稻稈與紫云英協(xié)同還田對水稻產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳的影響

張立進(jìn)，余小蕓，巢思琴，黃國勤?，楊支齊，錢國明

(1 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心，江西 南昌 330045；2 江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所，江西 南昌 331717；3 廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，由于大部分農(nóng)村人口老齡化嚴(yán)重，農(nóng)田荒廢無人耕種的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，大量勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移直接導(dǎo)致大多數(shù)種植戶以施用方便的化肥為主?；实拇罅渴┯檬刮覈締挝幻娣e產(chǎn)量大幅增加，但過量施用也導(dǎo)致了稻田土壤功能減弱、酸化和板結(jié)等現(xiàn)象。這種重化肥、輕有機(jī)肥和綠肥等的種植習(xí)慣加劇了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染。因此，如何有效改善土壤環(huán)境、降低化肥施用量、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境是亟需解決的問題。水稻秸稈和紫云英是我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)上使用最廣泛的有機(jī)肥源，將兩者合理搭配與化肥配施還田，不僅能有效降低經(jīng)濟(jì)成本，還可在一定程度上改善環(huán)境污染問題。秸稈通常是田間作物收獲后廢棄的根、莖、葉、果等的總稱，富含氮、磷、鉀、鈣、有機(jī)質(zhì)等。紫云英作為豆科綠肥的一種，通過自身根瘤菌群的作用，能富集土壤中0.5%～1.1%的磷和2.0%～3.0%的鉀素養(yǎng)分[1－3]。秸稈和紫云英還田不僅是對資源的再利用，還能減少化肥施用。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，我國產(chǎn)生的秸稈量非常大，年總產(chǎn)量約9.0×108t，其中水稻秸稈所占比例最高。水稻秸稈和紫云英作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，不管單施還是配施還田都能夠?yàn)樽魑锾峁┴S富的營養(yǎng)元素，對作物產(chǎn)量提高和土壤肥力改善具有重要作用[5]。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)情，水稻秸稈、紫云英等有機(jī)物料就地還田對改良土壤、降低肥料成本具有重要作用[6]。分析水稻秸稈和紫云英單獨(dú)/協(xié)同還田條件下減量施肥對水稻產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀及土壤養(yǎng)分含量的影響，闡明有機(jī)物料還田后的培肥、增產(chǎn)及減氮效應(yīng)，可為我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 稻稈還田對水稻產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳的影響

1.1 稻稈還田對水稻產(chǎn)量的影響

秸稈作為農(nóng)業(yè)的一種新型能源，在降解過程中釋放的養(yǎng)分有利于土壤肥力的提高，可促進(jìn)土壤有機(jī)碳養(yǎng)分的積累，并且有利于作物吸收養(yǎng)分[3]。水稻秸稈原位還田是一種較好的利用方式，可維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的平衡，對改善土壤環(huán)境和提高肥力具有促進(jìn)作用。早稻收獲后將秸稈就地粉碎還田能增加土壤中養(yǎng)分含量，為晚稻提供良好的生長環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)水稻增產(chǎn)[7]。稻稈還田后，在短時(shí)間內(nèi)(3～5 a)對作物產(chǎn)量沒有顯著的提高作用[8]，土壤中的秸稈發(fā)生分解效應(yīng)后才能為后期作物提供營養(yǎng)。因?yàn)榈径掃€田前期需要自身分解，微生物的增殖會(huì)與植株?duì)帄Z營養(yǎng)，所以對水稻生長有抑制作用；中后期腐解完成后會(huì)釋放營養(yǎng)物質(zhì)，對水稻生長有促進(jìn)作用。何虎等[9]分析了稻草全量還田下氮肥運(yùn)籌對雙季晚稻氮素吸收利用的影響，發(fā)現(xiàn)在一定施氮量條件下，水稻秸稈全量還田較不還田更有利于晚稻對養(yǎng)分的吸收利用，從而提高晚稻產(chǎn)量。研究[10]發(fā)現(xiàn)，相比秸稈翻壓還田后的第一年，第二年的水稻產(chǎn)量增幅更大，且增產(chǎn)幅度隨還田年數(shù)的增加而穩(wěn)步增長。但秸稈還田量不是越多越好，當(dāng)還田量超過田間容納量時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)積累大量的有機(jī)酸以及腐解不充分產(chǎn)生的氣體，導(dǎo)致水稻根系活力下降，對氮磷鉀素養(yǎng)分的吸收和水稻生長產(chǎn)生明顯的抑制作用。

研究[11]發(fā)現(xiàn)，稻稈還田能夠增加作物產(chǎn)量4%～12%，早稻較對照增產(chǎn)約6.9%，晚稻增產(chǎn)約8.2%，當(dāng)?shù)适┯昧砍^240 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量增幅達(dá)到最大，但稻稈還田對總粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量的影響不一。全量旋耕還田對作物產(chǎn)量影響不顯著，但是稻草覆蓋還田能加快秸稈分解，提高有效分蘗數(shù)和有效穗數(shù)，從而增產(chǎn)[11]。秸稈還田能促進(jìn)作物對氮素的吸收，與化肥配施時(shí)，秸稈中的氮素礦化率能夠提高3.7%，可增大土壤氮庫，提升土壤供氮潛力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[12]。

1.2 稻稈還田對土壤的影響

秸稈還田是目前最簡單、最有效的秸稈利用措施，將秸稈就地還田不僅能改良土壤，也解決了秸稈焚燒難題[4，13]。長期施用化肥提高了土壤重金屬的有效性，促進(jìn)了作物對土壤重金屬的吸收，加劇了土壤酸化、板結(jié)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)和土壤結(jié)構(gòu)被破壞，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[7]。通過外源加入有機(jī)物料能有效提高土壤有機(jī)碳含量、碳礦化速率和累計(jì)礦化量，提升土壤地力[7]。稻稈中含有豐富的無機(jī)營養(yǎng)元素，還田腐解后將其歸還土壤，對土壤有機(jī)碳含量、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等理化性狀具有明顯的改善作用，如秸稈還田后能提高土層全氮含量14.8%～26.0%[2，5]。長期稻稈還田對提高土壤的供水供肥能力和維持耕作層的持久性具有明顯的促進(jìn)作用。早稻生長前期，施用少量氮肥可以促進(jìn)秸稈通過厭氧分解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳[14]。土壤有機(jī)碳可分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳[15－16]，長期施用化肥會(huì)增加土壤輕組碳的含量，而有機(jī)肥施用可以增加土壤重組有機(jī)碳的含量，因此將有機(jī)肥和化肥混施，能夠調(diào)節(jié)輕組和重組有機(jī)碳在土壤中的比例，給作物提供營養(yǎng)物質(zhì)更全面的生長環(huán)境。秸稈與化肥混施能加快秸稈與土壤的混合，促進(jìn)土壤生物的分解，提高碳組分含量。外源有機(jī)物料的投入能為土壤提供新鮮有機(jī)物，增加微生物多糖，增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[17]。稻稈是有機(jī)養(yǎng)分資源，具有較高的C/N 比值，同時(shí)含有豐富的鉀素。吳海梅等[18]在山區(qū)丘陵紅壤上的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理比較，秸稈還田處理能提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量5.8%～28.9%。常規(guī)施肥處理下鉀素(K2O)出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象，虧缺總量達(dá)到720.1 kg/hm2，而秸稈還田處理鉀素(K2O)盈余量達(dá)到248.9 kg/hm2，因?yàn)榻斩挶旧砗胸S富的鉀素，還田后彌補(bǔ)了土壤速效鉀的不足，同時(shí)秸稈在腐解過程中釋放的物質(zhì)促進(jìn)了作物對鉀肥的吸收，減少了鉀肥的流失損耗[19]。對我國不同地區(qū)幾種主要作物秸稈資源的分布和化肥替代情況的研究[20]表明，還田秸稈的養(yǎng)分含量占氮肥的38.4%、磷肥的18.9%、鉀肥的85.5%。不同外源秸稈C/N 比值與炭化積累有關(guān)，添加不同秸稈后，C/N 比值與有機(jī)碳礦化積累的關(guān)系有明顯的變化[21]，由于不同的外源有機(jī)物具有不同生化組成，當(dāng)C/N 比值為25左右時(shí)，最利于土壤微生物吸收利用氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[22]。秸稈還田后，土壤有機(jī)質(zhì)的含量會(huì)快速增加，但是達(dá)到一定的量后，增加秸稈還田量土壤中的有機(jī)質(zhì)增加不顯著，甚至對作物的產(chǎn)量也會(huì)造成影響。這是由于不同有機(jī)肥的C/N 比值和木質(zhì)素含量不同，產(chǎn)生的反應(yīng)也不同，施入初期會(huì)刺激原來的有機(jī)碳分解，對維持土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有一定影響。

2 紫云英還田對水稻產(chǎn)量和土壤的影響

2.1 紫云英還田對水稻產(chǎn)量的影響

紫云英作為一種優(yōu)質(zhì)有機(jī)豆科綠肥，含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，可以通過活化和富集使土壤中氮、磷、鉀素養(yǎng)分含量分別達(dá)到3%以上、0.5%～1.1%、2%～3%[1]，其自身具有很強(qiáng)的固氮作用，生物固氮的比例高達(dá)80%左右[23]，翻壓還田腐解后能夠提供較多的養(yǎng)分，可以部分替代化肥氮，減少化肥氮素的施用。與冬閑田對照相比，冬種紫云英對下茬作物有增產(chǎn)作用，因?yàn)榫G肥可以增加土壤磷的有效性。紫云英還田腐解后釋放的養(yǎng)分可促進(jìn)植株根系生長，提高其對養(yǎng)分的吸收利用效率，從而提高水稻有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，提高早稻產(chǎn)量24.42%～39.23%[24]，提高晚稻產(chǎn)量19.34%～31.59%[22]。但還田量過高或過低時(shí)，其增產(chǎn)效果均不明顯，且過量施用會(huì)導(dǎo)致土壤氮肥過量，造成水稻貪青晚熟，生育期延長[25]。紫云英的固氮作用可提高土壤通透性和微生物活性，能截獲土壤中的殘留氮素，減少氮素淋溶損失，對提高水稻產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出、生態(tài)服務(wù)總價(jià)值等方面都有積極作用[26]。

2.2 紫云英還田對土壤的影響

土壤有機(jī)碳對農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)具有直接影響，主要與有機(jī)物料還田后的殘留物質(zhì)有一定的關(guān)系。綠肥還田對稻田土壤碳匯有很大的促進(jìn)作用，比如紫云英具有很強(qiáng)的固氮能力，每年固定氮素達(dá)30～150 kg/hm2[27－28]。研究[29]發(fā)現(xiàn)，紫云英還田能促進(jìn)稻田土壤有機(jī)質(zhì)累積，提高土壤碳庫活性和可溶性有機(jī)質(zhì)的分子量，從而提高土壤肥力。紫云英氮素含量非常高，翻壓后釋放的氮素對水稻產(chǎn)量和土壤肥力都有積極的正效應(yīng)[30－31]，但在高肥力農(nóng)田，紫云英的生長和生物固氮能力明顯受到抑制[32]。作為一種重要的綠肥作物和有機(jī)肥源，紫云英的固氮能力強(qiáng)，利用效率高，因此在植株腐解時(shí)可以大量激發(fā)土壤氮素，為土壤和后茬作物提供養(yǎng)分，因此對作物具有一定的后效作用[33]。同時(shí)，紫云英還田能促進(jìn)晚稻對土壤養(yǎng)分的吸收利用，與化肥配施能夠提高化肥利用效率，與冬閑田相比，可減少化肥施用量達(dá)20%～40%[28]。同時(shí)，綠肥覆蓋還能減少農(nóng)田的養(yǎng)分流失。有研究[29]顯示，綠肥還田后，銨態(tài)氮流失量減少10.1%～50.9%，硝態(tài)氮流失量減少21.9%～55.1%，土壤全氮含量增加約9%，堿解氮含量增加約16%。

3 稻稈和紫云英協(xié)同還田對水稻產(chǎn)量和土壤的影響

綠肥和秸稈還田均能提高土壤質(zhì)量，但是增產(chǎn)程度不同，稻草—紫云英聯(lián)合還田具有提高土壤養(yǎng)分、改善土壤肥力的作用[34]。稻稈—紫云英協(xié)同還田對土壤的貢獻(xiàn)率比稻稈單獨(dú)還田高76.47%。協(xié)同還田的效果更佳，主要原因是稻稈釋放的肥效長，而紫云英固氮能力強(qiáng)，能夠給水稻提供緩慢持續(xù)的養(yǎng)分供應(yīng)[35－36]，提高土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷和全氮的含量[37]。稻稈與紫云英協(xié)同配施后，可增強(qiáng)土壤中脲酶、脫氫酶、蔗糖酶的活性，提高水稻產(chǎn)量[38]。而稻稈和紫云英提取物在任何有機(jī)物質(zhì)中浸泡都能一定程度上促進(jìn)水稻生長，可分別提高水稻幼苗鮮質(zhì)量16.84%和16.13%[39]。

稻稈中含有多種營養(yǎng)元素，還田后能為農(nóng)田土壤提供豐富的氮、磷、鉀以及有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)元素。稻稈在自身分解及土壤微生物的作用下，前期可以分解一部分纖維素和半纖維素，釋放出氮、磷、鉀等物質(zhì)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，從而減少化肥的施用量；后期余下未分解的木質(zhì)素等殘留在土壤中，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)改善土壤物理及生物性狀，從而提高作物產(chǎn)量[22]。稻稈中鉀含量比較豐富，C/N 比值也非常高，而紫云英中氮素含量很高，但是C/N 比值卻非常低，將秸稈和紫云英協(xié)同配施，有利于養(yǎng)分的平衡和碳氮比值的優(yōu)化。我國南方大部分稻田將高C/N的秸稈和低C/N 的紫云英共同還田，可加速還田物料的腐解和養(yǎng)分釋放[34]。因此，稻稈與紫云英協(xié)同還田可以改善水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素和農(nóng)藝性狀，從而提高水稻產(chǎn)量[12，24，30]。

水稻秸稈是有機(jī)養(yǎng)分資源，其富含粗纖維、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等富碳物質(zhì)。一些復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)土壤微生物分解后轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，還田后有利于土壤碳庫的增大，可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力。稻稈還田后能影響土壤微生物的活動(dòng)，促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。而冬種紫云英還田能直接向土壤輸送外源有機(jī)物，提高土壤活性有機(jī)碳含量以及土壤碳庫管理指數(shù)。同時(shí)，稻稈與紫云英中含有豐富的鉀素及中、微量元素，協(xié)同還田更能為水稻生長提供所需的均衡養(yǎng)分[40]。稻稈和紫云英協(xié)同還田后，土壤中的碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)具有很好的調(diào)節(jié)作用，能夠促進(jìn)作物養(yǎng)分的高效利用，有利于作物更好地吸收養(yǎng)分[41－42]，能有效降低土壤容重，顯著提高土壤滲透性以及減少表層土壤板結(jié)等現(xiàn)象[43]。

秸稈還田對土壤總有機(jī)碳的固定、礦化及大氣CO2濃度的調(diào)節(jié)起著重要作用，可以影響土壤溫度、濕度和進(jìn)入土壤中的肥料及植物殘?jiān)臄?shù)量，使土壤中養(yǎng)分的礦化、運(yùn)輸、被吸收和被利用能力不同，進(jìn)而影響土壤微生物的生物量碳[36]。稻稈單獨(dú)還田時(shí)，腐解過程會(huì)產(chǎn)生某些有毒物質(zhì)，直接影響作物根系生長，阻礙根系對養(yǎng)分的吸收和利用[44－46]。紫云英單獨(dú)還田能夠促進(jìn)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的累積，還田后可以將紫云英體內(nèi)的可溶性有機(jī)物直接轉(zhuǎn)變成土壤活性有機(jī)碳組分，從而提高活性有機(jī)碳的相對比例，促進(jìn)原有土壤中有機(jī)碳的分解，形成更多的土壤活性有機(jī)碳。與秸稈協(xié)同還田則更有利于提高土壤活性有機(jī)碳、氮含量及其在土壤碳氮庫的比例。兩者在有機(jī)物料腐解過程中能夠相互影響，調(diào)節(jié)微生物對土壤氮素的競爭，保證作物氮素吸收[22]，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的有效積累[42]。

4 秸稈和紫云英協(xié)同還田存在的問題

雖然秸稈與紫云英協(xié)同還田對土壤和作物的生長具有重要的作用，但在其實(shí)施過程中，也還存在一些問題。

4.1 秸稈和紫云英還田后對病蟲害的影響

有機(jī)物料特別是稻草粉碎還田，由于其攜帶病原菌和蟲卵，會(huì)增加稻田下茬作物發(fā)生病蟲害的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，秸稈和紫云英還田后，具有保溫保水作用，為病蟲害的生存提供了舒適環(huán)境，導(dǎo)致病蟲害發(fā)生的機(jī)率大大提高。針對這種情況，可以人為添加抗蟲殺菌劑和除菌殺菌劑，減少病蟲害發(fā)生[47]。近幾年，微生物菌劑的種類越來越復(fù)雜多樣。針對不同種類秸稈，在不同地域條件下，如何選用適宜的菌劑，讓病蟲害防治效果達(dá)到最佳，還需要不斷探索。

4.2 秸稈和紫云英還田后對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

秸稈和紫云英還田腐解后的產(chǎn)物能增加土壤有機(jī)碳的含量，而溫室氣體(CH4、N2O)的排放與土壤有機(jī)碳的積累有一定的相關(guān)性。秸稈還田量不同，CO2和N2O 的排放趨勢也不同[48]。秸稈還田后，在水稻的曬田期，溫室氣體N2O 的排放明顯高于對照，可能是由于N2O 的排放與稻田水分以及土壤的含水量密切相關(guān)。曬田期，土壤呈現(xiàn)干濕交替的現(xiàn)象，微生物產(chǎn)生硝化和反硝化作用，極大地促進(jìn)了N2O 的排放[49－50]。土壤含水率、pH 及施氮量和施氮種類都是影響N2O 排放的重要因素[51－52]。但袁嫚嫚等[53]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量明顯增加，土壤通透性發(fā)生變化，土壤質(zhì)量得到改善，減少了溫室氣體排放。不同的研究結(jié)論并不一致，可能是溫室氣體排放不僅受有機(jī)物料的影響，還與環(huán)境條件、栽培措施等相關(guān)。

4.3 秸稈和紫云英還田配套措施不足，宣傳力度不夠

我國大力發(fā)展農(nóng)田集約化和機(jī)械化，但離完全機(jī)械化作業(yè)還存在一定的距離。受田塊大小、干濕程度、秸稈含水量等的影響，秸稈還田難度較大，對機(jī)械化的要求比較高，而簡單實(shí)用的機(jī)械操作流程能夠有效地降低人工和成本。近些年，我國禁止秸稈焚燒，鼓勵(lì)秸稈再利用，并推出秸稈的五料化:肥料化、飼料化、燃料化、原料化、基料化。伴隨著秸稈利用工作的不斷推進(jìn)，我國農(nóng)作物秸稈綜合利用取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，但我國每年仍有約1.3×108t 農(nóng)作物秸稈未被利用[54]，秸稈利用率較低。我們還需加強(qiáng)秸稈還田技術(shù)規(guī)程操作培訓(xùn)和相關(guān)政策的宣傳，共同推動(dòng)有機(jī)物料的資源化利用。

5 結(jié)論與展望

稻稈和紫云英無論是單獨(dú)還是協(xié)同還田都能改良土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤固碳能力、提高水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素及農(nóng)藝性狀。還田方式、還田量及還田時(shí)間等因素都能影響土壤有機(jī)碳的積累。但稻稈和紫云英協(xié)同還田，其相互作用更有利于調(diào)節(jié)養(yǎng)分平衡和C/N，促進(jìn)養(yǎng)分釋放，提高作物產(chǎn)量。