陳國徽，趙小敏，謝國強，張 頌，高冰可，陳艷芳，曹國軍，蔣發(fā)輝

（1.江西農業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西南昌 330045；3.江西省九江市農業(yè)科學院，江西 九江 332000）

【研究意義】長江中下游平原是我國三大平原之一，總面積達20×104km2，該區(qū)域地勢低平、水熱資源豐富、雨熱同期適宜水稻生長，是我國最大的水稻生產區(qū)和重要的商品糧基地[1]，水稻種植面積和產量均占全國水稻的50%以上[2]。此外，該區(qū)域也是我國油稻輪作模式主要種植區(qū)，近年來由于氣候變化造成該區(qū)域冬油菜播種面積不斷攀升[3-4]，加之單產的不斷增加使得該區(qū)域油菜產量貢獻全國總產量46%以上[5]。然而，較高的產量帶來了大量的秸稈，導致秸稈堆積影響后茬播種、秸稈焚燒增加溫室氣體、秸稈丟棄造成資源浪費等問題。因此，探尋秸稈合理利用途徑，杜絕焚燒，加強秸稈資源循環(huán)利用，對能源高效利用與環(huán)境生態(tài)健康具有重要意義。【前人研究進展】秸稈“用則利，棄則害”，其內蘊含豐富的碳、氮、磷、鉀以及中微量元素[6-7]。前人研究表明，秸稈還田是其直接有效利用途徑之一，一方面在微生物作用下發(fā)生腐解顯著提高土壤有機質及養(yǎng)分含量[8]，另一方面釋放的氮磷鉀及中微量營養(yǎng)元素可被作物吸收利用，促進作物生長以提高作物產量[9]。然而，也有研究[10]發(fā)現(xiàn)秸稈還田導致激發(fā)效應造成土壤原始有機質分解損失，或還田秸稈分解使得微生物消耗原始土壤氮素造成氮素虧缺[11-13]，或秸稈還田前期大量養(yǎng)分元素釋放導致作物瘋長而后期養(yǎng)分失衡造成作物減產[14]等問題。更有甚者，油稻輪作模式下油菜秸稈還田淹水厭氧分解產生大量H2S、Fe2+、Mn2+等還原性物質，造成水稻苗期根系發(fā)黑、生長緩慢，分蘗始期、返青期推遲導致水稻產量下降[15-16]。此外，秸稈還田不僅增加碳氮含量，鉀素歸還量更大，而有關不同區(qū)域秸稈還田磷、鉀元素調控的相關研究尚不多見。

【本研究切入點】目前，長江中下游平原油稻模式下秸稈還田研究還相對較少。薛斌等[17]、武際等[18]研究表明該區(qū)域水旱輪作下秸稈覆蓋可顯著降低0～5 cm 表層土壤容重，有效提高該層土壤有機質和NPK 等養(yǎng)分含量；但劉禹池等[19]進一步研究指出，長期秸稈覆蓋增加了下層土壤的土壤容重，降低了土壤孔隙度、惡化了深層土壤物理性質。此外，水稻季秸稈覆蓋農田易浮于水面，也影響插秧等作業(yè)質量[14]。因此，秸稈粉碎翻埋還田可能是該區(qū)域水旱輪作下更佳的還田方式。袁嫚嫚等[20]進行單水稻秸稈翻混配施化學肥料，靳玉婷等[21]、吳玉紅等[22]進行雙季秸稈翻混配施化肥，結果均顯示化學肥料用量越大作物產量越高；而李繼福等[23]進一步指出，該區(qū)域雙季秸稈翻混條件下可適當減少鉀肥用量?！緮M解決關鍵問題】該區(qū)域已有研究否定了秸稈覆蓋，支持秸稈粉碎翻混還田，但有關翻混還田的研究主要集中于化學肥料配施效果，尚未厘清秸稈翻埋自身對土壤理化性質及作物生產的影響，缺少結合當?shù)胤N植制度還田的相關報道。鑒于此，本研究選取長江中下游平原典型油稻輪作模式，設置不同秸稈還田方式（單季或雙季還田）進行長期試驗（2016—2021年），探索水旱輪作下周年秸稈全量粉碎還田對該區(qū)域土壤化學性質及作物生長的影響，旨在為本區(qū)現(xiàn)有耕作制度下土壤地力提升，秸稈資源高效利用以及還田模式優(yōu)選提供理論支撐和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在江西省九江市柴桑區(qū)秀峰村（29°27'N，115°48'E）開展。試驗地位于長江中下游油稻輪作主產區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，海拔43 m，年均氣溫17.2 ℃，近10 年的年均有效積溫（≥10 ℃）5 600 ℃，日照數(shù)1 891.5 h，年均降雨量1 420.4 mm（集中在夏季，約占全年70%）。

本長期定位試驗自2016 年開始，試驗前長年進行油稻輪作種植。供試土壤為下蜀黃土發(fā)育而來的潴育水稻土，試驗前0～20 cm 土層土壤pH 5.32，有機質14.7 g/kg，全氮1.08 g/kg，堿解氮84.2 mg/kg，有效磷16.24 mg/kg，速效鉀54.12 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗共設4 個處理：雙季秸稈不還田（CK）、僅油菜季秸稈還田（OS）、僅水稻季秸稈還田（RS）、雙季秸稈均還田（DS）。每個處理3次重復，共計12個小區(qū)，隨機排列。各小區(qū)長6 m、寬5 m，小區(qū)間筑?。▽?0 cm、高40 cm），并進行水肥防滲處理，四周增設保護行（寬1 m）。為確保作物換茬土壤不混亂，采取前茬秸稈機械粉碎人工翻壓全量還田，秸稈粉碎至5～10 cm。

供試油菜為中油雜19，每年9 月上旬播種育苗，10 月中旬移栽（密度8 萬株/hm2），翌年5 月上旬收獲，全生育期無灌溉；水稻為豐兩優(yōu)香1號，每年5 月中旬播種育秧，6月中旬移栽（密度19.1 萬株/hm2），9 月下旬收獲，分蘗后期進行排水曬田以控制無效分蘗，其余時期均保持約2～3 cm 淺水層?；瘜W肥料配施尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）。油菜N、P2O5、K2O 施用量分別為150，60，90 kg/hm2，其中磷、鉀肥作基肥一次性施用，氮肥按基肥、現(xiàn)蕾肥、開花期肥以6∶2∶2 分施；水稻N、P2O5、K2O 施肥量分別為180，72，126 kg/hm2，其中磷、鉀肥作基肥一次性施用，氮肥按基肥、分蘗肥、穗肥以6∶2∶2分施。其它田間管理同當?shù)卮筇铩?/p>

1.3 項目測定及方法

1.3.1 土壤化學性質 2019—2021年，在各季作物收獲后采集土樣，每個小區(qū)按S形隨機選擇5個點，收集0～20 cm土層土壤制成混合土樣，采用“四分法”取1 kg帶回室內風干，剔除動植物殘體和石礫，磨細過20目篩備用。土壤pH采用電位法（水土比2.5∶1），有機質采用K2Cr2O7容量-外加熱法，全氮采用濃H2SO4消化-半微量開氏法，堿解氮采用1.0 mol/L NaOH 堿解擴散法，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

1.3.2 作物產量及其構成因素 成熟期各小區(qū)單獨采收，曬干測產。此外，每個小區(qū)隨機選取20株（穴）具有代表性植株測定產量構成因素，其中油菜主要包括：株高、分枝高度、一次有效分枝數(shù)、單株角果數(shù)、每角粒數(shù)，水稻主要測定指標包括：株高、穗長、有效穗、每穗空粒數(shù)、實粒數(shù)、千粒質量、穗粒數(shù)與結實率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007 進行處理數(shù)據(jù)，Origin 2019 進行制圖，SPSS 17.0 進行方差及相關性分析。文內表格所列數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對土壤化學性質的影響

2.1.1 秸稈還田對土壤pH 和有機質的影響 由圖1 a 所示，油稻輪作下秸稈還田明顯降低土壤pH。與CK 相比，OS 處理顯著降低2019 和2020 年油菜季土壤pH 值4.12%和3.56%（P＜0.05）；RS 處理降低所有季節(jié)土壤pH（P＞0.05）；DS 處理2019年水稻季pH 顯著降低4.92%（P＜0.05），同時在其他各季也有所降低（P＞0.05）。此外，油菜季OS處理土壤pH顯著低于其它處理（P＜0.05），水稻季則DS處理土壤pH值最低，且隨著試驗年限增加各處理土壤pH呈現(xiàn)油菜季略低水稻季略高的趨勢。

不同秸稈還田顯著影響土壤有機質含量（圖1 b）。與CK相比，OS處理各季土壤有機質含量均提高，其中2019油菜季土壤有機質含量顯著提高10.67%，（P＜0.05）；RS處理2020水稻季土壤有機質含量顯著提高11.07%（P＜0.05）；DS處理則2019油菜季和水稻季、2020油菜季和2021水稻季土壤有機質含量分別顯著提高4.84%、6.27%、5.34%和7.57%（P＜0.05）。然而，RS 處理試驗前期（2020 油菜季之前）土壤有機質含量下降，后期下降趨勢緩和最終略有增加，其中2019 油菜季、水稻季和2020 油菜季較CK 處理顯著降低4.97%、9.23%和15.03%（P＜0.05），2020水稻季顯著增加11.07%（P＜0.05）。

圖1 秸稈還田對土壤pH（a）和有機質（b）含量的影響Fig.1 The effects of straw returning on soil pH（a）and organic matter（b）contents

2.1.2 秸稈還田對土壤全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的影響 秸稈還田下土壤全氮和堿解氮變化規(guī)律與有機質變化規(guī)律類似，均表現(xiàn)為OS、DS處理顯著增加，RS處理前期降低后期略增加（圖2a、b）。與CK相比，OS 處理下2019 油菜季土壤全氮含量顯著提高15%、堿解氮含量顯著提高17.02%，2020 水稻季土壤堿解氮含量顯著提高4.92%（P＜0.05）；DS 處理2019 油菜季和2021 水稻季土壤全氮分別顯著提高6%和4.81%（P＜0.05），2019 油菜季和2019、2020 和2021 水稻季土壤堿解氮分別顯著提高13.07%、15.55%、15.14%和13.06%（P＜0.05）；RS 處理下2019 水稻季、2020 油菜季土壤全氮含量顯著降低4.27%、17.48%，RS處理下2019油菜季土壤堿解氮含量顯著降低4.47%（P＜0.05），而2020水稻季土壤全氮含量顯著增加3.23%（P＜0.05）。

與氮素規(guī)律不同，土壤有效磷和速效鉀含量在秸稈還田條件下呈現(xiàn)大幅增加（圖2 c、d）。與CK 相比，RS、OS 和DS 處理各季土壤有效磷增加6.08%～105.11%；速效鉀增加14.78%～62.56%。此外，試驗前三季秸稈還田以單季土壤有效磷含量增幅最大，后兩季則雙季還田土壤有效磷含量增幅最大，速效鉀含量均以DS處理增幅最大。

圖2 秸稈還田對土壤全氮（a）、堿解氮（b）、有效磷（c）和速效鉀（d）的影響Fig.2 The effects of straw returning on soil total N（a），available N（b），available P（c）and available K（d）

2.2 秸稈還田對作物產量及其構成因素的影響

2.2.1 油菜產量及其構成因素 秸稈還田對油菜籽粒產量及其構成因素具有顯著影響（表1）。各處理（OS、RS、DS）均較CK顯著增加了油菜籽粒產量（2020年OS和RS處理除外），其中OS、RS、DS各處理增幅分別為6.82%～26.81%、2.35%～23.72%和7.23%～26.30%。不同處理平均籽粒產量由高到低依次為：DS、OS、RS和CK。

表1 油菜產量及產量構成因素Tab.1 Oilseed rape yield and yield components

秸稈還田明顯提高油菜株高、一次有效分枝數(shù)、單株角果數(shù)及每角粒數(shù)。與CK 相比，OS、RS 處理2020 年油菜株高顯著增加4.54%和6.04%（P＜0.05）；OS、RS 和DS 處理顯著增加2021 油菜一次有效分枝數(shù)（P＜0.05）；RS、DS 處理顯著增加2019 年，OS、DS 處理顯著增加2020 年油菜單株角果數(shù)（P＜0.05）；OS、RS和DS處理下2019年油菜每角粒數(shù)顯著增加1～2粒，RS和DS處理下2021年每角粒數(shù)顯著增加約3粒。但是，秸稈還田顯著降低了油菜分枝高度，OS處理在2020和2021年，DS在2019年分別顯著降低11.11%、9.70%和11.89%（P＜0.05）。

2.2.2 水稻產量及其構成因素 對水稻而言，秸稈還田顯著增加其籽粒產量、株高、有效穗、穗長和結實率，但對水稻穗粒數(shù)和千粒質量影響較?。ū?）。除2021 年OS 和DS 處理外，不同年限各處理水稻籽粒產量均顯著提高。與CK相比，2019—2021年OS、RS和DS處理籽粒產量分別增加1.87%～8.30%、2.34%～10.17%和3.75%～5.70%，其平均產量由高到低依序為RS、DS、OS、CK。

表2 水稻產量及產量構成因素Tab.2 Rice yield and yield components

與CK 相比，各處理也顯著提高了水稻株高0.98%～3%（P＜0.05）（2019 年RS 處理除外）。RS 處理2020 年、DS 處理2020 和2021 年水稻有效穗數(shù)顯著增加（P＜0.05），而OS 處理2021 年水稻穗長顯著提高3.26%（P＜0.05）。此外，OS 處理2019、DS 處理2020 年水稻結實率分別較CK 增加5.82%和6.04%（P＜0.05）。秸稈還田條件下水稻穗粒數(shù)和千粒質量略有增加，但未達顯著性水平（P＞0.05）。

2.3 土壤化學性質與產量及構成因素等指標的相關關系

2.3.1 土壤化學性質與油菜產量及其構成因素的關系 油菜季相關性分析表明（表3），長期（5年）秸稈還田處理下旱季土壤pH與其他土壤化學性質、油菜產量及其構成因素間主要呈負相關關系，其中pH與全氮、堿解氮和有效磷達到顯著性水平（P＜0.05）。此外，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分指標兩兩之間均呈協(xié)同（即正相關）關系。土壤有機質、全氮、堿解氮與產量及產量構成因素之間呈正相關（除分枝高度），但未達顯著性水平（P＞0.05），有效磷和速效鉀與產量因素間出現(xiàn)顯著性，有效磷與株高（r=0.603）、角果數(shù)（r=0.664）、每角粒數(shù)（r=0.753）、產量（r=0.67），速效鉀與分枝高度（r=-0.714）、角果數(shù)（r=0.874）、產量（r=0.815）。同時，產量與產量構成因素之間相關性表明，籽粒產量與株高和單株角果數(shù)呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.797和0.775，但與分枝高度呈顯著性負相關（r=-0.688）。

表3 土壤化學性質與油菜產量及產量構成因素間相關性Tab.3 Correlation between soil chemical properties，oilseed rape yield and yield components

2.3.2 土壤化學性質與水稻產量及其構成因素的關系 與油菜季類似，長期秸稈還田下水稻季土壤pH與土壤化學性質及產量構成因素指標也主要呈負相關（表4），其中與有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、株高、有效穗和結實率達到顯著性水平（P＜0.05）。土壤化學性質指標之間也呈正向相關，即兩兩協(xié)同。土壤有機質和全氮與產量及其構成因素之間呈正相關（穗長、穗粒數(shù)除外），其中有機質與株高達到顯著性水平（r=0.588，P＜0.05）；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等速效養(yǎng)分含量與水稻產量構成因素間主要呈正相關（穗長例外），其中與水稻株高、有效穗和結實率均達到顯著水平（P＜0.05）；另外，土壤有效磷和速效鉀還與籽粒產量呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.706 和0.599。產量與產量構成因素之間相關性則表明，水稻株高、有效穗和結實率兩兩之間呈極顯著正相關（P＜0.01），籽粒產量與水稻株高（r=0.679）和結實率（r=0.812）。

表4 土壤化學性質與水稻產量及產量構成因素間相關性Tab.4 Correlation between soil chemical properties，rice yield and yield components

3 討論

3.1 秸稈還田對土壤化學性質的影響

3.1.1 秸稈還田對土壤pH 和有機質的影響 本研究表明，油稻輪作模式下秸稈還田導致長江中下游地區(qū)潴育水稻土pH 顯著下降，與多位學者研究結果[25-27]一致。可能原因主要為秸稈還田輸入大量新鮮有機物料分解釋放有機酸[28]；其次，水稻季還田秸稈淹水條件下厭氧分解產生CO2遇水即成碳酸[29-30]。本研究還表明土壤pH在時間尺度上呈現(xiàn)油菜季略低，水稻季略高的整體波動趨勢。盧勝等[31]連續(xù)監(jiān)測10年油-稻-稻輪作土壤酸堿變化也表明，不同耕層土壤pH值油菜季均低于早稻和晚稻季。這可能是旱季土壤通氣性好，好氧微生物活性強，秸稈分解產生有機酸的速度大于淹水狀態(tài)所致，研究[32]表明水稻秸稈在旱季土壤中的年腐解率為74.23%，而油菜秸稈在水田土壤中年腐解率僅48.12%。此外，淹水條件下高價氧化性物質發(fā)生還原反應，也可以消耗系統(tǒng)中部分H+[33]。

本研究顯示，單油菜季和雙季秸稈還田顯著提高土壤有機質，并且雙季秸稈還田增幅更大。此外，單水稻季秸稈還田（即油菜秸稈歸田）土壤有機質呈現(xiàn)先（2020油菜季之前）降低后增加的趨勢。土壤有機質含量取決于原有有機質的礦化速率及外源有機物的補充量[34]。考慮年秸稈還田量，本研究單油菜季（即水稻秸稈歸還量6.42～8.42 t/hm2）和雙季秸稈還田（水稻秸稈6.42～8.42 t/hm2+油菜秸稈3.24～4.38 t/hm2）遠高于單水稻季（即油菜秸稈量3.24～4.38 t/hm2）秸稈還田，由于前2 者秸稈歸田量大導致土壤有機質增加。張葉葉等[35]研究表明，秸稈還田量高于土壤初始有機質含量的30%時，土壤激發(fā)效應較弱有機質出現(xiàn)累積。此外，考慮秸稈組成，后者單水稻季還田秸稈為油菜，油菜秸稈易分解組分高[36]，碳氮比較低（C/N 為48.55∶1），可快速分解釋放養(yǎng)分以刺激微生物繁殖，引發(fā)強烈正激發(fā)效應[37]，導致土壤原始有機質分解礦化；另一方面，油菜秸稈難分解組分較少，經微生物作用后可形成腐殖物質并累積到土壤的部分也相應較少。這可能是造成單水稻季秸稈還田前期土壤有機質含量降低的主要原因，而隨著試驗的進行，秸稈還田量的積累以及前期秸稈腐解完全，土壤有機質含量有所提升。由此可見，秸稈還田可作為提高土壤肥力的重要措施，并且長期積累效果更佳。

3.1.2 秸稈還田對土壤全氮及速效養(yǎng)分的影響 與有機質規(guī)律類似，本研究中土壤氮素（全氮、堿解氮）含量在單油菜季和雙季秸稈還田條件下明顯增加，在單水稻季先降后升。究其原因，可能是因為：（1）本研究中單油菜季和雙季還田的水稻秸稈總量遠高于單水稻季還田的油菜秸稈量，（2）水稻秸稈與油菜秸稈含氮水平相當（水稻秸稈：0.45%，油菜秸稈：0.43%）[38]，（3）基于1 和2，單油菜季和雙季還田秸稈帶入土壤的純氮總量遠高于單水稻季；此外，單水稻季秸稈歸田帶入總氮量少的同時，秸稈分解使得微生物消耗原始土壤氮，進而導致初期土壤氮素虧損。此后，隨著時間的推移，累積秸稈及氮素投入量不斷增加，促進單水稻季土壤氮素恢復，最終略微增大。

本研究還表明，水稻與油菜秸稈還田極顯著地提高了土壤有效磷和速效鉀的含量，增幅可達1 倍以上。這與磷、鉀素在秸稈中多以離子形態(tài)存在更易被分解釋放密不可分[38-39]，還與新鮮有機秸稈分解產生酸類物質促進礦物晶格中磷鉀元素釋放有關[40-41]，也為秸稈物料還田替代化肥施用提供了科學依據(jù)[42]。試驗結果特別明顯的是，秸稈還田各處理土壤速效鉀含量均高于供試前（54.12 mg/kg），而秸稈移除后第三季作物（2020 油菜季）出現(xiàn)降低。這說明即使常規(guī)施用化學肥料補充了部分鉀素，仍不能阻止土壤中鉀素虧缺，但配合秸稈還田可有效保持土壤鉀素平衡[43]。

3.2 秸稈還田對作物產量及其構成因素的影響

在土壤有機質及氮磷鉀等養(yǎng)分含量顯著提升的前提下，本研究中油稻輪作模式周年秸稈全量還田顯著提高了水稻與油菜的籽粒產量。這與前人研究結果[17,19,44]一致。此外，本研究中，秸稈還田與移除相比，油菜增產2.35%～26.81%，水稻增產1.87%～10.17%，即油菜增產效應優(yōu)于水稻，與武際等[18]、吳江紅等[22]的研究結果相同。本研究結果還顯示油菜產量以雙季秸稈還田增產幅度較大，水稻產量以單水稻季秸稈還田增產較多，與上述土壤有機質及養(yǎng)分變化規(guī)律一致，相關分析也表明油菜和水稻籽粒產量與土壤養(yǎng)分變化呈正相關，其中與有效磷和速效鉀的相關性達到顯著。最終，產量構成因素分析顯示秸稈還田能夠顯著增加油菜的株高和單株角果數(shù)以及水稻的株高和結實率，這可能是導致產量增加的另一個原因。

4 結論

本研究表明，油稻模式下秸稈還田導致土壤pH 顯著下降，但水稻季受淹水影響下降幅度稍緩。此外，與移除相比，秸稈還田顯著提高了土壤有機質和N、P、K等養(yǎng)分含量，有效提升土壤肥力，增強了土壤供應作物生長所需養(yǎng)分的能力；其中，尤以單油菜季和雙季秸稈還田較為突出。進一步，秸稈還田對土壤養(yǎng)分的改善帶來了油菜株高、單株角果數(shù)和水稻株高、結實率等生理性狀的生長，進而促進了作物的結實提高了油菜及水稻的籽粒產量。對比不同還田模式產量，以單水稻季秸稈還田對水稻增產效果最佳，雙季秸稈還田對油菜增產效果最好，但綜合考慮產量與地力提升，雙季秸稈還田模式為最好，建議在長江中下游油稻輪作區(qū)進行推廣。

致謝：九江市重點研發(fā)計劃項目（S2020ZDYN018）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！