秸秆还田对水稻光合物质生产特征、稻米品质和土壤养分的影响

王国骄 宋鹏 杨振中 张文忠

秸秆还田对水稻光合物质生产特征、稻米品质和土壤养分的影响

王国骄 宋鹏 杨振中 张文忠

（沈阳农业大学水稻研究所，110866，辽宁沈阳）

为充分利用秸秆资源，减少秸秆焚烧带来的环境污染，采用大田试验，以水稻品种盐丰47为试验材料，设置秸秆还田（S）和不还田（CK）处理，对水稻干物质积累、分配及转运、产量、稻米品质、土壤全量养分和速效养分含量进行比较研究。结果表明，S处理水稻产量低于CK，差异不显著。与CK相比，S处理显著增加了水稻成熟期叶、茎和鞘的干重及占总干重比例，但各部分干物质输出率和转运率显著降低。S处理极显著地降低了稻米的垩白粒率、垩白大小、垩白度和直链淀粉含量，提高了稻米的食味值，对稻米的糙米率、精米率和整精米率无显著影响。S处理显著提高了水稻主要生育时期土壤的有机碳、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量，对土壤的全钾含量和C/N无显著影响。S处理水稻抽穗期土壤铵态氮含量、乳熟期和成熟期土壤铵态氮和硝态氮含量均显著低于CK。说明辽宁地区推广秸秆还田有利于培肥土壤，改善稻米品质，不会显著影响水稻产量。

秸秆还田；水稻；光合物质生产；稻米品质；土壤养分

秸秆是农业生产过程中的主要副产品，同时也是重要的生物资源，其含有丰富的碳、氮、磷、钾等矿质营养元素[1-3]。据统计，2015-2017年我国主要粮食作物种植区域水稻秸秆的年产量均超过2亿t[3-4]。在水稻种植区推行稻草还田不仅可以避免稻草焚烧带来的环境污染，还可以改良土壤，培肥地力，促进农田养分循环，是秸秆资源利用直接有效的途径[1-4]。然而，秸秆在土壤中的腐解是一个漫长复杂的过程，受温度、湿度、微生物和土壤质地等因素的影响[1]。

前人就稻草还田对水稻产量和土壤肥力的影响进行了大量研究，但研究结果不尽一致。廖萍等[5]研究认为，在南方双季稻区，连续4年秸秆还田显著提高了土壤有机质含量和双季稻产量，而对全氮含量无显著影响。陈红金等[6]通过连续8年的秸秆粉碎还田试验表明，随着还田年限增加，水稻产量增加6.82%～8.47%。然而，丁文金等[7]和曾研华等[3]研究认为，秸秆还田使早稻产量和双季稻总产量降低，对晚稻产量无显著影响。张志毅等[8]采用Meta分析方法定量研究了长三角地区稻麦轮作下秸秆还田对土壤养分的影响，结果表明，短期（＜2年）的秸秆还田能够显著提升土壤有机碳含量，2～5年的秸秆还田能显著提高土壤全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量。近年关于秸秆还田方面的研究主要集中在南方双季稻区和稻麦轮作区。我国东北地区冬春季气温低，存在秸秆直接还田腐解困难等问题[9-10]，因此明确稻草还田的可行性尤为必要。本研究采用大田试验，研究稻草全量还田对水稻光合物质积累与分配、稻米品质及土壤养分含量的影响，揭示水稻群体干物质变化特征及土壤养分变化过程，以期为辽宁稻区秸秆资源利用及培肥地力提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于辽宁省盘锦市大洼区东风镇二道边村（41°1′37″ E，122°15′11″ N），属温带半湿润季风气候。供试土壤为盐碱水稻土，土壤pH 7.11，有机质28.53g/kg，全氮1.88g/kg，全磷0.69g/kg，全钾27.27g/kg，硝态氮27.22mg/kg，铵态氮7.66mg/kg，有效磷46.58mg/kg，速效钾349.00mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2018年开展，设置秸秆还田（S）和不还田（CK）处理，3次重复，小区面积600m2。供试水稻品种为盐丰47，秸秆还田量为本田全量稻草（7330kg/hm2）。2017年秋季使用带有秸秆切碎且均匀抛撒装置的水稻联合收割机收获水稻的同时进行秸秆粉碎。2018年5月19日上水泡田，5月20日进行水旋埋茬作业，将秸秆全部埋入泥浆中，5月25日再次旋耕平田，5月29日机械插秧，行株距为30cm×18cm，每穴6苗，10月10日收获。施肥量为N 290kg/hm2、P2O5140kg/hm2和K2O 84kg/hm2。氮肥按照基肥︰返青肥︰蘖肥︰穗肥=6︰1.5︰2︰0.5的比例施用。磷肥和钾肥按照基肥︰穗肥=4︰1的比例施用。试验期间田间生产管理均按当地实际生产措施进行，适时进行病虫草害防治。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质积累与转运 按每小区调查田间平均茎蘖数，分别于水稻的抽穗期、乳熟期和成熟期取代表性植株3穴，每样本分为叶、茎、鞘和穗，烘干称取干重。计算主要生育阶段（抽穗期－乳熟期、乳熟期－成熟期）地上部分（叶、茎和鞘）的干物质输出量（kg/hm2）、干物质输出率（%）和干物质转运率（%）[11-12]。干物质输出量（kg/hm2）=前一时期叶（茎或鞘）干重–后一时期叶（茎或鞘）干重，干物质输出率（%）=叶（茎或鞘）干物质输出量/叶（茎或鞘）干重×100，干物质转运率（%）=叶（茎或鞘）干物质输出量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.2 产量 成熟期每小区调查100穴，计算有效穗数，并按照平均成穗数取3穴调查穗粒数、结实率和千粒重，计算理论产量。每小区实收1m2（30cm×330cm），测定籽粒含水量，去除杂质，折算实收产量。

1.3.3 品质 参照《GB/T 17891-2017优质稻谷》测定糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白大小和垩白度。采用近红外谷物分析仪（Infratec Nova grain analyzer，瑞典Foss公司）测定精米的蛋白质含量、直链淀粉含量和食味值。

1.3.4 土壤样品采集及测定 分别于水稻分蘖期、抽穗期、乳熟期和成熟期进行土壤（0～20cm）采样。每个小区用土钻按“S”形随机采集6点的土壤样品，去除秸秆残留和石块等杂质，混匀后采用“四分法”分取土壤样品，置于湿热灭菌自封袋中。取500g的新鲜土样储存于4℃冷藏柜中，用于铵态氮和硝态氮的测定；取1000g土样在室内自然风干，用于测定有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾和有机碳含量。土壤养分测定参照鲁如坤[13]的方法：采用重铬酸钾氧化－容量法测定土壤有机碳，采用氢氧化钠碱熔－钼锑抗分光光度法测定土壤全磷含量，采用氢氧化钠熔融－原子吸收分光光度法测定土壤全钾含量，采用氯化钾浸提－靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量，采用氯化钾浸提－重氮化偶合比色法测定土壤硝态氮含量，采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用醋酸铵浸提－火焰光度法测定速效钾含量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016整理数据，使用DPS 17.10软件统计分析数据，采用Studentt检验比较处理之间的差异。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对水稻产量的影响

由表1可知，秸秆还田对水稻的穗数和结实率无显著影响。与CK相比，S处理水稻的穗粒数极显著降低了13.91%，而千粒重极显著增加。S处理的水稻产量低于CK，但差异不显著。

表1 秸秆还田对水稻产量及其构成因素的影响

“**”表示在0.01水平差异显著。下同

“**”indicates significant difference at the 0.01 probability level. The same below

2.2 秸秆还田对稻米品质的影响

秸秆还田对稻米的糙米率、精米率和整精米率无显著影响，但稻米的垩白粒率、垩白大小和垩白度均极显著低于CK（表2）。与CK相比，S处理稻米的直链淀粉含量极显著降低，食味值极显著升高，但对稻米蛋白质含量无显著影响。

2.3 秸秆还田对水稻干物质生产特征的影响

2.3.1 叶、茎、鞘和穗干重及其比例 秸秆还田处理水稻中后期叶、茎、鞘和穗干重及其变化分析（表3）表明，随着生育进程的推进，叶干重和鞘干重均呈逐渐下降的趋势；茎干重呈先减再增的趋势，从抽穗期到乳熟期下降，到成熟期表现为明显的回升趋势；穗干重呈逐渐增加趋势，成熟期达到最大。抽穗期S处理的叶、茎、鞘和穗干重与CK无显著差异；乳熟期S处理仅叶干重比CK增加了16.14%，差异极显著；成熟期S处理的叶、茎和鞘干重均显著高于CK。S处理的穗干重在各生育时期与CK均无显著差异。

表2 秸秆还田对稻米品质的影响

表3 秸秆还田对水稻中后期叶、茎、鞘和穗干重及其分配的影响

“*”表示在0.05水平差异显著

“*”indicates significant different at 0.05 probability level

水稻生育中后期叶、茎、鞘和穗各部分占地上部干重比例及其变化（表3）表明，随着生育进程的推进，各生育时期叶、鞘和穗所占比例与其干重变化趋势一致；茎干重比例从抽穗期到乳熟期逐渐降低，但成熟期S处理的茎干重比例却比乳熟期增加14.51%。抽穗期除了CK的茎干重比例显著高于S处理外，S处理的叶、鞘和穗干重比例与CK之间均无显著差异；乳熟期S处理的叶干重比例显著高于CK；成熟期S处理的叶、茎和鞘干重比例均显著高于CK，但穗干重所占比例显著低于CK。

2.3.2 叶、茎主鞘干物质输出与转运特征 由表4可知，抽穗－乳熟期S处理叶、茎和鞘的输出量和转运率与CK相比均无显著差异，但叶和鞘的干物质输出率分别比CK降低30.03%和21.64%，差异显著。茎在乳熟期之后呈现再充实增重过程，乳熟－成熟期茎干物质的输出量、输出率和转运率均是负值，且S处理和CK之间的差异均达到极显著水平。

表4 秸秆还田对水稻叶、茎和鞘干物质输出与转运的影响

2.4 秸秆还田对水稻土壤养分的影响

由表5可知，与CK相比，S处理显著或极显著地提高了水稻各生育时期土壤有机碳、全氮和全磷含量，但对各生育时期土壤全钾含量和C/N无显著影响。

由图1可知，分蘖期S处理土壤铵态氮和硝态氮含量分别比CK增加了62.56%和24.18%，差异极显著。抽穗期S处理土壤硝态氮含量显著高于CK，土壤铵态氮含量显著低于CK。乳熟期和成熟期土壤铵态氮和硝态氮含量均表现为CK显著或极显著高于S处理。S处理土壤有效磷和速效钾含量在水稻各生育时期均显著或极显著高于CK。

表5 秸秆还田对水稻主要生育时期土壤养分含量的影响

图1 秸秆还田对水稻主要生育时期土壤速效养分含量的影响

3 讨论

秸秆还田年限不同、水稻品种不同以及稻田土壤肥力的差异导致秸秆还田对水稻产量效应不一致[5,14]，但相关的研究多集中在南方稻区，由于气候等原因，对东北稻区相关研究较少[9]。多年连续秸秆粉碎还田长期定位试验[6]表明，秸秆还田的第1～5年水稻产量仅较常规施肥处理增加2.56%～3.77%，从第6年开始秸秆还田处理水稻的产量才显著增加。曾研华等[3]的研究表明，连续6年早稻稻草还田处理中，前2年晚稻产量偏低，之后出现升高趋势，6年平均产量基本持平。丁文金等[7]研究认为短期秸秆还田早稻产量和双季稻总产量降低，对晚稻的产量无显著影响。崔月峰等[10]对辽宁地区稻草直接还田的研究表明，秸秆还田引起水稻穗实粒数、千粒重、有效穗数和产量显著下降。本研究表明，S处理水稻的穗粒数显著降低，对产量产生负面影响，但与CK差异不显著。这说明短期秸秆还田不会显著影响水稻产量，秸秆还田后在土壤中的腐解是一个复杂且漫长的过程，特别是北方地区由于温度较低，秸秆腐解较慢，因此长期连续秸秆还田后对水稻生产的累积效应还有待持续关注。

徐国伟等[15]和陈梦云等[16]的研究表明，秸秆还田显著降低了稻米的垩白粒率、垩白大小和垩白度，但对稻米的糙米率、精米率和整精米率没有显著影响。本研究结果与前人一致，秸秆还田极显著地改善了稻米的外观品质，对稻米的加工品质无显著影响。秸秆还田对稻米垩白度的影响可能在颖花发育期，秸秆还田处理增加了稻田的养分供应导致垩白度降低[15-17]。淀粉中直链淀粉对大米的蒸煮和食用品质有重要影响，直链淀粉含量越低，米饭越松软越好吃[18]。本研究表明，S处理极显著地降低了稻米直链淀粉含量，食味值极显著提高，这与徐国伟等[15]和陈梦云等[16]的研究结果一致。李冠男等[18]研究了秸秆还田对东北苏打盐碱地水稻营养品质的影响，结果表明，秸秆还田配施氮磷钾肥处理稻米的蛋白质含量与氮磷钾配施处理间无显著差异，与本试验的研究结果一致。

水稻产量的形成是光合物质的积累及其分配、运输和转化的结果[11,19]。秸秆还田有利于增加早稻和晚稻植株茎、叶、穗的干物质积累量和茎叶干物质转运量、转运率[20]。秸秆还田使水稻的叶、茎、鞘的物质输出率和转化率显著降低[10,12]。本研究表明，S处理水稻成熟期叶、茎和鞘的干重及占总干重比例均显著高于CK，穗占总干重的比例均显著低于CK。抽穗－乳熟期S处理叶和鞘的干物质输出率显著低于CK，乳熟－成熟期S处理茎的输出量、输出率和转运率极显著降低。说明秸秆还田处理虽然显著增加了成熟期干物质的积累量，但干物质在各器官中的运输转化率降低，导致成熟期穗部干重比例变小，对产量形成产生一定的影响。李杰等[11]和霍中洋等[19]对不同水稻品种光合物质生产特征的研究中都发现茎干重在灌浆后期有2次增重的现象。赵全志等[21]研究表明高产水稻在灌浆前中期茎鞘物质输出较多，但到灌浆后期回升也较多，而后期茎鞘物质一直向外输出是低产的表现。本研究中，S和CK处理水稻茎干重都在乳熟期降到最低，然后均出现再充实增重的过程，但S处理回升比例显著高于CK，说明S处理水稻在乳熟期后较多的干物质向茎秆中再次积累，这有利于增强群体的抗倒伏能力[11]。

秸秆在土壤中腐解伴随着氮、磷、钾养分的释放，不仅可以为作物生长提供养分，还可以改善土壤的理化性质[2]。杨滨娟等[22]和黄容等[23]研究认为，秸秆还田能显著提高水稻收获后耕层土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾含量。汪军等[24]研究表明，秸秆全量还田显著增加了水稻成熟期土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量，但土壤的铵态氮和硝态氮含量比对照显著降低。本研究表明，与CK相比，S处理使水稻主要生育时期土壤的有机碳、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量显著或极显著升高，但对土壤的全钾含量和C/N无显著影响；S处理土壤铵态氮和硝态氮含量在水稻生长中后期显著低于CK。秸秆还田会消耗土壤中部分氮素，造成后期土壤中碱解氮含量降低[25]。戴志刚等[26]和黄菲等[27]采用尼龙网袋法研究水稻秸秆在淹水条件下养分释放特征，表明水稻秸秆的快速腐解期为20～30d，氮素的累计释放率为25%～28%，即使经过120d以上的培养，秸秆中氮素释放量也不超过50%。赵全志等[21]研究认为，水稻生长后期氮肥量减少引起抽穗期到成熟期茎鞘物质负输出。本试验表明，在水稻生长中后期土壤中铵态氮和硝态氮含量显著降低，对水稻中后期干物质的分配与转化效率产生影响，进而降低了S处理水稻的产量。

4 结论

秸秆还田显著增加水稻成熟期叶、茎和鞘的干重，但对各器官干物质输出与转运产生负面影响。因此，秸秆还田后应调整氮肥的施用时期与施用量，加强水稻生长中后期的氮肥管理。秸秆还田对改善土壤养分有促进作用，能显著提高稻米的外观品质与食味值。

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Effects of Straw Returning on Photosynthetic Matter Production Characteristics, Quality of Rice and Soil Nutrients

Wang Guojiao, Song Peng, Yang Zhenzhong, Zhang Wenzhong

(Rice Research Institute, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China)

The purpose of this study was to make full use of straw resources and reduce environmental pollution caused by straw burning. A field experiment was conducted using japonica rice Yanfeng 47 with straw returning (S) and no straw returning (CK) treatments. The accumulation, distribution and transportation of dry matter, yield and rice quality, soil total nutrient, and available nutrient content were determined. The results showed that the rice yield of S treatment was lower than that of CK, and the difference was not significant. Compared with CK, S treatment significantly increased the dry matter weight of leaves, stems, and sheaths and the dry matter weight ratio to the total plant at the mature stage, but the dry matter export rate and transformation rate of each part were significantly reduced. S treatment significantly reduced chalky grain rate, chalkiness area, chalkiness degree, and amylose content of rice and improved the taste value of rice. There was no significant difference in brown rice rate, milled rice rate, and head rice rate between CK and S treatment. S treatment significantly increased the contents of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, and available potassium in the soil during the main growth period of rice and had no significant effects on the total potassium content and C/N of the soil. Compared with CK, S treatment significantly reduced the soil ammonium nitrogen content at the heading stage and the soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content at the milking and maturity stages. These results demonstrated that the promotion of straw returning in Liaoning would not significantly affect rice yield and was beneficial for soil fertility and the improvement of rice quality.

Straw returning; Rice; Photosynthetic matter production; Rice quality; Soil nutrients

10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.010

王国骄，主要从事水稻高产栽培生理研究，E-mail：syaurice@syau.edu.cn

张文忠为通信作者，主要从事水稻超高产生理生态与遗传改良研究，E-mail：zwzhong@126.com

国家重点研发计划（2018YFD0300306-02）

2020-07-28；

2020-09-30；

2021-07-05