多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻产量形成与氮素吸收利用的影响

胡明明 丁 峰 彭志芸 向开宏 李 郁 张宇杰 杨志远 孙永健 马 均

多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻产量形成与氮素吸收利用的影响

胡明明 丁 峰 彭志芸 向开宏 李 郁 张宇杰 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, 四川成都 611130

研究多元化种植模式下, 不同前茬秸秆还田与水氮管理对水稻产量形成、干物质积累分配及氮素吸收利用的影响。2018—2019年以杂交稻F优498为材料, 采用三因素裂裂区设计, 主区设置油菜-水稻(Py)、小麦-水稻(Px)、青菜-水稻(Pq) 3种种植模式秸秆还田, 裂区设置常规淹水灌溉(W0)和干湿交替灌溉(W1) 2种水分管理方式, 裂裂区设置不施氮处理(N0)、常规施氮处理(N1)、精量减氮处理(N2) 3个施氮水平, 分析测定了拔节期、齐穗期和成熟期不同处理下秸秆还田的腐解率、氮素释放率、水稻各器官的干物质积累分配、植株氮素吸收利用以及籽粒产量。结果表明, Py的平均产量分别较Px、Pq增加2.55%、13.99%, 主要原因是其有效穗数和千粒重较高; Py可促进各营养器官干物质和氮素积累, 有利于干物质分配、提高茎鞘氮素贡献率和氮肥利用率, Py各时期的平均干物质积累总量、氮素积累总量分别比Px和Pq增加5.25%、7.48%和14.60%、17.30%, Py的氮肥偏生产力较Pq显著增加24.90%, 但Py的秸秆腐解率和氮素释放率较低。3种模式下W1处理的水稻产量分别比W0处理增加5.10% (Py)、1.76% (Px)和4.80% (Pq), W1处理可促进秸秆腐解和氮素释放, 促进干物质积累和氮素吸收转运, 有利于Py和Px模式下的干物质分配, 进而提高氮肥利用率。同一秸秆还田和水分管理下, N2处理可促进秸秆腐解和氮素释放, 有利于干物质分配和氮素转运, 提高了齐穗期、成熟期茎鞘和叶片氮素积累量, 进而提高氮肥利用率, N2处理的产量、干物质积累量较N1处理略有下降, 但二者差异不显著。综合考虑分析, 油-稻种植模式下, 油菜秸秆还田配合干湿交替灌溉与精量减氮(120 kg hm–2)有利于干物质积累分配、氮素吸收转运, 进而提高氮肥农学利用率、氮肥偏生产力, 并可节约20%氮肥投入, 实现水稻稳产高效生产。

水稻; 多元化种植模式; 秸秆还田; 水氮管理; 产量形成; 氮素吸收利用

多元化种植模式是中国稻田重要的种植体系, 具有提高土地利用率, 保证粮食安全等优点, 其中油菜-水稻、小麦-水稻、青菜-水稻是中国常见的种植方式[1-2]。每到收获时节, 这几种作物的秸秆也大量产生, 农户随地丢弃或焚烧, 导致秸秆利用率相对较低, 并加重了环境污染[3-4]。秸秆还田是利用秸秆的有效途径之一, 秸秆中含有丰富的有机质和中、微量元素, 秸秆还田后不仅能培肥地力、蓄水保墒, 还能促进养分循环利用和降低施肥量[5-7]。实际生产中, 灌溉用水和氮肥投入是水稻稳产高产的重要限制因素, 但在水稻生产中存在水肥投入量大和利用率低的突出现象[8-9]。因此, 如何在多元化种植模式下, 将前茬作物秸秆还田与水氮管理综合考虑, 在适当减少水分用量的同时, 根据土壤供氮量进行精量减氮, 对于同步提高水稻产量和水肥利用效率至关重要。

前人关于秸秆还田、水分管理和施氮量对水稻产量、氮素吸收利用的影响做了相关研究。张斯梅等[10]研究发现, 麦秸全量还田下, 较当地常规施肥(300 kg hm–2)减氮20%配合氮肥前移, 有利于提高水稻氮肥农学利用率、氮肥偏生产力, 促进水稻稳产增产。张刚等[11]认为, 秸秆还田配施氮肥(240 kg hm–2)能够提高氮肥利用率, 增加产量, 降低氮肥损失, 秸秆还田较无秸秆还田增加氮肥农学利用率1.4～3.4 kg kg–1, 而增加施氮量将降低氮肥农学利用率的趋势。吴宗钊等[12]研究表明, 轻干湿交替灌溉(66.7%)配施氮肥(180 kg hm–2)时水氮耦合效应最佳, 适当水分胁迫仍能获得高产, 并保持较高的氮肥利用效率。张宇杰等[13]揭示, 麦秆全量还田下, 干湿交替灌溉配合氮肥运筹(基肥∶蘖肥∶穗肥=3∶3∶4)能够促进水稻主要生育时期秸秆氮素释放, 提高地上部氮素积累及转运能力, 提高氮肥回收利用率与水分利用率。目前, 前人研究多集中在单一类型秸秆还田或水氮耦合上, 忽略了多元化种植模式下, 前茬氮素投入在秸秆和土壤中残留差异较大, 未能根据土壤供氮量进行精确定氮, 且多元种植模式下秸秆还田、水分管理和施氮量间的交互作用对水稻干物质积累分配、氮素吸收利用及产量形成的研究还不足。因此, 本试验以F优498为材料, 在油菜-水稻、小麦- 水稻、青菜-水稻3种种植模式前茬秸秆还田下, 设置常规淹水灌溉和干湿交替灌溉, 常规施氮和精量减氮处理, 研究多因素共同作用对秸秆腐解率、氮素释放率、水稻干物质积累分配、氮素吸收利用和产量形成的影响, 以期为多元化种植体系秸秆还田利用与稻季水氮高效管理模式提供理论及实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为当地主栽品种F优498 (籼型三系杂交稻, 全生育期145～152 d)。于2018—2019年在四川省成都市崇州四川农业大学水稻研究所试验田进行(30°42′N, 103°28′E)。试验地点为亚热带季风气候, 水稻季试验区气象数据由四川省气象局提供, 气象资料如图1所示。耕层土壤(0～20 cm)质地为沙壤土, 土壤基础理化性状见表1。

1.2 试验设计

采用三因素裂裂区设计, 主区设置3种种植模式秸秆还田: 油菜-水稻模式(Py), 油菜秸秆全量还田(6500 kg hm–2); 小麦-水稻模式(Px), 小麦秸秆全量还田(5000 kg hm–2); 青菜-水稻模式(Pq), 青菜残留物全量还田(1000 kg hm–2)。裂区为2种水分管理方式, 设常规淹水灌溉(W0)和干湿交替灌溉(W1)。裂裂区设置3个施氮水平: 不施氮(N0: 0 kg hm–2); 常规施氮(N1: 150 kg hm–2); 精量减氮施肥(N2: 根据土壤供氮量以及氮肥当季利用率减氮施肥)。

定氮公式[14]: 达到目标产量的施氮量(kg hm–2) = (达到目标产量的需氮量−土壤供氮量)/氮肥当季利用率。

具体数据参考该田块之前研究[15], 目标产量10,000 kg hm–2, 每100 kg稻谷需氮量为1.83 kg, 土壤供氮量106.1 kg hm–2, 氮肥利用率为47.1%, 算得所需氮肥为165 kg hm–2, Py、Px、Pq下还田氮素分别45、25和20 kg hm–2, 最终算得Py、Px、Pq下N2施氮量分别为120、140和145 kg hm–2。

图1 2018–2019年试验区水稻生育期平均气温和降雨量

表1 土壤基本理化性状

2年均采用旱育秧, 2018年于3月18日播种, 5月19日移栽; 2019年于3月24日播种, 5月24日移栽。其中2019年为2018年的定位试验, 2018年水稻收获后, 冬季在相应小区种植油菜、小麦和青菜。小区面积12 m2, 重复3次, 共计54个小区, 行穴距为33.3 cm×16.7 cm, 单本移栽。氮肥为尿素(N≥46%), 按基肥∶蘖肥∶促花肥∶保花肥=3∶3∶2∶2施用, 基肥在移栽前1 d施入, 蘖肥在移栽后7 d施用, 促花肥与保花肥分别于倒4叶和倒2叶抽出时施用。磷肥为过磷酸钙(P2O5≥12%, 90 kg hm–2), 全作底肥一次性施入。钾肥为氯化钾(K2O≥60%, 150 kg hm–2), 按基肥∶穗肥=7∶3施用。小区之间做田埂并用地膜包覆, 以免串水串肥, 其他田间管理措施与当地常规管理方式相同。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤理化性状测定 在前茬作物收获后, 灌水旋田前, 按照五点取样法, 将土样取回实验室, 自然风干后磨细, 过20目筛子, 用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量, 并换算成有机质; 用凯氏定氮法测土壤全氮; 用碱解扩散法测定土壤碱解氮; 用碳酸氢钠法测定速效磷; 用醋酸铵-火焰原子吸收分光光度法测定速效钾。

1.3.2 产量及产量构成因素 于成熟期各小区选取30穴调查有效穗数, 并按平均有效穗数从每小区选取5穴进行考种, 调查实粒数、空粒数、结实率、千粒重等指标, 待稻谷含水量为13.5%时实测产量。

1.3.3 秸秆腐解率及氮素释放率 于水稻移栽前在每小区埋入装40 g左右相应秸秆的尼龙网袋(深7 cm处), 并在袋中装入等量泥土以助秸秆腐解。于拔节期、齐穗期和成熟期分别取出网袋, 洗净烘干后测定剩余秸秆重量, 后粉碎过筛用凯氏定氮法测定样品中全氮含量, 计算秸秆腐解率及氮素释放率。秸秆腐解率(%) = (试验前网袋内秸秆质量–网袋内秸秆残留质量)/试验前网袋内秸秆质量×100%。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%。

1.3.4 干物质积累与分配 于水稻拔节期、齐穗期、成熟期各小区按平均茎蘖数取代表性植株3穴, 分茎、叶、穗(齐穗期和成熟期) 3个部分, 在105℃下杀青30 min, 后在80℃下烘干至恒重, 称取各器官干物质量, 计算植株干物质积累与分配。(1) 茎鞘干物质转运量(kg hm–2) =齐穗期茎鞘干物质量−成熟期茎鞘干物质量; (2) 叶片干物质转运量(kg hm–2) = 齐穗期叶片干物质量−成熟期叶片干物质量; (3) 茎鞘干物质输出率(%) = 茎鞘干物质转运量/齐穗期茎鞘干物质量×100%; (4) 叶片干物质输出率(%) = 叶片干物质转运量/齐穗期叶片干物质量×100%; (5)茎鞘干物质转运贡献率(%) = 茎鞘干物质转运量/成熟期穗部干物质量×100%; (6) 叶片干物质转运贡献率(%) = 叶片干物质转运量/成熟期穗部干物质量 × 100%; (7) 收获指数(HI) = 成熟期籽粒干重/成熟期植株总干重。

1.3.5 氮素吸收与转运 将1.3.4样本分别粉碎过筛, 采用浓H2SO4-H2O消煮, 凯氏定氮法测定各器官的全氮含量, 计算氮素积累与转运特性(全自动高通量蒸馏滴定仪, UDK169 & Autokjel, 意大利)。(1) 茎鞘氮素转运量(kg hm–2) = 齐穗期茎鞘氮积累量−成熟期茎鞘氮积累量; (2) 叶片氮素转运量(kg hm–2) = 齐穗期叶片氮积累量−成熟期叶片氮积累量; (3) 茎鞘氮素输出率(%) = 茎鞘氮素转运量/齐穗期茎鞘氮素积累量×100%; (4) 叶片氮素输出率(%) = 叶片氮素转运量/齐穗期叶片氮素积累量×100%; (5) 茎鞘氮素转运贡献率(%) = (茎鞘氮素转运量/成熟期穗部氮素积累量)×100%; (6) 叶片氮素转运贡献率(%) = (叶片氮素转运量/成熟期穗部氮素积累量)×100%。

1.3.6 植株氮素利用 根据成熟期产量计算氮素农学利用率及氮肥偏生产力。(1) 氮素农学利用率(kg kg–1) = (施氮区作物产量−无氮区作物产量)/氮肥施用量; (2) 氮素偏生产力(kg kg–1) = 施氮区产量/施氮量。

1.4 数据计算和统计分析

采用Microsoft Excel 2016统计数据, SPSS 25.0 (SPSS Institute Inc, 美国)软件分析数据, 并利用最小显著差数(LSD)在<0.05水平上进行差异显著性比较。2年试验各处理下水稻产量及各测定指标变化趋势和重演性一致, 本文以2019年数据结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻产量形成的影响

由表2可知, 不同种植模式下秸秆还田对水稻千粒重和产量的影响达极显著水平, 水分管理与施氮量(每穗颖花数除外)对水稻产量和产量构成因素的影响达极显著水平, 秸秆还田和水分管理交互作用(有效穗数除外)、秸秆还田和施氮量交互作用、水分管理和施氮量交互作用(结实率除外)对有效穗数和结实率的影响达显著水平。

Py: 油菜-水稻模式, 油菜秸秆全量还田(6500 kg hm–2); Px: 小麦-水稻模式, 小麦秸秆全量还田(5000 kg hm–2); Pq: 青菜-水稻模式, 青菜残留物全量还田(1000 kg hm–2)。W0: 常规淹水灌溉; W1: 干湿交替灌溉。N0: 不施氮, 0 kg hm–2; N1: 常规施氮, 150 kg hm–2; N2: 精量减氮施肥。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Py: rape-rice model, full return of rape straw (6500 kg hm–2); Px: wheat-rice model, full return of wheat straw (5000 kg hm–2); Pq: cabbage-rice model, full return of cabbage residue (1000 kg hm–2). W0: conventional flooding irrigation; W1: alternating wet and dry irrigation. N0: no N treatment, 0 kg hm–2; N1: conventional N application treatment, 150 kg hm–2; N2: precise N reduction. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments in the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同种植模式下秸秆还田的水稻产量均表现为Py>Px>Pq, Py的平均产量分别较Px、Pq增加2.55%、13.99%。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的产量均表现为W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1处理的水稻产量分别比W0处理增加5.10%、1.76%和4.80%。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的水稻产量均表现N1>N2>N0, 但N1与N2处理间差异不显著。秸秆还田结合水氮管理时水稻产量在PyW1N1处理下最高, PyW1N2处理下次之, PqW0N0处理下最低, PyW1N1与PyW1N2处理间差异不显著, 但分别较PqW0N0处理显著增产87.83%、85.96%。

从产量构成因素来看, 不同种植模式下秸秆还田的水稻有效穗数和千粒重均表现为Py>Px>Pq, 但三者差异不显著, 而每穗颖花数和结实率则表现为Px>Py>Pq。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的有效穗数、结实率和千粒重均表现为W1>W0, 而每穗颖花数表现为W0>W1。同一秸秆还田和水分管理下, 施氮处理均能显著增加水稻的有效穗数和千粒重, 有效穗数在N1处理最大, Py模式下N1处理与其余处理差异显著, 而千粒重在N2处理最大, 各处理对每穗颖花数和结实率影响不显著, 但N2较N1处理略有下降。

2.2 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对秸秆腐解率及氮素释放率的影响

由表3可知, 不同种植模式下秸秆还田、水分管理(拔节期N释放率除外)、施氮量、秸秆还田和施氮量交互作用(成熟期期N释放率除外)以及不同种植模式下秸秆还田×水分管理×施氮量三者间的交互作用, 对各指标影响达显著或极显著水平(拔节期秸秆腐解率和成熟期N释放率除外)。

(续表3)

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

不同类型的秸秆腐解和N释放均表现为前期快, 中后期较慢的趋势。不同种植模式下秸秆还田的腐解率、N释放率均表现为Pq>Px>Py, Pq各时期的平均秸秆腐解率和N释放率分别较Py增加133.13%、86.55%, Pq与其余处理差异显著, Px与Py处理间差异不显著。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的秸秆腐解率和N释放率均表现为W1>W0(除拔节期N释放率), 但二者差异不显著。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的秸秆腐解率和N释放率多表现为N2>N1>N0, PqW1处理下仅拔节期的秸秆腐解率在N1、N2处理间差异显著, PxW1、PyW1处理下N2处理的平均秸秆腐解率分别较N1处理增加8.56%、8.76%, PyW1N2与PyW1N1处理差异显著, 同时PyW1N2的N释放率(成熟期)较PyW1N1显著增加2.92%。秸秆还田结合水氮管理时秸秆腐解率和N释放率在PqW1N2处理下最高, 而PyW1N2处理下精确减氮能显著提高各时期秸秆腐解率, 促进N释放。

2.3 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻干物质积累分配的影响

由表4可知, 不同种植模式下秸秆还田(拔节期茎鞘干物质积累量与收获指数除外)与施氮量(齐穗期穗干物质积累量除外)对各指标影响达极显著水平, 以及二者的交互作用对齐穗期(穗干物质积累量除外)、成熟期各器官的干物质积累量影响达显著或极显著水平。

不同种植模式下秸秆还田对水稻各营养器官干物质积累量均表现为Py>Px>Pq, Py各时期的平均干物质积累总量分别比Px、Pq增加5.25%、14.60%, 而3种模式下水稻的收获指数差异不显著。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的干物质积累量均表现为W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1处理的水稻干物质积累量分别比W0处理增加1.40%、3.31%、1.82%。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的干物质积累量、收获指数多表现为N1>N2, 但N1与N2处理间差异多不显著。秸秆还田结合水氮管理时水稻干物质积累量在PyW1N1处理下最高, PyW1N2处理下次之, PqW0N0处理下最低, PyW1N1与PyW1N2处理间差异不显著。

由表5可知, 不同种植模式下秸秆还田对茎鞘干物质转运量、叶片干物质转运量、贡献率影响达显著或极显著水平, 施氮量对各指标影响达极显著水平, 秸秆还田和施氮量的交互作用对茎鞘干物质转运量影响达显著水平, 水分管理、水分管理和施氮量的交互作用对叶片干物质转运量影响达显著水平。

不同处理下水稻的干物质转运量、输出率、贡献率均表现为茎鞘>叶。不同种植模式下秸秆还田对水稻茎鞘和叶片干物质转运量、输出率、贡献率均表现为Py>Px>Pq, Py的干物质转运量、输出率和贡献率分别较Pq增加34.38%、2.25%、2.91% (茎鞘)和28.95%、1.34%、0.62% (叶)。同一秸秆还田处理下, 除Pq模式下茎鞘干物质转运量、输出率和贡献率表现为W0>W1, 其余处理多表现为W1>W0。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的干物质转运量、输出率、贡献率均表现为N2>N1>N0, N0与其余处理差异显著。秸秆还田结合水氮管理时水稻干物质转运量、输出率和贡献率多在PyW1N2处理下最高, PqW0N0处理下最低。

表4 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻干物质积累的影响

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

表5 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻干物质转运的影响

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.4 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素吸收转运的影响

由表6可知, 不同种植模式下秸秆还田、水分管理、施氮量、秸秆还田和水分管理交互作用(成熟期茎鞘氮素积累量除外)、秸秆还田和施氮量交互作用, 以及三者交互作用(齐穗期穗和成熟期叶、穗氮素积累量除外)对各指标影响达显著或极显著水平。

不同种植模式下秸秆还田对水稻各营养器官氮素积累量多表现为Py>Px>Pq, Py各时期的平均氮素积累总量分别比Px、Pq增加7.48%、17.30%。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的氮素积累量均表现为W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1处理的水稻氮素积累量分别比W0处理增加6.75%、8.23%、4.66%。同一秸秆还田和水分管理下, 拔节期各营养器官氮素积累量均表现为N1>N2>N0, N1与N2处理间差异显著, 齐穗期、成熟期茎鞘和叶片氮素积累量均表现为N2>N1>N0, 3种模式下W1N1均与W1N2处理差异显著, 而N2处理的穗氮素积累量较N1处理略有下降。秸秆还田结合水氮管理时水稻氮素积累量在PyW1N1处理下最高, PyW1N2处理次之, 但二者差异不显著。

表6 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素积累量的影响

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

由表7可知, 不同种植模式下秸秆还田、水分管理、施氮量以及水分管理和施氮量的交互作用对各指标影响达显著或极显著水平, 三者交互作用对叶片氮素分配影响达显著水平。

不同处理下水稻的氮素转运量、输出率、贡献率均表现为叶>茎鞘。不同种植模式下秸秆还田对水稻茎鞘氮素转运量、输出率和叶片氮素转运量、贡献率均表现为Px>Py>Pq, 但处理间差异多不显著, 而茎鞘氮素贡献率表现为Py>Px>Pq, Py较Pq处理显著增加3.69%。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的氮素转运量、输出率和贡献率多表现为W1>W0, 但二者差异不显著。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的氮素转运量、输出率和贡献率多表现为N2>N1>N0, 3种模式W1N2处理的茎鞘、叶片氮素贡献率均显著高于W1N1。秸秆还田结合水氮管理时水稻氮素转运、输出率、贡献率多在PXW1N2处理下最高。

表7 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素转运的影响

(续表7)

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

2.5 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素利用的影响

由表8可知, 不同种植模式下秸秆还田、水分管理、施氮量、秸秆还田和水分管理的交互作用以及水分管理和施氮量的交互作用对各指标影响达显著或极显著水平。

不同种植模式下秸秆还田的水稻氮肥农学利用率、氮肥偏生产力多表现为Py>Px>Pq, Py的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力较Pq平均增加21.12%、24.90%, 其中Py、Pq模式的氮肥偏生产力差异显著。同一秸秆还田处理下, 不同水分管理的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力均表现为W1>W0, Py、Px和Pq模式下W1处理的氮肥农学利用率分别比W0处理增加24.90%、1.77%和7.94%, 氮肥偏生产力分别比W0处理增加8.90%、3.22%和5.40%。同一秸秆还田和水分管理下, 不同施氮量的氮肥农学利用率、氮肥偏生产力多表现为N2>N1, 但N1与N2处理间差异多不显著。秸秆还田结合水氮管理时水稻氮肥农学利用率、氮肥偏生产力均在PyW1N2处理下最高。

表8 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素利用的影响

(续表8)

处理同表2。同列数据后不同小写字母表示同一种植模式下前茬秸秆还田处理间差异显著(< 0.05)。方差分析中,*、**分别表示在0.05和0.01概率水平效果显著, ns表示无显著效果。

Treatments are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant differences between the previous straw return treatments under the same planting pattern (< 0.05). In the ANOVA,*and**indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; and ns indicates no significant difference.

3 讨论

3.1 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻产量及产量构成因素的影响

秸秆还田能增加土壤通透性, 提高土壤微生物活性, 有利于秸秆与土壤间氮素的循环利用, 具有提高当季和后茬作物产量的作用[16]。裴鹏刚等[17]研究表明, 秸秆还田耦合施氮量(180 kg hm–2)可促进水稻有效穗数增加, 提高氮素和光合同化物积累, 使水稻显著增产9.59%～23.51%。殷尧翥等[18]研究指出, 稻油轮作下油菜秸秆还田, 配合控制性交替灌溉与施氮量(150 kg hm–2)可显著提高水稻齐穗期高效叶面积指数, 促进干物质积累, 提高有效穗数和每穗粒数, 进而达到高产。谌洁等[19]研究表明, 与油菜-水稻模式相比, 青菜-水稻模式能显著提高水稻积温生产效率、降水生产效率, 2年平均增产达10.50%, 而本试验结果与其有所差异, 这可能是由于生态区温光资源不同, 且前人主要针对于不同茬口, 并未进行秸秆还田。本研究结果表明, 不同种植模式下秸秆还田的水稻有效穗数、千粒重和产量均表现为Py>Px>Pq, 说明Py模式更能促进有效穗数形成, 加快光合产物向穗部积累, 也可能是由于Py模式有利于土壤风化, 提高土壤养分释放速率, 最终增加产量[20]。3种模式下W1处理水稻的有效穗数、结实率、千粒重和产量较W0处理均有不同程度增加, N2处理的水稻产量较N1处理略有下降, 但二者之间差异不显著, 这可能是由于土壤干湿交替变化能抑制无效分蘖的发生, 促进根系生长, 提高水稻光合作用及干物质积累, 有利于籽粒灌浆结实[21]。且相比于常规稻, F优498为杂交稻, 其根系更为发达、密集、粗壮, 能够更好的吸收土壤中的养分和水分, 同时提高了土壤的通气性和透水性。综上所述, PyW1N2处理下更能提升水肥利用效率, 可节省氮肥投入20%, 实现水稻稳产高效生产。

3.2 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对秸秆腐解率及氮素释放率的影响

秸秆腐解过程中各种养分的释放和土壤微生物的活动, 会改变土壤理化性状, 进而影响水稻生长及产量形成[22]。前人研究发现, 不同类型的秸秆腐解、氮素释放均表现为前期快, 中后期较慢的趋势[23], 且麦秆＞油菜杆[24], 本试验结果与其一致, 这是因为腐解前期秸秆中易分解的可溶性化合物大量释放,提高了土壤中的微生物数量及活性[25]; 而随着还田时间增加, 秸秆中多为不易分解的纤维素等物质,导致微生物活性降低, 腐解率下降[26]。本研究结果表明, Pq模式下的秸秆腐解率、N释放率均显著高于其他种植模式, 但Px与Py处理间差异不显著, 主要原因是青菜残叶还田为菜叶, 腐解较快, 且小麦和油菜秸杆的C/N比较大, 超出了适宜微生物分解的秸杆C/N区间(25～30∶1)[27]。3种模式下秸秆腐解率和N释放率多表现为W1>W0, N2>N1, 这可能是由于干湿交替灌溉能提高含氧量[13], 适量氮肥能降低土壤C/N比, 增强微生物及纤维素等水解酶活性, 促进秸秆腐解[28]。

3.3 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻干物质积累分配的影响

水稻产量的形成是干物质积累与分配的结果。研究表明, 秸秆腐解过程中, 微生物活动与秸秆分解消耗大量氮素, 导致水稻的氮素供应不足, 从而抑制水稻生育前期干物质积累, 但随着秸秆养分的释放, 能促进水稻中后期干物质积累[29]。与小麦秸秆还田相比, 油菜秸秆还田能抵消前期的抑制作用, 增加干物质含量[20]。本研究结果表明, Py模式下水稻各营养器官干物质积累量均表现为最大, 这是由于Py模式的秸秆腐解率低于其他2种模式, 能保证前期水稻的供氮量, 而Pq模式的秸秆大量腐解, 与水稻生长形成争氮。W1处理的干物质积累量均大于W0, 原因可能为干湿交替灌溉可减少无效分蘖, 提高水稻生长潜力, 叶面积等个体性状具有较大优势, 促进了干物质后期积累[18]。

花后干物质的转运与分配对水稻产量形成至关重要。唐海明等[30]研究认为, 油菜秸秆还田可提高水稻茎、叶转运率和贡献率, 促进干物质向穗部的转运。顾俊荣等[31]研究发现, 实地氮肥管理配合轻度干湿交替灌溉可显著增加干物质积累量, 促进茎鞘干物质向籽粒转运。本研究结果表明, Py模式下秸秆还田对水稻茎鞘和叶片干物质转运量、输出率、贡献率均大于其他种植模式, 这是因为油菜秸秆还田在生育中后期仍能释放部分营养物质, 更能增加茎叶干物质贮存, 在齐穗期叶片的光合作用更强, 有利于灌浆期光合产物向籽粒转运[32]。而W1N2处理有利于秸秆N释放, 从而促进了水稻合成转化物质。由此说明, PyW1N2处理不仅能提高水稻干物质积累量, 更能实现干物质由营养器官向穗部高效转运, 对籽粒灌浆结实具有积极作用。

3.4 多元化种植模式下秸秆还田配合水氮管理对水稻氮素吸收利用的影响

氮素是植物生长发育不可或缺的营养元素, 氮素吸收转运和利用是水稻高效生产的关键[33]。前人研究表明, 秸秆还田提高了水稻生育中后期氮素积累, 有利于氮素向籽粒转运, 具有增产和提高氮素利用效率的作用[34]。徐国伟等[35]研究认为, 秸秆还田与实地氮肥管理可增强叶片硝酸还原酶活性, 促进植株吸氮, 同时促进氮素转运, 提高氮素收获指数与氮肥利用效率, 本试验结果与其一致。孙永健等[36]研究发现, 干湿交替灌溉有利于增加氮素积累, 以拔节期影响最大, 氮肥适当后移能显著提高抽穗后植株的吸氮量。本研究结果表明, Py模式下水稻各营养器官氮素积累量多表现为最大, 但茎鞘氮素转运量、输出率和叶片氮素转运量、贡献率略小于Px, 这可能是由于Py模式的秸秆腐解率低于Px, 虽有利于全生育期氮素积累, 但氮素转运略慢。W1N2处理有利于提高水稻的氮素积累量、氮素转运量、输出率和贡献率, 这可能是由于干湿交替灌溉可提高茎秆α-淀粉酶、β-淀粉酶活性, 增强氮代谢相关酶活性[37], N2处理有利于秸秆氮素释放, 从而促进氮素转运分配。

氮肥利用率是决定水稻氮素稻谷生产效率的重要因素。严奉军等[29]研究发现, 秸秆还田能有效增加水稻的氮肥回收利用率和氮肥农学利用率, 其中油菜秸秆还田较小麦秸秆还田增幅更大, 本试验结果与其一致。赵峰等[38]研究表明, 油菜秸秆还田与氮肥配施显著提高了水稻灌浆期的光合速率, 有利于物质合成和转化, 进而提高氮肥利用率。本研究结果表明, PyW1N2处理下水稻的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均达到最大, 究其原因是油菜秸秆还田下, 干湿交替灌溉配合精量减氮有利于干物质和氮素积累, 促进氮素由茎叶向籽粒转运, 从而提高氮肥利用率。

4 结论

与其他2种模式秸秆还田相比, 油菜-水稻种植模式下, 油菜秸秆还田的秸秆腐解率及氮素释放率较低, 但其保证了水稻前期的干物质和氮素积累, 与水稻争氮效应较轻, 同时秸秆养分缓慢释放也促进了生育中后期干物质和氮素向穗部积累, 提高氮肥利用效率。油菜-水稻种植模式下, 油菜秸秆还田配合干湿交替灌溉与精量减氮(120 kg hm–2)可促进水稻干物质积累, 提高茎叶干物质转运率、贡献率, 同时有利于氮素吸收、增加茎叶氮素转运率、贡献率, 进而提高氮肥农学利用率和氮肥偏生产力, 最终有利于水稻的有效穗数形成和籽粒灌浆, 并可节约20%氮肥使用, 实现水稻稳产高效生产。

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Effects of straw returning to field combined with water and N management on rice yield formation and N uptake and utilization under diversified cropping patterns

HU Ming-Ming, DING Feng, PENG Zhi-Yun, XIANG Kai-Hong, LI Yu, ZHANG Yu-Jie, YANG Zhi-Yuan, SUN Yong-Jian, and MA Jun*

Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University / Sichuan Provincial Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation, Chengdu 611130, Sichuan, China

To study the effects of different precrop straw return and water and N management on rice yield formation, dry matter accumulation and distribution, and N uptake and utilization under diversified cropping patterns. In 2018–2019, hybrid rice F you 498 was used as the experimental material, and a three-factor split plot design was adopted. The main plot was conducted with three planting modes of rape-rice (Py), wheat-rice (Px), and cabbage-rice (Pq). In the field, the split area was equipped with two water management methods including conventional flooding irrigation (W0) and alternating wet and dry irrigation (W1). The split area was equipped with three N levels including no N treatment (N0), conventional N application treatment (N1), and precise N reduction (N2). The decomposition rate, N release rate, dry matter accumulation, and the distribution of various rice nutrient organs, plant N uptake and utilization of straw returned to the field under different treatments at jointing, heading, and maturity stages, and grain yield were analyzed and measured. The results showed that the average yield of Pyincreased by 2.55% and 13.99%, respectively, compared with Pxand Pq,mainly due to its higher effective panicles and 1000-grain weight. Pypromoted the accumulation of dry matter and N in various nutrient organs, which was beneficial to dry matter distribution, to improve the stem sheath N contribution rate and N fertilizer utilization rate, the average total dry matter accumulation and total N accumulation at each stage of Pyincreased by 5.25%, 7.48%, and 14.60%, 17.30%, respectively, compared with Pxand Pq. The partial factor productivity of N increased significantly by 24.90% compared with Pq, but the straw decomposition rate and N release rate of Pywere lower. The rice yield of W1treatment under the three modes increased by 5.10% (Py), 1.76% (Px), and 4.80% (Pq), respectively, compared with W0treatment. W1treatment promoted straw decomposition and N release, promote dry matter accumulation and N uptake and transport are beneficial to dry matter distribution in Pyand Pxmodes, thereby improving N fertilizer utilization efficiency. Under the same straw return and water management, N2treatment promoted straw decomposition and N release, which was beneficial to dry matter distribution and N transport, and increased N accumulation in stem sheaths and leaves at heading and maturity stages, thus improving N fertilizer utilization efficiency. However, the yields and dry matter accumulations in N2treatment decreased slightly compared with those in the N1treatment, but there was significant difference between them. Comprehensive analysis showed that under the rape-rice planting model, returning rapeseed straw to the field combined with alternating dry and wet irrigation and precise N reduction (120 kg hm–2) was beneficial to dry matter accumulation and distribution, N uptake and transport, and thus improving the agronomic efficiency of N, and partial factor productivity of N, and can save 20% of N fertilizer input to achieve stable and efficient rice production.

rice; diversified cropping patterns; straw returning to field; water and N management; yield formation; N uptake and utilization

10.3724/SP.J.1006.2024.32039

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), 四川省育种攻关专项(2016NYZ0051)和四川省教育厅重点项目(18ZA0390)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program (2017YFD0301706, 2017YFD0301701, 2016YFD0300506), the Sichuan Provincial Breeding Research Project (2016NYZ0051), and the Sichuan Provincial Department of Education Key Project (18ZA0390).

马均, E-mail: majunp2002@163.com

E-mail: 957937991@qq.com

2023-09-23;

2024-01-12;

2024-02-07.

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