稻草還田+稻田養鴨對土壤養分及水稻生物量和產量的影響

王 忍，伍 佳，呂廣動，隆斌慶，楊飛翔，周 晶，陳慧娜，黃 璜

(湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128)

【研究意義】我國為農業大國，秸稈資源豐富，年產超8億噸[1]，近年秸稈產量呈上升趨勢[2]，但利用率低。秸稈資源中稻草資源占比最大，年產近1.5億噸，僅有15 %用于稻草還田[3]，其中大部分被焚燒或棄置處理，不僅浪費資源，還嚴重污染環境[4]。稻草還田是解決這一問題最便捷有效的方式。同時農業生產過程中大量施用化肥農藥以求高產，造成了嚴重的農業面源污染和農作物有害物質殘留[5]。特別在水田呈小塊且分散的丘陵山區，農戶對農田的特殊關照，使南方水田土壤板結酸化進一步加劇，而稻田養鴨作為一種節肥減藥的生態種養模式在農村推廣能有效緩解并改善這一現象。【前人研究進展】近年來對單一的稻草還田或稻田養鴨的研究報道多且深入。研究顯示，稻草還田能改善土壤理化性質，如提高土壤孔隙度、土壤含水量、土壤pH值等，增加土壤有機質[6-9]、土壤N、P等養分含量。從而優化水稻生長環境，促進水稻生長發育，提高水稻產量[10-11]，但稻草還田對水稻前期生長具有抑制作用[12]。稻田養鴨通過鴨糞還田能顯著增加土壤有機質[13]，鴨群的活動則能增加土壤溶氧，有效控制水稻無效分蘗[14-15]，優化水稻植株群體結構[16]，從而改善田間通風透光條件，為水稻的增產創造條件。【本研究切入點】本文在湖南雙季稻種植區，通過設置稻草炭化還田+養鴨，稻草直接還田+養鴨，稻草粉碎還田+養鴨，稻草不還田+養鴨和稻草不還田共5個處理，進行大田試驗研究。【擬解決的關鍵問題】試圖揭示稻草還田+稻田養鴨對土壤養分及水稻生長的影響，篩選最佳耦合處理方式，以期為南方丘陵山區稻草還田條件下水稻生態種養技術的推廣提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年晚季在湖南省長沙市長沙縣路口鎮明月村進行。前茬作物為早稻中早39。試驗地土壤類型為紅黃泥土，試驗前土壤性狀為全氮1.64 g/kg，全磷0.50 g/kg，全鉀22.71 g/kg，pH 5.90，有機質22.42 g/kg，堿解氮82.83 mg/kg。

1.2 試驗材料

水稻品種為常規稻中早39，“稻草直接還田”和“稻草粉碎還田”為本田全部秸稈，“稻草碳化還田”為稻草生物炭，鴨子為本地水鴨。

1.3 試驗設計

設置“稻草炭化還田+養鴨”(CD)，“稻草直接還田+養鴨”(ZD)，“稻草粉碎還田+養鴨”(FD)，“稻草不還田+養鴨”(BD)和“稻草不還田不養鴨”(BR)共5個處理，每個處理3個小區，每個小區200 m2。稻草還田量為本田全部稻草，稻草炭化還田量以本田全部干稻草能制成的生物炭記，本試驗按干稻草量的70 %進行折算。

1.4 試驗方法

選擇土壤肥力適中的連片平整稻田，早稻種植前將田塊整出15塊200 m2的小區田塊，田埂用厚塑料膜覆蓋，兩側埋入土中30 cm深，以防串水串肥。早稻按當地習慣種植中早39，統一肥水管理，早稻收割時進行稻草處理。CD處理的小區手割，脫粒后稻草移至田外，按考種數據計算出的干稻草量的70 %勻撒生物炭；ZD處理的小區手割，脫粒后稻草勻撒田中；FD處理的小區機收，稻草粉碎后留在田中；BD、BR處理的小區手割，脫粒后稻草移至田外。然后灌水浸泡3 d，機器打田平田，施基肥，施肥7 d后插秧，株行距為20 cm×23 cm。施肥方法：基肥施用氮肥總量的 50 % 、鉀肥總量的 50 % 和全部磷肥；在分蘗期追施氮肥總量的 40 % 、鉀肥總量的 40 %；孕穗期追施氮肥總量的 10 % 、鉀肥總量的 10 %；3種化肥的總量分別為：氮肥純 N 為150.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 早稻為1∶0.5∶1.0，晚稻為1∶0.5∶0.8。由于晚稻為稻鴨共育模式，故晚稻只施基肥，后期不再追肥打藥。2018年7月15日稻草還田，7月26日插秧，秧齡28 d，8月10日1到4號田每塊田放3周齡雛鴨5只。9月16日收鴨，10月15日成熟收獲。

1.5 測定內容

植株生物量。于水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期，每個小區隨機采取水稻植株樣品5株。用水洗凈泥土并去根，分莖、葉、穗，用信封袋裝好。105 ℃殺青30分鐘，80 ℃烘干至恒重，稱重。

水稻產量。于水稻收獲前一天，每個小區采取有代表性的水稻植株5株，進行考種，計算理論產量。在水稻收獲當天，每個小區隨機割取3個1 m2的樣方，脫粒后曬干，風選并對每個樣方的稻谷稱重，計算實際產量。

土壤理化性質。在試驗處理前、水稻孕穗期、灌漿期、成熟期每個小區采用5點取樣法，采取0～20 cm耕層土壤樣品，風干后磨樣，過篩分裝備用。土壤pH值用5∶1水土比浸提法測定；土壤全氮、磷采用濃硫酸消煮-流動分析儀法；土壤全鉀采用濃硫酸消煮-火焰光度法；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法；土壤堿解氮采用堿解擴散法。

1.6 統計分析

數據統計與處理采用Excel 2010，數據分析采用Spss 19，采用Excel 2010進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 稻草還田+稻田養鴨對水稻生物量的影響

由圖1可知，分蘗期各處理水稻生物量為BR>BD>ZD>CD>FD，孕穗期各處理水稻生物量為FD>CD>BD>ZD>BR，均無顯著差異。灌漿期各處理水稻生物量為CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD和ZD分別為66.84、58.93 g，比BR分別高出56.25 %和34.15 %，且差異顯著。CD比FD和BD分別高出27.92 %和43.25 %，且達到顯著差異。成熟期各處理水稻生物量為CD>FD>ZD>BD>BR，其中CD為79.33 g，顯著高于其它各處理，較FD、ZD、BD和BR分別高出19.94 %、20.93 %、29.67 %和32.35 %。

圖1 不同處理方式對水稻各生育期生物量的影響Fig.1 Effects of different treatment methods on rice biomass

2.2 稻草還田+稻田養鴨對水稻產量的影響

由圖2可知，各處理水稻產量為CD>FD>ZD>BR>BD，其中CD為6810.1 kg/hm2，FD為6651.7 kg/hm2，ZD為6582.0 kg/hm2，3個處理間無顯著差異，但都顯著高于BR和BD，較BR分別高出15.68 %、12.99 %、11.81 %，較BD分別高出19.45 %、16.67 %、15.45 %。

由表1可知，各處理株高ZDZD>FD=BD>BR，其中CD為425.21萬穗/公頃，顯著高于其它各處理，比ZD、FD、BD、BR分別高出30.77 %、34.21 %、34.21 %、59.37 %。

每穗總粒數BR>ZD>FD>CD>BD，其中BR為176.69粒，顯著高于CD。結實率為FD>BD>BR>CD>ZD，其中FD為62.71 %，BD為62.30 %，BR為61.37 %，3個處理間無顯著差異，都顯著高于CD和ZD，分別高出7.99、7.58、6.65個百分點和8.72、7.86、6.93個百分點。千粒重BD>BR>FD>CD>ZD，其中BD為24.15 g，ZD為23.64 g，極差為0.51 g。理論產量CD>FD>BD>ZD>BR，其中CD與BR差異顯著，除BD外，其它各處理理論產量與實際產量變化規律一致。

圖2 不同處理方式對水稻產量的影響Fig.2 Effects of different treatment methods on rice yield

2.3 稻草還田+稻田養鴨對土壤全量養分的影響

由表2可知，與試驗前相比，試驗后各處理土壤全氮含量都表現出降低，而土壤全磷、全鉀含量則都表現出升高。成熟期土壤全氮含量CD>BD>FD>ZD>BR，CD的降幅最小，為1.83 %；BR的降幅最大，為18.29 %；整個生育期土壤全氮含量CD均顯著高于BR，在水稻孕穗期、灌漿期、成熟期分別高出16.30 %、15.08 %、20.15 %。成熟期土壤全磷含量FD>CD>ZD>BD>BR，FD的增幅最大，為24 %；BR的增幅最小，為2 %；整個生育期土壤全磷含量FD均顯著高于BR，在水稻孕穗期、灌漿期、成熟期分別高出16.67 %、23.91 %、21.57 %；CD、ZD、BD成熟期土壤全磷含量均顯著低于FD，但均顯著高于BR，分別高出13.73 %、9.8 %、7.8 %。成熟期土壤全鉀含量CD>BD>FD>ZD>BR，CD的增幅最大，為12.29 %；BR增幅最小，為1.85 %；整個生育期土壤全鉀含量CD均顯著高于BR，在水稻孕穗期、灌漿期、成熟期分別高出12.25 %、10.17 %、10.25 %；BD成熟期土壤全鉀含量為25.40 g/kg，較BR高出9.81 %，差異顯著。

表1 不同處理方式對水稻產量性狀的影響Table 1 Effects of different treatment methods on rice yield

注：同列數據后不同小寫字母分別表示在5 %水平差異顯著，下同。
Note: Data followed by different small letters means the significance at 0.05 level, The same as below.

表2 不同處理方式對土壤全養分的影響Table 2 Effects of different treatment methods on soil nutrients

2.4 稻草還田+稻田養鴨對土壤pH值的影響

試驗前土壤pH值為5.90。由圖3可知，BR土壤pH值表現為先降低后升高趨勢，其它各處理表現為先降低再升高后降低趨勢，但與試驗前相比，各處理土壤pH值都表現為降低。成熟期土壤pH值CD>ZD>FD>BD>BR，CD的降低量最小，為0.06；BR的降低量最大，為0.19；CD的pH值較ZD、FD、BD、BR分別高出0.09、0.10、0.11、0.12、0.14，且差異顯著；ZD、FD、BD、BR處理間土壤pH值無顯著差異。孕穗期土壤pH值BR=BD>FD>ZD>CD，其中BR=BD為5.76，分別較FD、ZD、CD高出0.04、0.16、0.20，且各處理間差異顯著。灌漿期土壤pH值CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD、ZD、FD、BD分別為6.02、6.00、5.92、5.90，較BR分別高出0.37、0.35、0.27、0.25，且差異顯著。孕穗期到灌漿期，BR的pH值降低了0.11，CD、ZD、FD、BD的pH值分別升高了0.46、0.40、0.20、0.14，增幅大小為CD>ZD>FD>BD。

2.5 稻草還田+稻田養鴨對土壤有機質的影響

試驗前土壤有機質為22.42 g/kg。由圖4可知，BR處理的土壤有機質含量在處理前后保持穩定，其它各處理土壤有機質含量呈現出孕穗期先大幅提高，灌漿期少許降低，成熟期再升高的現象。灌漿期土壤有機質CD>FD>ZD>BD>BR，且CD、FD、ZD與BD差異顯著，與BR也有顯著差異。孕穗期各處理土壤有機質含量與成熟期相似，成熟期土壤有機質CD>ZD>FD>BD>BR，其中CD、ZD、FD分別為31.83、30.91、30.13 g/kg，較BD分別高出9.57 %、6.40 %、3.72 %，且差異顯著；較BR分別提高了41.28 %、37.19 %、33.73 %，且差異顯著； CD較FD高出5.64 %，達到顯著差異。

圖3 不同處理方式對土壤pH值的影響Fig.3 Effects of different treatment methods on Soil pH value

2.6 稻草還田+稻田養鴨對土壤堿解氮的影響

試驗前土壤堿解氮為82.83 mg/kg。由圖5可知，與試驗前相比，各處理的土壤堿解氮均表現為增加，整個生育期各處理土壤堿解氮含量都顯著高于BR處理。孕穗期土壤堿解氮CD>ZD>BD>FD>BR，其中CD為110.95 mg/kg，顯著高于其它各處理，較ZD、BD、FD、BR分別高出6.84 %、13.48 %、14.30 %、33.56 %，ZD、BD、FD的土壤堿解氮顯著高于BR。灌漿期土壤堿解氮ZD>FD>BD>FD>BR，其它各處理土壤堿解氮較BR高出15.16 %～21.02 %，且差異顯著。成熟期土壤堿解氮CD>FD>ZD>BD>BR， CD、FD、ZD、BD較BR的分別提高了21.47 %、17.19 %、15.06 %、11.53 %，且差異顯著。

圖4 不同處理方式對土壤有機質的影響Fig.4 Effects of different treatment methods on soil organic matter

圖5 不同處理方式對土壤堿解氮的影響Fig.5 Effects of different treatment methods on soil hydrolyzable nitrogen

2.7 水稻生物量、產量與土壤養分性狀之間的相關性

土壤養分是影響水稻生長的關鍵因素。由表3可知，水稻生物量及產量與土壤堿解氮含量顯著正相關。水稻生物量與土壤pH值極顯著正相關。

3 討 論

3.1 稻草還田+稻田養鴨對土壤養分的影響

稻草還田通過直接輸入的方式，增加土壤有機質及其他養分含量[8]，從而改善土壤肥力[17]。稻草還田入土，能改善土壤結構，從而有效減少地表徑流對土壤養分的淋失，增強土壤水肥保持能力[18]。稻田養鴨通過鴨糞還田，持續為稻田增施有機肥，較常規稻作增加土壤有機質7.45 %～17.33 %[19]。稻草的腐化分解和養分釋放需要一個過程，鴨子的活動能促進微生物的繁殖，從而加快稻草的腐解。炭化還田+稻田養鴨處理則以生物炭代替稻草，還田后，生物炭遇水溶解進入土壤，加上鴨子的作用，腐解速率和效率都大幅提高，對土壤的改善作用顯著。本研究表明稻草還田+稻田養鴨能增加土壤全N、P、K含量，其中稻草炭化還田+稻田養鴨(CD)達到顯著差異。稻草還田+稻田養鴨能顯著增加土壤有機質和堿解氮含量，增幅分別為33.73 %～41.28 %和15.06 %～21.47 %。稻草還田+稻田養鴨能緩解土壤pH值的降低，其中稻草炭化還田+稻田養鴨(CD)達到顯著差異。

3.2 稻草還田+稻田養鴨對水稻生物量及產量的影響

稻草還田帶入大量的N、P、K及有機質含量，促進水稻莖稈生長，增加水稻分蘗，以增加水稻生物量和產量[20]。稻田養鴨通過鴨子的活動從而減少水稻無效分蘗，優化水稻植株群體結構[16]，改善田間通風透光條件，為水稻增產營造了良好環境。稻草的腐化分解和養分釋放需要一個過程，研究表明稻草還田會抑制水稻前期生長，而稻草還田+稻田養鴨處理前期主要是稻草還田在發揮作用。在水稻分蘗期以BR處理的水稻生物量最大，而從水稻孕穗期開始以BR處理的水稻生物量最小，說明稻草還田+稻田養鴨處理促進水稻后期生長，但對水稻前期生長表現出一定的抑制作用，各處理促進作用強弱為CD>ZD>FD>BD，抑制作用大小為ZD>BD>CD>FD。由相關性分析可知，土壤pH值是抑制水稻前期生長最主要的因素之一。稻草炭化還田+稻田養鴨處理(CD)對水稻生長的促進作用最大，主要原因是稻草炭化后施入稻田被迅速水解吸收，土壤pH值回升最快，抑制水稻生長的時間最短，故CD處理的水稻生物量最高。

研究顯示稻草還田能增加土壤肥力，促進水稻增產，而稻田養鴨能營造增產環境，兩者共同作用是水稻穩定增產。土壤氮含量是水稻增產的關鍵因素，稻草還田+稻田養鴨通過加速稻草腐解釋放養分，增加土壤全氮和堿解氮含量，以促進水稻分蘗，提高水稻有效分蘗數，從而提高水稻產量，增幅為11.8 %～15.67 %。水稻的高產需要高的生物量來支撐，本研究顯示CD的生物量和產量都為最高，且顯著高于BR。

3.3 稻草還田+稻田養鴨對水稻生產的影響機制

稻草炭化還田+稻田養鴨(CD)能顯著降低水稻株高、提高水稻生物量，稻草還田+稻田養鴨主要通過增加水稻有效穗來提高水稻產量，短期內(1年)能使水稻增產10 %以上。稻草還田+稻田養鴨能增加土壤全氮、全磷、全鉀含量；顯著增加土壤有機質和堿解氮含量，增幅分別為33.73 %～41.28 %和15.06 %～21.47 %。稻草炭化還田+稻田養鴨能顯著緩解土壤pH值的降低。稻草炭化還田+稻田養鴨處理(CD)為最佳耦合處理方式。

表3 水稻生物量、產量與土壤養分性狀之間的相關性Table 3 Correlation between rice biomass，rice yield and soil nutrient characters

注：* 和** 分別表示在P<0.05和P<0.01 水平(雙側)上顯著相關。
Note: * and ** were significantly correlated atP<0.05 andP<0.01 levels (bilateral).

稻草還田與稻田養鴨既是傳統農業的經典技術，也是減化肥、減農藥的關鍵技術。前人研究證明稻草還田與稻田養鴨對水稻生長發育與稻田環境改善有益，但第一年稻草還田對當季的水稻生產有一定影響[21]，如果多年長期實行稻草還田，對稻田可持續利用有益。第一年稻草還田影響當季產量，一是稻草未切碎秸稈形成的物理障礙影響水稻生根與根系生長，二是稻草腐爛過程中耗氮、耗氧、產生還原物質等與水稻爭肥、爭氧、危害根系[22]，導致水稻生長前期、中期受阻，表現在根系發育不好，黃根增加，并產生部分黑根；返苗慢、分蘗遲、苗體瘦弱[23]。

本研究表明稻草還田與稻田養鴨，特別是稻草經過炭化處理后再與稻田養鴨配合，對水稻生長發育、稻田環境改善都有很好的效果。究其原因，一是鴨的活動不僅搗碎了秸稈，還增加了稻田土壤和水層的氧氣含量，提高氧化還原電位[24]，促進好氧微生物活動，將氮素轉化成有效態，有利水稻生長；二是鴨的排泄物增加了水稻土壤表層的有效氮、磷、鉀的含量[25]，緩解了稻草還田后秸稈腐爛過程中的耗氧、耗氮，根據我們多年試驗，一只鴨在稻田放牧狀態下平均每天能排放150 g鴨糞，而且在田中的分布相對均勻。總之，稻草還田條件下最宜輔以稻田養鴨措施，可以從物理、化學兩方面改善水稻立苗環境，促進水稻生長。

4 結 論

稻草炭化還田+稻田養鴨(CD)能顯著降低水稻株高、提高水稻生物量，短期內(1年)能使水稻增產10 %以上。CD能顯著增加土壤有機質和堿解氮含量，有效緩解土壤pH值的降低。稻草炭化還田+稻田養鴨處理(CD)為最佳組合處理方式。