免耕与秸秆还田对直播稻产量及水分利用的影响

李国齐，吴汉,2*

(1. 安徽省淠史杭灌区灌溉试验总站，安徽 六安 237158；2. 安徽农业大学农学院，安徽 合肥 230036)

水稻是中国主要的粮食作物之一，其种植面积占全粮食总面积的30%左右，灌溉用水占农业用水的70%[1].然而随着人口的增长、城镇和工业的发展、全球气候的变化以及环境污染的加重，用于灌溉的水资源愈来愈匮乏，严重威胁到水稻生产的发展.此外，随着经济的快速发展，大量农村劳动力转移及土地流转加快，农业生产经营主体发生了巨大变化，使得生产种植方式也在不断变革，以直播稻及保护性耕作(例如免耕、秸秆还田等)等为代表的轻简化水稻生产技术得到了较快的发展[2].

与传统的翻耕相比，前人[3-4]一致认为保护性耕作不仅可以节省劳力，而且有利于维持土壤生产力和粮食稳产.通过免耕，可以大幅减少水分渗漏，直播水稻较移栽水稻常规淹灌减少了水分投入[3,5].前人[6-7]研究结果显示，秸秆覆盖还田对于旱地作物可以保温保墒.而对于传统翻耕的水稻，秸秆随翻耕埋入土壤，在水稻生长前期秸秆腐熟的过程中产生热量[5,8]，使得土壤温度升高，有可能使水分蒸发加剧，在气温较高时甚至产生“煮苗”现象.而免耕下，秸秆覆盖在表层土壤之上，其水分效应不得而知.此外，PITTELKOW等[9]收集了610篇关于保护性耕作的文献，与传统耕作(翻耕+秸秆不还田)相比，其中有64篇研究认为免耕+秸秆还田增加产量，74篇显示无显著差异，其余均显示产量下降.可以看出多数研究结果显示保护性耕作降低了移栽水稻的产量.然而保护性耕作对直播水稻产量影响的研究成果较少.文中研究免耕与秸秆还田对直播水稻产量、土壤温度及水分利用的影响，为水资源合理利用提供理论依据和技术支持，为探讨可持续的稻田生产提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017和2018年在安徽省六安市淠史杭灌区灌溉试验总站内(117.55°E，31.80°N)进行.试验土壤为黏壤土，播种前0～40 cm土壤理化性质参数：pH7.5，土壤有机质质量比19.60 g/kg，全氮质量比1.24 g/kg，碱解氮质量比146.00 mg/kg，全磷质量比0.28 g/kg，有效磷质量比13.53 mg/kg，全钾质量比13.20 g/kg，速效钾质量比205.41 mg/kg.试验期间的气象数据如图1所示，由试验站内安装的小型自动气象站提供；图中物理量为气温t、降雨量P、播种后天数d.

图1 试验期间的气象数据Fig.1 Meteorological data during experiment

供试品种为广两优67(Guangliangyou67).

1.2 试验设计

采用两因素两水平裂区试验设计，在有底的水泥测坑中设置了免耕(NT)与翻耕(CT)2种不同的耕作方式和前茬作物秸秆不还田(NS)与前茬作物秸秆还田(S)2种秸秆还田方法，共4个处理：翻耕+秸秆不还田(CT+NS)：人工翻地，耕深8～10 cm，前茬小麦秸秆不还田；翻耕+秸秆还田(CT+S)：人工翻地，耕深8～10 cm，前茬小麦秸秆随翻耕埋入土壤；免耕+秸秆不还田(NT+NS)：不进行整地，前茬小麦秸秆不还田；免耕+秸秆还田(NT+S)：不进行整地，前茬小麦秸秆在水稻播种后覆盖还田.每个处理3个重复，小区面积为2.5×1.6 m2.

1.3 田间管理

2017，2018年分别于5月25日、5月20日人工撒播水稻，播种量为37.5 kg/hm2；分别于10月7日、9月26日收割.前茬作物为小麦.施氮量为180 kg/hm2，按基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶6∶2分3次施入；钾肥(K2O)与磷肥(P2O5)均为120 kg/hm2，一次性基施.病虫草害防治同当地.

具体的水分管理如图2所示(图中物理量为水位h、土壤质量相对含水率θ)，其中田间水位监测利用测针每日8:00测量(测坑内安装一测桩，测桩底部与土层持平)；土壤相对含水率(质量)为土壤含水率与土壤饱和含水率之比(土壤含水率利用称重法测量，当田间无水层时，每3 d测量1次).

图2 水分管理Fig.2 Moisture management

1.4 测定内容与方法

1) 灌排水量.灌水量I由流量计读出.若雨后田间水位超过最大蓄水深度，按照水位处理设计方案排水，排水前后的水层深度变化量即为排水量D.

2) 需水量.需水量ET按照《灌溉试验规范》(SL 13—2015)中的水量平衡方法计算.

3) 土壤温度.在水稻苗期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期，用地温计在各小区测定 0，10和20 cm处土壤地温，每天8:00，14:00，20:00各测定1次，取平均值为当天土壤温度.

4) 产量及其构成因素.于收获前每小区选取3个0.5 m2水稻计算有效穗数，再取0.1 m2所有的有效穗数进行室内考种，统计结实率、千粒质量.每个小区水稻收割后，脱粒，自然风干后称重，并折算单位面积产量.

5) 水分利用，计算式为

WUE=Y/ET，

(1)

式中：WUE为水分生产率，kg/m3；Y为水稻产量，kg/m2；ET为需水量，m3/m2.

1.5 数据计算方法、处理与分析

测得数据用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行分析与处理，Origin Pro 2018作图.采用一般线性模型进行方差分析，最小显著极差法(LSD 法)进行多重比较.

2 试验结果

2.1 需水规律

2.1.1 灌排水量

表1为免耕与秸秆还田下对直播稻灌排水量的影响.分析表1可知，耕作方式、秸秆还田及两者的相互作用显著影响水稻的需水量.CT+S的需水量最大(587.7～621.7 mm)；2017年NS+NT的需水量最小(555.0 mm)，2018年NT+S的最小(576.7 mm)，但2年间NT+S与NT+NS的差异不具有统计学意义.NT+S需水量较CT+S显著减少5.17%～7.24%.免耕的灌水量显著低于翻耕.各处理的排水量差异不具有统计学意义.2017年灌水量高于2018年，而需水量低于2018年.

表1 免耕与秸秆还田下对直播稻灌排水量的影响Tab.1 Effects of no-tillage and straw returning on irrigation and drainage of direct seeding rice

2.1.2 各生育时期需水量

表2为免耕与秸秆还田下对直播稻各生育时期需水量的影响.由表可知，耕作方式、秸秆还田主要影响苗期、分蘖期的需水量，而对拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期的需水量无显著影响.在苗期，CT+S的需水量最大(87.9～94.6 mm)，NT+S的最小(76.6～80.2 mm).在分蘖期，CT+S的需水量最大(161.8～165.1 mm)，NT+NS的最小(143.6～146.6 mm)，但NT+S与NS+NT两者差异不具有统计学意义.2017年苗期的需水量高于2018年，而抽穗开花期、乳熟期、黄熟期表现出相反的规律，分蘖期、拔节期差异不具有统计学意义.

表2 免耕与秸秆还田下对直播稻各生育时期需水量的影响Tab.2 Effects of no-tillage and straw returning on water demand of direct seeding rice at different growth stages

2.2 土壤温度

图3为免耕与秸秆还田下2017，2018年对直播稻土壤温度的影响，图中Hs为土壤深度、Ha为空中离地高度.

分析图3可知，NT+NS的土壤平均温度最低，CT+S的最高.在苗期、分蘖期，NT+S土壤温度表层温度与CT+S差异不具有统计学意义，10和20 cm深度土壤温度与CT+NS差异不具有统计学意义.在拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期，各处理的表层温度差异不具有统计学意义，而在10和20 cm处翻耕(CT+S，CT+NS)的温度显著高于免耕(NT+S，NT+NS).在苗期、分蘖期，土壤表层温度高于气温，而在拔节后(拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期)土壤表层温度低于气温.

2.3 产量及其构成因素

表3为免耕与秸秆还田下对直播稻产量及其构成因素的影响，表中Pp为有效穗数、Sp为每穗粒数、mg为千粒质量、Gp为结实率、Gy为产量.由表可知，秸秆还田及其耕作方式、两者的相互作用对水稻产量有着显著的影响.免耕与秸秆还田下(NT+S)水稻的产量为9.08～9.63 t/hm2，与CT+NS和CT+NS下的差异不具有统计学意义，而较NT+NS显著增加了10.05%～13.36%.免耕的水稻产量与翻耕相比差异不具有统计学意义，而秸秆还田较秸秆不还田的产量显著增加.

表3 免耕与秸秆还田下对直播稻产量及其构成因素的影响Tab.3 Effects of no-tillage and straw returning on yield and its components of direct seeding rice

耕作方式对水稻产量构成因素的影响并不具有统计学意义；秸秆还田的有效穗数显著低于秸秆不还田，而穗粒数和结实率则相反.2018年的水稻产量、穗粒数、千粒质量、结实率显著高于2017年，而有效穗数表现出相反的规律.

2.4 水分利用

秸秆还田及其与耕作方式的互作效应显著影响着水分生产率.图4为免耕与秸秆还田下对直播稻水分生产率的影响.由图可知，2 a间均以NT+S的水分生产率最高，分别为1.63和1.67 kg/m3，较NT+NS显著增长了12.90%和11.56%.与NT+S相比，CT+S的无显著变化；CT+NS的水生产率在2017年显著低于NT+S，而在2018年差异不具有统计学意义.

图4 免耕与秸秆还田下对直播稻水分生产率的影响Fig.4 Effects of no-tillage and straw returning on water use efficiency of direct seeding rice

3 讨 论

田间的水分平衡与热量平衡有着密切的关系[10-11].试验结果显示，免耕处理下的水稻需水量较翻耕的显著下降，这与前人[3,12]的研究结果基本一致.至于免耕减少需水量的原因，前人做过的大量研究表明[6,12-14]免耕使得土壤紧实度和土壤容重增加，一方面可以减少水分下渗[12]；另一方面使得耕作层的土壤含水量增加，增大了土壤的比热容，降低了土壤温度的变化幅度，使得水分蒸散减少[6,14].文中试验在有底的测坑中进行，无渗漏，所以免耕的需水量减少主要是由于土壤温度下降使得棵间蒸发减少.

研究结果显示，翻耕下秸秆还田的苗期、分蘖期需水量显著高于秸秆不还田的，这是因为翻耕下秸秆翻入土壤中，在拔节期前，秸秆腐熟产生热量，使得土壤温度升高，棵间蒸发加剧，而在拔节孕穗后，秸秆已经腐熟完，使得秸秆还田(CT+S)的土壤温度与秸秆不还田(CT+NS)的差异不具有统计学意义.这与前人[6]在翻耕下研究秸秆还田的结果基本一致.然而免耕处理下秸秆还田与否，其需水量差异不大，这主要因为NT+S秸秆覆盖下土壤表面温度在苗期、分蘖期较免耕+秸秆不还田(NT+NS)有所增加，但是覆盖秸秆有保墒的作用[7]，使得需水量与NT+NS差异不具有统计学意义.拔节后免耕+秸秆不还田(NT+NS)较免耕+秸秆还田(NT+S)土壤温度仍略有差异，这是因为秸秆翻盖在土壤之上，其腐熟周期更长[15]；而拔节后水稻需水量主要以水稻蒸腾为主[10]，使得需水量差异不具有统计学意义.因此需水量表现为ET(CT+S)>ET(CT+NS)>ET(NT+S)=ET(NT+NS).由于产量NT+S与翻耕处理的差异不具有统计学意义，所以NT+S的水分利用效率最大.

前人对于水稻产量对保护性耕作的响应做了大量研究[14-17]，结果显示免耕下移栽水稻较翻耕产量下降，这主要是因为免耕减少了移栽水稻的有效穗数.但文中研究结果显示，翻耕与免耕的产量差异不具有统计学意义，这可能是因为免耕主要影响了分蘖的发生，而直播稻穗数贡献主要来自主茎[18].这与冯跃华等[19]的研究结果基本一致.

研究结果还显示，与秸秆不还田相比，秸秆还田增加了穗粒数，降低了有效穗数.这可能主要是因为秸秆在前期腐熟过程中与水稻争夺土壤中的氮素[15]，使得有效穗数降低；秸秆腐熟后的有机质在穗分化后提供了较多的营养物质，增加了穗粒数.免耕与秸秆还田减少了有效穗数，但穗粒数与结实率显著增加，使得产量较传统耕作(CT+NS)差异不具有统计学意义.说明水稻获得高产的关键是稳定穗数，提高穗粒数和结实率[2].2017的水稻产量低于2018年，这主要是因为2017年在生育后期多雨寡照，影响了水稻灌浆，使得千粒质量与结实率显著低于2018年.秸秆还田具有很好的稳产性，这可能是因为腐熟的有机质可以有效缓解逆境胁迫.

4 结 论

1) 免耕与秸秆还田在苗期、分蘖期土壤温度较低以及秸秆覆盖具有保墒的作用，显著减少了苗期的田间蒸散，使得需水量较翻耕秸秆还田显著减少5.17%～7.24%，达到555.0～576.7 mm；

2) 免耕与秸秆还田稳定了直播稻有效穗数，增加了穗粒数与结实率，使得产量(9.08～9.63 t/hm2)与翻耕(CT+NS，CT+S)的差异不具有统计学意义，而较免耕+秸秆不还田(NT+NS)显著增加了10.05%～13.36%.水分利用效率(1.63～1.67 kg/m3)显著提高.因此，免耕与秸秆还田是一种直播稻高产及水资源高效利用的栽培模式.