王保君，程旺大，陳 貴，沈亞強(qiáng)，沈 盟，袁 曄，王 蕾，張紅梅

(嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)環(huán)境研究所，浙江 嘉興 314016)

氮素作為水稻生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，與水稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成密切相關(guān)[1]。施肥是水稻生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，農(nóng)戶往往通過(guò)多施氮肥以期獲得高產(chǎn)[2]。然而，氮肥的過(guò)量使用不僅會(huì)降低氮肥利用效率，而且會(huì)對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響[3-5]。

土壤養(yǎng)分作為土壤肥力的內(nèi)部表征，是反映土壤供肥能力的有效指標(biāo)[6]。土壤總有機(jī)碳對(duì)土壤保水保肥具有重要的作用[7]。土壤中的活性有機(jī)碳參與土壤的生化過(guò)程，影響土壤供肥能力，能夠在土壤總有機(jī)碳變化之前反映土壤微小的變化，是反映土壤潛在生產(chǎn)力和由土壤管理措施引起的土壤有機(jī)質(zhì)變化的早期指標(biāo)[8]。土壤微生物作為土壤最活躍的組分，參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，是反映土壤肥力變化、評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要生物指標(biāo)[9]。綜上可知，土壤養(yǎng)分、碳庫(kù)含量，及微生物數(shù)量可以作為評(píng)價(jià)農(nóng)田管理措施的重要指標(biāo)。

近年來(lái)，秸稈還田已經(jīng)成為秸稈綜合利用的主要方式。作物秸稈富含氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)循環(huán)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分、改善土壤品質(zhì)具有積極作用。雜交稻作為水稻生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)的代表，具有苗期早發(fā)快、分蘗強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，適于減氮降密的種植方式[10]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2017年浙江省水稻播種面積約73.6萬(wàn) hm2，其中，雜交稻種植面積約占46.9%，分別是常規(guī)晚粳稻和早秈稻種植面積的1.2倍和3.3倍[11]。在秸稈全量還田背景下，氮肥調(diào)控對(duì)雜交稻生產(chǎn)尤為重要。前人關(guān)于秸稈還田和氮肥用量對(duì)土壤影響的報(bào)道已有很多[12-14]。但是，大多研究都集中在粳稻方面[15-17]，關(guān)于雜交稻的相關(guān)研究相對(duì)較少，而關(guān)于在秸稈全量還田下氮肥調(diào)控對(duì)浙北地區(qū)雜交稻土壤養(yǎng)分、總有機(jī)碳及其組分、土壤微生物活性的系統(tǒng)性研究則更為缺乏。本研究以雜交稻為試驗(yàn)材料，通過(guò)大田試驗(yàn)研究秸稈全量還田下氮肥調(diào)控對(duì)浙北地區(qū)稻田土壤養(yǎng)分、碳庫(kù)和微生物活性的影響特點(diǎn)，旨在為優(yōu)化浙北地區(qū)稻田氮肥用量、改善農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年6月—2017年11月在浙江省嘉興市秀洲區(qū)王江涇鎮(zhèn)雙橋試驗(yàn)基地(120°42′42″E， 30°50′20″N)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔10 m，年平均氣溫15.5 ℃，年均降水量1 194 mm，年均日照時(shí)間1 950 h，年輻射量462 kJ·cm-2，年無(wú)霜期245 d。試驗(yàn)田土壤類型為長(zhǎng)三角地區(qū)典型的水稻青紫泥，0～20 cm土層土壤的基本理化性狀：有機(jī)質(zhì)36.28 g·kg-1，全氮2.21 g·kg-1，速效磷12.28 mg·kg-1，速效鉀56.13 mg·kg-1，銨態(tài)氮20.32 mg·kg-1，硝態(tài)氮6.28 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以水稻品種嘉優(yōu)中科6號(hào)為試驗(yàn)材料，連續(xù)開(kāi)展2 a的秸稈全量還田大田定位試驗(yàn)。采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，根據(jù)施氮水平(以純氮計(jì))設(shè)置4個(gè)處理：N0，不施氮；N1，225 kg·hm-2；N2，300 kg·hm-2；N3，375 kg·hm-2。每個(gè)處理重復(fù)3次，共設(shè)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為31.8 m2(6.0 m×5.3 m)。小區(qū)間筑埂(埂寬40 cm)，并用塑料薄膜包裹，防止串水串肥。試驗(yàn)秸稈全量還田系2015年水稻收獲時(shí)稻草秸稈經(jīng)人工粉碎為5～10 cm的小段全部還田，還田量約為7 500 kg·hm-2，冬前進(jìn)行翻耕曬垡，用于2016年開(kāi)展試驗(yàn)。2016年水稻收獲時(shí)各試驗(yàn)小區(qū)的稻草秸稈經(jīng)人工粉碎為5～10 cm的小段，分別全量還田于各試驗(yàn)小區(qū)，冬前進(jìn)行翻耕曬垡，用于2017年水稻種植。

1.3 田間管理

耕作方式為單季稻—冬閑一熟制，分別于2016年6月19日和2017年6月25日人工移栽，移栽葉齡為5葉，移栽行株距為30 cm×15 cm，每穴1株。供試氮肥系河南心連心化肥有限公司生產(chǎn)的中顆粒尿素(N≥46%)，鉀肥系中化化肥有限公司生產(chǎn)的氯化鉀(K2O≥60%)，磷肥系海鹽北洋磷原物質(zhì)有限公司生產(chǎn)的粒狀過(guò)磷酸鈣(P2O5≥12%)。各處理的氮肥施用量按基肥、分蘗肥、穗肥用量2∶2∶1的比例施用。基肥于移栽前1 d施入，分蘗肥分別于2016年7月13日和2017年7月11日施入，穗肥分別于2016年8月8日和2017年8月7日施入。P、K肥全部作基肥施用，施用量分別為42 kg·hm-2(以P2O5計(jì))和150 kg·hm-2(以K2O計(jì))。各處理水稻生長(zhǎng)期間的水分管理和病、蟲(chóng)、草害防治與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理相同。水稻收獲時(shí)間分別為2016年11月5日和2017年11月13日。

1.4 樣品采集與測(cè)定

1.4.1 水稻樣品的采集與測(cè)定

2016—2017年水稻收獲前每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集20穴水稻植株，用網(wǎng)袋裝好，帶回室內(nèi)考種，主要測(cè)定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等指標(biāo)。水稻成熟后，各小區(qū)單獨(dú)收割脫粒曬干，進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.4.2 土壤指標(biāo)測(cè)定

于2017年11月12日，即水稻收獲前1 d取樣。用土鉆在試驗(yàn)地各小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法收集0～20 cm土層的土壤樣品，混合后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，測(cè)定土壤養(yǎng)分(全氮、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)、土壤碳庫(kù)(總有機(jī)碳、可溶性碳、易氧化有機(jī)碳、微生物碳)和土壤微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)。

土壤全氮用半微量開(kāi)氏消煮法測(cè)定[18]，速效磷采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測(cè)定[18]，速效鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[18]，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[18]，硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定[18]。

土壤總有機(jī)碳和可溶性碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定[19-20]，土壤易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化比色法測(cè)定[21]，土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測(cè)定[22]。

土壤微生物測(cè)定：采用Mobio 12888型Power Soil DNA Isolation Kit土壤DNA提取試劑盒提取土壤微生物總DNA，按照說(shuō)明書(shū)提取。其中，土壤稱取量為0.25 g，洗脫液體積為100 μL。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成，引物序列及標(biāo)準(zhǔn)曲線等見(jiàn)表1。熒光定量PCR中采用的酶系寶日醫(yī)生物技術(shù)(北京)有限公司的SYBR Green Premix ExTaqII(RR820A)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行處理，用Microsoft Office Excel 2003軟件制圖做表。

表1 引物序列及其標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 1 Primer sequences and corresponding standard curves

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，在秸稈全量還田條件下，各施氮處理(N1～N3)的土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較不施氮處理(N0)均顯著(P<0.05)增加。與N0相比，N1的土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別增加了7.14%、9.86%和54.74%，N2的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別增加了32.59%、12.12%和58.34%，N3的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別增加了28.57%、16.84%和61.72%。此外，N2處理的速效鉀含量較N0顯著(P<0.05)增加了20.16%，但其他處理的土壤速效鉀含量并無(wú)顯著差異。在本試驗(yàn)條件下，不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著影響。

2.2 對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

由圖1可知，與N0處理相比，N1的土壤易氧化有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)增加了21.70%；N2的可溶性碳、易氧化有機(jī)碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)增加了54.45%、29.57%和56.49%；N3的易氧化有機(jī)碳和微生物碳含量分別顯著(P<0.05)增加了27.45%和49.79%。

表2 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Table 2 Effects of different treatments on Soil Nutrients

同列數(shù)據(jù)后無(wú)相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Data marked without the same letters in the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

2.3 對(duì)土壤微生物的影響

由圖2可知，與N0處理相比，N2的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別顯著(P<0.05)增加了211.16%、241.61%和96.10%；N3的真菌數(shù)量顯著(P<0.05)增加了231.54%。

2.4 對(duì)雜交稻產(chǎn)量的影響

方差分析結(jié)果顯示，氮肥用量對(duì)水稻實(shí)際產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著(P<0.05)影響，不同年份對(duì)水稻實(shí)際產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著影響，但年份與氮肥用量的交互效用對(duì)穗粒數(shù)有顯著(P<0.05)影響。與N0相比，N1處理2016—2017年的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和實(shí)際產(chǎn)量分別顯著(P<0.05)增加了18.29%～18.60%、13.67%～16.37%和37.97%～45.47%；N2處理2016—2017年的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和實(shí)際產(chǎn)量分別顯著(P<0.05)增加了26.29%～29.65%、15.76%～20.10%和41.85%～53.35%；N3處理2016—2017年的有效穗數(shù)和實(shí)際產(chǎn)量分別顯著(P<0.05)增加了26.16%～33.71%和38.85%～47.57%，結(jié)實(shí)率顯著(P<0.05)降低了9.38%～11.59%。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，在秸稈全量還田下，隨著施氮量增加，雜交稻稻田土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀)含量、碳庫(kù)(總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物碳)含量、微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)數(shù)量和雜交稻產(chǎn)量均呈先增后減的趨勢(shì)。其中，秸稈全量還田配施300 kg·hm-2純N可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量、土壤活性有機(jī)碳含量和土壤微生物活性，增加作物產(chǎn)量。

圖2 不同處理對(duì)土壤微生物的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil microorganisms

表3 不同處理對(duì)雜交稻產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different treatments on hybrid rice yield

秸稈全量還田下，合理的氮肥調(diào)控措施不僅可以避免因肥料濫用而引起的環(huán)境污染問(wèn)題，而且可以有效地改善雜交稻土壤環(huán)境，提高雜交稻產(chǎn)量。在土壤養(yǎng)分方面，本研究表明，在秸稈全量還田下，隨著施氮量的增加，雜交稻稻田土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和速效磷含量均表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果一致[23]。此外，本研究中，秸稈全量還田配施純N 375 kg·hm-2的雜交稻稻田土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最高，這是因?yàn)榈咎锿寥冷@態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與施氮量密切相關(guān)[24]。

在土壤碳庫(kù)方面：劉金山等[25]研究表明，過(guò)量施氮對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物量碳沒(méi)有顯著影響；楊濱娟等[26]卻研究發(fā)現(xiàn)，紫云英配施氮肥可以顯著增加土壤活性有機(jī)碳含量。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，施用氮肥不僅可以增加雜交稻稻田土壤總有機(jī)碳含量，而且可以增加土壤易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物有機(jī)碳含量。這可能是由于秸稈全量還田會(huì)造成農(nóng)田土壤C/N失衡，適量的增施氮肥可以彌補(bǔ)因土壤氮素缺乏而引起的土壤微生物活性降低[27]，從而提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量。其中，秸稈全量還田配施純N 300 kg·hm-2的雜交稻土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量最高。

在土壤微生物方面，李秀英等[28]研究發(fā)現(xiàn)，化肥與作物秸稈長(zhǎng)期配合施用可以顯著增加土壤微生物的數(shù)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈全量還田下，隨著施氮量增加，雜交稻稻田土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量呈先增后減趨勢(shì)，與陳松鶴等[29]的研究結(jié)果類似。本研究還發(fā)現(xiàn)，增施氮肥后雜交稻稻田土壤細(xì)菌數(shù)量變化幅度最大，表明細(xì)菌較真菌和放線菌對(duì)氮肥更敏感，這與前人研究結(jié)果一致[30]。

在產(chǎn)量方面：何虎等[31]研究表明，稻草全量還田下配施180 kg·hm-2純N，淦鑫688水稻產(chǎn)量最高；成臣等[32]研究表明，甬尤1538配施225 kg·hm-2純N，產(chǎn)量最高；陳培峰等[33]研究表明，在輕干濕交替灌溉下，甬尤1538配施300 kg·hm-2純N有利于二次枝梗和穎花形成，在提高穗粒數(shù)的同時(shí)增加了籽粒粒重，提高了水稻產(chǎn)量。以上試驗(yàn)可能由于試驗(yàn)地點(diǎn)、種植品種、秸稈是否還田，以及田間水分管理措施的不同而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不盡相同。在本研究條件下，綜合2016—2017年的試驗(yàn)結(jié)果，以秸稈全量還田配施300 kg·hm-2純N對(duì)嘉優(yōu)中科6號(hào)的增產(chǎn)效果最佳。