界第一，在处理大量堆积秸秆时将秸秆用作肥料还田是最为快捷的处理办法，且秸秆还田有利于土壤微粒团聚，并且可以较快提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质[5]，对生态农业的发展具有重要意义。如今随着水资源短缺问题的日益明显及氮肥利用率的不断下降，如何在秸秆还田条件下进行合理的水肥管理，实现水稻高产与水肥利用效率的协同提高，已成为我国水稻生产上亟待解决的问题。

我国目前常见的两种水稻灌溉模式为传统淹水灌溉与干湿交替灌溉，常规淹灌模式下，深层渗透现象和灌溉水田间流失现象严重，水分利用率低，且土壤养分易溶解流失[6, 7]。Belde等[8]研究发现，干湿交替灌溉比淹水灌溉的用水量减少15%～ 18%。众多学者[9-12]指出，干湿交替灌溉下水稻氮素吸收量和氮素利用率都显著高于淹水灌溉，但也有学者[13]认为，干湿交替灌溉减少了氮素在植株中的积累，反而降低了氮肥利用率。在节水灌溉模式下适宜的氮肥运筹对提高水稻氮吸收利用及产量作用显著[14]。张自常等[15]认为，灌溉方式和氮肥运筹对水稻产量和稻米品质的影响具有明显的互作效应。赵建红等[16]也发现，灌溉方式和氮肥运筹对水稻群体各生育器官的氮素积累存在显著影响，且两者在茎叶的氮转运量、茎鞘的氮转运率、茎叶的氮贡献率和穗氮增加量上存在极显著的交互作用。秸秆还田可以有效改善土壤结构，提高土壤有机质含量，但是秸秆腐解前期需要消耗大量氮素，如果土壤中氮素匮乏则分解秸秆的微生物会与水稻根系争夺氮素营养，并产生化感物质对根系产生毒害作用，抑制根系生长[17]。多名学者[18,19]研究表明，在秸秆还田条件下，氮肥施用量与灌水量对水稻生长及产量具有较大的影响，水稻产量随氮肥施用量的增加呈现先增后降的趋势。

众学者目前针对水分管理、氮肥运筹以及秸秆还田对水稻生长发育及产量的影响已经做了大量探索。本研究采用当地农民在水稻栽培中惯用的常规淹水灌溉和传统施氮模式，与节水农业推崇的干湿交替灌溉和适宜当地生产的优化施氮模式[20]，在稻麦轮作基础上取小麦前茬作为还田秸秆，对麦秆还田下不同水氮耦合对水稻氮素利用、产量构成进行进一步探索，从多因素共同作用下探究秸秆氮素释放规律，以明确水氮管理协同秸秆还田对水稻氮素吸收利用、产量形成的影响，以期为成都平原地区水稻绿色高产高效栽培提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年和2020年在四川省成都市温江区四川农业大学水稻所试验田进行(N30°43′，E103°51′)。试验品种为中籼迟熟型杂交水稻F优498，主茎17片叶片，5个茎节，两年间实际生育期141～143 d。试验田土壤为砂壤土，土壤基础理化性质见表1，水稻主要生育时期见表2，水稻全生育期气象数据见图1。两年间自分蘖期开始日温变化趋势基本一致，2019年孕穗期降雨量偏高，2020年灌浆结实期降雨量偏高。

表1 耕层土壤(0－20 cm)基础理化性质

表2 水稻主要生育时期

表3 试验处理设置

W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1和S0分别为秸秆全量翻埋还田、秸秆不还田。

W1 and W2, Alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2, Zero-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively.

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共6种水、氮、秸秆耦合模式，如表3所示。水分管理设干湿交替灌溉(W1)与淹水灌溉(W2) 两种模式。干湿交替灌溉：浅水(1～2 cm)栽秧，移栽后5～7 d保持浅水层以确保秧苗返青成活，返青后至孕穗前保持田间湿润，不建立水层，土壤含水量约为饱和含水量70%～ 80%，无效分蘖期够苗晒田，孕穗期保持浅水层，抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干至土壤水势为−25 kPa再灌水至浅水层，循环至收获前7 d断水。传统淹水灌溉：水稻移栽后整个生育期保持浅水层 (1～2 cm)，无效分蘖期够苗晒田，之后保持浅水层 (观察到水面接近土壤1 cm时开闸放水，保持淹水状态)，收获前7 d断水。在总施N量150 kg/hm2的基础上，氮素处理设优化施氮(N1)、传统施氮(N2) 和不施氮(N0) 三种模式。其氮肥运筹分别为基肥∶蘖肥∶穗肥为3∶3∶4和基肥∶蘖肥∶穗肥为7∶3∶0。基肥在移栽前1 d施用，蘖肥在移栽后7 d施用，穗肥均分为促花肥和保花肥，分别在倒4叶和倒2叶时等量施用。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P 12%)，施用量为75 kg/hm2，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)，施用量为150 kg/hm2，磷、钾肥作底肥一次性施用。

图1 2019 – 2020年水稻生长季平均气温和降水量

Fig. 1. Mean temperature and precipitation during the growth seasons of rice in 2019 and 2020.

前茬为小麦，秸秆还田小区在前作收获后将麦秆粉碎并全量翻埋还田，还田量约为5000 kg/hm2，秸秆不还田小区在小麦收获后将秸秆移出。收集部分麦秆，风干后依照还田秸秆粉碎程度剪碎，装入25 cm×15 cm的40目尼龙网袋中，每袋装20 g，于水稻移栽后在秸秆还田小区每小区第3行与第7行每行等距取3点埋入装有秸秆的尼龙网袋，深10 cm，水平放置，埋入时在袋中混入该小区原位土壤以辅助秸秆腐解，每小区共6个。试验设3次重复，一共18个小区，小区面积13.5 m2，田埂用薄膜包覆，单灌单排，防止串水串肥。育秧方式采用旱育秧，人工移栽行株距为33.3 cm×16.7 cm。其他如病虫草害防治等措施同当地一般大田水稻生产管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 秸秆氮素释放率

于水稻移栽后10 d、分蘖盛期、拔节期、拔节后10 d、抽穗期和成熟期分别取出预先埋下的装有秸秆的尼龙网袋，洗净烘干后测定剩余秸秆质量，采用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测定秸秆样的全氮含量。计算秸秆氮素释放率，并将秸秆氮素释放率随秸秆还田天数变化的曲线拟合Michaelis- Menten方程，其中0代表秸秆氮素释放率，代表秸秆还田天数，max值代表最大氮素释放率，m值代表达到最大氮素释放率的一半时所需要的天数。

秸秆氮素释放率(%)=(原始秸秆质量×原始秸秆氮素含量－剩余秸秆质量×剩余秸秆氮素含量)/(原始秸秆质量×原始秸秆氮素含量)×100%。

0=max[]/(m+[])。

1.3.2 植株氮素吸收利用特征

于水稻拔节期、抽穗期和成熟期按平均茎蘖数在各小区选取代表性植株5株，取植株地上部分，分叶、茎鞘、穗(抽穗期和成熟期)各器官在110℃下杀青1 h，在80 ℃下烘干，称取干物质量，粉碎过80目筛，采用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测定各器官的全氮含量。

氮素吸收量(kg/hm2)=该时期地上部干物质量×含氮量；

氮素收获指数(%)=穗部含氮量/地上部含氮量×100%；

氮-稻谷生产效率(kg/kg)=稻谷产量/成熟期植株氮素吸收总量；

氮肥回收利用率(%)=(施氮区植株总氮素吸收量–无氮区植株总氮素吸收量)/总施氮量× 100%；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮区稻谷产量－无氮区稻谷产量)/(施氮区植株总氮素吸收量―无氮区植株总氮素吸收量)；

氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区稻谷产量－无氮区稻谷产量)/总施氮量；

茎鞘(叶片)氮素转运量(kg/hm2)=抽穗期茎鞘(叶片)氮素积累量－成熟期茎鞘(叶片)氮素积累量；

茎鞘(叶片)氮素转运贡献率(%)=茎鞘(叶片)氮素转运量/穗部氮素吸收量× 100%。

1.3.3 产量及其构成因素

于水稻成熟期，每小区除边行外随机选取20穴，调查有效穗数，然后按平均茎蘖数在各小区除边行外选取代表性植株5株，考查实粒数、秕粒数、结实率、千粒重等产量构成因素。去除边行后按实收计产。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、Origin Pro 2017进行数据处理及绘图，采用SPSS 25.0进行数据Tukey检验分析。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合与秸秆还田对产量及其构成的影响

由表4可知，两年间产量变化趋势一致，但产量构成因素之间存在差异。就水分管理而言，对比W1N0S0和W2N0S0，前者提高了有效穗数，增产2.51%～3.77%。就秸秆还田而言，对比W1N0S1和W1N0S0，前者降低了有效穗数但是提高了结实率和千粒重，显著增产9.62%～18.33%；对比W2N0S1和W2N0S0，前者降低了每穗实粒数和结实率，但是提高了有效穗数，显著增产11.39%～15.25%。就氮素处理而言，对比W1N1S1、W2N2S1和其不施氮处理，两种施氮处理均降低了结实率，但是增加了有效穗数，显著增产16.21%～28.31%；对比W1N1S1和W2N2S1，前者降低了有效穗数，其他产量构成因素在两年间变化不一，最终前者产量高于后者0.33%～1.61%。

表4 不同水氮耦合协同秸秆还田对水稻产量及其构成因素的影响

数值格式为平均数±标准差，同列数值后不同小写字母表示处理间采用Tukey法比较差异达到5%显著水平(=18,=17)。W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1和S0分别为秸秆全量翻埋还田、秸秆不还田。

Mean ± standard deviation. Values flanked by different letters in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=18,=17). W1 and W2 are alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2 are non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0 are straw returning and no-straw returning, respectively.

不同小写字母表示处理间采用Tukey法比较差异达到5%显著水平(n=12, df=11)。W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1为秸秆全量翻埋还田。T-10d、AS、JS、JS-10d、HS和MS分别为移栽后10 d、分蘖盛期、拔节期、拔节后10 d、抽穗期和成熟期。

Fig. 2. Effects of different water-nitrogen coupling on the nitrogen release rate of wheat straw.

W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1为秸秆全量翻埋还田。

Fig. 3. Michaelis-Menten equation fitting of straw nitrogen release rate with changing return days.

不同小写字母表示处理间采用Tukey法比较差异达到5%显著水平(n=18, df=17)。W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1和S0分别为秸秆全量翻埋还田、秸秆不还田。JS、HS和MS分别为拔节期、抽穗期和成熟期。

Fig. 4. Effects of different management patterns of water and fertilizer and straw returning on N accumulation of aboveground part of rice.

以上表明，各处理间产量构成因素除有效穗数有显著差异外，其余产量构成因素虽然有变化但是差异都不显著。与W2相比，W1可以通过提高有效穗数来提升产量。秸秆还田在不同水分管理模式下对产量构成因素的影响也不同，在W1下秸秆还田会降低有效穗数，但能通过提高结实率和千粒重来获得增产；在W2下秸秆还田会降低每穗实粒数与结实率，但是能显著提高有效穗数来获得增产。施用氮素可以显著提高有效穗数，对比W1N1S1与W2N2S1，前者虽然有效穗数低，但是可以通过提高其他的产量构成因素来获得增产，具体表现为在2019年前者拥有更高的结实率与千粒重，在2020年前者拥有更高的每穗实粒数。

2.2 水氮耦合对秸秆氮素释放规律的影响

由图2可知，经过整个水稻季腐解，小麦秸秆累计氮素释放率为46.04%～53.37%(2019年)和47.26%～58.86%(2020年)。将秸秆氮素释放率随秸秆还田天数变化的曲线拟合Michaelis-Menten方程。其中值(0)代表秸秆氮素释放率，值(S)代表秸秆还田天数，max值代表最大氮素释放率，m值代表达到最大氮素释放率的一半时所需要的天数。如图3所示，拟合结果良好(0.946＞2＞0.993)。

由图3可知，秸秆还田后0～30 d快速腐解，30 d后腐解速率逐渐放缓。腐解30 d时秸秆氮素释放率表现为W1N1S1＞W1N0S1＞W2N2S1≈W2N0S1；观察各方程后半段值，各处理间差异显著且变化规律相同，可知在缓慢释放期内秸秆氮素释放率为W1N1S1＞W1N0S1＞W2N2S1＞W2N0S1。结合图3与图2结果可知，在整个秸秆腐解时期均为W1N0S1＞W2N0S1和W1N1S1＞W2N2S1，且W1N1S1一直保持最高。说明W1可以提高秸秆的氮素释放率，且W1耦合N1可以使秸秆氮素释放速率达到最高。观察各方程中m值， W1N1S1为8.861～10.944，W1N0S1为11.542～14.338，W2N2S1为12.946～16.244，W2N0S1为8.311～11.096，W1N1S1＜W2N2S1，说明W1N1S1达到最大氮素释放率的一半所需要的天数少于W2N2S1。

可见，秸秆还田后0～30 d属于快速腐解期，30 d后进入缓速腐解期。在N0下，W1可以促进秸秆的氮素释放。施用氮肥后，W1N1在各时期均能有效促进秸秆的氮素释放，且其最大氮素释放率和释放率增长速度均高于其他处理。

表5 不同水氮耦合协同秸秆还田对水稻氮素转运及利用的影响

数值格式为平均数±标准差，同列数值后不同小写字母表示处理间采用Tukey法比较差异达到5%显著水平(=18,=17)。W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分别为不施氮肥、优化施氮模式、传统施氮模式；S1和S0分别为秸秆全量翻埋还田、秸秆不还田。NUP为穗氮吸收量；HNI为氮素收获指数；PRFN为氮-稻谷生产效率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by the Tukey test(=18,=17). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2. Non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively. NUP is nitrogen uptake by panicle. HNI, Nitrogen harvest index. PRFN, Productivity of rice with nitrogen application.

2.3 水氮耦合与秸秆还田对水稻地上部氮素积累的影响

由图4可知，就水分管理而言，对比W1N0S0和W2N0S0，二者在拔节期的地上部氮素积累量在两年间存在差异，但在抽穗期和成熟期前者显著高出后者8.68%～33.92%和4.85%～24.92%，表明W1较W2提高了水稻植株在生育后期的氮素吸收积累能力。就秸秆还田而言，W1N0S1在拔节期、抽穗期和成熟期的地上部氮素积累量比W1N0S0显著高出9.39%～15.93%、15.93%～19.61%和6.84%～ 15.81%；W2N0S1比W2N0S0高出16.70%～42.02%、5.15%～53.21%和26.90%～28.97%，表明秸秆还田能增强水稻植株拔节后的氮素吸收积累能力。就氮素处理而言，W1N1S1和W2N2S1均显著高于其N0处理，且前者在拔节期、抽穗期和成熟期分别比后者高出1.17%～2.58%、4.27%～11.89%和2.89%～ 3.24%，表明施用氮肥能显著提升水稻的氮素吸收量，而W1耦合N1对水稻氮素吸收能力的提升大于W2耦合N2，二者在抽穗期时差异最明显。

2.4 水氮耦合与秸秆还田对水稻氮素转运及利用的影响

由表5可知，就水分管理而言，对比W1N0S0和W2N0S0，前者的茎鞘氮素转运量显著提升了31.36%～46.06%，贡献率显著提升了15.07%～ 54.17%，叶片氮素转运量和贡献率增减并存，变化幅度分别为−3.73%～22.85%和−10.81%～29.62%，穗氮吸收量显著增加了10.73%～16.42%，氮素收获指数降低了4.71%～9.37%，氮-稻谷生产效率降低了0.23%～21.47%，表明W1可以提高茎鞘氮素转运能力，也能提高穗部对氮素的吸收，而W2可以提高氮素收获指数和氮-稻谷生产效率。就秸秆还田而言，W1N0S1的叶片氮素转运量相比W1N0S0显著提升了31.12%～69.75%，贡献率提升了10.32～69.94个百分点，穗氮吸收量提升了4.93%～6.96%；W2N0S1的叶片氮素转运量相比W2N0S0显著提升了23.86%～52.29%，贡献率提升了10.75～35.92个百分点，穗氮吸收量显著提升了16.18%～43.91%。表明S1可以提高叶片氮素转运能力和穗部氮素吸收能力。就氮肥运筹而言，增施氮肥后W1N1S1和W2N2S1的茎鞘及叶片氮素转运量、贡献率、穗氮吸收量均显著高于其他处理，表明施氮对水稻的氮素吸收、转运、积累能力提升效果显著；前者的茎鞘氮素转运量和贡献率分别显著高于后者23.21%～41.28%和21.87%～26.67%，叶片氮素转运量和贡献率分别显著高于后者17.53%～47.49%和7.39%～38.14%，穗氮吸收量高于后者0.7%～ 14.24%，氮素收获指数也高于后者0.19%～10.92%，但是氮-稻谷生产效率低于后者0.57%～3.12%，表明W1N1S1能更有效地促进水稻从抽穗期到成熟期时氮素向穗部的转运过程，但是因为其地上部积累氮素过多，反而导致了氮-稻谷生产效率的下降。除此之外，W1N1S1和W2N2S1的氮-稻谷生产效率也显著低于其他N0处理和S0处理，表明随着土壤中氮素含量的增加，水稻根系对氮素吸收速率的提升要快于穗部对氮素积累速率的提升。

由表6可知， W1N1S1的氮肥回收利用率比W2N2S1提高了7.27%～26.06%，但是氮肥生理利用率降低了19.86～23.65个百分点，氮肥农学利用率两年间存在差异。表明W1N1S1可以更有效地促进水稻植株在生育期内对氮素营养的吸收积累；W2N2S1对氮素的吸收量虽然不及前者，但是对氮素的利用效率更高。

表6 不同水氮耦合协同秸秆还田对水稻氮素利用的影响

数值格式为平均数±标准差，同列数值后不同小写字母表示处理间采用Tukey法比较差异达到5%显著水平(=6,=5)。W1和W2分别为干湿交替灌溉、淹水灌溉；N1和N2分别为优化施氮模式、传统施氮模式；S1为秸秆全量翻埋还田。NUE为氮肥回收利用率；NPE为氮肥生理利用率；NAE为氮肥农学利用率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=6,=5). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation. N1 and N2, Optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model. S1, Straw returning. NUE, Nitrogen use efficiency. NPE, Nitrogen physiological efficiency. NAE, Nitrogen agronomic efficiency.

3 讨论

3.1 不同水氮耦合协同秸秆还田对水稻产量及其构成的影响

干湿交替灌溉是我国目前应用最为广泛的节水灌溉技术。徐国伟等[21]在不同水氮耦合对水稻产量的影响研究中发现，干湿交替灌溉与淹水灌溉相比，平均增产2.74%。在轻干湿交替灌溉耦合中氮施肥水平下，氮肥农学利用率最高，达18.3 kg/kg。Zhang等[22]研究表明，施用氮肥后秸秆还田的产量较秸秆不还田平均增产2.49%。秸秆还田配合氮肥施用可以提高土壤养分供给能力，对作物产量有明显提高。严奉君等[23]研究发现在不同氮肥运筹模式下，秸秆还田能增产6.5%～9.4%，且秸秆还田对水稻有效穗数、每穗粒数与千粒重有一定的调节作用。

本研究结果显示，干湿交替灌溉可以提高有效穗数，使水稻增产2.51%～3.77%。秸秆还田在不同水分管理模式下对水稻产量构成因素的影响各有不同，在干湿交替灌溉下秸秆还田提高了结实率和千粒重，增产9.62%～18.33%；在淹水灌溉下秸秆还田提高了有效穗数，增产11.39%～15.25%；且秸秆还田后干湿交替灌溉的产量高于淹水灌溉0.87% ～6.54%。对比干湿交替灌溉耦合优化施氮模式和淹水灌溉耦合传统施氮模式，后者拥有更高的有效穗数，表明提高基蘖肥比例有明显的增穗效应，与王建明等[24]研究结果相符，但是前者的最终产量高于后者0.33%～1.61%。两年试验结果显示，产量均为W1N1S1＞W2N2S1＞W1N0S1＞W2N0S1＞W1N0S0＞W0N0S0。不同年份的水稻产量构成因素有差异，2020年水稻结实率整体较低，可能是由于2020年8、9月份水稻灌浆结实期降雨量大、排水不及时，导致农田湿渍害加重，结实率降低，但其每穗实粒数和有效穗数出现补偿性生长，故其产量变化不大。从节水与增产目的出发，在秸秆还田条件下干湿交替灌溉耦合优化施氮模式是本研究中最好的水氮耦合模式。

3.2 不同水氮耦合下秸秆氮素释放率的差异

众多学者[25,26]研究表明，作物秸秆还田后在微生物作用下逐步发生腐解，释放出矿质营养元素，其养分含量和腐解过程会受到秸秆品种类型、土壤理化性质和还田方式等多种因素影响，养分释放趋势为随腐解时间增加而升高并趋于稳定。李廷亮等[27]经统计分析发现，不同作物秸秆的氮素当季释放率为50%～60%，小麦秸秆的氮素释放率平均为51.4%。

本研究结果表明，小麦秸秆还田30 d时，氮素释放率达38.85%～44.83%，水稻全生育期氮素释放率为46.06%～58.86%。小麦秸秆在翻埋还田一个月内为快速腐解期，后进入缓慢腐解期。干湿交替灌溉下秸秆氮素释放率优于淹水灌溉，这可能是由于秸秆中的木质素、纤维素等组分需在有氧条件下进行氧化、脱甲基、脱羧等一系列反应，而干湿交替灌溉可以提高土壤氧含量，更有利于秸秆腐解。干湿交替灌溉耦合优化施氮模式的秸秆氮素释放率为所有处理中最高，增速也最快，且在拔节期和拔节后10 d与其他处理的差异最显著，这可能是因为该时期进行晒田处理，导致田面水层落空时间长，土层氧气含量充足并且温度上升，好氧微生物活性提高并促进了秸秆腐解。可见干湿交替灌溉耦合优化施氮模式为秸秆还田下的最适水氮耦合模式。

在水稻生育后期，部分处理下的秸秆氮素释放率出现负增长，前人研究中也出现了类似现象[28-30]。其原因可能是施用保花肥后土壤中有未被根系吸收的多余氮素富集，而成熟期水稻对土壤中氮素营养的需求减弱，富余的游离氮素沉降到尼龙网袋内被秸秆残渣吸附积累，导致尼龙网袋内测量出的剩余秸秆氮素含量偏高；也可能是由于供试秸秆形态各异，越细小的秸秆拥有的比表面积越大，越容易与土壤环境中的微生物和酶接触，在释放等量养分的情况下其质量降低较少，导致秸秆氮素释放率计算值偏低。

3.3 不同水氮耦合协同秸秆还田下水稻氮素吸收利用特征

水稻的氮素吸收与利用是产量形成的关键因素。除了不同种类的水稻有各自的氮素吸收利用特征外，水分管理、氮肥运筹、秸秆还田等田间管理措施也是水稻氮素吸收利用的重要影响因素。李晓峰等[31]提出，氮素吸收利用率的变化幅度与氮肥运筹密切相关，在氮肥运筹7∶3的情况下秸秆还田处理的氮素积累量与利用率提高幅度最大；王建明等[24]也认为，秸秆还田条件下水稻氮素吸收量随着基蘖肥与穗肥比例的提高而提高；van Asten[32]等研究表明，秸秆还田能够通过自身氮素分解固氮与增加外源氮素的固定量来提高氮肥利用率。

本研究结果显示，干湿交替灌溉可以提高茎鞘氮素转运能力和穗部氮素吸收能力，但是淹水灌溉下氮素收获指数和氮-稻谷生产效率更高，这意味着淹水灌溉下的水稻地上部缺乏氮素营养，植株的氮素吸收积累能力弱于干湿交替灌溉。秸秆还田可以提高叶片氮素转运能力和穗部氮素吸收能力。施用氮肥对水稻的茎鞘氮素转运能力、叶片氮素转运能力和穗部氮素吸收能力都有显著提升。对比干湿交替灌溉耦合优化施氮模式和淹水灌溉耦合传统施氮模式，前者的茎鞘及叶片氮素转运能力都有显著提高，2020年的穗氮吸收量和氮素收获指数也有显著提高。Liang等[33]认为，干湿交替灌溉可以减少农田氮素的径流损失。本研究也表明，干湿交替灌溉耦合优化施氮模式可提高土壤中氮素的利用效率，并通过在生育中后期进行适当的氮素补给来提高水稻对氮素的吸收效率和茎叶对氮素的转运利用能力，并促进氮素向穗部的转移积累，以此达到高产。但是干湿交替灌溉耦合优化施氮模式的氮-稻谷生产效率低于淹水灌溉耦合传统施氮模式且二者都显著低于其他处理，说明随着土壤中氮素含量的增加，根系对氮素吸收速率的提升快于穗部对氮素积累速率的提升，导致水稻将单位氮素营养转化为稻谷产量的能力下降，但是从经济收益上来看，秸秆还田和正确施用氮肥对水稻产量带来的增产正效应要高于氮素转化能力下降带来的负效应。

本研究中干湿交替灌溉耦合优化施氮模式的氮肥回收利用率更高，而淹水灌溉耦合传统施氮模式的氮肥生理利用率更高。表明干湿交替灌溉耦合优化施氮模式有利于增加水稻对氮素的吸收同化能力；而淹水灌溉耦合传统施氮模式对水稻的氮素吸收能力提升虽然不及前者，但是该模式下水稻对单位氮素的利用效率更高，可以将同等量的氮素营养转化为更多的稻谷产量。

4 结论

在麦秆还田条件下，干湿交替灌溉耦合优化施氮模式与淹水灌溉耦合传统施氮模式相比，前者各时期的秸秆氮素释放率均为最高，并促进了水稻地上部氮素积累，提高了茎鞘和叶片的氮素转运利用能力，提升了穗氮吸收量，在略微增产的基础上提高了氮肥回收利用率与水分利用效率。综合来看，在水分管理、秸秆还田和氮素处理三方面协同作用下，干湿交替灌溉耦合优化施氮模式是本研究中针对成都平原地区麦茬杂交稻产量及水氮利用效率协同提高的最适水肥耦合模式。

[1] 侯萌瑶, 张丽, 王知文, 杨殿林, 王丽丽, 修伟明, 赵建宁. 中国主要农作物化肥用量估算[J]. 农业资源与环境学报, 2017, 34(4): 360-367.

Hou M Y, Zhang L, Wang Z W, Yang D L, Wang L L, Xiu W M, Zhao J L. Estimation of fertilizer usage from main crops in China[J].2017, 34(4): 360-367.(in Chinese with English abstract)

[2] 巨晓棠, 谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 783-795.

Ju X T, Gu B J. Status-quo, problem and trend of nitrogen fertilization in China[J]., 2017, 34(4): 783-795. (in Chinese with English abstract)

[3] 中华人民共和国水利部. 2020年中国水资源公报[R]. 北京: 水利部水利信息中心, 2021.

Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. China Water Resources Bulletin of 2020[R]. Beijing: Water Resources Information Center of the Ministry of Water Resources, 2021. (in Chinese)

[4] 王浩, 汪林, 杨贵羽, 贾玲, 姚懿真, 张瑀桐我国农业水资源形势与高效利用战略举措[J]. 中国工程科学, 2018, 20(5): 9-15.

Wang H, Wang L, Yang G Y, Jia L, Yao Y Z, Zhang Y T. Agricultural water resource in China and strategic measures for its efficient utilization[J]., 2018, 20(5): 9-15. (in Chinese with English abstract)

[5] Marie-Soleil T, Alicia S, Frédéric B, Nele V, Bram G. Crop residue management and soil health: A systems analysis[J]., 2015, 134: 6-16.

[6] 刘宇峰. 不同灌溉方式与施肥下水稻生理、生长和土壤微生物生态研究[D]. 南宁: 广西大学, 2012.

Liu Y F.Rice physiology and yield and microbial ecology in paddy soil under different irrigation methods and fertilization [D]. Nanning: Guangxi University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[7] Lin X Q, Zhou W J, Zhu D F, Chen H Z, Zhang Y P. Nitrogen accumulation, remobilization and partitioning in rice (L.) under an improved irrigation practice[J]., 2005, 96: 448-454.

[8] Belder P, Bouman B A M, Cabangon R, Lu G, Quilang E J P, Li Y, Spiertz J H J, Tuong T P. Effect of water-saving irrigation on rice yield and water use in typical lowland conditions in Asia[J]., 2004, 65(3): 193-210.

[9] Liu L J, Chen T T, Wang Z Q, Zhang H, Yang J C, Zhang J H. Combination of site-specific nitrogen management and alternate wetting and drying irrigation increases grain yield and nitrogen and water use efficiency in super rice[J]., 2013, 154: 226-235.

[10] Wang Z Q, Zhang W Y, Beebout S.S, Zhang H, Liu L J, Yang J C, Zhang J H. Grain yield, water and nitrogen use efficiencies of rice as influenced by irrigation regimes and their interaction with nitrogen rates[J]., 2016, 193(4): 54-69.

[11] 程建平, 曹凑贵, 蔡明历, 袁保忠, 翟晶. 不同土壤水势与氮素营养对杂交水稻生理特性和产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2008(2): 199-206.

Cheng J P, Cao C G, Cai M L, Yuan B Z, Zhai J. Effect of different nitrogen nutrition and soil water potential on physiological parameters and yield of hybrid rice[J]., 2008(2): 199-206. (in Chinese with English abstract)

[12] 杨建昌, 王志琴, 朱庆森. 不同土壤水分状况下氮素营养对水稻产量的影响及其生理机制的研究[J]. 中国农业科学, 1996(4): 59-67.

Yang J C, Wang Z Q, Zhu Q S. Effects of nitrogen nutrition on rice yield and its physiological mechanism under different status of soil moisture[J]., 1996(4): 59-67. (in Chinese with English abstract)

[13] Wang J Y, Jia J X, Xiong Z Q, Khalil M.A.K, Xing G X. Water regime-nitrogen fertilizer-straw incorporation interaction: Field study on nitrous oxide emissions from a rice agroecosystem in Nanjing, China[J]., 2011, 141(3-4): 437-446.

[14] 孙永健, 孙园园, 徐徽, 李玥, 严奉君, 蒋明金, 马均. 水氮管理模式对不同氮效率水稻氮素利用特性及产量的影响[J]. 作物学报, 2014, 40(9): 1639-1649.

Sun Y J, Sun Y Y, Xu H, Li Y, Yan F J, Jiang M J, Ma J. Effects of water-nitrogen management patterns on nitrogen utilization characteristics and yield in rice cultivars with different nitrogen use efficiencies[J]., 2014, 40(9): 1639-1649. (in Chinese with English abstract)

[15] 张自常, 李鸿伟, 曹转勤, 王志琴, 杨建昌. 施氮量和灌溉方式的交互作用对水稻产量和品质影响[J]. 作物学报, 2013, 39(1): 84-92.

Zhang Z C, Li H W, Cao Z Q, Wang Z Q, Yang J C. Effect of interaction between nitrogen rate and irrigation regime on grain yield and quality of rice[J]., 2013, 39(1): 84-92. (in Chinese with English abstract)

[16] 赵建红, 李玥, 孙永健, 李应洪, 孙加威, 代邹, 谢华英, 徐徽, 马均. 灌溉方式和氮肥运筹对免耕厢沟栽培杂交稻氮素利用及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(3): 609-617.

Zhao J H, Li Y, Sun Y J, Li Y H, Sun J W, Dai Z, Xie H Y, Xu H, Ma J. Effects of irrigation and nitrogen management on nitrogen use efficiency and yield of hybrid rice cultivated in ditches under no-tillage[J]., 2016, 22(3): 609-617. (in Chinese with English abstract)

[17] 叶文培, 谢小立, 王凯荣, 李志国. 不同时期秸秆还田对水稻生长发育及产量的影响[J]. 中国水稻科学, 2008(1): 65-70.

Ye W P, Xie X L, Wang K R, Li Z G. Effects of rice straw manuring in different periods on growth and yield of rice[J]., 2008(1): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[18] 汪军, 王德建, 张刚. 太湖地区稻麦轮作体系下秸秆还田配施氮肥对水稻产量及经济效益的影响[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(2): 265-270.

Wang J, Wang D J, Zhang G. Effects of different N-fertlizer rates with straw incorporation on rice yield and economic benefit of rice-wheat rotation system in Taihu Lake region[J]., 2011, 19(2): 265-270. (in Chinese with English abstract)

[19] 陈立冬, 杨夏威, 陈伟, 周明耀. 秸秆还田条件水肥耦合对水稻产量与品质的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2018, 36(11): 1152-1156.

Chen L D, Yang X W, Chen W, Zhou M Y. Effects of water-fertilizer coupling with straw returning on yield and quality of rice[J]., 2018, 36(11): 1152-1156. (in Chinese with English abstract)

[20] 孙永健. 水氮互作对水稻产量形成和氮素利用特征的影响及其生理基础[D]. 雅安: 四川农业大学, 2010.

Sun Y J. Effects of water-nitrogen interaction on yield formation and characteristics of nitrogen utilization in rice and its physiological basis[D].Ya’an:Sichuan Agricultural University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[21] 徐国伟, 王贺正, 翟志华, 孙梦, 李友军. 不同水氮耦合对水稻根系形态生理、产量与氮素利用的影响[J]. 农业工程学报, 2015, 31(10): 132-141.

Xu G W, Wang H Z, Zhai Z H, Sun M, Li Y J. Effect of water and nitrogen coupling on root morphology and physiology, yield and nutrition utilization for rice[J].2015, 31(10): 132-141. (in Chinese with English abstract)

[22] Zhang B, Pang C, Qin J, Liu K, Li H. Rice straw incorporation in winter with fertilizer-N application improves soil fertility and reduces global warming potential from a double rice paddy field[J]., 2013, 49(8): 1039-1052.

[23] 严奉君, 孙永健, 马均, 徐徽, 李玥, 杨志远, 蒋明金, 吕腾飞. 秸秆覆盖与氮肥运筹对杂交稻根系生长及氮素利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 23-35.

Yan F J, Sun Y J, Ma J, Xu H, Li Y, Yang Z Y, Jiang M J, LüT F. Effects of straw mulch and nitrogen management on root growth and nitrogen utilization characteristics of hybrid rice[J]., 2015, 21(1): 23-35. (in Chinese with English abstract)

[24] 王建明, 杨建忠, 何晓艳, 毛华方, 石世杰. 小麦秸秆还田条件下氮肥运筹对水稻产量、品质和氮素利用的影响[J]. 江苏农业科学, 2010(6): 124-126.

Wang J M, Yang J Z, He X Y, Mao H F, Shi S J.Effects of nitrogen management on rice yield, quality and nitrogen utilization under the condition of returning wheat straw[J]., 2010(6): 124-126. (in Chinese with English abstract)

[25] 戴志刚, 鲁剑巍, 李小坤, 鲁明星, 杨文兵, 高祥照. 不同作物还田秸秆的养分释放特征试验[J]. 农业工程学报, 2010, 26(6): 272-276.

Dai Z G, Lu J W, Li X K, Lu M X, Yang W B, Gao X Z.Nutrient release characteristic of different crop straws manure[J]., 2010, 26(6): 272-276. (in Chinese with English abstract)

[26] 代文才, 高明, 兰木羚, 黄容, 王金柱, 王子芳, 韩晓飞. 不同作物秸秆在旱地和水田中的腐解特性及养分释放规律[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(2): 188-199.

Dai W C, Gao M, Lan M L, Huang R, Wang J Z, Wang Z F, Han X F.Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields[J].2017, 25(2): 188-199. (in Chinese with English abstract)

[27] 李廷亮, 王宇峰, 王嘉豪, 栗丽, 谢钧宇, 李丽娜, 黄晓磊, 谢英荷. 我国主要粮食作物秸秆还田养分资源量及其对小麦化肥减施的启示[J]. 中国农业科学, 2020, 53(23): 4835-4854.

Li T L, Wang Y F, Wang J H, Li L, Xie J Y, Li L N, Huang X L, Xie Y H. Nutrient resource quantity from main grain crop straw incorporation and its enlightenment on chemical fertilizer reduction in wheat production in China[J]., 2020, 53(23): 4835-4854. (in Chinese with English abstract)

[28] Hassink J. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association with clay and silt particles[J]., 1997, 191(1): 77-87.

[29] 赵娜, 赵护兵, 鱼昌为, 曹群虎, 李敏, 曹卫东, 高亚军. 旱地豆科绿肥腐解及养分释放动态研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(5): 1179-1187.

Zhao N, Zhao H B, Yu C W. Cao Q H, Li M, Cao W D, Gao Y J.Nutrient releases of leguminous green manures in rainfed lands[J]., 2011, 17(5): 1179-1187. (in Chinese with English abstract)

[30] 李昌明, 王晓玥, 孙波. 不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素[J]. 土壤学报, 2017, 54(5): 1206-1217.

Li C M, Wang X Y, Sun B. Characteristics of nutrient release and its affecting factors during plant residue decomposition under different climate and soil conditions[J].2017, 54(5): 1206-1217. (in Chinese with English abstract)

[31] 李晓峰, 程金秋, 梁健, 陈梦云, 任红茹, 张洪程, 霍中洋, 戴其根, 许轲, 魏海燕, 郭保卫. 秸秆全量还田与氮肥运筹对机插粳稻产量及氮素吸收利用的影响[J]. 作物学报, 2017, 43(6): 912-924.

Li X F, Cheng J Q, Liang B, Chen M Y, Ren H R, Zhang H C, Huo Z Y, Dai Q G, Xu K, Wei H Y, Guo B W.Effects of total straw returning and nitrogen application on grain yield and nitrogen absorption and utilization of machinetransplanted japonica rice[J]., 2017, 43(6): 912-924. (in Chinese with English abstract)

[32] van Asten P J A, van Bodegom P M, Mulder L M, Kropff M J. Effect of straw application on rice yields and nutrient availability on an alkaline and a pH-neutral soil in a Sahelian Irrigation Scheme[J]., 2005, 72(3): 255-266.

[33] Liang X Q, Chen Y X, Nie Z Y, Ye Y S, Tuong T P. Mitigation of nutrient losses via surface runoff from rice cropping systems with alternate wetting and drying irrigation and site-specific nutrient management practices[J]., 2013, 20(10): 6980-6991.

Effects of Water-nitrogen Coupling on Nitrogen Uptake, Utilization and Yield of Rice Under Wheat Straw Returning

ZHANG Yujie, WANG Zhiqiang, MA Peng, YANG Zhiyuan, SUN Yongjian, MA Jun*

(Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University/Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Wenjiang 611130, China; Corresponding author, E-mail: majunp2002@163.com)

【Objective】It is of significance to study the effects of different water and nitrogen coupling on nitrogen absorption, utilization and yield ofhybrid rice with wheat straw returning.【Method】The nitrogen decomposition rate, nitrogen absorption and utilization were analyzed under two water treatments, three N treatments and two straw returning treatments with F You 498 as material with wheat straw returning at main growth stages. The two water treatments were alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation and the straw returning treatments were full-burying returning and no straw returning and the N treatments were 150 kg/hm2of N application rates with three N regimes—the ratio of the basal fertilizer, tillering fertilizer and panicle fertilizer were 3∶3∶4 (N1), 7∶3∶0 (N2) and 0 (N0), respectively.【Result】The results showed that the alternative dry-wet irrigation promoted the release of straw nitrogen, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice after jointing by 4.85%－33.92%, improved the nitrogen transport capacity of stem and sheath at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 10.73%－16.42%, finally leading to an increase in the number of effective panicles and grain yield by 2.51%－3.77%. Straw returning (S1) released nitrogen nutrition, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 5.15%－53.21% and the nitrogen transport capacity of leaves at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 4.93%－43.91%, and finally increased the yield by 9.62%－18.33%. Nitrogen application promoted the release of straw nutrients and improved the nitrogen absorption and transport capacity of rice plants, increased the number of effective panicles and significantly increased the yield by 16.21%－28.31%. Compared with the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application (N1) mode, the flooding irrigation coupled with traditional nitrogen application (N2) mode promoted the release of straw nutrients, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 1.17%－11.89%. It improved the aboveground nitrogen accumulation capacity and nitrogen transport capacity of stems, sheaths and leaves, and significantly improved the nitrogen recovery and utilization rate by 7.27%－26.06%.【Conclusion】Under the conditions of full burying of wheat straw and returning to the field, the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application can promote the release of straw nitrogen, effectively improve the nitrogen accumulation and utilization capacity of rice, and improve the nitrogen recovery and utilization rate and water use efficiency. It is the most suitable water-fertilizer coupling model in this experiment.

hybrid rice; straw returning; water-nitrogen coupling; nitrogen use efficiency; yield

10.16819/j.1001-7216.2022.210803

2021-08-09；

2022-01-25。

国家重点研发计划资助项目(2017YFD0301701, 2017YFD0301706)；四川省科技支撑计划项目资助(2016NYZ0051)。