稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜生長(zhǎng)及養(yǎng)分積累的影響

王昆昆，劉秋霞，朱 蕓，李小坤，任 濤，魯劍巍，叢日環(huán)

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070）

油菜是我國(guó)重要的油料作物，長(zhǎng)江流域歷來(lái)是我國(guó)冬油菜主產(chǎn)區(qū)，種植面積及總產(chǎn)占全國(guó)油菜種植總量的85%[1]。該地區(qū)80%的油菜前茬為水稻，考慮到稻草還田在改善土壤環(huán)境和培肥土壤方面的優(yōu)勢(shì)以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻草資源量大的現(xiàn)實(shí)，以及稻草覆蓋還田在保水、保溫和培肥地力方面的明顯作用，其可以作為保護(hù)性耕作的一種措施[2]。進(jìn)行稻草還田不僅有可能促進(jìn)油菜的生長(zhǎng)，也可以合理利用過(guò)剩的稻草，達(dá)到一舉兩得的效果。大量研究表明，稻草覆蓋還田除了能夠培肥土壤、提高作物產(chǎn)量外，還可以抑制土面水分無(wú)效蒸發(fā)，達(dá)到蓄水保墑、提高水分利用效率的效果[3-8]，同時(shí)在低溫條件下能夠緩解低溫凍害，保證作物安全越冬[9]。稻草覆蓋還田還能有效抑制雜草生長(zhǎng)，增加土壤微生物數(shù)量，提高土壤酶活性[10]。Su等[6]研究結(jié)果顯示，稻草覆蓋還田提高油菜產(chǎn)量18.1%，氮、磷和鉀吸收量分別提高23.7%、13.3%和24.2%。張剛等[11]研究表明，秸稈全量還田配施適量氮肥，可以提高水稻對(duì)氮肥的利用率，增加產(chǎn)量，同時(shí)減少氮肥損失。與秸稈不還田相比，秸稈還田可提高水稻產(chǎn)量3.8%～12.9%[12]。張維維等[13]在貴州省綏遠(yuǎn)縣稻-油輪作區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田提高油菜產(chǎn)量15.0%，增產(chǎn)效果明顯。對(duì)于冬油菜，有研究發(fā)現(xiàn)稻草覆蓋對(duì)直播油菜的出苗率和群體密度有較為顯著的負(fù)效應(yīng)[2]。劉芳等[10]研究認(rèn)為不同秸稈還田量均能不同程度提高直播油菜的株高和根莖粗等指標(biāo)。隨著長(zhǎng)江中下游作物收獲機(jī)械化程度不斷提高，籽粒收獲與秸稈還田可同步進(jìn)行。針對(duì)機(jī)械化種植和秸稈還田推行力度的不斷加大，前季作物稻草覆蓋還田對(duì)于直播油菜出苗率、生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)以及物質(zhì)積累的影響程度尚不十分明晰。本文研究了兩年的田間試驗(yàn)稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜生育期密度、株高、根莖值以及產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響，以期為稻草覆蓋還田條件下直播油菜栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2014年10月至2016年5月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試土壤為水稻土，耕層 (0—20 cm) 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH 6.96、有機(jī)質(zhì)5.43 g/kg、全氮0.50 g/kg、速效磷1.24 mg/kg、速效鉀110 mg/kg。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，無(wú)霜期240天。如圖1-a所示，2014—2015和2015—2016兩個(gè)年度分別在越冬期的12月和11月份遭遇較低溫度，其余月份平均溫度與近20年(1995—2015年) 均值沒(méi)有差異。此外，2015—2016油菜生育期間總?cè)照諘r(shí)數(shù)為809 h，較20年平均總?cè)照諘r(shí)數(shù)減少了246 h，其中11、12、1月份日照時(shí)數(shù)僅達(dá)到20年均值的20%～51% (圖1-b)；兩個(gè)年度油菜生育期內(nèi)總降雨量分別為852.0和528.8 mm(圖1-c)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，分別為：1) 對(duì)照，稻草不還田且不施肥 (CK)；2) 稻草覆蓋還田但不施肥 (S)；3)單施化肥 (NPK)；4) 稻草覆蓋還田配施化肥 (NPK +S)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2。肥料品種分別為尿素 (含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含 P2O512%)、氯化鉀 (含 K2O 60%) 和硼砂 (含 B 11%)。施肥處理 (NPK、NPK + S) 肥料用量：N 180 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2、硼砂 15 kg/hm2。氮肥按照60%基肥 + 20%提苗肥 + 20%越冬肥施用，磷、鉀和硼肥均一次性基施。供試油菜品種為‘華油雜62’，播種量為4.5 kg/hm2。2014—2015年，冬油菜于2014年10月10日播種，2015年5月6日收獲，生育期209天；2015—2016年，冬油菜于2015年10月23日播種，2016年5月3日收獲，生育期194天。播種后即將前季收獲的完整的稻草均勻鋪在廂面上并輕輕壓實(shí)。病蟲草害等其他田間管理措施同常規(guī)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品 土壤基礎(chǔ)樣品均在作物種植前采用“S”形10點(diǎn)采樣法采集，取0—20 cm耕層土壤，揀出雜草和碎石，按照“四分法”取1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室于陰涼、通風(fēng)處風(fēng)干，并用木槌磨細(xì)過(guò)0.85 mm篩后，置于干燥處保存。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)按常規(guī)方法測(cè)定[14]：pH按照水土比2.5∶1，電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)用外加熱—重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮用半微量開氏定氮法測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)酸滴定；速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法測(cè)定；2015—2016年油菜季采用土壤水分-溫度便攜式測(cè)定儀監(jiān)測(cè)土壤溫度和含水量。1.3.2 植株樣品 油菜成熟期收獲前每個(gè)小區(qū)按照0.6 m × 0.6 m樣方取地上部植株樣，網(wǎng)袋懸掛風(fēng)干脫粒后分別統(tǒng)計(jì)莖稈、籽粒、角殼的生物量，各部分樣品于60℃烘干磨細(xì)后用于養(yǎng)分測(cè)定。植物樣品養(yǎng)分測(cè)定采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，流動(dòng)注射分析儀(AA3，德國(guó)SEAL) 測(cè)定植株氮、磷含量，火焰光度法測(cè)定植株鉀含量[20]。以各小區(qū)實(shí)際收獲產(chǎn)量計(jì)產(chǎn)。1.3.3 密度及生長(zhǎng)指標(biāo)調(diào)查 2015—2016年冬油菜季，于每個(gè)小區(qū)內(nèi)選擇有代表性的樣方并固定，樣方面積為0.36 m2(0.6 m × 0.6 m)，在固定的樣方內(nèi)調(diào)查密度。密度調(diào)查周期為7～15天。

圖1 冬油菜季月均溫、日照時(shí)數(shù)及月降雨量分布圖Fig.1 Monthly mean temperature, sunshine duration and monthly rainfall during the winter oilseed rape season at the experimental site

株高為從子葉節(jié)至主莖頂端的長(zhǎng)度，每個(gè)重復(fù)選取有代表性的植株，測(cè)量5株取平均值。

根莖粗用游標(biāo)卡尺在子葉節(jié)下1 cm處測(cè)定，每個(gè)重復(fù)選取有代表性的植株，測(cè)量5株取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 2017和SPSS 20軟件進(jìn)行制圖和統(tǒng)計(jì)分析，最小顯著法 (LSD) 檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性水平 (P＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻草覆蓋還田對(duì)土壤溫度和含水量的影響

油菜生育期土壤溫度和含水量一直處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài) (圖2)。土壤溫度在播種后95天達(dá)到最低，CK、S、NPK和NPK + S處理的土壤最低溫度分別為1.6、2.8、2.0和2.6℃，稻草覆蓋還田處理的土壤溫度比稻草不還田處理高0.6～1.2℃。播種后102天，氣溫快速回升，成熟期土壤溫度最高，CK、S、NPK和NPK + S處理的土壤溫度分別為19.6、18.8、20.6和18.8℃，稻草覆蓋還田處理土壤溫度比稻草不還田處理低0.8～1.8℃。油菜生育期CK、S、NPK和NPK + S處理的土壤溫度變化分別為18.1、16.0、18.6和16.2℃，不同處理間差異顯著，稻草還田縮小土壤平均溫度變幅2.3℃，表明稻草覆蓋還田可以緩解氣溫驟變?cè)斐赏寥罍囟茸兓?。播種87天后，不同處理間土壤含水量開始出現(xiàn)明顯差異，油菜生育期CK、S、NPK和NPK + S處理的土壤含水量平均分別為0.23、0.25、0.22和0.24 m3/m3，NPK + S處理土壤含水量比NPK處理高8.0%，S處理比CK處理高8.9%，表明稻草覆蓋還田對(duì)保持土壤含水量有積極作用。

2.2 稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜密度的影響

由圖3可知，直播冬油菜出苗后的密度整體呈逐漸降低趨勢(shì)。播種后23天，CK、S、NPK和NPK + S處理的密度分別為107、59、79和43萬(wàn)株/hm2，NPK處理出苗密度較NPK + S處理高83.7%，CK處理出苗密度較S處理高81.4%，稻草覆蓋對(duì)于冬油菜出苗表現(xiàn)出明顯的抑制效應(yīng)。各處理在播種后23—102天 (苗期) 均存在較大幅度的密度消減。從蕾薹期到成熟期，CK處理密度降低明顯，而其余處理的密度變化平緩。成熟期CK、S、NPK和NPK +S處理密度分別為31、18、48和30萬(wàn)株/hm2，與出苗密度相比，各處理密度分別降低71.3%、40.3%、69.5%和32.1%，稻草還田處理的油菜生育期內(nèi)密度降低幅度小于稻草不還田處理，表明稻草覆蓋可緩解冬油菜生長(zhǎng)后期密度的削減。

圖2 稻草覆蓋還田下的土壤溫度和含水量Fig.2 Soil temperature and moisture content of straw mulching treatments

圖3 稻草覆蓋下的直播冬油菜生育期密度變化Fig.3 Variation of plant density of direct-sown winteroilseed rape in each treatment

2.3 稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜株高的影響

圖4結(jié)果表明，直播冬油菜株高基本呈“S”形曲線變化。在播種后76天內(nèi)，株高增加幅度較小，各處理差異不顯著。隨后株高均開始迅速提高，S處理的株高增長(zhǎng)速度高于CK處理，越冬期間 (播種后76—132天)，S處理的株高顯著高于CK處理，而NPK與NPK + S處理間差異不明顯。各處理株高均在157天達(dá)到最大值，隨后保持穩(wěn)定，CK、S、NPK和NPK + S處理株高最大值分別為78.6、85.1、128.5和123.6 cm，S處理株高比CK提高8.3%，差異明顯，NPK處理株高比NPK + S處理提高4.0%，無(wú)明顯差異。

2.4 稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜根莖粗的影響

蕾薹期前冬油菜的根莖粗整體呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì) (圖5)。播種后88～132天，CK、S、NPK和NPK + S處理根莖粗分別增長(zhǎng)0.7、1.7、1.8和3.1 mm，稻草覆蓋還田處理的根莖粗增長(zhǎng)速率均高于不還田處理。進(jìn)入蕾薹期—花期，各處理的根莖粗快速增長(zhǎng)，角果期明顯減慢，成熟期根莖粗達(dá)到最大，各處理根莖粗分別為6.6、8.1、11.4和11.8 mm。與NPK處理相比，NPK + S處理的根莖粗提高3.5%，與CK處理相比，S處理根莖粗顯著提高22.7%。

圖5 稻草覆蓋還田下的直播冬油菜根莖粗Fig.5 Rhizome of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

2.5 稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜生物量及養(yǎng)分積累量動(dòng)態(tài)變化的影響

由圖6-a和6-e可以看出，兩年施肥處理冬油菜生物量呈“S”形曲線變化。苗期增長(zhǎng)較為緩慢，進(jìn)入蕾薹期后物質(zhì)積累速率迅速增加，各處理生物量和養(yǎng)分積累量均在角果期達(dá)到最大值。與CK處理相比，S處理最大生物量平均增加了88.6%，與NPK處理相比，NPK + S處理的苗期生物量降低3.7%～27.9%，角果期生物量平均增加了28.1%，稻草覆蓋還田顯著提高冬油菜最大物質(zhì)積累。

圖6 稻草覆蓋還田下的直播冬油菜地上部生物量和養(yǎng)分積累量Fig.6 Biomass and nutrient accumulation of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

2014—2015年，S和CK處理氮、磷和鉀積累量在蕾薹期—花期差異較大，成熟期S處理的氮、磷和鉀積累量分別較CK處理高268.2%、253.1%和364.5%；NPK + S處理油菜氮、磷和鉀積累量均在播種150天后逐漸高于NPK處理，至成熟期，NPK +S處理氮、磷和鉀積累量分別較NPK處理提高19.1%、36.9%和56.9%。2015—2016年，成熟期S處理的氮、磷和鉀積累量分別較CK處理高28.6%、93.3%和5.4%；NPK + S處理在油菜播種后88天即表現(xiàn)出較高的養(yǎng)分吸收能力，其氮、磷和鉀積累量始終高于NPK處理，至成熟期，NPK + S處理的氮、磷和鉀積累量分別較NPK處理提高18.1%、23.7%和28.3%。

2.6 稻草覆蓋還田對(duì)直播冬油菜產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

表1結(jié)果表明，油菜產(chǎn)量的年度間波動(dòng)很大，同一處理不同年度間的產(chǎn)量波動(dòng)范圍在11～723 kg/hm2之間，這反映出不同年度間因播期和氣候變化對(duì)直播冬油菜產(chǎn)量的影響很大。在2014—2015和2015—2016年，S處理冬油菜產(chǎn)量較CK處理分別增產(chǎn)218.8%和28.5%；與NPK處理相比，NPK +S處理增產(chǎn)率分別為25.6%和20.3%，稻草還田顯著提高冬油菜產(chǎn)量。方差分析結(jié)果表明，施肥和稻草還田對(duì)冬油菜產(chǎn)量、生物量和養(yǎng)分吸收量的影響達(dá)到顯著或極顯著水平，2015—2016年施肥和稻草還田對(duì)油菜生物量和鉀吸收量有極顯著的交互作用。

3 討論

雖然稻草覆蓋還田對(duì)油菜的出苗率和群體數(shù)量有一定的抑制作用，但是稻草覆蓋還田能促進(jìn)油菜個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)直播冬油菜的株高和根莖粗均表現(xiàn)出稻草覆蓋還田處理高于不還田處理，尤其是在不施肥條件下，稻草還田處理較CK處理的株高和根莖粗分別提高8.3%和22.7%。有研究表明，稻草覆蓋能分別增加直播油菜不同生育期的株高和根莖粗4.1%～27.8%和1.3%～12.7%[10]。王寧等[15]研究同樣發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以增加8.6%的作物根莖粗，降低植株株高與根莖粗的比值，進(jìn)而增強(qiáng)植株的抗倒伏性。此外，有研究指出油菜生長(zhǎng)后期稻草覆蓋還田能夠緩解土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足對(duì)油菜生長(zhǎng)的抑制作用，促進(jìn)油菜個(gè)體植株的生長(zhǎng)發(fā)育[2]。同時(shí)，稻草覆蓋還田通過(guò)影響土壤對(duì)光能的吸收轉(zhuǎn)化和熱量的傳導(dǎo)過(guò)程從而影響土壤溫度的變化，既可阻止太陽(yáng)直射，又可減少土壤熱量散失，對(duì)土壤具有調(diào)溫保墑的作用[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，稻草覆蓋還田可以提高土壤最低溫度0.6～1.2℃，降低土壤最高溫度0.8～1.8℃，縮小土壤溫度變幅2.3℃左右，緩解了氣溫驟變?cè)斐赏寥罍囟茸兓?；與稻草不還田相比，稻草覆蓋還田能夠提高土壤含水量8.0%～8.9%。可見，稻草覆蓋還田提供的相對(duì)穩(wěn)定的土壤環(huán)境對(duì)于油菜個(gè)體生長(zhǎng)同樣具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。

表1 稻草覆蓋還田下的直播冬油菜產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收 (kg/hm2)Table 1 Yield and nutrient uptake of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

秸稈還田對(duì)油菜的產(chǎn)量和生物量具有促進(jìn)作用，主要是提高了單株角果數(shù)和每角粒數(shù)[17]。秸稈還田不僅能在低溫凍害天氣下增加油菜產(chǎn)量和生物量，而且能緩解土壤養(yǎng)分虧缺[18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，冬油菜苗期增長(zhǎng)較為緩慢，進(jìn)入蕾薹期后物質(zhì)積累速率迅速增加，氮、磷和鉀積累量也隨之變化，至角果期達(dá)到最大值。施肥情況下，稻草覆蓋還田油菜產(chǎn)量和生物量有顯著提升，兩年分別提高20.3%～25.6%和27.7%～29.0%，成熟期冬油菜的氮、磷和鉀積累量分別增加18.1%～19.1%、23.7%～36.9%和28.3%～56.9%，明顯的增產(chǎn)效應(yīng)可能與秸稈覆蓋還田緩解了油菜越冬期極端低溫和階段性干旱有關(guān)。在油菜生育中后期，稻草還田與不還田相比能夠維持油菜生長(zhǎng)的穩(wěn)定，對(duì)油菜的產(chǎn)量和生物量也有促進(jìn)作用。這可能是由于稻草還田一段時(shí)間后釋放的養(yǎng)分緩解了土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足。Dai等[19]的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻草還田促進(jìn)了油菜對(duì)氮、磷和鉀的吸收。秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效養(yǎng)分含量，提高土壤肥力[19-20]。也有研究表明，秸稈還田還能夠促進(jìn)土壤酸性磷酸酶活性增長(zhǎng)，磷酸酶加快有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化的速度，從而促進(jìn)作物對(duì)無(wú)機(jī)磷的吸收[21-22]。

此外，播期對(duì)油菜生長(zhǎng)發(fā)育影響較大。不同播期光溫條件存在一定差異，會(huì)影響油菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移。研究表明，晚播條件下油菜光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移能力下降，進(jìn)而引起產(chǎn)量的降低[23-24]。油菜在整個(gè)生育期間，產(chǎn)量與平均溫度呈正相關(guān)，尤其在開花前期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段較高的溫度有利于產(chǎn)量的形成[25]。王文軍等在研究油菜產(chǎn)量的氣象模擬中發(fā)現(xiàn)，花期極端最低氣溫 (0℃) 將使油菜遭受凍害，此時(shí)每降低或者上升1℃，產(chǎn)量將減少或提升63 kg/hm2[26]。本試驗(yàn)中施肥條件下2015—2016年油菜的產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收量顯著低于2014—2015年，主要原因是2015—2016年油菜播期較晚導(dǎo)致冬前未建立強(qiáng)大的營(yíng)養(yǎng)群體，無(wú)法形成大分枝和多分枝。另外，2015—2016年油菜生育期內(nèi)降水量較少，越冬期極端低溫天氣多 (1月份月平均氣溫較2014—2015年低1.3℃)，前期日照不足 (11、12和1月份日照時(shí)數(shù)不足平均值一半) 等原因，也導(dǎo)致兩年產(chǎn)量有較大差異。

4 結(jié)論

1) 稻草覆蓋還田提高土壤最低溫度0.6～1.2℃，降低土壤最高溫度0.8～1.8℃，縮小土壤平均溫度變幅2.3℃，緩解氣溫驟變對(duì)土壤溫度的影響，提高土壤平均含水量8.0%～8.9%，保持土壤含水量，緩解土壤干旱。

2) 稻草覆蓋前期抑制直播冬油菜的出苗密度，后期可維持冬油菜密度的穩(wěn)定，稻草覆蓋還田能夠提高冬油菜個(gè)體根莖粗和株高，促進(jìn)冬油菜的生長(zhǎng)。尤其是在不施肥條件下，稻草覆蓋還田可分別增加根莖粗22.7%、株高8.3%。

3) 稻草覆蓋還田能夠顯著提高冬油菜氮、磷、鉀積累量和產(chǎn)量。兩年施肥試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田較不還田處理冬油菜氮、磷、鉀積累量和產(chǎn)量分別提高18.1%～19.1%、23.7%～36.9%、28.3%～56.9%和20.3%～25.6%。