稻秆还田方式对油菜产量及养分效率的影响

李银水,余常兵,戴志刚,顾炽明,秦 璐,沈欣杰,胡小加,谢立华,廖 星

(1.中国农业科学院 油料作物研究所,农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室,湖北 武汉 430062;2.湖北省耕地质量与肥料工作总站,湖北 武汉 430070)

我国秸秆资源丰富,年均产量约为8.2亿t,但秸秆利用科技手段滞后,造成大部分地区农作物秸秆被随意堆放或就地焚烧,但这一做法会带来环境污染,国家也出台相关规定禁止露天焚烧秸秆[1]。因此,研究寻找秸秆的合理利用途径,变废为宝,成为政府关心和农业科研人员面临的主要生产问题之一。秸秆还田是一种能够实现秸秆综合利用、促进农田生态系统良性循环的利用方式。已有研究表明,长期秸秆还田能显著改善0～5 cm土层的土壤物理性状,即降低土壤容重,增加孔隙度、非水稳性和水稳性团聚体的数量[2]。秸秆还田在改善土壤物理结构,提高土壤肥力的同时能有效提高土壤对氮素的吸持,提高氮肥偏生产力[3]。秸秆还田主要有翻压还田和覆盖还田2种,但是受气候以及土壤环境影响,相同耕作模式下的秸秆适宜还田方式仍有差异,如小麦-油菜复种,小麦收割后的3种(立茬免耕、粉碎翻耕、焚烧)秸秆还田方式,尹辉等[4]认为,立茬免耕复种油菜,具有环保、相对较高水分利用效率和经济效益,尤其有利于环境保护和旱地农作;而黄鹏等[5]、杨育川等[6]则认为,以留茬20～25 cm收割,旋耕粉碎还田后复种油菜为最佳,能综合经济效益和生态效益。

水稻-油菜轮作是长江流域油菜主产区最普遍的种植模式,近年来水稻机械化收获程度不断提高,为稻草粉碎覆盖免耕直播油菜还田技术的进一步推广提供了有利条件[7]。有关该种植模式下,不同秸秆还田方式对作物产量影响研究较多,现有研究表明秸秆还田提高作物产量,起主要作用的产量构成因素是小麦[8]、水稻[9]有效穗数的增加,油菜千粒质量[10]以及单株角果数和每角粒数的增加[8],并保障收获密度促进油菜增产[11]。但从养分利用角度探究秸秆还田方式对油菜产量形成差异研究相对较少。为此,本研究拟通过盆栽试验精确控制稻秆还田量和还田方式,探讨不同稻秆还田方式对油菜生长发育、养分利用效率及产量的影响,以期明确该模式下的适宜稻秆还田方式,为区域秸秆资源高效利用提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验概况

试验于2017-2018年进行(北纬30°31″,东经114°20″),亚热带季风性湿润气候,年平均气温15.8～17.5 ℃,年均降水量1 205 mm,年日照总时数1 810～2 100 h,活动积温5 000～5 300 ℃,年无霜期240 d。2个盆栽供试土壤分别采自武汉阳逻和湖北麻城,均为发育于河流冲积母质的水稻土,采集水稻-油菜轮作农田水稻季结束后的0～20 cm耕层土,土样风干后过2 mm筛备用。土壤理化性状:麻城土pH值5.5,有机质17.1 g/kg,碱解氮54.1 mg/kg,有效磷7.2 mg/kg,速效钾68.1 mg/kg;阳逻土pH值8.2,有机质17.8 g/kg,碱解氮49.9 mg/kg,有效磷7.7 mg/kg,速效钾129.3 mg/kg。油菜品种为中双11号,由中国农业科学院油料作物研究所育种团队提供。

1.2 试验设计

对2个供试土壤,分别设4个处理:①CK(稻秆不还田),②焚烧(稻秆焚烧成灰烬后与土壤混匀还田),③翻压(稻秆粉碎后与土壤混匀还田),④覆盖(稻秆粉碎后覆盖还田)。试验用盆钵为米氏钵(直径20 cm,高30 cm),每盆装土6.5 kg,N-P2O5-K2O用量0.2-0.1-0.2 g/kg土,即每盆施用尿素2.71 g、磷酸二氢钾1.25 g和氯化钾1.45 g;微量元素为阿农营养液,按1 mL/kg土添加,全部作基肥一次性施入。秸秆用量为21 g/盆,即按3.2 g/kg风干土添加,约相当于大田4.85 t/hm2用量(生产中水稻秸秆9.70 t/hm2产量的半量还田)。肥料与风干土混匀放置7 d后,按要求进行稻秆还田。焚烧处理稻秆每盆在各自盆里灼烧,烧完后将灰烬与盆中土壤混匀;翻压及覆盖处理稻秆粉碎程度同普通大田(大约长2 cm左右),用剪刀各自剪碎。稻秆N、P2O5、K2O含量为6.3,1.1,8.5 mg/kg。每处理10盆,2种土壤各装40盆,总计80盆,完全随机排列。

2017年10月5日播种油菜,每盆播6粒,11月18日定苗,每盆留长势中等均匀一致3株幼苗。盆钵每2 d 用称量法加水到播种时的初始质量,每次加水后调换盆钵位置以减小环境因子的影响。油菜生育期内及时防治病虫害。2018年4月29日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集 分别于油菜苗期(2018年1月16日)、花期(3月27日)和成熟期(4月29日)破坏性取样,每次各取3盆,分根、茎秆、叶、花、果壳和籽粒等部位装袋,105 ℃下杀青30 min,80 ℃烘干称质量统计生物量,磨细过0.5 mm 筛用于养分含量测定。油菜成熟收获时,各取1盆油菜拷种,考查株高、有效分枝数、单株角果数、每角粒数和千粒质量。

1.3.2 测定方法 采用浓H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮仪(KDY-9820)测全氮,电感耦合等离子发射光谱仪(Optima-7000)测全磷,火焰光度计(M410)测全钾。

1.3.3 计算方法 干物质积累量(Dry matter accumulation,g/盆)=油菜各器官干物质质量之和;

氮磷钾总积累量(Nitrogen, phosphorus and potassium accumulation,g/盆)=油菜各器官氮磷钾含量(%)×各器官干物质质量(g/盆)/100之和;

氮磷钾吸收效率(Nitrogen, phosphorus and potassium uptake efficiency,g/g)=油菜各器官氮磷钾积累量(g/盆)/氮磷钾肥用量(g/盆);

氮磷钾生理利用效率(Nitrogen，phosphorus and potassium utilization,g/g)=油菜各器官干物质质量(g/盆)/该器官氮磷钾积累量(g/盆);

氮磷钾收获指数(Nitrogen,phosphorus,potassium harvest index,%)=籽粒氮磷钾积累量(g/盆)/油菜氮磷钾总积累量(g/盆)×100。

1.4 数据处理

试验数据在Excel 2010中整理作图,采用SPSS 19.0 统计软件的Duncan′s multiple-range test方法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同稻秆还田方式对油菜干物质积累及产量构成的影响

图1结果显示,油菜干物质积累随生育期的推移不断增加,稻秆还田能在一定程度上提高油菜干物质积累量。成熟期是油菜干物质积累最高时期,3种不同还田方式以覆盖最好,2种供试土壤的表现基本一致。相比CK,覆盖处理,油菜干物质积累量在苗期、花期和成熟期,麻城土分别提高14.7%,16.6%，25.6%,阳逻土分别提高19.0%,20.3%，7.9%,2种土壤平均分别提高16.9%,18.5%，16.8%,与CK差异均显著。相比其他2种(焚烧和翻压)处理，覆盖处理油菜苗期、花期和成熟期干物质累积量，麻城土平均提高8.7%，6.7%，12.5%，阳逻土平均提高14.3%，20.0%，15.7%。焚烧处理对油菜生长发育的影响因土而异，相比CK，油菜花期和成熟期干物质积累量，麻城土提高9.2%，11.2%，阳逻土下降0.7%，6.6%。

表1结果显示,油菜分枝数因稻秆还田方式的不同有升有降，但稻秆还田能在一定程度上提高油菜的株高、角果数和籽粒产量,3种不同还田方式以覆盖最好,该处理的籽粒产量显著高于其他3个处理。相比CK,覆盖处理的籽粒产量，麻城土提高16.9%、阳逻土提高10.8%(平均提高13.9%)；相比其他2种(焚烧和翻压)处理，籽粒产量麻城土平均提高10.2%，阳逻土平均提高10.0%。秸秆还田对油菜籽粒产量的提高,主要通过增加单株有效角果数来实现(相比CK,角果数麻城土增加8.8%,阳逻土增加4.6%)。

表1 不同稻秆还田方式对油菜主要农艺性状及籽粒产量的影响Tab.1 Effects of different straw-returning methods on main agronomic characters and seed yield of rapeseed

2.2 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾积累的影响

图2-A、B结果显示,氮积累量显著受生育期和稻秆还田方式双重影响。整体表现趋势是随生育期的发展呈先升后降变化,3种稻秆还田方式以覆盖影响最为显著。花期是油菜氮积累最大时期,覆盖处理的氮积累量分别达1.001(麻城土),0.723 g/盆(阳逻土),分别比CK提高21.0%，13.8%。成熟期氮总积累量有所下降,但覆盖处理分别比CK提高15.0%(麻城土)，10.7%(阳逻土),籽粒氮累积量分别提高15.1%，10.0%。

磷积累变化趋势与氮基本一致,也是花期为最大积累时期,同时受稻秆还田方式和盆栽土壤类型影响(图2-C、D)。麻城土无论是苗期、花期还是成熟期,稻秆还田均能提高油菜磷总积累量(花期焚烧、翻压和覆盖处理分别比CK提高22.9%,21.3%，26.0%,成熟期覆盖处理籽粒磷积累量提高17.4%)。阳逻土除覆盖处理能显著提高油菜磷总积累量外(苗期、花期和成熟期分别提高24.8%,11.2%和24.4%),其余2个处理效果不显著。

钾积累变化趋势在2种土壤上的表现略有不同,麻城土表现为先升后降,花期仍为最大积累时期,焚烧、翻压和覆盖处理的积累量分别达1.918,1.991，2.099 g/盆,分别比CK提高15.6%,20.0%，26.5%;成熟期积累量有所下降,但覆盖处理的总积累量仍有1.925 g/盆,比CK提高28.3%。阳逻土整体表现为持续增加(翻压处理成熟期略有下降除外)，但不同稻秆还田处理表现不一，覆盖处理均有促进作用(苗期、花期和成熟期分别提高27.7%，13.5%，6.6%)，翻压处理苗期、花期有促进作用，成熟期反而低于CK；焚烧处理则花期和成熟期均低于CK(图2-E、F)。

2.3 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾吸收利用效率的影响

2.3.1 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾吸收效率的影响 图3-A、B结果显示,油菜氮吸收效率的整体表现是随生育期的发展呈先升后降变化,花期是氮吸收效率最高时期。稻秆还田能在一定程度上提高油菜氮吸收效率,3种还田方式仍以覆盖最好,相比CK,苗期、花期和成熟期覆盖处理的氮吸收效率,麻城土分别提高17.6%,21.0%，15.0%,阳逻土分别提高20.0%,13.8%，10.7%,2种土壤平均提高18.8%,17.4%，12.9%,差异均显著。各器官的氮吸收效率(图4-A、B),在2种土壤上的表现基本一致,即苗期叶>根,花期花>根>茎>叶,成熟期籽粒>茎>根>壳;其中，成熟期油菜茎秆的氮吸收效率，覆盖处理麻城土显著高于其他3个处理，阳逻土则显著高于焚烧和翻压处理，但与对照差异不显著。

磷吸收效率变化趋势与氮基本一致,也是花期为最大吸收效率期,相比CK,覆盖处理的磷吸收效率苗期、花期和成熟期,麻城土分别提高19.8%,26.0%，18.9%,阳逻土分别提高24.8%,11.2%，24.4%,2种土壤平均提高22.3%,18.6%，21.7%,差异均显著(图3-C、D)。各器官的磷吸收效率(图4-C、D)在2种土壤上的表现基本一致,苗期叶>根,花期茎>花>根>叶,成熟期麻城土籽粒>茎>根>壳,阳逻土籽粒>茎>壳>根;成熟期,无论是麻城土还是阳逻土,油菜茎的磷素吸收效率,覆盖处理均显著高于其他3个处理。钾吸收效率麻城土花期为最大吸收时期,阳逻土则成熟期为最大吸收时期,相比CK,苗期、花期和成熟期的钾吸收效率,覆盖处理麻城土分别提高17.9%,26.5%，28.3%,阳逻土分别提高27.7%,13.5%，6.6%,2种土壤平均提高22.8%,20.0%，17.5%,差异均显著(图3-E、F)。各器官的钾吸收效率(图4-E、F)在2种土壤上的表现基本一致,苗期叶>根,花期茎>根>花>叶,成熟期茎>壳>根>籽粒;与氮素吸收效率相一致,成熟期覆盖处理的钾吸收效率，麻城土是茎秆显著高于其他3个处理，阳逻土则是籽粒显著高于其他3个处理。

2.3.2 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾生理利用效率的影响 图5结果显示,油菜氮磷钾生理利用效率在整个生育期内持续增加,成熟期是生理利用效率最高时期,油菜对3种养分的利用效率整体表现为磷>氮>钾。各器官对3种养分的生理利用效率在2种土壤上的表现基本一致。氮生理利用效率(图5-A，B),苗期根略高于叶,花期茎>根>叶>花,成熟期根=茎>壳>籽粒;磷生理利用效率(图5-C，D),苗期根>叶,花期根>茎>叶>花,成熟期根>茎>壳>籽粒;钾生理利用效率(图5-E，F),同样为苗期根>叶,花期根>茎>花>叶,成熟期籽粒>根>茎>壳。4种不同处理下,根系在整个生育期内均保持较高的氮磷钾生理利用效率。

2.3.3 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾收获指数的影响 表2结果显示,油菜氮磷钾收获指数受稻秆还田方式和土壤类型影响。氮收获指数在2种土壤的表现均以焚烧处理最高,分别比CK显著提高3.64(麻城土)，4.64(阳逻土)百分点。磷收获指数除阳逻土的焚烧处理略有增加外(比CK提高2.11百分点，但差异不显著),其他处理反而有下降趋势。钾收获指数在2种土壤的表现刚好相反,焚烧、翻压和覆盖处理,相比CK,麻城土分别下降0.80,0.96,1.12百分点,其中覆盖处理下降显著,阳逻土分别增加0.33,0.34,0.19百分点,但差异均不显著。稻秆还田虽然能增加油菜对钾的总累积量,但由于钾素主要分配于油菜茎秆、角壳等非经济部位,油菜氮磷钾收获指数氮>磷>钾。

表2 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾收获指数的影响Tab.2 Effects of different straw-returning methods on nitrogen,phosphorus and potassium harvest index of rapeseed %

3 讨论与结论

3.1 不同稻秆还田方式的产量效应

秸秆还田可以逐步增加土壤有机碳和有机质含量[12],改善土壤理化性状[13],提高作物产量[14-16]。本研究结果表明,稻秆还田能在一定程度上提高油菜生物量和籽粒产量,但不同还田方式间存在明显差别,3种还田方式以覆盖效果最好,除苗期麻城土的翻压处理外,覆盖处理各生育期的干物质积累量及籽粒产量均显著高于其他处理。秸秆翻压或焚烧处理,在2种供试土壤上的表现略有不同。分析其原因可能有以下几点:一是,稻秆覆盖还田增产的原因是有利于保温保墒,有效减缓冬油菜干旱和低温伤害[11],提高油菜越冬率[13],从而为全生育期内油菜生物量的增加以及籽粒产量的形成提供保障,本研究结果与前人研究基本一致。二是,稻秆翻压还田虽然能增加土壤有机碳和速效养分含量,但也有生物量增加不显著及降低的报道,降低的原因可能与秸秆还田导致土壤碳、氮比例失衡有关[17],本研究2种供试土壤的碱解氮(麻城土54.1 mg/kg,阳逻土49.9 mg/kg)含量均为较低水平,因此，在同一氮肥用量下,稻秆翻压可能加剧了油菜与微生物间的竞争关系而影响生物量及籽粒产量的发挥(阳逻土较为明显)。三是,本研究条件下,焚烧处理的油菜生物量,麻城土略有促进，阳逻土反而有下降的表现,其原因可能与油菜本为喜酸性土壤植物,焚烧处理相当于碱性土(阳逻土pH值8.2)增施碱性肥料(焚烧产物为草木灰,生产上主要作钾肥施用[18])而影响油菜生长发育,且土壤钾含量(阳逻土速效钾129.3 mg/kg)中等偏上施钾效果不明显有关,具体原因有待进一步明确。

3.2 不同稻秆还田方式对油菜氮磷钾利用效率的影响

作物养分效率包括养分吸收效率和养分利用效率,在低养分投入下,籽粒产量取决于养分吸收效率,反之养分利用效率起主导作用[19]。提高基于总消耗养分的各种生理效率,既需要从减少养分的损失入手,又需要提高作物吸收的养分在作物体内的利用效率来实现[20]。秸秆覆盖还田能显著提高油菜[21]、水稻[22]、小麦[23]、玉米[24]的氮肥农学利用效率,原因是秸秆还田通过自身的氮素分解固氮与增加外源氮的固定量,从而提高氮肥利用效率[25],也可能与秸秆还田对土壤水库的扩蓄增容作用,在提高作物水分利用效率的同时使养分利用效率相应提高[24]。然而也有研究认为,如果基础土壤钾素含量较高,秸秆还田对水稻和冬油菜的钾肥吸收效率没有显著影响,但均使2种作物的钾素利用效率显著降低,可能原因是秸秆还田条件下当前推荐钾肥用量偏高[26]。本研究结果表明,稻秆还田能提高油菜全生育期氮磷钾积累量,覆盖还田能显著提高油菜氮磷钾吸收效率,但氮磷钾生理利用效率因器官的不同而有差异,养分收获指数也因处理和元素的不同而有增加、持平或下降的不同表现。但是尽管如此,相比CK,除麻城土翻压处理苗期和花期的氮磷钾吸收效率与覆盖处理差异不显著外,覆盖处理各生育期的氮磷钾吸收效率均显著高于其他处理。前人研究已表明,秸秆还田可以提高油菜氮磷钾积累量和农学利用效率,但养分收获指数均降低,原因是油菜吸收的养分更多用于营养体建成,为籽粒形成奠定基础[11]。相比水稻、小麦等作物,油菜的收获指数相对偏低,营养生长需要枝繁叶茂才能为生殖生长的籽粒形成提供基础。

3.3 水稻-油菜轮作下稻秆覆盖还田的适宜性评价

秸秆还田需要经过一系列的生物化学反应,才能释放自身的养分并被作物吸收利用,水稻-油菜轮作模式下,土壤有机质和全氮质量分数较为稳定,短时间内对土壤管理措施变化反应不敏感,秸秆还田作为改善土壤肥力的措施需要长期坚持[27]。冬油菜季水稻秸秆还田,生产上更应该关注秸秆还田在增强作物对逆境(低温或干旱)的抵抗作用,缓解气温骤变对冬油菜生长的负面影响等正效应的发挥[28]。综合本试验产量结果,稻秆覆盖还田在2种土壤上均表现出较好的增产优势,相比其他2种稻秆还田(焚烧与翻压处理),油菜苗期、花期和成熟期干物质累积量,麻城土平均提高8.7%，6.7%，12.5%,阳逻土平均提高14.3%，20.0%，15.7%;成熟期籽粒产量,麻城土平均提高10.2%,阳逻土平均提高10.0%;这种优势同样表现在油菜对氮磷钾的吸收积累上。生产中利用农业机械,在水稻收获时将稻草粉碎就地抛洒,均匀覆盖田间,然后免耕直播油菜是一项较为适宜的稻秆综合利用技术。

以上结论对于指导湖北省油-稻轮作种植中的秸秆资源充分利用有一定的积极意义,但由于盆栽土壤粉碎后秸秆覆盖与大田实际生产中免耕秸秆覆盖还田,在土壤环境上存在较大的差异,今后有必要延伸和完善本盆栽试验,以及大田试验等,对秸秆粉碎覆盖还田这种方式的应用作进一步探索,以便更好地促进秸秆还田技术的改进和完善。