石灰對(duì)紅壤稻田油菜秸稈腐解、養(yǎng)分釋放及早稻產(chǎn)量的短期效應(yīng)

呂偉生 肖富良 韓德鵬 鄭偉 肖國(guó)濱 李亞貞 黃天寶 肖小軍

（江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，南昌330046；第一作者：1162499181@qq.com；*通訊作者：xiao850908@163.com）

紅壤是我國(guó)南方分布最廣的土壤類(lèi)型之一，基本涵蓋了長(zhǎng)江流域冬油菜-水稻輪作區(qū)（該區(qū)域油菜和水稻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在我國(guó)糧油生產(chǎn)中居重要地位）[1]。由于其發(fā)育和形成過(guò)程復(fù)雜而特殊，紅壤一般具有酸、黏、板、瘦的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的多熟制模式化肥用量較高、作物帶走的鹽基離子較多，進(jìn)一步加劇了紅壤稻田酸化，使作物增產(chǎn)乏力[2-4]。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展和禁燒秸稈政策的實(shí)行，秸稈全量還田已成為趨勢(shì)。長(zhǎng)期秸稈還田能夠顯著改善土壤肥力、提高水稻產(chǎn)量[5]；但由于秸稈C/N 較高，直接還田后在短期內(nèi)會(huì)引起微生物對(duì)土壤氮素的固定，不利于水稻前期生長(zhǎng)，在短期內(nèi)秸稈還田對(duì)水稻的增產(chǎn)效果并不明顯[6-8]。冬閑條件下晚稻秸稈的腐解礦化充分，秸稈還田并不會(huì)導(dǎo)致第二年早稻分蘗期的氮素固定，反而有利于早生快發(fā)[6，8]。而冬種油菜條件下，油菜秸稈還田到早稻栽插間隔短，加上氣溫逐漸升高，秸稈還田后早稻前期分蘗往往受到抑制[9]。相比冬閑模式，稻油輪作秸稈還田量大，充分利用冬油菜秸稈的培肥節(jié)肥效應(yīng)對(duì)緩解集約化種植導(dǎo)致的不利影響具有重要意義。

增施石灰可提高土壤pH 值與鈣鹽含量，降低土壤鋁毒和溫室氣體排放，是改良土壤酸度和提高作物產(chǎn)量的傳統(tǒng)而有效的措施[6，10-12]。合理施用石灰還能夠增強(qiáng)土壤緩沖能力，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)及對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，同時(shí)還能夠提高土壤微生物數(shù)量和活性，促進(jìn)有機(jī)物料的礦化[13]。單純施用石灰雖能有效緩解土壤酸化脅迫，但在培肥酸性土壤方面作用有限[14]；而秸稈還田培肥效應(yīng)顯著，卻不能從根本上改良土壤酸化[15-16]。而且，以往的研究側(cè)重分析石灰或秸稈還田的單獨(dú)效應(yīng)，往往忽略了二者的協(xié)同作用[6，14]。已有研究表明，水稻秸稈還田配施石灰可協(xié)同實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)、土壤酸化改良和地力提升[8，17]。筆者認(rèn)為，在酸性紅壤稻田，冬種油菜且秸稈還田時(shí)配施石灰可在發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)相互彌補(bǔ)不足，協(xié)同促進(jìn)下季早稻生長(zhǎng)。據(jù)此，我們?cè)诘湫偷乃嵝约t壤雙季稻田開(kāi)展了油菜秸稈還田并配施石灰的小區(qū)試驗(yàn)，旨在明確石灰對(duì)油菜秸稈腐解特征及早稻產(chǎn)量的短期效應(yīng)，為南方“油-稻-稻”三熟制模式增產(chǎn)、紅壤酸化改良與同步培肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018 年在江西省紅壤研究所進(jìn)賢試驗(yàn)基地（東經(jīng) 116°20′24″、北緯 28°15′30″）進(jìn)行。該區(qū)域?qū)俚湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，氣候溫和，雨量充沛。試驗(yàn)地前茬是早熟冬油菜陽(yáng)光131，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅粘土，為亞熱帶典型紅壤分布區(qū)。試驗(yàn)前耕層0~20 cm土壤pH 5.22，有機(jī)質(zhì)20.4 g/kg、總氮 1.5 g/kg、堿解氮98.9 mg/kg、有效磷 18.6 mg/kg、速效鉀 108.7 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用石灰×秸稈還田兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共4 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，小區(qū)規(guī)格6 m×8 m。處理分別為：CK，秸稈不還田+不施石灰；L，秸稈不還田+施石灰；S，秸稈全量還田+不施石灰；LS，秸稈全量還田+施石灰。前茬油菜于4 月28 日機(jī)械收獲，秸稈粉碎原位還田。其中，菜籽產(chǎn)量和秸稈還田量分別為1 800 kg/hm2和 5 000 kg/hm2，秸稈氮、磷、鉀含量分別為0.53%、0.92%和1.68%。石灰（CaCO3為材料）在耕地前按1 500 kg/hm2的用量均勻施入相應(yīng)小區(qū)。試驗(yàn)氮肥（N）用量 150 kg/hm2，按基肥∶蘗肥∶穗肥為 6∶2∶2 施用；磷肥（P2O5）用量 75 kg/hm2，一次性基施；鉀肥（K2O）用量90 kg/hm2，分基肥和穗肥等量施用。早稻品種為秈型常規(guī)稻中嘉早17，于4 月2 日播種，5 月1 日移栽，7 月17 日成熟測(cè)產(chǎn)。采用塑盤(pán)泥漿育秧和人工模擬機(jī)插，栽插規(guī)格25 cm×14 cm，每叢5 株基本苗。其他田間管理按一般高產(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 油菜秸稈腐解率和養(yǎng)分釋放率

采用尼龍網(wǎng)袋法（長(zhǎng)30 cm，寬20 cm，孔徑1 mm）測(cè)定油菜秸稈腐解率和養(yǎng)分釋放率[18]。S 和LS 處理用尼龍網(wǎng)袋裝長(zhǎng)約5 cm 的油菜秸稈30 g，移栽當(dāng)天將網(wǎng)袋埋入水稻行間5～10 cm 土層。分別于還田后的3、7、14、28、42、56、70 d 取樣，樣品經(jīng)洗凈并烘干后，采用失重法計(jì)算秸稈腐解率，同時(shí)測(cè)定秸稈中全氮、全磷及全鉀含量，計(jì)算其養(yǎng)分釋放率。

1.3.2 莖蘗動(dòng)態(tài)

移栽當(dāng)天每個(gè)小區(qū)定苗30 叢，每3 d 調(diào)查1 次分蘗數(shù)量，直至無(wú)效分蘗消亡和有效分蘗成穗。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

早稻成熟期，在每小區(qū)按平均莖蘗法隨機(jī)取6 叢（小區(qū)邊行不?。┛挤N，調(diào)查每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子。另外，每個(gè)小區(qū)采取人工單獨(dú)收獲籽粒（共200 叢，小區(qū)邊行除外），晾干后稱(chēng)重測(cè)產(chǎn)。

1.3.4 地上部干物質(zhì)積累量

結(jié)合產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查，將樣本按莖稈、葉子、穗子分開(kāi)，之后于105℃條件下殺青30 min，再于75℃條件下烘干至恒質(zhì)量，冷卻至室溫后稱(chēng)重。

1.3.5 養(yǎng)分吸收量

地上部烘干并稱(chēng)重之后，用萬(wàn)能粉碎機(jī)將植株各部位粉碎，過(guò)0.25 mm 篩，經(jīng) H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，用凱氏定氮儀FOSS 2300 測(cè)定含氮率，用鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，用火焰光度計(jì)測(cè)定全鉀含量。最后，根據(jù)各部位干物質(zhì)量和養(yǎng)分含量計(jì)算地上部養(yǎng)分吸收總量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與制圖，用DPS 7.05 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜秸稈腐解率和養(yǎng)分釋放率

從圖1 可見(jiàn)，施用石灰顯著促進(jìn)了油菜秸稈還田后前中期的腐解和氮素釋放，而對(duì)磷和鉀元素的釋放無(wú)顯著影響。LS 處理在油菜秸稈還田后14、28 和42 d，秸稈的腐解率分別達(dá)40.13%、45.46%和49.22%，相比S 處理顯著提高了15.25%、10.27%和7.33%；秸稈氮素釋放率分別達(dá)42.51%、48.64%和51.03%，相比S 處理顯著提高了14.44%、10.42%和8.49%。在油菜秸稈還田后期，秸稈的腐解率和氮素釋放率依然表現(xiàn)為L(zhǎng)S 處理高于S 處理，但二者無(wú)顯著差異?？傮w來(lái)看，油菜秸稈氮素釋放與秸稈腐解的趨勢(shì)基本一致，釋放速率顯著低于鉀和磷。

2.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

從表1 可見(jiàn)，施用石灰和油菜秸稈還田分別極顯著和顯著提高了早稻產(chǎn)量，并且二者具有顯著的互作效應(yīng)。相比CK，LS 處理使早稻增產(chǎn)11.53%，L 處理使早稻增產(chǎn)4.83%。在產(chǎn)量構(gòu)成上，施用石灰和油菜秸稈還田對(duì)早稻有效穗數(shù)和總穎花數(shù)均有顯著的互作效應(yīng)，因此二者協(xié)同促進(jìn)了早稻增產(chǎn)。

2.3 分蘗成穗特性

由表2 可知，施用石灰顯著提高了早稻分蘗增長(zhǎng)率、高峰苗數(shù)和成穗率，對(duì)分蘗下降率無(wú)顯著影響；油菜秸稈還田對(duì)各項(xiàng)分蘗成穗特性指標(biāo)均無(wú)顯著影響，但與配施石灰對(duì)分蘗增長(zhǎng)率和高峰苗數(shù)存在顯著的互作效應(yīng)。與S 處理相比，LS 處理使早稻分蘗增長(zhǎng)率、高峰苗數(shù)和成穗率分別提高6.85%、4.77%和4.71%。

表2 不同處理對(duì)早稻分蘗成穗的影響

2.4 干物質(zhì)生產(chǎn)

從圖2 可見(jiàn)，與產(chǎn)量結(jié)果相似，施用石灰和油菜秸稈還田分別極顯著和顯著提高了早稻地上部干物質(zhì)積累量，且二者具有顯著的互作效應(yīng)。在秸稈還田時(shí)配施石灰使地上部干物質(zhì)積累量提高11.63%，而在秸稈不還田時(shí)增幅為6.36%。相比CK，LS 處理地上部干物質(zhì)積累量顯著提高14.05%。

2.5 養(yǎng)分吸收

表3 顯示，施石灰處理顯著提高了早稻地上部氮素吸收，但對(duì)磷素和鉀素吸收無(wú)顯著性影響。秸稈還田處理極顯著提高氮素和鉀素吸收，同時(shí)也顯著提高了磷素吸收。從互作效應(yīng)來(lái)看，二者僅對(duì)氮素吸收具有顯著協(xié)同促進(jìn)作用。各處理氮素吸收量為L(zhǎng)S>L>S>CK，與CK 相比，其他處理氮素吸收的增幅為4.49%~17.38%。

表3 不同處理對(duì)早稻地上部養(yǎng)分吸收的影響（單位：kg·hm-2）

3 討論

眾多研究表明，在冬閑條件下秸稈還田能夠顯著提高翌年早稻產(chǎn)量，但短期內(nèi)對(duì)晚稻無(wú)顯著增產(chǎn)效果[8，19-20]。原因主要為，雙季稻系統(tǒng)近半年的冬閑期有利于晚稻秸稈的腐解礦化，晚稻秸稈還田并不會(huì)導(dǎo)致早稻前期氮素固定和分蘗抑制[6，21]；而早稻秸稈還田離晚稻移栽間隔時(shí)間短，加上氣溫較高，大量高C/N 秸稈的迅速腐解導(dǎo)致微生物對(duì)土壤氮素的固定，從而抑制晚稻分蘗期的生長(zhǎng)[7，20]。然而，與前人結(jié)果不同，本研究中不施石灰時(shí)油菜秸稈還田對(duì)早稻并無(wú)顯著增產(chǎn)效應(yīng)。主要是因?yàn)?，在冬種油菜條件下，油菜秸稈還田到早稻栽插間隔時(shí)間更短，加上氣溫逐步升高，全量高C/N 的油菜秸稈快速腐解同樣造成微生物對(duì)土壤氮的固定，從而表現(xiàn)出減蘗降穗效應(yīng)[9]。雖然油菜秸稈還田有降低早稻有效穗數(shù)的趨勢(shì)，但其歸還了大量養(yǎng)分，前期固定的氮素隨后也被逐漸釋放，促進(jìn)了中后期群體生長(zhǎng)[6，22]。此外，稻田肥力的差異以及水稻品種的特征差異也可能是導(dǎo)致秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量效應(yīng)不盡一致的原因[8]。有研究表明，秸稈還田在低肥力條件下對(duì)土壤肥力的提升效果更明顯，更有利于提高水稻產(chǎn)量[23]。

本研究表明，在酸性紅壤稻田施用石灰能夠顯著促進(jìn)早稻高產(chǎn)的形成，并且與油菜秸稈還田存在顯著的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)。這與廖萍等[8]關(guān)于雙季稻系統(tǒng)的研究結(jié)果基本一致，但與其晚稻季的規(guī)律更為相似。廖萍等[8]研究表明，施石灰和稻草還田對(duì)早稻產(chǎn)量表現(xiàn)出的正向互作效應(yīng)主要是因?yàn)槎邊f(xié)同促進(jìn)了地上部的氮素吸收，二者對(duì)各產(chǎn)量構(gòu)成因子均無(wú)顯著的互作效應(yīng)；而對(duì)晚稻的正向互作效應(yīng)主要是因?yàn)槭┯檬遗c秸稈還田對(duì)有效穗數(shù)及氮素吸收均存在顯著的協(xié)同促進(jìn)作用。如前所述，這主要與油菜秸稈和早稻秸稈直接還田到下茬水稻移栽的間隔時(shí)間較短而秸稈腐解不充分等因素有關(guān)。那么，為什么秸稈還田并配施石灰能顯著促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收？主要是因?yàn)?，施石灰顯著提高了土壤pH 值，能夠中和秸稈腐解時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸及高濃度碳酸，減少土壤中的還原性物質(zhì)[17]；同時(shí)，提高土壤C、N 代謝相關(guān)酶活性，顯著促進(jìn)了油菜秸稈前中期的腐解和氮素釋放，從而緩解秸稈直接還田對(duì)土壤堿解氮的固定，進(jìn)而促進(jìn)水稻早生快發(fā)和對(duì)氮素的吸收[6，13]。本研究中，在油菜秸稈還田條件下，施用石灰使早稻產(chǎn)量及氮素吸收分別提高了11.53%和17.38%。這與廖萍等[8]關(guān)于雙季稻系統(tǒng)的研究中的早稻季增幅相近，但卻遠(yuǎn)低于晚稻季的增幅。筆者推測(cè)主要原因有：（1）本試驗(yàn)的石灰施用量更低，還未充分發(fā)揮石灰的作用[10]；（2）油菜秸稈比水稻秸稈更容易腐解[24]，且油菜季后期脫落的葉片已將大量的養(yǎng)分歸還至土壤[22]；（3）早稻季前期溫度更低，油菜秸稈腐解相對(duì)更為溫和[5]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否施用石灰，油菜秸稈氮素釋放與秸稈腐解的趨勢(shì)基本一致，但釋放速率顯著低于鉀和磷。究其原因，主要是秸稈中鉀素含量較高且主要以離子形態(tài)存在，能在短時(shí)間內(nèi)充分釋放；約60%的磷素為無(wú)機(jī)態(tài)磷，另一部分則以難分解的有機(jī)磷存在；而氮主要都是以難腐解的結(jié)構(gòu)性氮素形式存在，需先經(jīng)微生物礦化成無(wú)機(jī)氮才能逐步緩慢釋放[24]。也正因?yàn)槿绱?，油菜秸稈磷鉀元素特別是鉀的釋放受石灰的影響不顯著。在實(shí)際生產(chǎn)上，油菜秸稈還田量約4.5 t/hm2，若氮、磷、鉀含量分別按0.5%、0.1%和1.5%計(jì)算，可估算出油菜秸稈還田所歸還的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）分別為 22.5、10.3 和 81.3 kg/hm2。由油菜秸稈養(yǎng)分釋放規(guī)律可知，氮磷鉀的釋放集中在還田淹水后的30 d 內(nèi)（其中，磷鉀的釋放集中在15 d 內(nèi)），期間秸稈氮、磷、鉀累積釋放率按40%、50%和90%計(jì)算，所釋放的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）分別為 9.0、5.2 和 73.4 kg/hm2。而早稻氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）推薦施用量分別為150、75 和90 kg/hm2，可見(jiàn)油菜秸稈氮、磷的釋放量還不到推薦用量的10%，而釋放的鉀約占推薦用量的80%。因此，油菜秸稈還田后應(yīng)合理調(diào)整肥水管理：（1）減少基肥鉀的施用量，實(shí)行前鉀后移，以提高水稻對(duì)鉀素利用率[24]；（2）減少穗肥氮的施用量，實(shí)行后氮前移，同時(shí)基施充足的磷肥，以緩解秸稈腐解前期微生物與水稻爭(zhēng)奪氮磷養(yǎng)分造成的不利影響[9，24]；（3）實(shí)行節(jié)水灌溉，水層自然落干曬田，以減少農(nóng)田養(yǎng)分流失和面源污染[18]。

已有研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，石灰改良的酸化土壤又會(huì)出現(xiàn)返酸現(xiàn)象，導(dǎo)致其改良土壤酸化并促進(jìn)有機(jī)物料礦化的效果不斷下降[8]。此外，冬種油菜且秸稈還田雖能顯著增加養(yǎng)分歸還量，但對(duì)下茬水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響還受秸稈養(yǎng)分有效性及輪作周期等諸多因素的影響[25]。然而，本研究?jī)H關(guān)注了油菜秸稈還田配施石灰對(duì)紅壤稻田早稻產(chǎn)量形成及秸稈自身腐解與養(yǎng)分釋放的短期效應(yīng)，其持續(xù)效應(yīng)及石灰的適宜施用量和頻率還有待于進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，施用石灰和油菜秸稈還田可協(xié)同促進(jìn)早稻增產(chǎn)，主要是因?yàn)椋菏掖龠M(jìn)了油菜秸稈腐解和氮素釋放；二者協(xié)同促進(jìn)了早稻分蘗成穗、地上部養(yǎng)分吸收及干物質(zhì)積累量，并同步提高有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)。因此，在酸性紅壤稻田，油菜秸稈還田并配施石灰短期內(nèi)有利于秸稈腐解、氮素釋放和水稻增產(chǎn)，但其長(zhǎng)期效應(yīng)還有待于觀測(cè)。