鄭繼成, 張 剛, 王德建**, 王 燦, 曹志強, 汪 軍

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稻麥輪作下秸稈還田對稻麥產量和稻田可溶性有機碳含量的影響*

鄭繼成1,2, 張 剛1, 王德建1**, 王 燦1, 曹志強1,2, 汪 軍3

(1. 中國科學院南京土壤研究所 南京 210008; 2. 中國科學院大學 北京 100049; 3. 重慶三峽學院環(huán)境與化學工程學院 重慶 404632)

為闡明稻麥輪作體系下秸稈還田對作物產量與稻田可溶性有機碳(DOC)的影響, 通過連續(xù)2年盆栽試驗研究了兩種典型土壤(壤土和黏土)在無秸稈還田、半量秸稈還田、全量秸稈還田3種處理下稻麥產量和稻季土壤溶液DOC濃度的動態(tài)變化。結果表明, 秸稈還田顯著增加了兩種土壤大多數(shù)處理的水稻產量, 增幅1.6%~11.9%, 其中全量秸稈還田的增產效果大于半量秸稈還田(第1年不顯著, 第2年顯著)。秸稈還田對小麥產量的影響因土壤類型而異, 壤土中小麥產量顯著增加7.2%~10.6%(第1年)或增產不顯著(第2年), 但全量秸稈還田和半量秸稈還田處理之間沒有顯著差異; 黏土中小麥顯著減產(5.0%~9.3%), 其中第2年的全量秸稈還田減產效應顯著大于半量秸稈還田。秸稈還田及土壤類型顯著影響水稻前期(烤田之前)的土壤溶液DOC濃度, 全量秸稈還田、半量秸稈還田分別比無秸稈還田處理平均增加141.7%、61.9%, 壤土比黏土平均增加89.6%; 間歇淹水之后, 所有秸稈還田處理及土壤類型的DOC濃度均迅速降低?？傮w上, 秸稈還田對兩種土壤的水稻增產都有利, 但對黏土小麥增產不利, 秸稈還田顯著增加了稻田前期的DOC濃度, 間歇淹水可以迅速降低稻田DOC濃度。

秸稈還田; 稻麥輪作; 產量; 可溶性有機碳(DOC); 土壤類型; 間歇淹水

近年來, 作物收獲后將秸稈直接還田逐漸成為秸稈利用的主流。秸稈還田不但避免了秸稈焚燒造成的大氣污染[1], 而且有利于農田生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮等營養(yǎng)元素的循環(huán)[2]及我國農田土壤的可持續(xù)利用。秸稈還田可以增加土壤養(yǎng)分[3], 降低土壤容重[4]并促進根系生長[5-6], 但是還田秸稈的腐解在前期會與作物爭氮[2], 并惡化土壤氧化還原條件[7-8]。有關秸稈還田對產量的影響, 前人研究結果并不一致, 增產或減產的報道都很普遍[2,9-10], 這影響了人們對秸稈還田效應的認識。造成產量效應不一原因可能是多樣的, 可能與作物熟制有關, 一年1熟下還田秸稈有充足的時間在下茬作物種植前完成腐解, 可以避免對作物生長產生不利影響, 而一年多熟制下秸稈還田因腐解不完全往往會顯著抑制下茬作物的前期生長[11-12]; 也可能與水分管理條件有關, 比如稻麥輪作下, 小麥()旱作, 水稻()水作, 則麥季與稻季的秸稈腐解進程必然差異很大; 或者與土壤類型有關, 沙土、壤土還有黏土的理化性質差異明顯, 秸稈的腐解進程會有差異; 還有秸稈還田量、還田方法的不同等等。這都有待進一步深入研究。

稻田可溶性有機碳(DOC)與水體富營養(yǎng)化[13]及溫室氣體排放[14-15]關系密切, 而且在稻田重金屬污染與修復[16]和農藥在土壤中的活化遷移[17]等方面有著重要影響。近年來, 關于秸稈還田影響稻田DOC研究開始增多, 主要分兩類: 其一為稻田土壤的室內培養(yǎng)試驗, 試驗條件容易控制, 且普遍進行DOC的動態(tài)觀測[18-19], 缺點是不能反映水稻生長對DOC的影響; 其二為植稻試驗, 缺點是DOC采樣費時費力, 往往只檢測水稻收獲時的土壤DOC含量[20-21]。目前, 關于不同秸稈還田方式下進行土壤DOC動態(tài)觀測的植稻試驗很少, 且已有的研究結果之間差異很大[13,22], 仍需要進一步研究觀察。

鑒于當前稻麥輪作體系下秸稈還田對作物產量效應研究的結果不一致, 以及秸稈還田下稻季土壤溶液DOC系統(tǒng)監(jiān)測研究的缺乏, 本研究選擇江蘇兩種典型的農田土壤——壤土(淮北平原的黃潮土)和黏土(里下河地區(qū)的勤泥土), 采用盆栽試驗, 比較無秸稈還田、半量秸稈還田和全量秸稈還田3種處理下, 稻季土壤溶液DOC的動態(tài)變化規(guī)律及稻麥輪作下的作物產量, 旨在為秸稈還田技術的合理實施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗所用土壤采自水稻收獲后的稻麥輪作農田。兩種類型土壤分別采自江蘇省淮北地區(qū)的泗陽縣城廂鎮(zhèn)紅星村(壤土)和里下河地區(qū)的高郵市周山農場(黏土)。其中, 壤土的基本理化性質是pH 8.22, 有機質17.4 g?kg?1, 全氮1.04 g?kg?1, 速效磷36.5 mg?kg?1, 速效鉀112 mg?kg?1; 黏土的pH 7.33, 有機質30.6 g?kg?1, 全氮1.76 g?kg?1, 速效磷10.2 mg?kg?1, 速效鉀137 mg?kg?1。盆栽容器為PVC材質圓柱形盆, 內徑24 cm, 高30 cm, 每盆裝風干土9.4 kg。盆栽試驗所用秸稈: 2012年10月第1季試驗開始時, 尚無前茬作物秸稈, 統(tǒng)一使用大田的水稻秸稈(秸稈有機碳含量387.7 g?kg?1, 全氮含量7.05 g?kg?1, C/N比55.0), 之后每季直接使用前茬收獲的秸稈還田。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2012年10月—2014年10月在中國科學院南京土壤研究所溫室內進行, 小麥-水稻輪作, 共進行4季。土壤類型分兩種: 壤土(L)、黏土(C)。每種土壤按秸稈還田量分為3個處理: ①對照, 無秸稈還田(S0); ②半量秸稈還田(S1), 前茬作物的一半秸稈歸還; ③全量秸稈還田(S2), 前茬作物的全部秸稈歸還。每個處理3次重復。第1季的外來水稻秸稈還田量S1、S2處理分別為每盆22.6 g與45.2 g(計算依據(jù)為: 以當?shù)厮窘斩掞L干產量10 t?hm?2計算, 依據(jù)盆栽容器面積與每公頃面積的比例, 計算出每個處理的秸稈施用量), 以后3季的還田秸稈為前茬盆栽收獲秸稈。秸稈切碎與盆栽土壤全層混勻。為盡量減小重復間的誤差, 每次小麥收獲后將同一處理下的3個盆栽土壤混勻并重新分裝。

所有處理施肥量相同, 小麥季土壤施N 0.15 g?kg-1, P2O50.09 g?kg-1, K2O 0.09 g?kg-1; 水稻季土壤施入N 0.17 g?kg-1, P2O50.08 g?kg-1, K2O 0.10 g?kg-1。所用氮肥、磷肥、鉀肥分別為試劑級尿素、磷酸氫二鈉、氯化鉀。磷肥和鉀肥全部作基肥一次性施入; 氮肥分3次施用(麥季和稻季的基肥、蘗肥、穗肥的分配比例分別為3∶3∶4和4∶2∶4), 其中基肥與磷肥、鉀肥同施, 蘗肥和穗肥用水溶解后澆入盆中。

小麥季秸稈還田約3日后播種, 品種為‘揚麥16’, 出苗1周后剔苗, 每盆留苗24棵。水稻季秸稈還田1周后淹水, 淹水5 d后插秧, 秧齡30d左右, 每盆3穴, 每穴2苗, 水稻品種為‘南粳46’。第1季水稻于2013年6月26日插秧, 保持淹水直至分蘗末期, 其后濕潤灌溉一段時間以模擬大田烤田(7月30日—8月8日, 持續(xù)10 d), 然后恢復淹水狀態(tài)直到揚花期結束(10月2日), 之后開始間歇淹水直至收獲前1周。第2季水稻于2014年6月24日插秧, 自烤田(7月29日—8月10日, 持續(xù)13 d)結束后即開始間歇淹水直至收獲前1周, 烤田之前的水分管理與2013年相同(保持淹水狀態(tài))。農藥除蟲, 人工除草。

1.3 采樣與測定方法

水稻季土壤溶液DOC采集與測定: 稻季淹水前于各盆土深5—15 cm處插入帶橡皮塞的陶土管1根(長10 cm), 通過橡皮塞插入細管到陶土管底部取樣, 淹水后第2 d開始抽取水樣, 其后約5 d抽取一次, 水稻生長后期改為10~20 d一次, 烤田期間不采樣。水樣取回后過濾, 濾液用島津TOC儀(5000, Shimadzu)測定DOC濃度。

作物產量測定: 小麥、水稻籽粒收獲后70 ℃烘干測定質量與含水量, 然后按標準含水量13.5%折算得出作物產量[23]。盆栽產量單位為g?盆?1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用Microsoft Excel 2013與SPSS 17.0。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對作物產量的影響

2.1.1 小麥產量

由圖1a可知, 壤土中, 2013年和2014年對照處理S0小麥產量分別為40.8 g?盆?1和43.6 g?盆?1, 2013年S1和S2處理分別比S0處理顯著增產7.2%和10.6%(<0.05), 2014年S1、S2處理分別比S0增產0.9%和0.6%, 但均不顯著。黏土中, 2013年、2014年S0處理小麥產量分別為44.5 g?盆?1、47.1 g?盆?1, 2013年S1、S2處理分別比S0處理顯著減產7.8%、8.6%(<0.05), 2014年分別比S0處理顯著減產5.0%、9.3%(<0.05)?？傮w上, 秸稈還田后, 壤土中小麥增產, 其中第1年增產顯著, 第2年增產不顯著; 黏土中連續(xù)兩年小麥均顯著減產, 且在第2年S2處理產量顯著低于S1處理。

2.1.2 水稻產量

秸稈還田對兩種土壤水稻產量的影響如圖1b所示。壤土中, 2013年S0、S1、S2處理水稻產量分別為57.1 g?盆?1、60.8 g?盆?1和60.8 g?盆?1, S1和S2處理均比對照S0顯著增產6.5%(<0.05), S1和S2處理間沒有顯著差異(>0.05); 2014年S0、S1、S2處理水稻產量分別為55.0 g?盆?1、55.8 g?盆?1、58.8 g?盆?1, 與對照S0相比, S1增產不顯著(1.6%), S2增產顯著(7.4%)(<0.05)。在黏土中, 2013年S0、S1、S2處理水稻產量分別為59.2 g?盆?1、64.9 g?盆?1、66.1 g?盆?1, S1、S2處理分別比對照S0顯著增產9.6%、11.7% (<0.05), 但S1和S2處理之間無顯著性差異; 2014年S0、S1、S2處理水稻產量分別為55.7 g?盆?1、60.4 g?盆?1、62.4 g?盆?1, S1、S2處理分別比對照S0處理顯著增加8.5%、11.9%(<0.05), 且S2處理顯著大于S1處理(<0.05)?？傮w上, 無論是在壤土還是黏土中, 秸稈還田對水稻產量都表現(xiàn)出促進作用, 全量還田的增產效果優(yōu)于半量還田。

圖1 2013年和2014年不同土壤類型上秸稈還田對小麥產量(a)、水稻產量(b)和全年產量(c)的影響

L: 壤土; C: 黏土; S0: 無秸稈還田(對照); S1: 半量秸稈還田; S2: 全量秸稈還田。相同年份及土壤類型中不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year and same soil type mean significant differences among treatments (< 0.05).

2.1.3 稻麥全年產量

本試驗中, 全年產量指一個稻麥輪作周期中小麥與水稻的產量之和。由圖1c可知, 壤土中, 2013年、2014年對照處理S0產量分別為97.9 g?盆?1、98.6 g?盆?1, 與之相比, 2013年S1和S2處理分別增產6.8%、8.2%, 均達顯著水平(<0.05); 2014年S2處理顯著增產4.2%(<0.05), S1處理增產不顯著。黏土中, 對照處理兩年的產量分別為103.7 g?盆?1、102.8 g?盆?1, 與之相比, 所有秸稈還田處理都有增產, 但只有2013年的S2處理增產顯著(增產3.0%)(<0.05)。總體上, 秸稈還田以后, 無論是壤土還是黏土, 全年產量都有增加甚至顯著增加。

2.2 秸稈還田對稻季土壤溶液DOC含量的影響

2.2.1 稻季土壤溶液DOC濃度總體變化趨勢

前后兩年的觀測顯示(圖2), 從開始淹水到烤田結束, 壤土和黏土稻季土壤溶液DOC含量總體上都有一個降—升—降的動態(tài)變化規(guī)律。但是烤田后的DOC濃度變化趨勢, 前后兩年差別很大: 2013年, 兩種土壤在烤田結束之后, DOC濃度短期內顯著升高, 然后維持較高濃度直至水稻揚花期結束, 之后才開始迅速降低; 2014年, 兩種土壤的DOC濃度在烤田結束之后繼續(xù)保持較低濃度(僅為2013年同期的41.6%)直至稻季結束, 這可能跟2014年烤田后采用間歇淹水有關。

2.2.2 不同秸稈還田處理DOC濃度比較

由圖2可知, 稻季前期(烤田之前), S1、S2處理的DOC濃度均大于S0處理, 其中S2處理高于S1處理。為了便于比較此期間不同處理間DOC含量差異, 每年選擇3個代表性時間節(jié)點進行統(tǒng)計分析: 淹水后第2 d、第12 d、第39 d, 分別對應于DOC動態(tài)曲線在此期間的3個極值。

2013年淹水后第2 d(圖3a), 壤土中S0、S1、S2處理DOC濃度分別為157.3 mg?L?1、228.3 mg?L?1、293.2 mg?L?1, S1處理比S0處理顯著增加45.1%(<0.05), S2處理比S1處理顯著增加28.4%(<0.05)。黏土中, 淹水后第2 d S0、S1和S2處理DOC濃度分別為47.5 mg?L?1、84.4 mg?L?1和106.3 mg?L?1, S1處理比S0處理顯著增加77.8%(<0.05), S2處理比S1處理顯著增加25.9%(<0.05)。

2013年淹水后第12 d(圖3b), 壤土S0、S1、S2處理DOC濃度分別為7.3 mg?L?1、17.0 mg?L?1、26.8 mg?L?1, S1處理比S0處理顯著增加133.2%(<0.05), S2處理比S1處理顯著增加57.4%(<0.05); 黏土S0、S1、S2處理DOC濃度分別為6.9 mg?L?1、13.3 mg?L?1、19.3 mg?L?1, S1處理比對照S0顯著增加93.1%(<0.05), S2處理比S1處理顯著增加44.4%(<0.05)。

圖2 2013年和2014年不同土壤類型上稻季土壤溶液可溶性有機碳(DOC)濃度動態(tài)變化

L: 壤土; C: 黏土; S0: 無秸稈還田(對照); S1: 半量秸稈還田; S2: 全量秸稈還田。橫坐標軸下方顏色表示水分管理狀態(tài): 黑色表示淹水, 灰色表示烤田, 黑白相間表示間歇淹水。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different colors below the-axis represent different water management practices: the black, gray, black & white represent continuous flooding, soil drying, and intermittent flooding, respectively.

2013年淹水后第39 d(圖3c), 壤土S0、S1、S2處理DOC濃度分別為156.9 mg?L?1、171.5 mg?L?1、184.6 mg?L?1, S1處理比S0處理增加9.3%, S2處理比S1處理增加7.6%, 均達顯著水平(<0.05); 黏土中, 各處理DOC濃度分別為143.6 mg?L?1(S0)、165.7 mg?L?1(S1)和171.2 mg?L?1(S2), S1處理比S0處理顯著增加15.4%(<0.05), S2處理比S1處理增加3.3%, 但二者無顯著差異。

2014年, 淹水后第2 d、12 d、39 d不同秸稈還田處理間土壤溶液DOC濃度變化規(guī)律(圖3a、b、c)與2013年相似, 不同之處是在淹水后第39 d: 無論是壤土還是黏土, 處理S1與S0之間均差異不顯著, 處理S2比S1、S0顯著增加(<0.05)。

但是在烤田結束后的一段時間里(約30 d), 不同年份的DOC濃度受秸稈還田的影響有所不同(圖2): 其中2013年秸稈還田處理的DOC濃度顯著大于不還田處理(<0.05), S2和S1之間無顯著差異; 2014年3個處理之間差異均不顯著。在此之后, 不同還田處理間的DOC濃度差異不顯著。

2.2.3 不同土壤類型秸稈還田處理DOC濃度比較

從圖2中兩種類型土壤秸稈還田處理DOC濃度動態(tài)變化看出, 稻季前期(烤田之前), 壤土多大于黏土, 稻季后期(揚花期之后), 壤土小于黏土。選擇每年稻季淹水后第一次采樣(淹水后2 d)與最后一次采樣(2013年淹水后第117 d; 2014年淹水后第123 d)的DOC濃度比較兩種土壤的差異, 結果如圖4所示。稻季第一次采樣(圖4a), 各秸稈處理的壤土DOC濃度均顯著大于黏土(<0.05): 2013年壤土的S0、S1、S2處理分別為黏土的3.3倍、2.7倍和2.8倍, 2014年壤土的S0、S1、S2處理分別為黏土的2.3倍、2.7倍和2.3倍。稻季最后一次采樣(圖4b), 壤土的DOC濃度均顯著小于黏土(<0.05): 2013年壤土各處理的DOC濃度變化范圍64.8~69.8 mg?L?1, 黏土處理變化范圍90.4~94.2 mg?L?1, 黏土是壤土的1.3~1.4倍; 2014年壤土處理的DOC濃度變化范圍63.4~72.5 mg?L?1, 黏土處理變化范圍81.3~87.0 mg?L?1, 黏土是壤土的1.2~1.3倍。

圖3 2013年和2014年不同土壤類型上秸稈還田對稻季土壤溶液可溶性有機碳(DOC)濃度的影響(a: 淹水后第2d; b: 淹水后第12 d; c: 淹水后第39 d)

L: 壤土; C: 黏土; S0: 無秸稈還田(對照); S1: 半量秸稈還田; S2: 全量秸稈還田。相同年份及土壤類型中不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year and same soil type mean significant differences among treatments (< 0.05).

3 討論

3.1 秸稈還田對稻麥產量的影響

關于秸稈還田的增產機理, 一般認為有以下幾個方面: 首先, 秸稈還田提高了土壤肥力[3]。大量研究報道表明, 秸稈還田能顯著提高土壤有機質, 改善有機質品質, 提高土壤養(yǎng)分含量, 而且后效十分明顯[24-25]。Surekha等[26]報道, 秸稈還田或焚燒均能顯著提高土壤有效鉀與有機碳含量, 而土壤總氮僅秸稈還田處理增加。Nie等[27]試驗顯示, 秸稈還田土壤的有機質和全氮含量分別比不還田增加8.9%與14.8%, 土壤微生物碳、氮分別比不還田增加12.7%和15.1%。其次, 秸稈還田能改善土壤物理性質, 比如降低土壤容重[4], 減小根系阻力[28-29], 并最終促進根系生長[5-6]。本試驗中, 秸稈還田下兩種土壤上的水稻均表現(xiàn)出顯著增產效應, 其中全量還田處理的水稻增產效果為6.5%~11.9%, 與前人研究結果相近[30-31]。小麥在壤土上表現(xiàn)增產(第1年顯著, 第2年不顯著), 在黏土上兩年均表現(xiàn)出顯著減產。原因可能與黏土的性質有關, 黏土保水性好, 透氣性差, 秸稈腐解慢, 釋放養(yǎng)分少。另外, 與壤土相比, 黏土由于透氣性差, 秸稈還田后局部厭氧腐解, 惡化土壤氧化還原條件, 產生大量還原性物質[7-8], 毒害根系, 最終影響小麥產量。與麥季相比, 稻季淹水條件下土壤透氣性更差, 但無論是壤土還是黏土, 秸稈還田處理的水稻均顯示增產效應, 可能是因為水稻根系有通氣組織向根際分泌O2, 從而減輕了秸稈腐解缺O(jiān)2的危害。

3.2 秸稈還田對稻季土壤溶液DOC濃度的影響及其與水稻產量的關系

前人土壤淹水培養(yǎng)試驗表明[19,32], 淹水后秸稈還田處理土壤溶液DOC濃度往往很高, 隨后迅速降低。這與本試驗秸稈還田處理在淹水后第1—12 d的DOC濃度變化規(guī)律類似。此階段DOC濃度很高的可能原因, 一是秸稈加入土壤以后, 易分解成分(蛋白質、可溶性糖等)首先腐解, 迅速釋放大量單糖、氨基酸、氨基糖等小分子物質, 導致土壤DOC含量迅速升高。二是秸稈還田初期顯著促進了土壤有機質轉化生成DOC[32-34], 通常稱為激發(fā)效應(priming effect)。Ye等[34]土壤培養(yǎng)試驗顯示, 秸稈還田量占土壤質量2%的處理中, 還田后第10 d, 轉化自土壤有機質的DOC生成量是不還田處理的2倍。然后, 由于這些DOC組分生物降解性高, 加之水分、溫度條件適宜, 微生物大量繁殖, 大大提高脲酶、蔗糖酶的活性, 導致DOC很快被大量消耗掉[35], 于是出現(xiàn)了迅速降低的現(xiàn)象。與前人室內培養(yǎng)試驗結果不同的是, 本試驗不還田處理在此階段也表現(xiàn)出與秸稈還田處理相似的現(xiàn)象, 應該與上季作物根系與殘茬沒有清除干凈有關。

圖4 2013年和2014年不同秸稈還田處理下土壤類型對稻季土壤溶液可溶性有機碳(DOC)濃度的影響[a: 稻季第一次采樣, 淹水后第2 d; b: 稻季最后一次采樣, 淹水后第117d(2013年)、123 d (2014年)]

L: 壤土; C: 黏土; S0: 無秸稈還田(對照); S1: 半量秸稈還田; S2: 全量秸稈還田。相同年份及秸稈還田處理中不同小寫字母表示土壤間差異顯著(<0.05)。L: loam; C: clay; S0, S1 and S2 represent 0%, 50% and 100% previous crop straw returned to soil, respectively. Different lowercase letters in the same year mean significant differences among treatments in different soil types (< 0.05).

本試驗表明, 自DOC濃度降低至低谷之后到烤田開始前, 秸稈還田處理的DOC濃度有顯著增長, 其中全量還田處理高于半量還田處理3%~161%(多數(shù)時候顯著)?？梢娊斩掃€田在此階段對土壤溶液DOC濃度仍然有顯著貢獻。首先, 隨著秸稈易分解成分的消耗殆盡, 此前DOC濃度迅速降低階段中大量生成的微生物開始進入穩(wěn)定或衰亡期, 次級代謝產物積累或微生物死亡分解釋放出大量活性有機碳, 導致土壤溶液DOC濃度增加[35]; 其次, 因為秸稈開始進入緩慢腐解期, 纖維素和木質素等成分的降解產物增加了土壤溶液DOC濃度[36]。不施秸稈處理在此階段也表現(xiàn)出DOC濃度顯著增加的趨勢, 此現(xiàn)象與前人研究結果相似[31,37], 除了受前茬作物根茬殘留的影響外, 應該還在一定程度上受到了根系分泌物的影響, 根系分泌物也是稻田DOC的重要來源[38-40], 而此階段水稻根系正處于快速生長期[41-42]。

目前, 以稻田DOC含量變化為切入點研究秸稈還田影響水稻產量的研究不多。與前人研究結果類似[31], 本試驗中秸稈還田對稻田DOC濃度的影響主要發(fā)生在烤田之前。所以如果秸稈還田可以通過影響DOC濃度來影響產量, 那么其作用時間當主要發(fā)生在烤田之前, 即通過影響烤田之前的水稻營養(yǎng)生長來影響烤田之后的水稻生殖生長。至于秸稈還田下DOC濃度如何影響烤田之前的水稻營養(yǎng)生長, 有研究認為秸稈腐解前期產生大量有機酸類物質[43-44],從而抑制水稻的前期生長(營養(yǎng)生長)。但是這種對營養(yǎng)生長的抑制作用不一定造成產量的降低, 適當?shù)囊种谱饔? 可以避免水稻前期的營養(yǎng)生長過旺, 從而可能有利于水稻后期的生殖生長, 并最終起到增產作用。但是, 水稻產量的影響因素及機理十分復雜, 秸稈還田下DOC濃度增加當只是其中一個因素, 至于其重要性, 有待進一步研究。

3.3 秸稈還田下稻田土壤DOC徑流風險的應對措施建議

稻田DOC含量與水體富養(yǎng)化關系密切[13], DOC是農田土壤中氮、磷等元素向水體中移動的重要載體, 并以此為主要移動途徑; 水體中藻類繁殖必需的許多營養(yǎng)元素來自于水體微生物的轉化, 而DOC作為碳源促進了微生物的生長代謝。秸稈還田因為顯著促進稻田DOC的產生, 無疑加劇了水體富營養(yǎng)化風險。本試驗表明, 秸稈還田對稻季DOC濃度的影響隨著時間的推移逐漸減小, 烤田之后作用逐漸消失。因此在稻季前期, 秸稈還田后要加強稻田DOC徑流風險的防控。

本試驗稻季前期, 壤土DOC濃度顯著大于黏土, 因此相對于黏土, 壤土秸稈還田后應更加重視稻田徑流的風險。壤土DOC濃度較大, 主要是因為壤土黏粒含量低, 對DOC的吸附能力弱, 則進入土壤溶液的DOC增多[45-46]。此外, 本試驗中的壤土pH大于黏土, 在高pH條件下DOC更不容易被吸附[47]。但是在稻季后期, 黏土中各處理的DOC濃度大于壤土, 原因可能與本試驗中黏土有機質含量高于壤土有關: 稻季后期秸稈腐解基本結束, 根系活力大幅衰退導致根系分泌物顯著減少, 土壤有機質分解成為DOC的主要來源。

針對秸稈還田下稻季前期的DOC徑流風險過大, 可以考慮半量秸稈還田甚至不還田, 從而通過降低DOC濃度的方法降低稻田DOC的徑流風險。另外, 稻田淹水狀況對土壤溶液DOC濃度亦有顯著影響。本研究2013年水稻生長中期(烤田結束—揚花期)持續(xù)淹水, 而2014年在此期間間歇淹水, 結果是2013年該期間的DOC濃度顯著大于2014年。李忠佩等[48]土壤培養(yǎng)試驗顯示, 4周以后的土壤DOC濃度變化曲線趨于穩(wěn)定, 其中持續(xù)淹水處理顯著高于間歇淹水處理。許軻等[31]水稻微區(qū)試驗也表明, 分蘗末期以后開始間歇淹水, DOC濃度迅速降低。稻季持續(xù)淹水, 有利于土壤有機碳的溶出和團聚體的分散, 導致DOC濃度的增加[48]; 而在間歇淹水下, 土壤通氣條件好, 微生物大量增殖, 代謝活性高, 土壤DOC的礦化速率高于淹水條件。在不影響產量的前提下, 尋找合適的間歇淹水模式或許也是降低稻田DOC徑流風險的可行辦法。

4 結論

稻麥輪作下秸稈還田顯著增加水稻產量; 但對小麥產量的效果因土壤類型而不同, 壤土中秸稈還田后小麥增產或不受影響, 黏土中秸稈還田后小麥減產?？傮w上, 秸稈還田對黏土的水稻增產有利, 對壤土的稻麥增產都有利。

稻季土壤溶液DOC濃度受多種因素影響, 秸稈還田顯著增加稻季前期(烤田之前)的DOC濃度, 間歇淹水可以迅速降低DOC濃度; 稻季前期的DOC濃度, 壤土顯著高于黏土, 而稻季后期壤土低于黏土。從環(huán)境安全方面考慮, 秸稈還田下需加強稻季前期水分管理, 實行間歇灌溉, 減輕淹水對稻田DOC濃度的影響, 避免徑流發(fā)生污染水體。

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Effects of straw incorporation on crop yield and dissolved organic carbon concentration at rice growing season in rice-wheat rotation cropping system*

ZHENG Jicheng1,2, ZHANG Gang1, WANG Dejian1**, WANG Can1, CAO Zhiqiang1,2, WANG Jun3

(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Environmental and Chemical Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404632, China)

In recent years, straw incorporation as an important way of straw utilization and culture fertility has been applied widely to achieve sustainable development of agriculture. However, straw incorporation also creates some novel problems. One of the most important of these is a large amount of crop straw returned to the field affecting the growth of rice and wheat at seeding stage. Even though lots studies reported that straw incorporation increased crop yield, there were also many reports that had a negative effect on crop yield. Another problem is that straw decomposition in rice field can produce lots of dissolved organic carbon (DOC), which has a close relationship with water eutrophication. Many studies reported the effect of straw incorporation on DOC concentration of paddy field at harvest time or on the dynamic of DOC concentration in soil incubation experiment. But little is known about effect of straw incorporation on the dynamic of DOC in rice growing season with different rate of straw returned and soil types. A two-year pot experiment was conducted to investigate the effects of straw incorporation on the yield of wheat & rice and DOC concentration in soil solution in rice growing season in two types of soil, loamy soil (L) and clay soil (C). According to the level of straw incorporated into soil, each soil type consisted of three treatments: 1) 0% straw returned from previous crop to soil (S0); 2) 50% straw returned from previous crop to soil (S1); 3) 100% straw returned from previous crop to soil (S2). Compared with no straw treatment, straw incorporation significant increased rice yield in most of treatments in both soil types (1.6%-11.9%), and the yield increases of S2 treatment were higher than those of S1 treatment (no significant in first year but yes in second year). However, straw incorporation had different effects on wheat yield for two soils: in loamy soil, wheat yield increased in straw incorporation treatments in both years but only significantly in first year (7.2%-10.6%), and there was no significant difference between S1 and S2 treatments; in clay soil, wheat yield decreased significantly in straw incorporation treatments in both years (5.0%-9.3%), and the yield decrease of S2 treatment were higher than that of S1 treatment (no significant in first year but yes in second year). As to the DOC concentration in soil solution in rice growing season, compared with treatment of no straw returned, DOC concentration of S2 and S1 treatments significantly increased by 141.7% and 61.9%, respectively, and DOC of loamy soil was 89.6% higher than that of clay soil on average in the early rice growing stage, but all straw treatments and soils would decrease quickly once intermittent flooding. In conclusion, straw incorporation had a positive effect on rice yield for both loamy and clay soil, but a negative effect on wheat yield for clay soil, and also increased DOC concentration significantly. The intermittent flooding could rapidly reduce the concentration of DOC in paddy soil.

Straw incorporation; Rice-wheat rotation; Yield; Dissolved organic carbon (DOC); Soil type; Intermittent flooding

, E-mail: djwang@issas.ac.cn

Jul. 26, 2018;

Sep. 11, 2018

S141.4; S311

A

2096-6237(2019)03-0431-10

10.13930/j.cnki.cjea.180698

鄭繼成, 張剛, 王德建, 王燦, 曹志強, 汪軍. 稻麥輪作下秸稈還田對稻麥產量和稻田可溶性有機碳含量的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2019, 27(3): 431-440

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* 國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0800105)和江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金重點項目[CX(15)1002]資助

王德建, 主要研究方向為農田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及其環(huán)境效應。E-mail: djwang@issas.ac.cn

鄭繼成, 主要研究方向為農田碳氮養(yǎng)分循環(huán)及其環(huán)境效應。E-mail: jczheng@issas.ac.cn

2018-07-26

2018-09-11

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0800105) and the Agricultural Science and Technology Innovation Foundation of Jiangsu Province [CX(15)1002].