油菜秸秆还田配施石灰对红壤稻田早稻产量及土壤特性的影响

肖小军，余跑兰，郑伟，肖国滨，李亚贞，肖富良，黄天宝，陈明，韩德鹏，吕伟生

（江西省红壤研究所／江西省红壤耕地保育重点实验室／农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，南昌 330046）

红壤是我国南方分布最广的土壤类型，基本涵盖了长江流域冬油菜—水稻轮作区，而该区域油菜和水稻产业的发展在我国粮油生产中居重要地位［1］。由于其复杂而特殊的发育和形成过程，红壤一般具有酸、黏、板、瘦的特点，而传统的多熟制种植模式化肥用量较高、作物带走的盐基离子较多，进一步加剧了红壤稻田酸化，导致作物增产乏力［2-4］。近年来，随着农业机械化的发展和禁烧秸秆政策的实行，秸秆切碎直接全量还田已成趋势［5］。通过秸秆还田，可优化土壤结构，归还土壤养分和增强微生物活性［6］。相比冬闲模式，稻油轮作秸秆还田量大，充分利用冬油菜秸秆的培肥节肥效应对缓解集约化种植导致的不利影响具有重要意义。

增施石灰可提高土壤pH值与钙盐含量，降低土壤铝毒和温室气体排放，是改良土壤酸化和提高作物产量的传统而有效的措施之一［7-9］。合理施用石灰能够增强土壤缓冲能力，促进作物根系生长及对土壤养分的吸收利用［10］，同时还能够提高土壤微生物数量和活性，促进有机物料的矿化［8］。研究表明，长期秸秆还田能够显著改善土壤肥力、提高水稻产量［11］；但由于秸秆碳氮比（C／N）较高，直接还田后在短期内会引起微生物对土壤氮素的固定，不利于水稻前期生长，因此短期内秸秆还田对水稻的增产效果并不明显［8，12，13］。冬闲条件下晚稻秸秆的腐解矿化充分，秸秆还田并不会导致第二年早稻分蘖期的氮素固定，反而有利于早生快发［8，13］。但如果冬季种植油菜，油菜秸秆还田到早稻栽插间隔短，加之气温逐渐升高，秸秆还田后早稻前期分蘖则往往受到抑制［14］。单纯施用石灰虽能有效缓解土壤酸化胁迫，但在培肥酸性土壤方面的作用有限［15］；而秸秆还田虽培肥效应显著，却不能从根本上改良土壤酸化［16，17］。以往的研究侧重分析石灰或秸秆还田的单独效应，往往忽略了二者的交互作用［8，15］。已有研究表明［13，18］，水稻秸秆还田配施石灰可协同实现水稻增产、土壤酸化改良和地力提升。为了明确在酸性红壤稻田冬种油菜且秸秆还田时配施石灰是否可在发挥各自优势的同时相互弥补不足，协同促进下季早稻生产，在典型的酸性红壤双季稻田开展了施用石灰和油菜秸秆还田双因素小区试验，分析二者对早稻产量形成和土壤性状的短期效应，为红壤改良和水稻增产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验于2018年早稻季在江西省红壤研究所进贤试验基地（116°20′24″E，28°15′30″N）进行。该区域属典型的亚热带季风湿润气候，气候温和，雨量充沛。本试验季的温光条件总体利于油菜和早稻生长，逐日气温和日照时数见图1。试验地前茬是早熟冬油菜阳光131，土壤母质为第四纪红色粘土，为亚热带典型红壤分布区。试验前耕层0～20 cm土壤pH 5.2，含有机质20.4 g／kg、总氮1.5 g／kg、碱解氮98.9 mg／kg、有效磷18.6 mg／kg、速效钾108.7 mg／kg。

图1 试验季逐日气温和日照时数Fig.1 Daily air temperature and sunshine duration during early rice season

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，设置石灰、秸秆还田2个因素，共4个处理，分别为：（1）CK，秸秆不还田+不施石灰；（2）L，秸秆不还田+施石灰；（3）S，秸秆全量还田+不施石灰；（4）LS，秸秆全量还田+施石灰。每个处理3次重复，小区规格为6 m×8 m。前茬油菜于4月28日机械收获，秸秆粉碎原位还田，菜籽产量和秸秆还田量约为1 800 kg／hm2和5 000 kg／hm2。石灰以相对温和的CaCO3为材料，在耕地前按1 500 kg／hm2的用量均匀施入相应小区。试验所用肥料为尿素、钙镁磷肥和氯化钾，其中氮肥（N）用量为150 kg／hm2，按基肥∶蘖肥∶穗肥为6∶2∶2施用；磷肥（P2O5）一次性基施75 kg／hm2，钾肥（K2O）90 kg／hm2，按基肥和穗肥5∶5施用。供试品种为常规籼型超级稻中嘉早17，4月2日播种，5月1号移栽，7月17日成熟测产。采用塑盘泥浆育秧和人工移栽，栽插规格为25 cm×14 cm，每穴5根基本苗。其他田间管理按一般高产栽培技术规程进行。

1.3 样品采集及指标测定方法

（1）茎蘖动态。移栽当天，每个小区定苗30穴，每3 d调查1次分蘖数，直到无效分蘖消亡和有效分蘖成穗。

（2）产量及产量构成。成熟期按平均茎蘖法每小区随机取6穴植株（小区边行不取），考查每穗总粒数、结实率、千粒质量等产量构成因素。每个小区采取人工单独收获籽粒（共200穴，小区边行除外），晾干后称重。

（3）地上部干物质积累量。将上述样本按茎秆、叶、穗分开，于105℃杀青30 min，再于75℃烘干至恒重，冷却至室温后称重。

（4）养分吸收量。地上部烘干并称重之后，用万能粉碎机将植株各部位粉碎，过0.25 mm筛，经H2SO4—H2O2联合消煮，用凯氏定氮仪FOSS 2300测定含氮量，用钼锑抗比色法测定全磷含量，用火焰光度计测定全钾含量。根据各部位干物质量和养分含量计算地上部养分吸收总量。

（5）土壤pH及速效养分。分别在分蘖期（5月20日）、抽穗期（6月18日）和成熟期（7月17日）按5点取样法采集0～20 cm耕层土壤，自然风干后磨碎过筛，参照文献［19］方法测定土壤pH值以及碱解氮、有效磷和速效钾含量。

1.4 相关指标计算方法

分蘖增长率（×104／hm2·d）＝（高峰苗数-基本苗数）／从移栽到分蘖高峰的天数

分蘖下降率（×104／hm2·d）＝（高峰苗数-最终穗数）／分蘖高峰到分蘖稳定的天数

1.5 统计分析

用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计与制图；采用DPS 7.05软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 产量及产量构成

施用石灰和油菜秸秆还田分别极显著和显著提高了早稻产量，并且二者具有显著的互作效应（表1）。在秸秆还田条件下，配施石灰使早稻增产11.4%；而在秸秆不还田条件下，增幅仅为6.3%。相比CK处理，油菜秸秆还田并配施石灰（LS）显著提高早稻产量13.1%。在产量构成上，施用石灰显著提高了早稻的有效穗数与每穗粒数，最终极显著提高了总颖花数，但对结实率及千粒质量的影响不显著。油菜秸秆还田也显著提高了早稻的每穗粒数和总颖花数，而对有效穗数、结实率和千粒质量无显著影响。施用石灰和油菜秸秆还田对早稻有效穗数和总颖花数均有显著的互作效应，因此二者协同促进了早稻增产。

表1 各处理早稻产量及产量构成因素比较Table 1 Comparison of yield and yield components of early rice in different treatments

2.2 分蘖成穗特性

由表2可知，施用石灰显著提高了早稻分蘖增长率、高峰苗数和成穗率，对分蘖下降率无显著影响。油菜秸秆还田对各项分蘖成穗特性指标均无显著影响，但与石灰配施对分蘖增长率和高峰苗数存在显著的互作效应。与油菜秸秆还田处理（S）相比，油菜秸秆还田并配施石灰处理（LS）早稻分蘖增长率、分蘖高峰苗数和成穗率分别提高了4.8%、6.9%和4.7%。

表2 各处理的早稻分蘖成穗情况Table 2 Tillering and panicle formation characteristics of early rice in different treatments

2.3 干物质积累

各处理干物质积累结果与产量结果一致（表3），施用石灰和油菜秸秆还田分别极显著和显著提高了早稻地上部干物质积累量，且二者具有显著的互作效应。秸秆还田并配施石灰处理地上部干物质积累量提高了11.6%；而秸秆不还田时，增幅仅为6.4%。相比CK处理，油菜秸秆还田并配施石灰处理（LS）显著提高了地上部干物质积累量14.1%。

表3 各处理早稻地上部干物质积累量Table 3 Aboveground dry matter accumulation of early rice in different treatments

2.4 养分吸收

表4结果显示，施石灰处理显著提高了早稻地上部氮素吸收，但对磷素和钾素吸收无显著影响。秸秆还田处理显极著提高了早稻对氮素和钾素的吸收，同时也显著提高了对磷素的吸收。从互作效应来看，二者仅对氮素吸收具有显著协同促进作用。各处理氮素吸收量为LS＞L＞S＞CK，与CK处理相比，各处理氮素吸收的增幅为4.5%～17.4%。

表4 各处理的早稻地上部养分吸收情况Table 4 Effects of rapeseed straw returning with lime on N，P，K uptake of early rice kg·hm-2

2.5 土壤p H及速效养分

由表5可知，无论秸秆还田与否，施用石灰显著提高了各时期土壤pH值和分蘖期及抽穗期土壤碱解氮含量，但有降低土壤有效磷含量的趋势，而对土壤速效钾含量的影响不显著。除分蘖期外，秸秆还田处理显著提高了中后期土壤碱解氮含量。此外，秸秆还田还极显著提高了各时期土壤有效磷与速效钾含量，但对土壤pH值无显著影响。在石灰和秸秆还田互作效应方面，仅见二者在分蘖期对土壤碱解氮有显著的正互作效应，而对有效磷有显著的负互作效应。

表5 各处理的早稻土壤p H及速效养分含量Table 5 Effects of rapeseed straw returning with lime on soil p H and available nutrients of early rice

3 讨论

众多研究表明，在冬闲条件下秸秆还田能够显著提高翌年早稻产量，但短期内对晚稻无显著的增产效果［13，20，21］。因为双季稻系统近半年的冬闲期有利于晚稻秸秆的腐解矿化，晚稻秸秆还田不会导致早稻前期氮素固定和分蘖抑制［8，22］；而早稻秸秆还田离晚稻移栽间隔时间短，加之气温较高，大量高C／N秸秆的迅速腐解导致微生物对土壤氮素的固定，从而抑制晚稻分蘖期的生长［12，21］。本研究中不施石灰时油菜秸秆还田对早稻并无显著增产效应，与前人结果不同。可能是因为在冬种油菜条件下，油菜秸秆还田到早稻栽插间隔时间更短，加之气温逐步升高，全量高C／N的油菜秸秆快速腐解造成微生物对土壤氮的固定，从而表现出减蘖降穗效应［14］。虽然油菜秸秆还田有降低早稻有效穗数的趋势，但其归还了大量养分，土壤微生物在前期固定的氮素随后也被逐渐释放，促进了中后期群体生长［8，23］。此外，稻田肥力的差异以及水稻品种的特征差异也可能是导致秸秆还田对水稻产量效应不尽一致的原因［13］。有研究表明，秸秆还田在低肥力条件下对土壤肥力的提升效果更明显，更有利于提高水稻产量［24］。

廖萍等［13］研究表明，施石灰和稻草还田对早稻产量表现出的正向互作效应主要是因为二者协同促进了地上部的氮素吸收，但二者对各产量构成因子均无显著的互作效应，而对晚稻的正向互作效应主要是因为施石灰与秸秆还田对有效穗数及氮素吸收均存在显著的协同促进作用。本研究发现，在酸性红壤稻田施用石灰能够显著促进早稻高产，并且与油菜秸秆还田存在显著的协同促进效应。秸秆还田并配施石灰能显著促进水稻对氮素的吸收，主要是因为施石灰显著提高了土壤pH值，能够中和秸秆腐解时产生的有机酸及高浓度碳酸，减少土壤中的还原性物质［18］；同时能提高土壤C、N代谢相关酶活性，促进有机凋零物及土壤有机质的矿化，缓解秸秆直接还田对土壤碱解氮的固定，进而促进水稻早生快发和对氮素的吸收［8，10］。本研究中，在油菜秸秆还田条件下，施石灰使早稻产量及氮素吸收量分别提高了11.42%和17.38%。这与廖萍等［13］关于双季稻系统的研究中的早稻季增幅相近，但却远低于晚稻季的增幅。笔者推测主要原因有：（1）本试验的石灰施用量更低，还未充分发挥石灰的作用［7］；（2）油菜秸秆比水稻秸秆更容易腐解［25］，且油菜季后期脱落的叶片已将大量的养分归还至土壤［23］；（3）早稻季前期温度更低，油菜秸秆腐解相对更为温和［11］。与氮素养分不同，石灰的施用有降低土壤有效磷含量的趋势，特别是在前期；且石灰与油菜秸秆还田对中后期土壤有效磷、速效钾以及成熟期磷素和钾素吸收均无显著互作效应。这可能是由于施石灰后，前期土壤pH迅速升高，导致磷素发生沉淀效应［26］，而秸秆中钾素含量较高且主要以离子形态存在，能在短时间内充分释放，受石灰的影响较小［25］。

已有研究发现，随着试验周期的延长，石灰改良的酸化土壤又会出现反酸现象，导致其改良土壤酸化并促进有机物料矿化的效果不断下降［13］。此外，冬种油菜且秸秆还田虽能显著增加养分归还量，但对下茬水稻产量和土壤肥力的影响还受秸秆腐解程度、养分有效性及轮作周期等诸多因素的影响［27］。然而，本研究仅关注了油菜秸秆还田配施石灰对红壤稻田早稻产量及土壤特性的短期效应，其持续效应及石灰的适宜施用量及频率还有待于进一步探究。

4 结论

在本试验条件下，施用石灰和油菜秸秆还田能够协同促进早稻增产，主要是因为二者协同能快速改良土壤酸化并增加耕层速效养分，促进了早稻分蘖成穗、地上部养分吸收及干物质积累量，并同步提高了有效穗数和每穗粒数。因此，在酸性红壤稻田，油菜秸秆还田配施石灰可改良土壤，进而实现早稻增产，但其长期效应还有待于进一步研究。