劉冬碧+夏賢格+范先鵬+楊利+張富林+夏穎+熊桂云+吳茂前

摘要：利用10年定位試驗(yàn)研究長期秸稈還田對湖北省江漢平原水稻-小麥輪作制作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響。結(jié)果表明，在配施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上，10年20季作物連續(xù)秸稈還田，水稻和小麥的子粒年均增產(chǎn)量分別為584和264 kg/hm?，增產(chǎn)幅度分別為7.37%和8.15%；秸稈年均增產(chǎn)量分別為398和611 kg/hm?，增產(chǎn)幅度分別為6.50%和15.44%。秸稈還田在一定程度上提高作物子粒中氮的含量和秸稈中鉀的含量。秸稈還田顯著提高作物氮、鉀吸收量，但對磷吸收量影響不顯著，其中水稻年均氮、磷、鉀吸收量分別提高9.59%、3.95%和9.94%，小麥分別提高12.70%、7.39%和29.90%。秸稈還田對提高作物產(chǎn)量和促進(jìn)養(yǎng)分吸收的效應(yīng)表現(xiàn)為小麥>水稻，鉀>氮>磷。作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的年度變異大于小區(qū)變異，其中小麥的變異大于水稻。在不施肥條件下，水稻比小麥更能維持較高的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；作物產(chǎn)量；養(yǎng)分含量；養(yǎng)分吸收量；水稻-小麥輪作制

中圖分類號：S142.+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4731-06

秸稈還田作為秸稈利用的一種主要方式，是“肥料-土壤-作物”系統(tǒng)中移出農(nóng)田的養(yǎng)分再次回到農(nóng)田的重要途徑。秸稈還田不僅被作為替代化學(xué)鉀肥、減少對進(jìn)口鉀肥依賴的有效手段[1-4]，而且是實(shí)現(xiàn)化肥“零增長”的主要措施之一[5]。大量研究結(jié)果證實(shí)，秸稈還田在提高作物產(chǎn)量[1，2，6-11]、促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收[11-14]、改善土壤理化性狀尤其是維持土壤鉀平衡[1，3，6-10，15，16]等方面均有良好的效果。但全國不同生態(tài)類型區(qū)土壤和氣象條件各異，種植模式和生產(chǎn)條件千差萬別，總體上看，不同種植模式和生產(chǎn)條件下秸稈還田對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收方面的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)仍然有限。

湖北是農(nóng)業(yè)大省，作物秸稈資源豐富，但秸稈還田技術(shù)及效果方面的研究報道并不多。戴志剛等[7，16]研究了鄂東“稻稻油”輪作體系下秸稈翻耕和免耕還田對作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響，李繼福等[2]、劉秋霞等[4]分別報道了湖北省不同供鉀能力稻田、不同稻作區(qū)秸稈還田替代鉀肥的效果，李繼福等[17]還利用3年6季定位試驗(yàn)研究了江漢平原區(qū)水稻-油菜輪作模式下秸稈還田替代鉀肥的效應(yīng)，張維樂等[11]則報道了湖北省水稻-油菜（或小麥）輪作體系秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響，但上述研究均是多個試驗(yàn)點(diǎn)1年、1個輪作周期或短期定位試驗(yàn)結(jié)果，且研究內(nèi)容各有側(cè)重，相關(guān)的長期定位試驗(yàn)研究未見報道。本研究報道湖北省江漢平原區(qū)水稻-小麥輪作體系下連續(xù)10年20季秸稈還田對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響，以期與其他學(xué)者之間的研究結(jié)果相互印證和補(bǔ)充，為完善湖北及類似地區(qū)水稻-小麥輪作體系下的秸稈還田技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)地點(diǎn)為湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳洲村，位于江漢平原腹地。地形地貌為沖積平原，土壤類型為河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的潮土，土層深厚，質(zhì)地輕壤，種植制度為水稻-小麥。定位試驗(yàn)從2005年6月水稻季開始，持續(xù)至2015年5月小麥?zhǔn)斋@，共10年20季。設(shè)置4個處理，①CK，兩季作物不施肥、秸稈不還田；②M，兩季作物不施化學(xué)肥料，每季秸稈還田量為6 000 kg/hm?，其中水稻季還田麥稈，小麥季還田稻草，為保證小區(qū)間的一致性，還田的秸稈均來自附近的同一田塊；③NPK，兩季作物只施化學(xué)肥料，其中水稻為N 150、P2O5 90、K2O 90 kg/hm?、小麥為N 120、P2O5 75、K2O 60 kg/hm?；④NPK+M，化學(xué)肥料+秸稈還田。試驗(yàn)小區(qū)面積20 m?，4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間用田埂隔開，區(qū)組間有固定的排灌溝，溝寬40 cm，每個小區(qū)可獨(dú)立排灌。試驗(yàn)開始前采集基礎(chǔ)土樣（0～20 cm），用常規(guī)方法分析土壤屬性及養(yǎng)分含量[18]，結(jié)果見表1。

試驗(yàn)氮、磷、鉀肥分別用尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O5 12.1%）和氯化鉀（K2O 60%）。2011年及以前水稻和小麥均為氮肥60%作底肥、40%作分蘗肥；自2012年起水稻氮肥60%作底肥、20%作分蘗肥、20%作穗肥，小麥氮肥施用時期不變。磷、鉀肥全部作底肥施用。秸稈還田方法：水稻季將試驗(yàn)地附近田塊的小麥秸稈用粉碎機(jī)粉碎，澆水充分潤濕，按秸稈量5%的比例加酵素菌及適量紅糖、尿素、米糠，與秸稈混合均勻，蓋上彩條布堆腐約14 d，插秧前將秸稈均勻地撒在已整好的田面后栽秧；小麥季將試驗(yàn)地附近田塊的稻草切成6～10 cm小段，同上述方法操作，堆腐21～28 d，條播小麥后將秸稈均勻地撒在田面。還田秸稈前采集樣本，測定秸稈含水量，計算試驗(yàn)小區(qū)所需秸稈量，分析養(yǎng)分含量，計算還田秸稈帶入的養(yǎng)分量。

作物收獲記錄實(shí)產(chǎn)，收獲前采集代表性植株樣品，用常規(guī)方法[18]分析子粒和秸稈養(yǎng)分含量，計算作物養(yǎng)分吸收總量。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel 2007進(jìn)行處理和計算，采用DPS軟件的單因素LSD檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計分析。作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量分別用兩種方式進(jìn)行統(tǒng)計，①先計算每個小區(qū)10季水稻（或小麥）產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量之和，然后計算每個小區(qū)作物年均產(chǎn)量和年均養(yǎng)分吸收量，將不同處理的4次重復(fù)年均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，所得結(jié)果為“小區(qū)”產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量統(tǒng)計值，它消除了年際間的變異，反映了不同處理的重復(fù)之間變異，即空間變異；②先分別對每個年度、每個處理的作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量進(jìn)行平均值計算，再將10次重復(fù)（10季）的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，所得結(jié)果為“年度”產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量統(tǒng)計值，它消除了重復(fù)之間的變異，反映了不同處理年際間的變異，即時間變異。作物子粒和秸稈的養(yǎng)分含量，則先求出每年每處理4個重復(fù)的平均值，再以年份數(shù)（10）作為重復(fù)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析endprint

2.1 長期秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響

從2005年6月至2015年5月共收獲10季水稻和10季小麥，歷年水稻和小麥子粒產(chǎn)量見表2。結(jié)果表明，不施肥條件下實(shí)行秸稈還田，水稻僅2011年顯著增產(chǎn)，小麥在2010年之后開始有4季顯著增產(chǎn)；施氮、磷、鉀肥條件下實(shí)行秸稈還田，水稻在2008-2011年有3季顯著增產(chǎn)（2009年NPK+M與NPK差異不顯著），小麥從2010年開始5季作物均連續(xù)顯著增產(chǎn)。無論水稻還是小麥，在絕大多數(shù)年份，處理間作物產(chǎn)量表現(xiàn)為NPK+M>NPK>M>CK。同時還可看出，小麥產(chǎn)量的年際波動較大，與試驗(yàn)區(qū)域小麥產(chǎn)量受氣象條件影響較大有關(guān)。

作物年均子粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量見表3。結(jié)果表明，在10個水稻-小麥輪作周期，秸稈還田對水稻、小麥的子粒和秸稈產(chǎn)量的影響有所不同。不施肥條件下實(shí)施長期秸稈還田，水稻和小麥的子粒分別平均增產(chǎn)380和133 kg/hm?，增產(chǎn)幅度分別為6.04%和7.28%，增產(chǎn)不顯著；在施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上實(shí)施長期秸稈還田，水稻和小麥的子粒分別平均增產(chǎn)584和264 kg/hm?，增產(chǎn)幅度分別為7.37%和8.15%，水稻子粒增產(chǎn)達(dá)顯著水平；水稻和小麥秸稈產(chǎn)量的變化趨勢與子粒相似，也為不施肥條件下增產(chǎn)不顯著，施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上秸稈年均增產(chǎn)量分別為398和611 kg/hm?，增產(chǎn)幅度分別為6.50%和15.44%，水稻秸稈增產(chǎn)達(dá)顯著水平。由此可見，無論是絕對增產(chǎn)量還是增產(chǎn)幅度，配施化肥基礎(chǔ)上的效果均較好。秸稈還田對作物的增產(chǎn)效應(yīng)為小麥大于水稻，其中水稻子粒的效應(yīng)大于秸稈，小麥子粒的效應(yīng)又小于秸稈。從作物產(chǎn)量的變異系數(shù)看，作物“年度”產(chǎn)量的變異（平均20.43%）明顯高于“小區(qū)”產(chǎn)量的變異（平均4.31%），即年際變異大于小區(qū)空間變異，并以小麥產(chǎn)量的表現(xiàn)更甚。在不同作物部位之間，產(chǎn)量的變異均表現(xiàn)為秸稈>子粒。

綜上所述，只有在配施一定量化學(xué)肥料的基礎(chǔ)上，秸稈還田才能發(fā)揮出較好的增產(chǎn)效果，其對小麥的增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻，但小麥產(chǎn)量的年際變異也較大。

2.2 長期秸稈還田對植株不同部位養(yǎng)分含量的影響

由表4可知，秸稈還田對作物子粒和秸稈氮、磷、鉀含量的影響有增有減，大多數(shù)情況下增減幅度均小于10%，影響不顯著。不施肥條件下秸稈還田對作物不同部位磷含量的影響均表現(xiàn)為略有增加或不變，施氮、磷、鉀肥條件下表現(xiàn)為有增有減；無論施肥與否，秸稈還田對作物子粒氮、秸稈鉀含量的影響均表現(xiàn)為增加，其中水稻子粒氮和秸稈鉀含量分別提高0.96%～4.61%和2.38%～7.54%，小麥子粒氮和秸稈鉀含量則分別提高4.46%～5.21%和7.42%～19.64%，表明秸稈還田對子粒氮和秸稈鉀含量的正效應(yīng)表現(xiàn)為鉀大于氮，同時小麥又大于水稻。從養(yǎng)分含量的年際間變異來看，不同作物、不同部位氮和磷的變異均表現(xiàn)為秸稈>子粒，鉀的變異子粒>秸稈，其中小麥的變異又大于水稻（僅秸稈鉀含量除外），由此可見，養(yǎng)分含量較低的部位其年度變異相對較大，而小麥又比水稻對年際間條件的變化更加敏感。

2.3 長期秸稈還田對作物養(yǎng)分吸收量的影響

作物養(yǎng)分吸收量是不同部位產(chǎn)量和養(yǎng)分含量共同作用的結(jié)果。10年20季作物的年均養(yǎng)分吸收量見表5。由表5可知，從“小區(qū)”養(yǎng)分吸收量來看，在不施肥條件下，秸稈還田對水稻氮、小麥磷和鉀吸收量的增加不顯著（10.5%～15.2%），但顯著提高水稻磷、鉀和小麥氮的吸收量（13.0%～17.3%）；在施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上，秸稈還田對水稻和小麥磷吸收量的影響均不顯著，提高的幅度分別為3.95%和7.39%，但顯著增加了水稻和小麥的氮、鉀吸收量，其中水稻氮和鉀吸收量分別提高9.59%和9.94%，小麥分別提高12.70%和29.90%，不僅如此，秸稈還田還使水稻和小麥鉀吸收總量中秸稈鉀的占比分別提高1.2和4.4個百分點(diǎn)，達(dá)顯著水平?？梢?，在施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上，秸稈還田對作物養(yǎng)分吸收的效應(yīng)表現(xiàn)為鉀>氮>磷，其中小麥又大于水稻。作物養(yǎng)分吸收量的變異系數(shù)，其變化趨勢與產(chǎn)量基本一致，即年際變異大于小區(qū)空間變異，其中小麥大于水稻，不同養(yǎng)分的變異又表現(xiàn)為磷>鉀>氮。

比較表3、表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，由于作物產(chǎn)量和養(yǎng)分含量的雙重作用，在施氮、磷、鉀肥條件下，秸稈還田對水稻和小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量的效應(yīng)均表現(xiàn)為鉀>氮>子粒產(chǎn)量>磷。此外，以單施化肥為參照，在不施肥條件下，水稻子粒和秸稈的相對產(chǎn)量分別為79.4和70.1，氮、磷、鉀的相對吸收量分別為63.1、68.4和68.2；小麥子粒和秸稈的相對產(chǎn)量分別為56.4和58.4，氮、磷、鉀的相對吸收量分別為48.6、54.0和51.1，因此不施肥條件下養(yǎng)分吸收比作物產(chǎn)量更加敏感，其敏感程度為氮>鉀>磷，小麥>水稻。從另一個角度來說，在不施肥條件下，水稻比小麥更能維持較高的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量。

為了進(jìn)一步探討秸稈還田對作物養(yǎng)分吸收量的影響因素，暫不考慮其他養(yǎng)分來源，化學(xué)肥料+秸稈還田處理（NPK+M）中，還田秸稈所帶入的年均養(yǎng)分量及其占年均養(yǎng)分施用總量（即化肥養(yǎng)分+秸稈養(yǎng)分）的比例見表6。從表6可以看出，秸稈養(yǎng)分占比表現(xiàn)為鉀>氮>磷，且小麥>水稻。相關(guān)分析表明，施氮、磷、鉀肥基礎(chǔ)上秸稈還田增加作物養(yǎng)分吸收量的幅度與其所含養(yǎng)分量在養(yǎng)分施用總量中的比例呈顯著正相關(guān)（r=0.874*，n=6）。在本試驗(yàn)中，M和NPK+M兩個處理還田秸稈均來自于附近同一地塊，水稻季還田的為麥稈，小麥季還田的是稻草，用量均為6 000 kg/hm?。稻草中氮、磷和鉀的含量均高于麥稈，尤其是稻草中鉀的含量平均約為麥稈的2倍，且小麥季化肥氮、磷、鉀施用量均低于水稻，因此小麥季秸稈養(yǎng)分尤其是鉀在養(yǎng)分施用總量中的比例均高于水稻季。由此可見，本試驗(yàn)中小麥季秸稈還田對提高作物產(chǎn)量和促進(jìn)養(yǎng)分吸收的效果優(yōu)于水稻，在很大程度上可能與還田秸稈中所帶入的養(yǎng)分量及其比例較高有關(guān)。

3 小結(jié)與討論endprint

秸稈還田后，通過自身腐解提供養(yǎng)分、改善土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀等方式，為作物生長提供一個良好的生態(tài)環(huán)境，并通過增加產(chǎn)量、促進(jìn)養(yǎng)分吸收等形式表現(xiàn)出來。譚德水等[1]研究表明，在施氮、磷肥基礎(chǔ)上小麥秸稈連續(xù)全量還田，河北辛集市小麥和玉米年均分別增產(chǎn)3.0%和6.8%，山西臨汾市小麥年均增產(chǎn)5.0%。王志勇等[8]在河北廊坊市的3年定位試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮、磷肥基礎(chǔ)上秸稈還田小麥和玉米分別增產(chǎn)2.38%和3.93%，進(jìn)一步增施鉀肥基礎(chǔ)上秸稈還田分別增產(chǎn)6.44%和4.99%。劉禹池等[10]在四川廣漢市的7年定位試驗(yàn)表明，水稻-油菜輪作體系下實(shí)施連續(xù)秸稈還田，水稻和油菜年均分別增產(chǎn)6.1%和5.8%。陸強(qiáng)等[13]在江蘇常熟的2年定位試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈全量還田水稻年均增產(chǎn)6.0%，小麥年均增產(chǎn)8.8%。綜上所述，盡管生態(tài)區(qū)域不同、試驗(yàn)條件各異，不同學(xué)者報道的秸稈還田增產(chǎn)幅度通常在10%以內(nèi)。Takahashi等[12]通過短期和長期定位試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)年限是影響秸稈還田效果的一個重要因素。Huang等[19]分析了全國水稻秸稈還田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出秸稈還田后水稻的平均增產(chǎn)率為5.2%，并認(rèn)為秸稈還田的增產(chǎn)效果受到年均氣溫、土壤養(yǎng)分狀況、還田年限以及施肥等因素的影響。戴志剛等[7，16]的研究還表明，秸稈翻耕還田的增產(chǎn)效果顯著優(yōu)于免耕還田?？梢姡€田方式也是影響其秸稈增產(chǎn)效果的重要因素。綜合各種文獻(xiàn)報道，可認(rèn)為秸稈還田增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素主要有以下幾個方面。

1）秸稈種類、還田量與還田方式。不同種類的秸稈其養(yǎng)分含量差異較大，不同生態(tài)區(qū)同一種類的作物秸稈其養(yǎng)分含量也有所不同，甚至差異很大[2]。不同作物秸稈其腐解的難易、養(yǎng)分釋放的快慢也不一樣[20，21]。因此，在一定生態(tài)區(qū)域和生產(chǎn)條件下，秸稈種類、還田量與還田方式共同決定了秸稈能為作物提供養(yǎng)分的數(shù)量、速率與方式，并最終影響產(chǎn)量結(jié)果。

2）土壤肥力狀況、施肥量及其運(yùn)籌方式。暫不考慮大氣沉降、灌溉等因素[3]，作物所需養(yǎng)分主要由土壤、還田秸稈和當(dāng)季其他肥料共同提供。陸強(qiáng)等[13]的研究表明，江蘇常熟水稻-小麥輪作體系中，在習(xí)慣化肥用量減少30%的基礎(chǔ)上，配施3 000 kg/hm?牛糞堆肥與秸稈全量還田，可獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用率。有機(jī)肥中養(yǎng)分的有效性與化肥不同，磷、鉀的有效性比化肥高，而氮的有效性比化肥低[22]，水稻、小麥和油菜秸稈中養(yǎng)分釋放速率均為K>P>C>N[20]，因此作物秸稈還田條件下，不僅需要調(diào)整化肥的配比（如增加氮的比例、降低鉀的比例），還要調(diào)整化肥的運(yùn)籌方式，如氮肥前移[11]、鉀肥后移等，以保證養(yǎng)分的均衡供應(yīng)。

3）生態(tài)氣候條件等區(qū)域性因素。氣溫、降雨、土壤微生態(tài)環(huán)境等影響秸稈腐解速率及養(yǎng)分釋放的因素，都會在一定程度上影響秸稈還田效果。水分條件被認(rèn)為是秸稈在土壤中腐解轉(zhuǎn)化的決定性因子之一，最佳土壤水分狀況通常為接近最大田間持水量[23]。武際等[24]的研究表明，節(jié)水栽培（無水層）模式下小麥秸稈還田腐解率和養(yǎng)分釋放率、土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量提高的效應(yīng)均顯著高于常規(guī)栽培（淺水層）。

4）田間管理措施。秸稈還田的增產(chǎn)效果最終是秸稈還田技術(shù)與其他各項配套農(nóng)藝措施綜合作用的結(jié)果。無論是在田間試驗(yàn)研究、還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，只有在配套合理耕作、水分管理、病蟲草害防治的基礎(chǔ)上，秸稈還田的增產(chǎn)效果才能最大限度地發(fā)揮出來。

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