水稻种植模式与秸秆还田方式对土壤养分的影响

刘子琪 华利民 王丽丽 何娜 王昌华 唐志强

摘  要：为探明水稻不同种植模式与还田方式下土壤养分含量的变化。以辽星21号为试验材料，在大田条件下，比较移栽与直播种植2种模式下秸秆还田、炭化还田和不还田3种方式土壤中有机碳、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾含量的差异。研究结果表明，直播种植模式较移栽方式土壤速效磷含量、速效钾含量和全磷含量增加0.9%、5.4%和7.1%，生物炭还田较不还田处理分别显著增加土壤有机碳含量、速效钾含量、全氮含量和全磷含量9.6%、20.1%、5.3%和8.1%。因此，直播种植结合生物炭还田可作为提高农田肥力、改善土壤养分的一项促进北方寒地稻田资源再利用有效措施。

关键词：水稻；种植模式；还田方式；土壤养分

中图分类号：S158.2                               文獻标志码：A文章编号：1673-6737（2024）01-0022-05

Effects of Rice Planting Methods Pattern and Rice Residue

Inputting Modes on Soil Nutrients

LIU Zi-qi ， HUA Li-min ， WANG Li-li ， HE Na ， WANG Chang-hua ， TANG Zhi-qiang*

（1 Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources， Liaoning Academy of Agricultural Sciences，

Shenyang 110161， China;

2 Liaoning Rice Research Institute， Shenyang 110101， China）

Abstract： To investigate the changes of soil nutrient content under different planting patterns and application modes of rice， the contents of organic carbon， available nitrogen， available phosphorus， available potassium， total nitrogen， total phosphorus and total potassium in the soil of straw application， biochar inputting and non-inputting under the field conditions of Liaoxing-21 were compared. The results showed that compared with transplanting， the content of available phosphorus， available potassium and total phosphorus in soil increased by 0.9%， 5.4% and 7.1%， and the content of organic carbon， available potassium， total nitrogen and total phosphorus in soil significantly increased by 9.6%， 20.1%， 5.3% and 8.1%， respectively. Therefore， direct seeding combined with biochar inputting to the field can be an effective measure to improve farmland fertility and soil nutrients to promote the reuse of rice resources in the northern cold region.

Key words： Rice， Planting methods， Inputting modes， Soil nutrients

机械化插秧与机械化旱直播具有轻简化、规模化、集约化等优点，具有节本、增效、增加农民收入等特点，是水稻生产主要种植模式[1]。我国粮食产量增加的同时所产生的秸秆数量也在不断增多，生产上被直接焚烧，造成环境污染，资源浪费[2-3]。因此，如何合理的处理作物秸秆是农业生产面临的主要问题[4]。前人研究表明，水稻秸秆富含大量的营养元素以及其他微量元素，还田后经过腐解释放到土壤中的养分能够被作物生长所利用[5]。秸秆还田能够增加土壤养分含量、改善土壤通透性和土壤退化问题，极大程度上培肥地力，提高了作物产量[6]。生物炭作为一种新型材料，具有特殊的理化性质和高稳定性[7]，将生物炭施入土壤中能够改善土壤结构和土壤通透性[8]。生物炭中所含元素可以作为植物生长中养分的来源[9]。生物炭还田能够增加土壤对氮、磷的吸持能力，提高土壤有机质含量[8]。

在我国东北寒地稻区，种植模式与秸秆还田方式组配研究较少，缺少大田试验研究数据证明种植模式与秸秆还田方式对土壤养分的影响。本研究拟对种植模式与秸秆还田方式处理条件对土壤养分进行分析，明确两种种植模式下，秸秆全量还田和秸秆炭化还田下土壤中养分含量的变化规律。探索种植模式与还田方式对土壤肥力的影响，以期为不同种植模式下秸秆还田对土壤养分的影响提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  试验土壤基本情况

土壤采自辽宁省沈阳市浑南区汪家镇石庙子村辽宁省水稻研究所试验基地0～20 cm耕层土壤。土壤取回风干后测定基本肥力性质：有机质含量为18.10 g/kg，全氮1.18 g/kg，全磷1.41 g/kg，全钾25.2 g/kg，速效氮106.6 mg/kg，速效磷24.9 mg/kg，速效钾44.3 mg/kg，pH值为5.6。

1.2  供试材料

研究使用的品种为辽星21，是辽宁省水稻研究所选育而成，辽宁省主栽品种，常规粳稻，生育期153 d，株高115 cm，株型紧凑，分蘖力中等，主茎15片叶，半散穗型。试验中水稻秸秆和秸秆炭的基础理化性质如表1所示。

1.3  试验方法

1.3.1  试验设计  试验采取裂区试验设计。种植模式为主区（因素A），还田方式为裂区（因素B），田块间用塑料薄膜包埂隔离。小区面积为60 m2，3次重复。试验共设6个处理，（1）移栽水稻秸秆还田（A1B1），水稻秸秆还田量为8.25 t /hm2（秸秆全量还田）；（2）移栽水稻生物炭还田（A1B2），秸秆炭化还田量为2.72 t/hm2（相当于秸秆全量炭化后的生物炭量）；（3）移栽种植不还田（A1B3），不施秸秆和生物炭；（4）直播水稻秸秆还田（A2B1），还田量同移栽；（5）直播水稻生物炭还田（A2B2），还田量同移栽；（6）直播种植不还田（A2B3），不施秸秆和生物炭。直播田由插秧田首年改为直播种植，且移栽与直播田均为第一年开始还田，还田后成熟期各处理间产量差异不显著。秸秆还田具体做法：在水稻种植前将水稻秸秆（水稻秸秆切成5～10 cm左右小段）和生物炭通过人工均匀的撒到试验小区。然后通过机器先翻耕，再旋耕至土层5～10 cm左右。

1.3.2  育秧标准与种植规格  移栽方式：2019年4月15日播种，5月22日移栽。移栽时秧苗叶龄为3.5～4.0叶，栽插行株距为30 cm×16.7 cm，每穴3～4苗。

直播方式：2019年4月27日播种，采用机械化旱条播模式，播种量为550万粒/hm2，行距为30 cm。

1.3.3  田间管理  试验磷肥作为基肥一次性施入，钾肥分基肥、拔节期2次等量施入。总施氮量225 kg/hm2，其中基肥、分蘖肥与穗肥施用比例均为3：3：4。移栽方式下分蘖肥于叶龄指数在60%时一次性施用，穗肥于叶龄指数在80%时一次性施用；直播方式下分蘖肥于3叶1心期施用，穗肥于叶龄指数在80%时一次性施用。水分管理采用浅干湿交替灌溉。

1.4  测定项目

土壤样品：在水稻成熟期采用对角线法对每个处理小区采集5点土样，将五份土样混合好，并组合成一个样本。土壤样本通过2 mm网筛，以去除残杂和残根，装入密封袋，用于测定土壤有机碳、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷和全钾含量。土壤有机碳，用重铬酸钾法测定；土壤速效氮，采用碱解扩散法测定；土壤全氮含量，采用凯氏定氮法；土壤速效磷，采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定；土壤全磷的测定，经过NaOH熔融后，采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾，采用火焰光度计法测定；土壤全钾，采用NaOH熔融—火焰光度计法测定。参照土壤农化分析[10]。

1.5  数据分析

使用Microsoft Excel 2003进行数据整理，采用SPSS 19.0软件进行方差分析和多重比较。

2  结果与分析

2.1  种植模式下不同还田方式土壤理化性质方差分析

由表2可知，移栽与直播两种种植模式间土壤有机碳含量差异达到极显著水平，速效磷、速效钾和全磷含量差异达到显著水平。不同还田方式间土壤有机碳、速效氮、速效磷、速效钾和全磷含量差异达到极显著水平，土壤全钾含量差异达到显著水平。种植模式与还田方式互作间土壤有机碳和速效氮含量差异达到极显著水平，土壤速效磷、速效钾、全磷和全钾含量差异达到显著水平。说明种植模式与还田方均对土壤养分含量有较大影响（土壤全氮含量除外）。

2.2  种植模式对土壤养分的影响

由表3可知，与移栽种植模式相比，直播种植模式土壤有机碳含量与土壤全氮含量分别降低了3.2%和2.9%，差异达到显著水平，而土壤速效磷含量、速效钾含量和全磷含量增加了0.9%、5.4%和7.1%，差异达到显著水平。表明直播种植模式土壤速效磷含量、速效钾含量和全磷含量有所增加，而有机碳含量和全氮含量则降低。

2.3  还田方式对土壤养分的影响

由表4可知，与不还田处理相比，秸秆还田土壤速效氮含量、速效磷含量和土壤全钾含量分别增加了8.9%、11.3%和3.0%，差异达到显著水平，炭化还田土壤有机碳含量、速效钾含量、全氮含量和全磷含量增加了9.6%、20.1%、5.3%和8.1%，差异达到显著水平。表明秸秆还田增加土壤速效氮、速效磷和全钾含量，炭化还田增加有机碳、速效钾、全氮和全磷含量。

2.4  種植模式与还田方式互作对土壤养分的影响

由表5可知，移栽种植秸秆还田处理（A1B1）土壤中有机碳含量、速效磷含量和全钾含量显著高于对照处理，移栽种植炭化还田处理（A1B2）土壤中速效钾含量全氮含量显著高于对照处理，表明在种植模式与还田方式互作的条件下，移栽种植秸秆还田与炭化还田均能提升土壤养分。

3  讨论

水稻种植主要方式是移栽和机械化旱直播。相比于移栽的田间浸泡、耙地和沉降过程[11]，机械化旱直播是水稻栽培的一种简单方法，其将水稻播种在经过旱旋、平整的旱地上，出苗后至3叶期建立水层[12]。相关研究表明，种植模式可改变田间的耕作系统，因而对土壤中有机质、速效钾、全氮含量影响较大，而对土壤速效磷含量影响较小[13-14]。直播种植省去水泡地、耙地等过程，土壤水分状况的反复变化会导致土壤化学性质发生改变，降低土壤养分的有效性。本研究中，与移栽种植模式相比，直播种植模式土壤速效磷含量、速效钾含量和全磷含量显著增加，而土壤有机碳含量与土壤全氮含量显著降低。表明同等种植条件下，因播种方式和前期耕作模式可对土壤中的磷、钾含量产生较大影响。

作为农业生产大国，我国每年产出大量的秸秆，且随粮食总产的增加呈增长趋势[15-17]。相关研究结果表明，秸秆直接还田后可以有效减少土壤有机碳流失，连续多季水稻秸秆还田能使土壤有机质含量增加约为4.4% [18]。这与本试验中与对照相比秸秆直接还田增加了土壤有机碳含量结果基本一致。董亮等[19]研究表明，不同梯度秸秆施入量对土壤养分影响试验表明，与不还田处理相比，土壤中水解性氮、磷、钾含量分别增加了7.8 mg/kg、7.4 mg/kg和14.7 mg/kg。徐蒋来等[20]通过三年定位试验结果表明，以第三年75%秸秆还田量处理与对照相比，土壤中全氮、速效磷和速效钾含量均有所增加。本试验研究结果表明，与对照相比，秸秆直接还田能够提升土壤中的速效氮、磷、钾含量和全氮、磷、钾含量。

生物炭具有含碳量高、物理性质稳定的特性 [21]，能够提高土壤中速效氮与速效钾的供应[22]，且其较高的微孔结构和比表面积，能够提升土壤的保水、保肥能力，将生物炭还田后，肥料的淋溶明显降低[23]。研究发现，粘质土加入生物炭可明显减少无机氮的流失[22]。也有研究表明，土壤中添加生物炭可显著增加土壤中的氮含量 [24]。本试验研究中炭化还田较其他2种方式能够有效的提升土壤有机碳、速效钾含量、全氮含量和全磷的含量。

4  结论

种植模式与还田方式因水稻生产前期肥水差异和耕作方式变化可改变土壤中养分含量，其中直播种植模式较移栽方式土壤速效磷含量、速效钾含量和全磷含量增加0.9%、5.4%和7.1%，生物炭还田可较不还田处理分别显著增加土壤有机碳含量、速效钾含量、全氮含量和全磷含量9.6%、20.1%、5.3%和8.1%。因此，直播种植结合生物炭还田可作为提高农田肥力、改善土壤养分的一项促进北方寒地稻田资源再利用有效措施。

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基金项目：财政部和农业农村部： 国家现代农业产业体系建设项目（CARS-01-55）; 沈阳市中青年科技创新人才支持计划项目（RC210489）；中国—俄罗斯水稻联合育种实验室（2019LHSYS04）；辽宁省农业重大专项（2022JH1/10200003）。

收稿日期：2023-11-05

作者简介：刘子琪（1984—），女，硕士，助理研究员，主要从事农业资源高效利用研究工作。

*通讯作者：唐志强（1983—），男，博士，研究員，主要从事水稻育种及配套栽培技术研究。