秸秆还田形态和还田量对水稻氮素积累与转运及产量品质的影响

刘丽华,秦 猛,翟玲霞,崔士泽,李瑞松,郑峻麒,王檄铭,李红宇,姚 钦,林晓影,郑桂萍

(1.黑龙江八一农垦大学农学院,黑龙江 大庆 163319;2.黑龙江省农业科学院克山分院,黑龙江 齐齐哈尔 161000;3.黑龙江省八五四农场,黑龙江 密山 158300)

水稻(OryzasativaL.)作为我国主要的粮食作物之一,在保障国家粮食安全中具有重要地位[1-3]。随着育种和栽培技术的发展,水稻产量得到大幅提升的同时,秸秆数量也随之增多。目前我国已成为世界上秸秆年产量最高的国家之一,但秸秆利用率却有待提高[4]。由于还田技术的不完善,收获后农户为了生产上的便利,将秸秆丢弃或焚烧,加重了环境污染和资源浪费[5]。因此,如何高效利用秸秆现已成为社会关注的重点问题。现阶段,秸秆还田已成为我国广泛应用的秸秆处理方式之一[6]。秸秆作为一类生物质资源,含有丰富的中、微量元素,还田后营养物质重新返还至土壤,供作物吸收和利用,可避免燃烧带来的环境污染[7-8]。秸秆直接还田是目前最主要的还田方式,具有简单快捷、省时省力等优点,同时可以达到蓄水保墒和培肥地力的目的[9]。东北地区土壤温度低,气候干燥,还田后秸秆腐解速率慢,如果还田过量,导致秸秆难以深翻覆盖到位,使水分流失、化感物质积累和病虫草害加重,进而影响还田效果和作物出苗生长等一系类问题[10-12]。故对秸秆进行有效的预处理具有一定的必要性,传统的预处理方法如机械加工、酸碱和生物处理等,虽然可以破坏秸秆的纤维结构,但存在周期长、污染大和效率低等问题[13]。汽爆膨化技术(简称“膨化”)利用高温高压蒸汽,通过瞬间释放压力来破坏秸秆原有组分,使秸秆结构发生改变[14],具有省时增效、减少化学试剂使用、改善秸秆生物质特性和提高腐解速率的特点,是很有发展前景的预处理技术[15]。

秸秆还田过程中,改变秸秆形态可以增加秸秆与土壤的接触面积,加快有机物质的循环转化,增加土壤养分含量的积累,促进作物增产,提高经济效益[16]。膨化预处理可以破坏生物质的层次结构,降低纤维素和半纤维素的聚合度,有利于微生物附着和消化酶作用[17]。膨化处理后秸秆呈现粗糙、松散以及破碎的表面结构,可能因为在膨化过程中,秸秆在高温高压的共同作用下,纤维结构和部分低分子量物质被软化,纤维之间的连接开始减弱,高压蒸汽迅速从纤维缝隙中释放出来,破坏纤维素分子内的氢键,降低纤维间的连接,使纤维间断裂,彼此分离(图1)。秸秆炭化还田具有提高土壤碳库积累,减少温室气体排放,促进植物养分吸收,提高作物产量的作用[18-19];秸秆颗粒化还田有利于土壤养分循环,维持土壤肥力,促进植物生长、生物量和养分含量的积累[20];秸秆粉碎还田能降低土壤容重,增加土壤有机碳和全氮含量[21]。

图1 两种秸秆的宏观形态Fig.1 Pictures of different straw macromorphology

针对东北地区秸秆还田利用率低、效果不明显的现状,本研究采用膨化秸秆和常规秸秆两种形态还田,进行2 a试验,比较膨化秸秆与常规秸秆的还田效果,研究并明确两种秸秆在不同还田量下对水稻氮素利用及产量品质的影响,为水稻高产优质栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020—2021年在大庆市黑龙江八一农垦大学校内盆栽试验基地(46.58°N、125.16°E)进行,该地区属于温带季风气候,海拔143 m,年日照时数2 726 h,平均无霜期166 d,年均气温4.2℃,夏季平均气温23.2℃,年均降水量427.5 mm,2020年和2021年旬降水量、旬均气温如图2所示,试验土壤养分状况如表1所示。

图2 2020年和2021年旬降水量、旬均气温情况Fig.2 Ten-day precipitation and average temperature in 2020 and 2021

表1 土壤基础养分状况Table 1 Soil basic nutrient status

1.2 供试材料

供试水稻品种为‘垦粳8号’,主茎13片叶,株高约94.3 cm,全生育期142 d,≥10℃活动积温约2 650℃。膨化秸秆来源于黑龙江稻乐农业科技有限公司,膨化秸秆制备流程如下：将水稻秸秆铡成1～3 cm小段→装入膨化加料箱中→螺旋输送到膨化器中→摩擦生热→水汽化→膨化器内压力增大至1.0 MPa→瞬间释放喷出。供试肥料包括普通尿素(N含量46.4%)、重过磷酸钙(P2O5含量46%)和硫酸钾(K2O含量50%)。

1.3 试验设计

试验设计水稻秸秆膨化后还田(膨化还田)和未膨化还田(直接还田)两种还田方式,以当地秸秆还田量7 500 kg·hm-2为基准,分别设置4种还田比例,即25%、50%、75%和100%,同时以秸秆不还田为对照(CK),共9个处理(如表2所示),采用单因素完全随机设计,通过盆栽进行试验,每盆84 kg土壤,在盆栽装土时将秸秆翻埋至土壤中,盆规格为长80 cm×宽60 cm×高28 cm,每盆面积0.48 m2。每处理5盆,每盆移栽2行,每行插植8穴,共计16穴,每穴4苗。插秧规格为行距30 cm×穴距10 cm。水稻于2020年4月18日播种,5月24日移栽,9月27日收获;2021年4月18日播种,5月20日移栽,9月20日收获,生产管理模拟田间栽培措施。基肥分别施尿素、重过磷酸钙和硫酸钾4.97、6.70、3.46 g·盆-1(2020年5月18日,2021年5月14日);分蘖肥施尿素3.72 g·盆-1(2020年5月25日,2021年5月28日);调节肥施尿素1.24 g·盆-1(2020年6月30日,2021年6月26日);穗肥分别施尿素和硫酸钾2.48 g·盆-1和2.30 g·盆-1(2020年7月17日,2021年7月14日)。

表2 不同处理的秸秆还田方式与用量Table 2 Ways and amounts of straw returning to the field for different treatments

1.4 测定项目及方法

1.4.1 植株氮素积累与转运 将分蘖期、齐穗期和成熟期样品分为叶片、茎鞘、穗,将样品置于烘箱105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重后,粉碎后过0.20 mm孔径筛,消煮,采用全自动凯氏定氮仪(KjeltecTM 8400,福斯华(北京)科贸有限公司,丹麦)测定氮,并按以下方法计算氮素积累与转运[22]。计算公式如下：

氮素积累量(g·m-2)=地上部各器官(叶片、茎鞘、穗)干重×地上部(叶片、茎鞘、穗)含氮率

氮素转运量(g·m-2)=齐穗期某器官(叶片、茎鞘)氮素积累量-成熟期该器官(叶片、茎鞘)氮素积累量

氮素转运率(%)=叶片(茎鞘)氮素转运量/齐穗期叶片(茎鞘)氮素积累量×100%

氮素转运贡献率(%)=氮素转运量/成熟期穗部氮素积累量×100%

成熟期氮素分配比例(%)=地上部(叶片、茎鞘、穗)含氮率/成熟期植株地上部各器官氮素积累量的总和×100%

1.4.2 产量及其构成因素 水稻成熟期各处理按平均穗数取代表性植株6穴,在阴凉通风处干燥后,分为茎鞘和穗,穗部用于考察产量构成要素(穗数、穗粒数、结实率和千粒重),计算理论产量。

1.4.3 品质 水稻收获后脱粒,自然阴干3个月,待理化性质稳定后,每处理称取3份,每份200 g,按《优质稻谷(GB/T 17891—2017)》标准测定稻米品质。

加工品质：采用实验砻谷机(FC-2K,YAMAMOTO公司,日本)加工成糙米,计算糙米率;采用实验碾米机(VP-32,山本公司,日本)加工成精米,采用谷粒分析仪(ES-1000,静冈机械株式会社,日本)判别整精米,计算精米率和整精米率。

外观品质：采用ES-1000便携式品质分析仪测定垩白粒率和垩白度;营养品质：采用近红外谷物分析仪(FOSS 1241,瑞典福斯公司,瑞典)测定稻米的蛋白含量和直链淀粉含量;食味品质：采用米饭食味计(STA1A,佐竹公司,日本)测定米饭的食味评分。

糙米率(%)=糙米重/稻谷重×100%

精米率(%)=精米重/稻谷重×100%

整精米率(%)=精米率×(1-碎米率)

1.5 数据处理

采用Excel 2010软件对数据进行处理并作图,采用SPSS 17.0软件进行Duncan差异显著性检验(P<0.05) 。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田形态和还田量对氮素积累、转运与分配的影响

2.1.1 地上部氮素积累 由图3可知,在2 a试验中,水稻分蘖期地上部氮素积累量表现为CK>秸秆还田,且两种还田方式均随还田量的增加呈明显降低趋势,究其原因认为是秸秆在腐解过程中,微生物与植株对土壤氮素的竞争所致;齐穗期膨化还田以P1处理地上部氮素积累最多,2 a间分别较CK显著提高10.92%和11.66%,直接还田以S1、S2处理氮素积累量最多;成熟期膨化还田以P1处理地上部氮素积累最多,在2 a间分别较CK增加1.11%和10.54%,直接还田S3处理在2020年试验中较CK显著提高4.99%,在2021年直接还田以S2处理最佳,较CK增加了8.51%。

2.1.2 各器官氮素转运 由表3可知,2 a间不同处理下水稻的氮素运转量、运转率和贡献率均表现为叶>茎,膨化还田后水稻的叶片转运量、转运率和贡献率均以P1处理最高,其中2020年增长效果明显,分别较CK增加了18.34%、3.52%和31.65%,而直接还田表现为S1处理总体效果最佳;2020年膨化还田后水稻的茎鞘转运量、转运率和贡献率表现为P1>P2>P3>P4,与CK相比,P1处理分别提高了10.70%、6.94%和9.56%,直接还田表现为S1>S2>S4>S3,其中S1处理的氮素转运率较CK提高了4.41%;2021年膨化还田水稻的茎鞘转运量、转运率和贡献率均以P4处理最高,较CK分别提高45.90%、45.15%和50.44%,且膨化还田水稻的茎鞘转运量、转运率和贡献率均随还田量的增加而提高,直接还田水稻茎鞘中氮素转运量、转运率和贡献率均以S3处理较高,其中转运率、贡献率较CK分别提高26.37%和3.81%。

注：不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。下同。Note：The different lowercase letters represent the significant difference at P<0.05.The same below.图3 水稻地上部氮素积累量的比较Fig.3 Comparison of nitrogen accumulation in rice shoot

表3 水稻茎鞘、叶片氮素转运的比较Table 3 Comparison of nitrogen transport in stem sheath and leaf of rice

2.1.3 水稻成熟期各器官氮素分配 如表4所示,水稻成熟期各器官中的氮素积累量及分配比例均表现为穗>茎鞘>叶片。就氮素积累量来看,膨化还田P1处理总体效果最佳,与CK相比,可显著提高水稻叶片和茎鞘中氮素积累量,增幅为1.90%～14.00%;直接还田水稻的茎鞘、叶片和穗的氮素分别以S4、S1和S3处理积累最多,且S2处理在2021年试验中茎鞘、叶片和穗的积累量分别较CK显著提高了1.65%、9.26%和11.55%;就氮素在各器官中分配比例来看,与CK相比,两种还田方式均使氮素在茎鞘中分配比例呈下降趋势,2 a间膨化还田水稻的茎鞘氮素比例以P1处理占比最高,明显高于其他处理,且2 a间较CK分别增加2.52%和1.96%,直接还田以S2处理茎鞘中氮素分配比例最高;2020年叶片的氮素分配比例随还田量增加呈降低趋势,膨化还田和直接还田分别以P1和S1处理占比最多,较CK分别提高10.47%和16.86%,P4和S3处理的穗部氮素分配比例明显高于其他处理,分别较CK显著增加4.98%和4.38%;2021年膨化还田和直接还田分别以P4和S3处理叶片的氮素占比最高,较CK增加14.24%和11.60%,膨化还田和直接还田的穗部氮素积累分别以P2和S4处理所占比例最高。

表4 水稻成熟期氮素在各器官中的分配Table 4 Distribution of nitrogen in various organs of rice at maturity

2.2 秸秆还田形态和还田量对水稻产量及构成因素的影响

由表5可知,2020年和2021年两种还田形态下水稻产量均较对照有所提高,膨化还田以P1处理最高,较CK分别增加了5.54%和8.93%;直接还田以S3处理最高,2 a间产量较CK分别增加了6.65%和9.14%;从产量的构成因素来看,2020年两种还田形态各个处理的每平方米穗数均较对照提高,其中S3处理每平方米穗数最多(472.29穗·m-2),P1处理次之;2021年各个还田处理每平方米穗数均较CK显著降低;穗粒数2 a间均以S4处理最多,较CK平均提高了19.65%,但各处理间差异未达显著水平;结实率以P2处理最高,2 a间较CK分别提高了4.21%和1.42%,P1处理次之;P4处理有利于2020年千粒重的提高,S3处理在2021千粒重最高,P1处理次之,但处理间无显著差异。

表5 产量及其构成因素的比较Table 5 Comparison of yield and its components

2.3 秸秆还田形态和还田量对稻米品质的影响

2.3.1 稻米加工品质 如表6可知,2 a间稻米的加工品质均表现为秸秆还田>CK。其中2020年膨化还田糙米率表现为P2>P1>P4>P3,直接还田表现为S1>S4>S2>S3,总体以S1处理最高,并显著高于CK;膨化还田精米率以P2处理最高(74.60%),显著高于其他处理,直接还田精米率以S1处理最高(73.65%),显著高于CK和S3处理;膨化还田P2处理整精米率最高,较CK提高了1.70%,直接还田S4处理整精米率最高,显著高于其他处理,较CK显著提高了3.36%;2021年膨化还田和直接还田的糙米率、精米率分别以P2、S3处理最佳,且二者均显著高于CK、P1处理;膨化还田的整精米率表现为P3>P4>P2>P1,直接还田的整精米率表现为S4>S3>S1>S2,其中P3和S4处理整精米率分别较CK提高6.04%和9.58%,且S4处理显著高于其他处理。

表6 稻米加工品质的比较Table 6 Comparison of rice processing quality

2.3.2 稻米外观品质 如表7可知,2020年垩白粒率和垩白度除P4处理外均表现为秸秆还田>CK,但在2021年略有不同,表现为CK>直接还田>膨化还田,且2 a间膨化还田和直接还田稻米的垩白粒率、垩白度均以100%还田量最低,较CK相比,2 a间均以膨化还田P4处理总体降低效果最明显,表明高还田量利于改善稻米的外观品质。

表7 稻米外观品质的比较Table 7 Comparison of rice appearance quality

2.3.3 稻米营养品质 如图4可知,2 a间稻米蛋白质含量均以S4处理最低,还田量较低的处理(25%和50%)中,膨化还田较直接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,较CK相比,两种秸秆还田处理的蛋白质含量更容易降低;2 a间直链淀粉含量均以直接还田S1处理最低,2020年S1处理显著低于P1、P2、S2、S4处理,2021年S1处理显著低于CK、P3、S2处理。

图4 稻米营养品质的比较Fig.4 Comparison of nutritional quality of rice

2.3.4 稻米食味品质 由表8可知,较CK相比,2 a间秸秆还田处理均提高了稻米的食味评分,表现为膨化还田>直接还田,其中,膨化还田处理间表现为P2>P4>P1>P3,2 a间均以P2处理食味评分最高,分别为76.97分和81.71分;直接还田处理间表现为S4>S3>S2>S1,2 a间均以S4处理食味评分最高,分别为76.71分和81.53分。由此可见,较CK和直接还田相比,膨化还田更有利于稻米食味品质的改善。

表8 稻米食味品质的比较Table 8 Comparison of rice eating quality

3 讨 论

3.1 秸秆还田形态和还田量对水稻氮素积累、转运与分配的影响

氮素是植物体内多种化合物的物质基础,其供应状况与植物体内各种物质及能量的转化密切相关[22]。前人研究表明[23],秸秆还田使水稻生育前期的氮素积累量呈降低趋势,一方面是因为秸秆养分释放较慢,另一方面是由于秸秆的高碳氮比导致土壤微生物在作物生育前期与植株争夺氮素。孔丽丽等[24]研究发现,秸秆还田增加了水稻生育中后期的氮素积累量,促进氮素向籽粒的转运,具有提高水稻产量和氮素利用效率的双重作用。秸秆还田前期不利于植株氮素积累,在生育后期可以促使土壤微生物活性和数量的增加[25],提高土壤的供氮能力,利于植株对氮素的吸收和积累[26]。本试验结果与前人研究结果基本一致,膨化还田更利于提高水稻的氮素吸收和利用,植株中氮素的转运主要以叶片为主,茎鞘和叶片积累的氮素不断向生殖器官转移,不同还田量之间以P1处理叶片的氮素转运量最高,2 a间氮素转运率分别为81.41%和74.18%,叶片对籽粒总氮贡献率2 a间分别为66.31%和49.75%,且膨化还田P1和P4处理有利于提高茎鞘氮素的转运量,氮素转运率为56.53%和40.67%,茎鞘对籽粒总氮贡献率为33.16%和27.26%;成熟期氮素积累主要集中在籽粒部分,膨化还田以P4和P2处理最佳,高于CK和直接还田,分配比例达75.51%和66.11%,其他非籽粒部分的氮素分配比例表现为茎鞘>叶片。表明膨化还田可以快速供给土壤氮素,提高植株氮素的积累,促进蛋白质转化为糖类物质,为水稻生长提供充足养分,促使营养器官积累的氮素向穗部转移,直接影响水稻产量。

3.2 秸秆还田形态和还田量对水稻产量的影响

前人在秸秆还田对作物产量的影响方面进行了大量研究,李录久等[27]研究发现,秸秆还田后水稻每穗粒数明显增多,结实率提高,千粒重有所增长,最终提高了籽粒产量。汪军等[28]研究认为,较秸秆不还田相比,秸秆还田有利于后期籽粒灌浆结实,促进穗粒数的增加,结实率、千粒重有所提高,增加经济效益。2 a的研究结果表明,秸秆膨化还田有利于穗粒数和结实率的增加,且产量有所提高,与前人结果基本一致,但只有P2处理达到显著水平,原因可能是北方土壤温度低,秸秆腐解速度慢,营养并未完全释放,可以尝试多年连续还田条件下进一步研究。另外,2021年较2020年的穗粒数和产量明显降低,可能是由于2021年7月中下旬(水稻减数分裂期)降水较多,气温较低影响了穗粒数所致(见图2)。

3.3 秸秆还田形态和还田量对稻米品质的影响

刘鸿飞[29]研究发现,秸秆还田在促进植株养分积累的同时,降低稻米的垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量,提高稻米的淀粉峰值粘度、崩解值和胶稠度,改善了稻米品质。王国骄等[30]研究发现,秸秆还田不会显著影响水稻产量,但利于提高稻米食味评分,改善稻米蒸煮食味品质。本研究结果表明,较CK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,其中直接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直接还田,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,但2021年的垩白粒率与垩白度均明显低于2020年,可能是由于年际气候差异所致,有待进一步研究;在25%和50%还田量下,膨化还田较直接还田更有利于降低稻米蛋白质含量,两种秸秆还田处理75%和100%还田量的蛋白质含量较CK更容易降低;膨化还田的食味评分优于直接还田,总体以P2处理最高,可能是秸秆还田改善了水稻生育后期的营养状况和生理活性,从而提高群体的光合生产能力,利于光合产物直接运往穗部,促进穗部的物质合成与积累,使稻米品质得到改善,与袁玲等[31]研究认为的还田后秸秆中的营养物质在微生物的作用下完全分解和矿化、易被水稻所转化吸收,从而促进矿质营养元素向籽粒库的转移和积累的结论相一致,表明膨化后秸秆还田在保证产量的同时,可以提高稻米的品质。

4 结 论

2 a试验结果表明,与对照相比,25%秸秆膨化还田处理能提高齐穗期和成熟期植株中氮素的积累,并促进营养器官中的氮素向籽粒转运,提高转运率,增加了氮素对籽粒的贡献率,提高了氮素利用效率。2 a间两种秸秆还田形态均较对照提高了水稻产量,秸秆膨化还田表现为25%还田量处理增产效果最佳,产量较CK分别增加了5.54%和8.93%;秸秆直接还田以75%还田量处理增产效果最佳,较CK分别增加了6.65%和9.14%;秸秆膨化还田和秸秆直接还田增产的主要原因是穗粒数和结实率的增加。2 a试验说明了秸秆膨化还田和秸秆直接还田处理均改善了稻米的加工品质、营养品质和食味品质,但各处理间差异未达显著水平。从水稻高产优质的角度分析,秸秆膨化还田量为25%的处理有利于水稻产量和品质的提高,秸秆直接还田量为75%的处理次之。