紫云英還田+稻魚共生對水稻土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響

呂廣動(dòng)，黃 璜*，梁玉剛，王 忍，周 晶，隆斌慶，楊飛翔

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000；3.湘西土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，湖南 吉首 416000)

【研究意義】水稻是我國主要糧食作物之一，目前水稻生產(chǎn)在追求穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)的同時(shí)，也面臨諸多問題的挑戰(zhàn)：農(nóng)戶種糧積極性降低、土壤肥力下降、農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重、稻米品質(zhì)不高等[1-2]。紫云英還田與稻田養(yǎng)魚是解決當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在諸多問題的兩個(gè)有效途徑，二者結(jié)合對于水稻土壤肥力及水稻生產(chǎn)的效應(yīng)如何，目前研究較少。本研究通過探究“紫云英還田耦合稻魚共生”耕作模式對水稻土壤養(yǎng)分含量及產(chǎn)量的影響，以期為培肥稻田土壤，促進(jìn)水稻高效生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】冬季種植紫云英可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水性，防止水土流失[3-4]，同時(shí)紫云英具有良好的固氮和固碳作用,有助于恢復(fù)地力，利于第二年水稻生產(chǎn)[5]。紫云英翻耕還田，有利于稻田有機(jī)質(zhì)的積累，提高稻田土壤全氮含量以及氮肥利用率，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的活化[6-8]。研究表明，紫云英還田對雙季稻種植的土壤養(yǎng)分積累是正效應(yīng)，并且對雙季稻生產(chǎn)均有增產(chǎn)作用，且對早稻的效用更為明顯[9-10]。稻田養(yǎng)魚作為我國的精典農(nóng)耕模式，對培肥土壤，提高水稻產(chǎn)量有良好的促進(jìn)作用。有研究表明，稻田養(yǎng)魚可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量[11-12]，對土壤全量氮磷影響不明顯，全鉀含量下降，但有效提高了的土壤速效養(yǎng)分含量[13-14]。稻田養(yǎng)魚會降低土壤pH，增加土壤溫度，改善水稻生長環(huán)境，利于水稻生長[12]。稻田養(yǎng)魚不僅可以提高水稻產(chǎn)量，還可以提高稻米品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水稻高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)[15-16]。并且稻田養(yǎng)魚的經(jīng)濟(jì)效益較單一的種植、養(yǎng)殖都高，有利于提高稻農(nóng)生產(chǎn)積極性。【本研究的切入點(diǎn)】前人對紫云英還田、稻魚共生2種耕作模式對水稻土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響有較為系統(tǒng)的研究，但以二者結(jié)合開展的研究較少，其相互關(guān)系如何有待進(jìn)一步探究。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究開展“紫云英還田耦合稻魚共生”對土壤肥力的影響規(guī)律、產(chǎn)量的形成規(guī)律以及紫云英還田與稻魚共生的相互關(guān)系的研究，擬探究“紫云英還田耦合稻魚共生”模式對水稻土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響規(guī)律，從而為水稻的高效生產(chǎn)和水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究于2018年在長沙縣路口鎮(zhèn)明月村開展，該地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候。年均氣溫16～20 ℃，全年無霜期260～300 d，日照時(shí)數(shù)1600～1800 h，年均降水量1472.9 mm，年平均蒸發(fā)量1194.9 mm，平均相對濕度81 %。土壤類型為紅黃泥水稻土。在紫云英栽種前使用五點(diǎn)取樣法，采取土壤背景值并測定其理化性質(zhì)，其中土壤全氮含量為1.15 g/kg，全磷含量為0.68 g/kg，全鉀含量為6.80 g/kg，堿解氮含量為96.91 mg/kg，速效磷含量為21.78 mg/kg，速效鉀含量為93.08 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為21.92 g/kg，pH 6.11。

表1 驗(yàn)處理水平設(shè)置

1.2 試驗(yàn)材料

早稻水稻品種選擇常規(guī)稻中早39；放養(yǎng)魚苗選擇工程鯽、本地草魚；紫云英品種選擇小葉紫云英常德種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以單季早稻栽培，設(shè)置常規(guī)水稻栽培(CK)、紫云英還田(ZD)、稻魚共生(YD)、紫云英還田+稻魚共生(ZY)共4個(gè)處理，其中紫云英還田量為20 t/hm2的鮮草翻壓還田。早稻每個(gè)處理的試驗(yàn)面積為667 m2，大區(qū)試驗(yàn)，不設(shè)重復(fù)。

1.4 田間管理

早稻于2018年4月17日進(jìn)行整田，19日插秧，插秧規(guī)格為每穴3～4株基本苗，株距為20 cm，行距為25 cm。整田前施入基肥，基肥施用量為氮肥總量的70 %，鉀肥總量的90 %和磷肥的90 %，分蘗期追施氮肥總量的20 %，于孕穗期追施復(fù)合肥(15N∶15P2O5∶15K2O)，用量為全部氮肥、鉀肥和磷肥的10 %；3種化肥的總量：氮肥純N為150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 為1∶0.5∶0.8(稻魚共生追肥時(shí)，將水位降至田面以下，并少施多次)。稻魚共生模式試驗(yàn)田在水稻分蘗盛期放養(yǎng)25 g左右的工程鯽混合10 g左右的草魚，放養(yǎng)密度為工程鯽400尾/667m2、草魚100尾/667m2。田中挖“十字”形魚溝，溝寬30 cm，溝深50 cm。魚的日常管理做到“定時(shí)、定點(diǎn)、定量投喂”，每天投喂玉米粉一次，投喂量為魚體重的3 %～5 %，水稻收割前排水收魚。水稻單作模式試驗(yàn)田水肥與其他處理保持一致。

1.5 樣品處理與方法

在翻耕前以及水稻分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期、成熟期對試驗(yàn)區(qū)采用五點(diǎn)采樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，混勻備用。全氮采用凱氏定氮法；全磷采用鉬銻抗比色法；全鉀采用火焰光度法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2H2SO4)法；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度法；pH采用電位法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法[17]。每個(gè)處理采用五點(diǎn)取樣法，每點(diǎn)選取3蔸水稻樣品進(jìn)行室內(nèi)考種，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量構(gòu)成因素并計(jì)算理論產(chǎn)量；每個(gè)處理采用五點(diǎn)取樣法收割5個(gè)1 m2的樣方，進(jìn)行實(shí)收測產(chǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)和制表，使用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英還田+稻魚共生對土壤全量養(yǎng)分含量的影響

如圖1可知，YD、ZD和ZY處理的土壤全氮含量在拔節(jié)期至成熟期均顯著高于CK處理(P<0.05)，增幅分別為5.00 %～12.10 %、4.17 %～10.48 %、5.83 %～18.18 %；ZY處理的土壤全氮含量在分蘗期至成熟期均高于YD和ZD處理，且與YD處理在成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)，與ZD處理在拔節(jié)期至成熟期均差異顯著(P<0.05)；成熟期ZY處理土壤全氮含量為1.43 g/kg，較CK、YD、ZD處理分別高出18.18 %、5.93 %、9.16 %，且差異顯著(P<0.05)。

如圖2可知，YD和ZY處理的土壤全磷含量在分蘗期至成熟期均顯著高于CK處理(P<0.05)，增幅分別為4.29 %～17.46 %、6.06 %～20.63 %；ZD處理的土壤全磷含量在分蘗期和拔節(jié)期低于CK處理，但在齊穗期和成熟期顯著高于CK處理，增幅分別為13.85 %、7.94 %(P<0.05)；ZY處理的土壤全磷含量除拔節(jié)期外，其余生育期均高于YD處理，但均無顯著差異；ZY處理土壤全磷含量除齊穗期外其余生育期均高于ZD處理，且除齊穗期外均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；成熟期ZY處理土壤全磷含量為0.76 g/kg，較CK和ZD處理分別高20.63 %和11.76 %，且差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同生育時(shí)期土壤全氮含量Fig.1 Total nitrogen in soil at different growth stages

圖2 不同生育時(shí)期土壤全磷含量Fig.2 Total phosphorus in soil at different growth stages

如圖3可知，YD處理的土壤全鉀含量在分蘗期和齊穗期顯著低于CK處理，但在拔節(jié)期和成熟期顯著高于CK處理，增幅分別為3.19 %、2.53 %(P<0.05)；ZD處理的土壤全鉀含量除拔節(jié)期外，其余生育期均低于CK處理，成熟期與CK相比降低了1.97 %，且差異顯著(P<0.05)；ZY處理的土壤全鉀含量除齊穗期外，其余生育期均高于CK處理，增幅為1.16 %～3.42 %，且除分蘗期外均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)； ZY處理的土壤全鉀含量在分蘗期和成熟期高于YD處理，在拔節(jié)期和齊穗期低于YD處理，且在分蘗期與成熟期差異顯著(P<0.05)；ZY處理的土壤全鉀含量除拔節(jié)期外，其余生育期均高于ZD處理，且在各生育期均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；成熟期ZY處理土壤鉀磷含量為6.95 g/kg，較CK和ZD處理分別高3.42 %和5.46 %，且差異顯著(P<0.05)。

2.2 紫云英還田+稻魚共生對土壤pH、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量的影響

如表2所示，YD和ZY處理的土壤pH在分蘗期至成熟期均低于CK處理，降幅分別為0.02～0.14和0.04～0.12，且除分蘗期外均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZD處理的土壤pH在成熟期高于CK處理，增加了0.04，且達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZY處理的土壤pH在拔節(jié)期低于YD處理，在齊穗期和成熟期高于YD處理，增幅分別為0.02和0.06，且在成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZY處理的土壤pH在拔節(jié)期至成熟期均低于ZD處理，且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；成熟期各處理的pH表現(xiàn)為ZD>CK>ZY>YD ，其中ZD處理的土壤pH為6.06，顯著高于CK、ZY和YD處理，分別提高了0.04、0.08和0.12個(gè)單位。

圖3 不同生育時(shí)期土壤全鉀含量Fig.3 Total potassium in soil at different growth stages

表2 不同生育期土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量

ZD和ZY處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在分蘗期至成熟期均顯著高于CK處理，增幅分別為5.01 %～14.93 %、6.22 %～16.40 %(P<0.05)；YD處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在分蘗期和拔節(jié)期均低于CK處理，但在齊穗期和成熟期均顯著高于CK處理，增幅分別為4.65 %、6.63 %(P<0.05)； ZY處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在分蘗期至成熟期均顯著高于YD處理(P<0.05)；ZY處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量除拔節(jié)期外，其余生育期均高于ZD處理，但均無顯著性差異；成熟期ZY處理土壤有機(jī)質(zhì)含量為23.00 g/kg，較CK和YD處理分別高出16.40 %和9.16 %，且達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

由表3可知，ZD和ZY處理的土壤堿解氮含量在拔節(jié)期至成熟期均高于CK處理，增幅分別為4.38 %～7.83 %、5.24 %～9.68 %，且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；YD處理的土壤堿解氮含量從拔節(jié)期至成熟期均高于CK處理，增幅為2.23 %～3.75 %，且于成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)； ZY處理的土壤堿解氮含量在分蘗期至成熟期均高于YD處理，且除分蘗期外均表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，ZY處理的土壤堿解氮含量從分蘗期至成熟期均高于ZD處理，但均無顯著差異；成熟期ZY處理土壤堿解氮含量為97.28 mg/kg，較CK和YD處理分別高7.71 %和3.81 %，且差異顯著(P<0.05)。

YD、ZD和ZY處理的土壤速效磷含量在拔節(jié)期至成熟期均高于CK處理，增幅分別為14.62 %～18.65 %、7.48 %～22.12 %、4.72 %～15.96 %，且除齊穗期外均表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)； ZY處理的土壤速效磷含量在分蘗期和成熟期高于YD處理，在拔節(jié)期和齊穗期低于YD處理，且除齊穗期外均無顯著性差異；ZY處理的土壤速效磷含量在分蘗期至齊穗期均低于ZD處理，但在成熟期顯著高于ZD處理；成熟期ZY處理土壤速效磷含量為20.78 mg/kg，較CK和ZD處理分別高15.96 %和7.89 %，且達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

YD處理的土壤速效鉀含量拔節(jié)期和齊穗期均高于CK處理，增幅為7.65 %和0.74 %，成熟期低于CK處理，且在拔節(jié)期和成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZD處理的土壤速效鉀含量除拔節(jié)期外均低于CK處理，并于齊穗期和成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZY處理的土壤速效鉀除拔節(jié)期外，均高于CK處理，且在齊穗期和成熟期達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；成熟期各處理的土壤速效鉀含量表現(xiàn)為ZY>CK>YD>ZD，其中ZY處理土壤速效鉀含量為92.00 mg/kg，較CK、YD、ZD處理高1.85 %、2.60 %、3.76 %，且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

2.3 紫云英還田與稻魚共生對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響

由表4可知，各處理的千粒重表現(xiàn)為ZY>CK>YD>ZD，其中ZY處理的千粒重為24.15g，顯著高于CK的23.80 g，增加了0.35 g，ZD處理的千粒重較CK降低了0.56 g，且差異顯著(P<0.05)。各處理的有效穗表現(xiàn)為CK>ZD>ZY>YD，其中ZY處理的有效穗為306.67萬穗/hm2，顯著低于CK處理的320.00萬穗/hm2，降低了4.17 %，YD處理的有效穗較CK處理降低了12.5 %，且差異顯著(P<0.05)；各處理結(jié)實(shí)率表現(xiàn)為YD>ZY>CK>ZD，其中ZY處理的結(jié)實(shí)率為66.85 %，較CK處理的62.13 %高4.72 %，且差異顯著，YD處理的結(jié)實(shí)率顯著高于CK處理，提高了9.72 %(P<0.05)；各處理穗粒數(shù)表現(xiàn)為ZY>YD>CK>ZD，ZY處理的穗粒數(shù)為171.25粒，顯著高于CK處理的141.94粒，增加了29.31粒，增幅達(dá)20.65 %，YD處理的穗粒數(shù)較CK處理高15粒，增幅達(dá)10.57 %，且差異顯著；各處理的理論產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)一致，均為ZY>YD>ZD>CK，其中ZY處理的實(shí)際產(chǎn)量達(dá)6.29 t/hm2，較CK處理的5.65 t/hm2增加了0.64 t/hm2，增幅達(dá)11.33 %，較ZD和YD處理增產(chǎn)6.79 %和4.83 %，均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；ZD和YD處理較CK增產(chǎn)6.19 %和4.25 %，且差異顯著(P<0.05)。

表3 不同生育期土壤有效養(yǎng)分含量

3 討 論

3.1 紫云英還田+稻魚共生對土壤養(yǎng)分的影響

紫云英具有良好的固氮與固碳作用，種植并翻壓紫云英還田可以有效改良土壤耕性，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，且在淺水條件下紫云英還田后有較快的腐解速率，利于有機(jī)物質(zhì)的積累以及土壤養(yǎng)分的礦化、釋放，提高土壤養(yǎng)分循環(huán)速率與效率，即紫云英還田可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量[18-21]。紫云英還田可以有效提高土壤pH，有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和利用[22-23]。本研究中，除速效鉀外，ZD處理的結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。而ZD處理土壤全磷和全鉀的變化規(guī)律，在于紫云英積累的磷鉀元素，在紫云英腐解前期釋放速率較慢，而后期釋放速率加快[20]。稻田養(yǎng)魚對水稻土壤肥力的提高是綜合性的，魚通過游動(dòng)、采食田間浮游生物，增加了水體溶解氧含量，改善了土壤氧化還原狀況[24]，有利于土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化釋放并提高利用效率。魚的食性廣，其采食行為會改變農(nóng)田水體群落結(jié)構(gòu)，減少浮游生物對農(nóng)田養(yǎng)分(尤其是水溶性養(yǎng)分)的占用，有利于養(yǎng)分的積累與利用[15]。殘余的餌料是稻魚系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)的來源之一，且餌料易被分解，是稻魚系統(tǒng)中農(nóng)田土壤養(yǎng)分的來源之一。前人研究表明，稻田養(yǎng)魚可以有效提高土壤全量氮磷鉀及其有效態(tài)、有機(jī)質(zhì)的含量，但會使土壤pH降低[24,25-26]，這與本研究YD處理的結(jié)果一致。而對于紫云英還田耦合稻魚共生對土壤肥力的影響，前人研究較少。本研究結(jié)果顯示，ZY處理可以有效提高土壤肥力，ZY處理成熟期土壤全氮、磷、鉀和速效氮、磷、鉀含量，較CK處理分別提高了18.18 %、20.63 %、3.42 %和7.71 %、15.96 %、1.85 %，且處理效果優(yōu)于ZD、YD處理，紫云英還田與稻魚共生對土壤養(yǎng)分含量的影響為協(xié)同作用。ZY處理的pH呈下降趨勢，但較YD處理下降幅度小，說明紫云英還田可以有效減緩稻田養(yǎng)魚帶來的土壤酸化趨勢，并且冬種紫云英較傳統(tǒng)的冬閑田，相當(dāng)于水旱輪作，也是土壤酸化減緩的原因之一。

表4 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成指數(shù)

3.2 紫云英還田+稻魚共生對水稻產(chǎn)量的影響

前人研究表明，稻魚共生與紫云英還田均能有效提高水稻產(chǎn)量[15,27]，這與本研究中的結(jié)果是一致的。紫云英還田耦合稻魚共生對產(chǎn)量提高的效果最為顯著。各處理實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為ZY>YD>ZD>CK，其中ZY處理的實(shí)際產(chǎn)量6.29 t/hm2，較CK處理的5.65 t/hm2，增幅達(dá)11.33 %。在生產(chǎn)中，分蘗盛期曬田是保證農(nóng)田基本苗的前提下提高有效分蘗的有效措施，但本試驗(yàn)條件下，ZY、YD處理在土壤氮素供應(yīng)充足的條件下，分蘗期仍舊淹水，導(dǎo)致無效分蘗增多，有效穗數(shù)量相應(yīng)減少，這與王華等[16]的研究結(jié)果一致。據(jù)郭松海等的研究[27]，水稻低密度栽培條件下，稻田養(yǎng)魚主要通過影響水稻的穗長及千粒重來實(shí)現(xiàn)水稻的增產(chǎn)，這與本研究ZY處理的產(chǎn)量形成的結(jié)果較為一致。稻田養(yǎng)魚可以為水稻的生長提供適宜的溫度與環(huán)境，并提供充足的氮素供應(yīng)，可以充分提高水稻的光合作用，延長水稻分蘗與灌漿時(shí)間，利于水稻產(chǎn)量的形成[12,15,28]。紫云英代替氮肥的效用有限[6]，且紫云英在腐解前期會占用一部分的農(nóng)田氮素，不利于水稻前期生長。紫云英-稻模式在茬口緊、還田量大的情況下，紫云英的腐解過程對水稻生長有毒害的風(fēng)險(xiǎn)[29-30]。因此在紫云英還田的基礎(chǔ)上，引入稻魚共生，可以有效優(yōu)化水稻全程生長營養(yǎng)供給。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，紫云英還田耦合稻魚共生與這2個(gè)單一技術(shù)比較，在土壤培肥和提高產(chǎn)量方面比單一的紫云英還田和單一的稻魚共生有顯著優(yōu)勢，也說明了2個(gè)措施配合的必要性。因此，在應(yīng)用生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)時(shí)，必須統(tǒng)籌短期與長期效應(yīng)、兼顧階段與全程。通過本試驗(yàn)，揭示了2個(gè)技術(shù)配合應(yīng)用的重要作用，這也是本研究的創(chuàng)新點(diǎn)。

4 結(jié) 論

綜上所述，“紫云英還田+稻魚共生”模式能有效提高土壤養(yǎng)分含量，從而有利于當(dāng)季水稻產(chǎn)量的提高，并且紫云英還田可以有效緩解稻魚共生帶來的土壤酸化的問題，是一種行之有效的土壤培肥模式。