冬季輪茬作物養(yǎng)分還田特征及其對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田水環(huán)境的影響

杭杰 肖敏 原海燕 郝小燕 吳悠 李海濤 郭智*

（1 江蘇省常州市新北區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇常州213001；2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210014；3 江蘇省中國科學(xué)院植物研究所，南京210014；第一作者：565263405@qq.com；*通訊作者：guozhi703@163.com）

麥稻輪作是江蘇省最為典型的種植模式，常年種植面積達(dá)1.30×106hm2，約占耕地面積的35%[1]，且麥稻兩大作物對(duì)全省糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上[2]，該模式下農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)對(duì)保證江蘇乃至全國的糧食安全極為重要。近年來，隨著我國糧食產(chǎn)量多年“連增”，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升和“藏糧于地”戰(zhàn)略的重要性進(jìn)一步凸顯，江蘇省從2018 年開始作為國家輪作休耕試點(diǎn)省，在蘇南稻麥兩熟地區(qū)規(guī)?；菩行←溂竟?jié)性輪作休耕，在休耕區(qū)域倡導(dǎo)糧綠輪作、糧豆輪作、糧飼輪作，實(shí)行用地養(yǎng)地結(jié)合。其中，綠肥品種以肥飼兼用、肥菜結(jié)合的經(jīng)濟(jì)綠肥（如蠶豆、豌豆、苜蓿）為主，或以培肥地力的傳統(tǒng)綠肥（如紅花草、苕子等）為主。關(guān)于冬季綠肥種植對(duì)不同區(qū)域稻田土壤肥力、水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用、溫光資源利用等已有較多研究[3-9]。然而，在當(dāng)前糧食持續(xù)增產(chǎn)與農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的新形勢(shì)下，對(duì)區(qū)域性典型輪作休耕模式的綜合效應(yīng)（農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益等）的系統(tǒng)研究缺乏持續(xù)監(jiān)測(cè)?；诖耍狙芯坎捎么筇镄^(qū)試驗(yàn)系統(tǒng)研究“休閑-水稻”“紅花草-水稻”“小麥-水稻”“油菜-水稻”“青飼小麥-水稻”“蠶豆-水稻”等典型輪茬種植模式下，冬季作物養(yǎng)分還田特征及其對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田表水環(huán)境主要參數(shù)的影響，并對(duì)各輪茬種植模式下的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，以期為江蘇太湖流域稻田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇省南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物科學(xué)基地（31°36'N，119°11'E），屬北亞熱帶向中亞熱帶過渡區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年日照時(shí)間2 145.8 h，年降雨量1 036.9 mm，年無霜期237 d。試驗(yàn)于2017 年10 月至2018 年10 月開展。試驗(yàn)田土壤屬黃棕壤，質(zhì)地偏粘，其基本理化性狀為：pH 值（土∶H2O為1∶5）6.21±0.05，有機(jī)質(zhì)（16.62±3.15）g/kg，全N（0.87±0.01）g/kg，全P（0.24±0.01）g/kg，速效氮（35.16±1.58）mg/kg，速效磷（11.84±2.23）mg/kg，速效鉀（89.23±3.84）mg/kg。為了防止試驗(yàn)小區(qū)間發(fā)生水分和養(yǎng)分的交換，采用雙層塑料薄膜包埋田?。裆钪辽?0 cm）將試驗(yàn)小區(qū)相互隔開，18 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（每小區(qū)約35 m2，6 種輪茬模式，3 次重復(fù)）雙排并排排列。

1.2 試驗(yàn)處理

采用大田小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置休閑-水稻（T1）、紅花草-水稻（T2）、小麥-水稻（T3）、油菜-水稻（T4）、青飼小麥-水稻（T5）、蠶豆-水稻（T6）等6 種輪茬種植模式處理。T1 模式下，冬季休閑，不施肥。紅花草播種量為60 kg/hm2，于2017 年10 月20 日進(jìn)行免耕撒播，2018 年5月22 日翻壓還田，種植期間以基肥一次性施入N 45 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2（15%-15%-15%復(fù)合肥）。小麥品種為寧麥16，播種時(shí)間為2017 年11月3 日，播種量225 kg/hm2，撒播，施肥量為N 270 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，鉀肥一次性基施，磷肥基肥施用80%、拔節(jié)肥施用20%，氮肥基施55%、拔節(jié)肥35%、穗肥10%，基肥施用時(shí)間為2017 年11 月1 日，并于2018 年3 月3 日和2018 年4 月2 日追施返青拔節(jié)肥和穗肥，2018 年6 月1 日收獲，秸稈粉碎還田。油菜品種為秦油10 號(hào)，2017 年11 月7 日移栽，栽種規(guī)格50 cm×25 cm，施肥量為N 270 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，鉀肥一次性基施，磷肥基肥施用80%、拔節(jié)肥施用20%，氮肥基施55%、拔節(jié)肥35%、穗肥10%，2018 年5 月22 日收獲，秸稈粉碎還田?！扒囡曅←?水稻”種植模式下，施肥量和施肥模式與“小麥-水稻”模式相同，2018 年5 月8 日小麥乳熟期收割，秸稈不還田。蠶豆品種為豐邦1 號(hào)，2017 年11 月7 日播種，栽種規(guī)格80 cm×20 cm，以基肥一次性施入N 45 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2（15%-15%-15%復(fù)合肥），2018 年5 月22 日收獲，秸稈粉碎還田。水稻品種采用南粳9108，分別于2017 年6 月16 日、2018年6 月14 日移栽，栽插規(guī)格25 cm×13 cm，每叢2～3株，施肥量為N 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，磷鉀肥基肥50%、穗肥50%，氮肥運(yùn)籌為6∶4。2017 年試驗(yàn)中分別于2018 年6 月15 日、6 月22 日、8月2 日和8 月10 日施用基肥、分蘗肥、促花肥和保花肥；2018 年試驗(yàn)中分別于2018 年6 月13 日、6 月21日、8 月1 日和8 月8 日施用基肥、分蘗肥、促花肥和保花肥。分別于2017 年10 月16 日、2018 年10 月12 日收獲。植保、水漿等田間管理同當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)栽培田。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 供試土壤（0～20 cm）

土壤pH 值用PHS-3C 型pH 計(jì)測(cè)定；全N、全P、速效N、速效P 和速效K 及有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定等參照鮑士旦方法[10]。

1.3.2 稻田表水樣品

于水稻移栽次日開始，利用針筒抽取稻田田面表水，連續(xù)采集1 周，每次每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)至少采集水樣200 mL，帶回實(shí)驗(yàn)室利用全自動(dòng)流動(dòng)分析儀（SKALAR San++）及時(shí)測(cè)定田表水中總磷（TP）、可溶性總磷（DP）含量。

1.3.3 植株樣品

于各輪茬作物成熟期/乳熟期進(jìn)行割方測(cè)產(chǎn)，并多點(diǎn)混合采集樣品（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量部分和廢棄物部分），清洗后105℃殺青30 min，60℃烘干至恒質(zhì)量，研磨、過篩，經(jīng)H2SO4-H2O2消解后，采用全自動(dòng)流動(dòng)分析儀（SKALAR San++）測(cè)定全氮、全磷，全鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3.4 水稻產(chǎn)量

于水稻成熟期，測(cè)定不同輪茬種植模式水稻株高、實(shí)際產(chǎn)量。水稻氮素偏生產(chǎn)力[11]計(jì)算公式如下：氮素偏生產(chǎn)力（kg/kg）=水稻產(chǎn)量/施氮量×100%。

1.3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

試驗(yàn)過程中，詳細(xì)記錄各種植模式下冬季作物和水稻生產(chǎn)各環(huán)節(jié)生產(chǎn)資料、機(jī)械作業(yè)、人工等投入數(shù)量和當(dāng)年價(jià)格，以及稻谷產(chǎn)量，并根據(jù)當(dāng)年優(yōu)質(zhì)稻收購指導(dǎo)價(jià)折算收益情況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010 和SPSS 13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，文中所列數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)平均值，各處理的比較采用最小顯著差數(shù)（LSD）法，凡超過LSD0.05水平的視為顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季輪茬作物產(chǎn)量及養(yǎng)分還田量

冬季輪茬作物產(chǎn)量（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈生物量）差異較大，且其養(yǎng)分含量差異較大（表1），導(dǎo)致各輪茬種植模式下，養(yǎng)分還田量差異顯著（圖1）。由圖1 可知，T2模式下，N、P 素還田量均最高，達(dá)83.28 kg/hm2和7.79 kg/hm2，分別是T3、T4 和T6 種植模式的2.42～3.56 倍和2.55～4.46 倍（P＜0.05）。同時(shí)，K 素還田量由高到低依次為T4、T3、T2、T6，分別為96.58 kg/hm2、89.04 kg/hm2、67.21 kg/hm2和34.76 kg/hm2，且種植模式間差異顯著（P＜0.05）。

2.2 冬季作物輪茬對(duì)水稻株高的影響

由圖2 可知，冬季作物輪茬對(duì)后茬水稻株高有一定影響。各種植模式水稻株高由高到低依次為T4、T5、T6、T3、T2、T1。與T3 處理相比，T4、T5、T6 處理的株高提高0.78%～3.01%（P＜0.05），而T1、T2 處理株高降低0.60%～0.95%（處理間差異不顯著）。

2.3 冬季作物輪茬對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從圖3 可見，各輪茬種植模式水稻產(chǎn)量表現(xiàn)為T3＞T4＞T6＞T5＞T2＞T1。T3 模式下水稻產(chǎn)量達(dá)8 767.31kg/hm2，較T1 模式和T2 模式分別高6.78%（P＜0.05）和5.01%（P＞0.05）。同時(shí)，除T1 模式外，其余種植模式對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著影響。

表1 冬季輪茬作物產(chǎn)量及養(yǎng)分含量

圖1 冬季輪茬作物秸稈養(yǎng)分還田量

圖2 冬季作物輪茬對(duì)水稻株高的影響

2.4 冬季作物輪茬對(duì)水稻氮素利用率的影響

氮肥偏生產(chǎn)力作為評(píng)估氮肥利用率的重要指標(biāo)之一，反映了投入單位用量氮肥可生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量。由圖4 可知，各輪茬種植模式下，水稻氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為T3＞T4＞T6＞T5＞T2＞T1。T3 模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)32.47 kg/kg，較T1 模式和T2 模式分別高6.78%（P＜0.05）和5.01%（P＞0.05）。同時(shí)，除T1 模式外，其余種植模式對(duì)水稻氮肥偏生產(chǎn)力均無顯著影響。

圖3 冬季作物輪茬對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

圖4 冬季作物輪茬對(duì)水稻氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.5 冬季作物輪茬對(duì)稻田表水質(zhì)量的影響

由圖5 可以看出，各輪茬種植模式下，施用基肥到分蘗肥期間，稻田表水TP、DP 平均含量分別達(dá)0.28～0.36 mg/L 和0.19～0.26 mg/L，且在施肥后5～7 d 達(dá)到峰值，然后急劇下降。稻田表水磷素濃度幾乎都超過了易引發(fā)水體富營養(yǎng)化的臨界水平，即溶解磷0.05 mg/L 和總磷0.1 mg/L[12]。期間任一次田間排水都存在誘發(fā)附近水域水體富營養(yǎng)化的可能。

2.6 冬季作物輪茬稻田周年經(jīng)濟(jì)效益分析

作物輪茬條件下稻田生產(chǎn)成本包括冬季作物生產(chǎn)成本和水稻生產(chǎn)成本。從表2 可見，各輪茬種植模式下，冬季輪茬作物生產(chǎn)成本由高到低依次為T4、T3、T5、T6、T2 和T1。水稻生產(chǎn)成本主要涉及育秧成本和大田生產(chǎn)成本兩方面。各輪茬種植模式條件下，水稻育秧、大田生產(chǎn)成本基本相同，約16 305 元/hm2（表3、表4）。

圖5 冬季作物輪茬對(duì)稻田表水磷素（TP、DP）含量的影響

表2 冬季輪茬作物大田生產(chǎn)成本

表3 冬季輪茬種植模式稻田育秧成本 （/元/hm2）

經(jīng)濟(jì)效益分析中，稻谷價(jià)格參照2018 年國家稻谷（粳稻）收購指導(dǎo)價(jià)及當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)稻價(jià)格，未考慮各種植模式處理對(duì)米質(zhì)影響而對(duì)稻谷價(jià)格的影響，也未考慮土地租金。從表5 可知，周年經(jīng)濟(jì)效益由高到低依次為T5、T3、T6、T1、T4 和T2。T4 模式下經(jīng)濟(jì)效益較低主要是由于產(chǎn)量水平較低和用工量大所致，T2 模式下經(jīng)濟(jì)效益較低主要是由于紅花草種子、肥料及用工成本投入較高，且無經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出所致。但油菜秸稈、紅花草直接還田可培肥地力，提高生態(tài)效應(yīng)。

3 討論

耕地輪作休耕有助于農(nóng)田化肥減投，降低耕地利用強(qiáng)度，改變過度依賴資源消耗的發(fā)展方式，讓土地得到休養(yǎng)生息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本研究中，“休閑-水稻”“紅花草-水稻”“蠶豆-水稻”這3 種輪茬種植模式，冬季作物氮磷養(yǎng)分投入較傳統(tǒng)“小麥-水稻”種植模式極顯著降低，能有效降低此一時(shí)期農(nóng)田面源污染風(fēng)險(xiǎn)。然而，各種植模式下水稻季施肥模式保持一致，本研究重點(diǎn)關(guān)注施用基肥到分蘗肥期間稻田表水環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)。眾所周知，磷是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子，且農(nóng)田徑流磷流失是其重要面源污染源[12]，主要通過地表徑流進(jìn)入周邊水體[13]。研究表明，水旱輪作區(qū)農(nóng)田磷素流失主要來自于水稻季，水稻季總磷流失量約占周年流失量的80.59%～85.56%[14]，且稻季土壤磷素徑流流失的最大風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期是在水稻移栽后1 個(gè)月內(nèi)，且這段時(shí)期徑流中各形態(tài)磷濃度均最高，顯著高于其他時(shí)期徑流磷濃度[15]。本研究中，各輪茬種植模式下，施用基肥到分蘗肥期間，稻田表水TP 平均含量達(dá)0.28～0.36 mg/L，顯著高于我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中規(guī)定的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值（0.20 mg/L）。雖然徑流水在向地表水體輸移過程中，經(jīng)過排水溝渠中底泥、水生植物和微生物等共同作用而發(fā)生的底泥吸附-解吸、植物吸收和微生物同化等系列理化反應(yīng)，磷素濃度會(huì)降低[16]，但無論如何，從稻田周邊水體水環(huán)境質(zhì)量安全防控的角度考量，還應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)此時(shí)期的稻田磷素減排與阻控。

表5 冬季作物輪茬種植模式稻田周年經(jīng)濟(jì)效益

事實(shí)上，冬季輪茬種植紅花草或蠶豆等豆科植物，水稻季可適度減量施肥，并可保證水稻產(chǎn)量，提高化肥氮素利用效率。廖育林等[17]研究表明，與常規(guī)施肥相比，紅花草還田配合減量施肥能顯著提高早稻季化肥氮素利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和氮收獲指數(shù)。陳靜蕊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥處理相比，減肥40%條件下，每hm2配施15 000～22 500 kg 紫云英早稻產(chǎn)量不減，而配施30 000～37 500 kg 紫云英后早稻產(chǎn)量顯著提高。減肥配施紫云英處理早稻化學(xué)氮肥的農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力及回收率均較常規(guī)施肥處理顯著提高，但晚稻的氮肥利用率無顯著差異。然而，本研究中，在不同種植模式下水稻季施肥模式保持一致，冬季作物輪茬對(duì)后茬水稻株高、產(chǎn)量及肥料利用率的影響均不顯著。究其原因，可能與土壤基礎(chǔ)地力、試驗(yàn)?zāi)晗藜暗炯痉仕芾淼扔嘘P(guān)，具體機(jī)制及長(zhǎng)期效應(yīng)（產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分去向等）有待進(jìn)一步定位監(jiān)測(cè)。

孟宇輝等[18]比較了江淮地區(qū)“小麥-水稻”“油菜-水稻”和“休閑-水稻”3 種典型水旱輪作模式下的資源利用效率與經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)3 種模式水稻季產(chǎn)量差異不顯著，主要差異來自冬季作物，小麥產(chǎn)量是油菜的3倍以上。同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)效益方面，“小麥-水稻”模式較“油菜-水稻”模式和“休閑-水稻”模式分別提高59.69%和44.95%。本研究結(jié)果與之基本一致。由表2可知，“油菜-水稻”模式成本最高，而其產(chǎn)值卻最低（表5），導(dǎo)致周年經(jīng)濟(jì)效益較低?？梢?，提高油菜機(jī)械化生產(chǎn)水平是促進(jìn)“油菜-水稻”模式發(fā)展的關(guān)鍵所在[18]。然而，從資源利用效率角度考量，“油菜-水稻”模式的有效積溫利用率較高，比“小麥-水稻”模式和“休閑-水稻”模式分別高9.98%和39.33%[18]。本研究中，“紅花草-水稻”模式下經(jīng)濟(jì)效益較低主要是由于紅花草種子、肥料及用工成本投入較高，且無經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出所致。然而，事實(shí)上，通過油菜秸稈、紅花草直接還田，可培肥地力，提高生態(tài)效應(yīng)，且較“休閑-水稻”模式極顯著提高溫光資源利用效率。從周年經(jīng)濟(jì)效益角度考量，在未考慮冬茬作物地力培肥且進(jìn)一步影響稻米品質(zhì)的基礎(chǔ)上，“青飼小麥-水稻”和“蠶豆-水稻”種植模式由于冬茬作物較高收益（表5）和較低生產(chǎn)成本（表2）而具有較高周年經(jīng)濟(jì)收益，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。然而，統(tǒng)籌考慮地力培肥效應(yīng)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升、經(jīng)濟(jì)效益、溫光資源利用及環(huán)境效應(yīng)（水環(huán)境、溫室氣體排放、氨揮發(fā)等），對(duì)各輪茬種植模式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，尚待長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同冬季輪茬作物產(chǎn)量（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、廢棄物產(chǎn)量）差異較大，且其養(yǎng)分含量差異較大，導(dǎo)致各輪茬種植模式下養(yǎng)分還田量差異顯著。紅花草-水稻模式下，N、P 素還田量均最高。從短期效應(yīng)來看，冬季作物輪茬對(duì)后茬水稻株高、產(chǎn)量及肥料利用率的影響均不顯著。然而，從環(huán)境效應(yīng)角度考量，不管何種輪茬種植模式，均應(yīng)充分考慮水稻季基肥到分蘗肥期間稻田水環(huán)境效應(yīng)。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，各模式稻田表水TP、DP平均含量幾乎都超過了易引發(fā)水體富營養(yǎng)化的臨界水平。從周年經(jīng)濟(jì)效益角度考量，在未考慮冬茬作物地力培肥且進(jìn)一步影響稻米品質(zhì)的基礎(chǔ)上，“青飼小麥-水稻”和“蠶豆-水稻”種植模式具有較高收益，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。