秸稈還田與耕作方式對雙季稻產量及土壤肥力質量的影響*

成 臣 汪建軍 程慧煌 羅 亢 曾勇軍 石慶華 商慶銀

（江西農業大學雙季稻現代化生產協同創新中心/作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室/江西省作物生理生態與遺傳育種重點實驗室，南昌 330045）

作物秸稈作為農作物最主要的副產品，含有大量有機質和豐富的氮、磷、鉀等營養元素［1］。秸稈還田是增加農田土壤有機碳的重要途徑之一，可以改善農田土壤理化性狀，提高土壤質量和養分循環利用效率，增加作物產量，是農田生態系統中物質循環和再利用的良好形式，在農業生產中已廣泛應用［2］。但是，在秸稈還田利用方面存在較多問題，如秸稈腐解難、利用率低，產生還原性有毒物質，易發生與作物爭氮和誘發病蟲害等現象［3］，從而影響作物生長發育和土壤質量的轉變方向與強度。因此，如何優化作物秸稈利用方式，緩解秸稈還田對作物生長和生態環境的負面影響，對保障我國糧食安全和土壤質量提高具有重要意義。

在秸稈還田過程中，不同利用方式對秸稈腐解、水稻生產發育的影響不同［4］。目前，農業生產中秸稈還田常與耕作措施配合實施，不僅可以改善土壤的水、肥、氣、熱狀況，同時還可以增加作物產量，并能夠提高良好的生態、社會及經濟效益，是確保農業可持續發展的有效措施和重要途徑［5］。田慎重等［6］研究了不同耕作方式和秸稈還田對麥田土壤有機碳含量的影響，表明秸稈還田下各耕作方式土壤有機碳均顯著提高，但不同耕作方式存在顯著差異。趙亞麗等［7］表明，與常規耕作秸稈不還田相比，秸稈還田后深耕和深松均提高冬小麥和夏玉米成熟期干物質積累，周年產量也分別增加18.0%和19.3%。雖然秸稈還田與耕作措施配合實施對農田土壤和作物產量的研究較多［8-10］，但主要集中在旱地或者稻麥輪作系統，而在雙季稻系統中研究較少。

雙季稻種植模式是中國南方稻區重要的農業生產模式，秸稈資源豐富且相對集中。然而，針對南方雙季稻區秸稈還田與耕作制度的最佳組合方式目前并不明確。為此，本文通過秸稈全量還田條件下設置不同耕作方式，旨在研究耕作方式和秸稈還田對水稻生長發育、產量及對土壤理化性質的影響，為實現南方雙季稻區秸稈合理利用、水稻高產和提高農田土壤質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于江西省進賢縣溫圳鎮楊溪村（116°5'28″E，28°20'10″N）。供試土壤為第四紀紅色黏土發育的潴育型水稻土（酸性簡育水耕人為土）。試驗前0～20 cm耕層土壤有機碳含量21.8 g kg-1，全氮3.74 g kg-1，有效磷24.5 mg kg-1，速效鉀98.0 mg kg-1，pH 5.31。

1.2 試驗設計

試驗時間為2012年11月至2015年11月。試驗設計4種處理方式，（1）翻耕與秸稈不還田（CT）：水稻收獲后秸稈全部移出田間，水稻拋秧前用鏵式犁翻地1遍，再用旋耕機旋地2遍，耕深約15 cm；（2）翻耕與秸稈還田（CTS）：水稻收獲后秸稈粉碎全量還田，水稻拋秧前用鏵式犁翻地1遍，再用旋耕機旋地2遍，耕深約15cm；（3）旋耕與秸稈還田（RTS）：水稻收獲后秸稈粉碎全量還田，水稻拋秧前用旋耕機旋地4遍，耕深約8 cm；（4）免耕與秸稈還田（NTS）：水稻收獲后秸稈全量粉碎覆蓋還田，不進行整地，水稻免耕拋秧。每個處理分別設3次重復，各小區面積均為54 m2，隨機區組排列。雙季稻種植供試早稻和晚稻品種分別為中嘉早17和五豐優T025，水分管理及其他大田栽培措施均按高產技術規程［11］進行。

本試驗中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素（含N 46.4%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）。早稻N、P2O5和K2O用量分別為150 kg hm-2、75 kg hm-2和135 kg hm-2，其中氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用，磷肥做基肥一次性施用，鉀肥按基肥：穗肥=7∶3施用。晚稻N、P2O5和K2O用量分別為180 kg hm-2、75 kg hm-2和150 kg hm-2，其中氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4施用，磷肥和鉀肥施用比例同早稻。試驗前稻田為當地常規雙季稻生產區，于2012年冬季開始至2015年晚稻收獲結束，開展為期三年的定位試驗研究。秸稈采用全量還田方式，水稻秸稈由久保田半喂入式聯合收割機收割水稻時同步進行粉碎，其切割長度為 5 cm左右。早稻收獲后，將各小區水稻秸稈粉碎施入相應小區中作晚稻基肥，晚稻收獲后各小區水稻秸稈粉碎施入相應小區表層作次年早稻基肥。

1.3 測定項目及方法

產量及其構成因素：在成熟期，每處理調查3個重復，每重復調查100蔸有效穗數。按平均有效穗選取考種樣，每小區分別取樣5蔸，調查每穗粒數、結實率及千粒重。每小區選取6 m2進行實際測產。

莖蘗動態：水稻移栽后每小區定點20蔸，每5天調查一次莖蘗數，直至抽穗期。

土壤理化性狀測定：晚稻成熟收獲期進行土壤采集，各小區按S形路線隨機取5個點的土樣，采樣深度為0～20 cm。土樣充分混勻后揀去植物殘根和石礫等，經風干、磨碎過篩，按照《土壤農化分析》［12］進行土壤容重、pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機碳等的測定。

基于主成分分析的土壤質量評價研究［13-14］：對不同年份不同處理的6個土壤理化性狀指標（容重、pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機碳）組成矩陣進行主成分分析，選取累計百分率≥85%的主成分因子，選取主成分的特征向量構建主成分方程計算出各處理各因子主成分分值，再用各公因子的特征值貢獻率作為權數進行加權求和，即得各處理土壤質量綜合得分。

1.4 數據處理

試驗數據均采用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05軟件進行分析和處理，方差分析采用最小顯著差異法（LSD）多重比較。

2 結 果

2.1 秸稈還田與耕作方式對雙季稻產量及其構成因素的影響

與CT處理相比，2013—2015年CTS處理早稻和晚稻平均產量分別增加3.6%和3.8%。與CTS處理相比，NTS處理早稻和晚稻平均產量分別降低5.2%和6.4%，其中，晚稻產量顯著降低；相反，RTS處理早稻和晚稻平均產量分別增加6.1%和3.1%（表1）。

與CT處理相比，2013—2015年CTS處理早稻平均有效穗數增加2.3%，但晚稻平均有效穗數降低4.0%，其中2014年顯著低于CT處理。與CTS處理相比，RTS處理早稻和晚稻平均有效穗數分別增加3.9%和1.3%（除2015年晚稻外）；NTS處理早稻和晚稻平均有效穗數分別降低5.8%和7.9%，其中2013年和2015年有效穗數顯著降低（p＜0.05）。

表1 秸稈還田條件下不同耕作方式的產量及其構成因素Table 1 Grain yield and yield components in paddy fields incorporated with rice straw，relative to tillage pattern

2.2 秸稈還田與耕作方式對雙季稻莖蘗動態的影響

秸稈還田對早稻和晚稻莖蘗動態的影響不同（圖1）。與CT處理相比，早稻CTS處理群體分蘗能力強，高峰苗數增加，而無效分蘗多，成穗率降低，群體最終有效穗數仍然高；而晚稻中，與CT處理相比，CTS處理群體分蘗能力弱，高峰苗數減少，而無效分蘗少，成穗率增加，最終群體有效穗數降低。

在秸稈還田下，不同耕作方式早稻和晚稻莖蘗動態變化趨勢一致，RTS和CTS處理移栽后分蘗能力高于NTS處理，早稻和晚稻高峰苗數均增加，而RTS和CTS處理早稻和晚稻分蘗下降較為迅速，但由于高峰苗數多，最終RTS和CTS處理群體有效穗數均高于NTS。

圖1 秸稈還田條件下不同耕作方式水稻莖蘗動態變化（以2013年為例）Fig. 1 Dynamics of rice tillering in paddy fields incorporated with rice straw，relative to tillage pattern（in 2013）

2.3 秸稈還田與耕作方式對雙季稻土壤理化性質的影響

2013年，各處理間土壤各項指標均無顯著差異（p＞0.05，表2）。2013—2015年，CT處理土壤有機碳（SOC）和全氮（TN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）含量呈降低趨勢，相反，CTS、RTS和NTS處理SOC、TN、AP和AK含量顯著增加。CT處理土壤容重無顯著變化，而秸稈還田下各處理土壤容重均呈現降低趨勢。

2015年，與CT處理相比，CTS處理土壤SOC、TN、AP和AK含量分別增加9.7%、7.5%、24.8%和28.7%（p＜0.05）。與CTS處理相比，NTS處理土壤SOC、TN、AP和AK含量分別降低3.0%、0.8%、3.1%和6.5%，而RTS處理分別增加1.3%、0.5%、1.7%和4.4%。與CT相比，CTS處理土壤容重（BD）降低4.1%；與CTS相比，NT處理BD增加9.7%（p＜0.05），而RTS處理BD降低1.1%。與CT相比，CTS處理土壤pH降低1.9%（p＜0.05）；與CTS相比，NT處理土壤pH降低0.6%，而RTS處理土壤pH增加0.4%。

表2 秸稈還田條件下不同耕作方式對土壤理化性狀的影響Table 2 Soil physical and chemical properties of the field incorporated with rice straw relative to tiilage patern

2.4 雙季稻田土壤肥力質量評價

本文分別選擇BD、pH、AP、AK、SOC和TN等6個指標衡量土壤肥力質量狀況。將累積貢獻百分率≥85%作為提取原則，得到2個主成分，累積貢獻率為96.69%（表3），因子1和因子2的特征值分別為4.642和1.160，貢獻率分別為77.36%和19.33%。第1主成分因子（F1）與AP、AK、SOC及TN等指標上的載荷系數較大，可以設為土壤養分因子；第2主成分因子（F2）在BD和pH的載荷系數最大，該主成分可認定為土壤容重因子和pH因子。

通過因子1和因子2得分與各因子的特征值百分率作為權數進行加權求和計算得出土壤肥力質量得分（表4）。2013—2015年，CT處理土壤肥力質量呈下降趨勢，秸稈還田條件下各處理土壤肥力質量均呈增加趨勢，其中，2015年RTS處理分別高于CTS和NTS處理16.4%和80.4%。

表3 土壤肥力質量性狀的主成分提取及旋轉因子載荷矩陣Table 3 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality

表4 各因子得分及土壤肥力質量得分Table 4 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment

3 討 論

3.1 秸稈還田與耕作方式對雙季稻產量和土壤肥力質量的影響

秸稈還田是農業生產過程中重要的有機肥來源之一，大多數研究者認為秸稈還田利于提高作物產量［6，15］。本研究也表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田處理早稻和晚稻三年平均增產分別為3.6%和3.8%。秸稈還田對土壤質量提升有積極影響，有效增加土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機碳含量，而秸稈不還田條件下土壤肥力質量呈下降趨勢。但在本研究條件下，秸稈還田后不同耕作方式對產量的影響顯著。結果表明，與常規翻耕相比，秸稈還田條件下免耕處理早稻和晚稻平均產量分別降低5.2%和6.4%，其中，晚稻產量顯著降低（p＜0.05）；相反，旋耕處理早稻和晚稻平均產量分別增加6.1%和3.1%。這與許菁等［16］和陳敏等［17］研究結果相似，可能因為耕作方式改變了土壤肥力質量從而影響作物生長發育狀況。

在秸稈還田條件下，旋耕和常規翻耕均能有效改良土壤［8］，但是翻耕處理土壤耕層較深，土溫和土壤含水率較低，秸稈還田腐解速度下降，旋耕處理土壤養分含量提升幅度高于常規耕作［18］。姬強等［19］研究認為，秸稈還田條件下，與傳統耕作相比旋耕土壤礦質結合態有機碳提高23.0%，對土壤顆粒有機碳的影響也表現同樣規律。陳敏等［17］研究認為，旋耕處理土壤速效養分高于傳統翻耕，土壤有效養分供應能力得到提高，土壤質量高是水稻高產的基礎，因而旋耕達到增產作用。本研究結果與之相同，與常規翻耕處理相比，旋耕處理水稻莖蘗易早發快發，分蘗能力和有效穗數均高于常規翻耕，旋耕處理土壤養分含量也高于常規翻耕，最終得到高產。旋耕相對常規翻耕具有增產優勢，是旋耕處理土壤肥力質量好的表現。

與傳統耕作相比，在免耕與秸稈覆蓋還田條件下，微生物種類與數量少，導致免耕秸稈腐解速度慢、利用效率低［20］，秸稈氮素等養分滲漏損失成倍增加［21］，同時，免耕處理土壤易板結，連續免耕土壤質量相對下降，水稻生長受到抑制，從而產量低于常規耕作［22］。本研究表明，免耕處理產量低于常規翻耕處理，產量下降主要受有效穗數的影響，早稻和晚稻有效穗數平均分別降低5.8%和7.9%，其中2013年和2015年顯著降低。連續免耕土壤養分含量降低、容重顯著增加以及土壤酸化加劇是導致免耕處理產量下降的主要原因。這與一些研究報道不同，吳建富等［23］研究認為稻田實行免耕前兩年產量與翻耕無顯著差異，之后免耕產量呈現下降趨勢，這主要與連續免耕土壤物理性質變差、土壤養分在表層土壤富集不利于土壤水分的保持有關。莫亞麗［24］研究表明，短期連續免耕水稻產量高于常規翻耕，直至第5年免耕產量才呈現下降趨勢。甚至還有連續免耕11年不減產的報道［25］。連續免耕作物產量降低存在年限差異，同時存在與之截然相反的免耕增產報道，這可能與不同土壤質量、生態環境、作物類型及栽培措施等相關，對此尚有待進一步研究。

3.2 耕作方式對南方雙季稻區秸稈還田的影響

中國南方雙季稻區秸稈資源豐富，但在秸稈利用過程中存在一系列的問題，通過何種方式合理利用秸稈資源是目前南方雙季稻生產最重要問題之一。何虎等［26］研究表明，水稻秸稈全量還田后配施適量氮肥可以提高晚稻產量，配施純氮180 kg hm-2產量最高，其中，在總施氮量相同條件下，以基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3的施氮比例水稻產量最高，其可作為雙季稻區秸稈全量還田后的推薦施氮比例。胡誠等［27］研究表明，在南方雙季稻區秸稈還田配施秸稈腐熟劑可以提高雙季稻產量，提高土壤肥力、改善土壤結構以及增加土壤腐殖質含量與活性。據張武益等［28］報道，與持續淹水處理相比，干濕交替灌溉能夠有效緩解秸稈還田的負面影響，增加水稻后期干物質積累量和產量。本研究表明，通過耕作方式也可以合理有效地利用秸稈，在秸稈全量還田條件下旋耕處理在產量和土壤肥力質量方面表現優于翻耕和免耕處理。這與李靜等［29］、湯文光等［30］研究結果較為一致。不同耕作方式下秸稈還田效益的差異，應與不同耕作方式下土壤環境如土壤結構及土壤微生物性狀等不同有關［31］。耕作改變土壤的物理結構，影響稻稈在耕層土壤中的分布和數量，使秸稈腐解與利用不同，從而直接或間接影響土壤肥力和水稻生長發育［26，28］。

3.3 主成分分析法對土壤肥力質量評價的有效性

土壤質量綜合評價是對目標土壤生產力等方面進行綜合鑒定，近年來，對土壤質量評價的指標體系和評價方法開展了大量的研究工作，但迄今為止尚無統一的土壤質量評價方法，目前，研究者多采用主成分分析法來定量評價土壤質量［32］。本文采用主成分分析法對不同耕作制度進行評價發現，RTS處理土壤肥力質量綜合得分和產量均表現最好，因此，采用主成分分析結果基本能夠客觀反映不同耕作模式的土壤肥力質量，有助于分析不同耕作措施對土壤肥力質量的影響。CT處理的土壤肥力質量綜合得分表現最低，但產量表現并非最差，土壤肥力質量評價的高低并不能完全反映農田的真實生產力水平，且本試驗僅對6個土壤理化指標進行綜合評價，并未能體現出土壤肥力質量的完整信息，從而造成CT處理土壤肥力質量綜合評價結果與作物生產力不一致。

4 結 論

在南方紅壤雙季稻區，秸稈還田能提高水稻產量和稻田土壤有機碳、全氮、有效磷和速效鉀等含量，連續定位試驗3年后顯著提升稻田土壤肥力質量，但秸稈還田條件下不同耕作方式對水稻產量和土壤理化性質的影響存在差異。與常規耕作相比，旋耕處理早稻和晚稻平均產量分別增加6.1%和3.1%，而免耕處理早稻和晚稻平均產量分別降低5.2%和6.4%。秸稈還田條件下不同耕作方式土壤有機碳、全氮、有效磷和速效鉀等含量以及土壤肥力質量均呈增加趨勢，其中，旋耕處理土壤肥力質量高于常規翻耕和免耕處理。因此，秸稈還田條件下雙季稻生產適宜采用機械旋耕的種植方式。

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