紫云英和稻草還田替代部分化肥對水稻產(chǎn)量和土壤理化性質的影響

（江西農業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院/江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西南昌 330045）

【研究意義】過量施用化肥導致土壤酸化[1-3]、生產(chǎn)力下降、環(huán)境污染加重[4-6]等問題越來越受到廣泛的關注。自國家土壤有機質提升項目開展和農業(yè)部提出到2020 年實現(xiàn)化肥零增長目標以來，南方稻田紫云英的種植面積得到恢復，且種植面積逐年增加，稻草全量切碎還田現(xiàn)象較為普遍。因此，研究紫云英和稻草還田替代部分化肥對水稻產(chǎn)量和土壤理化性質的影響具有重要的理論和實際意義?！厩叭搜芯窟M展】紫云英和稻草是江西稻區(qū)主要的有機肥源。研究表明，紫云英和稻草均含有一定量的碳、氮、磷、鉀及硅等營養(yǎng)元素[7-8]，又具有改善土壤理化和生物學性狀[9-10]、提高土壤肥力[10]、增加作物產(chǎn)量[7,11-13]等方面的作用?！颈狙芯壳腥朦c】目前，有關紫云英、稻草還田對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量[7-9,11-13]、養(yǎng)分吸收利用[7,11,14-15]、稻米品質[16-17]、土壤理化和生物學性狀[9-10]、溫室氣體排放[18]等方面已有很多報道，也取得了豐碩的研究成果。但對土壤有效硅[19]和交換性能的報道極少。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本文以第四紀紅色黏土發(fā)育的水稻土為研究對象，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，研究紫云英和稻草還田替代部分化肥對雙季水稻產(chǎn)量及其構成因素、土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硅和水溶性硅養(yǎng)分含量及容重、總孔隙度、pH、交換性酸、CEC、鹽基飽和度的影響，旨在為南方稻區(qū)化肥減量施用和土壤質量提升提供科學依據(jù)和技術指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試早、晚稻品種分別為中嘉早17和五優(yōu)662。供試土壤為第四紀紅色黏土發(fā)育的水稻土，常年種植水稻，種植制度為稻-稻-冬閑。試驗前土壤基本化學性質見表1。供試的化學肥料為尿素（N 46%）、磷酸二銨（含N15%、P2O542%）和氯化鉀（含K2O 60%）。供試紫云英、稻草養(yǎng)分含量見表2。

表1 供試土壤的基本性質Tab.1 Basic properties of soil tested

表2 有機肥中養(yǎng)分含量（占干質量%）Tab.2 Content of nutrients in organic fertilizers applied in this experiment（Percentage of dry weight）

1.2 試驗設計

2017 年開始在江西農業(yè)大學科技園同一塊稻田進行早、晚稻田間定位試驗，設4 個處理：單施NPK化肥（F）、紫云英（早稻基肥）+NPK 化肥（G）、紫云英（早稻基肥）+稻草（晚稻基肥）+NPK 化肥（GS）、稻草（早、晚稻基肥）+NPK 化肥（S）。每處理小區(qū)面積為24 m2，4 次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)間筑土埂隔開，并用塑料薄膜覆蓋埂體，單排單灌。各處理N、P2O5、K2O 養(yǎng)分用量相等（表3），早、晚稻N∶P2O5∶K2O 施用比例均為2∶1∶2。紫云英鮮草切碎至5～10 cm，每公頃施22 500 kg（折合干草3 937.5 kg），稻草切碎至5～10 cm，每公頃施3 000 kg（干稻草）。作早稻基肥的紫云英和稻草在水稻移栽前20 d施入，作晚稻基肥的稻草在早稻收割后當前施入。紫云英和稻草輸入養(yǎng)分用量按實際測定養(yǎng)分含量的結果進行折算，不足的數(shù)量用化肥補足。早稻尿素按基肥、分蘗肥、穗肥質量比5∶2∶3施用，晚稻尿素按4∶2∶4施用，早、晚稻氯化鉀均按分蘗肥、穗肥質量比7∶3施用，磷酸二銨一次性做基肥施用。人工移栽，早、晚稻栽插密度分別為13.3 cm×23.3 cm和13.3 cm×26.6 cm，其他按常規(guī)高產(chǎn)栽培要求進行。

表3 試驗處理與養(yǎng)分投入量Tab.3 Experimental treatment and nutrient inputkg/hm2

1.3 測定指標與方法

1.3.1 作物產(chǎn)量及其構成 水稻收割前1 d，各處理在調查有效穗的基礎上，按平均有效穗數(shù)取每處理代表性植株5蔸進行考種，各小區(qū)實割200蔸，脫粒后曬干、稱質量、測產(chǎn)。

1.3.2 土壤容重、酸度、CEC和養(yǎng)分含量測定 2017年晚稻成熟期，用環(huán)刀法測定表層（0～18 cm）土壤容重，計算土壤總孔隙度[21]。每處理按“S”型線路采集耕作層（0～18 cm）土壤混合樣品，供土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硅、水溶性硅含量以及土壤pH、代換性酸、交換性鹽基離子總量和CEC 的測定[22]，然后計算鹽基飽和度。有效硅含量采用0.025 mol/L檸檬酸浸提，硅鉬藍比色法測定[22]；土壤水溶性硅含量采用0.02 mol/L CaCl2浸提，土液比為1∶5，25 ℃下振蕩12 h，F(xiàn)eSO4還原硅鉬藍比色法測定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本論文數(shù)據(jù)均為2017 年的試驗數(shù)據(jù)，運用Excel 2007 和SPSS16.0 軟件進行試驗數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計分析，利用Duncan新復極差法（LSR）進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 紫云英和稻草還田替代部分化肥對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

表4研究結果顯示，在等量氮磷鉀養(yǎng)分投入情況下，早稻產(chǎn)量施肥處理間差異不顯著，晚稻產(chǎn)量處理G、GS、S 差異不顯著，但均顯著高于處理F，增幅為9.4%～11.8%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草還田有利于提高當年晚稻產(chǎn)量。

產(chǎn)量構成因素中（表4），早稻有效穗數(shù)，處理F 顯著高于處理G、GS、S，增幅為3.1%～5.7%（P＜0.05），而處理G、GS、S 差異不顯著；結實率處理G、GS、S 差異不顯著，卻均顯著高于處理F，增幅為5.4%～8.8%（P＜0.05）；每穗粒數(shù)和千粒質量處理間差異不顯著。晚稻有效穗數(shù)，處理G 與處理F、GS 差異不顯著，卻顯著高于處理S，增幅為3.7%（P＜0.05），處理F、GS、S 差異不顯著；每穗粒數(shù)處理S 與GS、G 差異不顯著，卻顯著高于處理F，增幅為5.55%（P＜0.05），而處理GS、G、F 差異不顯著；結實率處理S≈GS＞G＞F，差異顯著，處理S、GS、G 較處理F 增幅為7.1%～13.9%（P＜0.05）；千粒質量處理間差異不顯著。說明紫云英和稻草還田有利于提高早、晚稻結實率。

表4 紫云英和稻草還田對早晚稻產(chǎn)量及其構成因素的影響Tab.4 Effects of milk vetch and straw incorporation on grain yield and its components of double cropping rice

2.2 紫云英和稻草還田替代部分化肥對土壤理化性質的影響

2.2.1 對土壤容重和總孔隙度的影響 圖1 顯示，土壤容重處理F 與處理G 差異不顯著，卻均顯著高于處理GS、S，增幅分別為10.2%～11.3%和7.1%～8.2%（P＜0.05），而處理GS、S 差異不顯著。土壤總孔隙度處理GS與處理S差異不顯著，卻均顯著高于處理F、G，增幅分別為5.5%～6.8%和3.0%～4.2%（P＜0.05），而處理F、G差異不顯著。說明早、晚季連續(xù)采用紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于改善通氣狀況。

圖1 紫云英和稻草還田對土壤容重和總孔隙度的影響Fig.1 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil bulk density and total porosity

2.2.2 對土壤養(yǎng)分含量的影響 表5 表明，土壤有機質含量處理S≈GS＞G＞F，前三者較后者增幅為10.5%～30.4%（P＜0.05），且差異顯著。而處理GS 和S 差異不顯著，較處理G 增幅為17.5%～18.0%（P＜0.05），且差異顯著。說明在等量氮磷鉀養(yǎng)分投入條件下，紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于提高土壤有機質含量，且早、晚季連續(xù)替代效果更佳。土壤堿解氮含量處理S、GS、G 均顯著高于處理F，增幅為18.0%～25.7%（P＜0.05）。說明紫云英、稻草還田替代部分化肥能促進土壤氮素的釋放。堿解氮含量處理S 顯著高于處理GS、G，增幅分別為6.5%（P＜0.05）和5.4%（P＜0.05），而處理GS 和G 差異不顯著。表明稻草還田對土壤有效氮的影響比紫云英或紫云英與稻草還田的效果好，其機理有待進一步研究。土壤有效磷含量變化趨勢與堿解氮基本一致。處理S、GS、G均顯著高于處理F，增幅為18.0%～37.1%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草替代部分化肥能促進土壤磷的釋放，提高土壤有效磷含量。而處理S 顯著高于處理GS和G，增幅分別為8.9%（P＜0.05）和16.1%（P＜0.05），處理GS、G 差異不顯著。表明早、晚季稻草還田有利于土壤磷的釋放。土壤速效鉀含量由大到小依次為處理S、GS、G、F，但處理間差異不顯著。土壤有效硅含量由大到小依次為處理S、GS、G、F，差異顯著，前三者較后者增幅為35.8%～60.2%（P＜0.05），這與紫云英、稻草中含有硅養(yǎng)分及其分解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物促進土壤硅釋放有關，與有關報道基本一致[19]。水溶性硅含量處理間差異不顯著。說明紫云英和稻草還田有利于提高土壤有效硅含量，且以稻草還田效果最好。

表5 紫云英和稻草還田對土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.5 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil physical and chemical properties

相關分析表明，土壤有機質、堿解氮和有效磷含量與有效硅含量均呈線性相關，相關系數(shù)分別為0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。

2.2.3 對土壤酸度和交換性能的影響 表6表明，與試驗前土壤pH相比，處理F土壤pH值有所降低，而處理S、GS和G土壤pH值呈上升趨勢。處理S、GS與G差異不顯著，但均高于處理F，增幅分別為7.4%（P＜0.05）、5.4%（P＜0.05）和3.7%。說明紫云英和稻草還田有利于調控土壤酸度。土壤交換性酸處理S、GS和G 均顯著高于處理F，增幅為51.6%～118.0%（P＜0.05），處理S 顯著高于處理GS、G，增幅分別為36.0%（P＜0.05）和43.9%（P＜0.05），而處理GS 與G 差異不顯著。土壤CEC 由大到小依次為處理S、GS、G、F，而處理S與處理GS、G差異不顯著，卻顯著高于處理F，增幅為8.0%（P＜0.05），處理F、G、GS差異不顯著。表明紫云英和稻草還田有利于提高土壤CEC，增強土壤的保肥性能。鹽基飽和度處理F 顯著高于處理G、GS和S，增幅為9.2%～17.0%（P＜0.05）。這與處理G、GS和S補充到土壤中的鹽基離子少有關。說明紫云英和稻草還田還需適當補充含鹽基離子豐富的石灰質肥料和鈣鎂磷肥。

相關分析表明，土壤pH、交換性酸和CEC與有效硅含量均呈顯著線性相關，相關系數(shù)分別為0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

表6 土壤酸度和交換性能的變化Tab.6 Changes of soil acidity and exchange properties

3 結論與討論

3.1 紫云英和稻草還田對雙季水稻產(chǎn)量的影響

研究表明，紫云英和稻草還田能提高水稻產(chǎn)量。黃山等[15]研究指出，與單施NPK 化肥相比，冬種紫云英和稻草聯(lián)合雙季稻草還田早、晚稻產(chǎn)量均有增加的趨勢。王璐等[12]研究表明，在相同氮磷鉀養(yǎng)分投入水平下，紫云英和稻草還田可以提高免耕拋栽雙季水稻產(chǎn)量。紫云英還田是通過改善土壤理化性狀，提升土壤肥力而提高水稻產(chǎn)量[25]。曾研華等[7]研究認為，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，稻草全量還田能夠增加雙季早、晚稻周年產(chǎn)量。3 年定位試驗表明，紫云英帶籽翻耕還田顯著增加水稻有效穗及產(chǎn)量[9]。而本試驗結果表明，紫云英、稻草還田處理早稻產(chǎn)量與單施化肥處理差異不顯著，晚稻產(chǎn)量均顯著高于處理單施化肥處理，增幅為9.4%～11.8%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草還田有利于提高當年晚稻產(chǎn)量，這與有關報道不完全一致。這可能與供試水稻品種、稻草還田量與還田時間不同有關。

3.2 紫云英和稻草還田對稻田土壤理化性質的影響

紫云英和稻草還田對提升土壤有機質含量、改善土壤理化和生物學性質等方面具有重要的作用。王伯誠等[9]研究認為，帶籽紫云英作為綠肥施用能起到改善土壤理化性質和生物學性質，穩(wěn)步提高土壤肥力的作用。吳建富等[13]研究表明，稻草全量切碎還田有利于提高土壤碳庫管理指數(shù)。曾研華等[26]研究指出，稻草全量還田2年（4季）有利于改善土壤物理性狀和提高耕作層土壤有機質、堿解氮、速效氮和緩效鉀含量。顏志雷等[10]研究顯示，化肥與紫云英配合施用能提高土壤有機質、全氮、有效氮含量，而有效磷、速效鉀含量呈下降趨勢。王璐等[12]研究表明，紫云英和稻草還田可以降低免耕拋栽稻田土壤容重，改善土壤孔隙性，緩解長期免耕導致的土壤板結，有利于土壤養(yǎng)分含量提高。黃山等[27]研究表明，冬種紫云英顯著降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙度，稻草還田顯著提高了土壤pH值，冬種紫云英和稻草還田對土壤有機碳、總氮和堿解氮含量均無顯著影響，而稻草還田顯著增加了土壤速效磷和速效鉀的含量。高明等[19]研究指出，有機肥（稻草和胡豆青）還田有利于提高紫色水稻土有效硅和水溶性硅含量。已有的報道對土壤理化性質的影響并非完全相同，其原因可以與研究的對象、試驗周期、肥料用量等因素有關。本研究認為，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用情況下，與單施化肥相比，紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，顯著增加土壤有機質、堿解氮、有效磷含量，而對土壤速效鉀的影響不大。同時研究還發(fā)現(xiàn)，紫云英和稻草還田也能提高土壤有效硅含量，較單施化肥增幅為35.8%～60.2%（P＜0.05），而對土壤水溶性硅含量影響極小。其主要原因一方面是紫云英和稻草中含有一定量的硅，分解后增加了土壤中有效硅的含量；另一方面，紫云英和稻草在分解過程中釋放部分有機酸，可活化土壤中的硅，從而提高土壤中有效硅的含量。另外，紫云英和稻草還田還能提高土壤pH 值和CEC，顯著提高土壤交換性酸，增幅為51.6%～118.0%（P＜0.05），卻降低了土壤鹽基飽和度。表明早、晚季連續(xù)采用紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于改善通氣狀況，提高土壤有機質含量，促進土壤氮、磷、硅素養(yǎng)分釋放，緩解土壤酸化，增強土壤的保肥性能。相關分析表明，土壤有機質、堿解氮和有效磷含量與有效硅含量均呈線性相關，相關系數(shù)分別為0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。土壤pH、交換性酸和CEC 與有效硅含量均呈顯著線性相關，相關系數(shù)分別為0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

綜上分析表明，采用紫云英和稻草還田可以緩解南方稻區(qū)土壤硅缺乏對水稻生產(chǎn)帶來的不利影響。