稻草全量还田替代部分化肥对双季稻田土壤理化性质的影响

范呈根 吴建富 曾研华 潘晓华 陈荣华 申昌优 张祖清

摘要 [目的] 研究稻草全量還田替代部分化肥对双季稻田土壤理化性质的影响。[方法]研究等量氮磷钾养分施入条件下，连续7年机械化稻草全量还田减施化肥（SIF）、烧灰还田减施化肥（SBF）、单施化肥（F）和不施肥（CK）对双季稻田土壤理化性质的影响。[结果]在等量氮磷钾养分投入条件下，与SBF和F处理相比，SIF处理能明显降低土壤容重，均减少0.06 g/cm3，增加土壤总孔隙度、通气孔隙度、田间持水量和最大持水量，平衡土壤水、气状况，而前两者差异不显著；与F处理相比，SIF处理可以减缓土壤酸化，提高0.1个pH，土壤有机质增加0.83 g/kg，全氮和速效硅分别提高2.92%和42.19%，从而提高土壤肥力。土壤固碳量和固碳速率均呈SIF>F>SBF的趋势，在固碳减排上稻草还田具有更大优势。[结论]该研究为稻草资源有效利用和土壤合理培肥途径提供理论依据和技术指导。

关键词 稻草全量还田；双季稻田；土壤理化性质

中图分类号 S153 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）27-0134-03

Effects of Replacement Part Chemical Fertilizer with Total Rice Straw Incorporation on Double Cropping Paddy Field Soil Physical and Chemical Properties

FAN Chenggen1，2，WU Jianfu1，ZENG Yanhua1 et al

（1.Key Laboratory of Crop Physiology，Ecology and Genetic Breeding，Ministry of Education， Nanchang，Jiangxi 330045；2.Upland Crop Sciences Research Institute，Ganzhou，Jiangxi 341000）

Abstract [Objective] To study effects of replacement part chemical fertilizer with total rice straw incorporation on double cropping paddy field soil physical and chemical properties. [Method]Under the conditions of the same amount nutrient inputted of nitrogen， phosphorus and potassium，effect of full mechanized straw incorporation and reducing inorganic fertilizers application（SIF）， straw burning and reducing inorganic fertilizers application（SBF）， inorganic fertilizers alone application（F）， and straw nonincorporation and no chemical fertilizer（CK） for serial seven years on soil physical and chemical properties was studied.[Result] Under the conditions of the same amount nutrient inputted of nitrogen， phosphorus and potassium， compared with SBF and F， SIF treatment could significantly reduce the soil bulk density， reduced 0.06 g/cm3， increase the soil total porosity， air porosity and field capacity and maximum water holding capacity， balance soil water and gas conditions， but no significant difference of the first two treatments； compared with F， SIF could slow the soil acidification， its PH was increased 0.1； the soil organic matter was increased 0.83 g/kg， the total nitrogen was 2.92%， effective silicon was 42.19%， so as to improve soil fertility. For the soil carbon fixation and rate， SIF was higher than F， F was higher than SBF， straw returning had a greater advantage in the carbon sequestration.[Conclusion]The study provides theoretical basis and technical guidance for the effective utilization of straw resources and the rational way of soil fertilizing.

Key words Total rice straw incorporation；Double cropping paddy field；Soil physical and chemical properties

基金项目 “十三五”国家重点研发计划项目（2017YFD0301601-01）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAD07B12）；江西省科技支撑计划重点项目（2009BNA03800）；中国博士后科学基金面上项目（2016M600512）。

作者简介 范呈根（1989—），男，江西永丰人，硕士研究生，研究方向：作物养分管理。

*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事土壤肥料与作物养分管理及高产栽培技术研究。

收稿日期 2018-05-08

我国水稻种植面积达0.3亿hm2，其产量占全国粮食总产的40%。同时，水稻生产产生十分丰富的稻草资源，约为2.05亿t[1]。水稻秸秆是一种含碳丰富的能源物质，为重要的有机肥源，含有丰富的碳、氮、磷、钾、硅、微量元素等养分；稻草还田在改善土壤理化性状、提高土壤肥力、提高农作物产量、品质和降低施肥成本等方面具有重要作用[2]。张慧等[3]研究表明，秸秆还田能增加土壤有机质、全氮、磷酸盐、铵态氮、硝态氮、缓效钾的含量。黄景等[4]研究认为，稻草还田免耕拋秧能协调土壤氮、磷和钾，有利于土壤肥力的提高。合理利用稻草资源，实行有机肥替代部分化肥，是我国到2020年化肥实现零增长目标的重要举措，也是实现农业可持续发展的重要途径。近年来，农业机械化水平不断提高，为稻草全量还田提供了有效措施；同时稻草直接焚烧还田在水稻生产中一直存在。目前关于稻草还田对土壤理化性质的研究较多[5-10]；但连续多年等量氮磷钾养分施入条件下，系 统探讨稻草全量还田减施化肥、烧灰还田减施化肥和单施化肥三者对双季稻田土壤理化性质的影响较少。为此，笔者以双季稻稻草还田长期定位试验为研究对象，系统比较了稻草全量还田减施化肥、烧灰还田减施化肥和单施化肥三者间耕作层土壤理化性质差异，旨在为稻草资源有效利用和土壤合理培肥途径提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省进贤县温圳镇杨溪村国家级耕地质量监测点基地（116°5′29.73″ E、28°20′7.14″N）。试验点地势平坦，年平均气温17.5 ℃，年最高气温40.6 ℃，年最低气温-9.3 ℃，年降雨量1 600～1 800 mm，降雨日144 d， 平均相对湿度77%，年平均日照时间1 900.5 h，无霜期291 d。供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土。试验开始时土壤基本化学性质：有机质34.16 g/kg，全氮 2271 g/kg，碱解氮126.0 mg/kg，速效磷（P2O5）31.34 mg/kg，速效钾（K2O）97.9 mg/kg， pH 5.48。

1.2 试验材料

供试早晚稻品种分别为陆两优996和五丰优T025；供试化肥为尿素（N 46%）、氯化钾（K2O 60%）和钙镁磷肥（P2O5 12%）。

1.3 试验设计

采用田间定位试验的方法，于2009年晚稻机收后稻草分别全量还田和烧灰还田，做翌年早稻有机肥。此后，每季水稻机收后对应处理稻草均全量还田、烧灰还田。试验设4个处理：①不施肥（CK），即稻草不还田不施化肥；②单施化肥（F），稻草全部移出田间，仅留稻桩，仅施化肥；③稻草烧灰还田减施化肥（SBF），即喂入式收割机收获早、晚稻后人工撒匀稻草，晒干燃烧成灰，灌适量水后用拖拉机旋耕作为早、晚稻基肥；④稻草全量还田减施化肥（SIF），即喂入式收割机收获早、晚稻时将稻草切碎，早稻稻草人工撒匀灌水后用拖拉机将稻草旋耕入土，作为晚稻基肥；晚稻稻草人工撒匀后，来年春耕时用拖拉机旋耕入土，作为早稻基肥。采用大区试验，随机设计，每处理面积326.7 m2，取样时将每个大区等分为 3 个取样小区，形成大区内重复。处理间用水泥埂隔离防渗，单灌单排。除不施肥处理外，其他各处理N、P、K投入量相等。稻草和草木灰的重量、养分含量按实际测定结果计算。稻草还田和稻草烧灰还田2个处理的实际化肥用量为设计施肥量减去稻草和草木灰还田输入的养分量。早晚稻纯氮施用量分别为165、195 kg/hm2，早晚稻N、P2O5和K2O的质量比为1.00 ∶0.45 ∶0.90。早稻氮肥按照基肥、分蘖肥、穗肥质量比5 ∶2 ∶3施用；晚稻氮肥按照基肥、分蘖肥、穗肥质量比4 ∶2 ∶4施用；早、晚稻钾肥按照分蘖肥、穗肥质量比7 ∶3施用；磷肥一次性做基肥施用。其他按常规高产栽培要求进行。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤物理性质。

2016年晚稻成熟时，采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、通气孔隙度、最大持水量、田间持水量[11]。

1.4.2 土壤养分。

2016年晚稻成熟时，按5点法采集耕作层土壤样品，供土壤养分含量和pH的测定。土壤氮磷钾养分测定采用常规分析方法[12]；pH采用1 ∶5土水比振荡1 min静置后用pH计测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用全自动定氮仪测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用NH4OAC浸提火焰光度法测定；速效磷采用0.05 mol/L NaHCO3浸提钼蓝比色法测定；速效硅采用柠檬酸浸提-硅钼蓝比色法测定。

1.4.3 计算方法。

土壤固碳量（kg/hm2）= （试验后有机质含量-试验前有机质含量）×土壤容重×107×020/（103×1.724）

式中，有机质含量、土壤容重单位分别为g/kg、g/cm3，0.20为土壤耕作层厚度，单位是m，1.724为有机质与其有机碳量的换算系数。

土壤固碳速率[kg/（hm2·a）]= 土壤固碳量（kg/hm2）/时间（a）

减排CO2量（kg/hm2）=土壤固碳量×44/12[13]

1.5 数据处理

試验数据采用Excel 2007和DPS 7.05软件进行统计分析，利用Duncans新复极差法（LSR）进行显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 稻草不同还田方式对土壤物理性质的影响

由表1可知，与CK相比，各施肥处理能明显降低土壤容重，增加土壤总孔隙度、通气孔隙度、田间持水量和最大持水量。SIF处理土壤容重显著低于处理SBF和F，且均减少0.06 g/cm3，但土壤总孔隙度、通气孔隙度、田间持水量和最大持水量均显著高于处理SBF和F，而后两处理差异不显著。处理SIF较处理SBF、F，总孔隙度分别增加178、3.63百分点，通气孔隙度分别增加128、2.54百分点，田间持水量分别提高5.46、586百分点，最大持水量则提高6.74、7.78百分点。表明稻草还田可以降低土壤紧实度，提高土壤的通气性，平衡土壤水、气状况。

2.2 稻草不同还田方式对土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤养分。

由表2可知，与CK相比，施肥能显著提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾养分含量。土壤有机质含量表现为SIF>F>SBF，前者比后两者分别提高083和2.01 g/kg。土壤全氮SIF处理显著高于F和SBF处理，增幅分别为2.92%和6.00%，而后两者差异达显著水平。3个施肥处理间碱解氮、速效磷、速效钾含量差异均不显著。速效硅含量表现为SIF>SBF>F，且差异显著；与F处理相比，SIF、SBF处理分别增加了42.19%、19.44%。 F处理土壤pH显著低于其他处理，说明单施化肥能使土壤酸化。由此可知，稻草还田可以提高土壤有机质、全氮、速效硅含量，从而提高土壤肥力。

2.2.2 土壤固碳。

由表3可知，7年定位试验后，SIF、SBF和F处理有机质较试验前分别增加3.80、1.79、2.97 g/kg，而不施肥CK则减少0.27 g/kg。由此产生的固碳量分别为3 658.93、1 848.14、3 066.47 kg/hm2，不施肥CK的碳排放量达294.43 kg/hm2。固碳速率表现为SIF>F>SBF，SIF处理比F处理提高19.32%。说明稻草还田能提高土壤有机质含量，在固碳减排上具有更大优势。

3 结论与讨论

土壤容重反映了土壤松紧状况，关系到土壤水、肥、气、热的调节，以及作物根系生长发育。研究认为，稻草还田对土壤物理性状的改善具有积极作用[14]，使土壤容重变轻，土壤疏松，改善土壤通气性[15]，提高土壤含水量[16]。该试验结果表明，与稻草烧灰还田减施化肥和单施化肥处理相比，稻草还田减施化肥能明显降低土壤容重，提高总孔隙度、通气孔隙度、田间持水量和最大持水量，这与前人研究结果[17]一致。表明稻草还田可以降低土壤紧实度，提高土壤的通气性，平衡土壤水、气状况。

稻草腐解会释放出丰富的N、P、K、Si及微量元素，可以作为土壤中作物所需营养元素的有效补充，且对土壤有机质和养分含量增加产生积极正效应[18]。研究认为，稻草还田能明显降低氮磷钾随农田地表径流水体流失量，显著提高农田土壤速效氮、速效钾含量[19]。研究表明，秸秆还田可以提高土壤养分含量，平衡土壤肥力，是耕地土壤持续利用的重要举措[20-22]。该研究结果表明，与稻草烧灰还田减施化肥和单施化肥相比，稻草还田减施化肥可以提高土壤有机质、全氮、速效硅含量，在提高土壤肥力方面更具有优势。该研究发现，与试验前相比，各处理土壤pH有不同程度下降，稻草还田减施化肥、烧灰还田减施化肥和不施肥处理土壤酸化程度相近，但显著小于单施化肥。这是因为在我国南方地区，化肥的大量施用和酸沉降导致农田土壤酸化[23]；稻草还田后能提高阳离子交换量，有利于缓解土壤酸化[24]，而稻草焚烧后的草木灰是碱性肥料，具有改良土壤酸性的作用。

农田土壤固碳是固碳减排的途径之一。目前农田土壤固碳的研究主要聚焦于土壤有机碳，而土壤有机碳库的大小由输入和输出两方面因素共同决定。该研究发现，经过7年定位试验后，稻草还田减施化肥、烧灰还田减施化肥和单施化肥处理有机质较试验前分别增加3.80、1.79、2.97 g/kg，而不施肥CK则减少0.27 g/kg；由此产生的固碳量分别为3 658.93、1 848.14、3 066.47 kg/hm2，不施肥CK的碳排放量达294.43 kg/hm2，说明稻草还田更能提高土壤有机质含量，在固碳减排上具有更大的优势。这与李静等[25]的研究结果相似。不施肥处理由于化肥缺失，秸秆移走，导致水稻地上和根系生物量减少，从而大大降低了地上部凋落物、根系及其分泌物进入土壤的量，有机碳的积累慢于其分解速率[26]，造成不施肥处理土壤有机质下降，碳排放。相对于烧灰还田和单施化肥处理，稻草还田增加了输入土壤中的碳源，继而提高了土壤有机质和固碳量。

安徽农业科学 2018年

参考文献

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