化肥減施有機(jī)肥施用及秸稈還田下雙季稻產(chǎn)量變化及光合特征研究

胡柯鑫，羅尊長，董春華，洪 曦，孫 梅， 謝 宜，周 旋，劉 杰，孫 耿

(1.湖南大學(xué)研究生院 隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125)

糧食的大幅增產(chǎn)，與我國化學(xué)氮肥的大量施入農(nóng)田有著密不可分的關(guān)系[1]，同時氮肥利用效率低下依然是我們面臨的重大問題[2]，亟須解決?；瘜W(xué)氮肥大量施入農(nóng)田后，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生一系列物理、化學(xué)與生物轉(zhuǎn)化和遷移，這其中必然存在氮素養(yǎng)分的損失[3]，由此產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題，例如土壤板結(jié)、酸化[4]，湖泊水體富營養(yǎng)化[5]，大氣溫室效應(yīng)[6]等。鉀素與氮素一樣，都是作物生長所需的重要元素，土壤是作物鉀素的主要來源[7]，優(yōu)化氮、鉀肥施用，提高氮、鉀肥利用率，降低農(nóng)業(yè)面源污染，都是目前急需解決的重大課題。

有機(jī)肥是一種含碳有機(jī)物料，經(jīng)動植物發(fā)酵腐熟而成，具有改善土壤肥力、提供植物營養(yǎng)以及提高作物品質(zhì)的能力，含有大量生理活性物質(zhì)與有機(jī)、無機(jī)養(yǎng)分、微量元素，具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。劉秀梅等[10]研究表明，商品有機(jī)肥施用可以達(dá)到培肥地力，改善土壤理化性質(zhì)與減少環(huán)境污染的目的。溫延臣等[11]同樣發(fā)現(xiàn)，商品有機(jī)肥部分替代化肥能夠保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，還能培肥地力，有利于土壤可持續(xù)利用。袁穎紅等[12]研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥可以促進(jìn)水稻增產(chǎn)，提高水稻生育期葉片Pn、Gs、Tr與SPAD值，降低葉片Ci。研究表明，秸稈還田不僅是對秸稈資源的有效利用，還是作物對鉀素的需求來源，在抑制葉片光合速率下降，提高鉀素利用效率、化肥減施以及保障糧食產(chǎn)量方面都有著巨大潛力[13-15]。

前人對秸稈還田與有機(jī)無機(jī)配施對水稻產(chǎn)量的影響研究頗多[16-18]，但涉及對雙季稻葉片光合特征的研究鮮有報道。本試驗(yàn)研究有機(jī)肥施用與晚稻秸稈還田早晚稻減施20%，30%及40%化肥氮、早稻減施40%化肥鉀對雙季稻產(chǎn)量、水稻葉片光合特性以及土壤養(yǎng)分含量的影響，結(jié)合水稻葉片光合特征，為雙季稻化肥減施提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 供試地點(diǎn)

于湖南省益陽市赫山區(qū)蘭溪鎮(zhèn)(N 28°34′33″，E 112°25′43″)進(jìn)行試驗(yàn)。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，季節(jié)分明，雨量充沛，分配較為均勻，熱量資源豐富，年平均氣溫介于14～21 ℃，年平均降水量一般處于800～1 600 mm。試驗(yàn)地為紅黃泥地塊，質(zhì)地為黏壤，其土壤耕層(0～20 cm)基本理化性質(zhì)：pH值5.43，有機(jī)質(zhì)22.1 g/kg，全氮2.18 g/kg，全磷0.86 g/kg，全鉀14.8 g/kg；堿解氮181.0 mg/kg，有效磷26.0 mg/kg，速效鉀99.8 mg/kg，緩效鉀190.6 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種：早稻-湘早秈45號，晚稻-玉針香。

供試肥料品種：尿素(含N 46.00%)，過磷酸鈣(含P 12.00%)，氯化鉀(含K 60.00%)，有機(jī)肥(含N 2.06%、P 0.64%、K 2.40%)由湖南泰谷生物科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)6個處理，共設(shè)18個小區(qū)，小區(qū)面積40 m2(4 m×10 m)，小區(qū)用田埂分開，田埂上覆膜，防止肥水串流。水稻晚稻插植規(guī)格統(tǒng)一為長32株×寬25株。

早稻施肥：T1處理不施肥；T2處理施尿素(施用量：326.1 kg/hm2)，按基肥∶分蘗期∶穗肥=6∶2∶2，施入氯化鉀(以K2O計(jì))量：150 kg/hm2，過磷酸鈣(以P2O5計(jì))量：500.0 kg/hm2；T3、T4、T5分別按T2處理尿素量減施20%，30%和40%，鉀肥量均減施40%，按基肥∶分蘗期∶穗肥=3∶4∶3施入；T3、T4、T5施用商品有機(jī)肥，施用量分別為1 500，2 250，3 000 kg/hm2。T2、T3、T4、T5處理磷肥、鉀肥及商品有機(jī)肥作基肥一次性施入。

晚稻施肥：T1處理不施肥；T2處理施尿素(施用量：391.3 kg/hm2)，T3、T4、T5分別按T2處理尿素量減施20%，30%和40%，均按基肥∶分蘗期∶穗肥=6∶2∶2施入。T3、T4、T5施用商品有機(jī)肥，施用量分別為1 800，2 700，3 600 kg/hm2。T2、T3、T4、T5處理磷肥(以P2O5計(jì)，施用量：375.0 kg/hm2)、鉀肥(以K2O計(jì)，施用量：200 kg/hm2)以及商品有機(jī)肥均作基肥一次性施入。T3、T4、T5處理晚稻秸稈留高茬，秸稈全部還田(具體施肥見表1)。

于水稻植株移栽前施入基肥，移栽后7～10 d施入分蘗肥，在移栽后40～50 d施入穗肥。早稻季：2018年4-7月，總歷時94 d；晚稻季：2018年7-10月，總歷時105 d。

表1 雙季稻試驗(yàn)施肥情況Tab.1 Fertilization of double-season rice test

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 測定指標(biāo) 試驗(yàn)開始前采取0～20 cm耕層土壤，測定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量；早晚稻收獲期取耕層土壤測定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量；早晚稻水稻幼穗分化期測定葉片葉綠素含量(SPAD)與葉片光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)；收獲時每個小區(qū)單打單收單曬，測定其稻谷和稻草重量。

1.4.2 測定方法 土壤pH值采用水∶土=2.5∶1 (V/V)電位計(jì)法測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷和全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均采用常規(guī)分析方法測定[19]。

于水稻幼穗分化期選取倒三葉，使用SPAD 502 葉綠素含量測定儀測定葉片葉綠素含量(SPAD)，使用LI-6400(Portable Photosynthesis System)測定葉片光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)；水稻稻草質(zhì)量與稻谷質(zhì)量均采用磅秤稱量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

分別用Microsoft Office 2016和IBM SPSS Statistics 20.0進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對雙季稻幼穗分化期葉片凈光合速率(Pn)的影響

雙季稻幼穗分化期倒三葉凈光合速率如圖1所示，早稻Pn以T2處理最高，較T1處理顯著(P<0.05)高17.7%；其他處理表現(xiàn)為T3>T4>T5，其中T4處理較T2處理低6.8%，處理間無顯著差異。晚稻以T4處理水稻Pn最高，T1處理最低；T4處理較T1、T2、T3和T5處理高22.9%，18.5%，7.4%和13.0%，與T1、T2處理存在顯著(P<0.05)差異。

不同小寫字母表示早稻或晚稻處理間 差異達(dá)5%顯著水平。圖2-6。 Different lowercase letters indicate that there is a significant difference of 5% between early rice and late rice treatments. The same as Fig.2-6.

2.2 對雙季稻幼穗分化期葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

圖2為雙季稻不同處理水稻幼穗分化期倒三葉氣孔導(dǎo)度，由圖可知，早晚稻不同處理倒三葉Gs均以T1處理最低。早稻以T2處理水稻倒三葉Gs最高， T4和T5處理較其低22.4%與25.4%，差異顯著(P<0.05)；晚稻處理中以T4處理倒三葉Gs最高，較T2、T3和T5處理高31.9%，6.9%與12.7%，與T1、T2處理存在顯著(P<0.05)差異。早稻倒三葉葉片Gs表現(xiàn)為T2>T3>T4>T5>T1；晚稻倒三葉Gs表現(xiàn)為T4>T3>T5>T2>T1。

圖2 雙季稻水稻葉片氣孔導(dǎo)度Fig.2 Stomatal conductivity of rice leaves in double-season rice

2.3 對雙季稻幼穗分化期葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

雙季稻不同處理幼穗分化期倒三葉胞間CO2濃度如圖3所示，早稻不同處理間水稻倒三葉Ci存在顯著(P<0.05)差異；晚稻不同處理水稻倒三葉Ci均顯著(P<0.05)低于T1處理。早稻各處理水稻Ci表現(xiàn)為T5>T4>T3>T1>T2，T5處理最高，達(dá)到368.58 μmol/L，T3、T4與T5處理較T2處理高6.0%，17.6%以及18.8%，T4與T5處理間無顯著差異；晚稻T2、T3、T4與T5處理較T1處理低12.5%，14.1%，17.6%與11.9%，T4處理較T2處理低5.8%。

圖3 雙季稻水稻葉片胞間CO2濃度Fig.3 Intercellular CO2 concentration of rice leaves in double-season rice

2.4 對雙季稻幼穗分化期葉片蒸騰速率(Tr)的影響

雙季稻不同處理幼穗分化期倒三葉蒸騰速率如圖4所示，早稻與晚稻不同處理間均存在差異。早稻以T2處理倒三葉葉片Tr最高，較T1處理高18.2%，差異顯著(P<0.05)；不同施肥處理葉片蒸騰速率表現(xiàn)為T2>T3>T4>T5，T2與T3、T4及T5均存在顯著(P<0.05)差異，其中T4處理較T2處理低14.6%。晚稻處理中以T4處理葉片Tr最高，達(dá)到7.69 mmol/(m2·s)，較T2處理高8.6%，差異顯著(P<0.05)。晚稻季葉片蒸騰速率均高于早稻季，較早稻季平均高61.6%。

圖4 雙季稻水稻葉片蒸騰速率Fig.4 Transpiration rate of rice leaves in double-season rice

2.5 對雙季稻幼穗分化期葉片葉綠素含量(SPAD)的影響

圖5為雙季稻不同處理幼穗分化期倒三葉葉片葉綠素含量。早稻以T2處理倒三葉葉綠素含量最高，較T1處理高34.3%，存在顯著(P<0.05)差異；其他處理表現(xiàn)為T2>T3>T5>T4，處理間無顯著差異，T4處理較T2處理低11.0%。晚稻不同處理水稻倒三葉葉片葉綠素含量表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1，其中T4、T5處理較T2處理高22.4%及15.1%。

圖5 雙季稻幼穗分化期葉片葉綠素含量Fig.5 Chlorophyll content of leaves in double-season rice panicle stage

2.6 對雙季稻收獲期土壤理化性質(zhì)的影響

雙季稻收獲期土壤速效養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量如表2所示。早稻土壤堿解氮含量以T3處理最高，較T1處理高8.5%；晚稻土壤堿解氮含量以T4處理最高，較T2處理高2.2%。早晚稻土壤有效磷含量均以T4最高，較T2處理分別高28.2%與48.0%，均未達(dá)到顯著差異。早稻土壤速效鉀含量表現(xiàn)為T1>T5>T4>T3>T2，晚稻表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1。早晚稻土壤有機(jī)質(zhì)含量較T2處理均有提高，分別提高4.3%與2.7%。

表2 雙季稻收獲期土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physicochemical properties of double-season rice harvest period

2.7 對雙季稻產(chǎn)量的影響

圖6為雙季稻不同處理稻谷與稻草產(chǎn)量，早、晚稻稻谷產(chǎn)量均高于T1處理，且差異顯著(P<0.05)。早稻稻谷產(chǎn)量以T4處理最高，較T1處理顯著(P<0.05)高23.3%，較T2處理高7.5%；晚稻以同樣T4處理最高，較T2處理高4.4%，無顯著差異。早稻與晚稻稻谷產(chǎn)量不同處理均表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1。稻草產(chǎn)量早稻均以T3處理最高，顯著(P<0.05)高于T1處理；晚稻以T4處理較高，顯著(P<0.05)高于T2與T3處理。

表3為雙季稻不同處理早晚稻總生物量與周年總產(chǎn)量。由表可知，不同處理早晚稻總生物量、稻谷與稻草周年產(chǎn)量均高于T1處理，存在顯著差異(P<0.05)。早稻總生物量以T3處理最高，較T2處理高2.1%；晚稻總生物量以T4處理最高，較T2處理增產(chǎn)465 kg/hm2。稻谷與稻草周年總產(chǎn)量均以T4處理最高，分別較T2處理高6.0%與7.6%，差異不顯著。稻谷與稻草周年總產(chǎn)量均表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1。

表3 雙季稻總生物量與周年總產(chǎn)量Tab.3 Total biomass and annual production of double-season rice kg/hm2

2.8 相關(guān)性分析

表4為葉片生理指標(biāo)與雙季稻產(chǎn)量間以及其他生理指標(biāo)間的相關(guān)性。除葉片Ci外，Pn、Gs以及SPAD值均與雙季稻產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，葉片Ci與其他生理指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)。早稻稻草產(chǎn)量與葉片Pn及SPAD的正相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著水平。早稻葉片Pn與SPAD、Gs與Tr間均存在顯著正相關(guān)。晚稻稻谷產(chǎn)量與葉片Ci間負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平，與葉片Tr有顯著正相關(guān)關(guān)系；葉片Pn與Gs、Tr與Ci分別呈極顯著正相關(guān)與負(fù)相關(guān)關(guān)系，葉片Pn與Tr呈顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

氮肥的合理施用保證水稻能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[20]，本試驗(yàn)中，T4(早晚稻減施30%化肥氮，早稻減施40%化肥鉀)處理早稻稻谷產(chǎn)量、晚稻稻谷產(chǎn)量、周年稻谷總產(chǎn)量分別較常規(guī)施肥處理提高7.5%，4.4%及6.0%，與陸強(qiáng)等[21]研究結(jié)果一致。雙季稻稻谷產(chǎn)量均表現(xiàn)為T4>T5>T3，幼穗分化期水稻生理指標(biāo)除葉片Ci外均表現(xiàn)為T3>T4>T5，這種差異可能是由于幼穗分化期有機(jī)肥養(yǎng)分釋放與秸稈腐解緩慢，且秸稈腐解時微生物與水稻可能存在爭“氮”現(xiàn)象，養(yǎng)分供應(yīng)不足引起；雙季稻產(chǎn)量以T4處理最高，可能由于減施30%化肥氮、40%化肥鉀下施用有機(jī)肥配合秸稈還田養(yǎng)分的釋放更加契合雙季稻的需求[22-23]。

表4 雙季稻產(chǎn)量與葉片光合特性間相關(guān)性Tab.4 Correlation between yield of double-season rice and photosynthetic characteristics of leaves

早稻季，不同減施處理Pn、Gs、Tr與SPAD值均表現(xiàn)為T2>T3>T4>T5，可能與有機(jī)肥肥效遲緩，秸稈腐解緩慢，養(yǎng)分供應(yīng)較速效化肥(常規(guī)施肥)慢有關(guān)。晚稻季，水稻倒三葉葉片Pn、Gs與Tr均以T4處理最高，T5處理次之，表明有機(jī)肥施用秸稈還田下早晚稻減施30%化肥氮和早稻40%化肥鉀處理能有效促進(jìn)晚稻幼穗分化期葉片的光合作用，增加干物質(zhì)累積，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。葉片Ci受葉片周圍CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度與葉肉細(xì)胞的光合活性等因素決定[24]，早稻季葉片Ci表現(xiàn)為T5>T4>T3>T2，晚稻季葉片Ci以不施肥處理最高，顯著高于其他處理，可能是由于水稻Pn越弱，細(xì)胞中CO2被用來進(jìn)行光合作用的量降低，進(jìn)而促進(jìn)葉片胞間的CO2濃度(Ci)增高[25]，與相關(guān)性吻合。Gs受葉片蒸騰速率、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等因素影響[26]，本研究早晚季水稻倒三葉葉片Gs均與Tr呈顯著正相關(guān)，結(jié)果一致。晚稻季葉片Tr以T3與T4處理最高，且各處理明顯高于早稻季，可能與晚稻季光照強(qiáng)溫度高、蒸騰作用加強(qiáng)有關(guān)。葉片SPAD與氮素含量聯(lián)系密切[27]，早稻季幼穗分化期葉片SPAD以常規(guī)施肥處理最高，均可能與有機(jī)肥的肥效遲緩，常規(guī)化肥氮素施入農(nóng)田后迅速反應(yīng)有關(guān)[28]；晚稻季以秸稈還田處理較高，可能與早稻秸稈腐解，一部分氮素被微生物消耗，到晚稻釋放出來有關(guān)。

與常規(guī)施肥相比，T4處理雙季稻收獲期土壤速效養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量均有所提高，差異不顯著。研究表明，施用有機(jī)肥不僅可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，還可使土壤中堿解氮、有效磷與速效鉀含量趨于協(xié)調(diào)，促進(jìn)養(yǎng)分平衡，與本研究基本相符[29-30]。與常規(guī)施肥相比，早晚稻收獲期土壤養(yǎng)分含量均以化肥氮鉀減施處理較高，且獲得較高產(chǎn)量，表明雙季稻有機(jī)肥施用與秸稈還田下減施化肥氮、化肥鉀可以提高肥料利用效率。早晚稻收獲期相比，土壤堿解氮含量降低，速效鉀含量升高，與試驗(yàn)結(jié)論吻合。

有機(jī)肥施用與秸稈還田下減施化肥氮鉀均可使雙季稻產(chǎn)量增加，葉片光合作用增強(qiáng)，土壤理化性質(zhì)改善。其中，以早晚稻減施30%化肥氮、早稻減施40%鉀的效果最佳，與常規(guī)施肥處理相比，雙季稻周年稻谷產(chǎn)量提高6.0%；其早稻稻谷產(chǎn)量提高7.5%，倒三葉葉片Pn、Gs、Tr及SPAD降低，Ci提高；晚稻稻谷產(chǎn)量提高4.4%，倒三葉葉片Pn、Gs、Tr及SPAD提高，Ci降低，雙季稻收獲期土壤速效養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量均有提高。