稻麦轮作下秸秆还田对稻麦产量和稻田可溶性有机碳含量的影响*

郑继成, 张 刚, 王德建**, 王 灿, 曹志强, 汪 军



稻麦轮作下秸秆还田对稻麦产量和稻田可溶性有机碳含量的影响*

郑继成1,2, 张 刚1, 王德建1**, 王 灿1, 曹志强1,2, 汪 军3

(1. 中国科学院南京土壤研究所 南京 210008; 2. 中国科学院大学 北京 100049; 3. 重庆三峡学院环境与化学工程学院 重庆 404632)

为阐明稻麦轮作体系下秸秆还田对作物产量与稻田可溶性有机碳(DOC)的影响, 通过连续2年盆栽试验研究了两种典型土壤(壤土和黏土)在无秸秆还田、半量秸秆还田、全量秸秆还田3种处理下稻麦产量和稻季土壤溶液DOC浓度的动态变化。结果表明, 秸秆还田显著增加了两种土壤大多数处理的水稻产量, 增幅1.6%~11.9%, 其中全量秸秆还田的增产效果大于半量秸秆还田(第1年不显著, 第2年显著)。秸秆还田对小麦产量的影响因土壤类型而异, 壤土中小麦产量显著增加7.2%~10.6%(第1年)或增产不显著(第2年), 但全量秸秆还田和半量秸秆还田处理之间没有显著差异; 黏土中小麦显著减产(5.0%~9.3%), 其中第2年的全量秸秆还田减产效应显著大于半量秸秆还田。秸秆还田及土壤类型显著影响水稻前期(烤田之前)的土壤溶液DOC浓度, 全量秸秆还田、半量秸秆还田分别比无秸秆还田处理平均增加141.7%、61.9%, 壤土比黏土平均增加89.6%; 间歇淹水之后, 所有秸秆还田处理及土壤类型的DOC浓度均迅速降低。总体上, 秸秆还田对两种土壤的水稻增产都有利, 但对黏土小麦增产不利, 秸秆还田显著增加了稻田前期的DOC浓度, 间歇淹水可以迅速降低稻田DOC浓度。

秸秆还田; 稻麦轮作; 产量; 可溶性有机碳(DOC); 土壤类型; 间歇淹水

近年来, 作物收获后将秸秆直接还田逐渐成为秸秆利用的主流。秸秆还田不但避免了秸秆焚烧造成的大气污染[1], 而且有利于农田生态系统中碳、氮等营养元素的循环[2]及我国农田土壤的可持续利用。秸秆还田可以增加土壤养分[3], 降低土壤容重[4]并促进根系生长[5-6], 但是还田秸秆的腐解在前期会与作物争氮[2], 并恶化土壤氧化还原条件[7-8]。有关秸秆还田对产量的影响, 前人研究结果并不一致, 增产或减产的报道都很普遍[2,9-10], 这影响了人们对秸秆还田效应的认识。造成产量效应不一原因可能是多样的, 可能与作物熟制有关, 一年1熟下还田秸秆有充足的时间在下茬作物种植前完成腐解, 可以避免对作物生长产生不利影响, 而一年多熟制下秸秆还田因腐解不完全往往会显著抑制下茬作物的前期生长[11-12]; 也可能与水分管理条件有关, 比如稻麦轮作下, 小麦()旱作, 水稻()水作, 则麦季与稻季的秸秆腐解进程必然差异很大; 或者与土壤类型有关, 沙土、壤土还有黏土的理化性质差异明显, 秸秆的腐解进程会有差异; 还有秸秆还田量、还田方法的不同等等。这都有待进一步深入研究。

稻田可溶性有机碳(DOC)与水体富营养化[13]及温室气体排放[14-15]关系密切, 而且在稻田重金属污染与修复[16]和农药在土壤中的活化迁移[17]等方面有着重要影响。近年来, 关于秸秆还田影响稻田DOC研究开始增多, 主要分两类: 其一为稻田土壤的室内培养试验, 试验条件容易控制, 且普遍进行DOC的动态观测[18-19], 缺点是不能反映水稻生长对DOC的影响; 其二为植稻试验, 缺点是DOC采样费时费力, 往往只检测水稻收获时的土壤DOC含量[20-21]。目前, 关于不同秸秆还田方式下进行土壤DOC动态观测的植稻试验很少, 且已有的研究结果之间差异很大[13,22], 仍需要进一步研究观察。

鉴于当前稻麦轮作体系下秸秆还田对作物产量效应研究的结果不一致, 以及秸秆还田下稻季土壤溶液DOC系统监测研究的缺乏, 本研究选择江苏两种典型的农田土壤——壤土(淮北平原的黄潮土)和黏土(里下河地区的勤泥土), 采用盆栽试验, 比较无秸秆还田、半量秸秆还田和全量秸秆还田3种处理下, 稻季土壤溶液DOC的动态变化规律及稻麦轮作下的作物产量, 旨在为秸秆还田技术的合理实施提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验所用土壤采自水稻收获后的稻麦轮作农田。两种类型土壤分别采自江苏省淮北地区的泗阳县城厢镇红星村(壤土)和里下河地区的高邮市周山农场(黏土)。其中, 壤土的基本理化性质是pH 8.22, 有机质17.4 g∙kg−1, 全氮1.04 g∙kg−1, 速效磷36.5 mg∙kg−1, 速效钾112 mg∙kg−1; 黏土的pH 7.33, 有机质30.6 g∙kg−1, 全氮1.76 g∙kg−1, 速效磷10.2 mg∙kg−1, 速效钾137 mg∙kg−1。盆栽容器为PVC材质圆柱形盆, 内径24 cm, 高30 cm, 每盆装风干土9.4 kg。盆栽试验所用秸秆: 2012年10月第1季试验开始时, 尚无前茬作物秸秆, 统一使用大田的水稻秸秆(秸秆有机碳含量387.7 g∙kg−1, 全氮含量7.05 g∙kg−1, C/N比55.0), 之后每季直接使用前茬收获的秸秆还田。

1.2 试验设计

盆栽试验于2012年10月—2014年10月在中国科学院南京土壤研究所温室内进行, 小麦-水稻轮作, 共进行4季。土壤类型分两种: 壤土(L)、黏土(C)。每种土壤按秸秆还田量分为3个处理: ①对照, 无秸秆还田(S0); ②半量秸秆还田(S1), 前茬作物的一半秸秆归还; ③全量秸秆还田(S2), 前茬作物的全部秸秆归还。每个处理3次重复。第1季的外来水稻秸秆还田量S1、S2处理分别为每盆22.6 g与45.2 g(计算依据为: 以当地水稻秸秆风干产量10 t∙hm−2计算, 依据盆栽容器面积与每公顷面积的比例, 计算出每个处理的秸秆施用量), 以后3季的还田秸秆为前茬盆栽收获秸秆。秸秆切碎与盆栽土壤全层混匀。为尽量减小重复间的误差, 每次小麦收获后将同一处理下的3个盆栽土壤混匀并重新分装。

所有处理施肥量相同, 小麦季土壤施N 0.15 g∙kg-1, P2O50.09 g∙kg-1, K2O 0.09 g∙kg-1; 水稻季土壤施入N 0.17 g∙kg-1, P2O50.08 g∙kg-1, K2O 0.10 g∙kg-1。所用氮肥、磷肥、钾肥分别为试剂级尿素、磷酸氢二钠、氯化钾。磷肥和钾肥全部作基肥一次性施入; 氮肥分3次施用(麦季和稻季的基肥、蘖肥、穗肥的分配比例分别为3∶3∶4和4∶2∶4), 其中基肥与磷肥、钾肥同施, 蘖肥和穗肥用水溶解后浇入盆中。

小麦季秸秆还田约3日后播种, 品种为‘扬麦16’, 出苗1周后剔苗, 每盆留苗24棵。水稻季秸秆还田1周后淹水, 淹水5 d后插秧, 秧龄30d左右, 每盆3穴, 每穴2苗, 水稻品种为‘南粳46’。第1季水稻于2013年6月26日插秧, 保持淹水直至分蘖末期, 其后湿润灌溉一段时间以模拟大田烤田(7月30日—8月8日, 持续10 d), 然后恢复淹水状态直到扬花期结束(10月2日), 之后开始间歇淹水直至收获前1周。第2季水稻于2014年6月24日插秧, 自烤田(7月29日—8月10日, 持续13 d)结束后即开始间歇淹水直至收获前1周, 烤田之前的水分管理与2013年相同(保持淹水状态)。农药除虫, 人工除草。

1.3 采样与测定方法

水稻季土壤溶液DOC采集与测定: 稻季淹水前于各盆土深5—15 cm处插入带橡皮塞的陶土管1根(长10 cm), 通过橡皮塞插入细管到陶土管底部取样, 淹水后第2 d开始抽取水样, 其后约5 d抽取一次, 水稻生长后期改为10~20 d一次, 烤田期间不采样。水样取回后过滤, 滤液用岛津TOC仪(5000, Shimadzu)测定DOC浓度。

作物产量测定: 小麦、水稻籽粒收获后70 ℃烘干测定质量与含水量, 然后按标准含水量13.5%折算得出作物产量[23]。盆栽产量单位为g∙盆−1。

1.4 数据处理与分析

数据处理与分析采用Microsoft Excel 2013与SPSS 17.0。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对作物产量的影响

2.1.1 小麦产量

由图1a可知, 壤土中, 2013年和2014年对照处理S0小麦产量分别为40.8 g∙盆−1和43.6 g∙盆−1, 2013年S1和S2处理分别比S0处理显著增产7.2%和10.6%(<0.05), 2014年S1、S2处理分别比S0增产0.9%和0.6%, 但均不显著。黏土中, 2013年、2014年S0处理小麦产量分别为44.5 g∙盆−1、47.1 g∙盆−1, 2013年S1、S2处理分别比S0处理显著减产7.8%、8.6%(<0.05), 2014年分别比S0处理显著减产5.0%、9.3%(<0.05)。总体上, 秸秆还田后, 壤土中小麦增产, 其中第1年增产显著, 第2年增产不显著; 黏土中连续两年小麦均显著减产, 且在第2年S2处理产量显著低于S1处理。

2.1.2 水稻产量

秸秆还田对两种土壤水稻产量的影响如图1b所示。壤土中, 2013年S0、S1、S2处理水稻产量分别为57.1 g∙盆−1、60.8 g∙盆−1和60.8 g∙盆−1, S1和S2处理均比对照S0显著增产6.5%(<0.05), S1和S2处理间没有显著差异(>0.05); 2014年S0、S1、S2处理水稻产量分别为55.0 g∙盆−1、55.8 g∙盆−1、58.8 g∙盆−1, 与对照S0相比, S1增产不显著(1.6%), S2增产显著(7.4%)(<0.05)。在黏土中, 2013年S0、S1、S2处理水稻产量分别为59.2 g∙盆−1、64.9 g∙盆−1、66.1 g∙盆−1, S1、S2处理分别比对照S0显著增产9.6%、11.7% (<0.05), 但S1和S2处理之间无显著性差异; 2014年S0、S1、S2处理水稻产量分别为55.7 g∙盆−1、60.4 g∙盆−1、62.4 g∙盆−1, S1、S2处理分别比对照S0处理显著增加8.5%、11.9%(<0.05), 且S2处理显著大于S1处理(<0.05)。总体上, 无论是在壤土还是黏土中, 秸秆还田对水稻产量都表现出促进作用, 全量还田的增产效果优于半量还田。

图1 2013年和2014年不同土壤类型上秸秆还田对小麦产量(a)、水稻产量(b)和全年产量(c)的影响

L: 壤土; C: 黏土; S0: 无秸秆还田(对照); S1: 半量秸秆还田; S2: 全量秸秆还田。相同年份及土壤类型中不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year and same soil type mean significant differences among treatments (< 0.05).

2.1.3 稻麦全年产量

本试验中, 全年产量指一个稻麦轮作周期中小麦与水稻的产量之和。由图1c可知, 壤土中, 2013年、2014年对照处理S0产量分别为97.9 g∙盆−1、98.6 g∙盆−1, 与之相比, 2013年S1和S2处理分别增产6.8%、8.2%, 均达显著水平(<0.05); 2014年S2处理显著增产4.2%(<0.05), S1处理增产不显著。黏土中, 对照处理两年的产量分别为103.7 g∙盆−1、102.8 g∙盆−1, 与之相比, 所有秸秆还田处理都有增产, 但只有2013年的S2处理增产显著(增产3.0%)(<0.05)。总体上, 秸秆还田以后, 无论是壤土还是黏土, 全年产量都有增加甚至显著增加。

2.2 秸秆还田对稻季土壤溶液DOC含量的影响

2.2.1 稻季土壤溶液DOC浓度总体变化趋势

前后两年的观测显示(图2), 从开始淹水到烤田结束, 壤土和黏土稻季土壤溶液DOC含量总体上都有一个降—升—降的动态变化规律。但是烤田后的DOC浓度变化趋势, 前后两年差别很大: 2013年, 两种土壤在烤田结束之后, DOC浓度短期内显著升高, 然后维持较高浓度直至水稻扬花期结束, 之后才开始迅速降低; 2014年, 两种土壤的DOC浓度在烤田结束之后继续保持较低浓度(仅为2013年同期的41.6%)直至稻季结束, 这可能跟2014年烤田后采用间歇淹水有关。

2.2.2 不同秸秆还田处理DOC浓度比较

由图2可知, 稻季前期(烤田之前), S1、S2处理的DOC浓度均大于S0处理, 其中S2处理高于S1处理。为了便于比较此期间不同处理间DOC含量差异, 每年选择3个代表性时间节点进行统计分析: 淹水后第2 d、第12 d、第39 d, 分别对应于DOC动态曲线在此期间的3个极值。

2013年淹水后第2 d(图3a), 壤土中S0、S1、S2处理DOC浓度分别为157.3 mg∙L−1、228.3 mg∙L−1、293.2 mg∙L−1, S1处理比S0处理显著增加45.1%(<0.05), S2处理比S1处理显著增加28.4%(<0.05)。黏土中, 淹水后第2 d S0、S1和S2处理DOC浓度分别为47.5 mg∙L−1、84.4 mg∙L−1和106.3 mg∙L−1, S1处理比S0处理显著增加77.8%(<0.05), S2处理比S1处理显著增加25.9%(<0.05)。

2013年淹水后第12 d(图3b), 壤土S0、S1、S2处理DOC浓度分别为7.3 mg∙L−1、17.0 mg∙L−1、26.8 mg∙L−1, S1处理比S0处理显著增加133.2%(<0.05), S2处理比S1处理显著增加57.4%(<0.05); 黏土S0、S1、S2处理DOC浓度分别为6.9 mg∙L−1、13.3 mg∙L−1、19.3 mg∙L−1, S1处理比对照S0显著增加93.1%(<0.05), S2处理比S1处理显著增加44.4%(<0.05)。

图2 2013年和2014年不同土壤类型上稻季土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度动态变化

L: 壤土; C: 黏土; S0: 无秸秆还田(对照); S1: 半量秸秆还田; S2: 全量秸秆还田。横坐标轴下方颜色表示水分管理状态: 黑色表示淹水, 灰色表示烤田, 黑白相间表示间歇淹水。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different colors below the-axis represent different water management practices: the black, gray, black & white represent continuous flooding, soil drying, and intermittent flooding, respectively.

2013年淹水后第39 d(图3c), 壤土S0、S1、S2处理DOC浓度分别为156.9 mg∙L−1、171.5 mg∙L−1、184.6 mg∙L−1, S1处理比S0处理增加9.3%, S2处理比S1处理增加7.6%, 均达显著水平(<0.05); 黏土中, 各处理DOC浓度分别为143.6 mg∙L−1(S0)、165.7 mg∙L−1(S1)和171.2 mg∙L−1(S2), S1处理比S0处理显著增加15.4%(<0.05), S2处理比S1处理增加3.3%, 但二者无显著差异。

2014年, 淹水后第2 d、12 d、39 d不同秸秆还田处理间土壤溶液DOC浓度变化规律(图3a、b、c)与2013年相似, 不同之处是在淹水后第39 d: 无论是壤土还是黏土, 处理S1与S0之间均差异不显著, 处理S2比S1、S0显著增加(<0.05)。

但是在烤田结束后的一段时间里(约30 d), 不同年份的DOC浓度受秸秆还田的影响有所不同(图2): 其中2013年秸秆还田处理的DOC浓度显著大于不还田处理(<0.05), S2和S1之间无显著差异; 2014年3个处理之间差异均不显著。在此之后, 不同还田处理间的DOC浓度差异不显著。

2.2.3 不同土壤类型秸秆还田处理DOC浓度比较

从图2中两种类型土壤秸秆还田处理DOC浓度动态变化看出, 稻季前期(烤田之前), 壤土多大于黏土, 稻季后期(扬花期之后), 壤土小于黏土。选择每年稻季淹水后第一次采样(淹水后2 d)与最后一次采样(2013年淹水后第117 d; 2014年淹水后第123 d)的DOC浓度比较两种土壤的差异, 结果如图4所示。稻季第一次采样(图4a), 各秸秆处理的壤土DOC浓度均显著大于黏土(<0.05): 2013年壤土的S0、S1、S2处理分别为黏土的3.3倍、2.7倍和2.8倍, 2014年壤土的S0、S1、S2处理分别为黏土的2.3倍、2.7倍和2.3倍。稻季最后一次采样(图4b), 壤土的DOC浓度均显著小于黏土(<0.05): 2013年壤土各处理的DOC浓度变化范围64.8~69.8 mg∙L−1, 黏土处理变化范围90.4~94.2 mg∙L−1, 黏土是壤土的1.3~1.4倍; 2014年壤土处理的DOC浓度变化范围63.4~72.5 mg∙L−1, 黏土处理变化范围81.3~87.0 mg∙L−1, 黏土是壤土的1.2~1.3倍。

图3 2013年和2014年不同土壤类型上秸秆还田对稻季土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度的影响(a: 淹水后第2d; b: 淹水后第12 d; c: 淹水后第39 d)

L: 壤土; C: 黏土; S0: 无秸秆还田(对照); S1: 半量秸秆还田; S2: 全量秸秆还田。相同年份及土壤类型中不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year and same soil type mean significant differences among treatments (< 0.05).

3 讨论

3.1 秸秆还田对稻麦产量的影响

关于秸秆还田的增产机理, 一般认为有以下几个方面: 首先, 秸秆还田提高了土壤肥力[3]。大量研究报道表明, 秸秆还田能显著提高土壤有机质, 改善有机质品质, 提高土壤养分含量, 而且后效十分明显[24-25]。Surekha等[26]报道, 秸秆还田或焚烧均能显著提高土壤有效钾与有机碳含量, 而土壤总氮仅秸秆还田处理增加。Nie等[27]试验显示, 秸秆还田土壤的有机质和全氮含量分别比不还田增加8.9%与14.8%, 土壤微生物碳、氮分别比不还田增加12.7%和15.1%。其次, 秸秆还田能改善土壤物理性质, 比如降低土壤容重[4], 减小根系阻力[28-29], 并最终促进根系生长[5-6]。本试验中, 秸秆还田下两种土壤上的水稻均表现出显著增产效应, 其中全量还田处理的水稻增产效果为6.5%~11.9%, 与前人研究结果相近[30-31]。小麦在壤土上表现增产(第1年显著, 第2年不显著), 在黏土上两年均表现出显著减产。原因可能与黏土的性质有关, 黏土保水性好, 透气性差, 秸秆腐解慢, 释放养分少。另外, 与壤土相比, 黏土由于透气性差, 秸秆还田后局部厌氧腐解, 恶化土壤氧化还原条件, 产生大量还原性物质[7-8], 毒害根系, 最终影响小麦产量。与麦季相比, 稻季淹水条件下土壤透气性更差, 但无论是壤土还是黏土, 秸秆还田处理的水稻均显示增产效应, 可能是因为水稻根系有通气组织向根际分泌O2, 从而减轻了秸秆腐解缺O2的危害。

3.2 秸秆还田对稻季土壤溶液DOC浓度的影响及其与水稻产量的关系

前人土壤淹水培养试验表明[19,32], 淹水后秸秆还田处理土壤溶液DOC浓度往往很高, 随后迅速降低。这与本试验秸秆还田处理在淹水后第1—12 d的DOC浓度变化规律类似。此阶段DOC浓度很高的可能原因, 一是秸秆加入土壤以后, 易分解成分(蛋白质、可溶性糖等)首先腐解, 迅速释放大量单糖、氨基酸、氨基糖等小分子物质, 导致土壤DOC含量迅速升高。二是秸秆还田初期显著促进了土壤有机质转化生成DOC[32-34], 通常称为激发效应(priming effect)。Ye等[34]土壤培养试验显示, 秸秆还田量占土壤质量2%的处理中, 还田后第10 d, 转化自土壤有机质的DOC生成量是不还田处理的2倍。然后, 由于这些DOC组分生物降解性高, 加之水分、温度条件适宜, 微生物大量繁殖, 大大提高脲酶、蔗糖酶的活性, 导致DOC很快被大量消耗掉[35], 于是出现了迅速降低的现象。与前人室内培养试验结果不同的是, 本试验不还田处理在此阶段也表现出与秸秆还田处理相似的现象, 应该与上季作物根系与残茬没有清除干净有关。

图4 2013年和2014年不同秸秆还田处理下土壤类型对稻季土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度的影响[a: 稻季第一次采样, 淹水后第2 d; b: 稻季最后一次采样, 淹水后第117d(2013年)、123 d (2014年)]

L: 壤土; C: 黏土; S0: 无秸秆还田(对照); S1: 半量秸秆还田; S2: 全量秸秆还田。相同年份及秸秆还田处理中不同小写字母表示土壤间差异显著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year mean significant differences among treatments in different soil types (< 0.05).

本试验表明, 自DOC浓度降低至低谷之后到烤田开始前, 秸秆还田处理的DOC浓度有显著增长, 其中全量还田处理高于半量还田处理3%~161%(多数时候显著)。可见秸秆还田在此阶段对土壤溶液DOC浓度仍然有显著贡献。首先, 随着秸秆易分解成分的消耗殆尽, 此前DOC浓度迅速降低阶段中大量生成的微生物开始进入稳定或衰亡期, 次级代谢产物积累或微生物死亡分解释放出大量活性有机碳, 导致土壤溶液DOC浓度增加[35]; 其次, 因为秸秆开始进入缓慢腐解期, 纤维素和木质素等成分的降解产物增加了土壤溶液DOC浓度[36]。不施秸秆处理在此阶段也表现出DOC浓度显著增加的趋势, 此现象与前人研究结果相似[31,37], 除了受前茬作物根茬残留的影响外, 应该还在一定程度上受到了根系分泌物的影响, 根系分泌物也是稻田DOC的重要来源[38-40], 而此阶段水稻根系正处于快速生长期[41-42]。

目前, 以稻田DOC含量变化为切入点研究秸秆还田影响水稻产量的研究不多。与前人研究结果类似[31], 本试验中秸秆还田对稻田DOC浓度的影响主要发生在烤田之前。所以如果秸秆还田可以通过影响DOC浓度来影响产量, 那么其作用时间当主要发生在烤田之前, 即通过影响烤田之前的水稻营养生长来影响烤田之后的水稻生殖生长。至于秸秆还田下DOC浓度如何影响烤田之前的水稻营养生长, 有研究认为秸秆腐解前期产生大量有机酸类物质[43-44],从而抑制水稻的前期生长(营养生长)。但是这种对营养生长的抑制作用不一定造成产量的降低, 适当的抑制作用, 可以避免水稻前期的营养生长过旺, 从而可能有利于水稻后期的生殖生长, 并最终起到增产作用。但是, 水稻产量的影响因素及机理十分复杂, 秸秆还田下DOC浓度增加当只是其中一个因素, 至于其重要性, 有待进一步研究。

3.3 秸秆还田下稻田土壤DOC径流风险的应对措施建议

稻田DOC含量与水体富养化关系密切[13], DOC是农田土壤中氮、磷等元素向水体中移动的重要载体, 并以此为主要移动途径; 水体中藻类繁殖必需的许多营养元素来自于水体微生物的转化, 而DOC作为碳源促进了微生物的生长代谢。秸秆还田因为显著促进稻田DOC的产生, 无疑加剧了水体富营养化风险。本试验表明, 秸秆还田对稻季DOC浓度的影响随着时间的推移逐渐减小, 烤田之后作用逐渐消失。因此在稻季前期, 秸秆还田后要加强稻田DOC径流风险的防控。

本试验稻季前期, 壤土DOC浓度显著大于黏土, 因此相对于黏土, 壤土秸秆还田后应更加重视稻田径流的风险。壤土DOC浓度较大, 主要是因为壤土黏粒含量低, 对DOC的吸附能力弱, 则进入土壤溶液的DOC增多[45-46]。此外, 本试验中的壤土pH大于黏土, 在高pH条件下DOC更不容易被吸附[47]。但是在稻季后期, 黏土中各处理的DOC浓度大于壤土, 原因可能与本试验中黏土有机质含量高于壤土有关: 稻季后期秸秆腐解基本结束, 根系活力大幅衰退导致根系分泌物显著减少, 土壤有机质分解成为DOC的主要来源。

针对秸秆还田下稻季前期的DOC径流风险过大, 可以考虑半量秸秆还田甚至不还田, 从而通过降低DOC浓度的方法降低稻田DOC的径流风险。另外, 稻田淹水状况对土壤溶液DOC浓度亦有显著影响。本研究2013年水稻生长中期(烤田结束—扬花期)持续淹水, 而2014年在此期间间歇淹水, 结果是2013年该期间的DOC浓度显著大于2014年。李忠佩等[48]土壤培养试验显示, 4周以后的土壤DOC浓度变化曲线趋于稳定, 其中持续淹水处理显著高于间歇淹水处理。许轲等[31]水稻微区试验也表明, 分蘖末期以后开始间歇淹水, DOC浓度迅速降低。稻季持续淹水, 有利于土壤有机碳的溶出和团聚体的分散, 导致DOC浓度的增加[48]; 而在间歇淹水下, 土壤通气条件好, 微生物大量增殖, 代谢活性高, 土壤DOC的矿化速率高于淹水条件。在不影响产量的前提下, 寻找合适的间歇淹水模式或许也是降低稻田DOC径流风险的可行办法。

4 结论

稻麦轮作下秸秆还田显著增加水稻产量; 但对小麦产量的效果因土壤类型而不同, 壤土中秸秆还田后小麦增产或不受影响, 黏土中秸秆还田后小麦减产。总体上, 秸秆还田对黏土的水稻增产有利, 对壤土的稻麦增产都有利。

稻季土壤溶液DOC浓度受多种因素影响, 秸秆还田显著增加稻季前期(烤田之前)的DOC浓度, 间歇淹水可以迅速降低DOC浓度; 稻季前期的DOC浓度, 壤土显著高于黏土, 而稻季后期壤土低于黏土。从环境安全方面考虑, 秸秆还田下需加强稻季前期水分管理, 实行间歇灌溉, 减轻淹水对稻田DOC浓度的影响, 避免径流发生污染水体。

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Effects of straw incorporation on crop yield and dissolved organic carbon concentration at rice growing season in rice-wheat rotation cropping system*

ZHENG Jicheng1,2, ZHANG Gang1, WANG Dejian1**, WANG Can1, CAO Zhiqiang1,2, WANG Jun3

(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Environmental and Chemical Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404632, China)

In recent years, straw incorporation as an important way of straw utilization and culture fertility has been applied widely to achieve sustainable development of agriculture. However, straw incorporation also creates some novel problems. One of the most important of these is a large amount of crop straw returned to the field affecting the growth of rice and wheat at seeding stage. Even though lots studies reported that straw incorporation increased crop yield, there were also many reports that had a negative effect on crop yield. Another problem is that straw decomposition in rice field can produce lots of dissolved organic carbon (DOC), which has a close relationship with water eutrophication. Many studies reported the effect of straw incorporation on DOC concentration of paddy field at harvest time or on the dynamic of DOC concentration in soil incubation experiment. But little is known about effect of straw incorporation on the dynamic of DOC in rice growing season with different rate of straw returned and soil types. A two-year pot experiment was conducted to investigate the effects of straw incorporation on the yield of wheat & rice and DOC concentration in soil solution in rice growing season in two types of soil, loamy soil (L) and clay soil (C). According to the level of straw incorporated into soil, each soil type consisted of three treatments: 1) 0% straw returned from previous crop to soil (S0); 2) 50% straw returned from previous crop to soil (S1); 3) 100% straw returned from previous crop to soil (S2). Compared with no straw treatment, straw incorporation significant increased rice yield in most of treatments in both soil types (1.6%-11.9%), and the yield increases of S2 treatment were higher than those of S1 treatment (no significant in first year but yes in second year). However, straw incorporation had different effects on wheat yield for two soils: in loamy soil, wheat yield increased in straw incorporation treatments in both years but only significantly in first year (7.2%-10.6%), and there was no significant difference between S1 and S2 treatments; in clay soil, wheat yield decreased significantly in straw incorporation treatments in both years (5.0%-9.3%), and the yield decrease of S2 treatment were higher than that of S1 treatment (no significant in first year but yes in second year). As to the DOC concentration in soil solution in rice growing season, compared with treatment of no straw returned, DOC concentration of S2 and S1 treatments significantly increased by 141.7% and 61.9%, respectively, and DOC of loamy soil was 89.6% higher than that of clay soil on average in the early rice growing stage, but all straw treatments and soils would decrease quickly once intermittent flooding. In conclusion, straw incorporation had a positive effect on rice yield for both loamy and clay soil, but a negative effect on wheat yield for clay soil, and also increased DOC concentration significantly. The intermittent flooding could rapidly reduce the concentration of DOC in paddy soil.

Straw incorporation; Rice-wheat rotation; Yield; Dissolved organic carbon (DOC); Soil type; Intermittent flooding

, E-mail: djwang@issas.ac.cn

Jul. 26, 2018;

Sep. 11, 2018

S141.4; S311

A

2096-6237(2019)03-0431-10

10.13930/j.cnki.cjea.180698

郑继成, 张刚, 王德建, 王灿, 曹志强, 汪军. 稻麦轮作下秸秆还田对稻麦产量和稻田可溶性有机碳含量的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(3): 431-440

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* 国家重点研发计划项目(2017YFD0800105)和江苏省农业科技自主创新资金重点项目[CX(15)1002]资助

王德建, 主要研究方向为农田生态系统养分循环及其环境效应。E-mail: djwang@issas.ac.cn

郑继成, 主要研究方向为农田碳氮养分循环及其环境效应。E-mail: jczheng@issas.ac.cn

2018-07-26

2018-09-11

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0800105) and the Agricultural Science and Technology Innovation Foundation of Jiangsu Province [CX(15)1002].