長江流域油-稻與麥-稻輪作體系周年養(yǎng)分收支差異

朱 蕓，廖世鵬，劉 煜，李小坤，任 濤，叢日環(huán)，魯劍巍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素研究中心，武漢 430070）

長江流域擁有優(yōu)越的光、溫、水、熱條件，是我國十分重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。種植模式以水旱輪作為主，油菜-水稻和小麥-水稻輪作的種植面積所占比例最大，亦是糧食增產(chǎn)的優(yōu)良制度[1]。氮、磷、鉀是提高作物產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素，對(duì)作物生長起著不可替代的作用。然而化肥的施用卻存在諸多弊端，不少地區(qū)施肥過量，造成肥料利用效率低下，增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。農(nóng)田養(yǎng)分的基本狀況決定了農(nóng)田養(yǎng)分水平的發(fā)展趨向[5]。比較和評(píng)估長江流域兩種主要輪作模式下氮、磷、鉀養(yǎng)分的收支差異，有利于明確輪作周年養(yǎng)分平衡狀況，對(duì)長江流域的養(yǎng)分資源管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著積極的意義。養(yǎng)分平衡是衡量土壤養(yǎng)分庫狀況的重要方法，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)農(nóng)田的養(yǎng)分收支狀況進(jìn)行了研究。上世紀(jì)90年代，魯如坤等對(duì)鷹潭、封丘等5個(gè)生態(tài)站的養(yǎng)分平衡進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分收入?yún)?shù)給出了建議[6]；鄧美華等[7]根據(jù)2002年年鑒資料和前人研究結(jié)果對(duì)長江三角洲的氮素收支和環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)估，表明該區(qū)域年均氮素盈余量為0.99～1.28 Tg；Ti等[8]對(duì)常熟試驗(yàn)點(diǎn)的谷類、油料和蔬菜作物的氮平衡進(jìn)行了計(jì)算，表明化肥為氮素投入的主要來源，氮素盈余約30%左右；許仙菊等[9-11]對(duì)上海郊區(qū)不同輪作模式的養(yǎng)分平衡分別進(jìn)行了估算，作物輪作中氮素整體呈現(xiàn)平衡的狀態(tài)，磷素虧缺P2O584.2 kg/hm2，鉀素虧缺K2O 471.4 kg/hm2；李書田等[12]對(duì)中國不同區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分的輸入與輸出進(jìn)行了估算，認(rèn)為氮、磷各地區(qū)均有盈余，鉀素總體平衡，但區(qū)域間分布不均衡。不論是基于單個(gè)或幾個(gè)田塊尺度，還是宏觀區(qū)域上的養(yǎng)分評(píng)估，這些研究對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)都起到了很好的指導(dǎo)作用。但在輪作周年的養(yǎng)分收支方面，大部分學(xué)者或是對(duì)單個(gè)田塊進(jìn)行研究，或是缺少不同輪作間的對(duì)比。本研究通過文獻(xiàn)收集分析，采用多年多點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)長江流域油-稻和麥-稻輪作在1990—2017年的周年氮、磷、鉀養(yǎng)分收支差異進(jìn)行評(píng)估和比較，以期對(duì)水旱輪作體系養(yǎng)分高效利用和資源的合理分配提供依據(jù)。

表1 長江流域不同輪作種植區(qū)土壤基礎(chǔ)性狀Table 1 Soil basic properties in the planting area of different rotations in the Yangtze River Basin

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚L江流域，包括四川、重慶、貴州、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江和上海等省 (市)。通過輸入冬油菜、小麥、水稻、輪作、干物質(zhì)、養(yǎng)分以及氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、徑流、淋溶等主題進(jìn)行檢索。統(tǒng)計(jì)油菜季、小麥季、水稻季以及輪作周年的養(yǎng)分輸入與輸出參數(shù)。文獻(xiàn)必須滿足：1) 試驗(yàn)均為大田試驗(yàn)；2) 輪作方式為“油菜-水稻”或“小麥-水稻”輪作；3) 水稻為中稻或單季稻；4) 肥料均為化肥。整理并篩選出1990年至2017年的有效文獻(xiàn)共380篇，其中油-稻輪作共165篇，包括油菜89篇，水稻76篇；麥-稻輪作共215篇，包括小麥93篇，水稻122篇；總共513個(gè)試驗(yàn)，其中油-稻輪作229個(gè)，麥-稻輪作284個(gè)。本研究中各養(yǎng)分輸入和輸出參數(shù)采用多年多點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)。不同輪作試驗(yàn)點(diǎn)的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)分析

養(yǎng)分平衡量 = 養(yǎng)分輸入 - 養(yǎng)分輸出

養(yǎng)分輸入 = 當(dāng)季肥料投入 + 前季秸稈 + 前季根茬 + 當(dāng)季落葉

養(yǎng)分輸出 = 當(dāng)季地上部養(yǎng)分帶走量 + 當(dāng)季養(yǎng)分損失量

式中：“當(dāng)季肥料投入”為化肥氮、磷、鉀用量；“前季秸稈”為前季作物成熟收獲期秸稈的養(yǎng)分積累量，參考氮收獲指數(shù) (NHI，kg/kg) = 籽粒氮積累量/地上部氮積累量[13]，故秸稈氮積累量 = 地上部氮積累量 × (1 - NHI)，同理計(jì)算秸稈磷、鉀積累量；“前季根茬”為前季作物成熟收獲期根茬的養(yǎng)分積累量，根茬養(yǎng)分積累量 = 根茬生物量 × 根茬養(yǎng)分含量，根茬生物量 = 地上部生物量 × 根冠比[14]；“當(dāng)季落葉”為當(dāng)季作物全生育期落葉的總養(yǎng)分積累量，落葉養(yǎng)分積累量 =各時(shí)期落葉生物量 × 各時(shí)期落葉養(yǎng)分含量；“當(dāng)季地上部養(yǎng)分帶走量”= 地上部生物量 × 地上部養(yǎng)分含量；“當(dāng)季養(yǎng)分損失量”主要為當(dāng)季氮素?fù)p失量，包括NH3揮發(fā)、N2O排放以及淋溶和徑流損失。

以上所有參數(shù)中，若文獻(xiàn)中已提供，則直接錄入；若未提供，則通過上述相關(guān)參數(shù)計(jì)算獲得。

文中計(jì)算所涉及的參數(shù) (加權(quán)平均數(shù)) 如表2所示。

氮損失主要包括NH3揮發(fā)、N2O排放、氮的淋溶和徑流。文獻(xiàn)篩選條件為各指標(biāo)必須是作物全生育期監(jiān)測數(shù)據(jù)才能夠代表每季作物生育期中的氮損失，篩選后收集到的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量分別為52、106、21和62篇。

在養(yǎng)分收支平衡計(jì)算中，各指標(biāo)均選擇各個(gè)試驗(yàn)正常施肥量條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

利用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和整理，Origin 8.0軟件進(jìn)行制圖和方程擬合，SPSS20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析兩種作物間的差異顯著性 (P ＜ 0.05)。

表2 油-稻與麥-稻輪作體系作物根冠比、各部位養(yǎng)分含量和養(yǎng)分收獲指數(shù)Table 2 Root/shoot ratios, nutrient concentrations and nutrient harvest index in rapeseed-rice and wheat-rice rotation systems

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作體系作物養(yǎng)分輸入差異

2.1.1 不同輪作體系氮磷鉀肥投入分析 長江流域不同輪作體系施肥量如表3所示，旱季作物油菜與小麥的平均氮肥投入量分別為N 184.9 kg/hm2和192.2 kg/hm2，變幅均在50～300 kg/hm2，小麥季略高，但整體相差不大；水稻季氮肥用量也基本保持一致，約為N 200.0 kg/hm2。各季作物平均磷肥用量無明顯差異，油菜季與小麥季的施磷量均為P2O590.0 kg/hm2左右，水稻季約80.0 kg/hm2。鉀肥用量在旱季作物和水稻季均未表現(xiàn)出明顯的差別，但油菜季略高于小麥季。從整個(gè)輪作體系看，兩種輪作體系周年磷肥用量無明顯差異，氮肥用量以麥-稻輪作較高，鉀肥則以油-稻輪作體系較高。

2.1.2 作物還田生物量及養(yǎng)分歸還量差異分析 油菜季和小麥季平均投入的生物總量分別為10880 kg/hm2和8999 kg/hm2，油菜季生物量投入高出小麥季20.9% (圖1a)。各還田物質(zhì)中，水稻秸稈與根茬的投入量均相差不大，合計(jì)9000～9200 kg/hm2，油菜季落葉還田生物量較高，平均為1655 kg/hm2，占整個(gè)還田生物量的15.2%。油-稻和麥-稻輪作體系水稻季平均輸入的生物量分別為8104 kg/hm2和9124 kg/hm2，投入的小麥根茬和秸稈均明顯高于油菜。雖然油菜的收獲指數(shù)較低，還田比例高，但小麥擁有較大的群體生物量，約為油菜的1.4倍 (圖2a)，故麥-稻輪作水稻季投入的生物量更高。不同輪作體系周年平均還田生物總量以油-稻輪作較高，油-稻與麥-稻輪作體系還田生物量分別達(dá)到18984 kg/hm2和18123 kg/hm2。

油菜季和小麥季平均氮累積還田量分別為N 96.8 kg/hm2和73.0 kg/hm2，其中，還田水稻秸稈和根茬氮積累量均無明顯差異，而油菜季落葉平均氮累積量為N 28.4 kg/hm2，占還田總氮量的29.3%；麥-稻輪作水稻季平均氮素還田量為N 56.9 kg/hm2，明顯高于油-稻輪作 (N 45.7 kg/hm2) (圖1b)。不同輪作體系磷累積還田量呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，油菜季平均磷累積還田量為P2O530.8 kg/hm2，明顯高于小麥季(P2O520.2 kg/hm2)，其中油菜季落葉磷積累量為P2O56.0 kg/hm2，占還田總磷量的18.5%；水稻季以麥-稻輪作磷還田量較高 (圖1c)。油菜季和小麥季平均鉀累積還田量分別為K2O 246.1 kg/hm2和189.0 kg/hm2，油菜季落葉鉀積累量為K2O 40.0 kg/hm2，占還田總鉀量的16.3%。與氮、磷表現(xiàn)相反，油-稻輪作水稻季鉀累積還田量 (K2O 195.2 kg/hm2) 高于麥-稻輪作(K2O 157.5 kg/hm2)，這主要與油菜對(duì)鉀素的需求有關(guān)(圖1d)。從不同輪作體系周年養(yǎng)分還田量看，油-稻輪作周年養(yǎng)分還田量為N 142.5 kg/hm2、P2O546.4 kg/hm2和K2O 441.3 kg/hm2，分別較麥-稻輪作高出9.7%、6.7%和27.4%。

表3 油-稻與麥-稻輪作體系氮、磷、鉀養(yǎng)分用量 (kg/hm2)Table 3 Rates of N, P2O5 and K2O in rapeseed-rice and wheat-rice rotation systems

圖1 油-稻與麥-稻輪作體系還田生物量及氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量Fig. 1 Crops biomass and nitrogen, phosphorus and potassium accumulation of returning matter in rapeseed-rice and wheat-rice rotations

圖2 油-稻與麥-稻輪作體系作物地上部生物量及氮、磷、鉀養(yǎng)分帶走量Fig. 2 Aboveground biomass and nitrogen, phosphorus and potassium uptakes in the rapeseed-rice and wheat-rice rotations

2.2 不同輪作體系作物養(yǎng)分輸出差異

2.2.1 不同輪作體系地上部生物量及養(yǎng)分積累 油菜地上部平均生物量為9525 kg/hm2，顯著低于小麥(16606 kg/hm2)，兩種輪作體系水稻地上部生物量相差不大 (圖2a)。從養(yǎng)分輸出來看，油菜地上部平均氮積累量為N 130.8 kg/hm2，明顯低于小麥 (N 168.2 kg/hm2)，水稻地上部氮積累量相差不大，平均維持在N 160.0 kg/hm2左右 (圖2b)。地上部磷積累量表現(xiàn)相似，油菜和小麥地上部平均磷積累量分別為P2O560.7 kg/hm2和71.4 kg/hm2，而油-稻輪作水稻地上部磷積累量高于麥-稻輪作 (圖2c)。旱季作物的地上部鉀積累量呈現(xiàn)相反的結(jié)果，油菜地上部鉀積累量為K2O 206.0 kg/hm2，明顯高于小麥 (166.1 kg/hm2)，水稻季也以油-稻輪作較高 (圖2)。麥-稻輪作周年地上部養(yǎng)分積累量為N 333.9 kg/hm2、P2O5125.8 kg/hm2和K2O 379.3 kg/hm2，分別較油-稻輪作高出14.6%、2.1%和-13.4%。兩種輪作體系以麥-稻輪作帶走的氮素較多，鉀素較低，磷素相差不大。

2.2.2 不同輪作體系氮素?fù)p失差異 農(nóng)田氮素?fù)p失的途徑主要包括NH3揮發(fā)、N2O排放、氮的徑流和淋溶等[30]。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)（圖3），油菜季氮損失總量為N 34.5 kg/hm2，略高于小麥季 (29.8 kg/hm2)，水稻季表現(xiàn)類似，油-稻與麥-稻輪作水稻季氮損失量分別為N 62.2 kg/hm2和59.0 kg/hm2。油-稻與麥-稻輪作體系周年氮損失量分別為N 96.7 kg/hm2和88.8 kg/hm2。其中，NH3揮發(fā)損失的氮所占比例最大，為各季氮損失總量的46.6%～57.2%，占施氮量的7.2%～18.4%；其次是淋溶和徑流損失，約為37.4%～43.0%，占施氮量的6.7%～12.7%；N2O排放所占比例最小 (3.4%～11.3%)，占施氮量的1.1%～2.1%。

圖3 油-稻與麥-稻輪作體系氮損失量Fig. 3 Nitrogen losses of rapeseed-rice and wheat-rice rotations

2.3 不同輪作體系作物養(yǎng)分收支差異

將油-稻和麥-稻兩種輪作體系的養(yǎng)分輸入和輸出比較，計(jì)算周年養(yǎng)分收支平衡 (表4) 發(fā)現(xiàn)，秸稈不還田時(shí)，油菜季氮平衡量較小麥季高出N 54.0 kg/hm2；水稻季氮素均處于虧缺狀態(tài)，其中麥-稻輪作較油-稻輪作高出10.7 kg/hm2。周年氮素收支表現(xiàn)為麥-稻輪作略有虧缺，油-稻輪作體系則盈余N 37.3 kg/hm2。秸稈還田情況下，各季氮素平衡量均明顯增加，油-稻輪作周年氮素收支平衡量為N 133.0 kg/hm2，較麥-稻輪作高出30.9%。

油-稻和麥-稻輪作體系周年磷平衡均表現(xiàn)為盈余。在沒有秸稈還田的條件下，油菜季較小麥季磷素平衡量增加49.0%，水稻季則表現(xiàn)為麥-稻輪作的磷平衡量較高 (表4)。兩種輪作體系周年的磷素收支平衡未表現(xiàn)出明顯差異 (P2O553.3～58.4 kg/hm2)。如果秸稈還田，則兩種輪作周年磷素盈余量均明顯提高 (P2O590.2～93.1 kg/hm2)。

在秸稈不還田條件下，油-稻和麥-稻輪作體系不論是單季還是周年鉀素收支平衡均處于虧缺狀態(tài)。其中，油菜季和小麥季鉀素虧缺量分別為K2O 39.6 kg/hm2和49.5 kg/hm2(表4)，水稻季鉀素虧缺量則在油-稻輪作體系虧缺量更大 (K2O 105.4 kg/hm2)；兩種輪作體系周年鉀素虧缺量達(dá)到K2O 138.3 kg/hm2和145.0 kg/hm2。當(dāng)秸稈還田時(shí)，秸稈鉀素投入量大幅增加，且油菜季鉀素盈余量較小麥季提高21.0%，而水稻季則由于上季油菜秸稈的投入，使得油-稻輪作鉀素盈余量 (K2O 229.0 kg/hm2) 明顯高于麥-稻輪作 (K2O 178.0 kg/hm2)，提高幅度達(dá)到28.7%。

3 討論

本研究通過對(duì)長江流域油-稻與麥-稻輪作農(nóng)田養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的收集與分析發(fā)現(xiàn)，長江流域油菜、小麥和水稻三種作物秸稈不還田時(shí)養(yǎng)分收支平衡整體呈現(xiàn)出氮、磷盈余，鉀素虧缺的狀態(tài)。這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致[31-34]。油-稻輪作周年氮素平衡量高于麥-稻輪作，一方面與油菜季大量落葉有關(guān)，同時(shí)，相比小麥秸稈，油菜秸稈更有利于促進(jìn)有機(jī)碳的礦化及土壤有效氮素的釋放[35]；另一方面，小麥群體生物量大，氮素帶走量顯著 (P ＜ 0.05) 高于油菜 (圖2)。從氮損失角度而言，兩種輪作體系周年氮素?fù)p失量達(dá)到N 88.8～96.7 kg/hm2，占周年施氮量的22.5%～25.5%。NH3揮發(fā)、N2O排放在造成肥料浪費(fèi)的同時(shí)，也易造成大氣污染。因此，降低養(yǎng)分盈余、減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化資源配置是輪作系統(tǒng)中需要關(guān)注的重要問題。大量研究發(fā)現(xiàn)，通過更改肥料劑型、調(diào)整氮肥運(yùn)籌方式均可以有效減少氮素?fù)p失[36-37]。此外，秸稈還田能夠提高土壤保肥性能，增加土壤養(yǎng)分含量，因此長期秸稈還田時(shí)可適當(dāng)減少肥料的投入[38]。

本文研究發(fā)現(xiàn)，油-稻和麥-稻輪作體系中周年磷素盈余量均較高 (秸稈不還田條件下達(dá)到P2O553.3～58.4 kg/hm2)。但是土壤中有效磷含量為13.6～16.1 mg/kg (表1)，處于正常水平。這可能主要與磷在土壤中極易被固定的特性有關(guān)。同時(shí)，長江流域雨水充沛，部分磷素也會(huì)隨雨水發(fā)生磷的徑流或淋洗損失。朱文彬等[39]在太湖流域麥-稻輪作系統(tǒng)上的研究表明將稻季磷肥轉(zhuǎn)移到麥季能夠減少徑流總磷濃度12.0%。因此，從磷盈余的情況而言，需要進(jìn)一步考慮磷肥的合理運(yùn)籌和如何充分利用磷的后效，減少水稻季磷的徑流損失。就鉀素而言，秸稈是一種寶貴的鉀素資源。大量研究表明秸稈還田能夠?qū)⑩浰厥罩胶馀ぬ潪橛?，并且能夠在一定程度上減少肥料的施用[40-42]。隨著秸稈還田在我國大力推進(jìn)，輪作體系的鉀素盈余量將不斷加大，進(jìn)而提高土壤鉀庫容量。

表4 油-稻與麥-稻輪作體系養(yǎng)分收支估算(kg/hm2)Table 4 Nutrient budget in rapeseed-rice and wheat-rice rotations

由于可獲得樣本數(shù)較少，因此本研究未考慮灌溉水、大氣沉降以及非生物固氮等養(yǎng)分投入和磷、鉀損失等養(yǎng)分輸出。參考李書田和金繼運(yùn)[12]、劉曉燕[43]的研究，農(nóng)田中由灌溉水帶入的養(yǎng)分約為N 9.0～11.2 kg/hm2、P2O51.4～1.5 kg/hm2和 K2O 8.1～14.8 kg/hm2；濕沉降帶入的養(yǎng)分約為N 4.5～18.2 kg/hm2、P2O51.2～1.4 kg/hm2和 K2O 2.7～8.3 kg/hm2；此外，由于土壤中某些微生物能夠固定空氣中的氮素，非共生固氮量約為N 15.0 kg/hm2[44]。在養(yǎng)分損失方面，有研究表明磷、鉀也存在一定的損失，農(nóng)田磷徑流損失約為P2O51.4～7.3 kg/hm2[45-46]，水田鉀素淋溶能達(dá)到K2O 12.0 kg/hm2[34]。將上述參數(shù)的均值帶入本研究結(jié)果中評(píng)估發(fā)現(xiàn)，兩種輪作體系氮平衡量有所增加，但仍然表現(xiàn)為油-稻高于麥-稻輪作，磷、鉀平衡量變化不大。說明本研究結(jié)果一定程度上能夠很好地反映養(yǎng)分的收支平衡狀況，為輪作體系的養(yǎng)分資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1) 油-稻輪作體系周年養(yǎng)分歸還量高于麥-稻輪作體系，而麥-稻輪作體系周年地上部養(yǎng)分帶走量高于油-稻輪作體系。

2) 兩種輪作體系周年氮素?fù)p失量占周年施氮量的22.5%～25.5%，其中水稻季的氮素?fù)p失量約為油菜季或小麥季的1.7～2.1倍。

3) 秸稈不還田時(shí)，周年養(yǎng)分平衡表現(xiàn)為油-稻輪作氮盈余而麥-稻輪作氮持平或略有虧缺。兩種輪作體系磷、鉀平衡無差異，均表現(xiàn)為磷盈余、鉀虧缺。