雙季稻-油菜耕作制對(duì)土壤肥力質(zhì)量長(zhǎng)期演變的影響

2潘 博薛 毅張 亮張振華2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

0 引 言

雙季稻(Oryzasativa)和油菜(Brassicacampestris)輪作是南方水旱輪作制的主要形式之一。與傳統(tǒng)的雙季稻-休閑耕作制度相比，油菜季的引入不僅帶來栽培方式、作物營(yíng)養(yǎng)元素需求的差異，也引起了土壤的干濕交替循環(huán)，必然改變土壤養(yǎng)分的來源和平衡，進(jìn)而影響著土壤肥力質(zhì)量的演變方向，保障耕地資源可持續(xù)發(fā)展。已有關(guān)于稻-油輪作對(duì)土壤養(yǎng)分(特別是速效養(yǎng)分)含量影響的研究結(jié)果并不一致。李輝等研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期稻-油輪作顯著降低土壤有機(jī)質(zhì)含量[1]；但也有研究表明，稻-稻-油輪作有助于土壤有機(jī)質(zhì)積累[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，稻-油輪作還能顯著提高土壤堿解氮和速效磷含量[4-5]。目前，稻-油輪作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響研究大多集中在大量元素，在中、微量元素方面仍有待深入探索。土壤中、微量元素的豐缺強(qiáng)烈影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，董建江等[6]研究表明，與稻-閑輪作相比，稻-油輪作能夠提高土壤有效態(tài)Cu及Zn含量。土壤肥力質(zhì)量是土壤特性的綜合反映，對(duì)土壤條件的動(dòng)態(tài)變化反應(yīng)敏感[7]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)期雙季稻-油菜輪作還能改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力質(zhì)量等級(jí)，但是否具有普適性仍有待驗(yàn)證，而肥力質(zhì)量的提升機(jī)理也值得深入研究[8-9]。

湖南省湘南地處中亞熱帶，水熱資源豐富，一直是傳統(tǒng)的水稻和油菜生產(chǎn)基地[2]。有研究表明，與傳統(tǒng)的雙季稻-冬閑模式相比，長(zhǎng)期的雙季稻-油菜種植制度有助于提高水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率，但其潛在的機(jī)理仍不清楚[9-10]。本研究選取湘南典型(稻-稻-油輪作)稻田為研究對(duì)象，并以毗鄰的稻-稻-冬閑稻田作為對(duì)照，研究稻-稻-油輪作制下不同土層和根際/非根際土壤中大、中、微量元素含量的差異，評(píng)價(jià)水稻土的肥力質(zhì)量等級(jí)，為明確南方雙季稻-油菜輪作制的增產(chǎn)、增效機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣地概況

研究樣地位于湖南省湘南郴州市安仁縣渡口鄉(xiāng)松林村(26°79′N，113°19′E)，屬油菜傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)；研究地位于羅霄山脈中段的平原低崗地帶，海拔75～100 m。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫17.7 ℃，降水量1 430 mm。據(jù)調(diào)查，自1985年(種植水稻)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)稻田耕作制度主要為稻-稻-油和稻-稻-閑，初始土壤性狀良好，水稻開始輪作至2015年早稻季取樣。成土母質(zhì)為紫紅色碎屑巖風(fēng)化物，發(fā)育土種為紫泥田。水稻和油菜季施用的氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，折合成純N、P2O5和K2O分別約為180 kg·hm-2、90 kg·hm-2和90 kg·hm-2。其中，水稻季采取一次性施肥方式，油菜季氮肥(尿素)按照基肥∶苗肥∶薹肥=5∶3∶2的比例施用，磷肥(過磷酸鈣)、鉀肥(氯化鉀)全部當(dāng)作基肥施用。其他農(nóng)藝管理措施(如作物栽培、病蟲害及灌排水)均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗(yàn)所用的水稻品種為“中華11號(hào)”，油菜品種為“香優(yōu)15號(hào)”，均為當(dāng)?shù)厥褂玫某Ｒ?guī)品種。長(zhǎng)期稻-稻-閑輪作水稻年均產(chǎn)量為14 346 kg·hm-2，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作水稻年均產(chǎn)量為15 254 kg·hm-2。

1.2 土壤樣品采集和分析

2015年7月，在地勢(shì)平坦的開闊地，選取長(zhǎng)期(>30 a以上)稻-稻-油和稻-稻-閑耕作制度的毗鄰稻田各5塊，每塊面積>2 000 m2，各田塊兩兩相距<200 m。早稻黃熟期，在各田塊內(nèi)按“S型路線”隨機(jī)挖掘土坑10～12個(gè)，在各土坑處分別采集0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土壤樣品，同一田塊10～12個(gè)土坑同一土層的樣品混勻。在各土坑附近，隨機(jī)選取健壯水稻植株3～5株，以植株為中心，挖掘20 cm×20 cm×20 cm土塊，帶回室內(nèi)，用放大鏡、鑷子和軟毛刷，仔細(xì)分離并收集根系5 mm范圍內(nèi)的根際土壤。

采用電位法(水∶土為2.5∶1)測(cè)定土壤pH；高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮(TN)；酸溶-鉬銻鈧比色法測(cè)定土壤全磷(TP)；氫氧化鈉熔融法測(cè)定土壤全鉀(TK)；靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤堿解氮(AN)；碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法測(cè)定土壤有效磷(AP)；乙酸銨提取法測(cè)定速效鉀(AK)；中性乙酸銨交換-ICP法測(cè)定土壤有效態(tài)鈣、鎂(ACa、AMg)；鹽酸浸提-ICP法測(cè)定有效態(tài)鐵、錳、銅、鋅(AFe、AMn、ACu、AZn)[11]。

采用Microsoft Excel 2010軟件計(jì)算變量的均值及標(biāo)準(zhǔn)差；基于SPSS 19.0軟件，應(yīng)用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，比較不同耕作制度下土層、根際和非根際變量的差異；應(yīng)用主成分分析法和聚類分析(最短距離法)，評(píng)價(jià)兩種耕作制度的土壤肥力等級(jí)；統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 兩種輪作制度下土壤pH和有機(jī)質(zhì)的含量分析

長(zhǎng)期稻-稻-油和稻-稻-閑耕作制度下，不同土層、根際和非根際土壤pH分別介于5.08～5.71和4.61～6.15，未觀察到顯著差異(圖1)。但是，與稻-稻-閑相比，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著下降了9%～11%，一定程度上與水稻(稻-稻-油)根際土壤有機(jī)質(zhì)的含量下降有關(guān)(圖1)。

注：不同小寫字母代表處理間差異在0.05水平上顯著。下同。 Note: Different small letters mean significant differences at 0.05 level.The same is as below.圖1 稻-稻-油和稻-稻-閑不同土層、根際和非根際土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Soil pH and organic matter contents among different soil layers,or in rhizosphere and bulk soils under rice-rice-rape and rice-rice-fallow rotation systems

2.2 兩種輪作制度下土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量

較稻-稻-閑輪作，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作不僅大幅提高了土壤TP和AP含量(19%～56%和21%～35%)，也明顯提高了根際土壤TP和AP含量(14%和46%)(圖2)。但是，長(zhǎng)期稻-稻-油和稻-稻-閑耕作制度下，土壤TN、TK、AN和AK含量均未觀察到顯著差異(圖2)。其中，長(zhǎng)期稻-稻-油和稻-稻-閑輪作土壤TN、AN含量分別介于1.58～2.14 g·kg-1和105～175 mg·kg-1之間，TK和AK含量分別介于19.9～22.1 g·kg-1和42.0～76.4 mg·kg-1之間。

2.3 兩種輪作制度下土壤中、微量元素含量分析

與稻-稻-閑相比，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作也顯著降低了土壤有效態(tài)Ca、Mg含量(10%～33%和14%～42%)，同時(shí)還導(dǎo)致根際和非根際土壤有效態(tài)Ca含量分別降低了19%和10%、有效態(tài)Mg含量分別降低了26%和14%；根際土壤有效態(tài)Fe含量顯著降低了32%(圖3)。

相反的是，與稻-稻-閑相比，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作大幅提高了土壤有效態(tài)Cu、Zn含量(20%～28%和8%～36%)及10～20 cm底土有效態(tài)Fe含量(47%)，同時(shí)還導(dǎo)致根際和非根際土壤有效態(tài)Zn含量分別升高了7%和22%，非根際土壤有效態(tài)Cu含量升高了36%；小幅提高了根際土壤有效態(tài)Mn含量(8%)(圖3)。這可能與油菜根際酸化，還原土壤中的高價(jià)Mn有關(guān)。

2.4 基于主成分-聚類分析的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

主成分分析表明，稻-稻-油輪作下，前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別是61%、20%和12% ；稻-稻-閑輪作下，前2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別是76%、18%(表1)。長(zhǎng)期稻-稻-油輪作下，主成分1攜帶變量：pH、土壤有機(jī)質(zhì)、TN、AN、AK和有效態(tài)Zn；主成分2攜帶變量：AP、TK和有效態(tài)Fe、Mn、Cu；主成分3攜帶變量TP和有效態(tài)Ca、Mg。長(zhǎng)期稻-稻-閑輪作下，主成分1攜帶變量：pH、土壤有機(jī)質(zhì)、TN、AN、AP、AK以及有效態(tài)Ca、Mg、Fe、Cu、Zn；主成分2攜帶變量：TP、TK、有效態(tài)Mn(表2)。

當(dāng)主成分個(gè)數(shù)達(dá)到2個(gè)時(shí)，累積貢獻(xiàn)率>85%，故提取前2個(gè)主成分用作綜合評(píng)價(jià)，較之長(zhǎng)期稻-稻-閑，稻-稻-油輪作明顯改善了非根際土壤的肥力質(zhì)量(表3)。在此基礎(chǔ)上的聚類分析表明，稻-稻-油和稻-稻-閑輪作制度下，土壤肥力質(zhì)量由高到低可劃分為6個(gè)等級(jí)：I-高(NR-Y、5-10F、R-F)>II-較高(0-5Y)>III-中等(R-Y)>IV-較低(5-10Y、NR-F、0-5F)>V-低(10-20Y)>VI-最低(10-20F)(圖4)。

稻-稻-油土壤肥力質(zhì)量均在I-III等級(jí)(除底土層)，而稻-稻-閑各土層和非根際土壤肥力質(zhì)量大多在III-VI等級(jí)。0～10 cm土壤肥力質(zhì)量在I-IV等級(jí)，而10～20 cm土壤肥力質(zhì)量在V、VI等級(jí)。稻-稻-油根際土壤肥力質(zhì)量(III級(jí))低于非根際土壤(I級(jí))，但稻-稻-閑根際土壤肥力質(zhì)量(I級(jí))高于非根際土壤(V級(jí))。

圖3 稻-稻-油和稻-稻-閑不同土層、根際和非根際土壤的中、微量養(yǎng)分含量Fig.3 Middle and micro nutrients contents among different soil layers,or in rhizosphere and bulk soils under rice-rice-rape and rice-rice-fallow rotation systems

表1 特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 1 Characteristic value,contribution rate,and cumulative contribution rate

表2 各指標(biāo)主成分的特征向量Table 2 The principal component vectors between all the indexes

表3主成分綜合得分
Table3Compositescoresoftheprincipalcomponents

耕作制度Rotation system土壤來源Source of soil主成分1Component 1主成分2Component 2綜合得分Composite score排序Order稻-稻-油Rice-rice-rape0～5 cm-0.2370.5950.35835～10 cm-0.122-0.154-0.276410～20 cm-1.217-1.064-2.2815根際1.564-0.7600.8052非根際0.0121.3831.3951稻-稻-閑Rice-rice-fallow0～5 cm0.335-1.352-1.01745～10 cm0.3131.1031.417210～ 20 cm-1.6630.313-1.3505根際1.0120.6211.6341非根際0.001-0.686-0.6843

注：NR、R、Y和F分別代表非根際、根際、稻-稻-油和稻-稻-閑。 Note:NR,R,Y,and F indicate non-rhizosphere,rhizosphere,rice-rice-rape,and rice-rice-fallow,respectively.圖4 聚類樹形圖Fig.4 Arborescence of cluster analysis

3 討 論

南方水田引入冬種油菜后，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量會(huì)有升高、不變或降低的變化趨勢(shì)。長(zhǎng)達(dá)30 a的定位試驗(yàn)和2 a短期大田試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，較稻-稻-閑輪作，稻-稻-油輪作能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，原因可能是冬種油菜(用作綠肥，地上部分保留)，油菜植株全部翻壓還田，為土壤帶來更多的有機(jī)物輸入[2,12]。有研究報(bào)道，與稻-閑輪作相比，稻-油輪作下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不大，原因可能與樣地的初始有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)[5]。也有報(bào)道，稻-油輪作較之冬水田平作，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低了23%[1]。本研究中，較稻-稻-閑輪作，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作土壤有機(jī)質(zhì)含量下降了9%～11%，原因可能有3方在：一是稻-稻-油根際土壤有機(jī)質(zhì)含量更低(圖1)，土壤來源于根際的有機(jī)質(zhì)投入可能更低；二是在長(zhǎng)期稻-稻-油水旱輪作過程中，頻繁的土壤干濕交替、油菜栽培和耕作加速土壤有機(jī)碳的礦化損失[13-14]；而稻-稻-閑冬季保持休閑狀態(tài)，幾乎無人為干擾，有利于有機(jī)質(zhì)的保存和積累；三是油菜栽培中的施肥、慢生根瘤菌固氮為土壤帶來額外的活性氮，激發(fā)土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解和礦化[15-16]。本研究與高菊生等[2]在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中將油菜翻壓入田用作綠肥不同的是，油菜生產(chǎn)中收獲地上部分(如秸稈、角果)并移出稻田，土壤有機(jī)質(zhì)歸還量相對(duì)減少。由于長(zhǎng)期雙季稻-油菜輪作顯著降低了土壤有機(jī)質(zhì)，雙季稻-油菜輪作生產(chǎn)中有必要適當(dāng)補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)投入(如增施有機(jī)肥、秸稈還田)，彌補(bǔ)土壤有機(jī)質(zhì)損失，以維系稻-稻-油輪作的長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)。

相反的是，水田引入冬種油菜后，一般可以較大幅度提高土壤磷素含量，以有效磷含量提高更為明顯。較稻-閑輪作，稻-油輪作土壤TP、AP含量分別提高了14%～40%和31%～106%；長(zhǎng)達(dá)10 a的定位試驗(yàn)表明，較稻-閑，稻-油輪作土壤TP含量差異不大，但AP含量卻高出一倍；單季稻改制稻-油土壤AP含量呈上升趨勢(shì)[5,17-18]。本研究中，較稻-稻-閑，稻-稻-油輪作土壤TP、AP含量分別提高了14%～56%和21%～46%。油菜季施肥和秸稈還田顯然增加了額外的土壤磷投入，同時(shí)稻-稻-油輪作土壤頻繁干濕交替，促進(jìn)了土壤礦物態(tài)-磷的溶解、活化和解析[19]；此外，干濕交替引起土壤有機(jī)質(zhì)加速礦化的“Birch效應(yīng)”，可能增加了活性磷(例如MBP)含量，由此提升了土壤AP含量[20-22]。類似地，水田冬種油菜后，土壤TK和AK含量也小幅度提高了5%、6%[12]。土壤的中量元素是作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。本研究中，與稻-稻-閑相比，稻-稻-油輪作土壤的有效態(tài)Ca、Mg含量分別降低了10%～33%和14%～42%；原因可能有3方面：一是收獲油菜帶出Ca、Mg；二是油菜栽培、翻耕會(huì)加速表土鹽基離子(如Ca、Mg)淋失[23]；三是相比稻-稻-閑以還原性為主的土壤環(huán)境，而稻-稻-油輪作干濕交替更為頻繁，土壤氧化與還原環(huán)境交替，土壤排水性能增強(qiáng)，土壤pH呈下降趨勢(shì)(圖1)，可能引起土壤膠體Ca、Mg吸附能力下降[24-25]。

主成分-聚類分析是土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)中的新興手段。稻田土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因子一般與施肥、耕作制度和母質(zhì)有關(guān)[26-28]。本研究中，稻-稻-油和稻-稻-閑輪作下土壤肥力的主成分(1、2)攜帶的變量不同，反映水田不同耕作制度下土壤肥力質(zhì)量具有不同的主控因素。稻-稻-油輪作土壤肥力質(zhì)量等級(jí)高于稻-稻-閑輪作，可能在于稻-稻-油輪作下，土壤磷素及微量元素(如Cu、Zn)的活性明顯增強(qiáng)；此外，水稻和油菜2種作物從土壤中吸收的養(yǎng)分不同，減少單一水稻對(duì)土壤中同種元素的吸收，有利于土壤養(yǎng)分平衡、綜合肥力質(zhì)量提升[29]。稻-稻-油輪作根際土壤肥力質(zhì)量等級(jí)高于非根際土壤，可能與稻-稻-油根際土壤有效態(tài)中、微量元素(Fe、Cu)低于非根際土壤有關(guān)，反映稻-稻-油輪作耕作制度下(與稻-稻-閑相比)，水稻根系可能具有更強(qiáng)的中、微量養(yǎng)分吸收能力，這也可以部分解釋雙季稻-油菜耕作制度有助于提高水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率[30-31]。盧勝等[9]研究表明，較稻-稻-閑，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作水稻年均增產(chǎn)6.3%。

4 結(jié) 論

(1)湘南地區(qū)，較稻-稻-閑，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作下土壤有機(jī)質(zhì)含量及中量元素Ca、Mg的有效性顯著降低；因此，稻-稻-油輪作生產(chǎn)中，有必要適當(dāng)增加土壤有機(jī)質(zhì)(如增施有機(jī)肥、秸稈還田)和石灰投入，緩解土壤有機(jī)質(zhì)損失和Ca、Mg有效性下降，以維系稻-稻-油輪作的長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)。

(2)較稻-稻-閑，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作有助于提高土壤養(yǎng)分有效性，可明顯增加土壤有效磷及有效態(tài)Cu、Zn的含量。

(3)與長(zhǎng)期稻-稻-閑相比，長(zhǎng)期稻-稻-油輪作較大幅度的提高了土壤肥力質(zhì)量等級(jí)，改善了土壤肥力質(zhì)量。