水稻秸稈秋季水耙漿還田對土壤及水稻性狀的影響

赫兵 李超 嚴永峰 劉月月 赫靖淇 于天華 王帥 陳殿元* 嚴光彬

（1 吉林農業科技學院農學院，吉林吉林132101；2 吉林省農業科學院水稻研究所，長春130499；3 通化市農業科學院水稻研究所，吉林梅河口134001；第一作者：hebing02358531@126.com；*通訊作者：yanguangbin119@126.com）

根據2020年中國統計年鑒數據，我國水稻秸稈產量為1.7 億t，其中吉林省為525.8 萬t，秸稈資源十分豐富。對于水稻秸稈處理，美、英、德、日等發達國家主要為肥料化、飼料化和工業原料化這3 種方式[1]。且已經達到了一種處理供求平衡、利用效率高的良好狀態。我國對水稻秸稈的處理主要集中在工業原料化利用方面[2-4]，但隨著其他新型材料的出現，水稻秸稈目前已不再作為生產原料被大量使用。我國秸稈直接還田總體水平較低，僅為17.6%。

目前東北黑土退化問題日益嚴重。黑土地開墾200 余年，墾前有機質含量5.0%以上，現僅為2.0%左右。長期定位試驗表明，連年耕作后單施化肥區有機碳下降10.4%，活性有機碳下降8.9%。據調查，吉林省稻田因為有機質投入不足，有機質含量已經從20 世紀80年代初的3.0%～3.5%下降至目前的1.5%～2.0%，近40年間下降近一半。隨之而來的是土壤肥料吸附能力嚴重下降，化肥施用量增加1.0 倍以上[5]。這不僅嚴重降低了肥料利用率，引發污染，同時提高了生產投入，也影響了稻米品質，阻礙我國水稻產業的可持續發展。而數據顯示，每年每hm2需要投入約1.82 t 炭才可維持吉林省黑土有機碳庫平衡。國家農業農村部等6 個部委聯合印發《東北黑土地保護規劃綱要》中明確提出要“因地制宜開展秸稈粉碎深翻還田、秸稈覆蓋免耕還田等”。但目前吉林省秸稈資源總利用率不足10.0%，廢棄或焚燒的比例較大。限制東北秸稈資源高利用的因素主要是傳統的堆腐還田成本高；春季秸稈直接翻耙還田溫度低、秸稈腐解期短，同時產生大量甲烷等氣體，影響水稻分蘗，致使農業生產不能正常進行或在栽培管理不當時，容易造成減產；而在秋季單純進行翻耕還田，因為土壤仍處于氧化態，不利于秸稈腐爛，并排放大量甲烷等有害氣體，同時混雜在秸稈中的雜草種子等在次年開春后萌發容易造成草害。解決這一難題，要結合吉林省氣候環境特點，最大限度延長水稻秸稈腐解期[6]。日本學者針對水稻秸稈春季和秋季還田進行了比較試驗，結果表明，秋季秸稈還田在很大程度上減少了秸稈腐解對水稻分蘗期發生的還原性損傷，可以在一定程度上減少甲烷氣體的產生[7-8]。其原因就是讓水田土壤在秋收后立即達到還原態，可以盡早的開始釋放甲烷等有害氣體。相比秋季翻耕還田，秋季稻草水耙漿還田可以更早使土壤達到還原態，避免吉林省因無霜期短、還田后腐解程度低影響水稻正常種植生長和產生大量甲烷等有害氣體，同時也避免了在春季農業用工高峰時進行還田作業，有效降低了處理成本。并且稻草秋耙還田還可以增加水稻產量，培肥地力，在一定程度上抑制病蟲草害的發生，保證水稻產業可持續發展。

但目前關于水稻秸稈還田的相關研究主要集中在春季還田或者秋季翻耕還田，關于稻草秋季水耙漿還田的研究及相關文獻少[9-12]。因此，本試驗對比分析了水稻秸稈秋季水耙漿還田和春季翻耕還田處理的效果，為吉林省開展稻秸稈秋季水耙漿還田提供技術支撐和數據基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗于2019—2020年在吉林省永吉縣一拉溪鎮“九月豐”家庭農場進行。試驗所選田塊為周邊無遮擋且獨立排灌的3 個相鄰田塊，每個田塊面積約為1 000 m2，土壤為常年種植水稻的稻田土。秸稈還田方式設置3個處理：CK，秸稈不還田；T1，秸稈在次年春季翻耕還田的春季還田；T2，秸稈在當年秋季收獲后進行水耙漿還田。秸稈還田量均為11 000 kg/hm2。水稻插秧規格為30.0 cm×23.3 cm（16.7 叢/m2），每叢3～4 株，插秧日期為5 月19 日，供試品種為吉宏9 和吉農大853，種植面積均500 m2。

春季秸稈還田方式：將粉碎后長度為5.0～8.0 cm水稻秸稈均勻撒于田間，在收獲次年春季土壤完全化凍后，翻耕混埋至土壤中，翻耕深度15.0～20.0 cm。秋季秸稈還田方式：當年水稻收獲后灌水泡田3 d，當5.0 cm以上土層變軟后，將粉碎后長度為5.0～8.0 cm 水稻秸稈均勻撒于田間，在耕層凍結前翻耕混埋至土壤中，翻耕深度15.0～20.0 cm。

施肥方式：每hm2施用50 kg 氮肥（純N 用量）、45 kg 磷肥（P2O5用量）和25 kg 鉀肥（K2O 用量）作為基肥；移栽后7 d 每hm2追施55 kg 氮肥（純N 用量）；穗分化始期每hm2追施40 kg 氮肥（純N 用量）、25 kg 鉀肥（K2O 用量）。其余大田管理均與當地常規管理方式相同。

1.2 調查項目及方法

1.2.1 CH4濃度

于2019年采用八木等[13-14]的靜態氣體箱法取樣，將規格為40.0 cm×30.0 cm×1.0 m 的氣體箱預置水田中，每個氣體箱內插入2 叢水稻。取樣時，打開氣體箱風扇，將箱內氣體混勻后分別于0 min、15 min 和30 min時取樣，將所取樣品100 mL 轉移到遮光黑色密封袋中帶回實驗室，采用氣象色譜儀分析樣品中CH4濃度。

1.2.2 土壤ORP（氧化還原電位）

于2019年將土壤ORP 計（TR-901）電極插入土壤5.0 cm 左右測定，每個處理區選5 點。

1.2.3 土壤性質

分別于2019—2020年秋季在各處理區挖取0～10.0 cm 土壤，除去土壤中殘留的秸稈、根系等雜物后帶回實驗室，測定土壤性質，每個處理區選取5 點測定。

1.2.4 秸稈失重率和斷裂拉力

分別于2018年秋季還田和2019年春季還田后用尼龍網袋裝取粉碎后長度為5.0～8.0 cm 水稻秸稈1.0 kg 烘干稱重，分別埋入各處理區20.0 cm 深，每個處理區分別埋入5 袋。在2019年4 月至9 月底取出烘干稱重，計算秸稈失重率[秸稈失重率=（埋入前質量-埋入后質量）/埋入前質量]。并利用莖稈強度測定儀（YYD-1A）測定秸稈被拉斷時的拉力。

1.2.5 雜草發生情況

于2020年分別在無還田區和秋季還田區內隨機選取5 點，采用波形板將調查點單獨隔離，確保使用除草劑時對調查點位無影響。在水稻插秧后40 d 內每隔10 d 調查1 次調查點位1.0 m2內的禾本科雜草發生情況。

1.2.6 水稻生育期性狀及產量構成要素

分別在6 月至9 月調查不同處理區水稻株高、葉色和分蘗數，9 月底測定產量構成要素。

1.3 數據分析

試驗所得數據采用Excel 2019 軟件進行整理，采用JMP 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理稻田CH4 排放動態

由表1 可見，CK 在8 月達到CH4排放高峰，T1 和T2 處理的CH4排放量均在6 月達到高峰。其中T1 處理6 月CH4排放量占排放總量的比例為46.01%，T2 處理為44.78%。由表1 可見，CH4排放總量CK 為54.77 mg/m2，T1 處理為181.33 mg/m2，而T2 處理為86.74 mg/m2，T2處理相比T1 處理CH4排放總量減少52.2%。

表1 不同月份不同處理CH4 排放情況

2.2 不同處理稻田土壤ORP 動態

如圖1 所示，不同處理不同月份土壤ORP 在整個生育期之內都呈現負值，且均在5 月稻田灌水后開始下降。其中，T1 處理和T2 處理土壤ORP 均在7 月上旬達到最低峰值，T1 處理為-304 mv、T2 處理為-277 mv，都呈現了強還原狀態。而CK 則在8 月中旬達到最低峰值，為-223 mv。相比秸稈還田處理，秸稈不還田處理ORP 峰值發生的月份和強度上都要延后和降低。

圖1 不同月份土壤ORP 變化情況

2.3 不同處理秸稈失重率和斷裂拉力

由圖2 可見，相比于春季還田處理，秋季還田處理的秸稈失重率在整個生育期內都要更高。相比于初始質量，秋季還田區在調查開始的4 月末，秸稈質量已經減少4.78%。最終秋季還田區秸稈失重率為33.28%，春季還田區秸稈失重率為26.18%。與秸稈失重率變化情況相似，4 月末秋季還田區的秸稈斷裂拉力為春季還田區的76.80%，且秋季還田區的秸稈斷裂拉力在整個生育期內比春季還田區要小；最終秸稈斷裂拉力，秋季還田區為68.40 N，春季還田區為81.6 N，秋季還田區為春季還田區的83.80%（圖3）。

圖2 水稻秸稈失重率變化情況

圖3 水稻秸稈斷裂拉力變化情況

2.4 不同處理的土壤性質

由表2 可見，相比CK，秸稈還田區的有效磷和有機質提升，堿解氮、速效鉀和土壤pH 值下降。秋季還田區，相比于2019年，2020年的有效磷、速效鉀、有機質和交換性鈣含量都有顯著提升。交換性鎂含量處理間和年份間差異均不顯著。

表2 不同處理土壤性質變化

2.5 不同處理的禾本科雜草情況

由圖4 可見，不同處理禾本科雜草株數在插秧后10 d 開始增加，在插秧后20～30 d 達到高峰，在插秧后30～40 d 開始減少。CK 和T2 處理插秧后40 d 禾本科雜草株數分別為93 株/m2和53 株/m2。

圖4 同處理禾本科雜草株數的變化

2.6 不同處理的水稻生育特征

如圖5 所示，水稻株高在整個生育期表現為T2 處理＞T1 處理＞CK；秸稈還田處理的水稻葉色比秸稈不還田區要高，而且在生育后期的下降程度較低，最終葉色最高的是T2 處理的30.2，其次是T1 處理的29.3，最低的是CK 的25.9；不同處理區的水稻分蘗數均在7 月上旬達到高峰，但T2 處理在高峰之后分蘗數下降較緩，最終分蘗數為24.6 個，而T1 處理的水稻分蘗數在達到高峰后先小幅下降，之后在8 月上旬又小幅回升，最終分蘗數為23.7 個，CK 的分蘗數在生育后期下降明顯，最終分蘗數為21.3 個。

圖5 不同處理水稻生育期特征的變化

2.7 不同處理水稻產量和產量構成要素

如表3 所示，相比于CK，秸稈還田處理有效穗數都有明顯的提升，T1 處理的有效穗數要更高。但相比T1 處理，T2 處理的每穗粒數要更多。而結實率和千粒重，不同處理間相差不大。不同處理理論產量由高到低依次為：T2 處理、T1 處理和CK。不同處理對于不同供試品種的影響不相同。

表3 不同處理水稻產量及產量構成要素

3 結論與討論

本試驗結果表明，T2 處理CH4排放高峰要比CK提前2 個月左右，CH4發生量相比T1 處理在整個生育期內要更加平均，且從5 月開始已經有超過占排放總量10.80%的CH4排出；CH4排放總量從高到低的分別是T1 處理、T2 處理和CK。T2 處理CH4排放總量約為T1 處理的1/2（表1）。T1 處理和T2 處理土壤ORP 均在7 月上旬達到高峰，相比T1 處理，T2 處理在整個生育期內的ORP 數值變化都相對較高，即呈現出較弱的還原態（圖1）。圖6 表示不同處理CH4排放量與ORP的相關關系。由圖6 可見，不同處理CH4排放量與ORP 之間均呈負相關關系，即稻田還原態的程度越大，CH4的排放量越高。

圖6 不同處理CH4 排放量與ORP 的相關關系

分別以CH4排放量作為響應，以ORP 值作為變量進行了標準最小二乘法的模型擬合，得到CH4排放量與ORP 值的關系式。CK：CH4排放量=-2.5338－0.04730×ORP；T1 處理：CH4排放量=-3.4040－0.07564×ORP；T2 處理：CH4排放量=-0.2362－0.04315×ORP。從這些關系式計算可得，當CH4排放量等于0 的時候，CK 的ORP 為-53.57 mv，T1 處理的ORP 為-45.00 mv，T2 處理的ORP 為-5.47 mv，即可以被看作是CH4排放的臨界ORP 值。由此可見，相比于T1 處理和CK，T2處理在秸稈還田之后立即進行水耙漿，稻田ORP 值即可下降到負值，開始排放CH4。而CH4排放總量，即還田的有機物總量一定的情況下，越早排放CH4，即可減少CH4排放高峰值，減少對水稻植株極端的還原性損傷。

T2 處理秸稈失重率相比于T1 處理要更高，且T2處理的秸稈更早開始損失質量，即更早開始腐解（圖2）。同時T2 處理的秸稈斷裂拉力相比T1 處理要更小，證明在秋耙還田之后，稻草在到翌年春季插秧前這段時間內進行了有效腐解。但是后期，特別是6 月份之后T1 處理的斷裂拉力下降程度加大，預計在腐解時間延長的情況下，二者斷裂拉力可能會趨近相同（圖3）。

國內外相關研究已經證明，可以通過水稻秸稈腐熟還田技術來提升土壤有機質含量，達到土壤增碳培肥的效果，同時優化土壤生物及物理特性，減少化肥投入。連續多年秸稈還田試驗還表明，隨著秸稈還田實施年限的增加，其對作物增產和耕地質量的提升效果越發顯著[15-17]。本試驗結果也表明，相比秸稈不還田，各秸稈還田處理區的有效磷和有機質含量都有明顯提高。而連續2年還田效果更加明顯，秋季還田區2020年土壤中有機質含量相比于2019年無還田前增加6.1 g/kg，且效果好于春季還田區。但秸稈還田處理區的堿解氮相比秸稈不還田區有所下降，且秋季還田區相比春季還田區下降程度要大，推測為稻草腐熟會消耗土壤中氮素所致（表2）。

相比于秸稈不還田區，秋季還田區的禾本科雜草株數在插秧后增加幅度低，且出草高峰期雜草株數少，在插秧后40 d 的最終雜草株數相比不還田區明顯減少（圖4）。水稻株高、葉色和分蘗數由高到低均是秸稈秋季水耙漿還田區、秸稈春季還田區和秸稈不還田區，秸稈還田處理區的水稻葉色和分蘗數相比秸稈不還田區均有很大提升（圖5）。秸稈還田處理的水稻單位面積有效穗數和每穗粒數要明顯高于秸稈不還田區。春季還田處理有效穗數要比秋季水耙漿還田處理高，但每穗粒數要低。相比不還田處理，秸稈春季還田處理和秋季還田處理的水稻產量分別提高4.4%和4.9%。但不同品種在不同還田處理區中的表現有差異，秸稈還田對吉宏9 這樣大穗、分蘗能力較強的品種增產效果良好，而對于吉農大853 這樣分蘗能力較弱的品種影響較小。吉農大853 在秸稈秋季還田條件下相比秸稈不還田處理還表現為減產（表3）。