水稻秸秆还田替代化肥的优化策略：基于印度多地点试验的产量与土壤健康协同提升研究

本综述系统评估了水稻秸秆作为肥料替代品在印度多生态区两年的田间试验效果。研究发现，75%推荐化肥配施25%秸秆并添加微生物分解剂（Pusa decomposer, PD）的处理（T5）在维持产量（与100%化肥处理T1相当）和提升土壤健康（尤其有机碳OC和钾K含量）方面表现最优，为可持续水稻种植提供了减少无机肥依赖、解决秸秆焚烧问题的集成方案（Integrated Nutrient Management, INM）。

　　

1 引言

水稻是全球粮食安全的核心作物，但其生产伴随大量秸秆副产物，仅印度每年约1.8亿吨稻秆中60%被田间焚烧，导致养分损失（如每吨秸秆损失约5.5 kg N、2.3 kg P、25 kg K）和环境污染（释放颗粒物、CO₂、SO₂等）。集约化稻作体系（如水稻-小麦轮作）加剧土壤养分耗竭和退化，而化学肥料过度使用（尤其尿素）导致氮肥利用率（NUE）低（全国平均42.6%）、NPK比例失衡（11.8:4.6:1 vs. 推荐4:2:1）。秸秆原位还田结合微生物分解剂（如Pusa decomposer, PD）可加速分解（20-25天）、释放养分（N、P、S、K回收率分别约25%、25%、50%、75%），并改善土壤结构，但农民采纳率低（如旁遮普仅1%）。本研究通过多地点试验，假设用秸秆部分替代（25%或50%）推荐化肥量（RDF）可实现可持续养分管理，目标包括评估秸秆替代对产量和土壤健康的影响，并筛选稳定有效的实践策略。

2 材料与方法

试验于2023–2024年在印度5个农业生态区（Khudwani、Karaikal、Moncompu、Pantnagar、Pusa）进行，代表温带到热带气候。设计6种处理：T1（100% RDF化肥）、T2（50% RDF化肥+50% RDF秸秆等价N）、T3（T2+PD）、T4（50% RDF秸秆+50% RDF绿肥/绿叶肥）、T5（75% RDF化肥+25% RDF秸秆+PD）、T6（绝对对照）。秸秆均匀散布后人工踩入土壤，PD菌剂（含真菌 consortium）通过jaggery和鹰嘴豆粉培养后稀释喷施。测定指标包括产量性状（分蘖数、穗数、千粒重）、谷物与秸秆产量、土壤养分（N、P、K、OC）及植株NPK含量。采用ANOVA、DMRT、AMMI模型和贝叶斯层次概率模型分析数据稳定性及处理效应。

3 结果

3.1 产量性状

T1（100% RDF）在多数地点获得最高分蘖和穗数，但T5（75% RDF+25%秸秆+PD）与之统计相当，尤其在Moncompu增产7.6%。50%秸秆替代（T2、T3）普遍导致减产（10–28%），但Karaikal因分解条件优而增产（T2: +5%至+11.6%）。T2和T3虽减产却展现跨地点稳定性。千粒重和饱满粒数受处理影响较小，但T6（对照）始终最差。

3.2 谷物与秸秆产量

T1产量最高（如Pusa 5440 kg ha^-1、Khudwani 7454 kg ha^-1），T5与之相当（如Pusa 5140 kg ha^-1）。T5在Pantnagar等地减产（-12.6%），但Moncompu表现优。50%替代处理（T2、T3）普遍减产（Pantnagar -28%）。秸秆产量趋势类似，T1最高，T5相近，有机处理（T4）和对照（T6）最低。

3.3 植株NPK含量

T1和T5维持较高谷物和秸秆N、P、K含量。秸秆还田处理（尤其T3、T5）提升秸秆K和OC，但P部分耗竭。Karaikal的砂壤土中绿肥处理（T4）表现佳，谷物K含量媲美化肥。

3.4 土壤养分动态

T1和T5改善土壤N、K、OC，而50%秸秆处理（T2、T3）导致P耗竭但增强K和OC。Pantnagar的黏土中K普遍开采，但Pusa多数处理积累K、N、OC。两年后，T5和T1在Pantnagar提升OC（+22%），T4在Moncompu增OC（+8%）。贝叶斯模型预测T5可持续改善NPK和OC，T6养分耗竭最严重。

3.5 偏要素生产力（PFP_N）与稳定性

T1的PFP_N最高（47 kg grain/kg N），T5接近（44 kg grain/kg N），T3相似（42.5 kg grain/kg N）。AMMI稳定性值（ASV）显示T2最稳定（ASV=10），T1高产但不稳（ASV=30），T5均衡（高产且较稳）。相关性分析表明产量与分蘖数、穗数、千粒重及土壤N、K正相关，与谷物K和EC负相关。PLSR确认谷物N、秸秆产量和土壤N、K为产量主导因子。

4 讨论

4.1 产量与养分效率

T5的25%秸秆替代配合PD实现产量媲美全化肥，归因于PD加速秸秆分解、同步养分释放与作物需求，减少分蘖死亡率。50%替代导致减产主因秸秆高C:N比（~70）引发N固定，限制早期供应。PFP_N优势体现无机肥即时供应与有机缓释的协同。

4.2 土壤健康提升

秸秆输入增加OC积累（如T5在Pantnagar增OC 22%），并通过有机酸释放固定P、增强K循环（秸秆含K丰富）。地点变异受土壤质地（如Pantnagar黏土K固定）和pH影响，酸性土（Moncompu）P固定严重。集成处理（T5）平衡短期供应与长期肥力。

4.3 技术推广限制

大规模应用需政策支持（反焚烧法规、机械补贴）、市场构建（秸秆打包定价）和推广服务（农民培训、PD菌剂普及）。地点特异性要求适配策略，如砂壤土（Karaikal）有机处理更有效。

5 结论

75% RDF化肥配施25%秸秆等价N并添加PD（T5）为最优策略，兼顾产量维持（与100% RDF相当）、土壤健康提升（OC、K增加）和可持续性（减量化肥依赖、解秸秆焚烧难题）。50%替代虽改善土壤但减产，全有机处理（T4）类似。推荐该集成技术作为水稻绿色增产的核心实践。