稻草还田+稻田养鸭对土壤养分及水稻生物量和产量的影响

王 忍，伍 佳，吕广动，隆斌庆，杨飞翔，周 晶，陈慧娜，黄 璜

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

【研究意义】我国为农业大国，秸秆资源丰富，年产超8亿吨[1]，近年秸秆产量呈上升趋势[2]，但利用率低。秸秆资源中稻草资源占比最大，年产近1.5亿吨，仅有15 %用于稻草还田[3]，其中大部分被焚烧或弃置处理，不仅浪费资源，还严重污染环境[4]。稻草还田是解决这一问题最便捷有效的方式。同时农业生产过程中大量施用化肥农药以求高产，造成了严重的农业面源污染和农作物有害物质残留[5]。特别在水田呈小块且分散的丘陵山区，农户对农田的特殊关照，使南方水田土壤板结酸化进一步加剧，而稻田养鸭作为一种节肥减药的生态种养模式在农村推广能有效缓解并改善这一现象。【前人研究进展】近年来对单一的稻草还田或稻田养鸭的研究报道多且深入。研究显示，稻草还田能改善土壤理化性质，如提高土壤孔隙度、土壤含水量、土壤pH值等，增加土壤有机质[6-9]、土壤N、P等养分含量。从而优化水稻生长环境，促进水稻生长发育，提高水稻产量[10-11]，但稻草还田对水稻前期生长具有抑制作用[12]。稻田养鸭通过鸭粪还田能显著增加土壤有机质[13]，鸭群的活动则能增加土壤溶氧，有效控制水稻无效分蘖[14-15]，优化水稻植株群体结构[16]，从而改善田间通风透光条件，为水稻的增产创造条件。【本研究切入点】本文在湖南双季稻种植区，通过设置稻草炭化还田+养鸭，稻草直接还田+养鸭，稻草粉碎还田+养鸭，稻草不还田+养鸭和稻草不还田共5个处理，进行大田试验研究。【拟解决的关键问题】试图揭示稻草还田+稻田养鸭对土壤养分及水稻生长的影响，筛选最佳耦合处理方式，以期为南方丘陵山区稻草还田条件下水稻生态种养技术的推广提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年晚季在湖南省长沙市长沙县路口镇明月村进行。前茬作物为早稻中早39。试验地土壤类型为红黄泥土，试验前土壤性状为全氮1.64 g/kg，全磷0.50 g/kg，全钾22.71 g/kg，pH 5.90，有机质22.42 g/kg，碱解氮82.83 mg/kg。

1.2 试验材料

水稻品种为常规稻中早39，“稻草直接还田”和“稻草粉碎还田”为本田全部秸秆，“稻草碳化还田”为稻草生物炭，鸭子为本地水鸭。

1.3 试验设计

设置“稻草炭化还田+养鸭”(CD)，“稻草直接还田+养鸭”(ZD)，“稻草粉碎还田+养鸭”(FD)，“稻草不还田+养鸭”(BD)和“稻草不还田不养鸭”(BR)共5个处理，每个处理3个小区，每个小区200 m2。稻草还田量为本田全部稻草，稻草炭化还田量以本田全部干稻草能制成的生物炭记，本试验按干稻草量的70 %进行折算。

1.4 试验方法

选择土壤肥力适中的连片平整稻田，早稻种植前将田块整出15块200 m2的小区田块，田埂用厚塑料膜覆盖，两侧埋入土中30 cm深，以防串水串肥。早稻按当地习惯种植中早39，统一肥水管理，早稻收割时进行稻草处理。CD处理的小区手割，脱粒后稻草移至田外，按考种数据计算出的干稻草量的70 %匀撒生物炭；ZD处理的小区手割，脱粒后稻草匀撒田中；FD处理的小区机收，稻草粉碎后留在田中；BD、BR处理的小区手割，脱粒后稻草移至田外。然后灌水浸泡3 d，机器打田平田，施基肥，施肥7 d后插秧，株行距为20 cm×23 cm。施肥方法：基肥施用氮肥总量的 50 % 、钾肥总量的 50 % 和全部磷肥；在分蘖期追施氮肥总量的 40 % 、钾肥总量的 40 %；孕穗期追施氮肥总量的 10 % 、钾肥总量的 10 %；3种化肥的总量分别为：氮肥纯 N 为150.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 早稻为1∶0.5∶1.0，晚稻为1∶0.5∶0.8。由于晚稻为稻鸭共育模式，故晚稻只施基肥，后期不再追肥打药。2018年7月15日稻草还田，7月26日插秧，秧龄28 d，8月10日1到4号田每块田放3周龄雏鸭5只。9月16日收鸭，10月15日成熟收获。

1.5 测定内容

植株生物量。于水稻分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期，每个小区随机采取水稻植株样品5株。用水洗净泥土并去根，分茎、叶、穗，用信封袋装好。105 ℃杀青30分钟，80 ℃烘干至恒重，称重。

水稻产量。于水稻收获前一天，每个小区采取有代表性的水稻植株5株，进行考种，计算理论产量。在水稻收获当天，每个小区随机割取3个1 m2的样方，脱粒后晒干，风选并对每个样方的稻谷称重，计算实际产量。

土壤理化性质。在试验处理前、水稻孕穗期、灌浆期、成熟期每个小区采用5点取样法，采取0～20 cm耕层土壤样品，风干后磨样，过筛分装备用。土壤pH值用5∶1水土比浸提法测定；土壤全氮、磷采用浓硫酸消煮-流动分析仪法；土壤全钾采用浓硫酸消煮-火焰光度法；土壤有机质采用重铬酸钾容量法；土壤碱解氮采用碱解扩散法。

1.6 统计分析

数据统计与处理采用Excel 2010，数据分析采用Spss 19，采用Excel 2010进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 稻草还田+稻田养鸭对水稻生物量的影响

由图1可知，分蘖期各处理水稻生物量为BR>BD>ZD>CD>FD，孕穗期各处理水稻生物量为FD>CD>BD>ZD>BR，均无显著差异。灌浆期各处理水稻生物量为CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD和ZD分别为66.84、58.93 g，比BR分别高出56.25 %和34.15 %，且差异显著。CD比FD和BD分别高出27.92 %和43.25 %，且达到显著差异。成熟期各处理水稻生物量为CD>FD>ZD>BD>BR，其中CD为79.33 g，显著高于其它各处理，较FD、ZD、BD和BR分别高出19.94 %、20.93 %、29.67 %和32.35 %。

图1 不同处理方式对水稻各生育期生物量的影响Fig.1 Effects of different treatment methods on rice biomass

2.2 稻草还田+稻田养鸭对水稻产量的影响

由图2可知，各处理水稻产量为CD>FD>ZD>BR>BD，其中CD为6810.1 kg/hm2，FD为6651.7 kg/hm2，ZD为6582.0 kg/hm2，3个处理间无显著差异，但都显著高于BR和BD，较BR分别高出15.68 %、12.99 %、11.81 %，较BD分别高出19.45 %、16.67 %、15.45 %。

由表1可知，各处理株高ZDZD>FD=BD>BR，其中CD为425.21万穗/公顷，显著高于其它各处理，比ZD、FD、BD、BR分别高出30.77 %、34.21 %、34.21 %、59.37 %。

每穗总粒数BR>ZD>FD>CD>BD，其中BR为176.69粒，显著高于CD。结实率为FD>BD>BR>CD>ZD，其中FD为62.71 %，BD为62.30 %，BR为61.37 %，3个处理间无显著差异，都显著高于CD和ZD，分别高出7.99、7.58、6.65个百分点和8.72、7.86、6.93个百分点。千粒重BD>BR>FD>CD>ZD，其中BD为24.15 g，ZD为23.64 g，极差为0.51 g。理论产量CD>FD>BD>ZD>BR，其中CD与BR差异显著，除BD外，其它各处理理论产量与实际产量变化规律一致。

图2 不同处理方式对水稻产量的影响Fig.2 Effects of different treatment methods on rice yield

2.3 稻草还田+稻田养鸭对土壤全量养分的影响

由表2可知，与试验前相比，试验后各处理土壤全氮含量都表现出降低，而土壤全磷、全钾含量则都表现出升高。成熟期土壤全氮含量CD>BD>FD>ZD>BR，CD的降幅最小，为1.83 %；BR的降幅最大，为18.29 %；整个生育期土壤全氮含量CD均显著高于BR，在水稻孕穗期、灌浆期、成熟期分别高出16.30 %、15.08 %、20.15 %。成熟期土壤全磷含量FD>CD>ZD>BD>BR，FD的增幅最大，为24 %；BR的增幅最小，为2 %；整个生育期土壤全磷含量FD均显著高于BR，在水稻孕穗期、灌浆期、成熟期分别高出16.67 %、23.91 %、21.57 %；CD、ZD、BD成熟期土壤全磷含量均显著低于FD，但均显著高于BR，分别高出13.73 %、9.8 %、7.8 %。成熟期土壤全钾含量CD>BD>FD>ZD>BR，CD的增幅最大，为12.29 %；BR增幅最小，为1.85 %；整个生育期土壤全钾含量CD均显著高于BR，在水稻孕穗期、灌浆期、成熟期分别高出12.25 %、10.17 %、10.25 %；BD成熟期土壤全钾含量为25.40 g/kg，较BR高出9.81 %，差异显著。

表1 不同处理方式对水稻产量性状的影响Table 1 Effects of different treatment methods on rice yield

注：同列数据后不同小写字母分别表示在5 %水平差异显著，下同。
Note: Data followed by different small letters means the significance at 0.05 level, The same as below.

表2 不同处理方式对土壤全养分的影响Table 2 Effects of different treatment methods on soil nutrients

2.4 稻草还田+稻田养鸭对土壤pH值的影响

试验前土壤pH值为5.90。由图3可知，BR土壤pH值表现为先降低后升高趋势，其它各处理表现为先降低再升高后降低趋势，但与试验前相比，各处理土壤pH值都表现为降低。成熟期土壤pH值CD>ZD>FD>BD>BR，CD的降低量最小，为0.06；BR的降低量最大，为0.19；CD的pH值较ZD、FD、BD、BR分别高出0.09、0.10、0.11、0.12、0.14，且差异显著；ZD、FD、BD、BR处理间土壤pH值无显著差异。孕穗期土壤pH值BR=BD>FD>ZD>CD，其中BR=BD为5.76，分别较FD、ZD、CD高出0.04、0.16、0.20，且各处理间差异显著。灌浆期土壤pH值CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD、ZD、FD、BD分别为6.02、6.00、5.92、5.90，较BR分别高出0.37、0.35、0.27、0.25，且差异显著。孕穗期到灌浆期，BR的pH值降低了0.11，CD、ZD、FD、BD的pH值分别升高了0.46、0.40、0.20、0.14，增幅大小为CD>ZD>FD>BD。

2.5 稻草还田+稻田养鸭对土壤有机质的影响

试验前土壤有机质为22.42 g/kg。由图4可知，BR处理的土壤有机质含量在处理前后保持稳定，其它各处理土壤有机质含量呈现出孕穗期先大幅提高，灌浆期少许降低，成熟期再升高的现象。灌浆期土壤有机质CD>FD>ZD>BD>BR，且CD、FD、ZD与BD差异显著，与BR也有显著差异。孕穗期各处理土壤有机质含量与成熟期相似，成熟期土壤有机质CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD、ZD、FD分别为31.83、30.91、30.13 g/kg，较BD分别高出9.57 %、6.40 %、3.72 %，且差异显著；较BR分别提高了41.28 %、37.19 %、33.73 %，且差异显著； CD较FD高出5.64 %，达到显著差异。

图3 不同处理方式对土壤pH值的影响Fig.3 Effects of different treatment methods on Soil pH value

2.6 稻草还田+稻田养鸭对土壤碱解氮的影响

试验前土壤碱解氮为82.83 mg/kg。由图5可知，与试验前相比，各处理的土壤碱解氮均表现为增加，整个生育期各处理土壤碱解氮含量都显著高于BR处理。孕穗期土壤碱解氮CD>ZD>BD>FD>BR，其中CD为110.95 mg/kg，显著高于其它各处理，较ZD、BD、FD、BR分别高出6.84 %、13.48 %、14.30 %、33.56 %，ZD、BD、FD的土壤碱解氮显著高于BR。灌浆期土壤碱解氮ZD>FD>BD>FD>BR，其它各处理土壤碱解氮较BR高出15.16 %～21.02 %，且差异显著。成熟期土壤碱解氮CD>FD>ZD>BD>BR， CD、FD、ZD、BD较BR的分别提高了21.47 %、17.19 %、15.06 %、11.53 %，且差异显著。

图4 不同处理方式对土壤有机质的影响Fig.4 Effects of different treatment methods on soil organic matter

图5 不同处理方式对土壤碱解氮的影响Fig.5 Effects of different treatment methods on soil hydrolyzable nitrogen

2.7 水稻生物量、产量与土壤养分性状之间的相关性

土壤养分是影响水稻生长的关键因素。由表3可知，水稻生物量及产量与土壤碱解氮含量显著正相关。水稻生物量与土壤pH值极显著正相关。

3 讨 论

3.1 稻草还田+稻田养鸭对土壤养分的影响

稻草还田通过直接输入的方式，增加土壤有机质及其他养分含量[8]，从而改善土壤肥力[17]。稻草还田入土，能改善土壤结构，从而有效减少地表径流对土壤养分的淋失，增强土壤水肥保持能力[18]。稻田养鸭通过鸭粪还田，持续为稻田增施有机肥，较常规稻作增加土壤有机质7.45 %～17.33 %[19]。稻草的腐化分解和养分释放需要一个过程，鸭子的活动能促进微生物的繁殖，从而加快稻草的腐解。炭化还田+稻田养鸭处理则以生物炭代替稻草，还田后，生物炭遇水溶解进入土壤，加上鸭子的作用，腐解速率和效率都大幅提高，对土壤的改善作用显著。本研究表明稻草还田+稻田养鸭能增加土壤全N、P、K含量，其中稻草炭化还田+稻田养鸭(CD)达到显著差异。稻草还田+稻田养鸭能显著增加土壤有机质和碱解氮含量，增幅分别为33.73 %～41.28 %和15.06 %～21.47 %。稻草还田+稻田养鸭能缓解土壤pH值的降低，其中稻草炭化还田+稻田养鸭(CD)达到显著差异。

3.2 稻草还田+稻田养鸭对水稻生物量及产量的影响

稻草还田带入大量的N、P、K及有机质含量，促进水稻茎秆生长，增加水稻分蘖，以增加水稻生物量和产量[20]。稻田养鸭通过鸭子的活动从而减少水稻无效分蘖，优化水稻植株群体结构[16]，改善田间通风透光条件，为水稻增产营造了良好环境。稻草的腐化分解和养分释放需要一个过程，研究表明稻草还田会抑制水稻前期生长，而稻草还田+稻田养鸭处理前期主要是稻草还田在发挥作用。在水稻分蘖期以BR处理的水稻生物量最大，而从水稻孕穗期开始以BR处理的水稻生物量最小，说明稻草还田+稻田养鸭处理促进水稻后期生长，但对水稻前期生长表现出一定的抑制作用，各处理促进作用强弱为CD>ZD>FD>BD，抑制作用大小为ZD>BD>CD>FD。由相关性分析可知，土壤pH值是抑制水稻前期生长最主要的因素之一。稻草炭化还田+稻田养鸭处理(CD)对水稻生长的促进作用最大，主要原因是稻草炭化后施入稻田被迅速水解吸收，土壤pH值回升最快，抑制水稻生长的时间最短，故CD处理的水稻生物量最高。

研究显示稻草还田能增加土壤肥力，促进水稻增产，而稻田养鸭能营造增产环境，两者共同作用是水稻稳定增产。土壤氮含量是水稻增产的关键因素，稻草还田+稻田养鸭通过加速稻草腐解释放养分，增加土壤全氮和碱解氮含量，以促进水稻分蘖，提高水稻有效分蘖数，从而提高水稻产量，增幅为11.8 %～15.67 %。水稻的高产需要高的生物量来支撑，本研究显示CD的生物量和产量都为最高，且显著高于BR。

3.3 稻草还田+稻田养鸭对水稻生产的影响机制

稻草炭化还田+稻田养鸭(CD)能显著降低水稻株高、提高水稻生物量，稻草还田+稻田养鸭主要通过增加水稻有效穗来提高水稻产量，短期内(1年)能使水稻增产10 %以上。稻草还田+稻田养鸭能增加土壤全氮、全磷、全钾含量；显著增加土壤有机质和碱解氮含量，增幅分别为33.73 %～41.28 %和15.06 %～21.47 %。稻草炭化还田+稻田养鸭能显著缓解土壤pH值的降低。稻草炭化还田+稻田养鸭处理(CD)为最佳耦合处理方式。

表3 水稻生物量、产量与土壤养分性状之间的相关性Table 3 Correlation between rice biomass，rice yield and soil nutrient characters

注：* 和** 分别表示在P<0.05和P<0.01 水平(双侧)上显著相关。
Note: * and ** were significantly correlated atP<0.05 andP<0.01 levels (bilateral).

稻草还田与稻田养鸭既是传统农业的经典技术，也是减化肥、减农药的关键技术。前人研究证明稻草还田与稻田养鸭对水稻生长发育与稻田环境改善有益，但第一年稻草还田对当季的水稻生产有一定影响[21]，如果多年长期实行稻草还田，对稻田可持续利用有益。第一年稻草还田影响当季产量，一是稻草未切碎秸秆形成的物理障碍影响水稻生根与根系生长，二是稻草腐烂过程中耗氮、耗氧、产生还原物质等与水稻争肥、争氧、危害根系[22]，导致水稻生长前期、中期受阻，表现在根系发育不好，黄根增加，并产生部分黑根；返苗慢、分蘖迟、苗体瘦弱[23]。

本研究表明稻草还田与稻田养鸭，特别是稻草经过炭化处理后再与稻田养鸭配合，对水稻生长发育、稻田环境改善都有很好的效果。究其原因，一是鸭的活动不仅捣碎了秸秆，还增加了稻田土壤和水层的氧气含量，提高氧化还原电位[24]，促进好氧微生物活动，将氮素转化成有效态，有利水稻生长；二是鸭的排泄物增加了水稻土壤表层的有效氮、磷、钾的含量[25]，缓解了稻草还田后秸秆腐烂过程中的耗氧、耗氮，根据我们多年试验，一只鸭在稻田放牧状态下平均每天能排放150 g鸭粪，而且在田中的分布相对均匀。总之，稻草还田条件下最宜辅以稻田养鸭措施，可以从物理、化学两方面改善水稻立苗环境，促进水稻生长。

4 结 论

稻草炭化还田+稻田养鸭(CD)能显著降低水稻株高、提高水稻生物量，短期内(1年)能使水稻增产10 %以上。CD能显著增加土壤有机质和碱解氮含量，有效缓解土壤pH值的降低。稻草炭化还田+稻田养鸭处理(CD)为最佳组合处理方式。