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        浙北地區(qū)秸稈全量還田下氮肥用量對單季晚粳稻生長和土壤養(yǎng)分、碳庫的影響

        2021-02-05 09:06:08王保君金海剛張紅梅沈亞強魯晨妮程旺大
        水土保持研究 2021年2期
        關(guān)鍵詞:齊穗單季全量

        王保君, 金海剛, 張紅梅, 沈亞強, 陳 貴, 魯晨妮, 程旺大

        (1.嘉興市農(nóng)業(yè)科學研究院 生態(tài)環(huán)境研究所, 浙江 嘉興 314016; 2.海寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,浙江 嘉興 314400; 3.嘉興市農(nóng)業(yè)科學研究院 生物技術(shù)研究所, 浙江 嘉興 314016)

        水稻是我國重要的糧食作物,同時也是栽培過程中耗氮量較高的作物[1]。氮肥作為提高水稻產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素[2],過量施用不僅促使水稻徒長,田間病蟲害加重,水稻子粒的充實度下降[3],而且會造成土壤肥力下降[4]。此外,氮肥施用越多,流失到環(huán)境中的風險也隨之增加,勢必對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成不利影響[4]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在“十三五”規(guī)劃中明確提出,截至2020年要實現(xiàn)化肥使用量零增長的目標[5]。因此,在當前水稻生產(chǎn)過程中,明確合理的氮肥用量顯得尤為重要。

        作物秸稈作為可再生資源,氮、磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量比較豐富。秸稈還田可以循環(huán)補充土壤養(yǎng)分,是我國秸稈資源化利用的主要方式[6],也是提高氮肥利用率的有效途徑[7]。但是由于稻草的碳氮比(C/N)較高,稻草還田會爭奪土壤中的養(yǎng)分,短時間內(nèi)降低土壤有效氮含量,從而造成水稻生長前期缺氮的現(xiàn)象[8]。因此,在水稻秸稈全量還田下,合理的施用氮肥對土壤培肥和水稻增產(chǎn)都具有重要的意義。關(guān)于秸稈還田和氮肥調(diào)控對水稻生長和土壤質(zhì)量方面的報道不少[9-10]。但是,大多數(shù)報道只側(cè)重于秸稈還田和氮肥調(diào)控對水稻生長或土壤質(zhì)量等單方面的研究[11-12]。其中,裴鵬剛等[8]研究表明,秸稈還田耦合氮肥可以促進水稻莖蘗發(fā)生和有效穗形成,增加光合同化物積累;張剛等[13]研究發(fā)現(xiàn),在麥秸全量還田下,合理的施用氮肥,可以減少氮肥損失,提高氮肥利用率,增加水稻產(chǎn)量;王倩倩等[14]研究發(fā)現(xiàn),在秸稈還田條件下,氮磷鉀合理配施以及添加微生物菌劑可以提高土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性;徐學池等[15]研究發(fā)現(xiàn),在秸稈還田條件下,施用氮肥對土壤革蘭氏菌群落結(jié)構(gòu)、可溶性有機碳含量以及有機碳礦化速率產(chǎn)生一定程度的影響。目前,單季晚粳稻已經(jīng)成為浙江省糧食生產(chǎn)的主體種植模式。然而,在秸稈全量還田背景下,關(guān)于浙北地區(qū)氮肥調(diào)控對單季晚粳稻生長和稻田土壤方面影響的研究很少。本研究通過大田小區(qū)試驗,以浙北地區(qū)種植面積最大的單季晚粳稻為研究對象,研究秸稈全量還田下,氮肥調(diào)控對單季晚粳稻生長和土壤養(yǎng)分、碳庫的影響,以期為浙北地區(qū)單季晚粳稻綠色高質(zhì)量生產(chǎn),提供合理的施肥策略,優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源利用提供科學依據(jù)。

        1 試驗區(qū)概況

        浙江北部水稻區(qū)主要包括嘉興市、湖州市和杭州市北部,其中嘉興市種植面積最大,歷來是浙江省水稻主產(chǎn)區(qū),目前以單季常規(guī)晚粳稻種植為主,2019年單季常規(guī)晚粳稻種植面積占全市水稻面積的80.6%。試驗于2017年在浙江省嘉興市秀洲區(qū)王江涇鎮(zhèn)雙橋村嘉興市農(nóng)科院試驗園區(qū)(120°42′42″E,30°50′20″N)進行。試驗區(qū)域位于浙江省北部,屬于亞熱帶季風氣候區(qū),年平均氣溫15.5℃,年均降水量1 194 mm,年均日照時數(shù)1 950 h,無霜期245 d。試驗地為青紫泥土,試驗條件能較好代表當?shù)厣a(chǎn)一般水平,0—20 cm土層基本養(yǎng)分狀況為:有機質(zhì)30.28 g/kg,全氮2.31 g/kg,速效磷13.52 mg/kg,速效鉀56.13 mg/kg,銨態(tài)氮21.52 mg/kg,硝態(tài)氮6.28 mg/kg,pH值6.45。2017年試驗點月平均溫度和降水情況見圖1。

        圖1 2017年試驗點降水和氣溫變化

        2 試驗設計與數(shù)據(jù)處理

        2.1 試驗設計與大田管理

        本試驗試供的常規(guī)晚粳稻品種為“秀水134”,當水稻葉齡5葉時,于2017年6月25日進行人工移栽,行株距為20 cm×16.7 cm,每穴2株。

        試驗根據(jù)當?shù)厥┓仕?以純氮計),設置4個處理:N0,不施氮;NL,165 kg/hm2;NM,240 kg/hm2;NH,315 kg/hm2。按隨機區(qū)組排列,3次重復,共12個小區(qū)。小區(qū)面積為36 m2(6 m×6 m),各小區(qū)筑埂寬度為40 cm,用塑料薄膜包裹,防止肥水互串。秸稈全量還田操作流程:根據(jù)當?shù)厣a(chǎn)實際情況,2016年水稻收獲后,通過人工粉碎將稻草粉碎成5~10 cm的秸稈全部還田,還田量約為7 500 kg/hm2,冬前翻耕曬垡,用于2017年開展試驗。試驗試供氮肥為中顆粒尿素(N≥46%,河南心連心化肥有限公司生產(chǎn)),試供鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%,中化化肥有限公司生產(chǎn)),試供磷肥為粒狀過磷酸鈣(P2O5≥12%,海鹽北洋磷原物質(zhì)有限公司生產(chǎn))。其中,氮肥基肥(2017年6月24日)、分蘗肥(2017年7月11日)、穗肥(2017年8月7日)施用比例為2∶1∶1,P,K肥施用量分別為42,150 kg/hm2,均作基肥施用(表1)。水稻生長期間各處理的水漿管理模式和病、蟲、草害防治措施保持一致。2017年11月13日進行水稻收獲。

        表1 各處理肥料施用量及施肥時間

        2.2 樣品采集及指標測定

        2.2.1 樣品采集 在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)分別取有代表性的水稻植株20穴,帶回實驗室用于測定水稻的干物質(zhì)重。水稻收獲前,每小區(qū)隨機取20穴水稻植株樣,用網(wǎng)袋裝好帶回實驗室,進行室內(nèi)考種(測定水稻的穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實率等指標)。在水稻收獲前1 d進行土樣采集,采用五點取樣法使用土鉆采集土層深度為0—20 cm的土壤樣品,混合均勻后帶回實驗室,用于土壤養(yǎng)分和碳庫的檢測。

        2.2.2 指標測定 各小區(qū)定點20穴作為觀測點,測量和統(tǒng)計水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)的株高和莖蘗數(shù);在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)測定水稻葉綠素含量、葉長、葉寬。其中,水稻葉綠素含量用SPAD-502測定(Konica minolta,日本),葉面積指數(shù)采用長×寬積系數(shù)法計算獲取[16];在水稻分蘗期(移栽后25 d)、齊穗期(移栽后45 d)和灌漿期(齊穗后20 d)取好的水稻植株樣,105℃下殺青30 min,80℃烘干至恒重后稱重,計算干物質(zhì)質(zhì)量;水稻收獲前,田間小區(qū)統(tǒng)計水稻穗數(shù),室內(nèi)考查穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重等指標。水稻理論產(chǎn)量通過有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重的乘積獲得。水稻成熟后,各小區(qū)單獨收割脫粒曬干,進行測產(chǎn)。

        采集的土壤全氮用半微量開氏消煮法[17]進行測定,銨態(tài)氮用靛酚藍比色法測定[17],硝態(tài)氮用紫外分光光度計測定[17],速效磷用碳酸氫鈉—鉬銻抗比色法測定[17],速效鉀用火焰光度計比色法測定[17]。土壤總有機碳和可溶性有機碳用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定[17-18],土壤易氧化有機碳用高錳酸鉀氧化比色法測定[19]。土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測定[20]。

        2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

        試驗數(shù)據(jù)用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA),采用LSD法進行多重比較,用Graphpad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2010軟件進行作圖制表。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻生長的影響

        3.1.1 對單季晚粳稻株高和分蘗數(shù)的影響 由圖2可知,在秸稈全量還田下,水稻株高和分蘗數(shù)隨著施氮量的增加而增加。各施氮處理在分蘗期和齊穗期的株高和分蘗數(shù)較不施氮處理均顯著(p<0.05)增高。同N0相比,NL,NM,NH分蘗期和齊穗期的株高分別顯著(p<0.05)增加了9.67%,10.64%,10.84%和7.36%,7.85%,11.30%;NL,NM,NH分蘗期和齊穗期的分蘗數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了50.00%,56.25%,96.87%和37.84%,54.06%,64.87%。秸稈全量還田下,3種施氮水平對水稻株高的影響差異不顯著。NH在水稻分蘗期的分蘗數(shù)較NL和NM處理分別顯著(p<0.05)增加了26.00%,31.25%。NH在水稻齊穗期的分蘗數(shù)較NL處理顯著(p<0.05)增加了23.23%。

        圖2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻株高和分蘗數(shù)的影響

        3.1.2 對單季晚粳稻葉面積指數(shù)的影響 由圖3可知,在秸稈全量還田下,隨著施氮量的增加,水稻生長在不同生育時期(分蘗期和齊穗期)的葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。與N0相比,NH分蘗期和齊穗期水稻葉面積指數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了21.77%,49.23%;NM齊穗期水稻葉面積指數(shù)顯著(p<0.05)增加了36.70%。在本試驗條件下,NM和NH處理在齊穗期的葉面積指數(shù)顯著(p<0.05)高于N0和NL處理。

        圖3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻葉面積指數(shù)的影響

        3.1.3 對單季晚粳稻葉綠素含量的影響 由圖4可知,在秸稈全量還田下,施用氮肥可以顯著增加水稻不同生育時期(分蘗期、齊穗期和灌漿期)葉綠素含量,同N0相比,NL,NM,NH分蘗期、齊穗期和灌漿期葉綠素含量分別顯著(p<0.05)增加了13.50%,17.93%,17.05%;11.01%,12.87%,17.54%;24.21%,29.69%,33.55%。

        圖4 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻葉綠素含量動態(tài)的影響

        3.1.4 對單季晚粳稻地上部分干物質(zhì)重的影響 由圖5可知,在秸稈全量還田下,隨著施氮量的增加,水稻分蘗期的地上部分干物質(zhì)重逐漸增加,在水稻灌漿期的地上部分干物質(zhì)重呈“先增后減”的趨勢。同N0相比,NM,NH分蘗期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了62.38%,88.35%;齊穗期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了79.58%,54.56%;NL,NM,NH灌漿期地上部分干物質(zhì)重分別顯著(p<0.05)增加了40.47%,86.67%,52.00%。在3種施氮水平下,灌漿期NM的地上部分干物質(zhì)重顯著(p<0.05)高于NL和NH施肥處理。

        圖5 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻地上部分干物質(zhì)重動態(tài)的影響

        3.1.5 對單季晚粳稻產(chǎn)量的影響 由表2可知,在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面,隨著施氮量的增加,水稻的有效穗數(shù)和理論產(chǎn)量均呈“先增后降”的趨勢,而水稻的千粒重卻逐漸減少。與N0相比,NL,NM,NH的穗數(shù)分別顯著(p<0.05)增加了40.00%,77.50%,58.00%;NM和NH的千粒重則分別顯著(p<0.05)降低了7.52%,8.48%。在實際產(chǎn)量方面,隨著施氮量的增加,水稻的實際產(chǎn)量呈“先增后降”的趨勢。同N0相比,NM和NH的水稻產(chǎn)量分別顯著(p<0.05)增加了51.70%,38.61%。在3種施氮水平中,NM的實際產(chǎn)量最高。

        表2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻產(chǎn)量的影響

        3.2 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻土壤養(yǎng)分的影響

        由表3可知,在秸稈全量還田下,隨著施氮量的增加,稻田土壤的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量逐漸增加,而土壤的速效磷和速效鉀含量呈“先增后降”的趨勢。同N0相比,NL的全氮、速效鉀含量顯著(p<0.05)增加了8.70%,7.96%;NM的全氮、速效鉀、速效磷和銨態(tài)氮含量分別顯著(p<0.05)增加了10.00%,31.86%,43.16%,24.99%;NH的全氮、速效鉀、速效磷和銨態(tài)氮含量分別顯著(p<0.05)增加了11.74%,13.86%,26.54%,59.13%。此外,3種施氮水平下,NM的速效磷含量較NL和NH處理分別顯著(p<0.05)增加了30.13%,13.13%;速效鉀含量較NL和NH處理分別(p<0.05)顯著增加了22.13%,15.81%。

        表3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻土壤養(yǎng)分的影響

        3.3 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻土壤碳庫的影響

        從圖6可以看出,在秸稈全量還田下,隨著施氮量的增加,稻田土壤的可溶性有機碳和微生物碳的含量均呈“先增加后降低”的趨勢。與N0相比,NL,NM,NH的可溶性有機碳分別顯著(p<0.05)增加了65.33%,88.47%,84.28%;微生物有機碳含量分別顯著(p<0.05)增加了18.81%,37.10%,30.94%。在3種施肥水平下,NM的可溶性有機碳和微生物有機碳含量較NL處理分別顯著(p<0.05)增加了13.99%,6.99%。此外,在本試驗條件下,在秸稈全量還田條件下,施用氮肥處理的稻田土壤總有機碳和易氧化有機碳含量差異不顯著,這可能與試驗開展年限有關(guān)。

        圖6 秸稈全量還田氮肥調(diào)控對單季晚粳稻土壤碳庫的影響

        4 討 論

        許多研究已表明,水稻秸稈全量還田配以合理的氮肥調(diào)控措施不僅可以促進水稻生長發(fā)育和改善稻田土壤品質(zhì),還可有效地降低氮肥濫用造成的環(huán)境污染問題。水稻分蘗對水稻總產(chǎn)量的貢獻占60%左右[21]。合理施用氮肥可以降低水稻無效分蘗發(fā)生,提高水稻成穗率。裴鵬剛等[8]研究表明,秸稈還田量為6 000 kg/hm2,施用270 kg/hm2氮肥可以促進水稻分蘗早發(fā),增加水稻分蘗數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn),在秸稈全量還田下,水稻分蘗期和齊穗期水稻分蘗數(shù)均隨著施氮量的增加而增加,而在水稻生長后期,中量施氮(240 kg/hm2純氮)的有效穗數(shù)最多,與前人的研究結(jié)果一致[22]。葉面積指數(shù)(LAI)作為反映葉片覆蓋度、作物長勢以及產(chǎn)量潛力的重要指標,對水稻生長和產(chǎn)量形成至關(guān)重要。張巍巍等[23]研究發(fā)現(xiàn),水稻齊穗期的LAI為5.0~8.0,灌漿期為4.0~6.0,容易實現(xiàn)高產(chǎn)。本研究表明,在秸稈全量還田下,LAI隨著施氮量的增加而增加,且各處理均在水稻抽穗期LAI達到最大值。葉綠素是光合作用的主要器官,參與光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化。本研究發(fā)現(xiàn),在秸稈全量還田下,高量施氮(315 kg/hm2純氮)在齊穗期和灌漿期的葉綠素含量最高,但水稻的實際產(chǎn)量并不是最高。這可能是因為在高量施氮條件下,水稻吸收的光能遠遠超過生理代謝需求,造成葉綠體“冗余”現(xiàn)象。此外,水稻群體較大,葉片間相互遮蔭,底層葉片光能吸收減弱,一定程度上降低了PSⅡ潛在活性和光合電子傳遞速率,導致群體光合效率降低,產(chǎn)量降低[24]。干物質(zhì)積累量是作物生長發(fā)育的重要指標,也是籽粒產(chǎn)量形成重要的影響因素,水稻抽穗后干物質(zhì)的生產(chǎn)與產(chǎn)量形成密切相關(guān)[25]。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈全量還田下,施用240 kg/hm2純氮水稻灌漿期地上部分干物質(zhì)重顯著高于其他處理,且收獲時產(chǎn)量最高。

        土壤養(yǎng)分是土壤肥力的內(nèi)在表征。在秸稈全量還田下,合理的配施氮肥可以改善土壤養(yǎng)分狀況。本試驗表明,秸稈全量還田,施用240 kg/hm2純氮土壤的速效磷和速效鉀含量均顯著高于其他處理,說明合理地施用氮肥可以促進秸稈腐解,有利于秸稈中磷、鉀養(yǎng)分的釋放[26]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),在秸稈全量還田下,土壤中銨態(tài)氮含量會隨著施氮量的增加而增加,氮肥用量是引起土壤銨態(tài)氮含量變化的重要因素[27]。

        秸稈還田不僅是我國秸稈資源化利用的主要方式,也是農(nóng)田碳源輸入的重要途徑。本研究發(fā)現(xiàn),在秸稈全量還田下,施氮水平對土壤可溶性碳和微生物碳的影響變化一致,且施氮水平為240 kg/hm2純氮時,可溶性有機碳和微生物有機碳含量最高。這可能是因為稻草秸稈中的含氮量較低,直接還田往往成為稻田土壤微生物群落豐盈度的限制因子[28]。在秸稈全量還田下,合理的施用氮肥可以促進調(diào)節(jié)土壤C/N,促進秸稈分解,為微生物的生長和發(fā)育提供大量碳源,提高土壤微生物活性[29]。同時,微生物大量繁殖通過植物根系分泌物產(chǎn)生大量的可溶性有機碳,從而提高了土壤可溶性有機碳含量[30]。

        5 結(jié) 論

        浙江北部地區(qū)在秸稈全量還田下,適宜的氮肥用量對促進單季晚粳稻的生長和改善土壤養(yǎng)分、碳庫含量的具有積極的作用。在水稻生長方面,秸稈全量還田,施用240 kg/hm2(NM)和315 kg/hm2(NH)的水稻分蘗數(shù)、株高、葉面積系數(shù)、葉綠素含量及地上部分干物質(zhì)重等各項指標均較優(yōu)。在土壤養(yǎng)分和碳庫方面,隨著施氮量的增加,稻田土壤速效鉀、速效磷、可溶性有機碳和微生物有機碳含量均呈“先增后減”的趨勢。其中,在秸稈全量還田下,施用240 kg/hm2(NM)純氮,土壤的速效磷和速效鉀含量顯著高于其他施肥處理,且土壤碳庫含量高于其他處理。在產(chǎn)量方面,在秸稈全量還田下,施用240 kg/hm2的氮肥的水稻產(chǎn)量最高。因此,在本試驗條件下,秸稈全量還田施用240 kg/hm2純氮是浙北地區(qū)單季晚粳稻種植較為適宜的氮肥調(diào)控模式。

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