长期秸秆还田对水稻—小麦轮作制作物产量和养分吸收的影响

刘冬碧+夏贤格+范先鹏+杨利+张富林+夏颖+熊桂云+吴茂前

摘要：利用10年定位试验研究长期秸秆还田对湖北省江汉平原水稻-小麦轮作制作物产量和养分吸收的影响。结果表明，在配施氮、磷、钾肥基础上，10年20季作物连续秸秆还田，水稻和小麦的子粒年均增产量分别为584和264 kg/hm?，增产幅度分别为7.37%和8.15%；秸秆年均增产量分别为398和611 kg/hm?，增产幅度分别为6.50%和15.44%。秸秆还田在一定程度上提高作物子粒中氮的含量和秸秆中钾的含量。秸秆还田显著提高作物氮、钾吸收量，但对磷吸收量影响不显著，其中水稻年均氮、磷、钾吸收量分别提高9.59%、3.95%和9.94%，小麦分别提高12.70%、7.39%和29.90%。秸秆还田对提高作物产量和促进养分吸收的效应表现为小麦>水稻，钾>氮>磷。作物产量和养分吸收的年度变异大于小区变异，其中小麦的变异大于水稻。在不施肥条件下，水稻比小麦更能维持较高的产量和养分吸收量。

关键词：秸秆还田；作物产量；养分含量；养分吸收量；水稻-小麦轮作制

中图分类号：S142.+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）24-4731-06

秸秆还田作为秸秆利用的一种主要方式，是“肥料-土壤-作物”系统中移出农田的养分再次回到农田的重要途径。秸秆还田不仅被作为替代化学钾肥、减少对进口钾肥依赖的有效手段[1-4]，而且是实现化肥“零增长”的主要措施之一[5]。大量研究结果证实，秸秆还田在提高作物产量[1，2，6-11]、促进作物养分吸收[11-14]、改善土壤理化性状尤其是维持土壤钾平衡[1，3，6-10，15，16]等方面均有良好的效果。但全国不同生态类型区土壤和气象条件各异，种植模式和生产条件千差万别，总体上看，不同种植模式和生产条件下秸秆还田对作物产量和养分吸收方面的基础性数据仍然有限。

湖北是农业大省，作物秸秆资源丰富，但秸秆还田技术及效果方面的研究报道并不多。戴志刚等[7，16]研究了鄂东“稻稻油”轮作体系下秸秆翻耕和免耕还田对作物产量和土壤理化性质的影响，李继福等[2]、刘秋霞等[4]分别报道了湖北省不同供钾能力稻田、不同稻作区秸秆还田替代钾肥的效果，李继福等[17]还利用3年6季定位试验研究了江汉平原区水稻-油菜轮作模式下秸秆还田替代钾肥的效应，张维乐等[11]则报道了湖北省水稻-油菜（或小麦）轮作体系秸秆还田与氮肥运筹对作物产量及养分吸收利用的影响，但上述研究均是多个试验点1年、1个轮作周期或短期定位试验结果，且研究内容各有侧重，相关的长期定位试验研究未见报道。本研究报道湖北省江汉平原区水稻-小麦轮作体系下连续10年20季秸秆还田对作物产量和养分吸收的影响，以期与其他学者之间的研究结果相互印证和补充，为完善湖北及类似地区水稻-小麦轮作体系下的秸秆还田技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点为湖北省潜江市浩口镇柳洲村，位于江汉平原腹地。地形地貌为冲积平原，土壤类型为河流冲积物母质发育的潮土，土层深厚，质地轻壤，种植制度为水稻-小麦。定位试验从2005年6月水稻季开始，持续至2015年5月小麦收获，共10年20季。设置4个处理，①CK，两季作物不施肥、秸秆不还田；②M，两季作物不施化学肥料，每季秸秆还田量为6 000 kg/hm?，其中水稻季还田麦秆，小麦季还田稻草，为保证小区间的一致性，还田的秸秆均来自附近的同一田块；③NPK，两季作物只施化学肥料，其中水稻为N 150、P2O5 90、K2O 90 kg/hm?、小麦为N 120、P2O5 75、K2O 60 kg/hm?；④NPK+M，化学肥料+秸秆还田。试验小区面积20 m?，4次重复，随机区组排列。小区间用田埂隔开，区组间有固定的排灌沟，沟宽40 cm，每个小区可独立排灌。试验开始前采集基础土样（0～20 cm），用常规方法分析土壤属性及养分含量[18]，结果见表1。

試验氮、磷、钾肥分别用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12.1%）和氯化钾（K2O 60%）。2011年及以前水稻和小麦均为氮肥60%作底肥、40%作分蘖肥；自2012年起水稻氮肥60%作底肥、20%作分蘖肥、20%作穗肥，小麦氮肥施用时期不变。磷、钾肥全部作底肥施用。秸秆还田方法：水稻季将试验地附近田块的小麦秸秆用粉碎机粉碎，浇水充分润湿，按秸秆量5%的比例加酵素菌及适量红糖、尿素、米糠，与秸秆混合均匀，盖上彩条布堆腐约14 d，插秧前将秸秆均匀地撒在已整好的田面后栽秧；小麦季将试验地附近田块的稻草切成6～10 cm小段，同上述方法操作，堆腐21～28 d，条播小麦后将秸秆均匀地撒在田面。还田秸秆前采集样本，测定秸秆含水量，计算试验小区所需秸秆量，分析养分含量，计算还田秸秆带入的养分量。

作物收获记录实产，收获前采集代表性植株样品，用常规方法[18]分析子粒和秸秆养分含量，计算作物养分吸收总量。

1.2 数据处理

数据均用Microsoft Excel 2007进行处理和计算，采用DPS软件的单因素LSD检验法进行统计分析。作物产量和养分吸收量分别用两种方式进行统计，①先计算每个小区10季水稻（或小麦）产量和养分吸收量之和，然后计算每个小区作物年均产量和年均养分吸收量，将不同处理的4次重复年均数据进行统计，所得结果为“小区”产量和养分吸收量统计值，它消除了年际间的变异，反映了不同处理的重复之间变异，即空间变异；②先分别对每个年度、每个处理的作物产量和养分吸收量进行平均值计算，再将10次重复（10季）的数据进行统计，所得结果为“年度”产量和养分吸收量统计值，它消除了重复之间的变异，反映了不同处理年际间的变异，即时间变异。作物子粒和秸秆的养分含量，则先求出每年每处理4个重复的平均值，再以年份数（10）作为重复数进行统计分析。

2 结果与分析endprint

2.1 长期秸秆还田对作物产量的影响

从2005年6月至2015年5月共收获10季水稻和10季小麦，历年水稻和小麦子粒产量见表2。结果表明，不施肥条件下实行秸秆还田，水稻仅2011年显著增产，小麦在2010年之后开始有4季显著增产；施氮、磷、钾肥条件下实行秸秆还田，水稻在2008-2011年有3季显著增产（2009年NPK+M与NPK差异不显著），小麦从2010年开始5季作物均连续显著增产。无论水稻还是小麦，在绝大多数年份，处理间作物产量表现为NPK+M>NPK>M>CK。同时还可看出，小麦产量的年际波动较大，与试验区域小麦产量受气象条件影响较大有关。

作物年均子粒产量和秸秆产量见表3。结果表明，在10个水稻-小麦轮作周期，秸秆还田对水稻、小麦的子粒和秸秆产量的影响有所不同。不施肥条件下实施长期秸秆还田，水稻和小麦的子粒分别平均增产380和133 kg/hm?，增产幅度分别为6.04%和7.28%，增产不显著；在施氮、磷、钾肥基础上实施长期秸秆还田，水稻和小麦的子粒分别平均增产584和264 kg/hm?，增产幅度分别为7.37%和8.15%，水稻子粒增产达显著水平；水稻和小麦秸秆产量的变化趋势与子粒相似，也为不施肥条件下增产不显著，施氮、磷、钾肥基础上秸秆年均增产量分别为398和611 kg/hm?，增产幅度分别为6.50%和15.44%，水稻秸秆增产达显著水平。由此可见，无论是绝对增产量还是增产幅度，配施化肥基础上的效果均较好。秸秆还田对作物的增产效应为小麦大于水稻，其中水稻子粒的效应大于秸秆，小麦子粒的效应又小于秸秆。从作物产量的变异系数看，作物“年度”产量的变异（平均20.43%）明显高于“小区”产量的变异（平均4.31%），即年际变异大于小区空间变异，并以小麦产量的表现更甚。在不同作物部位之间，产量的变异均表现为秸秆>子粒。

综上所述，只有在配施一定量化学肥料的基础上，秸秆还田才能发挥出较好的增产效果，其对小麦的增产效果优于水稻，但小麦产量的年际变异也较大。

2.2 长期秸秆还田对植株不同部位养分含量的影响

由表4可知，秸秆还田对作物子粒和秸秆氮、磷、钾含量的影响有增有减，大多数情况下增减幅度均小于10%，影响不显著。不施肥条件下秸秆还田对作物不同部位磷含量的影响均表现为略有增加或不变，施氮、磷、钾肥条件下表现为有增有减；无论施肥与否，秸秆还田对作物子粒氮、秸秆钾含量的影响均表现为增加，其中水稻子粒氮和秸秆钾含量分别提高0.96%～4.61%和2.38%～7.54%，小麦子粒氮和秸秆钾含量则分别提高4.46%～5.21%和7.42%～19.64%，表明秸秆还田对子粒氮和秸秆钾含量的正效应表现为钾大于氮，同时小麦又大于水稻。从养分含量的年际间变异来看，不同作物、不同部位氮和磷的变异均表现为秸秆>子粒，钾的变异子粒>秸秆，其中小麦的变异又大于水稻（仅秸秆钾含量除外），由此可见，养分含量较低的部位其年度变异相对较大，而小麦又比水稻对年际间条件的变化更加敏感。

2.3 长期秸秆还田对作物养分吸收量的影响

作物养分吸收量是不同部位产量和养分含量共同作用的结果。10年20季作物的年均养分吸收量见表5。由表5可知，从“小区”养分吸收量来看，在不施肥条件下，秸秆还田对水稻氮、小麦磷和钾吸收量的增加不显著（10.5%～15.2%），但显著提高水稻磷、钾和小麦氮的吸收量（13.0%～17.3%）；在施氮、磷、钾肥基础上，秸秆还田对水稻和小麦磷吸收量的影响均不显著，提高的幅度分别为3.95%和7.39%，但显著增加了水稻和小麦的氮、钾吸收量，其中水稻氮和钾吸收量分别提高9.59%和9.94%，小麦分别提高12.70%和29.90%，不仅如此，秸秆还田还使水稻和小麦钾吸收总量中秸秆钾的占比分别提高1.2和4.4个百分点，达显著水平。可见，在施氮、磷、钾肥基础上，秸秆还田对作物养分吸收的效应表現为钾>氮>磷，其中小麦又大于水稻。作物养分吸收量的变异系数，其变化趋势与产量基本一致，即年际变异大于小区空间变异，其中小麦大于水稻，不同养分的变异又表现为磷>钾>氮。

比较表3、表4和表5可以发现，由于作物产量和养分含量的双重作用，在施氮、磷、钾肥条件下，秸秆还田对水稻和小麦产量和养分吸收量的效应均表现为钾>氮>子粒产量>磷。此外，以单施化肥为参照，在不施肥条件下，水稻子粒和秸秆的相对产量分别为79.4和70.1，氮、磷、钾的相对吸收量分别为63.1、68.4和68.2；小麦子粒和秸秆的相对产量分别为56.4和58.4，氮、磷、钾的相对吸收量分别为48.6、54.0和51.1，因此不施肥条件下养分吸收比作物产量更加敏感，其敏感程度为氮>钾>磷，小麦>水稻。从另一个角度来说，在不施肥条件下，水稻比小麦更能维持较高的产量和养分吸收量。

为了进一步探讨秸秆还田对作物养分吸收量的影响因素，暂不考虑其他养分来源，化学肥料+秸秆还田处理（NPK+M）中，还田秸秆所带入的年均养分量及其占年均养分施用总量（即化肥养分+秸秆养分）的比例见表6。从表6可以看出，秸秆养分占比表现为钾>氮>磷，且小麦>水稻。相关分析表明，施氮、磷、钾肥基础上秸秆还田增加作物养分吸收量的幅度与其所含养分量在养分施用总量中的比例呈显著正相关（r=0.874*，n=6）。在本试验中，M和NPK+M两个处理还田秸秆均来自于附近同一地块，水稻季还田的为麦秆，小麦季还田的是稻草，用量均为6 000 kg/hm?。稻草中氮、磷和钾的含量均高于麦秆，尤其是稻草中钾的含量平均约为麦秆的2倍，且小麦季化肥氮、磷、钾施用量均低于水稻，因此小麦季秸秆养分尤其是钾在养分施用总量中的比例均高于水稻季。由此可见，本试验中小麦季秸秆还田对提高作物产量和促进养分吸收的效果优于水稻，在很大程度上可能与还田秸秆中所带入的养分量及其比例较高有关。

3 小结与讨论endprint

秸秆还田后，通过自身腐解提供养分、改善土壤物理、化学、生物学性状等方式，为作物生长提供一个良好的生态环境，并通过增加产量、促进养分吸收等形式表现出来。谭德水等[1]研究表明，在施氮、磷肥基础上小麦秸秆连续全量还田，河北辛集市小麦和玉米年均分别增产3.0%和6.8%，山西临汾市小麦年均增产5.0%。王志勇等[8]在河北廊坊市的3年定位试验结果表明，施氮、磷肥基础上秸秆还田小麦和玉米分别增产2.38%和3.93%，进一步增施钾肥基础上秸秆还田分别增产6.44%和4.99%。刘禹池等[10]在四川广汉市的7年定位试验表明，水稻-油菜轮作体系下实施连续秸秆还田，水稻和油菜年均分别增产6.1%和5.8%。陆强等[13]在江苏常熟的2年定位试验结果表明，秸秆全量还田水稻年均增产6.0%，小麦年均增产8.8%。综上所述，尽管生态区域不同、试验条件各异，不同学者报道的秸秆还田增产幅度通常在10%以内。Takahashi等[12]通过短期和长期定位试验比较，发现年限是影响秸秆还田效果的一个重要因素。Huang等[19]分析了全国水稻秸秆还田试验数据，指出秸秆还田后水稻的平均增产率为5.2%，并认为秸秆还田的增产效果受到年均气温、土壤养分状况、还田年限以及施肥等因素的影响。戴志刚等[7，16]的研究还表明，秸秆翻耕还田的增产效果显著优于免耕还田。可见，还田方式也是影响其秸秆增产效果的重要因素。综合各种文献报道，可认为秸秆还田增产效应的影响因素主要有以下几个方面。

1）秸秆种类、还田量与还田方式。不同种类的秸秆其养分含量差异较大，不同生态区同一种类的作物秸秆其养分含量也有所不同，甚至差异很大[2]。不同作物秸秆其腐解的难易、养分释放的快慢也不一样[20，21]。因此，在一定生态区域和生产条件下，秸秆种类、还田量与还田方式共同决定了秸秆能为作物提供养分的数量、速率与方式，并最终影响产量结果。

2）土壤肥力状况、施肥量及其运筹方式。暂不考虑大气沉降、灌溉等因素[3]，作物所需养分主要由土壤、还田秸秆和当季其他肥料共同提供。陆强等[13]的研究表明，江苏常熟水稻-小麦轮作体系中，在习惯化肥用量减少30%的基础上，配施3 000 kg/hm?牛粪堆肥与秸秆全量还田，可获得较高的产量和氮肥利用率。有机肥中养分的有效性与化肥不同，磷、钾的有效性比化肥高，而氮的有效性比化肥低[22]，水稻、小麦和油菜秸秆中养分释放速率均为K>P>C>N[20]，因此作物秸秆还田条件下，不仅需要调整化肥的配比（如增加氮的比例、降低钾的比例），还要调整化肥的运筹方式，如氮肥前移[11]、钾肥后移等，以保证养分的均衡供应。

3）生态气候条件等区域性因素。气温、降雨、土壤微生态环境等影响秸秆腐解速率及养分释放的因素，都会在一定程度上影响秸秆还田效果。水分条件被认为是秸秆在土壤中腐解转化的决定性因子之一，最佳土壤水分状况通常为接近最大田间持水量[23]。武际等[24]的研究表明，节水栽培（无水层）模式下小麦秸秆还田腐解率和养分释放率、土壤有机碳和养分含量提高的效应均显著高于常规栽培（浅水层）。

4）田间管理措施。秸秆还田的增产效果最终是秸秆还田技术与其他各项配套农艺措施綜合作用的结果。无论是在田间试验研究、还是农业生产过程中，只有在配套合理耕作、水分管理、病虫草害防治的基础上，秸秆还田的增产效果才能最大限度地发挥出来。

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