不同土壤背景下秸秆全量还田对水稻产量及稻米品质的影响

解文孝 李建国 刘军 吕军 梁传斌 史鸿儒 李蒙杉

（1 辽宁省水稻研究所，沈阳 110101；2 辽宁省农业发展服务中心，沈阳 110034；3 辽宁职业学院，辽宁铁岭 112000；第一作者：252802294@qq.com）

随着我国农业科技水平的快速提升，粮食总产量屡创新高。据不完全统计，我国秸秆总产量居世界首位，每年约产出7亿t秸秆，占世界秸秆总量的30%[1]。然而由于机械化的普及和农村人口城镇化等原因，秸秆渐渐失去了原有的价值，被废弃或者焚烧的秸秆量占总秸秆量的60%以上[2]，这种现象在我国北方更为严重。秸秆的焚烧不仅造成资源浪费，而且燃烧的浓烟也加剧了雾霾的形成，严重危害人们的身体健康和交通安全。秸秆还田以其能改善土壤理化性质、增加土壤养分含量、提升氮肥利用率等优点，逐渐被人们认可，也成为地方政府大力宣导提升地力的有效方式。水稻秸秆中富含有机质和氮、磷、钾、钙、镁和硫等多种养分，是一种多用途的可再生资源。每667 m2还田秸秆500 kg，相当于施用土杂肥2 500 kg、碳铵11.7 kg、过磷酸钙6.2 kg、硫酸钾4.75 kg，一年后土壤有机质相对提高0.05%～0.23%[2]。前人对一些农作物秸秆还田后腐解规律、有机质的分解过程、秸秆还田对改良土壤结构和真菌群落结构以及作物增产机理进行了较多的研究[3-6]。

由于北方冬季长温度偏低，秸秆还田技术的推广和普及程度明显落后于南方，少量的研究报道也都基于单一土壤背景下，而有关北方不同土壤背景下的秸秆腐解规律及其对水稻生长、农艺性状、产量结构和品质影响的研究尚未见报道。本文针对辽宁主栽稻区的3种土壤类型为背景，研究讨论了水稻秸秆还田对水稻生育进程、农艺性状、产量及品质的影响，以期为我国北方稻区因地制宜合理施用秸秆提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2019年在辽宁省水稻研究所试验基地（123°38′E，41°8′N）进行。基地属于温带半湿润大陆性气候，四季分明，降雨充沛，主要集中在6—9月，年平均气温6.2℃～9.7℃，全年平均降水量600～800 mm，全年无霜期172～180 d，有效积温3 100℃。

1.1 供试材料与土样采集

供试品种为辽粳2501，由辽宁省水稻研究所选育并提供。辽宁稻区土壤类型主要分为辽宁南部滨海盐碱土、辽宁中部棕壤黏土和辽宁西部丘陵砂壤土，本试验土壤采集于能代表3种土壤类型的地区，分别是辽宁南部营口市水源镇、辽宁中部沈阳市苏家屯区和辽宁西部阜新市彰武县大冷乡，试验前将土样风干并捡去其中较大颗粒、作物根系等残留杂质。3类供试土壤的初始性状详见表1。供试秸秆均来自辽宁省水稻研究所试验田上茬水稻，试验前将收集到的秸秆经人工剪成约2 cm长度，混合均匀，风干，密封储存备用。

1.2 试验设计

试验共设6个处理：M1，砂壤土（无秸秆）；M1+S，砂壤土+秸秆还田；M2，盐碱土（无秸秆）；M2+S，盐碱土+秸秆还田；M3，棕壤黏土（无秸秆）；M3+S，棕壤黏土+秸秆还田。水稻秸秆还田量44.7 g/盆（按照谷草比比1∶1，全量还田9 000 kg/hm2折算）。每个处理12盆，成熟期按平均有效穗数取3盆测定产量及穗部性状，为避免边行效应带来的试验误差，每处理盆栽间距10 cm，最外侧2个处理设保护行，并在测定时剔除首尾2盆（边行效应）。每个处理的施肥量为尿素1.98 g、磷酸二铵0.8 g、硫酸钾0.6 g，即按照当地本田常规施肥量尿素375 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2、硫酸钾112.5 kg/hm2折算。氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥为5∶3∶2的比例施用。磷肥、钾肥和秸秆在移栽前以基肥形式一次性施入。栽培盆为普通塑料桶（上口内径30 cm，底直径22 cm，高25 cm），每桶装风干土6.5 kg，呈三角形分布种植3株。

表1 不同类型土壤理化性质

表2 不同处理对水稻产量和产量构成的影响

图1 秸秆还田对不同土壤下水稻生育进程的影响

1.3 取样测定及方法

土壤基本性质测定：有机质采用重铬酸钾氧化-浓硫酸外加热法测定[7]；全氮测定采用半微量凯氏法[8]；碱解氮采用碱解扩散；有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法。在水稻完熟期每处理按平均穗数取6盆用于考种，考查穗粒数、结实率和千粒重，计算每盆产量。风干稻谷置于室温下3个月后进行加工，用于测定稻米品质。糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率和垩白度按照GB/T17891-1999方法测定，蛋白质含量、直链淀粉含量、胶稠度和食味值用日本佐竹公司SATAKE食味仪测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 16.0软件进行数据的处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤背景下秸秆还田对水稻生育进程的影响

由图1可以看出，秸秆还田延长了缓苗期、有效分蘖期和孕穗期，而缩短了无效分蘖期和成熟期，其中以缓苗期和有效分蘖期受到的影响最为显著且土壤间差异较大，这可能与土壤间不同微生态环境的秸秆腐解规律不同有关。秸秆还田对生育进程的影响在土壤间表现为棕壤黏土>盐碱土>砂壤土，与秸秆不还田处理相比生育期分别延长11 d、8 d和3 d。

2.2 不同土壤背景下秸秆还田对水稻穗部性状及产量构成因素的影响

由表2可知，不同土壤背景下秸秆还田对水稻的株型及产量结构均产生显著影响，在株高上表现为棕壤黏土>砂壤土>盐碱土,在棕壤黏土和砂壤土条件下秸秆还田降低了水稻株高，但在盐碱土条件下却使株高增加，但均未达显著水平。有效穗数表现为棕壤黏土>砂壤土>盐碱土，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田在棕壤黏土条件下增加了有效穗数，但在砂壤土和盐碱土条件下降低了有效穗数；秸秆还田在不同土壤间均能增加颖花数，表现为棕壤黏土>砂壤土>盐碱土，增加的幅度在2.85%～14.20%之间；秸秆还田能显著增加二次枝梗数，其中棕壤黏土的增幅最大，但同时也增加了二次枝梗的瘪粒率；秸秆还田均降低了千粒重，对棕壤黏土的影响最显著。秸秆还田对土壤间产量影响表现为棕壤黏土＞砂壤土＞盐碱土，与秸秆不还田处理相比，在棕壤黏土背景下能增产4.50%，但在砂壤土和盐碱土背景下分别减产2.20%和3.84%。

表3 不同处理对稻米加工及外观品质的影响（单位：%）

表4 不同处理对蒸煮食味品质的影响

2.3 不同土壤背景下秸秆还田对稻米加工品质及外观品质的影响

由表3可知，土壤理化性质差异对稻米的加工品质和外观品质均会产生影响，无秸秆还田土壤的稻米糙米率表现为盐碱土＞棕壤黏土＞砂壤土，整精米率表现为棕壤黏土＞盐碱土＞砂壤土。秸秆全量还田提高了砂壤土稻米的糙米率，降低或显著降低了盐碱土和棕壤黏土稻米的糙米率、整精米率。秸秆还田显著降低了砂壤土和盐碱土稻米的垩白粒率和垩白度，但显著增加了棕壤黏土稻米的垩白粒率和垩白度，这可能是秸秆还田使棕壤黏土水稻生育期的延迟最为明显，稻谷未能达到安全成熟所致。

2.4 不同土壤背景下秸秆还田对稻米营养食味品质的影响

由表4可知，秸秆不还田条件下，土壤间稻米蛋白质含量表现为棕壤黏土＞盐碱土＞砂壤土；直链淀粉含量表现为棕壤黏土＞砂壤土＞盐碱土，且棕壤黏土与盐碱土间差异达到显著水平；胶稠度表现为盐碱土＞砂壤土＞棕壤黏土，且土壤间差异均达到显著水平；食味值表现为砂壤土＞盐碱土＞棕壤黏土，砂壤土和盐碱土的差异未达到显著水平，但两者均显著大于棕壤黏土。秸秆还田均提高了不同土壤稻米的蛋白质含量，增幅为19.38%～23.53%，但降低了直链淀粉含量，降幅为0.43%～0.49%。秸秆还田能显著增加稻米的胶稠度和食味值，提升幅度分别为0.92%～3.21%和4.03%～6.10%。可见，秸秆还田可以改善不同土壤下稻米的营养品质和食味值。

3 讨论与结论

3.1 不同土壤背景下秸秆还田对辽粳2501产量的影响

关于秸秆还田对下茬水稻产量的影响，前人进行了大量研究，但结果不尽一致。ZHAO等[4-5，9]认为，秸秆还田能提高水稻产量4.00%～8.00%。孙扬等[10]认为，盐渍化水田秸秆还田量30%～50%能提高水稻产量4.00%～9.40%。邬石根等[11-12]认为，秸秆还田第1年未对水稻产量产生显著影响。本试验结果表明，在辽宁省中晚熟稻区棕壤黏土背景下，秸秆全量还田处理使辽粳2501产量增加4.45%，而在砂壤土和盐碱土背景下其产量降低2.20%～3.84%，这可能与不同土壤中微生物对秸秆降解能力有关。砂壤土有机质含量低、土壤团粒结构差、微生物总群数量低，当秸秆还田量增大时，秸秆腐解与大量微生物的繁殖消耗了土壤中大量氮素，同时消耗了水中的氧气以及释放出大量硫化氢气体，会直接影响水稻特别是根系的生长及植株前期的氮素累积，植株对氮的吸收以及茎叶籽粒之间的运移能力下降，最终导致产量下降。而盐碱土对氮肥的吸附能力强，虽然总养分含量多，但难以被作物吸收，土壤长期处于还原条件，使得土壤品质差，好气型微生物活性受到抑制，有机质分解缓慢，当秸秆还田量增大时，秸秆腐解不仅与水稻争氮、争氧，且产生还原性物质并释放大量氨气，加剧土壤环境恶化造成水稻僵苗、烂根等问题，因此严重抑制了植株前期的营养生长及干物质积累。虽然秸秆后期的养分释放对水稻二次枝梗粒数形成有促进作用，但仍无法抵消有效穗数不足的负向影响。棕壤黏土背景下秸秆还田虽然也存在争氮现象，但通过延长有效分蘖时期，避过争氮敏感期后有效分蘖数快速增加，因此未对有效穗数产生显著影响。

3.2 不同土壤背景下秸秆还田对辽粳2501加工品质及营养品质的影响

徐国伟等[13-16]研究认为，土壤生态因子也影响稻米的品质。免耕和秸秆还田可提高土壤有机质、全氮和速效磷钾的含量[17]。有研究表明，翻耕移栽条件下秸秆还田提高了稻米整精米率，垩白粒率、垩白度略有降低，可能与秸秆还田改善了土壤理化性状，提高了肥料利用率，延长了后期上部3叶功能期有关，这样光合和输导系统在灌浆结实期功能较强，垩白较少[18]。徐国伟等[13，17]研究认为，秸秆还田后释放出的养分对颖花发育起促进作用，因此能有效降低稻米的垩白粒率和垩白度。本试验也表明，在盐碱土和砂壤土背景下秸秆全量还田能显著改善稻米的外观品质，但在棕壤黏土背景下增加了稻米的垩白粒率和垩白度，主要原因可能是秸秆还田延迟其生育期，大量水稻弱势粒未能达到安全成熟。盐碱土背景下秸秆全量还田显著降低了精米率、整精米率，而在砂壤土和棕壤黏土背景下未产生显著影响。分析原因可能是由于秸秆腐解过程加剧了土壤盐碱胁迫，导致了整精米率下降。

关于秸秆全量还田对稻米食味品质的影响，结论不一。陈梦云等[19]认为，秸秆还田能降低直链淀粉含量，显著提高稻米食味值，而对胶稠度影响不显著。刘世平[17]认为，连续多年秸秆还田，可以使稻米直链淀粉含量提高，胶稠度变硬，尤其是翻耕移栽田，其稻米食味品质有变劣趋势。本研究发现，不同土壤背景下秸秆全量还田均能显著提升稻米的胶稠度和米饭食味值，提升幅度分别为0.94%～2.24%和4.04%～6.09%，而对蛋白质含量和直链淀粉含量的影响不显著。

根据上述分析，笔者建议，砂壤土背景下秸秆全量还田的施氮原则为少量多餐，弥补土壤有机质偏低、秸秆腐解缓慢导致的长期争氮现象，同时氮肥配施比例前移；盐碱土背景下秸秆还田应适当增加基本苗数，并通过氮肥前移来抵消水稻群体量不足以及分蘖期秸秆腐解高峰期的争氮现象；棕壤黏土背景下秸秆还田对生育期的延迟影响较为明显，生产上应选择比当地生育期早熟7～10 d的品种更为适宜。本试验采用盆栽方式从秸秆全量还田角度来分析对产量及品质的影响，与大田生态环境有一定差距，不能完全代表大田生产。关于不同土壤背景下秸秆合理还田比例和栽培技术方式与稻米产量和品质的关系还有待进一步论证。