赫兵 李超 嚴(yán)永峰 劉月月 赫靖淇 于天華 王帥 陳殿元* 嚴(yán)光彬

（1 吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，吉林吉林132101；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，長春130499；3 通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jù)2020年中國統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，我國水稻秸稈產(chǎn)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(fā)達(dá)國家主要為肥料化、飼料化和工業(yè)原料化這3 種方式[1]。且已經(jīng)達(dá)到了一種處理供求平衡、利用效率高的良好狀態(tài)。我國對水稻秸稈的處理主要集中在工業(yè)原料化利用方面[2-4]，但隨著其他新型材料的出現(xiàn)，水稻秸稈目前已不再作為生產(chǎn)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(yán)重。黑土地開墾200 余年，墾前有機(jī)質(zhì)含量5.0%以上，現(xiàn)僅為2.0%左右。長期定位試驗(yàn)表明，連年耕作后單施化肥區(qū)有機(jī)碳下降10.4%，活性有機(jī)碳下降8.9%。據(jù)調(diào)查，吉林省稻田因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)投入不足，有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)從20 世紀(jì)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(yán)重下降，化肥施用量增加1.0 倍以上[5]。這不僅嚴(yán)重降低了肥料利用率，引發(fā)污染，同時(shí)提高了生產(chǎn)投入，也影響了稻米品質(zhì)，阻礙我國水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而數(shù)據(jù)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(jī)碳庫平衡。國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等6 個(gè)部委聯(lián)合印發(fā)《東北黑土地保護(hù)規(guī)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(tǒng)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(shí)產(chǎn)生大量甲烷等氣體，影響水稻分蘗，致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能正常進(jìn)行或在栽培管理不當(dāng)時(shí)，容易造成減產(chǎn)；而在秋季單純進(jìn)行翻耕還田，因?yàn)橥寥廊蕴幱谘趸瘧B(tài)，不利于秸稈腐爛，并排放大量甲烷等有害氣體，同時(shí)混雜在秸稈中的雜草種子等在次年開春后萌發(fā)容易造成草害。解決這一難題，要結(jié)合吉林省氣候環(huán)境特點(diǎn)，最大限度延長水稻秸稈腐解期[6]。日本學(xué)者針對水稻秸稈春季和秋季還田進(jìn)行了比較試驗(yàn)，結(jié)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(fā)生的還原性損傷，可以在一定程度上減少甲烷氣體的產(chǎn)生[7-8]。其原因就是讓水田土壤在秋收后立即達(dá)到還原態(tài)，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(dá)到還原態(tài)，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(chǎn)生大量甲烷等有害氣體，同時(shí)也避免了在春季農(nóng)業(yè)用工高峰時(shí)進(jìn)行還田作業(yè)，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(chǎn)量，培肥地力，在一定程度上抑制病蟲草害的發(fā)生，保證水稻產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

但目前關(guān)于水稻秸稈還田的相關(guān)研究主要集中在春季還田或者秋季翻耕還田，關(guān)于稻草秋季水耙漿還田的研究及相關(guān)文獻(xiàn)少[9-12]。因此，本試驗(yàn)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(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019—2020年在吉林省永吉縣一拉溪鎮(zhèn)“九月豐”家庭農(nóng)場進(jìn)行。試驗(yàn)所選田塊為周邊無遮擋且獨(dú)立排灌的3 個(gè)相鄰田塊，每個(gè)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(shè)置3個(gè)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(dāng)年秋季收獲后進(jìn)行水耙漿還田。秸稈還田量均為11 000 kg/hm2。水稻插秧規(guī)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(nóng)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(dāng)年水稻收獲后灌水泡田3 d，當(dāng)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(jié)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(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式相同。

1.2 調(diào)查項(xiàng)目及方法

1.2.1 CH4濃度

于2019年采用八木等[13-14]的靜態(tài)氣體箱法取樣，將規(guī)格為40.0 cm×30.0 cm×1.0 m 的氣體箱預(yù)置水田中，每個(gè)氣體箱內(nèi)插入2 叢水稻。取樣時(shí)，打開氣體箱風(fēng)扇，將箱內(nèi)氣體混勻后分別于0 min、15 min 和30 min時(shí)取樣，將所取樣品100 mL 轉(zhuǎn)移到遮光黑色密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)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(jì)（TR-901）電極插入土壤5.0 cm 左右測定，每個(gè)處理區(qū)選5 點(diǎn)。

1.2.3 土壤性質(zhì)

分別于2019—2020年秋季在各處理區(qū)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(shí)驗(yàn)室，測定土壤性質(zhì)，每個(gè)處理區(qū)選取5 點(diǎn)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(wǎng)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(qū)20.0 cm 深，每個(gè)處理區(qū)分別埋入5 袋。在2019年4 月至9 月底取出烘干稱重，計(jì)算秸稈失重率[秸稈失重率=（埋入前質(zhì)量-埋入后質(zhì)量）/埋入前質(zhì)量]。并利用莖稈強(qiáng)度測定儀（YYD-1A）測定秸稈被拉斷時(shí)的拉力。

1.2.5 雜草發(fā)生情況

于2020年分別在無還田區(qū)和秋季還田區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5 點(diǎn)，采用波形板將調(diào)查點(diǎn)單獨(dú)隔離，確保使用除草劑時(shí)對調(diào)查點(diǎn)位無影響。在水稻插秧后40 d 內(nèi)每隔10 d 調(diào)查1 次調(diào)查點(diǎn)位1.0 m2內(nèi)的禾本科雜草發(fā)生情況。

1.2.6 水稻生育期性狀及產(chǎn)量構(gòu)成要素

分別在6 月至9 月調(diào)查不同處理區(qū)水稻株高、葉色和分蘗數(shù)，9 月底測定產(chǎn)量構(gòu)成要素。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2019 軟件進(jìn)行整理，采用JMP 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理稻田CH4 排放動(dòng)態(tài)

由表1 可見，CK 在8 月達(dá)到CH4排放高峰，T1 和T2 處理的CH4排放量均在6 月達(dá)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(dòng)態(tài)

如圖1 所示，不同處理不同月份土壤ORP 在整個(gè)生育期之內(nèi)都呈現(xiàn)負(fù)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(dá)到最低峰值，T1 處理為-304 mv、T2 處理為-277 mv，都呈現(xiàn)了強(qiáng)還原狀態(tài)。而CK 則在8 月中旬達(dá)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(fā)生的月份和強(qiáng)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(gè)生育期內(nèi)都要更高。相比于初始質(zhì)量，秋季還田區(qū)在調(diào)查開始的4 月末，秸稈質(zhì)量已經(jīng)減少4.78%。最終秋季還田區(qū)秸稈失重率為33.28%，春季還田區(qū)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(qū)的秸稈斷裂拉力為春季還田區(qū)的76.80%，且秋季還田區(qū)的秸稈斷裂拉力在整個(gè)生育期內(nèi)比春季還田區(qū)要?。蛔罱K秸稈斷裂拉力，秋季還田區(qū)為68.40 N，春季還田區(qū)為81.6 N，秋季還田區(qū)為春季還田區(qū)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(zhì)

由表2 可見，相比CK，秸稈還田區(qū)的有效磷和有機(jī)質(zhì)提升，堿解氮、速效鉀和土壤pH 值下降。秋季還田區(qū)，相比于2019年，2020年的有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)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(zhì)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(shù)在插秧后10 d 開始增加，在插秧后20～30 d 達(dá)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(shù)分別為93 株/m2和53 株/m2。

圖4 同處理禾本科雜草株數(shù)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(gè)生育期表現(xiàn)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(qū)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(qū)的水稻分蘗數(shù)均在7 月上旬達(dá)到高峰，但T2 處理在高峰之后分蘗數(shù)下降較緩，最終分蘗數(shù)為24.6 個(gè)，而T1 處理的水稻分蘗數(shù)在達(dá)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(shù)為23.7 個(gè)，CK 的分蘗數(shù)在生育后期下降明顯，最終分蘗數(shù)為21.3 個(gè)。

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(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素

如表3 所示，相比于CK，秸稈還田處理有效穗數(shù)都有明顯的提升，T1 處理的有效穗數(shù)要更高。但相比T1 處理，T2 處理的每穗粒數(shù)要更多。而結(jié)實(shí)率和千粒重，不同處理間相差不大。不同處理理論產(chǎn)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(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，T2 處理CH4排放高峰要比CK提前2 個(gè)月左右，CH4發(fā)生量相比T1 處理在整個(gè)生育期內(nèi)要更加平均，且從5 月開始已經(jīng)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(dá)到高峰，相比T1 處理，T2 處理在整個(gè)生育期內(nèi)的ORP 數(shù)值變化都相對較高，即呈現(xiàn)出較弱的還原態(tài)（圖1）。圖6 表示不同處理CH4排放量與ORP的相關(guān)關(guān)系。由圖6 可見，不同處理CH4排放量與ORP 之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即稻田還原態(tài)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(guān)關(guān)系

分別以CH4排放量作為響應(yīng)，以O(shè)RP 值作為變量進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法的模型擬合，得到CH4排放量與ORP 值的關(guān)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(guān)系式計(jì)算可得，當(dāng)CH4排放量等于0 的時(shí)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(jìn)行水耙漿，稻田ORP 值即可下降到負(fù)值，開始排放CH4。而CH4排放總量，即還田的有機(jī)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(zhì)量，即更早開始腐解（圖2）。同時(shí)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(shí)間內(nèi)進(jìn)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(yù)計(jì)在腐解時(shí)間延長的情況下，二者斷裂拉力可能會趨近相同（圖3）。

國內(nèi)外相關(guān)研究已經(jīng)證明，可以通過水稻秸稈腐熟還田技術(shù)來提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，達(dá)到土壤增碳培肥的效果，同時(shí)優(yōu)化土壤生物及物理特性，減少化肥投入。連續(xù)多年秸稈還田試驗(yàn)還表明，隨著秸稈還田實(shí)施年限的增加，其對作物增產(chǎn)和耕地質(zhì)量的提升效果越發(fā)顯著[15-17]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，相比秸稈不還田，各秸稈還田處理區(qū)的有效磷和有機(jī)質(zhì)含量都有明顯提高。而連續(xù)2年還田效果更加明顯，秋季還田區(qū)2020年土壤中有機(jī)質(zhì)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(qū)。但秸稈還田處理區(qū)的堿解氮相比秸稈不還田區(qū)有所下降，且秋季還田區(qū)相比春季還田區(qū)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(qū)，秋季還田區(qū)的禾本科雜草株數(shù)在插秧后增加幅度低，且出草高峰期雜草株數(shù)少，在插秧后40 d 的最終雜草株數(shù)相比不還田區(qū)明顯減少（圖4）。水稻株高、葉色和分蘗數(shù)由高到低均是秸稈秋季水耙漿還田區(qū)、秸稈春季還田區(qū)和秸稈不還田區(qū)，秸稈還田處理區(qū)的水稻葉色和分蘗數(shù)相比秸稈不還田區(qū)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(shù)和每穗粒數(shù)要明顯高于秸稈不還田區(qū)。春季還田處理有效穗數(shù)要比秋季水耙漿還田處理高，但每穗粒數(shù)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(chǎn)量分別提高4.4%和4.9%。但不同品種在不同還田處理區(qū)中的表現(xiàn)有差異，秸稈還田對吉宏9 這樣大穗、分蘗能力較強(qiáng)的品種增產(chǎn)效果良好，而對于吉農(nóng)大853 這樣分蘗能力較弱的品種影響較小。吉農(nóng)大853 在秸稈秋季還田條件下相比秸稈不還田處理還表現(xiàn)為減產(chǎn)（表3）。