多元种植模式下秸秆还田对作物产量形成及秸秆与土壤养分协同利用的影响

发布时间：2020-08-19 09:34

【摘要】：秸秆与养分的高效利用是多元种植模式下实现可持续性发展的重要因素。研究多元种植模式下耕作模式与秸秆还田方式对作物养分吸收规律、秸秆腐解与养分释放特征以及土壤养分盈亏,以达到节肥增产促优以及保障耕地可持续利用的目的。本研究于2015-2017年分别从水稻品种、还田秸秆种类、耕作模式以及秸秆还田方式4个方面开展研究。2015年选用不同氮效率水稻品种德香4103(氮高效品种)与宜香3724(氮低效水稻品种),分别设置无秸秆还田、晚熟油菜秸秆覆盖、早熟油菜秸秆覆盖与蒜田水稻秸秆残余,在水稻季结束后移除水稻秸秆,分别于对应小麦油菜秸秆覆盖小区采用免耕直播方式种植小麦与油菜,无秸秆覆盖处理采用撂荒处理。并在2015年基础上,于2016、2017选用代表性水稻品种杂交稻F优498为材料,采用大田连续定位试验方式,设置翻耕秸秆翻埋还田(T1)、翻耕秸秆覆盖还田(T2)与免耕秸秆覆盖还田(T3),同时采用盆栽试验设置翻耕秸秆翻埋还田、翻耕秸秆覆盖还田处理作为辅助试验。研究小麦、油菜秆还田对油-稻、麦-稻及撂荒-稻三种种植模式下作物养分吸收规律、产量及稻米品质、秸秆腐解与养分释放特征以及土壤养分分布与盈亏。主要结果如下:1多元种植模式下秸秆还田对作物生长的影响连续试验表明,不同耕作模式、还田方式与不同秸秆种类还田在水稻移栽后20、30d对水稻根系生长与地上部干物质积累具有一定的抑制作用,而在其后各时期表现为显著促进作用,但秸秆还田对水稻生长的抑制及促进强度则受耕作模式、还田方式与还田秸秆种类的影响。小麦秸秆翻埋还田在前期会导致稻田土壤严重板结硬化,进而抑制水稻根系与地上部生长,移栽后20-30d干物质积累量相对无秸秆还田处理下降17.71%与44.21%,而后期对水稻生长的促进作用难以弥补前期的抑制,进而导致水稻干物质降低。油菜秸秆翻埋还田虽在生育前期对水稻根系及地上部生长有抑制效应,但中后期对水稻生长的促进作用能够抵消前期抑制作用,进而在水稻物质及产量方面较无秸秆处理有略微提高。而翻耕与免耕下秸秆覆盖还田处理对水稻生长抑制效应较小,因而秸秆还田对水稻干物质积累均表现为显著促进效应。在翻耕模式下小麦秸秆覆盖还田的促进效果最为显著,而在免耕模式下则以油菜秆覆盖还田效果最佳。但秸秆翻耕还田均显著促进非稻季作物物质积累。2多元种植模式下秸秆还田对作物产量及构成因子的影响本研究表明,小麦秸秆翻耕还田显著降低了水稻有效穗数,进而降低水稻产量,但随还田年数的增加,秸秆翻埋还田对有效穗数的抑制作用显著降低,在首年与第二年水稻有效穗分别降低4.65%与0.44%,而产量分别降低2.82%与1.72%。盆栽条件下,第二年麦秆翻埋还田对水稻产量表现为明显促进,大田条件下则第二年年水稻产量下降幅度较前一年明显降低,油菜秸秆翻埋还田下则表现为显著促进水稻有效穗,进而显著提高稻谷产量。而在翻耕与免耕秸秆覆盖还田下,小麦秸秆、油菜秆均表现为显著提高水稻有效穗数及穗粒数,提高稻谷产量,且随还田年数的增加增产幅度逐渐增加,2016年增产幅度为1.25%-7.84%,而在2017年增产幅度达1.93%-13.42%。在翻耕秸秆覆盖还田下,麦秆覆盖处理增产幅度明显高于油菜秆覆盖处理,而在免耕秸秆覆盖下则以油菜秆覆盖处理最优。各处理下在水稻产量的降低时,而非稻季作物产量显著增加。相关性分析表明水稻结实率、千粒重及产量与移栽后30d、齐穗期以及成熟期水稻总根长、根体积均呈显著或极显著正相关关系(r~2=0.28*-0.76**),而水稻穗粒数及产量与齐穗期10-20cm与20-25cm土层根干重有显著的正相关关系(r~2=0.47**-0.62**)。秸秆养分释放与水稻产量及其构成因子有较好的二次拟合方程。3多元种植模式下秸秆还田对水稻稻米品质的影响秸秆覆盖还田显著提高氮高效水稻品种德香4103稻米垩百度与垩白粒率及蛋白质含量,降低胶稠度与直链淀粉含量,而对氮低效品种宜香3724稻米垩白度及垩白粒率则明显降低,但秸秆覆盖还田对氮高效水稻品种与氮低效水稻品种稻米均明表现为明显提高稻米出糙率与整精米率。不同耕作模式下麦秆与油菜秆覆盖还田处理均显著提高稻米出糙率、整精米率、胶稠度、整精米率及蛋白质含量,显著降低稻米垩白度及垩白粒率。但在秸秆翻埋还田下,首年小麦秸秆翻耕还田时,显著提高稻米垩白度及垩白率,在第二年则显著降低垩白度及垩白粒率;油菜秆则均显著降低稻米垩白度及垩白粒率,但麦秆与油菜秆还田均显著提高稻米出糙率、整精米率、胶稠度与整精米率及蛋白质含量。综合比较,在秸秆翻埋还田与免耕秸秆覆盖还田下以油菜秸秆还田最佳,而翻耕秸秆覆盖下则以麦秆还田最优。相关性分析表明,稻米出糙率、直链淀粉含量、垩白度与垩白粒率与水稻生育前期根系形态指标呈显著正相关关系,与水稻生育中后期根系形态指标呈显著负相关关系,而稻米胶稠度与蛋白质含量与水稻生育前期根系太指标呈显著负相关关系,而与中后期根系形态指标呈正相关关系。表明秸秆还田下,秸秆腐解及养分释放影响水稻根系形态生长极其构建,进而影响水稻库源关系以及水稻根系养分吸收转运效率,进而影响水稻产量及其稻米品质。4多元种植模式下秸秆还田对作物养分吸收的影响本研究表明,在不同耕作模式、还田方式下小麦与油菜秸秆还田对水稻氮、磷、钾总积累量均有明显的促进作用,分别较无秸秆还田处理提高3.00%-40.31%、4.03%-19.89%与6.88%-31.67%,但麦秆翻埋还田在首年对水稻氮素与磷素吸收有明显抑制作用,分布降低8.42%与5.26%。秸秆还田对水稻各时期养分吸收有明显的影响,在氮素吸收方面,在首年与第二年,翻耕秸秆覆盖还田处理在水稻移栽后20d前对水稻氮素吸收表现为显著抑制,在移栽后30d至齐穗期也表现为明显抑制作用,而在移栽后20-30d和齐穗期至成熟期表现显著的促进效应,但第三年对移栽后20-30d表现为抑制作用,在其他各时期均表现为促进。而在磷、钾吸收方面均表现为,在各耕作模式下秸秆覆盖还田首年对水稻移栽后20d前磷、钾吸收有明显抑制,而第二年则在移栽后20-30d表现出抑制效应,但在第三年则均表现为明显促进作用或无明显差异。在秸秆翻埋还田下,首年实施时在齐穗期前均有明显的抑制作用,但在其后生育期均表现为明显促进,随着秸秆还田年数的增加,抑制效应明显减低或消失。而非稻季下,小麦氮素积累显著高于油菜,而磷、钾积累则油菜积累量最高。5多元种植模式下秸秆还田对土壤养分平衡的影响不同耕作模式和秸秆还田方式下,小麦及油菜秸秆还田相对无秸秆还田,在各时期土壤有效氮、有效磷及有效钾均明显提高。同时,秸秆翻埋还田下,油菜秆还田对土壤有效氮层化率显著降低,而麦秆还田显著提高。麦秆与油菜秆在非稻季收获后有效磷层化率显著提高,其他时期明显降低,而对土壤有效钾层化率均显著提高。秸秆覆盖还田对土壤有效氮、有效磷与有效钾层化率表现为显著提高,且油菜秆覆盖还田提升幅度较麦秆覆盖还田处理高。在本施肥条件下,采用麦/油-稻种植模式对土壤氮素和钾素造成亏损,对土壤有效磷素表现为显著盈余。而土壤养分亏损主要是在水稻季产生,而随着秸秆还田的持续各季亏损量逐渐降低。同时,在非稻季采用撂荒处理时,也会由于雨水的淋洗,造成土壤有效磷、有效钾及有效氮素的亏缺。对土壤养分与作物养分积累二次方程拟合表明,非稻季土壤养分与水稻前期生长养分吸收,以及稻季收获后土壤养分与非稻季作物养分吸收有较好的拟合度,而秸秆还田养分释放对非稻季土壤养分含量具有较好的二次方程拟合度。表明前茬土壤养分残留能够显著的影响后茬作物的养分吸收和积累,且在秸秆还田下秸秆腐解及养分释放在直接影响作物养分吸收外,还通过对土壤养分的变化进而间接影响作物养分吸收。6多元种植模式下秸秆还田对还田秸秆腐解及养分释放的影响本研究表明,水稻品种间还田秸秆总腐解量与养分释放量以及各时期钾素释放无明显差异,但水稻生长及养分吸收特征明显调节在各时期的秸秆腐解量及氮、磷释放量。翻耕秸秆覆盖能够明显加快小麦秸秆腐解及氮素与磷素释放。首年实施秸秆翻埋还田时,明显减缓小麦秸秆腐解及氮、磷释放速率,但随着还田年数的增加则秸秆翻耕处理养分释放释放量及释放速率明显提高。而油菜秸秆翻埋还田均明显加快腐解及氮素与磷素释放,耕作模式与还田方式对钾素释放无明显影响。同时,随着实施秸秆还田年数的增加,耕作模式与秸秆还田方式下秸秆腐解及养分释放的差异逐渐减小。7多元种植模式下秸秆还田对氮素去向的影响本试验采用~(15)N示踪技术研究结果表明,秸秆翻耕还田能够促进非稻季作物氮素吸收,减少当季施用氮素在土壤中的残留,但秸秆覆盖还田处理能够增加后季水稻对其的吸收。同时,稻季秸秆还田也能够起到对非稻季施用的残余氮素的吸附与拦截,从而促进作物对氮素的吸收利用。秸秆覆盖还田处理能够明显促进水稻对还田秸秆氮素的吸收利用,在不同耕作模式和还田方式下水稻对油菜秸秆氮素吸收利用率显著高于小麦秸秆还田处理,但31.23%-77.22%的还田秸秆释放氮素残留于土壤中。在齐穗期还田秸秆氮素在土壤中层化率差较小,但在成熟期秸秆翻埋还田层化率明显降低,而秸秆覆盖处理层化率明显提高。8多元种植模式下秸秆还田对稻季施用氮素去向的影响本试验采用~(15)N研究结果表明,秸秆翻埋还田在水稻移栽后20 d对水稻基肥与蘖肥施用氮肥吸收表现为轻微的抑制效应,在移栽后30 d则表现为显著的抑制作用,但在其后各时期则对基肥与蘖肥表现为显著的促进作用,而翻耕秸秆覆盖还田仅在移栽后20-30 d显著抑制水稻当季施用氮肥的吸收。小麦秸秆在免耕覆盖还田下,在水稻移栽后30 d前对水稻氮素吸收表现为显著的抑制,在其后各生育时期表现为显著促进,而油菜秸秆还田在各时期均表现为显著促进。同时,秸秆还田下还田秸秆也对部分施用氮素进行吸附与拦截,其中31.48%-45.68%施用氮素被水稻吸收,23.58%-38.02%被残留于土壤中,而1.15%-2.56%的施用氮素被还田秸秆所拦截。翻耕条件下秸秆翻埋与秸秆覆盖还田均明显提高基肥与蘖肥在土壤的层化率;而在免耕秸秆覆盖还田下则明显降低基肥与蘖肥的层化率。秸秆翻耕还田明显提高穗肥土壤层化率,但秸秆覆盖还田明显降低对穗肥层化率,其中以小麦秸秆还田处理最低。表明在秸秆还田下,秸秆会对部分非稻季与稻季施用氮肥进行吸附与拦截,作物以此为媒介对氮素进行吸收利用,但秸秆腐熟均贯穿整个作物生长季,且秸秆氮大部分残留于土壤中而被下一季还田秸秆所利用,因而随持续年数的增加,秸秆还田表现出作物养分吸收与土壤盈亏趋于平衡。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511;S512.1;S565.4
【图文】：

试验区,气温,数据,油菜

试验于 2015-2017 年在四川成都温江四川农业大学水稻研究所试验农场（N30°43′ E103°52′）进行，试验地点气象资料见图 2-1。试验田耕层土壤质地为沙壤土。稻季采用宽窄行高产栽培方式（宽行 40cm、窄行 26.7、株距 16.7cm），单株栽插，并在宽行进行秸秆覆盖还田处理，便于秸秆覆盖还田操作。水稻季在总施 N 量 135 kg/ hm2（研究区域内常规施氮量为 150 kg/ hm2，作物秸秆含氮量为20-50 kg hm2）水平下，采用基肥：蘖肥：穗肥比为 3:3:4 氮肥运筹模式，同时各秸秆还田模式下均设置不施氮处理。蘖肥于移栽后 7 d 施用，穗肥于倒 4 叶期一次性施用。P2O590 kg/ hm2, K2O 135 kg /hm2，全部作基肥施用，3 次重复。非稻季作物小麦、油菜均采用免耕穴直播，油菜行距 30cm、株距 20cm，小麦行距 20cm、株距 10cm，每穴播种小麦与油菜分别播种 3-6 粒，出苗后小麦与油菜分别留苗 3-5苗与 1-2 苗。非稻季均在总施氮量 48 kg/ hm2（所施化肥为 NPK 复合肥，N:P:K 为15:15:15）水平下，采用基肥：拔节/越冬肥：穗/薹肥比为 2:4:4 运筹模式。小区面积为 15.4 m2，小区间筑埂（宽 40cm），并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。

物质积累,秸秆还田,产量,麦秆

图 2-3 耕作模式与秸秆还田对非稻季物质积累的影响(2015-2016)Fig. 2-3 The effect of tillage mode and straw incorporation on dry matter accumulation in non-riceseason in 2016由图 2-4 可见，在 2017 年，在秸秆产量方面，对比不同耕作模式，油菜秆产量均显著高于麦秆产量，麦秆产量 T1>T2>T3，而油菜秆产量 T1>T3>T2。而在籽粒产量方面，油菜籽产量均显著低于麦籽产量，麦籽产量 T1>T3>T2，而油菜籽产量 T1>T2>T3。图 2-4 耕作模式与秸秆还田对非稻季物质积累的影响(2017)

物质积累,秸秆还田,产量,麦秆

【参考文献】