王國驕 宋鵬 楊振中 張文忠

秸稈還田對水稻光合物質(zhì)生產(chǎn)特征、稻米品質(zhì)和土壤養(yǎng)分的影響

王國驕 宋鵬 楊振中 張文忠

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，110866，遼寧沈陽）

為充分利用秸稈資源，減少秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染，采用大田試驗，以水稻品種鹽豐47為試驗材料，設(shè)置秸稈還田（S）和不還田（CK）處理，對水稻干物質(zhì)積累、分配及轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量、稻米品質(zhì)、土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量進行比較研究。結(jié)果表明，S處理水稻產(chǎn)量低于CK，差異不顯著。與CK相比，S處理顯著增加了水稻成熟期葉、莖和鞘的干重及占總干重比例，但各部分干物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)運率顯著降低。S處理極顯著地降低了稻米的堊白粒率、堊白大小、堊白度和直鏈淀粉含量，提高了稻米的食味值，對稻米的糙米率、精米率和整精米率無顯著影響。S處理顯著提高了水稻主要生育時期土壤的有機碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量，對土壤的全鉀含量和C/N無顯著影響。S處理水稻抽穗期土壤銨態(tài)氮含量、乳熟期和成熟期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著低于CK。說明遼寧地區(qū)推廣秸稈還田有利于培肥土壤，改善稻米品質(zhì)，不會顯著影響水稻產(chǎn)量。

秸稈還田；水稻；光合物質(zhì)生產(chǎn)；稻米品質(zhì)；土壤養(yǎng)分

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品，同時也是重要的生物資源，其含有豐富的碳、氮、磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，2015-2017年我國主要糧食作物種植區(qū)域水稻秸稈的年產(chǎn)量均超過2億t[3-4]。在水稻種植區(qū)推行稻草還田不僅可以避免稻草焚燒帶來的環(huán)境污染，還可以改良土壤，培肥地力，促進農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)，是秸稈資源利用直接有效的途徑[1-4]。然而，秸稈在土壤中的腐解是一個漫長復(fù)雜的過程，受溫度、濕度、微生物和土壤質(zhì)地等因素的影響[1]。

前人就稻草還田對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響進行了大量研究，但研究結(jié)果不盡一致。廖萍等[5]研究認為，在南方雙季稻區(qū)，連續(xù)4年秸稈還田顯著提高了土壤有機質(zhì)含量和雙季稻產(chǎn)量，而對全氮含量無顯著影響。陳紅金等[6]通過連續(xù)8年的秸稈粉碎還田試驗表明，隨著還田年限增加，水稻產(chǎn)量增加6.82%～8.47%。然而，丁文金等[7]和曾研華等[3]研究認為，秸稈還田使早稻產(chǎn)量和雙季稻總產(chǎn)量降低，對晚稻產(chǎn)量無顯著影響。張志毅等[8]采用Meta分析方法定量研究了長三角地區(qū)稻麥輪作下秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果表明，短期（＜2年）的秸稈還田能夠顯著提升土壤有機碳含量，2～5年的秸稈還田能顯著提高土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。近年關(guān)于秸稈還田方面的研究主要集中在南方雙季稻區(qū)和稻麥輪作區(qū)。我國東北地區(qū)冬春季氣溫低，存在秸稈直接還田腐解困難等問題[9-10]，因此明確稻草還田的可行性尤為必要。本研究采用大田試驗，研究稻草全量還田對水稻光合物質(zhì)積累與分配、稻米品質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量的影響，揭示水稻群體干物質(zhì)變化特征及土壤養(yǎng)分變化過程，以期為遼寧稻區(qū)秸稈資源利用及培肥地力提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于遼寧省盤錦市大洼區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)二道邊村（41°1′37″ E，122°15′11″ N），屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。供試土壤為鹽堿水稻土，土壤pH 7.11，有機質(zhì)28.53g/kg，全氮1.88g/kg，全磷0.69g/kg，全鉀27.27g/kg，硝態(tài)氮27.22mg/kg，銨態(tài)氮7.66mg/kg，有效磷46.58mg/kg，速效鉀349.00mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年開展，設(shè)置秸稈還田（S）和不還田（CK）處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積600m2。供試水稻品種為鹽豐47，秸稈還田量為本田全量稻草（7330kg/hm2）。2017年秋季使用帶有秸稈切碎且均勻拋撒裝置的水稻聯(lián)合收割機收獲水稻的同時進行秸稈粉碎。2018年5月19日上水泡田，5月20日進行水旋埋茬作業(yè)，將秸稈全部埋入泥漿中，5月25日再次旋耕平田，5月29日機械插秧，行株距為30cm×18cm，每穴6苗，10月10日收獲。施肥量為N 290kg/hm2、P2O5140kg/hm2和K2O 84kg/hm2。氮肥按照基肥︰返青肥︰蘗肥︰穗肥=6︰1.5︰2︰0.5的比例施用。磷肥和鉀肥按照基肥︰穗肥=4︰1的比例施用。試驗期間田間生產(chǎn)管理均按當(dāng)?shù)貙嶋H生產(chǎn)措施進行，適時進行病蟲草害防治。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運 按每小區(qū)調(diào)查田間平均莖蘗數(shù)，分別于水稻的抽穗期、乳熟期和成熟期取代表性植株3穴，每樣本分為葉、莖、鞘和穗，烘干稱取干重。計算主要生育階段（抽穗期－乳熟期、乳熟期－成熟期）地上部分（葉、莖和鞘）的干物質(zhì)輸出量（kg/hm2）、干物質(zhì)輸出率（%）和干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率（%）[11-12]。干物質(zhì)輸出量（kg/hm2）=前一時期葉（莖或鞘）干重–后一時期葉（莖或鞘）干重，干物質(zhì)輸出率（%）=葉（莖或鞘）干物質(zhì)輸出量/葉（莖或鞘）干重×100，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率（%）=葉（莖或鞘）干物質(zhì)輸出量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.2 產(chǎn)量 成熟期每小區(qū)調(diào)查100穴，計算有效穗數(shù)，并按照平均成穗數(shù)取3穴調(diào)查穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，計算理論產(chǎn)量。每小區(qū)實收1m2（30cm×330cm），測定籽粒含水量，去除雜質(zhì)，折算實收產(chǎn)量。

1.3.3 品質(zhì) 參照《GB/T 17891-2017優(yōu)質(zhì)稻谷》測定糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白大小和堊白度。采用近紅外谷物分析儀（Infratec Nova grain analyzer，瑞典Foss公司）測定精米的蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量和食味值。

1.3.4 土壤樣品采集及測定 分別于水稻分蘗期、抽穗期、乳熟期和成熟期進行土壤（0～20cm）采樣。每個小區(qū)用土鉆按“S”形隨機采集6點的土壤樣品，去除秸稈殘留和石塊等雜質(zhì)，混勻后采用“四分法”分取土壤樣品，置于濕熱滅菌自封袋中。取500g的新鮮土樣儲存于4℃冷藏柜中，用于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定；取1000g土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干，用于測定有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀和有機碳含量。土壤養(yǎng)分測定參照魯如坤[13]的方法：采用重鉻酸鉀氧化－容量法測定土壤有機碳，采用氫氧化鈉堿熔－鉬銻抗分光光度法測定土壤全磷含量，采用氫氧化鈉熔融－原子吸收分光光度法測定土壤全鉀含量，采用氯化鉀浸提－靛酚藍比色法測定土壤銨態(tài)氮含量，采用氯化鉀浸提－重氮化偶合比色法測定土壤硝態(tài)氮含量，采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定有效磷含量，采用醋酸銨浸提－火焰光度法測定速效鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)，使用DPS 17.10軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，采用Studentt檢驗比較處理之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響

由表1可知，秸稈還田對水稻的穗數(shù)和結(jié)實率無顯著影響。與CK相比，S處理水稻的穗粒數(shù)極顯著降低了13.91%，而千粒重極顯著增加。S處理的水稻產(chǎn)量低于CK，但差異不顯著。

表1 秸稈還田對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

“**”表示在0.01水平差異顯著。下同

“**”indicates significant difference at the 0.01 probability level. The same below

2.2 秸稈還田對稻米品質(zhì)的影響

秸稈還田對稻米的糙米率、精米率和整精米率無顯著影響，但稻米的堊白粒率、堊白大小和堊白度均極顯著低于CK（表2）。與CK相比，S處理稻米的直鏈淀粉含量極顯著降低，食味值極顯著升高，但對稻米蛋白質(zhì)含量無顯著影響。

2.3 秸稈還田對水稻干物質(zhì)生產(chǎn)特征的影響

2.3.1 葉、莖、鞘和穗干重及其比例 秸稈還田處理水稻中后期葉、莖、鞘和穗干重及其變化分析（表3）表明，隨著生育進程的推進，葉干重和鞘干重均呈逐漸下降的趨勢；莖干重呈先減再增的趨勢，從抽穗期到乳熟期下降，到成熟期表現(xiàn)為明顯的回升趨勢；穗干重呈逐漸增加趨勢，成熟期達到最大。抽穗期S處理的葉、莖、鞘和穗干重與CK無顯著差異；乳熟期S處理僅葉干重比CK增加了16.14%，差異極顯著；成熟期S處理的葉、莖和鞘干重均顯著高于CK。S處理的穗干重在各生育時期與CK均無顯著差異。

表2 秸稈還田對稻米品質(zhì)的影響

表3 秸稈還田對水稻中后期葉、莖、鞘和穗干重及其分配的影響

“*”表示在0.05水平差異顯著

“*”indicates significant different at 0.05 probability level

水稻生育中后期葉、莖、鞘和穗各部分占地上部干重比例及其變化（表3）表明，隨著生育進程的推進，各生育時期葉、鞘和穗所占比例與其干重變化趨勢一致；莖干重比例從抽穗期到乳熟期逐漸降低，但成熟期S處理的莖干重比例卻比乳熟期增加14.51%。抽穗期除了CK的莖干重比例顯著高于S處理外，S處理的葉、鞘和穗干重比例與CK之間均無顯著差異；乳熟期S處理的葉干重比例顯著高于CK；成熟期S處理的葉、莖和鞘干重比例均顯著高于CK，但穗干重所占比例顯著低于CK。

2.3.2 葉、莖主鞘干物質(zhì)輸出與轉(zhuǎn)運特征 由表4可知，抽穗－乳熟期S處理葉、莖和鞘的輸出量和轉(zhuǎn)運率與CK相比均無顯著差異，但葉和鞘的干物質(zhì)輸出率分別比CK降低30.03%和21.64%，差異顯著。莖在乳熟期之后呈現(xiàn)再充實增重過程，乳熟－成熟期莖干物質(zhì)的輸出量、輸出率和轉(zhuǎn)運率均是負值，且S處理和CK之間的差異均達到極顯著水平。

表4 秸稈還田對水稻葉、莖和鞘干物質(zhì)輸出與轉(zhuǎn)運的影響

2.4 秸稈還田對水稻土壤養(yǎng)分的影響

由表5可知，與CK相比，S處理顯著或極顯著地提高了水稻各生育時期土壤有機碳、全氮和全磷含量，但對各生育時期土壤全鉀含量和C/N無顯著影響。

由圖1可知，分蘗期S處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別比CK增加了62.56%和24.18%，差異極顯著。抽穗期S處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CK，土壤銨態(tài)氮含量顯著低于CK。乳熟期和成熟期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為CK顯著或極顯著高于S處理。S處理土壤有效磷和速效鉀含量在水稻各生育時期均顯著或極顯著高于CK。

表5 秸稈還田對水稻主要生育時期土壤養(yǎng)分含量的影響

圖1 秸稈還田對水稻主要生育時期土壤速效養(yǎng)分含量的影響

3 討論

秸稈還田年限不同、水稻品種不同以及稻田土壤肥力的差異導(dǎo)致秸稈還田對水稻產(chǎn)量效應(yīng)不一致[5,14]，但相關(guān)的研究多集中在南方稻區(qū)，由于氣候等原因，對東北稻區(qū)相關(guān)研究較少[9]。多年連續(xù)秸稈粉碎還田長期定位試驗[6]表明，秸稈還田的第1～5年水稻產(chǎn)量僅較常規(guī)施肥處理增加2.56%～3.77%，從第6年開始秸稈還田處理水稻的產(chǎn)量才顯著增加。曾研華等[3]的研究表明，連續(xù)6年早稻稻草還田處理中，前2年晚稻產(chǎn)量偏低，之后出現(xiàn)升高趨勢，6年平均產(chǎn)量基本持平。丁文金等[7]研究認為短期秸稈還田早稻產(chǎn)量和雙季稻總產(chǎn)量降低，對晚稻的產(chǎn)量無顯著影響。崔月峰等[10]對遼寧地區(qū)稻草直接還田的研究表明，秸稈還田引起水稻穗實粒數(shù)、千粒重、有效穗數(shù)和產(chǎn)量顯著下降。本研究表明，S處理水稻的穗粒數(shù)顯著降低，對產(chǎn)量產(chǎn)生負面影響，但與CK差異不顯著。這說明短期秸稈還田不會顯著影響水稻產(chǎn)量，秸稈還田后在土壤中的腐解是一個復(fù)雜且漫長的過程，特別是北方地區(qū)由于溫度較低，秸稈腐解較慢，因此長期連續(xù)秸稈還田后對水稻生產(chǎn)的累積效應(yīng)還有待持續(xù)關(guān)注。

徐國偉等[15]和陳夢云等[16]的研究表明，秸稈還田顯著降低了稻米的堊白粒率、堊白大小和堊白度，但對稻米的糙米率、精米率和整精米率沒有顯著影響。本研究結(jié)果與前人一致，秸稈還田極顯著地改善了稻米的外觀品質(zhì)，對稻米的加工品質(zhì)無顯著影響。秸稈還田對稻米堊白度的影響可能在穎花發(fā)育期，秸稈還田處理增加了稻田的養(yǎng)分供應(yīng)導(dǎo)致堊白度降低[15-17]。淀粉中直鏈淀粉對大米的蒸煮和食用品質(zhì)有重要影響，直鏈淀粉含量越低，米飯越松軟越好吃[18]。本研究表明，S處理極顯著地降低了稻米直鏈淀粉含量，食味值極顯著提高，這與徐國偉等[15]和陳夢云等[16]的研究結(jié)果一致。李冠男等[18]研究了秸稈還田對東北蘇打鹽堿地水稻營養(yǎng)品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，秸稈還田配施氮磷鉀肥處理稻米的蛋白質(zhì)含量與氮磷鉀配施處理間無顯著差異，與本試驗的研究結(jié)果一致。

水稻產(chǎn)量的形成是光合物質(zhì)的積累及其分配、運輸和轉(zhuǎn)化的結(jié)果[11,19]。秸稈還田有利于增加早稻和晚稻植株莖、葉、穗的干物質(zhì)積累量和莖葉干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率[20]。秸稈還田使水稻的葉、莖、鞘的物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率顯著降低[10,12]。本研究表明，S處理水稻成熟期葉、莖和鞘的干重及占總干重比例均顯著高于CK，穗占總干重的比例均顯著低于CK。抽穗－乳熟期S處理葉和鞘的干物質(zhì)輸出率顯著低于CK，乳熟－成熟期S處理莖的輸出量、輸出率和轉(zhuǎn)運率極顯著降低。說明秸稈還田處理雖然顯著增加了成熟期干物質(zhì)的積累量，但干物質(zhì)在各器官中的運輸轉(zhuǎn)化率降低，導(dǎo)致成熟期穗部干重比例變小，對產(chǎn)量形成產(chǎn)生一定的影響。李杰等[11]和霍中洋等[19]對不同水稻品種光合物質(zhì)生產(chǎn)特征的研究中都發(fā)現(xiàn)莖干重在灌漿后期有2次增重的現(xiàn)象。趙全志等[21]研究表明高產(chǎn)水稻在灌漿前中期莖鞘物質(zhì)輸出較多，但到灌漿后期回升也較多，而后期莖鞘物質(zhì)一直向外輸出是低產(chǎn)的表現(xiàn)。本研究中，S和CK處理水稻莖干重都在乳熟期降到最低，然后均出現(xiàn)再充實增重的過程，但S處理回升比例顯著高于CK，說明S處理水稻在乳熟期后較多的干物質(zhì)向莖稈中再次積累，這有利于增強群體的抗倒伏能力[11]。

秸稈在土壤中腐解伴隨著氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放，不僅可以為作物生長提供養(yǎng)分，還可以改善土壤的理化性質(zhì)[2]。楊濱娟等[22]和黃容等[23]研究認為，秸稈還田能顯著提高水稻收獲后耕層土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量。汪軍等[24]研究表明，秸稈全量還田顯著增加了水稻成熟期土壤有機碳、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，但土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量比對照顯著降低。本研究表明，與CK相比，S處理使水稻主要生育時期土壤的有機碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量顯著或極顯著升高，但對土壤的全鉀含量和C/N無顯著影響；S處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在水稻生長中后期顯著低于CK。秸稈還田會消耗土壤中部分氮素，造成后期土壤中堿解氮含量降低[25]。戴志剛等[26]和黃菲等[27]采用尼龍網(wǎng)袋法研究水稻秸稈在淹水條件下養(yǎng)分釋放特征，表明水稻秸稈的快速腐解期為20～30d，氮素的累計釋放率為25%～28%，即使經(jīng)過120d以上的培養(yǎng)，秸稈中氮素釋放量也不超過50%。趙全志等[21]研究認為，水稻生長后期氮肥量減少引起抽穗期到成熟期莖鞘物質(zhì)負輸出。本試驗表明，在水稻生長中后期土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著降低，對水稻中后期干物質(zhì)的分配與轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生影響，進而降低了S處理水稻的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

秸稈還田顯著增加水稻成熟期葉、莖和鞘的干重，但對各器官干物質(zhì)輸出與轉(zhuǎn)運產(chǎn)生負面影響。因此，秸稈還田后應(yīng)調(diào)整氮肥的施用時期與施用量，加強水稻生長中后期的氮肥管理。秸稈還田對改善土壤養(yǎng)分有促進作用，能顯著提高稻米的外觀品質(zhì)與食味值。

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[25] 王靜靜，張鵬，毛筱曄，等. 越冬期還田稻秸腐解規(guī)律及其對濱海粘質(zhì)土地力的影響. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2019，31(2)：42-45.

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[27] 黃菲，劉言，李繼福，等. 水旱輪作條件下還田秸稈腐解和養(yǎng)分釋放特征研究. 長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，14(18)：54-60，5.

Effects of Straw Returning on Photosynthetic Matter Production Characteristics, Quality of Rice and Soil Nutrients

Wang Guojiao, Song Peng, Yang Zhenzhong, Zhang Wenzhong

(Rice Research Institute, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China)

The purpose of this study was to make full use of straw resources and reduce environmental pollution caused by straw burning. A field experiment was conducted using japonica rice Yanfeng 47 with straw returning (S) and no straw returning (CK) treatments. The accumulation, distribution and transportation of dry matter, yield and rice quality, soil total nutrient, and available nutrient content were determined. The results showed that the rice yield of S treatment was lower than that of CK, and the difference was not significant. Compared with CK, S treatment significantly increased the dry matter weight of leaves, stems, and sheaths and the dry matter weight ratio to the total plant at the mature stage, but the dry matter export rate and transformation rate of each part were significantly reduced. S treatment significantly reduced chalky grain rate, chalkiness area, chalkiness degree, and amylose content of rice and improved the taste value of rice. There was no significant difference in brown rice rate, milled rice rate, and head rice rate between CK and S treatment. S treatment significantly increased the contents of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, and available potassium in the soil during the main growth period of rice and had no significant effects on the total potassium content and C/N of the soil. Compared with CK, S treatment significantly reduced the soil ammonium nitrogen content at the heading stage and the soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content at the milking and maturity stages. These results demonstrated that the promotion of straw returning in Liaoning would not significantly affect rice yield and was beneficial for soil fertility and the improvement of rice quality.

Straw returning; Rice; Photosynthetic matter production; Rice quality; Soil nutrients

10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.010

王國驕，主要從事水稻高產(chǎn)栽培生理研究，E-mail：syaurice@syau.edu.cn

張文忠為通信作者，主要從事水稻超高產(chǎn)生理生態(tài)與遺傳改良研究，E-mail：zwzhong@126.com

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0300306-02）

2020-07-28；

2020-09-30；

2021-07-05