膨化秸秆还田对寒地水稻养分积累、转运、分配及产量的影响

刘丽华 李杨 秦猛 崔士泽 翟玲侠 吴印莹 宋佳聪 姚钦 郑桂萍 李红宇

摘要：【目的】分析膨化秸稈还田对寒地水稻养分积累、运转、分配及产量的影响，筛选膨化秸秆适宜的还田量，为探索水稻秸秆资源的高效利用提供理论和技术支持。【方法】采用盆栽试验，以水稻品种垦粳8号为试验材料，以秸秆不还田（秸秆用量为0）为对照（CK），设25%、50%、75%和100%（当地常规秸秆还田量7500 kg/ha）4个膨化秸秆还田量处理，分析不同处理间水稻植株氮、磷、钾的吸收、运转、分配及产量差异。【结果】不同水稻秸秆还田处理中，均以25%处理的地上部氮、磷、钾积累量最高或较高，2020和2021年成熟期地上部氮积累量分别较CK提高1.10%和10.53%；2021年磷和钾积累量较CK提高1.30%和3.04%。25%处理能促进茎叶氮、钾向籽粒运转，进而提高氮、钾的转运量、转运率和贡献率，有利于成熟期叶片、茎鞘和穗中氮、钾的积累。从产量及其构成因素来看，膨化秸秆还田通过增加水稻穗粒数和结实率，进而提高水稻产量，其中，25%处理的产量显著高于CK及其他秸秆还田处理，2020和2021年分别较CK提高5.54%和8.93%。【结论】25%膨化秸秆还田量处理能促进寒地水稻的氮、磷、钾积累及植株营养器官氮和钾向籽粒转运，且产量较高，可尝试在寒地水稻生产中推广应用。

关键词：水稻；膨化秸秆；还田量；养分；产量

中图分类号：S511                          文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2023）02-0497-09

Daqing，Heilongjiang  163319， China；3Keshan Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Qiqihar，Heilongjiang  161000， China）

Abstract：【Objective】To analyze effects of puffed straw returning on nutrient accumulation，transport，distribution and yield of rice in cold region，and to screen the appropriate returning amount of puffed straw， so as to provide theoretical and technical support for exploring efficient utilization of rice straw resources. 【Method】A pot experiment was conducted， in which rice variety Kenjing 8 was taken as the experimental material. Taking no straw returning （0 straw dosage） as control （CK）， four treatments of puffed straw returning amount （25%，50%，75% and 100%） were set （local conventional straw returning amount was 7500 kg/ha） to analyze difference in nitrogen （N）， phosphorus （P） and potassium （K） uptake， transport and distribution of rice plants and rice yield among various treatments. 【Result】In puffed straw returning treatments， the higher or the highest N， P and K accumulation amount in above-ground parts were all found in the treatment of 25%， and in 2020 and 2021， N accumulation amount in above-ground parts at maturity stage increased by 1.10% and 10.53% compared with that of CK respectively. In 2021， P and K accumulation amount increased by 1.30% and 3.04% compared with that of CK. The treatment of 25% could facilitate N and K transport from stem and leaf to grain， thereby lifting N and K transport amount， transport rate and contribution rate， which was beneficial to N and K accumulations in leaf， stem sheath and panicle at maturity stage. In terms of yieldand its components， puffed straw returning increased grains per panicle， seed setting rate of rice， thus boosting rice yield. Rice yield in the treatment of 25% was significantly higher than those in CK and other straw returning treatments in 2020 and 2021， rice yield in the treatment of 25% were 5.54% and 8.93% higher than that in CK， respectively. 【Conclusion】The treatment of 25% puffed straw returning amount facilitates N， P and K accumulation of rice in cold region， N and P transport from vegetative organs of the plant to grains， and the rice yield in the treatment is high. Therefore， it could be probably applied in rice production in cold region.

Key words： rice； puffed straw； returning amount； nutrient； yield

Foundation items： Heilongjiang Natural Science Foundation （C2018048）； Central Governments Talent Cultivation Project of Reform and Development Fund for Local Colleges and Universities （2022010006）； Doctor Start-up Foundation of Heilongjiang Bayi Agricultural University （2031011046）；Daqing Science and Technology Project for Guidance （zd-2020-42）

0 引言

【研究意義】随着水稻种植面积逐年增加，秸秆数量也相伴增长，秸秆作为农作物的主要副产品，含有大量有机质和氮、磷、钾等元素（崔月峰等，2019；成臣等，2020；尤锦伟等，2020）。秸秆还田是秸秆利用的重要途径之一，可改善土壤理化性状，提高土壤质量和养分循环利用效率，增加作物产量，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（张刚等，2021；郭策等，2022）。但东北地区秋冬季气候寒冷，地温冷凉，秸秆还田难以腐解，导致水稻移栽时易发生漂秧及病虫害侵染等问题，影响水稻正常生长（隋阳辉等，2018），生产中亟待探索秸秆易于腐解的还田方式，以提高水稻秸秆资源的利用效率。汽爆膨化技术利用高温高压蒸汽，通过瞬间释放压力破坏秸秆原有组分，使秸秆结构发生改变（李彬等，2009；任天宝等，2012），具有省时增效、减少化学试剂使用、改善秸秆生物质特性、提高腐解速率和减少病虫草害等特点，是极具发展前景的秸秆预处理技术（康鹏等，2010）。因此，研究膨化秸秆还田对寒地水稻养分的积累、运转、分配及产量的影响，筛选出膨化秸秆适宜的还田量，对进一步探索秸秆资源的高效利用具有重要意义。【前人研究进展】不同秸秆还田方式对水稻生长发育的影响存在差异，生产上秸秆还田多与耕作方式相结合，以达到更好的还田效果（孔丽丽等，2021；周正萍等，2021）。秸秆还田可增加土壤养分含量和土壤微生物总量，深松耕可改善土壤结构，促进作物根系生长、维持根系活力，实现培肥、增产和增收等多重效益（张鹤等，2020；刘剑钊等，2021；崔月贞等，2022）。汽爆膨化处理可裂解秸秆细胞壁的纤维化和木质化结构，利于微生物附着和消化酶作用（Chen et al.，2007）。王月宁等（2019）研究了秸秆粉碎还田对宁夏扬黄灌区土壤理化性质及玉米生长的影响，结果表明，秸秆粉碎还田显著促进玉米生长，其平均株高、茎粗和地上部生物量，分别较对照显著增加16.4%、17.5%和15.9%；玉米籽粒产量最高，较对照显著增加21.3%。范庭等（2020）研究表明，与剪碎秸秆处理相比，秸秆颗粒能显著提高土壤速效养分及小麦生物量和植株全量氮、磷、钾含量。秦涛（2021）研究了辣椒秸秆还田对西瓜根际土壤微环境及西瓜品质的影响，结果表明，6500 kg/ha辣椒秸秆还田可显著改善0～20 cm耕层土壤养分，提高土壤微生物数量和土壤酶活性，提高西瓜单瓜质量，改善西瓜品质风味。王娟娟等（2021）研究表明，秸秆还田并增加氮肥基施比例可增加水稻产量，并对改善水稻生长后期土壤细菌群落结构产生积极作用。【本研究切入点】提高寒地稻区秸秆腐解和利用率是东北地区水稻研究的热点话题，关于秸秆的还田方式、还田量等前人已进行大量研究（Mosier et al.，2005；Guo et al.，2013），但针对膨化秸秆还田在水稻生产中的相关研究较少，尤其针对水稻膨化秸秆与不同还田量相结合还田的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以秸秆不还田处理为对照，设4个膨化秸秆还田量处理，分析膨化秸秆还田对寒地水稻养分积累、运转、分配的影响及其与产量的关系，筛选膨化秸秆适宜的还田量，为探索水稻栽培过程中秸秆资源的多形态利用提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况

试验于2020—2021年在大庆市黑龙江八一农垦大学校内盆栽试验基地（东经125°16'、北纬46°58'）进行。试验地属温带季风气候，海拔143 m，年日照时数2726 h，平均无霜期166 d，年平均气温4.2 ℃，夏季平均气温23.2 ℃，年平均降水量427.5 mm。2020—2021年试验期间的气温和降水量情况见图1。

1. 2 试验材料

供试水稻品种为垦粳8号，主茎13片叶，株高94.3 cm左右，全生育期142 d，需≥10 ℃活动积温2650 ℃左右。

膨化秸秆来源于黑龙江稻乐农业科技有限公司。制备流程：将水稻秸秆铡成1～3 cm小段→装入膨化加料箱→螺旋输送至膨化器→摩擦生热→水汽化→膨化器内压力增大至1.0 MPa→瞬间释放喷出。

供试土壤肥力状况：2020年移栽前碱解氮134.80 mg/kg、有效磷20.81 mg/kg、速效钾72.05 mg/kg、有机质2.90%、pH 6.69；2021年移栽前碱解氮137.76 mg/kg、有效磷13.69 mg/kg、速效钾92.05 mg/kg、有机质2.79%、pH 6.90。

1. 3 试验方法

试验采取单因素随机设计，以秸秆不还田（秸秆用量为0）为对照（CK），设25%、50%、75%和100%共4个膨化秸秆还田量处理。以当地常规秸秆还田量7500 kg/ha为100%全还田量，折算25%、50%、75%处理秸秆用量分别为1875、3750和5625 kg/ha。采用盆栽试验，每处理5盆，每盆装土84 kg。盆钵规格：长80 cm×宽60 cm×高28 cm，面积0.48 m2。膨化秸秆模拟大田进行翻埋还田，用5 cm厚的盆栽土覆盖秸秆后，泡田、打浆、插秧，还田深度28 cm。2020年4月18日水稻播种，5月24日移栽，9月27日收获；2021年4月18日水稻播种，5月20日移栽，9月20日收获。每盆移栽2行，每行8穴，插秧规格为行距30 cm×穴距10 cm。氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为重过磷酸钙（P2O5 43%）、钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。氮肥施用总量为120 kg/ha，氮肥基追比例为基肥∶分蘖肥∶促花肥∶保花肥=4∶3∶1∶2，N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1。基肥施入尿素4.97 g/盆、重过磷酸钙6.7 g/盆、硫酸钾3.46 g/盆；分蘖肥（4叶伸长期）施入尿素3.72 g/盆；促花肥（倒4叶）施入尿素1.24 g/盆；保花肥（倒2叶后半叶）施入尿素2.48 g/盆、硫酸钾2.3 g/盆；肥料用量依据每盆面积折合计算。田间生产和栽培管理同一般大田。

1. 4 测定项目及方法

1. 4. 1 植株氮、磷、钾含量测定 于水稻分蘖期、齐穗期和成熟期，以平均茎数法取稻株样品。其中，分蘖期稻株按叶片和茎鞘分样和装袋，齐穗期和成熟期稻株按叶片、茎鞘和穗分样、装袋。样品采集后立即于105 ℃杀青0.5 h，然后于80 ℃烘干至恒重，称量样品干物质质量。随后将植株样品磨粉，待测氮、磷、钾含量。

采用半微量凯氏定氮法测定植株各器官氮含量，钒钼黄比色法测定磷含量，火焰光度法测定钾含量（黄明等，2019；吕腾飞等，2021）。养分积累、转运及分配等的计算公式参照吕艳东等（2019）：养分积累量（g/穴）=地上部各器官干物质质量×地上部各器官养分含量；养分总积累量为成熟期植株地上部各器官养分积累量的总和；养分转运量（g/穴）=抽穗期某器官养分积累量-成熟期该器官养分积累量；养分转运率（%）=叶片（茎鞘）养分转运量/抽穗期叶片（茎鞘）养分积累量×100；养分表观转运贡献率（%）=叶片（茎鞘）养分转运量/成熟期穗部养分积累量×100；各器官氮素分配比例（%）=各器官氮素积累量/植株地上部氮素积累量×100。

1. 4. 2 产量及其构成因素测定 成熟期各处理按平均穗数取有代表性植株6穴（即6次重复），悬挂在阴凉通风处风干后，分为茎鞘和穗，称量穗质量和茎鞘质量。穗部用于考种，考察项目包括穗数、穗粒数、结实率、千粒重和产量。

1. 5 统计分析

利用Excel 2010处理数据并作图，以SPSS 17.0进行Duncan差异显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2. 1 不同膨化秸秆还田量对水稻地上部养分积累的影响

由表1可知，水稻分蘖期，与CK相比，各秸秆还田处理水稻地上部氮、磷、钾积累量均显著降低（P<0.05，下同），且还田量越高，地上部氮、磷、钾积累量整体相对越小。水稻齐穗期，2020年以25%处理地上部氮、磷、钾积累量最高，较CK分别显著提高10.93%、9.74%和18.74%；2021年4个秸秆还田处理的氮、磷、钾积累量均低于CK，但仍以25%处理的地上部氮、磷、钾积累量较高。水稻成熟期，2020年4个秸秆还田处理对水稻氮、磷、钾积累量的影响存在差异，25%处理地上部氮积累量最高，较CK增加1.10%，而75%处理相对有利于于磷、钾的积累；2021年则均以25%处理的氮、磷、钾积累量最高，较CK提高10.53%、1.30%和3.04%，但与CK相比差异未达显著水平（P>0.05，下同）。

2. 2 不同膨化秸秆还田量对水稻茎叶养分运转的影响

由表2可知，两年试验中，水稻叶片和茎鞘中氮、钾的转运量、转运率、贡献率及磷的转运率均表现为叶片>茎鞘。25%处理有利于叶片和茎鞘氮的的转运，2020年其叶片和茎鞘氮的转运量、转运率和贡献率均最高，较CK分别增加18.34%、3.52%、31.65%和10.70%、6.94%、9.56%，除茎鞘转运率外均与对照差异达显著水平，且不同秸秆还田量表现为25%处理>50%处理>75%处理>100%处理；2021年25%处理的茎鞘氮运转各指标均高于CK及其他秸秆还田处理，而叶片的氮运转各指标虽低于CK但仍高于其他秸秆还田处理。50%和75%处理有利于提高叶片和茎鞘中磷的转运量、转运率和贡献率，2020年50%处理叶片和茎鞘中磷的转运量、转运率和贡献率最高，显著高于CK及其他秸秆还田处理，75%处理次之；2021年75%处理叶片和茎鞘中磷的转运量、转运率和贡献率最高，50%处理次之。25%处理对水稻叶片和茎鞘中钾的转运量、转运率和贡献率具有较好的促进效果，2020年25%处理茎鞘钾的转运量、转运率和贡献率较CK显著增加9.56%、74.55%、54.97%，不同秸秆还田量表现为25%处理>50%处理>75%处理>100%处理，25%处理叶片中钾的转运量、转运率和贡献率仅次于50%处理，显著高于CK；2021年25%处理叶片和茎鞘中鉀的转运量、转运率和贡献率显著高于CK及其他秸秆还田处理。

2. 3 不同膨化秸秆还田量对水稻成熟期各器官养分分配的影响

由表3可知，不同处理下成熟期水稻茎鞘、叶片和穗的氮积累量均以25%处理最高或较高，2020年叶片、穗中氮积累量较CK分别增加11.60%和1.10%，2021年分别增加14.00%和8.90%；2020年叶片氮分配比例随秸秆还田量的增加呈减少趋势，而穗的氮分配比例以100%处理最高，较CK显著增加4.98%；2021年以100%处理叶片氮分配比例最高，较CK增加14.24%，50%处理穗的氮积累量和比例均最高。25%处理有利于叶片、茎鞘的磷积累和分配，75%处理有利于穗的磷积累和分配。成熟期叶片和穗的钾积累量均以25%处理表现最佳，2020年25%处理叶片和穗的钾积累量较CK分别增加19.74%和3.93%，2021年25%处理有利于茎鞘、叶、穗中钾的积累，分别较CK增加3.97%、1.84%和4.94%。

2. 4 不同膨化秸秆还田量对水稻产量及其构成因素的影响

由表4可知，两年试验中，除2021年的75%处理外，各秸秆还田处理的产量均高于CK，且均以25%处理产量最高，分别较CK增加5.54%和8.93%。不同处理对产量构成因素的影响存在差异，25%处理有利于水稻穗数的增加；75%处理穗粒数优于CK和其他秸秆还田处理，且2021年与CK差异显著；结实率以50%处理最佳，表现为50%处理>25%处理>100%处理>75%处理；千粒质量2020年以100%处理最高，显著高于其他秸秆还田处理，2021年25%处理表现最佳，但各处理间差异未达显著水平。

3 讨论

3. 1 膨化秸秆还田对水稻氮素积累、转运和分配的影响

氮是植物生长发育所需的大量营养元素之一，参与植物许多重要的生理代谢活动，也是作物增产的限制因子，在植物生长过程中发挥重要作用（张敬禹等，2021）。前人研究表明，秸秆还田使水稻生育前期的氮素积累量呈降低趋势，秸秆养分释放较慢，秸秆的高C/N导致土壤微生物在作物生育前期与植株争夺氮素（王婉秋等，2017）；秸秆还田促进水稻干物质积累，提高水稻氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮素吸收利用率，进而增加水稻产量（张巳奇等，2020）。本研究结果表明，水稻生育前期，膨化秸秆还田处理不利于植株氮素积累，在生育后期，成熟期氮素穗部积累量均以25%处理最高或较高，其他非籽粒部分的氮素分配比例表现为茎鞘>叶片。可能是因为秸秆还田前期土壤中膨化秸秆腐解较慢，甚至产生毒害抑制作用，不利于植株氮素的转化积累；而后期秸秆充分腐解，土壤微生物活性和数量增加，提高了土壤的供氮能力，增加了作物对氮素的吸收和积累。此外，膨化秸秆还田可提高水稻植株氮素积累，促使营养器官积累的氮素大量向穗部转移，极大促进籽粒氮素积累，与郭萍等（2021）研究得出与植株中氮素的转运主要以叶片为主，茎和叶积累的氮素不断向生殖器官转移，提高生殖器官的氮素的积累，利于后期产量增加的研究结果一致。75%和100%处理膨化秸秆还田量更多，但氮素积累呈降低趋势，甚至不及对照的成熟期氮素积累量，可能是在75%和100%处理下，土壤微生物数量急剧增加，导致更多的养分消耗，从而与水稻争夺氮素。因此，适量的膨化秸秆还田才可快速供给土壤氮素含量，提高植株氮素积累，促进蛋白质转化为糖类物质，为水稻生长提供充足养分，促使营养器官积累的氮素大量向穗部转移，有利于水稻产量提高。

3. 2 膨化秸秆还田对水稻磷素积累、转运和分配的影响

前人研究发现，秸秆还田有利于提高土壤磷素有效性和水稻磷素利用率，降低磷肥用量，促进植株对磷素的吸收（王秀娟等，2018；蒋炳伸等，2020）。本研究结果表明，磷积累与氮积累相似，均表现为成熟期>齐穗期>分蘗期。膨化秸秆还田25%处理有利于水稻成熟期叶片、茎鞘磷的积累和分配，且均高于对照及其他秸秆还田处理，这可能是促进25%处理穗数形成的原因之一。75%处理有利于水稻成熟期穗部磷的积累和分配，表明施用75%的膨化秸秆可促进水稻对磷的吸收和积累，可能对水稻穗粒数的形成有促进作用。50%和75%处理分别提高了叶片和茎鞘中磷的转运量、转运率和贡献率，促进了水稻结实率和穗粒数的增加。膨化秸秆还田处理的植株各器官磷的分配比例趋势为穗部>茎秆>叶片，也说明适量进行膨化秸秆还田可提高籽粒和单株磷的积累总量，能不断促进营养器官的干物质量和磷的积累量向穗部转移，进而不同程度地促进产量和产量构成因素的提高。

3. 3 膨化秸秆还田对水稻钾素积累、转运和分配的影响

稻秆还田能提高作物全生育期钾的积累量和吸收效率，但钾素生理利用效率因器官的不同而存在差异（李银水等，2021）。本研究表明，钾积累量全生育期中整体变化趋势与氮、磷略有不同，钾积累量在齐穗期达最高峰后开始降低，可能与齐穗期后水稻植株内可溶性磷的径流磷流失有关（陈永高和张瑞斌，2016）。膨化秸秆25%和50%处理下钾在水稻叶片和茎鞘的转运量、转运率和贡献率最高或较高，其中，25%处理对后期籽粒贡献率最大，从成熟期钾在各器官的分配及积累量来看，叶片和穗的钾积累量及分配比例均以25%处理表现最佳。可能是因为膨化秸秆还田后稻秆经腐解矿化向土壤释放营养元素，为土壤提供有机肥源和钾肥来源，有效缓解了钾素供应不足，进而提高作物的养分吸收利用效率（周劲松等，2016；王飞等，2021）。

3. 4 膨化秸秆还田对水稻产量的影响

前人研究显示，秸秆还田后水稻每穗粒数明显增多，结实率提高，千粒质量有所增长，最终提高了籽粒产量（李录久等，2016）。较秸秆不还田相比，秸秆还田有利于后期籽粒灌浆结实，促进穗粒数增加，结实率、千粒质量提高，增加经济效益（汪军等，2011）。本研究结果表明，膨化秸秆还田有利于穗粒数和结实率的增加，产量与对照相比有所升高，但仅有25%处理达显著水平。其原因可能是寒地稻区稻田地温低，秸秆腐解速度慢，营养并未完全释放，与其他还田量相比，25%的膨化秸秆施入量可能会使土壤容重降低，总孔隙度增加，改善土壤微生物生存环境，进而促进土壤速效养分的释放。

3. 5 气温差异对年际间数据的影响

本研究中，膨化秸秆还田不同处理在成熟期的氮、磷、钾养分积累量存在年份差异，2020年成熟期钾的积累随秸秆还田量增加而增加，2021年却表现为降低趋势；75%处理在2020年成熟期磷积累量最高，但在2021年同期却相对降低很多，其原因可能是由于2020和2021年的气温年际差异导致膨化秸秆中养分释放的磷素量不同导致的。此外，2021年较2020年的穗粒数和产量也出现了明显降低，可能是由于2021年7月中下旬（水稻减数分裂期）降水较多，气温较低，进而影响了穗粒数和产量。

4 结论

不同膨化秸秆还田量对水稻养分积累、运转、分配及产量的影响存在差异，25%秸秆还田量处理提高了植株各器官中的养分含量，促进营养器官中养分向籽粒转运，提高了养分转运贡献率，且水稻产量较高，可尝试在寒地水稻生产中推广应用。

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（責任编辑 王 晖）