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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。