免耕與秸稈還田對直播稻產(chǎn)量及水分利用的影響

李國齊，吳漢,2*

(1. 安徽省淠史杭灌區(qū)灌溉試驗總站，安徽 六安 237158；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

水稻是中國主要的糧食作物之一，其種植面積占全糧食總面積的30%左右，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水的70%[1].然而隨著人口的增長、城鎮(zhèn)和工業(yè)的發(fā)展、全球氣候的變化以及環(huán)境污染的加重，用于灌溉的水資源愈來愈匱乏，嚴(yán)重威脅到水稻生產(chǎn)的發(fā)展.此外，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移及土地流轉(zhuǎn)加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體發(fā)生了巨大變化，使得生產(chǎn)種植方式也在不斷變革，以直播稻及保護(hù)性耕作(例如免耕、秸稈還田等)等為代表的輕簡化水稻生產(chǎn)技術(shù)得到了較快的發(fā)展[2].

與傳統(tǒng)的翻耕相比，前人[3-4]一致認(rèn)為保護(hù)性耕作不僅可以節(jié)省勞力，而且有利于維持土壤生產(chǎn)力和糧食穩(wěn)產(chǎn).通過免耕，可以大幅減少水分滲漏，直播水稻較移栽水稻常規(guī)淹灌減少了水分投入[3,5].前人[6-7]研究結(jié)果顯示，秸稈覆蓋還田對于旱地作物可以保溫保墑.而對于傳統(tǒng)翻耕的水稻，秸稈隨翻耕埋入土壤，在水稻生長前期秸稈腐熟的過程中產(chǎn)生熱量[5,8]，使得土壤溫度升高，有可能使水分蒸發(fā)加劇，在氣溫較高時甚至產(chǎn)生“煮苗”現(xiàn)象.而免耕下，秸稈覆蓋在表層土壤之上，其水分效應(yīng)不得而知.此外，PITTELKOW等[9]收集了610篇關(guān)于保護(hù)性耕作的文獻(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作(翻耕+秸稈不還田)相比，其中有64篇研究認(rèn)為免耕+秸稈還田增加產(chǎn)量，74篇顯示無顯著差異，其余均顯示產(chǎn)量下降.可以看出多數(shù)研究結(jié)果顯示保護(hù)性耕作降低了移栽水稻的產(chǎn)量.然而保護(hù)性耕作對直播水稻產(chǎn)量影響的研究成果較少.文中研究免耕與秸稈還田對直播水稻產(chǎn)量、土壤溫度及水分利用的影響，為水資源合理利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，為探討可持續(xù)的稻田生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2017和2018年在安徽省六安市淠史杭灌區(qū)灌溉試驗總站內(nèi)(117.55°E，31.80°N)進(jìn)行.試驗土壤為黏壤土，播種前0～40 cm土壤理化性質(zhì)參數(shù)：pH7.5，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比19.60 g/kg，全氮質(zhì)量比1.24 g/kg，堿解氮質(zhì)量比146.00 mg/kg，全磷質(zhì)量比0.28 g/kg，有效磷質(zhì)量比13.53 mg/kg，全鉀質(zhì)量比13.20 g/kg，速效鉀質(zhì)量比205.41 mg/kg.試驗期間的氣象數(shù)據(jù)如圖1所示，由試驗站內(nèi)安裝的小型自動氣象站提供；圖中物理量為氣溫t、降雨量P、播種后天數(shù)d.

圖1 試驗期間的氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data during experiment

供試品種為廣兩優(yōu)67(Guangliangyou67).

1.2 試驗設(shè)計

采用兩因素兩水平裂區(qū)試驗設(shè)計，在有底的水泥測坑中設(shè)置了免耕(NT)與翻耕(CT)2種不同的耕作方式和前茬作物秸稈不還田(NS)與前茬作物秸稈還田(S)2種秸稈還田方法，共4個處理：翻耕+秸稈不還田(CT+NS)：人工翻地，耕深8～10 cm，前茬小麥秸稈不還田；翻耕+秸稈還田(CT+S)：人工翻地，耕深8～10 cm，前茬小麥秸稈隨翻耕埋入土壤；免耕+秸稈不還田(NT+NS)：不進(jìn)行整地，前茬小麥秸稈不還田；免耕+秸稈還田(NT+S)：不進(jìn)行整地，前茬小麥秸稈在水稻播種后覆蓋還田.每個處理3個重復(fù)，小區(qū)面積為2.5×1.6 m2.

1.3 田間管理

2017，2018年分別于5月25日、5月20日人工撒播水稻，播種量為37.5 kg/hm2；分別于10月7日、9月26日收割.前茬作物為小麥.施氮量為180 kg/hm2，按基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶6∶2分3次施入；鉀肥(K2O)與磷肥(P2O5)均為120 kg/hm2，一次性基施.病蟲草害防治同當(dāng)?shù)?

具體的水分管理如圖2所示(圖中物理量為水位h、土壤質(zhì)量相對含水率θ)，其中田間水位監(jiān)測利用測針每日8:00測量(測坑內(nèi)安裝一測樁，測樁底部與土層持平)；土壤相對含水率(質(zhì)量)為土壤含水率與土壤飽和含水率之比(土壤含水率利用稱重法測量，當(dāng)田間無水層時，每3 d測量1次).

圖2 水分管理Fig.2 Moisture management

1.4 測定內(nèi)容與方法

1) 灌排水量.灌水量I由流量計讀出.若雨后田間水位超過最大蓄水深度，按照水位處理設(shè)計方案排水，排水前后的水層深度變化量即為排水量D.

2) 需水量.需水量ET按照《灌溉試驗規(guī)范》(SL 13—2015)中的水量平衡方法計算.

3) 土壤溫度.在水稻苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期，用地溫計在各小區(qū)測定 0，10和20 cm處土壤地溫，每天8:00，14:00，20:00各測定1次，取平均值為當(dāng)天土壤溫度.

4) 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素.于收獲前每小區(qū)選取3個0.5 m2水稻計算有效穗數(shù)，再取0.1 m2所有的有效穗數(shù)進(jìn)行室內(nèi)考種，統(tǒng)計結(jié)實率、千粒質(zhì)量.每個小區(qū)水稻收割后，脫粒，自然風(fēng)干后稱重，并折算單位面積產(chǎn)量.

5) 水分利用，計算式為

WUE=Y/ET，

(1)

式中：WUE為水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y為水稻產(chǎn)量，kg/m2；ET為需水量，m3/m2.

1.5 數(shù)據(jù)計算方法、處理與分析

測得數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析與處理，Origin Pro 2018作圖.采用一般線性模型進(jìn)行方差分析，最小顯著極差法(LSD 法)進(jìn)行多重比較.

2 試驗結(jié)果

2.1 需水規(guī)律

2.1.1 灌排水量

表1為免耕與秸稈還田下對直播稻灌排水量的影響.分析表1可知，耕作方式、秸稈還田及兩者的相互作用顯著影響水稻的需水量.CT+S的需水量最大(587.7～621.7 mm)；2017年NS+NT的需水量最小(555.0 mm)，2018年NT+S的最小(576.7 mm)，但2年間NT+S與NT+NS的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.NT+S需水量較CT+S顯著減少5.17%～7.24%.免耕的灌水量顯著低于翻耕.各處理的排水量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.2017年灌水量高于2018年，而需水量低于2018年.

表1 免耕與秸稈還田下對直播稻灌排水量的影響Tab.1 Effects of no-tillage and straw returning on irrigation and drainage of direct seeding rice

2.1.2 各生育時期需水量

表2為免耕與秸稈還田下對直播稻各生育時期需水量的影響.由表可知，耕作方式、秸稈還田主要影響苗期、分蘗期的需水量，而對拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、黃熟期的需水量無顯著影響.在苗期，CT+S的需水量最大(87.9～94.6 mm)，NT+S的最小(76.6～80.2 mm).在分蘗期，CT+S的需水量最大(161.8～165.1 mm)，NT+NS的最小(143.6～146.6 mm)，但NT+S與NS+NT兩者差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.2017年苗期的需水量高于2018年，而抽穗開花期、乳熟期、黃熟期表現(xiàn)出相反的規(guī)律，分蘗期、拔節(jié)期差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

表2 免耕與秸稈還田下對直播稻各生育時期需水量的影響Tab.2 Effects of no-tillage and straw returning on water demand of direct seeding rice at different growth stages

2.2 土壤溫度

圖3為免耕與秸稈還田下2017，2018年對直播稻土壤溫度的影響，圖中Hs為土壤深度、Ha為空中離地高度.

分析圖3可知，NT+NS的土壤平均溫度最低，CT+S的最高.在苗期、分蘗期，NT+S土壤溫度表層溫度與CT+S差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，10和20 cm深度土壤溫度與CT+NS差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.在拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、黃熟期，各處理的表層溫度差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，而在10和20 cm處翻耕(CT+S，CT+NS)的溫度顯著高于免耕(NT+S，NT+NS).在苗期、分蘗期，土壤表層溫度高于氣溫，而在拔節(jié)后(拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、黃熟期)土壤表層溫度低于氣溫.

2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

表3為免耕與秸稈還田下對直播稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，表中Pp為有效穗數(shù)、Sp為每穗粒數(shù)、mg為千粒質(zhì)量、Gp為結(jié)實率、Gy為產(chǎn)量.由表可知，秸稈還田及其耕作方式、兩者的相互作用對水稻產(chǎn)量有著顯著的影響.免耕與秸稈還田下(NT+S)水稻的產(chǎn)量為9.08～9.63 t/hm2，與CT+NS和CT+NS下的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，而較NT+NS顯著增加了10.05%～13.36%.免耕的水稻產(chǎn)量與翻耕相比差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，而秸稈還田較秸稈不還田的產(chǎn)量顯著增加.

表3 免耕與秸稈還田下對直播稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of no-tillage and straw returning on yield and its components of direct seeding rice

耕作方式對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響并不具有統(tǒng)計學(xué)意義；秸稈還田的有效穗數(shù)顯著低于秸稈不還田，而穗粒數(shù)和結(jié)實率則相反.2018年的水稻產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實率顯著高于2017年，而有效穗數(shù)表現(xiàn)出相反的規(guī)律.

2.4 水分利用

秸稈還田及其與耕作方式的互作效應(yīng)顯著影響著水分生產(chǎn)率.圖4為免耕與秸稈還田下對直播稻水分生產(chǎn)率的影響.由圖可知，2 a間均以NT+S的水分生產(chǎn)率最高，分別為1.63和1.67 kg/m3，較NT+NS顯著增長了12.90%和11.56%.與NT+S相比，CT+S的無顯著變化；CT+NS的水生產(chǎn)率在2017年顯著低于NT+S，而在2018年差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

圖4 免耕與秸稈還田下對直播稻水分生產(chǎn)率的影響Fig.4 Effects of no-tillage and straw returning on water use efficiency of direct seeding rice

3 討 論

田間的水分平衡與熱量平衡有著密切的關(guān)系[10-11].試驗結(jié)果顯示，免耕處理下的水稻需水量較翻耕的顯著下降，這與前人[3,12]的研究結(jié)果基本一致.至于免耕減少需水量的原因，前人做過的大量研究表明[6,12-14]免耕使得土壤緊實度和土壤容重增加，一方面可以減少水分下滲[12]；另一方面使得耕作層的土壤含水量增加，增大了土壤的比熱容，降低了土壤溫度的變化幅度，使得水分蒸散減少[6,14].文中試驗在有底的測坑中進(jìn)行，無滲漏，所以免耕的需水量減少主要是由于土壤溫度下降使得棵間蒸發(fā)減少.

研究結(jié)果顯示，翻耕下秸稈還田的苗期、分蘗期需水量顯著高于秸稈不還田的，這是因為翻耕下秸稈翻入土壤中，在拔節(jié)期前，秸稈腐熟產(chǎn)生熱量，使得土壤溫度升高，棵間蒸發(fā)加劇，而在拔節(jié)孕穗后，秸稈已經(jīng)腐熟完，使得秸稈還田(CT+S)的土壤溫度與秸稈不還田(CT+NS)的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.這與前人[6]在翻耕下研究秸稈還田的結(jié)果基本一致.然而免耕處理下秸稈還田與否，其需水量差異不大，這主要因為NT+S秸稈覆蓋下土壤表面溫度在苗期、分蘗期較免耕+秸稈不還田(NT+NS)有所增加，但是覆蓋秸稈有保墑的作用[7]，使得需水量與NT+NS差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.拔節(jié)后免耕+秸稈不還田(NT+NS)較免耕+秸稈還田(NT+S)土壤溫度仍略有差異，這是因為秸稈翻蓋在土壤之上，其腐熟周期更長[15]；而拔節(jié)后水稻需水量主要以水稻蒸騰為主[10]，使得需水量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.因此需水量表現(xiàn)為ET(CT+S)>ET(CT+NS)>ET(NT+S)=ET(NT+NS).由于產(chǎn)量NT+S與翻耕處理的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，所以NT+S的水分利用效率最大.

前人對于水稻產(chǎn)量對保護(hù)性耕作的響應(yīng)做了大量研究[14-17]，結(jié)果顯示免耕下移栽水稻較翻耕產(chǎn)量下降，這主要是因為免耕減少了移栽水稻的有效穗數(shù).但文中研究結(jié)果顯示，翻耕與免耕的產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，這可能是因為免耕主要影響了分蘗的發(fā)生，而直播稻穗數(shù)貢獻(xiàn)主要來自主莖[18].這與馮躍華等[19]的研究結(jié)果基本一致.

研究結(jié)果還顯示，與秸稈不還田相比，秸稈還田增加了穗粒數(shù)，降低了有效穗數(shù).這可能主要是因為秸稈在前期腐熟過程中與水稻爭奪土壤中的氮素[15]，使得有效穗數(shù)降低；秸稈腐熟后的有機(jī)質(zhì)在穗分化后提供了較多的營養(yǎng)物質(zhì)，增加了穗粒數(shù).免耕與秸稈還田減少了有效穗數(shù)，但穗粒數(shù)與結(jié)實率顯著增加，使得產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作(CT+NS)差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.說明水稻獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵是穩(wěn)定穗數(shù)，提高穗粒數(shù)和結(jié)實率[2].2017的水稻產(chǎn)量低于2018年，這主要是因為2017年在生育后期多雨寡照，影響了水稻灌漿，使得千粒質(zhì)量與結(jié)實率顯著低于2018年.秸稈還田具有很好的穩(wěn)產(chǎn)性，這可能是因為腐熟的有機(jī)質(zhì)可以有效緩解逆境脅迫.

4 結(jié) 論

1) 免耕與秸稈還田在苗期、分蘗期土壤溫度較低以及秸稈覆蓋具有保墑的作用，顯著減少了苗期的田間蒸散，使得需水量較翻耕秸稈還田顯著減少5.17%～7.24%，達(dá)到555.0～576.7 mm；

2) 免耕與秸稈還田穩(wěn)定了直播稻有效穗數(shù)，增加了穗粒數(shù)與結(jié)實率，使得產(chǎn)量(9.08～9.63 t/hm2)與翻耕(CT+NS，CT+S)的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義，而較免耕+秸稈不還田(NT+NS)顯著增加了10.05%～13.36%.水分利用效率(1.63～1.67 kg/m3)顯著提高.因此，免耕與秸稈還田是一種直播稻高產(chǎn)及水資源高效利用的栽培模式.