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作物杂志, 2025, 41(2): 172-179 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.024

生理生化·植物营养·栽培耕作

秸秆还田下氮肥减量对辽河平原水稻产量及氮素利用的影响

金丹丹,, 隋世江, 陈玥, 李波, 曲航, 宫亮,

辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，110161，辽宁沈阳

Effects of Straw Returning with Nitrogen Application Reduction on Yield and Nitrogen Utilization of Rice in Liaohe Plain

Jin Dandan,, Sui Shijiang, Chen Yue, Li Bo, Qu Hang, Gong Liang,

Plant Nutrition and Environmental Resources Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, Liaoning, China

通讯作者: 宫亮，主要从事土壤肥料研究，E-mail：gongliang1900@sina.com

收稿日期: 2023-12-20   修回日期: 2024-05-8   网络出版日期: 2024-10-29

基金资助: 黑土地保护与利用科技创新工程专项(XDA28090300)
辽宁省农业科学院院长基金项目(2022QN2305)
辽宁省农业科学院基础性专项项目(2024JCX0501)

Received: 2023-12-20   Revised: 2024-05-8   Online: 2024-10-29

作者简介 About authors

金丹丹，主要从事农业资源高效利用研究，E-mail：jdd851228@sina.cn

摘要

为实现秸秆养分资源合理及高效利用，缓解大量秸秆被丢弃、焚烧等现象造成生态环境破坏，以常规粳稻“盐丰47”为材料开展田间微区试验，设3种秸秆还田方式（秸秆翻埋、秸秆覆盖、不还田）和2个施氮水平（常规：纯氮260 kg/hm2；减氮：210 kg/hm2），研究秸秆还田和减氮条件下水稻产量及其构成因素、氮素利用效率的变化特征及其生理生化响应。结果表明，减氮条件下秸秆翻埋和秸秆覆盖产量分别为12.94和13.43 t/hm2，较常规施氮量不还田相比差异未达显著水平，秸秆翻埋下有效穗数、每穗实粒数、结实率和千粒重均维持较高水平，而秸秆覆盖显著降低了结实率，降幅为5.76%（P<0.05）；减氮条件下秸秆覆盖显著提高了氮肥利用率及氮肥偏生产力，增幅分别达52.70%和38.28%（P<0.05），而秸秆翻埋对氮肥利用率及偏生产力无显著影响，但可大幅度提高抽穗期及灌浆期功能叶片谷氨酰胺合成酶活性，且差异达显著水平（P<0.05），从而维持水稻旺盛的氮代谢能力。综合考虑经济收益、环境效应及田间可操作性，秸秆翻埋还田下科学减施氮肥对水稻产量潜力的发挥具有较大优势。

关键词： 水稻; 秸秆还田; 减氮; 产量; 氮素利用

Abstract

In order to realize the rational and efficient utilization of straw nutrient resources and alleviate the ecological environment damage caused by a large number of straw discarded and incinerated, a field micro-plot experiment was carried out with conventional japonica rice “Yanfeng 47” as the material. Three straw returning methods(straw incorporation, straw mulching, no returning) and two nitrogen application levels (conventional: 260 kg/ha of pure nitrogen; nitrogen reduction: 210 kg/ha) was used to study the changes of rice yield, its components, nitrogen use efficiency and physiological and biochemical responses under straw returning and nitrogen reduction. The results showed that, under nitrogen reduction conditions, the yields of straw incorporation and straw mulching were 12.94 and 13.43 t/ha, respectively, which were not significantly different from those of conventional nitrogen application without returning to the field. The effective panicle number, grain number per panicle, seed-setting rate and 1000-grain weight under straw incorporation remained at a higher level, while the seed-setting rate was significantly decreased by 5.76% under straw mulching (P < 0.05). Under nitrogen reduction conditions, straw mulching significantly increased nitrogen utilization rate and nitrogen partial productivity by 52.70% and 38.28%, respectively (P < 0.05). Straw incorporation had no significant effects on nitrogen utilization rate and nitrogen partial productivity, but could significantly increase the glutamine synthetase activity of functional leaves at heading and filling stages, and the difference was significant (P < 0.05), so as to maintained the vigorous nitrogen metabolism capacity of rice. Considering the economic benefits, environmental effects and field operability, the scientific reduction of nitrogen fertilizer under straw incorporation has a great advantage in the utilization of rice yield potential.

Keywords： Rice; Straw returning; Nitrogen fertilizer reduction; Yield; Nitrogen utilization

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本文引用格式

金丹丹, 隋世江, 陈玥, 李波, 曲航, 宫亮. 秸秆还田下氮肥减量对辽河平原水稻产量及氮素利用的影响. 作物杂志, 2025, 41(2): 172-179 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.024

Jin Dandan, Sui Shijiang, Chen Yue, Li Bo, Qu Hang, Gong Liang. Effects of Straw Returning with Nitrogen Application Reduction on Yield and Nitrogen Utilization of Rice in Liaohe Plain. Crops, 2025, 41(2): 172-179 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.024

辽宁省是东北粳稻主产区之一，近20年该省水稻播种面积由48.97万hm2增至52.04万hm2，2020年全省水稻总产和单产分别为446.50万t和8.58 t/hm2，主要分布在辽河三角洲、辽东南沿海和辽中北部地区[1]。辽宁省水稻氮肥施用过量问题较为突出，折合纯氮用量平均为229.40 kg/hm2，位居北方地区前列，尤其是辽河三角洲稻作区氮肥习惯用量高达260~280 kg/hm2，而氮肥利用率仅在35%左右。本课题组在该地区已开展了8年（2011-2018年）的氮肥阈值长期定位试验，研究[2]发现氮肥具有较大的减施空间，氮肥减施19%（施用量210 kg/hm2）对水稻无显著影响，然而，大多数农户仍在为追求水稻高产而长期过量施用化肥，造成了黑土地力逐年减退、水土养分流失及稻米品质下降等问题，限制了稻作产业的可持续发展[3⇓⇓-6]。水稻秸秆含有丰富的氮、磷、钾养分及多种有机物质，是一种“用则利、弃则害”的重要有机肥源[7-8]。我国水稻秸秆产量占三大作物秸秆总产量的32.30%，2014-2018年平均秸秆产量为21 141.50万t，通过秸秆还田归还养分资源潜力巨大[9]。2018年辽宁省稻田秸秆产量达335万t，水稻秸秆年均氮养分资源量为4.10万t，秸秆还田当季化学氮肥可替代量达34.70 kg/hm2，位居东北稻作区首位[10-11]。因地制宜充分利用秸秆资源是实现化肥替代和减量的重要途径，可有效缓解秸秆焚烧、丢弃等造成的农田生态环境破坏和农业废弃资源浪费[12-13]。

秸秆还田对水稻产量形成和土壤培肥发挥重要作用[14-15]。研究[16-17]表明，秸秆还田可提高水稻分蘖数、地上部生物量及耕层土壤全氮和有机质含量。秸秆还田对水稻产量的影响与还田时间/年限有关，秸秆短期还田对水稻生长发育的作用效果不明显甚至产生不利影响，如南方双季稻区早稻秸秆快腐还田抑制了晚稻分蘖的发生[18-19]；但长期秸秆还田对水稻生长具有明显的促进作用，蔡影等[20]在巢湖地区7年的秸秆还田定位试验发现水稻产量提高了6.19%，李桂花等[21]通过红壤稻田4年的大田定位试验同样发现秸秆还田促进了水稻增产。受气候条件、土壤类型及田间管理等因素的影响，我国不同生态区秸秆还田技术水平差异明显。辽河平原稻作区秸秆还田较多研究局限于秸秆的还田方式和还田量等，缺少秸秆还田与水肥管理等农作方式有机结合的系统研究。本研究探讨秸秆还田方式与氮肥减量对水稻产量及氮素利用的作用效果，为辽河平原地区水稻稳产、秸秆资源高效利用、养分优化管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在辽宁省农业科学院水稻氮磷阈值长期定位试验基地开展，位于辽宁省盘山县坝墙子镇姜家村（122º14′1″ E，41º9′31″ N），地处辽河三角洲中心地带，属温带半湿润季风气候类型，年降水量650 mm，年均气温8~9 ℃，无霜期165~170 d，地势平坦，温光资源较充足，土壤类型为滨海盐渍型水稻土，耕层土壤（0~20 cm）理化性质如表1所示。试验区种植面积为1081万hm2，产量为106.4万t，占辽宁省水稻总产的23.82%，单产达9.58 t/hm2（2020年数据），而化学氮肥投入量高达260~300 kg/hm2，是辽河平原水稻主产区和高肥区。该地区水稻秸秆资源年产量达5万t，秸秆养分含量为全氮5.16 g/kg、全磷0.29 g/kg、全钾7.90 g/kg、全碳44.13%、总有机酸0.67%。试验区气候低温冷凉、土壤封冻时间较长等因素降低了秸秆腐解速率，秸秆中丰富的养分未得到充分利用，是开展本项研究的理想区域。

表1   2019和2020年试验区耕层土壤（0~20 cm）理化性质

Table 1  Physicochemical properties of topsoil (0-20 cm) of experimental area in 2019 and 2020

年份
Year		pH有机质
Organic matter
(g/kg)		全氮
Total N
(g/kg)		速效氮
Rapidly available N
(mg/kg)		全磷
Total P
(g/kg)		有效磷
Available P
(mg/kg)		全钾
Total K
(g/kg)		有效钾
Available K
(mg/kg)
20197.4323.621.46115.331.2238.8624.00239.00
20207.4123.351.42114.431.1843.8927.34228.33

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1.2 试验设计

以辽河三角洲稻作区主栽品种“盐丰47”（中晚熟粳稻）为供试材料，于2019和2020年4-10月开展田间微区试验。参照课题组2011-2019年长期定位试验结果，减氮19%对水稻产量影响不显著，因此本研究在当地常规施氮（纯氮260 kg/hm2）和减氮19%（纯氮210 kg/hm2）2种氮肥水平下设秸秆翻埋（M）、秸秆覆盖（G）、不还田（N）3种还田方式，由此形成N260-N、N260-M、N260-G、N210-N、N210-M及N210-G共6个处理组合，另设空白对照组（不施氮肥+不还田，仅用于计算氮素利用率，CK），磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为90 kg/hm2；随机区组排列，各处理之间用PVC塑料板筑埂分隔，小区面积为15 m2（5 m×3 m），单排单灌，每种处理3个重复。所有秸秆还田处理均在秋季还田，即收获后将秸秆粉碎至1~2 cm小段后全量（10 500 kg/hm2）还田，秸秆翻埋的深度距地表15 cm，秸秆覆盖为地表撒施后加盖无纺布以防秸秆随风飘走；氮肥分基肥、蘖肥和穗肥3次施入（6:3:1），磷肥作为基肥一次性全量施入，钾肥分基肥和穗肥2次等量施入；供试肥料为46.4%尿素、12%过磷酸钙和60%氯化钾。2019年试验于4月18日育苗，5月26日移栽，10月9日收获；2020年试验于4月7日育苗，5月25日移栽，10月11日收获。采用人工插秧，插秧苗龄为4叶1心期，行穴距为30.0 cm×16.7 cm，田间管理与当地生产一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 茎蘖动态

每个小区定点选取有代表性的植株5穴，自移栽后20 d开始，每隔7 d调查1次茎蘖数，直到茎蘖数不再变化为止。

1.3.2 地上部生物量

分别在拔节期、抽穗期和成熟期取样，每个小区选取长势均匀的5穴植株，拔节期采集植株叶片和茎鞘，抽穗期和成熟期采集植株叶片、茎鞘和穗，105 ℃下杀青40 min，再置于80 ℃下烘干至恒重后称重。

1.3.3 产量

于成熟期（2020年10月11日）进行取样，每个小区收获5 m2（去除边行），脱粒后按照标准含水量14.5%计算产量。

1.3.4 产量构成

于成熟期每个小区选取长势均匀的5穴植株（3次重复），按照标准含水量14.5 %分别调查有效穗数、每穗实粒数、结实率和千粒重。

1.3.5 植株全氮含量

将成熟期的水稻秸秆和籽粒烘干后粉碎，采用浓H2SO4碳化，H2O2高温消煮，以半微量凯氏定氮法测定植株含氮率。

1.3.6 可溶性蛋白含量

分别在抽穗期和灌浆期采集水稻新鲜剑叶（每个处理3次重复），液氮固定后置于-80 ℃超低温冰箱中保存待测，用Modefied Braford蛋白质浓度试剂盒测定可溶性蛋白含量，操作步骤参照Liu等[22]方法。

1.3.7 氮代谢关键酶活性

分别在抽穗期和灌浆期采集新鲜水稻剑叶（每种处理3次重复），液氮固定后置于超低温冰箱（-80 ℃）中保存待测，参照赵子靖等[23]和孙志祥等[24]的离体法测定硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，采用生化试剂盒测定亚硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性，试剂盒购自苏州科铭生物技术有限公司。

1.4 数据处理
1.4.1 数据计算

氮素积累量（kg/hm2）=该时期地上部生物量×含氮率；氮肥利用率（%）=（施氮区水稻氮素积累量-空白区水稻氮素积累量）/施氮量×100；氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区籽粒产量/施氮量；氮素收获指数（%）=成熟期籽粒含氮量/成熟期植株地上部氮素积累量×100。

1.4.2 统计分析

运用Microsoft excel 2010进行数据整理及图表制作，采用SPSS 21.0软件进行方差分析及显著性检验，使用Origin 8.0软件进行绘图。2个生长季水稻生长及产量表现趋势基本一致且无显著差异，因此本文为2020年数据。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田耦合减量施氮对水稻茎蘖动态的影响

从茎蘖动态变化来看，随着生育进程的推进，水稻茎蘖数均呈先增加后减少的单峰曲线趋势，在移栽后22~34 d达高峰值，此阶段秸秆还田（N210-M、N210-G、N260-M、N260-G）与不还田处理（N210-N、N260-N）相比茎蘖数加速更快，随后逐渐下降，直到齐穗期（移栽后58 d）趋于平缓（图1a）；从茎蘖数来看，所有处理最大分蘖数和有效分蘖数分别在418.88×104~ 461.56×104 /hm2和285.48×104~328.16×104 /hm2，显著高于CK（P<0.05），但各处理之间的差异未达显著水平（图1b）。总体来看，秸秆还田条件下适量减施化学氮肥可维持较高水平的最大分蘖数和有效分蘖数，兼具促蘖和保蘖的作用。

图1

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图1   秸秆还田耦合减量施氮对水稻茎蘖动态的影响

不同小写字母表示各处理在P < 0.05水平上差异显著。下同。

Fig.1   Effects of straw returning with nitrogen application reduction on the number of tillers on rice

Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at P < 0.05 level. The same below.


2.2 秸秆还田耦合减量施氮对水稻地上部生物量的影响

从表2可以看出，各施氮水平下秸秆还田均促进了水稻地上部干物质的积累，秸秆翻埋较不还田显著增加了拔节期叶片+茎鞘和抽穗期穗部生物量，增幅分别为35.61%~46.33%和22.54%~26.32%（P<0.05）；N210-G处理成熟期穗部生物量较N210-N增加了24%，差异达显著水平（P<0.05），而N260-G处理地上部生物量未明显提高；另外，N210-N处理显著降低了穗部生物量（P<0.05）。以上表明，秸秆还田耦合减氮19%（N210-M、N210-G）保证了水稻较高的地上部生物量。

表2   秸秆还田耦合减量施氮对水稻地上部生物量的影响

Table 2  Effect of straw returning with nitrogen application reduction on aboveground biomass in rice t/hm2

处理
Treatment		拔节期Jointing stage抽穗期Heading stage成熟期Maturing stage
叶片+茎鞘Leaf+stem-sheath叶片+茎鞘Leaf+stem-sheath穗Panicle叶片+茎鞘Leaf+stem-sheath穗Panicle
CK1.41±0.09c2.91±0.67c0.71±0.04d3.14±0.30b6.23±0.33c
N210-N2.78±0.40b5.18±0.90b1.33±0.08c5.12±0.63a10.75±0.49b
N210-M3.77±0.19a6.37±0.39ab1.68±0.11a5.15±0.92a11.46±1.41ab
N210-G3.00±0.14ab6.29±0.38ab1.53±0.04abc5.82±0.44a13.33±0.81a
N260-N2.59±0.51b6.76±0.23ab1.42±0.16bc6.40±0.96a11.16±0.50ab
N260-M3.79±0.59a7.58±0.57a1.74±0.14a5.36±0.54a11.70±0.09ab
N260-G3.28±0.70ab7.54±1.70a1.65±0.20ab5.08±0.64a12.26±2.03ab

不同小写字母表示各处理在P < 0.05水平上差异显著。下同。

Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at P < 0.05 level. The same below.

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2.3 秸秆还田耦合减量施氮对水稻产量及其构成因子的影响

由表3可知，秸秆还田、秸秆还田与减氮互作显著影响水稻产量及其构成因子（P<0.05）。2种施氮水平下水稻产量及其构成因子均无显著差异，而秸秆还田显著提高了水稻产量，增幅达11.74%~17.35%（P<0.05）；从秸秆还田与施氮量耦合角度分析，与常规不还田（N260-N）相比，秸秆还田搭配减氮19%（N210-M、N210-G）产量无显著差异，即2种组合在实现化肥减施的同时保证了稻谷稳产，其中，N210-M处理下有效穗数、每穗实粒数、结实率和千粒重均维持较高水平，而N210-G处理结实率降低5.76%（P<0.05）；另外，N260-G处理增产17.31%，差异达显著水平（P<0.05），该组合虽实现了增产和秸秆资源利用的目标，但却以过量施肥为代价。综合考虑经济收益、环境效应及田间可操作性，秸秆翻埋还田条件下适量减施化学氮肥对水稻产量潜力的发挥具有较大优势，并推测减施比例超过19%时可能存在减产风险。

表3   秸秆还田耦合减量施氮对水稻产量及其构成因子的影响

Table 3  Effects of straw returning with nitrogen application reduction on rice yield and its components

因素
Factor		处理
Treatment		有效穗数
Number of efficient
panicles (×104 /hm2)		每穗实粒数
Grain number
per panicle		结实率
Seed-setting
rate (%)		千粒重
1000-grain
weight (g)		产量
Yield
(t/hm2)
施氮量
N level (kg/hm2)

N210311.27±69.91114.20±12.0694.50±2.4826.19±1.10b12.60±1.22
N260310.38±62.93115.59±12.0894.76±2.4025.51±0.68b13.57±1.26
F值0.00ns0.05ns0.04ns2.49ns2.75ns
还田方式
Straw returning
method

N317.49±50.33116.60±15.0795.98±1.8526.47±0.53a11.93±1.05
M310.82±68.66111.14±11.7394.38±2.8725.81±1.24ab13.33±0.91*
G304.15±78.01117.00±10.6093.26±1.8025.28±0.66b14.00±1.07*
F值0.30ns0.36ns2.13ns2.84ns6.52*
施氮量×
还田方式
N level×straw
returning
method		N210-N317.49±54.47107.00±11.1794.86±2.13*26.92±0.16a11.44±0.59
N210-M317.49±47.75105.95±13.2296.15±1.93*26.51±1.33ab12.94±0.91
N210-G293.48±65.79124.50±2.7891.51±0.5425.15±0.70b13.43±1.25
N260-N328.16±69.23126.20±13.7297.10±0.48*26.02±0.26ab12.42±1.31
N260-M322.83±86.85114.60±11.9591.74±1.4825.11±0.77b13.72±0.88
N260-G285.48±65.70109.50±10.2294.42±1.1325.41±0.75b14.57±0.54*
F值1.01ns1.63ns5.61*2.93ns3.84*

*：P < 0.05，ns：无显著差异。

*: P < 0.05, ns: no significant difference.

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2.4 秸秆还田耦合减量施氮对水稻氮素吸收及利用的影响

如图2所示，秸秆还田对2种施氮水平下水稻氮素吸收与利用的作用效果不同，常规施氮水平下秸秆还田（N260-M、N260-G）可有效增加植株氮素积累量、氮肥利用率及氮肥偏生产力，尤其是秸秆覆盖效果达显著水平（P<0.05），但对氮素收获指数无显著的调节作用，减氮条件下秸秆还田（N210-M、N210-G）对氮素积累量、氮肥利用率、氮肥偏生产力及氮素收获指数均无显著影响；从秸秆还田耦合氮肥用量的角度分析，减氮搭配秸秆还田对水稻氮素的吸收与利用无显著影响甚至发挥积极的作用，主要表现为N210-M与N260-N处理相比，植株氮素积累量、氮肥利用率、氮肥偏生产力及氮素收获指数均无显著差异；N210-G处理显著提高了氮肥利用率及氮肥偏生产力，增幅分别为52.70%和38.28%（P<0.05），对氮素积累量和氮素收获指数的影响差异未达显著水平。据此推测，秸秆还田释放的养分可在一定程度上替代外施化学氮肥，能满足水稻生长发育及籽粒灌浆的需求，保证了较高水平的氮素吸收与分配利用。

图2

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图2   秸秆还田耦合减量施氮对水稻氮素吸收利用的影响

Fig.2   Effects of straw returning with nitrogen application reduction on the nitrogen uptake and utilization of rice


2.5 秸秆还田耦合减量施氮对水稻氮代谢关键酶活性的影响

如表4所示，秸秆还田耦合减氮对水稻生殖生长期功能叶片氮代谢关键酶活性及可溶性蛋白含量有显著影响。与N260-N处理相比，N210-M处理显著提高了抽穗期和灌浆期谷氨酰胺合成酶活性，增幅分别为25.99%和27.46%，同时抽穗期可溶性蛋白含量增加了12.39%，差异达显著水平（P<0.05），但谷氨酸合成酶活性表现为抽穗期显著降低15.97%，灌浆期趋于稳定；N210-G处理显著降低了灌浆期亚硝酸还原酶活性，降幅为11.74%，该处理下谷氨酸合成酶活性呈抽穗期降低、灌浆期增加的趋势；减氮19%搭配秸秆还田对硝酸还原酶活性无显著影响。由此看来，秸秆还田耦合减氮对水稻氮素吸收利用的影响与生育后期氮代谢活动密切相关，并通过调节氮代谢关键酶活性的强弱及可溶性蛋白含量发挥作用，并且抽穗期的作用效果强于灌浆期。

表4   秸秆还田耦合减量施氮对水稻生殖生长期叶片氮代谢关键酶活性的影响

Table 4  Effects of straw returning with nitrogen application reduction on key enzyme activities of nitrogen metabolism in leaves of rice at reproductive growth stages

生育期
Growth period		处理
Treatment		硝酸还原酶
Nitrate reductase
[µmol/(h∙g FW)]		谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthetase
[µmol/(h∙g FW)]		亚硝酸还原酶
Nitrite reductase
[µmol/(h∙g FW)]		谷氨酸合成酶
Glutamate synthase
[nmol/(h∙g FW)]		可溶性蛋白
Soluble protein
(mg/g FW)
抽穗期Heading stageCK10.85±0.62bc15.73±1.90c16.01±0.89c33.26±1.10d47.31±3.43c
N210-N9.35±0.42c16.22±1.70c17.98±1.81bc53.74±0.80a50.75±2.27abc
N210-M16.13±0.96a20.75±2.17ab18.17±1.05abc42.25±1.97b54.62±3.03a
N210-G15.76±2.45a17.71±3.05bc19.96±1.02ab41.77±0.88b46.47±2.51c
N260-N12.99±0.00ab16.47±1.43c19.42±0.71ab50.28±0.40a48.60±2.88bc
N260-M14.06±0.85a16.66±1.69c20.48±1.41a37.45±3.01c53.45±3.94ab
N260-G16.12±2.68a22.02±0.79a17.69±1.53bc33.81±0.98d52.09±1.91abc
灌浆期Filling stageCK11.36±0.64a7.61±0.72d16.89±0.70a18.55±0.63e83.58±2.96cd
N210-N12.06±0.08a8.81±0.84cd16.95±0.81a20.42±0.64de84.60±3.53bcd
N210-M12.43±1.25a12.30±0.37a14.33±0.72cd26.81±1.33d89.98±3.98b
N210-G12.07±0.29a10.71±0.90ab14.59±0.66c29.38±0.42c87.89±0.83bc
N260-N11.72±0.46a9.65±1.64bc16.53±0.23ab22.93±1.25d87.72±0.10bc
N260-M11.78±0.07a12.45±0.80a15.44±0.27bc53.60±3.45a97.27±2.35a
N260-G12.25±0.37a11.96±0.59a13.21±0.81d48.23±1.31b80.31±1.30d

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3 讨论

国内外诸多研究[22-23]对秸秆还田部分替代化肥及其对水稻维持产量的促进作用已达成广泛共识。孙志祥等[24]通过2年大田定位试验发现，秸秆还田与化肥共同作用并未造成双季稻显著减产，且还田2年后早稻、晚稻产量分别增加了10.11%和9.81%；Zhang等[25]连续9年开展大田试验发现，秸秆还田结合氮肥优化管理可有效提高稻麦系统水稻产量的稳定性，增幅可达12.80%；姚莉等[26]研究表明，秸秆还田3年搭配适量减施化肥也可实现水稻增产16.93%；本研究与上述研究[24⇓-26]结果相类似，但未见明显的增产效果，即秸秆还田耦合适量减氮对水稻产量无显著影响，但减氮超过19%时可能存在减产风险，该处理稳产主要归因于较高水平的产量构成因子，未实现增产的因素可能有3个：其一，秸秆还田后养分释放高峰期与水稻分蘖快速增长期重叠，该时期恰逢土壤微生物活动较为旺盛的阶段，造成根系与土壤竞争营养元素，抑制有效分蘖形成；其二，秸秆养分完全释放是漫长的过程且受气候条件的影响，辽河平原稻作区低温冷凉的特性尤其是生育后期气温骤降一定程度上减缓了秸秆养分释放速率，导致籽粒灌浆不充分，千粒重增加趋势不明显甚至呈降低趋势；其三，秸秆还田年份较短，未到显著增产的时期，相关研究工作有待进一步开展。以上表明，综合考虑辽河平原稻作区施肥现状、经济收益及田间操作难易度等问题，秸秆翻埋还田搭配化学氮肥减施19%更符合水稻生产实际，可维持有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重协调发展，从而保证稳产。

水稻氮代谢决定了氮素的吸收、转运和同化，最终影响产量形成；水稻对氮素的吸收和转化主要受硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶等氮代谢酶活性的调控，二者分别是植物硝态氮同化过程中的调节酶和限速酶[27-28]。秸秆还田方式、施氮量及其交互作用显著影响水稻氮素吸收及利用效率，在常规施氮量减氮20%条件下秸秆全量还田可实现水稻稳产，提高氮素利用率及氮肥农学利用率[29]；秸秆还田可显著提高水稻根系硝酸还原酶或谷氨酰胺合成酶活性，促进植株对氮素的吸收和利用[30]；晏军等[31]在苏北地区开展田间定位试验，发现秸秆全量还田下化肥减施20%可有效提高水稻氮肥利用率、氮肥偏生产力和氮肥农学效率，减少田间氮素养分残留量。本试验结果与上述研究相似，即减氮19%搭配秸秆翻埋还田对水稻氮素的吸收与利用并无显著的抑制作用，反而植株氮素总积累量、氮肥利用率、氮肥偏生产力及氮素收获指数均维持较高水平，主要归因于生育后期旺盛的氮代谢活动，其中抽穗期和灌浆期谷氨酰胺合成酶活性分别提高25.99%和27.46%，同时可溶性蛋白含量增加了12.39%，且该处理可维持较高的硝酸还原酶活性。据此推测，辽河平原稻作区秸秆翻埋全量还田结合氮肥减施19%可通过改善植株氮代谢能力提高氮素吸收利用，从而维持水稻产量稳定并有效缓解稻田养分过度积累。

值得注意的是，2种施氮水平下水稻产量均表现为秸秆覆盖还田高于秸秆翻埋，而在拔节期和孕穗期，秸秆翻埋下水稻地上部生物量高于秸秆覆盖，且2种还田方式的氮素积累量和利用率表现趋势不一致，初步推测可能与秸秆还田的年限有关，如短期覆盖还田对水稻增产发挥积极作用，长期覆盖还田则促进水稻对氮素的吸收与利用。另外，本研究结果显示“减氮19%+不还田”存在减产风险，秸秆翻埋和秸秆覆盖后产量表现较优，与常规施肥量相比无显著差异，说明2种还田方式均可达到部分替代化学氮肥的效果，并确保稳产高产，“减氮19%+秸秆翻埋”并未显著降低植株氮素积累量和氮肥利用率，而“减氮19%+秸秆覆盖”显著增加了水稻氮肥利用率，由此可见，秸秆还田可释放充足的养分并在一定程度上补偿甚至替代了化学氮肥的作用，但2种还田方式下秸秆替代的效应机制尚不清楚，今后研究应重点关注减氮条件下秸秆还田方式、还田年限及其互作的稳产效应机制，为稻作农田节肥增效及资源有效利用提供理论依据。

4 结论

秸秆还田耦合减施氮肥可有效保证水稻产量稳定，不同还田方式作用效果存在一定差异，总体表现为较高水平的有效穗数、穗粒数及千粒重；值得注意的是，减氮比例超过19%可能存在减产风险。综合考虑经济效益、环境效应、田间操作难易程度和农户认可情况，秸秆翻埋还田条件下适量减施氮肥是辽河平原稻作区稳产增效和农业废弃资源高效利用的有效栽培调控措施，符合区域气候特征、土壤类型及农作制度。

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【目的】辽宁省水稻种植面积约50万hm<sup>2</sup>,较10年前下降了近1/5,但由于单产持续增加,年产量始终稳定在400万t以上。作为单产最高的粳稻主产区之一,在化肥零增长的背景条件下,兼顾土壤肥力和水稻产量的化肥减施潜力有待研究。【方法】2020年对辽河三角洲、东南部沿黄海和辽宁中北部3个水稻主产区进行农户施肥调研,每个稻作区分别选择高、中、低产代表乡镇为调研点,每个调研点选择2—5个村,每个村选择10户进行调研,共计590份调查问卷。各稻作区氮肥推荐用量基于前期研究基础确定。依据作物养分需求量和稻田土壤养分状况,采用磷钾衡量监控方法,估算稻田磷、钾肥适宜施用量。基于此分析辽宁省水稻化肥减肥潜力。【结果】辽河三角洲、东南部沿黄海和辽宁中北部稻区农户平均产量分别为10.4、7.7和8.7 t·hm<sup>-2</sup>,差异较大,同一稻作区高低相差约4 t·hm<sup>-2</sup>,不同稻作区间高低相差约2.7 t·hm<sup>-2</sup>。辽宁省稻田N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>和K<sub>2</sub>O平均习惯用量分别为229.4、102.8 和91.1 kg·hm<sup>-2</sup>,氮肥用量较2004—2017年降低了12%—32%,磷钾肥用量有所增加,氮磷钾肥比例约为2.2﹕1﹕1;3个稻作区农户习惯氮肥和磷肥施用量变异较大,纯氮和P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>平均用量高低相差分别为79.5 kg·hm<sup>-2</sup>和35.4 kg·hm<sup>-2</sup>;农户纯氮施用量高低相差约4倍,有2.5%农户不施钾肥,个别农户不施磷肥,P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>和K<sub>2</sub>O最高用量分别为294.5和225.0 kg·hm<sup>-2</sup>,盲目施肥现象依然存在。以各稻作区近3年平均产量增产5%为目标产量计算推荐施肥量,辽河三角洲稻作区目标产量为10 000 kg·hm<sup>-2</sup>,N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 和K<sub>2</sub>O的推荐用量分别为234、111和101 kg·hm<sup>-2</sup>,有82.1% 的农户氮肥效率较低,过量施氮问题突出,其中有21.7% 的农户具有较大减氮潜力,可节约氮肥13.7%;9.6%的农户具有较大磷肥减施潜力,可节约磷肥5.1%;钾肥需要适量补充。东南部沿黄海稻作区目标产量为7 500 kg·hm<sup>-2</sup>,N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 和K<sub>2</sub>O的推荐用量分别为179、83和76 kg·hm<sup>-2</sup>,68.0% 的农户磷肥效率较低,过量施磷现象普遍,其中有28.0% 的农户具有较大节磷潜力,可降低18.6%的投入量;约20% 的农户处于氮、钾肥低产低效水平,能减施7%左右。辽宁中北部稻作区目标产量为9 000 kg·hm<sup>-2</sup>,N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 和K<sub>2</sub>O的推荐用量分别为210、80和91 kg·hm<sup>-2</sup>;约有30%的农户氮、磷、钾肥具有较大减施潜力,其中氮、磷肥可减施约1%,钾肥减施约4%。【结论】辽河三角洲稻作区氮肥过量施用问题突出,有21.7%的农户可减施氮肥13.7%;东南部沿黄海稻作区磷肥过量施用现象普遍,有28.0%的农户可降低18.6%的投入量;辽宁中北部稻作区约有30%的农户具有化肥减施潜力,氮、磷肥减施约1%,钾肥减施约4%。

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【目的】明确我国主要粮食作物秸秆及其养分资源特征,为秸秆肥料化利用、化肥合理减施及农业绿色生产提供科学依据。【方法】基于《中国统计年鉴》和文献资料数据,估算我国水稻、小麦和玉米秸秆及其养分资源量,分析秸秆和养分资源区域分布特征、养分资源当季释放量以及小麦生产中化肥减施量。【结果】通过文献数据加权估算,我国水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.01、1.14和1.25。2014—2018年,我国三大粮食作物秸秆年均产量为65 386.6万t,其中水稻、小麦和玉米秸秆产量分别占32.3%、22.7%和45.0%。秸秆资源量的73.3%分布在我国华北、长江中下游和东北农区,其中水稻秸秆主要集中在长江中下游农区（50.7%）、小麦秸秆主要集中在华北农区（59.0%）、玉米秸秆主要集中在东北农区（33.7%）和华北农区（30.4%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆氮素（N）平均含量分别为0.78%、0.64%和0.85%,磷素（P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>）平均含量分别为0.42%、0.27%和0.53%,钾素（K<sub>2</sub>O）平均含量分别为2.31%、1.53%和1.59%,秸秆总养分含量（N+P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+K<sub>2</sub>O）表现为水稻>玉米>小麦。三大粮食作物秸秆养分资源年均量为509.8万t（N）、284.7万t（P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>）和1 183.0万t（K<sub>2</sub>O）,不同农区总养分量分布表现为长江中下游（26.0%）>华北（25.4%）>东北（21.3%）>西北（11.1%）>西南（10.5%）>东南（5.6%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆还田氮素当季释放率分别为54.9%、51.4%和61.9%,磷素当季释放率分别为60.9%、65.3%和73.0%,钾素当季释放率分别为90.1%、93.3%和92.3%,表现为钾>磷>氮。三大粮食作物秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为294.0万t（N）、194.1万t（P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>）和1 083.9万t（K<sub>2</sub>O）,总量为1 572万t,其中以玉米秸秆养分（N+P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+K<sub>2</sub>O）当季归还量最高,占当季养分总归还量的44.6%。秸秆还田对我国小麦生产具有较高化肥替代潜力,在小麦一年一作区,小麦秸秆全量还田理论上可替代4.6 kg N·hm <sup>-2</sup>、7.8 kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>·hm <sup>-2</sup>和65.3 kg K<sub>2</sub>O·hm <sup>-2</sup>的化肥投入量;小麦玉米轮作区,玉米秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季39.4 kg N·hm <sup>-2</sup>、28.9 kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>·hm <sup>-2</sup>和109.9 kg K<sub>2</sub>O·hm <sup>-2</sup>的化肥投入量;稻麦轮作区,水稻秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季29.9 kg N·hm <sup>-2</sup>、17.8 kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>·hm <sup>-2</sup>和145.1 kg K<sub>2</sub>O·hm <sup>-2</sup>的化肥投入量。【结论】我国水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为21 141.5万t、14 843.1万t和29 402.0万t,总量为65 386.6万t。三大粮食作物秸秆全量还田养分当季释放量为294.0万t（N）、194.1万t（P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>）和1 083.9万t（K<sub>2</sub>O）。70%以上秸秆资源和养分当季释放量集中在长江中下游、华北和东北地区。小麦生产区,前茬作物秸秆全量还田理论上可替代 4.6—39.4 kg N·hm <sup>-2</sup>、7.8—28.9 kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>·hm <sup>-2</sup>和65.3—145.1 kg K<sub>2</sub>O·hm <sup>-2</sup>的化肥投入量。

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保护性耕作是改善农田土壤肥力的重要举措, 然而其对作物氮吸收与产量的作用尚不明确。为此, 本试验于2016—2017年稻季在湖北省武穴市花桥镇, 设置常规翻耕与免耕两种耕作方式以及前茬作物秸秆全量还田与不还田两种秸秆还田方法, 研究耕作与秸秆还田方式对稻田土壤N<sub>2</sub>O排放、根系酶活性、水稻氮吸收与产量的影响。结果表明, 耕作方式显著影响土壤N<sub>2</sub>O排放, 但不影响根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性、水稻氮吸收与产量。与翻耕处理相比, 免耕处理2016年和2017年土壤N<sub>2</sub>O排放量分别显著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%。秸秆还田显著影响土壤N<sub>2</sub>O排放量、根系酶活性、水稻氮吸收与产量。相对于秸秆不还田处理, 秸秆还田处理2016年和2017年土壤N<sub>2</sub>O排放量分别显著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。秸秆还田处理相对于不还田处理根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性分别显著增加了6.7%~45.9%和9.0%~46.7%, 水稻氮吸收量提高了12.5%~26.0%, 产量增加了9.4%~12.6%。本文认为, 虽然秸秆还田提高了水稻氮吸收与产量, 但也促进了土壤N<sub>2</sub>O的排放, 因此在评估保护性耕作稻田温室效应时应加强对温室气体(CH<sub>4</sub>和N<sub>2</sub>O)排放和土壤碳固定影响的长期监测, 以期为发展低碳稻作提供理论依据和技术支撑。

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