秸秆膨化还田对水稻产量、品质及土壤养分的影响

秦猛 崔士泽 何孝东 翟玲侠 陶博王召君 赵海成 李红宇 郑桂萍 刘丽华

（1黑龙江八一农垦大学农学院，163319，黑龙江大庆；2黑龙江省农业科学院克山分院，161000，黑龙江齐齐哈尔；3黑龙江省双鸭山市八五三农场，155630，黑龙江双鸭山）

水稻（Oryza sativa L.）是我国最重要的口粮作物，约65%以上的居民以稻米为主食，在粮食安全中占有重要的地位[1]。随着农业种植水平的提高，水稻产量得到大幅提升的同时，秸秆数量也日渐增多，年均产量约8.2亿t，但秸秆利用技术手段滞后，大量秸秆被焚烧和丢弃，秸秆作为一类生物质资源，含有丰富的氮、磷、钾元素，但却没有得到合理利用，不仅造成了资源浪费，还严重污染环境[2-4]。所以，寻找秸秆的高效利用途径已成为农业科研人员关注的热点问题之一。目前，秸秆直接还田仍被作为农业利用的主要途径[5]。秸秆还田后营养物质重新返还至土壤，有利于改良土壤、培肥地力、提高作物产量、促进农业的可持续发展[6]。大量研究[7-9]表明，秸秆还田能提高土壤肥力，为作物生长创造合适的土壤水分条件，维持土壤结构的稳定性，对作物具有稳粮增收的效果。朱萍等[10]研究发现，连续进行秸秆还田，可以有效提高土壤有机质和速效钾含量，水稻产量较未还田处理增产8.84%。薛亚光等[11]研究发现，秸秆还田改善了稻米的加工品质、外观品质和营养品质，但蒸煮食味品质改善效果不显著。陈新红等[12]、刘阳[13]和Yan等[14]研究指出，秸秆还田后提高了稻米的出糙率、精米率和整精米率，降低了垩白粒率和垩白度，直链淀粉含量降低，胶稠度增大，改善了稻米的品质特性。但在农业生产中，秸秆直接还田常因粉碎不彻底和病虫寄居等原因，造成作物播种质量差、与作物争夺养分和水分、加重病虫草害等问题[15]。东北冷凉地区受低温和还田量等因素的限制，秸秆还田会导致秸秆腐解慢及还田效果不明显等现象。而膨化处理主要是利用高温高压蒸汽，通过瞬间释放压力过程，实现原料的组分离散和结构变化，具有能耗低、化学试剂使用风险减少和处理时间短等优点，可极大改善秸秆的生物质特性，减少营养成分的损失，保护生态环境的特点[16-17]。但关于膨化技术与水稻秸秆还田相结合的研究却鲜见报道。鉴于此，本试验通过水稻秸秆膨化还田与未膨化还田进行对比，从而研究秸秆膨化还田与还田量对寒地水稻产量、品质及土壤养分的影响，为水稻秸秆的合理高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验于2020年在黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学校内盆栽试验基地（119°23′E，26°10′N）进行，该地区属于温带季风气候，年日照时数2726h，年均无霜期166d，年均气温4.20℃，年均降水量427.50mm。供试土壤碱解氮134.5mg/kg、有效磷20.79mg/kg、速效钾72mg/kg、有机质2.7%、pH 6.65。

供试水稻品种为垦粳8号，主茎13片叶，株高94.3cm，全生育期142d，需≥10℃活动积温2650℃。膨化秸秆来源于黑龙江稻乐农业科技有限公司。

1.2 试验设计

试验设计2种还田形态，分别为膨化还田（P）和未膨化还田（S）；秸秆还田量4个水平，分别为25%、50%、75%和100%，以秸秆不还田作为对照（CK），共9个处理；采用盆栽试验，每个处理5盆，共80穴，每盆装土84kg，盆钵规格长×宽×高为 80cm×60cm×28cm，面积 0.48m2。

供试肥料为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O543%）和硫酸钾（K2O 50%）。基肥为尿素4.97g/盆、重过磷酸钙6.70g/盆、硫酸钾3.46g/盆；分蘖肥为尿素3.72g/盆；调节肥为尿素1.24g/盆；穗肥为尿素2.48g/盆、硫酸钾2.30g/盆。于2020年4月18日播种，5月20日移栽，9月27日收获。每盆移栽2行，每行8穴，插秧规格行距×穴距为30cm×10cm，田间生产和栽培管理同大田一致，不同处理的秸秆还田方式与用量见表1。

表1 不同处理的秸秆还田方式与用量Table 1 Methods and amounts of straw returning to the field for different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积、地上部干物质积累和根系形态 分蘖期每个处理取长势一致的水稻植株4穴（即4次重复），每穴以植株为中心，取长×宽×深为20cm×30cm×20cm左右的土块，置于尼龙网袋中，先用水管冲洗，再用喷雾器冲至干净，获得完整根系后将根系切下，用根系形态专用扫描仪（Microtek Scan Makeri 800）扫描，采用LA-S植物根系分析系统分析总根长、总根面积、总根体积和根系平均直径。切下根系后的地上部分用于测定分蘖期干物质和叶面积，叶片和茎鞘分别包装，105℃杀青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量上3叶的长度和宽度，采用长宽系数（0.75）法计算叶面积。齐穗期和灌浆期每个处理分别取长势均匀的植株4穴（即4次重复），分为上3叶、余下叶片、穗和茎鞘，分别包装，105℃杀青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量上3叶的长度和宽度，采用长宽系数（0.75）法计算总叶面积指数（total leaf area index，TLAI）和高效叶面积指数（high leaf area index，HLAI）。

1.3.2 产量及其构成因素 成熟期各处理按平均穗数取有代表性的植株6穴（即6次重复），悬挂在阴凉通风处风干后，分为茎鞘和穗，称量穗重和茎鞘重。穗部用于考种，考察项目包括穗数、穗粒数、结实率和千粒重等。

1.3.3 稻米品质 稻谷室内储存3个月后，每个处理称取200g稻米样品，3次重复，按照GB/T 17891-2017的要求对稻谷进行品质测定。加工品质：采用日本公司生产的FC-2K型砻谷机加工成糙米，计算糙米率；采用VP-32型碾米机加工精米，计算精米率和整精米率。外观品质：采用日本静冈机械株式会社生产的ES-1000便携式品质分析仪测定精米的垩白粒率和垩白度。食味品质：采用日本佐竹公司（SATAKE）生产的米饭食味计（STA1A）测定食味品质。营养品质：采用瑞典福斯公司的FOSS 1242近红外分析仪测定糙米中蛋白质含量及直链淀粉含量。矿质元素含量：称取样品0.5g至聚四氟乙烯消解罐中，加入硝酸5mL，静置，反应结束后，密封，放入WX-8000型微波消解仪上进行消解，待温度冷却至50℃以下后，取出消解罐放入通风橱中，打开消解罐，用超纯水润洗，转移至50mL容量瓶中，至少润洗3～4次，用超纯水稀释定容至刻度，待测。用ICP-MS型电感耦合等离子质谱仪测定Mg、Fe和Cu元素含量；用电感耦合等离子光谱仪测定Ca元素含量。

1.3.4 土壤养分 在水稻成熟期，采用5点取样法，取0～15cm的土样混匀，将土壤自然风干、研磨、过筛后，根据鲍士旦[18]的方法测定各养分指标。采用凯氏定氮消化―蒸馏法测定土壤全氮含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用钼锑抗比色法测定速效磷含量；利用乙酸铵浸提，火焰光度法测定速效钾含量；采用重铬酸钾―外加热容量法测定有机质含量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和作图，利用SPSS 17.0软件对各项指标数据进行方差分析，并采用新复极差法（Duncan）进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 膨化秸秆还田对LAI的影响

表2显示，分蘖期TLAI表现为CK＞膨化还田＞未膨化还田，并随还田量的增加呈降低趋势，总体以P1处理最高，未膨化还田以S1处理最高；齐穗期水稻HLAI和TLAI除P4、S3和S4处理外，其他处理均高于CK，其中，P1处理的HLAI显著高于CK、P4、S3和S4处理，TLAI显著高于P4和S4处理；灌浆期总体以S1的TLAI和HLAI最高，较CK处理分别增加18.65%和11.55%，P3处理次之，较CK处理分别增加9.73%和7.56%；说明秸秆还田在分蘖期对水稻叶面积具有抑制作用，并随还田量的增加而增加，在齐穗期和灌浆期抑制逐渐缓解，而膨化后可以减少秸秆还田后带来的负面效应。

表2 不同秸秆还田处理水稻叶面积指数的比较Table 2 Comparison of rice leaf area index treated with different straws returning to field cm2/穴cm2/hole

2.2 膨化秸秆还田对地上部干物质积累量的影响

表3显示，分蘖期水稻干物质积累量膨化还田处理以P2最高，达3.55g/穴，未膨化还田以S2处理最高，达3.58g/穴；在齐穗期，膨化还田表现为P1＞P2＞P3＞P4趋势，未膨化还田表现为S2＞S1＞S3＞S4趋势，总体以P1处理最高，较CK处理增加7.89%；灌浆期膨化还田和未膨化还田处理分别以P1和S1处理最高，显著高于CK、S2、S3和S4处理，增幅为8.80%～15.38%；成熟期各处理的干物质积累量均无显著差异，膨化还田以P1处理最高，为60.66g/穴，未膨化还田以S3处理最高，为60.86g/穴；表明秸秆还田对水稻干物质积累量的影响与叶面积趋势相同，在分蘖期2种还田方式均低于CK处理，后期抑制逐渐缓解，且膨化还田较未膨化还田更有优势。

表3 不同秸秆还田处理水稻地上部干物质积累量的比较Table 3 Comparison of dry matter accumulation of rice shoots treated with different straws returning to field g/穴g/hole

2.3 膨化秸秆还田对分蘖期根部性状的影响

表4显示，水稻根总长度膨化还田以P1处理最高，较P4处理显著增加了24.36%，未膨化还田以S1处理最高，S4处理显著低于其他处理；根平均直径未膨化还田优于膨化还田，膨化还田以P1处理最佳，处理间无显著性差异，未膨化还田以S1处理最佳，较S3和S4处理分别显著高9.71%和10.78%；根总表面积膨化还田以P1处理最高，处理间差异不显著，未膨化还田以S1处理最高，显著高于S4处理；未膨化还田的根总体积优于膨化还田，膨化还田以P1处理最高，处理间显著高于P3和P4处理，未膨化还田以S1处理最佳，处理间显著高于S2、S3和S4处理。综上可知，就分蘖期根系指标而言，2种还田方式虽均较CK处理降低，但膨化秸秆更有利于根长和根表面积的增大。

表4 不同秸秆还田处理水稻分蘖期根部性状的比较Table 4 Comparison of root characteristics in rice tillering stage treated with different straws returned to field

2.4 膨化秸秆还田对产量及其构成因素的影响

表5显示，在产量方面，膨化还田以P1处理最高，较CK处理增加了5.54%，未膨化还田以S3处理最高，较CK处理增加了6.65%，且各处理产量差异均不显著；从产量构成因素来看，膨化还田以P1处理穗数最多，较CK处理高6.81%，随还田量的增加而减少，处理间无显著性差异，未膨化还田以S3处理穗数最多，较CK处理提高14.92%，显著高于除P1外的其他处理；膨化还田穗粒数以P3处理最多，未膨化还田以S4处理穗粒数最多，分别较CK处理增加1.41%和2.62%，且处理间无显著性差异；膨化还田结实率高于未膨化还田和CK处理，以P2处理最高，较CK处理高4.21%，未膨化还田S1处理最佳，较CK处理高2.25%，S4处理显著低于P1和P2处理；2种还田方式的千粒重均较CK处理降低，处理间均以高还田量（P4、S4）最佳。可见，2种还田方式对水稻产量的提高均有一定的促进作用。

表5 不同秸秆还田处理水稻产量及其构成因素的比较Table 5 Comparison of rice yield and its components factors treated with different straws returning to field

2.5 膨化秸秆还田对稻米品质的影响

表6显示，膨化还田糙米率呈P2＞P1＞P4＞P3的趋势，未膨化还田呈S1＞S4＞S2＞S3的趋势，总体以S1处理最高，并显著高于CK处理；膨化还田精米率以P2处理最高，为74.60%，显著高于其他处理，未膨化还田精米率以S1处理最高，为73.65%，显著高于CK和S3处理；膨化还田以P2处理整精米率最高，较CK处理提高了1.70%，未膨化还田以S4处理整精米率最高，显著高于膨化还田和CK处理；膨化还田和未膨化还田处理稻米的垩白粒率、垩白度均以100%还田量最低，其中，P4处理显著降低了稻米的垩白粒率和垩白度，其他处理均高于CK处理；稻米蛋白质含量以S4处理最低，还田量较低的处理（25%和50%）中，膨化还田较未膨化还田更有利于降低蛋白质含量，改善食味，但在还田量较高的处理（75%和100%）中，与CK处理相比，2种秸秆还田处理的蛋白质含量更容易降低；直链淀粉含量均以S1处理最低，显著低于P1、P2、S2和S4处理；秸秆还田处理均提高了稻米的食味评分，且表现为膨化还田＞未膨化还田，其中，膨化还田处理间表现为P2＞P4＞P1＞P3，以P2食味评分最高，为76.97，未膨化还田处理间表现为S4＞S3＞S2＞S1，以S4食味评分最高，为76.71。

表6 不同秸秆还田处理稻米主要品质指标的比较Table 6 Comparison of the main quality indexes of rice treated with different straws returning to the field

2.6 膨化秸秆还田对稻米矿质元素含量的影响

表7显示，与CK处理相比，2种还田方式均显著降低了稻米中Cu含量，膨化还田以P3处理最高，未膨化还田以S1处理最高，处理间差异显著；膨化还田稻米中Ca含量均高于CK处理和未膨化还田，以P3处理最高，为78.52mg/kg，较CK处理提高21.51%，显著高于其他还田处理，未膨化还田稻米中Ca含量以S4处理最高，为74.85mg/kg，较CK处理提高15.83%，显著高于S1、S2、S3和P1处理；膨化还田稻米中Mg含量以P1处理最高，显著高于P1、P2、P3、S3和S4处理，未膨化还田S1处理最高，为0.99g/kg，与其他处理均达显著性差异水平；稻米中Fe含量表现为膨化还田＞未膨化还田，膨化还田以P1处理最高，未膨化还田S1处理最高，显著高于其他处理。

表7 不同秸秆还田处理稻米矿质元素含量的比较Table 7 Comparison of the mineral element content of rice treated with different straws returned to the field

2.7 膨化秸秆还田对土壤养分含量的影响

表8显示，土壤中有机质含量整体为膨化还田＞未膨化还田＞CK，膨化还田土壤有机质含量以P1处理最高，较CK处理增加13.08%，显著高于CK、S1、S2和S4处理，未膨化还田土壤有机质含量以S3处理最高，显著高于CK和S1处理；膨化还田土壤全氮含量表现为P3＞P4＞P1＞P2，其中P3处理较CK处理高13.39%，未膨化还田土壤全氮含量表现为S3＞S4＞S2＞S1，其中S3处理较CK处理高11.81%；膨化还田土壤碱解氮含量以P3处理最高，较CK处理高21.43%，未膨化还田土壤碱解氮含量以S3处理最高，较CK处理高29.50%，显著高于其他处理；膨化还田土壤有效磷含量以P1处理最高，较CK处理高14.85%，显著高于其他处理，未膨化还田土壤有效磷含量以S1处理最高，较CK处理高7.95%；膨化还田土壤速效钾含量以P4处理最高，显著高于其他处理；未膨化还田土壤速效钾含量以S3处理最高，显著高于除P3和P4外的其他处理。以上表明，秸秆还田有利于土壤养分含量的积累。

表8 不同秸秆还田处理土壤养分含量的比较Table 8 Comparison of soil nutrient content in different treatments of returning straw to the field

3 讨论

李思平等[19]研究发现，秸秆还田不利于水稻前期生长，但能显著提高水稻中、后期的生长指标，并增强水稻生长中、后期对养分的吸收。赵长坤等[20]研究表明，在水稻移栽分蘖期秸秆处于快速腐解的时期，消耗大量的微生物和氧气，导致土壤和水体产生大量有毒物质，参与腐解的微生物与水稻发生争“氮”现象[21]，因此秸秆在短期内释放的养分较少，甚至不利于水稻前期的生长。本研究表明，2种还田方式表现为前抑后促，在生长前期对水稻叶面积、干物质积累量和根部性状均有抑制作用，并随还田量的增加而增加，在生育后期抑制逐渐缓解，且膨化还田的水稻叶面积、干物质积累量和根部性状均优于未膨化还田处理，这与赵亚慧等[22]和何艳等[23]研究结果一致，秸秆还田后，由于纤维素、半纤维素和木质素的存在，不利于水稻根系下扎和前期生长，随着还田时间的增加，秸秆腐解速率逐渐减小，有毒物质含量减少，对水稻移栽后期根系的毒害作用降低，秸秆养分逐渐释放并被作物吸收，对水稻中、后期生长发育具有促进作用。

关于秸秆还田对产量的影响，前人进行了大量研究，但结果不尽一致，有研究[24-26]认为，秸秆还田有利于提高后期水稻产量，促进水稻生产。崔月峰等[27]研究发现，秸秆还田后水稻干物质积累不足，叶输出率和贡献率降低，每穗实粒数、千粒重和有效穗数都呈现出负向效应，致使产量下降。本研究结果表明，2种还田方式不利于穗粒数和千粒重的增加，但提高了水稻穗数和结实率，进而增加水稻产量的构成，但与CK处理差异不显著，说明短期秸秆还田不会显著影响水稻产量。在不同还田量下，膨化还田以P1处理最高，未膨化还田以S3处理最高，膨化还田的结实率高于未膨化还田，这与张巳奇等[28]和金鑫等[29]的研究结果一致。还田后的秸秆在土壤中的腐解是一个复杂的过程，特别是在温度较低的北方地区，秸秆腐解缓慢，因此膨化秸秆还田对水稻产量的长期效应还需进行持续定位试验研究。

常勇等[30]和薛亚光等[11]研究认为，秸秆还田不同程度地改善了稻米的加工品质、外观品质和营养品质，但对稻米胶稠度和直链淀粉含量影响较小，对蒸煮食味品质改善效果不显著。本研究结果与前人研究结果基本一致，与CK处理相比，秸秆还田提高了稻米的糙米率、精米率和整精米率，改善了稻米加工品质，其中未膨化还田的糙米率和整精米率优于膨化还田，膨化还田精米率优于未膨化还田，膨化还田更有利于降低稻米的垩白粒率和垩白度，其中，100%还田量下的垩白粒率与垩白度均低于CK和其他还田处理；在25%和50%还田量下，膨化还田较未膨化还田更有利于降低稻米蛋白质含量，2种秸秆还田处理75%和100%还田量的蛋白质含量较CK处理更容易降低；膨化还田的食味评分优于未膨化还田，总体以P2处理最高。与未膨化还田相比，膨化还田有利于稻米中Ca、Fe含量的增加，与袁玲等[31]研究结论一致，还田的秸秆中大量的营养元素在微生物的作用下完全矿化，从而促进了水稻的生长和营养成分的积累，促进营养物质向籽粒库转移。

马立晓等[32]研究认为，秸秆还田提高了土壤养分含量，有利于维护农田土壤肥力和生态系统健康。朱晶等[33]研究发现，秸秆还田显著提高了稻田土壤有机质、全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾含量，土壤养分含量在高还田量下效果最佳。本研究结果表明，膨化还田土壤中有机质、全氮和速效钾的含量优于CK和未膨化还田处理，其中膨化还田以100%还田量对土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量提高作用最显著。可能因为膨化后秸秆接触面积增加，提高了土壤微生物数量和活性的同时，也提高了秸秆的腐解速率，从而更快地向土壤释放有效养分。未膨化秸秆还田以75%还田量最佳，有利于土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量的增加，与韩新忠等[34]发现的秸秆还田处理显著增加了土壤全氮和速效氮含量的结果基本一致。

4 结论

2种还田方式前期的水稻叶面积、地上部干物质积累量和根系性状低于秸秆不还田，但随着时间的推移，提高了后期水稻产量，不同还田量之间，膨化还田表现为25%＞75%＞100%＞50%，未膨化还田为75%＞100%＞25%＞50%，较高的穗数和结实率是产量增加的主要原因；在品质方面，膨化还田处理稻米蛋白质和直链淀粉含量低于未膨化秸秆还田处理，但精米率和综合食味评分均高于未膨化还田处理。其中，膨化还田25%和50%还田量处理的综合评分显著高于未膨化还田处理。在土壤养分方面，各秸秆还田处理均高于CK处理，膨化还田处理土壤中全氮、速效钾和有机质含量高于未膨化还田处理。综上所述，在盆栽试验条件下，膨化还田处理有利于提高水稻的产量和食味评分，以25%还田量处理效果最佳。但盆栽处理与大田环境存在一定差异，不能完全代表大田结果，关于大田试验还有待日后进一步验证。