沼液与秸秆配施在水稻有机栽培中的应用研究

赵 理,卢绪奎,王新娟,史春余

(1.山东省临沂市农业技术推广站,山东 临沂 276000;2.山东省临沂市农业质量检测中心,山东 临沂 276000;

3.山东省临沂市农业科学院,山东 临沂 276012;4.山东农业大学,山东 泰安 271018)



沼液与秸秆配施在水稻有机栽培中的应用研究

赵 理1,卢绪奎2,王新娟3,史春余4*

(1.山东省临沂市农业技术推广站,山东 临沂 276000;2.山东省临沂市农业质量检测中心,山东 临沂 276000;

3.山东省临沂市农业科学院,山东 临沂 276012;4.山东农业大学,山东 泰安 271018)

摘要：以日本优质粳稻‘越光’(Koshihikari)为材料,通过田间小区试验和生产对比试验，进行了沼液与秸秆配施在水稻有机栽培中的应用研究。试验结果表明:在总施N量相同的条件下，处理T1(基肥为猪粪+沼液，追肥为沼液)的水稻产量最高,比CK2(常规施肥,基肥为猪粪，追肥为饼肥)增产14.7%～20.6%;处理T3(基肥为猪粪+麦秸+沼液，追肥为沼液)的水稻产量次之；处理T3的麦秸腐解最快,在插秧后30 d内的腐解进程比处理T2(基肥为猪粪+麦秸，追肥为饼肥)快6 d左右;处理T3的除草效果最好,相对除草率达87.2%～91.8%。因此，在水稻有机栽培、秸秆还田条件下,施用沼液能加快秸秆腐解进程，有效补充水稻前期生长N素供应的不足,并对病虫草害具有一定的防控效果，从而可以提高水稻单产。

关键词：水稻;有机栽培;沼液;秸秆还田;生长发育;病虫草害;产量

0引言

我国是沼气大国,截至2011年,全国户用沼气池已有3850万户,大中型沼气工程已有73032处[1],每年沼液排放量高达1.3亿t[2],大部分被直接排入到水塘、河道等水域。我国每年有近6亿t秸秆,而被利用的不足0.2亿t,约97%的秸秆被焚烧、堆积和遗弃[3]。丰富的沼液和秸秆资源,为水稻有机生产提供了大量的有机肥料。

1材料与方法

1.1试验时间、地点及试验地概况

田间试验于2012、2013年在临沂同德有机农业有限公司基地(临沂市河东区郑旺镇)进行。试验田地势平坦,进行过多年有机稻麦轮作,土壤肥力中等,灌溉条件良好。土壤有机质含量11.3 g/kg,碱解氮53.1 mg/kg,速效磷35.5 mg/kg,速效钾62.0 mg/kg。年降水量700 mm左右,年平均气温13 ℃,无霜期200 d左右。

1.2供试材料

以日本优质粳稻‘越光’(Koshihikari)为试验品种,以猪粪、沼液、饼肥、小麦秸秆为有机肥料,进行田间有机栽培试验。小麦秸秆(风干)含N量为4.97 g/kg,猪粪(风干)含N量为22.97 g/kg,沼液(以人畜粪尿、秸秆为主要发酵底物的沼液)含N量为3.71 g/kg;饼肥(豆饼腐熟后用机械制成颗粒)含N量为71.40 g/kg。

1.3试验设计

2012年进行田间小区试验,采用随机区组设计方法,设5个处理,3次重复,小区面积20 m2(5 m×4 m),四周设保护行。小区灌排设计成“非”字形,各小区单灌单排,互不串灌。小区间做土埂,埂宽30 cm,高20 cm；用黑色地膜覆盖土埂,在覆盖时将土埂两边的地膜边缘深埋20 cm左右,防止各小区间肥、水互渗或流失,并防止杂草生长。试验除CK1不施肥(空白)外,其它各处理施N总量相同,均为300 kg/hm2；以CK2(常规施肥)作对照。水稻基肥N量占总施N量的70%，穗肥N量占30%。基肥施入方法:将猪粪(风干后)和麦秸(切成长5 cm左右的碎段)在耕翻时一起全层施入,沼液在水整地完成后随水灌施或泼洒。穗肥施入方法:将饼肥撒施,沼液随水灌施或泼洒。各处理的施肥设计详见表1。

2013年在2012年田间小区试验的基础上进行生产对比试验,试验共设3个处理,分别为CK2、T1、T3,不设重复,各处理的施肥种类、数量和方法与2012年相同。试验大区长41.7 m,宽8.0 m,面积333.6 m2,南北向,各试验区按东西向顺序排列。

表12012年各处理施肥量设计

kg/hm2

1.4试验栽培管理概况

2012年田间小区试验,于5月17日进行旱育秧,播种量37.5 g/m2,秧龄42 d,秧苗平均6.6叶。在本田做好小区后,先将称量好的猪粪(风干)和麦秸(风干后切成长5 cm左右的碎段)撒到对应的试验小区内,深翻20 cm与土壤混合(空白区同样深翻),晒茬2～3 d后灌水,然后水整耱平,并将称量好的沼液泼洒施入对应小区,待泥浆沉实后插秧。本田于6月28日移栽,行距为25 cm，墩距为14 cm,平均每墩苗数4株。在本田生长期内,不进行病虫草害防治；穗肥于7月30日施入,撒施饼肥,泼洒施入沼液；其他管理与常规有机栽培相同。在9月25日前后成熟时取样,9月28日收获。

2013年生产对比试验,于5月12日进行旱育秧,播种量37.5 g/m2,5月22日出苗,秧龄45 d,秧苗平均7.1叶。在本田做好大区后,先将称量好的猪粪和麦秸撒到对应的试验小区内,机械耕翻20 cm与土壤混合,晒茬2～3 d后灌水,并将称量好的沼液随水灌入对应大区(当灌水面积达到试验小区的4/5左右时,用沼液泵将沼液从入水口处随水流灌入),然后水耙耱平整,待泥浆沉实后插秧。本田于6月26日移栽,行距为25 cm，墩距为14 cm,每公顷栽插28.57万墩,平均每墩苗数为4苗,每公顷基本苗为114.3万株。在本田生长期内,不进行病虫草害防治,穗肥于7月28日施入,撒施饼肥,随水灌入沼液；其他管理与常规有机栽培相同。在9月24日前后成熟时取样,9月27日收获。

1.5测定项目及测定方法

在插秧后每小区选定10墩作为调查样本，每隔5 d调查1次株高(指从地面到最高叶尖处的垂直高度,即冠层高度),一直调查到成熟。在插秧后，每隔5 d调查1次分蘖数(参照户刈义次等的作物试验法[7]),一直调查到抽穗。分别在插秧后10、20、30 d调查麦秸腐解程度(在秸秆还田处理的各小区内选择1个点,用取样铲取出长15 cm、宽15 cm、深20 cm的立方体泥土,装入尼龙网袋内,用清水洗掉泥土,感官测定秸秆的颜色、气味和腐烂度。将颜色由浅到深依次分为黄褐、褐、深褐、黑褐、黑;将气味由轻到重依次分为微腐味、霉腐味、腐烂味;将腐烂度由轻到重依次分为较软、软、很软、微腐、腐烂)。在插秧后30 d，在各小区内以对角线的方式选3个点，调查杂草株数,每点调查面积为0.5 m2(1 m×0.5 m),然后计算平均值;在乳熟后期调查稻飞虱虫口密度、二化螟危害株率、纹枯病和穗颈稻瘟病的发病率(根据《稻飞虱测报调查规范》GB/T 15794─2009调查各小区的稻飞虱虫口密度。每小区选30墩,调查二化螟危害株率、纹枯病发病株率、穗颈稻瘟病发病株率)。在抽穗后30 d，调查倒伏率(将茎秆与地面夹角小于30o的视为完全倒伏,倒伏面积按100%计算；夹角在30°～60°之间的视为半倒伏,倒伏面积按50%计算；夹角在60°～90°之间的视为未倒伏,倒伏面积按0%计算)。在成熟期，将各小区的10墩调查样本拔出,除去根系泥土,测量其茎秆基部一、二节间长度,并进行考种测产;每小区单收、单打、单计产量。

1.6统计分析

对试验数据用Microsoft Excel 2003和DPSv 7.05数据处理系统进行统计分析、作图。

2结果与分析

2.1不同处理对水稻生长的影响

从图1和图2可以看出,各处理成熟时株高、单位面积最高群体数量和成穗数量均表现为T1>T3>CK2>T2>CK1。不同处理水稻的分蘖高峰出现时间不一致,分蘖高峰出现较早的是T1和CK1,大约在7月24日;分蘖高峰出现较晚的是T2和T3,大约在7月28日;分蘖高峰出现在中间的是CK2,大约在7月26日。比较T1和CK2发现,施沼液的T1长势明显好于不施沼液的CK2,说明沼液是速效肥料,能有效促进水稻生长;比较T2和CK2发现,秸秆还田的T2长势明显差于秸秆不还田的CK2,说明秸秆还田对水稻前期生长有较强的抑制作用;比较T3和T2发现,秸秆还田并施用沼液的T3长势明显好于不施沼液的T2,说明配施沼液能有效缓解秸秆还田水稻前期生长N素供应不足的矛盾。

总之,施用沼液对水稻生长有促进作用;秸秆还田对水稻前期生长有抑制作用;沼液与秸秆配施能协调N素养分的供应,合理调控水稻生长。秸秆还田会引起水稻前期生长N素供应相对不足,导致返青分蘖慢、苗黄苗弱、长势差。沼液中所含的N素养分主要是速效N,能被作物快速吸收利用,因此,秸秆还田配施沼液能补充水稻前期生长N素供应的不足。沼液作为穗肥追施能实现N素养分对水稻需求的同步供应,及时调控水稻生长;饼肥作穗肥必须提前追施,由于难以准确把握水稻生长发育进程和施肥时间,很容易造成N素养分的异步供应,达不到即时调控水稻生长的目的。

图1　2012年不同处理水稻的株高动态

图2　2012年不同处理水稻的分蘖动态

2.2施用沼液对小麦秸秆腐解进程的影响

由表2可知，T3的秸秆腐解进程大约比T2快6 d。T3的秸秆在插秧后第10天已经变成黄褐色、松软状,并有霉腐味；在插秧后第20天已经变成黑褐色、微腐状,并有腐烂味；在插秧后第30天已经变成黑色、腐烂状,并有腐烂味。

总之,施用沼液能明显加快秸秆腐解和养分释放速度。这与沼液具有的生化特性有关,沼液所含的多种复杂微生物、水解酶、有机酸等可以促进秸秆腐解和养分释放,并补充水稻生长和微生物活动所需要的N素养分。这一结果与笔者在使用沼液进行秸秆堆肥发酵试验时所取得的结果相似,也与赵洪颜等[8]沼液堆肥试验的结果相似。

2.3不同处理对水稻基部节间长度的影响

由表3可以得知,5个处理的水稻基部1、2节间长度之和表现为CK1< T2< CK2< T3

施用沼液作为穗肥(拔节肥)要比饼肥更能快速地调节水稻的生长发育,因此也就比饼肥更容易调节其基部节间长度；对于沼液来说比较容易把握施用的时间和数量,而对于饼肥来说则比较困难,这主要与肥效的快慢有关。使水稻基部节间缩短,是防止倒伏、提高单产的关键,特别是对越光等易倒伏品种的高产稳产栽培具有重要意义。如果水稻基部节间太长、植株过高,就很容易引起倒伏而减产；但是如果植株过于矮小、生长量不足,则也会严重影响产量。总之,施用沼液能使水稻基部节间加长;秸秆还田能使水稻基部节间缩短;沼液与秸秆配施,两者互作,使水稻基部节间长度与CK2的接近。因此,通过不同类型有机肥的配施,能有效调节水稻基部节间长度和株高,改善植株空间结构,增强抗倒伏能力。

表2　2012年施用沼液后小麦秸秆的腐解进程

注：表中10、20、30 d指插秧后的天数。

表3　不同处理的水稻基部节间长度

注:同列数据后大、小写英文字母不同,分别表示在0.01和0.05水平上差异显著。下同。

2.4不同处理对水稻病虫害的防控效果

通过表4可以看出,二化螟的危害株率与稻飞虱的发生密度呈相同趋势,两者均表现为T3

总之,秸秆还田并施用沼液对水稻病虫害的防控效果最好;单施沼液或单施秸秆对水稻病虫害都有一定的防控效果，但单施沼液的防控效果优于单施秸秆的。

2.5不同处理对稻田杂草的防除效果

从表5可以看出,2012年随机区组试验不同处理的除草效果依次为T3>T1>T2>CK2>CK1,各处理之间差异均达极显著水平。除草效果最好的是T3,相对于CK1的除草率达91.8%,相对于CK2的除草率达90.9%;其次是T1,相对于CK1的除草率为64.4%,相对于CK2的除草率为60.7%;第三是T2,相对于CK1的除草率为46.2%,相对于CK2的除草率为40.5%。2013年生产对比试验取得的结果与2012年田间小区试验的结果基本一致,除草效果最好的仍然是T3,相对于CK2的除草率达87.2%；其次仍是T1,相对于CK2的除草率为56.7%。

总之,沼液与秸秆配施的除草效果最好;单施沼液和单施秸秆都具有一定的除草效果,但单施沼液的除草效果优于单施秸秆的。

表4　不同处理对水稻病虫害的防控效果(2012年)

表5　不同处理对稻田杂草的防除效果

2.6不同处理对水稻产量性状的影响

由表6可知,在2012年田间小区试验中,产量最高的是T1,为7807.3 kg/hm2,比CK1和CK2分别增产62.9%和14.7%,与两个对照之间差异均达极显著水平;其次是T3,为7245.7 kg/hm2,比CK1和CK2分别增产51.2%和6.5%,与两个对照之间差异均达极显著水平。2013年生产对比试验的结果与2012年呈相同趋势,产量最高的仍然是T1,为6218.7 kg/hm2,比CK2增产20.6%;其次是T3,为5538.9 kg/hm2,比CK2增产7.4%。

从表6还可以看出,水稻单位面积成穗数表现为T1>T3>CK2>T2>CK1,各处理之间差异均达极显著水平;穗实粒数表现为T1>T3>CK2>T2>CK1,T1与CK1、CK2之间差异均达极显著水平,T3与CK1之间差异极显著，但与CK2之间差异不显著;从千粒重来看,除不施肥的CK1千粒重较小之外,其它4个处理之间差异均不显著。相关分析结果表明,单位面积成穗数和产量之间的相关系数为0.996671,穗实粒数和产量之间的相关系数为0.959144,千粒重和产量之间的相关系数为0.744415,因此决定产量高低的关键因素是单位面积穗数,其次是穗实粒数。

总之,施用沼液能使单位面积穗数和穗粒数增加,从而增产;秸秆还田但不施沼液会导致单位面积穗数和穗粒数减少,从而减产;秸秆还田且配施沼液能使单位面积穗数和穗粒数增加,从而增产;施用不同的有机肥对千粒重的影响不大。

表6　不同处理对水稻产量性状的影响

3讨论

3.1关于秸秆还田配施沼液的增产原因

沼液是沼气发酵后的产物[9],是一种复杂的有机、无机营养和微生物及其代谢产物的混合体[10],具有营养、速效、养分利用率高、抑菌、刺激、抗逆等特点和功效[9,11]。据有关研究结果,沼液中不仅含有丰富的N、P、K等大量营养元素和Ca、Cu、Fe、Zn、Mn等中、微量营养元素[12],还含有大量的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、某些植物激素以及对病虫害有抑制作用的物质或因子[13-14],是一种具有生物肥料和生物农药双重功效的优质有机液体肥料,施用沼液能改善土壤理化性状,提高土壤肥力,促进土壤生态环境良性循环[15-17],提高作物产量和品质,并具有防病、抗逆作用[1,18]。如:叶志诚[19]的试验结果表明,沼液浸种能提高水稻产量;左辛[20]的试验结果表明,沼液浸种能有效抑制水稻恶苗病的发生和危害;李礼安[21]研究证明,分次喷施沼液能提高秧苗素质;杨志等[10]的研究结果表明,将沼液随水灌溉,可以使水稻缓苗期缩短，分蘖期提早，有效分蘖率提高，抗病性增强;唐微等[22]的研究结果表明,施用沼液不但增产,而且能提升稻米营养品质。本试验充分利用了沼液所具有的多重功效和生物特性,把沼液施用和秸秆还田有机结合起来,通过两者效应互作,创造出适于水稻生长发育的肥效,有效解决了有机栽培特别是秸秆还田条件下水稻前期生长N素供应不足的矛盾,合理调控了水稻生长,确保了中后期生长稳健,建立了适宜的群体数量和空间分布结构,从而提高了单产。虽然在非秸秆还田条件下施用沼液的水稻产量比秸秆还田配施沼液的产量高,但笔者认为,对于水稻有机生产来说,秸秆还田配施沼液更有意义。

3.2关于秸秆还田配施沼液对稻田杂草的防控作用

本试验研究发现,秸秆还田配施沼液对稻田杂草具有良好的防除效果,可以说这是水稻有机栽培中又一技术瓶颈的突破。沼液是有机物厌氧消化后的产物,沼液中含有大量的厌氧微生物、有机物，以及氮、磷、钾、微量元素、小分子有机酸、维生素等多种物质。沼液与秸秆配施,一方面沼液能加速秸秆的厌氧消化,在表泥层发生强还原反应,使稻田表泥层和沼水层缺氧,并产生大量的小分子有机酸和C2H4、H2S、CO2等气体,从而抑制杂草的发芽生长;另一方面沼液本身呈黑褐色,再加上秸秆的厌氧发酵,会使沼水层变成黑褐色,透光率非常低,使杂草的发芽生长受到抑制。临沂是典型的华北黄淮稻区,在水稻插秧后5 d开始萌发杂草,插秧后10～15 d发生第一次出草高峰,以稗草、千金子等禾本科杂草为主;在插秧后25～35 d发生第二次出草高峰,以鲤肠、鸭舌草、莎草等阔莎草为主。秸秆还田并施用沼液作面肥,可以有效抑制水田第一次出草高峰的杂草发芽生长;用沼液作穗肥(拔节肥)进行灌施,可以有效抑制水田第二次出草高峰的杂草发芽生长。

3.3关于秸秆还田配施沼液的抗病防虫机理

本试验结果表明秸秆还田配施沼液比单施沼液具有更好的抗病防虫效果。笔者认为,这是沼液促进秸秆发酵产生了更多的沼液成分,其作用机理与沼液是相同的,只不过是加强了沼液的作用。关于沼液的抗病防虫机理研究有很多,如:尹芳等[23]的研究结果表明,沼液对大多数植物病原真菌有抑制作用;李文涛等[24]从牛粪发酵沼液中分离出了Rhizopusoryzae(米根霉菌)和Trichodermaharzianum(哈茨木霉),并与立枯丝核菌进行对峙培养试验,发现其对立枯丝核菌具有较强的抑制作用;陈超等[1]进行了沼液中分离的微生物对4种病原菌的拮抗试验,结果发现有32株微生物对不同的病原菌有抑制作用;李正华[25]的研究结果表明,沼液中的乙酸、丙酸、丁酸、乳酸菌、维生素B、芽孢杆菌、吲哚乙酸、赤霉素以及较高含量的氨、铵盐和一些抗生素等成分是沼液抗病防虫的主要因素。

3.4本试验的不足之处

本试验是在有机栽培条件下,以等N量设计为前提,研究了不同有机肥料配合施用对水稻生长发育、抗倒伏能力以及对病虫草害防控的综合效应,但没有考虑不同有机肥中P、K含量等肥效差异对试验结果的影响，这有待于今后进一步完善。

4结论

在有机栽培条件下,秸秆还田配施沼液能有效补充水稻前期生长N素供应的不足,合理调控生长,确保中后期生长稳健,建立适宜的群体和空间分布结构,从而提高单产。以秸秆不还田但施用沼液的处理T1的水稻产量最高,2012年随机区组试验比CK2增产14.7%,差异极显著,2013年生产试验比CK2增产20.6%;以秸秆还田配施沼液的处理T3的水稻产量次之,2012年试验比CK2增产6.5%,差异极显著,2013年试验比CK2增产7.4%。从有机栽培的角度综合评价,推荐秸秆还田配施沼液的施肥模式。

秸秆还田并施用沼液能有效防除稻田杂草,在2012年试验中，相对于CK1的除草率达91.8%,相对于CK2的除草率达89.6%,差异均达极显著水平；在2013年试验中，相对于CK2的除草率达87.2%。施用沼液能加快秸秆腐解进程,施用沼液的秸秆30 d内的腐解进程要比不施沼液的提前6 d左右;施用沼液对病虫害有一定的防控效果。

本试验从生态学的角度出发，探明了沼液与秸秆等有机肥配合施用的肥效特点、对水稻生长发育及其产量的影响以及对病虫草害的防控效果,为水稻有机栽培提供了技术依据。本研究对于充分利用当地丰富的沼液和秸秆资源、改善生态环境、培肥地力、提高稻米产量和品质具有重要意义。

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(责任编辑:黄荣华)

Study on Application of Biogas Slurry Combined with Straw in Rice Organic Cultivation

ZHAO Li1, LU Xu-kui2, WANG Xin-juan3, SHI Chun-yu4*

(1. Linyi Agricultural Technique Popularization Center, Linyi 276000, China; 2. Linyi Agricultural Quality Inspection Center, Linyi 276000, China; 3. Linyi Institute of Agricultural Science, Linyi 276012, China; 4. Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

Abstract：Taking Japanese quality japonica rice ‘Koshihikari’ as the material, using field plot test and production test, proceed the research of biogas slurry with straw combined application in rice organic cultivation. The results showed that the rice yield of applying biogas slurry (pig manure and biogas slurry as basal fertilizer, biogas slurry as top dressing, T1) was the highest, increasing from 14.7% to 20.6% compared with the normally fertilizing (pig manure as basal fertilizer, cake fertilizer as top dressing, CK2). The rice yield of straw returning and applying biogas slurry (pig manure, straws and biogas slurry as basal fertilizer, biogas slurry as top dressing, T3) was followed. The rate of straw decomposition of T3was the highest, ahead of about 6 d compared with straw returning (pig manure and straws as basal fertilizer, cake fertilizer as top dressing, T2) within the first 30 days after transplanting. And the weeding effect of T3was the best too, the relative rate of killing was from 87.2% to 91.8%. This research showed applying biogas slurry would fill up the deficiency of nitrogen in the early growing period, raise the rate of straw decomposition, control diseases and insects, abtain a good weeding effect, and increase the rice yield.

Key words：Rice; Organic cultivation; Biogas slurry; Straw returning; Growth; Diseases, insect pests and weeds; Yield

中图分类号：S511.062

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)02-0006-06

作者简介：赵理(1962─),男,山东临沂人,农艺师,硕士,研究方向为水稻栽培。*通讯作者:史春余。

基金项目：国家国际科技合作专项“日本优质粳稻品种生态适应性与利用关键技术合作研究”(2012DFG31740)。

收稿日期：2015-08-01