不同水稻灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸腐解特性及土壤養分的影響①

張斯梅，段增強*，顧克軍，張傳輝，許 博

不同水稻灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸腐解特性及土壤養分的影響①

張斯梅1，2，3，段增強1*，顧克軍2，張傳輝2，許 博2

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 江蘇省農業科學院糧食作物研究所，南京 210014；3 中國科學院大學，北京 100049)

為了探討不同水稻灌溉模式和氮肥減量對還田小麥秸稈腐解特性及土壤養分的影響，通過田間試驗，設置了水稻灌溉模式(常規灌溉，W1；干濕交替灌溉，W2)和施氮水平(不施氮，N0；常量施氮，N1；減量20% 施氮，N2)處理，采用尼龍網袋法研究了不同處理下小麥秸稈腐解動態、養分釋放規律及土壤養分含量。結果表明，干濕交替灌溉和氮肥施用均可促進還田小麥秸稈的腐解，減量20% 施氮處理小麥秸稈累積腐解率低于常量施氮處理。相同施氮水平下，干濕交替灌溉模式小麥秸稈碳與氮磷鉀累積釋放率高于常規灌溉模式；與常量施氮相比，減量20% 施氮處理小麥秸稈碳與氮磷鉀累積釋放率降低。干濕交替灌溉和施氮使土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量提高，而減量20% 施氮對土壤養分含量的影響較小。綜上可見，干濕交替灌溉和氮肥施用促進了還田小麥秸稈腐解和養分釋放，有利于土壤養分提升；而減量20% 施氮對小麥秸稈腐解與養分釋放以及土壤養分無明顯影響。

小麥秸稈；干濕交替灌溉；氮肥減量；腐解；土壤養分

多年來，氮肥投入一直是保證我國作物高產穩產的重要措施。為了追求作物的高產，農民常常加大氮肥使用量。在水稻生產中，氮肥過量施用不僅導致水稻貪青晚熟、籽粒充實度下降、病蟲害加重等問題[1]，還使氮肥利用效率降低、農業面源污染加重[2-3]，嚴重制約了水稻的可持續生產[4]。隨著我國糧食產量的不斷提高，農作物秸稈資源的產生量也呈增長的趨勢。秸稈中含有氮、磷、鉀等營養元素，是一種重要的養分資源。秸稈還田不僅能夠使養分得以循環利用，還具有改善土壤結構、豐富土壤微生物多樣性等作用[5-9]。秸稈腐解與養分釋放涉及復雜的生物學與非生物學過程，秸稈在土壤中的腐解與養分釋放不僅與秸稈本身性質有關，也與土壤溫度、水分狀況、肥料施用等密切相關[10]。水分灌溉模式、土壤氮素水平是影響還田秸稈腐解過程與養分釋放規律的重要因素[11-12]。

秸稈腐解過程可大致分為易礦化碳組分分解、半纖維素與纖維素分解、木質素分解3個階段[13]，整體上呈現出前快后慢的腐解特征。前人研究結果顯示，C/N是影響秸稈中碳素和氮素釋放的關鍵因子，秸稈C/N>30時土壤微生物對土壤氮素的固持作用增強，土壤有效氮水平下降[14]。關于施氮對麥秸腐解的影響機制，有研究認為，外源氮投入使纖維素酶等水解酶活性提高而氧化酶活性下降，進而影響秸稈的腐解過程[15-16]；也有研究認為，氮肥施用使秸稈腐解前期乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性增加，加快了秸稈的腐解進程[17]。前人關于水分管理對還田秸稈腐解的研究大多在盆栽模擬條件下開展，有關稻麥輪作系統中氮肥減量的研究主要關注其對作物生長、產量和氮素利用效率的影響，針對不同水稻灌溉模式和氮肥減量對還田小麥秸稈腐解特性影響的田間試驗研究較少。本研究以小麥秸稈為材料，設置了不同的水稻灌溉模式和施氮水平處理，探討水稻灌溉模式和氮肥減量對還田小麥秸稈腐解特性及土壤養分的影響，以期為稻麥輪作系統小麥秸稈還田利用與農業可持續生產提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于 2019年5—11月在江蘇省農業科學院試驗地進行，供試小麥和水稻品種為“寧麥16”和“南粳9108”。前茬小麥收獲后秸稈全量還田，還田量約為6 000 kg/hm2，秸稈中全碳、全氮、全磷和全鉀的含量分別為471.87、5.01、0.99 和11.03 g/kg。試驗開始前耕層土壤的有機質含量為19.02 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為79.83、20.71和88.16 mg/kg。

試驗設置2種水稻灌溉模式(常規灌溉，W1；干濕交替灌溉，W2)和3個施氮水平(不施氮，0 kg/hm2，N0；常量施氮，300 kg/hm2，N1；減量20% 施氮，240 kg/hm2，N2)，共6個處理，隨機區組設計，重復3次，采用尼龍網袋法研究還田小麥秸稈的腐解特性與養分釋放規律。將采集到的小麥秸稈剪切成長為5 cm左右的小段，稱取30 g烘干小麥秸稈裝入100目的尼龍網袋(網袋長30 cm，寬20 cm)，封口，水稻移栽前1 d埋入稻田，每個小區埋10個網袋，埋深10 cm左右。小區面積20 m2，小區間筑埂并在埂上覆膜，每個小區單獨排灌。水稻常規灌溉模式為除分蘗末、拔節初排水擱田外，從移栽到收獲前1周一直保持2 ～ 3 cm水層；水稻干濕交替灌溉模式為2 ～ 3 cm水層自然落干至灌水指標(土壤水勢為(–15±5) kPa)時，灌2 ～ 3 cm水層，再落干，再灌水，如此循環直到收獲前1周。供試氮肥為尿素(含N 46%)，分基肥、分蘗肥和穗肥共3次施用，基肥、分蘗肥與穗肥的比例為3︰3︰4，基肥于水稻移栽前2 d施用，分蘗肥于移栽后7 d施用，穗肥于倒4葉和倒2葉等量施用。磷肥(P2O5)施用量為90 kg/hm2，全部作為基肥一次性施入。鉀肥(K2O)施用量為120 kg/hm2，分基肥和穗肥兩次施用。不施氮處理的小區，磷肥和鉀肥正常施用。其他管理措施按當地大面積生產進行。

1.2 樣品采集與處理

分別于水稻分蘗期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期取出埋入土層的還田小麥秸稈網袋，經水洗凈后烘干，測定小麥秸稈干物質量。然后將小麥秸稈干樣粉碎，測定其養分含量。水稻收獲后采用五點法采集土樣，混勻風干、過篩，用于測定土壤養分含量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 秸稈干物質量 從土壤中取出的小麥秸稈，經去離子水洗凈后，烘干至恒重，測定殘余小麥秸稈的干物質量。

1.3.2 秸稈全碳和養分含量 小麥秸稈全碳、全氮、全磷和全鉀含量的測定，分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法[18]。

1.3.3 土壤養分含量 土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的測定采用土壤農化分析常規方法[18]。

1.4 數據處理與分析

秸稈累積腐解率、碳(氮、磷、鉀)累積釋放率分別按下述公式[19]進行計算：

秸稈累積腐解率(%)=(0–s) /0×100

秸稈碳(氮、磷、鉀)累積釋放率(%)=(0×0–s×s)(0×0) ×100

式中：0為試驗開始時加入的秸稈干物質量，g；s為取樣時的秸稈干物質量，g；0為試驗開始時秸稈的碳(氮、磷、鉀)含量，mg/g；s為取樣時秸稈的碳(氮、磷、鉀)含量，mg/g。

采用 Microsoft Excel 2016進行試驗數據的整理和計算，運用IBM SPSS Statistics 26.0進行統計分析，使用LSD法進行多重比較(顯著性水平為<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸累積腐解率的影響

表1結果表明，灌溉模式對水稻整個生育期還田小麥秸稈累積腐解率的影響極顯著，施氮水平顯著影響水稻孕穗期后小麥秸稈累積腐解率，而灌溉模式和施氮水平的交互作用對水稻各生育期小麥秸稈累積腐解率的影響不顯著。如圖1所示，不同處理小麥秸稈的腐解動態一致，小麥秸稈累積腐解率表現為腐解前期上升較快，隨后趨緩，水稻生長后期變化較小。至水稻成熟期，各處理小麥秸稈累積腐解率達到了47.64% ～ 60.84%。相同施氮水平下，干濕交替灌溉模式小麥秸稈累積腐解率高于常規灌溉模式，采用干濕交替灌溉模式促進了水稻分蘗期前小麥秸稈的腐解，說明灌溉模式對小麥秸稈腐解的影響主要體現在還田初期。兩種水稻灌溉模式下，施氮處理水稻各生育期小麥秸稈累積腐解率均高于不施氮處理；至水稻成熟期，N1處理小麥秸稈累積腐解率較N0處理顯著提高，N2處理小麥秸稈累積腐解率亦高于N0但差異不顯著。與N1處理相比，N2處理水稻各生育期小麥秸稈累積腐解率略有降低，差異未達顯著水平?？梢?，還田小麥秸稈腐解總體上表現出前期快、后期慢的趨勢，采用干濕交替灌溉模式和施用氮肥具有促進小麥秸稈腐解的作用，且小麥秸稈累積腐解率隨著施氮水平的下降而降低。

2.2 不同灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸碳累積釋放率的影響

由表2可以看出，各處理小麥秸稈碳累積釋放率的變化趨勢相似，還田初期碳素釋放較快，釋放速率隨水稻生育進程的推進而減緩，這與小麥秸稈的腐解過程基本一致。至水稻成熟期，不同處理小麥秸稈碳累積釋放率均達到50% 以上。相同施氮水平下，水稻各生育期干濕交替灌溉模式小麥秸稈碳累積釋放率均高于常規灌溉模式，其中N1施氮水平下水稻分蘗期不同灌溉模式間差異顯著。兩種水稻灌溉模式下，施氮處理小麥秸稈碳累積釋放率均高于不施氮處理；其中干濕交替灌溉模式下，水稻抽穗期、灌漿期和成熟期N1處理小麥秸稈碳累積釋放率較N0處理顯著提高。同一水稻灌溉模式下，水稻各生育期N2處理小麥秸稈碳累積釋放率較N1處理有所降低，差異未達顯著水平?？梢?，采用干濕交替灌溉模式和施用氮肥可使小麥秸稈碳累積釋放率提高，減量20% 施氮對小麥秸稈碳累積釋放率無明顯作用。

表1 灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈累積腐解率影響的雙因素方差分析結果

注：W指灌溉模式，N指施氮水平；*和**分別表示在<0.05和<0.01水平顯著，NS表示不顯著。

(圖中小寫字母不同表示水稻同一生育期不同處理間差異顯著(P<0.05))

表2 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈碳累積釋放率的影響

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.3 不同灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸氮累積釋放率的影響

由表3可知，從水稻分蘗期到成熟期，各處理還田小麥秸稈中的氮素釋放規律相似。在相同的施氮水平下，干濕交替灌溉模式水稻各生育期小麥秸稈氮累積釋放率高于常規灌溉模式，其中N0和N1施氮水平下水稻分蘗期和孕穗期灌溉模式間差異顯著。兩種水稻灌溉模式下，不同施氮水平處理小麥秸稈氮累積釋放率均表現為N1>N2 >N0，N1和N2處理小麥秸稈氮累積釋放率顯著高于N0處理，N2處理小麥秸稈氮累積釋放率較N1處理有所降低但差異不顯著。說明采用干濕交替灌溉模式和施氮可促進還田小麥秸稈中氮素的釋放，減量20% 施氮對小麥秸稈氮累積釋放率影響不大。

表3 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈氮累積釋放率的影響

2.4 不同灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸磷累積釋放率的影響

如表4所示，還田小麥秸稈中磷素的釋放規律與氮素相似。相同施氮水平下，干濕交替灌溉模式小麥秸稈磷累積釋放率較常規灌溉模式有所提高，除N1、N2處理在水稻成熟期差異顯著外，其他差異均不顯著。水稻常規灌溉和干濕交替灌溉模式下，不同施氮水平處理小麥秸稈磷累積釋放率均表現為N1>N2> N0，施氮處理小麥秸稈磷累積釋放率高于N0處理，N2處理小麥秸稈磷累積釋放率低于N1處理，但差異均不顯著?？傮w上，水稻灌溉模式和氮肥施用對小麥秸稈磷素的釋放影響較小，不同施氮水平間差異亦不明顯。

2.5 不同灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸鉀累積釋放率的影響

由表5結果可以看出，不同灌溉模式和施氮水平下，水稻分蘗期各處理小麥秸稈中的鉀累積釋放率已達90%以上，分蘗期后小麥秸稈鉀累積釋放率變化幅度均較小。與常規灌溉模式相比，干濕交替灌溉模式小麥秸稈鉀累積釋放率有所升高，差異不顯著。兩種灌溉模式下，不同施氮水平間的差異均未達顯著水平。

2.6 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈還田下水稻產量的影響

表6結果顯示，不同處理水稻產量及其構成因素間存在差異。相同施氮水平下，干濕交替灌溉模式水稻產量較常規灌溉模式不同程度地增加，N0、N1和N2水平下增產幅度分別為7.42%、8.41% 和8.76%。進一步分析產量構成因素，干濕交替灌溉雖使有效穗數降低，但每穗粒數、結實率和千粒重均有所增加，這是干濕交替灌溉處理使產量提高的主要原因所在。同一灌溉模式下，施氮處理水稻產量顯著高于不施氮處理，減量20%施氮處理水稻產量略低于常量施氮處理，但差異不顯著。

表4 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈磷累積釋放率的影響

表5 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈鉀累積釋放率的影響

表6 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈還田下水稻產量及其構成因素的影響

2.7 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈還田下土壤養分的影響

小麥秸稈還田條件下，灌溉模式和施用氮肥對稻田土壤養分含量產生了一定程度的影響(表7)。采用干濕交替灌溉模式，土壤有機質、全氮和速效養分含量較常規灌溉模式增加，其中N1和N2施氮水平下土壤堿解氮含量差異達顯著水平。同一灌溉模式下，施氮處理土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量高于N0處理，而土壤速效鉀含量低于后者，其中土壤堿解氮含量差異達顯著水平；N2處理土壤速效鉀含量較N1處理有所增加，而土壤全氮、堿解氮和有效磷含量降低，差異均未達顯著水平?？梢?，小麥秸稈還田下采用干濕交替灌溉模式和施用氮肥可提高土壤養分含量，減量20% 施氮對土壤養分含量的影響作用不明顯。

表7 不同灌溉模式和氮肥減量對小麥秸稈還田下土壤養分含量的影響

3 討論

本試驗研究結果表明，小麥秸稈腐解與養分釋放的快速期集中在水稻分蘗期前，這與以往關于秸稈腐解的研究結果[20-22]相一致。戴志剛等[23]室內培養試驗結果表明，小麥、水稻、油菜秸稈的腐解過程均可分為腐解快速期、腐解減緩期和腐解緩慢期3個階段。信彩云等[24]大田試驗研究顯示，小麥秸稈氮素和鉀素平均釋放速率的高峰在腐解前期，腐解后期呈下降的趨勢，而磷素的平均釋放速率變化不大。主要原因在于腐解前期秸稈中可溶性碳水化合物、氨基酸等易分解物質迅速釋放，為土壤微生物提供了碳源和養分來源，微生物數量增多且活性增強，秸稈分解速率較快[25-26]；隨后腐解速率下降是由于秸稈中易分解物質基本釋放完全，殘余的木質素等難分解成分相對較為穩定，不易被土壤微生物利用[11]。

針對水分管理方式或氮肥施用單一因素對秸稈腐解的影響，前人已開展了有關研究工作，且水分管理方式試驗大多在盆栽條件下進行。陶玥玥等[27]研究結果顯示，濕潤灌溉體系下還田小麥秸稈腐解率較常規灌溉體系增加。路平[28]試驗研究發現，施氮區還田小麥秸稈的累積腐解率略高于無氮區。曾莉等[11]在潮土中的研究結果表明，施用氮肥可加速秸稈腐解和碳素釋放，施氮量間秸稈腐解率無顯著差異。本試驗將水稻灌溉模式和施氮水平兩個因素結合起來，在田間試驗條件下研究了灌溉模式和氮肥減量對還田小麥秸稈腐解和養分釋放特性的影響，研究結果應用于稻田的水分與養分管理，對于秸稈還田利用、氮肥合理減量、水分利用效率提高等具有重要意義。本研究中，干濕交替灌溉和氮肥施用表現出促進還田小麥秸稈腐解的作用，小麥秸稈累積腐解率隨施氮量減少而降低。小麥秸稈碳素釋放規律與其腐解過程基本一致，干濕交替灌溉和施氮可使小麥秸稈碳累積釋放率提高，減量20% 施氮處理小麥秸稈碳累積釋放率較常量施氮處理略有降低。前人研究結果顯示，還田小麥秸稈腐解過程中，氮素、磷素和鉀素的釋放規律有所不同，最終釋放率表現為鉀>氮>磷，其中鉀素在兩周內基本釋放完成[11，23]。本研究中，腐解初期小麥秸稈中的鉀素在短時間內快速釋放，水稻分蘗期各處理小麥秸稈中的鉀素累積釋放率均達90% 以上。鉀素在小麥秸稈還田初期快速釋放，是由于秸稈中的鉀素主要以水溶態存在，易溶于水而迅速釋放出來[11]。干濕交替灌溉和施氮促進了小麥秸稈中氮素的釋放，減量20% 施氮處理小麥秸稈氮累積釋放率略低于常量施氮處理。前人研究顯示，濕潤灌溉體系下還田小麥秸稈氮釋放率較常規灌溉體系增加[27]，施氮區小麥秸稈中氮素累積釋放率高于無氮區[28]，本研究結果基本一致。水稻生長前期小麥秸稈磷素的釋放量大于后期，這是由于秸稈60% 以上的磷素以離子態存在，易溶于水而逐漸釋放，后期以有機態存在的磷素相對難以釋放。本研究中，干濕交替灌溉和氮肥施用有利于小麥秸稈中磷素的釋放，減量20% 施氮處理小麥秸稈磷累積釋放率較常量施氮處理有所降低，這與前人的研究結果[27-28]吻合。

無論秸稈還田、水分管理還是氮肥施用，勢必對土壤養分狀況產生影響。晏軍等[29]在蘇北地區的試驗結果顯示，小麥秸稈還田后，水稻收獲時常規施肥處理的土壤有機質、全氮含量高于化肥減量20% 處理和不施肥對照。本研究中，干濕交替灌溉模式下土壤養分含量較常規灌溉模式提高，原因可能在于土壤干濕交替過程中通氣狀況改善、土壤溫度升高，有利于秸稈腐解與養分釋放以及土壤養分礦化，進而使土壤養分含量提升。減量20% 施氮處理土壤全氮、堿解氮和有效磷含量較常量施氮處理有所降低，差異不顯著?？梢?，干濕交替灌溉有利于小麥秸稈還田下土壤養分的提升，而減量20% 施氮并不會對土壤養分狀況產生明顯影響。

4 結論

干濕交替灌溉和氮肥施用具有促進還田小麥秸稈腐解、碳和氮磷鉀釋放的作用，減量20% 施氮對小麥秸稈腐解和養分釋放的影響不大。采用干濕交替灌溉模式有利于提高小麥秸稈還田下土壤養分含量，減量20% 施氮對土壤養分含量無明顯影響。

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Effects of Different Rice Irrigation Patterns and Nitrogen Fertilizer Reduction on Decomposition Characteristics of Wheat Straw and Soil Nutrients

ZHANG Simei1, 2, 3, DUAN Zengqiang1*, GU Kejun2, ZHANG Chuanhui2, XU Bo2

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to explore the effects of different rice irrigation patterns and nitrogen reduction on the decomposition characteristics of wheat straw returned to field and soil nutrients, an experiment using nylon net bag was conducted with the treatments as follows: 1) rice irrigation patterns (conventional irrigation, W1; alternate wetting and moderate soil drying irrigation, W2); 2) nitrogen application levels (no nitrogen application, N0; conventional nitrogen application, N1; 20% reduction of conventional nitrogen application, N2). The decomposition and nutrient release of wheat straw and soil nutrient contents under different treatments were studied. The results show that both W2 and nitrogen application promote the decomposition of wheat straw returned to the field. N2 decreases the cumulative decomposition rate of wheat straw compared with N1. Under the same nitrogen application level, W2 increases the cumulative release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium of wheat straw compared with W1. N2 decreases the cumulative release rate of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium of wheat straw compared with N1. W2 and nitrogen application increase the contents of soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen and available phosphorus, while N2 has little effect on the contents of soil nutrients compared with N1. In conclusion, W2 and nitrogen application promote the decomposition and nutrient release of wheat straw returned to field, which is conducive to the improvement of soil nutrients, while N2 has no significant effect on the decomposition and nutrient release of wheat straw and soil nutrients.

Wheat straw; Alternate wetting and moderate soil drying irrigation; Nitrogen fertilizer reduction; Decomposition; Soil nutrients

S141.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.007

張斯梅, 段增強, 顧克軍, 等. 不同水稻灌溉模式和氮肥減量對還田麥秸腐解特性及土壤養分的影響. 土壤, 2023, 55(4): 749–755.

江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(18)1002)和江蘇省重點研發計劃項目(BE2019377)資助。

(zqduan@issas.ac.cn)

張斯梅(1981—)，女，江蘇贛榆人，副研究員，博士研究生，主要從事作物栽培生理生態及秸稈資源化利用研究。E-mail: zhangsimei929@sina.com