長期秸稈還田對水稻—小麥輪作制作物產量和養分吸收的影響

劉冬碧+夏賢格+范先鵬+楊利+張富林+夏穎+熊桂云+吳茂前

摘要：利用10年定位試驗研究長期秸稈還田對湖北省江漢平原水稻-小麥輪作制作物產量和養分吸收的影響。結果表明，在配施氮、磷、鉀肥基礎上，10年20季作物連續秸稈還田，水稻和小麥的子粒年均增產量分別為584和264 kg/hm?，增產幅度分別為7.37%和8.15%；秸稈年均增產量分別為398和611 kg/hm?，增產幅度分別為6.50%和15.44%。秸稈還田在一定程度上提高作物子粒中氮的含量和秸稈中鉀的含量。秸稈還田顯著提高作物氮、鉀吸收量，但對磷吸收量影響不顯著，其中水稻年均氮、磷、鉀吸收量分別提高9.59%、3.95%和9.94%，小麥分別提高12.70%、7.39%和29.90%。秸稈還田對提高作物產量和促進養分吸收的效應表現為小麥>水稻，鉀>氮>磷。作物產量和養分吸收的年度變異大于小區變異，其中小麥的變異大于水稻。在不施肥條件下，水稻比小麥更能維持較高的產量和養分吸收量。

關鍵詞：秸稈還田；作物產量；養分含量；養分吸收量；水稻-小麥輪作制

中圖分類號：S142.+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4731-06

秸稈還田作為秸稈利用的一種主要方式，是“肥料-土壤-作物”系統中移出農田的養分再次回到農田的重要途徑。秸稈還田不僅被作為替代化學鉀肥、減少對進口鉀肥依賴的有效手段[1-4]，而且是實現化肥“零增長”的主要措施之一[5]。大量研究結果證實，秸稈還田在提高作物產量[1，2，6-11]、促進作物養分吸收[11-14]、改善土壤理化性狀尤其是維持土壤鉀平衡[1，3，6-10，15，16]等方面均有良好的效果。但全國不同生態類型區土壤和氣象條件各異，種植模式和生產條件千差萬別，總體上看，不同種植模式和生產條件下秸稈還田對作物產量和養分吸收方面的基礎性數據仍然有限。

湖北是農業大省，作物秸稈資源豐富，但秸稈還田技術及效果方面的研究報道并不多。戴志剛等[7，16]研究了鄂東“稻稻油”輪作體系下秸稈翻耕和免耕還田對作物產量和土壤理化性質的影響，李繼福等[2]、劉秋霞等[4]分別報道了湖北省不同供鉀能力稻田、不同稻作區秸稈還田替代鉀肥的效果，李繼福等[17]還利用3年6季定位試驗研究了江漢平原區水稻-油菜輪作模式下秸稈還田替代鉀肥的效應，張維樂等[11]則報道了湖北省水稻-油菜（或小麥）輪作體系秸稈還田與氮肥運籌對作物產量及養分吸收利用的影響，但上述研究均是多個試驗點1年、1個輪作周期或短期定位試驗結果，且研究內容各有側重，相關的長期定位試驗研究未見報道。本研究報道湖北省江漢平原區水稻-小麥輪作體系下連續10年20季秸稈還田對作物產量和養分吸收的影響，以期與其他學者之間的研究結果相互印證和補充，為完善湖北及類似地區水稻-小麥輪作體系下的秸稈還田技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點為湖北省潛江市浩口鎮柳洲村，位于江漢平原腹地。地形地貌為沖積平原，土壤類型為河流沖積物母質發育的潮土，土層深厚，質地輕壤，種植制度為水稻-小麥。定位試驗從2005年6月水稻季開始，持續至2015年5月小麥收獲，共10年20季。設置4個處理，①CK，兩季作物不施肥、秸稈不還田；②M，兩季作物不施化學肥料，每季秸稈還田量為6 000 kg/hm?，其中水稻季還田麥稈，小麥季還田稻草，為保證小區間的一致性，還田的秸稈均來自附近的同一田塊；③NPK，兩季作物只施化學肥料，其中水稻為N 150、P2O5 90、K2O 90 kg/hm?、小麥為N 120、P2O5 75、K2O 60 kg/hm?；④NPK+M，化學肥料+秸稈還田。試驗小區面積20 m?，4次重復，隨機區組排列。小區間用田埂隔開，區組間有固定的排灌溝，溝寬40 cm，每個小區可獨立排灌。試驗開始前采集基礎土樣（0～20 cm），用常規方法分析土壤屬性及養分含量[18]，結果見表1。

試驗氮、磷、鉀肥分別用尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O5 12.1%）和氯化鉀（K2O 60%）。2011年及以前水稻和小麥均為氮肥60%作底肥、40%作分蘗肥；自2012年起水稻氮肥60%作底肥、20%作分蘗肥、20%作穗肥，小麥氮肥施用時期不變。磷、鉀肥全部作底肥施用。秸稈還田方法：水稻季將試驗地附近田塊的小麥秸稈用粉碎機粉碎，澆水充分潤濕，按秸稈量5%的比例加酵素菌及適量紅糖、尿素、米糠，與秸稈混合均勻，蓋上彩條布堆腐約14 d，插秧前將秸稈均勻地撒在已整好的田面后栽秧；小麥季將試驗地附近田塊的稻草切成6～10 cm小段，同上述方法操作，堆腐21～28 d，條播小麥后將秸稈均勻地撒在田面。還田秸稈前采集樣本，測定秸稈含水量，計算試驗小區所需秸稈量，分析養分含量，計算還田秸稈帶入的養分量。

作物收獲記錄實產，收獲前采集代表性植株樣品，用常規方法[18]分析子粒和秸稈養分含量，計算作物養分吸收總量。

1.2 數據處理

數據均用Microsoft Excel 2007進行處理和計算，采用DPS軟件的單因素LSD檢驗法進行統計分析。作物產量和養分吸收量分別用兩種方式進行統計，①先計算每個小區10季水稻（或小麥）產量和養分吸收量之和，然后計算每個小區作物年均產量和年均養分吸收量，將不同處理的4次重復年均數據進行統計，所得結果為“小區”產量和養分吸收量統計值，它消除了年際間的變異，反映了不同處理的重復之間變異，即空間變異；②先分別對每個年度、每個處理的作物產量和養分吸收量進行平均值計算，再將10次重復（10季）的數據進行統計，所得結果為“年度”產量和養分吸收量統計值，它消除了重復之間的變異，反映了不同處理年際間的變異，即時間變異。作物子粒和秸稈的養分含量，則先求出每年每處理4個重復的平均值，再以年份數（10）作為重復數進行統計分析。

2 結果與分析endprint

2.1 長期秸稈還田對作物產量的影響

從2005年6月至2015年5月共收獲10季水稻和10季小麥，歷年水稻和小麥子粒產量見表2。結果表明，不施肥條件下實行秸稈還田，水稻僅2011年顯著增產，小麥在2010年之后開始有4季顯著增產；施氮、磷、鉀肥條件下實行秸稈還田，水稻在2008-2011年有3季顯著增產（2009年NPK+M與NPK差異不顯著），小麥從2010年開始5季作物均連續顯著增產。無論水稻還是小麥，在絕大多數年份，處理間作物產量表現為NPK+M>NPK>M>CK。同時還可看出，小麥產量的年際波動較大，與試驗區域小麥產量受氣象條件影響較大有關。

作物年均子粒產量和秸稈產量見表3。結果表明，在10個水稻-小麥輪作周期，秸稈還田對水稻、小麥的子粒和秸稈產量的影響有所不同。不施肥條件下實施長期秸稈還田，水稻和小麥的子粒分別平均增產380和133 kg/hm?，增產幅度分別為6.04%和7.28%，增產不顯著；在施氮、磷、鉀肥基礎上實施長期秸稈還田，水稻和小麥的子粒分別平均增產584和264 kg/hm?，增產幅度分別為7.37%和8.15%，水稻子粒增產達顯著水平；水稻和小麥秸稈產量的變化趨勢與子粒相似，也為不施肥條件下增產不顯著，施氮、磷、鉀肥基礎上秸稈年均增產量分別為398和611 kg/hm?，增產幅度分別為6.50%和15.44%，水稻秸稈增產達顯著水平。由此可見，無論是絕對增產量還是增產幅度，配施化肥基礎上的效果均較好。秸稈還田對作物的增產效應為小麥大于水稻，其中水稻子粒的效應大于秸稈，小麥子粒的效應又小于秸稈。從作物產量的變異系數看，作物“年度”產量的變異（平均20.43%）明顯高于“小區”產量的變異（平均4.31%），即年際變異大于小區空間變異，并以小麥產量的表現更甚。在不同作物部位之間，產量的變異均表現為秸稈>子粒。

綜上所述，只有在配施一定量化學肥料的基礎上，秸稈還田才能發揮出較好的增產效果，其對小麥的增產效果優于水稻，但小麥產量的年際變異也較大。

2.2 長期秸稈還田對植株不同部位養分含量的影響

由表4可知，秸稈還田對作物子粒和秸稈氮、磷、鉀含量的影響有增有減，大多數情況下增減幅度均小于10%，影響不顯著。不施肥條件下秸稈還田對作物不同部位磷含量的影響均表現為略有增加或不變，施氮、磷、鉀肥條件下表現為有增有減；無論施肥與否，秸稈還田對作物子粒氮、秸稈鉀含量的影響均表現為增加，其中水稻子粒氮和秸稈鉀含量分別提高0.96%～4.61%和2.38%～7.54%，小麥子粒氮和秸稈鉀含量則分別提高4.46%～5.21%和7.42%～19.64%，表明秸稈還田對子粒氮和秸稈鉀含量的正效應表現為鉀大于氮，同時小麥又大于水稻。從養分含量的年際間變異來看，不同作物、不同部位氮和磷的變異均表現為秸稈>子粒，鉀的變異子粒>秸稈，其中小麥的變異又大于水稻（僅秸稈鉀含量除外），由此可見，養分含量較低的部位其年度變異相對較大，而小麥又比水稻對年際間條件的變化更加敏感。

2.3 長期秸稈還田對作物養分吸收量的影響

作物養分吸收量是不同部位產量和養分含量共同作用的結果。10年20季作物的年均養分吸收量見表5。由表5可知，從“小區”養分吸收量來看，在不施肥條件下，秸稈還田對水稻氮、小麥磷和鉀吸收量的增加不顯著（10.5%～15.2%），但顯著提高水稻磷、鉀和小麥氮的吸收量（13.0%～17.3%）；在施氮、磷、鉀肥基礎上，秸稈還田對水稻和小麥磷吸收量的影響均不顯著，提高的幅度分別為3.95%和7.39%，但顯著增加了水稻和小麥的氮、鉀吸收量，其中水稻氮和鉀吸收量分別提高9.59%和9.94%，小麥分別提高12.70%和29.90%，不僅如此，秸稈還田還使水稻和小麥鉀吸收總量中秸稈鉀的占比分別提高1.2和4.4個百分點，達顯著水平。可見，在施氮、磷、鉀肥基礎上，秸稈還田對作物養分吸收的效應表現為鉀>氮>磷，其中小麥又大于水稻。作物養分吸收量的變異系數，其變化趨勢與產量基本一致，即年際變異大于小區空間變異，其中小麥大于水稻，不同養分的變異又表現為磷>鉀>氮。

比較表3、表4和表5可以發現，由于作物產量和養分含量的雙重作用，在施氮、磷、鉀肥條件下，秸稈還田對水稻和小麥產量和養分吸收量的效應均表現為鉀>氮>子粒產量>磷。此外，以單施化肥為參照，在不施肥條件下，水稻子粒和秸稈的相對產量分別為79.4和70.1，氮、磷、鉀的相對吸收量分別為63.1、68.4和68.2；小麥子粒和秸稈的相對產量分別為56.4和58.4，氮、磷、鉀的相對吸收量分別為48.6、54.0和51.1，因此不施肥條件下養分吸收比作物產量更加敏感，其敏感程度為氮>鉀>磷，小麥>水稻。從另一個角度來說，在不施肥條件下，水稻比小麥更能維持較高的產量和養分吸收量。

為了進一步探討秸稈還田對作物養分吸收量的影響因素，暫不考慮其他養分來源，化學肥料+秸稈還田處理（NPK+M）中，還田秸稈所帶入的年均養分量及其占年均養分施用總量（即化肥養分+秸稈養分）的比例見表6。從表6可以看出，秸稈養分占比表現為鉀>氮>磷，且小麥>水稻。相關分析表明，施氮、磷、鉀肥基礎上秸稈還田增加作物養分吸收量的幅度與其所含養分量在養分施用總量中的比例呈顯著正相關（r=0.874*，n=6）。在本試驗中，M和NPK+M兩個處理還田秸稈均來自于附近同一地塊，水稻季還田的為麥稈，小麥季還田的是稻草，用量均為6 000 kg/hm?。稻草中氮、磷和鉀的含量均高于麥稈，尤其是稻草中鉀的含量平均約為麥稈的2倍，且小麥季化肥氮、磷、鉀施用量均低于水稻，因此小麥季秸稈養分尤其是鉀在養分施用總量中的比例均高于水稻季。由此可見，本試驗中小麥季秸稈還田對提高作物產量和促進養分吸收的效果優于水稻，在很大程度上可能與還田秸稈中所帶入的養分量及其比例較高有關。

3 小結與討論endprint

秸稈還田后，通過自身腐解提供養分、改善土壤物理、化學、生物學性狀等方式，為作物生長提供一個良好的生態環境，并通過增加產量、促進養分吸收等形式表現出來。譚德水等[1]研究表明，在施氮、磷肥基礎上小麥秸稈連續全量還田，河北辛集市小麥和玉米年均分別增產3.0%和6.8%，山西臨汾市小麥年均增產5.0%。王志勇等[8]在河北廊坊市的3年定位試驗結果表明，施氮、磷肥基礎上秸稈還田小麥和玉米分別增產2.38%和3.93%，進一步增施鉀肥基礎上秸稈還田分別增產6.44%和4.99%。劉禹池等[10]在四川廣漢市的7年定位試驗表明，水稻-油菜輪作體系下實施連續秸稈還田，水稻和油菜年均分別增產6.1%和5.8%。陸強等[13]在江蘇常熟的2年定位試驗結果表明，秸稈全量還田水稻年均增產6.0%，小麥年均增產8.8%。綜上所述，盡管生態區域不同、試驗條件各異，不同學者報道的秸稈還田增產幅度通常在10%以內。Takahashi等[12]通過短期和長期定位試驗比較，發現年限是影響秸稈還田效果的一個重要因素。Huang等[19]分析了全國水稻秸稈還田試驗數據，指出秸稈還田后水稻的平均增產率為5.2%，并認為秸稈還田的增產效果受到年均氣溫、土壤養分狀況、還田年限以及施肥等因素的影響。戴志剛等[7，16]的研究還表明，秸稈翻耕還田的增產效果顯著優于免耕還田。可見，還田方式也是影響其秸稈增產效果的重要因素。綜合各種文獻報道，可認為秸稈還田增產效應的影響因素主要有以下幾個方面。

1）秸稈種類、還田量與還田方式。不同種類的秸稈其養分含量差異較大，不同生態區同一種類的作物秸稈其養分含量也有所不同，甚至差異很大[2]。不同作物秸稈其腐解的難易、養分釋放的快慢也不一樣[20，21]。因此，在一定生態區域和生產條件下，秸稈種類、還田量與還田方式共同決定了秸稈能為作物提供養分的數量、速率與方式，并最終影響產量結果。

2）土壤肥力狀況、施肥量及其運籌方式。暫不考慮大氣沉降、灌溉等因素[3]，作物所需養分主要由土壤、還田秸稈和當季其他肥料共同提供。陸強等[13]的研究表明，江蘇常熟水稻-小麥輪作體系中，在習慣化肥用量減少30%的基礎上，配施3 000 kg/hm?牛糞堆肥與秸稈全量還田，可獲得較高的產量和氮肥利用率。有機肥中養分的有效性與化肥不同，磷、鉀的有效性比化肥高，而氮的有效性比化肥低[22]，水稻、小麥和油菜秸稈中養分釋放速率均為K>P>C>N[20]，因此作物秸稈還田條件下，不僅需要調整化肥的配比（如增加氮的比例、降低鉀的比例），還要調整化肥的運籌方式，如氮肥前移[11]、鉀肥后移等，以保證養分的均衡供應。

3）生態氣候條件等區域性因素。氣溫、降雨、土壤微生態環境等影響秸稈腐解速率及養分釋放的因素，都會在一定程度上影響秸稈還田效果。水分條件被認為是秸稈在土壤中腐解轉化的決定性因子之一，最佳土壤水分狀況通常為接近最大田間持水量[23]。武際等[24]的研究表明，節水栽培（無水層）模式下小麥秸稈還田腐解率和養分釋放率、土壤有機碳和養分含量提高的效應均顯著高于常規栽培（淺水層）。

4）田間管理措施。秸稈還田的增產效果最終是秸稈還田技術與其他各項配套農藝措施綜合作用的結果。無論是在田間試驗研究、還是農業生產過程中，只有在配套合理耕作、水分管理、病蟲草害防治的基礎上，秸稈還田的增產效果才能最大限度地發揮出來。

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