稻草全量還田替代部分化肥對(duì)雙季稻田土壤理化性質(zhì)的影響

范呈根 吳建富 曾研華 潘曉華 陳榮華 申昌優(yōu) 張祖清

摘要 [目的] 研究稻草全量還田替代部分化肥對(duì)雙季稻田土壤理化性質(zhì)的影響。[方法]研究等量氮磷鉀養(yǎng)分施入條件下，連續(xù)7年機(jī)械化稻草全量還田減施化肥（SIF）、燒灰還田減施化肥（SBF）、單施化肥（F）和不施肥（CK）對(duì)雙季稻田土壤理化性質(zhì)的影響。[結(jié)果]在等量氮磷鉀養(yǎng)分投入條件下，與SBF和F處理相比，SIF處理能明顯降低土壤容重，均減少0.06 g/cm3，增加土壤總孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量和最大持水量，平衡土壤水、氣狀況，而前兩者差異不顯著；與F處理相比，SIF處理可以減緩?fù)寥浪峄岣?.1個(gè)pH，土壤有機(jī)質(zhì)增加0.83 g/kg，全氮和速效硅分別提高2.92%和42.19%，從而提高土壤肥力。土壤固碳量和固碳速率均呈SIF>F>SBF的趨勢(shì)，在固碳減排上稻草還田具有更大優(yōu)勢(shì)。[結(jié)論]該研究為稻草資源有效利用和土壤合理培肥途徑提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 稻草全量還田；雙季稻田；土壤理化性質(zhì)

中圖分類號(hào) S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）27-0134-03

Effects of Replacement Part Chemical Fertilizer with Total Rice Straw Incorporation on Double Cropping Paddy Field Soil Physical and Chemical Properties

FAN Chenggen1，2，WU Jianfu1，ZENG Yanhua1 et al

（1.Key Laboratory of Crop Physiology，Ecology and Genetic Breeding，Ministry of Education， Nanchang，Jiangxi 330045；2.Upland Crop Sciences Research Institute，Ganzhou，Jiangxi 341000）

Abstract [Objective] To study effects of replacement part chemical fertilizer with total rice straw incorporation on double cropping paddy field soil physical and chemical properties. [Method]Under the conditions of the same amount nutrient inputted of nitrogen， phosphorus and potassium，effect of full mechanized straw incorporation and reducing inorganic fertilizers application（SIF）， straw burning and reducing inorganic fertilizers application（SBF）， inorganic fertilizers alone application（F）， and straw nonincorporation and no chemical fertilizer（CK） for serial seven years on soil physical and chemical properties was studied.[Result] Under the conditions of the same amount nutrient inputted of nitrogen， phosphorus and potassium， compared with SBF and F， SIF treatment could significantly reduce the soil bulk density， reduced 0.06 g/cm3， increase the soil total porosity， air porosity and field capacity and maximum water holding capacity， balance soil water and gas conditions， but no significant difference of the first two treatments； compared with F， SIF could slow the soil acidification， its PH was increased 0.1； the soil organic matter was increased 0.83 g/kg， the total nitrogen was 2.92%， effective silicon was 42.19%， so as to improve soil fertility. For the soil carbon fixation and rate， SIF was higher than F， F was higher than SBF， straw returning had a greater advantage in the carbon sequestration.[Conclusion]The study provides theoretical basis and technical guidance for the effective utilization of straw resources and the rational way of soil fertilizing.

Key words Total rice straw incorporation；Double cropping paddy field；Soil physical and chemical properties

基金項(xiàng)目 “十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0301601-01）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD07B12）；江西省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2009BNA03800）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2016M600512）。

作者簡(jiǎn)介 范呈根（1989—），男，江西永豐人，碩士研究生，研究方向：作物養(yǎng)分管理。

*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事土壤肥料與作物養(yǎng)分管理及高產(chǎn)栽培技術(shù)研究。

收稿日期 2018-05-08

我國(guó)水稻種植面積達(dá)0.3億hm2，其產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)的40%。同時(shí)，水稻生產(chǎn)產(chǎn)生十分豐富的稻草資源，約為2.05億t[1]。水稻秸稈是一種含碳豐富的能源物質(zhì)，為重要的有機(jī)肥源，含有豐富的碳、氮、磷、鉀、硅、微量元素等養(yǎng)分；稻草還田在改善土壤理化性狀、提高土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和降低施肥成本等方面具有重要作用[2]。張慧等[3]研究表明，秸稈還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、磷酸鹽、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、緩效鉀的含量。黃景等[4]研究認(rèn)為，稻草還田免耕拋秧能協(xié)調(diào)土壤氮、磷和鉀，有利于土壤肥力的提高。合理利用稻草資源，實(shí)行有機(jī)肥替代部分化肥，是我國(guó)到2020年化肥實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)目標(biāo)的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，為稻草全量還田提供了有效措施；同時(shí)稻草直接焚燒還田在水稻生產(chǎn)中一直存在。目前關(guān)于稻草還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的研究較多[5-10]；但連續(xù)多年等量氮磷鉀養(yǎng)分施入條件下，系 統(tǒng)探討稻草全量還田減施化肥、燒灰還田減施化肥和單施化肥三者對(duì)雙季稻田土壤理化性質(zhì)的影響較少。為此，筆者以雙季稻稻草還田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，系統(tǒng)比較了稻草全量還田減施化肥、燒灰還田減施化肥和單施化肥三者間耕作層土壤理化性質(zhì)差異，旨在為稻草資源有效利用和土壤合理培肥途徑提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣溫圳鎮(zhèn)楊溪村國(guó)家級(jí)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)基地（116°5′29.73″ E、28°20′7.14″N）。試驗(yàn)點(diǎn)地勢(shì)平坦，年平均氣溫17.5 ℃，年最高氣溫40.6 ℃，年最低氣溫-9.3 ℃，年降雨量1 600～1 800 mm，降雨日144 d， 平均相對(duì)濕度77%，年平均日照時(shí)間1 900.5 h，無(wú)霜期291 d。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土。試驗(yàn)開始時(shí)土壤基本化學(xué)性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)34.16 g/kg，全氮 2271 g/kg，堿解氮126.0 mg/kg，速效磷（P2O5）31.34 mg/kg，速效鉀（K2O）97.9 mg/kg， pH 5.48。

1.2 試驗(yàn)材料

供試早晚稻品種分別為陸兩優(yōu)996和五豐優(yōu)T025；供試化肥為尿素（N 46%）、氯化鉀（K2O 60%）和鈣鎂磷肥（P2O5 12%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間定位試驗(yàn)的方法，于2009年晚稻機(jī)收后稻草分別全量還田和燒灰還田，做翌年早稻有機(jī)肥。此后，每季水稻機(jī)收后對(duì)應(yīng)處理稻草均全量還田、燒灰還田。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：①不施肥（CK），即稻草不還田不施化肥；②單施化肥（F），稻草全部移出田間，僅留稻樁，僅施化肥；③稻草燒灰還田減施化肥（SBF），即喂入式收割機(jī)收獲早、晚稻后人工撒勻稻草，曬干燃燒成灰，灌適量水后用拖拉機(jī)旋耕作為早、晚稻基肥；④稻草全量還田減施化肥（SIF），即喂入式收割機(jī)收獲早、晚稻時(shí)將稻草切碎，早稻稻草人工撒勻灌水后用拖拉機(jī)將稻草旋耕入土，作為晚稻基肥；晚稻稻草人工撒勻后，來(lái)年春耕時(shí)用拖拉機(jī)旋耕入土，作為早稻基肥。采用大區(qū)試驗(yàn)，隨機(jī)設(shè)計(jì)，每處理面積326.7 m2，取樣時(shí)將每個(gè)大區(qū)等分為 3 個(gè)取樣小區(qū)，形成大區(qū)內(nèi)重復(fù)。處理間用水泥埂隔離防滲，單灌單排。除不施肥處理外，其他各處理N、P、K投入量相等。稻草和草木灰的重量、養(yǎng)分含量按實(shí)際測(cè)定結(jié)果計(jì)算。稻草還田和稻草燒灰還田2個(gè)處理的實(shí)際化肥用量為設(shè)計(jì)施肥量減去稻草和草木灰還田輸入的養(yǎng)分量。早晚稻純氮施用量分別為165、195 kg/hm2，早晚稻N、P2O5和K2O的質(zhì)量比為1.00 ∶0.45 ∶0.90。早稻氮肥按照基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比5 ∶2 ∶3施用；晚稻氮肥按照基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比4 ∶2 ∶4施用；早、晚稻鉀肥按照分蘗肥、穗肥質(zhì)量比7 ∶3施用；磷肥一次性做基肥施用。其他按常規(guī)高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤物理性質(zhì)。

2016年晚稻成熟時(shí)，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、通氣孔隙度、最大持水量、田間持水量[11]。

1.4.2 土壤養(yǎng)分。

2016年晚稻成熟時(shí)，按5點(diǎn)法采集耕作層土壤樣品，供土壤養(yǎng)分含量和pH的測(cè)定。土壤氮磷鉀養(yǎng)分測(cè)定采用常規(guī)分析方法[12]；pH采用1 ∶5土水比振蕩1 min靜置后用pH計(jì)測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；全氮采用全自動(dòng)定氮儀測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效鉀采用NH4OAC浸提火焰光度法測(cè)定；速效磷采用0.05 mol/L NaHCO3浸提鉬藍(lán)比色法測(cè)定；速效硅采用檸檬酸浸提-硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

1.4.3 計(jì)算方法。

土壤固碳量（kg/hm2）= （試驗(yàn)后有機(jī)質(zhì)含量-試驗(yàn)前有機(jī)質(zhì)含量）×土壤容重×107×020/（103×1.724）

式中，有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重單位分別為g/kg、g/cm3，0.20為土壤耕作層厚度，單位是m，1.724為有機(jī)質(zhì)與其有機(jī)碳量的換算系數(shù)。

土壤固碳速率[kg/（hm2·a）]= 土壤固碳量（kg/hm2）/時(shí)間（a）

減排CO2量（kg/hm2）=土壤固碳量×44/12[13]

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Duncans新復(fù)極差法（LSR）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻草不同還田方式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

由表1可知，與CK相比，各施肥處理能明顯降低土壤容重，增加土壤總孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量和最大持水量。SIF處理土壤容重顯著低于處理SBF和F，且均減少0.06 g/cm3，但土壤總孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量和最大持水量均顯著高于處理SBF和F，而后兩處理差異不顯著。處理SIF較處理SBF、F，總孔隙度分別增加178、3.63百分點(diǎn)，通氣孔隙度分別增加128、2.54百分點(diǎn)，田間持水量分別提高5.46、586百分點(diǎn)，最大持水量則提高6.74、7.78百分點(diǎn)。表明稻草還田可以降低土壤緊實(shí)度，提高土壤的通氣性，平衡土壤水、氣狀況。

2.2 稻草不同還田方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤養(yǎng)分。

由表2可知，與CK相比，施肥能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分含量。土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為SIF>F>SBF，前者比后兩者分別提高083和2.01 g/kg。土壤全氮SIF處理顯著高于F和SBF處理，增幅分別為2.92%和6.00%，而后兩者差異達(dá)顯著水平。3個(gè)施肥處理間堿解氮、速效磷、速效鉀含量差異均不顯著。速效硅含量表現(xiàn)為SIF>SBF>F，且差異顯著；與F處理相比，SIF、SBF處理分別增加了42.19%、19.44%。 F處理土壤pH顯著低于其他處理，說(shuō)明單施化肥能使土壤酸化。由此可知，稻草還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效硅含量，從而提高土壤肥力。

2.2.2 土壤固碳。

由表3可知，7年定位試驗(yàn)后，SIF、SBF和F處理有機(jī)質(zhì)較試驗(yàn)前分別增加3.80、1.79、2.97 g/kg，而不施肥CK則減少0.27 g/kg。由此產(chǎn)生的固碳量分別為3 658.93、1 848.14、3 066.47 kg/hm2，不施肥CK的碳排放量達(dá)294.43 kg/hm2。固碳速率表現(xiàn)為SIF>F>SBF，SIF處理比F處理提高19.32%。說(shuō)明稻草還田能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，在固碳減排上具有更大優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

土壤容重反映了土壤松緊狀況，關(guān)系到土壤水、肥、氣、熱的調(diào)節(jié)，以及作物根系生長(zhǎng)發(fā)育。研究認(rèn)為，稻草還田對(duì)土壤物理性狀的改善具有積極作用[14]，使土壤容重變輕，土壤疏松，改善土壤通氣性[15]，提高土壤含水量[16]。該試驗(yàn)結(jié)果表明，與稻草燒灰還田減施化肥和單施化肥處理相比，稻草還田減施化肥能明顯降低土壤容重，提高總孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量和最大持水量，這與前人研究結(jié)果[17]一致。表明稻草還田可以降低土壤緊實(shí)度，提高土壤的通氣性，平衡土壤水、氣狀況。

稻草腐解會(huì)釋放出豐富的N、P、K、Si及微量元素，可以作為土壤中作物所需營(yíng)養(yǎng)元素的有效補(bǔ)充，且對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量增加產(chǎn)生積極正效應(yīng)[18]。研究認(rèn)為，稻草還田能明顯降低氮磷鉀隨農(nóng)田地表徑流水體流失量，顯著提高農(nóng)田土壤速效氮、速效鉀含量[19]。研究表明，秸稈還田可以提高土壤養(yǎng)分含量，平衡土壤肥力，是耕地土壤持續(xù)利用的重要舉措[20-22]。該研究結(jié)果表明，與稻草燒灰還田減施化肥和單施化肥相比，稻草還田減施化肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效硅含量，在提高土壤肥力方面更具有優(yōu)勢(shì)。該研究發(fā)現(xiàn)，與試驗(yàn)前相比，各處理土壤pH有不同程度下降，稻草還田減施化肥、燒灰還田減施化肥和不施肥處理土壤酸化程度相近，但顯著小于單施化肥。這是因?yàn)樵谖覈?guó)南方地區(qū)，化肥的大量施用和酸沉降導(dǎo)致農(nóng)田土壤酸化[23]；稻草還田后能提高陽(yáng)離子交換量，有利于緩解土壤酸化[24]，而稻草焚燒后的草木灰是堿性肥料，具有改良土壤酸性的作用。

農(nóng)田土壤固碳是固碳減排的途徑之一。目前農(nóng)田土壤固碳的研究主要聚焦于土壤有機(jī)碳，而土壤有機(jī)碳庫(kù)的大小由輸入和輸出兩方面因素共同決定。該研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)7年定位試驗(yàn)后，稻草還田減施化肥、燒灰還田減施化肥和單施化肥處理有機(jī)質(zhì)較試驗(yàn)前分別增加3.80、1.79、2.97 g/kg，而不施肥CK則減少0.27 g/kg；由此產(chǎn)生的固碳量分別為3 658.93、1 848.14、3 066.47 kg/hm2，不施肥CK的碳排放量達(dá)294.43 kg/hm2，說(shuō)明稻草還田更能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，在固碳減排上具有更大的優(yōu)勢(shì)。這與李靜等[25]的研究結(jié)果相似。不施肥處理由于化肥缺失，秸稈移走，導(dǎo)致水稻地上和根系生物量減少，從而大大降低了地上部凋落物、根系及其分泌物進(jìn)入土壤的量，有機(jī)碳的積累慢于其分解速率[26]，造成不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)下降，碳排放。相對(duì)于燒灰還田和單施化肥處理，稻草還田增加了輸入土壤中的碳源，繼而提高了土壤有機(jī)質(zhì)和固碳量。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年

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