土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻產(chǎn)量與氮肥利用的影響

胡志華，徐小林，李大明，柳開樓，余喜初，葉會(huì)財(cái)，胡惠文

(江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717)

中稻-再生稻是通過采取適當(dāng)?shù)脑耘啻胧?，利用頭季水稻收割后稻樁上休眠芽萌發(fā)成穗，實(shí)現(xiàn)一種兩收的水稻種植模式[1-2]，具有生育期短、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于穩(wěn)定糧食產(chǎn)量及緩解生產(chǎn)中勞動(dòng)力壓力具有重要意義。我國再生稻種植歷史悠久，圍繞再生稻系統(tǒng)前人做了較為系統(tǒng)的研究，從再生稻高產(chǎn)品種選育及再生力遺傳特性研究[3-7]，到再生稻產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀，頭季與再生季等關(guān)系研究[8-10]，再到再生稻合理施肥技術(shù)及肥料運(yùn)籌探究[11-13]和頭季留茬高度與再生稻產(chǎn)量及品質(zhì)關(guān)系[14-15]等方面均有所涉及。這些研究在再生稻品種選育、合理施肥、適高留樁等層面取得了豐碩的成果，并集成組裝了一系列高產(chǎn)高效栽培模式，為水稻-再生稻高產(chǎn)高效種植提供了理論與技術(shù)支撐。然而，當(dāng)前農(nóng)民生產(chǎn)仍以追求高產(chǎn)為主要目標(biāo)，化肥不合理施用、中微肥投入低甚至不投入現(xiàn)象普遍存在，由此引起的稻田酸化加劇、潛育化及中微肥失衡日益成為制約水稻產(chǎn)量及氮肥高效利用的重要因子。過氧化鈣、石灰、硅肥等是重要的土壤改良劑與中微肥，在改良稻田土壤、緩解稻田酸化及潛育化、重金屬污染阻控等方面起著重要作用[16-19]，有利于水稻增產(chǎn)增收。以往研究多集中在不同栽培方式對(duì)再生稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響上，對(duì)中稻-再生稻氮肥利用研究較少，且多將頭季與再生區(qū)分開來研究，然而，再生稻頭季與再生季產(chǎn)量與養(yǎng)分積累存在一定的依存關(guān)系，但再生季產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到再生季肥占頭季施肥量的比例，有學(xué)者提出將水稻-再生稻作為一個(gè)系統(tǒng)研究其產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收利用對(duì)于中稻-再生稻高產(chǎn)與養(yǎng)分高效利用具有突出的意義[20]。此外，以往關(guān)于過氧化鈣、石灰、硅肥等調(diào)理劑方面的研究多側(cè)重于其改良土壤屬性，而關(guān)于對(duì)水稻生長及氮肥利用等方面研究較少。鑒此，本研究將中稻-再生稻頭季與再生季作為一個(gè)有機(jī)整體，通過連續(xù)2 a的大田試驗(yàn)研究施用過氧化鈣、硅肥、生物石灰等改良劑對(duì)中稻-再生稻系統(tǒng)產(chǎn)量、氮素吸收及利用特征等的影響，以期為中稻-再生稻高產(chǎn)與氮肥高效利用提供一定的理論支撐及技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2016-2017年在江西省南昌市進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所溫圳試驗(yàn)基地(28°34′，116°11′)進(jìn)行。試驗(yàn)點(diǎn)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1 727 mm，年蒸發(fā)量1 100 mm。年均氣溫17.7～18.5 ℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫為28.0～29.8 ℃。海拔高度25～30 m，為典型的低丘紅壤地區(qū)，土壤類型為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的潴育型水稻土，剖面構(gòu)型為：A-P-W1-W2-G，試驗(yàn)前耕層土壤pH值5.13，有機(jī)質(zhì)21.02 g/kg，全氮1.34 g/kg，全磷1.17 g/kg，全鉀11.93 g/kg，有效氮119.41 mg/kg，有效磷16.00 mg/kg，速效鉀60.33 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種為準(zhǔn)兩優(yōu)608(2016年)和晶兩優(yōu)華占(2017年)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)施用過氧化鈣(CaO2)、施用生物石灰(Bi-CaO)、施用硅肥(SiO2)、常規(guī)施肥(NPK)和不施肥(NF)5個(gè)處理，小區(qū)面積為30 m2，3次重復(fù)。不同處理的具體方法為：施用過氧化鈣(CaO2)處理，分別在基肥施用時(shí)、分蘗盛期、齊穗期和灌漿期按1∶1∶1∶1的比例施用過氧化鈣，過氧化鈣總用量折合活性氧總量為16 kg/hm2，所用CaO2為有效含量50%的粉末CaO2；施用生物石灰(Bi-CaO)處理，生物石灰為牡蠣貝殼粉，用量為1.5 t/hm2，全作基肥施用；施用硅肥(SiO2)處理，于施用基肥時(shí)1次性施入，用量為150 kg/hm2，供試硅肥為可溶性硅肥。

2016年于4月6日播種，4月30日移栽，供試品種為準(zhǔn)兩優(yōu)608，2017年于4月10日播種，5月4日移栽，供試品種為晶兩優(yōu)華占，移栽規(guī)格為20 cm×20 cm。頭季施肥折合純N 195 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2，氮肥按基肥、蘗肥、穗肥質(zhì)量比4∶3∶3施用，磷肥全作基肥施用，鉀肥按基肥、穗肥質(zhì)量比1∶1施用，基肥于移栽前一天施用，蘗肥于移栽后7 d施用，穗肥于水稻幼穗分化3-4期施用。再生季施肥折合純N 105 kg/hm2，按促芽肥、促苗肥質(zhì)量比3∶2施用，促芽肥于頭季齊穗后15 d施用，促苗肥與頭季收割后2～3 d施用，本試驗(yàn)所用氮、磷、鉀肥料分別為尿素(N含量為46%)、鈣鎂磷肥(P2O5含量為12%)和氯化鉀(K2O含量為60%)。2016年頭季于2016年8月14日收割，2017年于8月16日收割，留茬高度均為30 cm，其余田間農(nóng)事管理同當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)栽培管理措施。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 水稻干物質(zhì)測定 分別于頭季拔節(jié)期、齊穗期、成熟期、再生季25 d和成熟期，各小區(qū)按平均分蘗數(shù)取代表性植株，按莖、葉、穗分樣，105 ℃下殺青30 min，85 ℃下烘干至恒質(zhì)量后稱量各部位質(zhì)量。

1.4.2 水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成 小區(qū)產(chǎn)量為各小區(qū)實(shí)打?qū)嵤债a(chǎn)量，成熟期調(diào)查各小區(qū)有效穗數(shù)，按平均數(shù)取代表性植株9株，風(fēng)干后考種，主要考察穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量等指標(biāo)。

1.4.3 植株氮素含量測定 將各時(shí)期的烘干樣粉碎過0.178 mm篩，用H2SO4-H2O2法420 ℃消化2 h，采用半微量凱氏定氮法測氮含量[21]。

1.5 相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

肥料利用率計(jì)算方法[22-25]：

農(nóng)學(xué)利用效率(Agronomic nitrogen efficiency，AEN)(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥回收效率(N recovery efficiency，REN)=(施氮區(qū)氮累積量-不施氮區(qū)氮累積量)/施氮量×100%；

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率(N dry matter production efficiency，NDMPE)(g/g)：單株干物質(zhì)積累量與單株N 積累量(TNA)的比值；

氮素偏生產(chǎn)力(N partial factor productivity，NPFP)(kg/kg)=產(chǎn)量/施氮量；

肥料氮貢獻(xiàn)率(N fertilizer contribution rate，NCT)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%；

肥料氮生理利用率(Physiological N use efficiency，PEN)(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部吸氮量-不施氮區(qū)地上部吸氮量)；

土壤氮素依存率(Dependent rate of soil nitrogen，SNDR)=不施氮區(qū)地上部吸氮量/施氮區(qū)地上部吸氮量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SAS 9.2數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性檢驗(yàn)采用Ducan法比較，并用Microsoft Excel 2010進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻產(chǎn)量的影響

施用改良劑顯著影響中稻-再生稻頭季與再生季產(chǎn)量(圖1)。施用改良劑中稻-再生稻頭季產(chǎn)量均顯著增加(P<0.05)，較常規(guī)施肥(NPK)與不施肥(NF)處理增幅分別為7.37%～13.78%(2016年)，12.39%～17.78%(2017年)，106.6%～119.0%(2016年)，142.8%～154.4%(2017年)。施用改良劑處理再生季產(chǎn)量均顯著增加(P<0.05)，與NPK和NF處理相比分別增產(chǎn)493.3～933.3 kg/hm2(2016年)，840～982.2 kg/hm2(2017年)，1 791～2 231 kg/hm2(2016年)，1 630～1 772 kg/hm2(2017年)。

同一顏色柱上不同字母表示同一品種不同處理間在 0.05 水平差異顯著。

施用土壤改良劑顯著影響中稻-再生稻產(chǎn)量構(gòu)成(表1)。與NF相比較，施肥處理(CaO2、Bi-CaO、SiO2、NPK)顯著增加頭季有效穗數(shù)與再生季有效穗數(shù)(P<0.05)，施用改良劑處理(CaCO2、Bi-CaO、SiO2)顯著提高、頭季穗粒數(shù)(P<0.05)；與NPK相比，施用土壤改良劑可顯著增加頭季與再生季有效穗數(shù)(P<0.05)，提高了頭季穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率；各處理中稻-再生稻籽粒千粒質(zhì)量及再生季結(jié)實(shí)率和穗粒數(shù)均無顯著差異。

表1 土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

注：數(shù)據(jù)后不同字母表示同一品種不同處理間在 0.05 水平差異顯著。表2-4同。

Note：Values followed by different letters are significantly different among treatments for the same cultivar at the 0.05 level. The same as Tab.2-4.

2.2 施用土壤改良劑中稻-再生稻干物質(zhì)積累響應(yīng)

施用土壤改良劑顯著影響中稻-再生稻干物質(zhì)積累(表2)。中稻-再生稻各生育期內(nèi)施用改良劑處理水稻干物質(zhì)質(zhì)量均較NPK和NF處理顯著增加(P<0.05)，增幅分別為23.01%～85.65%，46.80%～194.59%。3種土壤改良劑處理間干物質(zhì)在前期無顯著差異，在頭季成熟期施用過氧化鈣(CaO2)水稻干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于施用石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)處理(P<0.05)，增幅為5.83%～13.57%，再生季施用過氧化鈣水稻干物質(zhì)于成熟期顯著高于施用生物石灰處理(P<0.05)。

2.3 施用土壤改良劑中稻-再生稻氮素積累特征

施用土壤改良劑顯著影響中稻-再生稻氮素吸收與積累(表3)。與NPK和NF處理相比，施用過氧化鈣(CaO2)和硅肥(SiO2)處理中稻-再生稻各生育期植株氮素積累均顯著增加，施用生物石灰(Bi-CaO)顯著增加頭季齊穗期、灌漿期、成熟期和再生季植株氮素積累。3種改良劑處理間頭季氮素積累差異較小，再生季成熟期施用過氧化鈣(CaO2)與生物石灰(Bi-CaO)處理氮素積累顯著高于施用硅肥(SiO2)處理，且施用過氧化鈣(CaO2)強(qiáng)于施用生物石灰(Bi-CaO)。

表2 施用土壤改良劑中稻-再生稻干物質(zhì)積累特征

2.4 土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥利用的影響

施用土壤改良劑顯著影響中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥利用(表4)。2 a的大田試驗(yàn)均顯示，施用改良劑顯著增加中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)和氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)(P<0.05)，較NPK處理分別增加了2.92～6.81 kg/kg(2016年)，5.90～7.53 kg/kg(2017年)，4.76～6.18 kg/kg(2016年)，5.90～7.53 kg/kg(2017年)；與NPK相比，施用土壤改良劑顯著提高了中稻-再生稻肥料氮貢獻(xiàn)(NCT)和氮素回收率(REN)，增幅分別為6.32～9.65百分點(diǎn)，34.4～46.11百分點(diǎn)，但顯著降低了中稻-再生稻系統(tǒng)土壤氮素依存率(SNDR)和氮肥生理利用率(PEN)，降幅分別為18.03～27.10百分點(diǎn)，20.91～36.61百分點(diǎn)；3種改良劑處理間差異主要表現(xiàn)為CaO2處理氮素回收率(REN)顯著高于SiO2處理，及土壤氮素依存率(SNDR)顯著低于SiO2處理。

表3 施用土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻氮素積累的影響

表4 施用土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻氮肥利用的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 施用土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻產(chǎn)量與形成的影響

我國是世界上水稻生產(chǎn)與稻米消費(fèi)大國，提升和穩(wěn)定水稻產(chǎn)量是保障我國糧食安全關(guān)鍵，因此，在“雙改單”日趨普遍的環(huán)境下發(fā)展再生稻種植對(duì)于維持水稻產(chǎn)量則具有重要意義。水稻生長與產(chǎn)量形成受到諸多土壤障礙因素的影響，如酸化、潛育化、中微量養(yǎng)分等[16，18，26-27]。石灰、過氧化鈣、硅肥等屬于重要的土壤改良劑，在緩解土壤酸化、平衡土壤中微營養(yǎng)、消除潛育化與缺氧、改善土壤容重等方面起到顯著作用[18，26]，此外，過氧化鈣與硅肥還是優(yōu)良的肥料，在改善土壤氧環(huán)境的同時(shí)，還可以促進(jìn)水稻根系生長、養(yǎng)分吸收、分蘗發(fā)生成穗、灌漿等生理生化過程，可顯著提高水稻抗耐能力，進(jìn)而顯著提高水稻產(chǎn)量[28-29]。本研究結(jié)果表明，施用過氧化鈣、硅肥、生物石灰等改良劑均可顯著提高中稻-再生稻系統(tǒng)產(chǎn)量，頭季與再生季產(chǎn)量較常規(guī)施肥處理均顯著增加，頭季產(chǎn)量增幅為7.37%～17.78%，再生季產(chǎn)量增加了493.3～982.2 kg/hm2，表明石灰、過氧化鈣、硅肥等對(duì)水稻增產(chǎn)作用同樣適用于中稻-再生稻系統(tǒng)，且對(duì)再生季水稻的增產(chǎn)作用大于對(duì)頭季水稻產(chǎn)量的影響。本研究還發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑顯著提高了中稻-再生稻頭季與再生季有效穗數(shù)，且顯著提高頭季的穗粒數(shù)與結(jié)實(shí)率。曾勇軍等[27]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值下降顯著抑制雙季稻分蘗的發(fā)生，進(jìn)而顯著降低雙季稻產(chǎn)量。這表明施用過氧化鈣等改良劑可顯著降低土壤酸化對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，其詳細(xì)機(jī)制需進(jìn)一步研究。

3.2 土壤改良劑促進(jìn)中稻-再生稻氮素吸收與利用

氮素是水稻生長不可缺少的大量元素，且氮肥的增產(chǎn)效益可達(dá)76%[30]。此外，有研究表明水稻對(duì)土壤氮素的依存率在50%以上[31]，因此，生產(chǎn)中需要投入大量的氮肥以維持水稻的高產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)資料顯示我國氮肥使用量從1983年的1 192.53萬t增加到2013年的3 080.07萬t，增加了1.58倍[32]，遠(yuǎn)高于歐美發(fā)達(dá)地區(qū)和國際平均水平，然而我國氮肥當(dāng)季利用約為30%～35%[33]，處于較低水平。氮肥利用率低，不僅造成資源的浪費(fèi)，還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，因此，采用合理措施提高氮肥利用對(duì)于農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效及環(huán)境生態(tài)友好發(fā)展具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑可顯著促進(jìn)中稻-再生稻對(duì)氮素的吸收與積累，且施用過氧化鈣處理在后期效果最佳，這可能與過氧化鈣改善土壤氧環(huán)境，促進(jìn)根系生長，延緩水稻后期衰老有關(guān)[26，34]。氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)和氮素回收率(REN)是衡量氮肥當(dāng)年利用水平的重要指標(biāo)，也是表觀氮肥流失的重要因子，本研究發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑顯著提高了中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)和氮素回收率(REN)，表明土壤改良劑在提高中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥當(dāng)季利用，減少氮肥流失具有顯著作用。此外，施用土壤改良劑顯著降低了中稻-再生稻土壤氮素依存率(SNDR)，這表明土壤改良劑可顯著降低土壤氮素的損耗，有利于土壤氮素平衡與可持續(xù)發(fā)展，也間接說明了施用土壤改良劑是提高氮肥利用與維持土壤氮平衡的重要措施。氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)與肥料氮貢獻(xiàn)率(NCT)是表觀氮肥的生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)，本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)所選土壤改良劑顯著提高了中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)與肥料氮貢獻(xiàn)率(NCT)，顯著提高系統(tǒng)氮肥的生產(chǎn)效率。因此，土壤改良劑在提高中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥利用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高效、生態(tài)可持續(xù)化具有重要意義。

3.3 3種土壤改良劑對(duì)中稻-再生稻產(chǎn)量氮素吸收與利用效果比較

過氧化鈣(CaO2)、生物石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)是生產(chǎn)中常用的土壤改良劑，目前已在其對(duì)水稻、土壤影響及其作用機(jī)制方面開展了大量的研究[16-17，26，28，34-35]，然對(duì)于三者間效果差異比較方面的研究較少。本研究發(fā)現(xiàn)，過氧化鈣(CaO2)、生物石灰(Bi-CaO)和硅肥(SiO2)均能顯著提高中稻-再生稻系統(tǒng)水稻產(chǎn)量和氮肥的利用，但仍存在一定的差異。其中施用過氧化鈣對(duì)中稻-再生稻后期干物質(zhì)與氮素吸收積累的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于施用生物石灰與硅肥處理，這與胡志華等[34]研究結(jié)果較為一致。施用硅肥對(duì)中稻-再生稻干物質(zhì)與氮素吸收積累的影響主要體現(xiàn)在齊穗期前，這符合了施用硅肥后水稻莖稈干物質(zhì)積累特征[35]。在氮素利用方面，施用過氧化鈣處理氮肥回收率優(yōu)于施用生物石灰與硅肥處理，且土壤氮素依存率較低，而施用硅肥處理在提高氮肥偏生產(chǎn)力、肥料氮貢獻(xiàn)率與氮肥農(nóng)學(xué)利用率等方面優(yōu)于施用生物石灰處理。綜合水稻干物質(zhì)積累與氮肥利用，施用過氧化鈣與硅肥對(duì)中稻-再生稻促進(jìn)作用優(yōu)于施用生物石灰，然而其具體影響機(jī)制主要體現(xiàn)在水稻植株生長上還是土壤改良方面尚不十分清晰，需進(jìn)一步研究。

施用土壤改良劑顯著提高中稻-再生稻產(chǎn)量，頭季產(chǎn)量增幅為7.37%～17.78%，再生季產(chǎn)量增加了493.3～982.2 kg/hm2；施用土壤改良劑對(duì)產(chǎn)量影響主要體現(xiàn)在頭季與再生季有效穗和頭季結(jié)實(shí)率及穗粒數(shù)的提升；施用土壤改良劑顯著提高了中稻-再生稻系統(tǒng)氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)、肥料氮貢獻(xiàn)率(NCT)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AEN)和氮素回收率(REN)，并顯著降低其土壤氮素依存率(SNDR)和氮肥生理利用率(PEN)，顯著促進(jìn)了中稻-再生稻氮肥高效利用。