秸秆还田对水稻生育期间土壤溶液中养分变化的影响

刁晓林，曾祥亮，龚振平*，马春梅，张 磊，董守坤

（1.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086）

作物根系吸收土壤中的养分要以土壤溶液作为介质。孙明德等指出，土壤溶液不仅是土壤化学反应进行的场所，也是植物根系获取养分的源泉，土壤溶液中养分的浓度是土壤养分的强度因素，它比土壤中有效养分的数量更能反映土壤养分的新动态[1]。特别是水稻田土壤处于水饱和状态，土壤溶液中养分含量水平更能反映出土壤养分活度。Samra等指出，稻草燃烧的产物中包括70%的CO2，7%的 CO，0.66%的 CH4和 2.09%的 N2O[2]。焚烧稻草不仅产生大量的温室气体，而且损失了大量的营养成分。很多研究者指出，稻草还田不仅避免了对环境的污染，而且增加了氮、磷、钾等植株必需养分的含量[3-6]，有机质含量升高[4-7]，使土壤的容重和紧实度下降，总孔隙度和非毛管孔隙度升高[8]。

本文针对寒地水稻，在水稻秸秆还田与不还田两种生产条件下，研究了水稻土壤溶液中氮、磷、钾含量的动态变化，旨在为水稻科学施肥提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种为东农425。

1.2 试验设计

试验于2008年在东北农业大学香坊实验实习基地进行，在用混凝土筑成2 m×2 m的框池中，填入供试土壤，土壤的基础肥力为：全氮2.2 g·kg-1，全磷 1.7 g·kg-1，速效钾 286.73 mg·kg-1，有机质26.2 g·kg-1。将前一年收获的水稻秸秆截成5 cm左右的小段，于5月15日将稻秸采用翻埋的方式还入田里，还田量为5 kg·框-1，处理采用随机排列方式，每个处理3次重复。5月20日开始泡田，于6月1日插秧，插秧规格为27 cm（行距）×13 cm（株距）×3～4株·穴-1。每框按照尿素（N：46%）150 kg·hm-2、磷酸二铵（N：18%，P2O5：46%）150 kg·hm-2和硫酸钾（K2O：30%）100 kg·hm-2的施肥量作为基肥，并于6月25日追施150 kg·hm-2的尿素（N：46%），其他管理措施与大田生产一致。于10月1日进行收获。

1.3 取样方法

土壤溶液的采集装置如图1所示。将30 cm长的PVC硬塑管一端封闭，靠近封闭端2～3 cm处钻取2 mm孔径的细孔两个，作为土壤溶液采集孔；在PVC管的另一端钻取5 mm的通气孔，土壤溶液收集孔外用纱网包严，防止杂物堵塞进水孔，在每个稻池中随机插入一个取液管，使土壤溶液采集孔位于土层中10 cm处，采集土层中10 cm内的土壤溶液；自返青期开始，每隔10 d用安装细橡胶长管的50 mL注射器取样；为了保证取样管中的溶液为当天渗入的土壤溶液，在取样的前一天将取样管中在取样间歇期已渗入的土壤溶液抽净，并盖上橡胶塞防止雨水及杂物落入管内，第2天进行取样；6月23日和6月27日，即追肥前后2 d各加取1次；采集的土壤溶液存放在塑料瓶中，并迅速放置于冰柜中冷冻，待测。

1.4 测定方法

土壤溶液中NH4+-N和NO3--N的测定：NH4+-N采用全自动B-324型凯式定氮仪直接测定；NO3--N经FeSO4·7H2O和Zn还原为NH4+-N后，用全自动B-324型凯式定氮仪测定出此溶液中的NH4+-N含量，用此值减去同体积溶液中NH4+-N的含量，计算NO3--N的浓度；

土壤溶液中P的测定：采用钼锑抗比色法测定；

土壤溶液中K的测定：采用HG-5型火焰光度计测定。

1.5 数据处理方法

数据处理与分析采用Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 土壤溶液中无机氮含量的变化

结果见图2。

土壤中的无机氮主要包括NH4+-N和NO3--N，图2是NH4+-N+NO3--N总量的变化动态，两个处理中无机氮含量的变化趋势在7月22日之前比较相似，整体上保持下降的趋势，且秸秆还田处理＞不还田处理，7月22日之后，两处理中无机氮含量开始上升，尤其是水稻的生育后期，上升趋势表现的更加明显，而且不还田处理的无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量逐渐超过了还田处理，这可能是水稻秸秆腐解过程中对N的固定作用所致。

图2 土壤溶液中无机氮（NH4+-N+NO3--N）浓度的变化Fig.2 Change of(NH4+-N+NO3--N)concentration in soil solution

图3 土壤溶液中NH4+-N浓度的变化Fig.3 Change of NH4+-N concentration in soil solution

由图3可见，两个处理NH4+-N的浓度总体上呈现随生育期推进而逐渐降低的趋势。6月25日追施尿素后，土壤溶液中的NH4+-N浓度经小幅上升后，均开始出现下降，8月2日后，两个处理中NH4+-N的浓度开始平稳上升。两个处理中NH4+-N的浓度表现为秸秆还田处理＞不还田处理。而在7月22日后，两个处理中的铵态氮含量的差距已变的很小。卢萍等研究发现，有机物料还田能显著提高水稻土壤溶液中NH4+-N浓度。有机物料还田带入额外氮素，可能是土壤溶液NH4+-N浓度增高的主要原因[9]，而段英华等指出，NH4+是水稻氮素（N）吸收利用的主要形态，还田处理NH4+的增加对水稻氮素吸收利用有重要的作用[10]。

图4是NO3--N在土壤溶液中的动态变化图。在7月12日前，两个处理土壤溶液中的含量较接近，且变化趋势平稳，经过7月12日后出现较明显的下降，从7月22日开始，两个处理中NO3--N浓度均开始出现上升趋势，但不还田处理的浓度增加迅速。通过与NH4+-N的对比后，可以明显的发现其变化规律与NH4+-N恰好相反，秸秆还田引起后期土壤溶液中NO3--N含量降低。卢萍等研究发现，施用有机物料后，会使土壤溶液中NO3-的浓度显著降低[9]。7月22日之前，在两个处理的土壤溶液中检测到的NO3--N含量很低。段英华等指出，水稻根系能分泌O2，这些O2能被土壤硝化微生物利用，从而将NH4+氧化成NO3-，在根表形成的NO3-立即被水稻吸收，因而通常从水稻田采集的土样中较难测到NO3-或数量极微[10]，这可能是前期检测到NO3--N的含量低的主要原因。7月22日后，两个处理土壤溶液中NO3--N的含量在7月22日后都开始上升，不还田处理中的NO3--N的含量增加要快于还田处理。

2.2 土壤溶液中磷含量的变化

结果见图5。

图5是土壤溶液中磷（P2O5）浓度的变化曲线。6月27日之前，两个处理中的磷含量变化不大，后经小幅下降后，7月12日开始上升，且还田处理上升趋势更为明显。在7月22日之前，土壤溶液中磷的含量为不还田处理＞秸秆还田处理。与不还田处理相比，秸秆还田降低了磷的含量，Phongpan研究发现，稻草还田淹水后的一周左右，P固定现象加剧[11]。而Black和Hundal等也指出，秸秆还田在作物生长前期降低了可溶性磷的含量[12-13]；而在7月22日后，还田处理溶液中磷的含量开始上升，并超过了不还田处理；在水稻生育后期，还田处理中磷的含量平稳上升，而不还田处理中的磷含量则逐渐降低，表明秸秆中的磷对土壤溶液进行了有效的补充。而王玄德等通过试验证明，稻草能补充和活化土壤磷，提高土壤磷的有效性[4]。

2.3 土壤溶液中钾含量的变化

两个处理土壤溶液中的钾（K2O）含量变化如图6所示。

图4 土壤溶液中NO3--N浓度的变化Fig.4 Change of NO3--N concentration in soil solution

图5 土壤溶液中磷浓度的变化Fig.5 Change of P2O5concentration in soil solution

图6 土壤溶液中钾浓度的变化Fig.6 Change of K2O concentration in soil solution

在整个生育期内，两个处理土壤溶液中的钾含量呈平稳下降的趋势。两处理中钾的含量差距明显，表现为秸秆还田处理＞不还田处理。在泡田20 d后即在移栽后12 d进行的第一次取样，测得土壤溶液中K的含量分别为67.89、16.33 mg·L-1，莫淑勋等通过研究发现，作物体内的钾几乎全部呈离子状态，易溶于水，不论稻草含钾量高低，其钾的80%～85%均可用普通水浸提出来，故稻草还田可迅速供应水稻对钾的需要[3]，Yadvinder-Singh等也发现，稻草还田后，秸秆中的钾很快便会释放出来[14]。

随着生育期的推进，由于水稻植株对钾的吸收和部分钾随水溶液的流失，土壤溶液中K含量逐渐减少。在水稻生育后期，两个处理中钾的含量已分别降至11.61、1.79 mg·L-1，秸秆还田处理中的钾含量仍然处于较高水平，而不还田处理中的钾被水稻植株吸收利用后，由于没有秸秆中钾素的补充，土壤溶液中的钾含量已变得很低。

3 讨 论

由于秸秆的施入，土壤溶液中NH4+增加，而NO3-减少。段英华等指出，增加NO3-营养可以增加水稻对氮素的吸收，提高氮素利用率，进而促进水稻生长[10]，虽然不还田处理的NH4+-N浓度要低于还田处理，但是由于NO3-的调节作用，不还田处理中水稻的生长并没有表现出劣势。稻草还田会产生N的固定作用，对水稻的营养生长产生影响，Yadvinder-Singh等通过试验发现，水稻秸秆施入后，如果能够经过10 d左右的有氧腐解，然后进行下季作物的种植，几乎不会对土壤N产生有害影响[14]，而Jeffrey等指出，连续的秸秆还田建立了活跃的N库，在降低肥料使用量的条件下，具有获得理想产量的潜力[7]。从本试验的结果来看，还入秸秆的前期并没有降低土壤溶液中氮的含量，与不还田处理相比，可以满足水稻植株对氮素的需要。在水稻生长的后期虽然还田处理土壤溶液中的N有所降低，但并没有对水稻生长造成不利影响。

还田处理前期的土壤溶液中磷的含量要低于不还田处理。可能是秸秆还田抑制了土壤磷向土壤溶液的释放，随着秸秆的腐解和养分的释放，上述的影响逐渐减少。Gupta等指出，稻草还田增加了土壤速效磷、无机磷和有机磷的含量，减少磷的固定，增加了磷的释放，并且在稻麦轮作体系中，连续的秸秆还田将帮助每年每公顷节省13 kg磷肥的用量，秸秆还田能够提高土壤的磷含量[15]。

稻草还田明显提高了土壤溶液中供作物直接吸收的速效钾含量，有效地补充了土壤溶液中钾的含量。许多研究指出，稻草还田可显著提高土壤中钾的含量，稻草还田携入的钾与化学钾肥具有相同的营养功效，稻草可替代部分化学钾肥[3-4]。寒地稻田钾45.3%的亏缺，60%以上的稻田土壤钾中等或偏低[16]。从本试验的结果可以看出，秸秆可以作为一个经济的钾源，在生产中如果稻草还田，则可适当减少钾肥用量。

4 结论

水稻秸秆还田使土壤溶液中铵态氮（NH4+-N）含量增加，而对硝态氮（NO3--N）含量的影响则表现为前期两个处理含量相近，而后期则使土壤溶液中硝态氮（NO3--N）的含量有所降低，还入秸秆的前期并没有降低土壤溶液中氮的含量，与不还田处理相比，可以满足水稻植株对氮素的需要。但秸秆的施入降低了水稻生育前期土壤溶液中磷的含量，而随着生育期的推进，秸秆还田处理中磷的含量逐渐增加，并超过不还田处理中的含量，表明后期秸秆释放出的磷逐渐补充到土壤中。土壤溶液中钾的含量因秸秆施入变化最为明显，在整个生育期内，始终表现为秸秆还田处理高于不还田处理，稻草还田明显提高了土壤溶液中供作物直接吸收的速效钾含量，有效地补充了土壤溶液中的钾的含量。

[1]孙明德,刘宝存,吴静,等.原位土壤溶液采样技术的应用[J].北京农业科学,2001,19(4)∶31-33.

[2]Samra J S,Bijay-Singh K K.Managing crop residues in the ricewheat system of the indo-gangetic plain[C]//Ladha J K.Improving the productivity and sustainability of rice-wheat systems∶Issues and impact.Madison∶ASA Spec Pub,2003∶173-195.

[3]莫淑勋,钱菊芳.稻草还田对补充水稻钾素养分的作用[J].土壤通报,1981(1)∶20-21.

[4]王玄德,石孝均,宋光煜.长期稻草还田对紫色水稻土肥力和生产力的影响[J].植物营养与肥料学报,2005,11(3)∶302-307.

[5]肖小平,汤海涛,纪雄辉.稻草还田模式对稻田土壤速效氮、钾含量及晚稻生长的影响[J].作物学报,2008,34(8)∶1464-1469.

[6]王兆荣,孙聪妹.黑土培肥效果的定位研究－Ⅱ土壤养分的变化[J].东北农学院学报,1993,24(3)∶214-218.

[7]Jeffrey A B,van Kessel C,William R H.Nitrogen dynamics in humic fractions under alternative straw management in temperate rice[J].Soil Sci Soc Am J,2002,66∶478-488.

[5]周江明,徐大连,薛才余.稻草还田综合效益研究[J].中国农学通报,2002,18(4)∶7-10.

[9]卢萍,单玉华,杨林章,等.绿肥轮作还田对稻田土壤溶液氮素变化及水稻产量的影响[J].土壤,2006,38(3)∶270-275.

[10]段英华,张亚丽,沈其荣.增硝营养对不同基因型水稻苗期吸铵和生长的影响[J].土壤学报,2005,42(2)∶260-265.

[11]Phongpan S.Phosphorus adsorption in flooded soils of the central plain[J].Thai J Agric Sci,1989,22∶113-127.

[12]Black A L,Reitz L L.Phosphorus and nitrate-nitrogen immobilization by wheat straw[J].Agron J,1972,64∶782-785.

[13]Hundal H S,Thind S S.Effect of crop residue incorporation on labile and dissolved P forms in soil[J].Indian J Ecol,1993,20∶22-26.

[14]Yadvinder-Singh,Bijay-Singh,Ladha J K,et al.Effects of residue decomposition on productivity and soil fertility in rice-wheat rotation[J].Soil Sci Soc Am J,2004,68∶854-864.

[15]Gupta R K,Yadvinder-Singh,Ladha J K,et al.Yield and phosphorus transformations in a rice-wheat system with crop residue and phosphorus management[J].Soil Sci Soc Am J,2007,71(5)∶1500-1507.

[16]彭显龙,刘元英,罗盛国,等.寒地稻田钾素状况与平衡[J].东北农业大学学报,2008,39(1)∶46-49.