不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響

伍 佳，王 忍，呂廣動(dòng)，隆斌慶，楊飛翔，陳慧娜，黃 璜

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

隨著中國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)水平的不斷提高，中國秸稈總產(chǎn)量總體上呈不斷增長之勢，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國目前已經(jīng)成為世界上秸稈年產(chǎn)量最高的國家之一，但秸稈利用率不足50%[1]。日益增長的秸稈產(chǎn)量慢慢轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物，大部分傳統(tǒng)農(nóng)民為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方便，將日益堆積的秸稈采用就地焚燒的方式，不僅浪費(fèi)了良好的可再生資源，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。中國就秸稈利用問題，開展了長期的全方位研究，引導(dǎo)將秸稈資源投入到生產(chǎn)過程中。研究表明，秸稈作為土壤養(yǎng)分的物質(zhì)載體[3]，含有大量的N、P、K等必需元素、微量元素和有機(jī)質(zhì)，在提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要的作用[4]，所以秸稈還田對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境都具有重大意義[5]。

關(guān)于秸稈還田的方式有多種分類，其產(chǎn)生的具體作用也各不相同，中國在不同秸稈還田方式所產(chǎn)生的影響上作了深入的研究，目前主要有秸稈完全覆蓋還田、秸稈粉碎還田和秸稈過腹還田[6]。何佐儂[7]通過試驗(yàn)表明，秸稈還田經(jīng)過腐化分解出一部分的磷、鉀，并可以代替部分化學(xué)養(yǎng)分。水稻秸稈還田前期對水稻生長有一定的抑制作用，但在水稻中后期對水稻分蘗數(shù)、干物質(zhì)積累等生長指標(biāo)有著積極的影響[8]。王德建等[9]通過稻麥秸稈全量還田研究認(rèn)為秸稈還田可以增加土壤養(yǎng)分。近年來，生物炭還田引起了廣泛關(guān)注，鄭悅[10]提出，生物炭多孔隙度，增加了土壤體表面積，降低了土壤容重，因此增加了土壤持水性，另外生物炭還田有效提高了有機(jī)碳含量，大大提升了水稻產(chǎn)量。秸稈還田技術(shù)的不斷成熟正逐漸改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，但秸稈還田方式不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生土壤碳氮比例失調(diào)、病蟲害加重等嚴(yán)重問題。

為了探究不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響，本研究通過設(shè)置不同的秸稈還田方式(秸稈不還田、秸稈直接還田、秸稈粉碎還田和秸稈炭化還田)，測定水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮、全磷、速效鉀、速效磷和堿解氮含量，并分析不同秸稈還田方式下水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性。以期為合理利用秸稈還田、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、增加經(jīng)濟(jì)效益提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究時(shí)間2017年6-11月，試驗(yàn)區(qū)位于湖南省瀏陽市北盛鎮(zhèn)烏龍社區(qū)爐堂組科研基地(113°25′26″E，28°17′13.8″N，亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫16～18 ℃，≥10 ℃的有效積溫5 000～5 500 ℃，無霜期260～320 d，年降水量1 200～1 500 mm)，土壤類型為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅黃泥土，前茬作物為水稻。試驗(yàn)前采用隨機(jī)多點(diǎn)取樣法采集0～20 cm耕層土壤，在濕潤條件下除去沙礫石塊和植物殘?bào)w，并測定土壤理化性質(zhì)。其中，有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，全氮、磷和鉀測定采用連續(xù)流動(dòng)分析儀法，速效磷測定采用 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量采用 NH4Ac 浸提-火焰光度法，堿解氮測定采用用堿解蒸餾法。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)33.51 g/kg，全氮1.52 g/kg，全磷0.94 g/kg，全鉀12.68 g/kg，堿解氮含量130.12 g/kg，速效磷30.78 g/kg，速效鉀134.71 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為早稻品種中早39，由湖南農(nóng)豐種業(yè)有限公司提供，全生育期平均為112.2 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：①秸稈不還田(BR)；②秸稈直接還田(ZR)，③秸稈粉碎還田(FR)，④秸稈炭化還田(CR，稻殼在高溫缺氧通過裂解產(chǎn)生的具有強(qiáng)穩(wěn)定性且富含碳素的固態(tài)顆粒物)。每個(gè)處理3個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積100 m2，共12個(gè)小區(qū)。采用寬窄行插秧，規(guī)格為14 cm×26 cm，每穴4苗。按照高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行施肥，氮肥純N為150 kg/hm2，N∶ P2O5∶K2O比例為1.0∶0.5∶0.8。其中，磷肥在施基肥時(shí)一次性施入，氮肥和鉀肥按基肥∶分蘗期追肥∶孕穗期追肥=5∶4∶1施入。

1.4 樣品采集與測定

在水稻種植前(7月5日)、孕穗期(9月18日)和成熟期(10月28日)進(jìn)行采樣分析，取樣時(shí)每個(gè)小區(qū)取3次重復(fù)。土壤樣品用S形5點(diǎn)采樣法采集0～20 cm的耕層土壤，充分混勻后放入4 ℃冰箱備用。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄入采用Microsoft Excel 2016，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22.0軟件，不同處理顯著性檢驗(yàn)采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，用最小顯著差法(LSD)分析組間差異，圖表制作采用Origin 9.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量的影響

如圖1所示，不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量的影響有所差異，整體表現(xiàn)為CR>FR>ZR>BR，其中，CR處理實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到了6 900 kg/hm2，增產(chǎn)效果最為顯著。相比較CK處理，CR和FR處理水稻產(chǎn)量均顯著增加，分別提高了8.35%和5.21%(P<0.05)，ZR處理增加2.71%，但影響不顯著(P>0.05)。CR處理水稻產(chǎn)量較FR和ZR分別增加了3.16%和5.64%,差異顯著(P<0.05)。

不同小寫字母表示差異顯著。圖2-8同。 Different lowercases indicate significant difference.The same as Fig.2-8.

2.2 不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 不同秸稈還田方式對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 土壤有機(jī)質(zhì)對不同秸稈還田方式的響應(yīng)見圖2，不同秸稈還田處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在水稻種植前、孕穗期和成熟期整體呈先下降再回升的趨勢。土壤有機(jī)質(zhì)含量在3個(gè)時(shí)期均為CR>FR>ZR>BR。在水稻種植前和孕穗期，相較于BR處理，CR和FR有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，分別提升了16.59%～19.53%，10.48%～12.53%(P<0.05)；在成熟期CR有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了24.72 g/kg,顯著高于FR、ZR和BR，較FR、ZR和BR分別高出9.19%,10.46%,19.53%。

圖2 不同秸稈還田方式對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of different straw returning methods on soil organic matter content

2.2.2 不同秸稈還田方式對土壤全氮含量的影響 圖3表明，CR、FR和ZR處理土壤全氮含量在水稻種植前、孕穗期和成熟期呈逐漸下降的趨勢，BR處理呈先下降后略有回升的趨勢，且CR、FR和ZR處理在各個(gè)時(shí)期都顯著高于BR處理，土壤全氮含量分別提高了14.21%～29.86%，10.22%～24.31%，7.61%～21.35%(P<0.05)。

在水稻種植前和孕穗期，土壤全氮含量均表現(xiàn)為CR>FR>ZR>BR，且CR與FR、ZR、BR相比，差異顯著。在成熟期，土壤全氮含量大小為FR>CR>ZR>BR，其中FR、CR處理較BR分別高出20.83%和19.12%，ZR處理較BR高出9.65%,均達(dá)到顯著差異(P<0.05)。

圖3 不同秸稈還田方式對土壤全氮含量的影響Fig.3 Effects of different straw returning methods on the content of total nitrogen in soil

2.2.3 不同秸稈還田方式對土壤全磷含量的影響 圖4表明，不同秸稈還田方式在水稻種植前、孕穗期和成熟期全磷含量總體呈先下降再回升的趨勢，且各時(shí)期土壤全磷含量表現(xiàn)為CR>FR>ZR>BR，CR、FR處理均顯著高于BR處理，分別提升了6.82%～19.71%，6.33%～11.96%，2.66%～8.43%(P<0.05)，ZR較BR高出2.66%～8.43%。

在水稻種植前，CR、FR、ZR處理顯著高于BR處理，但CR、FR、ZR處理間差異不顯著；在孕穗期和成熟期，土壤全磷含量在成熟期大小均為CR>FR>ZR>BR，且CR、FR處理與BR差異顯著，成熟期較BR分別高出15.51%和6.33%。

圖4 不同秸稈還田方式對土壤全磷含量的影響Fig.4 Effects of different straw returning methods on the content of total phosphorus in soil

2.2.4 不同秸稈還田方式對土壤全鉀含量的影響 圖5表明，CR、FR處理在水稻種植前、孕穗期和成熟期全鉀含量均顯著高于ZR、BR處理，在水稻種植前，CR、FR、ZR和BR處理全鉀含量呈階梯狀顯著下降(P<0.05)；在孕穗期、成熟期，CR、FR處理的土壤全鉀含量顯著高于ZR和BR處理，而ZR、BR處理間無顯著差異。在成熟期，CR、FR處理較BR處理全鉀含量分別增加了14.75%和16.51%。土壤全鉀含量在成熟期大小為CR>FR>ZR>BR。

圖5 不同秸稈還田方式對土壤全鉀含量的影響Fig.5 Effects of different straw returning methods on the content of total potassium in soil

2.2.5 不同秸稈還田方式對土壤速效磷含量的影響 圖6表明，土壤速效磷含量整體呈先下降再回升的趨勢。在水稻種植前和成熟期，速效磷含量CR>FR>ZR>BR，CR、FR處理與ZR、BR處理差異顯著(P<0.05)。在水稻孕穗期，速效磷含量FR>CR>ZR>BR。成熟期CR、FR處理較BR處理速效磷含量增加了64.85%，67.62%。

圖6 不同秸稈還田方式對土壤速效磷含量的影響Fig.6 Effects of straw returning on the content of available phosphorus in soil

2.2.6 不同秸稈還田方式對土壤速效鉀含量的影響 圖7表明，土壤速效鉀含量總體呈下降的趨勢。但保持CR>FR>ZR>BR的規(guī)律，表明與BR處理相比，秸稈還田對土壤速效鉀含量有著更好的影響。成熟期土壤速效鉀含量CR顯著高于FR、ZR、BR處理，分別高出10.67%,18.57%,24.37%(P<0.05)，說明CR處理更有利于土壤速效鉀的提升。

圖7 不同秸稈還田方式對土壤速效鉀含量的影響Fig.7 Effects of different straw returning methods on the content of available potassium in soil

2.2.7 不同秸稈還田方式對土壤堿解氮含量的影響 圖8表明，土壤堿解氮含量的變化隨著生育期的變化逐漸減少。在水稻種植前，F(xiàn)R>CR>ZR>BR；在水稻孕穗期，CR>FR>ZR>BR， CR、FR 顯著高于ZR、BR處理(P<0.05)；在水稻成熟期，CR>FR>BR>ZR，CR、FR顯著高于ZR、BR處理，F(xiàn)R、CR較BR堿解氮含量分別增加了20.02%，24.32%。

圖8 不同秸稈還田方式對土壤堿解氮含量的影響Fig.8 Effects of different straw returning methods on the content of alkali-hydrolyzed nitrogen in soil

2.3 水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分性狀之間的相關(guān)性

由表1可知，不同土壤養(yǎng)分與水稻產(chǎn)量之間都存在極顯著相關(guān)的關(guān)系，其中有機(jī)質(zhì)含量指標(biāo)最高。這表明，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量的多少都會(huì)影響到水稻產(chǎn)量的高低，而不同秸稈腐化過程中產(chǎn)生的土壤養(yǎng)分含量的差異導(dǎo)致了不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生的不同影響。

表1 水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分性狀之間的相關(guān)性Tab.1 Correlation between rice yield and soil nutrient characters mg/kg

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note:*and**were significantly correlated atP<0.05 andP<0.01 levels(bilateral).

3 討論與結(jié)論

3.1 不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量的影響

秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響主要在于秸稈還田是否擁有與化學(xué)肥料同等的營養(yǎng)作用。丁奇[11]與眾多前人研究表明，水稻秸稈不僅可以替代化學(xué)肥料，而且能夠大大增加水稻產(chǎn)量，原因在于秸稈還田不僅伴隨著NPK養(yǎng)分的帶入，而且增加了大量的有機(jī)質(zhì)含量，穩(wěn)定了土壤結(jié)構(gòu)，減少了雨水沖擊對土壤營養(yǎng)元素的流失，從而促進(jìn)水稻分蘗、增加單位面積有效穗和提高干物質(zhì)質(zhì)量，以此增加水稻產(chǎn)量。同時(shí)，王會(huì)斌等[12]通過控制秸稈還田量試驗(yàn)表明，不管秸稈還田量是全量還是半量，水稻產(chǎn)量均有所提升。劉曉霞等[13]通過連續(xù)4 a的秸稈還田試驗(yàn)提出，秸稈還田不僅僅是提高水稻產(chǎn)量和穩(wěn)固土壤養(yǎng)分的有效途徑，而且隨著年限的增長秸稈還田對提高水稻產(chǎn)量和提升耕地質(zhì)量的效果會(huì)越來越顯著，在劉曉霞等[13]的連續(xù)4 a試驗(yàn)表明，水稻增產(chǎn)率由0.6%提高到3.2%。本試驗(yàn)在等肥的前提下經(jīng)過不同秸稈還田方式處理研究得出了相似的結(jié)論。秸稈直接還田、秸稈粉碎還田和秸稈炭化還田產(chǎn)量均高于秸稈不還田。并且秸稈炭化還田效果最佳，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是生物炭原料最接近于化學(xué)肥料可被土壤直接吸收，秸稈粉碎還田與直接還田使用的秸稈需一定時(shí)間的腐解轉(zhuǎn)化為可被土壤吸收的養(yǎng)分，腐解程度和腐解速率直接關(guān)系到水稻的生長，本試驗(yàn)秸稈粉碎還田效果略高于秸稈直接還田，這與范呈根[14]研究結(jié)果一致。

3.2 不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分的影響及其與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

水稻產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分性狀之間的關(guān)系極為密切，大量研究表明，秸稈還田后因?yàn)榇罅课⑸锟焖俜敝程岣吡擞袡C(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放，顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且隨著時(shí)間越長，效果更為顯著[15-16]。鄒清祺等[17]在不同秸稈還田方式對土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分影響的試驗(yàn)表明，秸稈粉碎還田相較于秸稈直接還田土壤有機(jī)質(zhì)的積累更明顯。土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，蓄水保水能力越好，更有利于水稻植株生長，從而增加了水稻產(chǎn)量。本試驗(yàn)研究結(jié)果與此結(jié)論一致，有機(jī)質(zhì)含量趨勢與水稻產(chǎn)量趨勢一致，這也部分解釋了本試驗(yàn)炭化還田(CK)有機(jī)質(zhì)含量最為豐富，產(chǎn)量最高的原因。

秸稈含有水稻生長所必需的氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。季陸鷹等[18]研究表明，秸稈還田后相對于秸稈不還田全氮和堿解氮含量均有所提高。氮含量對水稻莖葉生長有一定的促進(jìn)作用，隨著氮含量的增加，水稻最高分蘗數(shù)、株高和穗長也隨之增加，從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量的增長[19]。本試驗(yàn)秸稈還田全氮含量均高于秸稈不還田，與此結(jié)論一致，而秸稈直接還田(ZK)堿解氮含量在成熟期低于秸稈不還田，原因可能在于，秸稈直接還田量大，腐解程度低。鉀含量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要影響因素，目前農(nóng)業(yè)強(qiáng)度大和復(fù)種指數(shù)高，導(dǎo)致土壤缺鉀嚴(yán)重[20]。秸稈還田在一定程度上緩解了全鉀和速效鉀含量下降的趨勢，從而影響到作物產(chǎn)量，這與前人研究結(jié)論基本一致[21-22]。其中炭化還田(CK)使全鉀、速效鉀含量提高效果最為明顯。秸稈還田對土壤磷含量的影響結(jié)果不一。一部分研究表明秸稈還田能有效提高土壤有效磷含量[23-24]；另一部分研究表明,秸稈還田對土壤有效磷含量沒有顯著影響，但對土壤全磷含量有一定的影響[25]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田有利于全磷和速效磷含量的提升，炭化還田(CK)效果最優(yōu)。綜合來看在不同秸稈還田方式處理中，炭化還田對土壤養(yǎng)分的積累最為明顯，這與眾多前人研究一致[26-27]，生物炭能夠作為改良劑提高庫存碳和土壤肥力，增加土壤有機(jī)質(zhì)和提高土壤對營養(yǎng)元素氮、磷、鉀的吸附作用。從而能夠加快土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物活性，間接影響水稻產(chǎn)量。因此，分析不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響可以得出，炭化還田(CK)值得推廣。

不同秸稈還田方式對水稻產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分有顯著影響。短期內(nèi)(1 a)CR處理和FR處理顯著提升了水稻產(chǎn)量和作物生長所需的土壤養(yǎng)分；研究還發(fā)現(xiàn)，CR處理產(chǎn)量最高，較FR處理產(chǎn)量提高了3.16%，較ZR和BR處理產(chǎn)量分別提高了5.64%和8.35%；同時(shí)，CR處理在成熟期土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、磷、鉀、速效磷、速效鉀和堿解氮含量分別高出了BR處理19.53%，19.12%，15.51%，16.51%，67.62%，24.37%，24.32%。綜合分析，秸稈炭化還田是短期內(nèi)提高水稻產(chǎn)量和土壤肥力的最佳選擇，關(guān)于長期的最理想選擇還需要在田間試驗(yàn)開展長久的、深入的研究。