稻秆与紫云英协同还田对水稻产量和土壤有机碳的影响

张立进，余小芸，巢思琴，黄国勤∗，杨支齐，钱国明

(1 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西农业大学生态科学研究中心，江西 南昌 330045；2 江西省红壤及种质资源研究所，江西 南昌 331717；3 广西大学林学院，广西 南宁 530004)

我国是农业生产大国，由于大部分农村人口老龄化严重，农田荒废无人耕种的现象越来越严重，大量劳动力的转移直接导致大多数种植户以施用方便的化肥为主。化肥的大量施用使我国水稻单位面积产量大幅增加，但过量施用也导致了稻田土壤功能减弱、酸化和板结等现象。这种重化肥、轻有机肥和绿肥等的种植习惯加剧了农业生态环境污染。因此，如何有效改善土壤环境、降低化肥施用量、保护农田生态环境是亟需解决的问题。水稻秸秆和紫云英是我国当前农业上使用最广泛的有机肥源，将两者合理搭配与化肥配施还田，不仅能有效降低经济成本，还可在一定程度上改善环境污染问题。秸秆通常是田间作物收获后废弃的根、茎、叶、果等的总称，富含氮、磷、钾、钙、有机质等。紫云英作为豆科绿肥的一种，通过自身根瘤菌群的作用，能富集土壤中0.5%～1.1%的磷和2.0%～3.0%的钾素养分[1－3]。秸秆和紫云英还田不仅是对资源的再利用，还能减少化肥施用。据统计[4]，我国产生的秸秆量非常大，年总产量约9.0×108t，其中水稻秸秆所占比例最高。水稻秸秆和紫云英作为优质有机肥，不管单施还是配施还田都能够为作物提供丰富的营养元素，对作物产量提高和土壤肥力改善具有重要作用[5]。根据我国农业发展实情，水稻秸秆、紫云英等有机物料就地还田对改良土壤、降低肥料成本具有重要作用[6]。分析水稻秸秆和紫云英单独/协同还田条件下减量施肥对水稻产量、农艺性状及土壤养分含量的影响，阐明有机物料还田后的培肥、增产及减氮效应，可为我国农业生态环境的保护和可持续发展提供科学依据。

1 稻秆还田对水稻产量和土壤有机碳的影响

1.1 稻秆还田对水稻产量的影响

秸秆作为农业的一种新型能源，在降解过程中释放的养分有利于土壤肥力的提高，可促进土壤有机碳养分的积累，并且有利于作物吸收养分[3]。水稻秸秆原位还田是一种较好的利用方式，可维持农田生态系统中物质和能量的平衡，对改善土壤环境和提高肥力具有促进作用。早稻收获后将秸秆就地粉碎还田能增加土壤中养分含量，为晚稻提供良好的生长环境，进而促进水稻增产[7]。稻秆还田后，在短时间内(3～5 a)对作物产量没有显著的提高作用[8]，土壤中的秸秆发生分解效应后才能为后期作物提供营养。因为稻秆还田前期需要自身分解，微生物的增殖会与植株争夺营养，所以对水稻生长有抑制作用；中后期腐解完成后会释放营养物质，对水稻生长有促进作用。何虎等[9]分析了稻草全量还田下氮肥运筹对双季晚稻氮素吸收利用的影响，发现在一定施氮量条件下，水稻秸秆全量还田较不还田更有利于晚稻对养分的吸收利用，从而提高晚稻产量。研究[10]发现，相比秸秆翻压还田后的第一年，第二年的水稻产量增幅更大，且增产幅度随还田年数的增加而稳步增长。但秸秆还田量不是越多越好，当还田量超过田间容纳量时，短时间内会积累大量的有机酸以及腐解不充分产生的气体，导致水稻根系活力下降，对氮磷钾素养分的吸收和水稻生长产生明显的抑制作用。

研究[11]发现，稻秆还田能够增加作物产量4%～12%，早稻较对照增产约6.9%，晚稻增产约8.2%，当氮肥施用量超过240 kg/hm2时，水稻产量增幅达到最大，但稻秆还田对总粒数、实粒数、结实率和千粒质量的影响不一。全量旋耕还田对作物产量影响不显著，但是稻草覆盖还田能加快秸秆分解，提高有效分蘖数和有效穗数，从而增产[11]。秸秆还田能促进作物对氮素的吸收，与化肥配施时，秸秆中的氮素矿化率能够提高3.7%，可增大土壤氮库，提升土壤供氮潜力，进而提高作物产量[12]。

1.2 稻秆还田对土壤的影响

秸秆还田是目前最简单、最有效的秸秆利用措施，将秸秆就地还田不仅能改良土壤，也解决了秸秆焚烧难题[4，13]。长期施用化肥提高了土壤重金属的有效性，促进了作物对土壤重金属的吸收，加剧了土壤酸化、板结，导致土壤养分失调和土壤结构被破坏，严重影响农业生态环境[7]。通过外源加入有机物料能有效提高土壤有机碳含量、碳矿化速率和累计矿化量，提升土壤地力[7]。稻秆中含有丰富的无机营养元素，还田腐解后将其归还土壤，对土壤有机碳含量、团粒结构等理化性状具有明显的改善作用，如秸秆还田后能提高土层全氮含量14.8%～26.0%[2，5]。长期稻秆还田对提高土壤的供水供肥能力和维持耕作层的持久性具有明显的促进作用。早稻生长前期，施用少量氮肥可以促进秸秆通过厌氧分解转化为土壤有机碳[14]。土壤有机碳可分为轻组有机碳和重组有机碳[15－16]，长期施用化肥会增加土壤轻组碳的含量，而有机肥施用可以增加土壤重组有机碳的含量，因此将有机肥和化肥混施，能够调节轻组和重组有机碳在土壤中的比例，给作物提供营养物质更全面的生长环境。秸秆与化肥混施能加快秸秆与土壤的混合，促进土壤生物的分解，提高碳组分含量。外源有机物料的投入能为土壤提供新鲜有机物，增加微生物多糖，增强团聚体的稳定性[17]。稻秆是有机养分资源，具有较高的C/N 比值，同时含有丰富的钾素。吴海梅等[18]在山区丘陵红壤上的定位试验发现，与单施化肥处理比较，秸秆还田处理能提高土壤中有机质含量5.8%～28.9%。常规施肥处理下钾素(K2O)出现亏缺现象，亏缺总量达到720.1 kg/hm2，而秸秆还田处理钾素(K2O)盈余量达到248.9 kg/hm2，因为秸秆本身含有丰富的钾素，还田后弥补了土壤速效钾的不足，同时秸秆在腐解过程中释放的物质促进了作物对钾肥的吸收，减少了钾肥的流失损耗[19]。对我国不同地区几种主要作物秸秆资源的分布和化肥替代情况的研究[20]表明，还田秸秆的养分含量占氮肥的38.4%、磷肥的18.9%、钾肥的85.5%。不同外源秸秆C/N 比值与炭化积累有关，添加不同秸秆后，C/N 比值与有机碳矿化积累的关系有明显的变化[21]，由于不同的外源有机物具有不同生化组成，当C/N 比值为25左右时，最利于土壤微生物吸收利用氮、磷等营养物质[22]。秸秆还田后，土壤有机质的含量会快速增加，但是达到一定的量后，增加秸秆还田量土壤中的有机质增加不显著，甚至对作物的产量也会造成影响。这是由于不同有机肥的C/N 比值和木质素含量不同，产生的反应也不同，施入初期会刺激原来的有机碳分解，对维持土壤团聚体的稳定性有一定影响。

2 紫云英还田对水稻产量和土壤的影响

2.1 紫云英还田对水稻产量的影响

紫云英作为一种优质有机豆科绿肥，含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，可以通过活化和富集使土壤中氮、磷、钾素养分含量分别达到3%以上、0.5%～1.1%、2%～3%[1]，其自身具有很强的固氮作用，生物固氮的比例高达80%左右[23]，翻压还田腐解后能够提供较多的养分，可以部分替代化肥氮，减少化肥氮素的施用。与冬闲田对照相比，冬种紫云英对下茬作物有增产作用，因为绿肥可以增加土壤磷的有效性。紫云英还田腐解后释放的养分可促进植株根系生长，提高其对养分的吸收利用效率，从而提高水稻有效穗数和结实率，提高早稻产量24.42%～39.23%[24]，提高晚稻产量19.34%～31.59%[22]。但还田量过高或过低时，其增产效果均不明显，且过量施用会导致土壤氮肥过量，造成水稻贪青晚熟，生育期延长[25]。紫云英的固氮作用可提高土壤通透性和微生物活性，能截获土壤中的残留氮素，减少氮素淋溶损失，对提高水稻产量、农业产出、生态服务总价值等方面都有积极作用[26]。

2.2 紫云英还田对土壤的影响

土壤有机碳对农田土壤的理化性质具有直接影响，主要与有机物料还田后的残留物质有一定的关系。绿肥还田对稻田土壤碳汇有很大的促进作用，比如紫云英具有很强的固氮能力，每年固定氮素达30～150 kg/hm2[27－28]。研究[29]发现，紫云英还田能促进稻田土壤有机质累积，提高土壤碳库活性和可溶性有机质的分子量，从而提高土壤肥力。紫云英氮素含量非常高，翻压后释放的氮素对水稻产量和土壤肥力都有积极的正效应[30－31]，但在高肥力农田，紫云英的生长和生物固氮能力明显受到抑制[32]。作为一种重要的绿肥作物和有机肥源，紫云英的固氮能力强，利用效率高，因此在植株腐解时可以大量激发土壤氮素，为土壤和后茬作物提供养分，因此对作物具有一定的后效作用[33]。同时，紫云英还田能促进晚稻对土壤养分的吸收利用，与化肥配施能够提高化肥利用效率，与冬闲田相比，可减少化肥施用量达20%～40%[28]。同时，绿肥覆盖还能减少农田的养分流失。有研究[29]显示，绿肥还田后，铵态氮流失量减少10.1%～50.9%，硝态氮流失量减少21.9%～55.1%，土壤全氮含量增加约9%，碱解氮含量增加约16%。

3 稻秆和紫云英协同还田对水稻产量和土壤的影响

绿肥和秸秆还田均能提高土壤质量，但是增产程度不同，稻草—紫云英联合还田具有提高土壤养分、改善土壤肥力的作用[34]。稻秆—紫云英协同还田对土壤的贡献率比稻秆单独还田高76.47%。协同还田的效果更佳，主要原因是稻秆释放的肥效长，而紫云英固氮能力强，能够给水稻提供缓慢持续的养分供应[35－36]，提高土壤中有机质、速效钾、有效磷和全氮的含量[37]。稻秆与紫云英协同配施后，可增强土壤中脲酶、脱氢酶、蔗糖酶的活性，提高水稻产量[38]。而稻秆和紫云英提取物在任何有机物质中浸泡都能一定程度上促进水稻生长，可分别提高水稻幼苗鲜质量16.84%和16.13%[39]。

稻秆中含有多种营养元素，还田后能为农田土壤提供丰富的氮、磷、钾以及有机质等营养元素。稻秆在自身分解及土壤微生物的作用下，前期可以分解一部分纤维素和半纤维素，释放出氮、磷、钾等物质补充土壤养分，从而减少化肥的施用量；后期余下未分解的木质素等残留在土壤中，增加土壤有机质含量，同时改善土壤物理及生物性状，从而提高作物产量[22]。稻秆中钾含量比较丰富，C/N 比值也非常高，而紫云英中氮素含量很高，但是C/N 比值却非常低，将秸秆和紫云英协同配施，有利于养分的平衡和碳氮比值的优化。我国南方大部分稻田将高C/N的秸秆和低C/N 的紫云英共同还田，可加速还田物料的腐解和养分释放[34]。因此，稻秆与紫云英协同还田可以改善水稻产量构成要素和农艺性状，从而提高水稻产量[12，24，30]。

水稻秸秆是有机养分资源，其富含粗纤维、纤维素、半纤维素和木质素等富碳物质。一些复杂的有机物质经土壤微生物分解后转化为简单的化合物，还田后有利于土壤碳库的增大，可以有效提高土壤有机质含量，改善土壤肥力。稻秆还田后能影响土壤微生物的活动，促进土壤碳氮循环，有利于农业生产可持续发展。而冬种紫云英还田能直接向土壤输送外源有机物，提高土壤活性有机碳含量以及土壤碳库管理指数。同时，稻秆与紫云英中含有丰富的钾素及中、微量元素，协同还田更能为水稻生长提供所需的均衡养分[40]。稻秆和紫云英协同还田后，土壤中的碳、氮等营养物质具有很好的调节作用，能够促进作物养分的高效利用，有利于作物更好地吸收养分[41－42]，能有效降低土壤容重，显著提高土壤渗透性以及减少表层土壤板结等现象[43]。

秸秆还田对土壤总有机碳的固定、矿化及大气CO2浓度的调节起着重要作用，可以影响土壤温度、湿度和进入土壤中的肥料及植物残渣的数量，使土壤中养分的矿化、运输、被吸收和被利用能力不同，进而影响土壤微生物的生物量碳[36]。稻秆单独还田时，腐解过程会产生某些有毒物质，直接影响作物根系生长，阻碍根系对养分的吸收和利用[44－46]。紫云英单独还田能够促进土壤总有机碳和活性有机碳的累积，还田后可以将紫云英体内的可溶性有机物直接转变成土壤活性有机碳组分，从而提高活性有机碳的相对比例，促进原有土壤中有机碳的分解，形成更多的土壤活性有机碳。与秸秆协同还田则更有利于提高土壤活性有机碳、氮含量及其在土壤碳氮库的比例。两者在有机物料腐解过程中能够相互影响，调节微生物对土壤氮素的竞争，保证作物氮素吸收[22]，促进土壤有机碳的有效积累[42]。

4 秸秆和紫云英协同还田存在的问题

虽然秸秆与紫云英协同还田对土壤和作物的生长具有重要的作用，但在其实施过程中，也还存在一些问题。

4.1 秸秆和紫云英还田后对病虫害的影响

有机物料特别是稻草粉碎还田，由于其携带病原菌和虫卵，会增加稻田下茬作物发生病虫害的风险。同时，秸秆和紫云英还田后，具有保温保水作用，为病虫害的生存提供了舒适环境，导致病虫害发生的机率大大提高。针对这种情况，可以人为添加抗虫杀菌剂和除菌杀菌剂，减少病虫害发生[47]。近几年，微生物菌剂的种类越来越复杂多样。针对不同种类秸秆，在不同地域条件下，如何选用适宜的菌剂，让病虫害防治效果达到最佳，还需要不断探索。

4.2 秸秆和紫云英还田后对农田温室气体排放的影响

秸秆和紫云英还田腐解后的产物能增加土壤有机碳的含量，而温室气体(CH4、N2O)的排放与土壤有机碳的积累有一定的相关性。秸秆还田量不同，CO2和N2O 的排放趋势也不同[48]。秸秆还田后，在水稻的晒田期，温室气体N2O 的排放明显高于对照，可能是由于N2O 的排放与稻田水分以及土壤的含水量密切相关。晒田期，土壤呈现干湿交替的现象，微生物产生硝化和反硝化作用，极大地促进了N2O 的排放[49－50]。土壤含水率、pH 及施氮量和施氮种类都是影响N2O 排放的重要因素[51－52]。但袁嫚嫚等[53]发现，秸秆还田后土壤有机碳和养分含量明显增加，土壤通透性发生变化，土壤质量得到改善，减少了温室气体排放。不同的研究结论并不一致，可能是温室气体排放不仅受有机物料的影响，还与环境条件、栽培措施等相关。

4.3 秸秆和紫云英还田配套措施不足，宣传力度不够

我国大力发展农田集约化和机械化，但离完全机械化作业还存在一定的距离。受田块大小、干湿程度、秸秆含水量等的影响，秸秆还田难度较大，对机械化的要求比较高，而简单实用的机械操作流程能够有效地降低人工和成本。近些年，我国禁止秸秆焚烧，鼓励秸秆再利用，并推出秸秆的五料化:肥料化、饲料化、燃料化、原料化、基料化。伴随着秸秆利用工作的不断推进，我国农作物秸秆综合利用取得了良好的经济、社会和环境效益，但我国每年仍有约1.3×108t 农作物秸秆未被利用[54]，秸秆利用率较低。我们还需加强秸秆还田技术规程操作培训和相关政策的宣传，共同推动有机物料的资源化利用。

5 结论与展望

稻秆和紫云英无论是单独还是协同还田都能改良土壤结构、增强土壤固碳能力、提高水稻产量构成要素及农艺性状。还田方式、还田量及还田时间等因素都能影响土壤有机碳的积累。但稻秆和紫云英协同还田，其相互作用更有利于调节养分平衡和C/N，促进养分释放，提高作物产量。