长期秸秆还田下有机无机配施及微量元素和缓释肥的施用对双季稻产量和肥料利用率的影响

李桂花，张雪凌，周吉祥，张建峰

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

红壤性水稻土是种植双季稻的主要土壤，集中分布在热带-亚热带地区。这些区域有充足的降雨和热量，利于作物的生长，但同时土壤矿化淋溶强烈，使土壤呈现酸、粘、瘦的特征，因此，合理施肥是保证红壤持续高产、稳产的重要措施。

大量试验表明，很多施肥模式可以提高红壤区双季稻产量，并培肥地力。比如，适量氮肥条件下，长期有机无机配施是提高红壤地力、保证产量的有效措施［1-2］。缓控释氮肥的应用也比普通氮肥有效提高水稻产量6.1%～8.2%，氮肥利用率提高15.4%～38.4%［3］。施用植物生长第四大必需元素硫，也增加水稻产量0%～10%［4］。另外，微量元素的应用，也显著增加水稻产量。比如，在土壤中施用锌肥水稻产量平均增加15%，且土壤施用优于叶面喷施和种子处理［5］；另外，硅肥促进水稻生长及其对矿物养分的吸收，对早稻的增产量达到2.2%～30.0%，对晚稻的增产量达到3.9%～9.2%［6］，硅锌配施也增加双季稻产量10%左右［7］。

江西红壤地区多年实施秸秆还田以培养土壤地力，在这种背景下，本文进一步研究了集成上述高效施肥模式对水稻产量、氮肥利用率和土壤肥力的影响，为这一地区养分持续高效利用和水稻增产提供科学依据。

1 材料与方法

试验于江西省宜春市高安县渡埠农场（28°15′26.0″ N，115°07′32.7″ E）进行。该区属于亚热带季风性湿润气候，年均降水量1680 mm，集中在4～6月，平均气温17.2℃。供试土壤为红壤性水稻土，耕层主要性状为pH 5.28，全氮1.69 g/kg，有机质23.62 g/kg，碱解氮184.0 mg/kg，有效磷44.5 mg/kg，速效钾178.3 mg/kg，有效硅54.1 mg/kg，有效锌1.72 mg/kg。

田 间 试 验 始 于2013年4月，2016年11月 结束。试验地长期秸秆还田并加腐熟剂。早稻4月25日～5月1日插秧，晚稻7月31日～8月2日插秧。试验共设8个处理，除不施氮、磷及减氮处理外，氮磷钾总量保持一致：（1）不施氮，施磷（化肥N+有机N/P2O5：0+0/90）；（2）不施化肥氮，施有机氮，施磷，施微肥（Si、Zn、S）（0+30/90/微）；（3）减化肥N 20%，不施磷（135+0/0）；（4）有机N替代20%化肥N，不施磷，施微肥（Si、Zn、S）（135+ 30/0/微）；（5）常规施氮磷（165+0/90）；（6）有机N代替20%化肥N，施磷（135+30/90）；（7） 在处理（6）基础上增施微肥（135+30/90/微）；（8）在（7）基础上用20%缓释N代替化肥N［135（35缓+100） +30/90/微］。早稻常规施N量为165 kg/hm2，晚稻195 kg/hm2，磷钾肥用量早晚稻一致。微肥SiO2、Zn、S施用量分别为30、3.45和30 kg/hm2。化肥用尿素、过磷酸钙、氯化钾，缓释肥N含量41.8%，有机肥（江苏田娘农业科技有限公司）含水量30.1%，有机质47.8%，N 1.86%，P2O53.11%，K2O 0.85%；微肥用Na2SiO3·5H2O（SiO224%）、ZnSO4·H2O（Zn 36.3%，S 17.9%）、硫磺粉（S 99.9%）。除尿素外其余肥料均基施。采用随机区组设计，4次重复，小区面积42 m2，用塑料薄膜覆泥作梗隔开，每个小区独立排灌。各处理具体施肥量见表1。

表1 不同施肥处理早稻施肥量 （kg/hm2）

早稻和晚稻品种分别为当地主栽品种中嘉早17号和五丰优T025。早稻5月初移栽，7月下旬收获；晚稻8月初移栽，11月初收获。取1 m2进行考种。产量按全小区测定，土壤样品在晚稻收获后采集。测定籽粒和秸秆中的氮磷含量，分析土壤化学性状［8］的变化。

利用公式（1）和（2）计算水稻氮肥效率。用SigmaPlot 12.5进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 年度间及同一年度不同施肥处理间早晚稻的产量变化

4年间早稻平均产量分别为7869、7067、7109和9316 kg/hm2，年度间差异显著（P<0.05）。比较同一年份，与不施肥相比，施肥处理早稻产量达到显著水平（表2，P<0.05），施肥处理间没有差异。用有机替代部分无机肥、外加微量元素和缓释肥料等处理与常规施肥相比，产量差异最高，可达7.6%，但没有达到显著水平。减氮处理在所有施氮处理中产量最低，但与常规施肥相比，也没有达到显著水平。

表2 不同施肥处理早稻产量 （kg/hm2）

晚稻产量结果与早稻相似，同一年度只有施肥处理与不施肥间差异显著（表3，P<0.05）。与常规施肥相比，有机替代、添加微量元素和缓释肥料、减氮20%处理，晚稻产量没有显著差异。年度间的产量差异大于肥料处理间差异。与早稻相比，不同年度间有高有低。

表3 不同施肥处理晚稻产量 （kg/hm2）

2.2 不同年份水稻考种数据及气象因子分析

不同年份考种数据有差异。早稻季有效穗数、实粒数及实粒重都是产量最高的2016年显著高于其它年份（表4，P<0.05）。日照长度也是2016年和2013年高于其它年份。晚稻季有效穗数、实粒数及实粒重也是产量最高的2014年显著高于其它年份（表4，P<0.05）。平均温度和日照长度没有差异。但4年产量与有效穗数、实粒数及实粒重相关性不显著，也与平均温度和日照长度相关性不显著（数据略）。

表4 不同年份6个施氮处理水稻考种数据及气象因子分析

2.3 不同施肥处理早晚稻氮磷吸收和氮肥利用率

不同施肥处理影响籽粒吸氮量。以2016年早稻为例，氮磷配施且有机替代（含缓释肥）处理（T6、T7、T8）籽粒吸氮量（除T6与T4、T5差异不显著外）显著高于其它处理（表5）。秸秆吸氮量与籽粒略有差异，除不施氮处理外，不施微量元素的3个处理（T3、T5、T6）与其它处理（T4、T7、T8）相比较低。不同施肥处理间氮肥表观利用率差异不显著（P=0.07）。籽粒吸磷量没有差异。秸秆吸磷量只有T1和T3显著低于其它处理，施用有机磷（T2）有效提高秸秆吸磷量。氮肥农学效率主要受产量和施氮量影响，所以早稻产量T6>T3、T8>T4、T7>T5，常规施肥方式最低，但处理间差异不显著。

晚稻籽粒的吸氮量只有不施肥处理显著低于其它处理（表6，P<0.05）。减氮处理（T3）秸秆吸氮量低于其它施肥处理。晚稻籽粒吸磷量除不施肥处理外，只有常规施肥（T5）最低。秸秆吸磷量只有不施磷肥的T3处理最低。2016年晚稻产量低，所以施氮最少的T3处理氮肥农学效率高于其它处理，但差异不显著。氮肥表观利用率与早稻一样，施用缓释肥的T8（高9%）和施用有机肥的T6、T7优于其它处理，但差异不显著。

2.4 不同施肥处理土壤化学性质和微生物生物量的变化

4年不同施肥处理后，只有有效磷和速效钾发生了变化，pH、有机质、全氮和微生物量碳和氮都没有显著差异（表7）。与常规施肥相比，有机无机配施有机质和全氮增加1.5%。

表7 不同施肥处理对土壤化学性质和微生物生物量的影响（2016年）

3 讨论

3.1 不同年份早稻产量差异的主要原因

水稻产量的形成主要受温度、光照（辐射强度）和叶面积指数的影响［9］。叶面积指数在不受水、氮胁迫的情况下，主要由不同生长阶段来决定。生长阶段主要由日平均温度和光周期决定［9］。因此，我们分析了不同年份考种数据，以及产量与早晚稻生育期温度和日照长度的相关性。虽然产量最高年份的有效穗数、实粒数及实粒重都显著高于其它年份，但这些因子以及温度、日照长度与产量间的相关性都没有达到显著水平。说明产量的形成需要过程的模拟，如Oryza 2000［9］、APSIM-Oryza［10］，而不能简单应用平均值。即温度和日照在整个生育过程的分布会影响作物生长量和产量的形成。

3.2 同一年份不同施肥处理对产量的影响

施肥目的是增加作物产量，同时维持或增加土壤肥力。与常规单施化肥相比，4年有机无机配施、外加微量元素等措施没有显著增加双季稻产量。张成兰等［11］在赤红壤得到相同结果。他们发现，在多年冬季绿肥还田条件下，连续5年有机无机配施（1∶1，鸡粪）和秸秆还田不能显著增加双季稻产量。其它红壤长期定位试验也发现，有机替代或有机无机配施需要较长时间才能增加产量。如江西进贤，30%有机替代（NPKM）与NPK相比，经过30年水稻增产量由0.6%提升到6.9%［12］。湖南望城经过32年秸秆还田和猪粪配施，早稻平均增产7.2%，晚稻平均增产6.7%［13］。江西南昌29年30%有机替代，早稻产量增加6.3%，晚稻增产7.8%［14］。而在地力中等的湖南祁阳，施氮量加倍［有机无机比1∶1，无机氮72.3 kg/（hm2·季），有机氮为腐熟牛粪］情况下，前5年双季稻产量差异不明显，后期NPK产量逐步降低，而NPKM产量基本维持，经过30年双季稻平均增产19%［15］。说明在红壤通过添加有机物料增加产量需要较长时间。相反，在肥力较低的祁阳红壤，Li等［16］发现与农民单施化肥相比，秸秆还田（单季或双季）或冬季紫云英还田（N投入增加50%～78%），4年双季稻显著增产8.5%～24.1%。说明基础地力影响作物对不同肥料的响应。另外，他们发现有机物料的质量影响土壤养分的供应，有机物料的数量影响土壤有机质的提升。本试验地经过长期秸秆还田，土壤肥力有了一定的提高，在此基础上，用20%有机氮替换无机氮，可能在有机物料的质量和数量上都无法满足快速增产的目的。另外为了便于推广，我们选用商品有机肥，其中易分解碳氮含量较高，这些成分在厌氧条件下促进铁、硫还原物质的产生［17］，不利于水稻生长，这可能也是影响产量的一个原因。

相反，在红壤中施硅显著降低有害性还原性物质（Fe2+和Mn2+）［18］，同时增加地上部氮磷养分的吸收［6］，增加机械抗性和生理抗性［19］，从而增加双季稻产量［6，18，20］。但本研究在施硅情况下，地上部氮磷吸收量与不施硅相比没有差异，水稻产量没有增加。陈琨等［18］在四川紫色土得到相同结果。他们发现只有硅与钙配施才能增加水稻产量10.6%，而单独施锌肥、硅肥对水稻增产效果不显著。但在辽宁盐碱地，不论是土施硅与钙，还是叶面喷施硅肥，单季稻产量分别增加4.8%和14.3%，达到显著水平［20］。他们认为硅肥主要通过增加分蘖和抗病性增加产量，我们测定的分蘖数没有变化（数据略）。而刘红芳等［21］在单季稻中发现，硅肥对产量的贡献与施氮量有关。在常规施氮量下，不论是硅肥，还是硅钙肥，对水稻产量无影响，对秸秆抗性也无影响；而施氮量为2.5倍时，两种硅肥都促进维管束发育，抗倒伏，实现增产12.5%［21］。我们的施氮量属常规水平，因此，硅肥对产量没有效果。

另外，硫和锌是参与作物酶活性和生理代谢的重要元素，增加水稻产量［5］。在本试验条件下，与常规施肥相比，这两个元素没有增加双季稻产量。孙玉桃等［4］得到相同结果。他们发现在田间施硫条件下，早稻增产3%，晚稻没有效果，都没有达到显著水平。

总之，在不同施肥模式下，双季稻产量与常规施肥相比没有增加，主要原因还是试验区长期秸秆还田。虽然每年有籽粒部分移出，但通过有机肥替代可以满足微量元素的少量移出；同时因为有机肥替代率较低，所以4年替代后，增产效果不明显。

3.3 氮肥农学利用效率和氮肥表观利用率

相对而言，减氮条件下，氮肥农学效率因为施氮量低而增高。但本文因减氮条件下产量也下降，所以氮肥利用率没有提高。不同施肥下氮肥农学利用效率范围在15～25 kg/kg，与其它红壤在相似施氮量下的利用效率相似［12，14］。不同施肥模式下，早稻氮肥农学效率高于晚稻，与刘益仁等［14］得到的结果相同，主要原因是早稻施氮量低于晚稻。

不同处理间氮肥表观利用率没有显著差异，但相对而言缓释肥效果最佳（T8）。Geng等［3］得到相同结果，表明缓释肥利于作物吸氮。氮肥表观利用率范围在26%～41%，早稻高于晚稻。与湖南望城、江西进贤、江西南昌的红壤长期定位试验结果相同，利用率范围（平均31%～44%）也接近［12-14］。相反，根据文献和田间两年试验，叶廷红等［22］发现晚稻氮肥表观利用率略高于早稻。结果有差异的主要原因是施肥量和产量。本试验地区常年晚稻产量略高于早稻，所以晚稻施氮量高于早稻，但本试验的这4年，产量相似或低于早稻，所以氮肥利用率也低。

3.4 土壤肥力

长期秸秆还田条件下，用20%有机肥N替代化肥N，4年后稻田土壤有机质和全氮没有显著增加。主要原因是有机肥投入量（771 kg/hm2）与秸秆（5500～8000 kg/hm2）相比数量少。张成兰等［11］在广州赤红壤得到相同结果。他们发现冬季绿肥还田条件下，长期有机无机配施（1∶1，鸡粪）和秸秆还田，与NPK相比，土壤养分、酶活性和微生物多样性都没有显著差异。湖南桃源红壤试验也发现，与NPK相比，添加秸秆与绿肥等有机物料需要9年以上才能使土壤有机碳显著增加，同时增加微生物量碳氮［23］。湖南望城红壤上秸秆与猪粪还田，与NPK相比，经过32年有机碳增加6%，而微生物量碳氮没有差异［13］。而祁阳红壤，5年时间秸秆与绿肥还田显著增加了土壤有机质含量11%～23%［16］。说明有机肥料对土壤地力的影响和物料投入的数量、质量与土壤原有地力有关。

4 结论

集成红壤增产增效的施肥模式，并应用于长期秸秆还田的江西红壤。结果发现，不论是有机替代、添加微量元素、减氮、缓释肥替代，都不能显著增加双季稻产量，也不能增加氮肥农学效率及表观利用率。说明长期秸秆还田对水稻产量和地力起到很重要作用，在此基础上，添加有机肥可以满足双季稻对微量元素的需求；缓释肥的应用增加氮肥表观利用率9%。