随着中国农业综合生产水平的不断提高，中国秸秆总产量总体上呈不断增长之势，据统计中国目前已经成为世界上秸秆年产量最高的国家之一，但秸秆利用率不足50%[1]。日益增长的秸秆产量慢慢转化为农业生产过程中的废弃物，大部分传统农民为了农业生产的方便，将日益堆积的秸秆采用就地焚烧的方式，不仅浪费了良好的可再生资源，而且造成了严重的环境污染[2]。中国就秸秆利用问题，开展了长期的全方位研究，引导将秸秆资源投入到生产过程中。研究表明，秸秆作为土壤养分的物质载体[3]，含有大量的N、P、K等必需元素、微量元素和有机质，在提高土壤肥力、增加作物产量等方面发挥着重要的作用[4]，所以秸秆还田对农业可持续发展和改善环境都具有重大意义[5]。
关于秸秆还田的方式有多种分类，其产生的具体作用也各不相同，中国在不同秸秆还田方式所产生的影响上作了深入的研究，目前主要有秸秆完全覆盖还田、秸秆粉碎还田和秸秆过腹还田[6]。何佐侬[7]通过试验表明，秸秆还田经过腐化分解出一部分的磷、钾，并可以代替部分化学养分。水稻秸秆还田前期对水稻生长有一定的抑制作用，但在水稻中后期对水稻分蘖数、干物质积累等生长指标有着积极的影响[8]。王德建等[9]通过稻麦秸秆全量还田研究认为秸秆还田可以增加土壤养分。近年来，生物炭还田引起了广泛关注，郑悦[10]提出，生物炭多孔隙度，增加了土壤体表面积，降低了土壤容重，因此增加了土壤持水性，另外生物炭还田有效提高了有机碳含量，大大提升了水稻产量。秸秆还田技术的不断成熟正逐渐改善农业生产的可持续性，但秸秆还田方式不当会产生土壤碳氮比例失调、病虫害加重等严重问题。
为了探究不同秸秆还田方式对水稻产量及土壤养分的影响，本研究通过设置不同的秸秆还田方式(秸秆不还田、秸秆直接还田、秸秆粉碎还田和秸秆炭化还田)，测定水稻产量、土壤有机质、全钾、全氮、全磷、速效钾、速效磷和碱解氮含量，并分析不同秸秆还田方式下水稻产量与土壤养分间的相关性。以期为合理利用秸秆还田、保护生态环境、增加经济效益提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
本研究时间2017年6-11月，试验区位于湖南省浏阳市北盛镇乌龙社区炉堂组科研基地(113°25′26″E，28°17′13.8″N，亚热带季风湿润气候，年平均气温16～18 ℃，≥10 ℃的有效积温5 000～5 500 ℃，无霜期260～320 d，年降水量1 200～1 500 mm)，土壤类型为第四纪红色黏土发育的红黄泥土，前茬作物为水稻。试验前采用随机多点取样法采集0～20 cm耕层土壤，在湿润条件下除去沙砾石块和植物残体，并测定土壤理化性质。其中，有机质测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)，全氮、磷和钾测定采用连续流动分析仪法，速效磷测定采用 NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法，速效钾含量采用 NH4Ac 浸提-火焰光度法，碱解氮测定采用用碱解蒸馏法。土壤基础理化性质如下：有机质33.51 g/kg，全氮1.52 g/kg，全磷0.94 g/kg，全钾12.68 g/kg，碱解氮含量130.12 g/kg，速效磷30.78 g/kg，速效钾134.71 g/kg。
1.2 试验材料
供试水稻品种为早稻品种中早39，由湖南农丰种业有限公司提供，全生育期平均为112.2 d。
1.3 试验设计
试验设4个处理：①秸秆不还田(BR)；②秸秆直接还田(ZR)，③秸秆粉碎还田(FR)，④秸秆炭化还田(CR，稻壳在高温缺氧通过裂解产生的具有强稳定性且富含碳素的固态颗粒物)。每个处理3个小区，每小区面积100 m2，共12个小区。采用宽窄行插秧，规格为14 cm×26 cm，每穴4苗。按照高产栽培要求进行施肥，氮肥纯N为150 kg/hm2，N∶ P2O5∶K2O比例为1.0∶0.5∶0.8。其中，磷肥在施基肥时一次性施入，氮肥和钾肥按基肥∶分蘖期追肥∶孕穗期追肥=5∶4∶1施入。
1.4 样品采集与测定
在水稻种植前(7月5日)、孕穗期(9月18日)和成熟期(10月28日)进行采样分析，取样时每个小区取3次重复。土壤样品用S形5点采样法采集0～20 cm的耕层土壤，充分混匀后放入4 ℃冰箱备用。
1.5 数据处理
试验数据的录入采用Microsoft Excel 2016，统计分析采用SPSS 22.0软件，不同处理显著性检验采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，用最小显著差法(LSD)分析组间差异，图表制作采用Origin 9.0。
2 结果与分析
2.1 不同秸秆还田方式对水稻产量的影响
如图1所示，不同秸秆还田方式对水稻产量的影响有所差异，整体表现为CR>FR>ZR>BR，其中，CR处理实际产量达到了6 900 kg/hm2，增产效果最为显著。相比较CK处理，CR和FR处理水稻产量均显著增加，分别提高了8.35%和5.21%(P<0.05)，ZR处理增加2.71%，但影响不显著(P>0.05)。CR处理水稻产量较FR和ZR分别增加了3.16%和5.64%,差异显著(P<0.05)。
不同小写字母表示差异显著。图2-8同。 Different lowercases indicate significant difference.The same as Fig.2-8.
图1 不同秸秆还田方式对水稻产量的影响
Fig.1 Effects of different straw returning methods on rice yield
2.2 不同秸秆还田方式对土壤养分的影响
2.2.1 不同秸秆还田方式对土壤有机质含量的影响 土壤有机质对不同秸秆还田方式的响应见图2，不同秸秆还田处理土壤有机质含量在水稻种植前、孕穗期和成熟期整体呈先下降再回升的趋势。土壤有机质含量在3个时期均为CR>FR>ZR>BR。在水稻种植前和孕穗期，相较于BR处理，CR和FR有机质含量显著增加，分别提升了16.59%～19.53%，10.48%～12.53%(P<0.05)；在成熟期CR有机质含量达到了24.72 g/kg,显著高于FR、ZR和BR，较FR、ZR和BR分别高出9.19%,10.46%,19.53%。
图2 不同秸秆还田方式对土壤有机质含量的影响
Fig.2 Effects of different straw returning methods on soil organic matter content
2.2.2 不同秸秆还田方式对土壤全氮含量的影响 图3表明，CR、FR和ZR处理土壤全氮含量在水稻种植前、孕穗期和成熟期呈逐渐下降的趋势，BR处理呈先下降后略有回升的趋势，且CR、FR和ZR处理在各个时期都显著高于BR处理，土壤全氮含量分别提高了14.21%～29.86%，10.22%～24.31%，7.61%～21.35%(P<0.05)。
在水稻种植前和孕穗期，土壤全氮含量均表现为CR>FR>ZR>BR，且CR与FR、ZR、BR相比，差异显著。在成熟期，土壤全氮含量大小为FR>CR>ZR>BR，其中FR、CR处理较BR分别高出20.83%和19.12%，ZR处理较BR高出9.65%,均达到显著差异(P<0.05)。
图3 不同秸秆还田方式对土壤全氮含量的影响
Fig.3 Effects of different straw returning methods on the content of total nitrogen in soil
2.2.3 不同秸秆还田方式对土壤全磷含量的影响 图4表明，不同秸秆还田方式在水稻种植前、孕穗期和成熟期全磷含量总体呈先下降再回升的趋势，且各时期土壤全磷含量表现为CR>FR>ZR>BR，CR、FR处理均显著高于BR处理，分别提升了6.82%～19.71%，6.33%～11.96%，2.66%～8.43%(P<0.05)，ZR较BR高出2.66%～8.43%。
在水稻种植前，CR、FR、ZR处理显著高于BR处理，但CR、FR、ZR处理间差异不显著；在孕穗期和成熟期，土壤全磷含量在成熟期大小均为CR>FR>ZR>BR，且CR、FR处理与BR差异显著，成熟期较BR分别高出15.51%和6.33%。
图4 不同秸秆还田方式对土壤全磷含量的影响
Fig.4 Effects of different straw returning methods on the content of total phosphorus in soil
2.2.4 不同秸秆还田方式对土壤全钾含量的影响 图5表明，CR、FR处理在水稻种植前、孕穗期和成熟期全钾含量均显著高于ZR、BR处理，在水稻种植前，CR、FR、ZR和BR处理全钾含量呈阶梯状显著下降(P<0.05)；在孕穗期、成熟期，CR、FR处理的土壤全钾含量显著高于ZR和BR处理，而ZR、BR处理间无显著差异。在成熟期，CR、FR处理较BR处理全钾含量分别增加了14.75%和16.51%。土壤全钾含量在成熟期大小为CR>FR>ZR>BR。
图5 不同秸秆还田方式对土壤全钾含量的影响
Fig.5 Effects of different straw returning methods on the content of total potassium in soil
2.2.5 不同秸秆还田方式对土壤速效磷含量的影响 图6表明，土壤速效磷含量整体呈先下降再回升的趋势。在水稻种植前和成熟期，速效磷含量CR>FR>ZR>BR，CR、FR处理与ZR、BR处理差异显著(P<0.05)。在水稻孕穗期，速效磷含量FR>CR>ZR>BR。成熟期CR、FR处理较BR处理速效磷含量增加了64.85%，67.62%。
图6 不同秸秆还田方式对土壤速效磷含量的影响
Fig.6 Effects of straw returning on the content of available phosphorus in soil
2.2.6 不同秸秆还田方式对土壤速效钾含量的影响 图7表明，土壤速效钾含量总体呈下降的趋势。但保持CR>FR>ZR>BR的规律，表明与BR处理相比，秸秆还田对土壤速效钾含量有着更好的影响。成熟期土壤速效钾含量CR显著高于FR、ZR、BR处理，分别高出10.67%,18.57%,24.37%(P<0.05)，说明CR处理更有利于土壤速效钾的提升。
图7 不同秸秆还田方式对土壤速效钾含量的影响
Fig.7 Effects of different straw returning methods on the content of available potassium in soil
2.2.7 不同秸秆还田方式对土壤碱解氮含量的影响 图8表明，土壤碱解氮含量的变化随着生育期的变化逐渐减少。在水稻种植前，FR>CR>ZR>BR；在水稻孕穗期，CR>FR>ZR>BR， CR、FR 显著高于ZR、BR处理(P<0.05)；在水稻成熟期，CR>FR>BR>ZR，CR、FR显著高于ZR、BR处理，FR、CR较BR碱解氮含量分别增加了20.02%，24.32%。
图8 不同秸秆还田方式对土壤碱解氮含量的影响
Fig.8 Effects of different straw returning methods on the content of alkali-hydrolyzed nitrogen in soil
2.3 水稻产量与土壤养分性状之间的相关性
由表1可知，不同土壤养分与水稻产量之间都存在极显著相关的关系，其中有机质含量指标最高。这表明，有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量的多少都会影响到水稻产量的高低，而不同秸秆腐化过程中产生的土壤养分含量的差异导致了不同秸秆还田方式对水稻产量产生的不同影响。
表1 水稻产量与土壤养分性状之间的相关性
Tab.1 Correlation between rice yield and soil nutrient characters mg/kg
参数Parameter有机质Organic matter全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus全钾Total potassium碱解氮Alkali-hydrolyzable nitrogen速效磷Available phosphorus速效钾Available potassium水稻产量 Rice yield0.892∗∗0.792∗∗0.841∗∗0.827∗∗0.861∗∗0.803∗∗0.859∗∗
注：* 和** 分别表示在P<0.05和P<0.01 水平(双侧)上显著相关。
Note: * and ** were significantly correlated at P <0.05 and P<0.01 levels(bilateral).
3 讨论与结论
3.1 不同秸秆还田方式对水稻产量的影响
秸秆还田对水稻产量的影响主要在于秸秆还田是否拥有与化学肥料同等的营养作用。丁奇[11]与众多前人研究表明，水稻秸秆不仅可以替代化学肥料，而且能够大大增加水稻产量，原因在于秸秆还田不仅伴随着NPK养分的带入，而且增加了大量的有机质含量，稳定了土壤结构，减少了雨水冲击对土壤营养元素的流失，从而促进水稻分蘖、增加单位面积有效穗和提高干物质质量，以此增加水稻产量。同时，王会斌等[12]通过控制秸秆还田量试验表明，不管秸秆还田量是全量还是半量，水稻产量均有所提升。刘晓霞等[13]通过连续4 a的秸秆还田试验提出，秸秆还田不仅仅是提高水稻产量和稳固土壤养分的有效途径，而且随着年限的增长秸秆还田对提高水稻产量和提升耕地质量的效果会越来越显著，在刘晓霞等[13]的连续4 a试验表明，水稻增产率由0.6%提高到3.2%。本试验在等肥的前提下经过不同秸秆还田方式处理研究得出了相似的结论。秸秆直接还田、秸秆粉碎还田和秸秆炭化还田产量均高于秸秆不还田。并且秸秆炭化还田效果最佳，产生这一结果的原因是生物炭原料最接近于化学肥料可被土壤直接吸收，秸秆粉碎还田与直接还田使用的秸秆需一定时间的腐解转化为可被土壤吸收的养分，腐解程度和腐解速率直接关系到水稻的生长，本试验秸秆粉碎还田效果略高于秸秆直接还田，这与范呈根[14]研究结果一致。
3.2 不同秸秆还田方式对土壤养分的影响及其与水稻产量的关系
水稻产量与土壤养分性状之间的关系极为密切，大量研究表明，秸秆还田后因为大量微生物快速繁殖提高了有机态养分的分解释放，显著提高了土壤有机质含量，而且随着时间越长，效果更为显著[15-16]。邹清祺等[17]在不同秸秆还田方式对土壤有机质及速效养分影响的试验表明，秸秆粉碎还田相较于秸秆直接还田土壤有机质的积累更明显。土壤有机质含量较高，蓄水保水能力越好，更有利于水稻植株生长，从而增加了水稻产量。本试验研究结果与此结论一致，有机质含量趋势与水稻产量趋势一致，这也部分解释了本试验炭化还田(CK)有机质含量最为丰富，产量最高的原因。
秸秆含有水稻生长所必需的氮、磷和钾等营养元素，能有效改善土壤结构，提高土壤肥力。季陆鹰等[18]研究表明，秸秆还田后相对于秸秆不还田全氮和碱解氮含量均有所提高。氮含量对水稻茎叶生长有一定的促进作用，随着氮含量的增加，水稻最高分蘖数、株高和穗长也随之增加，从而导致水稻产量的增长[19]。本试验秸秆还田全氮含量均高于秸秆不还田，与此结论一致，而秸秆直接还田(ZK)碱解氮含量在成熟期低于秸秆不还田，原因可能在于，秸秆直接还田量大，腐解程度低。钾含量是农业生产中作物产量和质量的重要影响因素，目前农业强度大和复种指数高，导致土壤缺钾严重[20]。秸秆还田在一定程度上缓解了全钾和速效钾含量下降的趋势，从而影响到作物产量，这与前人研究结论基本一致[21-22]。其中炭化还田(CK)使全钾、速效钾含量提高效果最为明显。秸秆还田对土壤磷含量的影响结果不一。一部分研究表明秸秆还田能有效提高土壤有效磷含量[23-24]；另一部分研究表明,秸秆还田对土壤有效磷含量没有显著影响，但对土壤全磷含量有一定的影响[25]。本研究结果表明，秸秆还田有利于全磷和速效磷含量的提升，炭化还田(CK)效果最优。综合来看在不同秸秆还田方式处理中，炭化还田对土壤养分的积累最为明显，这与众多前人研究一致[26-27]，生物炭能够作为改良剂提高库存碳和土壤肥力，增加土壤有机质和提高土壤对营养元素氮、磷、钾的吸附作用。从而能够加快土壤养分循环和土壤微生物活性，间接影响水稻产量。因此，分析不同秸秆还田方式对水稻产量和土壤养分的影响可以得出，炭化还田(CK)值得推广。
不同秸秆还田方式对水稻产量及土壤养分有显著影响。短期内(1 a)CR处理和FR处理显著提升了水稻产量和作物生长所需的土壤养分；研究还发现，CR处理产量最高，较FR处理产量提高了3.16%，较ZR和BR处理产量分别提高了5.64%和8.35%；同时，CR处理在成熟期土壤有机质、全氮、磷、钾、速效磷、速效钾和碱解氮含量分别高出了BR处理19.53%，19.12%，15.51%，16.51%，67.62%，24.37%，24.32%。综合分析，秸秆炭化还田是短期内提高水稻产量和土壤肥力的最佳选择，关于长期的最理想选择还需要在田间试验开展长久的、深入的研究。
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