不同烟草秸秆还田量在水稻土中的腐解特征及其对水稻产量的影响,

烟草秸秆是烟叶种植中的主要废弃物资源,在常规的烟稻轮作系统中,烟草秸秆作为废弃物田间丢弃或焚烧严重影响了乡村的环境整治[1]。有研究表明,由于烟草秸秆中含有较高的糖分、蛋白质、脂肪和无氮浸出物等营养物质,可以加工成品质较高的动物饲料[2-3]。同时,作为主要的有机肥资源,烟草秸秆中含有较高的氮磷钾养分,也可以将烟草秸秆制备成有机肥料[4-5]。近年来,随着翻耕器械的改进,越来越多的烟农直接将烟草秸秆进行粉碎还田[6-8]。有研究表明,烟草秸秆还田提高了土壤肥力和养分供应状况,且对控制水稻纹枯病具有明显效果[6]。也有研究表明,烟草秸秆还田时添加腐解剂对水稻的增产效果极显著,这可能与腐解菌促进烟草秸秆快速腐解有关。在安徽省烟稻轮作区,烟草秸秆还田后的腐解速率表现为前期快后期减慢的特征[9]。江西省作为我国南方烟叶生产的省区之一,近年来烟草种植面积也扩展迅速。但是,在江西烟区,烟草秸秆还田后的腐解特征及其对水稻产量影响的研究还鲜有报道。因此,本研究通过设置不同烟草秸秆还田量的田间试验,深入分析不同处理下烟草秸秆的腐解规律,并结合烟草秸秆投入量探讨外源碳氮比与水稻产量的量化关系,以期为合理的烟草秸秆还田量提供理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省南昌市进贤县张公镇江西省红壤研究所水稻试验基地(116°10′48.04″E, 28°21′18.54″)。该地区位于江西省中部偏北,鄱阳湖南岸,抚河信河下游,地理上呈现三面环水的特点,气候属于亚热带季风湿润气候区,四季分明。年平均气温18.1 ℃,最冷月平均气温5.4 ℃,最热月平均气温30 ℃；雨量充沛,分布不均,年平均降雨量1 722.9 mm,其中4-6月降雨量780 mm,占全年降水量的45.3%,年平均蒸发量为1 414.6 mm。年平均相对湿度79%；年平均无霜期271.2 d,全年日照1 693.5 h。

土壤类型为红壤性水稻土,试验前土壤理化性质为：试验前耕层土壤pH值5.6,有机碳17.31 g/kg,全氮0.89 g/kg,全磷0.59 g/kg,全钾12.36 g/kg,碱解氮150.54 mg/kg,有效磷11.24 mg/kg,速效钾110.57 mg/kg。水稻种植季为晚稻季,品种为荣优308。

1.2 试验设计

烟草秸秆来自江西省抚州市黎川县植烟区,烟草品种为云烟87。烟草秸秆的有机碳含量为4.53 g/kg、氮磷钾含量分别为0.085,0.010,0.016 g/kg。按照烟草秸秆产生量确定还田量,分别设计对照不还田(S0),半量(S0.5,1 125 kg/hm2),等量(S1,2 250 kg/hm2),1.5倍量(S1.5,4 500 kg/hm2)等4个处理。每个处理3次重复。小区面积为2.75 m2(1.5 m×1.5 m)。每个小区均用塑料挡板隔开,烟草秸秆还田后种植水稻。每个处理均施用等量的化肥,其中氮肥为180 kg/hm2,60%做基肥施用,40%在返青期追施,磷肥用量为60 kg/hm2,全部做基肥施用；钾肥用量为160 kg/hm2,50%做基肥施用,50%在穗分化期追施。氮磷钾肥的种类分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。

同时,将一部分烟草秸秆切成3～5 cm长,烟草秸秆混匀后装入尼龙网袋内呈扁平状,竖直埋入距土面 5～10 cm 的位置。尼龙网袋规格为 10 cm×5 cm (长×宽),孔径为1 mm。每个网袋内烟草秸秆鲜质量为40 g(烘干质量10 g,含水量85%)。每小区20包。

1.3 测定指标

在水稻插秧后每隔3,6,9,12,19,26,33,40,47,54,61 d,采集1袋,带回室内,经去离子水洗净烘干,供测定烟草秸秆干质量。并计算腐解量、日均腐解量和累积腐解速率。

腐解量(g)=第 n-1 次的干物质总量-第 n 次的干物质总量；

日均腐解量(g/d)=腐解量/腐解天数；

累积腐解速率=((0 d的干物质总量-n d的干物质总量)/0 d的干物质总量)×100%；

水稻收获时每小区实打实收,测定水稻产量。

试验数据采用 Microsoft Excel 2003 和SPSS 19.0等软件进行分析,用LSD进行显著性检验,P<0.05为显著性差异。碳氮比投入与产量的量化关系用二次曲线进行拟合,所有图件均用Origin 8.1制作。

2 结果与分析

2.1 不同还田量下烟草秸秆腐解速率变化

在所有还田量下,烟草秸秆的腐解特征均表现为前期快、后期慢的特点：0～10 d 为快速腐解期,5 d 时烟草秸秆腐解量和日均腐解量均达到最大,分别为 0.87 g 和 0.29 g/d(图1)；10 d 之后,烟草秸秆的腐解速率逐渐放缓,19 d 的日均腐解量只有 0.03 g/d。烟草秸秆累积腐解速率也呈现出相似的趋势,整个水稻季烟草秸秆的累积腐解速率为42.31%。但在0～10 d即达到了21.85%,19 d为26.90%。在不同还田量中,各处理的烟草秸秆腐解量和日均腐解量差异不显著,但累积腐解速率则基本呈现出半量还田的处理高于等量还田和1.5倍还田量处理。

2.2 不同还田量下水稻产量和产量构成变化

图2结果表明,不同还田量下水稻产量为9.78～10.37 t/hm2,烟草秸秆1.5倍还田量下水稻产量略有下降,但差异不显著。水稻秸秆的结果也基本相似。同时,收获指数的结果也表明,不同还田量不会显著影响水稻收获指数。

2.3 不同还田量下碳氮比投入量与水稻产量的相互关系

进一步计算了不同还田量下的碳氮比投入量。表1显示,考虑到上季水稻的根系有机碳和氮投入量,再结合烟草秸秆的有机碳和全氮含量,综合计算出水稻插秧前投入的碳氮比,结果表明,不同还田量下投入的碳氮比在5.91～15.42,且还田量越高,碳氮比越高。

投入碳氮比与水稻产量的相互关系可以用二次曲线方程进行拟合(图3),即要获得较高的水稻产量,必须调整外源投入品达到一个合理的碳氮比。在本研究中,从二次曲线方程获得的合理碳氮比为10.1,对应的最高产量为10.4 t/hm2。

Note： Different lowercase letters indicate significant difference among all treatments.

3 讨论与结论

在红壤性水稻土上,不同烟草秸秆还田量的腐解特征均表现为前期快、后期慢的特点,这与前人的研究结果相似[9]。但是本研究中,还田5 d 时烟草秸秆腐解量和日均腐解量分别为 0.87 g 和 0.29 g/d,这显著低于刘炎红的结果[9],原因主要与土壤类型、气候条件等有关[10],但具体原因还有待深入研究。同时,本研究进一步发现,在不同还田量中,各处理的烟草秸秆腐解量和日均腐解量差异不显著,但累积腐解速率则基本呈现出半量还田的处理高于等量还田和1.5倍还田量处理,这可能与土壤中参与烟草秸秆腐解的微生物群落数量有关[11-12]。

外源的秸秆投入是影响土壤碳氮比的重要因素之一[13-14]。前人研究表明,虽然外源秸秆等有机肥投入可以提高土壤肥力和作物产量[15],但秸秆投入较高则为导致微生物与作物竞争氮源,从而显著作物正常生长[16-17]。因此,研究合理的碳氮比投入值就成为调控作物生长的关键。本研究通过计算了插秧前不同还田量下的碳氮比投入量发现,不同还田量下投入的碳氮比在5.91～15.42,且还田量越高,碳氮比越高。因此,虽然不同还田量处理不会显著影响水稻产量和收获指数,但结合投入碳氮比与水稻产量的二次曲线方程发现,水稻最高产量(10.4 t/hm2)下合理的碳氮比为10.1。但是,由于养分需求不一,不同作物对外源碳氮比的要求不一[18]。在小麦玉米轮作体系中,则以秸秆还田施用无机氮肥调节碳氮比为16较为合理[19]。此外,即使在相同的碳氮比条件下,由于不同有机物料的成分不一[20],其对作物的生长影响差异也较大[21]。因此,本研究获得合理碳氮比还有待进一步研究和验证。

在红壤性水稻土中,烟草秸秆的腐解特征表现为前期快、后期慢的特点。在不同还田量中,烟草秸秆腐解量和日均腐解量差异不显著,但累积腐解速率则基本呈现出半量还田的处理高于等量还田和1.5倍还田量处理。烟草秸秆投入的碳氮比是影响水稻产量的关键因素,在本研究中合理的碳氮比为10.1,对应的水稻产量为10.4 t/hm2。

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