秸秆还田与栽插方式对水稻根系生长及产量的影响

何 艳，严田蓉，郭长春，李 娜，彭志芸，唐 源，马 鹏，余华清，孙永健，杨志远，马 均

（1. 四川农业大学水稻研究所，温江 611130； 2. 作物生理生态及栽培四川省重点实验室，温江 611130）

0 引 言

根系在水稻生长发育过程中起着重要作用，一方面它直接从土壤中摄取养分供水稻生长，另一方面它也是影响水稻生长发育的某些氨基酸和激素等生理活性物质合成的重要场所[1]，水稻根系生长发育状况对产量形成有重要影响，在一定范围内单茎根质量大、粗壮、长度长、扎根深、活性高、衰老慢有利于高产[2]，但过于庞大的根系会大量消耗地上部同化产物，反而不利于高产形成。水稻根系生长发育除品种间基因型差异外，还与生产管理措施密切相关。人工移栽稻根系入土较深、粗壮、活性强，单茎优势较大，机插稻单茎根系入土较浅、根较细，活性较弱，但群体优势明显[2]。前人研究表明秸秆还田主要对土壤养分[3-4]、pH值、水分含量、土壤团粒结构和容重[5]等发挥作用，进而影响水稻根系生长发育和产量形成。秸秆还田前期，若土壤氮素匮乏，则微生物分解秸秆耗氮会与植株争氮，释放的有机酸等对根系亦有毒害，导致水稻苗期根系及地上部生长均受到抑制，甚至发生僵苗现象[6-7]。秸秆还田后期养分大量释放，与根系共生的细菌大量繁殖提高了养分的有效性，促进土壤团聚体形成，提高其有效性，有效改善土壤通气条件，降低白天地表温度，为根系生长创造适宜的环境[5]，最终促进水稻中后期根系以及地上部生长发育[8-10]。秸秆还田对水稻抑制或促进作用的发生时间及程度与生产管理措施、气象条件息息相关，前人对单一秸秆还田方式与水稻栽插方式结合的研究导致稻田秸秆还田综合效应的公开报道存在较大差异[11-13]。杜康等[14]通过盆栽试验研究不同栽插方式间的对比显示：秸秆翻埋还田抑制了移栽后20 d人工移栽和机插稻栽秧苗生长，且机插稻僵苗现象较人工移栽严重。而秸秆覆盖与翻埋还田在土壤中的分布、与土壤接触程度等不同，导致其腐解速率及对水稻根系生长及产量形成的影响亦可能存在较大差异。本试验研究2种栽插方式水稻在3种秸秆还田方式下的根系生长发育和产量形成特点，以期筛选出能实现四川稻区水稻高产稳产的最优秸秆还田和栽插方式组合，为该地区农田秸秆废弃物利用、稻田土壤培肥及水稻高产稳产提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验以F优498为试验材料，于2016、2017年在成都温江四川农业大学水稻研究所试验田进行（N30°44′，E103°52′），2016年前茬为马铃薯，2017年前茬为小麦。供试土壤为砂壤土，2 a 0～20 cm土壤基础理化性质见表1。水稻生长期间旬平均温度和降雨量见图1。

表1 土壤基础理化性质（0～20 cm）Table 1 Soil basic physicochemical properties（0-20 cm）

图1 2016－2017水稻生长季平均气温和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during growth seasons of rice in 2016－2017

1.2 试验设计

试验采用 2因素裂区设计，主区设置秸秆不还田（M0）、覆盖还田（M1）和翻埋还田（M2）3种还田方式，副区为人工移栽（C1）和毯苗机插（C2）2种栽插方式，共6个处理，3次重复，18个小区，每小区19.38 m2。

以2013－2015年四川小麦平均产量为依据，本试验全量还田的小麦秸秆质量为 5 000 kg/hm2（含水率13.5%），整田前将小麦秸秆切割为5～10 cm的小段。覆盖还田：移栽后1 d将麦秆均匀覆于人工移栽和毯苗机插行间；翻埋还田：整田时将麦秆均匀覆于土表，用旋耕机旋入土中。机插秧使用塑料毯状育秧盘育秧，每盘播种75 g，育秧方式与人工移栽相同，均为旱育秧，于4月16日播种，5月20日移栽。人工移栽和毯苗机插栽插规格采用四川地区的高产栽培密度和行穴距，人工移栽行穴距为33.3 cm×16.7 cm，单本栽插，栽插密度为18.1万株/hm2；毯苗机插采用东洋 PF455S四行插秧机，行穴距为30 cm×16 cm，每穴1～3株，栽插密度为20.8万穴/hm2。人工移栽及毯苗机插主要生育时期见表2。

表2 不同栽插方式下水稻主要生育时期Table 2 Main growth stages of rice under different cultivation methods

氮肥（纯氮）用量为135 kg/hm2，按基肥：蘖肥：促花肥：保花肥=3:3:2:2的比例施用。其中，基肥于移栽后1 d施用，蘖肥于移栽后7 d施用，穗肥（促花肥和保花肥）分别在倒4叶期和倒2叶期施用。磷肥（过磷酸钙）用量为P2O590 kg/hm2，作基肥一次施入；钾肥（氯化钾）用量为K2O 150 kg/hm2，施用比例为基肥∶穗肥=7:3，穗肥在倒 4叶期施用。各小区间田埂均用薄膜包覆，以防水肥互串，水分及病虫害等管理按常规田间管理进行。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 根系干质量及根冠比

于分蘖盛期、拔节期、齐穗期和成熟期按平均茎蘖数每小区取生长一致稻株3穴。分根、茎鞘、叶和穗（齐穗期和成熟期）后，105 ℃下杀青1 h，75 ℃烘干至恒质量，分别称质量，计算单茎及群体地下部、地上部干质量和根冠比。

1.3.2 根系形态指标

于分蘖盛期、拔节期、齐穗期和成熟期，采用原状土柱法取根，各小区按平均茎蘖数取代表性植株 3穴，分别置于尼龙网袋中先在流水中浸泡再冲洗，获得完整根系，用Epson Expression 10000XL 扫描仪进行图像扫描，再用WinRHIZO根系分析系统对图像进行分析，测定平均根系直径、单穴总根长、根数、根表面积、根体积，并计算出单茎根数和根长、群体根数、根长、表面积和体积。其中群体(根数、根长、表面积、体积)=单茎(根数、根长、表面积、体积)×平均茎蘖数×基本苗。

1.3.3 根系伤流量的测定

于水稻拔节后15 d（孕穗期）、齐穗期、齐穗后15 d和成熟期19:00，每小区按平均茎蘖数选择生长一致的水稻植株2穴，从距离地面7～10 cm横割茎秆，用已称质量的脱脂棉覆盖切口并压实，用橡皮筋和保鲜袋包裹，于第2天上午07:00取回并称质量，单茎伤流强度（mg/h）=单株总伤流量（mg）/（平均茎蘖数×12 h）。

1.3.4 产量及其构成因素

成熟期每小区随机调查30穴稻株的有效穗数，再按平均有效穗数取 5穴，考查每穗粒数、结实率、千粒质量等性状。收获时各小区去边行，按实收穴数计产，并计算产量变化率，产量变化率=（还田后产量-秸秆不还田产量）/秸秆不还田产量。

1.4 统计与分析

采用Microsoft Excel 2016统计数据，DPS 7.05数据处理软件进行数据统计分析，用最小显著差数法（LSD）分析不同处理间平均数在P＜0.05的差异显著性。结果与分析中，对于主区（秸秆还田处理）之间的分析均是平均值之间的比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与栽插方式对根系干质量及根冠比的影响

由表 3可知，单茎和群体根系干质量先增后减，齐穗期达到最大，根冠比则从分蘖盛期至成熟期逐渐下降。与秸秆不还田（M0）相比，秸秆覆盖还田（M1）显著提高了齐穗期群体根系干质量、成熟期单茎和群体根系干质量以及根冠比，翻埋还田（M2）则显著提高了分蘖盛期至齐穗期单茎根系干质量、拔节期至齐穗期群体根系干质量以及拔节期至成熟期根冠比（成熟期根冠比 2017年差异不显著），表明翻埋还田在促进分蘖盛期至齐穗期根干质量增加方面占优势，覆盖还田则能更有效地减缓水稻生育后期根系衰老。

不同栽插方式间，分蘖盛期各秸秆还田方式下、拔节期覆盖还田处理下以及成熟期秸秆不还田和秸秆覆盖还田处理下单茎根系干质量均为人工移栽（C1）＞毯苗机插（C2）（P＜0.05）。从群体根系干质量来看，除翻埋还田外，分蘖盛期人工移栽＞毯苗机插（P＜0.05）；2016年齐穗期则为人工移栽＜毯苗机插，成熟期2016年覆盖还田和2017年翻埋还田处理下相当，其余均为人工移栽＞毯苗机插（P＜0.05）。从根冠比来看，分蘖盛期各秸秆还田处理下、拔节期翻埋还田处理下及齐穗期秸秆还田处理下均为人工移栽＜毯苗机插（P＜0.05），成熟期人工移栽和毯苗机插相当（P＞0.05）。综上可知，与毯苗机插相比，人工移栽水稻前期单茎根干质量更大，同时在成熟期亦可保持较大的单茎和群体根系干质量，毯苗机插在分蘖盛期至齐穗期根冠比较大，这种差异在翻埋还田处理下更明显。

表3 不同秸秆还田和栽插方式下水稻根系干质量和根冠比的差异Table 3 Effects of cultivation methods on root dry weight and root-shoot ratio of rice under different straw returning methods

2.2 秸秆还田与栽插方式对根系形态指标的影响

由表4和表5可知，与秸秆不还田相比，秸秆还田间各时期根系直径差异均不显著，秸秆还田抑制了分蘖盛期（除根系直径）根系的生长，其单茎根数、群体根数、群体根长和表面积均显著减少；拔节期 2种还田方式对单茎根数的促进作用均达显著水平，单茎根长和群体根系体积仅在翻埋还田处理下显著增加（P＜0.05）；齐穗期翻埋还田单茎和群体根系指标均显著高于覆盖还田（除 2017年群体根系表面积）和秸秆不还田，此外覆盖还田群体根系表面积和体积显著大于秸秆不还田，此时根系总量达到最大，随着生育进程的推进，根系开始衰老，翻埋处理下根系衰老更快，成熟期单茎根数和群体根数表现为覆盖还田＞翻埋还田（P＜0.05）。

从不同栽插方式来看，分蘖盛期人工移栽稻根系较毯苗机插粗，在覆盖还田处理下人工移栽单茎根数、单茎根长及群体根数与毯苗机插相当，其余单茎和群体根系形态指标均显著优于毯苗机插。拔节期人工移栽直径在秸秆覆盖和翻埋还田处理下均显著大于毯苗机插，齐穗期直径（除 2017年覆盖还田处理）表现为人工移栽＞毯苗机插（P＜0.05），群体根数、群体根系表面积和群体根系体积在秸秆翻埋还田处理下均为毯苗机插＞人工移栽（P＜0.05）。成熟期在翻埋还田处理下各根系指标（群体根数除外）、覆盖还田处理下单茎根长和群体根系表面积及秸秆不还田处理下单茎根数、单茎根长、群体根系表面积（2016年除外）和群体根系体积均为人工移栽＞毯苗机插（P＜0.05）。表明毯苗机插分蘖数多，齐穗期时其单茎和群体根系优势显著，但其根细且衰老快。以上可见，对人工移栽稻而言，覆盖还田有利于齐穗期根系的生长，且能延缓花后根系衰老，而对机插稻来说，翻埋还田更有利于其齐穗期根系生长。

表4 不同秸秆还田和栽插方式对分蘖盛期和拔节期根系形态指标的影响Table 4 Effects of wheat straw returning methods and cultivation methods on root morphology traits at active tillering stage and jointing stage

表5 不同秸秆还田和栽插方式对齐穗期和成熟期根系形态指标的影响Table 5 Effects of wheat straw returning methods and cultivation methods on root morphology traits at full heading stage and maturing stage

2.3 秸秆还田与栽插方式对单茎根系伤流强度的影响

由表 6可知，齐穗之后单茎伤流强度整体呈下降趋势，与秸秆不还田相比，秸秆覆盖还田显著促进了拔节后15 d，齐穗后15 d及成熟期单茎伤流强度，且其伤流强度最大，齐穗期则是翻埋还田伤流强度最大。

从不同栽插方式来看，拔节后15 d（除翻埋还田处理）和齐穗期，人工移栽伤流强度显著大于毯苗机插；人工移栽在齐穗至齐穗后15 d伤流强度下降较快，齐穗后15 d至成熟期则是毯苗机插根系衰老更快，成熟时人工移栽单茎伤流强度（除2016秸秆不还田处理）均显著大于毯苗机插。

表6 秸秆还田方式与栽插方式下水稻单茎根系伤流差异Table 6 Effects of straw returning and cultivation methods on root bleeding per stem of rice mg·h-1

2.4 秸秆还田与栽插方式对产量及其构成的影响

由表7可知，秸秆还田提高了水稻产量（平均3.5%），其中覆盖还田处理增产（4.62%～4.73%）略高于翻埋还田（0.69%～3.98%）。不同栽插方式间，虽然机插稻有效穗数有优势，但人工移栽稻每穗粒数优势更明显，总颖花量更大（除2016年秸秆不还田处理），产量更高。秸秆还田后人工移栽水稻均实现增产（2.03%～9.81%），且以覆盖还田表现最佳，而机插稻产量则是增减并存（-6.00%～1.30%）。

2.5 根系指标与产量及其构成因素的相关分析

单茎根系指标（单茎根长与根数），群体根系指标（群体根长、根数、体积、表面积）分别与产量及其构成因素相关规律一致，分别以单茎根长和群体根长代表单茎根系指标和群体根系指标，此外根系与结实率和千粒质量的相关分析整体相关性不显著故不进行详细分析。由表8可知，分蘖盛期单茎根干质量、群体根干质量和直径分别与每穗粒数、总颖花量、产量呈显著正相关，根冠比与有效穗数呈显著正相关，而与每穗粒数、总颖花量显著负相关，单茎和群体根长与有效穗呈显著负相关。拔节期单茎根干质量、群体根干质量及单茎总根长与产量呈显著正相关，与每穗粒数和总颖花量呈不同程度的正相关，直径与有效穗呈显著正相关。齐穗期群体根干质量、根冠比与有效穗呈显著正相关，此外根冠比与每穗粒数、产量呈显著负相关，根系直径与每穗粒数呈显著正相关，群体根长与总颖花量呈显著正相关。成熟期单茎根干质量、群体根干质量、单茎总根长及群体总根长与每穗粒数、总颖花量和产量呈显著正相关，其中单茎根干质量和单茎总根长与有效穗呈显著负相关。可见分蘖盛期单茎和群体根干质量越大、根冠比小和根系直径大有利于水稻前期地上部生长，壮秆的形成，促进了颖花的形成与分化。成熟期根干质量、根系单茎和群体根系形态指标越大，表明齐穗后根系衰老越慢，越有利于灌浆的进行，进而提高每穗粒数和总颖花量，保证了产量的提高。

表8 根系性状与产量及其构成因素的相关关系Table 8 Correlations between root traits and grain yield and yield components

3 讨 论

3.1 秸秆还田和栽插方式对水稻根系生长的影响

秸秆腐解前期微生物生长繁殖与水稻争氮会导致苗期根系生长慢、活性弱，养分吸收少，进而抑制苗期水稻生长导致僵苗；后期秸秆养分大量释放，补充水稻养分需求[15]，提高稻株抽穗期根系伤流强度[10]，增加了成熟期表土层根系总长、根系总表面积和根尖数量，促进抽穗期和成熟期群体干物质积累[16]。徐国伟等[17]研究表明秸秆还田后虽然根系分泌物中柠檬酸含量降低，但苹果酸、琥珀酸及草酸等含量的增加提高了有机酸总量及氨基酸含量，促进根系活力增长。本研究表明，秸秆还田对根系生长的影响表现为前抑后促，抑制分蘖盛期根系的生长，有利于拔节期至成熟期根系的生长。在齐穗期，翻埋还田处理水稻根系生长发育更具优势，齐穗后15 d至成熟期则是覆盖还田处理水稻根系活力更强，其单茎和群体根系形态指标均优于翻埋还田。这可能是由于与覆盖还田相比，翻埋还田秸秆在0～20 cm土层中分布均匀，有效增大土壤孔隙度，减小根系扩展阻力，拓展其生长空间；此外，翻埋秸秆腐解迅速，养分释放快，为根系生长提供较充足养分，故翻埋还田处理水稻齐穗期根量优势最大；覆盖还田秸秆仅分布在土壤表面，秸秆分解形成的有机物质缓慢进入土壤[18]，养分供应虽缓慢但持久，故覆盖还田在减缓后期根系衰老方面作用更突出。

李杰等[2]认为相比于人工移栽，机插稻根系直径小、根系分布浅，抽穗后单茎和群体根系干质量低、下降快，单茎根系总长和伤流强度小。本研究表明，与毯苗机插相比，人工移栽稻各生育时期根系均较粗，分蘖盛期和成熟期单茎和群体根系形态指标更优，单茎和群体根系干物质量大，根冠比小，各时期（除齐穗后 15 d）单茎活力强；毯苗机插具有后发优势，分蘖盛期至拔节期其根系生长加速，尤其是秸秆翻埋条件下，齐穗时根系形态指标和群体干物质量均较人工移栽稻有优势，但单茎根系活力较差（除齐穗后15 d）。从根系理化性质来看，毯苗机插后发根系较细，衰老快，单茎伤流强度小，根系生理年龄大[19]，对产量形成不利，反之人工移栽后期根系衰老慢，库大而源足，有利于提高产量，故对毯苗机插而言，应调控其分蘖的发生，减少无效分蘖数量，进而协调好单茎和群体、地上部和地下部根系的生长以促进机插稻增产。

对人工移栽稻而言，覆盖秸秆还田除了促进其孕穗期根系的生长外，其缓慢释放的养分大大延缓了根系的衰老速度，满足了人工移栽稻发挥其穗大粒多优势的需求，产量增长显著。对毯苗机插稻而言，秸秆翻埋还田更有利于其孕穗期根系生长，但秸秆翻埋还田前期对根系生长及分蘖发生的抑制作用较强，对于更多依靠穗数获取高产的毯苗机插稻来说，抑制作用会表现得更加明显，导致产量降低。

3.2 秸秆还田和栽插方式对产量的影响

小麦秸秆腐解前期微生物大量繁殖，秸秆释放的有机酸及土壤中大量繁殖的微生物争氮，抑制了苗期水稻的生长以及分蘖的发生，而后期秸秆腐解释放的养分可促进水稻中后期的生长，这种秸秆腐解前期的负效应与腐解后期养分供给的正效应共同决定了其对产量的贡献大小[20]，但前人研究秸秆还田对水稻产量的影响不尽一致[4,12,21]：张磊等[11]研究表明翻压还田增产效果明显优于覆盖还田，而黄晶等[22]则认为尽管小麦秸秆覆盖还田有效穗数低于秸秆翻埋还田，但其可获得较多每穗实粒数和较高的千粒质量，产量较高。本研究结果表明，2 a试验中秸秆还田后产量均有所增加，且覆盖还田产量高于翻埋还田。另外，本研究中水分管理采用常规灌溉模式，田面长期保持水层，土层处于厌氧环境，尽管翻埋还田与土壤接触程度大，但微生物活动和酶活性降低，秸秆腐解速度变慢；而覆盖还田下表层温度、水分和通气均较适宜，微生物活动和酶活性增加，秸秆腐解速度变快，缩小了覆盖还田和翻埋还田下秸秆养分释放的差距[23]。同时，覆盖还田秸秆腐解释放的养分主要集中于土壤表面，再缓慢进入土壤以供水稻植株对养分的长期利用，有利于水稻的灌浆结实。不同秸秆还田方式对土壤养分的影响也存在差异，据刘鹏程等[24]研究表明，翻压还田有利于增加土壤有机质含量，改善土壤品质；而覆盖还田则有利于提高土壤肥力和土壤养分释放，供给水稻吸收的养分增加，最终覆盖还田后期养分供应的正效应高于翻埋还田，产量较高。

此外，本研究也表明在结实率和千粒质量差异不大的条件下，尽管毯苗机插有效穗数多，但其每穗粒数过低，产量较低，这与王春雨等[25]和刘波等[26]研究结果一致。人工移栽在秸秆覆盖还田下的产量高于翻埋还田，而机插稻在秸秆还田条件下主要表现为减产。这可能是由于机插稻栽插时伤根重，秸秆还田后也影响了前期根系生长，根系活力低，妨碍了水稻分蘖的早生多发[27]，导致了机插稻分蘖发生晚，低位分蘖减少，高位分蘖增加[28]，机插稻单茎弱，穗小且粒少，即使有效穗数多也难以弥补库容的不足，造成机插产量增减并存。反之，人工移栽根系发生良好，衰老慢，对覆盖还田缓慢进入土层的养分利用更加充分，两者结合能够实现稳产增产。

综上可知，秸秆还田可增加人工移水稻产量，且覆盖还田增产效果更明显，但对机插稻产量的影响不尽一致。从根系角度来看，机插稻在搭配秸秆还田时（尤其是翻埋还田），栽培管理上首先应保证较高的水稻秧苗素质，缩短水稻返青时间；其次可增施基蘖肥或干湿交替灌溉，减少秸秆腐解时的微生物争氮效应和还原性有害物质的毒害效应；再结合适时（群体茎蘖数达到预计穗数的70%～90%）适度晒田，防止无效分蘖的大量发生[29]，促进壮秆和大穗的形成；最后，在抽穗灌浆结实阶段进行干湿交替灌溉，保证土壤湿润，延缓根系衰老，以延长叶片功能期，促进灌浆结实。

3.3 根系生长与产量的相关性

李杰等[2]研究表明，水稻产量与单茎根长度、根直径、根干质量及抽穗后伤流强度和吸收面积显著或极显著正相关。本研究表明分蘖盛期、拔节期及成熟期根系干质量越大越有利于库容量的增大进而提高产量，分蘖盛期根系数量多、长度大有利于有效分蘖的发生和生长，而拔节期较优的根系形态有利于每穗颖花的增加进而实现增产。秸秆还田通过提高根系干质量、优化根系形态实现总颖花量的提高，进而提高产量，其中覆盖还田处理水稻生育后期单茎根系干质量、单茎和群体根数最大，根系衰老缓慢，总颖花量和穗粒数最高，产量最具优势。对不同栽插方式而言，人工移栽稻秧苗素质好，返青快，前期单茎根系干质量和根系形态指标均较优，籽粒灌浆期仍保持较大的单茎和群体根系干质量及单茎根长和根数，群体总颖花量大，产量高。毯苗机插稻虽然在有效穗数上优势显著，但由于其前期和后期单茎根系干质量和单茎根系指标均较差，导致其每穗颖花数量不足，总颖花量和产量表现较差。

综上可知，秸秆还田通过提高根系干质量、优化根系形态来扩大群体库容量，实现产量增长，其中覆盖还田优势更显著。人工移栽稻根系早生快发，分蘖盛期根干质量和群体根系指标较优；成熟期根干质量、单茎和群体根系指标亦具明显优势，根系衰老慢，最终实现高产。

4 结 论

秸秆还田条件下，毯苗机插多呈减产趋势，且产量显著低于人工移栽稻，后者均实现增产，且以覆盖还田效果最佳。就水稻根系而言，秸秆还田对根系生长的影响表现为前抑后促，抑制分蘖盛期根系生长，促进拔节期及之后根系的生长。人工移栽稻移栽后发根早而快，前期单茎根系干质量大，齐穗之后根系衰减慢，单茎伤流强度大，是其实现高产稳产的关键。在秸秆还田条件下，如何减少甚至消除前期秸秆分解对群体分蘖发生的不利影响是实现毯苗机插与秸秆还田有机结合的关键。覆盖还田与人工移栽互作下的水稻根系前期生长好、干质量大，后期根系衰老慢、单茎根系活力强，产量最高。与秸秆不还田相比，秸秆还田平均使水稻增产3.50%，与人工移栽互作的增产率为2.03%～9.81%，与毯苗机插互作的增产率为-6.00%～1.30%，其中又以秸秆覆盖还田与人工移栽互作增产效果最佳。