秸秆秋季湿耙还田对水稻不同生育时期叶片-土壤生态化学计量特征的影响

王鑫彤,万祖粱,杨振中,王国骄

(沈阳农业大学 农学院,辽宁 沈阳 110866)

我国是农业生产大国,秸秆作为农业生产的副产品,年产量达8亿t以上[1]。作物秸秆还田不仅可避免焚烧带来的环境污染,还能培肥地力,有效减少化肥投入[2]。作物秸秆作为外源物输入到农田土壤中,既有利于植株碳、氮、磷的积累,又可提高土壤全碳、全氮等养分含量[3]。成臣等[4]在南方双季稻区连续3年开展秸秆还田的定位试验,发现秸秆还田显著提高了土壤有机碳、全氮含量。栾天浩等[5]的研究发现,玉米秸秆还田后,土壤全氮和全磷含量分别提升6.28%和14.74%。唐海明等[6]认为,双季稻区冬季不同作物秸秆覆盖还田均可提高成熟期水稻植株的全氮、全磷含量。

生态化学计量学是近年来生态学领域的研究热点之一,主要通过测算C、N、P的化学计量特征来研究生态系统中不同组分之间的相互关系[7]。其中,碳氮比(C∶N)、碳磷比(C∶P)可在一定程度上表征氮、磷养分的供应状况,氮磷比(N∶P)可反映植物生长状况[7]。目前,生态化学计量学研究多集中于森林、草地、湿地等生态系统上,涉及农田生态系统的研究较少[8-9]。与其他陆地生态系统相比,农田生态系统受人为干预较频繁[10]。以往的研究表明,秸秆还田提升了土壤肥力和产量[11-12],但较少有研究关注秸秆还田下作物植株-土壤碳氮磷生态化学计量特征的变化和耦合关系。

受冬春季低温影响,在我国东北地区,水稻秸秆春季还田初期腐解困难,存在漂苗和病虫害等问题[13]。秸秆秋季湿耙还田可使秸秆耙进泥里,与土壤充分接触,并利用冬冻春融的过程加快秸秆腐解[14]。叶片是植物进行光合作用的重要器官,是对环境变化最敏感的指示部位[15]。为此,特于辽南稻区设置大田试验,研究秸秆秋季湿耙还田对水稻叶片与土壤C、N、P含量和生态化学计量比的影响,以期为深入揭示秸秆还田对稻田生态系统的影响提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于辽宁省盘锦市大洼区东风镇二道边村(41°1′E,122°15′N)。当地属温带半湿润季风气候,年平均气温8.3 ℃,年均无霜期175 d,年均降水量645 mm,雨季多集中在7—8月。供试土壤系滨海盐碱土。

1.2 试验设计

试验于2020年开展。共设置秸秆不还田(CK)、1年秸秆秋季湿耙还田(S1)和连续2年秸秆秋季湿耙还田(S2)3个处理,每个处理设置3次重复,每个小区面积500 m2。依据辽宁省地方标准《水稻秸秆秋季湿耙还田培肥丰产技术规程》(DB21/T 3483—2021),在秋季使用带有秸秆切碎和均匀抛撒装置的水稻联合收割机(久保田,日本)在收获水稻的同时粉碎秸秆,并将其均匀抛撒于田间,上水泡田1 d后进行水旋埋茬作业,将秸秆全部埋入泥浆中。S1处理于2019年秋季进行秸秆湿耙还田,S2处理于2018年和2019年连续2 a进行秸秆秋季湿耙还田。还田秸秆均为本田全量稻草,2018年秸秆还田量为8 432.25 kg·hm-2(风干重),2019年秸秆还田量为7 793.45 kg·hm-2(风干重)。CK处理在水稻机械化收获后,秸秆经人工移出稻田。

供试水稻品种为盐丰47,于2020年5月15日上水泡田,5月24日机械插秧,行株距为30 cm×16.67 cm,每穴6～7株,9月26日收获。施肥量折纯统一为N 320 kg·hm-2,P2O5161 kg·hm-2,K2O 80 kg·hm-2。氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥5∶4∶1的比例分次施用。磷肥和钾肥均作为基肥一次性施入。试验期间,田间生产管理均按当地实际生产措施进行,适时进行病虫草害防治。

统一于试验开展前的2020年4月30日采集各处理的土壤样品,将其基本理化性状整理于表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.3 测定方法

分别于水稻的分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期采集水稻叶片和土壤样品。按小区调查田间平均茎蘖数,并选取代表性植株3穴,剪下所有叶片,105 ℃杀青30 min、80 ℃烘至质量恒定后称量。

使用土钻采用“S”形取样法采集土壤样品,在每个小区随机采集6点深度为0～20 cm的土壤样品,剔除其中的石块、植物根系等杂物后混匀。土样风干后过100目筛,常温保存。

叶片样品经H2SO4-H2O2消煮后,采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定C含量,采用半微量凯氏定氮法测定N含量,采用钼锑抗比色法测定P含量[16]。土壤有机碳和全氮含量使用Vario Macro Cube元素分析仪(德国Elementar)测定,土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定[17]。

于水稻成熟期每小区取样2 m2(30 cm×667 cm),去除杂质、晾干后测定籽粒含水量,折算实际产量。每小区选取长势均匀的6穴进行考种,测定穗粒数、结实率、千粒重,并计算理论产量。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2016软件整理数据。采用DPS v19.05软件对水稻叶片和土壤的碳、氮、磷含量和化学计量比进行单因素方差分析(one-way ANOVA),对有显著(P<0.05)差异的,使用Duncan法进行多重比较。采用皮尔逊(Pearson)相关分析法对土壤-叶片碳、氮、磷的生态化学计量特征和水稻产量进行分析。使用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆秋季湿耙还田对土壤生态化学计量特征的影响

2.1.1 对土壤养分含量的影响

与CK相比,秸秆湿耙还田显著影响了土壤有机碳、全氮和全磷的含量(图1)。S1处理分蘖期和拔节期的土壤有机碳含量显著低于CK处理,但在成熟期时较CK处理显著提高8.71%;S2处理在各生育时期的土壤有机碳含量均显著高于CK处理,在成熟期时较CK处理显著提高28.36%。S1处理的土壤全氮含量在分蘖期和拔节期均显著低于CK处理,但在抽穗期和成熟期与CK处理并无显著差异;S2处理的土壤全氮含量在分蘖期和成熟期显著高于CK和S1处理,在拔节期还显著高于S1处理。S1和S2处理各时期的土壤全磷含量均显著高于CK处理,但S1与S2处理间差异不显著(P>0.05)。在4个生育时期内,CK处理的土壤有机碳、全氮和全磷含量始终无显著变化,平均值分别为13.64、1.47、0.57 g·kg-1;S1和S2处理的土壤有机碳、全氮含量呈逐渐上升趋势,在成熟期时达到最高;但全磷含量始终无显著变化。

柱上无相同大写字母的表示同一时期不同处理间存在显著(P<0.05)差异,无相同小写字母的表示同一处理不同时期间存在显著(P<0.05)差异。下同。Bars marked without the same uppercase letters indicate significant (P<0.05) differences within treatments at the same growth stage, while bars marked without the same lowercase letters indicate significant (P<0.05) differences within different stages under the same treatment. The same as below.图1 不同处理对土壤有机碳、全氮、全磷含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on contents of organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in soil

2.1.2 对土壤养分化学计量比的影响

分蘖期,S1处理的土壤C∶N与CK相比无显著差异(图2),但C∶P和N∶P分别较CK处理显著降低20.26%和19.46%;S2处理的土壤 C∶N较CK处理显著高出4.25%,C∶P与CK无显著差异,N∶P显著低于CK处理。拔节期,S1和S2处理的土壤C∶N显著高于CK处理,但S1与S2处理间无显著差异,各处理的土壤C∶P和N∶P差异显著,且均表现为CK>S2>S1。抽穗期,各处理的土壤C∶N、N∶P均差异显著,分别表现为S2>S1>CK和CK>S2>S1,此外,CK和S2的土壤C∶P显著高于S1处理。成熟期,各处理的土壤C∶N、C∶P均差异显著,分别表现为S2>S1>CK和S2>CK>S1,此外,CK和S2的土壤N∶P显著高于S1处理。随着水稻生育时期的推进,CK处理的土壤C∶N呈逐渐降低趋势,但C∶P和N∶P在各生育期间差异不显著,平均值分别为23.90和2.58;S1处理分蘖期的土壤C∶N显著低于其他时期,土壤C∶P和N∶P均呈逐渐上升趋势;S2处理的土壤C∶N、C∶P和N∶P均呈逐渐上升趋势。

图2 不同处理对土壤生态化学计量特征的影响Fig.2 Effects of different treatments on ecological stoichiometry of soil

2.2 秸秆秋季湿耙还田对水稻叶片生态化学计量特征的影响

2.2.1 对水稻叶片养分含量的影响

整体来看,秸秆秋季湿耙还田并未改变水稻生长周期中叶片碳、氮、磷含量的变化趋势(表2)。在水稻的4个生育时期内,叶片碳含量始终无显著变化,平均值为518.62 g·kg-1;叶片氮、磷含量的变化趋势总体为分蘖期>拔节期>抽穗期>成熟期,且同一处理下各生育时期的差异显著。同一生育期内各处理之间相比,仅S1处理成熟期的叶片氮含量较CK显著降低了10.11%。

表2 不同处理对水稻叶片碳、氮、磷含量的影响

2.2.2 对水稻叶片养分化学计量比的影响

在4个生育期内,水稻叶片C∶N和C∶P的变化趋势均为分蘖期<拔节期<抽穗期<成熟期,且同一处理在不同时期差异显著(表3);但N∶P的变化趋势为分蘖期>抽穗期≥拔节期>成熟期。与CK相比,S1处理成熟期叶片的C∶N显著提高了10.72%,分蘖期和拔节期叶片的C∶N分别显著降低了4.88%、6.79%;S2处理拔节期的叶片的C∶N显著下降4.67%。相较于CK,S1处理叶片的C∶P仅在抽穗期显著提高6.37%,S2处理的叶片C∶P在拔节期和抽穗期分别显著降低3.72%、5.22%。S1处理的叶片N∶P仅在拔节期显著高出CK处理6.99%,S2处理各生育时期的叶片N∶P均与CK处理无显著差异。

表3 不同处理对水稻叶片生态化学计量特征的影响

2.3 秸秆湿耙还田对产量及其构成因素的影响

与CK相比,秸秆秋季湿耙还田对穗数无显著影响(表4),但S1处理显著降低了穗粒数,显著提高了千粒重。S1和S2处理的结实率均显著高于CK(P<0.05)。从产量上来看,S2处理显著高于其他处理,其理论产量和实测产量分别较CK处理显著提高了5.85%和5.92%。

表4 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

2.4 叶片-土壤生态化学计量特征与产量的相关性

相关性分析结果(图3)显示：土壤有机碳与土壤全氮、土壤C∶N、土壤C∶P、理论产量和实际产量呈极显著(P<0.01)正相关,与叶片N∶P呈极显著负相关,与土壤全磷、土壤N∶P、叶片C∶N、叶片C∶P呈显著正相关,与叶片氮、叶片磷呈显著负相关。土壤全氮与土壤C∶N、土壤C∶P、土壤N∶P、理论产量和实际产量呈极显著正相关,与叶片氮、叶片N∶P呈极显著负相关,与叶片C∶N、叶片C∶P呈显著正相关,与叶片磷呈显著负相关。土壤全磷与土壤C∶N呈极显著正相关,与土壤N∶P呈极显著负相关,与叶片碳呈显著正相关,与土壤C∶P呈显著负相关。土壤C∶N与土壤C∶P、理论产量和实际产量呈极显著正相关。土壤C∶P与土壤N∶P、理论产量和实际产量呈极显著正相关,与叶片氮、叶片磷、叶片N∶P呈显著负相关。

C,土壤有机碳;N,土壤全氮;P,土壤全磷;C∶N,土壤碳氮比;C∶P,土壤碳磷比;N∶P,土壤氮磷比;LC,水稻叶片C含量;LN,水稻叶片N含量;LP,水稻叶片P含量;LC∶N,水稻叶片碳氮比;LC∶P,水稻叶片碳磷比;LN∶P,水稻叶片氮磷比;T,理论产量;A,实测产量。“*”“**”分别表示相关性在P<0.05、P<0.01水平下显著。C, Soil organic carbon; N, Soil total nitrogen; P, Soil total phosphorus; C∶N, C/N ratio of soil; C∶P, C/P ratio of soil; N∶P, N/P ratio of soil; LC, C content of rice leaves; LN, N content of rice leaves; LP, P content of rice leaves; LC∶N, C/N ratio of rice leaves; LC∶P, C/P ratio of rice leaves; LN∶P, N/P ratio of rice leaves; T, Theoretical yield; A, Actual yield. “*” “**” represent significant correlations at P<0.05 and P<0.01, respectively.图3 土壤-叶片碳氮磷含量、生态化学计量特征与水稻产量的相关性Fig.3 Correlation within soil-leaf carbon, nitrogen and phosphorus contents, stoichiometric characteristics and rice yield

3 讨论

3.1 秸秆秋季湿耙还田对土壤生态化学计量特征的影响

土壤是农田生态系统的重要组成要素,为作物生长提供必要的养分。研究表明,秸秆腐解伴随着C、N、P养分的释放,提高了土壤有机碳、全氮和全磷含量[5]。王忍等[3]研究认为,一年稻草还田有利于土壤有机碳的提升,但对土壤全氮、全磷无显著影响。本研究表明,相较于CK处理,S1和S2处理均显著提高了成熟期土壤有机碳和全磷含量,与孟祥宇等[13]在东北黑土稻区进行的秸秆还田配施氮肥的研究结果一致。原因可能为,植物残体的输入促进了土壤中可溶性物质的转化,进而提高了土壤中的养分含量。成熟期时,S2处理的土壤有机碳和全氮含量均显著高于S1处理。这可能是因为,随着还田年限的增加,秸秆残留在土壤中的养分不断积累[18]。

土壤C∶N、C∶P、N∶P反映了土壤C、N、P之间的平衡关系,是表征土壤内部碳氮磷循环的重要指标[7]。土壤C∶N与有机质矿化速率成反比,即C∶N高的土壤,其有机质矿化速度较慢[7]。在本研究中,相较于CK处理,除分蘖期外,其余时期S1和S2处理均显著提高了土壤的C∶N,表明秸秆还田可减缓有机质的矿化,改善土壤性质。土壤C∶P是反映土壤磷矿化能力的一个指标,较低的C∶P说明土壤中磷的有效性较高[19]。本研究中,S1处理各个时期的土壤C∶P均显著低于CK处理,表明S1处理下土壤P的净矿化速率较高,释放P的潜力较大[20]。成熟期S2处理土壤的C∶P显著升高,说明S2处理缓解了土壤矿化速率,有利于土壤有机质的积累。这与盘礼东等[12]进行的玉米秸秆短期覆盖还田的试验结果相同。随着还田年限增加,土壤有机碳得到大幅积累,但土壤全磷含量在年际间差异不显著,因此S2处理的土壤C∶P显著升高。N∶P是判断养分限制的重要指标之一,可指示作物生长的养分供应状况,若比值较低,说明植物生长可能受到N的限制[21]。本研究中,水稻整个生长季各处理土壤N∶P的变化范围为2.02～2.74,低于我国土壤N∶P的平均水平(3.9)[10]。这可能是由于试验区土壤属于滨海盐碱地,土壤中N的有效性较低,循环较差[22]。

3.2 秸秆秋季湿耙还田对水稻叶片生态化学计量特征的影响

C、N、P不仅是植物生长所必需的元素,其含量还可以反映出水稻生长和养分利用的状况[19]。本研究表明,秸秆还田对水稻叶片C、N、P含量未产生较大影响,但叶片N、P含量在时间尺度上的变化较为明显。这与唐美玲等[23]在CO2倍增条件下对水稻各器官生态化学计量特征的研究结果相同。整体来看,C在植物体内的含量较高,变异性较小,不是植物生长的限制元素[24]。水稻叶片氮、磷与土壤有机碳、全氮表现出显著或极显著的相关性。这可能是因为植物根系不断地吸收土壤中的有机质、铵态氮和硝态氮等作为养分来源,从而建立起土壤与植物之间养分供应与需求的动态平衡[24]。水稻叶片氮、磷与土壤全磷无显著相关性,与李婷等[25]对黄土高原植物与土壤碳氮磷生态化学计量特征的研究结果一致。这是因为,磷元素在土壤中的迁移性较差,相对碳、氮而言,植物吸收利用的土壤磷较少。

冯斌等[26]认为,植物C∶N和C∶P可反映植物对N、P的利用效率。本试验中,在时间尺度上,CK、S1和S2处理叶片的C∶N、C∶P均表现为分蘖期<拔节期<抽穗期<成熟期。根据生长速率假说,高生长速率对应着高N、P 含量和低C∶N、C∶P[27]。由此推知,从分蘖期到成熟期,水稻叶片的生长速率逐渐降低。N∶P可表征植物生长的限制状况[28]。彭亚敏等[11]开展的关于免耕和秸秆覆盖对春小麦-土壤生态化学计量特征影响的研究表明,当小麦叶片的N∶P<14时,其生长受N限制。金强等[19]在模拟酸雨对福州沿江稻田水稻叶片生态化学计量特征影响的研究中也认为,当水稻叶片的N∶P<14时,表明存在N限制。本研究中,各生育时期水稻叶片的N∶P均低于14,推测该地的水稻生长受到N的限制,与土壤N∶P反映的情况一致。

3.3 秸秆秋季湿耙还田对水稻产量的影响

受秸秆还田年限、秸秆还田方式、土壤类型等的影响,秸秆还田的增产效应在不同试验间表现出较大差异[29]。本研究表明,与CK相比,仅S2处理显著提高了水稻产量,S1处理的产量变化不显著。这可能是因为,秸秆还田对土壤养分的影响是一个长期且缓慢的过程,随着还田年限的增加,土壤有机碳等养分含量逐步得到积累[30]。相关性分析结果显示,水稻产量与土壤有机碳、全氮呈极显著正相关。因此,在本试验条件下,短期连续秸秆还田有利于提高水稻产量,但长期连续还田的增产效应还需持续关注。

4 结论

(1)随着秸秆还田年限的增加,土壤有机碳、全氮含量和土壤C∶N逐渐提升。短期连续的秸秆秋季湿耙还田显著提高了土壤有机碳、全氮含量和土壤C∶N,土壤全磷含量的年际间变化不显著。

(2)短期连续秸秆秋季湿耙还田未显著影响水稻叶片碳、氮、磷含量和叶片N∶P。随着水稻生育进程的推进,叶片氮、磷含量表现出逐渐降低的趋势。

(3)短期连续秸秆秋季湿耙还田提高了水稻的产量。从水稻叶片与土壤的N∶P推测,该地区的水稻生长受N限制。试验条件下,水稻产量与土壤有机碳、全氮呈极显著正相关,因此可通过连续秸秆秋季湿耙还田配合氮肥管理来提高水稻产量。