稻草覆盖还田对直播冬油菜生长及养分积累的影响

2019-07-13王昆昆刘秋霞李小坤鲁剑巍丛日环

植物营养与肥料学报 2019年6期

王昆昆，刘秋霞，朱芸，李小坤，任涛，鲁剑巍，丛日环

（华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北武汉 430070）

油菜是我国重要的油料作物，长江流域历来是我国冬油菜主产区，种植面积及总产占全国油菜种植总量的85%[1]。该地区80%的油菜前茬为水稻，考虑到稻草还田在改善土壤环境和培肥土壤方面的优势以及长江中下游地区稻草资源量大的现实，以及稻草覆盖还田在保水、保温和培肥地力方面的明显作用，其可以作为保护性耕作的一种措施[2]。进行稻草还田不仅有可能促进油菜的生长，也可以合理利用过剩的稻草，达到一举两得的效果。大量研究表明，稻草覆盖还田除了能够培肥土壤、提高作物产量外，还可以抑制土面水分无效蒸发，达到蓄水保墒、提高水分利用效率的效果[3-8]，同时在低温条件下能够缓解低温冻害，保证作物安全越冬[9]。稻草覆盖还田还能有效抑制杂草生长，增加土壤微生物数量，提高土壤酶活性[10]。Su等[6]研究结果显示，稻草覆盖还田提高油菜产量18.1%，氮、磷和钾吸收量分别提高23.7%、13.3%和24.2%。张刚等[11]研究表明，秸秆全量还田配施适量氮肥，可以提高水稻对氮肥的利用率，增加产量，同时减少氮肥损失。与秸秆不还田相比，秸秆还田可提高水稻产量3.8%～12.9%[12]。张维维等[13]在贵州省绥远县稻-油轮作区研究发现，秸秆还田提高油菜产量15.0%，增产效果明显。对于冬油菜，有研究发现稻草覆盖对直播油菜的出苗率和群体密度有较为显著的负效应[2]。刘芳等[10]研究认为不同秸秆还田量均能不同程度提高直播油菜的株高和根茎粗等指标。随着长江中下游作物收获机械化程度不断提高，籽粒收获与秸秆还田可同步进行。针对机械化种植和秸秆还田推行力度的不断加大，前季作物稻草覆盖还田对于直播油菜出苗率、生长动态以及物质积累的影响程度尚不十分明晰。本文研究了两年的田间试验稻草覆盖还田对直播冬油菜生育期密度、株高、根茎值以及产量和养分吸收的影响，以期为稻草覆盖还田条件下直播油菜栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2014年10月至2016年5月在华中农业大学校内试验基地进行。供试土壤为水稻土，耕层 (0—20 cm) 土壤基础理化性质：pH 6.96、有机质5.43 g/kg、全氮0.50 g/kg、速效磷1.24 mg/kg、速效钾110 mg/kg。该区属北亚热带季风性湿润气候，无霜期240天。如图1-a所示，2014—2015和2015—2016两个年度分别在越冬期的12月和11月份遭遇较低温度，其余月份平均温度与近20年(1995—2015年) 均值没有差异。此外，2015—2016油菜生育期间总日照时数为809 h，较20年平均总日照时数减少了246 h，其中11、12、1月份日照时数仅达到20年均值的20%～51% (图1-b)；两个年度油菜生育期内总降雨量分别为852.0和528.8 mm(图1-c)。

1.2 试验设计

试验设置4个处理，分别为：1) 对照，稻草不还田且不施肥 (CK)；2) 稻草覆盖还田但不施肥 (S)；3)单施化肥 (NPK)；4) 稻草覆盖还田配施化肥 (NPK +S)。试验采用随机区组排列，3次重复，小区面积30 m2。肥料品种分别为尿素 (含N 46%)、过磷酸钙(含 P2O512%)、氯化钾 (含 K2O 60%) 和硼砂 (含 B 11%)。施肥处理 (NPK、NPK + S) 肥料用量：N 180 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2、硼砂 15 kg/hm2。氮肥按照60%基肥 + 20%提苗肥 + 20%越冬肥施用，磷、钾和硼肥均一次性基施。供试油菜品种为‘华油杂62’，播种量为4.5 kg/hm2。2014—2015年，冬油菜于2014年10月10日播种，2015年5月6日收获，生育期209天；2015—2016年，冬油菜于2015年10月23日播种，2016年5月3日收获，生育期194天。播种后即将前季收获的完整的稻草均匀铺在厢面上并轻轻压实。病虫草害等其他田间管理措施同常规。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品土壤基础样品均在作物种植前采用“S”形10点采样法采集，取0—20 cm耕层土壤，拣出杂草和碎石，按照“四分法”取1 kg带回实验室于阴凉、通风处风干，并用木槌磨细过0.85 mm筛后，置于干燥处保存。土壤基础理化性质按常规方法测定[14]：pH按照水土比2.5∶1，电位法测定；有机质用外加热—重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量开氏定氮法测定，标准酸滴定；速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定；2015—2016年油菜季采用土壤水分-温度便携式测定仪监测土壤温度和含水量。1.3.2 植株样品油菜成熟期收获前每个小区按照0.6 m × 0.6 m样方取地上部植株样，网袋悬挂风干脱粒后分别统计茎秆、籽粒、角壳的生物量，各部分样品于60℃烘干磨细后用于养分测定。植物样品养分测定采用H2SO4-H2O2联合消煮，流动注射分析仪(AA3，德国SEAL) 测定植株氮、磷含量，火焰光度法测定植株钾含量[20]。以各小区实际收获产量计产。1.3.3 密度及生长指标调查 2015—2016年冬油菜季，于每个小区内选择有代表性的样方并固定，样方面积为0.36 m2(0.6 m × 0.6 m)，在固定的样方内调查密度。密度调查周期为7～15天。

图1 冬油菜季月均温、日照时数及月降雨量分布图Fig.1 Monthly mean temperature, sunshine duration and monthly rainfall during the winter oilseed rape season at the experimental site

株高为从子叶节至主茎顶端的长度，每个重复选取有代表性的植株，测量5株取平均值。

根茎粗用游标卡尺在子叶节下1 cm处测定，每个重复选取有代表性的植株，测量5株取平均值。

1.4 数据处理

试验数据采用Origin 2017和SPSS 20软件进行制图和统计分析，最小显著法 (LSD) 检验试验数据的差异显著性水平 (P＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 稻草覆盖还田对土壤温度和含水量的影响

油菜生育期土壤温度和含水量一直处于动态变化的状态 (图2)。土壤温度在播种后95天达到最低，CK、S、NPK和NPK + S处理的土壤最低温度分别为1.6、2.8、2.0和2.6℃，稻草覆盖还田处理的土壤温度比稻草不还田处理高0.6～1.2℃。播种后102天，气温快速回升，成熟期土壤温度最高，CK、S、NPK和NPK + S处理的土壤温度分别为19.6、18.8、20.6和18.8℃，稻草覆盖还田处理土壤温度比稻草不还田处理低0.8～1.8℃。油菜生育期CK、S、NPK和NPK + S处理的土壤温度变化分别为18.1、16.0、18.6和16.2℃，不同处理间差异显著，稻草还田缩小土壤平均温度变幅2.3℃，表明稻草覆盖还田可以缓解气温骤变造成土壤温度变化。播种87天后，不同处理间土壤含水量开始出现明显差异，油菜生育期CK、S、NPK和NPK + S处理的土壤含水量平均分别为0.23、0.25、0.22和0.24 m3/m3，NPK + S处理土壤含水量比NPK处理高8.0%，S处理比CK处理高8.9%，表明稻草覆盖还田对保持土壤含水量有积极作用。

2.2 稻草覆盖还田对直播冬油菜密度的影响

由图3可知，直播冬油菜出苗后的密度整体呈逐渐降低趋势。播种后23天，CK、S、NPK和NPK + S处理的密度分别为107、59、79和43万株/hm2，NPK处理出苗密度较NPK + S处理高83.7%，CK处理出苗密度较S处理高81.4%，稻草覆盖对于冬油菜出苗表现出明显的抑制效应。各处理在播种后23—102天 (苗期) 均存在较大幅度的密度消减。从蕾薹期到成熟期，CK处理密度降低明显，而其余处理的密度变化平缓。成熟期CK、S、NPK和NPK +S处理密度分别为31、18、48和30万株/hm2，与出苗密度相比，各处理密度分别降低71.3%、40.3%、69.5%和32.1%，稻草还田处理的油菜生育期内密度降低幅度小于稻草不还田处理，表明稻草覆盖可缓解冬油菜生长后期密度的削减。

图2 稻草覆盖还田下的土壤温度和含水量Fig.2 Soil temperature and moisture content of straw mulching treatments

图3 稻草覆盖下的直播冬油菜生育期密度变化Fig.3 Variation of plant density of direct-sown winteroilseed rape in each treatment

2.3 稻草覆盖还田对直播冬油菜株高的影响

图4结果表明，直播冬油菜株高基本呈“S”形曲线变化。在播种后76天内，株高增加幅度较小，各处理差异不显著。随后株高均开始迅速提高，S处理的株高增长速度高于CK处理，越冬期间 (播种后76—132天)，S处理的株高显著高于CK处理，而NPK与NPK + S处理间差异不明显。各处理株高均在157天达到最大值，随后保持稳定，CK、S、NPK和NPK + S处理株高最大值分别为78.6、85.1、128.5和123.6 cm，S处理株高比CK提高8.3%，差异明显，NPK处理株高比NPK + S处理提高4.0%，无明显差异。

2.4 稻草覆盖还田对直播冬油菜根茎粗的影响

蕾薹期前冬油菜的根茎粗整体呈缓慢增长的趋势 (图5)。播种后88～132天，CK、S、NPK和NPK + S处理根茎粗分别增长0.7、1.7、1.8和3.1 mm，稻草覆盖还田处理的根茎粗增长速率均高于不还田处理。进入蕾薹期—花期，各处理的根茎粗快速增长，角果期明显减慢，成熟期根茎粗达到最大，各处理根茎粗分别为6.6、8.1、11.4和11.8 mm。与NPK处理相比，NPK + S处理的根茎粗提高3.5%，与CK处理相比，S处理根茎粗显著提高22.7%。

图5 稻草覆盖还田下的直播冬油菜根茎粗Fig.5 Rhizome of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

2.5 稻草覆盖还田对直播冬油菜生物量及养分积累量动态变化的影响

由图6-a和6-e可以看出，两年施肥处理冬油菜生物量呈“S”形曲线变化。苗期增长较为缓慢，进入蕾薹期后物质积累速率迅速增加，各处理生物量和养分积累量均在角果期达到最大值。与CK处理相比，S处理最大生物量平均增加了88.6%，与NPK处理相比，NPK + S处理的苗期生物量降低3.7%～27.9%，角果期生物量平均增加了28.1%，稻草覆盖还田显著提高冬油菜最大物质积累。

图6 稻草覆盖还田下的直播冬油菜地上部生物量和养分积累量Fig.6 Biomass and nutrient accumulation of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

2014—2015年，S和CK处理氮、磷和钾积累量在蕾薹期—花期差异较大，成熟期S处理的氮、磷和钾积累量分别较CK处理高268.2%、253.1%和364.5%；NPK + S处理油菜氮、磷和钾积累量均在播种150天后逐渐高于NPK处理，至成熟期，NPK +S处理氮、磷和钾积累量分别较NPK处理提高19.1%、36.9%和56.9%。2015—2016年，成熟期S处理的氮、磷和钾积累量分别较CK处理高28.6%、93.3%和5.4%；NPK + S处理在油菜播种后88天即表现出较高的养分吸收能力，其氮、磷和钾积累量始终高于NPK处理，至成熟期，NPK + S处理的氮、磷和钾积累量分别较NPK处理提高18.1%、23.7%和28.3%。

2.6 稻草覆盖还田对直播冬油菜产量和养分吸收的影响

表1结果表明，油菜产量的年度间波动很大，同一处理不同年度间的产量波动范围在11～723 kg/hm2之间，这反映出不同年度间因播期和气候变化对直播冬油菜产量的影响很大。在2014—2015和2015—2016年，S处理冬油菜产量较CK处理分别增产218.8%和28.5%；与NPK处理相比，NPK +S处理增产率分别为25.6%和20.3%，稻草还田显著提高冬油菜产量。方差分析结果表明，施肥和稻草还田对冬油菜产量、生物量和养分吸收量的影响达到显著或极显著水平，2015—2016年施肥和稻草还田对油菜生物量和钾吸收量有极显著的交互作用。

3 讨论

虽然稻草覆盖还田对油菜的出苗率和群体数量有一定的抑制作用，但是稻草覆盖还田能促进油菜个体生长发育。本研究发现直播冬油菜的株高和根茎粗均表现出稻草覆盖还田处理高于不还田处理，尤其是在不施肥条件下，稻草还田处理较CK处理的株高和根茎粗分别提高8.3%和22.7%。有研究表明，稻草覆盖能分别增加直播油菜不同生育期的株高和根茎粗4.1%～27.8%和1.3%～12.7%[10]。王宁等[15]研究同样发现秸秆还田可以增加8.6%的作物根茎粗，降低植株株高与根茎粗的比值，进而增强植株的抗倒伏性。此外，有研究指出油菜生长后期稻草覆盖还田能够缓解土壤养分供应不足对油菜生长的抑制作用，促进油菜个体植株的生长发育[2]。同时，稻草覆盖还田通过影响土壤对光能的吸收转化和热量的传导过程从而影响土壤温度的变化，既可阻止太阳直射，又可减少土壤热量散失，对土壤具有调温保墒的作用[16]。本研究发现，稻草覆盖还田可以提高土壤最低温度0.6～1.2℃，降低土壤最高温度0.8～1.8℃，缩小土壤温度变幅2.3℃左右，缓解了气温骤变造成土壤温度变化；与稻草不还田相比，稻草覆盖还田能够提高土壤含水量8.0%～8.9%。可见，稻草覆盖还田提供的相对稳定的土壤环境对于油菜个体生长同样具有较强的保护作用。

表1 稻草覆盖还田下的直播冬油菜产量和养分吸收 (kg/hm2)Table 1 Yield and nutrient uptake of direct-sown winter oilseed rape of straw mulching treatments

秸秆还田对油菜的产量和生物量具有促进作用，主要是提高了单株角果数和每角粒数[17]。秸秆还田不仅能在低温冻害天气下增加油菜产量和生物量，而且能缓解土壤养分亏缺[18]。本试验结果表明，冬油菜苗期增长较为缓慢，进入蕾薹期后物质积累速率迅速增加，氮、磷和钾积累量也随之变化，至角果期达到最大值。施肥情况下，稻草覆盖还田油菜产量和生物量有显著提升，两年分别提高20.3%～25.6%和27.7%～29.0%，成熟期冬油菜的氮、磷和钾积累量分别增加18.1%～19.1%、23.7%～36.9%和28.3%～56.9%，明显的增产效应可能与秸秆覆盖还田缓解了油菜越冬期极端低温和阶段性干旱有关。在油菜生育中后期，稻草还田与不还田相比能够维持油菜生长的稳定，对油菜的产量和生物量也有促进作用。这可能是由于稻草还田一段时间后释放的养分缓解了土壤养分供应不足。Dai等[19]的田间试验发现，稻草还田促进了油菜对氮、磷和钾的吸收。秸秆还田可提高土壤有机质、全氮和速效养分含量，提高土壤肥力[19-20]。也有研究表明，秸秆还田还能够促进土壤酸性磷酸酶活性增长，磷酸酶加快有机磷向无机磷转化的速度，从而促进作物对无机磷的吸收[21-22]。

此外，播期对油菜生长发育影响较大。不同播期光温条件存在一定差异，会影响油菜生长发育过程中光合产物的转移。研究表明，晚播条件下油菜光合产物的转移能力下降，进而引起产量的降低[23-24]。油菜在整个生育期间，产量与平均温度呈正相关，尤其在开花前期的营养生长阶段较高的温度有利于产量的形成[25]。王文军等在研究油菜产量的气象模拟中发现，花期极端最低气温 (0℃) 将使油菜遭受冻害，此时每降低或者上升1℃，产量将减少或提升63 kg/hm2[26]。本试验中施肥条件下2015—2016年油菜的产量与养分吸收量显著低于2014—2015年，主要原因是2015—2016年油菜播期较晚导致冬前未建立强大的营养群体，无法形成大分枝和多分枝。另外，2015—2016年油菜生育期内降水量较少，越冬期极端低温天气多 (1月份月平均气温较2014—2015年低1.3℃)，前期日照不足 (11、12和1月份日照时数不足平均值一半) 等原因，也导致两年产量有较大差异。