双季稻是增加水稻种植面积、提高复种指数和确保水稻高产稳产的重要途径之一^[1]。2020年我国双季稻播种面积较2019年增长了5.3%，约为50.4万hm^2[2]。华中地区是我国双季稻主要种植区，然而传统的双季稻需要经过2次育苗和2次移栽过程，劳动力投入高且经济效益低^[3]，采用直播技术替代插秧，可以减少秧田用地和劳动力的投入，且双季稻双直播模式下水稻周年产量能够达到15 t/hm²，与移栽双季稻无明显差异^[4]。当前，双季稻双直播模式在品种筛选和改良、播期设置、肥料运筹和水分管理等方面形成了完善且成熟的种植技术^[5]。然而，前人^[6]研究认为，土壤酸化和肥力亏缺是目前制约双季稻产量进一步提升的2个重要因素。

作物秸秆还田在培肥地力、改善土壤结构和增加作物产量等方面发挥重要作用^[7]。双季稻双直播模式秸秆资源丰富，随着机械化进程的加快，实现秸秆原位还田对于提高双季稻双直播模式生产力具有重要意义。在华中地区，为规避早季“倒春寒”和晚季“寒露风”天气影响，双季稻双直播模式要求早稻收获后7~10 d播种晚稻，而直播早稻秸秆全量还田后，因秸秆在短期内难以完全腐解，势必影响晚稻播种质量和秸秆养分释放。因而，保证早稻秸秆就地快速腐解，对于提高晚稻播种质量和加快秸秆养分释放具有积极意义。土壤酸化一直严重威胁我国作物安全生产^[8]，土壤酸化会抑制双季稻生育前期的分蘖能力，并随着pH的下降，始穗期推迟，穗粒数和产量均明显降低^[9]。现阶段，秸秆还田施用秸秆腐熟剂和碱性物质石灰被认为是加快秸秆腐解和改善土壤酸化的重要农艺措施^[10]。一方面，秸秆腐熟剂因含有大量的酵母菌、细菌和芽孢杆菌等，适当条件下大量繁殖可有效加快秸秆腐解^[11]。另一方面，石灰有利于改善稻田土壤酸性环境，改变土壤物理和化学性质，增加土壤微生物活性^[12⇓-14]，同时降低酸性土壤中Al、Fe或Mn等有毒元素的溶解度，从而降低其毒性，促进作物根系生长^[15-16]。除此之外，秸秆腐解过程中会激化作物与土壤微生物争氮矛盾，导致作物生长发育受阻，合理的氮肥运筹被认为是缓解秸秆腐解和作物生长矛盾的重要方式。

综上所述，秸秆还田配施石灰和秸秆腐熟剂与氮肥运筹有助于培肥地力、缓解作物生长矛盾和改善土壤酸化，但在双季稻双直播模式中，早稻秸秆还田配施石灰和腐熟剂与氮肥运筹对早稻秸秆腐解率和晚稻生长发育的影响鲜有报道。因此，本研究在早稻秸秆全量还田的条件下，探究不同的早稻秸秆还田方式和晚稻氮肥运筹对早稻秸秆腐解速率、晚稻生长发育和产量的影响，为双季稻双直播早稻秸秆还田提供技术支持。

试验于2019年3月至11月在湖北省武穴市花桥镇现代农业示范中心试验基地（115°30′ E，29°55′ N）进行，该地属于亚热带气候，为华中地区单双季稻作区。直播早稻和晚稻生长季内总降水量分别为452.9和10.4 mm，总日照辐射分别为1083.5和1618.0 MJ/m²，日均温度分别为20.3和25.8 ℃。试验点为潴育型水稻土，质地为砂质壤土。供试土壤pH 5.11、全氮0.19%、速效磷17.06 mg/kg、速效钾166.41 mg/kg、有机质23.16 g/kg。

均以常规稻“湘早籼6号”为早、晚稻供试品种。采用裂区设计，氮肥施用量为150 kg/hm²，以2种不同的晚稻氮肥施用比例[N₁（基肥:分蘖肥:穗肥=1:1:1）和N₂（基肥:分蘖肥:穗肥= 2:1:1）]为主区，以5种不同的早稻秸秆还田方式为副区，即秸秆还田（SR，straw retention）、秸秆还田+石灰（SR+L，straw retention with liming）、秸秆还田+腐熟剂（SR+S，straw retention with straw-decomposing inoculant）、秸秆还田+石灰+腐熟剂（SR+L+S，straw retention with liming and straw-decomposing inoculant）和秸秆不还田（CK，no straw retention），每个小区之间用35 cm宽的田埂隔开，并用黑色塑料薄膜包裹埋入田埂两侧，深度为30 cm。4次重复，共40个小区，每个小区面积18 m²（3 m×6 m）。

早、晚稻播种方式均为在湿直播下进行人工条播，行距25 cm，且播种量分别为90和70 kg/hm²。其中，早稻于2019年4月12日播种，7月12日收获；晚稻于7月23日播种，10月23日收获。早稻收获后用秸秆粉碎机将秸秆粉碎成10 cm左右后于7月15日全量还田，并按照不同处理分别喷施秸秆腐熟剂和撒施石灰，随后统一翻耕入土，并保持3~5 cm水层至播种前3 d，随后排干水分以达到湿直播要求。晚稻水分管理方式为播种后至3叶1心期土壤保持湿润状态，分蘖始期开始进行干湿交替灌溉，分蘖末期适度晒田，幼穗分化期至收获前一周保持一定水层，收获前一周排干水分。秸秆腐熟剂（洛阳欧科拜克生物技术股份有限公司生产，主要原料为乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌和抗菌肽等，有效活菌总数≥60亿/g）用量为3 kg/hm²，于密闭条件下充分激活后使用背负式喷雾器喷施均匀。石灰（主要成分为CaCO₃）用量为750 kg/hm²，依靠人工均匀撒施。肥料管理方面，早稻氮肥施用量为150 kg/hm²，按基肥:分蘖肥:穗肥=4:3:3施用；磷肥施用量为40 kg/hm²，作基肥一次施入；钾肥施用量为100 kg/hm²，按基肥和穗肥均施。其中，氮肥、磷肥和钾肥分别采用尿素（N 46.0%）、过磷酸钙（P 12.0%）和氯化钾（K 60.0%）作为肥源。晚稻氮肥施用见1.2；磷肥和钾肥施用量和施用时期与早稻保持一致。水稻生长季田间精细管理，除草和施药均按当地高产栽培管理方式执行。

称取秸秆50 g放入尼龙网袋，每个小区共称取7袋，从中随机选取一袋，用自来水进行冲洗，直到滴下的水无色为止，随后放入80 ℃烘干称重，即为原始干重。剩余6袋于播种前一周均匀埋入小区5~10 cm表土层中。分别在播种前1 d开始随机取出一袋，以后每隔1周取一袋，共5次，最后一次在收获前1 d取出。取出的网袋利用自来水冲洗干净，直到滴下的水无色，放入烘箱烘干至恒重，准确称重并记录每袋质量，即剩余秸秆质量^[17]。

秸秆腐解率（%）=（原始秸秆质量-剩余秸秆质量）/原始秸秆质量×100。

在晚稻播种前每个小区选取1行根据播种密度播种1 m，在幼苗长至3叶1心时统计出苗数，计算出苗率，同时每小区采取对角线随机取长势一致的20株水稻幼苗测定其株高、根长、总白根数、地上部干重和根干重。其中出苗率计算公式如下：出苗率（%）=3叶1心时的苗数/播种种子数×100。

在晚稻基肥施用前3 d和晚稻分蘖中期、幼穗分化期、齐穗期和成熟期，采用五点法取0~20 cm土样，放置于通风环境下自然风干、粉碎后混合，从中称取200 g土样测定土壤pH和速效钾含量。

土壤pH：称取通过1 mm孔径筛子的风干土25 g，放入50 mL烧杯中，加入25 mL蒸馏水用玻璃棒搅拌1 min，使土体充分散开，放置30 min，此时应避免空气中有氨或挥发性酸的影响，最后用酸度计测定土壤pH；

速效钾含量：称取风干土样（1 mm孔径）5.0 g于150 mL三角瓶中，加1 mol/L醋酸铵溶液50.0 mL（土液比为1:10），用橡皮塞塞紧，在20~25 ℃下振荡30 min后过滤，获得待测液。用KCl配制标准溶液，将钾标准溶液在火焰分光光度计上进行测定，记录读数并绘制标准曲线。测定待测液读数，根据标准曲线计算其钾浓度（mg/L），并计算土壤中速效钾的含量。

土壤速效钾（K，mg/kg）=待测液（mg/L）×浸提液体积（mL）/风干土重（g）。

利用Excel 2010进行数据整理，应用Statistix 9.0进行数据统计与差异显著性分析，其中方差分析所用方法为最小显著极差法（LSD_0.05），采用SigmaPlot 12.5进行作图及相关分析。

早稻秸秆还田方式（S）和晚稻氮肥运筹（N）均对直播晚稻产量及其构成有显著影响，且二者存在显著互作效应（表1）。相比于N₁和SR还田，N₂和SR+L协同增加了直播晚稻产量，较高的穗数是其高产的关键。2种氮肥运筹模式下，N₂处理比N₁处理平均增产4.8%，且达显著水平，这主要归因于N₂处理下直播晚稻穗数和穗粒数分别平均较N₁高6.3%和3.6%。不同秸秆还田处理中，SR+L产量最高，2种氮肥处理下平均达9.20 t/hm²，其次为SR，平均达8.70 t/hm²。与CK相比，SR和SR+L处理下的晚稻产量分别平均增加了3.9%和10.2%，主要归因于SR和SR+L处理穗数较CK平均增加了7.5%和5.8%，结实率分别比CK平均增加了2.6%和4.4%。

SR+L相较于SR明显提高了秸秆腐解速率（图1）。整体来看，直播早稻秸秆腐解速率呈现前期快（7月22日-8月5日）后期慢（8月12日-10月23日）的特点。2种氮肥处理之间，秸秆腐解初期（7月22日）N₁平均腐解率（34.87%）低于N₂（39.78%），此时SR+S处理的秸秆腐解率平均达40.10%，高于SR（38.70%）、SR+L（38.30%）和SR+L+S（33.90%）处理。随着时间的推进（7月29日-10月26日），不同秸秆还田处理秸秆腐解率均表现为SR+L和SR+L+S处理明显高于SR+S和SR处理，而SR+L和SR+L+S处理之间腐解率均无明显差异。至晚稻成熟期（10月23日），SR+L和SR+L+S处理腐解率平均为91.50%，较SR和SR+S处理平均提高6.10%。

SR+L或SR+S处理相较于CK均不同程度地降低了直播晚稻出苗率，而N₂相较于N₁提高了整体直播晚稻幼苗平均出苗率（图2）。一方面，相比于N₁，N₂处理直播晚稻出苗率整体平均增加了8.4%，表明早稻秸秆还田后，增加晚稻基肥氮施用比例有利于直播晚稻出苗。另一方面，不同秸秆还田方式均降低了直播晚稻出苗率，在N₁条件下，SR、SR+L、SR+M和SR+L+M处理出苗率分别较CK处理平均降低了22.0%、15.0%、12.0%和9.0%，而在N₂条件下，上述处理分别较CK平均降低了5.0%、17.5%、13.5%和5.0%。

氮肥运筹（N）显著影响晚稻幼苗地上部和根部生长，秸秆还田处理（S）极显著影响幼苗根部生长，二者互作（N×S）显著或极显著影响总白根数和地上部干重（表2）。与N₁相比，N₂处理下直播晚稻幼苗根长、总根干重和总地上部干重分别平均增加了8.9%、23.1%和10.4%。不同秸秆还田方式均不同程度地降低了晚稻幼苗素质，具体表现为SR处理直播晚稻幼苗总白根数、根长、总根干重较CK分别平均降低了8.5%、6.0%和8.9%；SR+L、SR+S和SR+L+S处理根长和总根干重较CK也略有降低。而不同氮肥运筹和秸秆还田方式对直播晚稻株高无显著影响。值得注意的是，2种氮肥运筹下，SR处理总白根数比CK平均降低了9.0%，而SR+L处理直播晚稻幼苗总白根数则比CK平均增加4.9%。

秸秆还田方式显著影响直播晚稻茎蘖数（P<0.05）（图3）。所有秸秆还田方式中，SR+L处理直播晚稻茎蘖数最高，在2种氮肥运筹下较CK和SR处理分别增加了0.6%~5.7%和2.7%~10.8%。随着生育进程的推进，直播晚稻茎蘖数逐步降低，且在MT-PI期下降幅度高于PI-HD期，不同秸秆还田方式下，CK处理茎蘖数在PI期较MT期整体降低21.9%，而SR+L和SR处理分别在该阶段降低了18.0%和14.9%。

相比于早稻秸秆直接还田和N₁处理，秸秆还田配施石灰和增加基肥氮施用比例（N₂）协同提高了土壤pH（图4）。2种氮肥运筹下各处理土壤pH表现规律保持一致，其中，SR+L处理在MT-PI阶段土壤pH缓慢上升，随后逐渐下降，而CK处理则相反，SR、SR+S和SR+L+S处理土壤pH变化较为平缓。2种氮肥处理下，N₂处理较N1相比在MT、PI和HD期土壤pH分别平均增加了0.04、0.07和0.05。不同秸秆还田方式下，SR+L处理土壤pH在MT、PI和MS平均达到了5.56、5.60和5.48，相比于SR，平均增加了0.70、0.80和0.40。

相比于CK，SR+L或SR+S处理下直播晚稻各生育时期土壤速效钾含量均保持较高水平（图5）。MT期所有处理土壤速效钾含量最高，随着生育进程推进，SR、SR+L、SR+S和SR+L+S处理在2种氮肥处理下土壤速效钾含量均呈现先快速下降（MT-PI）后缓慢下降（PI-MS）特点。2种氮肥处理下，N₂处理直播晚稻土壤速效钾含量平均高于N₁处理。不同秸秆还田方式下，CK处理全生育期土壤速效钾含量在2种氮肥运筹下表现最低，较SR处理分别低34.4%（N₁）和30.4%（N₂）。而SR、SR+L、SR+S和SR+L+S处理间土壤速效钾含量在MT和PI期无明显差异，但在PI-HD阶段，土壤速效钾均被快速消耗，其中SR+L、SR+S和SR+L+S处理在N₁条件下土壤中速效钾含量分别降低了12.2%、14.1%、13.8%，在N₂条件下分别降低了14.3%、16.8%、14.9%，而SR处理在N₁和N₂条件下分别降低了6.5%和7.2%。

秸秆还田是培肥土壤的重要方式之一。然而，作物秸秆结构相对稳定，自然分解缓慢，在一年两熟或三熟制地区，前茬作物秸秆还田腐解缓慢通常导致后茬作物种子难以生根成活，进而影响幼苗素质和产量^[18⇓-20]。前人^[21⇓-23]研究了在水稻―小麦轮作和玉米―小麦轮作模式下，前茬作物秸秆还田后，后茬作物出苗率和出苗整齐度显著下降，主要原因是秸秆还田导致土壤水分分布不匀、秸秆（物理）阻碍（指种子已萌发但秸秆阻碍其出土）、种子霉烂、播种深度过浅（种子裸露地表不能出苗）等。本研究结果表明，在双季稻双直播模式下，秸秆还田降低了晚稻出苗率（图2）。可能的原因在于晚稻种子散落在还田秸秆上会阻碍种子吸水，而当秸秆覆盖在种子上则会抑制其萌发出土^[24]。同时，秸秆的存在导致田面整齐度有所下降，晚稻播种时正值高温天气，田面高低差过大促使种子因淹水或暴晒等原因彻底失活。此外，前人^[25]研究中秸秆过度还田可能会影响作物出苗，主要原因在于秸秆还田量过多会导致土壤C/N失衡，秸秆腐解过慢，加剧微生物与作物争氮矛盾。最后，土壤pH也显著影响种子出苗率和活力指数，当pH介于2.5~5.0时，小麦和玉米种子发芽率随pH升高而增加^[8]。本研究中可能存在秸秆还田量过多问题，同时较低的土壤pH也可能是降低晚稻出苗率的主要原因。

双季稻双直播模式早稻秸秆还田后，增加晚稻基肥氮施用比例能有效加快秸秆早期腐解速率，同时缓解了秸秆还田对后茬作物幼苗生长的负面效应（表1和图1），这与前人^[23,26]研究结果保持一致。同时，相比于SR，SR+L明显加快了秸秆腐解速率（图1），但降低了晚稻出苗率和幼苗质量（表2和图2）。上述结果表明秸秆还田配施石灰在提高秸秆腐解速率的同时，并未减轻秸秆还田对晚稻出苗和幼苗素质的不利影响，这与本试验预想结果不一致。其原因可能在于，一方面，石灰虽然可以中和土壤酸性环境，调节秸秆中C/N，提高土壤碳氮代谢相关酶活性，加快有机物料矿化速率，进而加快秸秆的腐解^[13]。然而，秸秆快速腐解的同时加速了土壤中微生物对氮素的固持，导致土壤氮有效性降低^[27]。另一方面，直播稻出苗率与其根系有机酸含量呈显著负相关，随着秸秆分解速度的加快，秸秆所释放的有机酸、CO₂和酚类物质变多，对直播稻的种子出苗产生毒害作用^[27-28]。

前人^[29-30]研究表明，秸秆还田配施秸秆腐熟剂可以促进秸秆各组分的腐解，增加土壤微生物群落多样性、微生物活性和土壤酶活性，以此提高作物产量。而本研究中秸秆腐熟剂仅在秸秆还田初期加快了秸秆腐解，中后期与单独秸秆还田处理无明显差异（图1）。秸秆的腐解主要依靠土壤中微生物数量和活性，而微生物的活性受土壤pH的影响，随着pH降低，土壤微生物的数量相应减少^[8]。本研究中秸秆还田初期，秸秆腐熟剂加快秸秆腐解的主要原因在于酸性土壤本身降解秸秆相关的微生物菌群数量和活性较低，添加腐熟剂为土壤提供了更多功能性微生物^[31]。而随着腐解程度加深，土壤pH进一步降低（图4），反过来限制了土壤中微生物数量和活性，降低秸秆腐熟剂功效，这与刘艳^[18]研究结果保持一致。而本研究中早稻秸秆还田后增施石灰和秸秆腐熟剂处理增产效果不佳，可能原因在于石灰和腐熟剂施用时间间隔过短，二者的理化性质在短期内产生拮抗作用，加上用量不协调，石灰中的碱性成分可能抑制了秸秆腐熟剂中部分微生物群落的增殖。尽管如此，秸秆腐熟剂仍是现阶段提高秸秆利用率的重要手段，未来的研究还需要进一步优化秸秆腐熟剂和石灰在不同耕作制度下的配方、施用时间和用量。

前人^[32-33]研究认为，作物秸秆还田增产机制存在长期效应，短期内还田会降低后茬作物根系活力，影响分蘖能力和最终成穗。随着秸秆还田时间的延长，秸秆中营养元素相继释放，土壤理化性质得以改善，土壤微生物前期固定的氮素释放，因此秸秆还田对作物生长一般具有“前抑后促”的时间效应^[34-35]。本研究结果也发现，双季稻双直播模式下早稻秸秆还田对晚稻生长发育存在“前抑后促”的时间效应，主要表现为早稻秸秆还田抑制了晚稻的萌发出苗和早期幼苗生长，而后期促进了晚稻产量的形成。秸秆还田的作用效果受环境、耕作制度和栽培措施等因素影响较大，在不同的环境影响下秸秆还田对后茬的影响不尽相同^[22]，如一项对移栽双季稻早晚季秸秆还田的研究^[21]表明，早稻秸秆快速腐解期正值晚稻秧苗返青至分蘖阶段，此时秸秆腐解产生的负面影响不利于晚稻分蘖的形成，因此晚稻季很难达到增产效果。而晚稻秸秆还田后距离早稻播种时间约有5个月的冬闲期，晚稻秸秆得以充分腐解，秸秆中C/N降低，有利于早稻季增产^[6]。不同于移栽双季稻，双季稻双直播系统中早稻秸秆快速腐解期与晚稻种子萌发和幼苗生长期重叠，因此直播晚稻分蘖能力并未降低，而本研究并未对晚稻秸秆还田开展进一步的探究，这可能是未来需要研究的方向。

已有研究^[6,14,36]证实，早稻秸秆还田后配施石灰对晚稻具有协同增产效应，且增产幅度与本研究结果基本保持一致。侯文峰等^[37]针对冷浸田秸秆还田配施石灰的研究表明，石灰与秸秆的配施显著提高了水稻穗粒数、结实率和千粒重；Liao等^[14]研究表明，石灰和早稻秸秆配施显著提高了晚稻单位面积穗数；而肖小军等^[36]对红壤条件下稻―油系统中油菜秸秆还田配施石灰的研究表明，油菜秸秆还田配施石灰提高了早稻有效穗数和穗粒数。本研究结果表明，早稻秸秆还田和秸秆还田配施石灰处理增产的关键在于单位面积穗数和结实率的提升。一方面，秸秆还田后直播晚稻茎蘖群体消亡速度较秸秆不还田有减慢趋势（图3），秸秆还田后茎蘖成穗率较秸秆不还田增加8.6%，缓解了早稻秸秆还田对晚稻出苗率和幼苗素质的不利影响。另一方面，秸秆还田配施石灰后晚稻结实率得以提升主要归因于石灰改善了土壤理化性质的同时加快了秸秆的腐解速率，加速秸秆和土壤微生物中养分的释放。总的来看，秸秆还田配施石灰具体增产机制在于秸秆还田配施石灰显著提高了土壤pH，增加了土壤微生物数量和氮素有效性，促进了植株对氮素的吸收^[36]，同时减少了有机酸等有毒物质的危害，降低了土壤中还原性物质积累量及Al³⁺、Fe²⁺和Mn²⁺等有毒离子的浓度^[12,37]。此外，秸秆还田配施石灰提高了与C和N代谢相关酶的活性，促进了有机物质的矿化分解，为作物生长提供充足的养分^[14]。本研究中早稻秸秆还田后一直处于高温少雨的天气，晚稻生长季平均气温达25.8 ℃，且日照辐射充足，一方面有利于光合产物的积累，加快晚稻干物质的积累和转运；另一方面有利于微生物的繁殖，进一步缩短了秸秆中有机物料的腐解时间。本研究结果是基于短期早稻秸秆还田配施石灰能有效增加晚稻产量，前人^[14]对施用石灰的长期效应已有初步成果，可以看出，双季稻双直播早稻秸秆还田后腐解缓慢，加剧了土壤酸化，影响后茬晚稻出苗和产量形成，生产上可通过撒施石灰和增加晚稻基肥氮施用比例加快早稻秸秆腐解释放养分，改良土壤酸碱性，改善晚稻出苗质量，延缓茎蘖群体消亡速度，提升晚稻产量。

华中地区双季稻双直播模式下，早稻秸秆还田后配施石灰和增加晚稻基施氮肥比例可以促进早稻秸秆的腐解、提高晚稻幼苗素质、改善土壤酸化，同时提高土壤速效钾含量，从而避免早稻秸秆直接还田短期内带来的弊端，显著提升晚稻产量。因此，双季稻双直播模式早稻秸秆还田后，可通过配施石灰和提高晚稻基施氮肥比例（N₂）实现晚稻增产。