水稻秸秆秋季水耙浆还田对土壤及水稻性状的影响

赫兵 李超 严永峰 刘月月 赫靖淇 于天华 王帅 陈殿元* 严光彬

（1 吉林农业科技学院农学院，吉林吉林132101；2 吉林省农业科学院水稻研究所，长春130499；3 通化市农业科学院水稻研究所，吉林梅河口134001；第一作者：hebing02358531@126.com；*通讯作者：yanguangbin119@126.com）

根据2020年中国统计年鉴数据，我国水稻秸秆产量为1.7 亿t，其中吉林省为525.8 万t，秸秆资源十分丰富。对于水稻秸秆处理，美、英、德、日等发达国家主要为肥料化、饲料化和工业原料化这3 种方式[1]。且已经达到了一种处理供求平衡、利用效率高的良好状态。我国对水稻秸秆的处理主要集中在工业原料化利用方面[2-4]，但随着其他新型材料的出现，水稻秸秆目前已不再作为生产原料被大量使用。我国秸秆直接还田总体水平较低，仅为17.6%。

目前东北黑土退化问题日益严重。黑土地开垦200 余年，垦前有机质含量5.0%以上，现仅为2.0%左右。长期定位试验表明，连年耕作后单施化肥区有机碳下降10.4%，活性有机碳下降8.9%。据调查，吉林省稻田因为有机质投入不足，有机质含量已经从20 世纪80年代初的3.0%～3.5%下降至目前的1.5%～2.0%，近40年间下降近一半。随之而来的是土壤肥料吸附能力严重下降，化肥施用量增加1.0 倍以上[5]。这不仅严重降低了肥料利用率，引发污染，同时提高了生产投入，也影响了稻米品质，阻碍我国水稻产业的可持续发展。而数据显示，每年每hm2需要投入约1.82 t 炭才可维持吉林省黑土有机碳库平衡。国家农业农村部等6 个部委联合印发《东北黑土地保护规划纲要》中明确提出要“因地制宜开展秸秆粉碎深翻还田、秸秆覆盖免耕还田等”。但目前吉林省秸秆资源总利用率不足10.0%，废弃或焚烧的比例较大。限制东北秸秆资源高利用的因素主要是传统的堆腐还田成本高；春季秸秆直接翻耙还田温度低、秸秆腐解期短，同时产生大量甲烷等气体，影响水稻分蘖，致使农业生产不能正常进行或在栽培管理不当时，容易造成减产；而在秋季单纯进行翻耕还田，因为土壤仍处于氧化态，不利于秸秆腐烂，并排放大量甲烷等有害气体，同时混杂在秸秆中的杂草种子等在次年开春后萌发容易造成草害。解决这一难题，要结合吉林省气候环境特点，最大限度延长水稻秸秆腐解期[6]。日本学者针对水稻秸秆春季和秋季还田进行了比较试验，结果表明，秋季秸秆还田在很大程度上减少了秸秆腐解对水稻分蘖期发生的还原性损伤，可以在一定程度上减少甲烷气体的产生[7-8]。其原因就是让水田土壤在秋收后立即达到还原态，可以尽早的开始释放甲烷等有害气体。相比秋季翻耕还田，秋季稻草水耙浆还田可以更早使土壤达到还原态，避免吉林省因无霜期短、还田后腐解程度低影响水稻正常种植生长和产生大量甲烷等有害气体，同时也避免了在春季农业用工高峰时进行还田作业，有效降低了处理成本。并且稻草秋耙还田还可以增加水稻产量，培肥地力，在一定程度上抑制病虫草害的发生，保证水稻产业可持续发展。

但目前关于水稻秸秆还田的相关研究主要集中在春季还田或者秋季翻耕还田，关于稻草秋季水耙浆还田的研究及相关文献少[9-12]。因此，本试验对比分析了水稻秸秆秋季水耙浆还田和春季翻耕还田处理的效果，为吉林省开展稻秸秆秋季水耙浆还田提供技术支撑和数据基础。

1 材料与方法

1.1 试验方法

试验于2019—2020年在吉林省永吉县一拉溪镇“九月丰”家庭农场进行。试验所选田块为周边无遮挡且独立排灌的3 个相邻田块，每个田块面积约为1 000 m2，土壤为常年种植水稻的稻田土。秸秆还田方式设置3个处理：CK，秸秆不还田；T1，秸秆在次年春季翻耕还田的春季还田；T2，秸秆在当年秋季收获后进行水耙浆还田。秸秆还田量均为11 000 kg/hm2。水稻插秧规格为30.0 cm×23.3 cm（16.7 丛/m2），每丛3～4 株，插秧日期为5 月19 日，供试品种为吉宏9 和吉农大853，种植面积均500 m2。

春季秸秆还田方式：将粉碎后长度为5.0～8.0 cm水稻秸秆均匀撒于田间，在收获次年春季土壤完全化冻后，翻耕混埋至土壤中，翻耕深度15.0～20.0 cm。秋季秸秆还田方式：当年水稻收获后灌水泡田3 d，当5.0 cm以上土层变软后，将粉碎后长度为5.0～8.0 cm 水稻秸秆均匀撒于田间，在耕层冻结前翻耕混埋至土壤中，翻耕深度15.0～20.0 cm。

施肥方式：每hm2施用50 kg 氮肥（纯N 用量）、45 kg 磷肥（P2O5用量）和25 kg 钾肥（K2O 用量）作为基肥；移栽后7 d 每hm2追施55 kg 氮肥（纯N 用量）；穗分化始期每hm2追施40 kg 氮肥（纯N 用量）、25 kg 钾肥（K2O 用量）。其余大田管理均与当地常规管理方式相同。

1.2 调查项目及方法

1.2.1 CH4浓度

于2019年采用八木等[13-14]的静态气体箱法取样，将规格为40.0 cm×30.0 cm×1.0 m 的气体箱预置水田中，每个气体箱内插入2 丛水稻。取样时，打开气体箱风扇，将箱内气体混匀后分别于0 min、15 min 和30 min时取样，将所取样品100 mL 转移到遮光黑色密封袋中带回实验室，采用气象色谱仪分析样品中CH4浓度。

1.2.2 土壤ORP（氧化还原电位）

于2019年将土壤ORP 计（TR-901）电极插入土壤5.0 cm 左右测定，每个处理区选5 点。

1.2.3 土壤性质

分别于2019—2020年秋季在各处理区挖取0～10.0 cm 土壤，除去土壤中残留的秸秆、根系等杂物后带回实验室，测定土壤性质，每个处理区选取5 点测定。

1.2.4 秸秆失重率和断裂拉力

分别于2018年秋季还田和2019年春季还田后用尼龙网袋装取粉碎后长度为5.0～8.0 cm 水稻秸秆1.0 kg 烘干称重，分别埋入各处理区20.0 cm 深，每个处理区分别埋入5 袋。在2019年4 月至9 月底取出烘干称重，计算秸秆失重率[秸秆失重率=（埋入前质量-埋入后质量）/埋入前质量]。并利用茎秆强度测定仪（YYD-1A）测定秸秆被拉断时的拉力。

1.2.5 杂草发生情况

于2020年分别在无还田区和秋季还田区内随机选取5 点，采用波形板将调查点单独隔离，确保使用除草剂时对调查点位无影响。在水稻插秧后40 d 内每隔10 d 调查1 次调查点位1.0 m2内的禾本科杂草发生情况。

1.2.6 水稻生育期性状及产量构成要素

分别在6 月至9 月调查不同处理区水稻株高、叶色和分蘖数，9 月底测定产量构成要素。

1.3 数据分析

试验所得数据采用Excel 2019 软件进行整理，采用JMP 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理稻田CH4 排放动态

由表1 可见，CK 在8 月达到CH4排放高峰，T1 和T2 处理的CH4排放量均在6 月达到高峰。其中T1 处理6 月CH4排放量占排放总量的比例为46.01%，T2 处理为44.78%。由表1 可见，CH4排放总量CK 为54.77 mg/m2，T1 处理为181.33 mg/m2，而T2 处理为86.74 mg/m2，T2处理相比T1 处理CH4排放总量减少52.2%。

表1 不同月份不同处理CH4 排放情况

2.2 不同处理稻田土壤ORP 动态

如图1 所示，不同处理不同月份土壤ORP 在整个生育期之内都呈现负值，且均在5 月稻田灌水后开始下降。其中，T1 处理和T2 处理土壤ORP 均在7 月上旬达到最低峰值，T1 处理为-304 mv、T2 处理为-277 mv，都呈现了强还原状态。而CK 则在8 月中旬达到最低峰值，为-223 mv。相比秸秆还田处理，秸秆不还田处理ORP 峰值发生的月份和强度上都要延后和降低。

图1 不同月份土壤ORP 变化情况

2.3 不同处理秸秆失重率和断裂拉力

由图2 可见，相比于春季还田处理，秋季还田处理的秸秆失重率在整个生育期内都要更高。相比于初始质量，秋季还田区在调查开始的4 月末，秸秆质量已经减少4.78%。最终秋季还田区秸秆失重率为33.28%，春季还田区秸秆失重率为26.18%。与秸秆失重率变化情况相似，4 月末秋季还田区的秸秆断裂拉力为春季还田区的76.80%，且秋季还田区的秸秆断裂拉力在整个生育期内比春季还田区要小；最终秸秆断裂拉力，秋季还田区为68.40 N，春季还田区为81.6 N，秋季还田区为春季还田区的83.80%（图3）。

图2 水稻秸秆失重率变化情况

图3 水稻秸秆断裂拉力变化情况

2.4 不同处理的土壤性质

由表2 可见，相比CK，秸秆还田区的有效磷和有机质提升，碱解氮、速效钾和土壤pH 值下降。秋季还田区，相比于2019年，2020年的有效磷、速效钾、有机质和交换性钙含量都有显著提升。交换性镁含量处理间和年份间差异均不显著。

表2 不同处理土壤性质变化

2.5 不同处理的禾本科杂草情况

由图4 可见，不同处理禾本科杂草株数在插秧后10 d 开始增加，在插秧后20～30 d 达到高峰，在插秧后30～40 d 开始减少。CK 和T2 处理插秧后40 d 禾本科杂草株数分别为93 株/m2和53 株/m2。

图4 同处理禾本科杂草株数的变化

2.6 不同处理的水稻生育特征

如图5 所示，水稻株高在整个生育期表现为T2 处理＞T1 处理＞CK；秸秆还田处理的水稻叶色比秸秆不还田区要高，而且在生育后期的下降程度较低，最终叶色最高的是T2 处理的30.2，其次是T1 处理的29.3，最低的是CK 的25.9；不同处理区的水稻分蘖数均在7 月上旬达到高峰，但T2 处理在高峰之后分蘖数下降较缓，最终分蘖数为24.6 个，而T1 处理的水稻分蘖数在达到高峰后先小幅下降，之后在8 月上旬又小幅回升，最终分蘖数为23.7 个，CK 的分蘖数在生育后期下降明显，最终分蘖数为21.3 个。

图5 不同处理水稻生育期特征的变化

2.7 不同处理水稻产量和产量构成要素

如表3 所示，相比于CK，秸秆还田处理有效穗数都有明显的提升，T1 处理的有效穗数要更高。但相比T1 处理，T2 处理的每穗粒数要更多。而结实率和千粒重，不同处理间相差不大。不同处理理论产量由高到低依次为：T2 处理、T1 处理和CK。不同处理对于不同供试品种的影响不相同。

表3 不同处理水稻产量及产量构成要素

3 结论与讨论

本试验结果表明，T2 处理CH4排放高峰要比CK提前2 个月左右，CH4发生量相比T1 处理在整个生育期内要更加平均，且从5 月开始已经有超过占排放总量10.80%的CH4排出；CH4排放总量从高到低的分别是T1 处理、T2 处理和CK。T2 处理CH4排放总量约为T1 处理的1/2（表1）。T1 处理和T2 处理土壤ORP 均在7 月上旬达到高峰，相比T1 处理，T2 处理在整个生育期内的ORP 数值变化都相对较高，即呈现出较弱的还原态（图1）。图6 表示不同处理CH4排放量与ORP的相关关系。由图6 可见，不同处理CH4排放量与ORP 之间均呈负相关关系，即稻田还原态的程度越大，CH4的排放量越高。

图6 不同处理CH4 排放量与ORP 的相关关系

分别以CH4排放量作为响应，以ORP 值作为变量进行了标准最小二乘法的模型拟合，得到CH4排放量与ORP 值的关系式。CK：CH4排放量=-2.5338－0.04730×ORP；T1 处理：CH4排放量=-3.4040－0.07564×ORP；T2 处理：CH4排放量=-0.2362－0.04315×ORP。从这些关系式计算可得，当CH4排放量等于0 的时候，CK 的ORP 为-53.57 mv，T1 处理的ORP 为-45.00 mv，T2 处理的ORP 为-5.47 mv，即可以被看作是CH4排放的临界ORP 值。由此可见，相比于T1 处理和CK，T2处理在秸秆还田之后立即进行水耙浆，稻田ORP 值即可下降到负值，开始排放CH4。而CH4排放总量，即还田的有机物总量一定的情况下，越早排放CH4，即可减少CH4排放高峰值，减少对水稻植株极端的还原性损伤。

T2 处理秸秆失重率相比于T1 处理要更高，且T2处理的秸秆更早开始损失质量，即更早开始腐解（图2）。同时T2 处理的秸秆断裂拉力相比T1 处理要更小，证明在秋耙还田之后，稻草在到翌年春季插秧前这段时间内进行了有效腐解。但是后期，特别是6 月份之后T1 处理的断裂拉力下降程度加大，预计在腐解时间延长的情况下，二者断裂拉力可能会趋近相同（图3）。

国内外相关研究已经证明，可以通过水稻秸秆腐熟还田技术来提升土壤有机质含量，达到土壤增碳培肥的效果，同时优化土壤生物及物理特性，减少化肥投入。连续多年秸秆还田试验还表明，随着秸秆还田实施年限的增加，其对作物增产和耕地质量的提升效果越发显著[15-17]。本试验结果也表明，相比秸秆不还田，各秸秆还田处理区的有效磷和有机质含量都有明显提高。而连续2年还田效果更加明显，秋季还田区2020年土壤中有机质含量相比于2019年无还田前增加6.1 g/kg，且效果好于春季还田区。但秸秆还田处理区的碱解氮相比秸秆不还田区有所下降，且秋季还田区相比春季还田区下降程度要大，推测为稻草腐熟会消耗土壤中氮素所致（表2）。

相比于秸秆不还田区，秋季还田区的禾本科杂草株数在插秧后增加幅度低，且出草高峰期杂草株数少，在插秧后40 d 的最终杂草株数相比不还田区明显减少（图4）。水稻株高、叶色和分蘖数由高到低均是秸秆秋季水耙浆还田区、秸秆春季还田区和秸秆不还田区，秸秆还田处理区的水稻叶色和分蘖数相比秸秆不还田区均有很大提升（图5）。秸秆还田处理的水稻单位面积有效穗数和每穗粒数要明显高于秸秆不还田区。春季还田处理有效穗数要比秋季水耙浆还田处理高，但每穗粒数要低。相比不还田处理，秸秆春季还田处理和秋季还田处理的水稻产量分别提高4.4%和4.9%。但不同品种在不同还田处理区中的表现有差异，秸秆还田对吉宏9 这样大穗、分蘖能力较强的品种增产效果良好，而对于吉农大853 这样分蘖能力较弱的品种影响较小。吉农大853 在秸秆秋季还田条件下相比秸秆不还田处理还表现为减产（表3）。