稻秸還田提高我國(guó)南方典型稻田冬綠肥產(chǎn)量和養(yǎng)分積累

馮靜琪，曹衛(wèi)東，高嵩涓，張海彬，韓文斌，武 際，何鐵光，李忠義，唐紅琴，石孝均

（1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095；4 重慶市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，重慶409199；5 南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川南充 637000；6 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，安徽合肥 230031；7 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西南寧 530007）

綠肥作為一種可培肥地力的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源，在作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著極其重要的作用[1-2]。在我國(guó)南方稻區(qū)，將豆科綠肥納入水稻種植體系是一種可持續(xù)且具有良好應(yīng)用前景的種植模式[1-3]。豆科綠肥可以通過生物固氮向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)輸入大量氮素[4]，翻壓還田釋放各種養(yǎng)分供后茬作物吸收利用，能夠替代部分化肥，其用作冬綠肥對(duì)提高作物產(chǎn)量[5-6]、提高耕層土壤養(yǎng)分含量[7-8]、改善土壤結(jié)構(gòu)[9-10]和生物性狀[11-13]具有重要意義。

在豆科綠肥-水稻輪作系統(tǒng)中，豆科綠肥的高產(chǎn)栽培是充分發(fā)揮其肥田作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。適時(shí)播種和適宜播量能夠通過改善紫云英生長(zhǎng)中的光熱需求和群落密度，提高其鮮草產(chǎn)量[14-15]，在適宜的水熱條件基礎(chǔ)上，適當(dāng)施用化肥和添加有機(jī)物料是豆科綠肥高產(chǎn)栽培的關(guān)鍵措施。氮磷鉀肥的合理配施可改善豆科綠肥株高、莖粗、分枝數(shù)和植株養(yǎng)分累積量，從而提高其鮮草產(chǎn)量[16]；有機(jī)物料尤其是作物秸稈的投入可改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分供給能力，進(jìn)而影響豆科綠肥的生長(zhǎng)[17-18]。

作物秸稈是一種可培肥土壤的清潔資源，秸稈還田為土壤提供大量有機(jī)物質(zhì)，能夠改善土壤肥力，穩(wěn)定作物產(chǎn)量[19-22]。添加有機(jī)物料有利于提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收量[18]，但碳氮比較高的禾本科作物秸稈還田后分解速率緩慢，且會(huì)導(dǎo)致土壤氮素的短暫固持，對(duì)作物養(yǎng)分吸收產(chǎn)生不利影響[23-25]，因此秸稈還田后需配合施用適量速效氮肥以保證作物的氮素供應(yīng)[26-28]。在不同的土壤類型條件下，需調(diào)整合適的化肥和有機(jī)物料施用量[29]，更好地促進(jìn)秸稈腐解[30]。研究發(fā)現(xiàn)稻秸配施化肥有利于提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量[18]，但在不同土壤類型條件下如何充分發(fā)揮稻秸與氮肥配施的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)豆科綠肥生長(zhǎng)，尚無可靠的數(shù)據(jù)支撐。本研究在不同區(qū)域設(shè)置盆栽試驗(yàn)，研究不同肥力土壤下稻秸配施少量氮肥對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和土壤性狀的影響，以期為稻田豆科綠肥高產(chǎn)栽培、促進(jìn)稻秸資源利用提供依據(jù)，進(jìn)而為稻田土壤培肥提供技術(shù)路徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2018年10月至2019年4月分別在廣西南寧、四川南充和安徽合肥進(jìn)行。供試土壤分別采自當(dāng)?shù)氐?—20 cm稻田耕層土，土壤類型分別為鹽漬水稻土、紫色土和黃棕壤，經(jīng)風(fēng)干、混勻后，過5 mm篩備用，土壤基本性狀見表1。

表1 盆栽土壤基本性狀Table 1 Basic properties of test soils used for the pot experiments

試驗(yàn)設(shè)稻秸和氮肥兩個(gè)因素。其中稻秸添加量設(shè) 0 (RS0)、1.33 (RS1)、2.67 (RS2) g/kg 干土 (分別相當(dāng)于0、3000、6000 kg/hm2，其中6000 kg/hm2為當(dāng)?shù)氐窘杖窟€田) 3個(gè)水平，氮肥量設(shè)不施氮(N0)和施N 45 kg/hm2(N45) 2個(gè)水平(該施氮量參照田間實(shí)踐和前期研究所得結(jié)論[17])，共6個(gè)處理。每處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)排列。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟远箍凭G肥品種，廣西為桂紫7號(hào)紫云英，四川為南選山黧豆，安徽為弋江籽紫云英。氮肥為尿素(含N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。每盆裝風(fēng)干土8 kg，裝盆時(shí)將剪碎至2～4 cm的稻秸同化肥一起拌入土壤，所有處理磷、鉀肥施用量相同，分別為P2O50.06 g/kg干土和K2O 0.06 g/kg干土(相當(dāng)于P2O590 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2)，全部基施。廣西、四川和安徽試驗(yàn)點(diǎn)所用稻秸含氮量分別為0.66%、0.68%和0.70%，碳含量分別為39.23%、39.78%和40.00%，碳氮比分別為59.44、58.50和57.14，分別于2018年11月7日、10月17日和10月29日播種。

1.2 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

于豆科綠肥盛花期(廣西2019年3月8日，四川3月21日，安徽4月14日)采集土壤和植株樣品。地上部植株全盆收獲測(cè)定鮮草產(chǎn)量后于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，然后稱重、粉碎備用。植株樣品采用濃硫酸-過氧化氫消煮后，凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量，火焰光度計(jì)測(cè)定全鉀含量[31]。

土壤樣品于地上部植株收獲完畢后采集，將土壤中根系、稻茬等挑出后，用四分法整盆混勻采取。一部分4℃保存，測(cè)定土壤無機(jī)氮(Nmin)；另一部分自然風(fēng)干、磨細(xì)過2和0.25 mm篩后用于土壤其它性狀的測(cè)定。具體測(cè)試方法：無機(jī)氮含量采用2 mol/L氯化鉀浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3，SEAL，德國(guó))測(cè)定；土壤pH采用2.5∶1水土比，電位法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻鈧比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用1 mol/L醋酸銨提取—原子吸收法測(cè)定[31]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.1進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較(P< 0.05為差異顯著)。采用偏最小二乘法路徑模型(PLS-PM)，應(yīng)用R 3.6.1中的“plspm”包[32-33]，以稻秸、氮肥和地區(qū)為因素，以土壤pH、全氮、速效養(yǎng)分含量以及豆科綠肥地上部養(yǎng)分累積量和鮮草產(chǎn)量為潛在變量，構(gòu)建模型分析變量和潛在變量之間的多元關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸配施氮肥對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和地上部當(dāng)季氮素回收率的影響

與RS0N0處理相比，稻秸與氮肥配施處理(RS1N45和RS2N45)在鹽漬水稻土、紫色土和黃棕壤中分別提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量63.0%～66.0%、35.2%～53.8%和103.6%～117.1%。在鹽漬水稻土中，同一施氮水平下，添加稻秸均能提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量，所有處理以RS2N0鮮草產(chǎn)量最高；在稻秸翻壓量為RS1水平時(shí)，施氮顯著提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量。在紫色土中，添加稻秸提高同一氮素水平下的豆科綠肥鮮草產(chǎn)量，其中RS1N0處理鮮草產(chǎn)量最高。在黃棕壤中，不施氮條件下，RS2相較RS1鮮草產(chǎn)量降低，即增加稻秸用量反而降低了紫云英鮮草產(chǎn)量，所有處理以RS2N45的豆科綠肥鮮草產(chǎn)量最高(圖1a)。干草產(chǎn)量變化規(guī)律與鮮草產(chǎn)量一致 (圖1b)。

圖1 不同處理豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量Fig. 1 Fresh and hay biomass of leguminous green manures as affected by rice straw turnover and N application

2.2 稻秸配施氮肥對(duì)豆科綠肥地上部養(yǎng)分累積量的影響

2.2.1 氮素累積量 不同類型土壤上各處理豆科綠肥地上部氮素含量變化無明顯規(guī)律(圖2a)。與RS0N0處理相比，稻秸與氮肥配施處理在鹽漬水稻土、紫色土和黃棕壤中分別提高豆科綠肥地上部氮素累積量19.1%～41.5%、43.7%～67.2%和65.1%～70.5%。在鹽漬水稻土中，不同施氮水平均以稻秸翻壓量為RS2時(shí)的氮素累積量最高。在紫色土中，稻秸翻壓量為RS1時(shí)，施氮降低豆科綠肥地上部氮素累積量；RS1N0處理的豆科綠肥地上部氮素累積量最高，顯著高于RS0N45和RS1N45處理。在黃棕壤中，RS2N45處理的豆科綠肥地上部氮素累積量最高，顯著高于不施氮處理(圖2b)。

圖2 不同處理下豆科綠肥地上部氮素含量和累積量Fig. 2 Shoot N content and N accumulation of leguminous green manures as affected by returning rice straw and N application

2.2.2 磷素累積量 不同類型土壤上各處理豆科綠肥地上部磷素含量變化規(guī)律不明顯(圖3a)。與RS0N0處理相比，稻秸與氮肥配施處理在鹽漬水稻土、紫色土和黃棕壤中分別提高豆科綠肥地上部磷素累積量12.1%～68.9%、31.4%～57.3%和37.9%～45.3%。在鹽漬水稻土中，不施氮肥條件下，地上部磷素累積量隨稻秸添加量增加而增加；N45施氮水平下，隨稻秸添加量增加地上部磷素積累量先下降后上升；所有處理以RS2N0處理地上部磷素積累量最高。在紫色土中，不施氮條件下，地上部磷素累積量隨稻秸添加量增加先上升后下降；施氮條件下，隨稻秸添加量增加先下降后上升。在黃棕壤中，RS1N45與RS2N45處理的地上部磷素累積量顯著高于其他處理 (圖3b)。

圖3 不同處理豆科綠肥地上部磷素含量和累積量Fig. 3 Phosphorus content and accumulation in leguminous green manures as affected by straw turnover and N application

2.2.3 鉀素累積量 不同土壤上豆科綠肥地上部鉀素含量有明顯的變化規(guī)律(圖4a)。與RS0N0處理相比，稻秸與氮肥配施處理在鹽漬水稻土、紫色土和黃棕壤中分別提高豆科綠肥地上部鉀素累積量22.0%～58.7%、30.7%～35.0%和89.2%～102.9%。在鹽漬水稻土中，同一施氮水平下，地上部鉀素累積量隨稻秸添加量增加而增加，所有處理以RS2N0處理地上部鉀素累積量最高。在紫色土中，RS1N0處理地上部鉀素累積量顯著高于RS0N0和RS0N45處理。在黃棕壤中，RS1N45與RS2N45處理的豆科綠肥地上部鉀素累積量顯著高于其他處理(圖4b)。

圖4 不同處理豆科綠肥地上部鉀素含量和累積量Fig. 4 Shoot potassium content and accumulation in leguminous green manures as affected by straw turnover and N application

2.3 稻秸配施氮肥對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

鹽漬水稻土和紫色土為堿性土，pH范圍分別為7.61～7.74和7.65～7.94，黃棕壤為酸性土，土壤pH在4.86～5.05。在鹽漬水稻土中，半量稻秸還田增加了無機(jī)氮和有效磷含量，配合氮肥可進(jìn)一步增加土壤無機(jī)氮和有效磷含量；半量秸稈還田(RS1N0)顯著提高了土壤速效鉀含量，其他處理對(duì)土壤速效鉀含量無顯著影響。在紫色土中，施氮配合秸稈還田以及不施氮秸稈全量還田處理(RS1N45和RS2N45)增加了土壤無機(jī)氮含量，有效磷含量在所有處理下整體無顯著差異，土壤速效鉀含量除單施氮肥與對(duì)照無顯著差異外，其余處理均降低土壤有效鉀含量。在黃棕壤中，秸稈全量還田處理無論是否施用氮肥土壤無機(jī)氮含量均增加，不施氮條件下土壤有效磷含量在S2水平與對(duì)照沒有顯著差異，而S1水平以及施用氮肥后的RS1N45和RS2N45處理均顯著低于對(duì)照，在施和不施用氮肥時(shí)，秸稈全量還田均可維持土壤速效鉀含量不降低，而秸稈半量還田以及施氮后的3個(gè)處理的速效鉀含量顯著低于RS2N0處理(表2)。因此，鹽漬水稻土和紫色土不論是否施用氮肥，秸稈還田均可維持土壤無機(jī)氮、和有效磷含量，而在黃棕壤上，半量秸稈還田不施氮肥會(huì)降低土壤有效磷和速效鉀含量，但秸稈全量還田可以提高有效養(yǎng)分含量，且秸稈還田配合施用氮肥可以減少速效養(yǎng)分含量的降低。

表2 不同處理土壤化學(xué)性狀Table 2 Soil chemical property in different treatments

2.4 不同影響因子間的相互關(guān)系

偏最小二乘法路徑模型(PLS-PM)分析結(jié)果顯示，稻秸、氮肥處理及土壤類型對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量都有顯著正影響(P< 0.05)，以土壤類型的影響程度最大。不同土壤pH和全氮含量差異達(dá)極顯著水平(P< 0.01)。土壤pH、全氮和速效養(yǎng)分含量對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量均有極顯著影響(P< 0.01)，其中，土壤全氮為正影響，pH和速效養(yǎng)分含量為負(fù)影響。稻秸處理對(duì)豆科綠肥生物量和地上部氮、磷、鉀累積量均有極顯著正影響(P< 0.01)，氮肥處理僅對(duì)豆科綠肥生物量有極顯著正影響(圖5，P< 0.01)。

圖5 土壤性質(zhì)與豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和地上部氮、磷、鉀累積量的相關(guān)性Fig. 5 Correlation of soil properties with fresh biomass,N,P,and K accumulation in leguminous green manure shoots

3種土壤上稻秸還田對(duì)鮮草產(chǎn)量均有顯著正影響(P< 0.05)，只有黃棕壤上施用氮肥對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量有顯著影響，且效果大于稻秸處理(圖6)。

圖6 稻秸還田和施用氮肥對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和地上部氮、磷、鉀累積量的作用Fig. 6 Efeect of rice straw,N application on leguminous green manure cropfresh biomass and shoot N,P,and K accumulation in different experimental soils

3 討論

在我國(guó)南方稻田中，豆科綠肥的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)稻田減肥增產(chǎn)的重要措施[4,18,34]。研究表明，添加稻秸能顯著提高紫云英鮮草產(chǎn)量，且稻秸與化肥配施增產(chǎn)幅度大于稻秸單獨(dú)施用[18]，本研究結(jié)果與之相似，3種土壤類型中稻秸對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量均具有顯著正影響(圖1、圖6)。紫色土和黃棕壤上的研究結(jié)果顯示，不施用氮肥的情況下全量稻秸還田處理豆科綠肥鮮草產(chǎn)量低于秸稈半量還田處理，這可能是由于稻秸碳氮比較高，還田后出現(xiàn)了土壤微生物與作物爭(zhēng)氮的現(xiàn)象，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)和對(duì)氮素的吸收利用[23-24]。黃棕壤上研究結(jié)果表明氮肥處理相比稻秸對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量的影響更大，而在鹽漬水稻土和紫色土中，氮肥的作用效果不明顯(圖1、圖6)，這可能是由于安徽試驗(yàn)所用黃棕壤肥力相對(duì)較低(表1)，使得增施氮肥的效果更明顯，說明在低肥力的黃棕壤中施入氮肥能更好地促進(jìn)豆科綠肥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成[18]。稻秸還田條件下，適量添加氮肥可調(diào)節(jié)還田物料碳氮比，促進(jìn)稻秸的腐解，使其中的養(yǎng)分被作物充分利用[28]。在實(shí)際應(yīng)用中，稻秸還田時(shí)根據(jù)土壤類型和肥力合理調(diào)控氮肥用量是實(shí)現(xiàn)紫云英高產(chǎn)栽培和秸稈資源化利用的重要措施。

3種土壤類型在全量稻秸(6000 kg/hm2)與氮肥配施處理均有較高的豆科綠肥氮、磷、鉀素累積量和土壤無機(jī)氮含量，且稻秸和氮肥處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量均有顯著正影響(表2、圖5)。土壤速效鉀、有效磷和無機(jī)氮含量能夠很好地反映植物生長(zhǎng)過程中土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力，大量研究表明，秸稈還田配施化肥可提高土壤氮素和磷素含量[35]，增加土壤速效氮磷鉀的生物有效性[36-38]，并提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用效率[39-42]。紫色土中，不配施氮肥時(shí)，RS2N0較RS1N0明顯減少了地上部氮素累積量，可能是由于稻秸較高的碳氮比使其翻壓入土后固持土壤有效氮，并嚴(yán)重降低了該地土壤碳氮比，進(jìn)而影響了作物對(duì)氮的吸收[23-24]，而在鹽漬水稻土和黃棕壤中隨稻秸添加量增加地上部氮素積累量增加。單獨(dú)添加稻秸條件下，紫色土的豆科綠肥地上部磷和鉀素累積量RS1N0處理高于RS2N0處理，可能是由稻秸較高碳氮比造成鮮草產(chǎn)量下降引起的，土壤速效鉀含量變化規(guī)律與鉀素累積量相反，驗(yàn)證了土壤速效養(yǎng)分含量在作物生長(zhǎng)中的作用，但土壤有效磷含量變化趨勢(shì)與地上部磷素累積量相似，可能是由于該試驗(yàn)紫色土有效磷含量較低(表2)。有研究發(fā)現(xiàn)，豆科綠肥在缺磷條件下會(huì)分泌出大量酸性磷酸酶和有機(jī)酸，促進(jìn)土壤磷活化、增加土壤磷有效性，釋放出作物可吸收的無機(jī)磷，而生物量大根系生長(zhǎng)越旺盛的植株使土壤中被活化的磷就越多[43-44]。

綜上所述，在肥力較高的水稻鹽漬土和紫色土中，添加稻秸對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和養(yǎng)分累積量有較大影響，施低量氮肥的影響較??；而在低肥力黃棕壤條件下，施氮和添加稻秸對(duì)豆科綠肥鮮草產(chǎn)量均有較大影響。因不同地區(qū)的主栽豆科綠肥品種和氣候條件不同，且本研究采取的盆栽試驗(yàn)，其作物生長(zhǎng)條件與田間實(shí)際情況有較大差異，因此仍需通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證各地豆科綠肥高產(chǎn)栽培的最優(yōu)施肥配比。

4 結(jié)論

稻秸還田不同程度地促進(jìn)了豆科綠肥對(duì)土壤速效養(yǎng)分的吸收，提高了豆科綠肥鮮草產(chǎn)量和地上部氮磷鉀累積量。在肥力較高的鹽漬水稻土和紫色土上，稻秸全量還田可顯著增加豆科綠肥的鮮草產(chǎn)量，配施少量氮肥沒有顯示出進(jìn)一步的增產(chǎn)效果。在肥力較低的黃棕壤上，半量(3000 kg/hm2)和全量(6000 kg/hm2)稻秸還田均可顯著提高豆科綠肥鮮草產(chǎn)量，但相對(duì)半量還田，全量還田需配施氮肥才可充分發(fā)揮稻秸還田的增產(chǎn)效果，并緩解土壤中有效養(yǎng)分含量的下降。