麦油稻轮作秸秆还田与施氮对水稻光合特性及产量的影响

彭志芸，丁峰，谌洁，向开宏，马鹏，郭长春，马均*

(1.四川农业大学水稻研究所，四川 温江611130；2.作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 温江611130)

籽粒产量和物质积累主要来源于光合产物，良好的群体结构、适宜的叶面积指数(LAI)和较高的光合速率是实现作物高产的重要条件[1]。前茬作物秸秆中含有氮、磷、钾等大量元素以及纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪等营养元素，是一种可靠的有机肥源[2]，还田后可明显提高水稻分蘖成穗率，促进稻株生长发育，增加抽穗期和成熟期叶面积指数(LAI)[3]，显著提高水稻叶片净光合速率[4]，开“源”扩“库”，达到增产的目的[5]。但秸秆物质结构复杂，养分释放缓慢，且腐解前期产生的乙酸、丙酸等物质不利于水稻根系生长发育[6]；秸秆C/N较高[7]，前期微生物与作物争氮现象严重，影响水稻氮素吸收。生产上，通常需要配施氮肥来进行调控。

直播稻由于省去了育秧移栽等环节，劳动生产效率大幅度提高，已在全国各地推广应用。相比移栽稻，直播稻具有根系浅、根数多且细[8]、分蘖节位低、分蘖能力强[9]、生育期较短[10]等特点；因此，其氮肥管理模式应区别于移栽稻。研究[11-12]表明,直播稻适当降低基蘖肥的施用比例，能显著降低无效分蘖的数量，提高根系氧化活性、叶绿素含量、LAI 及光合速率，增加灌浆期叶片氮含量和植株氮积累量，提高产量。施肥方法的优化对直播稻产量的提高具有重要意义。

麦茬稻和油茬稻是中国水稻种植的主体模式。资料[13]显示，2015 年四川麦-稻、油-稻种植总面积分别达1.33×106、9.66×105hm2。麦-稻或油-稻轮作对于稳定粮食安全、促进可持续农业发展、改善农作物种植结构都具有至关重要的作用。目前，关于轮作模式下的秸氮耦合研究较多，但主要局限于单一的轮作模式[14-15]，缺乏不同模式之间的系统比较。朱芸等[16]研究指出，麦-稻、油-稻周年轮作体系养分收支平衡存在较大差异，这必然导致水稻生长发育及产量特性的不同。本研究中，针对麦茬、油茬田同期开展试验，比较2 种轮作模式下前茬秸秆与氮肥配施对直播稻群体生长、光合特性及产量等影响的差异，旨在筛选2 种轮作方式下秸秆还田耦合氮肥管理的最佳模式，为水稻的轻简化绿色栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及地力情况

试验于2018 年在四川省崇州市四川农业大学现代农业研发基地开展，供试品种为宜香优2115(三系中籼杂交稻，全生育期156.7 d)。耕层土壤(0～20 cm)质地为砂壤土，主要化学性质见表1。试验用肥选用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)。

表1 试验田耕层土壤(0～20 cm)的化学性质Table 1 Chemical properties of topsoil(0–20 cm)in the test field

1.2 试验设计

试验采用两因素裂区设计，麦茬、油茬稻同田同期播种。主区为2 种秸秆处理方式：M0，秸秆不还田(对照)；M1，秸秆全量翻埋还田。裂区设4 种氮肥管理模式：N0，对照，不施氮肥；N1，基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例为10∶0∶0∶0；N2，基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例为3∶3∶2∶2；N3，基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例为2∶2∶3∶3。

小麦或油菜籽粒收获后秸秆经机器粉碎，长度约为10 cm，整田时用旋耕机全量翻耕还田(小麦、油菜秸秆还田量分别为5 300、5 483 kg/hm2)，不还田处理(M0)将秸秆移除田间。水稻浸种后于5 月15日采用上海世达尔现代农机有限公司生产的直播机2BDXS-10CP(25)进行湿润直播，行间距为25 cm×20 cm，播量为3～5 粒/穴。氮肥总用量为150 kg/hm2，按不同运筹模式施用。基肥、分蘖肥分别于2 叶期、5 叶期施用；促花肥、保花肥分别于倒4 叶、倒2 叶施用。磷肥(施肥量75 kg/hm2)作基肥，一次性施用。钾肥(施肥量150 kg/hm2)用作基肥、穗肥，施用比例为1∶1。每个处理3 次重复。小区面积15 m2。小区间筑埂(宽40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止水肥互串。水分管理及病虫草害防治等按照常规管理进行。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 剑叶SPAD 值的测定

稻株齐穗后开始，每隔7 d，每小区选具有代表性的稻株30 株，用便携式SPAD-502 叶绿素仪，于14:00—16:00 测定剑叶中部及其上下1/3 处3 点的SPAD 值，结果取平均值。

1.3.2 叶面积的测定

于水稻拔节期和齐穗期按各小区的平均茎蘖数取3 穴稻株，用美国生产的CID-203 叶面积仪测定绿叶面积，并计算叶面积指数，其中高效叶面积为上3 叶的总叶面积。

1.3.3 光合参数的测定

于齐穗后0、15、30 d，用美国生产的Li-6400便携式光合仪，测定剑叶净光合速率(Pn)。控制条件如下：CO2浓度400 μmol/mol，温度30 ℃，光照1 200 μmol/(m2·s)。各小区选具代表性的主茎剑叶5 片，避开叶脉测定中部，每叶重复测定3 次。

1.3.4 干物质积累量

于拔节期、齐穗期、成熟期按各小区的平均茎蘖数取3 穴稻株，分离茎鞘、叶和穗(拔节期除外)，105 ℃杀青45 min，80 ℃烘干至恒重。

1.3.5 考种与计产

于成熟期各小区随机调查60 穴的茎蘖数，平均值记为有效穗。再取具代表性稻株5 穴，考查穗部性状。收获时各小区去边行，按实收株数计产。

a.群体主义与个人主义.在中国人的传统与民族精神里，注重群体与人际关系；而西方崇尚个人主义，强调独立人格及对个性的尊重.如，外方管理者在其价值观支配下所表现出的个人主义，往往被中方管理者理解为自私和没有全局意识，从而产生矛盾.

1.4 数据计算和统计分析

式中：A为叶面积衰减率；LAI1、LAI2分别为拔节期、齐穗期测定的叶面积指数；t1、t2分别为拔节及齐穗期测定的时间。

B=(W2－W1)/(T2－T1)。

式中：B为群体生长率；W1、W2分别为前后2个生育时期测定的群体干物质量；T1、T2分别为前后2 个生育时期测定的时间。

用Microsoft Excel、Origin 9.0 及DPS 6.5 进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻光合特性的影响

2.1.1 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻结实期剑叶SPAD 动态的影响

由图1 可见，2 种轮作模式下，齐穗后各处理水稻剑叶SPAD 值均随生育进程逐渐下降，于齐穗后21 d 时下降速率加快，N1处理呈近似直线下降趋势，N2和N3处理下降速率有所减缓且变化较为平缓。不同氮肥管理下，水稻结实期剑叶SPAD 值从大到小依次为N3、N2、N1、N0，表明追施穗肥能有效减缓叶片衰老，延长叶片功能期，且N3较N2更利于维持结实期水稻叶片SPAD 值的稳定。秸秆还田直播稻剑叶的SPAD 值较不还田的略高，但差异不显著。

图1 不同秸秆还田与氮肥管理模式下直播稻结实期剑叶的SPAD 值Fig.1 The SPAD values of the blade of direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.1.2 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻结实期剑叶光合速率的影响

从表2 可知，N0和N1处理在结实期叶片净光合速率均较低，N2、N3在齐穗后15、30 d 净光合速率显著高于N0和N1的，可见，增施穗肥可显著提高水稻结实期剑叶净光合速率。除麦茬稻秸秆还田齐穗后30 d 和油茬稻秸秆不还田齐穗后30 d 下的剑叶净光合速率N3显著高于N2的外，其余时期N2、N3的剑叶净光合速率差异均不显著。秸秆还田下直播稻剑叶净光合速率较不还田的高。

2.1.3 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻光合叶面积的影响

从表3 可以看出，氮肥管理对直播稻拔节期、齐穗期叶面积指数(LAI)，齐穗期高效叶面积指数(FHLAI)、高效叶面积率(FHLAR)、拔节期至齐穗期叶面积衰减率的影响达极显著水平；秸秆处理对麦茬直播稻拔节期LAI、叶面积衰减率和油茬直播稻齐穗期LAI、FHLAI 有显著影响；两者互作对FHLAR 有极显著影响，对油茬直播稻的FHLAI 有显著影响。秸秆还田较不还田的光合物质生产指标(除麦/油茬稻拔节期LAI)总体上均有所提高，其中麦茬稻齐穗期的平均LAI、FHLAI 和FHLAR 较不还田的分别提高了13.92%、15.76%和0.51%，油茬稻的则分别提高10.75%、12.71%和0.77%。相对麦茬稻，油茬稻有更好的光合物质生产表现，其拔节期LAI、齐穗期LAI、FHLAI 在秸秆还田下较麦茬稻的平均高3.10%、9.41%、7.27%；不还田下，平均高17.79%、6.37%、4.45%。在秸秆未还田下，随氮肥后移量的增加，直播稻拔节期LAI 呈递减趋势，齐穗期LAI、FHLAI、FHLAR 和拔节至齐穗期叶面积衰减率从大到小依次为N3、N2、N1，秸秆还田时其大小依次为N2、N3、N1。

表3 不同秸秆还田与氮肥管理模式下直播稻的光合叶面积特征Table 3 Photoperiod area characters of live rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.2 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻干物质积累的影响

从表4 可知，氮肥管理对2 种轮作模式下稻株的干物质积累特征(除油茬稻拔节期单茎干质量外)均有显著或极显著的调控效应，秸秆处理对麦茬稻拔节期群体干质量及播种至拔节期的群体生长率以及油茬稻齐穗期的干物质积累和成熟期的群体干质量调控效应显著，两者互作对成熟期麦茬稻群体干质量和油茬稻群体生长率有显著影响。相较秸秆不还田，还田后麦/油茬稻拔节期干物质积累量减少，但齐穗期和成熟期干物质积累优势显著。麦茬稻成熟期的单茎干质量、群体干质量及拔节至齐穗期群体生长率在秸秆还田下较不还田分别提高了2.86%、2.11%和8.75%，油茬稻则分别提高3.99%、4.42%和7.90%。油茬稻各时期的平均干物质积累量均高于麦茬稻，其成熟期单茎、群体干物质积累量和全生育期群体生长率在秸秆还田下比麦茬稻高1.98%、3.74%、3.90%，不还田下高3.10%、6.09%、16.45%。从氮肥管理来看，拔节期N1、N2的物质积累表现较好。齐穗期和成熟期的干物质积累及积累速率在秸秆未还田时大小依次为N3、N2、N1；秸秆还田下，除油茬稻齐穗期单茎干质量大小依次为N3、N2、N1外，其余指标大小依次为N2、N3、N1。

表4 不同秸秆还田与氮肥管理模式下直播稻干物质的积累特性Table 4 Accumulation of dry matter in direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

2.3 麦/油–稻轮作下秸秆还田与氮肥管理对直播稻产量及其构成因子的影响

从表5 可以看出，氮肥管理对直播稻产量的影响达极显著水平，秸秆处理对产量影响不显著，两者互作对产量及其构成因子均无显著性影响。麦-稻轮作、油-稻轮作下秸秆还田较不还田分别增产0.96%～4.66%、0.60%～4.56%，油茬稻的产量较麦茬稻的产量在秸秆还田、不还田下分别提高了5.22%、4.71%。从氮肥管理来看，秸秆不还田时，产量从高至低依次为N3、N2、N1；秸秆还田时，产量从高至低依次为N2、N3、N1。表明2 种轮作方式下秸秆还田耦合N2的氮肥模式更利于直播稻产量的提高。

从产量构成来看，氮肥管理对其影响均达显著或极显著水平。麦茬稻秸秆还田的平均千粒质量、结实率、每穗粒数较不还田的均有所增加，有效穗数略有减少；油茬稻秸秆还田的平均有效穗、结实率和每穗粒数较不还田的有所增加，千粒质量有所降低。对比分析2 种轮作模式下氮肥管理对水稻产量构成的影响，有效穗数从多至少依次为N1、N2、N3，除麦茬稻M1N2的每穗粒数高于M1N3的外，其他处理的每穗粒数从多至少依次为N3、N2、N1，N1的千粒质量和结实率均高于N2、N3的。综合来看，2 种轮作模式下秸秆还田配合N2的氮肥管理均有较高的有效穗和每穗粒数，同时保持稳定的千粒质量和结实率，从而获得直播稻的高产。

表5 不同秸秆还田与氮肥管理模式下直播稻的产量及其构成因子Table 5 Yield and its components of direct seeding rice under different straw mulching and nitrogen fertilizer management modes

3 结论与讨论

前茬作物秸秆是丰富的有机肥源。前人研究发现，秸秆还田能培肥地力、提高水稻产量，且增产效应随还田时间延长而增加[17-18]。本研究结果表明，秸秆还田能有效提高水稻结实期的剑叶净光合速率、齐穗期叶面积指数和高效叶面积率，减缓叶片衰老，提高直播稻中后期群体生长速率，中后期干物质积累优势明显，故而增产，这与李思平等[19]的研究结果一致。2 种轮作模式均在秸秆还田耦合基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥氮肥施用比例为3∶3∶2∶2 的管理模式下产量表现最好；而在秸秆不还田时，以基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥的氮肥施用比例为2∶2∶3∶3 的处理产量表现更佳。说明在秸秆还田下适当增加基蘖肥配比可有效缓解因秸秆还田微生物与作物争氮的矛盾，保障了直播稻前期分蘖的发生及干物质的积累。

本研究结果表明，秸秆未还田时，直播稻产量随穗肥比例增大而增加，当耦合60%的穗肥比例时，有最好的产量表现，这与邓安凤等[20]的研究结果大致相同。究其原因，可能是足够的穗肥处理保证了直播稻中后期的光合物质生产能力，麦茬稻、油茬稻齐穗期SPAD 值、净光合速率和LAI 均较大，后期物质积累优势明显。秸秆还田下，40%的穗肥处理产量最佳，表明秸秆还田下直播稻的氮肥管理中基蘖肥的比例不宜过少，这与赵锋等[21]的研究结论相同。本试验N1处理，有效穗虽多，但后期无氮肥供应，导致叶片早衰严重，后期光合物质供应不足，每穗颖花数急剧减少，因而穗型较小，产量较低；在N3处理中，氮肥后移较多，前期氮素供应不足，影响水稻分蘖的发生，最终形成的有效穗较少，虽后期单茎光合物质生产能力较强，但群体干物质积累优势不明显，产量不高。

本试验中油-稻轮作模式下的直播稻产量高于麦-稻轮作，主要优势为有效穗较多，其他产量构成因子间相互协调得较好。这源于油-稻轮作体系中前期的高群体生长速率(油-稻轮作在秸秆还田、不还田处理下，播种至拔节阶段的干物质积累速率高于麦茬稻的)，以及花后叶片强光合同化能力(齐穗期高效叶面积指数)，保障了有效分蘖的充分形成，有利于库容的充分构建及籽粒灌浆，从而获得较高的每穗粒数和稳定的千粒质量、结实率。曹培等[22]的研究表明，油-稻轮作模式相比麦-稻轮作模式，更利于提高稻田耕层不同层次土壤的有机碳储量，增加土壤固碳能力，可有效提高水稻季籽粒产量。另外，油菜秸秆C/N 较低[23-24]，利于微生物的腐解，也更有利于稻谷产量的提高。

综合来看，2种轮作模式下，秸秆还田耦合基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥的氮肥施用比例为3∶3∶2∶2的氮肥管理模式能有效发挥直播稻穗数优势，增强结实期叶片光合性能，促进花后叶片、茎鞘将同化物质转运至籽粒，显著提高直播稻产量，尤其以油-稻轮作模式下水稻的产量更高。