膨化秸稈還田對寒地水稻養分積累、轉運、分配及產量的影響

劉麗華 李楊 秦猛 崔士澤 翟玲俠 吳印瑩 宋佳聰 姚欽 鄭桂萍 李紅宇

摘要：【目的】分析膨化秸稈還田對寒地水稻養分積累、運轉、分配及產量的影響，篩選膨化秸稈適宜的還田量，為探索水稻秸稈資源的高效利用提供理論和技術支持。【方法】采用盆栽試驗，以水稻品種墾粳8號為試驗材料，以秸稈不還田（秸稈用量為0）為對照（CK），設25%、50%、75%和100%（當地常規秸稈還田量7500 kg/ha）4個膨化秸稈還田量處理，分析不同處理間水稻植株氮、磷、鉀的吸收、運轉、分配及產量差異。【結果】不同水稻秸稈還田處理中，均以25%處理的地上部氮、磷、鉀積累量最高或較高，2020和2021年成熟期地上部氮積累量分別較CK提高1.10%和10.53%；2021年磷和鉀積累量較CK提高1.30%和3.04%。25%處理能促進莖葉氮、鉀向籽粒運轉，進而提高氮、鉀的轉運量、轉運率和貢獻率，有利于成熟期葉片、莖鞘和穗中氮、鉀的積累。從產量及其構成因素來看，膨化秸稈還田通過增加水稻穗粒數和結實率，進而提高水稻產量，其中，25%處理的產量顯著高于CK及其他秸稈還田處理，2020和2021年分別較CK提高5.54%和8.93%。【結論】25%膨化秸稈還田量處理能促進寒地水稻的氮、磷、鉀積累及植株營養器官氮和鉀向籽粒轉運，且產量較高，可嘗試在寒地水稻生產中推廣應用。

關鍵詞：水稻；膨化秸稈；還田量；養分；產量

中圖分類號：S511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2023）02-0497-09

Daqing，Heilongjiang? 163319， China；3Keshan Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Qiqihar，Heilongjiang? 161000， China）

Abstract：【Objective】To analyze effects of puffed straw returning on nutrient accumulation，transport，distribution and yield of rice in cold region，and to screen the appropriate returning amount of puffed straw， so as to provide theoretical and technical support for exploring efficient utilization of rice straw resources. 【Method】A pot experiment was conducted， in which rice variety Kenjing 8 was taken as the experimental material. Taking no straw returning （0 straw dosage） as control （CK）， four treatments of puffed straw returning amount （25%，50%，75% and 100%） were set （local conventional straw returning amount was 7500 kg/ha） to analyze difference in nitrogen （N）， phosphorus （P） and potassium （K） uptake， transport and distribution of rice plants and rice yield among various treatments. 【Result】In puffed straw returning treatments， the higher or the highest N， P and K accumulation amount in above-ground parts were all found in the treatment of 25%， and in 2020 and 2021， N accumulation amount in above-ground parts at maturity stage increased by 1.10% and 10.53% compared with that of CK respectively. In 2021， P and K accumulation amount increased by 1.30% and 3.04% compared with that of CK. The treatment of 25% could facilitate N and K transport from stem and leaf to grain， thereby lifting N and K transport amount， transport rate and contribution rate， which was beneficial to N and K accumulations in leaf， stem sheath and panicle at maturity stage. In terms of yieldand its components， puffed straw returning increased grains per panicle， seed setting rate of rice， thus boosting rice yield. Rice yield in the treatment of 25% was significantly higher than those in CK and other straw returning treatments in 2020 and 2021， rice yield in the treatment of 25% were 5.54% and 8.93% higher than that in CK， respectively. 【Conclusion】The treatment of 25% puffed straw returning amount facilitates N， P and K accumulation of rice in cold region， N and P transport from vegetative organs of the plant to grains， and the rice yield in the treatment is high. Therefore， it could be probably applied in rice production in cold region.

Key words： rice； puffed straw； returning amount； nutrient； yield

Foundation items： Heilongjiang Natural Science Foundation （C2018048）； Central Governments Talent Cultivation Project of Reform and Development Fund for Local Colleges and Universities （2022010006）； Doctor Start-up Foundation of Heilongjiang Bayi Agricultural University （2031011046）；Daqing Science and Technology Project for Guidance （zd-2020-42）

0 引言

【研究意義】隨著水稻種植面積逐年增加，秸稈數量也相伴增長，秸稈作為農作物的主要副產品，含有大量有機質和氮、磷、鉀等元素（崔月峰等，2019；成臣等，2020；尤錦偉等，2020）。秸稈還田是秸稈利用的重要途徑之一，可改善土壤理化性狀，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（張剛等，2021；郭策等，2022）。但東北地區秋冬季氣候寒冷，地溫冷涼，秸稈還田難以腐解，導致水稻移栽時易發生漂秧及病蟲害侵染等問題，影響水稻正常生長（隋陽輝等，2018），生產中亟待探索秸稈易于腐解的還田方式，以提高水稻秸稈資源的利用效率。汽爆膨化技術利用高溫高壓蒸汽，通過瞬間釋放壓力破壞秸稈原有組分，使秸稈結構發生改變（李彬等，2009；任天寶等，2012），具有省時增效、減少化學試劑使用、改善秸稈生物質特性、提高腐解速率和減少病蟲草害等特點，是極具發展前景的秸稈預處理技術（康鵬等，2010）。因此，研究膨化秸稈還田對寒地水稻養分的積累、運轉、分配及產量的影響，篩選出膨化秸稈適宜的還田量，對進一步探索秸稈資源的高效利用具有重要意義。【前人研究進展】不同秸稈還田方式對水稻生長發育的影響存在差異，生產上秸稈還田多與耕作方式相結合，以達到更好的還田效果（孔麗麗等，2021；周正萍等，2021）。秸稈還田可增加土壤養分含量和土壤微生物總量，深松耕可改善土壤結構，促進作物根系生長、維持根系活力，實現培肥、增產和增收等多重效益（張鶴等，2020；劉劍釗等，2021；崔月貞等，2022）。汽爆膨化處理可裂解秸稈細胞壁的纖維化和木質化結構，利于微生物附著和消化酶作用（Chen et al.，2007）。王月寧等（2019）研究了秸稈粉碎還田對寧夏揚黃灌區土壤理化性質及玉米生長的影響，結果表明，秸稈粉碎還田顯著促進玉米生長，其平均株高、莖粗和地上部生物量，分別較對照顯著增加16.4%、17.5%和15.9%；玉米籽粒產量最高，較對照顯著增加21.3%。范庭等（2020）研究表明，與剪碎秸稈處理相比，秸稈顆粒能顯著提高土壤速效養分及小麥生物量和植株全量氮、磷、鉀含量。秦濤（2021）研究了辣椒秸稈還田對西瓜根際土壤微環境及西瓜品質的影響，結果表明，6500 kg/ha辣椒秸稈還田可顯著改善0～20 cm耕層土壤養分，提高土壤微生物數量和土壤酶活性，提高西瓜單瓜質量，改善西瓜品質風味。王娟娟等（2021）研究表明，秸稈還田并增加氮肥基施比例可增加水稻產量，并對改善水稻生長后期土壤細菌群落結構產生積極作用。【本研究切入點】提高寒地稻區秸稈腐解和利用率是東北地區水稻研究的熱點話題，關于秸稈的還田方式、還田量等前人已進行大量研究（Mosier et al.，2005；Guo et al.，2013），但針對膨化秸稈還田在水稻生產中的相關研究較少，尤其針對水稻膨化秸稈與不同還田量相結合還田的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以秸稈不還田處理為對照，設4個膨化秸稈還田量處理，分析膨化秸稈還田對寒地水稻養分積累、運轉、分配的影響及其與產量的關系，篩選膨化秸稈適宜的還田量，為探索水稻栽培過程中秸稈資源的多形態利用提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況

試驗于2020—2021年在大慶市黑龍江八一農墾大學校內盆栽試驗基地（東經125°16'、北緯46°58'）進行。試驗地屬溫帶季風氣候，海拔143 m，年日照時數2726 h，平均無霜期166 d，年平均氣溫4.2 ℃，夏季平均氣溫23.2 ℃，年平均降水量427.5 mm。2020—2021年試驗期間的氣溫和降水量情況見圖1。

1. 2 試驗材料

供試水稻品種為墾粳8號，主莖13片葉，株高94.3 cm左右，全生育期142 d，需≥10 ℃活動積溫2650 ℃左右。

膨化秸稈來源于黑龍江稻樂農業科技有限公司。制備流程：將水稻秸稈鍘成1～3 cm小段→裝入膨化加料箱→螺旋輸送至膨化器→摩擦生熱→水汽化→膨化器內壓力增大至1.0 MPa→瞬間釋放噴出。

供試土壤肥力狀況：2020年移栽前堿解氮134.80 mg/kg、有效磷20.81 mg/kg、速效鉀72.05 mg/kg、有機質2.90%、pH 6.69；2021年移栽前堿解氮137.76 mg/kg、有效磷13.69 mg/kg、速效鉀92.05 mg/kg、有機質2.79%、pH 6.90。

1. 3 試驗方法

試驗采取單因素隨機設計，以秸稈不還田（秸稈用量為0）為對照（CK），設25%、50%、75%和100%共4個膨化秸稈還田量處理。以當地常規秸稈還田量7500 kg/ha為100%全還田量，折算25%、50%、75%處理秸稈用量分別為1875、3750和5625 kg/ha。采用盆栽試驗，每處理5盆，每盆裝土84 kg。盆缽規格：長80 cm×寬60 cm×高28 cm，面積0.48 m2。膨化秸稈模擬大田進行翻埋還田，用5 cm厚的盆栽土覆蓋秸稈后，泡田、打漿、插秧，還田深度28 cm。2020年4月18日水稻播種，5月24日移栽，9月27日收獲；2021年4月18日水稻播種，5月20日移栽，9月20日收獲。每盆移栽2行，每行8穴，插秧規格為行距30 cm×穴距10 cm。氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為重過磷酸鈣（P2O5 43%）、鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。氮肥施用總量為120 kg/ha，氮肥基追比例為基肥∶分蘗肥∶促花肥∶保花肥=4∶3∶1∶2，N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1。基肥施入尿素4.97 g/盆、重過磷酸鈣6.7 g/盆、硫酸鉀3.46 g/盆；分蘗肥（4葉伸長期）施入尿素3.72 g/盆；促花肥（倒4葉）施入尿素1.24 g/盆；保花肥（倒2葉后半葉）施入尿素2.48 g/盆、硫酸鉀2.3 g/盆；肥料用量依據每盆面積折合計算。田間生產和栽培管理同一般大田。

1. 4 測定項目及方法

1. 4. 1 植株氮、磷、鉀含量測定 于水稻分蘗期、齊穗期和成熟期，以平均莖數法取稻株樣品。其中，分蘗期稻株按葉片和莖鞘分樣和裝袋，齊穗期和成熟期稻株按葉片、莖鞘和穗分樣、裝袋。樣品采集后立即于105 ℃殺青0.5 h，然后于80 ℃烘干至恒重，稱量樣品干物質質量。隨后將植株樣品磨粉，待測氮、磷、鉀含量。

采用半微量凱氏定氮法測定植株各器官氮含量，釩鉬黃比色法測定磷含量，火焰光度法測定鉀含量（黃明等，2019；呂騰飛等，2021）。養分積累、轉運及分配等的計算公式參照呂艷東等（2019）：養分積累量（g/穴）=地上部各器官干物質質量×地上部各器官養分含量；養分總積累量為成熟期植株地上部各器官養分積累量的總和；養分轉運量（g/穴）=抽穗期某器官養分積累量-成熟期該器官養分積累量；養分轉運率（%）=葉片（莖鞘）養分轉運量/抽穗期葉片（莖鞘）養分積累量×100；養分表觀轉運貢獻率（%）=葉片（莖鞘）養分轉運量/成熟期穗部養分積累量×100；各器官氮素分配比例（%）=各器官氮素積累量/植株地上部氮素積累量×100。

1. 4. 2 產量及其構成因素測定 成熟期各處理按平均穗數取有代表性植株6穴（即6次重復），懸掛在陰涼通風處風干后，分為莖鞘和穗，稱量穗質量和莖鞘質量。穗部用于考種，考察項目包括穗數、穗粒數、結實率、千粒重和產量。

1. 5 統計分析

利用Excel 2010處理數據并作圖，以SPSS 17.0進行Duncan差異顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2. 1 不同膨化秸稈還田量對水稻地上部養分積累的影響

由表1可知，水稻分蘗期，與CK相比，各秸稈還田處理水稻地上部氮、磷、鉀積累量均顯著降低（P<0.05，下同），且還田量越高，地上部氮、磷、鉀積累量整體相對越小。水稻齊穗期，2020年以25%處理地上部氮、磷、鉀積累量最高，較CK分別顯著提高10.93%、9.74%和18.74%；2021年4個秸稈還田處理的氮、磷、鉀積累量均低于CK，但仍以25%處理的地上部氮、磷、鉀積累量較高。水稻成熟期，2020年4個秸稈還田處理對水稻氮、磷、鉀積累量的影響存在差異，25%處理地上部氮積累量最高，較CK增加1.10%，而75%處理相對有利于于磷、鉀的積累；2021年則均以25%處理的氮、磷、鉀積累量最高，較CK提高10.53%、1.30%和3.04%，但與CK相比差異未達顯著水平（P>0.05，下同）。

2. 2 不同膨化秸稈還田量對水稻莖葉養分運轉的影響

由表2可知，兩年試驗中，水稻葉片和莖鞘中氮、鉀的轉運量、轉運率、貢獻率及磷的轉運率均表現為葉片>莖鞘。25%處理有利于葉片和莖鞘氮的的轉運，2020年其葉片和莖鞘氮的轉運量、轉運率和貢獻率均最高，較CK分別增加18.34%、3.52%、31.65%和10.70%、6.94%、9.56%，除莖鞘轉運率外均與對照差異達顯著水平，且不同秸稈還田量表現為25%處理>50%處理>75%處理>100%處理；2021年25%處理的莖鞘氮運轉各指標均高于CK及其他秸稈還田處理，而葉片的氮運轉各指標雖低于CK但仍高于其他秸稈還田處理。50%和75%處理有利于提高葉片和莖鞘中磷的轉運量、轉運率和貢獻率，2020年50%處理葉片和莖鞘中磷的轉運量、轉運率和貢獻率最高，顯著高于CK及其他秸稈還田處理，75%處理次之；2021年75%處理葉片和莖鞘中磷的轉運量、轉運率和貢獻率最高，50%處理次之。25%處理對水稻葉片和莖鞘中鉀的轉運量、轉運率和貢獻率具有較好的促進效果，2020年25%處理莖鞘鉀的轉運量、轉運率和貢獻率較CK顯著增加9.56%、74.55%、54.97%，不同秸稈還田量表現為25%處理>50%處理>75%處理>100%處理，25%處理葉片中鉀的轉運量、轉運率和貢獻率僅次于50%處理，顯著高于CK；2021年25%處理葉片和莖鞘中鉀的轉運量、轉運率和貢獻率顯著高于CK及其他秸稈還田處理。

2. 3 不同膨化秸稈還田量對水稻成熟期各器官養分分配的影響

由表3可知，不同處理下成熟期水稻莖鞘、葉片和穗的氮積累量均以25%處理最高或較高，2020年葉片、穗中氮積累量較CK分別增加11.60%和1.10%，2021年分別增加14.00%和8.90%；2020年葉片氮分配比例隨秸稈還田量的增加呈減少趨勢，而穗的氮分配比例以100%處理最高，較CK顯著增加4.98%；2021年以100%處理葉片氮分配比例最高，較CK增加14.24%，50%處理穗的氮積累量和比例均最高。25%處理有利于葉片、莖鞘的磷積累和分配，75%處理有利于穗的磷積累和分配。成熟期葉片和穗的鉀積累量均以25%處理表現最佳，2020年25%處理葉片和穗的鉀積累量較CK分別增加19.74%和3.93%，2021年25%處理有利于莖鞘、葉、穗中鉀的積累，分別較CK增加3.97%、1.84%和4.94%。

2. 4 不同膨化秸稈還田量對水稻產量及其構成因素的影響

由表4可知，兩年試驗中，除2021年的75%處理外，各秸稈還田處理的產量均高于CK，且均以25%處理產量最高，分別較CK增加5.54%和8.93%。不同處理對產量構成因素的影響存在差異，25%處理有利于水稻穗數的增加；75%處理穗粒數優于CK和其他秸稈還田處理，且2021年與CK差異顯著；結實率以50%處理最佳，表現為50%處理>25%處理>100%處理>75%處理；千粒質量2020年以100%處理最高，顯著高于其他秸稈還田處理，2021年25%處理表現最佳，但各處理間差異未達顯著水平。

3 討論

3. 1 膨化秸稈還田對水稻氮素積累、轉運和分配的影響

氮是植物生長發育所需的大量營養元素之一，參與植物許多重要的生理代謝活動，也是作物增產的限制因子，在植物生長過程中發揮重要作用（張敬禹等，2021）。前人研究表明，秸稈還田使水稻生育前期的氮素積累量呈降低趨勢，秸稈養分釋放較慢，秸稈的高C/N導致土壤微生物在作物生育前期與植株爭奪氮素（王婉秋等，2017）；秸稈還田促進水稻干物質積累，提高水稻氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和氮素吸收利用率，進而增加水稻產量（張巳奇等，2020）。本研究結果表明，水稻生育前期，膨化秸稈還田處理不利于植株氮素積累，在生育后期，成熟期氮素穗部積累量均以25%處理最高或較高，其他非籽粒部分的氮素分配比例表現為莖鞘>葉片。可能是因為秸稈還田前期土壤中膨化秸稈腐解較慢，甚至產生毒害抑制作用，不利于植株氮素的轉化積累；而后期秸稈充分腐解，土壤微生物活性和數量增加，提高了土壤的供氮能力，增加了作物對氮素的吸收和積累。此外，膨化秸稈還田可提高水稻植株氮素積累，促使營養器官積累的氮素大量向穗部轉移，極大促進籽粒氮素積累，與郭萍等（2021）研究得出與植株中氮素的轉運主要以葉片為主，莖和葉積累的氮素不斷向生殖器官轉移，提高生殖器官的氮素的積累，利于后期產量增加的研究結果一致。75%和100%處理膨化秸稈還田量更多，但氮素積累呈降低趨勢，甚至不及對照的成熟期氮素積累量，可能是在75%和100%處理下，土壤微生物數量急劇增加，導致更多的養分消耗，從而與水稻爭奪氮素。因此，適量的膨化秸稈還田才可快速供給土壤氮素含量，提高植株氮素積累，促進蛋白質轉化為糖類物質，為水稻生長提供充足養分，促使營養器官積累的氮素大量向穗部轉移，有利于水稻產量提高。

3. 2 膨化秸稈還田對水稻磷素積累、轉運和分配的影響

前人研究發現，秸稈還田有利于提高土壤磷素有效性和水稻磷素利用率，降低磷肥用量，促進植株對磷素的吸收（王秀娟等，2018；蔣炳伸等，2020）。本研究結果表明，磷積累與氮積累相似，均表現為成熟期>齊穗期>分蘗期。膨化秸稈還田25%處理有利于水稻成熟期葉片、莖鞘磷的積累和分配，且均高于對照及其他秸稈還田處理，這可能是促進25%處理穗數形成的原因之一。75%處理有利于水稻成熟期穗部磷的積累和分配，表明施用75%的膨化秸稈可促進水稻對磷的吸收和積累，可能對水稻穗粒數的形成有促進作用。50%和75%處理分別提高了葉片和莖鞘中磷的轉運量、轉運率和貢獻率，促進了水稻結實率和穗粒數的增加。膨化秸稈還田處理的植株各器官磷的分配比例趨勢為穗部>莖稈>葉片，也說明適量進行膨化秸稈還田可提高籽粒和單株磷的積累總量，能不斷促進營養器官的干物質量和磷的積累量向穗部轉移，進而不同程度地促進產量和產量構成因素的提高。

3. 3 膨化秸稈還田對水稻鉀素積累、轉運和分配的影響

稻稈還田能提高作物全生育期鉀的積累量和吸收效率，但鉀素生理利用效率因器官的不同而存在差異（李銀水等，2021）。本研究表明，鉀積累量全生育期中整體變化趨勢與氮、磷略有不同，鉀積累量在齊穗期達最高峰后開始降低，可能與齊穗期后水稻植株內可溶性磷的徑流磷流失有關（陳永高和張瑞斌，2016）。膨化秸稈25%和50%處理下鉀在水稻葉片和莖鞘的轉運量、轉運率和貢獻率最高或較高，其中，25%處理對后期籽粒貢獻率最大，從成熟期鉀在各器官的分配及積累量來看，葉片和穗的鉀積累量及分配比例均以25%處理表現最佳。可能是因為膨化秸稈還田后稻稈經腐解礦化向土壤釋放營養元素，為土壤提供有機肥源和鉀肥來源，有效緩解了鉀素供應不足，進而提高作物的養分吸收利用效率（周勁松等，2016；王飛等，2021）。

3. 4 膨化秸稈還田對水稻產量的影響

前人研究顯示，秸稈還田后水稻每穗粒數明顯增多，結實率提高，千粒質量有所增長，最終提高了籽粒產量（李錄久等，2016）。較秸稈不還田相比，秸稈還田有利于后期籽粒灌漿結實，促進穗粒數增加，結實率、千粒質量提高，增加經濟效益（汪軍等，2011）。本研究結果表明，膨化秸稈還田有利于穗粒數和結實率的增加，產量與對照相比有所升高，但僅有25%處理達顯著水平。其原因可能是寒地稻區稻田地溫低，秸稈腐解速度慢，營養并未完全釋放，與其他還田量相比，25%的膨化秸稈施入量可能會使土壤容重降低，總孔隙度增加，改善土壤微生物生存環境，進而促進土壤速效養分的釋放。

3. 5 氣溫差異對年際間數據的影響

本研究中，膨化秸稈還田不同處理在成熟期的氮、磷、鉀養分積累量存在年份差異，2020年成熟期鉀的積累隨秸稈還田量增加而增加，2021年卻表現為降低趨勢；75%處理在2020年成熟期磷積累量最高，但在2021年同期卻相對降低很多，其原因可能是由于2020和2021年的氣溫年際差異導致膨化秸稈中養分釋放的磷素量不同導致的。此外，2021年較2020年的穗粒數和產量也出現了明顯降低，可能是由于2021年7月中下旬（水稻減數分裂期）降水較多，氣溫較低，進而影響了穗粒數和產量。

4 結論

不同膨化秸稈還田量對水稻養分積累、運轉、分配及產量的影響存在差異，25%秸稈還田量處理提高了植株各器官中的養分含量，促進營養器官中養分向籽粒轉運，提高了養分轉運貢獻率，且水稻產量較高，可嘗試在寒地水稻生產中推廣應用。

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（責任編輯 王 暉）