秸秆还田与深施氮肥对水稻叶片生理特征、氮素利用及产量的影响

王兴为 王志成

（1濮阳职业技术学院，河南濮阳457000；2 武汉理工大学马克思主义学院，武汉430070 ；第一作者：wangxingwei2022@163.com）

氮（N）是生命体必需的矿质养分之一，在植物蛋白质、核酸等遗传物质和代谢化合物相关的生理代谢等过程中发挥不可替代的作用[1]。在水稻生产上，产量的提高与氮肥施用息息相关。但目前，氮肥的不适当施用带来的负面影响日趋严重，是导致氮肥利用效率下降、温室效应加重、水体富营养化以及农田面源污染等的重要因素，因此，优化施肥技术是农业可持续性发展的关键[2]。为了提高作物氮肥利用率，前人提出了作物育种、缓释控释技术以及微生物应用等多种策略，并取得了一定成效[3]。研究表明，保持适宜的施肥深度比常规覆土施肥具有更高的养分利用率和收获指数[4]。与表面撒施施肥方式相比，深层施肥可以通过减少氮损失来提高氮肥利用效率[5]，还可以提高根系酶代谢活性和作物产量[6]。

中国有着丰富的作物秸秆资源，20 世纪90年代以前，国内通常将作物秸秆作为燃料和牲畜饲料，但21 世纪以来秸秆的资源化利用显著减少，随意堆放或原田焚烧成为农作物秸秆处理的普遍作法[7]，这导致了区域空气污染、温室气体排放和周边火灾的发生。秸秆是植物养分累积较多的器官之一。有研究表明，秸秆还田是提高稻-麦轮作系统作物产量和有机碳固存的有效措施[8]。KU 等[9]研究显示，长期秸秆还田可使水稻产量增加9%。这可能与秸秆中含有大量的养分元素，可供给土壤微生物繁殖，从而显著优化土壤团聚体结构及提高土壤脲酶和相关转化酶活性有关[10]。

水稻是全球重要的粮食作物之一，促进水稻资源化生产对于保障粮食安全至关重要。目前关于秸秆还田或深施肥料对水稻生产的影响展开了一定的研究工作，发现秸秆分解释放可以改变土壤的化学性质和养分状态，且秸秆还田配合化肥施用可以促进纤维分解，从而使秸秆资源利用最大化[11]。深施氮肥结合秸秆覆盖可改善水稻根际的营养效率和调节其根系构型，优良的水稻根系形态可有效促进水稻根系生长，促进养分吸收和物质合成[10,12]。然而关于秸秆还田与深施氮肥组配措施对河南水稻生产的影响鲜有报道。基于此，本研究探索了深施氮肥与秸秆还田对水稻籽粒产量、氮素利用及相关叶片生理特征的影响，以有助于优化氮肥利用技术和秸秆的处置。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2020年5—10 月在濮阳市天灌米业水稻试验园区（35°42′16″N，114°47′39″E）进行。试验园区属亚热带与暖温带过渡区，年均气温16.7 ℃～18.5 ℃，无霜期约230 d，年均降雨量950～1 300 mm。供试田块土壤为黄褐土，前茬水稻。田块0～20 cm 土壤理化性质为：pH 7.94，容重1.85 g/cm3，有机质1.65%，碱解氮107.34 mg/kg，速效磷26.16 mg/kg，速效钾114.72 mg/kg。

供试材料为河南省目前推广的优良常规粳稻品种徐稻10 号和新丰7 号，种子均来自河南丰源种子有限公司。作物秸秆为水稻秸秆，为该试验区收获的水稻秸秆，采用机械切割为长8 cm 左右的小段。试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为磷酸钙（P2O512%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。

1.2 试验设计

试验采用三因素完全随机区组设计：因素1，氮肥深施或土壤表面撒施；因素2，秸秆还田或不还田；因素3，徐稻10 号或新丰7 号。即在徐稻10 号、新丰7 号中设置5 个处理：DS，深施氮肥+秸秆还田；OS，氮肥土壤表面撒施+秸秆还田；DU，深施氮肥+秸秆不还田；OU，氮肥土壤表面撒施+秸秆不还田；CK，不施氮肥+秸秆不还田。其中，氮肥深施处理为用双印牌玉米免耕深松全层施肥精播机（2BYFSF-3，河北双印农业机械制造有限公司）将尿素准确施用于8 cm 土层处，秸秆还田处理用量为7 500 kg/hm2。各处理3 次重复，共30 个小区。

供试田块为长方形，每个小区面积48 m2（8 m×6 m），小区间采用30 cm 宽的垄脊拦隔，并用白色塑料薄膜覆盖，以确保小区水层独立排灌。移栽前用旋耕机对试验田进行翻耕，深度为20 cm。施氮处理纯氮用量150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=10∶5∶12，磷钾肥皆采用土表撒施，钾肥50%基施，50%于抽穗期施。CK 不施氮肥，磷、钾肥用量同上。2020年5 月11 日移栽秧苗，每丛插3株苗，种植密度45 000 株/hm2。田间病虫害管理同当地水稻大田生产。

1.3 样品采集及测定

于成熟期收获水稻植株，将水稻根系、茎秆、叶部、籽粒分离，置于烘箱105 ℃下杀青30 min 使酶失活，70℃烘干至恒质量，将各部位粉碎过0.25 mm 筛孔，采用HNO3-H2SO4消化后用Bran Luebbe 连续流分析仪测定。

在每个小区中心收获2 m×2 m 谷物，室内风干后考种，记录单株穗粒数、千粒重及结实率等产量构成因子；14%水分含量时用电子天平称重并记录水稻籽粒质量，后折算成单位面积产量[13]。

于抽穗期收获叶片保存于-20 ℃条件下，后用购自南京建成生物工程研究所的试剂盒测定剑叶谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、硝酸还原酶（NR）、谷氨酸脱氢酶（GDH）活性，试剂盒型号分别是A047-1-1、H625、A096-1-2 和A125-1-1。

于抽穗期晴天上午采用LI-6200 便携式光合仪测定剑叶的净光合速率（Pn），测定内室温度设置为24 ℃±1 ℃，CO2浓度为450 μmol/mol，光量子密度为1 600 μmol/（m2·s）。采用叶绿素荧光系统测量剑叶的PSII 有效量子效率（Eq）。Eq=（Fm′-Fo′）/Fm′，式中Fm′为自然光照条件下的最大荧光参数，Fo′为自然光照下的最小荧光参数。

1.4 数据处理

氮素利用效率相关指标根据以下公式计算[14]：

植株氮素总吸收量（kg/hm2）=∑植株各器官干物质量×氮养分含量；

氮肥利用率=（施氮处理植株氮总吸收量-不施氮处理植株氮总吸收量）/施氮量×100%；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理籽粒产量/施氮量；

氮素收获指数（%）=籽粒氮素积累量/整株氮素积累量×100%；

氮素吸收效率（kg/kg）=植株地上部分氮素积累量/施氮量；

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量）/施氮量。

采用Excel 2013 进行数据整理，采用SPSS 22.0 软件进行三因素方差分析和最小显著差法（LSD）统计分析（P＜0.05），采用Origin 2019 软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与深施氮肥对水稻干物质累积影响

由图1 可知，氮肥深施及秸秆还田均在一定程度上促进了水稻干物质累积。从品种上看，各处理间干物质累积量均是徐稻10 号大于新丰7 号，但品种间差异较小；就水稻各器官干物质累积量来看，表现为穗＞茎秆＞根系＞叶部，其中叶部约仅为穗的1/5。不论是徐稻10 号还是新丰7 号，各处理整株干物质累积量表现为DS＞DU＞OS＞OU＞CK，DS 处理显著大于其他处理，CK显著低于其他处理。其中，徐稻10 号DS 处理植株干物质总累积量较DU 处理显著增加12.42%，OS 处理较OU 处理显著增加10.99%，新丰7 号DS 处理植株干物质总累积量较DU 处理显著增加10.14%，OS 处理较OU 处理显著增加18.95%。表明氮肥深施对水稻干物质累积具有促进作用，且与秸秆还田配施效果更佳。

图1 秸秆还田与深施氮肥对水稻干物质累积影响

2.2 秸秆还田与深施氮肥对水稻净光合作用及PSII量子效率的影响

由图2a 可知，无论是徐稻10 号还是新丰7 号，各处理净光合速率（Pn）均表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK，CK 显著低于其他处理，DS 处理显著大于OU 处理和CK。其中，与OU 处理相比，徐稻10 号DU、OS 和DS 处理的Pn 提高24.08%～43.53%，新丰7 号提高18.17%～47.81%。由图2b 可知，两品种各处理PSII 有效量子效率（Eq）均表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK。与OU 处理相比，徐稻10 号DS、OS、DU 处理Eq 分别提高2.35%、1.38%和0.10%，但处理间差异均不显著；新丰7 号DS、OS、DU 处理Eq 分别提高9.20%、6.97%和1.89%，其中，DS 和OS 处理显著大于DU 和OU 处理。

图2 秸秆还田与深施氮肥对水稻净光合作用及PSII 量子效率的影响

2.3 秸秆还田与深施氮肥对水稻剑叶氮代谢酶活性的影响

由图3 可知，无论是徐稻10 号还是新丰7 号，籽粒灌浆期剑叶的谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、硝酸还原酶（NR）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性均表现为DS、DU＞OS＞OU＞CK，除新丰7 号GDH 活性外，其他酶活性均表现为CK 显著小于施氮处理；与OU 处理相比，徐稻10 号、新丰7 号的DS 处理GS 活性分别显著提高25.04%和1.92%，GOGAT 活性分别显著提高45.18%和16.40%，NR 活性分别显著提高34.17%和59.75%，GDH 活性分别提高44.70%和12.50%。

图3 秸秆还田与深施氮肥对水稻剑叶氮代谢酶活性的影响

2.4 秸秆还田与深施氮肥对水稻氮素累积与分布的影响

由表1 可知，氮肥施入深度与秸秆是否还田均影响着水稻各部位植株的氮累积与分布。徐稻10 号、新丰7 号各器官氮累积整体表现为叶部＜根系＜茎秆＜籽粒，表明氮素更倾向累积于籽粒，徐稻10 号、新丰7 号籽粒氮含量分别占总累积量的59.98%～63.10%和58.43%～64.38%。在根系中的氮累积量，徐稻10 号表现为DS＞DU＞OS＞OU＞CK，新丰7 号表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK；在茎秆、叶部及籽粒中的氮累积量两品种均表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK。就整株氮累积量而言，徐稻10 号、新丰7 号DS 处理分别为116.51 kg/hm2和113.73 kg/hm2，与DS 处理相比，徐稻10 号CK、OS、DU和OD 处理分别显著降低76.64%、14.69%、20.14%和23.06%，新丰7 号分别显著降低43.95%、12.20%、18.27%和22.77%。方差分析表明，品种与施氮深度在叶部、籽粒及总累积量中存在交互作用，而施氮深度与秸秆还田在根系、茎秆及叶部存在交互作用。

表1 秸秆还田与深施氮肥对水稻氮素累积与分布的影响（单位：kg/hm2）

2.5 秸秆还田与深施氮肥对水稻产量及其构成因子的影响

由表2 可知，徐稻10 号、新丰7 号中的产量及其构成因子存在一定差异，但各处理规律基本一致。有效穗数，两品种均表现为DS＞DU＞OS＞OU＞CK，其中DS处理显著大于CK、OU、OS 处理。每穗总粒数，两品种均以CK 最大，但各处理间无显著差异。结实率，徐稻10 号表现为OS＞CK＞DS＞DU＞OU，新丰7 号表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK，但各处理间无显著差异。千粒重，徐稻10 号表现为OS＞CK＞OU＞DS＞DU，DU、DS 处理显著低于其他处理，其他处理比OS 处理显著降低2.05%～4.81%；新丰7 号表现为OS＞DU＞OU＞DS＞CK，CK 显著小于OS、DU、OU 处理。籽粒产量，徐稻10 号表现为DS＞DU＞OS＞OU＞CK，新丰7 号表现为DS＞OS＞DU＞OU＞CK，其中，与DS 处理相比，徐稻10 号的CK、OS、DU 和OU 处理分别显著降低40.17%、23.04%、10.38%和31.87%，新丰7 号分别显著降低44.17%、9.32%、10.66%和31.34%。

表2 秸秆还田与深施氮肥对水稻产量及其构成因子的影响

2.6 秸秆还田与深施氮肥对水稻氮素利用的影响

由表3 可知，氮收获指数，徐稻10 号各处理表现为DS＞DU＞OS＞OU，DS 处理显著高于OU、OS、DU 处理；新丰7 号各处理则表现为OS＞DS＞DU＞OU，DU 和OU 处理比DS 处理显著降低1.94%～2.70%。氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮吸收效率及氮肥农学效率两品种均以DS 处理最大，OU 处理最低。与DS 处理相比，徐稻10 号OS、DU、OU 处理的氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮吸收效率分别显著降低32.87%～53.16%、25.85%%～77.89%、10.38%～31.88%和14.71%～25%，新丰7 号分别显著降低27.76%～51.80%、21.08%～70.96%、9.32%～31.34%和13.64%～24.24%。方差分析表明，各处理的氮肥偏生产力、氮吸收效率在品种与施氮深度、施氮深度与秸秆还田存在显著或极显著交互作用，氮肥利用率、氮肥农学效率在品种与秸秆还田中存在显著交互作用。

表3 秸秆还田与深施氮肥对水稻氮素利用的影响

3 讨论与结论

作物秸秆还田、氮肥适当深施处理已成为减少氮损失及促进农田可持续发展的重要措施[15]。研究表明，秸秆还田与化肥土表撒施结合可以显著提高稻-麦作物产量[16]。KAMINI 等[17]研究表明，长期施用作物秸秆和施锌可以提高小麦产量并改善土壤容重、团粒结构及水稳定性等物理性质。王新媛等[18]报道，在小麦-玉米轮作区中，秸秆还田配施高氮肥能增加小麦产量和地上部吸氮量，同时可增加土壤硝态氮残留量和氮盈余量。本研究中，秸秆还田、氮肥深施均在一定程度提高了水稻籽粒产量及其相关产量因子。然而，本文研究结果与一些研究结论不一致，例如SUN 等[19]研究显示，秸秆还田配施尿素对水稻产量和氮素利用率无明显效果。本研究结果表明，秸秆还田结合深施氮肥处理（DS）可以显著提高水稻产量，这主要在于提高了水稻有效穗数和粒质量。

本研究中，相比OS、DU 和OU 处理，DS 具有更高的地上部和总干物质量，在籽粒灌浆期叶片具有更高的NR、GS 等相关氮代谢酶活性（图3），叶片较高的氮素酶代谢能力是保障籽粒结实率和粒质量的重要前提。此外，本研究进一步表明，DS 处理水稻抽穗期剑叶亦具有较高的Pn 及Eq（图2）。对于不同的施肥方式，深施氮肥的处理水稻叶片光合生理整体优于氮肥土表撒施处理，结合产量数据，与REA 等[20]净光合速率、PSII 光反应中心的有效量子数量与水稻的生长和产量有关的研究结果及吴龙龙等[21]较高的Pn 可以促进水稻生长、较高的Eq 有利于产量和品质形成的结果相似。

本研究中秸秆还田或深施氮肥均显著影响了水稻氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮吸收效率以及氮收获指数，OS 处理的氮肥利用率、氮吸收效率以及氮收获指数仍高于DU 处理（仅深施氮肥）（表3）。这可能是因为深施氮肥可以减缓氨的挥发[16,22-23]，而秸秆还田则可显著增加土壤中的总氮浓度，促进作物氮吸收，减少土壤NO3--N 的溶淋[24]。前人研究表明，由于秸秆中存在一定量养分，可促进土壤微生物氮代谢，从而提高土壤氮活化和氮肥利用率[25]。本研究中，DS 处理显著提高了水稻植株氮素累积量（表1）及相关氮利用指标（表3），整体高于单一秸秆还田或单一氮肥深施处理，这与相关研究结果趋于一致[26]。综上，秸秆还田结合深施氮肥可促进叶片光合生理及酶活代谢能力，促进水稻生长及氮素累积，从而提高氮素利用率及水稻产量。