稻草还田对土壤养分及水稻生物量和产量的影响

王 忍，黄 璜，伍 佳，吕广动，隆斌庆，吴 涛，谷 婕

（湖南农业大学农学院，长沙 410128）

我国秸秆资源丰富，其中稻草资源占比最大［1］，年产近1.5亿吨，仅有15%用于还田。稻草还田作为最便捷的利用方式，不仅能代替部分化肥以节省农业生产成本，且肥效显著优于单施化肥。水稻秸秆C/N较高，一般为60～80∶1［2］。稻草腐解前期，由于秸秆中氮源不足，导致微生物从土壤中利用氮源，形成与水稻争氮现象，使土壤前期速效氮含量减少，微生物分解过程还会产生二氧化碳、有机酸等物质，使土壤pH值降低［3］，毒害水稻根系。大部分研究显示，稻草还田抑制水稻前期特别是苗期生长［4，5］，促进水稻中后期生长，对移栽水稻而言，秸秆还田主要表现为减慢水稻返青［6］，降低水稻株高。随着还田秸秆腐解后的养分释放，显著增加土壤碱解氮含量［7］，促进水稻中后期的营养生长和生殖生长，主要通过增加水稻有效穗数而提高水稻生物量和产量。稻草还田能有效提高水稻植株对养分的吸收和积累，研究显示，稻草还田能增加水稻抽穗期、成熟期植株各器官中氮、磷、钾的含量［8］。稻草含有大量有机质和丰富的氮、磷、钾等营养元素［9］，还田腐解过程中向田间土壤释放养分，提高土壤有机质含量［10］，从而改善土壤结构，减少地表径流，使土壤水肥保持能力增强。稻草还田是增加农田土壤有机碳的重要途径之一，可以提高养分循环利用效率，是农田生态系统中物质循环和再利用的良好形式，在农业生产中已广泛应用。本研究拟通过稻草还田与不还田的对比试验，以期明确稻草还田对水稻生长的影响机制，以及对土壤养分和水稻产量的影响效果，为稻草还田的推广提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2017年晚季在湖南省浏阳市北盛镇乌龙社区炉堂组（113°25′26″E，28°17′13.8″N）进行。当地属亚热带季风湿润气候，年平均气温16～18℃，≥10℃有效积温5000～5500℃，无霜期260～320 d，年降水量1200～1500 mm，土壤类型为第四纪红色黏土发育的红黄泥。前茬作物为水稻。土壤基础理化性质：有机质33.51 g/kg，全氮1.52 g/kg，全磷0.94 g/kg，全钾12.68 g/kg，碱解氮130.12 mg/kg，有效磷30.78 mg/kg，速效钾134.71 mg/kg。

1.2 试验设计

水稻品种为杂交稻H优518，还田秸秆为本田全量稻草（约7500 kg/hm2），还田方式为机收粉碎还田。设置“稻草还田”（HR）和“稻草不还田”（BR）2个处理，3次重复，小区面积200 m2，共6个小区。

选择土壤肥力适中的连片平整稻田，早稻种植前将田块分成6块200 m2的小区，田埂用厚塑料膜覆盖，两侧埋入土中30 cm，以防串水串肥。早稻按当地习惯种植中早39，统一肥水管理，早稻收割时进行稻草处理。HR处理的小区机收，稻草粉碎于田中；BR处理的小区人工收割，脱粒后稻草移出田外。收获后灌水浸泡3 d，施基肥，机器打田平田，施肥7 d后插秧，株行距20 cm×23 cm。施肥方法：基肥施用氮肥总量的50%、钾肥总量的50%和全部磷肥；在分蘖期追施氮肥总量的40%、钾肥总量的40%；孕穗期追施氮肥总量的10%、钾肥总量的10%。3种化肥的施用总量分别为：氮肥纯N 为150.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O为1∶0.5∶0.8。2017年7月18日稻草还田，7月21日整田，7月28日插秧，秧龄28 d，10月22日成熟收获。

1.3 测定内容

分蘖。水稻移栽返青开始，每个小区标记连续8蔸植株，每10 d调查并记录分蘖数1次，到齐穗期为止。

叶龄。水稻移栽返青开始，每个小区定点标记10蔸植株，每10 d调查并记录主茎叶片数，到齐穗期为止。

植株生物量。于分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期，每个小区随机挖取植株5蔸。用水洗净泥土，分根、茎、叶、穗，用信封袋装好。105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称重，粉碎，封装用于测定植株养分。植株全氮、磷采用浓硫酸消煮—流动分析仪法；植株全钾采用浓硫酸消煮—火焰光度法

产量。于水稻收获前1 d，每个小区采取有代表性的植株5蔸，进行考种，计算理论产量。在水稻收获当天，每个小区随机割取3个1 m2的样方，脱粒后晒干，风选并对每个样方的稻谷称重，计算实际产量。

土壤理化性质。在试验处理前、水稻孕穗期、灌浆期、成熟期，每个小区采用5点取样法，采取0～20 cm耕层土壤样品，风干后磨碎，过筛分装备用。土壤有效磷采用钼锑抗比色法；土壤速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度法；土壤碱解氮采用碱解扩散法。

1.4 统计分析

数据统计与处理采用Excel2010，数据分析采用SPSS19，采用Excel 2010进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 稻草还田对水稻生育特性的影响

由图1可知，两个处理都在8月28日达到分蘖盛期；从移栽水稻返青开始到水稻分蘖盛期，HR的水稻分蘖数都低于BR处理，但无显著差异。HR的水稻分蘖数于分蘖盛期后开始高于BR，齐穗期HR的水稻分蘖数为23.2，显著高于BR的20.0，增幅达16%。由图2可知，从8月3日移栽水稻返青开始到8月28日，HR的水稻主茎叶片数都低于BR处理，但无显著差异。HR的水稻主茎叶片数于9月8日开始高于BR，孕穗期HR的水稻平均叶片数为5.4，略高于BR的5.1，无显著差异。由图3可知，两个处理的水稻SPAD值变化都为从分蘖期上升到分蘖盛期，下降到孕穗期，再上升到齐穗期。孕穗期前HR的SPAD值较BR的低，孕穗期后HR与BR的SPAD值一致，在水稻齐穗期均达到40。

图1 水稻分蘖动态Fig.1 Effects of rice straw returning on the tillers of rice

图2 水稻主茎叶龄动态Fig.2 Effects of rice straw returning on the leaf age of rice main stem

图3 水稻SPAD值动态Fig.3 Effects of rice straw returning on the SPAD value of rice

2.2 稻草还田对水稻生物量的影响

由图4～8可知，两个处理的水稻根、茎、叶、穗干重及根冠比变化趋势一致。由图4可知，水稻根干重表现为先上升后下降，从8月3日水稻返青开始到9月18日水稻孕穗期，HR的根干重都低于BR，但无显著差异。从9月28日水稻抽穗期开始，HR的根干重显著高于BR，在10月8日水稻灌浆期，HR的单株根干重为11.1 g，较BR的9.3 g重1.8 g。水稻生长后期，HR的根干重较BR的平均高出19.35%～38.10%。由图5可知，水稻茎干重表现为先上升后下降再上升，从8月3日水稻返青开始到9月18日水稻孕穗期，HR的茎干重都低于BR，无显著差异，但从9月28日抽穗期开始，HR的茎干重显著高于BR。BR单株茎干重在9月18日水稻孕穗期达到最大值28.57 g，HR则在9月28日水稻抽穗期达到最大值29.88 g，最大值比BR高1.31 g，但时间比BR晚了约一个生育时期。水稻抽穗后，HR 的茎干重比BR 平均高出21.16%～24.35%。由图6可知，水稻叶干重从8月3日水稻返青开始表现为增加，到9月18日水稻孕穗期达到最大值，且抽穗前HR叶干重低于BR；从水稻抽穗期到10月18日水稻灌浆完成表现为减少，其原因是水稻灌浆期需要从叶片转运大量物质；从灌浆期到成熟期表现为增加，灌浆完成后，水稻叶片减少了物质转运，增加了干物质积累。水稻抽穗后HR叶干重显著高于BR。由图7可知，水稻穗干重从抽穗期到成熟期逐渐增加，抽穗期HR单株穗干重为12.2 g略低于BR的12.4 g，无显著差异。HR齐穗期、灌浆期、成熟期的单株穗干重分别为22.0、26.8、46.0 g，较BR的19.4、22.6、39.9 g分别高出13.4%、18.6%、15.3%，均达到显著差异。由图8可知，水稻根冠比表现为先降低后升高再降低。从8月3日水稻返青开始到8月18日水稻分蘖，HR的根冠比都低于BR，而从8月28日开始，HR的根冠比都高于BR，但均无显著差异。由表1可知，HR的抽穗期物质同化量和抽穗后物质同化贡献率均显著高于BR，增幅分别为25.45%和7.27%。稻草还田对水稻茎叶物质转运量无显著影响，但能提高茎叶物质转运率。由表2可知，HR水稻生物量在9月18日水稻抽穗前都低于BR，但无显著差异，从9月28日水稻抽穗期开始，HR的生物量显著高于BR，平均高出16.94%～18.99%，水稻成熟期HR的单株生物量为82.84 g，较BR的69.64 g，高13.2 g，高出18.95%。BR处理的营养器官生物量在9月18日水稻孕穗期达到最大值44.87 g，HR则在9月28日水稻抽穗期达到最大值51.32 g，较BR的高6.45 g，高出14.37%，与水稻茎、叶干重规律一致，较BR晚了约10 d。综合图4～8及表2分析可知，稻草还田抑制水稻前期生长，促进水稻后期生长。

图4 水稻单株根干重动态Fig.4 Effects of rice straw returning on the dry weight of rice root

图5 水稻单株茎干重动态Fig.5 Effects of rice straw returning on the dry weight of rice stem

图6 水稻单株叶干重动态Fig 6 Effects of rice straw returning on the dry weight of rice leaf

图7 水稻单株穗干重动态Fig.7 Effects of rice straw returning on the panicle weight of rice

图8 水稻根冠比动态Fig.8 Effects of rice straw returning on the root shoot ratio

2.3 稻草还田对水稻产量的影响

由表3可知，HR较BR水稻株高低4.1 cm，且差异显著。HR的有效穗、实际产量、干稻草产量均显著高于BR，其中HR 的有效穗数为480.6万/hm2，较BR的392.19万穗/hm2高出22.54%；HR的实际产量为7209.0 kg/hm2，较BR的6064.35 kg/hm2高1144.65 kg/hm2，高出18.88%；HR的干稻草产量为7848.85 kg/hm2，较BR 的6404.85 kg/hm2高1444.0 kg/hm2，高出22.55%。稻草还田对水稻每穗粒数、结实率、千粒重无显著影响。由表4可知，水稻产量和干稻草产量均与有效穗数显著正相关，与株高负相关。水稻产量与千粒重正相关，与结实率负相关，但均未达到显著水平。

表1 水稻物质转运情况Table 1 Effects of rice straw returning on material transport

表2 水稻生物量变化动态Table 2 Effects of rice straw returning on rice biomass

表3 水稻产量及产量构成因素Table 3 Effects of rice straw returning on rice yield

表4 水稻产量与产量性状的相关系数Table 4 The correlation analysis of rice yield

2.4 稻草还田对水稻植株养分含量的影响

由表5可知，稻草还田能显著提高水稻植株地上部分氮素总积累量，在水稻齐穗期、灌浆期、成熟期，HR较BR的氮素总积累量分别提高了6.63%、27.63%、18.99%，各时期增量为灌浆期＞成熟期＞齐穗期。水稻齐穗期，HR叶的氮素积累量为84.57 kg/hm2，较BR的76.66 kg/hm2高出10.32%，差异显著，而HR茎、穗的氮素积累与BR无显著差异。水稻灌浆期，HR叶、穗的氮素积累分别为52.10、71.74 kg/hm2，均显著高于BR，分别高出65.89%、20.02%，HR茎的氮素积累量较BR高出5.31%，但无显著差异。水稻成熟期，HR茎的氮素积累与BR无显著差异，但叶、穗的氮素积累量显著高于BR，其中BR穗的氮素积累量为59.60 kg/hm2，而HR穗的氮素积累量为72.80 kg/hm2，较BR 高13.2 kg/hm2，高出22.15%。从水稻齐穗期到成熟期，水稻茎、叶的氮素积累量降低，穗的氮素积累量升高，水稻穗的氮素积累量比例在灌浆期达到最大，HR为45.09%，BR为47.94%。水稻地上部分氮素总积累量在齐穗期最大，成熟期最小。由表6可知，稻草还田对齐穗期水稻植株地上部磷素总积累量无显著影响，但显著增加了灌浆期、成熟期水稻植株地上部磷素总积累量，分别增加了44.61%和28.22%。水稻齐穗期，HR叶的磷素积累量为14.62 kg/hm2，较BR的17.10 kg/hm2低14.50%，差异显著，而HR茎、穗的磷素积累与BR无显著差异。水稻灌浆期，HR茎、叶的磷素积累分别为4.66、7.39 kg/hm2，约为BR的2倍，差异显著；HR穗的磷素积累量较BR高出9.58%，但无显著差异。水稻成熟期，HR茎、叶的磷素积累与BR无显著差异，但穗的磷素积累量显著高于BR，其中BR穗的氮素积累量为2.74 kg/hm2，而HR穗的氮素积累量为7.94 kg/hm2，较BR高5.2 kg/hm2。从水稻齐穗期到成熟期，水稻茎、叶、穗的磷素积累量降低，穗的磷素积累量比例在灌浆期达到最大，HR为47.43%，BR为62.56%。水稻地上部分磷素总积累量在齐穗期最大，成熟期最小。由表7可知，稻草还田显著增加了水稻各生育时期植株地上部钾素总积累量，在齐穗期、灌浆期、成熟期，水稻植株地上部总钾素积累量分别提高了28.67%、28.10%、15.87%。水稻齐穗期，HR的茎、叶钾积累量为76.79、34.54 kg/hm2，分别较BR高出27.81%和38.66%，差异显著，但HR的穗钾积累量在齐穗期与BR无显著差异。水稻灌浆期，HR的茎、叶钾积累量为60.57、16.82 kg/hm2，分别较BR高出23.94%和62.83%，差异显著，但HR的穗钾积累量在齐穗期与BR无显著差异。水稻成熟期，HR的叶、穗钾积累量为16.32、12.84 kg/hm2，分别较BR高出30.98%和58.32%，差异显著，但HR的茎钾积累量在齐穗期与BR无显著差异。水稻茎是钾素积累的主要器官，从齐穗期到成熟期，水稻茎、叶的钾素积累量降低，但HR穗钾积累量增加。水稻地上部分钾素总积累量从齐穗期到成熟期先降低后增加。

表5 稻草还田后水稻植株各时期群体各器官氮素积累量Table 5 Effects of rice straw returning on N accumulations in different parts of rice plant

表6 稻草还田后水稻植株各时期群体各器官磷素积累量Table 6 Effects of rice straw returning on P accumulations in different parts of rice plant

表7 稻草还田后水稻植株各时期群体各器官钾素积累量Table 7 Effects of rice straw returning on K accumulations in different parts of rice plant

2.5 稻草还田对土壤速效养分的影响

由表8可知，与种植前相比，孕穗期HR的土壤速效养分都降低，收获后HR的有效磷和速效钾也降低，但碱解氮含量增加了5.42%。与BR相比，水稻收获后HR的土壤碱解氮含量为89.42 mg/kg，较BR的77.98 mg/kg提高了14.67%，达到显著差异。

表8 稻草还田后的土壤速效养分含量变化 mg/kgTable 8 Effects of rice straw returning on soil available nutrients

3 结论与讨论

3.1 稻草还田对水稻生育特性的影响

由于微生物正当分解有机物的C/N一般为25∶1，而稻草中C/N较高约为60～80∶1，在稻草还田前期，由于微生物对稻草的分解需要大量氮源，会出现微生物与水稻争氮的情况。田间稻草在腐解过程中，除释放养分外，还会产生二氧化碳、有机酸等化学物质，从而导致土壤pH值降低，对水稻根系产生毒害作用［11］，使根系发育受限，从而抑制水稻前期生长。本研究结果显示，稻草还田抑制水稻前期分蘖、叶片发育、叶片的光合作用，差异不显著，但促进水稻后期成穗，显著提高水稻有效分蘖数，稻草还田对水稻生长表现出先抑制后促进的作用。原因可能是随着稻草的腐解，所释放的养分大于微生物活动需要的养分，使土壤养分增加，更多的被水稻吸收利用，促进水稻生长。随着稻草腐解殆尽，有机酸被中和降解，土壤pH值回升，水稻根系活力提高，增强了水稻对土壤养分的吸收能力，进一步促进水稻生长。有研究表明，秸秆覆盖还田，会减少土壤水分流失，形成低温效应［12］，导致秸秆腐解变慢，出现微生物与水稻争氮及水稻病变，使水稻生育期延迟。秸秆粉碎还田能提高秸秆腐解速率［13］，从而降低秸秆还田的负面效应。本研究结果显示，水稻生长前期HR的根干重略低于BR，但水稻生长后期HR的根干重较BR的平均高出19.35%～38.10%。HR茎干重在水稻抽穗期达到最大值，时间比BR晚了约10 d，水稻抽穗后HR的茎干重比BR平均高出21.16%～24.35%。水稻抽穗后HR叶干重显著高于BR。成熟期HR穗干重为46.0 g，较BR的39.9 g高出15.3%，差异显著。HR的根冠比在水稻抽穗后超过BR，但均无显著差异。说明稻草还田抑制水稻前期发育，阻碍移栽水稻前期扎根和生根，但有利于水稻后期生长，延长水稻营养生长时间，促进水稻生殖生长，从而有效促进后期水稻根、茎、叶、穗的干物质积累，提高籽粒充实度。

3.2 稻草还田对水稻生物量和产量的影响

稻草还田，腐解释放养分，相当于增加了施肥量，从而对水稻生物量和产量都有积极影响［14］。研究表明，秸秆还田前期一定程度上使水稻分蘖起步延迟，水稻茎蘖数减少，干物质积累减慢。秸秆还田后期，养分释放增多，促进水稻生长，使干物质积累加快，从而增加水稻生物量。研究表明，秸秆还田主要通过增加单位面积有效穗数来提高水稻产量［15］，不施氮肥的情况下，秸秆还田比常规对照增产18.9%～32.0%。也有研究表明，秸秆还田会降低有效穗数，但通过增加每穗粒数和千粒重，形成大穗，从而显著提高水稻产量［16］。本研究结果显示，HR水稻生物量从水稻抽穗期开始显著高于BR，平均高出16.94%～18.99%。BR处理的营养器官生物量在水稻孕穗期达到最大值，HR则在水稻抽穗期达到最大值，较BR高出14.37%，与水稻茎、叶干重规律一致较BR晚了10 d。HR较BR水稻株高矮4.1 cm，且差异显著。HR的有效穗数、实际产量、干稻草产量均显著高于BR，其中有效穗高出22.54%，实际产量高出18.88%，干稻草产量高出22.55%。水稻产量和干稻草产量均与有效穗数显著正相关，与株高负相关。说明稻草还田能显著降低水稻株高，增加水稻生物量和有效穗数，从而增加当季水稻产量和干稻草产量。

3.3 稻草还田对水稻植株养分的影响

研究表明，秸秆还田能增加土壤有效态氮、磷含量［17］，从而促进水稻生长，增加水稻对氮素的吸收和积累，提高氮肥的农学利用率，水稻植株N、P含量在水稻生育后期较高。稻草还田处理的水稻氮素吸收总量较稻草不还田处理的提高了13.7%～20.3%。稻草覆盖还田提高了钾素吸收总量和利用率，降低了钾素亏缺，稻草还田还提高了钾的收获指数。本研究结果显示，稻草还田能显著提高各时期水稻植株的氮素总积累量及叶的氮素积累量，显著增加成熟期水稻植株的磷素总积累量及穗的磷素积累量，从而增加水稻稻谷和稻草产量。

3.4 稻草还田对土壤养分的影响

秸秆中含有大量的养分资源，我国每年所产秸秆的N、P、K总量相当于年化肥用量的三成左右。秸秆还田有助于增加土壤全量N、P、K含量和速效N、P、K含量。长期的秸秆还田有利于氮肥的稳定［18］，但单一的秸秆还田仍会使土壤全氮含量降低9.0%左右。秸秆中含有丰富的碳源，还田后有利于促进土壤矿化作用，提高土壤有机质含量，改善土壤pH值，秸秆还田还能显著提高干旱时期土壤水分含量。本研究结果显示，种植后HR的土壤碱解氮含量较BR提高了14.67%，达到显著性差异。说明稻草还田能显著提高土壤碱解氮含量，但对土壤全N、P、K含量无显著影响。