秸秆还田对土壤还原性和水稻根系生长及产量的影响

王红妮，王学春，黄 晶，李 军，胡运高



秸秆还田对土壤还原性和水稻根系生长及产量的影响

王红妮1,2，王学春2，黄 晶2，李 军1※，胡运高2

（1. 西北农林科技大学农学院，杨凌 712100； 2. 西南科技大学生命科学与工程学院，绵阳 621010）

为明确油菜秸秆还田对土壤环境及水稻根系生长的影响，该研究采用田间试验与栽培模拟试验相结合的方法，分析了油菜秸秆还田后，稻田土壤氧化还原电位（EH值）、还原性物质总量和Fe2+含量的变化规律及水稻苗期根系数量、质量、体积、长度和伤流强度等的变化规律。结果表明，1）油菜秸秆覆盖或翻埋条件下，稻田土壤氧化还原电位日均变化量（RCEH值）表现为先降低后增加的趋势，而土壤还原性物质总量日均变化量（RCRRM值）和土壤二价铁含量日均变化量（RCFe值）表现为先增加后降低的趋势；其中水稻移栽后14～18 d土壤RCEH值最低，移栽后10～14 d和14～22 d土壤RCRRM值(0.28～0.62 cmol/(kg·d))和RCFe值(5.0～31.6/(kg·d))达到最大。2）油菜秸秆覆盖或翻埋条件下，随着秸秆还田量的增加，水稻根系总量（数量、质量、体积和长度）、白根数量和根系伤流强度显著降低；与覆盖相比，油菜秸秆翻埋对水稻根系伤流日均变化量（RCRBI）的影响时间更长，水稻根系体积日均变化量（RCRVT值）和质量日均变化量（RCRQT值）的缓慢增长期延长了4 d。3）水稻移栽后10～22 d，油菜秸秆还田对稻田土壤环境和水稻根系生长的影响最显著；移栽后27～32 d，油菜秸秆还田对水稻根系生长的影响程度显著降低。油菜秸秆还田条件下，随着秸秆还田量增加，水稻苗期的土壤氧化还原电位显著降低，土壤还原性物质总量和Fe2+含量显著增加；水稻根系总量（数量、质量、体积和长度）和根系活力（白根数量和根系伤流强度）显著降低。在四川油稻两熟区，油菜秸秆还田量以全量还田为宜，适宜机械作业的田块以油菜秸秆翻埋还田为宜。

土壤；秸秆；根系；水稻；秸秆还田；四川

0 引 言

覆盖与翻埋是油稻两熟区油菜秸秆就地还田的主要方式。其中覆盖还田适用于机械化程度较低，田块小且不规整的丘陵区；翻埋还田适宜于机械化程度较高的平原区。相关研究表明，油稻两熟轮作系统中连续秸秆还田可以提高土壤氮、磷、钾和有机质质量分数[1]，增加稻谷和油菜产量[2]，提高资源利用效率[3-5]，减少环境污染[3,6-7]。近年来，四川农民已经意识到秸秆还田的肥田效应[8-9]，具有采用秸秆还田技术的内在动力。然而，油菜秸秆还田后，水稻返青分蘖期（需要一定程度的淹水）与油菜秸秆快速腐解期（翻埋后30 d左右[10-11]）重叠。淹水条件下，油菜秸秆腐解（以厌氧反应为主）导致稻田H2S、Fe2+、Mn2+等还原性物质质量分数增加，影响水稻正常生长[12-14]。水稻前期生长缓慢，根系发黑，返青期与分蘖始期分别推迟1～2 d[13]，甚至出现坐蔸现象[14-17]，严重影响了农民采用该技术的积极性。前期研究明确了秸秆还田对土壤氧化还原电位的影响[13]，但油菜秸秆还田条件下，稻田土壤还原性物质积累特征及水稻苗期根系动态特征尚需进一步深入研究。

对秸秆腐解速率及养分释放进程的相关研究表明，油菜秸秆在还田后的0～30 d腐解速率为0.40～0.56 g/d，在还田后30～60 d腐解速率为0.09～0.18 g/d。秸秆腐解过程中，不仅有养分释放过程，也伴随着土壤还原性物质含量增加；前者有利于水稻产量的形成，而后者会导致水稻根系生长缓慢，影响水稻产量的提高。戴志刚等[12]认为，秸秆腐解过程需要消耗一定的土壤氮素，适当增加氮肥投入，有利于提高稻谷产量；但也有研究表明秸秆还田不利于稻谷产量提高[13]。

本研究采用田间试验与栽培模拟试验相结合的方法，分析了油菜秸秆还田对土壤氧化还原电位和还原性物质质量分数等动态变化特征的影响，研究了油菜秸秆还田对水稻移栽后根系数量、长度和质量等的影响，明确了油菜秸秆还田对水稻苗期根系生长过程的影响，为进一步探索适宜秸秆还田技术的水稻栽培管理措施提供必要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

绵阳位于四川盆地西北部，涪江中上游，年均气温14.7～17.3 ℃，无霜期252～300 d，年均降水量826～1 417 mm，属亚热带山地季风气候。作物以水稻、油菜、小麦、玉米、红薯和黄豆为主，其中油菜（小麦）经常和水稻在水田构成以油（麦）稻两熟为主的水旱轮作系统，小麦、玉米、黄豆和红薯在旱地构成以麦-玉/豆和麦-玉/苕为主的旱地轮作系统。试验地土壤为该地区典型土壤——潮土，土壤容重1.29 g/cm3、有机质质量分数28.6 g/kg、全氮、全磷和全钾质量分数分别为1.68、0.37和1.86 g/kg。

1.2 试验设计

试验设计油菜秸秆覆盖免耕（SM）和油菜秸秆翻埋（SR）2种秸秆还田方式，分别以秸秆不还田免耕（CKM，0 t/hm2）和秸秆不还田翻耕（CKR，0 t/hm2）为对照。其中SM设3个水平，半量油菜秸秆覆盖（SM1，1.5 t/hm2）、全量油菜秸秆覆盖（SM2，3.0 t/hm2）和超量油菜秸秆覆盖（SM3，4.5 t/hm2）；SR设3个水平，半量油菜秸秆翻埋（SR1，1.5 t/hm2）、全量油菜秸秆翻埋（SR2，3.0 t/hm2）和超量油菜秸秆翻埋（SR3，4.5 t/hm2）。所有油菜秸秆经机械（金阳4LZ-1.2）粉碎后备用。

试验于2015至2016年在大田和水稻栽培环境模拟系统[18]中连续开展2a。田间试验在西南科技大学青义试验基地展开，每个处理重复3次，8个处理共计24个小区，小区面积40 m2（4 m×10 m），四周设保护行；小区间做宽0.5 m、高0.3 m土埂，覆塑料薄膜（埋深0.5 m）护埂，以防灌溉时串水影响土壤还原性物质总量和活性还原性物质质量分数测定。水稻（F优498）移栽前（5月12日前后），按照设计用量将油菜秸秆均匀翻埋（或覆盖）于试验小区和水稻栽培环境模拟系统。其中，在试验小区中，CKR、SR1、SR2和SR3用微型旋耕机（冠腾1WG6.3）旋耕，使秸秆和土壤混合均匀，CKM、SM1、SM2和SM3不旋耕；在水稻栽培环境模拟系统中，CKR、SR1、SR2和SR3人工混合表层20 cm（与大田旋耕深度一致）土壤与秸秆，CKM、SM1、SM2和SM3保持秸秆覆盖土壤表面。水稻栽培环境模拟系统可以控制土壤温度和淹水深度，本研究关闭土壤温度控制装置，淹水深度2～3 cm，所用土壤为潮土，土壤温度、淹水深度和土壤类型均与田间试验保持一致。

5月中旬（5月14日前后）选择单株质量相近且带2个分蘖的壮秧，于同一天移栽至田间试验小区和水稻栽培环境模拟系统，其中，田间小区水稻移栽行距30 cm、株距15 cm，水稻栽培环境模拟系统中每个处理移栽18盆，共计144盆。移栽当天及移栽后10、14、18、22、27和32 d测定田间试验每个小区0～10 cm土层土壤EH值（氧化还原电位）、还原性物质（总量、Fe2+质量分数）以及水稻栽培环境模拟系统中水稻根系总量（数量、长度、质量和体积）、根系活力（白根数量、白根长度和伤流强度）等。

水稻生长季节施纯氮（N）180 kg/hm2、钾（KCl）225 kg/hm2、磷（P2O5）120 kg/hm2。肥料运筹方式为：氮肥以5∶3∶2的比例分别作基肥、分蘖肥、穗肥施入；钾肥以1∶1的比例分别作基肥和穗肥施入；磷肥作为基肥随土壤耕作于水稻移栽前一次性施入。水稻移栽后施行半干旱式浅水灌溉，分蘖期、孕穗期和灌浆盛期（1∶1∶1）各灌水1次，其余时期不灌水。

1.3 取样观测

稻田土壤EH值、还原性物质总量和Fe2+质量分数以及水稻根系伤流强度等的取样在大田试验中进行。水稻移栽当天及移栽后10、14、18、22、27和32 d，分别在各小区中部用稻田专用土钻（PSS5030）采集0～10 cm土层田间土样，保存于20 ℃恒温密封箱中带回室内，先采用去极化法（ORP测定仪 FJA-４）[19]测定土壤EH值，然后将土壤样品分为均等2份，分别采用容量法（适用于还原性新鲜土样）[20]和光度法（适用于还原性新鲜土样）[19]测定土壤还原性物质总量和Fe2+质量分数；同时在苗床选择5株株高相同且带2个分蘖的秧苗，采用称重法[21]分别测定其根系伤流强度，取平均值。9月上旬水稻成熟后，每小区取5株水稻室内晾干，考种测产，主要测定指标包括单株有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量等。

水稻单株质量、根系总长度、白根长度、根系总数量、白根数量以及根系质量、体积等的取样在水稻栽培环境模拟系统中进行。水稻移栽当天先选择10株带2个分蘖的秧苗，用吸水纸巾吸干水后称质量，计算平均单株质量，再选择10株质量与平均单株质量相近（±5 g）且带2个分蘖的秧苗分别测量其根系长度、质量和体积等，取各项测定的平均值作为移栽当天水稻根系各指标的长度、质量和体积等；移栽后10、14、18、22、27和32 d每个处理分别取样3盆，经冲洗获取水稻完整根系，再测定其根系长度、数量、质量、体积等相关指标。其中，水稻根系长度用标准米尺测量；长度小于1 cm的新根和腐烂的老根均不计入根系数量、质量和长度；根系取出后，用吸水纸巾将根系表面水分吸干后称鲜质量，测定水稻根系质量；水稻根系体积采用排水法测定[22]。

1.4 数据统计

本研究在移栽时，尽量选择分蘖和根系相似的秧苗进行移栽，但不能确保所选秧苗的根系数量和质量完全一致，因此简单统计水稻根系数量和长度等，难以准确反映不同油菜秸秆还田对水稻根系生长的影响；同时土壤EH值等受多因素影响，各小区起始值存在一定差异，简单采用土壤EH值难以反映油菜秸秆还田对土壤环境的影响。因此本研究采用日均变化量（公式1）进行统计，采用SAS10.0对数据进行差异显著性分析和相关性分析。产量数据及根系调查数据表明，2015年和2016年数据差异不显著（>0.05），为表述方便，本文采用2016年土壤环境数据和根系生长数据分析油菜秸秆还田对土壤环境和根系生长的影响。

RC为第次观测时水稻根系或土壤某个指标的观测值相对第-1次的增加量，正值表示增加，负值表示减少。M和M-1分别为第次和第-1次水稻根系或土壤某个指标的观测值，0为某个指标的初始观测值。D和D-1分别为第次和第-1次观测时水稻移栽后的天数，0为水稻移栽当天，记为0 d。为表述方便，本文分别用RCEH、RCRRM和RCFe表示土壤氧化还原电位、还原性物质总量和Fe2+质量分数的日均变化量；用RCRNT、RCRQT、RCRLT和RCRVT表示水稻根系数量、质量、长度和体积的日均变化量；用RCRNW和RCRLW表示水稻白根数量和长度的日均变化量；用RCRBI表示根系伤流强度日均变化量。

2 结果与分析

2.1 油菜秸秆还田对土壤氧化还原电位和还原性物质含量的影响

由图1可看出，试验研究期间（水稻移栽后0～32 d），油菜秸秆覆盖和翻埋的土壤RCEH值变化趋势相似，均在水稻移栽后0～18 d表现为降低趋势，在移栽后18～32 d表现为增加趋势；均随着油菜秸秆还田量的增加而显著降低（<0.05），且随着时间的推移，油菜秸秆还田对土壤RCEH值的影响逐渐减弱。不同的是与覆盖相比，油菜秸秆翻埋条件下的土壤EH值在前期（水稻移栽后0～18 d）下降迅速，在后期（水稻移栽后18～32 d）恢复缓慢。表明与油菜秸秆覆盖还田相比，油菜秸秆翻埋对土壤氧化还原电位的影响程度更强，影响时间更长。

注：CKM、SM1、SM2、SM3分别代表秸秆不还田免耕、半量油菜秸秆覆盖、全量油菜秸秆覆盖和超量油菜秸秆覆盖处理，其油菜秸秆还田量分别为0、1.5、3.0和4.5 t·hm-2；CKR、SR1、SR2、SR3分别代表秸秆不还田翻耕、半量油菜秸秆翻埋、全量油菜秸秆翻埋和超量油菜秸秆翻埋处理，其油菜秸秆还田量分别为0、1.5、3.0和4.5 t·hm-2，下同。

试验研究期间（水稻移栽后0～32 d），油菜秸秆覆盖和翻埋的土壤RCRRM值变化趋势相似，均表现为先增加后降低的趋势（图1b），其中水稻移栽后10～22 d较高，移栽后22～32 d较低。移栽后10～14和14～22 d土壤RCRRM值(0.28～0.62 cmol/(kg·d))。油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后22 d，SM1、SM2和SM3的土壤RCRRM值分别为0.46、0.52和0.58 cmol/(kg·d)，分别比CKM增加了65%、82%和103%；水稻移栽后32 d，土壤RCRRM值分别为0.15、0.17和0.18 cmol/(kg·d)，比CKM分别增加了31%、55%和63%。油菜秸秆翻埋条件下，水稻移栽后22 d，SR1、SR2和SR3的土壤RCRRM值分别为0.48、0.54和0.58 cmol/(kg·d)，比CKR分别增加了65%、85%和99%；水稻移栽后32 d，土壤RCRRM值分别为0.16、0.18和0.17 cmol/(kg·d)，分别比CKR增加了32%、56%和67%。表明，油菜秸秆还田条件下，随着秸秆还田量的增加，土壤还原性物质总量显著增加（<0.05）。

试验研究期间（水稻移栽后0～32 d），油菜秸秆覆盖和翻埋的RCFe值变化趋势相似，均表现为先增加后降低的趋势（图1），移栽后10～14 d和14～22 d RCFe值(5.0～31.6g/(kg·d))达到最大，移栽后22～32 d较低。油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后14～22 d，SM1、SM2和SM3的土壤RCFe值分别为24、27和30g/(kg·d)，比CKM增加了380%、430%和510%；移栽后22～32 d，土壤RCFe值分别为9、10和12g/(kg·d)，比CKM增加了100%、0%和100%。油菜秸秆翻埋条件下，水稻移栽后14～22 d，SR1、SR2和SR3的土壤RCFe值分别为27、29和31g/(kg·d)，分别比CKR增加了510%、560%和600%；移栽后22～32 d，土壤RCFe值分别为13、11和13g/(kg·d)，分别比CKR降低了100%、0和100%。表明，油菜秸秆还田条件下，稻田土壤Fe2+质量分数随着秸秆还田量的增加而显著增加（<0.05）。

2.2 油菜秸秆还田对水稻苗期根系数量的影响

试验研究期间（水稻移栽后0～32 d），油菜秸秆覆盖处理的水稻根系RCRNT值和RCRNW值变化趋势相似，均表现为先降低后增加的趋势（图2）；均在水稻移栽后0～18 d呈降低趋势，在移栽后18～32 d呈增加趋势。水稻根系RCRNT值和RCRNW值均在移栽后14～18 d最低，在移栽后27～32 d最高。

油菜秸秆覆盖条件下，与CKM相比，SM1、SM2和SM3的水稻根系RCRNT值和RCRNW值显著降低（<0.05）（图2）。水稻移栽后10～22 d，CKM、SM1、SM2和SM3 的水稻根系RCRNT值分别为10.6、8.3、7.8和6.2个/d，随着秸秆覆盖量的增加水稻根系RCRNT值显著降低（<0.05）；其中水稻移栽后14～18 d，CKM的RCRNT值显著高于SM1、SM2和SM3（<0.05）；SM1和SM2间差异不显著（>0.05）；SM3显著低于SM1和SM2（<0.05）。水稻根系RCRNW值与根系RCRNT变化趋势相似，也随着油菜秸秆覆盖量的增加而显著降低（<0.05）。其中在水稻移栽后18 d，CKM、SM1、SM2和SM3的根系RCRNW值分别为4.3、0.6、0.5和−2.25个/d。表明油菜秸秆覆盖条件下，秸秆还田量的增加不利于水稻移栽后的根系总数量和白根数量增加。

图2 2016年油菜秸秆覆盖和翻埋对水稻根系RCRNT和RCRNW变化规律的影响

试验研究期间（水稻移栽后0～32 d），油菜秸秆翻埋的水稻根系RCRNT值和RCRNW值变化趋势与油菜秸秆覆盖相似，均表现为先降低后增加的趋势（图2）；均在水稻移栽后0～18 d呈降低趋势，在移栽后18～32 d呈增加趋势。水稻根系RCRNT值和RCRNW值均在水稻移栽后14～18 d最低，在移栽后27～32 d最高；均随着秸秆还田量的增加显著降低（<0.05）。表明不论覆盖还是翻埋，油菜秸秆还田量的增加不利于水稻苗期根系总量和白根数量的增加，尤其是在水稻移栽后14～18 d。

油菜秸秆翻埋条件下，水稻移栽后0～18 d，CKR和SR1的水稻根系RCRNT值和RCRNW值显著（<0.05）高于SR2和SR3（图2），CKR和SR1间差异不显著（>0.05），SR2和SR3间差异不显著（>0.05）。水稻移栽后18～32 d，CKR、SR1、SR2和SR3的水稻根系RCRNT值差异不显著（>0.05）；CKR和SR1的水稻根系RCRNW值显著（<0.05）高于SR2和SR3，CKR和SR1间差异不显著（>0.05），SR2和SR3间差异不显著（>0.05）。

2.3 油菜秸秆还田对水稻苗期根系长度的影响

油菜秸秆覆盖条件下，水稻根系RCRLT值和RCRLW值在水稻移栽后0～22 d增加缓慢，在移栽后22～32 d增加迅速（图3）。方差分析结果表明，水稻移栽后0～22 d，油菜秸秆覆盖的水稻根系RCRLT值差异显著（<0.05）；RCRLW值在SM2和SM3处理间差异不显著（>0.05），其他处理间差异显著（<0.05）。与CKM相比，SM1、SM2 和SM3的RCRLT值分别降低了7%、43%和42%；RCRLW值分别降低了18%、28%和32%。水稻移栽后27～32 d，不同覆盖处理的水稻根系RCRLT值和RCRLW值差异均不显著（>0.05）。表明，油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后0～22 d，秸秆还田对水稻根系生长影响显著（<0.05）；在移栽后27～32 d，油菜秸秆还田对水稻根系长度的负向影响显著降低（<0.05）。

油菜秸秆翻埋的水稻根系RCRLT值和RCRLW值变化趋势与油菜秸秆覆盖的变化趋势相似（图3）。均表现为先缓慢增加后迅速增加的趋势；均在水稻移栽后0～22 d缓慢增加，且随着秸秆还田量的增加，水稻根系RCRLT值和RCRLW值显著降低（<0.05）；均在水稻移栽后22～32 d迅速增加，且秸秆还田对RCRLT值和RCRLW值的负向影响程度显著降低（<0.05）。

图3 2016年油菜秸秆覆盖和翻埋对水稻根系RCRLT和RCRLW的影响

2.4 油菜秸秆还田对水稻苗期根系质量和体积的影响

油菜秸秆覆盖的水稻根系RCRVT值和RCRQT值变化趋势相似，均在水稻移栽后0～18 d增长缓慢，在水稻移栽后18～32 d增长迅速（图4）。其中，水稻移栽后0～18 d，CKM、SM1、SM2和SM3的水稻根系RCRVT值分别为0.08、0.05、0.03和0.02 cm3/d；RCRQT值分别为0.53、0.46、0.38和0.35 g/d；水稻移栽后18～32 d，CKM、SM1、SM2和SM3的水稻根系RCRVT值分别为0.51、0.45、0.38和0.37 cm3/d；RCRQT值分别为3.43、2.74、2.44和2.13 g/d。随着秸秆覆盖量的增加，水稻根系RCRVT值和RCRQT值显著（<0.05）降低，表明油菜秸秆覆盖条件下，增加秸秆还田量不利于水稻移栽后根系体积和质量的增加。

油菜秸秆翻埋的水稻根系体积和质量变化趋势与油菜秸秆覆盖相似，均表现为前期增加缓慢后期增加迅速的趋势（图4）；随着秸秆还田量的增加，水稻根系RCRVT和RCRQT值均显著降低（<0.05）。不同的是，翻埋条件下的水稻根系RCRVT值和RCRQT值在移栽后0～22 d增长缓慢，在移栽后22～32 d增加迅速；与油菜秸秆覆盖相比，油菜秸秆翻埋的水稻根系缓慢增长期后延了4 d。表明，与秸秆覆盖处理相比，油菜秸秆翻埋延长了水稻根系缓慢增长期。

图4 2016年油菜秸秆覆盖和翻埋对水稻根系RCRQT和RCRVT的影响

2.5 油菜秸秆还田对水稻根系伤流强度的影响

油菜秸秆覆盖条件下，水稻根系RCRBI值在移栽后14～18 d最低，在移栽后27～32 d最高（图5a）。水稻移栽后14～18 d，CKM、SM1、SM2和SM3的水稻根系RCRBI值分别为0.30、−0.13、−0.46和−0.78mg/(plant·h)，显著低于移栽后0～14 d和22～32 d的RCRBI值（<0.05）。方差分析结果表明，水稻移栽后10～22 d，不同处理的水稻根系RCRBI值差异显著（<0.05）；水稻移栽后22～32 d，不同处理的水稻根系RCRBI值差异不显著（>0.05）。表明，油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后10～22 d，根系伤流强度受到不同程度的影响，其中移栽后14～18 d影响程度最大；移栽后22～32 d，水稻根系伤流强度受秸秆覆盖影响程度显著降低。

油菜秸秆翻埋的水稻根系RCRBI值变化趋势与油菜秸秆覆盖相似，均表现为先降低后增加的趋势；均在水稻移栽后14～18 d最低，在移栽后27～32 d最高（图5b）。不同的是，1）在油菜秸秆翻埋条件下，水稻移栽后10～14 d，CKR、SR1和SR2的根系RCRBI值差异不显著（>0.05），但均显著高于SR3（<0.05）；在油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后10～14 d，CKM和SM1的根系RCRBI值差异不显著（>0.05），SM2和SM3间差异显著（<0.05），均显著低于CKM和SM1（<0.05）。2）在油菜秸秆翻埋条件下，水稻移栽后27～32 d，不同处理的根系RCRBI值差异不显著（>0.05）；在油菜秸秆覆盖条件下，水稻移栽后22～32 d，不同处理的根系RCRBI值差异不显著（<0.05）。表明，与油菜秸秆覆盖相比，油菜秸秆翻埋对水稻根系活力的影响时间更长。

图5 油菜秸秆覆盖和翻埋对水稻根系伤流强度日均变化量（RCRBI）的影响

2.6 油菜秸秆还田、土壤环境和水稻根系生长的相关性分析

随着时间的推移，水稻根系伤流强度与土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量等的相关系数和显著性逐渐降低（表1）。水稻移栽后14～18 d，水稻根系伤流强度与土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量的相关系数分别为0.92、−0.89和−0.95，均达到极显著水平（<0.01）；水稻移栽后27～32 d，水稻根系伤流强度与土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量的相关系数分别为0.02、−0.35和−0.23，其中土壤EH值、还原性物质总量与根系伤流强度间均不显著（>0.05）相关（表1）。表明，土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量等对水稻根系的影响随着时间的推移而逐渐减弱。

水稻移栽后14～18 d，油菜秸秆还田量与土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量的相关系数分别为−0.86、0.89和0.88，均达到极显著水平（<0.01）；水稻移栽后27～32 d，其相关系数分别为−0.25、0.35和0.54。其中，土壤EH值与秸秆还田量间为不显著相关（>0.05），Fe2+质量分数和还原性物质总量与秸秆还田量间为显著相关（<0.05）。表明，秸秆还田量对土壤EH值、Fe2+质量分数和还原性物质总量等的影响在逐渐减弱。

水稻移栽后14～18 d，油菜秸秆还田量与水稻根系总长度、根系总数量和根系总质量的相关系数分别为−0.88、−0.57和−0.89，均达到显著水平（<0.05）；与白根数量、白根长度和根系伤流强度间的相关系分别为−0.86、−0.85和−0.98，均达到极显著水平（<0.01）。水稻移栽后18～22 d，秸秆还田量与水稻根系总长度、根系总数量和根系总质量间的相关系数均为负值且均达到显著水平（<0.05）；秸秆还田量与白根数量、白根长度和根系伤流强度间的相关系数也均为负值且达到显著水平（<0.05）。表明，水稻移栽后14～22 d，油菜秸秆还田量的增加抑制了水稻根系活力和根系生长。水稻移栽后27～32 d，秸秆还田量与水稻根系总长度、根系总数量和根系总质量间的相关系数分别为0.53、0.63和0.65，均达到显著水平（<0.05）；秸秆还田量与水稻白根长度、白根数量和根系活力间的相关系数分别为0.72、0.61和0.60，均达到极显著水平（<0.01）。表明，水稻移栽后27～32 d，秸秆还田量的增加促进了根系的生长。

表1 水稻移栽后不同时期，油菜秸秆还田量、土壤环境和水稻根系生长相关指标的相关性分析

注：RCRNT、RCRQT、RCRLT和RCRVT表示水稻根系数量、质量、长度和体积的日均变化量；RCRNW和RCRLW表示水稻白根数量和长度的日均变化量；RCRBI表示水稻根系伤流强度日均变化量；RCEH、RCRRM和RCFe表示土壤氧化还原电位、还原性物质总量和Fe2+质量分数的日均变化量；STM表示秸秆还田量。*表示<0.05，**表示<0.01。

Note: RCRNT, RCRQT, RCRLTand RCRVTare daily variation of total number, weight, length and volume respectively for rice root; RCRNWand RCRLWare the daily variation of the number and length of white rice root; RCRBIis the daily variation of bleeding intensity of rice root; RCEH, RCRRMand RCFeare the daily variation of soil redox potential, total reducing substances and Fe2+content in soil respectively; STM is amount of straw incorporation. * means<0.05, ** means<0.01.

2.7 油菜秸秆还田对水稻产量的影响

2015年和2016年水稻产量数据表明，随着秸秆还田量的增加，水稻单株有效穗数略有增加，但方差分析结果表明，油菜秸秆全量还田处理（SR2、SM2）的单株有效穗数与秸秆不还田处理（CKR、CKM）间的差异不显著（>0.05）。随着油菜秸秆还田量的增加，水稻千粒质量、结实率和穗着粒数均表现为先增加后降低的趋势（表2），其中SR2和SR3的千粒质量比CKR略高，SM2和SM3的千粒质量比CKM略高，表明，增加油菜秸秆还田量有利于提高水稻的千粒质量；但与SR2相比，SR3的千粒质量略有降低，与SM2相比，SM3的千粒质量略有降低，表明过量油菜秸秆还田不利于水稻千粒质量的增加。油菜秸秆还田处理（SR1、SR2和SR3；SM1、SM2和SM3）的结实率比不还田处理（CKR和CKM）略高，表明，油菜秸秆还田有利于提高水稻的结实率；但与SR2相比，SR3的结实率略有降低，与SM2相比，SM3的结实率略有降低，表明，油菜秸秆过量还田不利于水稻结实率的提高。穗着粒数的变化规律与千粒质量和结实率相似，但方差分析结果表明，SR2和SR3的穗着粒数差异不显著（>0.05），SM2和SM3的穗着粒数差异不显著（>0.05）。

与油菜秸秆覆盖处理（SM1、SM2和SM3）相比，油菜秸秆翻埋处理（SR1、SR2和SR3）的单株有效穗数、千粒质量和穗着粒数略有增加，其中，单株有效穗数、千粒质量和穗着粒数在2015年分别增加了0.11、0.04 g、2.52粒，在2016年分别增加了0.75、0.01 g、1.04粒。与油菜秸秆覆盖处理，油菜秸秆翻埋处理的结实率在2015年增加了0.01，在2016年没有增加。

表2 不同油菜秸秆还田处理的水稻产量比较

3 讨 论

3.1 油菜秸秆还田对稻田土壤环境的影响

淹水条件下，秸秆腐解需要消耗大量化学氧来维持腐解过程，因此，秸秆还田后稻田水体化学耗氧量比不还田提高1～3倍[23]。本研究表明，油菜秸秆覆盖还田和翻埋还田都会导致稻田土壤EH值降低，且随着秸秆还田量的增加，EH值降低幅度增加（图1）。在低EH值环境下，土壤中的铁和锰等金属元素以低价态形式大量溶解于土壤溶液中，同时，土壤中的氧化性有机酸会大量转化为还原性有机酸[24]，土壤还原性物质总量显著提高[25-26]。随着油菜秸秆还田量的增加，土壤还原性物质总量和活性还原性物质质量分数显著提高（<0.05）（图1），油菜秸秆还田条件下，稻田大量化学氧被消耗，导致土壤还原性物质总量和活性还原性物质质量分数显著提高（<0.05）。本研究表明，油菜秸还田条件下，水稻移栽后10～22 d，土壤RCEH值较低，RCRRM和RCFe值较高。水稻移栽后27～32 d，土壤RCEH值开始缓慢增加，RCRRM和RCFe值开始缓慢降低，这可能是由于水稻移栽后10～22 d，油菜秸秆处于快速腐解期，对土壤化学氧消耗较多；水稻移栽后27～32 d，油菜秸秆腐解速率下降，对土壤化学氧消耗量显著减少所致。表明，油菜秸秆还田条件下，稻田土壤环境受秸秆腐解过程的影响。

间歇灌溉可以有效增加土壤氧气质量分数[27-28]，进而对秸秆腐解过程所消耗的化学氧进行补充，减缓秸秆腐解对土壤氧化还原电位的影响；改变油菜秸秆还田条件下稻田肥料运筹措施，能有效调控土壤C/N比[29-30]，进而影响秸秆腐解进程。因此，油菜秸秆还田条件下，改变稻田水肥运筹管理措施，可以有效改变或缓解油菜秸秆还田对土壤环境的不利影响。

3.2 油菜秸秆还田对水稻苗期根系生长及产量的影响

相关研究表明，油菜秸秆还田后，水稻返青期与分蘖期分别推迟1～2 d，在个别年份甚至出现坐蔸现象，稻谷产量显著降低[13-17]。本研究表明，随着油菜秸秆还田量的增加，水稻苗期根系RCRNT（图2）、RCRLT（图3）、RCRQT和RCRVT（图4）显著降低（<0.05），油菜秸秆还田降低了水稻苗期根系数量、长度、质量和体积的增加速度；随着油菜秸秆还田量的增加，水稻根系RCRNW（图2）、RCRLW（图3）和RCRBI（图5）等显著降低（<0.05），油菜秸秆还田导致水稻苗期根系活力下降，进而影响返青和分蘖。这与杜康等[29]的研究结果相似。

秸秆还田对土壤速效氮有一定的缓冲和调节作用，前期秸秆腐解较快[31-32]，需要环境提供大量氮源，容易发生生物争氮现象[2]；后期随着秸秆营养成分的释放，土壤速效氮、速效磷、钾的质量分数显著提高（<0.05），水稻分蘖数等显著增加[33-34]。本研究表明，油菜秸秆还田条件下，水稻苗期根系受土壤氧化还原电位、还原性物质总量和Fe2+质量分数等因素的影响，根系总量（数量、长度、质量和体积）增加缓慢，根系活力（白根数量、白根长度和伤流强度）较低；后期根系总量和根系活力显著提高（<0.05）（图2-5）。这与王麒等[35]的研究结果相似。

油菜秸秆还田条件下，水稻根系RCRNT、RCRQT、RCRLT和RCRVT等统计参数在水稻移栽后10～22 d最低，在移栽后27～32 d开始缓慢升高。相关性分析结果表明，水稻根系RCRNT、RCRQT、RCRLT和RCRVT等参数在水稻移栽后10～22 d，与土壤RCEH、RCRRM和RCFe呈显著负相关（<0.05），与秸秆还田量为显著负相关（<0.05）；在移栽后27～32 d，与土壤RCEH、RCRRM和RCFe为不显著相关（>0.05），与油菜秸秆还田量为显著正相关（<0.05）（表1）。表明，水稻移栽后10～22 d，土壤氧化还原电位、还原性物质总量和Fe2+质量分数等对水稻根系生长的影响显著，但随着时间的推移影响逐渐减弱，后期（水稻移栽后27～32 d）影响最小。

秸秆还田对水稻产量的影响包括两方面，1）前期秸秆还田产生的还原性土壤环境导致水稻生长受到抑制，分蘖速度下降；2）后期秸秆腐解释放的氮磷钾等营养成分，促进水稻分蘖和成穗。因此秸秆还田条件下水稻产量是前期负面效应和后期正面效应的综合结果。王红妮等[13]研究结果表明，低温潜沼性稻田长期处于厌氧条件，秸秆还田后的腐解过程加剧了土壤中还原性物质积累，因此在低温潜沼性稻田大量秸秆还田后稻谷产量显著降低；戴志刚等[12]研究表明油菜秸秆还田条件下，油菜秸秆腐解所释放的氮磷钾等营养元素有利于水稻产量提高。与油菜秸秆不还田相比，油菜秸秆覆盖和翻埋均有利于稻谷产量的增加，其中全量油菜秸秆还田增产幅度最大，其次为超量秸秆还田，这表明油菜秸秆还田释放养分对产量的正效应大于其前期厌氧腐解所产生的负效应。与覆盖相比，翻埋条件下，油菜秸秆养分释放缓慢，病虫害残留较少，能显著改善土壤养分供给[33-34]。本研究表明，与油菜秸秆覆盖处理相比，油菜秸秆翻埋处理的单株有效穗数、千粒质量和穗着粒数略有增加。基于以上研究结果，我们建议四川油稻两熟轮作系统的油菜秸秆还田量以全量还田为宜，适宜机械作业的田块以翻埋还田为宜，同时在水稻生长前期要注意增加氮肥施用量，促进秧苗返青早发。

4 结 论

油菜秸秆还田（覆盖和翻埋）条件下，稻田土壤环境受秸秆还田量及腐解过程影响。水稻移栽后10～14 d，土壤还原性物质总量日均变化量（RCRRM值）达到最大（0.28～0.62 cmol/(kg·d)），移栽后14～22 d，土壤Fe2+质量分数日均变化量（RCFe）值达到最大（5.0～31.6g/(kg·d)）。油菜秸秆覆盖和翻埋条件下，稻田土壤氧化还原电位（RCEH）值均表现为先降低后增加的趋势，随着秸秆还田量的增加，RCEH值显著降低（<0.05），RCRRM、RCFe值显著升高（<0.05）；其中与秸秆覆盖相比，秸秆翻埋对稻田土壤环境的影响时间更长。

油菜秸秆还田（覆盖和翻埋）条件下，水稻根系受秸秆还田量影响。油菜秸秆覆盖和翻埋条件下，随着秸秆还田量的增加，水稻根系总量（数量、质量、体积和长度）和根系活力（白根数量和伤流强度）显著降低（<0.05），与秸秆覆盖相比，秸秆翻埋对水稻根系的影响时间更长，水稻根系缓慢增长期后延了4 d。随着时间的推移，秸秆还田对土壤环境和水稻根系生长的负影响逐渐减弱，促进作用逐渐提高。在四川油稻两熟区，油菜秸秆还田量以全量还田为宜，适宜机械作业的田块以油菜秸秆翻埋还田为宜，同时在水稻生长前期要注意增加氮肥施用量，促进秧苗返青早发。

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Effect of straw incorporated into soil on reducibility in soil and root system and yield of rice

Wang Hongni1,2, Wang Xuechun2, Huang Jing2, Li Jun1※, Hu Yungao2

(1.,,712100,;2.,,621010,)

There is great meaning to research the effect of oil-seed rape straw incorporation on reducing material change in soil and the growth of rice root, with the objective of founding reasonable filed management for straw incorporation technology, by investigating the reason why rice growth was slow under the condition that oil-seed rape straw was retuned into the rice field. By field experiment and simulation experiment, this paper analyzed the dynamic change of the potential of oxidation-reduction (EH), and the reducing material and Fe2+content in rice field, and investigated the dynamic change of root number, root weight, root volume, root length and root bleeding intensity. The results showed that: 1) The daily mean variation of potential of oxidation-reduction (RCEH) had a trend of ascending after descending, and the lowest value was found after 14-18 d of rice planting, while the values of daily mean variation of reducing material (RCRRM) and Fe2+(RCFe) performed a trend of ascending and then descending, with the highest RCRRMvalue after 10-14 d of rice planting and the highest RCFevalue after 14-22 d of rice planting. 2) Under the condition that oil-seed rape straw was incorporated into the rice field, with the increasing of oil-seed rape straw incorporation amount, rice number, rice weight, rice volume, rice length, white root amount and root bleeding intensity increased significantly. Compared with straw mulching method, the affecting period of straw incorporation on the daily mean variation of root bleeding intensity (RCRBI) under straw ploughing method was longer; the slow grow period of rice root system extended by 4 days under straw ploughing method. 3) After 10-22 d of rice planting, there was negative correlation between rice root growth (daily mean variation of (RCRNT, RCRQT, RCRLTand RCRVT) and soil environment (RCEHvalue, RCRRMvalue and RCFevalue) and negative correlation between rice root and straw incorporation amount; after 27-32 d of rice planting, there was a positive correlation between rice root and soil environment and also a positive correlation between rice root and straw incorporation amount. As the time went on, the impacts of straw incorporation on root growth of rice became less and less, and after 27-32 d of rice planting, its impacts decreased significantly. The conclusions are as follows: Under the condition that oil-seed rape straw is incorporated into the rice field, with the increase of straw incorporation amount, the Eh decreases significantly, while the reducing material and Fe2+content increase significantly; rice root (number, weight, volume and length), white root (number and length) and root bleeding intensity decrease significantly during seedling stage of rice. As the time goes on, the impacts of straw incorporation on root growth of rice become less. The affecting period of straw incorporation on soil environment and root growth with straw ploughing method is longer than straw mulching method, and incorporating oil-seed rape straw into soil with ploughing method is better than straw mulching method for rice yield. Under the condition that is feasible to use agricultural machine, ploughing method is a better method to return oil-seed rape straw into field.

soils; straw; roots; rice; straw incorporation; Sichuan province

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.015

S151.9+3; S31

A

1002-6819(2017)-20-0116-11

2017-03-31

2017-10-17

国家自然基金项目（31401347；31601269）；国家粮食丰产增效科技创新项目（2016YFD0300210）；四川省育种攻关项目(2016NYZ0028）；水稻生物学国家重点实验室项目（160202）联合资助

王红妮，博士生，主要从事作物抗逆高产栽培研究。 Email：450374939@qq.com

※通信作者：李军，博士，教授，博士生导师，主要从事农业生态、高效农作制度、作物系统模拟研究。Email：junli@nwsuaf.edu.cn

王红妮，王学春，黄 晶，李 军，胡运高. 秸秆还田对土壤还原性和水稻根系生长及产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：116－126. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.015 http://www.tcsae.org

Wang Hongni, Wang Xuechun, Huang Jing, Li Jun, Hu Yungao. Effect of straw incorporated into soil on reducibility in soil and root system and yield of rice [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 116－126. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.015 http://www.tcsae.org