不同还田量对宁夏引黄灌区水稻秸秆腐解特征与产量的影响

摘" " 要：为揭示宁夏引黄灌区不同水稻秸秆还田量对秸秆腐解特征及后茬水稻产量的影响，设置单因素完全随机试验，4个处理分别为水稻秸秆不还田（CK）、秸秆还田量3 750 kg·hm-2（T1）、秸秆还田量6 750 kg·hm-2（T2）和秸秆还田量9 750 kg·hm-2（T3），测定水稻秸秆腐解率、秸秆组分和全氮、全磷、全钾含量。结果表明，水稻秸秆还田后，腐解率初期快后期慢，秸秆腐解90～350 d，T1、T2、T3处理的腐解率范围分别为48.0%～63.2%、46.0%～61.0%和44.7%～57.0%，不同腐解天数下不同处理的腐解率由大到小排序均为T1gt;T2gt;T3。秸秆腐解350 d，秸秆纤维素、半纤维素和木质素腐解率范围分别为54.0%～59.8%、70.1%～76.1%和38.9%～45.1%，T3处理的各组分腐解速率都较低。水稻秸秆腐殖质中，N、P、K释放率范围分别为43%～40.8%、45.25%～53.07%、58.68%～63.64%，不同腐解天数下腐解率由大到小排序均为T1gt;T2gt;T3，秸秆腐解350 d，T1处理的K释放率最高，为63.64%，P和N释放率分别为53.07%和43.00%，T2和T3处理的K、P、N腐解率比T1处理降低2.20%～3.61%、3.35%～7.82%和2.48%～4.95%。与CK相比，T1处理的穗数、每穗实粒数和千粒质量分别提高3.1%、6.5%、4.5%，但未达到显著水平，产量增幅为14.4%，达到显著水平;T2处理的每穗实粒数和千粒质量显著提高12.6%和5.9%，T3处理的千粒质量显著提高9.4%。综上，宁夏引黄灌区水稻秸秆还田后，通过释放秸秆养分可提高穗数、穗实粒数和千粒质量，显著影响土壤速效养分含量，实现后茬水稻增产14.4%～22.7%;考虑到秸秆腐解特征，宁夏引黄灌区水稻秸秆还田量以6 750 kg·hm-2为最佳。

关键词：引黄灌区;水稻;秸秆还田;腐解特征;养分释放;产量

中图分类号：S511" " " " "文献标识码：A" " " " " " DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.12.004

The Impact of Different Amounts of Returning Farmland on the Decomposition Characteristics and Yield of Rice Straw in the Yellow River Irrigation Area of Ningxia

MA Zhiqi， XU Can， CHEN Yongwei， HA Rong， HE Yi， MA Wenli

（Ningxia Land Reclamation Agriculture， Forestry and Animal Husbandry Technology Extension Service Center，Yinchuan，Ningxia 750011， China）

Abstract： In order to reveal the effects of different rice straw returning amounts on straw decomposition characteristics and subsequent rice yield in the Yellow River irrigation area of Ningxia， a single factor completely randomized experiment was set up. The four treatments were no straw returning （CK）， 3 750 kg·hm-2 straw returning （T1）， 6 750 kg·hm-2 straw returning （T2） and 9 750 kg·hm-2 straw returning （T3）， respectively. The results showed that after rice straw was returned to the field， the decomposition rate was fast at the initial stage and slow at the late stage， and the decomposition time of straw was 90-350 days. The decomposition rates of T1， T2 and T3 treatments were 48.0%-63.2%， 46.0%-61.0% and 44.7%-57.0%， respectively. The decomposition rates of different treatments were T1gt;T2gt;T3 from large to small under different decomposition days. The decomposition rates of straw cellulose， hemicellulose and lignin ranged from 54.0% to 59.8%， 70.1% to 76.1% and 38.9% to 45.1% after 350 days of straw decomposition， respectively. The decomposition rates of each component in T3 treatment were low. In rice straw humus， the release rates of N， P and K were 43%-40.8%， 45.25%-53.07% and 58.68%-63.64%， respectively. The decomposition rates of T1gt;T2gt;T3 in different decomposition days were in the order of T1gt;T2gt;T3. At 350 days of straw decomposition， the release rate of K in T1 treatment was the highest， 63.64%， and the release rates of P and N were 53.07% and 43.00%， respectively. The decomposition rates of K， P and N in T2 and T3 treatment were 2.20%-3.61%， 3.35%-7.82% and 2.48%-4.95% lower than those in T1 treatment. Compared with CK， the panicles， grains per panicle and 1 000 grain weight of T1 treatment were increased by 3.1%， 6.5% and 4.5%， respectively， but they did not reach a significant level， and the yield increased by 14.4%， reaching a significant level. The number of grains per panicle and 1000 grain weight of T2 treatment were significantly increased by 12.6% and 5.9%， and the 1 000 grain weight of T3 treatment was significantly increased by 9.4%. In conclusion， after returning rice straw to the field in the Yellow River irrigation area of Ningxia， the number of panicles， the number of grains per panicle and the quality of 1 000 grains can be improved by releasing straw nutrients， which significantly affects the content of soil available nutrients， and the yield of subsequent rice can be increased by 14.4%-22.7%. Considering the characteristics of straw decomposition， 6 750 kg·hm-2 is the best amount of rice straw returned to the field in Ningxia Yellow River irrigation area.

Key words： Yellow River diversion irrigation area; rice; returning straw to the field; decomposition characteristics; nutrient release; yield

我国每年会产生大量的秸秆资源，有效利用作物秸秆，挖掘其生物质潜能，已成为解决生态环境与土壤地力持续提升的重大课题[1-3]。作物秸秆还田有助于调节土壤的水肥气热平衡，增强保水能力，优化理化结构和养分条件，激发酶活性，秸秆在分解过程中向土壤释放作物生长所需的氮、磷、钾和微量元素[4-6]，同时减少秸秆焚烧带来的环境污染[7]。在自然条件下，秸秆还田后的腐解速率、腐解量等腐解特性和N、P、K养分释放模式与比例，可以表征秸秆还田技术的有效性，同时影响后茬作物的生长发育及产量形成。作物秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素等组成，包括可溶性糖类和蛋白质等营养物质[8-9]。秸秆还田后，秸秆中微生物分解利用的组分逐渐被消耗，因此秸秆整体分解速率分为快速降解、缓慢降解和停止降解3个阶段[10-11]。秸秆中纤维素与木质素为难分解的主要成分，可通过其含量变化来评估秸秆的腐解程度。李逢雨等[12]、王允青等[13]研究表明，N、P、K等元素显著影响秸秆分解过程。秸秆还田能优化土壤的理化性质，增强土壤肥力，提高作物产量[14]，改变水稻分蘖数和生物量，影响水稻产量[15]。

目前关于秸秆还田量、还田类型和还田方式对土壤养分和作物产量影响的报道较多，但是有关西北内陆地区，特别是引黄灌区水稻秸秆还田及不同还田量下秸秆腐解特性、养分释放规律和对后茬水稻产量影响的研究比较匮乏。为此，本试验选取宁夏引黄灌区水稻单作模式作为研究对象，研究不同水稻秸秆还田量下秸秆腐解特征、秸秆组分与养分释放规律和对后茬水稻产量的影响，以期为宁夏引黄灌区稻作农田秸秆还田提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年11月—2022年10月进行，试验地点位于银川市西夏区宁夏农垦农林牧技术推广服务中心试验基地（106°9'23''E，38°34'11''N），海拔1 116 m，属中温带大陆性气候，年平均气温9 ℃，年总日照时长3 039 h，无霜期大约177 d。试验地土壤为淡灰钙土，砂壤土，轻度盐碱。0～20 cm土壤基础肥力见表1。

1.2 试验设计与方法

试验采用单因素完全随机设计，共设4个处理，分别为水稻秸秆不还田（CK）、秸秆还田量3 750 kg·hm-2（T1）、秸秆还田量6 750 kg·hm-2（T2）、秸秆还田量9 750 kg·hm-2（T3）。水稻秸秆粉碎长度不超过5 cm，均匀铺设于小区内，配施6 kg·hm-2秸秆腐熟剂，翻压还田。后茬水稻品种为宁粳41号，条播，播种量为330 kg·hm-2，行距为18 cm。试验小区长70 m，宽16 m，重复3次。试验期间，田间管理按照常规大田管理措施执行。

1.3 测定项目与方法

（1）水稻秸秆预处理及埋样：采用尼龙网袋装袋掩埋方法。尼龙网袋长25 cm、宽20 cm，孔径为0.178 mm。根据网袋覆盖面积，计算出不同处理的烘干水稻秸秆量，埋样前将水稻秸秆进行105 ℃杀青，80 ℃烘干，将其装入网纱袋内扎口，埋入各个处理小区。

（2）腐解率：秸秆还田（2021年11月6日）后第0天、第30天、第90 天、第160 天、第270天、第350 天，取出埋设的网袋，洗净网袋外面泥土及网袋内秸秆表面泥土，烘干、称质量，计算秸秆累计腐解率和秸秆腐解残留量，公式如下：

秸秆累计腐解率=（M0-Mt）/M0×100% （1）

秸秆腐解残留量=M0-MF" " " " " " " " " " " "（2）

式中，M0为初始秸秆质量;Mt为残余秸秆质量;MF为试验结束时秸秆质量。

（3）秸秆组分含量：将烘干后的秸秆研磨并通过0.425 mm孔径筛。本研究采用H2SO4与H2Cr2O7氧化法测定纤维素含量，采用HCl水解法测定半纤维素含量，采用KI溶液与硫代硫酸钠滴定法测定木质素含量。

（4）秸秆氮、磷、钾含量：将烘干后的秸秆研磨并通过0.150 mm孔径筛。本研究采用H2SO4-H2O2消化-蒸馏法测定全氮含量，采用钒钼黄比色法测定全磷含量，采用火焰光度法测定全钾含量。秸秆养分释放率计算公式如下：

秸秆养分释放率=（C0-Ct）/C0×100%（3）

式中，C0为初始秸秆养分质量;Ct为残余秸秆养分质量。

1.4 数据统计分析

本研究采用Microsoft Excel 2024软件对数据整理计算，利用SPSS 19.0软件进行统计分析，使用Origin 2021软件进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量对水稻产量构成因素及产量的影响

由表2可知，与CK相比，不同秸秆还田量下各处理的水稻产量增加均达到显著水平，增幅分别为14.4%、22.7%和18.3%，其中T2处理的产量最高，为8 312.04 kg·hm-2，比T1处理显著增产560.79 kg·hm-2，比T3处理增产300.67 kg·hm-2（Pgt;0.05）。由植株表现性状及产量构成因素可知，T2处理的水稻株高、穗长、穗数、每穗实粒数均高于其他处理，比CK分别提高4.09 cm、2.32 cm、22.14万穗·hm-2、9.31个;CK处理的株高和穗长显著低于T3处理，而与T1处理差异不显著;T3处理的结实率和千粒质量最高，但与T1和T2处理差异不显著，T2和T3处理的千粒质量比CK显著增加提高1.25 g和2.00 g。

2.2 不同秸秆还田量下秸秆腐解规律

由图1可知，随着秸秆还田时间的推移，秸秆累计腐解率逐渐上升，残余质量逐渐减少。水稻秸秆的腐解率整体呈现出先快后慢的趋势。秸秆腐解30 d，秸秆残余物质量平均减少27.4%（15.13 g）;秸秆腐解90 d时，秸秆残余物质量平均减少47.0%（25.95 g）;秸秆腐解160 d和270 d，秸秆质量分别减少30.79、32.02 g;秸秆腐解350 d时，秸秆残余物质量为33.12 g，此时秸秆累计腐解率为60.0%。

由图2可知，不同还田量下秸秆腐解速率不同，但总体呈逐渐上升趋势。秸秆还田后快速腐解，秸秆腐解90 d后，速率开始大幅度减缓，不同处理的腐解率由大到小排序为T1gt;T2gt;T3，腐解率分别是48.0%、46%、44.7%。秸秆腐解第90天，T1处理的腐解率比T2和T3处理提高4.3%和2.1%。腐解第160天，T1处理的秸秆腐解率比T2和T3处理提高7.4%和9.6%。综上，秸秆还田量越少，腐解率越快，随着秸秆还田量的增加，秸秆腐解率逐渐降低。

2.3 不同秸秆还田量下有机组分的变化规律

由图3可知，同一时期，秸秆各组分腐解率存在差异。从各腐解天数的腐解率可以看出，秸秆还田量显著影响秸秆各组分腐解率，不同处理的有机组分腐解率由大到小排序均为T1gt;T2gt;T3，秸秆腐解30～350 d，不同处理的半纤维素腐解率范围分别为38.08%～76.06%、36.30%～73.22%、35.28%～70.12%，纤维素腐解率范围分别为23.26%～59.76%、21.24%～55.77%、20.97%～54.03%，木质素腐解率范围分别为13.89%～44.10%、12.69%～41.81%、10.48%～37.90%，同一处理的腐解率由大到小排序为半纤维素gt;纤维素gt;木质素。秸秆腐解350 d，不同处理的秸秆有机组分平均腐解率分别为56.5%、73.1%、42.3%。腐解30～350 d，T1、T2处理的纤维素腐解率差为2.02%～4.00%，半纤维素腐解率差为1.78%～2.84%，木质素腐解率差为1.20%～2.29%。T2处理在不同腐解天数下的纤维素腐解率较T3处理分别提高0.27%、1.04%、2.66%、1.64%、1.74%，T2处理在不同腐解天数下的半纤维素腐解率较T3处理分别提高1.02%、4.71%、4.40%、4.21%、3.09%。T2处理在不同腐解天数下的木质素腐解率与T3处理差异较小，分别为2.21%、2.86%、3.62%、3.62%、3.91%。T1、T3处理的纤维素腐解率差和木质素腐解率差均随腐解天数的增加而增大，T1和T3处理在不同腐解天数下的半纤维素腐解率差分别为2.81%、5.87%、6.69%、6.97%和5.94%。

由表3可知，拟合方程的相关系数均为0.99，说明腐解率与腐解时间紧密相关。T1处理的各组分达到一定腐解率所需的时间均最短，T2和T3处理达到同样腐解率所需的腐解时间相对较长。当腐解率达到20%时，T1、T2和T3处理的纤维素腐解时间分别为24、28、29 d;半纤维素腐解时间分别为10、12、13 d;木质素腐解时间分别为54、68、93 d。随着腐解时间的增加，不同处理的纤维素、半纤维素和木质素腐解情况差异越大，T1、T2和T3处理的水稻秸秆纤维素腐解率分别需要332、548、644 d，半纤维素腐解率分别需要89、99、132 d，木质素腐解率从20%到60%分别需要791、851、1 033 d。这说明秸秆还田量越大，木质素组分越多，所需的腐解时间越长，不同组分腐解率由大到小排序为木质素gt;纤维素gt;半纤维素。

2.4 不同秸秆还田量下养分释放规律

由图4可知，随着时间的增加，秸秆养分累计释放率呈递增趋势，而释放速率呈递减趋势。秸秆3种营养元素的释放量由大到小顺序为Kgt;Pgt;N。养分释放天数为350 d时，N、P、K累计释放率分别为40.73%、49.35%、61.16%。不同秸秆还田量对水稻秸秆中N、P、K释放率有显著影响，不同养分释放天数下各养分释放率由大到小排序为T1gt;T2gt;T3。养分释放天数为30 d时，T1处理的N、P、K累计释放率与T2处理无显著差异，但比T3处理显著提高3.0%、4.3%、0.5%。养分释放第90天，T1处理的N释放率与T2、T3处理均存在显著差异，T1处理较T2、T3处理分别提高2.0%、2.8%;不同处理的P释放率差异显著，T1、T2、T3处理分别为29.79%、27.60%、25.07%;K释放率在T1与T3处理间存在显著差异，T1处理较T3处理高1.35，T2处理与T1、T3处理的差异未达到显著水平。养分释放160 d时，不同处理的N释放率差异显著，T1、T2、T3处理分别为32.00%、30.00%、28.20%;T1处理的P释放率分别较T2、T3处理提高2.23、4.59，存在显著差异;不同处理的K释放率差异未达到显著水平;养分释放270 d时，T1与T3处理的N、K释放率均存在显著差异，T1处理较T3处理分别高4.6、4.59，T1、T3处理与T2处理无显著差异;在养分释放350 d时，T1处理的K释放率最高，为63.64%，P、N分别为53.07%、43.00%，T1处理的K、P、N释放率较T2处理分别提高2.20、3.61、3.35，较T3处理分别提高7.82、2.48、4.95。因此，T1处理的秸秆养分相对腐解更充分，秸秆还田量越大，养分释放率越低。

3 讨论与结论

3.1 不同秸秆还田量对水稻产量的影响

秸秆还田被验证对农作物产量具有重要的影响[16]，秸秆适量还田可影响水稻产量、穗数、每穗实粒数和千粒质量。谭娟等[17]研究发现，在一定范围内，增加秸秆还田量，小麦产量会显著提升，但秸秆还田量超过7 000 kg·hm-2时，小麦产量降低。因此，作物秸秆适量还田是影响产量的重要因素。本研究结果验证了须湘成等[18]的研究结果，与秸秆不还田处理相比，不同秸秆还田量处理的水稻产量均显著增加，其中T2处理的增产效果最显著，为22.7%，T3处理与T1处理分别增产18.3%和14.4%。秸秆适量还田具有增产效应，但秸秆过量还田会降低增产幅度。本研究表明，随着秸秆还田量的增大，穗数逐渐增大，但各处理间未达到显著水平，这与徐国伟[28]研究结论不同。这可能与大田和盆栽的还田条件差异有关。本研究中，T2处理的每穗实粒数比CK提高12.6%，T3处理的千粒质量比CK提高9.4%，这与柳开楼等[17]研究结论相同。因此，秸秆适量还田后，释放出的各种营养元素被水稻吸收利用，可促进籽粒生长，增加每穗实粒数和千粒质量，从而达到水稻增产目的。

3.2 不同秸秆还田量对腐解率的影响

试验地的土壤特性、多变的气候条件和秸秆自身的复杂组成，共同影响着秸秆的腐解率[8-9]。秸秆还田后，其内含的多元成分被逐步分解，秸秆的结构复杂性导致不同成分的分解速度具有明显差异，秸秆分解分为迅速分解、缓慢分解、停滞分解3个阶段[10]。须湘成[19]研究表明，作物秸秆还田90 d内，腐解速率达到峰值，此后逐渐降低，最终趋于稳定，大部分有机物质转化为腐殖质且积累在土壤中。本研究中，水稻秸秆腐解速率可明确划分为初期快速腐解（0～90 d）与后期缓慢腐解（90～350 d）2个阶段。腐解0～90 d，秸秆腐解迅速，累计腐解率达到46%;此后腐解速率放缓，腐解350 d，秸秆累计腐解率达到60%。秸秆腐解分段现象的成因在于腐解初期，秸秆中富含的可溶性有机物质，如小分子糖类和氨基酸等，为微生物提供了丰富的碳源和养分，从而有效地激发了微生物活性;随着腐解的进行，难以分解的成分比例逐渐上升，秸秆中养分的释放速度减缓，微生物大量失活，从而导致腐解率减缓[20-22]。

3.3 不同秸秆还田量对秸秆组分腐解速率的影响

秸秆中近80%的主要构成是纤维素、半纤维素和木质素，它们在土壤中的分解难易程度各异。因此，研究秸秆还田腐解率必须要分析秸秆有机组成的腐解。本研究结果显示，水稻秸秆中各纤维成分的腐解率由快到慢依次为半纤维素、纤维素、木质素，这与Han等[23]和戴志刚等[24]研究相同。因纤维素与木质素相互交织的复杂的结构，微生物难以破坏[25]，从而导致腐解速率较慢，腐解率相对较低，需要较长时间方能完全腐解。本研究发现，秸秆腐解过程中，秸秆还田腐解第160 天，T2与T3处理的纤维素腐解差和半纤维素腐解差均最大，秸秆腐解350 d时，T2与T3处理的木质素腐解率差最大;秸秆腐解270 d后，T1处理的各组分腐解率仍最快，与T2、T3处理的差值越来越大，T2和T3处理的差值越来越小。通过构建秸秆纤维组分与腐解时间的数学模型，本研究发现，秸秆还田后350 d内，秸秆中半纤维素能够腐解完毕，纤维素则需要730 d才能完全被腐解，而木质素则需要更长的周期。此外，本研究还发现，还田量较低时，有机组分腐解率快;随着还田量增多，有机组分腐解率变慢，这与戴志刚等[24]研究结论相一致。

3.4 不同秸秆还田量对秸秆营养元素释放的影响

秸秆腐解过程中，其所含的N、P、K和众多中微量元素逐渐被释放，这些元素能有效补充植物生长必需的养分，显著提高土壤有机碳及养分含量[26-27]。本研究中，秸秆养分释放规律与邵云等[26]、谭鹃等[27]研究结果相同。N、P、K元素的释放呈初期较快、后期逐渐减缓的趋势，累计腐解速率表现排序为Kgt;Pgt;N。秸秆还田腐解第350天，不同秸秆还田量下K释放率表现尤为突出，其释放率范围为58.68%～63.64%。P和N释放率范围分别为45.25%～53.07%和39.4%～43%。张经延等[28]研究表明，N、P、K释放率多少与秸秆中营养元素的存在形态密切相关。钾元素多数以离子形态存在，易于溶解并被释放;磷元素多以离子形态存在，但仍有40%为难以分解的有机磷形态;氮元素主要是结构性氮素，只有小部分为易分解的硝态氮和铵态氮，大部分为难以分解的有机氮。这些有机氮需要通过微生物转化为无机氮后才能逐渐释放，因此其分解过程相对较慢。刘丽华等[29]研究表明，随着还田量的增加，氮素积累量逐渐下降，原因与秸秆养分释放较慢和秸秆高碳氮比有关，这与本研究结果一致。本研究发现，N、P、K释放率变化趋势相同，不同释放天数下各处理的释放率大小均表现为秸秆还田量越少，释放率越大，少量秸秆还田更利于土壤吸收和积累营养元素。

3.5 结论

综上，宁夏引黄灌区水稻秸秆还田后，通过释放秸秆养分和提高穗数、穗实粒数和千粒质量，可以显著影响土壤速效养分含量，实现后茬水稻增产14.4%～22.7%;考虑到秸秆腐解特征，宁夏引黄灌区水稻秸秆还田量以6 750 kg·hm-2为最佳，可实现后茬水稻增产20%以上。

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基金项目：宁夏回族自治区农业科技自主创新项目（NGSB-2021-13）

作者简介：马志琪（1997—），女，宁夏吴忠人，助理农艺师，硕士，主要从事作物栽培技术研究与推广研究。

通讯作者简介：马文礼（1974—），男，宁夏平罗人，高级农艺师，硕士，主要从事作物栽培技术研究与推广研究。