2018, Vol. 55
作物秸秆作为农作物最主要的副产品，含有大量有机质和丰富的氮、磷、钾等营养元素[1]。秸秆还田是增加农田土壤有机碳的重要途径之一，可以改善农田土壤理化性状，提高土壤质量和养分循环利用效率，增加作物产量，是农田生态系统中物质循环和再利用的良好形式，在农业生产中已广泛应用[2]。但是，在秸秆还田利用方面存在较多问题，如秸秆腐解难、利用率低，产生还原性有毒物质，易发生与作物争氮和诱发病虫害等现象[3]，从而影响作物生长发育和土壤质量的转变方向与强度。因此，如何优化作物秸秆利用方式，缓解秸秆还田对作物生长和生态环境的负面影响，对保障我国粮食安全和土壤质量提高具有重要意义。
在秸秆还田过程中，不同利用方式对秸秆腐解、水稻生产发育的影响不同[4]。目前，农业生产中秸秆还田常与耕作措施配合实施，不仅可以改善土壤的水、肥、气、热状况，同时还可以增加作物产量，并能够提高良好的生态、社会及经济效益，是确保农业可持续发展的有效措施和重要途径[5]。田慎重等[6]研究了不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响，表明秸秆还田下各耕作方式土壤有机碳均显著提高，但不同耕作方式存在显著差异。赵亚丽等[7]表明，与常规耕作秸秆不还田相比，秸秆还田后深耕和深松均提高冬小麦和夏玉米成熟期干物质积累，周年产量也分别增加18.0%和19.3%。虽然秸秆还田与耕作措施配合实施对农田土壤和作物产量的研究较多[8-10]，但主要集中在旱地或者稻麦轮作系统，而在双季稻系统中研究较少。
双季稻种植模式是中国南方稻区重要的农业生产模式，秸秆资源丰富且相对集中。然而，针对南方双季稻区秸秆还田与耕作制度的最佳组合方式目前并不明确。为此，本文通过秸秆全量还田条件下设置不同耕作方式，旨在研究耕作方式和秸秆还田对水稻生长发育、产量及对土壤理化性质的影响，为实现南方双季稻区秸秆合理利用、水稻高产和提高农田土壤质量提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地点位于江西省进贤县温圳镇杨溪村(116°5'28"E，28°20'10"N)。供试土壤为第四纪红色黏土发育的潴育型水稻土(酸性简育水耕人为土)。试验前0~20 cm耕层土壤有机碳含量21.8 g kg-1，全氮3.74 g kg-1，有效磷24.5 mg kg-1，速效钾98.0 mg kg-1，pH 5.31。
1.2 试验设计试验时间为2012年11月至2015年11月。试验设计4种处理方式，(1)翻耕与秸秆不还田(CT)：水稻收获后秸秆全部移出田间，水稻抛秧前用铧式犁翻地1遍，再用旋耕机旋地2遍，耕深约15 cm；(2)翻耕与秸秆还田(CTS)：水稻收获后秸秆粉碎全量还田，水稻抛秧前用铧式犁翻地1遍，再用旋耕机旋地2遍，耕深约15cm；(3)旋耕与秸秆还田(RTS)：水稻收获后秸秆粉碎全量还田，水稻抛秧前用旋耕机旋地4遍，耕深约8 cm；(4)免耕与秸秆还田(NTS)：水稻收获后秸秆全量粉碎覆盖还田，不进行整地，水稻免耕抛秧。每个处理分别设3次重复，各小区面积均为54 m2，随机区组排列。双季稻种植供试早稻和晚稻品种分别为中嘉早17和五丰优T025，水分管理及其他大田栽培措施均按高产技术规程[11]进行。
本试验中氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)和氯化钾(含K2O 60%)。早稻N、P2O5和K2O用量分别为150 kg hm-2、75 kg hm-2和135 kg hm-2，其中氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥=5:2:3施用，磷肥做基肥一次性施用，钾肥按基肥：穗肥=7:3施用。晚稻N、P2O5和K2O用量分别为180 kg hm-2、75 kg hm-2和150 kg hm-2，其中氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥=4:2:4施用，磷肥和钾肥施用比例同早稻。试验前稻田为当地常规双季稻生产区，于2012年冬季开始至2015年晚稻收获结束，开展为期三年的定位试验研究。秸秆采用全量还田方式，水稻秸秆由久保田半喂入式联合收割机收割水稻时同步进行粉碎，其切割长度为5 cm左右。早稻收获后，将各小区水稻秸秆粉碎施入相应小区中作晚稻基肥，晚稻收获后各小区水稻秸秆粉碎施入相应小区表层作次年早稻基肥。
1.3 测定项目及方法产量及其构成因素：在成熟期，每处理调查3个重复，每重复调查100蔸有效穗数。按平均有效穗选取考种样，每小区分别取样5蔸，调查每穗粒数、结实率及千粒重。每小区选取6 m2进行实际测产。
茎蘖动态：水稻移栽后每小区定点20蔸，每5天调查一次茎蘖数，直至抽穗期。
土壤理化性状测定：晚稻成熟收获期进行土壤采集，各小区按S形路线随机取5个点的土样，采样深度为0~20 cm。土样充分混匀后拣去植物残根和石砾等，经风干、磨碎过筛，按照《土壤农化分析》[12]进行土壤容重、pH、全氮、有效磷、速效钾和有机碳等的测定。
基于主成分分析的土壤质量评价研究[13-14]：对不同年份不同处理的6个土壤理化性状指标(容重、pH、全氮、有效磷、速效钾和有机碳)组成矩阵进行主成分分析，选取累计百分率≥85%的主成分因子，选取主成分的特征向量构建主成分方程计算出各处理各因子主成分分值，再用各公因子的特征值贡献率作为权数进行加权求和，即得各处理土壤质量综合得分。
1.4 数据处理试验数据均采用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05软件进行分析和处理，方差分析采用最小显著差异法(LSD)多重比较。
2 结果 2.1 秸秆还田与耕作方式对双季稻产量及其构成因素的影响与CT处理相比，2013-2015年CTS处理早稻和晚稻平均产量分别增加3.6%和3.8%。与CTS处理相比，NTS处理早稻和晚稻平均产量分别降低5.2%和6.4%，其中，晚稻产量显著降低；相反，RTS处理早稻和晚稻平均产量分别增加6.1%和3.1%(表 1)。
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表 1 秸秆还田条件下不同耕作方式的产量及其构成因素 Table 1 Grain yield and yield components in paddy fields incorporated with rice straw, relative to tillage pattern |
与CT处理相比，2013-2015年CTS处理早稻平均有效穗数增加2.3%，但晚稻平均有效穗数降低4.0%，其中2014年显著低于CT处理。与CTS处理相比，RTS处理早稻和晚稻平均有效穗数分别增加3.9%和1.3%(除2015年晚稻外)；NTS处理早稻和晚稻平均有效穗数分别降低5.8%和7.9%，其中2013年和2015年有效穗数显著降低(p＜0.05)。
2.2 秸秆还田与耕作方式对双季稻茎蘖动态的影响秸秆还田对早稻和晚稻茎蘖动态的影响不同(图 1)。与CT处理相比，早稻CTS处理群体分蘖能力强，高峰苗数增加，而无效分蘖多，成穗率降低，群体最终有效穗数仍然高；而晚稻中，与CT处理相比，CTS处理群体分蘖能力弱，高峰苗数减少，而无效分蘖少，成穗率增加，最终群体有效穗数降低。
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图 1 秸秆还田条件下不同耕作方式水稻茎蘖动态变化（以2013年为例） Fig. 1 Dynamics of rice tillering in paddy fields incorporated with rice straw, relative to tillage pattern(in 2013) |
在秸秆还田下，不同耕作方式早稻和晚稻茎蘖动态变化趋势一致，RTS和CTS处理移栽后分蘖能力高于NTS处理，早稻和晚稻高峰苗数均增加，而RTS和CTS处理早稻和晚稻分蘖下降较为迅速，但由于高峰苗数多，最终RTS和CTS处理群体有效穗数均高于NTS。
2.3 秸秆还田与耕作方式对双季稻土壤理化性质的影响2013年，各处理间土壤各项指标均无显著差异(p＞0.05，表 2)。2013-2015年，CT处理土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)含量呈降低趋势，相反，CTS、RTS和NTS处理SOC、TN、AP和AK含量显著增加。CT处理土壤容重无显著变化，而秸秆还田下各处理土壤容重均呈现降低趋势。
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表 2 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤理化性状的影响 Table 2 Soil physical and chemical properties of the field incorporated with rice straw relative to tiilage patern |
2015年，与CT处理相比，CTS处理土壤SOC、TN、AP和AK含量分别增加9.7%、7.5%、24.8%和28.7%(p＜0.05)。与CTS处理相比，NTS处理土壤SOC、TN、AP和AK含量分别降低3.0%、0.8%、3.1%和6.5%，而RTS处理分别增加1.3%、0.5%、1.7%和4.4%。与CT相比，CTS处理土壤容重(BD)降低4.1%；与CTS相比，NT处理BD增加9.7%(p＜0.05)，而RTS处理BD降低1.1%。与CT相比，CTS处理土壤pH降低1.9%(p＜0.05)；与CTS相比，NT处理土壤pH降低0.6%，而RTS处理土壤pH增加0.4%。
2.4 双季稻田土壤肥力质量评价本文分别选择BD、pH、AP、AK、SOC和TN等6个指标衡量土壤肥力质量状况。将累积贡献百分率≥85%作为提取原则，得到2个主成分，累积贡献率为96.69%(表 3)，因子1和因子2的特征值分别为4.642和1.160，贡献率分别为77.36%和19.33%。第1主成分因子(F1)与AP、AK、SOC及TN等指标上的载荷系数较大，可以设为土壤养分因子；第2主成分因子(F2)在BD和pH的载荷系数最大，该主成分可认定为土壤容重因子和pH因子。
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表 3 土壤肥力质量性状的主成分提取及旋转因子载荷矩阵 Table 3 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality |
通过因子1和因子2得分与各因子的特征值百分率作为权数进行加权求和计算得出土壤肥力质量得分(表 4)。2013-2015年，CT处理土壤肥力质量呈下降趋势，秸秆还田条件下各处理土壤肥力质量均呈增加趋势，其中，2015年RTS处理分别高于CTS和NTS处理16.4%和80.4%。
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表 4 各因子得分及土壤肥力质量得分 Table 4 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment |
秸秆还田是农业生产过程中重要的有机肥来源之一，大多数研究者认为秸秆还田利于提高作物产量[6, 15]。本研究也表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理早稻和晚稻三年平均增产分别为3.6%和3.8%。秸秆还田对土壤质量提升有积极影响，有效增加土壤全氮、有效磷、速效钾和有机碳含量，而秸秆不还田条件下土壤肥力质量呈下降趋势。但在本研究条件下，秸秆还田后不同耕作方式对产量的影响显著。结果表明，与常规翻耕相比，秸秆还田条件下免耕处理早稻和晚稻平均产量分别降低5.2%和6.4%，其中，晚稻产量显著降低(p＜0.05)；相反，旋耕处理早稻和晚稻平均产量分别增加6.1%和3.1%。这与许菁等[16]和陈敏等[17]研究结果相似，可能因为耕作方式改变了土壤肥力质量从而影响作物生长发育状况。
在秸秆还田条件下，旋耕和常规翻耕均能有效改良土壤[8]，但是翻耕处理土壤耕层较深，土温和土壤含水率较低，秸秆还田腐解速度下降，旋耕处理土壤养分含量提升幅度高于常规耕作[18]。姬强等[19]研究认为，秸秆还田条件下，与传统耕作相比旋耕土壤矿质结合态有机碳提高23.0%，对土壤颗粒有机碳的影响也表现同样规律。陈敏等[17]研究认为，旋耕处理土壤速效养分高于传统翻耕，土壤有效养分供应能力得到提高，土壤质量高是水稻高产的基础，因而旋耕达到增产作用。本研究结果与之相同，与常规翻耕处理相比，旋耕处理水稻茎蘖易早发快发，分蘖能力和有效穗数均高于常规翻耕，旋耕处理土壤养分含量也高于常规翻耕，最终得到高产。旋耕相对常规翻耕具有增产优势，是旋耕处理土壤肥力质量好的表现。
与传统耕作相比，在免耕与秸秆覆盖还田条件下，微生物种类与数量少，导致免耕秸秆腐解速度慢、利用效率低[20]，秸秆氮素等养分渗漏损失成倍增加[21]，同时，免耕处理土壤易板结，连续免耕土壤质量相对下降，水稻生长受到抑制，从而产量低于常规耕作[22]。本研究表明，免耕处理产量低于常规翻耕处理，产量下降主要受有效穗数的影响，早稻和晚稻有效穗数平均分别降低5.8%和7.9%，其中2013年和2015年显著降低。连续免耕土壤养分含量降低、容重显著增加以及土壤酸化加剧是导致免耕处理产量下降的主要原因。这与一些研究报道不同，吴建富等[23]研究认为稻田实行免耕前两年产量与翻耕无显著差异，之后免耕产量呈现下降趋势，这主要与连续免耕土壤物理性质变差、土壤养分在表层土壤富集不利于土壤水分的保持有关。莫亚丽[24]研究表明，短期连续免耕水稻产量高于常规翻耕，直至第5年免耕产量才呈现下降趋势。甚至还有连续免耕11年不减产的报道[25]。连续免耕作物产量降低存在年限差异，同时存在与之截然相反的免耕增产报道，这可能与不同土壤质量、生态环境、作物类型及栽培措施等相关，对此尚有待进一步研究。
3.2 耕作方式对南方双季稻区秸秆还田的影响中国南方双季稻区秸秆资源丰富，但在秸秆利用过程中存在一系列的问题，通过何种方式合理利用秸秆资源是目前南方双季稻生产最重要问题之一。何虎等[26]研究表明，水稻秸秆全量还田后配施适量氮肥可以提高晚稻产量，配施纯氮180 kg hm-2产量最高，其中，在总施氮量相同条件下，以基肥:分蘖肥:穗肥为5:2:3的施氮比例水稻产量最高，其可作为双季稻区秸秆全量还田后的推荐施氮比例。胡诚等[27]研究表明，在南方双季稻区秸秆还田配施秸秆腐熟剂可以提高双季稻产量，提高土壤肥力、改善土壤结构以及增加土壤腐殖质含量与活性。据张武益等[28]报道，与持续淹水处理相比，干湿交替灌溉能够有效缓解秸秆还田的负面影响，增加水稻后期干物质积累量和产量。本研究表明，通过耕作方式也可以合理有效地利用秸秆，在秸秆全量还田条件下旋耕处理在产量和土壤肥力质量方面表现优于翻耕和免耕处理。这与李静等[29]、汤文光等[30]研究结果较为一致。不同耕作方式下秸秆还田效益的差异，应与不同耕作方式下土壤环境如土壤结构及土壤微生物性状等不同有关[31]。耕作改变土壤的物理结构，影响稻秆在耕层土壤中的分布和数量，使秸秆腐解与利用不同，从而直接或间接影响土壤肥力和水稻生长发育[26, 28]。
3.3 主成分分析法对土壤肥力质量评价的有效性土壤质量综合评价是对目标土壤生产力等方面进行综合鉴定，近年来，对土壤质量评价的指标体系和评价方法开展了大量的研究工作，但迄今为止尚无统一的土壤质量评价方法，目前，研究者多采用主成分分析法来定量评价土壤质量[32]。本文采用主成分分析法对不同耕作制度进行评价发现，RTS处理土壤肥力质量综合得分和产量均表现最好，因此，采用主成分分析结果基本能够客观反映不同耕作模式的土壤肥力质量，有助于分析不同耕作措施对土壤肥力质量的影响。CT处理的土壤肥力质量综合得分表现最低，但产量表现并非最差，土壤肥力质量评价的高低并不能完全反映农田的真实生产力水平，且本试验仅对6个土壤理化指标进行综合评价，并未能体现出土壤肥力质量的完整信息，从而造成CT处理土壤肥力质量综合评价结果与作物生产力不一致。
4 结论在南方红壤双季稻区，秸秆还田能提高水稻产量和稻田土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾等含量，连续定位试验3年后显著提升稻田土壤肥力质量，但秸秆还田条件下不同耕作方式对水稻产量和土壤理化性质的影响存在差异。与常规耕作相比，旋耕处理早稻和晚稻平均产量分别增加6.1%和3.1%，而免耕处理早稻和晚稻平均产量分别降低5.2%和6.4%。秸秆还田条件下不同耕作方式土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾等含量以及土壤肥力质量均呈增加趋势，其中，旋耕处理土壤肥力质量高于常规翻耕和免耕处理。因此，秸秆还田条件下双季稻生产适宜采用机械旋耕的种植方式。
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