不同土壤背景下秸稈全量還田對水稻產(chǎn)量及稻米品質(zhì)的影響

解文孝 李建國 劉軍 呂軍 梁傳斌 史鴻儒 李蒙杉

（1 遼寧省水稻研究所，沈陽 110101；2 遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，沈陽 110034；3 遼寧職業(yè)學(xué)院，遼寧鐵嶺 112000；第一作者：252802294@qq.com）

隨著我國農(nóng)業(yè)科技水平的快速提升，糧食總產(chǎn)量屢創(chuàng)新高。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國秸稈總產(chǎn)量居世界首位，每年約產(chǎn)出7億t秸稈，占世界秸稈總量的30%[1]。然而由于機(jī)械化的普及和農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化等原因，秸稈漸漸失去了原有的價值，被廢棄或者焚燒的秸稈量占總秸稈量的60%以上[2]，這種現(xiàn)象在我國北方更為嚴(yán)重。秸稈的焚燒不僅造成資源浪費，而且燃燒的濃煙也加劇了霧霾的形成，嚴(yán)重危害人們的身體健康和交通安全。秸稈還田以其能改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分含量、提升氮肥利用率等優(yōu)點，逐漸被人們認(rèn)可，也成為地方政府大力宣導(dǎo)提升地力的有效方式。水稻秸稈中富含有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀、鈣、鎂和硫等多種養(yǎng)分，是一種多用途的可再生資源。每667 m2還田秸稈500 kg，相當(dāng)于施用土雜肥2 500 kg、碳銨11.7 kg、過磷酸鈣6.2 kg、硫酸鉀4.75 kg，一年后土壤有機(jī)質(zhì)相對提高0.05%～0.23%[2]。前人對一些農(nóng)作物秸稈還田后腐解規(guī)律、有機(jī)質(zhì)的分解過程、秸稈還田對改良土壤結(jié)構(gòu)和真菌群落結(jié)構(gòu)以及作物增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了較多的研究[3-6]。

由于北方冬季長溫度偏低，秸稈還田技術(shù)的推廣和普及程度明顯落后于南方，少量的研究報道也都基于單一土壤背景下，而有關(guān)北方不同土壤背景下的秸稈腐解規(guī)律及其對水稻生長、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)和品質(zhì)影響的研究尚未見報道。本文針對遼寧主栽稻區(qū)的3種土壤類型為背景，研究討論了水稻秸稈還田對水稻生育進(jìn)程、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期為我國北方稻區(qū)因地制宜合理施用秸稈提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2019年在遼寧省水稻研究所試驗基地（123°38′E，41°8′N）進(jìn)行。基地屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，降雨充沛，主要集中在6—9月，年平均氣溫6.2℃～9.7℃，全年平均降水量600～800 mm，全年無霜期172～180 d，有效積溫3 100℃。

1.1 供試材料與土樣采集

供試品種為遼粳2501，由遼寧省水稻研究所選育并提供。遼寧稻區(qū)土壤類型主要分為遼寧南部濱海鹽堿土、遼寧中部棕壤黏土和遼寧西部丘陵砂壤土，本試驗土壤采集于能代表3種土壤類型的地區(qū)，分別是遼寧南部營口市水源鎮(zhèn)、遼寧中部沈陽市蘇家屯區(qū)和遼寧西部阜新市彰武縣大冷鄉(xiāng)，試驗前將土樣風(fēng)干并撿去其中較大顆粒、作物根系等殘留雜質(zhì)。3類供試土壤的初始性狀詳見表1。供試秸稈均來自遼寧省水稻研究所試驗田上茬水稻，試驗前將收集到的秸稈經(jīng)人工剪成約2 cm長度，混合均勻，風(fēng)干，密封儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理：M1，砂壤土（無秸稈）；M1+S，砂壤土+秸稈還田；M2，鹽堿土（無秸稈）；M2+S，鹽堿土+秸稈還田；M3，棕壤黏土（無秸稈）；M3+S，棕壤黏土+秸稈還田。水稻秸稈還田量44.7 g/盆（按照谷草比比1∶1，全量還田9 000 kg/hm2折算）。每個處理12盆，成熟期按平均有效穗數(shù)取3盆測定產(chǎn)量及穗部性狀，為避免邊行效應(yīng)帶來的試驗誤差，每處理盆栽間距10 cm，最外側(cè)2個處理設(shè)保護(hù)行，并在測定時剔除首尾2盆（邊行效應(yīng)）。每個處理的施肥量為尿素1.98 g、磷酸二銨0.8 g、硫酸鉀0.6 g，即按照當(dāng)?shù)乇咎锍Ｒ?guī)施肥量尿素375 kg/hm2、磷酸二銨150 kg/hm2、硫酸鉀112.5 kg/hm2折算。氮肥按照基肥∶蘗肥∶穗肥為5∶3∶2的比例施用。磷肥、鉀肥和秸稈在移栽前以基肥形式一次性施入。栽培盆為普通塑料桶（上口內(nèi)徑30 cm，底直徑22 cm，高25 cm），每桶裝風(fēng)干土6.5 kg，呈三角形分布種植3株。

表1 不同類型土壤理化性質(zhì)

表2 不同處理對水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

圖1 秸稈還田對不同土壤下水稻生育進(jìn)程的影響

1.3 取樣測定及方法

土壤基本性質(zhì)測定：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-濃硫酸外加熱法測定[7]；全氮測定采用半微量凱氏法[8]；堿解氮采用堿解擴(kuò)散；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法。在水稻完熟期每處理按平均穗數(shù)取6盆用于考種，考查穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，計算每盆產(chǎn)量。風(fēng)干稻谷置于室溫下3個月后進(jìn)行加工，用于測定稻米品質(zhì)。糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度按照GB/T17891-1999方法測定，蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量、膠稠度和食味值用日本佐竹公司SATAKE食味儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤背景下秸稈還田對水稻生育進(jìn)程的影響

由圖1可以看出，秸稈還田延長了緩苗期、有效分蘗期和孕穗期，而縮短了無效分蘗期和成熟期，其中以緩苗期和有效分蘗期受到的影響最為顯著且土壤間差異較大，這可能與土壤間不同微生態(tài)環(huán)境的秸稈腐解規(guī)律不同有關(guān)。秸稈還田對生育進(jìn)程的影響在土壤間表現(xiàn)為棕壤黏土>鹽堿土>砂壤土，與秸稈不還田處理相比生育期分別延長11 d、8 d和3 d。

2.2 不同土壤背景下秸稈還田對水稻穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，不同土壤背景下秸稈還田對水稻的株型及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生顯著影響，在株高上表現(xiàn)為棕壤黏土>砂壤土>鹽堿土,在棕壤黏土和砂壤土條件下秸稈還田降低了水稻株高，但在鹽堿土條件下卻使株高增加，但均未達(dá)顯著水平。有效穗數(shù)表現(xiàn)為棕壤黏土>砂壤土>鹽堿土，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田在棕壤黏土條件下增加了有效穗數(shù)，但在砂壤土和鹽堿土條件下降低了有效穗數(shù)；秸稈還田在不同土壤間均能增加穎花數(shù)，表現(xiàn)為棕壤黏土>砂壤土>鹽堿土，增加的幅度在2.85%～14.20%之間；秸稈還田能顯著增加二次枝梗數(shù)，其中棕壤黏土的增幅最大，但同時也增加了二次枝梗的癟粒率；秸稈還田均降低了千粒重，對棕壤黏土的影響最顯著。秸稈還田對土壤間產(chǎn)量影響表現(xiàn)為棕壤黏土＞砂壤土＞鹽堿土，與秸稈不還田處理相比，在棕壤黏土背景下能增產(chǎn)4.50%，但在砂壤土和鹽堿土背景下分別減產(chǎn)2.20%和3.84%。

表3 不同處理對稻米加工及外觀品質(zhì)的影響（單位：%）

表4 不同處理對蒸煮食味品質(zhì)的影響

2.3 不同土壤背景下秸稈還田對稻米加工品質(zhì)及外觀品質(zhì)的影響

由表3可知，土壤理化性質(zhì)差異對稻米的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)均會產(chǎn)生影響，無秸稈還田土壤的稻米糙米率表現(xiàn)為鹽堿土＞棕壤黏土＞砂壤土，整精米率表現(xiàn)為棕壤黏土＞鹽堿土＞砂壤土。秸稈全量還田提高了砂壤土稻米的糙米率，降低或顯著降低了鹽堿土和棕壤黏土稻米的糙米率、整精米率。秸稈還田顯著降低了砂壤土和鹽堿土稻米的堊白粒率和堊白度，但顯著增加了棕壤黏土稻米的堊白粒率和堊白度，這可能是秸稈還田使棕壤黏土水稻生育期的延遲最為明顯，稻谷未能達(dá)到安全成熟所致。

2.4 不同土壤背景下秸稈還田對稻米營養(yǎng)食味品質(zhì)的影響

由表4可知，秸稈不還田條件下，土壤間稻米蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為棕壤黏土＞鹽堿土＞砂壤土；直鏈淀粉含量表現(xiàn)為棕壤黏土＞砂壤土＞鹽堿土，且棕壤黏土與鹽堿土間差異達(dá)到顯著水平；膠稠度表現(xiàn)為鹽堿土＞砂壤土＞棕壤黏土，且土壤間差異均達(dá)到顯著水平；食味值表現(xiàn)為砂壤土＞鹽堿土＞棕壤黏土，砂壤土和鹽堿土的差異未達(dá)到顯著水平，但兩者均顯著大于棕壤黏土。秸稈還田均提高了不同土壤稻米的蛋白質(zhì)含量，增幅為19.38%～23.53%，但降低了直鏈淀粉含量，降幅為0.43%～0.49%。秸稈還田能顯著增加稻米的膠稠度和食味值，提升幅度分別為0.92%～3.21%和4.03%～6.10%。可見，秸稈還田可以改善不同土壤下稻米的營養(yǎng)品質(zhì)和食味值。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同土壤背景下秸稈還田對遼粳2501產(chǎn)量的影響

關(guān)于秸稈還田對下茬水稻產(chǎn)量的影響，前人進(jìn)行了大量研究，但結(jié)果不盡一致。ZHAO等[4-5，9]認(rèn)為，秸稈還田能提高水稻產(chǎn)量4.00%～8.00%。孫揚等[10]認(rèn)為，鹽漬化水田秸稈還田量30%～50%能提高水稻產(chǎn)量4.00%～9.40%。鄔石根等[11-12]認(rèn)為，秸稈還田第1年未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。本試驗結(jié)果表明，在遼寧省中晚熟稻區(qū)棕壤黏土背景下，秸稈全量還田處理使遼粳2501產(chǎn)量增加4.45%，而在砂壤土和鹽堿土背景下其產(chǎn)量降低2.20%～3.84%，這可能與不同土壤中微生物對秸稈降解能力有關(guān)。砂壤土有機(jī)質(zhì)含量低、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差、微生物總?cè)簲?shù)量低，當(dāng)秸稈還田量增大時，秸稈腐解與大量微生物的繁殖消耗了土壤中大量氮素，同時消耗了水中的氧氣以及釋放出大量硫化氫氣體，會直接影響水稻特別是根系的生長及植株前期的氮素累積，植株對氮的吸收以及莖葉籽粒之間的運移能力下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。而鹽堿土對氮肥的吸附能力強，雖然總養(yǎng)分含量多，但難以被作物吸收，土壤長期處于還原條件，使得土壤品質(zhì)差，好氣型微生物活性受到抑制，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，當(dāng)秸稈還田量增大時，秸稈腐解不僅與水稻爭氮、爭氧，且產(chǎn)生還原性物質(zhì)并釋放大量氨氣，加劇土壤環(huán)境惡化造成水稻僵苗、爛根等問題，因此嚴(yán)重抑制了植株前期的營養(yǎng)生長及干物質(zhì)積累。雖然秸稈后期的養(yǎng)分釋放對水稻二次枝梗粒數(shù)形成有促進(jìn)作用，但仍無法抵消有效穗數(shù)不足的負(fù)向影響。棕壤黏土背景下秸稈還田雖然也存在爭氮現(xiàn)象，但通過延長有效分蘗時期，避過爭氮敏感期后有效分蘗數(shù)快速增加，因此未對有效穗數(shù)產(chǎn)生顯著影響。

3.2 不同土壤背景下秸稈還田對遼粳2501加工品質(zhì)及營養(yǎng)品質(zhì)的影響

徐國偉等[13-16]研究認(rèn)為，土壤生態(tài)因子也影響稻米的品質(zhì)。免耕和秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷鉀的含量[17]。有研究表明，翻耕移栽條件下秸稈還田提高了稻米整精米率，堊白粒率、堊白度略有降低，可能與秸稈還田改善了土壤理化性狀，提高了肥料利用率，延長了后期上部3葉功能期有關(guān)，這樣光合和輸導(dǎo)系統(tǒng)在灌漿結(jié)實期功能較強，堊白較少[18]。徐國偉等[13，17]研究認(rèn)為，秸稈還田后釋放出的養(yǎng)分對穎花發(fā)育起促進(jìn)作用，因此能有效降低稻米的堊白粒率和堊白度。本試驗也表明，在鹽堿土和砂壤土背景下秸稈全量還田能顯著改善稻米的外觀品質(zhì)，但在棕壤黏土背景下增加了稻米的堊白粒率和堊白度，主要原因可能是秸稈還田延遲其生育期，大量水稻弱勢粒未能達(dá)到安全成熟。鹽堿土背景下秸稈全量還田顯著降低了精米率、整精米率，而在砂壤土和棕壤黏土背景下未產(chǎn)生顯著影響。分析原因可能是由于秸稈腐解過程加劇了土壤鹽堿脅迫，導(dǎo)致了整精米率下降。

關(guān)于秸稈全量還田對稻米食味品質(zhì)的影響，結(jié)論不一。陳夢云等[19]認(rèn)為，秸稈還田能降低直鏈淀粉含量，顯著提高稻米食味值，而對膠稠度影響不顯著。劉世平[17]認(rèn)為，連續(xù)多年秸稈還田，可以使稻米直鏈淀粉含量提高，膠稠度變硬，尤其是翻耕移栽田，其稻米食味品質(zhì)有變劣趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤背景下秸稈全量還田均能顯著提升稻米的膠稠度和米飯食味值，提升幅度分別為0.94%～2.24%和4.04%～6.09%，而對蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量的影響不顯著。

根據(jù)上述分析，筆者建議，砂壤土背景下秸稈全量還田的施氮原則為少量多餐，彌補土壤有機(jī)質(zhì)偏低、秸稈腐解緩慢導(dǎo)致的長期爭氮現(xiàn)象，同時氮肥配施比例前移；鹽堿土背景下秸稈還田應(yīng)適當(dāng)增加基本苗數(shù)，并通過氮肥前移來抵消水稻群體量不足以及分蘗期秸稈腐解高峰期的爭氮現(xiàn)象；棕壤黏土背景下秸稈還田對生育期的延遲影響較為明顯，生產(chǎn)上應(yīng)選擇比當(dāng)?shù)厣谠缡?～10 d的品種更為適宜。本試驗采用盆栽方式從秸稈全量還田角度來分析對產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，與大田生態(tài)環(huán)境有一定差距，不能完全代表大田生產(chǎn)。關(guān)于不同土壤背景下秸稈合理還田比例和栽培技術(shù)方式與稻米產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)系還有待進(jìn)一步論證。