王秋菊，焦 峰，劉 峰，遲鳳琴，姜 輝，李鵬緋

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草甸白漿土稻稈氮利用效率及氮素調(diào)控對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

王秋菊1,2，焦 峰3※，劉 峰1，遲鳳琴1，姜 輝4，李鵬緋5

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所，哈爾濱 150086； 2. 黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086；3. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319； 4. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研處，哈爾濱 150086；5. 前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，富錦 156331）

為明確三江平原草甸白漿土水稻秸稈還田條件下如何進(jìn)行施肥，以期為秸稈全量還田條件下水稻氮肥的優(yōu)化施用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。該文在白漿土上進(jìn)行了秸稈氮利用試驗(yàn)、秸稈還田氮素優(yōu)化施用試驗(yàn)、及氮素調(diào)控時(shí)期的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：通過(guò)15N同位素示蹤確定，秸稈氮對(duì)水稻植株氮素累積量貢獻(xiàn)率為6.49%～7.48%，對(duì)莖葉氮素累積量的貢獻(xiàn)率為3.26%～4.16%，對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率為8.67%～9.74%；秸稈氮素當(dāng)年總利用率為6.51%～7.65%；調(diào)節(jié)碳/氮比有利于提高秸稈氮素利用率。大田試驗(yàn)證實(shí)秸稈還田條件下施氮量連續(xù)3 a比常規(guī)施氮量減少10%，排水性好的田塊有增產(chǎn)效果，3a平均增產(chǎn)6.17%，減氮20%以上產(chǎn)量低而且年際間不穩(wěn)，減氮時(shí)期適合均衡減氮和基肥減氮，蘗肥和穗肥減氮減產(chǎn)極顯著；排水性不良田不適合減氮，減氮導(dǎo)致減產(chǎn)。不同土壤秸稈還田后氮素調(diào)控有差異，要因地制宜根據(jù)土壤條件制定相應(yīng)的氮素管理措施。

土壤；秸稈；氮；白漿土；秸稈還田；15N標(biāo)記；氮利用率；氮素調(diào)控；產(chǎn)量

0 引 言

水稻秸稈中除含有大量有機(jī)碳等能源物質(zhì)外，還含有氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素，秸稈還田不僅可以改良土壤、培肥地力，尤其是對(duì)緩解氮、磷、鉀比例失調(diào)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本有重要作用[1-3]。在水稻生產(chǎn)中，合理的氮肥運(yùn)籌，不僅可以提高水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率，還可以減少因過(guò)量施用氮肥帶來(lái)的環(huán)境污染[4-6]。水稻秸稈在土壤中經(jīng)微生物逐漸分解過(guò)程大體可以分為快、慢兩個(gè)階段[7]，武際和李逢雨等分別認(rèn)為水稻秸稈還田后3個(gè)月氮素累積釋放率達(dá)到 50%以上[8-9]；閆超認(rèn)為在黑龍江寒冷氣候條件下，秋季還田的水稻秸稈從翌年5月份開(kāi)始腐解，當(dāng)季可釋放氮素率達(dá)50%，第2年可達(dá)到60%[10]。有報(bào)道將進(jìn)入土壤的秸稈氮分為支出氮和土壤存留氮兩部分，其中支出氮可以進(jìn)一步分為植物吸收氮和損失氮；存留于土壤中的氮的一部分形成腐殖質(zhì)組分，另一部分殘留于根系和未分解狀態(tài)或半分解狀態(tài)秸稈中[11-12]。

15N示蹤技術(shù)是研究農(nóng)田氮收支的有效方法，在準(zhǔn)確地把握氮素利用、殘留等收支狀況、解析秸稈氮利用效率等方面具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。丁文成[13]利用15N 標(biāo)記研究河南地區(qū)玉米—小麥—玉米—玉米輪作條件下，后作對(duì)玉米秸稈氮利用結(jié)果表明，后茬冬小麥的玉米秸稈氮當(dāng)季利用率為7.14%～10.32%；第2茬和第3茬玉米分別為3.75%～5.51%和2.28%～3.18%；Fortes等[14]認(rèn)為蔗渣分解后有26%的氮被作物吸收，有51%的氮?dú)埩粼谕寥乐?，另?3%的氮去向不明；徐新宇等[12]的15N示蹤結(jié)果表明，小麥秸稈覆蓋還田，夏季種植谷子，地上部分和籽粒對(duì)秸稈氮的利用率分別為28.3%和15.2%；混施還田分別為20.6%和12.0%。由此可見(jiàn)，早期快速分解活化的秸稈氮對(duì)于后茬作物氮素吸收利用具有重大作用。黑龍江地區(qū)尚缺乏水稻秸稈氮的利用率，以及秸稈還田條件下氮素調(diào)控技術(shù)成果。目前生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的氮肥施用指標(biāo)主要來(lái)源于各地的施肥試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15-17]。隨著近年秸稈禁燒令的嚴(yán)格實(shí)施，秸稈還田面積呈逐年擴(kuò)大，以往的施肥技術(shù)指標(biāo)已不能適合秸稈還田條件下的水稻生產(chǎn)，盲目施肥不僅造成肥料浪費(fèi)，甚至招致減產(chǎn)[18-20]。黑龍江省水田面積超過(guò)400萬(wàn)hm2[21]，主要集中在三江平原，該區(qū)白漿土面積占25%，集中連片，是三江平原地區(qū)的主要水田土壤。白漿土秸稈還田條件下水稻氮肥調(diào)控技術(shù)尚處于技術(shù)空白，本文以三江平原的草甸白漿土為供試土壤，通過(guò)15N秸稈標(biāo)記示蹤試驗(yàn)、秸稈還田氮素優(yōu)化試驗(yàn)以及氮素調(diào)控時(shí)期等系列試驗(yàn)研究，總結(jié)出白漿土上水稻秸稈還田氮肥優(yōu)化施用的技術(shù)，為白漿土秸稈全量還田條件下水稻氮肥的優(yōu)化施用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在三江平原地區(qū)建三江管理局的前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)，三江平原（129°11′－135°05′E，43°49′－48°27′N）位于中國(guó)的東北邊陲，黑龍江省東部[22]。前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)位于三江平原腹地，地理坐標(biāo)為132°17′E，47°34′N，總面積7.67萬(wàn)hm2。

1.2 供試土壤

供試土壤為草甸白漿土，由3個(gè)自然發(fā)生層組成，剖面特征如圖1所示，第一層是黑土層，粉砂質(zhì)土，厚度約為29.5 cm，暗褐色，富含有機(jī)質(zhì)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，適合于作物的生長(zhǎng)發(fā)育；第二層是白漿層，粉砂質(zhì)土，厚度約15 cm，淺褐色，片狀結(jié)構(gòu)，緊實(shí)、堅(jiān)硬，一般作物根系難以穿透；第三層是淀積層，黏質(zhì)土，厚度45～55 cm，小核狀結(jié)構(gòu)，具備典型白漿土剖面特征[23]，土壤基本性質(zhì)如表1。

圖1 草甸白漿土剖面

表1 草甸白漿土基本性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 秸稈氮素釋放量15N標(biāo)記試驗(yàn)

首先對(duì)水稻秸稈進(jìn)行15N標(biāo)記，獲得15N標(biāo)記的水稻秸稈，標(biāo)記方法如下：15N標(biāo)記秸稈喂飼試驗(yàn)按照砂培法栽培進(jìn)行，采用高30 cm、直徑40 cm塑料桶，內(nèi)裝洗凈的中砂20 kg；營(yíng)養(yǎng)液參考Hoagland’s全營(yíng)養(yǎng)液，將其中氮素用15N同位素替代；供試的氮素采用豐度10.24%的尿素，受體為砂培水稻，品種為龍粳31，每桶3株稻苗，2016年5月20日插秧，8月10日收獲。水稻生長(zhǎng)至抽穗前期，扣塑料棚增溫，將水稻植株高溫逼熟后，取植株地上部于60 ℃下烘干至恒質(zhì)量后，剪切為10 cm左右密封備用。收獲后測(cè)定秸稈含氮量13.947 g/kg，含碳量770.43 g/kg?？紤]到水稻植株對(duì)普通氮素和15N吸收并無(wú)選擇性，因此15N豐度不會(huì)發(fā)生變化，仍為10.24%。

秸稈氮吸收試驗(yàn)于2017年春在水田中進(jìn)行，即在水田入水前將高30 cm、直徑40 cm無(wú)底塑料桶埋入土壤中，底部充填15 cm白漿層，壓實(shí)至容重1.5 g/cm3，再裝填過(guò)直徑2 mm篩的耕層土，構(gòu)成20 cm厚的表層。

試驗(yàn)設(shè)15N標(biāo)記秸稈（T1）和15N標(biāo)記水稻秸稈+調(diào)氮（T2）2個(gè)處理。秸稈用量為96.38 g/桶，相當(dāng)于每桶投入1.344g秸稈氮；不調(diào)氮處理施肥量純N、P2O5、K2O分別按1.50 g/桶、1.20 g/桶、0.75 g/桶施用。調(diào)氮處理在基肥中增施純N1.13g/桶。

試驗(yàn)將15N標(biāo)記的秸稈、基肥均勻混入0～10 cm土壤中，壓實(shí)。插秧前注水，維持土壤表面水層3～5 cm，攪勻沉降后待插秧；插秧時(shí)間2017年5月25日，品種龍粳31，每桶3穴，每穴3株，每桶共9株，3次重復(fù)。肥料分配氮肥按照基肥40%、蘗肥30%、穗肥30%；磷肥作為基肥一次施入，鉀肥按照基肥60%、穗肥40%比例施入。調(diào)氮處理除基肥增施氮素外，其余與不調(diào)氮處理施肥量及方法一致。肥料品種分別為大慶產(chǎn)尿素（含N46%）、國(guó)產(chǎn)過(guò)磷酸鈣（含P2O517%）和硫酸鉀（含K2O 50%）。

1.3.2 秸稈還田下氮肥施用量試驗(yàn)

試驗(yàn)在秸稈還田條件下進(jìn)行，氮肥用量設(shè)4個(gè)水平，具體如表2。

表2 不同氮素用量設(shè)計(jì)表

試驗(yàn)分別在同一試驗(yàn)區(qū)的2個(gè)地塊進(jìn)行，其中一塊為地勢(shì)高爽，灌排設(shè)施完善，田間灌溉水能及時(shí)排出，稱之為排水良好田；另一塊地勢(shì)低洼，排水系統(tǒng)不完善，易滯水，灌溉水不能及時(shí)排出，稱之為排水不良田。供試的秸稈平均長(zhǎng)度為8～12 cm，還田量為8.25 t/hm2，小區(qū)面積5 m×10 m，3次重復(fù)，小區(qū)水分管理采用單灌單排的水分管理措施，秸稈還田方法及整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的病、蟲(chóng)、草田間管理方式同大田。試驗(yàn)于2016年開(kāi)始實(shí)施，連續(xù)進(jìn)行3 a。

1.3.3 不同減氮肥時(shí)期試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)（1）常規(guī)施氮、（2）均衡減氮、（3）基肥減氮、（4）蘗肥減氮、（5）穗肥減氮5個(gè)處理，水稻各生育時(shí)期具體施肥量如表3。

表3 不同減肥時(shí)期施氮量設(shè)計(jì)表

肥料品種，磷、鉀肥用量，以及供試的水稻秸稈長(zhǎng)度、秸稈還田量均同1.3.2所述。試驗(yàn)分別在同一試驗(yàn)區(qū)的2個(gè)地塊進(jìn)行，其中一塊為排水良好田；另一塊為排水不良田。與試驗(yàn)1.3.2的地塊相鄰，小區(qū)面積5 m×10 m，每處理3次重復(fù)。雖然2個(gè)地塊排水能力不一致，但排水時(shí)間和灌溉時(shí)間均一致，灌水量保持水層3～5 cm深，每個(gè)小區(qū)單灌單排，秸稈還田方法及整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的病、蟲(chóng)、草田間管理各小區(qū)一致，試驗(yàn)于2017－2018年進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.115N同位素示蹤試驗(yàn)植株氮素累積量測(cè)定

于水稻成熟期將15N同位素示蹤試驗(yàn)的試驗(yàn)植株全部收回，按照莖稈、葉鞘、葉片和籽粒等不同器官進(jìn)行分離，所有植株樣品均由清水和去離子水多次清洗，于105 ℃殺青30 min后，75 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱其質(zhì)量，粉碎后過(guò)1 mm篩保存?zhèn)溆肹24]。

同位素15N豐度值的測(cè)定，測(cè)定儀器為Europa Scientifi公司生產(chǎn)的Integra CN專用同位素質(zhì)譜儀。供試秸稈的15N豐度與15N標(biāo)記氮素一致。

莖葉15N累積量=（植株莖葉15N豐度－自然豐度）

×莖葉N累積量 （1）

籽粒15N累積量=（植株籽粒15N豐度－自然豐度）

×籽粒N累積量 （2）

植株15N累積量=莖葉15N累積量+籽粒15N累積量（3）

植株15N累積量比例=100%×植株15N累積量÷

（植株15N累積量+植株土壤和肥料氮累積量）（4）

水稻吸收氮來(lái)源于15N標(biāo)記水稻秸稈的比例：

秸稈氮素利用率=100%×（水稻15N豐度－自然豐度）÷（15N標(biāo)記水稻秸稈的豐度－自然豐度）[25]（5）

1.4.2 土壤取樣及測(cè)定方法

于2017年秋季進(jìn)行土壤取樣，土壤樣品采樣方法：每個(gè)小區(qū)按照S型取樣方法取5點(diǎn)，取0~20cm土層土壤，5點(diǎn)土壤混合后按照四分法留500g左右土樣帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用擴(kuò)散吸收法測(cè)定[24]。

1.4.3 水稻產(chǎn)量測(cè)定

桶試驗(yàn)水稻產(chǎn)量測(cè)定，于水稻成熟期按每桶分株收獲，混合后測(cè)定；田間試驗(yàn)水稻產(chǎn)量測(cè)定，每小區(qū)按照對(duì)角線法3點(diǎn)取樣，每點(diǎn)1 m2，脫水后實(shí)測(cè)單位平方米面積水稻產(chǎn)量，籽實(shí)按含水量14%折算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用 Excel2003及 DPS 6.85處理數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈氮素吸收量

從表4看出，水稻生育期間地上部氮素累積吸收量為1 348.5～1 374.18 mg/桶，其中土壤+肥料氮貢獻(xiàn)率為92.52%～93.51%，秸稈氮貢獻(xiàn)率為6.49%～7.48%；秸稈氮比例，調(diào)氮比不調(diào)氮處理高0.99百分點(diǎn)，說(shuō)明調(diào)氮有利于秸稈氮的礦化和吸收利用。莖葉氮素累積量為542.49～557.19g/桶，其中土壤+肥料氮貢獻(xiàn)率為96.74%～93.51%，秸稈氮貢獻(xiàn)率為3.26%～4.16%；籽實(shí)氮素累積量為806.01～816.99 g/桶，其中土壤+肥料氮貢獻(xiàn)率為90.26%～91.33%，秸稈氮貢獻(xiàn)率為8.67%～9.74%。秸稈氮對(duì)籽實(shí)貢獻(xiàn)率高于對(duì)莖葉，說(shuō)明這部分氮素是水稻生育中后期礦化的。

表4 不同氮源植株氮素累積量

注：T1表示15N標(biāo)記秸稈處理，T2表示15N標(biāo)記秸稈+調(diào)氮處理，下同；=/(+)×100%。

Note: T1 means treatment of15N sign straw, T2 means treatment of15N sign straw and regulation of nitrogen，the same as below;=/(+)×100%。

從表5中看出，秸稈氮素的總利用率為6.51%～7.65%，籽粒為5.20%～5.92%，莖葉1.31%～1.72%，調(diào)氮高于不調(diào)氮處理。由此可以推測(cè)，水稻秸稈還田可以替代大約6%～7%的氮素營(yíng)養(yǎng)。

表5 秸稈還田氮素利用率

2.2 氮素用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

為進(jìn)一步明確秸稈還田條件下氮肥用量，在草甸白漿土上開(kāi)展秸稈還田連續(xù)減氮試驗(yàn)，選擇2個(gè)田塊，一個(gè)是正常田塊，一個(gè)是排水不良田塊，連續(xù)3 a測(cè)定水稻產(chǎn)量，結(jié)果如表6。從表6中看出，在秸稈還田條件下連續(xù)3a減氮試驗(yàn)結(jié)果，不同排水條件下，產(chǎn)量表現(xiàn)差異明顯。在排水良好的正常田塊，秸稈還田條件下減氮10%處理，第1年比常規(guī)施肥對(duì)照增產(chǎn)6.9%，差異極顯著，3a平均增產(chǎn)6.17%；第2年增產(chǎn)11.6%，差異極顯著；第3年與對(duì)照產(chǎn)量無(wú)顯著差異。減氮20%、30%處理，第1年分別比對(duì)照減產(chǎn)7.3%、23.8%，差異極顯著，第2年分別增產(chǎn)2.7%、3.9%，增產(chǎn)不顯著；第3年分別減產(chǎn)3.6%和4.8%，減產(chǎn)極顯著。而在排水不良田，秸稈還田條件下減施氮肥，各年度均減產(chǎn)，尤其是第1年減產(chǎn)幅度大于后兩年，隨秸稈還田年份增加，減產(chǎn)幅度有降低趨勢(shì)，與秸稈還田后氮素在土壤中逐年累積有關(guān)。

表6 減肥對(duì)不同排水條件水稻產(chǎn)量的影響

注：小寫(xiě)字母代表在0.05水平差異性顯著，大寫(xiě)字母代表在0.01水平差異性顯著，下同。

Note: Lowercase letters represent significant differences at 0.05 levels, and uppercase letters represent significant differences at 0.01 levels, the same as below.

綜上所述，秸稈還田條件下，正常排水地塊連續(xù)3a比常規(guī)施氮減少10%不會(huì)降低水稻產(chǎn)量，減氮20%以上會(huì)導(dǎo)致明顯減產(chǎn)。而排水不良或滯水地塊，秸稈還田初期不適合減氮。

2.3 水稻不同生育期氮素用量對(duì)產(chǎn)量的影響

為進(jìn)一步明確不同時(shí)期減氮對(duì)水稻產(chǎn)量影響，分別在排水良好田和排水不良田設(shè)置減氮時(shí)期試驗(yàn)，產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果如表7所示。

表7 不同生育期氮素用量對(duì)水稻產(chǎn)量影響

從表7中看出，排水良好田，均衡減氮和基肥減氮處理比常規(guī)施肥對(duì)照增產(chǎn)顯著；但蘗肥減氮和穗肥減氮處理減產(chǎn)極顯著，分別減產(chǎn)5.1%和22.4%。排水不良田，均衡減氮處理與常規(guī)施氮對(duì)照產(chǎn)量持平；但基肥減氮、糵肥減氮處理減產(chǎn)極顯著，分別減產(chǎn)17.1%和15.2%；而穗肥減氮比對(duì)照僅減產(chǎn)4.8%。

2.4 土壤氮素變化

從表8土壤全氮和有效氮來(lái)看，不同排水條件下，秸稈還田對(duì)土壤氮素積累表現(xiàn)不同的趨勢(shì)，排水良好田，土壤全氮隨減施氮素量增加，土壤全氮有降低趨勢(shì)，但差異不顯著，土壤堿解氮也隨氮素施用量降低呈降低趨勢(shì)；排水不良田則表現(xiàn)相反趨勢(shì)，秸稈還田后，隨氮素施用量降低，土壤全氮和堿解氮量增加，減施氮素量處理間土壤堿解氮含量差異不顯著。

表8 不同處理土壤氮素變化

3 討 論

秸稈還田在一定程度上作為氮肥的補(bǔ)充，可以為作物提供氮素營(yíng)養(yǎng)，然而秸稈氮的生物有效性受到秸稈碳氮比、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量等因素的影響。因此研究還田秸稈的氮素轉(zhuǎn)化與利用可以為進(jìn)一步優(yōu)化氮肥施用提供重要參考。

在黑龍江寒冷的氣候條件下，水稻秸稈還田一年內(nèi)（8.25 t/hm2），可向土壤中釋放氮素40%～60%[26-28]，按照秸稈平均含氮量0.5%計(jì)算，秸稈氮素釋放量約16.5～24.75 kg/hm2，按養(yǎng)分利用率30%計(jì)，水稻可吸收5.0～7.4 kg/hm2秸稈氮素，按照水稻氮素累積量約100 kg/hm2，約占水稻吸收總氮的5.0%～7.4%；這與本試驗(yàn)15N同位素示蹤法得到的水稻吸收總氮素中有6.5%～7.5%氮素來(lái)源于秸稈的結(jié)果十分接近，根據(jù)養(yǎng)分歸還學(xué)說(shuō)，秸稈還田是可以部分替代部分化肥的。不同的土壤條件對(duì)秸稈氮素的利用是有差異的，高肥力土壤秸稈氮的利用率要低于低肥力土壤。張金濤[29]的研究發(fā)現(xiàn)，在低氮土壤上，玉米秸稈還田而不施氮肥，成熟期小麥吸氮量的30%來(lái)源于還田秸稈；玉米秸稈還田同時(shí)配施中量氮肥，小麥吸氮量的10%來(lái)源于還田秸稈；配施高量氮肥的這一比例是7.6%。白漿土土壤肥力相對(duì)中國(guó)土壤肥力水平較高，秸稈氮的利用率與張金濤的試驗(yàn)高肥力水平秸稈利用率接近。秸稈還田調(diào)節(jié)氮素有利于提高秸稈氮和土壤氮的利用率，Mohanty等[30]研究也發(fā)現(xiàn)，在無(wú)外源氮素添加的情況下，無(wú)論小麥或水稻秸稈施用量是多少，土壤中的礦質(zhì)氮在兩周內(nèi)就會(huì)被完全固定。Ding等[31]研究不同氮素水平下玉米秸稈氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程表明，在玉米秸稈分解前期，配施少量氮肥的秸稈氮大部分轉(zhuǎn)化為氨基糖態(tài)氮，而配施中量和高量氮肥的在后期秸稈氮轉(zhuǎn)化為氨基糖態(tài)氮的比例增加，說(shuō)明增加氮肥的施用會(huì)減緩微生物固氮的過(guò)程。

根據(jù)本地區(qū)秸稈氮素的利用率不高，在施用秸稈后，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)臏p氮，達(dá)到秸稈還田替代氮素的作用。Alison等[32]在Maxwell的研究表明，秸稈還田可以維持土壤三年的氮素供應(yīng)，說(shuō)明在秸稈氮素可以代替部分作物吸收的肥料氮素。這與本研究的排水良好地塊結(jié)論較為一致，根據(jù)大田秸稈還田減氮肥試驗(yàn)結(jié)果，在常規(guī)施氮量124 kg/hm2條件下，排水良好田連續(xù)秸稈還田3年，減氮肥10%不會(huì)造成水稻減產(chǎn)，而且在連續(xù)還田期間減氮有增產(chǎn)的作用，說(shuō)明秸稈還田提高了土壤氮素的利用率，從土壤有效氮素降低也能說(shuō)明這一點(diǎn)。因此，秸稈還田后氮素施用量應(yīng)調(diào)節(jié)為110 kg/hm2為宜，由于水稻秸稈氮素利用率相對(duì)較低，秸稈還田后減氮不宜超過(guò)原施氮量的10%。而在排水不良田，雖然秸稈全量還田，但減氮會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量明顯降低，與排水良好田結(jié)果不一致，這與秸稈還田后在土壤中腐解、土壤氮素的礦化和利用密切相關(guān)，正常條件下，秸稈氮利用率為7%左右，氮素施用減少10%不減產(chǎn)，但排水不良田長(zhǎng)期處于淹水和滯水狀態(tài)，土溫低，土壤養(yǎng)分礦化速度慢，從土壤調(diào)查看，在排水不良田里氮素分解慢，積累量提高，這類土壤發(fā)老苗而不發(fā)小苗，在秸稈還田初期，土壤中的氮素礦化速度慢，不能滿足秸稈腐解需求，必然會(huì)利用施入肥料的養(yǎng)分，導(dǎo)致水稻生育不良，減產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，所以排水不良田生育初期，施用高量氮素是水稻穩(wěn)產(chǎn)的保證，水稻初期不適合減氮。梁斌等[33]在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與單施尿素處理相比，秸稈與尿素配施顯著降低了小麥產(chǎn)量和氮素利用率，主要是降低了小麥對(duì)施入氮素的吸收利用，這與土壤氮素礦化速度慢，秸稈腐解對(duì)施入肥料氮素的固定有關(guān)。南雄雄等[34]研究證實(shí)不同土壤水分條件，影響著秸稈的礦化和養(yǎng)分的釋放速度。秸稈直接還田后，秸稈中大量有機(jī)碳的介入會(huì)使土壤氮礦化/固持時(shí)間發(fā)生重大變化，前期將進(jìn)行強(qiáng)烈的氮素生物固持作用，使土壤微生物與作物爭(zhēng)氮素，產(chǎn)生“氮饑餓”現(xiàn)象，后期又進(jìn)行相對(duì)強(qiáng)烈的有機(jī)氮的礦化作用，使土壤有效氮含量大幅提高[35-37]。從土壤氮素調(diào)查數(shù)據(jù)看，排水不良土壤全氮和堿解氮含量氮含量均高于排水良好田，說(shuō)明秸稈還田前期生物固定的氮素在水稻生育后期釋放，生物前期固定的氮素在水稻生育后期雖然被釋放到土壤中，但與水稻生長(zhǎng)的需肥時(shí)期已不吻合，不能被作物利用，在土壤中得到積累，所以排水不良田即使土壤氮素含量高，但可供當(dāng)季植物有效利用的利用率低，減氮量大，水稻減產(chǎn)明顯，減氮量越大，土壤氮素含量越高，與水稻長(zhǎng)勢(shì)不良，從土壤中吸收養(yǎng)分量降低有關(guān)。隨還田年限增加，減氮處理間產(chǎn)量差距變小，說(shuō)明秸稈連續(xù)還田，向土壤中釋放的氮素總量增加肥力，減輕的秸稈腐解與水稻生長(zhǎng)爭(zhēng)養(yǎng)的矛盾，水稻產(chǎn)量在不同施氮量間差異減少。排水良好田，配合水稻生產(chǎn)中的淺、濕、干間歇灌溉，能夠達(dá)到預(yù)期的土壤水分狀態(tài)，土壤處于氧化還原交替狀態(tài)，土溫高，微生物活性高，土壤氮素礦化率高，可以為秸稈腐解初期提供養(yǎng)分、緩解秸稈與作物生育初期的爭(zhēng)氮現(xiàn)象，所以排水良好田初期減氮不會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低，適當(dāng)?shù)臏p氮還可以降低水稻生育初期生育過(guò)旺的現(xiàn)象看，秸稈腐解后釋放的氮素可為水稻中、后期生育提供養(yǎng)分，良好排水田充分利用了秸稈氮，也提高了作物對(duì)土壤氮素利用率，所以土壤堿解氮降低，但全氮沒(méi)有明顯變化。肖小平等[38]研究認(rèn)為，稻草還田下短期內(nèi)的減氮不會(huì)顯著降低土壤的全氮庫(kù)容，但會(huì)顯著降低土壤的堿解氮庫(kù)容，可顯著降低氮素?fù)p失，提高氮素利用率。適量減施氮素的水稻產(chǎn)量得到提高，相反氮素過(guò)多或過(guò)少，對(duì)水稻生長(zhǎng)均是負(fù)效應(yīng)，前期大量試驗(yàn)證實(shí)了氮素與水稻產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系這一觀點(diǎn)[39-40]。白漿土秸稈還田后氮素也只有調(diào)整到最佳施肥量才能保證水稻高產(chǎn)。

氮素調(diào)整不僅要調(diào)整施用量，調(diào)整時(shí)期對(duì)水稻產(chǎn)量影響也很重要。氮素施用時(shí)期調(diào)整要以土壤為前提條件，不同土壤供氮特性不同，同類土壤不同排水條件，土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過(guò)程和利用率也有差異。從本研究的施用時(shí)期的調(diào)控試驗(yàn)看，氮素運(yùn)籌以在各施氮時(shí)期均衡調(diào)氮為宜；但也可以因地制宜，排水良好田由于水分排出及時(shí)，還原性有害物質(zhì)少，土溫高[41-44]，利于有機(jī)質(zhì)分解和土壤氮礦化，土壤氮有效性高[45-47]，故也可考慮減少基肥用量，但不可以降低分蘗肥和穗肥用量；排水不良田土壤長(zhǎng)期處滯水，土溫低，養(yǎng)分釋放緩慢，水稻苗期因缺氮而生育受阻[48]，而生育后期隨氣溫升高有機(jī)氮礦化速度高，氮供應(yīng)強(qiáng)度大，因此可以適當(dāng)減少穗肥[49-50]。

秸稈還田作為全球有機(jī)農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)維持農(nóng)田肥力，減少化肥使用，提高陸地土壤碳匯能力具有積極作用。秸稈還田主要通過(guò)提高氮肥利用率來(lái)改善農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境，獲得高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。有效的秸稈還田能為土壤中的微生物提供豐富的碳源，刺激微生物活性，提高土壤肥力；同時(shí)礦化的秸稈組分能促進(jìn)土壤氮循環(huán)和礦化，提高氮素有效性[51]。

4 結(jié) 論

1）秸稈還田可提供水稻生長(zhǎng)所需氮素。15N示蹤試驗(yàn)說(shuō)明，秸稈氮素貢獻(xiàn)率為水稻總氮素累積量的6.49%～7.48%，秸稈還田+調(diào)氮處理有利于秸稈氮吸收利用；莖葉氮素中，秸稈氮貢獻(xiàn)率為3.26%～4.16%；籽粒氮素中，秸稈氮貢獻(xiàn)率為8.67%～9.74%；秸稈氮對(duì)水稻籽粒氮的貢獻(xiàn)率高于莖葉；秸稈氮素當(dāng)年總利用率為秸稈的6.51%～7.65%，調(diào)氮可增加秸稈氮素利用率，但差異不顯著。

2）秸稈還田條件下減氮要以秸稈氮素利用率為前提，以土壤具體特性為參考。排水性好的白漿土可適當(dāng)減施氮肥，連續(xù)3 a減氮10%，水稻產(chǎn)量第1、2年增產(chǎn)6.9%和11.6%，第3年與對(duì)照持平；減氮時(shí)期以減施基肥和各時(shí)期均衡減氮為宜，減氮量超過(guò)20%水稻減產(chǎn)，且產(chǎn)量年際間不穩(wěn)定。排水不良田不適合減氮，各時(shí)期均衡減氮對(duì)水稻產(chǎn)量影響較小。

三江平原草甸白漿土秸稈還田后正常排水條件的土壤氮素施用量應(yīng)調(diào)節(jié)為110 kg/hm2為宜，排水性差的滯水土壤施氮量以120 kg/hm2為宜，還田多年后可適當(dāng)減氮。

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Nitrogen utilization efficiency of rice straw and effect of nitrogen regulation technology on yield in meadow albic soil

Wang Qiuju1,2, Jiao Feng3※, Liu Feng1, Chi Fengqin1, Jiang Hui4, Li Pengfei5

(1.150086,; 2.150086,; 3.,163319,; 4.150086,; 5.156331,)

Straw returning to the filed can not only improve soil fertility, but also alleviate the imbalance of nitrogen, phosphorus and potassium, improve crop yield and quality, and reduce the cost of agricultural production. Rice straw is decomposed gradually by microorganisms in the soil, which can release nitrogen to the soil for rice growth. Nitrogen released from straw can be divided into expended nitrogen and nitrogen retained in soil. Expended nitrogen can be further divided into nitrogen absorbed by plant and lost nitrogen.15N tracer technology is an effective means to study the nitrogen budget of farmland, by which we can accurately grasp the status of nitrogen utilization and residue, and analyze the nitrogen utilization efficiency of straw. Understanding the utilization rate of straw nitrogen is the premise of fertilization regulation and control. Heilongjiang Province still lacks the utilization rate of nitrogen in rice straw and the technical achievements of nitrogen regulation and control under straw returning conditions. In this paper, we take Qianjin Farm(132°17′E,47°34′N), Sanjiang Plain as test site and the albic soil as the test soil. we conduct a series of experiments during nitrogen regulation and control period including15N straw labeling tracer test and straw returning nitrogen optimization test, the utilization rate of nitrogen in straw after rice straw returns to the albic soil is defined and the optimized application technology of nitrogen fertilizer after rice straw returns to the albic soil is summarized, so as to provide theoretical basis and technical guidance for optimized application of nitrogen fertilizer after straw returns to the field. The results showed that, according to15N isotope tracer, the contribution rate of straw nitrogen in the albic soil to rice plant nitrogen accumulation was 6.49%-7.48%, 3.26%-4.16% to stem and leaf nitrogen accumulation, 8.67%-9.74% to seed; the total nitrogen use efficiency of straw was 6.51%-7.65% in the current year, and the adjustment of C/N ratio was beneficial to improving straw nitrogen utilization rate. Field experiments showed that the nitrogen application rate under straw returning was 10% lower than that under conventional nitrogen application for three consecutive years, and the field with good drainage had the effect of increasing yield, with the average yield increase by 6.17% for three years, and the yield with the reduction of nitrogen by more than 20% was low and unstable. Balanced and basal nitrogen reduction was suitable in nitrogen reduction period, and the yield was reduced significantly in case of fertilizer for tillering and panicle with nitrogen reduction; the field with poor drainage was not suitable for nitrogen reduction, otherwise, it led to yield reduction. There are differences in nitrogen regulation and control after straw returns to different kinds of soil. The corresponding measures for nitrogen management should be formulated according to soil conditions.

soils; straw; nitrogen; albic soil; straw returning to the field;15N marker; nitrogen utilization rate; nitrogen regulation and control; yield

2018-12-08

2019-02-28

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD23B05）和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300902-05）資助

王秋菊，博士，副研究員。主要從事土壤改良研究。Email：bqjwang@126.com

焦 峰，教授，從事土壤化學(xué)研究。Email：jiaofeng1980@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.010

S511

A

1002-6819(2019)-11-0086-09

王秋菊，焦 峰，劉 峰，遲鳳琴，姜 輝，李鵬緋.草甸白漿土稻稈氮利用效率及氮素調(diào)控對(duì)水稻產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：86－94. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.010 http://www.tcsae.org

Wang Qiuju, Jiao Feng, Liu Feng, Chi Fengqin, Jiang Hui, Li Pengfei. Nitrogen utilization efficiency of rice straw and effect of nitrogen regulation technology on yield in meadow albic soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 86－94. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.010 http://www.tcsae.org