秸稈膨化還田對水稻產量、品質及土壤養分的影響

秦猛 崔士澤 何孝東 翟玲俠 陶博王召君 趙海成 李紅宇 鄭桂萍 劉麗華

（1黑龍江八一農墾大學農學院，163319，黑龍江大慶；2黑龍江省農業科學院克山分院，161000，黑龍江齊齊哈爾；3黑龍江省雙鴨山市八五三農場，155630，黑龍江雙鴨山）

水稻（Oryza sativa L.）是我國最重要的口糧作物，約65%以上的居民以稻米為主食，在糧食安全中占有重要的地位[1]。隨著農業種植水平的提高，水稻產量得到大幅提升的同時，秸稈數量也日漸增多，年均產量約8.2億t，但秸稈利用技術手段滯后，大量秸稈被焚燒和丟棄，秸稈作為一類生物質資源，含有豐富的氮、磷、鉀元素，但卻沒有得到合理利用，不僅造成了資源浪費，還嚴重污染環境[2-4]。所以，尋找秸稈的高效利用途徑已成為農業科研人員關注的熱點問題之一。目前，秸稈直接還田仍被作為農業利用的主要途徑[5]。秸稈還田后營養物質重新返還至土壤，有利于改良土壤、培肥地力、提高作物產量、促進農業的可持續發展[6]。大量研究[7-9]表明，秸稈還田能提高土壤肥力，為作物生長創造合適的土壤水分條件，維持土壤結構的穩定性，對作物具有穩糧增收的效果。朱萍等[10]研究發現，連續進行秸稈還田，可以有效提高土壤有機質和速效鉀含量，水稻產量較未還田處理增產8.84%。薛亞光等[11]研究發現，秸稈還田改善了稻米的加工品質、外觀品質和營養品質，但蒸煮食味品質改善效果不顯著。陳新紅等[12]、劉陽[13]和Yan等[14]研究指出，秸稈還田后提高了稻米的出糙率、精米率和整精米率，降低了堊白粒率和堊白度，直鏈淀粉含量降低，膠稠度增大，改善了稻米的品質特性。但在農業生產中，秸稈直接還田常因粉碎不徹底和病蟲寄居等原因，造成作物播種質量差、與作物爭奪養分和水分、加重病蟲草害等問題[15]。東北冷涼地區受低溫和還田量等因素的限制，秸稈還田會導致秸稈腐解慢及還田效果不明顯等現象。而膨化處理主要是利用高溫高壓蒸汽，通過瞬間釋放壓力過程，實現原料的組分離散和結構變化，具有能耗低、化學試劑使用風險減少和處理時間短等優點，可極大改善秸稈的生物質特性，減少營養成分的損失，保護生態環境的特點[16-17]。但關于膨化技術與水稻秸稈還田相結合的研究卻鮮見報道。鑒于此，本試驗通過水稻秸稈膨化還田與未膨化還田進行對比，從而研究秸稈膨化還田與還田量對寒地水稻產量、品質及土壤養分的影響，為水稻秸稈的合理高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2020年在黑龍江省大慶市黑龍江八一農墾大學校內盆栽試驗基地（119°23′E，26°10′N）進行，該地區屬于溫帶季風氣候，年日照時數2726h，年均無霜期166d，年均氣溫4.20℃，年均降水量427.50mm。供試土壤堿解氮134.5mg/kg、有效磷20.79mg/kg、速效鉀72mg/kg、有機質2.7%、pH 6.65。

供試水稻品種為墾粳8號，主莖13片葉，株高94.3cm，全生育期142d，需≥10℃活動積溫2650℃。膨化秸稈來源于黑龍江稻樂農業科技有限公司。

1.2 試驗設計

試驗設計2種還田形態，分別為膨化還田（P）和未膨化還田（S）；秸稈還田量4個水平，分別為25%、50%、75%和100%，以秸稈不還田作為對照（CK），共9個處理；采用盆栽試驗，每個處理5盆，共80穴，每盆裝土84kg，盆缽規格長×寬×高為 80cm×60cm×28cm，面積 0.48m2。

供試肥料為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O543%）和硫酸鉀（K2O 50%）?；蕿槟蛩?.97g/盆、重過磷酸鈣6.70g/盆、硫酸鉀3.46g/盆；分蘗肥為尿素3.72g/盆；調節肥為尿素1.24g/盆；穗肥為尿素2.48g/盆、硫酸鉀2.30g/盆。于2020年4月18日播種，5月20日移栽，9月27日收獲。每盆移栽2行，每行8穴，插秧規格行距×穴距為30cm×10cm，田間生產和栽培管理同大田一致，不同處理的秸稈還田方式與用量見表1。

表1 不同處理的秸稈還田方式與用量Table 1 Methods and amounts of straw returning to the field for different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積、地上部干物質積累和根系形態 分蘗期每個處理取長勢一致的水稻植株4穴（即4次重復），每穴以植株為中心，取長×寬×深為20cm×30cm×20cm左右的土塊，置于尼龍網袋中，先用水管沖洗，再用噴霧器沖至干凈，獲得完整根系后將根系切下，用根系形態專用掃描儀（Microtek Scan Makeri 800）掃描，采用LA-S植物根系分析系統分析總根長、總根面積、總根體積和根系平均直徑。切下根系后的地上部分用于測定分蘗期干物質和葉面積，葉片和莖鞘分別包裝，105℃殺青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量上3葉的長度和寬度，采用長寬系數（0.75）法計算葉面積。齊穗期和灌漿期每個處理分別取長勢均勻的植株4穴（即4次重復），分為上3葉、余下葉片、穗和莖鞘，分別包裝，105℃殺青30min，80℃烘干至恒重。用直尺量上3葉的長度和寬度，采用長寬系數（0.75）法計算總葉面積指數（total leaf area index，TLAI）和高效葉面積指數（high leaf area index，HLAI）。

1.3.2 產量及其構成因素 成熟期各處理按平均穗數取有代表性的植株6穴（即6次重復），懸掛在陰涼通風處風干后，分為莖鞘和穗，稱量穗重和莖鞘重。穗部用于考種，考察項目包括穗數、穗粒數、結實率和千粒重等。

1.3.3 稻米品質 稻谷室內儲存3個月后，每個處理稱取200g稻米樣品，3次重復，按照GB/T 17891-2017的要求對稻谷進行品質測定。加工品質：采用日本公司生產的FC-2K型礱谷機加工成糙米，計算糙米率；采用VP-32型碾米機加工精米，計算精米率和整精米率。外觀品質：采用日本靜岡機械株式會社生產的ES-1000便攜式品質分析儀測定精米的堊白粒率和堊白度。食味品質：采用日本佐竹公司（SATAKE）生產的米飯食味計（STA1A）測定食味品質。營養品質：采用瑞典福斯公司的FOSS 1242近紅外分析儀測定糙米中蛋白質含量及直鏈淀粉含量。礦質元素含量：稱取樣品0.5g至聚四氟乙烯消解罐中，加入硝酸5mL，靜置，反應結束后，密封，放入WX-8000型微波消解儀上進行消解，待溫度冷卻至50℃以下后，取出消解罐放入通風櫥中，打開消解罐，用超純水潤洗，轉移至50mL容量瓶中，至少潤洗3～4次，用超純水稀釋定容至刻度，待測。用ICP-MS型電感耦合等離子質譜儀測定Mg、Fe和Cu元素含量；用電感耦合等離子光譜儀測定Ca元素含量。

1.3.4 土壤養分 在水稻成熟期，采用5點取樣法，取0～15cm的土樣混勻，將土壤自然風干、研磨、過篩后，根據鮑士旦[18]的方法測定各養分指標。采用凱氏定氮消化―蒸餾法測定土壤全氮含量；采用堿解擴散法測定堿解氮含量；采用鉬銻抗比色法測定速效磷含量；利用乙酸銨浸提，火焰光度法測定速效鉀含量；采用重鉻酸鉀―外加熱容量法測定有機質含量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理和作圖，利用SPSS 17.0軟件對各項指標數據進行方差分析，并采用新復極差法（Duncan）進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 膨化秸稈還田對LAI的影響

表2顯示，分蘗期TLAI表現為CK＞膨化還田＞未膨化還田，并隨還田量的增加呈降低趨勢，總體以P1處理最高，未膨化還田以S1處理最高；齊穗期水稻HLAI和TLAI除P4、S3和S4處理外，其他處理均高于CK，其中，P1處理的HLAI顯著高于CK、P4、S3和S4處理，TLAI顯著高于P4和S4處理；灌漿期總體以S1的TLAI和HLAI最高，較CK處理分別增加18.65%和11.55%，P3處理次之，較CK處理分別增加9.73%和7.56%；說明秸稈還田在分蘗期對水稻葉面積具有抑制作用，并隨還田量的增加而增加，在齊穗期和灌漿期抑制逐漸緩解，而膨化后可以減少秸稈還田后帶來的負面效應。

表2 不同秸稈還田處理水稻葉面積指數的比較Table 2 Comparison of rice leaf area index treated with different straws returning to field cm2/穴cm2/hole

2.2 膨化秸稈還田對地上部干物質積累量的影響

表3顯示，分蘗期水稻干物質積累量膨化還田處理以P2最高，達3.55g/穴，未膨化還田以S2處理最高，達3.58g/穴；在齊穗期，膨化還田表現為P1＞P2＞P3＞P4趨勢，未膨化還田表現為S2＞S1＞S3＞S4趨勢，總體以P1處理最高，較CK處理增加7.89%；灌漿期膨化還田和未膨化還田處理分別以P1和S1處理最高，顯著高于CK、S2、S3和S4處理，增幅為8.80%～15.38%；成熟期各處理的干物質積累量均無顯著差異，膨化還田以P1處理最高，為60.66g/穴，未膨化還田以S3處理最高，為60.86g/穴；表明秸稈還田對水稻干物質積累量的影響與葉面積趨勢相同，在分蘗期2種還田方式均低于CK處理，后期抑制逐漸緩解，且膨化還田較未膨化還田更有優勢。

表3 不同秸稈還田處理水稻地上部干物質積累量的比較Table 3 Comparison of dry matter accumulation of rice shoots treated with different straws returning to field g/穴g/hole

2.3 膨化秸稈還田對分蘗期根部性狀的影響

表4顯示，水稻根總長度膨化還田以P1處理最高，較P4處理顯著增加了24.36%，未膨化還田以S1處理最高，S4處理顯著低于其他處理；根平均直徑未膨化還田優于膨化還田，膨化還田以P1處理最佳，處理間無顯著性差異，未膨化還田以S1處理最佳，較S3和S4處理分別顯著高9.71%和10.78%；根總表面積膨化還田以P1處理最高，處理間差異不顯著，未膨化還田以S1處理最高，顯著高于S4處理；未膨化還田的根總體積優于膨化還田，膨化還田以P1處理最高，處理間顯著高于P3和P4處理，未膨化還田以S1處理最佳，處理間顯著高于S2、S3和S4處理。綜上可知，就分蘗期根系指標而言，2種還田方式雖均較CK處理降低，但膨化秸稈更有利于根長和根表面積的增大。

表4 不同秸稈還田處理水稻分蘗期根部性狀的比較Table 4 Comparison of root characteristics in rice tillering stage treated with different straws returned to field

2.4 膨化秸稈還田對產量及其構成因素的影響

表5顯示，在產量方面，膨化還田以P1處理最高，較CK處理增加了5.54%，未膨化還田以S3處理最高，較CK處理增加了6.65%，且各處理產量差異均不顯著；從產量構成因素來看，膨化還田以P1處理穗數最多，較CK處理高6.81%，隨還田量的增加而減少，處理間無顯著性差異，未膨化還田以S3處理穗數最多，較CK處理提高14.92%，顯著高于除P1外的其他處理；膨化還田穗粒數以P3處理最多，未膨化還田以S4處理穗粒數最多，分別較CK處理增加1.41%和2.62%，且處理間無顯著性差異；膨化還田結實率高于未膨化還田和CK處理，以P2處理最高，較CK處理高4.21%，未膨化還田S1處理最佳，較CK處理高2.25%，S4處理顯著低于P1和P2處理；2種還田方式的千粒重均較CK處理降低，處理間均以高還田量（P4、S4）最佳。可見，2種還田方式對水稻產量的提高均有一定的促進作用。

表5 不同秸稈還田處理水稻產量及其構成因素的比較Table 5 Comparison of rice yield and its components factors treated with different straws returning to field

2.5 膨化秸稈還田對稻米品質的影響

表6顯示，膨化還田糙米率呈P2＞P1＞P4＞P3的趨勢，未膨化還田呈S1＞S4＞S2＞S3的趨勢，總體以S1處理最高，并顯著高于CK處理；膨化還田精米率以P2處理最高，為74.60%，顯著高于其他處理，未膨化還田精米率以S1處理最高，為73.65%，顯著高于CK和S3處理；膨化還田以P2處理整精米率最高，較CK處理提高了1.70%，未膨化還田以S4處理整精米率最高，顯著高于膨化還田和CK處理；膨化還田和未膨化還田處理稻米的堊白粒率、堊白度均以100%還田量最低，其中，P4處理顯著降低了稻米的堊白粒率和堊白度，其他處理均高于CK處理；稻米蛋白質含量以S4處理最低，還田量較低的處理（25%和50%）中，膨化還田較未膨化還田更有利于降低蛋白質含量，改善食味，但在還田量較高的處理（75%和100%）中，與CK處理相比，2種秸稈還田處理的蛋白質含量更容易降低；直鏈淀粉含量均以S1處理最低，顯著低于P1、P2、S2和S4處理；秸稈還田處理均提高了稻米的食味評分，且表現為膨化還田＞未膨化還田，其中，膨化還田處理間表現為P2＞P4＞P1＞P3，以P2食味評分最高，為76.97，未膨化還田處理間表現為S4＞S3＞S2＞S1，以S4食味評分最高，為76.71。

表6 不同秸稈還田處理稻米主要品質指標的比較Table 6 Comparison of the main quality indexes of rice treated with different straws returning to the field

2.6 膨化秸稈還田對稻米礦質元素含量的影響

表7顯示，與CK處理相比，2種還田方式均顯著降低了稻米中Cu含量，膨化還田以P3處理最高，未膨化還田以S1處理最高，處理間差異顯著；膨化還田稻米中Ca含量均高于CK處理和未膨化還田，以P3處理最高，為78.52mg/kg，較CK處理提高21.51%，顯著高于其他還田處理，未膨化還田稻米中Ca含量以S4處理最高，為74.85mg/kg，較CK處理提高15.83%，顯著高于S1、S2、S3和P1處理；膨化還田稻米中Mg含量以P1處理最高，顯著高于P1、P2、P3、S3和S4處理，未膨化還田S1處理最高，為0.99g/kg，與其他處理均達顯著性差異水平；稻米中Fe含量表現為膨化還田＞未膨化還田，膨化還田以P1處理最高，未膨化還田S1處理最高，顯著高于其他處理。

表7 不同秸稈還田處理稻米礦質元素含量的比較Table 7 Comparison of the mineral element content of rice treated with different straws returned to the field

2.7 膨化秸稈還田對土壤養分含量的影響

表8顯示，土壤中有機質含量整體為膨化還田＞未膨化還田＞CK，膨化還田土壤有機質含量以P1處理最高，較CK處理增加13.08%，顯著高于CK、S1、S2和S4處理，未膨化還田土壤有機質含量以S3處理最高，顯著高于CK和S1處理；膨化還田土壤全氮含量表現為P3＞P4＞P1＞P2，其中P3處理較CK處理高13.39%，未膨化還田土壤全氮含量表現為S3＞S4＞S2＞S1，其中S3處理較CK處理高11.81%；膨化還田土壤堿解氮含量以P3處理最高，較CK處理高21.43%，未膨化還田土壤堿解氮含量以S3處理最高，較CK處理高29.50%，顯著高于其他處理；膨化還田土壤有效磷含量以P1處理最高，較CK處理高14.85%，顯著高于其他處理，未膨化還田土壤有效磷含量以S1處理最高，較CK處理高7.95%；膨化還田土壤速效鉀含量以P4處理最高，顯著高于其他處理；未膨化還田土壤速效鉀含量以S3處理最高，顯著高于除P3和P4外的其他處理。以上表明，秸稈還田有利于土壤養分含量的積累。

表8 不同秸稈還田處理土壤養分含量的比較Table 8 Comparison of soil nutrient content in different treatments of returning straw to the field

3 討論

李思平等[19]研究發現，秸稈還田不利于水稻前期生長，但能顯著提高水稻中、后期的生長指標，并增強水稻生長中、后期對養分的吸收。趙長坤等[20]研究表明，在水稻移栽分蘗期秸稈處于快速腐解的時期，消耗大量的微生物和氧氣，導致土壤和水體產生大量有毒物質，參與腐解的微生物與水稻發生爭“氮”現象[21]，因此秸稈在短期內釋放的養分較少，甚至不利于水稻前期的生長。本研究表明，2種還田方式表現為前抑后促，在生長前期對水稻葉面積、干物質積累量和根部性狀均有抑制作用，并隨還田量的增加而增加，在生育后期抑制逐漸緩解，且膨化還田的水稻葉面積、干物質積累量和根部性狀均優于未膨化還田處理，這與趙亞慧等[22]和何艷等[23]研究結果一致，秸稈還田后，由于纖維素、半纖維素和木質素的存在，不利于水稻根系下扎和前期生長，隨著還田時間的增加，秸稈腐解速率逐漸減小，有毒物質含量減少，對水稻移栽后期根系的毒害作用降低，秸稈養分逐漸釋放并被作物吸收，對水稻中、后期生長發育具有促進作用。

關于秸稈還田對產量的影響，前人進行了大量研究，但結果不盡一致，有研究[24-26]認為，秸稈還田有利于提高后期水稻產量，促進水稻生產。崔月峰等[27]研究發現，秸稈還田后水稻干物質積累不足，葉輸出率和貢獻率降低，每穗實粒數、千粒重和有效穗數都呈現出負向效應，致使產量下降。本研究結果表明，2種還田方式不利于穗粒數和千粒重的增加，但提高了水稻穗數和結實率，進而增加水稻產量的構成，但與CK處理差異不顯著，說明短期秸稈還田不會顯著影響水稻產量。在不同還田量下，膨化還田以P1處理最高，未膨化還田以S3處理最高，膨化還田的結實率高于未膨化還田，這與張巳奇等[28]和金鑫等[29]的研究結果一致。還田后的秸稈在土壤中的腐解是一個復雜的過程，特別是在溫度較低的北方地區，秸稈腐解緩慢，因此膨化秸稈還田對水稻產量的長期效應還需進行持續定位試驗研究。

常勇等[30]和薛亞光等[11]研究認為，秸稈還田不同程度地改善了稻米的加工品質、外觀品質和營養品質，但對稻米膠稠度和直鏈淀粉含量影響較小，對蒸煮食味品質改善效果不顯著。本研究結果與前人研究結果基本一致，與CK處理相比，秸稈還田提高了稻米的糙米率、精米率和整精米率，改善了稻米加工品質，其中未膨化還田的糙米率和整精米率優于膨化還田，膨化還田精米率優于未膨化還田，膨化還田更有利于降低稻米的堊白粒率和堊白度，其中，100%還田量下的堊白粒率與堊白度均低于CK和其他還田處理；在25%和50%還田量下，膨化還田較未膨化還田更有利于降低稻米蛋白質含量，2種秸稈還田處理75%和100%還田量的蛋白質含量較CK處理更容易降低；膨化還田的食味評分優于未膨化還田，總體以P2處理最高。與未膨化還田相比，膨化還田有利于稻米中Ca、Fe含量的增加，與袁玲等[31]研究結論一致，還田的秸稈中大量的營養元素在微生物的作用下完全礦化，從而促進了水稻的生長和營養成分的積累，促進營養物質向籽粒庫轉移。

馬立曉等[32]研究認為，秸稈還田提高了土壤養分含量，有利于維護農田土壤肥力和生態系統健康。朱晶等[33]研究發現，秸稈還田顯著提高了稻田土壤有機質、全氮、堿解氮、銨態氮、硝態氮、速效磷和速效鉀含量，土壤養分含量在高還田量下效果最佳。本研究結果表明，膨化還田土壤中有機質、全氮和速效鉀的含量優于CK和未膨化還田處理，其中膨化還田以100%還田量對土壤有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量提高作用最顯著?？赡芤驗榕蚧蠼斩捊佑|面積增加，提高了土壤微生物數量和活性的同時，也提高了秸稈的腐解速率，從而更快地向土壤釋放有效養分。未膨化秸稈還田以75%還田量最佳，有利于土壤中有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量的增加，與韓新忠等[34]發現的秸稈還田處理顯著增加了土壤全氮和速效氮含量的結果基本一致。

4 結論

2種還田方式前期的水稻葉面積、地上部干物質積累量和根系性狀低于秸稈不還田，但隨著時間的推移，提高了后期水稻產量，不同還田量之間，膨化還田表現為25%＞75%＞100%＞50%，未膨化還田為75%＞100%＞25%＞50%，較高的穗數和結實率是產量增加的主要原因；在品質方面，膨化還田處理稻米蛋白質和直鏈淀粉含量低于未膨化秸稈還田處理，但精米率和綜合食味評分均高于未膨化還田處理。其中，膨化還田25%和50%還田量處理的綜合評分顯著高于未膨化還田處理。在土壤養分方面，各秸稈還田處理均高于CK處理，膨化還田處理土壤中全氮、速效鉀和有機質含量高于未膨化還田處理。綜上所述，在盆栽試驗條件下，膨化還田處理有利于提高水稻的產量和食味評分，以25%還田量處理效果最佳。但盆栽處理與大田環境存在一定差異，不能完全代表大田結果，關于大田試驗還有待日后進一步驗證。