石灰对红壤稻田油菜秸秆腐解、养分释放及早稻产量的短期效应

吕伟生 肖富良 韩德鹏 郑伟 肖国滨 李亚贞 黄天宝 肖小军

（江西省红壤研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，南昌330046；第一作者：1162499181@qq.com；*通讯作者：xiao850908@163.com）

红壤是我国南方分布最广的土壤类型之一，基本涵盖了长江流域冬油菜-水稻轮作区（该区域油菜和水稻产业的发展在我国粮油生产中居重要地位）[1]。由于其发育和形成过程复杂而特殊，红壤一般具有酸、黏、板、瘦的特点，而传统的多熟制模式化肥用量较高、作物带走的盐基离子较多，进一步加剧了红壤稻田酸化，使作物增产乏力[2-4]。近年来，随着农业机械化的快速发展和禁烧秸秆政策的实行，秸秆全量还田已成为趋势。长期秸秆还田能够显著改善土壤肥力、提高水稻产量[5]；但由于秸秆C/N 较高，直接还田后在短期内会引起微生物对土壤氮素的固定，不利于水稻前期生长，在短期内秸秆还田对水稻的增产效果并不明显[6-8]。冬闲条件下晚稻秸秆的腐解矿化充分，秸秆还田并不会导致第二年早稻分蘖期的氮素固定，反而有利于早生快发[6，8]。而冬种油菜条件下，油菜秸秆还田到早稻栽插间隔短，加上气温逐渐升高，秸秆还田后早稻前期分蘖往往受到抑制[9]。相比冬闲模式，稻油轮作秸秆还田量大，充分利用冬油菜秸秆的培肥节肥效应对缓解集约化种植导致的不利影响具有重要意义。

增施石灰可提高土壤pH 值与钙盐含量，降低土壤铝毒和温室气体排放，是改良土壤酸度和提高作物产量的传统而有效的措施[6，10-12]。合理施用石灰还能够增强土壤缓冲能力，促进作物根系生长及对土壤养分的吸收利用，同时还能够提高土壤微生物数量和活性，促进有机物料的矿化[13]。单纯施用石灰虽能有效缓解土壤酸化胁迫，但在培肥酸性土壤方面作用有限[14]；而秸秆还田培肥效应显著，却不能从根本上改良土壤酸化[15-16]。而且，以往的研究侧重分析石灰或秸秆还田的单独效应，往往忽略了二者的协同作用[6，14]。已有研究表明，水稻秸秆还田配施石灰可协同实现水稻增产、土壤酸化改良和地力提升[8，17]。笔者认为，在酸性红壤稻田，冬种油菜且秸秆还田时配施石灰可在发挥各自优势的同时相互弥补不足，协同促进下季早稻生长。据此，我们在典型的酸性红壤双季稻田开展了油菜秸秆还田并配施石灰的小区试验，旨在明确石灰对油菜秸秆腐解特征及早稻产量的短期效应，为南方“油-稻-稻”三熟制模式增产、红壤酸化改良与同步培肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验于2018 年在江西省红壤研究所进贤试验基地（东经 116°20′24″、北纬 28°15′30″）进行。该区域属典型的亚热带季风湿润气候，气候温和，雨量充沛。试验地前茬是早熟冬油菜阳光131，土壤母质为第四纪红粘土，为亚热带典型红壤分布区。试验前耕层0~20 cm土壤pH 5.22，有机质20.4 g/kg、总氮 1.5 g/kg、碱解氮98.9 mg/kg、有效磷 18.6 mg/kg、速效钾 108.7 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用石灰×秸秆还田两因素随机区组试验设计，共4 个处理，每个处理3 次重复，小区规格6 m×8 m。处理分别为：CK，秸秆不还田+不施石灰；L，秸秆不还田+施石灰；S，秸秆全量还田+不施石灰；LS，秸秆全量还田+施石灰。前茬油菜于4 月28 日机械收获，秸秆粉碎原位还田。其中，菜籽产量和秸秆还田量分别为1 800 kg/hm2和 5 000 kg/hm2，秸秆氮、磷、钾含量分别为0.53%、0.92%和1.68%。石灰（CaCO3为材料）在耕地前按1 500 kg/hm2的用量均匀施入相应小区。试验氮肥（N）用量 150 kg/hm2，按基肥∶蘖肥∶穗肥为 6∶2∶2 施用；磷肥（P2O5）用量 75 kg/hm2，一次性基施；钾肥（K2O）用量90 kg/hm2，分基肥和穗肥等量施用。早稻品种为籼型常规稻中嘉早17，于4 月2 日播种，5 月1 日移栽，7 月17 日成熟测产。采用塑盘泥浆育秧和人工模拟机插，栽插规格25 cm×14 cm，每丛5 株基本苗。其他田间管理按一般高产栽培技术规程进行。

1.3 指标测定

1.3.1 油菜秸秆腐解率和养分释放率

采用尼龙网袋法（长30 cm，宽20 cm，孔径1 mm）测定油菜秸秆腐解率和养分释放率[18]。S 和LS 处理用尼龙网袋装长约5 cm 的油菜秸秆30 g，移栽当天将网袋埋入水稻行间5～10 cm 土层。分别于还田后的3、7、14、28、42、56、70 d 取样，样品经洗净并烘干后，采用失重法计算秸秆腐解率，同时测定秸秆中全氮、全磷及全钾含量，计算其养分释放率。

1.3.2 茎蘖动态

移栽当天每个小区定苗30 丛，每3 d 调查1 次分蘖数量，直至无效分蘖消亡和有效分蘖成穗。

1.3.3 产量及产量构成

早稻成熟期，在每小区按平均茎蘖法随机取6 丛（小区边行不取）考种，调查每穗总粒数、结实率、千粒重等产量构成因子。另外，每个小区采取人工单独收获籽粒（共200 丛，小区边行除外），晾干后称重测产。

1.3.4 地上部干物质积累量

结合产量构成因子调查，将样本按茎秆、叶子、穗子分开，之后于105℃条件下杀青30 min，再于75℃条件下烘干至恒质量，冷却至室温后称重。

1.3.5 养分吸收量

地上部烘干并称重之后，用万能粉碎机将植株各部位粉碎，过0.25 mm 筛，经 H2SO4-H2O2联合消煮，用凯氏定氮仪FOSS 2300 测定含氮率，用钼锑抗比色法测定全磷含量，用火焰光度计测定全钾含量。最后，根据各部位干物质量和养分含量计算地上部养分吸收总量。

1.4 统计分析

用Microsoft Excel 2010 软件进行数据分析与制图，用DPS 7.05 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 油菜秸秆腐解率和养分释放率

从图1 可见，施用石灰显著促进了油菜秸秆还田后前中期的腐解和氮素释放，而对磷和钾元素的释放无显著影响。LS 处理在油菜秸秆还田后14、28 和42 d，秸秆的腐解率分别达40.13%、45.46%和49.22%，相比S 处理显著提高了15.25%、10.27%和7.33%；秸秆氮素释放率分别达42.51%、48.64%和51.03%，相比S 处理显著提高了14.44%、10.42%和8.49%。在油菜秸秆还田后期，秸秆的腐解率和氮素释放率依然表现为LS 处理高于S 处理，但二者无显著差异。总体来看，油菜秸秆氮素释放与秸秆腐解的趋势基本一致，释放速率显著低于钾和磷。

2.2 产量及产量构成

从表1 可见，施用石灰和油菜秸秆还田分别极显著和显著提高了早稻产量，并且二者具有显著的互作效应。相比CK，LS 处理使早稻增产11.53%，L 处理使早稻增产4.83%。在产量构成上，施用石灰和油菜秸秆还田对早稻有效穗数和总颖花数均有显著的互作效应，因此二者协同促进了早稻增产。

2.3 分蘖成穗特性

由表2 可知，施用石灰显著提高了早稻分蘖增长率、高峰苗数和成穗率，对分蘖下降率无显著影响；油菜秸秆还田对各项分蘖成穗特性指标均无显著影响，但与配施石灰对分蘖增长率和高峰苗数存在显著的互作效应。与S 处理相比，LS 处理使早稻分蘖增长率、高峰苗数和成穗率分别提高6.85%、4.77%和4.71%。

表2 不同处理对早稻分蘖成穗的影响

2.4 干物质生产

从图2 可见，与产量结果相似，施用石灰和油菜秸秆还田分别极显著和显著提高了早稻地上部干物质积累量，且二者具有显著的互作效应。在秸秆还田时配施石灰使地上部干物质积累量提高11.63%，而在秸秆不还田时增幅为6.36%。相比CK，LS 处理地上部干物质积累量显著提高14.05%。

2.5 养分吸收

表3 显示，施石灰处理显著提高了早稻地上部氮素吸收，但对磷素和钾素吸收无显著性影响。秸秆还田处理极显著提高氮素和钾素吸收，同时也显著提高了磷素吸收。从互作效应来看，二者仅对氮素吸收具有显著协同促进作用。各处理氮素吸收量为LS>L>S>CK，与CK 相比，其他处理氮素吸收的增幅为4.49%~17.38%。

表3 不同处理对早稻地上部养分吸收的影响（单位：kg·hm-2）

3 讨论

众多研究表明，在冬闲条件下秸秆还田能够显著提高翌年早稻产量，但短期内对晚稻无显著增产效果[8，19-20]。原因主要为，双季稻系统近半年的冬闲期有利于晚稻秸秆的腐解矿化，晚稻秸秆还田并不会导致早稻前期氮素固定和分蘖抑制[6，21]；而早稻秸秆还田离晚稻移栽间隔时间短，加上气温较高，大量高C/N 秸秆的迅速腐解导致微生物对土壤氮素的固定，从而抑制晚稻分蘖期的生长[7，20]。然而，与前人结果不同，本研究中不施石灰时油菜秸秆还田对早稻并无显著增产效应。主要是因为，在冬种油菜条件下，油菜秸秆还田到早稻栽插间隔时间更短，加上气温逐步升高，全量高C/N 的油菜秸秆快速腐解同样造成微生物对土壤氮的固定，从而表现出减蘖降穗效应[9]。虽然油菜秸秆还田有降低早稻有效穗数的趋势，但其归还了大量养分，前期固定的氮素随后也被逐渐释放，促进了中后期群体生长[6，22]。此外，稻田肥力的差异以及水稻品种的特征差异也可能是导致秸秆还田对水稻产量效应不尽一致的原因[8]。有研究表明，秸秆还田在低肥力条件下对土壤肥力的提升效果更明显，更有利于提高水稻产量[23]。

本研究表明，在酸性红壤稻田施用石灰能够显著促进早稻高产的形成，并且与油菜秸秆还田存在显著的协同促进效应。这与廖萍等[8]关于双季稻系统的研究结果基本一致，但与其晚稻季的规律更为相似。廖萍等[8]研究表明，施石灰和稻草还田对早稻产量表现出的正向互作效应主要是因为二者协同促进了地上部的氮素吸收，二者对各产量构成因子均无显著的互作效应；而对晚稻的正向互作效应主要是因为施用石灰与秸秆还田对有效穗数及氮素吸收均存在显著的协同促进作用。如前所述，这主要与油菜秸秆和早稻秸秆直接还田到下茬水稻移栽的间隔时间较短而秸秆腐解不充分等因素有关。那么，为什么秸秆还田并配施石灰能显著促进水稻对氮素的吸收？主要是因为，施石灰显著提高了土壤pH 值，能够中和秸秆腐解时产生的有机酸及高浓度碳酸，减少土壤中的还原性物质[17]；同时，提高土壤C、N 代谢相关酶活性，显著促进了油菜秸秆前中期的腐解和氮素释放，从而缓解秸秆直接还田对土壤碱解氮的固定，进而促进水稻早生快发和对氮素的吸收[6，13]。本研究中，在油菜秸秆还田条件下，施用石灰使早稻产量及氮素吸收分别提高了11.53%和17.38%。这与廖萍等[8]关于双季稻系统的研究中的早稻季增幅相近，但却远低于晚稻季的增幅。笔者推测主要原因有：（1）本试验的石灰施用量更低，还未充分发挥石灰的作用[10]；（2）油菜秸秆比水稻秸秆更容易腐解[24]，且油菜季后期脱落的叶片已将大量的养分归还至土壤[22]；（3）早稻季前期温度更低，油菜秸秆腐解相对更为温和[5]。

本研究还发现，无论是否施用石灰，油菜秸秆氮素释放与秸秆腐解的趋势基本一致，但释放速率显著低于钾和磷。究其原因，主要是秸秆中钾素含量较高且主要以离子形态存在，能在短时间内充分释放；约60%的磷素为无机态磷，另一部分则以难分解的有机磷存在；而氮主要都是以难腐解的结构性氮素形式存在，需先经微生物矿化成无机氮才能逐步缓慢释放[24]。也正因为如此，油菜秸秆磷钾元素特别是钾的释放受石灰的影响不显著。在实际生产上，油菜秸秆还田量约4.5 t/hm2，若氮、磷、钾含量分别按0.5%、0.1%和1.5%计算，可估算出油菜秸秆还田所归还的氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）分别为 22.5、10.3 和 81.3 kg/hm2。由油菜秸秆养分释放规律可知，氮磷钾的释放集中在还田淹水后的30 d 内（其中，磷钾的释放集中在15 d 内），期间秸秆氮、磷、钾累积释放率按40%、50%和90%计算，所释放的氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）分别为 9.0、5.2 和 73.4 kg/hm2。而早稻氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）推荐施用量分别为150、75 和90 kg/hm2，可见油菜秸秆氮、磷的释放量还不到推荐用量的10%，而释放的钾约占推荐用量的80%。因此，油菜秸秆还田后应合理调整肥水管理：（1）减少基肥钾的施用量，实行前钾后移，以提高水稻对钾素利用率[24]；（2）减少穗肥氮的施用量，实行后氮前移，同时基施充足的磷肥，以缓解秸秆腐解前期微生物与水稻争夺氮磷养分造成的不利影响[9，24]；（3）实行节水灌溉，水层自然落干晒田，以减少农田养分流失和面源污染[18]。

已有研究发现，随着试验周期的延长，石灰改良的酸化土壤又会出现返酸现象，导致其改良土壤酸化并促进有机物料矿化的效果不断下降[8]。此外，冬种油菜且秸秆还田虽能显著增加养分归还量，但对下茬水稻产量和土壤肥力的影响还受秸秆养分有效性及轮作周期等诸多因素的影响[25]。然而，本研究仅关注了油菜秸秆还田配施石灰对红壤稻田早稻产量形成及秸秆自身腐解与养分释放的短期效应，其持续效应及石灰的适宜施用量和频率还有待于进一步探究。

4 结论

在本试验条件下，施用石灰和油菜秸秆还田可协同促进早稻增产，主要是因为：石灰促进了油菜秸秆腐解和氮素释放；二者协同促进了早稻分蘖成穗、地上部养分吸收及干物质积累量，并同步提高有效穗数和每穗粒数。因此，在酸性红壤稻田，油菜秸秆还田并配施石灰短期内有利于秸秆腐解、氮素释放和水稻增产，但其长期效应还有待于观测。