唐玉琴

（安康職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 安康 725000）

0 引言

氮(N)是生命體需求量最大的元素之一，在蛋白質(zhì)、核酸等遺傳物質(zhì)和大分子化合物相關(guān)的生理代謝等過程中發(fā)揮著不可替代的作用［1］。對于水稻而言，谷物的收獲產(chǎn)量和食用品質(zhì)與氮肥利用緊密相關(guān)。然而在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施氮量與收獲產(chǎn)量之間存在一定閾值，當(dāng)?shù)适┯眠^多時(shí)，作物的氮肥利用率反而降低［2］。此外，由于氮肥不適當(dāng)施用帶來的負(fù)面影響日趨嚴(yán)重，有研究表明，氮肥的不合理施用是導(dǎo)致溫室效應(yīng)、水體富營養(yǎng)化以及農(nóng)田面源污染等問題的主要原因。因此，優(yōu)化施肥技術(shù)以提高作物氮利用率已成為發(fā)展可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵［3］。為了提高作物氮肥利用率，已經(jīng)研發(fā)了作物育種、緩釋控釋技術(shù)以及均衡施肥等多種策略［4-6］，均取得了一定的效果，但優(yōu)選出最佳氮素管理措施，仍是一個(gè)亟待探索的過程。

中國有著豐富的作物秸稈資源，1990年之前，國內(nèi)通常將作物秸稈用作燃料和牲畜飼料，但21世紀(jì)以來，秸稈的資源化利用顯著減少，隨意堆放或原田焚燒成為處理農(nóng)作物秸稈的常規(guī)方法［7］，這往往會導(dǎo)致空氣污染、溫室氣體排放和周邊火災(zāi)的發(fā)生。秸稈是植物養(yǎng)分累積較多的器官之一，左婷等［8］研究表明，秸稈還田是提高稻—麥輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和有機(jī)碳固存的有效措施，這可能與秸稈中含有大量的養(yǎng)分元素，可供給土壤微生物繁殖，從而顯著提高土壤團(tuán)聚體、土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性有關(guān)［9］。

Lin等［10］研究表明，保持適宜的施肥深度比常規(guī)覆土施肥具有更高的養(yǎng)分利用率和收獲指數(shù)。與傳統(tǒng)施肥方式相比，適宜的深層施肥不僅可以通過減少氮損失來提高氮利用效率，還可以通過增強(qiáng)根系酶代謝活性來提高氮利用效率和糧食產(chǎn)量［6］。水稻是全球重要的谷物作物之一，促進(jìn)水稻資源化生產(chǎn)對于保障人口持續(xù)增長的糧食安全至關(guān)重要。目前關(guān)于秸稈還田或深施肥料與水稻生產(chǎn)開展了一定的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈分解釋放可以改變土壤的理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀態(tài)，秸稈還田配合化肥施用可以促進(jìn)纖維分解，從而使秸稈資源利用最大化［11］。深施氮肥結(jié)合秸稈覆蓋可改善根際的營養(yǎng)效率和調(diào)節(jié)根系構(gòu)型，優(yōu)良的水稻根系形態(tài)可有效促進(jìn)水稻根系生長，促進(jìn)養(yǎng)分吸收和物質(zhì)合成［12］。然而關(guān)于秸稈還田與深施氮肥組配措施對水稻生產(chǎn)的影響鮮有報(bào)道。基于此，本研究探索了深施氮肥與秸稈還田對水稻籽粒產(chǎn)量、氮素利用、根系形態(tài)性狀及相關(guān)生理特征等的影響，研究結(jié)果有助于為水稻施肥增效措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試地點(diǎn)與供試材料

試 驗(yàn) 于2020—2021年（5—10月）在 陜 西 省安康市谷豐米業(yè)水稻試驗(yàn)園區(qū)（32°32′47″N，109°15′23″E）進(jìn)行。試驗(yàn)園區(qū)地處亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.1~15.7 ℃，無霜期約200 d，年均降雨量550~900 mm。供試田塊土壤為褐土，前茬作物均為水稻（Oryza sativaL.）。0~20 cm土層土壤的理化性質(zhì)：pH 值7.36，容重1.71 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量1.56%，堿解氮含量118.42 mg/kg，速效磷含量23.56 mg/kg，速效鉀含量109.68 mg/kg。

供試水稻品種為漢香優(yōu)755，是陜西省目前栽種的優(yōu)良品種，種子來源于谷豐米業(yè)有限公司。作物秸稈為該試驗(yàn)區(qū)收獲的水稻秸稈，采用機(jī)械切割為4 cm左右的小段。試驗(yàn)所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，因素1：氮肥深施或土壤表面撒施；因素2：秸稈還田或不施用秸稈；因素3：栽種年份。分別在2020、2021年設(shè)置5個(gè)處理：深施氮肥+秸稈還田(DS)、氮肥土壤表面撒施+秸稈還田(ES)、深施氮肥+無秸稈還田(DO)、氮肥土壤表面撒施+無秸稈還田(EO)、不施氮肥+無秸稈還田作為對照(CK)；上述氮肥深施處理為施用尿素于土層5 cm處，秸稈還田處理用量為7500 kg/hm2。每個(gè)處理重復(fù)3次，共15個(gè)小區(qū)。

供試田塊為長方形，每個(gè)小區(qū)面積30 m2（6 m ×5 m），小區(qū)之間采用30 cm寬的壟脊攔隔，并用白色塑料薄膜覆蓋，以確保獨(dú)立的水層系統(tǒng)和灌溉。移栽前采用旋耕機(jī)對試驗(yàn)田進(jìn)行翻耕，深度為20 cm。采用雙印牌玉米免耕深松全層施肥精播機(jī)（2BYFSF-4，河北雙印農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司）對土層5 cm處進(jìn)行準(zhǔn)確的深度施氮處理，非深施處理為土壤表面撒施，純氮用量為150 kg/hm2。氮、磷、鉀肥的施用質(zhì)量比為N∶P2O5∶K2O=10∶5∶12，磷、鉀肥皆為土壤表面撒施，且50%的鉀肥用于基施，50%于抽穗期施用。CK處理不施氮肥，其他處理的磷、鉀肥施用量及施用方式同上。于栽種當(dāng)年5月11日移栽稻苗，每穴2株，種植密度為45000株/hm2。田間病蟲害管理按當(dāng)?shù)厮痉N植生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.3 樣品采集及測定分析

于成熟期收獲水稻植株，將水稻的根系、莖稈、葉部、籽粒分離，置于105 ℃的烘箱殺青30 min使酶失活，65 ℃烘干至恒重，將各部位粉碎，然后過0.25 mm 篩孔，用HNO3-H2SO4消化。采用Bran Luebbe連續(xù)流分析儀(Bran Luebbe AA3, Hamburg, Germany)測定植株各器官的氮含量。采用LI-3100C葉面積儀（Li-3100C、Li-Cor、Biosciences, USA）分別于植株的幼苗期、分蘗期、抽穗期、授粉期以及灌漿期測定其葉面積。葉面積指數(shù)（LAI）=（單株葉面積×每塊地種植數(shù)）/地塊面積［13］。

在每個(gè)小區(qū)中心（2 m×2 m）收獲谷物，室內(nèi)風(fēng)干后烤種，記錄產(chǎn)量構(gòu)成因子，產(chǎn)量測定包括單株穗粒數(shù)、千粒重及結(jié)實(shí)率等，在含水量為14%時(shí)采用電子天平稱重記錄水稻籽粒重，每公頃產(chǎn)量由取樣面積產(chǎn)量折算［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行3因素方差分析和最小顯著差法(LSD)統(tǒng)計(jì)分析（P＜0.05），采用Origin 2019軟件進(jìn)行圖形繪制。

氮素利用相關(guān)指標(biāo)根據(jù)以下公式計(jì)算［15］：

植株氮素總吸收量(kg/hm2)=∑植株各器官干物質(zhì)量×氮養(yǎng)分含量

氮肥利用率(%)=（施氮處理植株氮總吸收量-不施氮處理植株氮總吸收量)/施氮量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg) =施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量

氮素收獲指數(shù)(%)=籽粒氮素積累量/整株氮素積累量×100%

氮素吸收效率(kg/kg) =植株地上部分氮素積累量/施氮量

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg) =(施氮處理籽粒產(chǎn)量-不施氮籽粒產(chǎn)量)/施氮量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻干物質(zhì)含量的影響

由圖1可知，氮肥深施和秸稈還田在一定程度上均促進(jìn)了水稻干物質(zhì)累積。2020年各處理間的干物質(zhì)累積大于2021年的，但2年之間的差距較小。就水稻各器官干物質(zhì)累積量來看，表現(xiàn)為稻穗＞莖稈＞根系＞葉部，其中葉部的累積量最低，僅為整株稻穗的20%左右。在2020、2021年中，各處理整株干物質(zhì)累積量皆以DS處理最高，均顯著大于其他處理；其中CK的干物質(zhì)總積累量均為最低，且顯著低于其他處理；各處理的干物質(zhì)總積累量排序?yàn)椋篋S＞DO＞ES＞EO＞CK。在2020、2021年中，DS的干物質(zhì)總累積量較DO分別顯著提高了12.42%、10.14%，ES較EO分別顯著提高了10.99%、18.95%，表明氮肥深施對水稻干物質(zhì)累積具有一定的促進(jìn)作用，且配施秸稈還田效果更佳。

圖 1 不同處理對水稻成熟期干物質(zhì)累積的影響

2.2 不同處理對水稻葉面積指數(shù)的影響

由圖2可知，2020、2021年各處理的葉面積指數(shù)隨著生育期的推進(jìn)整體上呈先上升后下降的變化趨勢。從幼苗期開始，各處理的LAI開始快速上升，在分蘗期時(shí)達(dá)到峰值，從分蘗期到籽粒灌漿期整體上呈逐漸下降的趨勢。在分蘗期及灌漿期時(shí)，2020、2021年的LAI均以DS表現(xiàn)最高。

圖 2 不同處理對水稻葉面積指數(shù)的影響

2.3 不同處理對水稻氮素累積與分布的影響

由表1可知，在2020、2021年的田間試驗(yàn)中，氮肥施入深度與秸稈還田均影響著水稻各部位的氮素累積量與分布情況，這2年各處理氮素累積量的分布規(guī)律基本一致。2020、2021年各部位的氮素累積量均呈籽粒＞莖稈＞根系＞葉部的分布規(guī)律，這2年籽粒的氮含量分別占總累積量的59.98%~63.09%、58.43%~64.39%。2020 年，根系的氮素累積量均表現(xiàn)為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，在莖稈、葉部及籽粒中表現(xiàn)均為CK＜EO＜DO＜ES＜DS。2020、2021年各處理中的氮素總累積量最高分別為116.51、113.73 kg/hm2；CK、ES、DO、EO的氮素總累積量較DS分別顯著降低43.39%、14.26%、20.14%、23.06%（2020），43.95%、12.20%、18.27%、22.77%（2021）。通 過 方 差 分 析表明，年份與施氮深度在葉部和籽粒存在交互作用，而施氮深度與秸稈還田在根系、莖稈及葉部存在交互作用。

表1 不同處理對水稻氮素累積與分布的影響 kg/hm2

2.4 不同處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

由表2可知，2020、2021年水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子存在一定差距，但各處理規(guī)律基本一致。這2年各處理的有效穗數(shù)均表現(xiàn)為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，其中DS均顯著大于CK、EO、ES。各處理間的單穗總粒數(shù)均無顯著差異。2020年各處理的結(jié)實(shí)率表現(xiàn)為EO＜DO＜DS＜CK＜ES，且各處理間均無顯著差異，2021年則表現(xiàn)為CK＜EO＜DO＜ES＜DS，且除CK外，其他各處理間均無顯著差異。千粒重中，這2年ES均表現(xiàn)為最高，2020年其他各處理（CK、DS、EO、DO）比ES低2.05%~4.81%；2021年各處理中以CK最低，DS其次，兩者間無顯著差異，且CK顯著小于ES、DO、EO處理。由于水稻籽粒產(chǎn)量由有效穗數(shù)、單穗總粒數(shù)和千粒重構(gòu)成，因此2020年水稻籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為CK＜EO＜ES＜DO＜DS，2021年則表現(xiàn)為CK＜EO＜DO＜ES＜DS，其中分別在2020和2021年中， CK、ES、DO、EO較DS分別顯著降低了40.17%、23.04%、10.38%、31.87%(2020)，44.17%、9.32%、10.66%、31.34%(2021)。

2.5 不同處理對水稻氮素利用指標(biāo)的影響

由表3可知，氮收獲指數(shù)中，2020年各處理表現(xiàn)為EO＜ES＜DO＜DS，DS顯著高于EO、ES、DO；2021年各處理則表現(xiàn)為EO＜DO＜DS＜ES，EO、DO、DS較ES相比降低了1.25~1.74個(gè)百分點(diǎn)。其他氮素利用指標(biāo)中這2年均表現(xiàn)為DS最高，EO最低；ES、DO、EO這3個(gè)處理較DS，在氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力及氮素吸收效率等方面分別顯著降低了11.08~17.92個(gè)百分點(diǎn)、25.85%~79.33%、10.38%~31.88%、14.71%~25.00%（2020），9.25~17.26個(gè)百分點(diǎn)、21.08%～70.96%、9.32%~31.34%、13.64% ~24.24%（2021）。通過方差分析表明，各處理的氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收效率在年份與施氮深度、施氮深度與秸稈還田存在顯著或極顯著交互作用，氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率在年份與秸稈還田中存在顯 著交互作用。

表 2 不同處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

表 3 不同處理對水稻氮素利用的影響

3 討論與結(jié)論

作物秸稈還田、適當(dāng)深施氮肥已成為減少氮損失和促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的重要措施［16］。本研究中，秸稈還田+深施氮肥處理(DS)在所有處理中效果最佳，其在水稻干物質(zhì)累積量、水稻葉面積指數(shù)等方面均表現(xiàn)最高。向曉玲等［17］研究表明，秸稈還田可能通過優(yōu)化土壤的理化性質(zhì)和生物特性來為作物生長提供必要的能量和養(yǎng)分。因此本研究中水稻干物質(zhì)累積量的提高和后期葉面積指數(shù)保持較高水平可能是多方面促進(jìn)的結(jié)果。

Zhao等［18］研究表明，秸稈還田與化肥土壤表面撒施結(jié)合可以顯著提高稻—麥作物產(chǎn)量。此外，王新媛等［19］在小麥—玉米輪作區(qū)研究中發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施高氮肥用量能提高小麥產(chǎn)量和地上部吸氮量，但同時(shí)也增加了土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅亢偷嗔?。本研究結(jié)果表明：秸稈還田、氮肥深施在一定程度上提高了水稻產(chǎn)量及其相關(guān)產(chǎn)量因子，這主要通過提高水稻有效穗數(shù)和千粒重實(shí)現(xiàn)的。然而Sun等［20］研究顯示，秸稈還田和尿素應(yīng)用對水稻產(chǎn)量和氮素利用率方面無明顯效果，與本研究結(jié)果不一致。

本研究中秸稈還田或深施氮肥顯著或極顯著影響了水稻氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收效率以及氮素收獲指數(shù)，而秸稈還田處理(ES)的氮肥利用率、氮素吸收效率以及氮素收獲指數(shù)高于僅深施氮肥處理(DO)，這可能是因?yàn)樯钍┑士梢詼p緩氨的揮發(fā)［18,21］。Wang等［22］的研究表明，由于秸稈中存在一定養(yǎng)分，可促進(jìn)土壤微生物的氮代謝，從而提高土壤氮活化率與氮肥利用率。本研究中秸稈還田結(jié)合氮肥深施處理，顯著提高了水稻植株氮素累積量及相關(guān)氮利用指標(biāo)，整體均優(yōu)于單一秸稈還田和單一氮肥深施處理。這與相關(guān)研究結(jié)果基本一致［23］。