張宇杰 王志強(qiáng) 馬鵬 楊志遠(yuǎn) 孫永健 馬均

麥稈還田下水氮耦合對(duì)水稻氮素吸收利用及產(chǎn)量的影響

張宇杰 王志強(qiáng) 馬鵬 楊志遠(yuǎn) 孫永健 馬均*

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 溫江 611130;*通信聯(lián)系人, E-mail: majunp2002@163.com)

【目的】研究麥稈還田下不同水氮耦合對(duì)麥茬雜交秈稻氮素吸收利用及產(chǎn)量的影響。【方法】以雜交稻F優(yōu)498為材料，設(shè)置不同水分處理方式(干濕交替灌溉、淹水灌溉)、氮肥運(yùn)籌[總氮150 kg/hm2，基肥∶蘗肥∶穗肥分別為3∶3∶4(N1)、7∶3∶0(N2)、不施氮(N0)]和秸稈還田(秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田)，測(cè)定還田秸稈氮素腐解率、水稻籽粒產(chǎn)量及主要生育時(shí)期各器官氮素吸收利用特征?！窘Y(jié)果】干濕交替灌溉促進(jìn)了秸稈氮素釋放，使水稻在拔節(jié)期后的地上部氮素積累量提高4.85%～33.92%，提高成熟期莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力，穗部氮素吸收量提高了10.73%～16.42%，最終提高有效穗數(shù)并增產(chǎn)2.51%～3.77%。秸稈還田釋放氮素營(yíng)養(yǎng)，提高拔節(jié)期后的水稻地上部氮素積累量5.15%～53.21%和成熟期葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力，提高穗部氮素吸收量4.93%～ 43.91%，最終增產(chǎn)9.62%～18.33%。施氮促進(jìn)了秸稈養(yǎng)分釋放，提高了水稻植株氮素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力，增加了有效穗數(shù)并顯著增產(chǎn)16.21%～28.31%。對(duì)比干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮(N1)模式與淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮(N2)模式，前者促進(jìn)了各時(shí)期的秸稈養(yǎng)分釋放，提高了地上部氮素積累能力和莖鞘及葉片的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力，并顯著提高了氮肥回收利用率7.27%～26.06%?！窘Y(jié)論】麥稈全量翻埋還田條件下，干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮的水氮耦合模式可促進(jìn)秸稈氮素釋放，有效提高水稻氮素積累及利用能力，提高氮肥回收利用率與水分利用率，為本研究中最適水肥耦合模式。

雜交秈稻；秸稈還田；水氮耦合；氮肥利用率；產(chǎn)量

我國(guó)水稻(L.) 高產(chǎn)栽培技術(shù)不斷創(chuàng)新，水稻產(chǎn)量逐年提升，但普遍建立在高氮肥用量之上。谷類作物化肥用量是我國(guó)農(nóng)作物化肥使用總量的主要貢獻(xiàn)因子[1]，其中以水稻的施肥水平最高。我國(guó)目前水稻大面積生產(chǎn)中，許多地區(qū)施氮達(dá)到250～350 kg/hm2，而實(shí)際起作用的只有150～200 kg/km2，這其中就有約30%的氮素?fù)p失[2]，氮肥施用量高但利用率低的問題尤其突出。我國(guó)人均水資源占有量不到世界平均水平，為水資源短缺國(guó)家。雖然近年來我國(guó)用水結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)穩(wěn)定提升至0.56，但距離發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距[3]。王浩等[4]認(rèn)為，我國(guó)水土資源錯(cuò)位加劇，農(nóng)業(yè)水資源脅迫度增加，未來農(nóng)業(yè)干旱缺水態(tài)勢(shì)還將進(jìn)一步加劇。我國(guó)秸稈總量居世界第一，在處理大量堆積秸稈時(shí)將秸稈用作肥料還田是最為快捷的處理辦法，且秸稈還田有利于土壤微粒團(tuán)聚，并且可以較快提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)[5]，對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。如今隨著水資源短缺問題的日益明顯及氮肥利用率的不斷下降，如何在秸稈還田條件下進(jìn)行合理的水肥管理，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)與水肥利用效率的協(xié)同提高，已成為我國(guó)水稻生產(chǎn)上亟待解決的問題。

我國(guó)目前常見的兩種水稻灌溉模式為傳統(tǒng)淹水灌溉與干濕交替灌溉，常規(guī)淹灌模式下，深層滲透現(xiàn)象和灌溉水田間流失現(xiàn)象嚴(yán)重，水分利用率低，且土壤養(yǎng)分易溶解流失[6, 7]。Belde等[8]研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉比淹水灌溉的用水量減少15%～ 18%。眾多學(xué)者[9-12]指出，干濕交替灌溉下水稻氮素吸收量和氮素利用率都顯著高于淹水灌溉，但也有學(xué)者[13]認(rèn)為，干濕交替灌溉減少了氮素在植株中的積累，反而降低了氮肥利用率。在節(jié)水灌溉模式下適宜的氮肥運(yùn)籌對(duì)提高水稻氮吸收利用及產(chǎn)量作用顯著[14]。張自常等[15]認(rèn)為，灌溉方式和氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響具有明顯的互作效應(yīng)。趙建紅等[16]也發(fā)現(xiàn)，灌溉方式和氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻群體各生育器官的氮素積累存在顯著影響，且兩者在莖葉的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、莖鞘的氮轉(zhuǎn)運(yùn)率、莖葉的氮貢獻(xiàn)率和穗氮增加量上存在極顯著的交互作用。秸稈還田可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但是秸稈腐解前期需要消耗大量氮素，如果土壤中氮素匱乏則分解秸稈的微生物會(huì)與水稻根系爭(zhēng)奪氮素營(yíng)養(yǎng)，并產(chǎn)生化感物質(zhì)對(duì)根系產(chǎn)生毒害作用，抑制根系生長(zhǎng)[17]。多名學(xué)者[18,19]研究表明，在秸稈還田條件下，氮肥施用量與灌水量對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量具有較大的影響，水稻產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。

眾學(xué)者目前針對(duì)水分管理、氮肥運(yùn)籌以及秸稈還田對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響已經(jīng)做了大量探索。本研究采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在水稻栽培中慣用的常規(guī)淹水灌溉和傳統(tǒng)施氮模式，與節(jié)水農(nóng)業(yè)推崇的干濕交替灌溉和適宜當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的優(yōu)化施氮模式[20]，在稻麥輪作基礎(chǔ)上取小麥前茬作為還田秸稈，對(duì)麥稈還田下不同水氮耦合對(duì)水稻氮素利用、產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)行進(jìn)一步探索，從多因素共同作用下探究秸稈氮素釋放規(guī)律，以明確水氮管理協(xié)同秸稈還田對(duì)水稻氮素吸收利用、產(chǎn)量形成的影響，以期為成都平原地區(qū)水稻綠色高產(chǎn)高效栽培提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019年和2020年在四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻所試驗(yàn)田進(jìn)行(N30°43′，E103°51′)。試驗(yàn)品種為中秈遲熟型雜交水稻F優(yōu)498，主莖17片葉片，5個(gè)莖節(jié)，兩年間實(shí)際生育期141～143 d。試驗(yàn)田土壤為砂壤土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1，水稻主要生育時(shí)期見表2，水稻全生育期氣象數(shù)據(jù)見圖1。兩年間自分蘗期開始日溫變化趨勢(shì)基本一致，2019年孕穗期降雨量偏高，2020年灌漿結(jié)實(shí)期降雨量偏高。

表1 耕層土壤(0－20 cm)基礎(chǔ)理化性質(zhì)

表2 水稻主要生育時(shí)期

表3 試驗(yàn)處理設(shè)置

W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。

W1 and W2, Alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2, Zero-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共6種水、氮、秸稈?cǎi)詈夏Ｊ?，如?所示。水分管理設(shè)干濕交替灌溉(W1)與淹水灌溉(W2) 兩種模式。干濕交替灌溉：淺水(1～2 cm)栽秧，移栽后5～7 d保持淺水層以確保秧苗返青成活，返青后至孕穗前保持田間濕潤(rùn)，不建立水層，土壤含水量約為飽和含水量70%～ 80%，無效分蘗期夠苗曬田，孕穗期保持淺水層，抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干至土壤水勢(shì)為?25 kPa再灌水至淺水層，循環(huán)至收獲前7 d斷水。傳統(tǒng)淹水灌溉：水稻移栽后整個(gè)生育期保持淺水層 (1～2 cm)，無效分蘗期夠苗曬田，之后保持淺水層 (觀察到水面接近土壤1 cm時(shí)開閘放水，保持淹水狀態(tài))，收獲前7 d斷水。在總施N量150 kg/hm2的基礎(chǔ)上，氮素處理設(shè)優(yōu)化施氮(N1)、傳統(tǒng)施氮(N2) 和不施氮(N0) 三種模式。其氮肥運(yùn)籌分別為基肥∶蘗肥∶穗肥為3∶3∶4和基肥∶蘗肥∶穗肥為7∶3∶0?；试谝圃郧? d施用，蘗肥在移栽后7 d施用，穗肥均分為促花肥和?；ǚ?，分別在倒4葉和倒2葉時(shí)等量施用。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P 12%)，施用量為75 kg/hm2，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，施用量為150 kg/hm2，磷、鉀肥作底肥一次性施用。

圖1 2019 – 2020年水稻生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量

Fig. 1. Mean temperature and precipitation during the growth seasons of rice in 2019 and 2020.

前茬為小麥，秸稈還田小區(qū)在前作收獲后將麥稈粉碎并全量翻埋還田，還田量約為5000 kg/hm2，秸稈不還田小區(qū)在小麥?zhǔn)斋@后將秸稈移出。收集部分麥稈，風(fēng)干后依照還田秸稈粉碎程度剪碎，裝入25 cm×15 cm的40目尼龍網(wǎng)袋中，每袋裝20 g，于水稻移栽后在秸稈還田小區(qū)每小區(qū)第3行與第7行每行等距取3點(diǎn)埋入裝有秸稈的尼龍網(wǎng)袋，深10 cm，水平放置，埋入時(shí)在袋中混入該小區(qū)原位土壤以輔助秸稈腐解，每小區(qū)共6個(gè)。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，一共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積13.5 m2，田埂用薄膜包覆，單灌單排，防止串水串肥。育秧方式采用旱育秧，人工移栽行株距為33.3 cm×16.7 cm。其他如病蟲草害防治等措施同當(dāng)?shù)匾话愦筇锼旧a(chǎn)管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 秸稈氮素釋放率

于水稻移栽后10 d、分蘗盛期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽穗期和成熟期分別取出預(yù)先埋下的裝有秸稈的尼龍網(wǎng)袋，洗凈烘干后測(cè)定剩余秸稈質(zhì)量，采用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測(cè)定秸稈樣的全氮含量。計(jì)算秸稈氮素釋放率，并將秸稈氮素釋放率隨秸稈還田天數(shù)變化的曲線擬合Michaelis- Menten方程，其中0代表秸稈氮素釋放率，代表秸稈還田天數(shù)，max值代表最大氮素釋放率，m值代表達(dá)到最大氮素釋放率的一半時(shí)所需要的天數(shù)。

秸稈氮素釋放率(%)=(原始秸稈質(zhì)量×原始秸稈氮素含量－剩余秸稈質(zhì)量×剩余秸稈氮素含量)/(原始秸稈質(zhì)量×原始秸稈氮素含量)×100%。

0=max[]/(m+[])。

1.3.2 植株氮素吸收利用特征

于水稻拔節(jié)期、抽穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)在各小區(qū)選取代表性植株5株，取植株地上部分，分葉、莖鞘、穗(抽穗期和成熟期)各器官在110℃下殺青1 h，在80 ℃下烘干，稱取干物質(zhì)量，粉碎過80目篩，采用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測(cè)定各器官的全氮含量。

氮素吸收量(kg/hm2)=該時(shí)期地上部干物質(zhì)量×含氮量；

氮素收獲指數(shù)(%)=穗部含氮量/地上部含氮量×100%；

氮-稻谷生產(chǎn)效率(kg/kg)=稻谷產(chǎn)量/成熟期植株氮素吸收總量；

氮肥回收利用率(%)=(施氮區(qū)植株總氮素吸收量–無氮區(qū)植株總氮素吸收量)/總施氮量× 100%；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量－無氮區(qū)稻谷產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株總氮素吸收量―無氮區(qū)植株總氮素吸收量)；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量－無氮區(qū)稻谷產(chǎn)量)/總施氮量；

莖鞘(葉片)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg/hm2)=抽穗期莖鞘(葉片)氮素積累量－成熟期莖鞘(葉片)氮素積累量；

莖鞘(葉片)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%)=莖鞘(葉片)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/穗部氮素吸收量× 100%。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

于水稻成熟期，每小區(qū)除邊行外隨機(jī)選取20穴，調(diào)查有效穗數(shù)，然后按平均莖蘗數(shù)在各小區(qū)除邊行外選取代表性植株5株，考查實(shí)粒數(shù)、秕粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。去除邊行后按實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016、Origin Pro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖，采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)Tukey檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合與秸稈還田對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表4可知，兩年間產(chǎn)量變化趨勢(shì)一致，但產(chǎn)量構(gòu)成因素之間存在差異。就水分管理而言，對(duì)比W1N0S0和W2N0S0，前者提高了有效穗數(shù)，增產(chǎn)2.51%～3.77%。就秸稈還田而言，對(duì)比W1N0S1和W1N0S0，前者降低了有效穗數(shù)但是提高了結(jié)實(shí)率和千粒重，顯著增產(chǎn)9.62%～18.33%；對(duì)比W2N0S1和W2N0S0，前者降低了每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，但是提高了有效穗數(shù)，顯著增產(chǎn)11.39%～15.25%。就氮素處理而言，對(duì)比W1N1S1、W2N2S1和其不施氮處理，兩種施氮處理均降低了結(jié)實(shí)率，但是增加了有效穗數(shù)，顯著增產(chǎn)16.21%～28.31%；對(duì)比W1N1S1和W2N2S1，前者降低了有效穗數(shù)，其他產(chǎn)量構(gòu)成因素在兩年間變化不一，最終前者產(chǎn)量高于后者0.33%～1.61%。

表4 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

數(shù)值格式為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達(dá)到5%顯著水平(=18,=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。

Mean ± standard deviation. Values flanked by different letters in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=18,=17). W1 and W2 are alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2 are non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0 are straw returning and no-straw returning, respectively.

不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達(dá)到5%顯著水平(n=12, df=11)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。T-10d、AS、JS、JS-10d、HS和MS分別為移栽后10 d、分蘗盛期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽穗期和成熟期。

Fig. 2. Effects of different water-nitrogen coupling on the nitrogen release rate of wheat straw.

W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。

Fig. 3. Michaelis-Menten equation fitting of straw nitrogen release rate with changing return days.

不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達(dá)到5%顯著水平(n=18, df=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。JS、HS和MS分別為拔節(jié)期、抽穗期和成熟期。

Fig. 4. Effects of different management patterns of water and fertilizer and straw returning on N accumulation of aboveground part of rice.

以上表明，各處理間產(chǎn)量構(gòu)成因素除有效穗數(shù)有顯著差異外，其余產(chǎn)量構(gòu)成因素雖然有變化但是差異都不顯著。與W2相比，W1可以通過提高有效穗數(shù)來提升產(chǎn)量。秸稈還田在不同水分管理模式下對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響也不同，在W1下秸稈還田會(huì)降低有效穗數(shù)，但能通過提高結(jié)實(shí)率和千粒重來獲得增產(chǎn)；在W2下秸稈還田會(huì)降低每穗實(shí)粒數(shù)與結(jié)實(shí)率，但是能顯著提高有效穗數(shù)來獲得增產(chǎn)。施用氮素可以顯著提高有效穗數(shù)，對(duì)比W1N1S1與W2N2S1，前者雖然有效穗數(shù)低，但是可以通過提高其他的產(chǎn)量構(gòu)成因素來獲得增產(chǎn)，具體表現(xiàn)為在2019年前者擁有更高的結(jié)實(shí)率與千粒重，在2020年前者擁有更高的每穗實(shí)粒數(shù)。

2.2 水氮耦合對(duì)秸稈氮素釋放規(guī)律的影響

由圖2可知，經(jīng)過整個(gè)水稻季腐解，小麥秸稈累計(jì)氮素釋放率為46.04%～53.37%(2019年)和47.26%～58.86%(2020年)。將秸稈氮素釋放率隨秸稈還田天數(shù)變化的曲線擬合Michaelis-Menten方程。其中值(0)代表秸稈氮素釋放率，值(S)代表秸稈還田天數(shù)，max值代表最大氮素釋放率，m值代表達(dá)到最大氮素釋放率的一半時(shí)所需要的天數(shù)。如圖3所示，擬合結(jié)果良好(0.946＞2＞0.993)。

由圖3可知，秸稈還田后0～30 d快速腐解，30 d后腐解速率逐漸放緩。腐解30 d時(shí)秸稈氮素釋放率表現(xiàn)為W1N1S1＞W(wǎng)1N0S1＞W(wǎng)2N2S1≈W2N0S1；觀察各方程后半段值，各處理間差異顯著且變化規(guī)律相同，可知在緩慢釋放期內(nèi)秸稈氮素釋放率為W1N1S1＞W(wǎng)1N0S1＞W(wǎng)2N2S1＞W(wǎng)2N0S1。結(jié)合圖3與圖2結(jié)果可知，在整個(gè)秸稈腐解時(shí)期均為W1N0S1＞W(wǎng)2N0S1和W1N1S1＞W(wǎng)2N2S1，且W1N1S1一直保持最高。說明W1可以提高秸稈的氮素釋放率，且W1耦合N1可以使秸稈氮素釋放速率達(dá)到最高。觀察各方程中m值， W1N1S1為8.861～10.944，W1N0S1為11.542～14.338，W2N2S1為12.946～16.244，W2N0S1為8.311～11.096，W1N1S1＜W2N2S1，說明W1N1S1達(dá)到最大氮素釋放率的一半所需要的天數(shù)少于W2N2S1。

可見，秸稈還田后0～30 d屬于快速腐解期，30 d后進(jìn)入緩速腐解期。在N0下，W1可以促進(jìn)秸稈的氮素釋放。施用氮肥后，W1N1在各時(shí)期均能有效促進(jìn)秸稈的氮素釋放，且其最大氮素釋放率和釋放率增長(zhǎng)速度均高于其他處理。

表5 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田對(duì)水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及利用的影響

數(shù)值格式為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達(dá)到5%顯著水平(=18,=17)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N0、N1和N2分別為不施氮肥、優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1和S0分別為秸稈全量翻埋還田、秸稈不還田。NUP為穗氮吸收量；HNI為氮素收獲指數(shù)；PRFN為氮-稻谷生產(chǎn)效率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by the Tukey test(=18,=17). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation, respectively. N0, N1 and N2. Non-nitrogen application, optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model, respectively. S1 and S0, Straw returning and no-straw returning, respectively. NUP is nitrogen uptake by panicle. HNI, Nitrogen harvest index. PRFN, Productivity of rice with nitrogen application.

2.3 水氮耦合與秸稈還田對(duì)水稻地上部氮素積累的影響

由圖4可知，就水分管理而言，對(duì)比W1N0S0和W2N0S0，二者在拔節(jié)期的地上部氮素積累量在兩年間存在差異，但在抽穗期和成熟期前者顯著高出后者8.68%～33.92%和4.85%～24.92%，表明W1較W2提高了水稻植株在生育后期的氮素吸收積累能力。就秸稈還田而言，W1N0S1在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期的地上部氮素積累量比W1N0S0顯著高出9.39%～15.93%、15.93%～19.61%和6.84%～ 15.81%；W2N0S1比W2N0S0高出16.70%～42.02%、5.15%～53.21%和26.90%～28.97%，表明秸稈還田能增強(qiáng)水稻植株拔節(jié)后的氮素吸收積累能力。就氮素處理而言，W1N1S1和W2N2S1均顯著高于其N0處理，且前者在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期分別比后者高出1.17%～2.58%、4.27%～11.89%和2.89%～ 3.24%，表明施用氮肥能顯著提升水稻的氮素吸收量，而W1耦合N1對(duì)水稻氮素吸收能力的提升大于W2耦合N2，二者在抽穗期時(shí)差異最明顯。

2.4 水氮耦合與秸稈還田對(duì)水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及利用的影響

由表5可知，就水分管理而言，對(duì)比W1N0S0和W2N0S0，前者的莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著提升了31.36%～46.06%，貢獻(xiàn)率顯著提升了15.07%～ 54.17%，葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和貢獻(xiàn)率增減并存，變化幅度分別為?3.73%～22.85%和?10.81%～29.62%，穗氮吸收量顯著增加了10.73%～16.42%，氮素收獲指數(shù)降低了4.71%～9.37%，氮-稻谷生產(chǎn)效率降低了0.23%～21.47%，表明W1可以提高莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力，也能提高穗部對(duì)氮素的吸收，而W2可以提高氮素收獲指數(shù)和氮-稻谷生產(chǎn)效率。就秸稈還田而言，W1N0S1的葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量相比W1N0S0顯著提升了31.12%～69.75%，貢獻(xiàn)率提升了10.32～69.94個(gè)百分點(diǎn)，穗氮吸收量提升了4.93%～6.96%；W2N0S1的葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量相比W2N0S0顯著提升了23.86%～52.29%，貢獻(xiàn)率提升了10.75～35.92個(gè)百分點(diǎn)，穗氮吸收量顯著提升了16.18%～43.91%。表明S1可以提高葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力和穗部氮素吸收能力。就氮肥運(yùn)籌而言，增施氮肥后W1N1S1和W2N2S1的莖鞘及葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、貢獻(xiàn)率、穗氮吸收量均顯著高于其他處理，表明施氮對(duì)水稻的氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累能力提升效果顯著；前者的莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和貢獻(xiàn)率分別顯著高于后者23.21%～41.28%和21.87%～26.67%，葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和貢獻(xiàn)率分別顯著高于后者17.53%～47.49%和7.39%～38.14%，穗氮吸收量高于后者0.7%～ 14.24%，氮素收獲指數(shù)也高于后者0.19%～10.92%，但是氮-稻谷生產(chǎn)效率低于后者0.57%～3.12%，表明W1N1S1能更有效地促進(jìn)水稻從抽穗期到成熟期時(shí)氮素向穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，但是因?yàn)槠涞厣喜糠e累氮素過多，反而導(dǎo)致了氮-稻谷生產(chǎn)效率的下降。除此之外，W1N1S1和W2N2S1的氮-稻谷生產(chǎn)效率也顯著低于其他N0處理和S0處理，表明隨著土壤中氮素含量的增加，水稻根系對(duì)氮素吸收速率的提升要快于穗部對(duì)氮素積累速率的提升。

由表6可知， W1N1S1的氮肥回收利用率比W2N2S1提高了7.27%～26.06%，但是氮肥生理利用率降低了19.86～23.65個(gè)百分點(diǎn)，氮肥農(nóng)學(xué)利用率兩年間存在差異。表明W1N1S1可以更有效地促進(jìn)水稻植株在生育期內(nèi)對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的吸收積累；W2N2S1對(duì)氮素的吸收量雖然不及前者，但是對(duì)氮素的利用效率更高。

表6 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田對(duì)水稻氮素利用的影響

數(shù)值格式為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間采用Tukey法比較差異達(dá)到5%顯著水平(=6,=5)。W1和W2分別為干濕交替灌溉、淹水灌溉；N1和N2分別為優(yōu)化施氮模式、傳統(tǒng)施氮模式；S1為秸稈全量翻埋還田。NUE為氮肥回收利用率；NPE為氮肥生理利用率；NAE為氮肥農(nóng)學(xué)利用率。

Mean ± standard deviation. Different letters after values in a column mean significant difference at the 0.05 level by Tukey test(=6,=5). W1 and W2, Alternating dry-wet irrigation and submerged irrigation. N1 and N2, Optimized nitrogen application mode and traditional fertilization model. S1, Straw returning. NUE, Nitrogen use efficiency. NPE, Nitrogen physiological efficiency. NAE, Nitrogen agronomic efficiency.

3 討論

3.1 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

干濕交替灌溉是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛的節(jié)水灌溉技術(shù)。徐國(guó)偉等[21]在不同水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量的影響研究中發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉與淹水灌溉相比，平均增產(chǎn)2.74%。在輕干濕交替灌溉耦合中氮施肥水平下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高，達(dá)18.3 kg/kg。Zhang等[22]研究表明，施用氮肥后秸稈還田的產(chǎn)量較秸稈不還田平均增產(chǎn)2.49%。秸稈還田配合氮肥施用可以提高土壤養(yǎng)分供給能力，對(duì)作物產(chǎn)量有明顯提高。嚴(yán)奉君等[23]研究發(fā)現(xiàn)在不同氮肥運(yùn)籌模式下，秸稈還田能增產(chǎn)6.5%～9.4%，且秸稈還田對(duì)水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)與千粒重有一定的調(diào)節(jié)作用。

本研究結(jié)果顯示，干濕交替灌溉可以提高有效穗數(shù)，使水稻增產(chǎn)2.51%～3.77%。秸稈還田在不同水分管理模式下對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響各有不同，在干濕交替灌溉下秸稈還田提高了結(jié)實(shí)率和千粒重，增產(chǎn)9.62%～18.33%；在淹水灌溉下秸稈還田提高了有效穗數(shù)，增產(chǎn)11.39%～15.25%；且秸稈還田后干濕交替灌溉的產(chǎn)量高于淹水灌溉0.87% ～6.54%。對(duì)比干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式和淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式，后者擁有更高的有效穗數(shù)，表明提高基蘗肥比例有明顯的增穗效應(yīng)，與王建明等[24]研究結(jié)果相符，但是前者的最終產(chǎn)量高于后者0.33%～1.61%。兩年試驗(yàn)結(jié)果顯示，產(chǎn)量均為W1N1S1＞W(wǎng)2N2S1＞W(wǎng)1N0S1＞W(wǎng)2N0S1＞W(wǎng)1N0S0＞W(wǎng)0N0S0。不同年份的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素有差異，2020年水稻結(jié)實(shí)率整體較低，可能是由于2020年8、9月份水稻灌漿結(jié)實(shí)期降雨量大、排水不及時(shí)，導(dǎo)致農(nóng)田濕漬害加重，結(jié)實(shí)率降低，但其每穗實(shí)粒數(shù)和有效穗數(shù)出現(xiàn)補(bǔ)償性生長(zhǎng)，故其產(chǎn)量變化不大。從節(jié)水與增產(chǎn)目的出發(fā)，在秸稈還田條件下干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式是本研究中最好的水氮耦合模式。

3.2 不同水氮耦合下秸稈氮素釋放率的差異

眾多學(xué)者[25,26]研究表明，作物秸稈還田后在微生物作用下逐步發(fā)生腐解，釋放出礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，其養(yǎng)分含量和腐解過程會(huì)受到秸稈品種類型、土壤理化性質(zhì)和還田方式等多種因素影響，養(yǎng)分釋放趨勢(shì)為隨腐解時(shí)間增加而升高并趨于穩(wěn)定。李廷亮等[27]經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同作物秸稈的氮素當(dāng)季釋放率為50%～60%，小麥秸稈的氮素釋放率平均為51.4%。

本研究結(jié)果表明，小麥秸稈還田30 d時(shí)，氮素釋放率達(dá)38.85%～44.83%，水稻全生育期氮素釋放率為46.06%～58.86%。小麥秸稈在翻埋還田一個(gè)月內(nèi)為快速腐解期，后進(jìn)入緩慢腐解期。干濕交替灌溉下秸稈氮素釋放率優(yōu)于淹水灌溉，這可能是由于秸稈中的木質(zhì)素、纖維素等組分需在有氧條件下進(jìn)行氧化、脫甲基、脫羧等一系列反應(yīng)，而干濕交替灌溉可以提高土壤氧含量，更有利于秸稈腐解。干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式的秸稈氮素釋放率為所有處理中最高，增速也最快，且在拔節(jié)期和拔節(jié)后10 d與其他處理的差異最顯著，這可能是因?yàn)樵摃r(shí)期進(jìn)行曬田處理，導(dǎo)致田面水層落空時(shí)間長(zhǎng)，土層氧氣含量充足并且溫度上升，好氧微生物活性提高并促進(jìn)了秸稈腐解。可見干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式為秸稈還田下的最適水氮耦合模式。

在水稻生育后期，部分處理下的秸稈氮素釋放率出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，前人研究中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象[28-30]。其原因可能是施用?；ǚ屎笸寥乐杏形幢桓滴盏亩嘤嗟馗患?，而成熟期水稻對(duì)土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)的需求減弱，富余的游離氮素沉降到尼龍網(wǎng)袋內(nèi)被秸稈殘?jiān)椒e累，導(dǎo)致尼龍網(wǎng)袋內(nèi)測(cè)量出的剩余秸稈氮素含量偏高；也可能是由于供試秸稈形態(tài)各異，越細(xì)小的秸稈擁有的比表面積越大，越容易與土壤環(huán)境中的微生物和酶接觸，在釋放等量養(yǎng)分的情況下其質(zhì)量降低較少，導(dǎo)致秸稈氮素釋放率計(jì)算值偏低。

3.3 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田下水稻氮素吸收利用特征

水稻的氮素吸收與利用是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素。除了不同種類的水稻有各自的氮素吸收利用特征外，水分管理、氮肥運(yùn)籌、秸稈還田等田間管理措施也是水稻氮素吸收利用的重要影響因素。李曉峰等[31]提出，氮素吸收利用率的變化幅度與氮肥運(yùn)籌密切相關(guān)，在氮肥運(yùn)籌7∶3的情況下秸稈還田處理的氮素積累量與利用率提高幅度最大；王建明等[24]也認(rèn)為，秸稈還田條件下水稻氮素吸收量隨著基蘗肥與穗肥比例的提高而提高；van Asten[32]等研究表明，秸稈還田能夠通過自身氮素分解固氮與增加外源氮素的固定量來提高氮肥利用率。

本研究結(jié)果顯示，干濕交替灌溉可以提高莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力和穗部氮素吸收能力，但是淹水灌溉下氮素收獲指數(shù)和氮-稻谷生產(chǎn)效率更高，這意味著淹水灌溉下的水稻地上部缺乏氮素營(yíng)養(yǎng)，植株的氮素吸收積累能力弱于干濕交替灌溉。秸稈還田可以提高葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力和穗部氮素吸收能力。施用氮肥對(duì)水稻的莖鞘氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力、葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力和穗部氮素吸收能力都有顯著提升。對(duì)比干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式和淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式，前者的莖鞘及葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)能力都有顯著提高，2020年的穗氮吸收量和氮素收獲指數(shù)也有顯著提高。Liang等[33]認(rèn)為，干濕交替灌溉可以減少農(nóng)田氮素的徑流損失。本研究也表明，干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式可提高土壤中氮素的利用效率，并通過在生育中后期進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡匮a(bǔ)給來提高水稻對(duì)氮素的吸收效率和莖葉對(duì)氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)利用能力，并促進(jìn)氮素向穗部的轉(zhuǎn)移積累，以此達(dá)到高產(chǎn)。但是干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式的氮-稻谷生產(chǎn)效率低于淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式且二者都顯著低于其他處理，說明隨著土壤中氮素含量的增加，根系對(duì)氮素吸收速率的提升快于穗部對(duì)氮素積累速率的提升，導(dǎo)致水稻將單位氮素營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化為稻谷產(chǎn)量的能力下降，但是從經(jīng)濟(jì)收益上來看，秸稈還田和正確施用氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量帶來的增產(chǎn)正效應(yīng)要高于氮素轉(zhuǎn)化能力下降帶來的負(fù)效應(yīng)。

本研究中干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式的氮肥回收利用率更高，而淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式的氮肥生理利用率更高。表明干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式有利于增加水稻對(duì)氮素的吸收同化能力；而淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式對(duì)水稻的氮素吸收能力提升雖然不及前者，但是該模式下水稻對(duì)單位氮素的利用效率更高，可以將同等量的氮素營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化為更多的稻谷產(chǎn)量。

4 結(jié)論

在麥稈還田條件下，干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式與淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式相比，前者各時(shí)期的秸稈氮素釋放率均為最高，并促進(jìn)了水稻地上部氮素積累，提高了莖鞘和葉片的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)利用能力，提升了穗氮吸收量，在略微增產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高了氮肥回收利用率與水分利用效率。綜合來看，在水分管理、秸稈還田和氮素處理三方面協(xié)同作用下，干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式是本研究中針對(duì)成都平原地區(qū)麥茬雜交稻產(chǎn)量及水氮利用效率協(xié)同提高的最適水肥耦合模式。

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Effects of Water-nitrogen Coupling on Nitrogen Uptake, Utilization and Yield of Rice Under Wheat Straw Returning

ZHANG Yujie, WANG Zhiqiang, MA Peng, YANG Zhiyuan, SUN Yongjian, MA Jun*

(Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University/Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Wenjiang 611130, China; Corresponding author, E-mail: majunp2002@163.com)

【Objective】It is of significance to study the effects of different water and nitrogen coupling on nitrogen absorption, utilization and yield ofhybrid rice with wheat straw returning.【Method】The nitrogen decomposition rate, nitrogen absorption and utilization were analyzed under two water treatments, three N treatments and two straw returning treatments with F You 498 as material with wheat straw returning at main growth stages. The two water treatments were alternative dry-wet irrigation and submerged irrigation and the straw returning treatments were full-burying returning and no straw returning and the N treatments were 150 kg/hm2of N application rates with three N regimes—the ratio of the basal fertilizer, tillering fertilizer and panicle fertilizer were 3∶3∶4 (N1), 7∶3∶0 (N2) and 0 (N0), respectively.【Result】The results showed that the alternative dry-wet irrigation promoted the release of straw nitrogen, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice after jointing by 4.85%－33.92%, improved the nitrogen transport capacity of stem and sheath at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 10.73%－16.42%, finally leading to an increase in the number of effective panicles and grain yield by 2.51%－3.77%. Straw returning (S1) released nitrogen nutrition, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 5.15%－53.21% and the nitrogen transport capacity of leaves at maturity, increased the nitrogen absorption of panicle by 4.93%－43.91%, and finally increased the yield by 9.62%－18.33%. Nitrogen application promoted the release of straw nutrients and improved the nitrogen absorption and transport capacity of rice plants, increased the number of effective panicles and significantly increased the yield by 16.21%－28.31%. Compared with the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application (N1) mode, the flooding irrigation coupled with traditional nitrogen application (N2) mode promoted the release of straw nutrients, increased the aboveground nitrogen accumulation of rice by 1.17%－11.89%. It improved the aboveground nitrogen accumulation capacity and nitrogen transport capacity of stems, sheaths and leaves, and significantly improved the nitrogen recovery and utilization rate by 7.27%－26.06%.【Conclusion】Under the conditions of full burying of wheat straw and returning to the field, the alternative dry-wet irrigation coupled with optimized nitrogen application can promote the release of straw nitrogen, effectively improve the nitrogen accumulation and utilization capacity of rice, and improve the nitrogen recovery and utilization rate and water use efficiency. It is the most suitable water-fertilizer coupling model in this experiment.

hybrid rice; straw returning; water-nitrogen coupling; nitrogen use efficiency; yield

10.16819/j.1001-7216.2022.210803

2021-08-09；

2022-01-25。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFD0301701, 2017YFD0301706)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016NYZ0051)。