長期不同施肥處理對紅壤稻田土壤性質(zhì)及晚稻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

崔新衛(wèi)，張楊珠，高菊生，高 鵬，彭福元

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,衡陽紅壤實驗站，湖南 祁陽 426182； 3.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125)

中國作為世界最大的水稻生產(chǎn)和消費國，開展水稻安全高效生產(chǎn)，對世界糧食安全至關(guān)重要[1-2]。肥料在水稻生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，我國稻田氮肥平均用量為180 kg/hm2，高出世界稻田氮肥平均用量75%[3-4]，而其吸收利用率僅有30%～35%[5]，農(nóng)學(xué)利用率甚至不到發(fā)達(dá)國家一半[4,6]。大量的化肥通過揮發(fā)、徑流、滲漏等途徑流失，導(dǎo)致大氣氮沉降量持續(xù)升高[7]、地下水硝酸鹽累積、地表水富營養(yǎng)化及溫室氣體排放增加等一系列生態(tài)環(huán)境問題[8]。另一方面，隨著人民生活水平的提高，對優(yōu)質(zhì)稻米的消費需求進(jìn)一步增強，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)同步提升已成為我國水稻生產(chǎn)的重要發(fā)展方向[9-10]。因此，如何合理高效施肥以改善土壤肥力水平、提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)，是人們長期以來關(guān)注的焦點。已有大量研究[11-14]表明，有機無機肥合理配施不僅有利于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而且能改善稻田土壤養(yǎng)分供應(yīng)，對于維持稻田可持續(xù)生產(chǎn)具有積極效應(yīng)，但其大多集中于連續(xù)1～5季的中短期結(jié)果，缺少了長期定位施肥的累積效應(yīng)研究。而結(jié)合長期定位試驗的研究結(jié)果[15-17]，也主要集中于關(guān)注產(chǎn)量或土壤養(yǎng)分動態(tài)變化。此外，有關(guān)稻米品質(zhì)的相關(guān)報道也主要集中在依托短期試驗比較不同品種或不同肥料用量之間的差異變化[10,18]，而依托長期定位試驗比較不同肥料組合之間的水稻產(chǎn)量構(gòu)成、稻米品質(zhì)、土壤性質(zhì)及其內(nèi)在關(guān)系鮮見研究。依托始于1982年的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院紅壤實驗站的有機肥和化肥不同組合施用長期定位試驗，本試驗研究了連續(xù)35 a長期不同施肥處理對紅壤稻田晚稻土壤理化性質(zhì)及水稻產(chǎn)量構(gòu)成與稻米品質(zhì)的影響，旨在為南方紅壤稻田優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)協(xié)同提升目標(biāo)下的土壤高效培肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

試驗點設(shè)在湖南省衡陽市祁陽縣官山坪，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤試驗站內(nèi)(E111°52′32″，N26°45′42″)。該區(qū)域海拔約120 m，年平均溫度18.0 ℃，最高溫度36.6～40.0 ℃，≥10.0 ℃的年積溫5 600 ℃，年降水量1 250 mm，年蒸發(fā)量1 470 mm，無霜期約300 d，年日照時數(shù)1 610～1 620 h，太陽輻射量4 550 MJ/m2，溫、光、熱資源豐富。試驗始于1982年進(jìn)行的有機肥與無機肥配施長期定位試驗，供試土壤為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的紅壤性稻田，試驗開始時土壤耕層基本理化性質(zhì)為：pH值5.97，有機質(zhì)19.8 g/kg，全氮1.5 g/kg，堿解氮158.0 mg/kg，全磷0.48 g/kg，有效磷9.6 mg/kg，全鉀14.2 g/kg，速效鉀65.9 mg/kg，屬中低肥力水平。

1.2 試驗材料

長期定位試驗用水稻品種為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N，3～5 a更換1次，2016年試驗季栽培的晚稻品種為T優(yōu)207。種植模式為“早稻-晚稻-冬閑”。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)7個處理，即：①有機肥(M)；②化學(xué)氮、磷、鉀肥+有機肥(NPKM)；③化學(xué)氮、磷、鉀肥(NPK)；④化學(xué)氮、鉀肥+有機肥(NKM)；⑤化學(xué)氮、磷肥+有機肥(NPM)；⑥化學(xué)磷、鉀肥+有機肥(PKM)；⑦不施肥(NF)。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積1.8 m ×15 m=27 m2，插秧密度為20 cm×25 cm，即每公頃20萬蔸。各小區(qū)隨機排列，之間用水泥埂分隔。試驗開始后各處理每年的早稻季和晚稻季肥料用量均相同，具體見表1。有機肥為腐熟牛糞(養(yǎng)分含量為多年測定平均值，含N 3.2 g/kg，P2O52.5 g/kg，K2O 1.5 g/kg)，化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含 P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)，所有肥料均作底肥一次性施入。其他管理措施與當(dāng)?shù)氐咎镆恢隆?016年6月23日播種，7月20日移栽，10月24日收獲。

1.4 測定項目及方法

于晚稻收獲前1 d分小區(qū)采集土壤和植株樣品，各小區(qū)隨機選取5蔸稻株連根挖出，仔細(xì)刮取根區(qū)土壤并混合均勻后，剔除石塊、根系、動植物殘體等雜質(zhì)，置于干燥陰涼處風(fēng)干粉碎過篩，用于測定土壤酶活力及理化指標(biāo)。各小區(qū)隨機選取5蔸稻株貼地收割后小心無損裝入備好的網(wǎng)袋用于風(fēng)干后考種，而后分小區(qū)單打單收測產(chǎn)并取樣進(jìn)行稻米品質(zhì)分析。

土壤樣品基本理化性質(zhì)測定，采用《土壤農(nóng)化分析》方法進(jìn)行[19]。pH采用1∶1水浸-電位法測定；有機碳采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NaHCO3法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定；土壤陽離子交換量采用中性乙酸銨交換法測定；交換性鉀、鈉采用NH4OAc交換-火焰光度法測定；交換性鈣、鎂采用NH4OAc交換-原子吸收分光光度法測定。溶解性有機碳采用0.5 mol/L K2SO4浸提，TOC法測定。土壤酶活采用《土壤酶及其研究法》測定[20]，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；蔗糖酶與纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定。稻米品質(zhì)委托農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢測。稻米中蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測定，其他米質(zhì)指標(biāo)參照《GB/T 17891-1999 優(yōu)質(zhì)稻谷》方法測定[21]。

表1 各處理單季水稻肥料施用量Tab.1 Fertilizer application rates of different treatments for single rice season kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)整理分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著差異法(Least-Significant Difference，LSD)進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期定位不同施肥處理的晚稻產(chǎn)量構(gòu)成變化

長期不同施肥處理顯著影響稻谷產(chǎn)量及其構(gòu)成因子(表2)。以NPKM處理稻谷實收產(chǎn)量最高，達(dá)到7.72 t/hm2，NPM、NKM次之，三者兩兩之間差異顯著，且三者均顯著高于其他各處理；而M、PKM、NPK三者產(chǎn)量居中，介于5.60～5.95 t/hm2，無顯著性差異；以NF處理產(chǎn)量最低，僅為4.00 t/hm2，顯著低于各處理。進(jìn)一步比較產(chǎn)量構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理對結(jié)實率和千粒質(zhì)量無顯著影響，但顯著影響有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。其中，有效穗數(shù)以NPKM最高，顯著高于除NPM外的其他各處理，而與NPM無顯著差異，M、PKM、NF處理有效穗數(shù)相對較低，三者之間無顯著性差異，但三者均顯著低于NPKM和NPM，而與NPK和NKM兩處理無顯著性差異；穗粒數(shù)以NPKM處理最高，顯著高于M、NF兩處理，但與NPK、NKM、NPM、PKM處理無顯著性差異，而以NF處理最低，顯著低于其他各處理，但與M處理無顯著差異。可見，長期有機無機肥合理配施(NPKM)，主要通過提高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而實現(xiàn)高產(chǎn)。

表2 長期不同施肥各處理的晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成比較Tab.2 Comparisons of grain yields and it′s components under long-term different fertilization in reddish paddy soil

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著性水平。表3-5同。

Note:Different small letters in the same column indicated significant differences among treatments (P<0.05). The same as Tab.3-5.

2.2 長期定位不同施肥處理的土壤化學(xué)性質(zhì)變化

由表3可以看出，長期不同施肥處理對土壤全鉀含量無顯著影響，但長期單施化肥處理(NPK)導(dǎo)致土壤pH顯著下降，而長期施用有機肥(單施或與化肥配施)可不同程度提高土壤pH，緩解酸化。總有機碳和溶解性有機碳含量各處理之間變化趨勢相似，均以NPKM處理最高，M次之，而NPK、NF兩處理相對較低，顯著低于其他各處理。此外，與NF處理相比，長期施肥各處理均可不同程度提高全氮、堿解氮、全磷、有效磷和速效鉀含量，其中，全氮、堿解氮、有效磷含量顯著提升，而全磷含量除M、NKM外其他各施肥處理顯著提升，速效鉀含量除NPK外其他各施肥處理顯著提升。且各施肥處理中，該5項指標(biāo)均以NPKM處理含量相對最高。以上表明，長期有機肥與化肥平衡配施對于協(xié)同提升土壤養(yǎng)分與有機碳含量效果最優(yōu)。

表3 長期不同施肥各處理土壤養(yǎng)分含量比較Tab.3 Comparisons of nutrient properties under long-term different fertilization in reddish paddy soil

2.3 長期定位不同施肥處理的土壤酶活力變化

長期施肥可不同程度提高土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活力水平(圖1)。其中，蔗糖酶活性以NPKM處理最高，其顯著高于NPK處理而與其他施肥處理無顯著差異，酸性磷酸酶以NPM處理最高，NPKM次之，二者無顯著差異，但前者顯著高于其他各施肥處理，而以NKM處理最低，其顯著低于其他各施肥處理。此外，長期施肥可不同程度提高脲酶和纖維素酶活性。其中，以NPKM、M兩處理脲酶活性最高，二者顯著高于除NKM外的其他各施肥處理，而NPK處理脲酶活性最低，其與NF處理無顯著性差異；纖維素酶活以M處理最高，NPKM處理次之，二者顯著高于其他各施肥處理，而以NPK、NPM兩處理相對較低，其相比于NF處理，雖有不同程度提升，但未達(dá)到顯著性差異?？傮w表明，長期施入有機肥或有機肥與氮磷鉀平衡配施，可顯著提升4種關(guān)鍵酶活。

條柱上方不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著性水平。 Different small letters above columns indicated significant differences among treatments (P<0.05).

2.4 長期定位不同施肥處理的土壤陽離子交換能力變化

長期定位不同施肥處理土壤的交換性陽離子含量、陽離子交換量及鹽基飽和度見表4?？梢钥闯?，4種陽離子中以交換性鈣離子占比最高，為67.26%～70.18%；交換性鎂離子次之，為18.01%～20.49%；交換性鉀鈉離子含量相近，為5.29%～7.02%。其中，交換性鉀鈉離子含量均以NPKM處理最高，而交換性鈣離子含量以NPM處理處理最高，導(dǎo)致交換性陽離子總量以NPKM、NPM兩處理最高，二者均顯著高于NPK、NKM、NF處理而與M、PKM兩處理無顯著性差異，而NF處理交換性陽離子總量最低，顯著低于各施肥處理。此外，比較陽離子交換量發(fā)現(xiàn)，相比于NF處理，各施肥處理均可不同程度顯著提高土壤陽離子交換量，以PKM處理效果最優(yōu)，NPKM處理次之，而NPK處理相對較差，但與NF相比，仍有顯著提升。鹽基飽和度以NF處理最高，NPK處理次之，二者無顯著差異，但二者顯著高于其他各處理，而其他各處理間均無顯著性差異。

表4 長期不同施肥各處理土壤陽離子交換能力比較Tab.4 Comparisons of cation exchange capacities under long-term different fertilization in reddish paddy soil

2.5 長期定位不同施肥處理對稻米品質(zhì)的影響

長期不同施肥處理對稻米品質(zhì)的影響不同(表5)。比較加工品質(zhì)發(fā)現(xiàn)，施肥與否及肥料類型對糙米率無顯著影響，但長期施肥可不同程度提高精米率和整精米率，其中，除PKM處理外，其他各施肥處理精米率均顯著提升，除M處理外，其他各施肥處理整精米率均顯著提升，以NPKM處理精米率和整精米率最高。外觀品質(zhì)中以NF處理堊白粒率和堊白度均最高，而各長期不同施肥處理兩項指標(biāo)均有不同程度降低，其中，以NPKM處理堊白粒率和堊白度降幅最大，分別為2.25百分點，0.35，與NF相比差異顯著。食味品質(zhì)中，膠稠度以NKM處理最高，NPKM處理次之，二者均顯著高于NF處理而與其他各處理無顯著性差異，直鏈淀粉含量以NPKM、NKM兩處理最高，均為13.55%，二者顯著高于NPK、NF兩處理而與其他處理無顯著差異。蛋白質(zhì)含量以NPKM處理最高而NF處理最低，二者間差異顯著，但二者與其他各處理均無顯著性差異，其他5個處理之間也無顯著性差異?？傮w表明，施肥可不同程度提高稻米加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)，以NPKM處理各項品質(zhì)指標(biāo)相對最優(yōu)。

表5 長期不同施肥各處理稻米品質(zhì)變化Tab.5 Rice quality characters under long-term different fertilization regimes

3 討論與結(jié)論

施肥提高作物產(chǎn)量[5,22-23]，本研究以化肥氮磷鉀配施有機肥處理產(chǎn)量最高(7.72 t/hm2)，較長期不施肥處理(4.0 t/hm2)增產(chǎn)高達(dá)93%。分析其原因有二：首先，該處理化肥與有機肥混施，氮磷鉀養(yǎng)分投入翻倍，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅增加[24]；其次，NF處理長期不施肥種植導(dǎo)致土壤養(yǎng)分持續(xù)虧缺，影響產(chǎn)量形成，導(dǎo)致二者產(chǎn)量相差甚遠(yuǎn)[25]。此外，比較氮磷鉀不同組合與有機肥配施4個處理發(fā)現(xiàn)，長期缺施氮肥導(dǎo)致水稻減產(chǎn)最大，缺施磷肥次之，而缺施鉀肥對水稻產(chǎn)量影響相對較小，表明三者對水稻產(chǎn)量形成的影響為氮>磷>鉀，與前人研究結(jié)果一致[26-27]。比較產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施主要是通過提升有效穗數(shù)和穗粒數(shù)來實現(xiàn)高產(chǎn)，進(jìn)一步佐證了前人的研究結(jié)論[18,28]。

施肥是維持稻田可持續(xù)生產(chǎn)力的關(guān)鍵技術(shù)措施之一，有機肥與化肥合理配施更有利于培肥土壤，為發(fā)揮產(chǎn)量潛力夯實基礎(chǔ)[29-31]。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥氮磷鉀配施有機肥處理可更好地協(xié)同提升土壤養(yǎng)分及有機碳含量，可能是因為有機肥投入促進(jìn)了土壤團聚體的形成，進(jìn)而提高了土壤保肥能力所致，其與董春華[25]研究結(jié)果相似。然而，施肥與否及肥料組合對土壤全鉀含量無顯著影響，表明其受土壤母質(zhì)的影響較大，而受施肥影響相對較小[32]。此外發(fā)現(xiàn)，長期施用化學(xué)氮磷鉀肥導(dǎo)致土壤pH下降而施有機肥(單施或與化肥配施)可不同程度提高土壤pH，與Chen等[33-34]研究結(jié)果一致。

土壤酶活性決定了土壤生化反應(yīng)過程的強度，可一定程度上能反映土壤肥力狀況，周禮愷[35]建議將脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等酶活性作為土壤肥力評價指標(biāo)。李文革等[36]認(rèn)為，蔗糖酶含量增加可促進(jìn)土壤中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而改善土壤肥力水平。本研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥可不同程度提高紅壤稻田蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶、纖維素酶活性，而且單施有機肥或有機肥與化肥平衡配施處理4種酶活性明顯高于單施化肥處理[25]，而后者的脲酶與纖維素酶活性較其他施肥處理低，可能是長期缺少外源有機物所致[37]。

王桂良等[38]認(rèn)為，沼液與化肥不同比例配施對出糙率、精米率和整精米率均無顯著影響，而本研究發(fā)現(xiàn)，施肥可不同程度提高精米率和整精米率，且以氮磷鉀、氮磷、氮鉀配施有機肥(NPKM、NPM、NKM)相對較優(yōu)，可能是這3個處理足量施氮所致，張自常等[10]認(rèn)為，合理的范圍內(nèi)增施氮肥可提高整精米率。此外發(fā)現(xiàn)，與長期低氮處理(M、NPK、PKM)相比，高氮處理(NPKM、NKM、NPM)對外觀、食味和營養(yǎng)品質(zhì)的改善效果更為明顯，其歸因于施氮增加了直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量和降低了堊白率、堊白度，并使膠稠度變長[18]。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，化肥氮鉀配施有機肥較氮磷配施有機肥處理，其外觀和食味品質(zhì)相對更優(yōu)，表明鉀肥對米質(zhì)改善效果優(yōu)于磷肥[39]。

長期化肥氮磷鉀配施有機肥可有效提升土壤有機碳及氮磷鉀含量，增加陽離子交換量，改善蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶、纖維素酶活力水平，進(jìn)而提升有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，確保產(chǎn)量形成；同時可提高精米率、整精米率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量，降低堊白粒率和堊白度，使膠稠度變長。因此，有機肥與化肥平衡配施可協(xié)同提升籽粒產(chǎn)量和稻米品質(zhì)。